黃河泛濫決口頻率與歷史氣候變化相關(guān)性分析

馬良 馮珺 馬睿

摘 要：使用HHT時間序列分析方法研究了過去2 000 a氣候變化與黃河下游泛濫決口頻率的關(guān)系，可以將其分為3個階段：公元0—800年（隋唐前期以及之前），800—1000年（隋唐后期以及北宋前期），1000—2000年（北宋后期至今）。第1階段內(nèi)，黃河的泛濫決口頻率幾乎不受氣溫變化的影響。第2階段內(nèi)，天然植被破壞導(dǎo)致入黃沙量增加，泛濫決口頻率升高，泛濫決口頻率與氣溫正相關(guān)。第3階段內(nèi)，泛濫決口頻率進(jìn)一步升高，并且泛濫決口頻率與氣溫存在明顯負(fù)相關(guān)性，氣溫越低，泛濫決口頻率越高，主要原因是：暖濕期，水量增大，河槽展寬，行洪能力強(qiáng)，不易發(fā)生決口;干冷期，水量減小，河槽萎縮，即使遇到水量不大的洪水，也極有可能發(fā)生泛濫決口。未來30 a黃河中游地區(qū)的平均地面溫度將持續(xù)升高，年降水量呈增加趨勢。未來暖期泛濫決口頻率較小，有利于開展大型長期的河道整治活動：一方面加強(qiáng)黃河中游產(chǎn)沙區(qū)水土保持;另一方面通過水庫聯(lián)合調(diào)度，利用人造洪水沖刷河槽，盡量增加河槽過流面積，提高行洪能力，以防在下一個冷期中因河槽萎縮和極端洪水而造成潰決的嚴(yán)重后果。

關(guān)鍵詞：HHT分析;泛濫決口;氣候變化;溫度變化;趨勢變化;黃河下游

中圖分類號：TV122+.2;TV882.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.007

Abstract： The relationship between the bank-breaching frequency of the lower Yellow River and climate change in the past 2 000 years was studied by Hilbert-Huang transform （HHT） method. This relationship could be divided into three stages： 0-800AD （Early and before the Sui and Tang Dynasties）; 800AD-1000AD （Later Sui and Tang Dynasties and Early Northern Song Dynasty）; 1000AD-Now （After Northern Song Dynasty）. In the first stage， the bank-breaching frequency of the lower Yellow River was hardly affected by climate change. In the second stage， the bank-breaching frequency of the lower Yellow River was increasing because of vegetation destruction and at the same time it rose with the increase of the temperature. The second stage could be seen as the transition stage of the first and the third stages. In the third stage， the bank-breaching frequency of the lower Yellow River continued to grow. There was a significant negative correlation between the bank-breaching frequency and the temperature change. It could be explained by the Yellow River channel became shrunk during dry and cold periods so that when large flood came， bank-breaching was more likely to occur. In the next 30 years， the temperature of the middle Yellow River basin would keep on increasing. Precipitation was expected to increasing with less extent. The bank-breaching frequency would decrease in the future warm and humid climate， it was conductive to large-scale river regulation project. With the increasing of precipitation， the water and soil conservation could be enhanced on one hand; on the other hand， man-made-flood by reservoir cooperation dispatch could be used to broaden the channel. These measures could prevent serious consequences due to channel shrinkage and extreme floods in the next cold and dry period.

Key words： Hilbert-Huang transform （HHT） method; bank-breaching; climate change; temperature change; future trend; Lower Yellow River

圖2為過去2 000 a旱澇序列的EEMD分解。從IMF的分量c5可以看出，旱澇在50 a分辨率的尺度內(nèi)幾乎不會同時發(fā)生，從c6的變化可以看出發(fā)生澇的時間略滯后于旱。將c5、c6及r相加，可以看出：華北地區(qū)的重大干旱相對多發(fā)時段分別出現(xiàn)在公元1世紀(jì)的后半葉至4世紀(jì)、6世紀(jì)后半葉至10世紀(jì)、17世紀(jì)前上半葉及19世紀(jì)后半葉等時段。重大雨澇相對多發(fā)時段分別出現(xiàn)在公元2世紀(jì)、5世紀(jì)后半葉至8世紀(jì)、10至11世紀(jì)及15世紀(jì)后半葉。重大旱、澇發(fā)生總年數(shù)最高的時段分別出現(xiàn)在公元2世紀(jì)上半葉、6世紀(jì)后半葉至8世紀(jì)后半葉、17世紀(jì)至19世紀(jì)后半葉。

圖3為過去2 000 a黃河中下游泛決頻率的EEMD分解。從圖3中c5+c6+r的變化可以看出，在0—800年黃河下游的泛決頻率很低，從800年以后開始不斷增長，并在1650年前后（明清時期）達(dá)到峰值，從1650年至今一直處于下降趨勢，自中華人民共和國成立以來，黃河下游沒有發(fā)生過泛濫決口災(zāi)害。

3 氣候變化與黃河泛濫決口頻率的關(guān)系

關(guān)于氣候變化與黃河下游泛濫決口頻率的關(guān)系，前人已進(jìn)行了一些研究。如許炯心[7]分析了利用秦嶺華山松年輪指數(shù)建立的溫度變化曲線與黃河下游泛濫決口頻率之間的關(guān)系，認(rèn)為1500—1850年，溫度與黃河泛決頻率的變化趨勢相反，即溫度越高泛決頻率越低，反之則頻率越高;1850年以后人類活動和政權(quán)制度對黃河泛決的影響處于主要地位，雖然氣溫升高，黃河泛決頻率反而急劇升高。王英杰[21]將歷史上黃河下游26次大改道發(fā)生的年份與氣候變化進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)黃河下游較大的改道都發(fā)生在氣候的冷暖轉(zhuǎn)折期或較冷的時期。陳蘊(yùn)真[11]對黃河泛濫決口原因作了全面的分析，認(rèn)為氣溫主要通過影響土地利用類型與土壤侵蝕來影響黃河泛決頻率，當(dāng)畜牧業(yè)占據(jù)黃河中游絕大部分區(qū)域時，土壤侵蝕較弱，泛決頻率相應(yīng)較低。

將溫度以及泛濫決口頻率放在一起進(jìn)行EEMD分解，見圖4;再對EEMD分解的趨勢項(xiàng)分量r作相關(guān)性分析，見圖5。從圖4中c5+c6+r及圖5中可以看出，在過去2 000 a中，黃河泛濫決口與氣溫之間的關(guān)系可以劃分為如下3個階段。

（1）公元0—800年，安穩(wěn)期。東漢明帝十二年（公元69年），在寬河固堤的思想指導(dǎo)下，我國歷史上著名的治河專家王景帶領(lǐng)數(shù)十萬名河工對黃河下游河段予以大規(guī)模的整修，修固堤防千余里，僅一年時間就取得輝煌成績。從此以后，黃河進(jìn)入了長期安流階段，從這一年一直到隋代500多a中，有記載的河患只有4次。600—800年期間，雖然泛濫決口次數(shù)明顯上升，但仍保持在較低的水平上。但也有專家不同意這個觀點(diǎn)，王涌泉等[22]認(rèn)為即使以當(dāng)代治黃水平，在上、中游修建一系列控制工程和進(jìn)行大量水土保持工作，下游大面積修堤固堤的情況下，才能達(dá)到防御現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的洪水不決口，而王景一次治河，就使黃河千年無恙，顯然過于夸張。譚其驤[3]則認(rèn)為這800 a的安穩(wěn)期是由于山陜峽谷流域和汾水、涑水流域的土地利用主要以狩獵和畜牧為主，這兩種土地利用方式對于水土保持有利。

在這一階段，氣溫經(jīng)歷了兩個暖期和一個冷期，但河患卻一直維持在很低的頻率上，河流泛濫決口頻率與氣溫變化之間沒有明顯相關(guān)性。結(jié)合以上兩種說法，可能在這個時期內(nèi)，氣溫變化對山陜峽谷流域和汾水、涑水流域植被覆蓋的影響不大，加之采取寬河治理的策略，共同造就了黃河近800 a的安穩(wěn)期。

（2）800—1000年，河患次數(shù)較之前顯著增加，氣溫處于一個冷期的后部，氣溫不斷升高。河流泛濫決口頻率與氣溫成正相關(guān)關(guān)系，泛濫決口頻率隨著氣溫的升高而升高。

（3）1000—2000年，黃河的泛濫決口頻率大幅度提高并在明清時期達(dá)到頂峰，氣溫經(jīng)歷了一個暖期和一個冷期。此階段黃河的泛濫決口頻率與氣溫的負(fù)相關(guān)性明顯，在氣溫達(dá)到頂峰的同時（1200年），黃河的泛濫決口頻率降到了最低，而黃河泛濫決口頻率最高的時期也恰恰是最冷的時期。

黃河善決善徙的兩個根本原因在于降水集中在夏秋季，尤其是夏季，河水挾帶大量的泥沙。有記載的泛濫決口雖然主要發(fā)生在下游，其洪水泥沙則主要來自中游。譚其驤[3]研究了黃河中游地區(qū)農(nóng)牧變遷的歷史史實(shí)以后，認(rèn)為黃河河患之所以古少今多，其關(guān)鍵就在于中游地區(qū)的植被是否良好。也就是說，黃河安流或決口泛濫與否顯然同中游地區(qū)植被的破壞程度密切相關(guān)，而植被覆蓋情況是氣候與人類活動共同作用的結(jié)果，換句話說就是黃河的泛濫決口頻率是由氣候與人類活動共同決定的。

第1階段為公元0—800年。黃河流域的氣溫冷暖、干濕狀況都發(fā)生著巨大的波動[23]。這個時期也是黃河流域內(nèi)朝代更迭和戰(zhàn)爭最頻發(fā)的時期，黃河中游農(nóng)牧分界線大幅南北遷移[24]。公元1—2世紀(jì)，大規(guī)模的“羌亂”和較小規(guī)模的匈奴“反叛”、鮮卑“寇擾”幾乎沒有停止過，黃河中游地區(qū)的漢族人口逐漸減少，胡羌人口急劇增長，相應(yīng)的耕地面積減小，而用于畜牧業(yè)的草場面積大大增加。黃河中游土地利用類型的改變，使得下游的洪水量和泥沙量都大為減小，因此黃河在前500 a中基本處于安流狀態(tài)。5世紀(jì)中后期氣候轉(zhuǎn)暖，游牧民族逐漸漢化。6世紀(jì)末建立了統(tǒng)一的隋唐帝國，漢族再次強(qiáng)大起來，黃河中游地區(qū)農(nóng)耕業(yè)比重擴(kuò)大，水土流失較之前稍微嚴(yán)重，因此泛濫決口頻率有微小的提高。

第2階段為800—1000年，因時間較短，可以看作第1階段到第3階段的過渡段。

第3階段是1000—2000年。宋代是中國封建歷史上商品經(jīng)濟(jì)、文化教育、科學(xué)創(chuàng)新高度繁榮的時代。在農(nóng)耕業(yè)上主要表現(xiàn)為，引進(jìn)優(yōu)良農(nóng)業(yè)品種，使用先進(jìn)農(nóng)耕工具，創(chuàng)建合理的土地田畝制度。在黃河中游的黃土高原，不僅平坦的塬、峁、梁的頂部和河谷地被盡數(shù)開墾，緩坡和陡坡也被充分開墾[11]。隨著植被破壞，陡坡失去了保護(hù)，黃河中游水土流失強(qiáng)度急劇提高，產(chǎn)沙量大增。又因?yàn)閲υ鰪?qiáng)，治河能力提升，黃河下游進(jìn)入了一個愈決愈堵、愈堵愈決的循環(huán)當(dāng)中。因此，在之后的800 a里，黃河的泛濫決口頻率不斷上升，但在升高的過程中又與氣溫成負(fù)相關(guān)關(guān)系。要解釋這個現(xiàn)象，首先要搞清溫度與降水的關(guān)系。我國秦嶺—淮河以北地區(qū)，主要包括華北平原、黃土高原和東北平原，冬季受來自高緯內(nèi)陸蒙古西伯利亞高壓中心的西北季風(fēng)影響，盛行極地大陸氣團(tuán);夏季受極地海洋氣團(tuán)或變性熱帶海洋氣團(tuán)影響，盛行東南季風(fēng)，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是雨熱同期。鄭景云等[16]分析了101—1900年間中國東部每200 a的干濕分析及其變化狀況（見表1），認(rèn)為在暖的時期，干濕分界線偏西，最西達(dá)大同—太原—西安—漢中一線;在相對較冷的時期，干濕分界線偏向東南，達(dá)濟(jì)南—菏澤—南陽一線。冷期，華北地區(qū)偏干，長江中下游及其以南地區(qū)偏濕;暖期，華北地區(qū)濕潤，華東地區(qū)，特別是長江下游及其以南地區(qū)偏干。因此，在1000—1400年的暖期，黃河中下游降水較豐沛，河槽展寬，即使出現(xiàn)大水，潰決的可能性也比較小。而1400—1800年之間，氣候干冷，入黃水量減小，黃河下游河道基本不會漫灘，所以河槽淤積較快，而灘地不會淤高，從而導(dǎo)致過流斷面減小，河床發(fā)生萎縮，行洪能力大大降低。一旦出現(xiàn)水澇災(zāi)害，即使水量不大，也極易發(fā)生決溢，出現(xiàn)“小水大災(zāi)”的現(xiàn)象。在圖6中可以看出，當(dāng)極旱與極澇現(xiàn)象發(fā)生頻率都很高時（1650年前后），黃河下游泛濫決口的頻率達(dá)到了峰值。

4 未來黃河中下游泛濫決口頻率預(yù)測

20世紀(jì)全球氣候變暖是當(dāng)今氣候研究的熱點(diǎn)，近百年來全球平均氣溫上升了0.3～0.6 ℃[25-26]。閆冠華等[27]利用1951—2006年中國氣象臺站日平均觀測資料對北方農(nóng)牧帶過去56 a氣候變化特征進(jìn)行了分析，并對未來30 a的氣候變化進(jìn)行了預(yù)估。結(jié)果表明：未來該區(qū)的平均地面溫度持續(xù)升高，升溫幅度約為0.3 ℃，年降水量呈增加趨勢，但增加幅度較小，且降水變化具有明顯的季節(jié)和地域差異，未來黃河中游地區(qū)干旱的威脅仍十分嚴(yán)峻。為了定量分析溫度升高對泛濫決口頻率的影響，對將Δx=0.1代入近1 000 a黃河下游泛濫決口頻率與溫度的變化趨勢方程：

y=-2 447.6x2-913.66x-60.801

可得Δy/y=74.65%，即溫度每升高0.1 ℃，泛濫決口的次數(shù)較之從前下降74.65%?？梢钥闯?，未來的暖期泛濫決口頻率較小，有利于開展大型長期的河道整治活動。在溫度升高、降水沒有顯著增加的情況下，黃河中游徑流量可能進(jìn)一步減小，因此防止河槽萎縮就成為近期河道整治的主要目標(biāo)。可以通過水庫聯(lián)合調(diào)度，人為制造一些漫灘洪水，刷槽淤灘，盡量增加河槽過流面積，提高行洪能力，以防在下一個冷期中因河槽萎縮和極端洪水災(zāi)害造成潰決的嚴(yán)重后果。

5 結(jié) 論

將黃河下游的泛濫決口頻率作為泥沙災(zāi)害嚴(yán)重程度的代表，通過HHT分析，研究了長時間序列的氣候變化與黃河泥沙災(zāi)害之間的關(guān)系，得到如下結(jié)論。

（1）氣候變化與黃河下游泛濫決口頻率的關(guān)系可以分為3個階段：公元0—800年（隋唐前期以及之前），800—1000年（隋唐后期以及北宋前期），1000—2000年（北宋后期至今）。

（2）第1階段內(nèi)，溫度變化對山陜峽谷流域和汾水、涑水流域植被覆蓋的影響不大，黃河泛濫決口頻率幾乎不受氣溫變化的影響。第2階段內(nèi)，天然植被破壞導(dǎo)致入黃沙量增加，泛濫決口頻率升高，泛濫決口頻率與氣溫正相關(guān)，可看做第1與第3階段的過渡階段。第3階段內(nèi)，泛濫決口頻率進(jìn)一步升高，并且泛濫決口頻率與氣溫變化存在明顯負(fù)相關(guān)性，溫度越低，泛決頻率越高，主要原因是：暖濕期，水量增加，河槽展寬，行洪能力強(qiáng)，不易發(fā)生決口;干冷期，水量減小，河槽萎縮，即使遇到水量不大的洪水，也極有可能發(fā)生泛濫決口。黃河泛濫決口是人類活動與氣候變化共同作用的結(jié)果。

（3）未來30 a黃河中游地區(qū)的平均地面溫度將持續(xù)升高，年降水量呈增加趨勢。未來的暖期泛濫決口的頻率較小，有利于開展大型長期的河道整治活動。一方面加強(qiáng)黃河中游產(chǎn)沙區(qū)的水土保持;另一方面通過水庫聯(lián)合調(diào)度，人為制造一些漫灘洪水，刷槽淤灘，盡量增加河槽過流面積，提高行洪能力，以防在下一個冷期中因河槽萎縮和極端洪水災(zāi)害造成潰決的嚴(yán)重后果。

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