近200年来渭河流域干旱洪涝事件特征

刘引鸽, 胡浩楠, 周欢欢, 郑润禾, 龙 颜

(宝鸡文理学院 地理与环境学院, 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室, 陕西 宝鸡 721013)

随着全球变化速度加快，气候变化研究成为国内外学者关注的焦点。历史气候、近百年气候变化研究是国际气候变率与可预报性计划的重要内容之一，尤其是历史时期及百年旱涝变化成为学者们研究的热点问题，并取得了一定研究成果，如采用古环境信息提取气候和水文要素资料对大兴安岭冬季的降水重建[1-2]，对扎曲河流域[3]、新疆乌鲁木齐河山区流域[4-5]、黑河流域[6-7]、黄河一级支流湟水河及黄河上游[8-10]、陕西关中周边[11-13]等地区的气温、降水及径流重建，分析其变化特征。采用洞穴石笋的δ18O和δ13C对百年以来古气候和古环境重建以反映季风强弱、降雨和温度的变化[14]，采用沉积学及光释光测年对汉江、千河洪水事件对气候变化响应进行研究。这些研究主要针对东部地区、黄河流域以及新疆地区的气候要素序列重建，并研究其气候变化特征。近60 a来渭河流域降水量与径流量的变化及其水文要素对气候变化响应研究也取得了一定成果[15-17]。但是渭河流域百年尺度的气候变化及其水文影响研究甚少。历史气候变化序列定量估计还处于发展探索阶段，如何融合多源数据以得到高质量、长序列的历史气象资料，重建高精度和高分辨率的区域干旱、洪水事件等资料序列，定量分析百年尺度区域气候变化及其对水文事件影响的时空变化格局，揭示过去气候变化特征及人类的响应机理，显得非常重要。渭河是黄河的最大支流，随着气候变暖以及人类活动影响，极端旱涝事件频率和强度增大，对该流域水资源和区域经济发展产生重大影响。为此，研究近200年来渭河流域旱涝事件的气候变化特征，为认识过去、现在与将来区域气候变化及预测，以及未来人类适应气候变化提供科学依据，对区域水资源规划管理及防灾减灾具有重要意义。

1 数据来源及方法

1.1 数据来源

渭河流域属暖温带半干旱气候区，受季风气候影响，降水及径流量季节变化明显，多年平均降水量572 mm,径流量75.7亿m3，且时空分布不均，水旱灾害危害严重。渭河为黄河最大支流发源于甘肃省定西市渭源县，流经甘肃天水、陕西宝鸡、咸阳、西安和渭南等地，至渭南市潼关入黄河。因此，本研究选取具有代表性的渭河干流流域的60个县作为研究地区进行数据收集。1813—2017年旱涝灾害历史文献数据信息来源于该区域有记载的旱涝灾害记录，包括《陕西省志水利志》[18]、《西北灾荒史》[19]、《陇县志》[20]、《中国气象灾害大典·甘肃卷》[21]、《中国气象灾害大典·陕西卷》[22]、《中国三千年气象记录总集》[23]、《陕西历史自然灾害简要纪实》[24]、《凤翔县志》[25]、2000年以后的数据来源于各市做出的气象观测资料、气候公报及当年的气候影响评价。

1.2 旱涝序列重建依据及方法

1.2.1 旱涝等级重建依据 通过历史文献记载，采用典型用语，参考《气象干旱等级》(GB/T 20481—2006)国家标准、《气象灾情收集上报调查和评估试行规定》、《中华人民共和国共和国水利行业标准—洪涝灾情评估标准》(SL579～2012)，借鉴标准化降水指标SPI[26-27]，将定性的单站记载转化为定量的旱涝等级，重建旱涝等级序列，本文采用7级划分标准，具体标准见表1。

1.2.2 旱涝指数序列重建方法 在界定灾害等级时，需要考虑单个站点水旱灾害程度，还要结合渭河沿岸地区实际情况，同时要考虑同一研究区多个站点都发生同一种灾害的情况。据此建立水旱灾害指数计算公式：

式中：σ代表旱涝指数；a，b，c分别为研究区内重大水灾、中度水灾与轻度水灾的站点数；d代表研究区内正常的站点数；e，f，g分别为研究区内轻度旱灾、中度旱灾、重大旱灾的站点数；∂为研究区内受灾站点个数；t为正常无灾等级值。采用此公式计算1813—2017年旱涝指数，建立旱涝指数序列。

小波分析是一种具有时频多分辨功能的多尺度分析工具，适用于分析时间序列变化特性，因此，采用小波分析法判断旱涝周期。滑动t检验可以通过两组样本平均值是否有显著差异来判别是否存在突变，采用此方法检测旱涝突变特征。运用Origin，Matlab，DPS，ArcGIS等软件对数据进行处理，分析渭河流域的旱涝变化特征。

2 旱涝序列重建及变化特征

2.1 旱涝年变化序列重建及特征

根据旱涝灾害等级标准(表1)建立了渭河流域旱涝等级序列(图1)、旱涝指数序列(图2)和旱涝年统计(表2)。可以看出，200年来，渭河流域共发生水旱灾害111次，水灾和旱灾分别发生了55次和36次，其中发生最多的为轻度旱灾，平均每7.1年一遇，发生次数最少的为重大涝灾及重大旱灾，分别为平均每28.6年和28.3年一遇，同一年内水旱灾害交替出现计20次，平均9.7年一遇。1813—1833年由涝转旱，尤其在1833年左右旱灾较严重。1880年后曲线波动下降，在1880年出现最低，虽有旱灾但程度较小，表明这一时期逐渐由旱转涝。前100年渭河流域先旱后涝，而后100年表现为先涝后旱，尤其1921年、1937年、1979年水灾指数最大，自1946年后渭河流域旱灾发生频率逐渐增多。旱涝发生频率由高到低依次为：轻度旱灾>中度旱灾>轻度涝灾>旱涝交替>中度涝灾>重大涝灾及重大旱灾。1833—1880年、1914—1933年为中度和重大旱灾的多发期，1894—1910年、1933—1939年为中度和重大涝灾多发阶段。1964年以后水旱交替显著，水灾旱灾短期内交替发生。

为了分析不同阶段渭河流域旱涝灾害发生频率，按30 a统计各类灾害情况(图3)。可以看出，1874—1903年、1934—1963年段发生旱涝的频率较大，1844—1873年、1964—1983年发生旱涝的次数较少。而1984—2000年旱灾发生的频率最大，1874—1903年涝灾发生次数最大，1813—1843年旱涝交替发生的次数最多，1903年后涝灾发生的次数逐渐减少，旱灾波动增加。

由中央气象局气象科学研究院主编的《中国近500年旱涝分布图集》[28]可反映过去500年来我国旱涝灾害变化，作为代用指标参考被广泛引用。采用图集中西安站旱涝等级序列与重建的西安旱涝等级序列做5 a滑动平均处理(图4)。对比分析发现，两曲线走向趋势较吻合，呈现波峰/波谷与波峰/波谷相对，有很高的拟合程度，表明本方法建立的旱涝序列比较符合实际。

表1 旱涝灾害等级标准划分依据

2.2 旱涝季节特征

根据统计，1813—2017年史料水旱灾害无季节记载的年份共计28 a，有明确记载的水旱灾发生年份共计177年(某年发生水灾、旱灾或该年水旱灾害均有记载)，按照季节统计渭河旱涝(图5)。可以看出，渭河流域夏季旱涝发生最多分别为59，55次，其次为秋季，冬季最少。发生频次依次为夏>秋>春>冬，连旱以春夏秋三季为主，连涝以夏秋两季为主，春夏秋冬四季皆有旱灾发生了2次。旱涝的这种季节特征与季风气候的波动密切相关[29-30]。渭河流域地处西北地区东部边缘，位于季风气候向大陆气候过渡地带，夏季风变化影响使夏季旱涝灾害发生较多。冬季受温带大陆气团影响，气候寒冷干燥，旱涝发生较少。春秋两季处在冬夏季风交替的过渡期，致使春季迅速升温，雨量减少，秋季降温迅速阴雨连绵，使得关中地区成为秋季连阴雨较多的地区之一。

图1 1813-2017年渭河流域旱涝灾害等级序列

图2 1813-2017年渭河流域旱涝灾害指数序列

表2 渭河流域地区旱涝灾害统计

2.3 旱涝空间特征

图6为近200年渭河旱涝发生频数空间分布，可以看出，该区域内渭南旱灾发生频率最高，达75次，西安、咸阳旱灾发生频率均在60次以上，天水和铜川次之，频率在40～60次之间,而上游的渭源旱灾频率较低，仅发生了13次。涝灾以西安、渭南发生频率最高，分别为43次和50次,其次为天水、宝鸡、咸阳，发生水灾次数介于20～30之间,渭源和铜川水灾发生频次较少，次数均在10次以下。有研究指出，近200年来人类活动直接和间接对径流造成影响，也使得径流量显著下降[31-34]，渭河流域潜在蒸发量增幅趋势明显[35]。渭河流域水旱灾害在各地区分布不同，可能是渭河径流年内分配不均，年际丰枯震荡造成的。

图3 渭河流域各阶段旱涝发生频次 图4 图集西安站点旱涝等级序列与渭河流域地区旱涝序列对比

图5 渭河流域旱涝季节变化

2.4 旱涝周期及突变

运用MATLAB对旱涝序列进行小波分析(图7)，从小波实部图可以看出，大多正负值中心均分布于25 a频域下方，说明渭河水旱灾害周期变化以中小周期震动明显，且水旱灾害交替出现。小波方差图可以用来确定水旱灾害序列的主周期，反映出峰值分别在5～7 a，10～11 a，18～20 a，60 a和105～110 a出现，在110 a处左右的周期震荡最强，为第一主周期，第二主周期60 a,第三主周期20 a。尤其是主周期与太阳活动周期[36]关系密切。有研究[37]提出黄河中游旱涝变化存在20～35 a，60～80 a，110～120 a等特征，说明渭河流域与黄河中游洪涝灾害变化的步调基本一致。

图6 渭河流域地区水旱灾害空间分布

图7 近200年来渭河流域旱涝小波分析实部及方差

为了分析渭河流域旱涝主要周期阶段的变化特征，分别选择20 a，60 a，105 a时间尺度，并在百年周期下进行旱涝灾害突变对比分析。根据方差检验结果，给出小波系数(图8)。可以看出，1813—1900年的近100年中，在100年时间尺度上经历了1个周期水—旱变化，其中1819—1853年为水灾阶段，1853—1889年为旱灾阶段。在60年尺度上共经历了2个周期水—旱变化，1827—1847年、1871—1890年为旱灾阶段，1813—1827年、1847—1870年为水灾阶段。在20年时间尺度上共经历7.5个周期水—旱变化：1813—1816年、1820—1825年、1832—1837年、1844—1850年、1855—1860年、1863—1870年、1876—1881年、1889—1895年为旱灾阶段，其余为水灾阶段。

1900—2017年的100年中，在105年尺度上经历了1.25个周期的水—旱变化，大致分布为1930—1969年、2008—2017年两个旱灾阶段和1900—1929年、1970—2007年两个水灾阶段。在60 年尺度上共经历了3个周期水—旱变化：1911—1930年、1950—1967年、1985—2004年为旱灾阶段，1900—1911年、1931—1949年、2004—2017年为水灾阶段。在20 年时间尺度上共经历了10个周期水—旱变化：1902—1908年、1914—1920年、1927—1933年、1939—1945年、1951—1954年、1959—1965年、1971—1977年、1982—1988年、1994—2001年、2008—2015年为旱灾阶段，其余为水灾阶段。随时间尺度缩小，水旱灾害突变显得频繁，波动频率会增大。

使用DPS数据处理系统对近200年来渭河流域地区水旱灾害数据进行滑动t检验，达到95%置信水平以上，分析渭河流域旱涝突变特征。由(图9A)可以看出，在前100年尺度(1813—1900)有5个突变点，分别是1825年、1826年、1979年、1880年及1881年，共3个突变年代。由图9B也可以看出，在后100多年尺度(1901—2017)，也存在5个突变点，分别是1913年、1914年、1915年、1933年及1982年，3个年代发生突变。结合图8分析，可得到较为可信的突变年份，分别为1825年(旱→涝)、1881年(旱→涝)、1914年(涝→旱)、1933年(旱→涝)、1982年(涝→旱)。突变的发生与气候环境变化可能相关。

图8 近200年渭河流域旱涝不同尺度小波系数

图9 1813-2017年渭河流域地区旱涝突变滑动t检验

3 结 论

(1) 渭河旱涝灾害表现出年季变化特征和阶段性特征。19世纪80年代以偏涝为主，19世纪后以偏旱为主。1860—1890年、2000—2017年涝灾有上升趋势，1964—2000年旱灾有上升趋势，水旱交替近200年来有下降趋势。水旱灾害发生频率最高的是轻度旱灾，发生频率最低的是重大水灾及重大旱灾。旱灾以夏季为主，涝灾以夏秋为主，春夏秋连旱多发。

(2) 渭河流域旱涝具有长周期与短周期的变化特征。震荡最强的周期为110 a，且中小周期震动明显，在百年尺度、60 a尺度以及20 a尺度的旱涝周期不同。旱涝也具有突变性，在近200年存在5个显著突变年份。

(3) 渭河流域旱涝空间差异明显。在空间分布上，近200年以来渭河流域下游的渭南地区旱灾和涝灾发生频率最高，上游的渭源地区旱灾频率最小，中游的西安、宝鸡旱涝灾发生频率居中，其他区域旱涝发生频率相对较少。