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近70年北京地区枯水年的分布研究

2021-09-15北京市新英才学校郭宗胜肖若萱朱未冉陈鼎琦陆颖文洪佳熠

区域治理 2021年13期
关键词:旱情降水量北京

北京市新英才学校 郭宗胜,肖若萱,朱未冉,陈鼎琦,陆颖文,洪佳熠

一、研究源起

作为温榆河绿色生态走廊中的一员,北京市新英才学校2019年启动了《家在温榆河》探索式课题研究项目,旨在以活动为载体,融汇交叉学科,促进教师与学生的合作与成长[5]。数学组带领学生承担的课题是“大数据背景下的温榆河”。在一期研究中[4],通过对30年的数据分析发现,温榆河流域降水量与径流量具有2-3年短周期升降的现象,而且这些峰值与中国五运六气的周期律中的关键年有很好的契合。但是在谷值也就是枯水年的分析中,在统计学中不具有显著性,也就是与五运六气的相关年契合度不高。

我们认为除了枯水年影响因素的复杂性之外,还有原因便是分析的数据量不足,以及选取的统计量不合适。因此在二期研究中一方面进行了北京70年的水利历史调研,以枯水年为主,发掘研究的灵感,寻找年度的分布规律性,另一方面从北京水务局调取了70年的数据进行更充分的分析。

二、研究背景

运气学说,是《黄帝内经》中记载的中国古代研究天时变化规律,以及天时气候变化对人类、生物影响的学科。其以天人相应的思想为指导,以天干地支符号推求气运变化,认为自然气候存在着五运的十年周期,以及六气的六年周期模式。

其中五运中甲己年为土运,主湿气,甲年为太过,己年为不足;乙庚年为金运,主燥气,收敛肃杀,庚年为太过,乙年为不及;丁壬年为木运,主风燥气,壬年为太过年,丁年为不及;丙辛年为水年,主雨主寒,丙年为太过,辛年为不及;戊癸年为火年,主火主热,戊年为太过,癸年为不及。以上是从主要方面抓住大运来说的,除此之外,一年中还有主运客运五个阶段的辩证分析。六气模式中宏观上可以从司天之气和在泉之气分析。比如,巳亥年是厥阴风木司天,子午年是少阴君火司天,丑未年是太阴湿土司天,寅申年为少阳相火司天,卯酉年是阳明燥金司天,辰戌年是太阳寒水司天。除此之外,还涉及主气客气,运与气的辩证分析。

《黄帝内经》的五运六气系统是个复杂的辩证的动态多因子系统[7]。本研究中所呈现的关联性仅仅是理论系统的一个很小维度,希望读者谅解。

三、数据与资料

本次数据分析主要采用了从北京市水务局提取的1950年到2019年共计70年的数据,涉及北京市年平均降水量、北京市地表水资源总量、温榆河年平均径流量、温榆河流域年平均降水量等。同时参考了《北京水利志稿(第二卷)》附录中的“中华人民共和国成立后北京地区年降水量统计表”以及“北京站历年降水量表(1724-1949)”[3-4]。

研究过程中采用了统计软件IBMspss23.0,和Python3.8编程语言的matplotlib模块,使用的方法是比较分析法和统计分析法。首先对数据进行单样本的柯尔莫哥罗夫·斯米诺夫的非参数分析,确定数据满足正态分布。

历史调研的书籍主要有《北京水利志稿》《北京气候志》《水惠京华——北京水利五十年》《北京水旱灾害》《北京旱情与对策》《北京水利史》(吴文涛著)《北京水史》《循环水务的理论与实践》《当代北京饮用水史话》等。

四、研究方法

(一)历史调研:走进北京70年的水历史

历史调研旨在梳理降水的年度事件,发现一些关键细节,尤其是关注重大旱情事件[2]。当然我们也辩证了水资源缺乏、干旱与自然降水的关系。

我们认为,二者与自然降水都具有直接相关性,但是又不是决定相关性,尤其在城市化、工业化的社会模式。就北京来说,当今的北京普遍被认为水资源匮乏,尤其是按人均水资源占有量来说。令人惊叹的,北京是世界上少有的主要依赖自然降水的大型城市。据专家考证,历史上的北京曾经森林茂密、风调雨顺,随着元明清都城的建设,地面生态环境发生了很大的改变,旱涝灾害也变得频繁,尤其是现代人口剧增,经济发展,环境污染,才造成了用水的紧张,一次次出现旱情。“人类活动破坏了北京固有的自然生态环境,对水造成的严重侵害,才是北京水循环严重失调导致长期干旱缺水的直接原因”[1]。

也就是说,旱情是一个很综合的因素。借助旱情得到的信息,还需要后续数据进行对照。正是本着以上研究立足点,我们锁定了下面一些琐碎的历史线索:

20世纪50年代有几次洪水,北京先后修建了官厅水库、十三陵水库、密云水库等多个水库,尤其是官厅与密云,按照周总理的布局,这是北京城市建设的“两大水盆”。

20世纪60年代的掉头。建设者在密云水库的建设中谋划京密大运河,希望从密云水库到北京城,密云水库到天津入海能够通客轮。结果1960年、1961年大旱,官厅水库水量不能满足工农业正常用水,只能调整方案,快速建设京密引水渠引密云水库水入京。

20世纪70年代的污染。1972年发现官厅水库水质污染,惊动国务院。事后调查,原因一是永定河上游工业发展,污水排放严重,二是水库管理粗放,一年一放空。1971年降水量少,水库入水少,加上1972年春旱,因此造成1972年春季水库蓄水不足。除此之外,城区工农业发展急需用水,不得不求取地下水,发起了夺水会战,先后建立了海淀的水源三厂以及顺义远郊的水源八厂。

20世纪80年代的再掉头。原本密云水库是同时供水北京、天津和河北的。但是1980年、1981年连续旱情,密云水库到了死库容,国务院紧急会议作出决议,密云水库仅供北京用水,由河南、山东调水到天津。同时密云水库改变粗放式一年一放水的管理,实行多年蓄水调节模式,一防备枯水年。北京还启动了最大的自来水厂水源九厂[3]以及向阳闸工程从顺义潮白河流域调水到城区。

20世纪90年代的小丰水期。主要是1994年、1996年,官厅、密云两大水库爆满,因为担心会遇洪涝,不得不放弃了8亿立方米水,结果很快就进入了一个更长的干旱年-1999年。

2000年代的多年干旱。1999年,北京市政府制定了《二十一世纪初期首都水资源可持续利用规划》,提出实现2010年北京水资源供需平衡,以及官厅水库水质净化等多项目标[1],不料世纪之初便进入了连续多年的干旱。加上2001年申奥成功,北京先后启动了怀柔应急、张坊应急等工程,加快了污水处理、再生水的建设,加速启动了南水北调工程。

综合上面的旱情线索以及旱情与降水的辩证,我们大胆猜测,北京地区的枯水年具有一定的年度分布规律,每10年中的年初都是潜在的枯水年,尤其是在年尾数逢1、逢2的年。这一点与一期的研究具有一定的呼应性,因为逢1、逢2的年分布为辛年和壬年,都是典型的降水不足的年。

对此,我们认为这个线索是研究很好的突破点,也就是对枯水年的研究,本研究中暂时不考虑其他运气,将逢1的辛年以及逢2的壬年作为着眼点。

(二)数据分析:引入统计量与结果分析

(1)围绕年尾数为1和2的年份以及其他年份,我们统计了枯水年的年份次数,如表1。采用卡方独立性检验,计算出卡方值:卡方值=4.6437346,P-value=0.01816<0.05。

表1 枯水年的年份次数

结论显示:尾数为0和1作为枯水年出现具有统计学的显著性。

结果分析:

(1)年尾数为1和2的年份,多年的年平均降水量分别是508.13和521.53,与总体平均值有很大差距,与其他年份的年平均降水量相差也很大。这证明五运六气中的辛年和壬年是典型的枯水年候选人。

(2)同时也发现,年尾数为4和6的年,多年平均降水量分别是649.61和644.09,相比其他年份都很大。这也证明一期研究中的结论,五运六气中的丙年和甲年都是典型的丰水年候选人。

五、讨论

无论温榆河径流量或者北京降水量,或者说五运六气的理论都是很复杂的[8],作为研究者必须选取好的视角、提出好的问题,逐步认识一点线索。本期研究我们正是从这个着眼点出发,首先从历史调研中找到了突破口,然后在数据分析中得到印证。最后构造的统计量不仅证实了本期的结论,也印制了一期的研究成果[4]。这样便使得研究成果一步步扩大。

目前为止,我们的研究还是选取了薄弱的一些环节进行。在后续的研究中,我们会通过细化数据,由年平均数据细化到月降水数据,综合丰水年与枯水年以及辩证气运关系等角度继续深入。

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