渭河流域百年尺度水旱特征及其影响因素

胡浩楠， 刘引鸽,2， 马 凯

(1.宝鸡文理学院 地理与环境学院, 陕西 宝鸡 721013; 2.陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室, 陕西 宝鸡 721013)

作为国际气候变率与可预报性计划的重要内容[1]，历史气候成为越来越多学者研究的焦点。在全球气候变化速度加快的背景下，我国旱涝灾害发生次数显著上升，对区域水资源和经济发展产生重大影响。我国关于历史气候，降水及旱涝灾害的史料及档案记载较为丰富，学者利用历史资料建立灾害序列重建历史气候已取得一定进展[2-7]，为认识历史时期气候变化下的旱涝灾害规律，时空特征等提供了重要借鉴。但前人的研究大多集中于我国大尺度研究或东部季风区研究，对渭河流域在百年尺度气候变化下极端气象灾害及其水文影响的研究甚少。为此，本文在前人研究基础上，通过对1800—2017年渭河洪涝灾害的统计，重建近200 a来渭河旱涝序列，探索历史时期渭河旱涝时空变化特征，分析灾害发生的周期规律，从太阳活动、ENSO和降水等方面对可能引起旱涝灾害的原因进行探究，对区域水资源规划管理、生态环境建设与保持、气候预估及防灾减灾工作的开展具有重要意义。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

考虑到历史资料保存的完整性，以及地理环境和气候特点，基于空间分布的匀称性，选取渭河干流流域具有代表性的50个县作为研究区域，选取的县区均距渭河干流100 km以内，包括咸河、散渡河、牛头河、千河、漆水河、黑河、灞河、泾河、洛河等25条支流流域，较完整的涵盖干流上中下游，因此具有代表性，可体现该流域的旱涝特征，收集文献中关于旱涝灾害的记载(如洪水泛滥、河流干涸粮价飞涨等)。历史资料源自《陕西历史自然灾害简要纪实》《陕西省志水利志》《凤翔县志》《陇县志》《中国气象灾害大典·陕西卷》《中国气象灾害大典·甘肃卷》《西北灾荒史》《中国三千年气象记录总集》，21世纪以来的旱涝情况从当年的气候影响评价、气候公报和气象观测资料中获得。ENSO(厄尔尼诺—南方涛动)指数资料提取自文献[8]及网络https:∥Origin.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ONI_v5.php，太阳黑子资料源自网络http:∥sidc.oma.be/index.php。

1.2 研究方法

依据《气象干旱等级(GB/T20481-2006)》《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[9-10]，将历史文献记载的定性资料转化为定量的旱涝等级数据，重建旱涝等级序列，在界定灾害等级时，结合渭河沿岸地区实际情况，采用典型用语，指定满足条件，使用7级划分法对旱涝等级序列进行重建，1至7级分别代表大涝、轻涝、微涝、正常、微旱、轻旱、大旱，并计算灾害指数，具体过程见参考文献[11]。

小波分析具有时频多分辨功能的特点，采用此方法判断旱涝在时间序列上的变化周期。滑动t检验通过对两组数列平均值是否存在显著差异来判别是否存在突变，采用此方法检测旱涝突变。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 结果分析

2.1 旱灾与涝灾的时间变化特征

根据以上方法建立的渭河旱涝灾害等级序列，为验证所建立灾害序列的有效性，将所建立的灾害序列与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》[12]做5 a滑动平均对比(图略)，此图集因能反映中国过去500 a的干湿状况而被广泛使用。对比发现两曲线的走势有较好一致性，表明所建立的旱涝序列比较符合实际情况。通过对旱灾和涝灾进行统计(图1)。发现19世纪的前50 a未发生大涝灾害，大旱的灾害出现了3次，轻涝4次，轻旱2次。19世纪的后50 a，大涝灾害仅出现了1次，大旱出现4次，轻涝2次，轻旱3次。20世纪的前50 a大涝出现多达8次，大旱出现了5次，轻涝出现4次，轻旱出现了8次。20世纪的后50 a中，大涝出现4次，而大旱出现了9次，轻涝4次，轻旱11次。2000年后至今，大涝出现2次，大旱5次，轻涝3次，轻旱2次。近200 a以来，大涝共出现频率为8%，大旱出现频率为14%，轻涝出现频率11%，轻旱出现频率16%。

图1 渭河流域旱涝序列频率

依据《中国近500年旱涝分布图集》和流域内站点资料的齐全程度，发现渭源、天水、宝鸡、咸阳、西安、铜川、渭南均位于渭河干流沿岸且在研究区内分布较为均匀，具有代表性，为了探究极端旱涝及其特殊性，选取这7个站作为流域的典型站点进行分析。统计发现，图集中各站点大旱灾发生次数至少在4次以上，近200 a来大旱灾出现最多的站点是渭南，出现8次，大旱灾出现最少的是渭源，仅出现了4次，其中，1993—1995年各大站点都发生连续大旱事件，1994—1996年天水连续3 a发生大旱事件。旱灾中以1929年陕西大旱年为代表，此次旱灾致25万人死亡，40余万人出逃，持续3 a。各站点大涝年份至少出现过2次，近200 a来大涝出现最多的站点是宝鸡站，出现7次，大涝出现最少的是铜川，仅出现2次，其中1983—1984年，渭南、宝鸡和西安连续大涝，2003年渭南出现大涝，2009—2010年西安和渭南发生连续大涝，这些站也基本分布在渭河中下游。涝灾以2003年渭河洪灾为代表，共56万人受灾，37万余人被迫迁移，直接经济损失23亿元。

2.2 旱灾与涝灾空间变化特征

由于统计结果为县级，史料缺少更低行政级别的记载，且限于地形因素，秦岭一侧的站点较少，空间分辨率相对较低，需要将县级灾害指数空间插值到整个研究区(图2)。指数值越高表明越旱，反之亦然。可见渭河上游呈现由涝转旱再转涝的趋势，上游在1851—1900年期间以旱灾为主，之后逐渐向涝灾转变，1951—2000年主要是涝灾。中游由涝转旱的趋势不明显，下游在前1800—1900年以涝灾为主，在1900年后涝灾减少，旱灾有增多趋势。将旱灾、涝灾指数分别插值(图3)，更能明显的看出旱、涝的空间分布特点。图3显示，200 a来轻旱基本发生于渭河上游，大旱在渭河中游频发，下游为轻旱大旱交替发生。涝灾以渭河上游和下游较为显著，中游基本以轻涝为主，大涝发生较少。前100 a上游以旱为主，下游以涝为主，后100 a上游以涝为主，下游以旱为主，中游旱涝波动幅度较小。

总体上来看渭河旱涝各段差异明显。渭河属于大陆性季风气候，受西太平洋副热带高压或蒙古高压的控制，属于旱涝异常的敏感区域，水旱灾害频发。渭河流域旱涝灾害的演进过程与渭河流域的气候条件和人类活动密不可分。旱涝灾害多发地区人口稠密，人类活动的加剧，使得人地矛盾突出，人地关系紧张，致使河流生态环境较为脆弱，为旱涝灾害的发生提供了条件。

2.3 旱灾与涝灾周期及突变特征

运用MATLAB分别对上中下游旱涝序列进行小波分析(图4)。由小波实部图可见，渭河上游存在5～8 a，18～20 a和49～50 a较为明显的旱涝周期，在18 a左右的周期震荡最强，为第一主周期，第二主周期50 a，第三主周期8 a。中游存在8～10 a，47～49 a，60～63 a较为明显的旱涝周期，在62 a左右的周期震荡最强，为第一主周期，第二主周期49 a，第三主周期9 a。下游存在10～11 a，19～21 a，38～40 a较为明显的旱涝周期，在10 a左右的周期震荡最强，为第一主周期，第二主周期39 a，第三主周期20 a。整体来看，渭河大多正负值中心均分布于60 a频域以下，说明渭河水旱灾害周期变化中小周期明显，且水旱灾害交替出现。

图2 渭河旱涝灾害空间分布

气候突变是气候系统由稳定形态向另一种气候状态的变化，是气候性质非线性的一种表现[13]，分析渭河旱涝突变对旱涝长期变化关系的研究和预测未来旱涝趋势有重要作用。使用DPS数据处理系统按上中下游对近200 a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，以分析渭河流域旱涝突变特征。由图5可以看出，上游的滑动t检验显示，近200 a以来，渭河上游存在9个突变点，分别是1880，1881，1882，1889，1890，1891，1924，1938和1999年，共有5个突变年代。中游(图5)存在6个突变点，分别为1837，1913，1914，1915，1920和1931年，共有4个突变年代。下游存在8个突变点，分别为1825，1881，1902，1916，1917，1918，1919和1930年，共有5个突变年代。综合上中下游，发现1880，1914，1932年前后都发生过突变，有很高的继承性，其中1880年前后表现为由旱转涝，1914年前后为由涝转旱，1932年前后为由旱转涝。这些突变的发生可能与气候环境变化密切相关。

图3 近200 a来渭河干旱、洪涝空间分布

2.4 旱涝阶段性和季节性特征

根据计算的旱涝指数，以旱灾平均指数(4.75)和涝灾平均指数(3.22)为基准线，分别绘制渭河旱灾、涝灾年代指数图(图6)，无灾值为4，若某年的灾害指数离4越远，则该年灾害程度越强。可以看出，19世纪前，旱灾指数多在涝灾平均指数值3.225以上。而该时期旱灾基本也是围绕旱灾平均指数值4.752小幅波动，说明19世纪旱涝灾害虽均有发生，但强度较小。自19世纪末开始，渭河沿岸地区呈现涝灾频繁，这是因为近200年来整个关中地区处于涝灾频繁发生区，降水量普遍增加，泾洛河涝灾频繁发生导致。进入20世纪，两曲线波动幅度逐渐剧烈，旱涝灾害强度随年代逐渐增加，可见在近200 a来渭河流域旱灾和涝灾都具有明显的阶段性特征。

图4 渭河流域旱涝序列小波实部及方差

图5 渭河流域旱涝序列滑动t检验

图6 渭河流域旱涝灾害年代指数变化

通过对1800—2017年史料资料的收集和分析，统计得出有28 a的旱涝灾害无季节记载，有177 a明确记载着旱涝灾发生年份。近200 a来，渭河流域旱涝灾害在冬季极少发生，多发生在夏季，涝灾发生年数有55 a，干旱发生年数有59 a，秋、春二季发生旱涝的年数较为适中。发生频次由低到高分别为：冬<春<秋<夏，连涝主要集中在夏秋两季，连旱多发生在春夏秋三季，四季均有旱灾的发生的情况有2次。季风气候的波动与旱涝的季节分布特征联系密切，渭河流域位于西北地区东部边缘地区，是季风气候向大陆气候过渡地带，夏季旱涝灾害发生较多主要受夏季风变化的影响。在温带大陆气团的作用下，冬季气温较低且较为干燥，不易发生洪涝灾害。夏、冬季风交替的过渡期为秋、春季，使得春季温度上升快，降雨量下降，秋季降温迅速，阴雨连绵，致使关中地区成为我国秋季连阴雨发生频次较高的地区之一。

3 影响旱涝的因素

3.1 南方涛动与渭河旱涝的关系

许多研究对中国年西北地区的站点的古降水重建时均发现有来自ENSO的影响[14-17]，同时，ENSO也被认为是引起中国水文气候变化的一个非常重要的因素[18]，为此，讨论了渭河旱涝与ENSO之间的关系及其全球变暖背景下的相关影响。

使用小波变换研究1867年以来渭河流域旱涝与ENSO之间的关系(图略)，发现渭河旱涝序列存在10～20 a短周期和80 a长周期，旱涝交替发生，ENSO序列存在10 a和30 a的中短周期震荡和80 a的长周期，且间歇性发生，表明两个序列之间存在有显著的相关性。为进一步研究二者之间的关系，计算ENSO指数与渭河旱涝序列的滑动相关系数，并与ENSO指数的131 a方差对比(图7)，可以看出滑动相关系数与ENSO方差下降的一致性。滑动相关系数可进一步说明旱涝序列与ENSO相关关系的年代际变化特征[19]。这些表明ENSO与渭河旱涝之间有一定的遥相关机制，即渭河旱涝的发生受到周期性的ENSO影响。一般认为ENSO与中国西北地区的干旱异常相联系。赤道东太平洋的海水表面温度受厄尔尼诺现象而上升，经向温度梯度变大，哈德来环流增强，导致西太平洋副热带高压强度增大，从而影响中国西北地区降水[20]，而且ENSO对泛太平洋地区水文和气候的影响随着ENSO的加剧而增大，反之亦然[21]。

注：a旱涝序列与ENSO指数的滑动相关系数；b ENSO指数小波方差灰色垂直阴影表示滑动相关系数与ENSO方差下降的一致性。

图7 ENSO与渭河旱涝的遥相关机制

3.2 太阳黑子与渭河旱涝的关系

图8为渭河流域的旱涝指数与太阳黑子的相关性，整体来看，太阳黑子数和渭河旱涝指数表现为正相关，太阳黑子数越大旱涝指数越大，表示干旱发生可能性越大，反之亦然。在太阳黑子达到峰值时，旱涝指数呈现2～3 a的滞后期达到峰值。如1848，1859，1870，1893，1928，1957和1979年等为太阳黑子峰值年，而1850，1861，1871，1895，1931，1960和1982年为旱涝指数的峰值年。统计发现，自1800年始，太阳黑子19次达到谷值，20次达到峰值，在谷值的前后3 a内共发生灾害36次，其中涝灾13次，重度涝灾4次，中度涝灾7次。在太阳黑子峰值前后3 a中共发生灾害33次，其中旱灾发生21次，其中重度旱灾4次，中度旱灾10次。由此可推断，在太阳黑子达到谷值时渭河流域出现灾害频次较多，更应该注意防灾减灾。

3.3 降水与渭河旱涝的关系

为了确定渭河旱涝变化与降水时间序列是否有周期的相关性，选取渭河干流具有代表性的天水，宝鸡，咸阳，西安，渭南5个站自1960年以来的降水数据，与其对应的旱涝序列做小波方差对比(图9)，曲线的每个峰值表面对应所在尺度下有显著周期[22]。由图可见，天水站的旱涝方差峰值出现在7 a，22 a，28 a，而其降水方差峰值出现在4 a，7 a，12 a，19 a，表明天水的旱涝序列与降水序列在7 a左右的周期下变化趋势相同。宝鸡站的旱涝方差最高峰值出现在12 a，故其第一主周期为12 a，宝鸡站降水方差最高峰值也在12 a出现，表明宝鸡站旱涝序列与时间序列的第一主周期变化趋势相同。咸阳站的旱涝方差峰值出现在5 a，11 a，29 a，而其降水方差峰值出现在7 a，11 a，24 a，表明咸阳的旱涝序列与降水序列在11 a左右的周期下变化趋势相同。西安站的旱涝方差峰值出现在7 a，11～12 a，30 a，而其降水方差峰值出现在7 a，11～12 a，23～24 a，表明西安的旱涝序列与降水序列在7 a，11～12 a左右的周期即第二、第三主周期下变化趋势相同。渭南站出现多个旱涝方差峰值，但与其降水方差峰值重合的只有7 a和15 a，表明渭南的旱涝序列与降水序列在7 a与15 a左右的周期下变化趋势相同。总的来说各站点的旱涝周期与其对应降水序列的周期变化趋势有重合，尤其存在7 a，11～12 a左右显著周期的重合，表明了降水与旱涝在短周期上存在一致性，但并不完全相同，这可能是由于旱涝变化受多种因素影响的结果[23-24]，降水也是重要原因之一。

图8 近200 a来太阳黑子与渭河旱涝指数的相关性

图9 渭河流域各站点旱涝序列方差与年降水方差

4 结 论

(1) 近200 a以来，渭河流域旱涝灾害出现频率最高的为轻旱，出现频率最低的为大涝，以渭源、天水、宝鸡、咸阳、西安、铜川、渭南为典型，大旱均发生4次以上，大涝至少出现2次。在空间上，前100 a上游以旱为主，下游以涝为主，后100 a则相反，中游旱涝变化波动较小。上游旱涝变化第一主周期为18 a，中游62 a，下游10 a，检验发现上中下游分别存在9个、6个和8个突变点，1880(由旱转涝)，1914(由涝转旱)，1932(由旱转涝)年前后均发生突变，有很高的继承性，这些突变的发生可能与气候环境变化密切相关。

(2) 影响渭河旱涝的因素是多方面的。ENSO周期与渭河旱涝周期的关联性表明，渭河旱涝与ENSO具有遥相关机制，与太阳黑子也有密切的相关性，太阳黑子谷值更应注意预防旱涝。降水与渭河旱涝存在7 a，11～12 a左右显著周期的重合，表明了降水与旱涝在短周期上存在一致性，降水是影响旱涝的重要因素之一。由于人口急剧增加，为了减少耕地竞争，渭河流域沿岸围河造田，致使生态环境脆弱，河流自净能力下降，水土流失严重，也为旱涝灾害的发生提供了条件。未来需要结合人类活动及其响应，对渭河流域旱涝进一步研究。