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SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA >

2012 , Vol. 32 >Issue 1: 94 - 100

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.01.94

Orginal Article

Hydrological Changing in the Middle Reaches of the Huanghe River During Flood Seasons of 1766-1911

  • PAN Wei , 1, 2 ,
  • ZHUANG Hong-zhong 1 ,
  • LI Zhuo-lun 3 ,
  • YE Sheng 1
Expand
  • 1. Center for Historical Environment and Socio-Economic Development in Northwest China ,Shaanxi Normal University, Xi`an, Shaanxi 710062, China
  • 2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100101,China
  • 3. College of Earth and Enviromental Science, Lanzhou University, Lanzhou, Gansu 730000,China

Received date: 2011-01-28

  Request revised date: 2011-04-04

  Online published: 2012-01-20

Copyright

本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
Fold

Abstract

Climate change and regional development under the background of water resource decreased over the Yellow River basin, which is under the monsoon climate control. The runoffs during flood season in the Yellow River is about 60%-70%. Rain-fed agriculture is the most important ecnomy part of China during the past thousands of years, while rainy summer and autumn leads to rivers flood, so in history Chinese government must predominate the flood to avoid the agricultural loss. According to the historical records of water level in the Wanjintan during 1766-1911 A D, the reconstruction of the flood flow (R) of Sanmenxia section sequences, and the start time of 115-year flood. Its multi-year average runoffs are R=51.06×109 m3/yr, and the average flood conditions for the start time T is in the early July. Wavelet shows the a 50-year cycle in the runoff series. The results show that: the runoffs in the middle reaches of the Huanghe River has inter-annual and inter-decadal oscillations like 6-8 years, quasi-22 years and 50 years. The determination of the quasi-22 years is link to the changing of Wolf Sunspot Numbers. The solar activity was significant during the 1830s. ENSO event is negative with the changing of natural runoff at the inter-annual scale. There was a low-flow period in the last 4 eras of LIA, and it has been the longest low-flow period since 1766 A D. The summer is the key reason of the changing of flood season beginning time for the unstable rainband moving from the middle and lower reaches of the Changjiang River to the middle reaches of the Huanghe River. Based on water level of Wanjintan in the middle reach of Yellow River（Sanmenxia, Henan）in the 1766-1911s were recorded the time of rising water. Under the 5-days scale, establishing the beginning time of flood season in Sanmenxia in the study period. The results show that: 1766-1840s is the start time of flood season in the middle reaches of the average level; in 1840-1860s the beginning time of flood season come late; in 1860~1890s the beginning time of flood season advance again. In the study period, the average beginning time of flood season in the middle reaches of Yellow River is in the early July, the end time of rainy in the middle reach of Changjiang River have a good correspondence. However, summer wind rain-band moving is the main driving factors of changing of flood season beginning. The delay of flood season to about one pentad in the middle reaches of the Yellow River from 1870 to 1900 is in accordance with the relative low temperature of the Loess Plateau in summer, while the early flood season of the middle reaches of the Yellow River and Qin River is correspondent with the relative high temperature of summer in the Loess Plateau.

Key words： the middle reaches of Yellow River; flood season; Sanmenxia; summer monsoon; runoffs

Cite this article

PAN Wei , ZHUANG Hong-zhong , LI Zhuo-lun , YE Sheng . Hydrological Changing in the Middle Reaches of the Huanghe River During Flood Seasons of 1766-1911[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2012 , 32(1) : 94 -100 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2012.01.94

中国学者利用丰富的历史文献资料进行环境变迁研究,近年在研究方法与对象上逐渐与国际前沿接轨,重建大量与人类生存发展紧密联系的自然环境变迁过程[1~4]。其中,河流水文情况对气候变化的响应直接关系,是重点关注的研究领域。1994年以来,国外学界对此问题已经发表多项成果,部分揭示气候变化与地表径流量之间关系[5~8]。国内同类研究于1998年正式起步[9],2002年游松财等明确指出基础数据短缺制约该方向进一步深入[10]。因此,建立更完善的“气候—水”关系模型必须首先扩大水文数据覆盖的时间范围。
黄河流域的水资源供需矛盾十分突出,在全球气候变化和区域开发水资源力度加大背景下,黄河水资源所可能呈现的面貌已经引起学界界关注[11,12]。受季风气候控制,黄河汛期水量占全年水量的60%~70%,由于中游有渭河、汾河等主要支流汇入,今三门峡水文站（即清代万锦滩志桩所在地）控制面积占黄河流域面积的91.7%,年径流量占全流域86.7%,可以指征黄河中游汛期流量多年变化。中国连续性和精确度较好的水文数据不过百年长度,难以诊断长时段气候变化与河流水文变化关系。历史文献中存在的水位信息是上延器测水文数据的重要途径之一,特别是清代奏报中有非常丰富的汛期涨水尺寸记录,成为复原18世纪以来黄河汛期水文情况唯一可用资料[13,14],以往研究以识别历史时期黄河中游最大流量为目的,未就汛期水情特征进行深入探讨,因此黄河汛期水情长时段变化特征及规律仍有待揭示。

1 资料来源与处理

1.1 万锦滩志桩简介

万锦滩志桩设立于1765年（乾隆三十年）（《清实录》卷740）,位置在今河南省三门峡市陕县老县城北门外黄河岸边（图1）。涨水数据记录分为“逐次报涨”和“累积报涨”,前者为首次报涨以志桩零点起报, 后一次报涨均以前一次报涨尺寸为起点;后者为每次报涨均以志桩刻迹零点起报, 前一次报涨尺寸均被包含在后一次奏报中。所见涨水数据以“分段报涨”为主,约80%精确到日。单次及累积涨水高度低于0.64 m（即二尺以下）的情况虽有记录,但基本不形成奏报。
Fig.1 Sketch of study area

图1 研究区域

1.2 资料来源

本研究所用资料主要为：① 水利水电科学研究院1964年将部分黄河志桩水位记录汇编为《黄河万锦滩、硖口、沁河木栾店和伊洛河巩县清代历史洪水水情摘录（内参）》（资料1）,保留1736~1911年志桩水位记录,其中万锦滩记录缺27个年份,另有30个左右年份记录不全;② 黄河水利委员会在20世纪70年代末从故宫博物院复印一批有关清代黄河防洪奏折和上谕,目前这批资料已经被制成卡片[2];③ 《清代黄河流域洪涝档案史料》[3,15],保留1766~1911年以来的有关黄河流域洪涝、降水的奏折,其中万锦滩水位记录为109个年份;④ 《清实录》、《上谕档》、《朱批奏折汇编》中的相关奏报,用以核对资料1、2、3,另整理出21个年份;⑤ 《行水金鉴》、《续行水金鉴》、《豫河志》、《豫河续志》、《南河成案》、《南河成案续编》等河工档案资料整理出了15个年份。利用以上5个来源资料整理出万锦滩（今三门峡市）1766~1911年汛期涨水记录年表。

1.3 数据处理方法

1） 径流量求算方法。1960年9月三门峡水利工程竣工后迅速导致黄河龙门—潼关段和渭河下游发生显著溯源淤积[16],河床基底抬高,因此近50 a水文数据并不能作为反推清代情况的依据,1919年陕县观音堂水文站与万锦滩志桩断面情况基本一致[17],选取民国时期陕县水文站保留的1919~1950年水文记录,将其汛期涨水高度H（m）和三门峡断面径流量R（108m3）建立相关关系（图2,通过α=0.05显著性检验）,据图2推算1766~1911年三门峡断面径流量R(108m3)。
Fig.2 Correlation of H (m) and the runoff of Sanmenxia (R)

图2 涨水高度H与三门峡断面径流量R相关关系

2） 主汛期开始时间推算方法。由于季风气候年际变化较大,黄河汛期开始时间并不稳定,所用资料记载限制,主汛期开始时间不能完全复原,资料中可提取1766~1911年间115个年份起报时间。
据清代水位志桩管理制度,≥0.64 m（清制2尺）才会启动奏报行为,因此,每年起报时间变化与汛期开始时间紧密相关,现有资料下,前者可指代后者,将起报时间（月/日）转换为“侯”尺度（月/侯）,由此可以建立主汛期开始时间T年表,并在侯尺度上建立研究时段内主汛期开始时间的距平A。

2 分析

2.1 三门峡断面汛期水情

1） 径流量。研究时段内径流量波动可分3个阶段,1760~1820 s平（Rave=50.21×109m3/a）、1830~1850 s偏丰（Rave=62.55×109m3/a）、1860~1911 s偏枯（Rave=44.90×109m3/a）。本序列内可以发现多个径流量变化拐点年份,其中1838和1888年是径流量正变化拐点,在其之后,中游径流量进入1个年代以上径流量放大阶段;1853年则是径流量负变化拐点,直到1888年径流量在年代际尺度上才重新放大（图3）。
Fig.3 The changing of R & A in 1766-1911

图3 1766~1911年三门峡断面汛期水情

1860~1900 s很可能是300 a B.P.以来黄河中游流量偏枯持续时间最长的1个时期,三门峡断面径流量偏枯的程度和持续时间在近50 a的水文观测中找不到能与其相比的时段,近百年中仅有1920 s~1930 s曾出现过类似现象,Rave=43.81×109m3/a,其持续时间近20 a时间,进入1940 s后径流量再次回升至平均水平,一直持续到21世纪初。
1819、1841、1843和1849年皆在87.00×109m3/a以上,1840 s是黄河中游产流最丰沛时段。1855年中游流量58.00×109m3/a,未出现特大流量,铜瓦厢决口与1840 s大水密切相关,在843和1849年大水时豫东河段河堤受到损坏,成为1855年黄河下游弃淮北流的重要因素。1843年黄河中游大水在序列中有很好反映,当年流量达到91.30×109m3/a,为清代最大一次洪水[18]本研究结论基本印证这一结论。
1876~1878年在历史上被称为丁戊奇荒,是有清一代黄河中游—华北地区最严重的1次干旱事件。1877年径流量仅20.00×109m3/a,郝志新等和潘威等分别基于清代雨分寸和万锦滩志桩水位记录重建该年降雨量,两者数值虽然有所不同,但该年夏秋季降雨量距平变化皆为所在序列-60%左右[19,20],是300 a B.P.以来黄河中游和华北地区降雨最少的1 a,对应本序列中径流量最小值。满志敏对该年晋冀天气状况的分析指出7月下旬在晋南有雨带存在,且其西缘在关中中部[21]。该年三门峡涨水时间为7月下旬,“陕州呈报……六月十四日（1877-07-24）亥时,陡涨水二尺九寸”[3],晋陕普遍干旱的情况下,此次涨水可认定为由陕西高陵县的1次降雨造成,据《高陵县续志》记载 “夏六月,大雨如注,平地水深三尺”（光绪《高陵县续志》卷8缀录）。
为近一步明确径流量变化的周期性特征,采用5和10 a频率进行小波分析（图4）,低频变化后延至1990年。结果显示汛期径流量R波动具有明显的50 a周期。在汛期降雨最丰沛19世纪前期,6~8 a周期表现较为明显;1860 s中期至1900 s初出现20~30 a周期,进入20世纪后这一周期便消失。郑景云等依据雨雪分寸和器测降水记录重建近300 a年来黄河中下游地区降水量[22],郝志新等分析此序列周期性特征,认为300 a B.P.以来,本区降水存在22 a准周期,此周期自1920 s开始减弱,1970 s前消失[23]。据图4a,汛期径流量在1800~1880 s所表现出22 a周期性应当是对降水准22 a周期的对应,可能是对太阳黑子活动22 a准周期变化的响应,但1880 s之后对22 a准周期的响应趋于减弱甚至消失。降水量4 a周期在黄河中游汛期流量上得不到反映。
Fig.4 Wavelet (up: HF;down: LF)

图4 针对R的小波分析

2） 主汛期开始时间。黄河中游主汛期平均开始时间的现代观测值（依据1950年以来数据）为7月上旬,年际差异较大,5~10月都有入汛记录。研究时段内主汛期平均开始时间为7月5~10日间,这与近50 a来三门峡水文站获得情况基本一致。研究时段内最早汛期开始时间为3/4（1845-03-17）,该年3月中旬至4月中旬（农历2月）三门峡共涨水1.9 m左右;最晚为10/3（1815、1883年）和10/2（1798年）,此时黄河中游已经受到印度洋季风影响,本年可能为秋雨强度较大年份,华西秋雨范围由陕南川北的核心区向关中次核心区扩展,造成10月上中旬渭河干流涨水影响到黄河三门峡断面流量增大。
本研究重建的主汛期开始时间与葛全胜等揭示的长江中下游梅雨带结束时间在多年平均值上相对应（表略）[24],皆为7月5~10日,如1770、1773、1785年等,这符合夏季雨带由长江流域向黄河流域呈东南—西北方向推进特征,表明本文T值求算结果比较可信。但逐年比较发现,两者也存在时间上偏移,主要由于雨带强度和推移方式差异,有时雨带北缘已伸入黄河流域,南部还停留在长江中下游地区,如1840、1878、1859和1893年等都有可能是此种情况。若雨带由华南北进时前锋面跃过长江中下游直接进入黄河流域—华北地区,有可能造成1次产流降雨,此时长江流域却尚未入梅,1844年可能是此种情况,葛全胜认为近300 a来入梅最早日期为1991-05-19,清代入梅最早日期则是1759-05-27,但1844年产流降雨发生于当年农历2月末,即公历该年4月中旬,早于1736年以来入梅日期极端值,且该年并非空梅,很可能是一次雨带在4月中旬跳跃进入黄河中游造成的主汛期提前。

2.2 对气候变化的响应

1） 夏季风影响。黄河流域三门峡以上10个站点（西宁、兰州、呼和浩特、榆林、延安、天水、平凉、西安、太原、临汾）近50 a的5~10月降雨量与同期三门峡断面径流量关系如公式（1） [25],相关系数r=0.85,由此得到黄河上中游10站点5~10月面积加权降雨量P(mm)（图5）。
Y=1.45X×10-8-144.00 （1）
式中,Y为黄河上中游10站点面积加权降雨量;X为三门峡断面径流量。
葛全胜等认为东南夏季风在1760~1770、1820~1860 s偏强,1870~1910 s偏弱[24],与本研究重建的降雨量多年代际/年际波动情况基本一致。郭其蕴等根据英国整理的海平面气压SLP记录建立1873~1911年东亚季风强度指数Ism,也指出1881~1910年东亚夏季风偏弱[26],与黄河上中游地区伏秋汛期雨量偏少基本对应。年尺度上,副高影响相当明显,如果夏季风偏弱年的副高强度也弱且位置偏东,则黄河中游的北部往往因中纬度西风带影响出现降雨量增多情况;而夏季风强年,副高若偏弱且偏东,可能造成黄河流域降雨减少[27]。
Fig.5 The relationship of P and UEP

图5 黄河中游降雨量P（mm）、ENSO强度关系

2） ENSO影响。ENSO是气候变化重要的外强迫因子[28],满志敏2000年研究已发现“丁戊奇荒”对应于强El-Nino年[21],而径流量异常增大的1843年前1 a则为La-Nina年。为进一步讨论汛期径流量与ENSO事件关系,本研究选取McGregor等2010年建立的Unified ENSO Proxy（UEP）[29]与本研究降雨量进行比较,结果发现研究区夏秋季降雨量波动与ENSO强度在多年际尺度上震荡相位基本相反,1880~1900 s最明显,表明在多年尺度上El-Nino和La-Nina年分别对应夏秋季节降雨的增多与减少,进而带动汛期流量出现相应变化。这一结论与延军平和黄春长对陕西近50 a来降雨量变化与ENSO事件统计结果一致[30],表明ENSO对研究区降雨量影响可能有空间上的普遍性。
3） 对冷/暖期的响应。目前较明确的是18世纪暖期在1730 s后开始减弱,至18世纪末结束[31];LIA在1870 s结束逐渐进入20世纪暖期[32,33]。葛全胜等建立2 000 a B.P.以来冬半年(10月至4月)温度变化距平序列[34],指征东部季风区长期冷暖波动,本研究提取1770~1900 s年代际尺度上中国东部冬半年温度距平AT(℃)（图6）,与径流量年代际变化比对,19世纪后期前,两者反相位关系较明显,20世纪暖期逐渐确立20世纪初,两者为正相位。18世纪暖期结束似乎未造成黄河中游汛期出现明显变化;汛期径流量对LIA结束的响应似乎较明显,LIA与20世纪暖期过度阶段正是黄河中游40 a枯水期。
Fig.6 The relationship between temperature anomalies and runoff on the decadal scale

图6 年代际尺度上温度变化距平与径流量变化关系

3 结论与讨论

综上得到1766~1911年三门峡断面汛期R和A曲线,Rave=51.06×109m3/a,Tave=7/2。大致分4阶段：1840 s前R与T平均水平;1840~1860 sR偏丰、A偏晚;1860~1890 sR偏枯、A趋平;1900 sR由枯转平、A由平转提前。115个具备T属性记录的年份中,R与A关系不存在明显相关关系,通过逐年比对发现汛期延迟往往对应于汛期流量的增大。115个年份中有52个A<0年份,其对应的平均R距平为-24.16×108m3/a;52个主汛期延迟年份所对应的平均R距平为51.15×108m3/a;11个A=0年份对应的平均R距平为-45.45×108m3/a（表1）。
Table 1 Hydrological changing and the climate background of Sanmenxia in flood periods of the 1770s-1900s

表1 1770~1900 s三门峡断面汛期水情及气候背景

年代(年) R（108m3/a） A AT(℃) ENSO(L:E）[23] sm[18]
1770 487.43 -2.4（5） 0.1 5:1 -
1780 516.88 0.4（5） -0.2 5:2 -
1790 506.73 -2.5（10） -1.1 3:5,(1791,1792） -
1800 492.95 -2.0（8） -0.7 5:2 -
1810 509.00 -1.6（10） -0.9 4:3,(1816) -
1820 528.20 5.2（10） -0.9 3:4 +
1830 563.60 0.9（10） -0.8 0:4,(1833,1839) +
1840 687.35 8.3（9） -0.9 2:2 +
1850 650.65 4.3（6） -0.3 2:3,(1852,1856) +
1860 477.29 0.8（6） -0.1 5:2,(1869) +
1870 440.47 -1.3（6） -1.4 5:2,（1877,1878) -
1880 394.06 -4.2（10） -1.3 3:3 -
1890 412.25 0.7（9） -1.0 4:1 -
1900 509.00 -3.7（9） -0.5 4:4,（1901,1905,1906） -

备注:A列中()内为有汛期开始时间记录的年份个数;ENSO列为La-Nina年年份个数:El-Nino年年份个数,()内为强El-Nino年份;sm:夏季风强度,+表示偏强,-表示偏弱。

表1看出,19世纪中期后中国夏季风强度减弱导致黄河上中游流域夏秋季降雨明显减弱,黄河中游进入长达40 a左右枯水期,此间丁戊奇荒做为中国近300 a来最严重干旱事件,是19世纪中期后本区气候持续转干后果。降雨量与ENSO强度反相位关系在多年际尺度表现较清晰,特别是1880 s后30 a间。径流量大致在LIA与20世纪暖期过度时期开始转弱,20世纪初期有所回升,LIA结束可能是40 a枯水期重要的气候背景。据刘晓东等研究,8~9月是决定全年降水年际变化关键时期,全球气温升高会引起8~9月西太平洋副热带高压增强并扩大,利于东亚夏季风锋面北移,使东亚夏季风北界南侧黄河中游一带降水减少[12]。

The authors have declared that no competing interests exist.

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