引 言

巢湖位于安徽省中部,是长江流域重要的沿江湖泊,也是中国五大淡水湖之一（图1）。历史时期以来,巢湖流域农业开发历史悠久、人口集中,但自然灾害频发,人类社会发展经历了长期与自然环境相适应过程,是长江中下游人类与环境相互作用与影响方面具有代表性的地区,因而也是地学界在全球变化的区域响应、区域环境演变与人类活动相互关系研究中的重点关注地区之一。

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图1   巢湖流域分布

Fig.1   The sketch map of the Chaohu Lake Basin

长江中下游流域地区的水热环境变化一直是影响该地区社会与经济发展的重要因素,也是该地区人类活动与自然环境长期相互影响的表现,得到一些学者的关注^[1~4]。关于巢湖流域旱涝灾害研究,目前积累的成果中多为基于湖泊沉积物记录及其物理、化学、生物指标而进行的历史时期以来的气候干——湿变化推演,进而获取对人类生产、生活活动产生重要影响的水旱灾害变化信息^[5-~7]。尽管巢湖流域地区拥有较为丰富的史料记载,但基于历史文献记录的旱涝灾害研究成果尚不丰富,无论在研究方法上,还是在研究结论上,都有待于进一步深入。在已有研究中,丁祖芬等发现,在20世纪的后50 a,巢湖流域洪涝灾害的比例约为62.7%^[8] ,占据各种自然灾害的主体,这与历史上巢湖地区自然灾害的栽种特点相符;袁媛等的研究表明,巢湖流域旱涝空间分布结构性分布的特点显著,西北易旱、东南易涝^[4]。在目前的研究中,尚少有对完整的巢湖流域水旱灾害序列的研究,以及基于历史时期旱涝灾害序列所得出的灾害变化周期与演化规律。

中国基于历史文献记录进行历史时期以来的水旱灾害研究,其理论与实践最早源于20世纪70年代末以来^[9~12],目前已有较为成熟的理论和方法。20世纪末,林振杰等提出自然灾害史料信息化处理方法^[13];郑景云等利用旱涝县、次建立历史时期旱涝指数序列^[10];张丕远、葛全胜运用模糊动态聚类法（FCM）、Mann-kendall检验等统计方法,对中国旱涝灾情的阶段性和突变性进行了大量研究^[14,15] ;陈家其在系统整理太湖流域历史旱涝记载的基础上,建立旱涝等级判别标准,重建了旱涝等级序列,并用谱分析法分析了太湖流域历史旱涝变化规律^[16]。进入21世纪,满志敏则将史料中的描述性语言转换成旱涝等级^[17],解决了基于历史文献进行灾害序列建立中的关键性定量问题。

在以上研究工作基础上,本文在基于历史文献分析,拟通过重建巢湖流域近600 a来水旱灾害序列,用连续功率谱分析,探寻水旱灾害发生发展的频率、周期,探讨其与长江中下游水旱灾害及气候冷暖变化的关系,以期为今后该区域的防灾减灾工作提供科学理论依据。

1 数据来源与处理方法

1.1 数据来源

通过对大量地方志的查询（包括明清时期以及建国后的方志）^[18~25],整理出巢湖流域内7个县（市）共796条水旱灾害记录,时间跨度为1370~1988年。

1.2 数据处理方法

地方志中对水旱灾害的记载内容较为简略,通常为描述性语句,如舒城县“嘉靖四十五年（1566）夏,连阴雨,涝灾”。“万历元年（1573）春至夏少雨”等。因此第一步要对这些记载进行参数化处理,即进行水旱灾害等级序列的重建。

就水旱灾害而言,一般存在着4种情况：较旱、很旱、较涝、很涝,加上正常年份通常分为5级。本文根据满志敏先生^[17]等的研究,结合巢湖流域的实际情况,将旱涝等级分为：1级,旱;2级,偏旱;3级,正常;4级,偏涝;5级,涝。按照这个等级分类方法将巢湖流域内7个县（市）的水旱灾害记录逐条进行分类。

此外,水旱严重程度除了由水旱等级值决定外还由灾害指数决定。本文根据满志敏先生先行的研究方法^[1]稍作修改,得到水灾、旱灾指数的计算公式：

D₁=[∑（K_m·N_t+ K_n·N_p）]/Z

W₁=[∑（K_m·N_t+ K_n·N_s）]/Z

其中,W₁为水灾指数,D₁为旱灾指数,N_o为1级县（市）数,N_p为2级县（市）数,N_s为4级县（市）数,N_t为5级县（市）数,K_m=2,K_n=1,K_m和K_n是不同水旱等级的权数,用以表示水旱程度的差异,Z是县（市）个数。

综合以上两个方面,将7个县（市）的灾害条数进行整理,得出整个流域的水旱灾害等级序列。为分析能更加深入,分析结果和图形更为直观,本文作适当变换,本文定义：

D_W= -4特大旱，N1≥1或N2≥3且D1≥1-3大旱，N1≥1或N2≥3且0.5≤D1<1-2旱，N1≥1或N2≥3且0<D1<0.5-1偏旱，1≤N2≤2且0<D1<0.50正常，N3=71偏涝，1≤N4≤2且0<W1<0.52涝，N5≥1或N4≥3且0<W1<0.53大涝，N5≥1或N4≥3且0.5≤W1<14特大涝，N5≥1或N4≥3且W1≥1

其中,D_W为巢湖流域灾害等级;N_i为灾害等级为i时的县（市）数。表1列举了部分年份巢湖流域的旱涝等级划分。

2 巢湖流域600多a来水旱灾害发生规律

根据上述数据处理的方法,得到表2,可见近600 a来水灾、旱灾发生的频率几乎相当,水灾略高于旱灾,并且灾害发生的频率相当高,水灾为2.28 a一遇,旱灾为2.40 a,水、旱灾害发生的频率更是高达1.88 a一遇。从各级的灾害看,偏旱灾害发生频率最高,为5.58 a一遇,其次是涝灾,平均6.21 a一遇。特大涝与大涝的频率（5.875 a一遇）远远高于特大旱与大旱的频率（7 a一遇）。值得注意的是,水旱交替灾害发生的频率越来越高,达到平均6.85 a一遇。而且大多数的年份是先涝后旱,还有的年份先涝后旱再涝,使灾情异常严重。

巢湖流域经常出现特大旱年与大旱年、特大涝年与大涝年2~3 a连续出现,如1588~1589、1678~1679分别为大旱、特大旱2年连续,1652~1654、1828~1830分别为特大旱、特大旱、大旱3 a连续, 1738~1739为特大旱、特大旱2 a连续,1944~1945为大旱、大旱2 a连续,1966~1968为特大旱、大旱、大旱3 a连续。1560~1561、1983~1984为特大涝、特大涝2 a连续,1586~1587、1869~1870、1882~1883分别为特大涝、大涝2 a连续,1840~1841为大涝、大涝2 a连续,1848~1850为特大涝、特大涝、大涝3 a连续。

从图2看,17世纪水灾发生21次,旱灾发生27次,水旱交替发生5次;18世纪水灾发生27次,旱灾发生27次,水旱交替发生12次;19世纪水灾发生31次,旱灾发生20次,水旱交替发生6次;20世纪前90年水灾发生21次,旱灾发生30次,水旱交替发生18次。可见17世纪以来,巢湖流域水旱灾害就相当严重,19世纪以前,旱灾发生频率高于水灾,19世纪,水灾远远严重于旱灾,20世纪,这种趋势又逆转过来。

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图2   不同年代巢湖流域水旱灾害次数

Fig.2   The frequency of flood and drought disasters in the Chaohu Lake Basin in different centuries

3 巢湖流域水旱灾害的变化及周期性分析

为了揭示水旱灾害长期变化的趋势,对序列做9 a滑动平均。图3显示：20世纪20年代中后期到60年代是巢湖流域600多a来旱灾最严重的时期,这与王绍武等^[26]对长江黄河流域1380~1989年旱涝灾害的研究结果吻合。比较严重的时期有16世纪20~ 50年代、17世纪10~60年代、18世纪10~20年代。19世纪20~60年代是600多a来水灾最严重的时期,其次是18世纪30~70年代、16世纪60年代到17世纪10年代、20世纪70~80年代。

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图3   巢湖流域600 a来旱涝灾害等级序列

Fig.3   The grade sequence of flood and drought disasters in the Chaohu Lake Basin in the past 600 years

从旱涝序列看出,巢湖旱涝变化的短期震荡十分明显,图4的功率谱分析证明了这一点,图中横坐标是周期,最大落后步长为155,两条点线分别为红噪音95%和90%置信度界限,可见巢湖流域最突出的是10 a和10.33 a周期,通过95%置信度检验;置信水平过90%的周期有2.3、2.7、6.9、7.6、8.9、9.1、9.4、9.7 a。由此可见,巢湖流域水旱灾害存在2~3、7~10 a振荡周期。王绍武^[26]的研究结果显示,长江中下游存在准2 a的水旱灾害振荡周期,与本文得出的结论基本一致,说明巢湖流域环境变化与整个长江中下游是基本同步的。

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图4   巢湖流域水旱灾害序列连续功率谱分析

Fig.4   The power spectrum analysis of flood and drought disasters in the Chaohu Lake Basin

图5中,曲线1代表长江中下游1380~1989年旱涝灾害等级序列9 a滑动平均,1~5级分别由涝向旱转变;曲线2代表巢湖流域1380~1985年旱涝灾害序列9 a滑动平均,-4~4级分别由旱向涝转变。由图可以看出,两条曲线拟合较好,总体趋势正好相反,即两条曲线所反应的旱涝变化步调是基本一致的。曲线1的峰值对应曲线2的谷值,谷值对应峰值,说明巢湖流域旱涝变化与长江中下游趋势基本一致,即：巢湖流域旱涝灾害更多源于对长江中下游地区环境变化的响应,是长江中下游旱涝灾害变化的一个“指示器”。

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图5   长江中下游和巢湖流域旱涝灾害序列9 a滑动平均曲线

Fig.5   The 9-years-moving average curves of flood and drought disasters in the Chaohu Lake Basin & middle and lower reaches of Changjiang Rive

4 水旱灾害与气候冷暖关系

根据《安徽省志·气象志》^[27]对巢湖流域近600 a来的气候进行分期,统计各期水旱灾害频率（表3）表明,1~4阶段,冷期旱灾发生频率明显高于暖期,暖期涝灾频率明显高于冷期,而第5、6阶段,这种规律正好相反,第7阶段水旱交替频率达到最高。这表明,1832年以前,气候冷暖是影响水旱灾害的主要因子,即冷期旱灾频率高于暖期,暖期涝灾频率高于冷期。1833年以后人类活动越来越强烈,对气候的影响越来越突出,从而水旱灾害不但受气候冷暖的影响还间接受人类活动的影响,水旱灾害不能由气候冷暖主导决定,人类活动的加强导致水旱交替现象越来越不稳定,出现的频率也越来越高。但这种现象的出现究竟是人类活动加剧的结果,还是自然环境演变规律从一种模式向另一种模式转变的结果,这仍需要今后进一步的研究探索。

5 讨 论

1） 巢湖流域水旱灾害发生频繁,600多 a来,发生频率平均为1.88 a一遇,水、旱灾害发生的频率几乎相当,但特大涝、大涝发生的频率远高于特大旱、大旱发生的频率。从时间上看,19世纪以前,旱灾发生频率高于水灾;19世纪,水灾远远严重于旱灾。20世纪,这种趋势又逆转过来。另外,大旱年、大涝年2~3 a连续出现也是巢湖流域一个显著的特点。

2） 连续功率谱分析表明,巢湖流域存在2~3、7~10 a周期振荡; 20世纪20~60年代是巢湖流域600多a来旱灾最严重的时期,19世纪20~60年代是水灾最严重的时期。在巢湖流域旱涝灾害序列与长江中下游旱涝灾害序列拟合过程中发现,两者旱涝灾害变化基本同步,说明巢湖流域是长江中下游旱涝的变化很好的指示器。近一二百年来,随着大规模工业发展和人口急剧增长,人类对环境的干预越来越强烈,关于人类活动对环境的影响与环境自身演变的对比,两者究竟孰轻孰重至今未能有结论。图5两条曲线的高度拟合,说明巢湖流域干湿演变主要受制于气候变化,人类活动只起到诱导作用。

3） 旱涝灾害的发生与区域气候冷暖变化存在一定关系,19世纪30年代以前,表现为旱灾多发生在冷期,水灾多发生在暖期。但30年代以后,这种关系被打破,且水旱交替现象越来越突出,这也许是人类活动加强所导致的,需在今后的研究工作中进一步论证。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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