開封地區(qū)宋元時期洪澇災(zāi)害與氣候變化
楚純潔/趙景波
【原文出處】《地理科學(xué)》(長春)2013年9期第1150～1156頁
【作者簡介】楚純潔(1978-)，男，河南葉縣人，E-mail：zzfccj@163.com，博士研究生，講師，主要從事自然地理、生態(tài)環(huán)境演變與治理研究，陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710062，平頂山學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河南 平頂山 467000；趙景波，E-mail：zhaojb@snnu.edu.cn，教授，陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710062
【內(nèi)容提要】 整理分析歷史文獻(xiàn)資料，提取出北宋和元代開封地區(qū)的洪澇災(zāi)害信息，對比探討兩個時期洪澇災(zāi)害發(fā)生特征及其反映的氣候變化。結(jié)果表明，宋元開封地區(qū)洪災(zāi)頻發(fā)，平均2.75～2.89 a發(fā)生1次，北宋以中度雨澇為主，元代以河流決溢大災(zāi)為主。北宋前70 a洪災(zāi)頻發(fā)，元代則兩頭少中間多。宋元洪災(zāi)主要集中于夏秋季節(jié)，夏季風(fēng)降水增多或集中是其主要驅(qū)動力。北宋洪災(zāi)空間差異較小，元代則因距離黃河改道遠(yuǎn)近而差異較大。北宋前期約40 a氣候偏干，之后干濕波動頻繁，元代相對濕潤并延續(xù)至后期；宋元洪災(zāi)均具有共同的準(zhǔn)3、7a周期。
【關(guān) 鍵 詞】洪澇災(zāi)害/洪澇成因/洪澇周期/氣候變化/宋元時期/開封
氣候變化和人類生存環(huán)境演變是當(dāng)代人們普遍關(guān)注的問題，而這些問題的探討，都要用到過去時期幾百年以上的古氣候信息。出于這種迫切需要，高分辨率歷史氣候序列的重建，是國際全球變化研究核心計劃“過去全球變化”與“氣候變率與可預(yù)報性”計劃的重要內(nèi)容[1]。中國地域遼闊、地理環(huán)境復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境脆弱、自然災(zāi)害類型多、發(fā)生頻率高，是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。近10 a來，中國學(xué)者已利用歷史文獻(xiàn)重建了大量與人類生存發(fā)展密切相關(guān)的自然環(huán)境變遷過程[2-9]，這對于深入、系統(tǒng)地研究區(qū)域自然災(zāi)害發(fā)生規(guī)律以及氣候變化具有重要意義。
開封市是影響黃河下游流域的一個重要節(jié)點，歷史上水患頻繁而嚴(yán)重，對黃河流域氣候變化的響應(yīng)非常深刻，有的學(xué)者甚至提出開封是研究黃河環(huán)境變化與人類應(yīng)對機制的極佳標(biāo)本[10]。但對于開封地區(qū)歷史時期洪澇災(zāi)害的研究目前只停留在明清時期[7，8]，更長時間尺度的研究尚未見報道。本文通過對歷史文獻(xiàn)資料的整理和分析，提取開封地區(qū)宋元時期的洪澇災(zāi)害信息，著重比較分析這兩個時期洪澇災(zāi)害時空演化及差異，探尋氣候變化規(guī)律，以期對該區(qū)災(zāi)害預(yù)測與防治提供科學(xué)依據(jù)，并為恢復(fù)黃河中下游流域歷史時期氣候提供參考。
1 研究區(qū)概況與方法
1.1 研究區(qū)概況
開封市地處黃淮平原，地理坐標(biāo)113°52'15"～115°15'42"E、34°11'45"～35°01'20"N。屬典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫14.52℃，年均降水量627 mm。北依黃河，處于黃河沖積扇平原的尖端，地勢低平，海拔介于69～78 m，成土母質(zhì)是不同時期的黃河沖積物。境內(nèi)河流眾多，分屬黃河、淮河兩大水系，流域面積263.8?，F(xiàn)轄市區(qū)、杞縣、通許縣、尉氏縣、開封縣和蘭考縣，全市總面積6 266，人口543萬。
1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法
本文數(shù)據(jù)源于對歷史文獻(xiàn)資料的整理、分析，主要依據(jù)《中國三千年氣象記錄總集》[11]，還包括《中國氣象災(zāi)害大典》(河南卷)[12]、《中國災(zāi)害通史》(宋代)[13]、《中國災(zāi)害通史》(元代)[14]。另外，以《宋史》、《元史》、《金史》等歷史文獻(xiàn)及地方史志對所提取信息進(jìn)行補正。由于不同時期自然災(zāi)害記載的詳略差異較大，北宋開封地區(qū)記載較詳細(xì)，但南宋由于政權(quán)南遷，相關(guān)記載嚴(yán)重缺失。因此，為使資料更科學(xué)、準(zhǔn)確，本文取北宋和元代①兩個時期。數(shù)據(jù)統(tǒng)計主要包括災(zāi)害發(fā)生的地點(按現(xiàn)行政區(qū)劃)、時間、頻次等，其中季節(jié)劃分以公歷3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12～2月為冬季。運用環(huán)境變遷理論和數(shù)理統(tǒng)計方法進(jìn)行定量和定性研究。
2 結(jié)果與分析
2.1 洪澇災(zāi)害等級
主要依據(jù)持續(xù)時間、強度、受災(zāi)范圍大小以及受災(zāi)影響程度，并將政府賑災(zāi)及與洪澇有關(guān)的祭祀活動與祭祀文辭作為參考(表1)，將洪澇災(zāi)害分為4個等級。由表1可知，以年度為統(tǒng)計單元，北宋開封地區(qū)發(fā)生洪災(zāi)61次，而且以Ⅱ級為主，占全部災(zāi)害的55.7%，平均每4.9年一遇，其他級別災(zāi)害頻次相近，所占比例介于13.1%～16.4%之間。元代發(fā)生洪澇災(zāi)害36次，受災(zāi)頻次最多的為Ⅱ級和Ⅳ級，分別占30.6%，33.3%，Ⅲ級發(fā)生頻次也較高，占25.0%，平均每3.3 a就會發(fā)生1次中度以上洪災(zāi)，每8.7 a發(fā)生1次特大洪災(zāi)。對比來看，北宋平均2.75 a發(fā)生1次洪災(zāi)，元代2.89 a發(fā)生1次，兩個時期基本接近。但元代發(fā)生Ⅲ級以上大災(zāi)的幾率顯著增多，高達(dá)58.3%，遠(yuǎn)比北宋(31.1%)要高。
2.2 洪澇災(zāi)害類型劃分與變化
按表現(xiàn)形式洪澇災(zāi)害可劃分為雨澇型、河溢型和河決型3種類型(圖1)。北宋以雨澇型為主，多達(dá)53次，占全部受災(zāi)頻次的86.9%，河溢、河決型頻次較少。中度洪災(zāi)在各類型中頻次最高，其中中度雨澇型多達(dá)31次，占該類型的58.5%；全部9次特大洪災(zāi)中由雨澇型直接引發(fā)的就多達(dá)8次，僅有的1次河決型也是由開封及周邊地區(qū)強降水引起，表明北宋時期洪災(zāi)源于本地區(qū)降水。
元代3種類型洪災(zāi)所占比例分別為33.3%，27.8%，38.9%，可見河決型已超過雨澇型而成為最主要的洪災(zāi)類型，而且根據(jù)統(tǒng)計，河流決溢全部源于黃河，反映了這一時期黃河頻繁泛濫成災(zāi)對流域降水等因素的強烈響應(yīng)。雨澇型與河溢型均以Ⅱ級為主，但河溢型受災(zāi)程度明顯加重，Ⅲ～Ⅳ級大災(zāi)已占該類型的50%，河決型Ⅲ～Ⅳ級頻次也顯著增加，可見元代大洪災(zāi)主要由黃河決溢造成，與北宋雨澇型為主的狀況有顯著區(qū)別，這主要受黃河改道影響。唐末至北宋黃河進(jìn)入第二個泛濫期，北宋發(fā)生于河南省境內(nèi)的黃河決口達(dá)41次、河溢21次[1]。但由于北宋開封距黃河較遠(yuǎn)(近100 km)、政府重點加以保護(hù)，開封地區(qū)沒有受到黃河泛濫的直接影響，這一點前人也有考證[15]。12世紀(jì)以后，隨著黃河逼近，至1234年開封北距黃河僅10 km，黃河在開封地區(qū)的泛濫異常嚴(yán)重，直到1351年賈魯治河成功，黃河在開封境內(nèi)直到明初再沒有大的改道和決溢(圖2)。但從洪災(zāi)產(chǎn)流來看，元代雖然雨澇型洪災(zāi)只占1/3，但部分黃河決溢也是由當(dāng)?shù)亟邓鸬?，其中黃河14次決口中有8次伴隨有當(dāng)?shù)貫?zāi)害性降水，說明當(dāng)?shù)亟邓黾尤允窃闉?zāi)的一個主要驅(qū)動因素。
2.3 洪澇災(zāi)害時間變化特征
1)年際變化特征。以10a為單位統(tǒng)計各年代洪災(zāi)發(fā)生頻次(圖2)，可以看出，北宋開封地區(qū)前70a內(nèi)洪災(zāi)頻發(fā)，其中2個時段為5次，而在1020年代則高達(dá)7次，之后便進(jìn)入了以20a為間隔的波動狀態(tài)。元代與北宋差異顯著，具有兩頭少中間多的特點。元代前期20a僅發(fā)生2次，后期1344年直至元朝滅亡，僅發(fā)生3次。相反，1284-1334年代為穩(wěn)定高頻發(fā)期，平均每2a一遇，且多為河流決溢，但據(jù)文獻(xiàn)分析，元中期31次洪災(zāi)中多達(dá)68%與本地區(qū)降水有關(guān)，說明元中期相比前后期降水顯著較多。
圖1 宋元時期開封地區(qū)各類型洪災(zāi)頻次分布
Fig. 1 Frequency distribution of different flooding types in Kaifeng area during Song and Yuan Dynasties
圖2 宋元時期開封地區(qū)洪災(zāi)頻次時序分布
Fig. 2 Timing distribution of flooding frequencies in Kaifeng area during Song and Yuan dynasties
2)季節(jié)變化特征。將la內(nèi)發(fā)生數(shù)次洪災(zāi)的情況按月份分類統(tǒng)計。北宋有季節(jié)或具體月份記錄的洪災(zāi)共98次，其中籠統(tǒng)記載到季節(jié)的有18次，精確到月份的有80次(表2)。表2顯示，北宋洪災(zāi)主要集中于6～10月，多達(dá)63次，12～2月最少，顯然是夏季風(fēng)降水增多或集中造成的。據(jù)統(tǒng)計，北宋出現(xiàn)“大雨平地水?dāng)?shù)尺”、“連雨彌月”、“頻雨及冬方止”等類似記載多達(dá)45次，反映了北宋多數(shù)洪災(zāi)年份全年降水量有顯著增加。研究表明，極端降水或持續(xù)性降水是引致華北降水增減的一個內(nèi)在特征，而且東亞夏季風(fēng)強的年份降水偏多、易澇，夏季風(fēng)弱的年份易旱[16]。對全部98次洪災(zāi)按季節(jié)統(tǒng)計，夏秋季多達(dá)81次?？梢?，北宋夏季風(fēng)活躍，極端降水或持續(xù)性降水頻繁，以致洪災(zāi)頻發(fā)。因此，夏季風(fēng)降水增多或集中是北宋開封地區(qū)洪災(zāi)頻發(fā)的重要驅(qū)動力。
元代有明確季節(jié)或月份記載的洪災(zāi)共56次，其中7月最多，達(dá)20次；按季節(jié)統(tǒng)計，夏季36次，占全年64.3%，春、秋、冬季分別為4、9、7次。由前述分析，當(dāng)?shù)亟邓黾尤允窃摃r期洪災(zāi)的一個主要驅(qū)動因素，但由黃河決溢所產(chǎn)生的洪水，還需對產(chǎn)洪區(qū)進(jìn)一步分析。黃河開封段現(xiàn)代洪水主要由三花、龍三和河龍區(qū)間的降水產(chǎn)生[17]，據(jù)統(tǒng)計，元代黃河中游末端沁河、伊洛河流域及鄭州、濮陽等沿黃地區(qū)雨澇型洪災(zāi)多達(dá)58個年份，且主要集中于夏秋季節(jié)，1286-1343年黃土高原區(qū)、渭河流域所發(fā)生的雨澇型洪災(zāi)也達(dá)19次，但與開封地區(qū)黃河決溢存在因果聯(lián)系的僅有6個年份，如1337年的“蘭陽、尉氏二縣河水泛溢②”，據(jù)文獻(xiàn)考證③④，就與黃河中游豫北、山西等地大范圍降水存在必然聯(lián)系。由此說明，黃河中游地區(qū)降水只是在一定程度上對開封地區(qū)黃河決溢起助推作用。相反，由于開封地區(qū)地勢平坦，黃河堤防薄弱，本地區(qū)降水就容易導(dǎo)致黃河決溢災(zāi)害，從而使河流決溢成為這一時期洪災(zāi)的主要表現(xiàn)。因此，本地區(qū)夏季風(fēng)降水增多或集中仍然可歸結(jié)為元代開封地區(qū)洪災(zāi)的主要驅(qū)動力。
2.4 洪澇災(zāi)害空間變化特征
北宋洪災(zāi)屬雨澇型，文獻(xiàn)記載多為大霖雨、雨連旬不止、霖霪作沴、恒雨等，由此反映出降水持續(xù)時間往往較長且強度較大；反映降水空間分布的記載多為京師、開封府、京畿等，類似記載達(dá)30余次，而直接記載諸屬縣如祥符、陳留、浚儀的則不多，這是因為作為國家政治中心的開封記載詳細(xì)，其他地方簡略。由于災(zāi)害性降水(尤其持續(xù)性降水)往往不可能只在一個城市發(fā)生，不僅覆蓋諸屬縣，而且可能包括周邊地區(qū)。因此，如果僅僅將京師等類似表述理解為開封市而不包括諸屬縣的話，則統(tǒng)計結(jié)果很可能失去科學(xué)意義。據(jù)1957-2011年開封、鄭州、許昌、商丘年降水量的相關(guān)分析，開封與其他3地區(qū)年降水的相關(guān)系數(shù)分別為0.790、0.609、0.658，且均達(dá)到了99%的顯著性水平，說明開封與周邊地區(qū)降水具有很大的相似性。由此認(rèn)為，以降水為主導(dǎo)的北宋開封地區(qū)洪澇災(zāi)害不存在較大空間差異。
元代洪災(zāi)空間分布如圖3。開封市洪災(zāi)最多，占37%，其他屬縣較接近。從受災(zāi)程度來看，空間差異主要體現(xiàn)在Ⅱ級以上較大洪災(zāi)，如Ⅲ級以上頻次依次為開封＞杞縣＞通許＞蘭考=尉氏，這顯然與黃河改道是分不開的。如圖4，除尉氏縣距離改道的黃河稍遠(yuǎn)外，其他縣市均有黃河改道分支，這使元代開封地區(qū)直接面臨黃河泛濫決溢的威脅。黃河干流自1171年南移進(jìn)入開封境⑤，至1187年已形成多股并流[18]。河道初入豫東、魯西南地區(qū)，平地漫流，形成的河道都很寬淺，主流變易無定，雖事后筑有堤防，也就是臨時就近挖沙土而筑，未作長久計，洪水來時極易潰決，以致形成數(shù)股并流的局面[19]。1232和1234年兩次人工決黃河入汴，開封境內(nèi)所形成的3股河道(由杞縣分支)在元代多次決溢，其中在1297-1397年的100 a內(nèi)，以滎澤(今鄭州西北)為頂點向東呈扇形泛濫，給開封地區(qū)造成了嚴(yán)重災(zāi)害。由于開封、杞縣、蘭考距離黃河3股河道最近(圖4)，因此，這3個縣市歷次受黃河決溢的威脅也最為嚴(yán)重。
圖3 元代開封地區(qū)洪澇災(zāi)害空間分布
Fig. 3 Spatial distribution of flood disasters in Kaifeng area during Yuan Dynasty
圖4 元代開封及周邊地區(qū)黃河河道分布
[據(jù)《沂沭泗河道志(1996)修改》]
Fig. 4 Schematic diagram of the Huanghe River channels in Kaifeng and its surrounding areas during Yuan Dynasty
3 討論
3.1 洪澇災(zāi)害與氣候干濕變化
濕潤指數(shù)法可反映干濕狀況，且能較好地消除旱澇資料本身的時空不均勻性，公式表示為[20]：
式中，I為濕潤指數(shù)，其值介于0～2之間，I=1氣候正常，I＜1氣候干旱，I＞1氣候濕潤[21]；f為不同旱澇級別(對應(yīng)于特大澇(旱)、大澇(旱)和澇(旱)3個級別)相當(dāng)年降水量的距平值[20]。
通過文獻(xiàn)整理、統(tǒng)計，濕潤指數(shù)變化如圖5，其中非本地區(qū)降水引起的河流決溢災(zāi)害已過濾掉。圖5顯示，北宋呈現(xiàn)強烈的階段性干濕變化。998年之前I＜1，說明北宋前期約40 a氣候較干旱，之后以約20 a尺度交替進(jìn)入干濕演替狀態(tài)。北宋前40 a發(fā)生洪災(zāi)16次(圖2)，而旱災(zāi)則多達(dá)30次，圖5所示北宋中期I＜1的2個階段水旱災(zāi)次比更是達(dá)到1︰3，由此反映了北宋旱澇交替的頻繁及氣候的異常波動。許多資料依據(jù)沉積物研究了洪水與氣候變化的關(guān)系，認(rèn)為大洪水主要是氣候變濕潤和降水量增加引起的[22，23]，北宋開封地區(qū)的降水特性也可間接反映這一特點。北宋前期960～1000年處于中國氣候變化的第三溫暖期，年均氣溫比現(xiàn)今高約1～2℃，而1000-1279年轉(zhuǎn)向第三寒冷期，但與現(xiàn)代氣候條件更相似[24]。現(xiàn)代洪水發(fā)生的降水條件表明，北方地區(qū)大澇災(zāi)和特大澇災(zāi)的發(fā)生一般是由于夏秋季降雨持續(xù)較長，甚至春季也出現(xiàn)霖雨而導(dǎo)致全年降水量明顯增加造成的[25]。開封市1951-2000年均降水量599 mm，降水主要集中于夏秋季，其中13個年份超過719 mm，這些年份夏秋季日均降水＞15 mm的天數(shù)均介于18～30 d之間，且存在2～5 d日降水＞50 mm的暴雨事件，而北宋Ⅱ級以上較大洪災(zāi)年份持續(xù)降水一般在10～30 d之間，甚至持續(xù)60～90 d或伴隨暴雨等極端降水，說明夏季風(fēng)異?；钴S所產(chǎn)生的持續(xù)性降水往往帶來年降水量的增加。因此，中等以上較大洪災(zāi)是能夠指示一定地區(qū)降水增加的。但一個年份降水的增加不代表一個濕潤的氣候階段，如果能夠確定連續(xù)多年有大洪水發(fā)生，則能夠代表濕潤氣候階段的存在[26]。北宋3個相對濕潤階段洪災(zāi)頻發(fā)(圖2)，其中有多個年份連續(xù)發(fā)生，說明較大洪災(zāi)對氣候干濕變化具有一定指示意義。
由圖5，元代濕潤指數(shù)變化較平穩(wěn)，在1345年之前I＞1，說明元代氣候相對濕潤并持續(xù)至元代后期，這同時也反映了宋元時期季風(fēng)氣候的變化特點，即北宋前60 a季風(fēng)強勁，1020年之后，季風(fēng)強烈波動但總體上非常強盛，但到14世紀(jì)中期季風(fēng)突然減弱(晚元弱季風(fēng)期)[27]。
圖5 宋元時期開封地區(qū)濕潤指數(shù)變化過程
Fig. 5 Humidity indexes in Kaifeng area during Song and Yuan dynasties
圖6 宋元時期開封地區(qū)洪澇災(zāi)害小波方差
Fig. 6 Wavelet variances of flood disaster in Kaifeng area during Song and Yuan dynasties
3.2 洪澇災(zāi)害發(fā)生的周期性
從Morlet小波方差可以看出(圖6)，宋元時期開封地區(qū)存在明顯的年際和代際周期變化。北宋存在3.5、7.2a的年際周期和32a的代際周期，其中32a周期小波信號最強，為第1主周期，7.2a為第2主周期。元代存在2.95、6.8、17、26和43a的年際與代際周期，其中第1主周期6.8a，第2主周期17a。兩個時期存在共同的準(zhǔn)3、準(zhǔn)7a周期，其中準(zhǔn)7a周期振蕩較強，而準(zhǔn)3a周期則較弱，這與ENSO事件2~8a的周期[28]一致，可以推測宋元時期洪勞災(zāi)害的發(fā)生受ENSO信號的調(diào)節(jié)，另外也與脊線位置的準(zhǔn)3a周期及地球地極移動振幅變化的7a周期一致，其變化將會引起地球離心力系統(tǒng)的變化，從而造成大氣環(huán)流及空氣質(zhì)量、水分輸送的變化，進(jìn)而可能會影響到降水及旱澇變化[29]。
4 結(jié)論
通過對歷史文獻(xiàn)資料的收集和整理，對宋元時期開封地區(qū)洪澇災(zāi)害的基本特征及其所反映的氣候變化得出以下認(rèn)識：
1)宋元時期開封地區(qū)洪澇災(zāi)害頻發(fā)，平均2.75～2.89 a發(fā)生1次；北宋以Ⅱ級(中度)為主，占全部災(zāi)害的55.7%，元代Ⅲ～Ⅳ級大災(zāi)的頻率顯著增多，比例高達(dá)58.3%，受災(zāi)程度加重。
2)北宋洪澇災(zāi)害以雨澇型為主，比例高達(dá)86.9%，元代以河決、河溢型為主，頻率分別達(dá)38.9%，27.8%，河流決溢成為這一時期的突出表現(xiàn)。
3)北宋前70 a洪災(zāi)頻發(fā)，之后進(jìn)入了以20 a為間隔的波動狀態(tài)；元代則表現(xiàn)為兩頭少、中間多，中期60 a為洪災(zāi)穩(wěn)定多發(fā)期。宋元時期洪災(zāi)主要集中于夏秋季節(jié)，夏季風(fēng)降水增多或集中是洪澇災(zāi)害頻發(fā)的主要驅(qū)動力。
4)北宋以降水為主的洪澇災(zāi)害空間差異較小，元代則因距離黃河改道遠(yuǎn)近而差異較大。
5)北宋前期約40 a氣候偏干，之后干濕波動頻繁，元代氣候相對濕潤并延續(xù)至后期；兩個時期洪災(zāi)均具有共同的準(zhǔn)3a、7a的年際周期。
注釋：
①公元1264-1278年為南宋與元共存期，考慮到時間尺度的延伸對研究結(jié)果更為科學(xué)、客觀，文中特進(jìn)行補充。
②《元史》卷五十一《五行志二》.
③《元史》卷三十九《順帝紀(jì)二》.
④元·蘇天爵《滋溪文稿》卷十二，中華書局1997年版.
⑤脫脫，等.金史·河渠志·黃河·卷27.
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