渭河平原2 205年旱涝灾害发生规律及演变特征分析

朱记伟，徐小钰，刘家宏，解建仓

(1 西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安710048；2 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038)



渭河平原2 205年旱涝灾害发生规律及演变特征分析

朱记伟1，徐小钰1，刘家宏2，解建仓1

(1 西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安710048；2 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038)

【目的】 分析渭河平原旱涝灾害的演变特征及趋势，为区域防灾减灾措施的制定提供依据。【方法】 基于旱涝灾害史料，重建渭河平原2 205年(BC193-AD2012年)的旱涝灾害等级序列，通过绘制旱涝灾害等级图谱，统计不同时间段灾害的分布及持续性规律，并利用累积距平法、滑动T检验法结合小波分析法探究旱涝灾害的阶段性和周期性特征。【结果】 2 205年内渭河平原共有796年发生了各类洪涝灾害，旱灾发生总频次为480年,高于涝灾的316年，且旱涝交替现象明显，但近200年旱灾的发生频率有所下降，涝灾则呈上升趋势；2 205年中连旱灾害发生总频率高于连涝灾害，但连涝灾害的发生频率在近300年有增强趋势；旱涝灾害序列可划分为2个干旱期和2个洪涝期，且干旱期的最长持续时间为997年，远高于洪涝期的484年；旱涝灾害在全时间尺度上，存在24年、67～76年、92年和178～198年的显著周期。【结论】 渭河平原2 205年的历史中，旱涝灾害发生频繁，且旱涝灾害序列具有明显的阶段性和周期性。

旱涝灾害；灾害发生规律；灾害演变特征；渭河平原

近年来受快速城市化和气候变化加剧等因素影响，我国旱涝事件呈现频发、广发和急转态势，“旱涝并存、旱涝急转”等极端气候现象日渐凸显，旱涝灾害对人们的生产生活和社会经济的发展造成了巨大影响，因此分析其演变规律及突变性、阶段性，成为当前自然灾害研究领域的热点问题。两大国际研究计划——“过去全球变化”(PAGES)和“气候变率与可预测性”(CLIVAR)都将历史时期的旱涝灾害时空变化列为其重点研究内容[1]。国外在旱涝灾害的定量研究方面做出了很大贡献，降水异常指数(Rainfall Anomaly Index，RAI)、帕尔默干旱指数(Palmer Drought Severity Index，PDSI)、标准化降水指数(Standardized Precipitation Index，SPI)、综合干旱指数(Reconnaissance Drought Index，RDI)等众多旱涝指标被建立并应用于灾害规律研究中[2-6]。国内在灾害史料的收集整理与汇编上也做出了较大贡献，目前已拥有较为完整的历史旱涝序列。早在1979年，王绍武等[7]就对我国近五百年的旱涝灾害史料进行了分析整理，1981年中国气象局气象科学研究院主编了《中国近五百年旱涝分布图集》[8]，其后张德二等[9-10]又两次对其进行续补，将灾害资料延续到2000年；基于此，2010年白虎志等[11]编制了《中国西北地区近500年旱涝分布图集(1470-2008)》。通过史料对旱涝灾害变化规律及演变趋势的研究也有了较成熟的理论，如郑景云等[12]研究了中国东部地区百年尺度寒冷时段和温暖时段的旱涝格局变化，万金红等[13]分析了中国西北干旱地区旱涝特征，宋新山等[14]探究了黄淮海中下游地区旱涝灾害演变规律。

渭河平原又称关中平原，位于陕西省中部，地处温带半干旱、半湿润气候区，降水量年际变化大，年内分布不均，因此往往造成旱涝灾害。目前，关于渭河平原历史旱涝灾害发生规律及演变特征的研究相对较少。文星等[15]采用旱涝等级和比值法分析了关中地区中世纪(AD900-AD1199年)的降水变化特征，但距今时间跨度大，不能对当前应对旱涝提供有效支持；周亚等[16]探究了关中地区1900-1949年旱涝灾害时空特征，认为灾害的发生具有阶段性和交替性，但未对灾害的演变趋势进行分析。鉴于此，本研究基于史料，重建了渭河平原2 205年(BC193-AD2012年)的旱涝灾害等级序列，并从灾害发生频率、分布规律、持续性、阶段性、周期性等方面,对渭河平原旱涝灾害发生规律及演变特征进行了较深入的分析，以期为制定区域长远的防汛抗旱减灾措施及合理规划管理流域水资源提供支持，同时也为渭河平原历史时期旱涝灾害的研究提供借鉴。

1　资料与方法

1.1资料来源

渭河平原从西汉开始就有较丰富完整的旱涝灾害史料，本研究BC193-AD1949年的旱涝灾害资料以《陕西省自然灾害史料》[17]记载为主，AD1949-AD1995年的旱灾资料以《陕西省干旱灾害年鉴(1949-1995年)》[18]资料为主，AD1961-AD2005年的洪涝灾害资料以《渭河流域基本资料汇编》[19]为主，并参考《中国气象灾害大典·陕西卷》[20](BC193-AD2000年)及《中国西北地区近500年旱涝分布图集(1470-2008)》[11]里面已有的西安、宝鸡两站1470-2008年的旱涝灾害史料补充缺资料年份相关数据。AD2009-AD2012年的旱涝灾害资料主要来自各年的《陕西水利年鉴》[21]和《陕西救灾年鉴》[22]。《中国西北地区近500年旱涝分布图集(1470-2008)》[11]中将旱涝等级按照5级划分，考虑到将旱、涝灾害分别用两级定级不能很好地反映灾害的相对严重程度，因此本研究在此基础上结合渭河平原的实际情况，参考《气象干旱等级》(GB/T 20481-2006)国家标准、《中华人民共和国水利行业标准——洪涝灾情评估标准》(SL 579-2012)、《气象灾情收集上报调查和评估试行规定》(气发(2005)96号文件)等相关规定，将旱涝灾害划分为特涝(旱)、重涝(旱)、轻涝(旱)和正常等7级(表1)。其中缺资料记载的年份，用“0”表示。

表 1　渭河平原旱涝灾害等级划分标准Table 1　Classification standards for droughts and floods in Weihe plain

1.2分析方法

1.2.1累积距平法通过累积距平曲线的升降趋势可直观判断旱涝灾害随时间的变化。公式[23]为：

(1)

1.2.2滑动T检验法滑动T检验通过检验某一基准点两侧的两段旱涝等级子序列均值有无明显差异来寻找突变点。若检验结果超过一定的显著性水平，则该基准点处有突变发生。定义统计量[23]：

(2)

(3)

1.2.3小波分析法小波分析是基于傅里叶变换的一种时频分析法，能更好地分析旱涝灾害序列的变化尺度和发生变化的时间位置。由于旱涝灾害序列的演变是连续且具有多时间尺度的变化，因此本节中采用基于Morlet函数的连续复小波变换来分析[24]。旱涝灾害等级函数f(t)的连续小波变换表示为：

(4)

(5)

Morlet小波函数及小波方差的计算可表示为：

ψ(t)=Ce-t2/2cos 5t，

(6)

式中，C为小波函数变化系数。

Var(a)=∑[ωf(a,b)]2。

(7)

2　结果与分析

2.1渭河平原旱涝发生规律

2.1.1旱涝灾害等级图谱整理旱涝灾害史料，可知2 205年(BC193-AD2012年)中陕西省有旱涝灾害记载的年份共有973年，渭河平原2 205年中共发生各类旱涝灾害796年，发生频率为39.10%(图1)。其中，发生各类洪涝灾害316年，平均每6.98年一遇；发生各类干旱灾害480年，平均每4.59年一遇。就洪涝灾害而言，2 205年中共发生特涝灾害22年，平均100.23年一遇；发生重涝灾害107年，平均20.61年一遇。就干旱灾害而言，2 205年中共发生特旱灾害28年，平均78.75年一遇；发生重旱灾害119年，平均18.53年一遇。

图 1　渭河平原2 205年旱涝灾害等级序列图谱Fig.1　Droughts and floods grade sequence in Weihe plain during past 2 205 years

此外，渭河平原旱涝灾害持续时间长，灾害强度大，特重旱、涝灾害往往交替发生，如AD709-AD711年长达3年的重涝灾害之后，发生了长达5年的干旱灾害，其中重旱灾害3年；AD1952-AD1954年3年的特重洪涝灾害之后，AD1955年发生了特重干旱灾害，AD1956-AD1959紧接着发生了2年特重洪涝灾害和2年特旱灾害。由此可见，渭河平原是一个旱涝灾害频发的地区，旱灾较涝灾发生频率高，且旱涝交替现象明显。

2.1.2旱涝灾害时间分布特征统计渭河平原 2 205 年(BC193-AD2012年)中不同时间段(时间间隔为100年)上旱涝灾害的发生情况，为消除历史久远资料记载缺乏的影响，计算各个时段不同等级的旱涝灾害发生年份占本时间段有资料记载年份的比例，获取旱涝灾害发生频率，结果见表2。从表2可知，不同时间段上不同等级旱涝灾害的发生频率不尽相同，但整体上干旱灾害的发生频率高于洪涝灾害。AD1800年以前各时间段上干旱灾害的发生频率均高于洪涝灾害，而AD1801-AD1900、AD1901-AD2012年洪涝灾害的发生频率则高于干旱灾害。洪涝灾害发生频率较高的时段集中于AD1801-AD1900、AD1901-AD2012、AD801-AD900年，其中特、重级洪涝灾害在AD1901-AD2012、AD1-AD100、AD1801-AD1900年发生较频繁；干旱灾害发生频率较高的时段集中于BC101-BC193、BC1-BC100、AD301-AD400、AD501-AD600、AD1-AD100年，其中特、重级干旱灾害在AD101-AD200、AD201-AD300、AD401-AD500年发生较频繁。由此可推断，渭河平原近200年干旱灾害的发生频率有下降趋势，洪涝灾害的发生频率有上升趋势。

2.1.3旱涝灾害的持续性旱涝灾害的持续发生往往带来较大的灾害性影响，因此，对旱涝灾害的持续性进行研究，对于旱涝灾害的应对与预警具有重要意义。所谓旱涝灾害的持续性，就是对干旱或洪涝灾害持续出现2年或2年以上就记为发生一次连旱或连涝事件。考虑到资料记载的不均匀性，本研究取表2中资料完整性高于30%的时间段用于旱涝灾害持续性的分析。由于时间序列较长，为简化分析过程，本研究对渭河平原2 205年(BC193-AD2012年)的旱涝灾害以300年为时间尺度进行持续性分析，分为AD601-AD900、AD901-AD1200、AD1201-AD1500、AD1501-AD1800、AD1801-AD2012共5个阶段，分别统计干旱、洪涝灾害持续发生的年数占有资料记载年份的比例，结果见图2。由图2可知，2 205年中渭河平原连旱灾害发生总频率高于连涝灾害，这与宋新山等[14]提出的黄河流域中游地区总体上以偏旱和干旱多发为主的结果相符。

表 2　渭河平原2 205年中不同时间段旱涝灾害等级分布频率Table 2　Droughts and floods grade distribution frequency in Weihe plain at different periods during past 2205 years　%

2 205年中发生各类连旱灾害事件的平均频率达到69.036%，各类连涝灾害事件的平均频率达到 56.354%。持续2年灾害事件发生最多，其中2年连旱灾害发生的平均频率达到38.307%，2年连涝灾害的平均频率达到28.458%；其次是持续3年灾害事件，其中3年连旱灾害发生平均频率达到 17.095%，3年连涝灾害的平均频率达到12.206%。干旱灾害持续最长时间达到7年，洪涝灾害持续时间最长达到10年。就不同的时间分布而言，在AD1201-AD1500、AD1501-AD1800、AD1801-AD2012年3个时间段上各类持续干旱灾害的发生频率几乎相等，持续洪涝灾害在AD1801-AD2012年的持续性和发生频率均发生较大的增长，且大于AD1801-2012年持续干旱灾害的发生频率，其余时间段持续洪涝灾害的发生频率都小于持续干旱灾害。由此可见，持续洪涝灾害的发生频率在最近300年有增强的趋势。

图 2　渭河平原2 205年中旱涝灾害持续性的分析 正频率表示持续干旱灾害的发生，负频率表示持续洪涝灾害的发生Fig.2　Droughts and floods sustainability analysis in Weihe plain during past 2 205 years Positive frequencies stand for the occurrence of continuous droughts and negative frequencies stand for occurrence of continuous floods

2.2渭河平原旱涝演变规律

2.2.1旱涝灾害的阶段性为了解渭河平原旱涝灾害变化的阶段性，进一步分析渭河平原旱涝灾害的变化趋势，基于累积距平法进行统计分析，并采用101年滑动平均分析法消除短于滑动长度的周期，以更好地体现旱涝灾害变化曲线的趋势性，并绘制图3。在图3中，曲线上升代表该时期灾害以干旱为主，曲线下降代表该时期灾害以洪涝为主。利用曲线的升降趋势，结合滑动T检验法，对相邻两段不同变化趋势的曲线进行差异性判定。由T检验法分析可知，在t统计量P<0.01显著性水平时，存在AD804、AD868、AD1529年 3个突变点，在突变点AD804、AD1529年处呈现从干旱期向洪涝期的转变，在突变点AD868年处呈现从洪涝期向干旱期的转变。据此可将渭河平原旱涝灾害划分为BC193-AD804(持续997年)、AD869-AD1529(持续661年)年2个以旱为主时期和AD805-AD868(持续64年)、AD1529-AD2012(持续484年)年2个以涝为主的时期，干旱期的持续时间远高于洪涝期的持续时间，其中干旱期最长持续时间达到997年，洪涝期最长持续时间达到484年。

图 3　渭河平原2 205年中旱涝灾害累积距平曲线及101年滑动平均曲线Fig.3　Cumulative anomaly curve and moving average curve by 101 years of droughts and floods in Weihe plain during past 2 205 years

2.2.2旱涝灾害的周期性为充分反映隐藏在旱涝灾害等级序列中的周期特性，本研究采用小波变换法分析渭河平原2 205年(BC193-AD2012年)中旱涝灾害的演变特征。基于1.2.3节中式(4)-(6)，计算连续小波变换系数的实部，并绘制旱涝灾害等级序列小波分析图，结果如图4所示。为便于观察分析，本研究用不同的颜色区分不同计算值，正值表示旱灾，负值表示涝灾。

图 4　渭河平原2 205年中旱涝灾害等级序列的小波分析图Fig.4　Wavelet analysis of droughts and floods in Weihe plain during past 2 205 years

从图4可知，渭河平原2 205年(BC193-AD2012年)的旱涝灾害演变存在明显的多时间尺度特征。在全时间尺度上，存在24年、67～76年、92年和178～198年的显著周期。其中24年、92年的周期尺度与太阳黑子的22年和 80～120年的周期尺度分别对应，可推断太阳黑子的活动对渭河平原旱涝灾害的频发存在一定的影响；且24年的周期尺度与朱亚芬[25]、许靖华等[26]提出的中国北方存在20～30年的旱涝变化周期相对应，可见渭河平原的旱涝灾害与北方地区旱涝灾害的发生具有一定的一致性。BC193-AD70年存在24年、67～76年、118～134年、154年和178～198年的高频周期振荡；AD71-AD270年存在155～168年和198年的高频周期振荡；AD271-AD640年存在24年、45年和178-198年的高频周期振荡；AD641-AD1160年存在24年、67～76年、92年和178～198年的高频周期振荡；AD1431-AD2012年存在92年和198年的高频周期振荡。

小波方差图可直观反映旱涝灾害等级序列波动能量随时间尺度的变化，准确诊断出多长周期的振动最强，有利于确定旱涝演变的主周期[13,23]。从图5可知，2 205年中渭河平原的旱涝灾害等级序列主要存在3个较明显的峰值，即24年、92年和198年的时间尺度，这与小波变换分析中全时间尺度上的周期尺度几乎对应。其中最大峰值出现在198年的时间尺度上，说明198年的时间尺度是渭河平原地区旱涝灾害演变的第一主周期；92年和24年的时间尺度分别对应第二峰值和第三峰值，表明92年和24年分别是渭河平原地区旱涝灾害演变的第二主周期和第三主周期。

图 5　渭河平原2 205年中旱涝灾害等级序列小波方差图Fig.5　Wavelet variance of droughts and floods in Weihe plain during past 2 205 years

3　结　论

1)渭河平原2 205年中发生各类旱涝灾害的年份共有796年，其中发生洪涝灾害316年，发生干旱灾害480年，干旱灾害发生频率高于洪涝灾害，且旱涝交替现象明显。

2)2 205年中，渭河平原不同时间段上不同等级旱涝灾害的发生频率不尽相同。涝灾集中发生于AD1801-AD1900、AD1901-AD2012和AD801-AD900年；旱灾集中发生于BC101-BC193、BC1-BC100、AD301-AD400、AD501-AD600和AD1-AD100年。近200年旱灾发生频率有下降趋势，涝灾则表现出上升趋势。

3)2 205年中渭河平原连旱、连涝灾害频繁，持续2年灾害事件发生最多。干旱灾害持续最长时间达到7年，洪涝灾害持续最长时间达到10年。连旱灾害发生的平均频率(69.036%)高于连涝灾害(56.354%)，但连涝灾害的发生在最近300年有增强趋势。

4)渭河平原2 205年中旱涝灾害演变具有明显的阶段性。旱涝灾害序列可划分为BC193-AD804、AD869-AD1529年 2个干旱期和AD805-AD868、AD1529-AD2012年2个洪涝期。且干旱期的最长持续时间(997年)远高于洪涝期(484年)。

5)渭河平原2 205年内的旱涝灾害演变存在明显的多时间尺度特征。在全时间尺度上，存在24年、67～76年、92年和178～198年的显著周期，且198年的时间尺度是渭河平原地区旱涝灾害演变的第一主周期。

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Occurrence regularity and evolution characteristics of droughts and floods in Weihe plain during past 2 205 years

ZHU Jiwei1,XU Xiaoyu1,LIU Jiahong2,XIE Jiancang1

(1StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicEngineeringinAridArea,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China;2StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100038,China)

【Objective】 This study analyzed the evolution feature and tendency of droughts and floods in Weihe plain to provide basis for regional disaster prevention and mitigation.【Method】 Based on historical materials, the grade sequence of droughts and floods in Weihe plain during past 2 205 years (BC193-AD2012) was reconstructed.By drawing sequence map of droughts and floods,the occurrence frequency and sustainability were statistically analyzed.Accumulative departure method,T-test method and wavelet analysis method were also used to analyze the periodic features of droughts and floods.【Result】 There were a total of 796 years with droughts and floods in Weihe plain during the past 2 205 years.Draughts (480) were more frequent than floods (316) and they occurred alternatively.There were a decreasing tendency in the occurrence frequency of droughts and a increasing tendency of floods in recent 200 years.The occurrence frequency of continuous droughts was higher than that of continuous floods,although the latter had an increasing trend in recent 300 years.The sequence was divided into two drought-centered stages and two flood-centered stages,and the longest duration of drought period (997 years) was far larger than that of flood period (484 years).There were significant cycles of 24 years,67-76 years,92 years and 178-198 years in the whole time scale.【Conclusion】 Drought and floods occurred frequently in Weihe plain during past 2 205 years with significant periodicity.

droughts and floods;disaster occurrence regularity;disaster evolution characteristics;Weihe plain

时间:2016-09-0709:03DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.10.028

2015-07-20

中国工程院重大咨询项目“我国旱涝事件集合应对战略研究”(2012-ZD-13)；国家自然科学基金项目“支持最严格水资源管理业务应用的服务模式研究与实现”(51209170)；陕西省自然科学基础研究计划项目“关中地区旱涝灾害演变特征及多事件相关性分析”(2016JQ5061)

朱记伟(1982-)，男，山东日照人，副教授，博士，主要从事水资源管理与决策支持研究。E-mail：zhujiwei@xaut.edu.cn

徐小钰(1989-)，女，四川成都人，在读硕士，主要从事流域水资源管理与防灾减灾研究。E-mail:xautxxy@163.com

P426.616

A

1671-9387(2016)10-0199-08

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160907.0903.056.html