近70年北京地区枯水年的分布研究

北京市新英才学校 郭宗胜，肖若萱，朱未冉，陈鼎琦，陆颖文，洪佳熠

一、研究源起

作为温榆河绿色生态走廊中的一员，北京市新英才学校2019年启动了《家在温榆河》探索式课题研究项目，旨在以活动为载体，融汇交叉学科，促进教师与学生的合作与成长[5]。数学组带领学生承担的课题是“大数据背景下的温榆河”。在一期研究中[4]，通过对30年的数据分析发现，温榆河流域降水量与径流量具有2-3年短周期升降的现象，而且这些峰值与中国五运六气的周期律中的关键年有很好的契合。但是在谷值也就是枯水年的分析中，在统计学中不具有显著性，也就是与五运六气的相关年契合度不高。

我们认为除了枯水年影响因素的复杂性之外，还有原因便是分析的数据量不足，以及选取的统计量不合适。因此在二期研究中一方面进行了北京70年的水利历史调研，以枯水年为主，发掘研究的灵感，寻找年度的分布规律性，另一方面从北京水务局调取了70年的数据进行更充分的分析。

二、研究背景

运气学说，是《黄帝内经》中记载的中国古代研究天时变化规律，以及天时气候变化对人类、生物影响的学科。其以天人相应的思想为指导，以天干地支符号推求气运变化，认为自然气候存在着五运的十年周期，以及六气的六年周期模式。

其中五运中甲己年为土运，主湿气，甲年为太过，己年为不足；乙庚年为金运，主燥气，收敛肃杀，庚年为太过，乙年为不及；丁壬年为木运，主风燥气，壬年为太过年，丁年为不及；丙辛年为水年，主雨主寒，丙年为太过，辛年为不及；戊癸年为火年，主火主热，戊年为太过，癸年为不及。以上是从主要方面抓住大运来说的，除此之外，一年中还有主运客运五个阶段的辩证分析。六气模式中宏观上可以从司天之气和在泉之气分析。比如，巳亥年是厥阴风木司天，子午年是少阴君火司天，丑未年是太阴湿土司天，寅申年为少阳相火司天，卯酉年是阳明燥金司天，辰戌年是太阳寒水司天。除此之外，还涉及主气客气，运与气的辩证分析。

《黄帝内经》的五运六气系统是个复杂的辩证的动态多因子系统[7]。本研究中所呈现的关联性仅仅是理论系统的一个很小维度，希望读者谅解。

三、数据与资料

本次数据分析主要采用了从北京市水务局提取的1950年到2019年共计70年的数据，涉及北京市年平均降水量、北京市地表水资源总量、温榆河年平均径流量、温榆河流域年平均降水量等。同时参考了《北京水利志稿(第二卷)》附录中的“中华人民共和国成立后北京地区年降水量统计表”以及“北京站历年降水量表(1724-1949)”[3-4]。

研究过程中采用了统计软件IBMspss23.0，和Python3.8编程语言的matplotlib模块，使用的方法是比较分析法和统计分析法。首先对数据进行单样本的柯尔莫哥罗夫·斯米诺夫的非参数分析，确定数据满足正态分布。

历史调研的书籍主要有《北京水利志稿》《北京气候志》《水惠京华——北京水利五十年》《北京水旱灾害》《北京旱情与对策》《北京水利史》(吴文涛著)《北京水史》《循环水务的理论与实践》《当代北京饮用水史话》等。

四、研究方法

（一）历史调研：走进北京70年的水历史

历史调研旨在梳理降水的年度事件，发现一些关键细节，尤其是关注重大旱情事件[2]。当然我们也辩证了水资源缺乏、干旱与自然降水的关系。

我们认为，二者与自然降水都具有直接相关性，但是又不是决定相关性，尤其在城市化、工业化的社会模式。就北京来说，当今的北京普遍被认为水资源匮乏，尤其是按人均水资源占有量来说。令人惊叹的，北京是世界上少有的主要依赖自然降水的大型城市。据专家考证，历史上的北京曾经森林茂密、风调雨顺，随着元明清都城的建设，地面生态环境发生了很大的改变，旱涝灾害也变得频繁，尤其是现代人口剧增，经济发展，环境污染，才造成了用水的紧张，一次次出现旱情。“人类活动破坏了北京固有的自然生态环境，对水造成的严重侵害，才是北京水循环严重失调导致长期干旱缺水的直接原因”[1]。

也就是说，旱情是一个很综合的因素。借助旱情得到的信息，还需要后续数据进行对照。正是本着以上研究立足点，我们锁定了下面一些琐碎的历史线索：

20世纪50年代有几次洪水，北京先后修建了官厅水库、十三陵水库、密云水库等多个水库，尤其是官厅与密云，按照周总理的布局，这是北京城市建设的“两大水盆”。

20世纪60年代的掉头。建设者在密云水库的建设中谋划京密大运河，希望从密云水库到北京城，密云水库到天津入海能够通客轮。结果1960年、1961年大旱，官厅水库水量不能满足工农业正常用水，只能调整方案，快速建设京密引水渠引密云水库水入京。

20世纪70年代的污染。1972年发现官厅水库水质污染，惊动国务院。事后调查，原因一是永定河上游工业发展，污水排放严重，二是水库管理粗放，一年一放空。1971年降水量少，水库入水少，加上1972年春旱，因此造成1972年春季水库蓄水不足。除此之外，城区工农业发展急需用水，不得不求取地下水，发起了夺水会战，先后建立了海淀的水源三厂以及顺义远郊的水源八厂。

20世纪80年代的再掉头。原本密云水库是同时供水北京、天津和河北的。但是1980年、1981年连续旱情，密云水库到了死库容，国务院紧急会议作出决议，密云水库仅供北京用水，由河南、山东调水到天津。同时密云水库改变粗放式一年一放水的管理，实行多年蓄水调节模式，一防备枯水年。北京还启动了最大的自来水厂水源九厂[3]以及向阳闸工程从顺义潮白河流域调水到城区。

20世纪90年代的小丰水期。主要是1994年、1996年，官厅、密云两大水库爆满，因为担心会遇洪涝，不得不放弃了8亿立方米水，结果很快就进入了一个更长的干旱年-1999年。

2000年代的多年干旱。1999年，北京市政府制定了《二十一世纪初期首都水资源可持续利用规划》，提出实现2010年北京水资源供需平衡，以及官厅水库水质净化等多项目标[1]，不料世纪之初便进入了连续多年的干旱。加上2001年申奥成功，北京先后启动了怀柔应急、张坊应急等工程，加快了污水处理、再生水的建设，加速启动了南水北调工程。

综合上面的旱情线索以及旱情与降水的辩证，我们大胆猜测，北京地区的枯水年具有一定的年度分布规律，每10年中的年初都是潜在的枯水年，尤其是在年尾数逢1、逢2的年。这一点与一期的研究具有一定的呼应性，因为逢1、逢2的年分布为辛年和壬年，都是典型的降水不足的年。

对此，我们认为这个线索是研究很好的突破点，也就是对枯水年的研究，本研究中暂时不考虑其他运气，将逢1的辛年以及逢2的壬年作为着眼点。

（二）数据分析：引入统计量与结果分析

（1）围绕年尾数为1和2的年份以及其他年份，我们统计了枯水年的年份次数，如表1。采用卡方独立性检验，计算出卡方值：卡方值=4.6437346，P-value=0.01816<0.05。

表1 枯水年的年份次数

结论显示：尾数为0和1作为枯水年出现具有统计学的显著性。

结果分析：

（1）年尾数为1和2的年份，多年的年平均降水量分别是508.13和521.53，与总体平均值有很大差距，与其他年份的年平均降水量相差也很大。这证明五运六气中的辛年和壬年是典型的枯水年候选人。

（2）同时也发现，年尾数为4和6的年，多年平均降水量分别是649.61和644.09，相比其他年份都很大。这也证明一期研究中的结论，五运六气中的丙年和甲年都是典型的丰水年候选人。

五、讨论

无论温榆河径流量或者北京降水量，或者说五运六气的理论都是很复杂的[8]，作为研究者必须选取好的视角、提出好的问题，逐步认识一点线索。本期研究我们正是从这个着眼点出发，首先从历史调研中找到了突破口，然后在数据分析中得到印证。最后构造的统计量不仅证实了本期的结论，也印制了一期的研究成果[4]。这样便使得研究成果一步步扩大。

目前为止，我们的研究还是选取了薄弱的一些环节进行。在后续的研究中，我们会通过细化数据，由年平均数据细化到月降水数据，综合丰水年与枯水年以及辩证气运关系等角度继续深入。