沂沭河流域洪澇災(zāi)害發(fā)生的時(shí)空分布特征

沂沭河流域洪澇災(zāi)害發(fā)生的時(shí)空分布特征

世界氣候變化、蝗災(zāi)事件及其對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的影響已成為全世界各國政府和科學(xué)家關(guān)注的主要問題。洪水災(zāi)害一直是中國最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。中國歷史悠久，歷史文獻(xiàn)豐富。洪水的書面記錄可以追溯到4000年前。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從公元前2006年到公元前公元前20世紀(jì)500年代，中國發(fā)生了1092次洪水，平均每?jī)赡臧l(fā)生一次。豐富的文獻(xiàn)記錄為研究歷史時(shí)期洪水災(zāi)害的變化規(guī)律提供了有價(jià)值的信息。洪水對(duì)氣候變化非常敏感。洪水災(zāi)害的發(fā)生規(guī)律、規(guī)模、程度和形成的研究不僅具有重要的科學(xué)意義，而且是現(xiàn)實(shí)的需要。山東省沂居河流域是歷史上著名的洪水災(zāi)害發(fā)生的地區(qū)。頻繁的洪水給當(dāng)?shù)厝丝诘纳a(chǎn)和生活、農(nóng)業(yè)和社會(huì)發(fā)展以及區(qū)域安全帶來了嚴(yán)重影響。然而，到目前為止，很少有研究在歷史文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析沂居河流域洪水災(zāi)害的時(shí)空特征、等級(jí)序列和原因，為預(yù)測(cè)和科學(xué)評(píng)價(jià)沂邱河流域洪水災(zāi)害提供了重要依據(jù)。1沂蒙水系河流水文特性沂河是淮河流域沂沭泗水系中的較大河流,位于山東省南部與江蘇省北部,為古淮河支流泗水的支流,源出山東省沂源縣,經(jīng)沂水、沂南、臨沂、蒙陰、平邑、郯城等縣、市,至江蘇省邳縣吳樓村入新沂河,抵燕尾港入黃海,全長574km,流域面積1.16萬km2.在臨沂以上主要為山丘區(qū),水土流失嚴(yán)重.支流多由右側(cè)匯入,呈不對(duì)稱樹枝狀,屬山區(qū)性河道,水流急,洪峰高,暴漲暴落.臨沂以下,進(jìn)入平原,河道寬淺,主要靠筑堤排洪.沭河源出沂水縣沂山南麓,同沂河平行南流,由郯城縣入江蘇省境內(nèi).沭河河道紊亂,每到汛期由于排泄不暢,常引起洪水泛濫(圖1).沂沭河流域地處我國南北氣候過渡地帶,屬暖溫帶、半濕潤季風(fēng)氣候區(qū),降水年內(nèi)分布不均,多集中于夏季汛期,占全年總降水量的71%,常有暴雨發(fā)生.降水年際變化較大,最大年降水量是最小年降水量的4倍多.沂、沭河上游均為山區(qū)性河道,源短、坡陡.每逢暴雨,山洪暴發(fā),峰高流急,洪水陡漲陡落;洪水匯集至中下游后,河道比降減小,行洪不暢,洪水過程緩慢.洪澇災(zāi)害,是該地區(qū)歷史上的主要自然災(zāi)害.《沂州府志》載:山區(qū)“凡可耕之土,又時(shí)被沖決,非成河,即沙壓,變幻頃刻”;丘陵區(qū)河流為“非有源之水也,三日之旱即成涸澤,一日之雨,良田隨沙石而去”;臨郯蒼平原區(qū)“本水鄉(xiāng),村外之田,輒曰湖,十歲九淹”,河道“河淺岸低”.2沂永河流域洪澇災(zāi)害的時(shí)空特征2.1時(shí)間特征2.1.1洪澇災(zāi)害頻次變化歷史數(shù)據(jù)來源于王建國等主編的《中國氣象災(zāi)害大典·山東卷》和張德二等主編的《中國三千年氣象記錄總集》,以及地方史志,如沂水縣志、郯城縣志、臨沭縣志等.以10年為單位,統(tǒng)計(jì)出沂沭河流域地區(qū)自公元1368年(明洪武元年)到1950年的近600年中,共發(fā)生洪澇災(zāi)害102次(不同地區(qū)在同一年的洪澇災(zāi)害按一次計(jì)算,且一年有多次洪澇發(fā)生按一次計(jì)算),平均每6年發(fā)生一次洪澇災(zāi)害.以10年為單位間隔分析各時(shí)段洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻次(圖2),根據(jù)洪澇災(zāi)害發(fā)生頻次變化圖,可以將沂沭河流域洪澇災(zāi)害分成三個(gè)階段:第一階段,1368～1530年,共163年,發(fā)生洪澇災(zāi)害9次,發(fā)生頻率較低;第二階段,1531～1760年,共230年,發(fā)生洪澇災(zāi)害60次,平均每3.8年一次,占洪澇災(zāi)害次數(shù)的58.8%;第三階段,1761～1950年,共190年,發(fā)生洪澇災(zāi)害33次,平均每5.7年一次,但是發(fā)生頻次變化幅度很大.為清楚反應(yīng)沂沭河流域在近600年的歷史時(shí)期洪澇災(zāi)害變化情況,做出了洪澇災(zāi)害頻次變化距平圖(圖3).該圖顯示,第一階段多是負(fù)距平值,發(fā)生洪澇災(zāi)害頻次低于平均,是洪災(zāi)少發(fā)期;第二階段正距平值占優(yōu)勢(shì),是洪災(zāi)多發(fā)期;在第三階段,正負(fù)距平值相當(dāng),表明該階段洪災(zāi)頻次變化幅度大.2.1.2洪澇災(zāi)害頻次變化應(yīng)用在最小二乘法意義下10次多項(xiàng)式的擬合,直觀顯示了沂沭河流域洪澇災(zāi)害頻次變化在10a尺度下的變化特點(diǎn)(圖4).由圖4可以看出,沂沭河流域洪澇災(zāi)害在近600年可分為三個(gè)階段,在16世紀(jì)前期之前發(fā)生頻次少,在16世紀(jì)中期到18世紀(jì)中期發(fā)生頻次多,而在18世紀(jì)中期之后,變化波動(dòng)很大.2.2h.洪澇災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域差異逐年統(tǒng)計(jì)近600年來有歷史記載的沂沭河流域各縣市分別發(fā)生的洪澇災(zāi)害的總次數(shù)(1年中有多次洪澇災(zāi)害記載的均按1次計(jì)算)(圖5).由圖5可以看出:沂沭河流域洪澇災(zāi)害的發(fā)生存在地區(qū)間的差異,費(fèi)縣、臨沂、郯城三地均達(dá)到40次以上,沂水、蒙陰、莒縣發(fā)生頻次比較少,在20次左右.發(fā)生洪澇災(zāi)害頻率較高的縣市都分布在流域平原地區(qū),山區(qū)縣市發(fā)生洪澇災(zāi)害頻率較低.平原地區(qū)地勢(shì)平坦,集水面積大,排水不暢,相比山區(qū)更容易發(fā)生洪澇災(zāi)害;這與沂沭河流域自東南向西北遞減的降水變化特征也有一定關(guān)系.3澇災(zāi)的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度由于大量的歷史文獻(xiàn)記載往往是定性描述較多,定量記錄很少;同時(shí)歷史文獻(xiàn)記載的洪澇災(zāi)害往往與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)聯(lián)系在一起.為了更好地分析沂沭河流域洪澇災(zāi)害等級(jí)序列,采用張德二等的方法,以歷史文獻(xiàn)的定性描述為基礎(chǔ),根據(jù)洪澇災(zāi)害持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度、受災(zāi)范圍大小及受災(zāi)影響程度的大小等,劃分四個(gè)等級(jí).第一級(jí)是輕度澇災(zāi).文獻(xiàn)中常常出現(xiàn)小范圍的“大水”、“澇”、“被水災(zāi)”、“大雨水”等模糊或輕微災(zāi)害記載,降水持續(xù)時(shí)間不長,又未記載對(duì)人民生產(chǎn)、生活產(chǎn)生較大影響的.例如明嘉靖五年(公元1526年),“沂州水”;明隆慶四年(公元1570年),“費(fèi)縣、郯城,秋澇”;清順治四年(公元1647年),“蒙陰:夏大水”;清道光三年(公元1823年),“蘭山、費(fèi)縣、郯城:澇”.同時(shí),輕度澇災(zāi)的持續(xù)降水時(shí)間一般不超過十天.第二級(jí)是中度澇災(zāi).文獻(xiàn)中記載的持續(xù)時(shí)間較長、局部范圍受災(zāi)、河水漲溢、民田被淹、淫雨害稼、減免某地水災(zāi)額賦等.例如明永樂十三年(公元1415),“沂州水,淫雨害稼”;明順治九年(公元1652年),“蘭山沂沭河大溢;蒙陰縣大水害禾稼”;清康熙四十八年(公元1709年),“臨沂縣:春大雨三月大饑.郯城:春大雨,麥苗盡淹”;清光緒二十七年(公元1901年),“蒙陰:六月大雨損稼”;局部地區(qū)暴雨造成的小范圍但有重大人員傷亡的水災(zāi)也歸為此類,如清光緒十六年(公元1890年),“費(fèi)縣:夏大雨,河溢東門外,石壩沖毀,沿河村莊多被漂移”.該等級(jí)持續(xù)降水時(shí)間不超過20天.第三級(jí)是大澇災(zāi).文獻(xiàn)中記載有受災(zāi)范圍較廣,大量民田被淹,城垣倒塌,有人畜死傷.例如明嘉靖三十一年(公元1552年),“費(fèi)縣、郯城、蒙陰、沂水大水,郯城城陷,平地水深一、二丈,漂沒民舍,不可勝數(shù)”;清乾隆十一年(公元1746年),“沂水縣,河水大溢,蒙陰:大水,郯城:水災(zāi)民饑,六月,沂水發(fā),沖漫堤堰,瀕河地畝無不淹沒,民房亦多浸塌”.這一級(jí)持續(xù)降水時(shí)間介于20天到30天之間.另外,大霖雨也可劃分此列,如清乾隆三十六年(公元1771年),“沂水縣,五月大霖雨,沂沭河溢,東北方趙北湖集陷于沭,莒縣,五月大雨,沭河暴漲,村落田禾漂沒無算,驗(yàn)城上水痕,比雍正八年(公元1730年)少三磚”.第四級(jí)是特大澇災(zāi).表現(xiàn)為降水時(shí)間長,強(qiáng)度大,波及范圍廣,對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大危害.例如明萬歷二十一年(公元1593年),“沂水大水,費(fèi)縣夏淫雨四十余日,洼地淹沒,次年,人相食,蒙陰縣,夏陰雨,大饑,民多餓死”;清雍正八年(公元1730年),“沂水縣:大水,六月十九日沂水溢漫,淹沒田禾廬舍無算;六月二十六,蒙陰、沂州:山水暴發(fā);秋,沂沭河皆大漲,漂廬舍,沒田禾”.依據(jù)以上的等級(jí)序列劃分標(biāo)準(zhǔn),沂沭河流域在近600年間發(fā)生輕度澇災(zāi)共45次,占洪澇災(zāi)害總數(shù)的44.1%;中度澇災(zāi)發(fā)生37次,占總數(shù)的36.2%;大澇災(zāi)有16次,占總數(shù)的15.6%;特大洪澇災(zāi)害最少,只有四次,占總數(shù)的4.1%(圖6).清代沂沭河流域輕度洪災(zāi)的發(fā)生頻率最高,中度洪災(zāi)的頻率也很高,大澇災(zāi)和特大洪澇發(fā)生的少,總數(shù)才達(dá)到19.7%.4洪水災(zāi)害形成的原因洪水是自然環(huán)境系統(tǒng)變化的產(chǎn)物,其發(fā)生和發(fā)展受自然環(huán)境系統(tǒng)的作用和制約,影響洪水特性的主要自然因素有流域氣候條件和地貌等.4.1氣候突變特征期洪水特征山東地處中緯度東亞季風(fēng)區(qū),是副熱帶與西風(fēng)帶和南北氣候的過渡地帶.山東獨(dú)特的地理位置以及北太平洋及黃、渤、東海海溫異常對(duì)山東氣候的反饋?zhàn)饔?使山東夏季旱澇既不與華北地區(qū)同步,也和江淮地區(qū)不一致.山東夏季降水分布呈現(xiàn)由東南向西北遞減趨勢(shì),南北差異明顯.沂沭河流域地處山東東南部,夏季降水的年際變化較大.影響洪水災(zāi)害形成、特征的氣候要素中,最重要、最直接的是降水,沂沭河流域地處東亞季風(fēng)氣候區(qū),深受季風(fēng)環(huán)境的影響,季風(fēng)氣候特點(diǎn)十分明顯,降水的季節(jié)分布極不均勻,降水主要集中在夏季.降水集中強(qiáng)度大,極易發(fā)生極端降水事件,從而造成大范圍的嚴(yán)重洪澇災(zāi)害.洪水多發(fā)生在不同氣候環(huán)境演變的過渡時(shí)期,尤其是在氣候環(huán)境轉(zhuǎn)型時(shí)期的突變階段.該流域近600年主要處于“明清小冰期”氣候特征期,氣候存在著明顯的冷暖干濕變化.張建云研究發(fā)現(xiàn):若氣溫升高1℃,年徑流量將減少3.7%～6.6%;但河川徑流對(duì)降水變化更為敏感,若降水量減少10%,河川徑流量將減少17%～22%.“明清小冰期”氣候特征期的氣候異常波動(dòng)是洪澇災(zāi)害的主要原因,但小冰期向現(xiàn)代暖期的氣候轉(zhuǎn)型期也不容忽視.近600年來,氣候變化復(fù)雜,為超常不穩(wěn)定.目前一般認(rèn)為1450～1890年是小冰期的時(shí)限,并且在小冰期期間劃分出3次冷期和兩次暖期.冷期發(fā)生在1450～1510年、1560～1690年和1790～1890年;冷期期間為兩次暖期.在這3次冷期中,第二次表現(xiàn)最甚,時(shí)間也最長;第一次次之;最后一次最弱.第一階段(1368年～16世紀(jì)前半期),我國東部地區(qū)氣候總體偏干,期間存在三次干濕波動(dòng),其中1371～1428年略濕,1429～1543年偏干,1544～1622年由干轉(zhuǎn)濕.偏干氣候時(shí)期,洪災(zāi)發(fā)生頻次低.第二階段(16世紀(jì)后半期～18世紀(jì)中葉),該階段主要處于清朝,總體來說,清朝是一個(gè)濕潤的朝代;同時(shí),該區(qū)域長期處于一個(gè)相對(duì)寒冷的時(shí)期.濕冷的氣候條件致使該區(qū)域在該時(shí)間段洪災(zāi)發(fā)生頻次多.第三階段(18世紀(jì)后期～20世紀(jì)中葉),該區(qū)域18世紀(jì)中期起進(jìn)入少雨期,19世紀(jì)中后期轉(zhuǎn)為多雨期,19世紀(jì)末至20世紀(jì)初,降水明顯減少,再次進(jìn)入相對(duì)少雨期.降水的波動(dòng)變化致使洪災(zāi)發(fā)生頻次的波動(dòng)變化.4.2流彎曲型河道特性沂沭河上游地處低山丘陵地區(qū),河床比降大,水流速度快,洪水能快速下泄.而中下游地區(qū)地勢(shì)相對(duì)平坦,干流曲折,尤其郯城縣境內(nèi)干流彎曲系度達(dá)1.7,超過彎曲型河道的彎曲系數(shù),干流平面形態(tài)為曲流,流程長,沿程比降小,流速慢,易積水,所以易發(fā)生洪水,造成災(zāi)害.該流域的河道變遷也是致使洪災(zāi)頻發(fā)的重要原因,宋建炎二年(公元1128年)黃河南徙,自此開始了其長達(dá)700年的奪淮入海歷史.黃河是一條泥龍,進(jìn)入淮河以后,致使淮河河道升高,從而使沂沭河不能注入,河道紊亂異常,從而加劇了沂沭河流域的水災(zāi).5多元流域洪澇災(zāi)害時(shí)間差異沂沭河流域近600年來共發(fā)生大小洪澇災(zāi)害102次,平均每6年發(fā)生一次洪澇災(zāi)害.輕度澇災(zāi)共45次,占洪澇災(zāi)害總數(shù)的44.1%;中度澇災(zāi)發(fā)生37次,占總數(shù)的36.2%;大澇災(zāi)有16次,占總數(shù)的15.6%;特大洪澇災(zāi)害最少,只有4次,占總數(shù)的4.1%.沂沭河流域洪澇災(zāi)害可分成三個(gè)階段:第一階段在1368～1530年之間,在該階段163年間發(fā)生洪澇災(zāi)害僅9次,發(fā)生頻率較低;第二階段在1531～1760年之間,在該階