流域內洪水和古洪水資料的考證推演

  來源: 光明日報

   

清同治九年（1870）長江洪水題刻之一 （資料圖片）

歷史時期洪水的確定,一般先從歷史文獻中查找特大洪水發生的時間和地段,然後通過實地調查和勘測,確定洪水痕跡,再進行水力學計算,以求得最大的洪峰流量。歷史洪水調查研究的成果,可以延長水文系列從而延長考證期,提高特大洪水頻率分析的精度和可信度。黃河三門峽――小浪底段1843年特大洪水的研究工作,就是一個應用歷史上流域水患災害學方法加以研究的成功範例。
國家根據被保護對象的重要程度,規定了不同的防洪標準(即設防標準)。重要工程的防洪設計關係到人民生命財產的安危,需要能抗禦極爲稀遇(小概率)的特大洪水,例如百年一遇、千年一遇的特大洪水。推求特大洪水,一般應用數理統計學方法,對實測資料組成的時間系列,進行頻率分析計算,求得洪峰流量和一次洪水總量的頻率曲線。在這些頻率曲線上可以查得設計防洪標準的特大洪水數值。
我國由於歷史條件的限制,絕大多數流域的觀測站網都是在1949年以後建立起來的,即便在長江、黃河等大江大河上,實測洪水資料的時間系列也不長。長江三峽有實測洪水資料114年,黃河三門峽水庫在開工建設時更只有36年的實測洪水資料。而三峽水庫和三門峽水庫的安危,關乎數億人民群眾的生命財產安全和國家政治、經濟、社會的全局,工程要求經得起千年一遇,甚至萬年一遇特大洪水的襲擊考驗,從數理統計學和水文學原理的觀點出發,如果只用30多年或100餘年的洪水資料來預測未來可能遭遇的特大洪水,必然會產生較大的抽樣誤差,使設計值偏大或偏小,從而使工程造成浪費或安全受到威脅,其結果的可信程度也要打折扣。
爲了解決這一難題,上世紀五六十年代,水利部門開始了以調查歷史洪水爲主要內容的大規模歷史水文學調查。我國歷史悠久,保存了豐富的歷史文獻,如各類史籍(正史、野史)、地方志、碑文,還有完整的明清故宮檔案等。最久遠的如晉代在汲郡的戰國魏墓中發現的【竹書紀年】,全書凡十二篇,敘夏、商、西周、春秋時晉國和戰國時魏國史事。戰國時的魏國國境包括了上起無定河口,下至河南濮陽的黃河幹流,書中記載了戰國晉哀公二十二年(公元前453年)『河絕於扈』(多數學者認爲,此處的河絕,作河決解)。又據北魏酈道元【水經注】,扈在今河南原陽縣西。這短短的四個字,準確地告訴了我們黃河決口的時間和地點。又如北魏晚期遷都洛陽,酈道元供職洛陽宮廷,有條件親睹伊河龍門左岸石銘,他在【水經注】中抄錄石銘原文:『魏文帝黃初四年六月二十四日辛巳,大出水舉高四丈五尺,齊此已下蓋記水之漲減也。』按,三國曹魏黃初四年爲公元223年,距今已有1780多年之久。而【三國志・魏書】、【晉書・五行志】、【河渠紀聞】、【禹貢錐止】等都有該年伊洛河發生大水的記載。現代黃委會在龍門石窟處設有伊河龍門水文站,將此漲水高度加到汛期多年平均水位上,即可推算出公元223年的最高洪水位。這一成果對於伊河陸渾水庫的設計和運用以及該水庫與三門峽、小浪底等水庫的聯合防洪運用,都有很大價值。
在中國最早的編年史【史記】中有【河渠書】、【漢書】中有【溝洫志】,記載較大的江河水害和水利防洪工事。爾後各朝史書,大多也列有類似的志。此外,各朝代的正史中的帝記,也記載了較大的江河水害。
明清故宮檔案,特別是清代故宮檔案,主要是公元1736―1911年(清乾隆元年至宣統三年)間的部分『宮中』、『硃批』及『軍機處錄副』檔,即當時地方政府各級官員,根據其下轄州、縣、廳、營所報水情和災情內容,分別匯總奏呈給皇帝的奏摺。此外,明清宮檔中也有關於淮河流域水害的資料。例如1843年特大洪水導致黃河在河南中牟縣決口,主流經朱仙鎮、通許、扶溝、太康等地,入渦河而匯入淮河。關於這次水害,清安徽巡撫程茂採在當年閏七月二十日呈上一系列的奏表,還報告了受災範圍、淹地水深、洪澤湖、微山湖等湖泊水位變化,這些資料都有助於對淮河流域水患災害史的研究。
應用歷史流域水文學的調查研究成果,使特大洪水的推演有了進一步的改善和發展。例如長江三峽調查到的歷史洪水共計8個,時段爲公元1610年――1870年,其中最大的公元1870年(清同治九年)洪水,洪峰流量爲105000立方米/秒,50年代歷史考證期(即在此期間爲最大洪水)追溯到了公元1520年(明正德十五年),重現期定爲439年。70年代又調查到公元1153年(南宋紹興二十三年)的題記,重現期改爲830年,即830年一遇洪水。顯然,這還不能算是最後的定論。黃河三門峽至小浪底河段調查到公元1843年特大洪水36000立方米/秒,過去在頻率計算中僅僅是按1843年至計算時間計其重現期,只能定爲100餘年,後來通過歷史文獻結合考古調查等多種途徑考證,其重現期至少爲1000年。這樣就比較準確地確定了1843年洪水在頻率曲線上的位置,提高了三門峽及小浪底設計洪水的精度。
古洪水與歷史洪水的作用基本相似,可以將洪水重現期延長至幾千年,並且較爲精確地測定特大洪水的重現期,對洪水頻率計算具有重要意義,但研究方法恰好相反。一般是在所研究的河段,對古代洪水時期漂流來的、由流域面上帶來的孢子、花粉、枯枝、落葉、根莖等有機物構成的『古洪水平流沉積物』進行取樣,然後利用它們求得該洪水的發生年代,即距今年數,再通過斷面恢復,進行流量推求。能指示年代的礦物殘屑、考古物品、樹木年輪、熱釋光測年物(陶瓷、磚瓦、石英等)和放射性同位素等均可用於測年,其中放射性碳測年是古洪水研究中常用的測年方法。小浪底至三門峽河段測年得到的距今2360年的古洪水,洪峰流量達38000立方米/秒,就是古洪水研究的典型成功事例。
古洪水平流沉積物勘測和放射性同位素測年等工作中不可避免會產生的巨大誤差,按經驗頻率公式粗估,可使洪水頻率數值相差10%左右,考證期愈長,出現的頻率愈小,對設計洪水的計算有一定的影響。如果輔以歷史文獻的考證,可以減少古洪水痕跡、將可信程度提高。所以,通過對歷史流域水患災害資料的考證進行歷史洪水和古洪水的推演,對於確定比較合理的設計洪水具有重要參考價值。
目前,大多數氣候模式的模擬結果都證實全球氣溫仍有持續升高的趨勢。在這樣一個水文氣象環境背景下,推演和考證古洪水和古洪水資料,探討天地人和諧相處的途徑,對我們科學治理大江大河有重要的意義。
王尚義 任世芳(作者單位:陝西師範大學西北歷史環境與經濟社會發展中心、太原師範學院汾河流域科學發展研究中心)