流域内洪水和古洪水资料的考证推演

  来源: 光明日报

   

清同治九年（1870）长江洪水题刻之一 （资料图片）

历史时期洪水的确定,一般先从历史文献中查找特大洪水发生的时间和地段,然后通过实地调查和勘测,确定洪水痕迹,再进行水力学计算,以求得最大的洪峰流量。历史洪水调查研究的成果,可以延长水文系列从而延长考证期,提高特大洪水频率分析的精度和可信度。黄河三门峡――小浪底段1843年特大洪水的研究工作,就是一个应用历史上流域水患灾害学方法加以研究的成功范例。
国家根据被保护对象的重要程度,规定了不同的防洪标准(即设防标准)。重要工程的防洪设计关系到人民生命财产的安危,需要能抗御极为稀遇(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,一般应用数理统计学方法,对实测资料组成的时间系列,进行频率分析计算,求得洪峰流量和一次洪水总量的频率曲线。在这些频率曲线上可以查得设计防洪标准的特大洪水数值。
我国由于历史条件的限制,绝大多数流域的观测站网都是在1949年以后建立起来的,即便在长江、黄河等大江大河上,实测洪水资料的时间系列也不长。长江三峡有实测洪水资料114年,黄河三门峡水库在开工建设时更只有36年的实测洪水资料。而三峡水库和三门峡水库的安危,关乎数亿人民群众的生命财产安全和国家政治、经济、社会的全局,工程要求经得起千年一遇,甚至万年一遇特大洪水的袭击考验,从数理统计学和水文学原理的观点出发,如果只用30多年或100余年的洪水资料来预测未来可能遭遇的特大洪水,必然会产生较大的抽样误差,使设计值偏大或偏小,从而使工程造成浪费或安全受到威胁,其结果的可信程度也要打折扣。
为了解决这一难题,上世纪五六十年代,水利部门开始了以调查历史洪水为主要内容的大规模历史水文学调查。我国历史悠久,保存了丰富的历史文献,如各类史籍(正史、野史)、地方志、碑文,还有完整的明清故宫档案等。最久远的如晋代在汲郡的战国魏墓中发现的《竹书纪年》,全书凡十二篇,叙夏、商、西周、春秋时晋国和战国时魏国史事。战国时的魏国国境包括了上起无定河口,下至河南濮阳的黄河干流,书中记载了战国晋哀公二十二年(公元前453年)“河绝于扈”(多数学者认为,此处的河绝,作河决解)。又据北魏郦道元《水经注》,扈在今河南原阳县西。这短短的四个字,准确地告诉了我们黄河决口的时间和地点。又如北魏晚期迁都洛阳,郦道元供职洛阳宫廷,有条件亲睹伊河龙门左岸石铭,他在《水经注》中抄录石铭原文:“魏文帝黄初四年六月二十四日辛巳,大出水举高四丈五尺,齐此已下盖记水之涨减也。”按,三国曹魏黄初四年为公元223年,距今已有1780多年之久。而《三国志・魏书》、《晋书・五行志》、《河渠纪闻》、《禹贡锥止》等都有该年伊洛河发生大水的记载。现代黄委会在龙门石窟处设有伊河龙门水文站,将此涨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。这一成果对于伊河陆浑水库的设计和运用以及该水库与三门峡、小浪底等水库的联合防洪运用,都有很大价值。
在中国最早的编年史《史记》中有《河渠书》、《汉书》中有《沟洫志》,记载较大的江河水害和水利防洪工事。尔后各朝史书,大多也列有类似的志。此外,各朝代的正史中的帝记,也记载了较大的江河水害。
明清故宫档案,特别是清代故宫档案,主要是公元1736―1911年(清乾隆元年至宣统三年)间的部分“宫中”、“朱批”及“军机处录副”档,即当时地方政府各级官员,根据其下辖州、县、厅、营所报水情和灾情内容,分别汇总奏呈给皇帝的奏折。此外,明清宫档中也有关于淮河流域水害的资料。例如1843年特大洪水导致黄河在河南中牟县决口,主流经朱仙镇、通许、扶沟、太康等地,入涡河而汇入淮河。关于这次水害,清安徽巡抚程茂采在当年闰七月二十日呈上一系列的奏表,还报告了受灾范围、淹地水深、洪泽湖、微山湖等湖泊水位变化,这些资料都有助于对淮河流域水患灾害史的研究。
应用历史流域水文学的调查研究成果,使特大洪水的推演有了进一步的改善和发展。例如长江三峡调查到的历史洪水共计8个,时段为公元1610年――1870年,其中最大的公元1870年(清同治九年)洪水,洪峰流量为105000立方米/秒,50年代历史考证期(即在此期间为最大洪水)追溯到了公元1520年(明正德十五年),重现期定为439年。70年代又调查到公元1153年(南宋绍兴二十三年)的题记,重现期改为830年,即830年一遇洪水。显然,这还不能算是最后的定论。黄河三门峡至小浪底河段调查到公元1843年特大洪水36000立方米/秒,过去在频率计算中仅仅是按1843年至计算时间计其重现期,只能定为100余年,后来通过历史文献结合考古调查等多种途径考证,其重现期至少为1000年。这样就比较准确地确定了1843年洪水在频率曲线上的位置,提高了三门峡及小浪底设计洪水的精度。
古洪水与历史洪水的作用基本相似,可以将洪水重现期延长至几千年,并且较为精确地测定特大洪水的重现期,对洪水频率计算具有重要意义,但研究方法恰好相反。一般是在所研究的河段,对古代洪水时期漂流来的、由流域面上带来的孢子、花粉、枯枝、落叶、根茎等有机物构成的“古洪水平流沉积物”进行取样,然后利用它们求得该洪水的发生年代,即距今年数,再通过断面恢复,进行流量推求。能指示年代的矿物残屑、考古物品、树木年轮、热释光测年物(陶瓷、砖瓦、石英等)和放射性同位素等均可用于测年,其中放射性碳测年是古洪水研究中常用的测年方法。小浪底至三门峡河段测年得到的距今2360年的古洪水,洪峰流量达38000立方米/秒,就是古洪水研究的典型成功事例。
古洪水平流沉积物勘测和放射性同位素测年等工作中不可避免会产生的巨大误差,按经验频率公式粗估,可使洪水频率数值相差10%左右,考证期愈长,出现的频率愈小,对设计洪水的计算有一定的影响。如果辅以历史文献的考证,可以减少古洪水痕迹、将可信程度提高。所以,通过对历史流域水患灾害资料的考证进行历史洪水和古洪水的推演,对于确定比较合理的设计洪水具有重要参考价值。
目前,大多数气候模式的模拟结果都证实全球气温仍有持续升高的趋势。在这样一个水文气象环境背景下,推演和考证古洪水和古洪水资料,探讨天地人和谐相处的途径,对我们科学治理大江大河有重要的意义。
王尚义 任世芳(作者单位:陕西师范大学西北历史环境与经济社会发展中心、太原师范学院汾河流域科学发展研究中心)