明清時期珠江流域旱澇災(zāi)害的空間分布特征

畢 碩 本，張 莉，王 履 華，魯 穎，許 志 慧

(1.南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)科學(xué)技術(shù)史研究院，江蘇 南京 210044)

0 引言

歷史文獻(xiàn)中隱含著大量的氣象信息，是重建我國歷史時期氣候的寶貴資料[1]。充分利用這些資料探索旱澇災(zāi)害的分布特征[2]，對于研究當(dāng)前條件下我國旱澇災(zāi)害分布的可能情景大有裨益。我國東部季風(fēng)區(qū)距海近、降水多，西北內(nèi)陸降水少且分布不均，降水整體呈由東南向西北遞減趨勢，旱澇災(zāi)害分布存在顯著的空間差異。Ye等[3]研究發(fā)現(xiàn)四季帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)在年代際空間分布上存在差異；Zhang等[4]研究表明我國大部分地區(qū)洪澇災(zāi)害加劇，干旱災(zāi)害少于洪澇災(zāi)害；鄭景云等[5]通過重建我國東部過去2 000年旱澇等級數(shù)據(jù)和溫度變化序列，對過去百年尺度寒冷和溫暖時段的旱澇格局進(jìn)行了研究；李維京等[6]分析了1961-2013年我國南方旱澇災(zāi)害的時空變化特征；姚亞慶等[7]發(fā)現(xiàn)我國旱澇受災(zāi)和成災(zāi)面積呈增加趨勢；魏琳等[8-12]分別研究了我國東北、西北、西南、華東、華南地區(qū)的旱澇情況。在國內(nèi)各流域相關(guān)研究中，曹永強等[13-15]分析了黃淮海流域內(nèi)旱澇變化分布特征；畢彩霞等[16]發(fā)現(xiàn)渭河流域內(nèi)旱澇主要受洛川—長武—寶雞中心帶的旱澇氣候控制；楊傳國等[17]研究表明，淮河流域過去500年旱澇災(zāi)害交替頻繁且呈增加趨勢；閃麗潔等[18]研究了長江中下游地區(qū)長短周期的旱澇表現(xiàn)；杜華明等[19]發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)60年代以來嘉陵江流域由澇災(zāi)向旱災(zāi)轉(zhuǎn)化的趨勢明顯；賈春強等[20]基于PDSI指數(shù)發(fā)現(xiàn)南盤江流域內(nèi)干旱發(fā)生頻繁且范圍呈擴大趨勢，洪澇發(fā)生范圍呈縮小趨勢；何艷虎等[21]發(fā)現(xiàn)東江流域總體呈“北旱南澇”的空間格局。

綜上，已有不少學(xué)者對不同區(qū)域、流域旱澇災(zāi)害的時空特征及其趨勢進(jìn)行了研究，但時間尺度多限于近50年，對歷史時期的研究較少，研究方法以統(tǒng)計學(xué)為主。因此，本文選擇珠江流域為研究區(qū)，明清時期為研究時段，歷史典籍為研究資料，通過K最近鄰分類算法及熱點分析，探究明清時期珠江流域旱澇災(zāi)害的時空特征，旨在為近代珠江流域防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

本文研究區(qū)為珠江流域，包括云南省東部，貴州省、江西省南部，廣東、廣西大部分地區(qū)，歷史上的歸順府、上思廳、黎平府和開化府缺乏數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行旱澇災(zāi)害統(tǒng)計分析，故將其從研究區(qū)中剔除。研究區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和多雨，多年平均氣溫為14～22 ℃，多年平均降雨量1 200～2 200 mm，由東南向西北遞減，年均河川徑流總量為5 697億m3，4～9月汛期徑流量約占年徑流總量的80%；總體地勢西北高、東南低，西北部為云貴高原，東部為兩廣丘陵，河谷盆地相間，珠江下游為珠江三角洲，河網(wǎng)密布，地勢低平。珠江流域由西江、北江、東江及珠江三角洲諸河組成?？紤]明清時期無珠江三角洲這一概念，且西江干流流經(jīng)滇、黔、桂、粵4省區(qū)，流域面積較大，故研究中將珠江流域劃分成南盤江流域、紅水河流域、西江流域、北江流域和東江流域(圖1，彩圖見附錄2)。

圖1 珠江流域地形水系Fig.1 Terrain and river system in Pearl River Basin

研究數(shù)據(jù)包括：1)氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)，主要來自《中國三千年氣象記錄總集》[22]、《中國氣象災(zāi)害大典》[23]，再以《清代珠江韓江洪澇檔案史料》[24]及相關(guān)縣志對數(shù)據(jù)加以補充完善。2)地圖數(shù)據(jù)，來自《中國歷史地圖集》[25]，參考《中國近五百年旱澇分布圖集》[26]進(jìn)行補充；研究底圖為清宣統(tǒng)三年(1911年)珠江流域的行政規(guī)劃歷史地圖。3)SRTM DEM數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)，空間分辨率為90 m。由DEM數(shù)據(jù)提取各子流域相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于珠江流域的參考數(shù)據(jù)，整理各子流域的基本參數(shù)(表1)。由表1可知，研究區(qū)平均高程由東至西依次增高，南盤江流域坐落在云貴高原上，平均高程最高(3 013.91 km)，且平均坡降最大，說明南盤江縱向坡度落差較大，易引發(fā)山崩、泥石流等自然災(zāi)害。

表1 珠江流域五大子流域基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of five sub-watersheds in Pearl River Basin

2 研究方法

2.1 年均旱(澇)災(zāi)縣數(shù)比

本文通過年均旱(澇)災(zāi)縣數(shù)比[27](一定時期內(nèi)某府(州)累計發(fā)生旱(澇)災(zāi)縣數(shù)÷該時期歷經(jīng)年數(shù)÷該府(州)縣數(shù))反映一定時期內(nèi)各府(州)發(fā)生旱(澇)災(zāi)害的頻率,也能反映旱(澇)災(zāi)害的空間影響范圍。例如：明清(1368-1911年)歷時544年，按照1911年中國的行政區(qū)劃，東江流域廣州府包含16個縣，累計發(fā)生旱災(zāi)的縣數(shù)為233，則廣州府在該時期的年均旱災(zāi)縣數(shù)比為0.0268。

2.2 K最近鄰分類算法

K最近鄰分類算法[28，29]只依據(jù)最鄰近的一個或幾個樣本的類別即可決定待分樣本的所屬類別，在類別決策時只與極少量的相鄰樣本有關(guān)，因此，對于類域交叉或重疊較多的待分樣本集而言，K最近鄰方法較其他方法更適合。該算法實現(xiàn)步驟為[29,30]：首先輸入訓(xùn)練數(shù)據(jù)集T={(x1,y1),(x2,y2),…,(xN,yN)}，其中，xi∈X?Rn為樣本屬性值，yi∈Y={c1,c2,…,cK}為實例類別，i=1，2，…，N，通過歐氏距離[31]在訓(xùn)練集T中找出與xi最鄰近的k個點，涵蓋這k個點的鄰域記作Nk(x)；然后在Nk(x)中根據(jù)分類決策原則(式(1))決定xi的類別y。

(1)

式中：I為指示函數(shù)，當(dāng)yi=cj時，I為1，否則I為0。

2.3 熱點分析

熱點分析[32,33]步驟為：1)基于某鄰域?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，根據(jù)局部數(shù)據(jù)均值與總體均值的偏差判斷數(shù)據(jù)在空間上是否為隨機分布，若是，則通過空間加權(quán)計算得到的結(jié)果呈正態(tài)分布。2)通過計算Z得分(標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù))和P值(表示觀測到的空間模式是隨機創(chuàng)建的概率)進(jìn)行熱點判斷(表2)：當(dāng)Z>1.65且P<0.1時，表示高值空間集聚(熱點)；當(dāng)Z<-1.65且P<0.1時，表示低值空間集聚(冷點)。

表2 熱點分析的判斷標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Criteria for hot spot analysis

3 結(jié)果與分析

3.1 明清時期旱澇災(zāi)害統(tǒng)計分析

以府為單位，統(tǒng)計明清時期珠江流域旱(澇)災(zāi)害發(fā)生的縣數(shù)、年數(shù)和縣數(shù)比，并繪制5個子流域的旱(澇)災(zāi)害年數(shù)分布圖(圖2)，其中餅圖表示各府旱(澇)災(zāi)發(fā)生的年數(shù)百分比。例如，北江流域佛岡廳明清時期發(fā)生旱災(zāi)年數(shù)為1，澇災(zāi)年數(shù)為8，則旱災(zāi)約占餅圖的11%，澇災(zāi)約占餅圖的89%。由圖2可知，南盤江流域海拔較高，降水較少，旱災(zāi)年數(shù)整體大于澇災(zāi)年數(shù)；紅水河流域旱澇災(zāi)害年數(shù)較為均衡；西江流域受熱帶氣旋影響，澇災(zāi)頻發(fā)，除郁林州外，各府(州)整體上澇災(zāi)年數(shù)大于旱災(zāi)年數(shù)；北江流域受亞熱帶季風(fēng)影響，降水較多，澇災(zāi)年數(shù)總體大于旱災(zāi)年數(shù)，其中，韶州府的旱澇災(zāi)害年數(shù)基本持平；東江流域的旱澇災(zāi)害年數(shù)分布與北江流域類似，即除嘉應(yīng)州旱澇災(zāi)害年數(shù)基本持平外，其余府(州)均表現(xiàn)為澇災(zāi)年數(shù)大于旱災(zāi)年數(shù)，其中贛州府的澇災(zāi)年數(shù)約為旱災(zāi)年數(shù)的2倍，是東江流域旱澇災(zāi)害年數(shù)差別最大的府。綜上，根據(jù)旱澇災(zāi)害年數(shù)空間分布將珠江流域分為以東江、北江和西江流域為主的澇災(zāi)頻發(fā)區(qū)、以紅水河流域為主的旱澇均衡區(qū)和以南盤江流域為主的旱災(zāi)頻發(fā)區(qū)。劉佳[34]基于馬爾科夫鏈建立珠江流域洪澇災(zāi)害風(fēng)險傳遞模型，發(fā)現(xiàn)由于珠江流域下游地區(qū)地勢較低、降水充沛，且需承受上游傳遞的風(fēng)險，屬洪災(zāi)高風(fēng)險區(qū)，這與本文澇災(zāi)頻發(fā)區(qū)的結(jié)論基本一致。另外，本文研究結(jié)果表明，旱災(zāi)頻發(fā)區(qū)主要在云南、廣西及貴州一帶，這些地區(qū)多屬于巖溶性(喀斯特)山區(qū)，地面保水能力差，水源主要集中于地下暗河和切割深的河谷，獲取難度大(水在低處、人在高處)，導(dǎo)致旱災(zāi)頻發(fā)。

圖2 五大子流域旱澇災(zāi)害分布Fig.2 Distribution of drought and flood disasters in the five sub-watersheds

3.2 明清時期旱澇災(zāi)害分級空間分布

基于各府(州)年均旱(澇)災(zāi)害縣數(shù)比，利用K最近鄰分類算法將旱災(zāi)和澇災(zāi)程度分為n(n≤12)級，并利用F統(tǒng)計量確定n值。圖3中F統(tǒng)計量最大值對應(yīng)的n即為最終的分級數(shù)量，將旱(澇)災(zāi)分為5級，1級是重旱(澇)，5級是輕旱(澇)。

圖3 明清時期珠江流域旱澇災(zāi)害分級F檢驗Fig.3 F-test of classification of drought and flood disasters in Pearl River Basin in Ming and Qing Dynasties

基于該分級標(biāo)準(zhǔn)得到珠江流域各府(州)的旱(澇)災(zāi)害分級空間分布(圖4、圖5)。對于旱災(zāi)而言，云南的臨安府，廣西的思恩府、南寧府、郁林州等，廣東的廉州府、高州府等為1級重旱區(qū)；2級、3級遍布廣西和廣東，云南東部的云南府為3級干旱區(qū)，鎮(zhèn)遠(yuǎn)府為2級干旱區(qū)；4級、5級主要分布于貴州地區(qū)，同時也有羅定州、泗城府4級干旱區(qū)和佛岡廳、連山廳等5級干旱區(qū)零星分布。整體而言，珠江流域東部(廣東、廣西、江西南部)旱災(zāi)較為嚴(yán)重，西部(貴州)旱災(zāi)分布具有連續(xù)性。劉艷群[35]采用主分量分析方法發(fā)現(xiàn)，珠江流域汛期降水主要存在5種分布型，其中全區(qū)性旱型較易出現(xiàn)，這與珠江流域旱災(zāi)分布基本一致。對于澇災(zāi)而言，廣東的廣州府、肇慶府等為1級重澇區(qū)，江西的南安府，廣東的南雄州、嘉應(yīng)州等，以及廣西的平樂府、梧州府為2級洪澇區(qū)，江西的贛州府，廣東的韶州府、佛岡廳等，以及廣西東部的桂林府、柳州府、潯州府等為3級洪澇區(qū)，廣西西部的百色廳、思恩府、太平府，云南的澄江府及貴州部分地區(qū)為4級洪澇區(qū)，廣東的連山廳，廣西西部的泗城府、鎮(zhèn)安府及慶遠(yuǎn)府，云南的曲靖府、云南府等為5級輕澇區(qū)。由此可知，珠江流域的澇災(zāi)等級空間分布整體呈自西向東遞增趨勢，重澇災(zāi)區(qū)域多在廣東。

圖4 明清時期珠江流域旱災(zāi)分級空間分布Fig.4 Spatial distribution of drought grades in Pearl River Basin in Ming and Qing Dynasties

圖5 明清時期珠江流域澇災(zāi)分級空間分布Fig.5 Spatial distribution of flood grades in Pearl River Basin in Ming and Qing Dynasties

3.3 明清時期旱澇災(zāi)害空間冷熱點分析

基于珠江流域明清時期的年均旱(澇)災(zāi)縣數(shù)比數(shù)據(jù)，利用熱點分析繪制珠江流域旱澇災(zāi)害的冷熱點分布圖(圖6、圖7，彩圖見附錄2)，圖中未通過最低顯著性水平的區(qū)域不作考慮。由圖6可知，旱災(zāi)熱點區(qū)域集中分布在廣東東部潮州府、嘉應(yīng)州等(通過99%置信度檢驗)旱災(zāi)頻發(fā)區(qū)；旱災(zāi)冷點區(qū)域分布在廣西西部的百色廳、貴州西部安順府、興義府(均通過90%的置信度檢驗)。澇災(zāi)熱點區(qū)域分布在廣東西部的肇慶府、廣州府(通過99%的置信度檢驗)、潮州府、羅定州和嘉應(yīng)州、廣西梧州府(分別通過95%和90%的置信度檢驗)；澇災(zāi)冷點區(qū)域集中分布在珠江流域西部，其中，云南東部的澄江府置信度最高(95%)，廣西西部的澇災(zāi)冷點區(qū)域(泗城府和百色廳)則與旱災(zāi)冷點區(qū)域分布基本一致，說明旱澇災(zāi)害發(fā)生存在一定相關(guān)性。廣東省為統(tǒng)計學(xué)意義上的旱澇災(zāi)害聚集區(qū)，該省為中國多雨省區(qū)之一，北回歸線從南部穿過，屬于熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候，但降水季節(jié)分配不均(4-9月汛期降水占全年的80%以上)，降水年際變化大(多雨年降水量為少雨年的2倍以上)，同時，廣東省南鄰南海，受季風(fēng)與臺風(fēng)的影響，導(dǎo)致旱澇災(zāi)害頻發(fā)。

圖6 明清時期珠江流域旱災(zāi)冷熱點分析圖Fig.6 Analysis map of cold-hot spots for drought in Pearl River Basin in Ming and Qing Dynasties

圖7 明清時期珠江流域澇災(zāi)冷熱點分析圖Fig.7 Analysis map of cold-hot spots for flood in Pearl River Basin in Ming and Qing Dynasties

4 結(jié)論

本文計算了珠江流域各府(州)的旱澇災(zāi)害發(fā)生年數(shù)，通過旱(澇)災(zāi)縣數(shù)比數(shù)據(jù)整體分析了明清時期(1368-1911年)珠江流域的旱澇災(zāi)害空間分布特征，主要研究結(jié)論如下：1)東江、北江和西江流域為澇災(zāi)頻發(fā)區(qū)，紅水河流域為旱澇均衡區(qū)，南盤江流域為旱災(zāi)頻發(fā)區(qū)。 2)珠江流域東部(廣東 、廣西、江西南部)旱災(zāi)較為嚴(yán)重，且等級差距較大，可能與氣候背景相關(guān)，西部(貴州)旱災(zāi)分布具有連續(xù)性，而澇災(zāi)整體分布自東向西遞減；旱澇災(zāi)害的熱點/冷點區(qū)域具有一致性，說明旱澇災(zāi)害的發(fā)生存在一定相關(guān)性。3)旱(澇)災(zāi)縣數(shù)大體反映了該地區(qū)受旱澇災(zāi)害范圍的大小，避免了文字描述定級方法上的弊病。分析明清時期珠江流域旱澇災(zāi)害空間分布特征，便于與現(xiàn)今珠江流域旱澇災(zāi)害的空間分布進(jìn)行對比，以探尋旱澇災(zāi)害的分布規(guī)律，預(yù)測未來珠江流域旱澇災(zāi)害的發(fā)展趨勢，為該地區(qū)堤防、水庫、引水工程、城建以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供有效參考。由于部分府(州)(如開化府、歸順府等)旱澇災(zāi)害相關(guān)歷史數(shù)據(jù)缺失，一定程度上影響了空間區(qū)域的整體評估；今后將進(jìn)一步探究旱澇與氣候變化之間的關(guān)系。