明清時期珠江流域旱澇災害的空間分布特征

畢 碩 本，張 莉，王 履 華，魯 穎，許 志 慧

(1.南京信息工程大學地理科學學院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學科學技術史研究院，江蘇 南京 210044)

0 引言

歷史文獻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害的分布特征[2]，對于研究當前條件下我國旱澇災害分布的可能情景大有裨益。我國東部季風區距海近、降水多，西北內陸降水少且分布不均，降水整體呈由東南向西北遞減趨勢，旱澇災害分布存在顯著的空間差異。Ye等[3]研究發現四季帕默爾干旱指數(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洪澇災害加劇，干旱災害少于洪澇災害；鄭景云等[5]通過重建我國東部過去2 000年旱澇等級數據和溫度變化序列，對過去百年尺度寒冷和溫暖時段的旱澇格局進行了研究；李維京等[6]分析了1961-2013年我國南方旱澇災害的時空變化特征；姚亞慶等[7]發現我國旱澇受災和成災面積呈增加趨勢；魏琳等[8-12]分別研究了我國東北、西北、西南、華東、華南地區的旱澇情況。在國內各流域相關研究中，曹永強等[13-15]分析了黃淮海流域內旱澇變化分布特征；畢彩霞等[16]發現渭河流域內旱澇主要受洛川—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長短周期的旱澇表現；杜華明等[19]發現20世紀60年代以來嘉陵江流域由澇災向旱災轉化的趨勢明顯；賈春強等[20]基于PDSI指數發現南盤江流域內干旱發生頻繁且范圍呈擴大趨勢，洪澇發生范圍呈縮小趨勢；何艷虎等[21]發現東江流域總體呈“北旱南澇”的空間格局。

綜上，已有不少學者對不同區域、流域旱澇災害的時空特征及其趨勢進行了研究，但時間尺度多限于近50年，對歷史時期的研究較少，研究方法以統計學為主。因此，本文選擇珠江流域為研究區，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害的時空特征，旨在為近代珠江流域防災減災提供參考。

1 研究區與數據

本文研究區為珠江流域，包括云南省東部，貴州省、江西省南部，廣東、廣西大部分地區，歷史上的歸順府、上思廳、黎平府和開化府缺乏數據，無法進行旱澇災害統計分析，故將其從研究區中剔除。研究區地處亞熱帶季風氣候區，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。考慮明清時期無珠江三角洲這一概念，且西江干流流經滇、黔、桂、粵4省區，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

研究數據包括：1)氣象災害數據，主要來自《中國三千年氣象記錄總集》[22]、《中國氣象災害大典》[23]，再以《清代珠江韓江洪澇檔案史料》[24]及相關縣志對數據加以補充完善。2)地圖數據，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]進行補充；研究底圖為清宣統三年(1911年)珠江流域的行政規劃歷史地圖。3)SRTM DEM數據，來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http://www.gscloud.cn/)，空間分辨率為90 m。由DEM數據提取各子流域相關參數，并根據相關文獻中關于珠江流域的參考數據，整理各子流域的基本參數(表1)。由表1可知，研究區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，易引發山崩、泥石流等自然災害。

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

2 研究方法

2.1 年均旱(澇)災縣數比

本文通過年均旱(澇)災縣數比[27](一定時期內某府(州)累計發生旱(澇)災縣數÷該時期歷經年數÷該府(州)縣數)反映一定時期內各府(州)發生旱(澇)災害的頻率,也能反映旱(澇)災害的空間影響范圍。例如：明清(1368-1911年)歷時544年，按照1911年中國的行政區劃，東江流域廣州府包含16個縣，累計發生旱災的縣數為233，則廣州府在該時期的年均旱災縣數比為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，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。該算法實現步驟為[29,30]：首先輸入訓練數據集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)中根據分類決策原則(式(1))決定xi的類別y。

(1)

式中：I為指示函數，當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)基于某鄰域對數據進行重采樣，根據局部數據均值與總體均值的偏差判斷數據在空間上是否為隨機分布，若是，則通過空間加權計算得到的結果呈正態分布。2)通過計算Z得分(標準差的倍數)和P值(表示觀測到的空間模式是隨機創建的概率)進行熱點判斷(表2)：當Z>1.65且P<0.1時，表示高值空間集聚(熱點)；當Z<-1.65且P<0.1時，表示低值空間集聚(冷點)。

表2 熱點分析的判斷標準Table 2 Criteria for hot spot analysis

3 結果與分析

3.1 明清時期旱澇災害統計分析

以府為單位，統計明清時期珠江流域旱(澇)災害發生的縣數、年數和縣數比，并繪制5個子流域的旱(澇)災害年數分布圖(圖2)，其中餅圖表示各府旱(澇)災發生的年數百分比。例如，北江流域佛岡廳明清時期發生旱災年數為1，澇災年數為8，則旱災約占餅圖的11%，澇災約占餅圖的89%。由圖2可知，南盤江流域海拔較高，降水較少，旱災年數整體大于澇災年數；紅水河流域旱澇災害年數較為均衡；西江流域受熱帶氣旋影響，澇災頻發，除郁林州外，各府(州)整體上澇災年數大于旱災年數；北江流域受亞熱帶季風影響，降水較多，澇災年數總體大于旱災年數，其中，韶州府的旱澇災害年數基本持平；東江流域的旱澇災害年數分布與北江流域類似，即除嘉應州旱澇災害年數基本持平外，其余府(州)均表現為澇災年數大于旱災年數，其中贛州府的澇災年數約為旱災年數的2倍，是東江流域旱澇災害年數差別最大的府。綜上，根據旱澇災害年數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頻發區、以紅水河流域為主的旱澇均衡區和以南盤江流域為主的旱災頻發區。劉佳[34]基于馬爾科夫鏈建立珠江流域洪澇災害風險傳遞模型，發現由于珠江流域下游地區地勢較低、降水充沛，且需承受上游傳遞的風險，屬洪災高風險區，這與本文澇災頻發區的結論基本一致。另外，本文研究結果表明，旱災頻發區主要在云南、廣西及貴州一帶，這些地區多屬于巖溶性(喀斯特)山區，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)，導致旱災頻發。

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

3.2 明清時期旱澇災害分級空間分布

基于各府(州)年均旱(澇)災害縣數比，利用K最近鄰分類算法將旱災和澇災程度分為n(n≤12)級，并利用F統計量確定n值。圖3中F統計量最大值對應的n即為最終的分級數量，將旱(澇)災分為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

基于該分級標準得到珠江流域各府(州)的旱(澇)災害分級空間分布(圖4、圖5)。對于旱災而言，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；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，鎮遠府為2級干旱區；4級、5級主要分布于貴州地區，同時也有羅定州、泗城府4級干旱區和佛岡廳、連山廳等5級干旱區零星分布。整體而言，珠江流域東部(廣東、廣西、江西南部)旱災較為嚴重，西部(貴州)旱災分布具有連續性。劉艷群[35]采用主分量分析方法發現，珠江流域汛期降水主要存在5種分布型，其中全區性旱型較易出現，這與珠江流域旱災分布基本一致。對于澇災而言，廣東的廣州府、肇慶府等為1級重澇區，江西的南安府，廣東的南雄州、嘉應州等，以及廣西的平樂府、梧州府為2級洪澇區，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，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為4級洪澇區，廣東的連山廳，廣西西部的泗城府、鎮安府及慶遠府，云南的曲靖府、云南府等為5級輕澇區。由此可知，珠江流域的澇災等級空間分布整體呈自西向東遞增趨勢，重澇災區域多在廣東。

圖4 明清時期珠江流域旱災分級空間分布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 明清時期旱澇災害空間冷熱點分析

基于珠江流域明清時期的年均旱(澇)災縣數比數據，利用熱點分析繪制珠江流域旱澇災害的冷熱點分布圖(圖6、圖7，彩圖見附錄2)，圖中未通過最低顯著性水平的區域不作考慮。由圖6可知，旱災熱點區域集中分布在廣東東部潮州府、嘉應州等(通過99%置信度檢驗)旱災頻發區；旱災冷點區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)。澇災熱點區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、羅定州和嘉應州、廣西梧州府(分別通過95%和90%的置信度檢驗)；澇災冷點區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%)，廣西西部的澇災冷點區域(泗城府和百色廳)則與旱災冷點區域分布基本一致，說明旱澇災害發生存在一定相關性。廣東省為統計學意義上的旱澇災害聚集區，該省為中國多雨省區之一，北回歸線從南部穿過，屬于熱帶、亞熱帶季風氣候，但降水季節分配不均(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，受季風與臺風的影響，導致旱澇災害頻發。

圖6 明清時期珠江流域旱災冷熱點分析圖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 結論

本文計算了珠江流域各府(州)的旱澇災害發生年數，通過旱(澇)災縣數比數據整體分析了明清時期(1368-1911年)珠江流域的旱澇災害空間分布特征，主要研究結論如下：1)東江、北江和西江流域為澇災頻發區，紅水河流域為旱澇均衡區，南盤江流域為旱災頻發區。 2)珠江流域東部(廣東 、廣西、江西南部)旱災較為嚴重，且等級差距較大，可能與氣候背景相關，西部(貴州)旱災分布具有連續性，而澇災整體分布自東向西遞減；旱澇災害的熱點/冷點區域具有一致性，說明旱澇災害的發生存在一定相關性。3)旱(澇)災縣數大體反映了該地區受旱澇災害范圍的大小，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害空間分布特征，便于與現今珠江流域旱澇災害的空間分布進行對比，以探尋旱澇災害的分布規律，預測未來珠江流域旱澇災害的發展趨勢，為該地區堤防、水庫、引水工程、城建以及生態環境保護提供有效參考。由于部分府(州)(如開化府、歸順府等)旱澇災害相關歷史數據缺失，一定程度上影響了空間區域的整體評估；今后將進一步探究旱澇與氣候變化之間的關系。