论文摘要
据文献记载统计,历史时期黄河下游共发生决溢、改道等大小泛滥事件超过一千次。其中近千年来平均不到25年即发生一次改道,一年一决口,而在明末清初决口频率甚至达到一年三决口。由于河道高悬,黄河决口致灾极其深重,治河成为国家的巨大负担。黄河泛滥是中国环境史上最惨痛的地貌灾难。研究黄河泛滥史,既有助于治理黄河,处理人地关系,实现可持续发展,还可以促进人为地貌学和人地耦合的复杂系统研究,具有重要的现实和理论意义。本文以复杂系统科学的通用理论和“将今论古”的地质学方法论为指导,应用水力学、河床演变学、河流地貌学、自然地理学等自然科学的理论和研究成果,并广泛采纳历史地理学家和历史学家的研究资料,通过历史文献分析和计算机模型相结合的方法,研究黄河作为一个人地耦合系统,在近四千年中泛滥行为长期变化的动力过程与机制。三项时空跨度不同的具体研究分别采用演绎、归纳和溯因推理这三种推理方式,应用不同的定性和定量研究方法,从不同角度深入探索黄河泛滥史及其成因。第一项研究通过历史文献和定量重建的时间序列数据,分析4000年来黄河下游泛滥史和中游的农业发展史,理解历史时期黄河泛滥频率阶跃变化、趋于加剧的过程和规律。黄河泛滥行为的驱动机制以正负反馈环、自然过程的阈值、社会经济因子的阶跃性变化为特征,具有复杂性。技术和制度变化是主导驱动力。公元前4世纪铁器普及、人为筑堤启动了一个和黄河决口过程密切相关的正反馈环。这个正反馈环的强度被多沙粗沙区农业开发、陡坡开垦,以及“束水攻沙”的治河策略不断加强,最终导致17世纪黄河泛滥极端高频发生。黄河泛滥格局和中国社会共同演化的特点非常显著,在中游表现为农业活动和土壤侵蚀的关系,在下游表现为中央集权和治河活动相互促进。第二项研究应用黄河下游河床演变理论和四个主要根据历史文献重建的时间序列数据,构建了1550～1855年的黄河下游按年代平均的决口日概率变化的多元线形回归模型。年径流量、河床平滩流量、前一年的修堤堵口频率以及河道超高这四个变量是决口概率变化的解释变量。不确定性分析结果表明,回归模型的模拟效果较好,所有拟合方程的决定系数的均值约为0.7。模型的拟合度和显著性对全年总出流比的变化敏感。全年总出流比约为0.2～0.4时,拟合方程总体上取得较优的拟合度和显著性。回归模型体现了1550～1855年黄河决口频率变化的两个内在机制。其一,水深是决口的最主要驱动力；其二,决口频率、修堤堵口频率和河床超高相互促进的正反馈环对决口概率变化也有少量贡献。第三项研究构建了一个复杂度降低型模型,将黄河下游上段200kmm的水沙日变化、河道长期变化和决口平均演化过程有效联合起来,计算不同历史时期的研究河段的决口年数、改道数目、决口规模、改道的超高阈值等变量,用于重建黄河泛滥史,探索气候变化、土地利用和治河活动对黄河泛滥行为的长期影响。敏感性分析结果显示对于少沙黄河,河道超高是唯一能够显著影响决口年数和改道年份的因子。对于多沙黄河,多年平均降水量、河道超高、薄弱段土体的起动切应力以及决口日和堵口日之间的间隔天数联合起来对(大)决口年数和改道数目产生显著影响。多沙黄河河槽宽浅,近岸水流切应力小,河流泛滥行为因此变得对河岸土体的起动切应力敏感。人为加速中游侵蚀情况下,黄河输沙率对降水量变化的敏感性提高,进而导致下游的河槽形态和泛滥行为对降水量变化的敏感性提高。通过对模型进行不确定性分析,推测了850BC～1839AD年间8个历史时期的主导因子的最可能取值(组合),并以假说形态定量重建了黄河泛滥史。模型有两大需要改进之处,其一是超高增长计算过程参数化引发人为侵蚀因子对泛滥行为影响小的假象；其二是小尺度的溯源侵蚀过程无法纳入模型,导致模型无法模拟决口演化影响泛滥行为的反馈机制。这三项研究的结论可以相互印证,都揭示了黄河泛滥史是中游黄土高原和下游河道的各种固有特性和气候变化、土地利用、治河活动以及时间等诸多因子相互作用的结果,其中人类活动相关的因子起了加剧乃至主导的作用。