【摘要】：據(jù)文獻(xiàn)記載統(tǒng)計,歷史時期黃河下游共發(fā)生決溢、改道等大小泛濫事件超過一千次。其中近千年來平均不到25年即發(fā)生一次改道,一年一決口,而在明末清初決口頻率甚至達(dá)到一年三決口。由于河道高懸,黃河決口致災(zāi)極其深重,治河成為國家的巨大負(fù)擔(dān)。黃河泛濫是中國環(huán)境史上最慘痛的地貌災(zāi)難。研究黃河泛濫史,既有助于治理黃河,處理人地關(guān)系,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,還可以促進(jìn)人為地貌學(xué)和人地耦合的復(fù)雜系統(tǒng)研究,具有重要的現(xiàn)實和理論意義。 本文以復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的通用理論和“將今論古”的地質(zhì)學(xué)方法論為指導(dǎo),應(yīng)用水力學(xué)、河床演變學(xué)、河流地貌學(xué)、自然地理學(xué)等自然科學(xué)的理論和研究成果,并廣泛采納歷史地理學(xué)家和歷史學(xué)家的研究資料,通過歷史文獻(xiàn)分析和計算機(jī)模型相結(jié)合的方法,研究黃河作為一個人地耦合系統(tǒng),在近四千年中泛濫行為長期變化的動力過程與機(jī)制。三項時空跨度不同的具體研究分別采用演繹、歸納和溯因推理這三種推理方式,應(yīng)用不同的定性和定量研究方法,從不同角度深入探索黃河泛濫史及其成因。 第一項研究通過歷史文獻(xiàn)和定量重建的時間序列數(shù)據(jù),分析4000年來黃河下游泛濫史和中游的農(nóng)業(yè)發(fā)展史,理解歷史時期黃河泛濫頻率階躍變化、趨于加劇的過程和規(guī)律。黃河泛濫行為的驅(qū)動機(jī)制以正負(fù)反饋環(huán)、自然過程的閾值、社會經(jīng)濟(jì)因子的階躍性變化為特征,具有復(fù)雜性。技術(shù)和制度變化是主導(dǎo)驅(qū)動力。公元前4世紀(jì)鐵器普及、人為筑堤啟動了一個和黃河決口過程密切相關(guān)的正反饋環(huán)。這個正反饋環(huán)的強(qiáng)度被多沙粗沙區(qū)農(nóng)業(yè)開發(fā)、陡坡開墾,以及“束水攻沙”的治河策略不斷加強(qiáng),最終導(dǎo)致17世紀(jì)黃河泛濫極端高頻發(fā)生。黃河泛濫格局和中國社會共同演化的特點非常顯著,在中游表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)活動和土壤侵蝕的關(guān)系,在下游表現(xiàn)為中央集權(quán)和治河活動相互促進(jìn)。 第二項研究應(yīng)用黃河下游河床演變理論和四個主要根據(jù)歷史文獻(xiàn)重建的時間序列數(shù)據(jù),構(gòu)建了1550～1855年的黃河下游按年代平均的決口日概率變化的多元線形回歸模型。年徑流量、河床平灘流量、前一年的修堤堵口頻率以及河道超高這四個變量是決口概率變化的解釋變量。不確定性分析結(jié)果表明,回歸模型的模擬效果較好,所有擬合方程的決定系數(shù)的均值約為0.7。模型的擬合度和顯著性對全年總出流比的變化敏感。全年總出流比約為0.2～0.4時,擬合方程總體上取得較優(yōu)的擬合度和顯著性�；貧w模型體現(xiàn)了1550～1855年黃河決口頻率變化的兩個內(nèi)在機(jī)制。其一,水深是決口的最主要驅(qū)動力；其二,決口頻率、修堤堵口頻率和河床超高相互促進(jìn)的正反饋環(huán)對決口概率變化也有少量貢獻(xiàn)。 第三項研究構(gòu)建了一個復(fù)雜度降低型模型,將黃河下游上段200kmm的水沙日變化、河道長期變化和決口平均演化過程有效聯(lián)合起來,計算不同歷史時期的研究河段的決口年數(shù)、改道數(shù)目、決口規(guī)模、改道的超高閾值等變量,用于重建黃河泛濫史,探索氣候變化、土地利用和治河活動對黃河泛濫行為的長期影響。敏感性分析結(jié)果顯示對于少沙黃河,河道超高是唯一能夠顯著影響決口年數(shù)和改道年份的因子。對于多沙黃河,多年平均降水量、河道超高、薄弱段土體的起動切應(yīng)力以及決口日和堵口日之間的間隔天數(shù)聯(lián)合起來對(大)決口年數(shù)和改道數(shù)目產(chǎn)生顯著影響。多沙黃河河槽寬淺,近岸水流切應(yīng)力小,河流泛濫行為因此變得對河岸土體的起動切應(yīng)力敏感。人為加速中游侵蝕情況下,黃河輸沙率對降水量變化的敏感性提高,進(jìn)而導(dǎo)致下游的河槽形態(tài)和泛濫行為對降水量變化的敏感性提高。通過對模型進(jìn)行不確定性分析,推測了850BC～1839AD年間8個歷史時期的主導(dǎo)因子的最可能取值(組合),并以假說形態(tài)定量重建了黃河泛濫史。模型有兩大需要改進(jìn)之處,其一是超高增長計算過程參數(shù)化引發(fā)人為侵蝕因子對泛濫行為影響小的假象；其二是小尺度的溯源侵蝕過程無法納入模型,導(dǎo)致模型無法模擬決口演化影響泛濫行為的反饋機(jī)制。 這三項研究的結(jié)論可以相互印證,都揭示了黃河泛濫史是中游黃土高原和下游河道的各種固有特性和氣候變化、土地利用、治河活動以及時間等諸多因子相互作用的結(jié)果,其中人類活動相關(guān)的因子起了加劇乃至主導(dǎo)的作用。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：P931.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2807067