科普讲稿《过去6000年黄河径流与输沙量变化：基于人河耦合系统的视角》（上）

陈蕴真

2019年12月17日我应邀在某大学为外国留学生作一次科普性质的课程讲座，题目为《过去6000年黄河径流与输沙量变化：基于人河耦合系统的视角》。原稿是英文的。现略加修改，翻译成中文。讲稿较长，分上、下两篇发。注意：讲稿中有些数据，仅是我自己或其他研究者的暂时的估算，并非定论，仅供参考。

大家好！先介绍一下我的学术背景。我的研究方向是冲积河流地貌学，对可持续发展和环境史也感兴趣。我写了7篇论文，探讨黄河下游过去3000年的洪灾演变及其对治黄和地质考古学的启示。

你们可能会问我为什么要讲“过去6000年黄河径流与输沙量变化：基于人河耦合系统的视角”这个题目。首先，作为地貌学者，我最感兴趣的是百年以上尺度的变化。在研究径流和输沙量变化时，地貌学通常关注自然因素，将人类因素视为背景；环境史则关注人类因素，将自然因素视为背景。地理学和复杂系统研究则认为，自然和人类因素都是人河耦合系统的组成部分。人河耦合系统是一种复杂适应系统，其特征是系统与环境之间、系统内部众多要素（自然、政治、经济、文化、科学技术等）之间持续发生相互作用，河流和人类都在不断改变自己的结构、功能和行为。因此，河流管理也应采取适应性方法。

适应性河流管理需要基于演化模式、驱动力和机制来预测河流的偶发（Contingent）行为。当我们考察演化模式时，研究的时段越长，探究到的演化模式就越可靠。那么为什么是“过去6000年”？过去6000年中，气温波动约2度。约6000年前，原始农业在黄河流域广泛分布，人类从单纯依赖自然向主动改造自然跨越，开启了文明化进程。因此，在这个长期尺度上，我们可以研究径流和输沙量如何同时受到气候变化和人类活动的影响。

这次讲座中，我首先介绍黄河这个人河耦合系统的三个特征，接着简要介绍黄河流域的环境变迁，然后展示过去6000年的黄河径流与输沙量变化，最后探讨对人类世河流管理的一些启示。

黄河人河耦合系统系统的第一个特征是系统响应扰动具有高度敏感性。许多自然地理因素使黄河对气候变化和人类干扰极为敏感，这些因素通过因果链条相互关联。

首先，由于黄土高原位于东亚夏季风的北界地带，黄河流域的降水、径流和产沙具有显著的年际和年代际变化。在19世纪40至50年代的丰水期，历史洪水事件接连发生。传统农业社会在这种情况下很容易崩溃（图1）。

黄土高原在缺乏植被覆盖的情况下极易侵蚀。实验表明，若在陡坡上耕种，径流量会增加26倍，侵蚀量则会增加916倍。

1958年，黄土高原支流窟野河的含沙量达到1700公斤/立方米。图2照片显示的是一瓶1977年汛期的黄河水，含沙量约为550公斤/立方米，泥沙在瓶中约占一半。当含沙量达到1700公斤/立方米时，泥沙在瓶中占比将达到70%。

在黄土高原北部，存在一个多沙粗砂区（CSA，图3）。这是黄土高原上侵蚀最严重的区域，产生的粗泥沙容易在下游河道沉积。因此，当该区域被高强度开垦时，黄河下游的洪水风险会增加。

举两个地方做例子：周原（不在多沙粗砂区内）和神木（在多沙粗砂区内）。周原离西安不太远，大约3200年前周人在此兴起时。周原曾是一片长约70公里、宽约20公里的台地。如今，它已被分割成小型丘陵。神木位于窟野河流域。大约1000年前，这里曾有一道连续的长城（也是一道古城墙）。现在，这道长城已被六条冲沟切断（图4）。

黄河人河耦合系统响应扰动的高度敏感性，还体现于系统响应的时间短、同步性强。

举几个例子。公元前179年，西汉实施恢复农耕的政策。仅到公元前168年，黄河下游就发生了一次大改道事件（据文献记载，上一次改道是大约五百年前）。北宋经济发达，被欧美学者喻为“中世纪经济革命”，黄河下游的改道事件也迅速增多。王朝更替时期，堤防系统维护不善，黄河下游就容易发生重大改道。

黄河人河耦合系统响应扰动具有高度敏感性，原因是在下游河道，当泥沙沉积使河道超高达到改道阈值后，河道系统变得很容易失稳。

对于筑堤河流，河道超高指堤内滩面与堤外地面的高程差（图5）。假如河堤是强度不大的土堤，河道超高超过1倍河槽平均深度后，改道风险就会显著增加。

有研究估算过去6000年间，黄河的输沙量增长了约5倍。下游河道的沉积速率增加了200倍。改道频率从近千年1次上升到约25年1次。在17世纪中期，决口频率高达每年3次（图6）。

黄河人河耦合系统的第二个特征是由人类活动引发的正反馈，驱动河流与人类社会协同演化。

我们先看一下比较微观的机制。当下游没有堤防且中游没有人为土壤侵蚀时，随着泥沙在下游河道缓慢沉积，下游河床抬高，堤防决口的频率和规模缓慢增加。当河道超高超过改道的超高阈值时，一旦决口，有大概率发展为改道。河流于是改道至相邻区域高程较低处。新河道的决口频率和规模随之降低。这是一种负反馈机制，从长期看，能将决口的频率和规模控制在较低水平。

但是，当人类修建堤防系统约束河流，而堤防强度又不足以防止决口时，同时陡坡开垦加剧黄土高原侵蚀时，就会启动一个正反馈机制：泥沙沉积抬高下游河床；地上河不稳定，决口风险增加；人类加高加固堤防，阻止河流改道。由此形成的悬河，进一步增加决口的风险和规模。于是，从长期看，小决口的频率会降低，但大决口的频率和规模会增加。

在历史时期，中国经济依赖传统农业，而传统农业又依赖河流提供的资源。让我们看看在明清时期，以上微观机制与宏观的社会经济变化是如何关联的。在黄河中游流域，过度开垦和滥砍滥伐加速土壤侵蚀，山坡变得更加陡峭，陡峭的山坡又加剧了土壤侵蚀。土壤肥力下降，粮食减产，导致贫困和人口过剩，而后者又进一步加剧过度开垦和滥砍滥伐。这就形成了一个恶性循环。

在下游河道，除了存在和悬河防洪相关的恶性循环，还有一个恶性循环。即随着洪灾持续加剧，防洪支出不断增加，而灌溉和航运的收益却持续萎缩。因此，从清代开始，中央政府强化集权，以确保能够调动大量资源治黄。在清代后期，治黄成为国家财政的沉重负担，削弱了国家支持重大内生技术创新的能力。于是，中国被困在传统农业社会中，只有增长没有发展。同时，过度开垦和滥砍滥伐持续加剧黄土高原的土壤侵蚀。因此，从17世纪到19世纪，在黄河人河耦合系统中，有三个恶性循环相互交织（图7）。

黄河人河耦合系统的第三个特征是具有非凡的避免崩溃的能力。由于技术受限和人口压力，历史上中国人在黄河流域开展了许多破坏环境的活动。但中国的传统农业文明延续了两千多年，明清黄河作为地上悬河却行水300多年未改道。原因主要有三：首先，客观上中央集权的政府拥有强大的动员能力，使系统拥有恢复的韧性。其次“天命”这一帝制时期的政治理念，促使帝王将治水成就视为自己统治具有合法性的重要证明。最后，“大禹治水”等治水传说已经成为中国人的文化基因，激励民众投身抗洪抢险。换句话说，这种非凡的韧性源自系统协同。治黄自古就超越了狭义的治河技术，而是上至意识形态、政治制度，下至科学技术的多个人类活动的子系统，都协同起来治黄。

然而，正是由于黄河人河耦合系统具有非凡的韧性，在工业革命全面提升治黄技术之前，图7中的三个恶性循环得以不断自我强化，最终使系统表现出世界罕见的极端行为。例如，20世纪50年代，黄土高原每生产1公斤粮食就会流失40-60公斤表土。1887年，封堵一处宽1650米的重大决口耗费了清政府年度财政收入的15%。

现在我们进入第二部分：过去6000年黄河流域的自然环境变迁。全新世气候经历了一系列冷暖干湿波动。全新世早期，一次突然降温促使原始农业出现。接着进入有利于农业扩张的全新世大暖期。过去6000年气候变化的总体趋势是变冷变干，尤其是近2000年。

过去6000年间，黄河流域的年平均气温下降了约2度，年降水量减少了200毫米。一个水文模拟结果显示，若没有人类扰动，由于气候变冷变干，黄河输沙量在过去6000年里本应减少约13%。事实上，输沙量的变化趋势完全相反。可见，6000年来黄河输沙量的长期变化，可主要归因于人类活动。

再看流域内的动植物变迁。森林-草原交错带的北界横穿黄土高原。随着气候变冷变干，这条界线不断南移，近千年来稳定在长城附近。历史时期珍稀动物的分布区域发生了巨大变化。3000年前，黄河中下游还有大量野象。甲骨文中有“象”的符号，有句卜辞记录为“王在雨夕猎象”。随着大规模垦伐从黄河流域扩张到华南，大象的活动范围不断向南撤退。野马也向西北退缩，反映了历史时期开垦活动向西部的草原和戈壁挺进。18世纪后，农业开垦越过了长城这条传统的农牧分界线。

农牧交错带北界的移动显著影响黄河的水沙状况。3500年来，农牧交错带的北界向西北方向移动了约400公里（图8）。在黄土高原，13世纪后大部分多沙粗砂区变为农区。如今农牧交错带的北界位于森林-草原交错带北界以北约200公里处。在历史时期，农耕人口越多，农牧交错带的北界越向北推移。黄河中游的农耕人口在战乱与盛世中波动变化。

北宋以前，黄河中下游的运河系统运行良好。黄河下游的冲积平原上分布着众多湖泊，其中多数稳定存在了上千年。根据6世纪初成书的《水经注》记载，冲积平原有超过190个湖泊。人们精心维护这些湖泊，用于灌溉和分洪。鳄鱼消失是水域被广泛开发的标志。公元900年后，黄河流域再无鳄鱼的目击记录。

北宋黄河下游泥沙淤积，河道频繁变迁，约每25年改道一次，每年决堤一次。巨量泥沙堆积在冲积平原上。湖泊与运河或被淤塞，或变得不稳定。许多城市被掩埋在黄河泛滥带来的泥沙之下。

开封位于黄河冲积扇的顶部，经常在洪水中首当其冲。自公元前4世纪以来，开封已遭受7次毁灭性洪水。每次洪水后，人们总在原址重建新城。据推测，如今有6座不同时期的开封城被埋在黄河泥沙下，形成“城摞城”奇观，最古老那座城位于地下10米。

我已介绍了所有背景知识，接下来讲过去6000年黄河径流与输沙量变化。这既是黄河流域环境变迁的典型表现，也是我一开始讲的黄河人河耦合系统三大特征的集中体现。