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2024 , Vol. 44 >Issue 2: 82 - 93

DOI: https://doi.org/10.20166/j.issn.2096-6822.L20220025

专题研究

近千年太原城洪涝灾害时空变迁及成因

  • 赵雅婧 ,
  • 孙华
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  • 北京大学考古文博学院,北京 100871

赵雅婧,女,1994年生,山西太原人,北京大学考古文博学院博士研究生;

孙华,男,1958年生,四川绵阳人,北京大学考古文博学院教授,主要从事夏商周考古、城市考古等研究。

收稿日期: 2022-01-17

  网络出版日期: 2024-07-22

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The Spatiotemporal Changes and Causes of Flood Disasters in Taiyuan City Over the Past Thousand Years

  • Zhao Yajing ,
  • Sun Hua
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Received date: 2022-01-17

  Online published: 2024-07-22

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摘要

近千年来,太原城洪涝灾害变迁呈现出“三期三型”,即漫溢型、山洪型、内涝型的时空格局。城市工程建设是影响洪涝灾害时空突变的主导因素,气候与植被变迁也对灾害频次渐变有所影响。记录太原城洪涝灾害的历史文献具有空间代表性,从历史城市地理视角出发,模拟洪涝灾害空间发生过程,综合城市考古研究结论,探究中尺度、长时段古代城市洪涝灾害的规律及成因,可以为当代城市洪涝问题提供历史参考。

关键词： 历史城市地理; 洪涝灾害; 太原城; 时空框架; 城市工程建设

本文引用格式

赵雅婧 , 孙华 . 近千年太原城洪涝灾害时空变迁及成因[J]. 历史地理研究, 2024 , 44(2) : 82 -93 . DOI: 10.20166/j.issn.2096-6822.L20220025

中国灾害史研究20世纪20—30年代肇兴,至今已有丰富积累,学界对历史时期自然灾害的宏观时空变化认识也较为清晰。灾害具有自然和社会双重属性①(①邹逸麟: 《“灾害与社会”研究刍议》,《复旦学报(社会科学版)》2000年第6期。),满志敏称之为“灾害中的人地关系”②(②满志敏: 《灾害中的人地关系》,马宗晋等编: 《灾害与社会》,地震出版社1990年版,第174—177页。),其中,水旱灾害是最受瞩目的灾害类型之一。若聚焦中国历史城镇的局地尺度,以侯仁之③(③侯仁之: 《城市历史地理的研究与城市规划》,《地理学报》1979年第4期。)为先,历史地理学者从区域城市选址、局地城市水系等角度直接评估历史灾害。近年来,虽然在基础史料搜集、洪水灾情灾况、治洪观念、防洪方式等方面有诸多探索,但具体时段、局部地区的灾害发生特点仍待丰富。④(④段伟: 《历史学研究: 历史灾害地理专题》,《苏州大学学报(哲学社会科学版)》2020年第1期。)吴庆洲⑤(⑤吴庆洲: 《中国古城防洪研究》,中国建筑工业出版社2009年版。)等城市规划学者和周魁一等⑥(⑥谭徐明、周魁一: 《中国古代城市水利的市政功能与环境功能——兼论城市规划中的水利位置》,中国水利学会主编: 《中国水环境问题研讨会论文集》,中国科学技术出版社1998年版,第256—265页;毛振培、谭徐明: 《中国古代防洪工程技术史》,山西教育出版社2017年版,第41—44、100—103、192—199、493—495页。)水利工程学者又从现代防治角度讨论洪涝灾害史。水文科学研究者冯平则指出“传统研究多针对地理景观的大尺度和城市内土地利用小尺度展开”①(①冯平、李建柱: 《流域下垫面变化及其对洪水径流过程影响分析方法及应用》,中国水利水电出版社2017年版,第71—75页。),中尺度城市下垫面的研究,尤其是城区范围内针对下垫面变迁之于洪水过程影响的研究极少。
太原城作为具有代表性和典型性的地方城市,不仅区位重要、城市等级高,且自唐末五代至今城镇景观演化清晰连续②(②赵雅婧: 《太原城的古今变迁》,北京大学硕士学位论文,2020年。),是讨论具体时段、局地洪灾的合适案例。张荷、裴群、周亚、苏慧慧、古帅、李嘎等③(③张荷、李乾太: 《试论历史时期汾河中游地区的水文变迁及其原因》,中国水利学会水利史研究会编: 《黄河水利史论丛》,陕西科学技术出版社1987年版,第244—255页;裴群: 《汾河志》,山西人民出版社2006年版,第142—174页;周亚: 《宋代以来太原城的水患及其防治》,范世康等主编: 《建设特色文化名城理论探讨与实证研究》,北岳文艺出版社2008年版,第95—103页;苏慧慧、查小春: 《清代时期汾河中游地区洪涝灾害研究》,《干旱区资源与环境》2010年第1期;古帅、牛俊杰、王尚义、申晨: 《明清时期汾河中游洪涝灾害研究》,《干旱区资源与环境》2013年第8期;李嘎: 《旱域水潦: 明清黄土高原的城市水患与拒水之策——基于山西10座典型城市的考察》,《史林》2013年第5期。)均从历史地理角度讨论过太原城洪涝灾害的议题。但是,当考古新材料为中国历史城市地理的洪涝研究注入活力时④(④Duowen Mo, Yijie Zhuang, Geoarchaeology of prehistoric moated sites and water management in the Middle River Yangtze, China//Yijie Zhuang et al., Water Societies and Technologies from the Past and Present, London: UCL Press, 2018, pp.62-86。马建华等: 《开封古城黄泛地层洪水记录及洪灾度反演》,科学出版社2016年版,第117-138页。),上述研究并未充分利用文献以外的城市考古材料,因而逐渐陷入程式化的困境。高精度的城市洪涝研究需以高分辨率的城市考古复原结论为基础,而精确到建筑尺度的城市布局分析和城市水利工程位置判断既是探究洪水空间过程的前提,也可作为判定洪涝灾害人工下垫面影响强度的关键参考。
笔者选取太原城为研究对象,尝试建立局地尺度城市近千年来洪涝灾害的时空框架,并确定其主导因素。文章依据历史文献总结近千年太原城⑤(⑤按:本文“太原城”所指时间范围是唐末五代到1949年,空间范围是唐末五代的唐明镇以及山西地区历代最高行政机构治所所在的城市范围,位于今山西太原杏花岭区及周边区域,以区别太原府(州、路、省)所领行政疆域、太原府(州、路、省)城(含唐五代晋阳城和宋以降太原城府城)以及明清晋源区太原县城。)洪水灾害的时间特征,归纳其空间发生过程,构建时空框架。在此基础上,进一步辨析此种分布规律背后是自然抑或人为主导,还是受气候或下垫面影响。笔者基于历史城市地理的研究传统,结合城市考古的研究结论,以洪水模拟的技术手段验证并补充历史文献,以提高历史城镇洪涝灾害研究的空间分辨率,探究上述问题。

一、 材料与方法

洪涝灾害在历史文献中多记为具体灾情,如大水伤稼、坏舍伤人、城淹等,或水情,如大溜冲击、山水陡发、河溢改道、涨发靡常等。史料所见受灾地区的洪涝情况是否具有区域空间代表性⑥(⑥G. Blöschl et al., Current European flood-rich period exceptional compared with past 500 years, Nature, 2020, Vol.583, Issue 7817, pp.560-566.)与时间连续性是文献能否征引的关键。相较汾河流域其他地区,太原作为山西首府,人口分布密集,洪涝灾害记录也最为详尽、繁密。宋以降与太原城相关的图经、地方志每百年内均有成书①(①李裕民: 《山西古方志辑佚》,山西省地方志编纂委员会办公室内部发行1984年版,第17-84、264页。),书中多有对洪涝的描述。裴群统计了近千年汾河流域的375条文献记录,与太原城相关的洪灾记录就达16%②(②裴群: 《汾河志》,山西人民出版社2006年版,第142—174页。),由此可见太原城洪涝灾害在山西地区记录所占比例。但是,诸位学者所得太原城洪灾数量不同。
经笔者统计,太原城洪涝灾害始见载于10世纪,近千年间相关记载达60次。文献记录与太原城洪涝灾害的关联强度可分为三类: 第一类“强相关”是指文献直接记录太原城有具体位置的城市要素,如柳溪亭、崇善寺、城西土堰等,共计27项;第二类“中相关”是指文献涉及阳曲县域毗邻太原城的区域,如会城之西、省城田房、沙河北三村等,共计14项;第三类“弱相关”是指文献泛指太原府(州、路、省)所领行政疆域,如太原地区或冀宁路属县等,共计19项。不同时间的位置记录精度不同。经校验,明中期的弱相关记录可纳入统计,而明中期后弱相关记录则不予计入。其中,需要通过与后代地方志比对,排除在总志中略记为“汾河”或“太原路”但与太原城不直接相关的条目。比如《元史》略记至正十九年(1359)“夏四月癸亥朔,汾水暴涨”③(③《元史》卷四五《顺帝本纪八》,中华书局1976年版,第947页。),但是该条还见于《汾州府志》“(至正)十九年夏四月癸亥朔汾水暴涨”④(④乾隆《汾州府志》卷二五《事考》,乾隆三十六年刻本,第27a页。),予以排除。再比如《山西自然灾害史年表》录同治十一年(1872)“太原: 夏四月二十三日夜大雪,马房峪涧水暴涨,平地顷刻丈许,淹没晋祠镇南堡外田园民庐无算,淹死五十余人”⑤(⑤张杰: 《山西自然灾害史年表》,山西省地方志编纂委员会办公室内部发行1988年版,第258页。)。晋祠镇位于今太原市城南,山水暴涨不会影响太原城所在汾河东岸,且此条还见于《续太原县志》⑥(⑥光绪《续太原县志》卷下《祥异》,光绪八年刻本,第53b页。),看似强相关的条目因位置不符亦排除。换句话说,若文献略记“太原”发生水灾,并不能直接等同于太原城存在水患现象,需一条条甄别。综上,近千年间60次记录是下文讨论洪涝频次的基础数据,而只近半数的强相关文献记录将是下文讨论洪涝发生空间过程的重要依据。
研究洪涝空间分布时,文献对淹没区的记录不全面,历次洪涝涉及的淹没点难以在空间上相关联。在文献材料之外,将不同时期的城市考古复原成果作为洪水模拟的对象,计算出非稳态水动力下洪水穿过数字高程模型(DEM)栅格数据的空间过程⑦(⑦F. Ahnert, Brief description of a comprehensive three-dimensional process-response model for landform development, Zeitschrift fur Geomorphologie Supplemental, 1976, Vol.25, pp.29-49.)。该技术使历史城市发生洪涝灾害的过程可视化,补全洪流侵蚀古代城市的完整路径,重现不同强度下各地点先后淹没次序,串联历次文献记载零散的淹没点研究最终基于空间特点所反映的洪灾成因归纳洪涝灾害类型。
本研究采用凯撒-利洪洪水景观演化模型(CAESAR-LISFLOOD),该模型是基于浅水方程一阶惯性模型⑧(⑧P.D. Bates et al., A simple inertial formulation of the shallow water equations for efficient two-dimensional flood inundation modelling, Journal of Hydrology, 2010, Vol. 387, pp.33-45.),它不仅突破现有景观演化模型时空大尺度(100—1000年,100 平方千米)⑨(⑨T.J. Coulthard et al., Integrating the LISFLOOD-FP 2D Hydrodynamic Model with the CAESAR Model: Implications for modelling landscape evolution, Earth Surface Processes and Landforms, 2013, Vol. 38, Issue 15, pp.1897-1906.)的低分辨率限制,还突破了现有大多数流动模型都假设流动处于稳定状态的限制。具体来说,该模型将栅格精度提升至1—100米(模拟上限为两百万栅格数),适用于太原城“罗城周十一里二百七十步”①(①洪武《太原志·城池》,《永乐大典方志辑佚》第1册,中华书局2004年版,第120页。)小规模城址内的街巷尺度。随时间推移,侵蚀和沉积状况引起水流深度和速度变化②(②P.B. SÓlyom et al., Effect of limited storm duration on landscape evolution, drainage basin geometry, and hydrograph shapes, Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 2004, Vol.109, Issue F3.)不断更新,最终可模拟出非稳态水动力下洪水穿过数字高程模型(DEM)栅格数据的情况③(③F. Ahnert, Brief description of a comprehensive three-dimensional process-response model for landform development. Zeitschrift fur Geomorphologie Supplemental, 1976, Vol. 25, pp.29-49.)。
文中插图所用栅格数据均是由《山西全省分县详图——阳曲县图(0819号)》地理高程④(④军事委员会军令部地图测绘局制,模印,1∶50000,尺度不明,民国八年(1919)三月绘: 《山西全省分县详图——阳曲县图(0819号)》,山西省规划院藏复印件。)和以《山西省城详图》⑤(⑤山西陆军测量局制,墨印,1∶7000,41.9cm×47cm,民国八年(1919)八月实测,九年六月印制: 《山西省城详图》,中国国家图书馆藏。)城市平面格局为例的城市考古复原犀牛(Rhino)三维体块叠加而得。太原是今山西省会,是古今重叠型的地方城市,历经唐末五代唐明镇、宋金元(州、府、路)城、明清(府、省)城、清末民国(府、省)城四个发展阶段延续至今,基于各期城市考古复原平面建模的犀牛三维体块不尽相同,综合地理高程信息的洪水景观演化模型也因时而异。因而本文第二部分洪水模型均以第四阶段的格局为依据,第三部分讨论历时下垫面时需参考后三个阶段的复原结果。

二、 太原城洪涝灾害的时空变迁

(一) 洪涝的分类——基于空间过程模拟

太原城的洪涝灾害可分为洪灾与涝灾两类,其中洪灾依成因又可分为漫溢型水灾和山洪型水灾。太原地处汾河中游,此段水程较为平缓,通常洪水历时长,洪峰滞留久,此类河流对应的洪灾为漫溢型水灾。与汾河特性不同,源出太原东山的山溪性河流所致洪灾往往来势迅猛、暴涨暴落、历时短、峰型尖瘦,即山洪型水灾。涝灾则是因雨量过大、雨势集中导致雨水下渗、蒸发有限,进而产生大量积水和径流,排水不畅,故而致灾。洪涝模拟验证并补充历史文献,上述三种洪涝灾害在太原城的空间发生过程具体如下。

1. 漫溢型水灾

自宋以降,漫溢型水灾是太原城最常见的洪涝灾害,通常因降雨量过大、汾河河道局狭所致,文献多记为“横流肆溢”。漫溢型水灾的空间发生过程有两种情况: 一是普通漫溢型水灾,汾河在水西门(即振武门)外河流的转折处冲出河道,直逼水西门,洪水在城墙内外漫延(图1a);二是溃坝型水灾,若洪水量大且急,就易在漫溢型水灾基础上形成溃坝型水灾,汾水冲破太原城西北金刚堰(西山太白铁路支线以南至旱西关长、堤、永段),遇西北城角顺势转南,自旱西门(即阜成门)入城,府学、县学、阳曲县署首当其冲。第二种情况在文献中最为普遍,至少可见4次冲击旱西门的记录。若水势继续增大,水流会冲毁旱西关,至水西关固、汾、泽三段后,自水西门入城,淹没城守尉、满城等区域。再甚者则冲毁安、澜二堰(水西关至小南关段),淹没南关、老军营等,洪水向东漫延,自大南门(即迎泽门)入城,与水西门来水汇流,彻底浸没满城(图1b)。以1886年水患为例,太原城城墙被冲坏一千五十余丈,西城墙及南城墙大南门以南的全部区域被淹没。①(①水利电力部水管司科技司、水利水电科学研究院编: 《清代黄河流域洪涝档案史料》,中华书局1993年版,第738页。)除了正向模拟出洪水的空间淹没路径,还可以通过文献中防洪、疏浚工程的营建位置反推汾河漫溢的薄弱地带。
图1 漫溢型水灾淹没路径
早在宋天禧年间,太原就在城西筑有内外两堤。明代金刚堰筑坝位置在阜成门西北,北起北沙河口(后退至西山太白铁路支线以南),南至小南关。自营建以降,坝堰于万历三十二年(1604)②(②〔明〕 万自约: 《新建河神娄金神庙碑并沿河创筑石土坝纪略》,万历《太原府志》卷二三《艺文》,万历四十年刻本,第31b—33b页。)、乾隆五年(1740)③(③水利电力部水管司等编: 《清代黄河流域洪涝档案史料》,第151页。)、嘉庆二十五年(1820)④(④水利电力部水管司等编: 《清代黄河流域洪涝档案史料》,第511页。)、道光二年(1822)⑤(⑤道光《阳曲县志》卷一一《工书第六·堤堰》,民国二十一年版,第4a—5a页。)、光绪七年(1881)和十二年(1886)⑥(⑥水利电力部水管司等编: 《清代黄河流域洪涝档案史料》,第738页;王钟翰: 《清史列传》卷五〇《新办大臣传三·马丕瑶》,中华书局1987年版,第4671页。)及民国年间⑦(⑦太原市北城区地名委员会办公室: 《太原市北城区地名志》,太原市北城区地名委员会办公室内部编印1994年版,第13页。)都进行过大规模加固。《山西全省分县详图——阳曲县图(0819号)》仍可见城西堤坝,直至20世纪50年代才被新堤取代。1973年,太原市政工作队还发现了残存20余米修筑于光绪之前的城西瓮坝。⑧(⑧山西省水利厅水旱灾害编委会编: 《山西水旱灾害》,黄河水利出版社1996年版,第167页。)筑坝筑堤的位置说明了汾河以东,即太原城西是洪水发生的重灾区。
从实施调蓄导洪措施的位置来看,水西门外是重灾区,城西段汾河最易发生洪泛。北宋天圣三年(1025),为了平抑城西汾河洪泛,知州陈尧佐开挖柳溪,并植柳万余株。⑨(⑨〔宋〕 李焘: 《续资治通鉴长编》卷一〇三“天圣三年三月丙子”条,中华书局2004年版,第2378页。)此外,光绪十二年“于河西开挖引河三道,迤东筑拦水坝两道,掣溜归槽。复于近城筑一横坝,向西开一引河,使上游沙河诸水不致旁溢,挽河西行”①(①水利电力部水管司等编: 《清代黄河流域洪涝档案史料》,第738页。)。
明晚期,太原城内镇水类庙堂镇河楼建于水西关真武庙后。道光《建置图》中可见旱西门、水西门外各设一座河神庙。②(②道光《阳曲县志》卷三《建置图第二》,第2b—3a页。)万自约记水西门外河神庙“迹得娄金神遗貌而庙之,前列铁犬三,在槛狺狺作厌河状;河神庙前奉台骀三楹……后奉两公三楹……额曰‘万年保障’石坝适护西偏严矣,而娄金神则廑屋一楹……题曰‘锁钥金汤’,望之㦜然”③(③〔明〕 万自约: 《新建河神娄金神庙碑并沿河创筑石土坝纪略》,万历《太原府志》卷二三《艺文》,第32b页。)。1908年德国建筑师柏石曼(Ernst Boerschmann)拍摄的照片④(④Ernst Boerschmann, Photo 80: Táiyüanfu. Prov. Shansi Bronze unicorn guarding the Fen River, Baukunst Und Landschaft in China: Eine Reise Durch Zwölf Provinzen, Berlin: Verlag von Ernst Wasmuth A G, 1926, p.80.)中尚可见城外有镇水铁牛,另一镇水兽今已移至纯阳宫内。因此,封堵城门的措施及修建庙宇、主持祭祀的位置说明两城门外是城西洪泛的薄弱地带,两城门作为城西御洪的焦点,重要性不言而喻。

2. 山洪型水灾

东山山涧暴涨会致山洪型水患,文献多载“山水涨发”或“暴洪注下”。太原城周边源出东山的河流有三: 发源于牛驼村东的北涧河、孟家井的北沙河和小山沟的南沙河。一般来说,各山支沟普发洪水,北沙河暴涨,万历三十五年(1607)山洪包围城市“形如环抱”⑤(⑤万历《太原府志》卷二六《灾祥》,第10b页。)。明至清末,北沙河在马道坡南北分流,北支大致与今北沙河河道重合。平水期,北支出山奔泄入汾,北沙河大北门以东河段有时会侵蚀南岸。洪水期,一部分水流漫出河滩,经大北门入城,自西向南流,汇入后小河(今杏花岭区后小河巷)。南支洪水经耙尔沟流至五龙口,与源自红沟、五龙沟的山涧水汇合。此后继续分流,一支向西冲破东关直入东南门。山洪入城,东南顺流而下,因金鸡岭土岗(今迎泽区海子边东街)阻隔,山洪汇潴成潭,形成文瀛湖。途中,山洪会淹没崇善寺、校场、太原营参将、学政等区域。文献记录中,崇善寺被淹就至少三次。若水势更甚,则再分一支转而向南,越过东南城角,民国时期便冲毁正太铁路站(图2)。
图2 山洪型水灾淹没路径
归纳防洪点位置也可验证山洪模拟的空间过程。万自约写道,“自耙尔沟起抵教场南,沿流作石坝……又自沙河南作新渠,直导之西”⑥(⑥〔明〕 万自约: 《新建河神娄金神庙碑并沿河创筑石土坝纪略》,万历《太原府志》卷二三《艺文》,第32a页。)。《阳曲县志》注释:“计石坝七道,长一百四十五丈,土坝九道,长一百五十六丈,新挑耙尔沟河渠一道,长四十三丈。”⑦(⑦道光《阳曲县志》卷一一《工书第六》,第3b页。)民国有两地图⑧(⑧军事委员会军令部地图测绘局制,模印,1∶50000,尺寸不明,民国八年(1919年)三月绘: 《山西全省分县详图——阳曲县图(0819号)》,山西省规划院藏复印件;山西陆军测量局制,墨印,1∶7 000,41.9cm×47cm,民国八年(1919)八月实测,九年六月印制: 《山西省城详图》,中国国家图书馆藏。)在东门外绘有堤坝。若东山山涧暴涨导致山洪型水患,太原城东半部、城北、城东南区域会首当其冲。山洪型水灾自明以降成为记录中较常见的洪涝灾害类型。

3. 内涝型水灾

除上述两类,太原城暴雨既多且急,城内地势低洼、地形闭塞,排水不畅,极易形成涝灾。山西巡抚同兴奏:“省城及省北自五月下旬至六月上旬,雨水尤勤……大道间有积水处”①(①水利电力部水管司等编: 《清代黄河流域洪涝档案史料》,第412页。)更有山洪入城,汾河漫溢,洪水顶托、倒灌,城市内涝加剧。
太原城地势由东北向西南倾斜,城内南肖墙以北、杏花岭以北、文瀛湖以东径流均可循地势便利自流汇入文瀛湖。此时,若文瀛湖蓄水还有盈余,可开启柳巷南口水闸,使径流沿街巷入文瀛湖。若湖水溢满,湖西岸连通东校尉营,太原城道路两旁筑有侧沟,单户或多户管道并入主管道②(②太原市设计委员会: 《太原市十年建设计划(1935年)》,山西省档案馆藏。),城内雨、污同渠合流排出。两处泄洪口分设城南、城西。乾隆《太原府志》载一处:“又寻南城墙古水口疏通,导水入汾,民获安址。”③(③乾隆《太原府志》卷九《山川》,乾隆四十八年刻本,第8a页。)又,后小河注入城西水系后经都司街西的古铁窗泄出城外,乾隆时期城下尚存铁棱遗迹,是另一处排水口。④(④乾隆《太原府志》卷一〇《水利》,第3b页。)除后小河水系、文瀛湖水系三大开敞水域外,城西水系(黑龙池、黄河套、西泽河、饮马河、鱼池、西海子、南海子一系)沉积相也佐证了城西洪灾频发的情况。
西南商业区较早发展,建筑密布,最易内涝且程度严重: 道光十五年(1835)、光绪七年(1881)、光绪十二年(1886)洪水均将西南满城淹没。更有甚者,熙宁元年(1068)整个城市遭洪水漫灌,“遂灌州城矣”①(①《宋史》卷三二〇《列传第七十九·王素》,第10404页。)。民国三十一年(1942)“太原城西半部洪水席卷,一片汪洋”②(②太原市地方志编纂委员会编: 《太原市志》,山西古籍出版社1999年版,第409页。)。城内积水自流入汾比较勉强,民国政府只能在城西南角修筑贮水池,抽取积水③(③太原市设计委员会: 《太原市十年建设计划(1935年)》,山西省档案馆藏。),使其跨河堤入汾。

(二) 洪涝的时空变化特点

将历史文献记载的太原城近千年60次洪涝灾害按照年代次序排布(图3a),再把全体样本按照40年段组距分为25组,绘制准40年段频数分布直方图(图3b)。读图可将千年的洪涝灾害分为三期。第一期(1000—1400)洪灾平均40年一遇,为低频洪涝期。每120年显著周期的前、后40年至多一次洪涝灾害,中间40年有且仅有两次洪涝灾。第二期(1400—1800)洪灾平均20年一遇,为中频洪涝期,每40年至少有一次洪涝灾害,不存在无洪涝阶段。第三期(1800—2000)洪涝灾平均7年一遇,为高频洪涝期,每40年至少有四次洪涝灾害。
图3 洪涝灾害年代分布
进一步分期考察洪涝灾害类型。在第一期低频洪涝期,文献涉及的淹没点均分布在漫溢型淹没路径上,洪泛区主要在汾河畔太原城西。自第二期中频洪涝期开始,文献涉及的淹没点还分布在山洪型淹没路径上,比如文献中频繁地出现东山暴洪的记录,多达12次。至第三期高频洪涝期,文献涉及的淹没点集中在地势低洼的太原城西南区,属于内涝型洪泛的重灾区。由此,可关联洪涝灾害的分期结果和洪灾类型,建立具有时间向度的灾害空间过程分类,得出太原城洪涝灾害的时空特点。而这种时空变迁是在人与自然共同作用下发生的,上文讨论了洪涝变迁,下文将进一步探究影响该变化的因素。

三、 洪涝灾害时空变迁的影响因素

(一) 北方季风区气候降水变化

影响洪涝灾害时空变迁的因素主要有二: 气候降水变化和下垫面变化。通用气候系统模拟(CCSM)实验①(①徐婷婷、石正国: 《过去千年中国北方气候的年代际变化及其同大气环流的联系: 基于CCSM4模拟试验》,《地球环境学报》2012年第2期。)及树轮结果②(②王涛、杨保、A.Braeuning等: 《近0.5 ka来中国北方干旱半干旱地区的降水变化分析》,《科学通报》2004年第9期。)刻画了区域连续的降水变化,而太原城恰属于中国北方季风区。提取洪涝灾害准四十年段频数分布图中的折线图部分,与徐婷婷等绘中国季风区降水折线图相比(图4),季风区降水变化与14世纪晚期以前太原城洪涝灾害的频摆同步性极强,尤其是第一期的三段(1030—1060、1090—1160、1180—1280)无洪涝时期。其中,第三段(1180—1280)干旱且少洪涝的情况不仅出现在汾河流域全境③(③王洋: 《金元时期山西社会的四个面向: 以碑刻史料为中心(1127—1368)》,山西大学博士学位论文,2020年。),北方地区如陕西关中地区泾洛流域④(④顾静、赵景波、周杰、张佑印: 《泾洛河流域元代干旱灾害初步研究》,《地理研究》2009年第3期。)、河南地区⑤(⑤王培华: 《元代北方水旱灾害时空分布特点与申检体覆救灾制度》,《社会科学战线》1999年第3期。)也都有遭遇旱灾的记录。再对比这三组数据,15世纪上半叶至16世纪的季风区降水、15世纪中叶至18世纪初中国北方降水变化标准化值频摆与太原城洪涝灾害频数的摆动趋势大致吻合,但是,14世纪以及18世纪早中期以降不符合区域气候曲线走势。具体来说,14世纪太原城洪涝灾害较少且态势平稳,其他两组降水均出现小峰值;18世纪早中期太原城洪涝灾害少,其他两组数据均显示降水丰富;18世纪晚期两组数据降水下降,而太原城洪涝灾害增长,不同于两组数据的距平情况。既然区域气候降水不能完全解释太原城洪涝灾害的变化,那么变化的下垫面也可能是潜在影响因素。
图4 区域降水变化与太原城洪涝灾害变化比较

资料来源: 徐婷婷等《过去千年中国北方气候的年代际变化及其同大气环流的联系: 基于CCSM4模拟试验》,《地球环境学报》2012年第2期;王涛等《近0.5ka来中国北方干旱半干旱地区的降水变化分析》,《科学通报》2004年第9期。

(二) 太原地区植被演替

变化的下垫面汇流特征一般取决于地质地貌和植被的覆盖情况。近千年来太原城所在太原地区的地质条件、地貌、岩土性质稳定,因此,下垫面变化以地区植被景观演替为主。北宋时,太原城东、河西山区“古柏苍松、林木荫翳”,东山素有“锦绣岭”之称,西山所在吕梁山区森林茂盛,绵延三百里,柏树尤多①(①景广学: 《历史时期山西地区森林植被之概观》,《山西大学学报(哲学社会科学版)》1983年第3期。);金代系舟山下部植被变成榛莽灌丛,上部残存栎林灌草相间的杂木景观;后经战火,元代太原城周边几无乔木,至元末,仅剩一些旱生灌丛②(②滕崇德、张启耀: 《山西植被的历史变迁》,《河东学刊》1998年第2期。)。尽管古代孢粉研究佐证了0.4 ka BP左右气候温和偏干并趋于干旱的整体走势③(③付晓芬: 《太原盆地20ka以来孢粉组合与古环境研究》,成都理工大学硕士学位论文,2018年。),但是,金元之交及明初的大规模人类活动是造成植被景观演替不可逆转的决定性因素。太原城在明初开始大规模营建,至明中叶,其周边林木大已消亡,以致万历时期砍木筑坝时已难觅丈椽,不得不去宁化采木。④(④〔明〕 万自约: 《新建河神娄金神庙碑并沿河创筑石土坝纪略》,万历《太原府志》卷二三《艺文》,第32a页。)更有不少拆房售木的情况,府志描述:“今反硗瘠……而不睹林麓之饶,禾黍之茂……”⑤(⑤万历《太原府志》卷一〇《物产》,第1a页。)除山地植被,平原的灌丛、草地也随着明初藩王分封授田、争地消失殆尽。至清代,太原城周边林木摧毁殆尽,次生演替接近尾声。从1919年《山西省城详图》可见,清末城内北部、各城门附近及精营城东南侧仅有成片灌草和少许大木。
回顾上述太原城洪涝灾害准40年段频数分布图(图3),一方面明中叶植被演替的关键节点晚于第一期低频洪涝期与第二期中频洪涝期的分界线(1400),另一方面植被演替是连续的、渐进的,不足以论证洪涝灾害频数均值从第二期20年一遇到第三期7年一遇的陡升。所以太原城洪涝灾害虽与植被的演替相关,即植被变迁左右着该区域的基本洪涝类型和局部致灾点,但它仍不足以解释此地洪涝的全局性突变。若非植被演替,人类活动还可改变下垫面,直接或间接地影响地表产流和汇流过程,进而影响洪涝灾害的变迁,下文将聚焦太原城城市工程建设历程对下垫面的影响。

(三) 太原城城市工程建设历程

宋太宗在漫灌晋阳城后有三个备选可异地新建宋代太原城,一是平晋城(今小店街道西村旧县圪),二是三交寨(今尖草坪区十里铺街),三是唐明镇(今杏花岭区西羊市街路、庙前街、西米市街一带)。唐宋之际,汾河中游尚有运力,三交寨距离河道过远,虽然不易发生洪灾但交通不便,河旁无深水停靠点。三交寨地处湿陷性黄土,工程营建遗患无穷。平晋城交通便利但洪灾频发,洪武四年(1371)就曾被彻底淹没,后迁县城于太原县址(今太原市晋源区古城营村以南)。且平晋城全无山势可依,易攻难守。尽管文献记载“汾河大溢,素曰:‘若坏平晋,遂灌州城矣’”⑥(⑥《宋史》卷三二〇《列传第七十九·王素》,第10404页。),但洪水模拟可见太原城即唐明镇淹没程度远低于平晋城,是三者中最优选。不仅如此,唐明镇依山傍水,水陆交通便利,兼顾军事与经贸,既易于防守,又四通八达。然而,在唐明镇异地新建城市不代表洪涝灾害对城市安全全无威胁,仍需通过一系列工程措施治害防灾。
唐明镇原为阳曲县治下大村镇,彼时仅有“工”字形主干道,并无城垣边界,是开敞式集镇。宋代异地新建太原城时充分利用地形,规划了御水的九里城池。原北涧河、北沙河、南沙河均在城外,北侧河流即便南袭,也可汇入城外北护城河(今杏花岭区后小河巷);南沙河等自东山山沟汇水,绕宋城东南角外护城河奔行。城内积水经临泉府、大水巷、小水巷,经按察司过桥头,经西海街、水渠巷,泄入城外文瀛湖。除有效化解山洪风险和城市内涝外,并州知州陈尧佐还在西门外开挖柳溪平抑洪泛①(①〔宋〕 李焘: 《续资治通鉴长编》卷一〇三“天圣三年三月丙子”条,中华书局2004年版,第2378页。),阻抑汾水进城形成漫溢型洪灾(图5)。可见,宋代太原城规划不仅符合规制,还一定程度上规避了洪涝风险,是以宋代中后期太原城鲜有水患。
图5 太原城凯撒-利洪模型洪水模拟

资料来源: 栅格数据由《山西全省分县详图——阳曲县图(0819号)》地理高程(军事委员会军令部地图测绘局制,模印,1∶50000,尺度不明,民国八年三月绘)和以《山西省城详图》(山西陆军测量局制,墨印,1∶7000,41.9cm×47cm,民国八年八月实测,九年六月印制)城市平面格局为例的城市考古复原犀牛(Rhino)三维模块叠加所得。

明朝开国之初,太原城在藩府制度的推动下将宋九里城向东、南、北扩展至周围二十四里城池。②(②万历《太原府志》卷五《城池》,第1b页。)因北城墙推移至北沙河漫滩区,自此山洪屡有侵袭。山涧汇水原泄入宋城城墙外的文瀛湖,明代城池东南角向东扩展,汇于山前五龙口的水流因为有城墙的阻挡而改道,沿明城东墙外土堰南流再西转入汾。相较宋城充分利用地形走势疏导洪水,明代治水多以围堵方式干预水患。结果显而易见,明代太原城的原地扩张导致太原城洪涝次数渐增,除了固有的汾河漫溢型水患之外,新添山洪类灾害占半。
清代太原城范围沿袭明城,但因绿营兵与满营兵同时进驻,城内可用空间所剩无几。绿营兵所在精骑营占据原明晋王府旧地,满营三迁其址。顺治六年(1649),满营兵初次驻防省城东南角,但此地近原晋府、宗房多,四外不通大路而迁至城西南。雍正九年(1731),满营兵短暂移驻宁夏后又返回太原城,长驻城西南隅。③(③道光《阳曲县志》卷三《建置图第二》,第5a页。)然而,经历18世纪晚段降水减少的时段后,城西南开始频繁内涝。满营最终于光绪十二年(1886)易址,迁至防洪避涝的新满城:“今则塌损殆尽,若就原地建造,费与新建无异,万一再遇水患,修造之巨款仍弃洪流,何若移徙高旷之区……尚可一劳永逸。亟应在城内迤东、迤北一带,选揖可建衙署营房之地,饬工估计筹酌办理。”①(①水利电力部水管司等: 《清代黄河流域洪涝档案史料》,第738页。)
总的来说,以“御洪”为主题,太原城城市工程建设历程可分为宋、明、清三个阶段。宋代通过合理选址与工程规划,较成功地控制了漫溢型洪涝灾害;明代基于宋城不合理的城市扩展导致山洪型水灾激增;清代城市用地减少,易涝点增建人口密集的军政区导致灾情加重。可见,太原城城市工程建设是影响洪涝灾害突变的决定性因素。

四、 结语

太原城是山西的区域中枢,关于洪涝灾害的文献记录也是山西境内最多的,具有地区代表性。本研究将凯撒-利洪洪水景观演化模型(CAESAR-LISFLOOD)运用于复原的古代城市三位体块,以模拟太原城洪水的空间发生过程。对照历史文献记载的60年次洪涝灾害,由此将太原城洪涝灾害分为漫溢型、山洪型、内涝型三类。历史文献还记载了历次洪涝的发生时间,将时间线索与洪涝类型相关联,便可构建起太原城洪涝灾害的时空框架,三期洪涝灾害的水文情况如下。
第一期自宋以降,降雨量过大、汾河河道局狭所致漫溢型水灾主要发生在汾河以东、太原城西侧区域。该漫溢型水灾是太原城最为常见的洪涝灾害,平均40年一遇,间或出现无洪涝阶段。第二期始于短暂暖干过渡期后的明早期,东山山涧暴涨所致山洪型水患频发,这威胁了太原城东半部分、城北、城东南区域,自此,山洪型洪灾成为太原城常见的洪灾类型。山洪型与漫溢型水灾的叠加使太原城进入洪灾平均20年一遇的阶段。第三期经历了明末的小冰期进入洪灾7年一遇的阶段,清代因城内地势低洼、地形闭塞所致排水不畅的内涝型水灾发生频次显著增长,18世纪晚期内涝型洪灾加剧了山洪型与漫溢型洪灾的负面影响。
人与自然因素共同影响了洪涝灾害的时空分布格局。气候变化与景观变迁导致了洪涝灾害的频次渐增,而太原城的城市工程建设则导致了洪涝灾害频次与类型的突变,是决定性因素。宋代的疏导理念与治洪工程使太原城有效抑制了洪涝的发生,明代不合理的城市扩张则引发了难以控御的山洪型水灾,明末小冰期之后,清代的过度用地导致城西南排涝不畅,下垫面即刻响应了暖湿气候变化,因此内涝型水灾大规模出现,洪涝频次激增。
要之,近千年来太原城的驭水经验与教训足可为今天的城市洪涝灾害防治提供借鉴。不过,本文仍存在局限性。满志敏指出: 北宋以后,全国性的气候资料条目的分布波动很大,南宋前期与末期以及元末明初的资料较少②(②满志敏: 《中国历史时期气候变化研究》,山东教育出版社2009年版,第22、24—28、30—34、34—41、44—47、56、291—302页。),而明初洪武《太原志》就无“灾异”类目。因此,解释数据波动时不能完全排除记录条目数量本身变化的原因,未来研究可以通过扩大样本规模来克服该局限。

感谢伦敦大学学院巴特莱特可持续建造学院林旭辉博士给予的技术帮助,感谢多位审稿人反馈的修改意见,感谢国家建设高水平大学公派研究生项目的资金支持。

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