北京市新英才學校 郭宗勝,肖若萱,朱未冉,陳鼎琦,陸穎文,洪佳熠
作為溫榆河綠色生態(tài)走廊中的一員,北京市新英才學校2019年啟動了《家在溫榆河》探索式課題研究項目,旨在以活動為載體,融匯交叉學科,促進教師與學生的合作與成長[5]。數(shù)學組帶領學生承擔的課題是“大數(shù)據(jù)背景下的溫榆河”。在一期研究中[4],通過對30年的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),溫榆河流域降水量與徑流量具有2-3年短周期升降的現(xiàn)象,而且這些峰值與中國五運六氣的周期律中的關鍵年有很好的契合。但是在谷值也就是枯水年的分析中,在統(tǒng)計學中不具有顯著性,也就是與五運六氣的相關年契合度不高。
我們認為除了枯水年影響因素的復雜性之外,還有原因便是分析的數(shù)據(jù)量不足,以及選取的統(tǒng)計量不合適。因此在二期研究中一方面進行了北京70年的水利歷史調研,以枯水年為主,發(fā)掘研究的靈感,尋找年度的分布規(guī)律性,另一方面從北京水務局調取了70年的數(shù)據(jù)進行更充分的分析。
運氣學說,是《黃帝內經》中記載的中國古代研究天時變化規(guī)律,以及天時氣候變化對人類、生物影響的學科。其以天人相應的思想為指導,以天干地支符號推求氣運變化,認為自然氣候存在著五運的十年周期,以及六氣的六年周期模式。
其中五運中甲己年為土運,主濕氣,甲年為太過,己年為不足;乙庚年為金運,主燥氣,收斂肅殺,庚年為太過,乙年為不及;丁壬年為木運,主風燥氣,壬年為太過年,丁年為不及;丙辛年為水年,主雨主寒,丙年為太過,辛年為不及;戊癸年為火年,主火主熱,戊年為太過,癸年為不及。以上是從主要方面抓住大運來說的,除此之外,一年中還有主運客運五個階段的辯證分析。六氣模式中宏觀上可以從司天之氣和在泉之氣分析。比如,巳亥年是厥陰風木司天,子午年是少陰君火司天,丑未年是太陰濕土司天,寅申年為少陽相火司天,卯酉年是陽明燥金司天,辰戌年是太陽寒水司天。除此之外,還涉及主氣客氣,運與氣的辯證分析。
《黃帝內經》的五運六氣系統(tǒng)是個復雜的辯證的動態(tài)多因子系統(tǒng)[7]。本研究中所呈現(xiàn)的關聯(lián)性僅僅是理論系統(tǒng)的一個很小維度,希望讀者諒解。
本次數(shù)據(jù)分析主要采用了從北京市水務局提取的1950年到2019年共計70年的數(shù)據(jù),涉及北京市年平均降水量、北京市地表水資源總量、溫榆河年平均徑流量、溫榆河流域年平均降水量等。同時參考了《北京水利志稿(第二卷)》附錄中的“中華人民共和國成立后北京地區(qū)年降水量統(tǒng)計表”以及“北京站歷年降水量表(1724-1949)”[3-4]。
研究過程中采用了統(tǒng)計軟件IBMspss23.0,和Python3.8編程語言的matplotlib模塊,使用的方法是比較分析法和統(tǒng)計分析法。首先對數(shù)據(jù)進行單樣本的柯爾莫哥羅夫·斯米諾夫的非參數(shù)分析,確定數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布。
歷史調研的書籍主要有《北京水利志稿》《北京氣候志》《水惠京華——北京水利五十年》《北京水旱災害》《北京旱情與對策》《北京水利史》(吳文濤著)《北京水史》《循環(huán)水務的理論與實踐》《當代北京飲用水史話》等。
歷史調研旨在梳理降水的年度事件,發(fā)現(xiàn)一些關鍵細節(jié),尤其是關注重大旱情事件[2]。當然我們也辯證了水資源缺乏、干旱與自然降水的關系。
我們認為,二者與自然降水都具有直接相關性,但是又不是決定相關性,尤其在城市化、工業(yè)化的社會模式。就北京來說,當今的北京普遍被認為水資源匱乏,尤其是按人均水資源占有量來說。令人驚嘆的,北京是世界上少有的主要依賴自然降水的大型城市。據(jù)專家考證,歷史上的北京曾經森林茂密、風調雨順,隨著元明清都城的建設,地面生態(tài)環(huán)境發(fā)生了很大的改變,旱澇災害也變得頻繁,尤其是現(xiàn)代人口劇增,經濟發(fā)展,環(huán)境污染,才造成了用水的緊張,一次次出現(xiàn)旱情?!叭祟惢顒悠茐牧吮本┕逃械淖匀簧鷳B(tài)環(huán)境,對水造成的嚴重侵害,才是北京水循環(huán)嚴重失調導致長期干旱缺水的直接原因”[1]。
也就是說,旱情是一個很綜合的因素。借助旱情得到的信息,還需要后續(xù)數(shù)據(jù)進行對照。正是本著以上研究立足點,我們鎖定了下面一些瑣碎的歷史線索:
20世紀50年代有幾次洪水,北京先后修建了官廳水庫、十三陵水庫、密云水庫等多個水庫,尤其是官廳與密云,按照周總理的布局,這是北京城市建設的“兩大水盆”。
20世紀60年代的掉頭。建設者在密云水庫的建設中謀劃京密大運河,希望從密云水庫到北京城,密云水庫到天津入海能夠通客輪。結果1960年、1961年大旱,官廳水庫水量不能滿足工農業(yè)正常用水,只能調整方案,快速建設京密引水渠引密云水庫水入京。
20世紀70年代的污染。1972年發(fā)現(xiàn)官廳水庫水質污染,驚動國務院。事后調查,原因一是永定河上游工業(yè)發(fā)展,污水排放嚴重,二是水庫管理粗放,一年一放空。1971年降水量少,水庫入水少,加上1972年春旱,因此造成1972年春季水庫蓄水不足。除此之外,城區(qū)工農業(yè)發(fā)展急需用水,不得不求取地下水,發(fā)起了奪水會戰(zhàn),先后建立了海淀的水源三廠以及順義遠郊的水源八廠。
20世紀80年代的再掉頭。原本密云水庫是同時供水北京、天津和河北的。但是1980年、1981年連續(xù)旱情,密云水庫到了死庫容,國務院緊急會議作出決議,密云水庫僅供北京用水,由河南、山東調水到天津。同時密云水庫改變粗放式一年一放水的管理,實行多年蓄水調節(jié)模式,一防備枯水年。北京還啟動了最大的自來水廠水源九廠[3]以及向陽閘工程從順義潮白河流域調水到城區(qū)。
20世紀90年代的小豐水期。主要是1994年、1996年,官廳、密云兩大水庫爆滿,因為擔心會遇洪澇,不得不放棄了8億立方米水,結果很快就進入了一個更長的干旱年-1999年。
2000年代的多年干旱。1999年,北京市政府制定了《二十一世紀初期首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》,提出實現(xiàn)2010年北京水資源供需平衡,以及官廳水庫水質凈化等多項目標[1],不料世紀之初便進入了連續(xù)多年的干旱。加上2001年申奧成功,北京先后啟動了懷柔應急、張坊應急等工程,加快了污水處理、再生水的建設,加速啟動了南水北調工程。
綜合上面的旱情線索以及旱情與降水的辯證,我們大膽猜測,北京地區(qū)的枯水年具有一定的年度分布規(guī)律,每10年中的年初都是潛在的枯水年,尤其是在年尾數(shù)逢1、逢2的年。這一點與一期的研究具有一定的呼應性,因為逢1、逢2的年分布為辛年和壬年,都是典型的降水不足的年。
對此,我們認為這個線索是研究很好的突破點,也就是對枯水年的研究,本研究中暫時不考慮其他運氣,將逢1的辛年以及逢2的壬年作為著眼點。
(1)圍繞年尾數(shù)為1和2的年份以及其他年份,我們統(tǒng)計了枯水年的年份次數(shù),如表1。采用卡方獨立性檢驗,計算出卡方值:卡方值=4.6437346,P-value=0.01816<0.05。
表1 枯水年的年份次數(shù)
結論顯示:尾數(shù)為0和1作為枯水年出現(xiàn)具有統(tǒng)計學的顯著性。
結果分析:
(1)年尾數(shù)為1和2的年份,多年的年平均降水量分別是508.13和521.53,與總體平均值有很大差距,與其他年份的年平均降水量相差也很大。這證明五運六氣中的辛年和壬年是典型的枯水年候選人。
(2)同時也發(fā)現(xiàn),年尾數(shù)為4和6的年,多年平均降水量分別是649.61和644.09,相比其他年份都很大。這也證明一期研究中的結論,五運六氣中的丙年和甲年都是典型的豐水年候選人。
無論溫榆河徑流量或者北京降水量,或者說五運六氣的理論都是很復雜的[8],作為研究者必須選取好的視角、提出好的問題,逐步認識一點線索。本期研究我們正是從這個著眼點出發(fā),首先從歷史調研中找到了突破口,然后在數(shù)據(jù)分析中得到印證。最后構造的統(tǒng)計量不僅證實了本期的結論,也印制了一期的研究成果[4]。這樣便使得研究成果一步步擴大。
目前為止,我們的研究還是選取了薄弱的一些環(huán)節(jié)進行。在后續(xù)的研究中,我們會通過細化數(shù)據(jù),由年平均數(shù)據(jù)細化到月降水數(shù)據(jù),綜合豐水年與枯水年以及辯證氣運關系等角度繼續(xù)深入。