李永飛 于 革 沈華東 胡守云 姚書春 尹 剛

(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210008;2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

0 引言

隨著大氣層中溫室氣體含量的增高，極端氣候發(fā)生增多，世界許多地方出現(xiàn)了一些不尋?；驑O為罕見的暴雨強(qiáng)降水事件［1，2］。長江中下游地區(qū)表現(xiàn)為1990s升溫約0.2～0.8℃，降水增加5%～20%，導(dǎo)致全流域洪水災(zāi)害高發(fā)［3］。太湖平原地處長江下游段南側(cè)，地勢低平，絕大部分地區(qū)處在該地區(qū)高洪水位以下［4］。近30 a來太湖平原抵御“十年一遇”、“百年一遇”洪水損害的能力進(jìn)一步削弱。所以，認(rèn)識該地區(qū)極端洪水特征及其周期性演化，具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。

國外許多學(xué)者利用河流平流沉積［5，6］、樹輪［7］和湖泊沉積分析區(qū)域古洪水事件［8，9］取得了許多重要研究成果。一些學(xué)者利用河流階地研究晚更新世晚期長江上游不同時(shí)間跨度不同類型古洪水的精度有較大差別［10］和黃河上游全新世官亭盆地磁化率顯示14次大洪水的發(fā)生［11］，利用考古遺址研究長江三峽庫區(qū)中壩自然沉積層為多期洪水泛濫形成的［12～16］。利用黃河中游三門峽與小浪底河段1843年和1994年兩次洪水平流沉積，延長特大洪水記錄和序列至中全新世［17］。在長江流域，研究沉積記錄并能夠與長江干流1850—1954年期間的若干次特大洪水事件歷史文獻(xiàn)和水文監(jiān)測資料吻合［18］。長江中下游兩岸的自然堤后湖，不僅有其水系的洪水侵入，還常有長江洪水的水沙倒灌，而且倒灌入湖的泥沙還有其自身的顆粒特征。長江中游網(wǎng)湖1870年以來沉積粒度、花粉特征和洪水關(guān)系的研究［19］，表明湖泊沉積能夠判識20世紀(jì)6次長江特大洪水淹沒湖泊及臨近縣城洪災(zāi)事件。這些研究都為采用湖泊沉積地質(zhì)、磁學(xué)特征重建歷史特大洪水，能夠?qū)Ρ痊F(xiàn)代洪水觀測記錄，彌補(bǔ)歷史文獻(xiàn)記載的不足和延長現(xiàn)代觀測序列，提供了研究途徑和科學(xué)依據(jù)。

太湖(圖1)(30°55'40″～31°32'58″N，119°52'32″～132°36'10″E)湖泊面積 2 428 km2，平均深度1.9 m［20］。從太湖流域匯入湖泊的洪水，由于特大入湖流量侵蝕流域和搬運(yùn)，湖泊泥沙沉積發(fā)生顯著變化，湖泊泥沙沉積顆粒增粗是一個(gè)顯著特征［4］。在自然水系下，特大洪水年份發(fā)生長江水沙的倒灌，如1954年長江倒灌進(jìn)入太湖湖區(qū)的水量曾達(dá)到3.2×108m3［21］。太湖的沉積剖面中是否能夠分辨出洪水沉積特征、并借以重建洪水序列是我們沉積學(xué)關(guān)注的問題。因此，本文根究太湖的近現(xiàn)代沉積，尋找洪水特征沉積，與區(qū)域降水和洪峰流量進(jìn)行相關(guān)分析試圖恢復(fù)太湖流域150 a來的歷史洪水事件。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Schematic map of locations of Taihu Lake and the catchment

1 采樣及實(shí)驗(yàn)分析

①沉積鉆孔:2004年6月在太湖中心、開闊水域用重力采樣器采集了沉積物柱樣鉆孔TXS(31°08'53.7″N，120°13'20.2″E)(圖1)，水深205 cm，鉆孔深675 cm。0～50 cm以0.5 cm間隔取樣，50 cm以下1 cm間隔取樣。巖芯上部105 cm沉積巖性與沉積特征如下:

0～16 cm 灰色泥，有鐵銹色;

16～26 cm 青灰色粉砂質(zhì)泥;

26～30 cm 青灰色粉砂質(zhì)泥，含植物殘?bào)w;

30～90 cm 灰色粉砂質(zhì)泥，含有機(jī)碎屑物;

90～101 cm 灰色泥，含灰白色團(tuán)塊狀斑點(diǎn);

101～105 cm 灰色泥質(zhì)粉砂。

②粒度測定:首先用濃度10%的H2O2除去樣品中的有機(jī)質(zhì)，用濃度10%的HCl除去無機(jī)碳，振蕩離散15 min后在中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用英國生產(chǎn)的Mastersizer2000激光粒度儀(分析范圍 0.02～2 000 μm)測試。

③磁化率測定:將鉆孔巖芯濕樣品置于2 cm×2 cm×2 cm標(biāo)準(zhǔn)塑料盒中，在德國圖賓根大學(xué)古地磁實(shí)驗(yàn)室測試。使用Bartington頻率磁化率儀測量樣品低頻磁化率(χlf)和高頻磁化率(χhf)。

④年代測定:干沉積樣品研磨至過100目孔篩后，用美國產(chǎn)的高純鍺井型探測器(OrtecHPGeGWL)與Ortec919型譜控制器和IBM微機(jī)構(gòu)成的16k道多道分析器所組成的γ譜分析系統(tǒng)在中科院南京地理與湖泊所年代實(shí)驗(yàn)室測定。137Cs和226Ra標(biāo)準(zhǔn)樣品由中國原子能研究院提供;210Pb標(biāo)準(zhǔn)樣品用英國利物浦大學(xué)做比對校準(zhǔn)。

⑤氣候和流量觀測資料:作為對比和驗(yàn)證沉積記錄，采用長江下游地區(qū)三個(gè)氣象站(南京、杭州、上海)具有長期氣象觀測的降水記錄，選擇資料1873年來夏季(6～8月3個(gè)月降水總量)的逐月降水資料。徑流資料采用長江下游大通水文站1950—2004年逐月觀測記錄。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積年代序列

根據(jù)測定結(jié)果，226Ra的比活度(52.96～127.26 Bq/kg)較高，在垂向上變化較大(圖2)。210Pbex(過剩210Pb)的比活度(10.86～398.69 Bq/kg)和210Pbt(總210Pb)的比活度(83.35～494.86 Bq/kg)演變趨勢相似，從湖底深度約28 cm處開始逐漸增加，于11 cm處突然劇增至7 cm處達(dá)到峰值，對應(yīng)1986年切爾諾貝利核電站泄露事件。太湖TXS孔巖芯剖面(圖2)中210Pbex呈非指數(shù)式分布，所以本文用 CRS(Constant Rate of Supply)模式［22］計(jì)算 TXS 孔沉積通量，獲得沉積速率0.173 cm/a，即5.8 a/cm。巖芯特征分析顯示沉積物質(zhì)地單一，均為細(xì)泥與粉砂混合體，沉積環(huán)境接近，由此依據(jù)平均沉積速率推斷，巖芯深度27.25 cm 約對應(yīng)1849 a A.D.。

TXS孔中137Cs比活度較低(＜21Bq/kg)，從11.75 cm處1.52 Bq/kg開始出現(xiàn)，向上一直增加，于4.75 cm處達(dá)到峰值 20.68 Bq/kg，其后降低直至頂部，總體形態(tài)呈尖銳的單峰。鉆孔TXS中137Cs沉積通量遠(yuǎn)小于太湖區(qū)域大氣沉降累積通量(2 120 Bq/kg)，這種現(xiàn)象在太湖其他鉆孔以及長江中下游的洪湖、巢湖沉積物中也有相似發(fā)現(xiàn)［23～26］，可能是后生沉積作用導(dǎo)致峰高降低的結(jié)果。若以TXS垂直剖面上137Cs蓄積峰對應(yīng)1986年全球137Cs散落高峰期，計(jì)算的平均沉積速率與利用210Pb CRS模式分析結(jié)果相一致。137Cs全球1963年散落高峰在太湖TXS鉆孔表現(xiàn)不顯著，可能由于沉積物后生沉積作用稀釋所致。結(jié)合210Pb測定和模式，確定沉積速率并建立年代序列(圖2)。

2.2 粒度特征變化

太湖TXS孔沉積物粒徑分析表明(圖3)，砂級粒徑(＞64 μm)百分含量在鉆孔30 cm以上較低，小于2.5%，粒徑含量變化于0～2.466%之間，最大值出現(xiàn)在18.25 cm 處約1901年附近，12.25 cm 和14.25 cm缺失粗顆粒物質(zhì)砂，砂級粒徑平均含量為0.97%，離差系數(shù)Cv=0.72，粒徑變化波動(dòng)幅度較大。鉆孔巖芯中粉砂粒徑4～64 μm百分含量平均80.53%左右，變動(dòng)范圍 74.83%～85.40%，離差系數(shù)Cv=0.04，因此，巖芯中絕大部分沉積物都是粉砂，而且含量變化比較穩(wěn)定。黏土顆粒(＜4 μm)平均含量為18.60%左右，30 cm以上變化于14.60%～20.06%之間，離差系數(shù) Cv=0.15，鉆孔中黏土含量變動(dòng)幅度較小。由此知道，150年來太湖西山沉積環(huán)境整體相對穩(wěn)定，水動(dòng)力條件保持穩(wěn)定，主要沉積物粉砂離散程度很小，只有0.04，黏土離散程度較小，也只有0.15左右，砂離散程度較大達(dá)到0.72，表明影響砂沉積的水動(dòng)力條件變化較大。

太湖沉積物質(zhì)來源主要有兩個(gè):流域自身水沙供給和長江洪水倒灌湖泊區(qū)水沙供給。太湖沉積顆粒大部分為黏土質(zhì)粉砂，即黏土(粒徑＜0.01 mm)含量占20%～40%左右，而粉砂(粒徑0.1～0.01 mm)含量占60%～80%左右，砂(粒徑 ＞0.1 mm)含量很少［4］。粗顆粒的砂應(yīng)該主要為水動(dòng)力條件較強(qiáng)的洪水［14～17］搬運(yùn)而來。

2.3 磁學(xué)特征

對鉆孔TXS巖芯磁化率測定結(jié)果表明，低頻磁化率變化與沉積粒度具有顯著的同步變化(圖3)。在7.25 cm處1968年處于最低值10.66×10－8m3/kg，頂部達(dá)到最高值 26.73 ×10－8m3/kg，均值 15.86×10－8m3/kg。與粒度砂級粒徑(＞64 μm)做相關(guān)分析，表明與磁化率變化呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)－0.23;磁化率和粒度粉砂(4～64 μm)變化呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)－0.37;磁化率和粒度黏土(＜4 μm)變化呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.42(達(dá)到95%置信區(qū)域)。

太湖沉積磁性礦物主要以細(xì)顆粒黏土為主，當(dāng)水力條件較強(qiáng)時(shí)，磁化率值相對較小，而水動(dòng)力條件較弱時(shí)，磁化率值就相對較大。這與太湖WIC孔沉積物磁化率與較粗顆粒組分含量成反相關(guān)，而與較細(xì)顆粒組分成正相關(guān)［27］的結(jié)論相一致，在中國東部地區(qū)其它區(qū)域蘇北盆地［28］、巢湖［29］、河北省陽原盆地井兒洼湖相沉積物中［30］都有相似的結(jié)論。因此，太湖盆地TXS鉆孔沉積物粒度和磁化率的大小變化能夠反映入湖徑流水動(dòng)力條件的變化，可以指示湖泊周邊氣候變遷過程。碎屑顆粒砂的含量相對高值和磁化率相對低值表明湖泊較強(qiáng)的水動(dòng)力搬運(yùn)能力，指示著較強(qiáng)的區(qū)域性降水過程和隨后較大的徑流輸入湖盆，反映太湖流域洪澇事件的發(fā)生。

3 湖泊沉積與降水、流量相關(guān)分析

太湖流域處于中國東部濕潤性季風(fēng)區(qū)，每年降水主要集中于夏季，短期暴雨引起的洪水也多集中于夏季，由區(qū)域降水補(bǔ)給和徑流輸入導(dǎo)致洪澇災(zāi)害也頻發(fā)于夏季。由于南京地處太湖流域上游，南京氣象站降水量能反映下游徑流特征。故以南京站數(shù)據(jù)為主，輔以同一流域降水情勢相同的上海和杭州站夏季降水記錄，得到流域夏季降水序列。采用流域夏季(6、7和8月)降水大于90%百分位作為極端豐水年，結(jié)合長江干流下游河段水文監(jiān)測大通水文站1950年以來徑流量大于90%百分位做為極端洪水年，并與歷史文獻(xiàn)洪水記錄對比，綜合分析得到洪水參數(shù)(圖4)。對比洪水參數(shù)，太湖沉積、湖相韻律變化，佐以磁學(xué)特征，獲得太湖流域洪水指標(biāo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)太湖TXS鉆孔沉積粒度砂級粒徑(＞64 μm)與過去150 a來洪水年重合15次，誤差±1年，重合年份為1849，1859—1860， 1870—1871， 1882—1883， 1895—1896，1901—1902，1907，1912—1913，1931，1954—1955，1973—1974，1980，1986—1987，1991—1992，1998年等，識別率達(dá)到62.5%。緣由可能是采樣間隔精度尚未達(dá)到1 a數(shù)量級(本鉆孔為±3a/樣)。

根據(jù)現(xiàn)代150 a粒度—磁化率—洪水參數(shù)建立的洪水指標(biāo)，進(jìn)行快速傅里葉頻譜變換(FFT)。表明沉積粒徑、低頻磁化率具共同的48 a和20 a周期(圖5)。此外，對TXS鉆孔巖芯4.12 m段進(jìn)行類比，獲得了洪水重發(fā)信號。其中粗顆粒砂級粒徑(＞64 μm)—低頻磁化率指標(biāo)捕獲洪水事件64次;沉積物中值粒徑(D=50)—低頻磁化率指數(shù)分析獲得洪水事件58次。

圖4 太湖TXS孔沉積砂級含量(＞64 μm)(a)與流域洪水年份(b)對比Fig.4 Comparisons between sand content in TXS core and flood years for Taihu Lake catchment

圖5 TXS孔沉積粒度(砂級＞64μm和中值D50)和磁化率的頻譜分析Fig.5 FFT analysis for the sediment particle size(φ ＞64μm and D50)and magnetic susceptibility in the TXS core

4 討論

湖泊懸移質(zhì)含沙量與沉積速率的高低，主要取決于入湖河流含沙量的大小、湖水深度、底質(zhì)狀態(tài)及水動(dòng)力特征等因素。而入湖河流攜帶的泥沙含量又與地表徑流對流域表土的侵蝕、流域內(nèi)地形條件、土壤、植被、季節(jié)性氣候變化、降雨強(qiáng)度及人類活動(dòng)等因素有關(guān)。由于太湖流域地形寬廣坦蕩，河床比降平緩，上游地區(qū)植被生長茂盛，覆蓋度較高，水土保持較好，流失輕微，除汛期含沙量較高外，枯水期上游河流攜帶進(jìn)入湖泊的泥沙量甚微，均較難測得［4］，湖泊沉積速率偏低。TXS孔位于湖泊中心區(qū)，與湖泊邊緣相比較，沉積速率更低。雖然局部湖岸因風(fēng)浪沖擊崩塌也能增加太湖水中的含沙量，但對整個(gè)太湖影響不大。因此，太湖盆地是一個(gè)以外來碎屑沉積為主的開放型沉積湖盆，進(jìn)入湖盆的來水是控制沉積物粒徑構(gòu)成變化的主要?jiǎng)恿σ蜃印?/p>

根據(jù)沉積機(jī)械分選原理［31］，沉積物顆粒大小由湖邊向湖中心逐漸變細(xì)，并呈同心圓狀分布;在湖泊中的不同位置，沉積物顆粒的大小隨搬運(yùn)動(dòng)力改變可發(fā)生變化。當(dāng)降水量增加尤其集中降雨、強(qiáng)降雨增加時(shí)，進(jìn)入湖泊水量增加，水流搬運(yùn)泥沙能力增強(qiáng)，搬運(yùn)相對較粗的碎屑顆粒物質(zhì)進(jìn)入湖泊沉積;當(dāng)流域降水減少，入湖水量減少，流速變緩，水動(dòng)力搬運(yùn)能力減弱，水流挾帶泥沙的搬運(yùn)動(dòng)力下降，搬運(yùn)的沉積碎屑物也就相對較細(xì)。所以粗顆粒物質(zhì)砂(＞64 μm)的沉積指示著較高的區(qū)域降水和較大的徑流輸入，于中國東部濕潤季風(fēng)區(qū)則預(yù)示著暴雨和洪澇事件的發(fā)生;如果只有細(xì)顆粒的沉積而缺失粗顆粒物質(zhì)則代表著降水量偏少年份，表明當(dāng)時(shí)氣候相對干旱。本研究表明太湖湖泊沉積物粒度砂級粒徑(＞64μm)與磁學(xué)特征能捕獲過去150 a來洪水事件14次，識別率為62.5%。該指標(biāo)對洪水的分辨率達(dá)不到90%或更高，主要原因是沉積速率低(約0.173 cm/a)，盡管鉆孔位于湖心位置，取樣是5 mm間隔。

磁化率作為一項(xiàng)環(huán)境代用指標(biāo)，反映了各種環(huán)境營力之間相互作用和轉(zhuǎn)化過程，能指示區(qū)域沉積環(huán)境。磁化率能夠較好地反映黃土和古土壤成土過程的作用程度，高值表明了較強(qiáng)烈的成壤作用和適宜的氣候狀況，低值表明了鐵磁性礦物含量較少和較為惡劣的氣候狀況［32，33］。沉積物中磁性礦物來源有三類;外源磁性礦物、自生磁性礦物和成巖磁性礦物，湖泊沉積磁性礦物中外源磁性礦物占絕對優(yōu)勢［34］。沉積物磁化率的大小與其磁性礦物種類、粒徑、含量相關(guān)，它們都受物源區(qū)影響。因此，磁化率可以反映沉積動(dòng)力的強(qiáng)弱及其變化趨勢，若沉積動(dòng)力與沉積環(huán)境不變，可以反映沉積物源區(qū)的變化［27］。太湖盆地磁性礦物來源以外源磁性礦物為主，受輸入碎屑物質(zhì)磁性礦物成分、含量和粒度控制，磁性礦物含量和粒度組成與水動(dòng)力條件相關(guān):若物源區(qū)磁性礦物以粗顆粒砂級碎屑為主，當(dāng)水動(dòng)力搬運(yùn)能力強(qiáng)時(shí)，磁化率就大;若物源區(qū)磁性顆粒礦物以細(xì)顆粒黏土為主，則動(dòng)力搬運(yùn)能力較弱時(shí)，沉積物磁化率也相對較大。文中依據(jù)沉積物粒度、湖相韻律以及磁學(xué)特征嘗試對太湖流域150 a來洪澇事件進(jìn)行定量重建，個(gè)別洪水事件的沉積剖面年齡與洪水參數(shù)年齡有大約1年的偏離，這可能與210Pb年齡測試的誤差有關(guān)，也可能與風(fēng)浪、風(fēng)涌水和湖流對湖底的擾動(dòng)造成沉積環(huán)境的不穩(wěn)定有關(guān)。同時(shí)，鉆孔粗顆粒砂級沉積并不能與洪水參數(shù)形成一一對應(yīng)，一些沉積顆粒較粗年份并沒有洪水事件發(fā)生，也表明自然地理狀況下湖泊沉積動(dòng)力環(huán)境的復(fù)雜性。

5 結(jié)語

總結(jié)本文的分析結(jié)果，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)長江下游徑流(Q≥90%百分位)、夏季降水量(Pjja≥90%百分位)和文獻(xiàn)記錄長江流域1840年以來的特大洪水，共發(fā)現(xiàn)洪水事件約24次，即平均6.25 a/次。

(2)太湖湖泊沉積物粒度砂級粒徑(＞64 μm)與磁學(xué)特征能捕獲過去150 a洪水事件15次，與洪水記錄對應(yīng)的識別率62.5%，表明湖泊沉積記錄能較好地反演過去洪水變化。

(3)太湖沉積磁化率與較粗顆粒組分含量成反相關(guān)，而與較細(xì)顆粒組分成正相關(guān);磁性礦物沉積物主要以細(xì)顆粒黏土為主，當(dāng)水動(dòng)力條件較強(qiáng)時(shí)，磁化率值相對較小，而水動(dòng)力條件較弱時(shí)，磁化率值就相對較大。

(4)150 a來太湖湖泊沉積由TXS鉆孔揭示的粒度和磁學(xué)特征，與長江下游徑流量高值、太湖流域夏季強(qiáng)降水、以及文獻(xiàn)記載長江特大洪澇災(zāi)害三者組成具有很好的對應(yīng)關(guān)系，能夠做為沉積的洪水指標(biāo)用以認(rèn)識過去極端洪水的長周期變化特征和規(guī)律。

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