成晨光，謝悅波,2，朱 程

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，南京 210098)

古洪水是指第四紀(jì)全新世以來至可考證的歷史洪水期以前這一時(shí)期內(nèi)發(fā)生的大洪水[1]。洪水事件發(fā)生時(shí)，河槽經(jīng)歷漲水至洪峰、洪峰時(shí)刻短暫的平流和退水3個(gè)階段。在平流階段內(nèi)，洪水從流域各處帶來的孢子花粉、枯枝落葉、植物根莖以及大量的泥沙組成的混合物懸移質(zhì)在河流兩岸的平緩岸坡、支流回水末端、洞穴、巖龕等流速幾乎為零的區(qū)域逐漸沉積，后來被坡積物覆蓋得以保存至今，這些沉積承載了洪水事件的重要信息，稱為古洪水平流沉積物。

古洪水研究是應(yīng)用第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)、年代學(xué)、水文學(xué)、水力學(xué)等學(xué)科理論來確定古洪水的流量以及洪水事件發(fā)生年代的學(xué)科。水利水電工程設(shè)計(jì)需要稀遇大洪水資料，而國內(nèi)大部分地區(qū)實(shí)測洪水資料系列較短，少數(shù)河段無測站，大洪水資料稀缺。運(yùn)用古洪水研究理論發(fā)掘歷史上發(fā)生過的大洪水，可以解決水文資料不完善的現(xiàn)狀，提高設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的可靠性。

根據(jù)平洪水平流沉積的賦存特性和沉積構(gòu)造特性在研究河段尋找平流沉積物并采樣是古洪水研究的首要工作[2]。在取得平流沉積物之后，需進(jìn)行粒度分析、重礦物分析、孢子花粉分析等實(shí)驗(yàn)來判別取回的樣品是否為平流沉積物，項(xiàng)目組曾提出一套較為完整的判別方法[3]。在確定古洪水平流沉積物的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場的測量工作得到大斷面、高水比降、古洪水洪峰水位等數(shù)據(jù)，建立水力模型求解流量[4,5]。在建立水力模型求解古洪水流量的過程中，古洪水洪峰水位的確定關(guān)系到洪水比降、過水?dāng)嗝婷娣e的推求，并最終影響到古洪水流量的計(jì)算，洪峰水位存在較小的誤差會(huì)影響到流量成果的準(zhǔn)確性甚至合理性。

1 研究河段基本情況

研究流域內(nèi)年平均降雨量2 385 mm，研究河段人口稀疏，無水文測站，屬于亞熱帶氣候。研究河段基本情況與以往研究區(qū)域具明顯差異：河段兩岸人跡罕至，沉積環(huán)境基本不受人類活動(dòng)的影響；河槽呈典型的V型，兩側(cè)岸坡陡峭且怪石嶙峋，地質(zhì)條件不穩(wěn)定，汛期易發(fā)滑坡泥石流等自然災(zāi)害；研究區(qū)域?qū)賺{谷激流河段，流速大，電波流速儀測得表層流域最高可達(dá)6.54 m/s；水面比降大，研究河段平均水面比降達(dá)0.002 9。

2 沉積物與洪峰水位高程

2.1 附加水深

洪峰水位高程的確定只能通過古洪水平流沉積物來確定，實(shí)踐證明洪水平流沉積尖滅端高程與洪痕高程基本一致，誤差在4～10 cm[2]。圖1為忽略該誤差的情況下的沉積剖面示意圖。對(duì)于以河漫灘為主要對(duì)象的古洪水研究，由于地形因素的限制以及尖滅端本身較薄不易保存等原因，通常情況下難以找到尖滅端，而可以找到的沉積物頂面距離洪峰水位存在一個(gè)高差，稱為附加水深，記為ΔH。ΔH的計(jì)算則成為了計(jì)算洪峰水位的關(guān)鍵。

圖1 沉積剖面示意圖Fig.1 Sketch map of deposition profile

2.2 傳統(tǒng)計(jì)算方法

如何根據(jù)古洪水平流沉積的頂面高程推算出可靠的古洪水洪峰水位是國內(nèi)外古洪水研究工作持續(xù)關(guān)注的問題。早期研究曾直接使用沉積物頂面高程作為古洪水洪峰水位，忽略了形成沉積時(shí)的沉積水深，這種做法計(jì)算得到的洪峰流量值偏低。

在對(duì)長江、黃河、海河和淮河部分河段的古洪水研究工作中，發(fā)現(xiàn)緩傾斜岸坡平臺(tái)上易形成古洪水平流沉積物，且同一橫斷面中從河槽中心向岸邊方向，沉積物厚度逐漸降低，末端向上翹起并逐漸尖滅。實(shí)驗(yàn)證明，細(xì)顆粒洪水沉積的尖滅端高程距離洪峰水位高程僅4～10 cm的距離[2]，甚至在黃河三門峽以下到小浪底河段的古洪水研究中發(fā)現(xiàn)，由于含沙量高且顆粒較細(xì)，洪水平流沉積尖滅端高程與洪痕高程基本一致[6]，故以尖滅端高程作為洪峰水位高程來進(jìn)行模型求解具有一定的精度。但此次峽谷激流河段古洪水研究中，沉積物樣品顆粒普遍偏粗，兩側(cè)岸坡陡峭且怪石嶙峋，不存在緩傾斜岸坡平臺(tái)，無法直接找到或按層面用幾何方法推算得到尖滅端高程。

黃春長等人曾提出用古洪水平流沉積厚度與含沙量關(guān)系法[7]，即用公式d=t/ρ(t為古洪水沉積厚度，ρ為體積含沙量)推求形成該沉積的沉積水深d從而加到古洪水平流沉積的底面高程上得到古洪水洪峰水位高程。其假設(shè)在出現(xiàn)洪峰時(shí)期，沉積處的懸移質(zhì)全部沉積并不受附近區(qū)域含沙水流的影響，然而沉積物厚度不僅受到水流含沙量和沉積水深的影響，還受到洪峰水位的歷時(shí)、沉積處的地貌條件等因素的影響，該假設(shè)并不嚴(yán)謹(jǐn)也不適用于研究河段。

3 沉積物樣品分析

3.1 樣品編號(hào)規(guī)則

以采樣點(diǎn)B-D-01為例，B與D為地名的首字母，代表取樣河段起始位置，01代表該樣品取于河段內(nèi)第一處沉積物采樣點(diǎn)。若某處沉積物采樣點(diǎn)在不同深度分別取樣，則從上到下依次編號(hào)，如B-D-01-01取于采樣點(diǎn)B-D-01表層，其下層為B-D-01-02，以此類推。

3.2 樣品沉積環(huán)境

研究河段長約25 km，共取古洪水平流沉積樣品13處。如圖2所示，全部取于河道變寬水流減緩處的右側(cè)坡岸上。

圖2 河段河寬變化情況Fig.2 Change situation of river width

圖3 沉積環(huán)境斷面分析Fig.3 Cross-section analysis of depositional area

經(jīng)過對(duì)樣品沉積環(huán)境大斷面的分析，發(fā)現(xiàn)大部分樣品沉積位置都處于較為平緩的岸坡，因?yàn)槭芩鲯渡衬芰τ绊?，距離河槽中心越遠(yuǎn)，水流流速越小，越容易沉積，而洪水過程發(fā)生時(shí)，水位上漲，較為平緩的岸坡恰恰滿足了沉積條件。圖3為古洪水平流沉積物所處的岸坡情況，均以測量工作進(jìn)行時(shí)的水邊為零點(diǎn)。圖3中樣品X-M-05沉積于陡峭岸坡上一巨大巖石之下，巨石下方被洪水掏空的巖龕提供了絕佳的沉積環(huán)境。除此之外，樣品全部沉積于較為平緩的坡岸上。根據(jù)以往的古洪水研究經(jīng)驗(yàn)，越往岸邊方向粗顆粒沉積越少[8]，由于此次研究河段岸坡較陡，其上形成的沉積物的坡度也相對(duì)較陡，從河槽中心往岸邊，水流流速、水深和水流挾沙能力的減小更加快速，故沉積物顆粒粒度的變化一定程度地反映在高程上。

3.3 樣品粒度特征

粒度分析是通過測定沉積物顆粒粒徑大小以及各粒級(jí)所占百分比，研究沉積物分選程度、正負(fù)偏情況以及不同粒級(jí)的機(jī)械組成等。

粒徑單位采用尤登-溫德華式等比制φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，公式：

φ=-lg2d

(1)

式中：d為粒徑，mm。

各粒組按礫(粒徑>-1φ)、砂(-1φ～4φ)、粉沙(4φ～8φ)、黏土(粒徑<8φ)進(jìn)行劃分。

粒度參數(shù)采用?？撕臀值?Folk and Ward)公式計(jì)算，反映樣品顆粒分選程度的分選系數(shù)(QDφ)的計(jì)算公式為：

(2)

式中：φ75和φ25分別為累積質(zhì)量百分比為75%和25%對(duì)應(yīng)粒徑的φ值。

分選程度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)以0.6、1.4、2.2、3為界分為5個(gè)等級(jí)，依次是好、較好、中等、差、很差。

反映樣品不對(duì)稱程度的偏態(tài)系數(shù)(Sk)的計(jì)算公式為：

(3)

中值粒徑(MD=φ50)反映沉積物顆粒的平均大小，是在累積曲線上截取的頻率為50%的φ值。樣品粒度分析成果見表1。

表1 沉積樣品粒度特征Tab.1 Size characteristics of deposit samples

從表1可以看出，大部分沉積樣品以礫和砂為主，大部分洪水沉積樣品分選程度均較好，且分布曲線較對(duì)稱。而X-M-01和X-M-05系列古洪水平流沉積中含大量粉沙和黏土，因?yàn)槎呔∮趲r龕內(nèi)，具備良好的沉積環(huán)境且不易被風(fēng)雨等自然因素摧毀。除此之外，同一系列沉積從上至下不同層的沉積物，粒徑越來越大，以樣品B-D-01系列為例，圖4為樣品粒度分布曲線，圖5為粒度累積分布曲線。

圖4 粒徑分布曲線Fig.4 Distribution curve of sediment grain size

圖5 粒徑累積分布曲線Fig.5 Cumulative curve of sediment grain size

樣品B-D-01系列共取四層樣品，從上至下編號(hào)分別為B-D-01-01、B-D-01-02、B-D-01-03、B-D-01-04。樣品B-D-01-01取于樣品B-D-01系列的表層，受到風(fēng)雨等自然因素的影響較大，顆粒較粗而且分布曲線較亂，與其他樣品形成明顯對(duì)比，故不予考慮。由粒徑分布曲線可見，隨著沉積深度越來越大，樣品眾數(shù)(質(zhì)量百分比最大的粒徑)越來越大。由粒度累積分布曲線可見，隨著沉積深度越來越大，樣品中值粒徑MD也越來越大。

4 回歸分析法計(jì)算古洪水洪峰水位高程

經(jīng)過研究河段測量工作，測得現(xiàn)代洪水沉積物高程以及形成沉積的洪水洪痕高程，并由ΔH=H洪痕-H沉積計(jì)算出每一層沉積物對(duì)應(yīng)的附加水深ΔH。

通過實(shí)驗(yàn)分析，每層沉積樣品對(duì)應(yīng)的附加水深 與中值粒徑 之間具有明顯的依存關(guān)系，用回歸分析的方法分析其二者之間的相關(guān)關(guān)系，如圖6所示。得出一元線性回歸方程：

ΔH=-0.400 9MD+2.592 2R2=0.369 4

(4)

圖6 中值粒徑與附加水深相關(guān)圖Fig.6 Correlation graph of MD and ΔH

相關(guān)系數(shù)0.5<|R|≈0.61<0.8，屬于顯著相關(guān)[9]。通過回歸分析的方法計(jì)算成果見表2。

表2 古洪水沉積層對(duì)應(yīng)洪峰高程Tab.2 Flood-peak stage of the paleoflood sedimentation

注：BP表示before present，距今(多少年)；pMC表示percent modern carbon，樣品為現(xiàn)代碳。

5 成果驗(yàn)證

在古洪水平流沉積中，樣品B-D-04與樣品D-X-07沉積層較厚，故分層取樣分析得到不同層沉積的粒度特征與高程，并由上述回歸分析的方法計(jì)算出各層沉積對(duì)應(yīng)的洪峰水位高程，結(jié)果顯示同場洪水產(chǎn)生的沉積物指示的洪峰水位高程基本一致，故用回歸分析的方法計(jì)算洪峰水位高程具備一定的可靠性(見表3)。

6 結(jié) 語

古洪水洪峰水位的確定全部依賴于古洪水平流沉積所提供的信息，在古洪水研究工作的野外調(diào)查取樣過程中，首先應(yīng)盡可能地尋找沉積物的尖滅點(diǎn)。而在無法求得尖滅點(diǎn)高程，沉積物顆粒粒度特征的變化又與高程具有明顯的相關(guān)性的情況下，可用該方法近似地推求古洪水洪峰水位高程。

□表3 洪峰高程成果驗(yàn)證Tab.3 Result verification of flood-peak stage

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