姚江流域現代特大洪水沉積物粒度及磁性參數特征

吳紫陽+戴雪榮+師育新++席雅娟

摘要：2013年10月受“菲特”臺風的影響，浙江余姚境內的姚江流域發生了特大洪水。通過系統采集不同河段高、低河漫灘及泛濫平原的沉積物樣品，開展粒度分析和磁性測量，探討了該地區特大洪水事件在沉積物粒度及磁性參數方面的表征特征。研究表明，沉積物粒度組成以粉沙為主（平均58.72%），黏土次之（23.27%），沙最少（18.01%），主體成分為黏土-沙質粉沙；從低河漫灘、高河漫灘到泛濫平原，沉積物粒度具有變細趨勢，但差別不大；頻率曲線表現為較寬的單峰，略顯正偏；概率累積曲線較為平緩且均為兩段式。入城段與城區干流段沉積物中磁性參數χ、SIRM呈現高度的相關性，表明磁性礦物主要由亞鐵磁性礦物組成，較高的χARM表明沉積物中含有較多的穩定單疇亞鐵磁性礦物。區域橫向對比結果表明，余姚洪水沉積物在粒度結構上可與同時期形成的嘉興地區的洪水沉積物作比較，也與良渚古城附近、杭州平原廣泛發育的“黃粉土”相近，而與杭州灣高潮灘沉積物明顯不同。

關鍵詞：姚江；洪水沉積物；粒度；磁性參數；表征特征

中圖分類號：P331.1；P512.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8洪澇災害是中國嚴重的自然災害之一，通過洪水沉積學標志研究建立古洪水演化序列是洪水預報的重要內容[1-4]。山區河流或河流峽谷段古洪水沉積學標志的研究已經較為成熟[5]，但泛濫平原區古洪水沉積標志尚未建立[6]；洪水沉積物是研究古洪水發生規模、頻率和規律的基本材料，通過現代洪水沉積研究建立洪水沉積學標志是揭示古洪水信息的基礎[7，8]。

粒度是表征沉積物特征最重要的沉積學指標之一，粒度分析能很好地指示沉積物的物質來源、搬運介質、動力沉積環境及其變化等[9-12]。沉積物磁性特征主要反映了沉積物中磁性礦物的含量、類型、晶粒特征等，這些都是在沉積物分選、搬運和沉積過程中形成的[13，14]。

本研究通過對姚江洪水沉積物的粒度分析及磁性測量，同時開展與區域內不同沉積環境形成的細顆粒沉積物進行對比，探討姚江流域現代特大洪水的沉積學特征，并為寧紹平原古洪水的研究提供參考。

1 姚江流域和洪水概況

姚江為甬江一級支流，位于浙江省東部[15]，源于四明山。其水系為復合狀水系，干流右側的山區性河流呈梳狀分布，由西南向東北注入干流；左側為平原河網，多由西北向東南注入干流，呈扇狀分布。姚江入余姚城區除干流外，分出兩條汊流，南汊為蘭墅江，北汊為候青江，出城后又匯合，經蜀山閘、姚江大閘，在寧波市三江口匯入甬江。流域總面積3 008 km2，干流長106 km；屬亞熱帶季風氣候，四季分明；全流域年平均降水量約為1 500 mm，年平均徑流量為1.56×109 m3。

姚江平原（面積2 041 km2，吳淞高程3～7 m[16]）是中國歷史上洪澇災害最頻繁的地區之一[17，18]。2013年10月5日至8日，受臺風“菲特”影響，姚江流域普降大到暴雨，全市過程雨量達561 mm，暴雨中心張公嶺站過程雨量達到819 mm，導致姚江水位迅速上漲直至溢出河道向兩岸泛濫。至10月8日，最高洪水位達5.33 m，超過警戒水位1.56 m，超過歷史最高水位0.53 m，并一直持續到15日16：00時才回落到3.77 m的警戒線，整個退水時間持續6.75 d。據衛星影像及歷史資料[19]判斷，最高洪水位時洪泛面積超過855 km2，余姚市區不同程度受淹，為余姚歷史上“百年一遇”[20]。

2 材料與方法

2.1 野外采樣

洪水退去后，及時對姚江流域（平原段）進行了實地考察，選擇代表性地點系統采集沉積物樣品。設斷面27個（圖1），其中編號YYM01-YYM23位于干流段（分為入城段、城區段和出城段），編號YYS24-YYS26在蘭墅江，編號YYN27在候青江。每個斷面力求采集到低河漫灘（L）、高河漫灘（H）和泛濫平原（P）3組樣品。河漫灘樣品采于河道內，泛濫平原樣品則采于駁岸、市區、農田和樹葉等，共采樣品68個（部分點位的樣品缺失）。沉積物（淤泥）為淺灰色，厚度10～40 cm不等，剖面上具有微細層理，失水干燥后普遍出現泥裂，黏土含量較高。

2.2 試驗測試分析

所有樣品于常溫（<40 ℃）下烘干，采用木棒在膠墊上碾壓分散，裝袋備用。首批選做樣品42個，其中低河漫灘樣品13個，高河漫灘樣品17個，泛濫平原樣品12個。

粒度分析：稱取代表性樣品0.06～0.10 g，置于100 mL燒杯中；先加入足量濃度為30%的H2O2除有機質，后加入10 mL濃度為2%的稀鹽酸除碳酸鈣，再加入10 mL濃度為2%的六偏磷酸鈉，超震15 min分散，靜置12 h后于測試前再次超震分散。測試儀器為LS13320型激光粒度儀，量程范圍0.017～2 000.000 μm，分析誤差為±0.5%。主要粒度指標和粒度參數分別用儀器自帶軟件和Excel處理。

磁性參數測量：稱取樣品5～6 g不等，用保鮮膜包裹好，放入特制的聚乙烯圓柱盒中，壓實，蓋緊。采用的儀器為英國Bartington MS2磁化率儀，非磁滯剩磁（ARM）和等溫剩磁（IRM）測量所用儀器為英國Molspin公司生產的交變退磁儀、脈沖磁化儀和Minispin旋轉磁力儀。根據測量結果，分別計算單位質量磁化率χ，飽和等溫剩磁SIRM、非磁滯剩磁磁化率χARM、硬剩磁HIRM等磁性參數。

3 結果與分析

3.1 粒度組成及主要粒度參數

沉積學粒度劃分采用Folk和Ward的粒徑分級標準，<4 μm的為黏土，4～63 μm為粉沙，>63 μm的為沙。泛濫平原、高河漫灘、低河漫灘粒度組分含量有所不同（表1）：泛濫平原粉沙含量介于47.80%～66.50%之間，平均為60.08%；黏土含量在20.40%～28.50%之間，平均為23.91%；沙含量介于7.90%～23.70%之間，平均為15.36%；高河漫灘粉沙含量介于45.60%～66.60%之間，平均為58.23%；黏土含量在18.60%～25.00%之間，平均為22.04%；沙含量介于8.50%～29.40%之間，平均為18.95%；低河漫灘粉沙含量介于49.20%～66.70%之間，平均為56.91%；黏土含量在14.00%～30.00%之間，平均為21.83%；沙含量介于10.70%～33.10%之間，平均為21.73%。姚江洪水沉積物粒度組成以粉沙為主，含量超過50%；泛濫平原、高河漫灘、低河漫灘樣品黏土含量依次降低，粉沙和沙含量依次升高，沉積物顆粒逐漸變粗，指示出洪水發生時不同地貌單位水動力條件明顯不同[21]。

泛濫平原、高河漫灘、低河漫灘中值粒徑均值分別為6.08、5.82、5.73 Ф，表明沉積物主體為粉沙且自上而下有逐漸變粗的趨勢；沉積物分選系數總體位于2.13～2.83，為分選很差；偏度介于0～0.38之間，為正偏；峰態介于0.79～1.21，屬于中等。

不同河段粒度組分含量有所不同（表2）：入城段粉沙含量介于52.90%～70.70%之間，平均為64.46%，黏土含量在14.01%～27.51%之間，平均為22.87%，沙含量介于5.50%～33.10%之間，平均為12.67%。城區干流段與入城段粒度組分含量相近，粉沙含量介于49.20%～66.70%之間，平均為60.67%，黏土含量次之，在19.90%～26.70%之間，平均為22.76%，沙含量介于9.90%～30.01%之間，平均為16.57%；城區汊流段（候青江與蘭墅江）粒度組分與干流差異較大，粉沙含量在45.61%～53.53%之間，平均為48.61%，沙含量在17.89%～33.21%之間，平均為26.01%，黏土含量介于20.96%～30.17%，平均為25.28%；出城段粒度組分含量與汊流段較為相似，粉沙含量在43.50%～61.50%之間，平均為50.85%，沙含量次之，在20.70%～34.40%之間，平均為25.55%，黏土含量介于15.01%～28.70%，平均為23.6%。出城段與城區汊流段較入城段及城區干流段沉積物粒徑稍粗。

粒度參數顯示不同河段分選系數總體位于2.01～3.01，屬于分選很差級別，出城段與城區汊流段稍高；入城段與城區干流段偏度為正偏，而出城段與汊流段則近于對稱，沉積物峰態介于0.79～1.24，屬于中等峰。入城段與城區干流段和出城段與城區汊流段的粒度特征差別表明前者區域與后者有著不同的沉積環境，且后者區域可能有不同的物源供應物[22]。

根據沉積學分級標準做出的粒度組分三角圖常用于對沉積物粒度成分的命名，或是對不同沉積物的粒度成分進行比較[23]。姚江流域平原段現代洪水沉積物性質主要是沙-黏土質粉沙、黏土-沙質粉沙和黏土質粉沙（圖2）。

3.2 頻率曲線與概率累積曲線

頻率曲線對于水動力條件變化的反映是比較靈敏的[24]。此次洪水沉積物頻率曲線的基本形態均為單峰型（圖3），前半部曲線稍有起伏，泛濫平原與高、低河漫灘峰態相似，次級峰值較小，主頻較寬，介于5～6 Ф之間，顯示出沉積物主要以粉沙為主；出城段與城區汊流段的頻率曲線較為相似，主頻較寬，介于5～6 Ф之間，峰態寬而矮；入城段與城區干流段主峰態較為窄而高，峰值主頻對應的值稍小，位于5～6 Ф，頻帶寬度大約在4～10 Ф。此次洪水發生時不同地貌單元及河段水動力條件不同：泛濫平原、高河漫灘、低河漫灘水動力有依次增強的趨勢，但總體均較弱；入城段及城區干流段水動力較為單一，而出城段及城區干流段則表現出較為復雜的的水動力條件[25]。

粒度概率累積曲線能夠有效地區分沉積物中的推移質、躍移質和懸移質組分。選取典型斷面的樣品進行概率累積曲線分析（圖4），結果表明，入城段（圖4a）與城區干流段（圖4b、圖4c）幾乎都缺少推移質，僅含有少量的躍移質，含量在10%～20%，主要以懸移質為主，達到80%以上。低河漫灘與高河漫灘和泛濫平原存在不同，其躍移質含量明顯偏多，在YYM17L樣品中，還存在極少量的推移質，說明低河漫灘的水動力比其他層位大，沉積物的粒徑偏粗。

出城段（圖4d）樣品中存在少量推移質，躍移質組分達到25%，其水動力明顯大于上游入城段及城區干流段，這與正常河流的水動力特征有所不同[26]。可能的原因是出城段樣品位于蜀山閘下游，洪澇發生期間，正值中國東部沿海地區天文大潮，姚江候潮泄洪，流域水動力均較弱，而在泄洪期間，蜀山閘下游河段的水動力要大于上游，至于準確的原因有待進一步分析。候青江（圖4e）與蘭墅江（圖4f）樣品中含有大約1%的推移質，25%的跳躍質，水動力較城區干流要強。

3.3 主要磁性參數特征

磁性礦物是沉積物中普遍存在的組分，磁性礦物的類型、含量及晶粒大小等特征與沉積物的物質來源、搬運及沉積過程中的動力條件有關[27，28]。

3.3.1 磁性礦物的含量 質量磁化率χ和飽和等溫剩磁SIRM近似地指示樣品中磁性礦物的含量，與χ不同的是，SIRM不受順磁性、抗磁性礦物的影響，主要反映亞鐵磁性礦物（如磁鐵礦）的含量。泛濫平原、高河漫灘、低河漫灘χ有逐漸增強的趨勢（圖5），SIRM與χ的變化趨勢相同，說明沉積物中的磁性礦物以亞鐵磁性礦物為主。硬剩磁HIRM反映不完整反鐵磁性礦物（如赤鐵礦、針鐵礦）的含量，HIRM的變化說明低河漫灘中含有較多的不完整反鐵磁性礦物。

3.3.2 晶粒特征 χARM是對穩定單疇亞鐵磁性礦物顆粒極為敏感的參數，與χ的變化趨勢相同，χARM反映出泛濫平原、高河漫灘、低河漫灘穩定單疇亞鐵磁性礦物含量逐漸升高。比值χARM/χ與χARM/SIRM常被用作指示磁性礦物顆粒的大小，高值反映較細的單疇顆粒，低值反映較粗的多疇顆粒，但如果樣品中含有大量的SP顆粒，也會造成χARM/χ的低值。洪水沉積物樣品中χARM/χ<7，χARM/χ<7×10-4 mA-1，指示了亞鐵磁性礦物以單疇—假單疇為主，泛濫平原、高河漫灘、低河漫灘樣品中磁性礦物有逐漸變細的趨勢。

3.3.3 磁性礦物的種類 S-300 mT反映不完整反鐵磁性礦物和亞鐵磁性礦物的相對比例，隨著不完整反鐵磁性礦物的比例增加而下降，所有樣品中S-300 mT均達到93%～96%，即經-300 mT磁場磁化后，樣品所攜剩磁已接近飽和，說明沉積物樣品中亞鐵磁性礦物主導了樣品的磁性特征，但同時存在少量不完整反鐵磁性物質的貢獻。

由圖6可知，不同河段沉積物χ與SIRM變化趨勢基本相同，說明沉積物磁性特征由亞鐵磁性礦物所主導。入城段與城區干流段樣品χ與SIRM明顯比城區汊流段及出城段要低：入城段與城區干流段χ均值為3.175×10-7 m3/kg，汊流段蘭墅江和候青江χ均值為6.231×10-7 m3/kg，出城段χ均值為5.963×10-7 m3/kg。硬剩磁HIRM反映不完整反鐵磁性礦物（如赤鐵礦、針鐵礦）的含量，HIRM的變化趨勢與χ和SIRM類似，反映了出城段與城區汊流段的不完整反鐵磁性礦物含量比入城段及城區干流段要高。非磁滯剩磁磁化率χARM是對穩定單疇亞鐵磁性礦物顆粒極為敏感的參數，反映了出城段與城區汊流段含有更多單疇亞鐵磁性礦物。磁性參數特征表明城區汊流段與出城段比入城段及城區干流段有顯著的差別，可能是由于城區汊流段與出城段近源物質增多，有不同的物質來源，導致其沉積物磁性參數異常。

4 區域對比

4.1 粒度組成對比

不同沉積環境下的沉積物粒度特征有所不同，為了表征姚江洪水沉積物的沉積學特征，對比了杭州灣北岸高潮灘沉積物、2013年11月嘉興洪水沉積物與杭嘉湖平原洪泛堆積土的粒度特征（表3）。

杭州灣北岸高潮灘樣品（HL）是于2013年11月系統采集的。結果表明，粒度組分以粉沙為主，均值為67.9%；黏土含量次之，為26.17%；沙含量最少，為5.91%。中值粒徑為6.33 Ф；沉積物顆粒總體偏細；分選系數介于1.95～2.20之間，屬于分選差至很差的區間；峰態介于0.94～1.19之間，屬于寬峰；偏度屬于正偏；土壤命名三角圖顯示杭州灣北岸高潮灘沉積物的性質主要是黏土質粉沙。

嘉興洪水沉積物（JX）是2013年11月嘉興受臺風“菲特”影響，發生洪澇形成的。粒度組分以粉沙為主，含量為60.13%；黏土含量次之，為25.45%；沙含量最少，為14.42%。中值粒徑為6.21 Ф；分選系數介于2.13～2.86之間，為分選差至很差的區間；峰態介于0.79～1.25之間，屬于寬峰；嘉興洪水沉積物的性質主要是黏土質粉沙、黏土沙質粉沙、沙黏土質粉沙；

杭嘉湖平原洪泛堆積土（HJH）是該地區廣泛分布的一種淤積土，厚約60～100 cm，奠定了杭嘉湖平原的最后形成[29]。樣品采集于良渚古城西城墻鉆孔（WW）17～115 cm處。結果表明，粒度組分以粉沙為主，含量為60.98%；黏土含量次之，為36.11%；沙含量極少，為3.03%；中值粒徑為7.16 Ф；分選系數介于1.65～2.21之間，屬于分選差到分選很差的級別；峰態介于0.86～1.13之間，屬于中等峰；偏度的范圍位于0.04～0.26之間，介于對稱至正偏的范疇。

4.2 頻率曲線和概率累積曲線對比

杭州灣北岸高潮灘沉積物頻率曲線為單峰型，峰值粒徑在5～6 Ф之間，占到40%，屬于窄峰，概率累積曲線兩段式，由躍移總體和懸浮總體組成，懸浮總體達到70%～90%，缺少推移組分。這與高潮灘沉積環境有關，潮灘表層沉積物的粒度組成通常受制于物質來源和水動力及其作用下的搬運方式。搬運介質的動力大小和搬運方式是決定沉積物粒度組成的兩個基本因子[30]。杭州灣北岸高潮灘沉積物主要來自長江口細顆粒泥沙擴散并隨潮搬運[31]。

據陳沈良等[30]對杭州灣北岸沉積物的研究表明，開敞的淤泥質潮灘上部沉積物的堆積既有高潮時懸沙的落淤，又有低潮灘粗顆粒推移質的介入；在強動力作用潮灘沖刷時期粗顆粒向上推移細顆粒物質隨潮帶走，而在潮灘堆積期間水體細顆粒泥沙的落淤是其主要方式，細顆粒部分主要是由于懸沙落淤形成，沉積物月均粒徑變化可相差近一個數量級。此次采樣期應為堆積期，沉積物總體以懸浮為主。

嘉興洪水沉積物頻率曲線為多峰型，主峰值粒徑位于6 Ф左右，次峰值粒徑則因不同的采樣點有所偏差，大致位于2～4 Ф之間，概率累積曲線為兩段式，躍移質組分含量約為5%～10%，懸浮組分分為兩段，與杭州灣北岸高潮灘沉積物的頻率曲線較為相似，這可能是嘉興洪水沉積物是在洪水高水位條件下形成的，且受到多次水動力條件干擾，沉積時環境較為復雜。

黃粉土頻率曲線單峰型，峰值粒徑在6～8 Ф，占到3%，含有一個細小拖尾，屬于寬峰，分選較差；概率累積曲線兩段式，小于4 Ф粒徑含量約占5%，分選相對較好，大于4 Ф的懸浮組分分兩段，說明其物質來源不止一種，并且沉積物混合不均勻呈中等峰態，水動力弱，多截點的特征也表明非靜水的環境沉積，水動力條件不穩定，呈現水動力環境相對較弱的泛濫平原沉積環境。

綜上分析表明，姚江洪水沉積物、嘉興洪水沉積物、杭州灣北岸高潮灘沉積物以及杭嘉湖平原黃粉土在粒度組成上雖有差異，但概率累積曲線較為相似，均為兩段式，躍移質組分含量較少，懸浮質組分有多段，反映出相近的水動力條件。

4.3 磁性參數對比

由于物質來源及環境影響造成磁組合和配比的差異，使得不同時空的環境物質表現出特定的磁性特征，賦存了一定的環境信息。因此，可以使用物質的磁性參數特征示蹤其物源。據此，對比了姚江洪水沉積物、杭州灣北岸高潮灘沉積物、杭嘉湖平原黃粉土與嘉興洪水沉積物的磁性參數特征，以此說明不同空間區域的沉積物，磁化率指標可以有效進行區分。

姚江洪水沉積物樣品磁化率平均值為3.175×10-7 m3/kg，杭州灣北岸高潮灘沉積物的磁化率多在5.04×10-7～8.82×10-7 m3/kg，杭嘉湖平原黃粉土的磁化率介于6.70×10-8～1.37×10-7 m3/kg，平均值是9.30×10-8 m3/kg；對比發現，嘉興洪水磁性參數與余姚洪水較為接近，杭州灣高潮灘樣品則含有更多的亞鐵磁性礦物和不完整反鐵磁性礦物，但二者都是亞鐵磁性礦物主導，黃粉土的各項磁性參數低于洪水沉積物與高潮灘沉積物的磁性參數，說明不同區域類型的沉積物在磁性特征上有著明顯的區別。姚江洪水沉積物是河流洪水泥沙及其搬運動力狀況的自然記錄。姚江主干位于平原內，上游源自四明山，區域內植被覆蓋茂密，沉積物粒度總體偏細，磁化率指示著本流域的物源特征。杭州灣高潮灘沉積物的物源主要是長江來沙。嘉興洪水沉積物的物源主要是杭嘉湖平原內物質，黃粉土則是歷史時期沉積物，埋藏已久，磁化率受多重因素影響，因此在對比現代沉積物時需要綜合考慮其判別影響因子。

5 小結與討論

2013年10月，受臺風“菲特”的影響浙江東部的姚江流域普降大暴雨，余姚市（姚江平原）發生了漫溢型特大洪水，為開展現代特大洪水事件的沉積物粒度和磁性參數表征研究提供了不可多得的案例。結論如下。

沉積物粒度較細，平均粒徑6.15 Ф、中值粒徑5.98 Ф，沙、粉沙、黏土的平均含量分別為18.01%、58.72%、23.27%；沉積物分選差（2.01～3.01），正偏（0.1～0.3），單峰峰態中等（0.9～1.11）。概率累積曲線均為兩段式，代表介質搬運方式以躍移和懸浮為主。

從低河漫灘到泛濫平原，沉積物粒度具有逐漸變細的趨勢。河漫灘樣品頻率曲線均為單峰，峰值最大值（主頻）為5～6 Ф，頻寬為4～8 Ф，說明沉積物主體以粉沙為主；而泛濫平原的樣品主頻出現右移，為6 Ф左右，頻寬4～9 Ф。后者對于該地區基于地層樣品研究和反演古洪水事件具有參考價值。

沉積物磁性礦物以亞鐵磁性礦物為主導，同時存在不完整反鐵磁性礦物的貢獻，磁性礦物的顆粒以單疇-假單疇為主，且從低河漫灘到泛濫平原，磁性礦物的顆粒有逐漸變細的趨勢。

區域對比結果表明，余姚洪水沉積物與同時發生的浙江嘉興地區的洪水沉積物具有可比性，可能指示了漫溢型洪水的特點；與杭州良渚古城附近采集到的黃粉土（杭州平原的表層樣品）也較為相似，而與杭州灣高潮灘沉積物明顯不同。

致謝：沈銘能高級實驗師指導完成粒度分析；研究生趙欽、鄭潔等參與試驗處理；磁性參數測量是在河口海岸國家重點實驗室完成并得到張衛國老師的指導，在此一并致謝。

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