長江中游河漫灘沉積序列對洪水事件的指示
——以荊州揚(yáng)子江剖面為例

羅 淑 元，鄭 麗 勻，曹 向 明，高 震 東，李 曉 峰，賈 玉 連

(江西師范大學(xué)地理環(huán)境學(xué)院 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330022)

在全球變暖背景下，區(qū)域極端氣候和環(huán)境問題愈加頻發(fā)，嚴(yán)重影響到了區(qū)域的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)[1-2]。在長江中下游地區(qū)，以洪澇為代表的自然災(zāi)害最為突出[1，3]。為更好地探究區(qū)域河流長時間序列上的水文特征，以便為區(qū)域防洪減災(zāi)提供參考，恢復(fù)河流古洪水強(qiáng)度和過程、重建古洪水序列及其發(fā)生規(guī)律和氣候背景，已成為全球變化研究中的一個重要方面[4]。在高分辨率古洪水事件序列重建的研究中，材料主要集中于歷史文獻(xiàn)[5-6]和地層記錄[7-8]。地層記錄主要包括河漫灘沉積[9-12]和湖泊沉積[13-16]這兩種素材，并取得了一定的成果。如：施雅風(fēng)等[6]基于歷史資料，重建了1840年以來長江中下游地區(qū)的洪水序列；王敏杰[8]和吳霜等[13]分別基于長江水下三角洲沉積的Zr/Fe和黃茅潭湖泊沉積的粒度及元素，重建了600 a和240 a的高分辨率洪水序列；Toonen 等[15]利用粒度端元分析重建了 Rhine 河流 450 a來的洪水事件。同時，在地層記錄中，尤其是以河漫灘沉積序列重建洪水事件的研究中，洪水重建的指標(biāo)和方法也各不相同，缺乏對比驗(yàn)證，例如：連麗聰?shù)萚17]認(rèn)為河漫灘平均粒徑和分選系數(shù)×粒徑跨度是判斷洪水較為理想的指標(biāo)；錢鵬等[18]認(rèn)為樣品偏態(tài)系數(shù)為負(fù)偏、粒度偏粗、磁化率高時，沉積物粒徑總體相對較大，反映水流量大，搬運(yùn)能力強(qiáng)，有大洪水發(fā)生；展望等[19]認(rèn)為大洪水時沉積物有機(jī)質(zhì)含量高，粒度偏粗。另外，河漫灘快速堆積和河流側(cè)向擺動引發(fā)的沉積環(huán)境變化，也會對古洪水的重建帶來一定干擾[17，20]。上述研究表明，在洪水水文過程中，河漫灘沉積環(huán)境下的指標(biāo)指示有其典型特征，但這種特征在洪水重建時并未得到應(yīng)有的重視。因此，該區(qū)域亟待科學(xué)而系統(tǒng)地開展古洪水研究工作。

本文結(jié)合荊州長江河漫灘沉積序列揚(yáng)子江剖面，基于植物殘體AMS-14C charcoal和137Cs比活度建立的剖面年代框架，分析了沉積物粒度特征指示的沉積環(huán)境；并結(jié)合歷史資料[21-24]和1877年以來宜昌站年最高水位和最大流量[24]，分析了河漫灘沉積體系中各粒度指標(biāo)對洪水事件的指示與辨識效果，探究了可用于洪水事件判別的指標(biāo)。分析成果可為基于河漫灘沉積進(jìn)行古洪水重建提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長江荊江河段上承宜昌以上地區(qū)來水，匯入了清江、沮漳河，干流經(jīng)四口分流流入洞庭湖，再于城陵磯與干流匯合。長江該段流經(jīng)江漢盆地，地勢平坦，河流蜿蜒曲折，河網(wǎng)復(fù)雜，且與洞庭湖形成了復(fù)雜的江湖關(guān)系。荊江河段客水豐沛，上游宜昌站多年平均徑流量為4 364.0億m3，5～10月徑流量占全年的79.0%[24]。清江和沮漳河多年平均徑流量是140.0億m3和26.5億m3。受四口分洪影響，沙市站多年平均徑流量為3 914.0億m3，略小于上游宜昌站徑流量。主汛期5～10月徑流量占全年的76.5%，區(qū)域旱澇災(zāi)害頻發(fā)[24]。

1.2 剖面概述

揚(yáng)子江剖面(112.1299°E，30.3025°N)(見圖1)在湖北省荊州市荊州區(qū)城南鎮(zhèn)，位于長江北岸荊州大堤外側(cè)。相對于荊江河道形態(tài)整體上的復(fù)雜多變，該(沙市)段河流自1788年來河道變幅較小，1796年龍洲垸修筑，近200 a來，以洲灘的生長和變遷為主，河流的側(cè)向擺動并不顯著[24]。該河段河道順直微彎，流向朝東北，枯水期河寬1 500 m，洪水期河寬為1 800 m，剖面因岸線崩塌而出露。在2015年4月采樣時，剖面頂部距離水面9.3 m，結(jié)合沙市站水文數(shù)據(jù)和地貌判斷，除2006年和2011年極個別極枯年份外，該剖面大多數(shù)年份年份均被洪水淹沒，屬于中低位漫灘[17]。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Map of the research area

揚(yáng)子江剖面由6段組成(見圖2)，頂?shù)足暯訛橐粋€完整的剖面。該剖面從上到下依次如圖2中A、B、C、D、E和F所示，厚度依次是1.14，1.65，0.99，2.82，1.93 m和0.97 m，總厚度為9.50 m。底部0.40 m為青灰色淤泥質(zhì)砂層；往上0.80 m為灰黃色粉砂質(zhì)砂層；上部8.30 m為黏土質(zhì)粉砂，顏色由深棕褐色漸變?yōu)榛尹S色，中間含1層薄層灰黃色砂質(zhì)粉砂，屬河漫灘沉積。該層位層理清晰(見2中的A)，中間包含多層較薄的砂層，層理厚度為 5.00～15.00 mm，每層主要為棕褐色黏土質(zhì)粉砂，層理之間夾一極薄的砂層，砂層中富含云母等片狀礦物。這些特征與楊達(dá)源[25]、謝悅波等[26]對河流平流沉積(滯留沉積)特征的描述一致，沉積動力相對較弱。因?yàn)樵撈拭娼^大多數(shù)年份均被洪水淹沒，該剖面多年的沉積間斷存在的可能性不高，沉積相對連續(xù)。對剖面以1.5 cm連續(xù)采樣，共采集616份樣品。

注：A是第1段；B是第2段；C是第3段；D是第4段；E是第5段；F是第6段；a為微層理。圖2 揚(yáng)子江剖面及微層理Fig.2 Photographs of YZR profile and its micro-lamination

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

以激光衍射法對沉積物樣品進(jìn)行測試，測試前依次以10%的雙氧水和10%的鹽酸對適量的樣品進(jìn)行80 ℃水浴處理，離心洗酸后加入10 mL 的0.05 mol/L的分散劑，超聲5 min后，以土壤折射率進(jìn)行測試。測試的儀器為HORIBA particle sizer LA-950，該儀器測試粒徑范圍為0～3 000 μm，誤差為5%[13]。測試在江西師范大學(xué)分析測試中心完成；粒度參數(shù)以矩值法求得，粒度組分參考了Udden-Wentworth 的分類標(biāo)準(zhǔn)[27-28]，粒度分布分維值的計算參考了史興民等[29]的計算過程，并進(jìn)行有標(biāo)度和無標(biāo)度范圍的分析。由于確定標(biāo)度范圍后擬合的結(jié)果更好，因而選取有標(biāo)度范圍的粒度分維值D進(jìn)行指標(biāo)分析。

年代測試包括137Cs比活度測試和AMS-14Ccharcoal測試。其中，137Cs比活度測試過程參考了冷雪等[30]的過程，即取適量風(fēng)干樣品，研磨后蠟封3周時間，采用EG&G ORTEC公司GWL-120-15型高純鍺并型光子檢測系統(tǒng)測定，測試在江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院210Pb&137Cs測年實(shí)驗(yàn)室完成。AMS-14Ccharcoal測試：在9.02 m和7.05 m各取500 g風(fēng)干樣品，剔除明顯的根系后，以10%的鹽酸清洗樣品，過180目篩網(wǎng)，取篩網(wǎng)上樣品，在體視顯微鏡下挑選陸生高等植物種子和葉片，并送至Beta實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。

2 結(jié)果分析

2.1 剖面年代序列

結(jié)合剖面野外描述和剖面上粒度3組份特征，揚(yáng)子江剖面具有河漫灘典型的二元結(jié)構(gòu)：下層為砂(河床相沉積)，上層8.30 m為黏土質(zhì)粉砂(河漫灘相沉積)[12]。基于AMS-14Ccharcoal測試結(jié)果并結(jié)合δ13C和INTCAL 13 database的矯正[31]，其結(jié)果如表1所列：深度為9.02 m和7.05 m處的高等陸生植物殘體14C的校正年代分別是1755～1760年和1810～1910年。137Cs為放射性核素，由核試驗(yàn)產(chǎn)生，半衰期為30.167 a，大氣中的含量在1964年前后達(dá)到頂峰。結(jié)合137Cs比活度的結(jié)果顯示：2.90 m處首次出現(xiàn)137Cs，137Cs比活度在1.89 m處達(dá)到整個剖面的峰值。結(jié)合137Cs在長江中下游地區(qū)河湖沉積物中分布特征，一般認(rèn)為沉積序列中137Cs首次出現(xiàn)的層節(jié)對應(yīng)1952～1953年，下部第一個137Cs峰值對應(yīng)1963～1964年[30，32-33]。由于河流平流沉積中137Cs來源包括大氣沉降和流域輸入，因此該剖面中2.90 m處沉積時間不早于1952～1953年；1.89 m處沉積時間不早于1963～1964年。荊州水利志[24]中記載了長江主河道在1788年由緊貼荊州城遷移到現(xiàn)在位置，這與揚(yáng)子江剖面河床相和河漫灘相間的相變存在極為密切的關(guān)聯(lián)，本文判斷該剖面的8.30 m處對應(yīng)了1788年。結(jié)合上述時間點(diǎn)，揚(yáng)子江剖面地層其他各處年代由線性差值計算，其結(jié)果如圖3所示。綜上認(rèn)為：揚(yáng)子江剖面上部8.30 m(河漫灘沉積部分)為1788年以來堆積的，該剖面沉積速率較快，達(dá)到了0.41a/樣品。

表1 揚(yáng)子江剖面AMS-14Ccharcoal測年結(jié)果

圖3 揚(yáng)子江剖面地層及年代Fig.3 Age control and lithological features of YZR profile

2.2 沉積物粒度特征

作為測定容易、環(huán)境指示意義明確的代用指標(biāo)，粒度指標(biāo)在氣候和環(huán)境的重建中有著極為廣泛的應(yīng)用[34]。河流沉積物的粒度指標(biāo)特征可以判斷其沉積動力及其大小，其中，粒度頻數(shù)曲線可以直觀地分析沉積物搬運(yùn)動力和特點(diǎn)，在古洪水判定中應(yīng)用廣泛。

為明確該剖面河漫灘沉積時期的搬運(yùn)動力和特點(diǎn)，對0～8.30 m段(河漫灘沉積)沉積物的粒度頻數(shù)分布和累積進(jìn)行分析(8.30 m以下為河床相沉積，本文未討論)，結(jié)果如圖4所示：樣品的粒度頻數(shù)曲線主要為4種類型，分別為A1、A2、B和C。A1類型中主峰在25 μm左右，并在1 000 μm出明顯的粗粒峰，說明除已遞變懸浮搬運(yùn)的顆粒物外，滾動組分也相對豐富；A2類型中，主峰在60～85μm，次峰為25μm，說明這類樣品的跳躍組分極為豐富；上述兩類樣品均代表了較強(qiáng)的水動力環(huán)境，表示出類似河床相沉積的特征。C類樣品主峰在10～25 μm，還有明顯的黏粒峰，偶含砂礫，這部分樣品跳躍組分含量極為稀少，為典型的平流沉積物粒度特征，其沉積動力相對較弱；B類樣品主峰為25 μm，次峰在60 μm左右，其介于A2類型和C類型之間，沉積動力在兩者之間。

結(jié)合上述4種類型(3類)的粒度頻數(shù)分布曲線和頻數(shù)累積曲線特征，對0～8.30 m段(河漫灘沉積相)樣品進(jìn)行歸類統(tǒng)計。A1和A2型的樣品為61個，代表較強(qiáng)的水動力環(huán)境，B型的樣品為56個，沉積環(huán)境略強(qiáng)，C型為450個，沉積環(huán)境偏弱。它們粒度指標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差如表2所列：整體來看，A型樣品平均粒徑更粗、分選更差、粗顆粒組分多、細(xì)顆粒組分少、C值和中值粒徑也更大、粒度分布分維值D更小[29]，這種特征與C型樣品粒度特征正好相反；B型樣品的粒度特征則處于兩者之間。

2.3 粒度對洪水事件的指示

本文結(jié)合歷史文獻(xiàn)(四地文獻(xiàn)記錄中除局地洪災(zāi)的年份)[6，21-24]和宜昌站1877年來的年最大流量(大洪水標(biāo)準(zhǔn)為宜昌站流量大于60 000 m3/s，特大洪水標(biāo)準(zhǔn)為宜昌站流量大于60 000 m3/s且在歷史資料中是嚴(yán)重致災(zāi)年份)[24]，判斷出荊江河段自1788年來46個(特)大洪水年份(見圖5)，6個特大洪水分別為1788，1860，1870，1931，1954年和1998年，40個大洪水年份為1796，1813，1827，1830，1835，1839，1840，1841，1848，1849，1883，1888，1892，1896，1898，1909，1917，1919，1921，1924，1926，1935，1936，1937，1938，1945，1948，1950，1958，1964，1966，1968，1974，1981，1983，1987，1989，1999，2004年和2010年。

表2 揚(yáng)子江剖面0～8.3 m段不同類型樣品的粒度指標(biāo)平均值與標(biāo)準(zhǔn)差

圖4 粒度頻數(shù)分布曲線與粒度頻數(shù)累積曲線Fig.4 Grain size frequency distribution curve and accumulation curve of the YZR profile

基于粒度特征，本文將平均粒徑、分選、粒度頻數(shù)分維值D等13個粒度指標(biāo)與上述歷史資料和水文數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果認(rèn)為：該河漫灘記錄了45次洪水事件，其中文獻(xiàn)和水文記錄有極少部分洪水年份沒有識別(不同資料間相鄰的洪水年份按成功識別)，如1919，1924，1948，1964年和1999年[6，21-24]；也有1864，1878年和1941年未能在歷史文獻(xiàn)和水文數(shù)據(jù)中得以查證。大洪水發(fā)生的頻率為0.201 8 a/次，這和長江宜昌站(1877～2010年)年最大流量大于60 000 m3/s出現(xiàn)的頻率(0.201 4 a/次)極為接近[24]；特大洪水發(fā)生的頻率0.0263 a/次。

3 討 論

對于河漫灘沉積來說，它是河水漫溢過自然堤，于自然堤與河岸之間洼地的河流沉積[25]，其沉積于洪水期，故而廣義上來說，河漫灘沉積物均為洪水堆積物[17]。在一般洪水時，由于河流流量偏小，行洪水位偏低，自然堤后(河漫灘上)水深較淺，水流速偏慢，此時河漫灘不具備行洪能力，其沉積動力弱，堆積物也以黏土質(zhì)粉砂為主，沉積物顆粒偏細(xì)[12，17-19，25-26]；在特大洪水時，由于河流流量超乎平時，自然堤后(河漫灘上)水深較深，流速和河流主洪道的流速相差無幾，此時河漫灘上的沉積動力較強(qiáng)，沉積環(huán)境近似與河床相沉積，沉積物也以滾動—躍移組分為主(至少占據(jù)相當(dāng)多的部分)，堆積物以粉砂質(zhì)砂到砂(也有部分為砂質(zhì)粉砂)[26]，沉積物顆粒較粗；大洪水的沉積環(huán)境則處于兩者之間。

在揚(yáng)子江剖面中上述特大洪水年份時沉積為砂質(zhì)粉砂或砂，大部分樣品是粉砂質(zhì)砂，平均粒徑在24.13 μm左右，個別樣品(如1870年)的平均粒度達(dá)到60 μm以上，在粒度頻數(shù)分布曲線和頻數(shù)累積曲線中上，類似圖4中A1和A2類型(即存在明顯的砂粒級的峰，含有較為豐富的滾動組分和跳躍組分，分選較差)，更接近于河床相，反映了較強(qiáng)的沉積動力，這與上述特大洪水時河漫灘沉積特征的論述是相同的。大洪水年份沉積物為粉砂到砂質(zhì)粉砂，樣品的粒度特征類似與圖4中的B類型，含有一定含量的跳躍組分，以遞變懸浮組分和均勻懸浮組分為主；一般洪水年份時沉積物粒度偏細(xì)，分選相對較好。

圖5 洪水事件序列Fig.5 Palaeoflood events reconstruction

將平均粒徑、砂等13個指標(biāo)與歷史文獻(xiàn)和水文數(shù)據(jù)所重建的46個(特)大洪水年份對比，各個指標(biāo)對洪水年份檢出的結(jié)果如表3所示：平均粒徑、砂、(粗粉砂+砂)/(細(xì)粉砂+黏土)、中值粒徑和粒度頻數(shù)分維值D這5個指標(biāo)對1788年來46個洪水年份的檢出率超過了70%，分別達(dá)到82.61%，89.12%，80.43%，71.74%和76.09%，表明這5個指標(biāo)對沉積環(huán)境響應(yīng)敏感，作為洪水事件判定指標(biāo)是合適的。分選系數(shù)、粉砂、黏土、峰態(tài)和偏態(tài)這5個指標(biāo)對洪水檢出率不及50%，檢出率較差，不建議作為洪水重建的指標(biāo)；粗粉砂、細(xì)粉砂和C值對洪水檢出率在60%到70%。

表3 粒度指標(biāo)對大洪水和特大洪水年份檢出結(jié)果統(tǒng)計

在本文剖面中，一個特大洪水年份沉積的厚度少則如1931年沉積厚度為10 cm，多則像1998年沉積厚度可達(dá)30 cm，這些年份沉積速率極快。一個大洪水年份的沉積厚度，少則6 cm，多則達(dá)12 cm，沉積速率較快。這2類洪水年份(共37個)總沉積厚度達(dá)3.62 m，對于8.30 m河漫灘沉積來說，大洪水和特大洪水是極為重要的營造動力；一般洪水年份年沉積速率為2.57 cm，明顯低于大洪水和特大洪水年份的沉積速率，但由于其出現(xiàn)頻次較高，其間沉積厚度為4.68 m，是該河漫灘主要的營造動力。揚(yáng)子江剖面兩種營造動力所占據(jù)的情況與修河XR-01剖面類似而又有區(qū)別[17]，這一方面代表了河漫灘建造的共性，另一方面又因兩者局地沉積環(huán)境差異而有一些區(qū)別。

研究認(rèn)為，河漫灘沉積序列中重建的洪水事件(年份)是河流較大的洪水或特大洪水事件(發(fā)生的年份)。在河漫灘沉積序列中，這種(特)大洪水事件的表現(xiàn)特征是碎屑偏粗，滾動-躍移組分含量顯著，沉積物組成是砂質(zhì)粉砂到砂。基于沉積物這些特征，結(jié)合文獻(xiàn)資料和水文數(shù)據(jù)對比與驗(yàn)證的結(jié)果，研究認(rèn)為：在基于河漫灘沉積序列重建洪水序列時，平均粒徑、砂、(粗粉砂+砂)/(細(xì)粉砂+黏土)、中值粒徑和粒度頻數(shù)分維值D這5個指標(biāo)對洪水事件辨識能力較強(qiáng)，有較好應(yīng)用的價值。

4 結(jié) 論

通過對長江中游荊州揚(yáng)子江剖面中上段8.30 m的粒度分析，并結(jié)合歷史文獻(xiàn)、水文數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

(1) 揚(yáng)子江剖面中8.30 m的河漫灘沉積物，其粒度頻數(shù)分布曲線為4類，分別表示了弱而穩(wěn)定的平流沉積到強(qiáng)且不穩(wěn)定的(似)河床相沉積環(huán)境，分別指示了一般洪水、大洪水和特大洪水事件；平均粒徑、砂、(粗粉砂+砂)/(細(xì)粉砂+黏土)、中值粒徑和粒度頻數(shù)分維值D這5個指標(biāo)對環(huán)境有敏感地響應(yīng)，能夠較好地區(qū)分各類洪水，它們檢出了沉積序列中45個洪水年份，與歷史資料和水文數(shù)據(jù)的吻合度達(dá)到90%以上。

(2) 在荊州揚(yáng)子江剖面中，粒度指標(biāo)對大洪水和特大洪水事件有敏感的響應(yīng)，各個指標(biāo)對文獻(xiàn)資料中46個(特)大洪水年份的檢出率分別是82.61%，89.12%，80.43%，71.74%和76.09%。研究建議：在以河漫灘沉積物重建古洪水事件(年份)時，以砂、平均粒徑、(粗粉砂+砂)/(細(xì)粉砂+黏土)、中值粒徑和粒度頻數(shù)分維值D這5個指標(biāo)作為關(guān)鍵指標(biāo)體系，用于(特)大洪水事件的判別。

致 謝

感謝晏宏研究員、鄭景云研究員對本文提出的修改建議；劉慧華、方淑華、陳鑫鑫和史培良在粒度和年代實(shí)驗(yàn)上給予的幫助；感謝嚴(yán)燦成、黃詩明在野外采樣中提供的幫助，在此一并致謝。