河漫滩沉积体系对洪水事件的指示——以修河为例

连丽聪，凌超豪，李晓峰，曹向明，毛端谦，万智巍，贾玉连，牛文瑜

1.江西师范大学地理与环境学院，南昌 330022 2.鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，南昌 330022 3.中国科学院南京地理湖泊研究所，湖泊与环境国家重点实验室，南京 210008 4.中国科学院大学，北京 100049

0 引言

古洪水研究，大致包含两个方面的内容，一是确定洪水行洪水位与洪水时代，重建古洪峰流量等信息[1-7]。二是重建古洪水序列[8-14]，并将其与区域气候演化对比分析，阐述洪水发生的气候背景[8-11]。前者主要基于平流沉积(或滞水沉积)展开[7,15]，也有学者基于广义的河漫滩沉积相开展相关研究[13,16]；后者主要基于特殊地貌条件下的河漫滩沉积甚至湖泊沉积展开[8,14]。基于平流(或滞水)沉积进行的研究，如果不能发现和识别平流或滞水沉积的尖灭点，对古洪水水位的估算是存在误差的，且目前对于平流(或滞水)沉积，鉴定标准并不统一，这使古洪水定量化研究存在一定问题。

一般来说，广义的河漫滩沉积环境，河流碎屑沉积量大，沉积速率快，河漫滩堆积淤高，沉积速度加快，从而会较迅速改变河漫滩环境。另外，河流不住地侧向摆动，河流断面形态也持续变动[17]，从而影响河漫滩环境的稳定性，给基于河漫滩沉积进行的古洪水的重建(包括序列和古洪峰流量的重建)均造成了一定程度的干扰，使重建结果的不确定性增大，且序列较短。

除此之外，河漫滩沉积环境下洪水的识别，也没有统一的标准。钱鹏等[13]利用磁化率及粒度指标，辨识河漫滩环境下洪水的大小，认为粒度粗、磁化率高，搬运能力强，洪峰流量大，洪水规模大。张天文等[18]对渝西北小型河流的河漫滩粒度组成特征的研究，认为不论是高位漫滩，还是低位漫滩，粒度均比较粗，而边滩碎屑颗粒比较细。展望等[14]对于长江下游江心洲的研究，认为粒度和有机质是特大洪水事件的良好指示。顾静等[19]对泾河高位漫滩沉积的研究，认为碎屑沉积物粒度细，元素 Mn、Cu、Al2O3、Fe2O3、K2O含量高，Ba含量低，指示洪水强度小，洪水位低；沉积物粒度粗，元素 Mn、Cu、Al2O3、Fe2O3、K2O含量低，元素 Ba含量高，指示沉积时洪水强度大，洪水位高。

显然，河漫滩沉积环境下的洪水水文过程的指标指示是有独特特征的，但目前对这种特征的研究尚没充分重视。

本文基于鄱阳湖断陷盆地边缘修河下游近现代河漫滩沉积序列，开展洪水的地质记录特征(主要基于粒度指标)与现代水文观测资料(洪峰最高水位、流域大雨暴雨次数和流域年降水距平)的比较研究，分析河漫滩沉积体系中粒度指标对洪水事件的指示与辨识效果，找出洪水事件的最优判别指标，以期为利用广义的河漫滩沉积进行古洪水水文学研究提供些许理论支持。

1 区域概况

修河发源于铜鼓县修源尖，流经修水县、武宁县，在永修县吴城镇与赣江北支交汇后汇入鄱阳湖，全长419 km[20]。修河下游地势平坦，为鄱阳湖沉降盆地的西侧，全新世河湖沉积可达20～30 m左右；近200年来，也形成了厚达5 m的河漫滩沉积序列[21]。

修河流域属于亚热带季风区，年平均降水量，山区约1 800 mm，平原区约1 500 mm，降水集中在春夏两季，占全年60%～80%左右。多年平均径流量为135×108m3[20]，4—7月的径流量占全年的64%左右，年内和年际差异均较大，经常发生洪涝灾害。

2 材料与方法

2.1 样品采集

采样点XR-01剖面(115.83°E，29.05°N)(图1)位于修河下游永修县三角乡花玲嘴的主河段右侧，为现代修河河漫滩的高位漫滩。河道在此处顺直微弯，洪水期河宽约400 m，枯水期河宽约200 m，水深约5～6 m，剖面所在一侧为侵蚀岸。依据永修水文站数据，该段河流历史最高水位21.53 m (黄海高程，下同)，最低水位11.79 m[20]。该剖面顶部目前(2014年采样时)海拔17.2 m，为洪水期河流经常淹没的中低位漫滩。

XR-01剖面厚度为5.7 m，未见底。顶部4.5 m为河漫滩沉积，底部1.2 m左右为青灰色湖相堆积。河漫滩沉积，4.5～1.3 m以棕褐色黏土质粉砂为主，层理清晰，细层或纹层发育；1.3～0.8 m以浅棕褐色含砂黏土质粉砂为主，夹两层细砂，层理较发育；0.8～0.1 m是浅灰黄色粗粉砂、细砂，因植物根系的扰动，层理不甚清晰；顶部10 cm左右，灰色细砂，粒度较粗，较松散。本文研究针对该剖面顶部1.3～0 m的沉积层段。对这个层段，按照1.5 cm的间隔进行了系统采样，获得了84份样品。

2.2 实验方法

210Pb+137Cs测试：样品风干，称取3 g，蜡封后放置3周，采用EG&G ORTEC公司GW L-120-15型高纯锗井型光子检测系统测定137Cs与210Pb的比活度(Bq/kg)，由此厘定XR-01剖面的年代序列(图2)。测试在江西师范大学地理与环境学院210Pb+137Cs测年实验室完成，每个样品的测试时间为12h(国际通用)。

粒度实验：称取1～2 g样品，浸泡分散后，用适量的10%H2O2和10%HCl分别除有机质和碳酸盐，离心后去除上层清液，从而洗去反应残余物，加入0.05 mol/L的分散剂超声5 min之后，上机测试。测试仪器为HORIBA particle sizer LA-950型激光粒度仪，实验在江西师范大学理化测试中心完成。

图1 修河流域概况与采样点分布图Fig.1 Map of Xiuhe River and sampling location

3 结果与分析

3.1 年代控制

137Cs作为人工核素，检测到其在沉积环境中的蓄积最早发生在1945年，其主要的蓄积时段是1952—1982年间。之后，除在1986年前苏联切尔诺贝利核事故中有短暂的核释放之外，大气的137Cs的释放基本可以忽略不计。XR-01剖面，深度1.46 m以下已检测不到137Cs，1.25～1.46 m之间，虽能检测得到，但是活度极低，可能为系统误差；0.94 m处出现全剖面最高值，蓄积特征明显；之后在0.70 m、0.63 m和0.50 m处，各形成一个不太明显的蓄积峰。因此，深度1.25～0.48 m之间的沉积，基本对应1952—1982年间[22-23]。根据吴艳宏等[24]对赣北鄱阳湖地区以往的研究，0.33 m处的蓄积峰，可能对应1986年沉积层节。依据粒度分析，剖面0.8 m处，粒度突然变粗，指示沉积动力突然增强，可能与1970年春筑堤修圩封堵马融河(图1)有关[20,25-26]。基于这5个时标层节，通过线性内插，建立了该剖面的年代序列(图2)。获得剖面的沉积速率，以1950年最高，1960年初开始下降，这与流域内兴修水利有关，1970年之后增加与人为阻塞马融河有关，而1980年末期到1990年初的降低，则与江西省劳动力输出和三江湖工程的实施造成的森林覆盖增加有密切联系[27]。XR-01剖面的沉积速率与过去60年来鄱阳湖入湖泥沙一致[27]，表明其年代是准确的。

3.2 粒度特征

由于人类活动的影响，1970年前后(对应0.8 m深度)水动力条件发生突变。因此，本文将修河近60年来河漫滩沉积，按照粒度指标分成0.8～0 m和1.3～0.8 m两段进行统计，阐述1970年前后不同的水动力环境下，较大洪水的粒度组成特点。

XR-01剖面的两段沉积，均以粉砂为主，其次为砂，黏土最低。上段砂含量有所增加，粉砂和黏土有所降低；样品之间，粒度差异也较大，揭示了河漫滩沉积环境具有不稳定性的特点。在C-M图中(图3A)，0.8～0 m段为砂质粉砂和粉砂质砂，较为分散地落在均匀悬浮区和递变悬浮区的上方，指示较强的水动力环境，为近河床低漫滩沉积环境；C值较大，指示水动力环境较强1.3～0.8 m段为含黏土或黏土质粉砂，其投影点较为集中地分布在均匀悬浮与远洋悬浮之间，指示了较弱的水动力环境，具有远河床高漫滩沉积环境特征[14,28-29]。

概率累积曲线和频数分布曲线(图4)揭示，该剖面可分为两种型式。黏土质粉砂或粉砂质黏土沉积碎屑，在概率累积曲线中为三段式(图4A)，滚动组份不显著，跃移组份和悬移组份显著；悬移组份分两段，粗段为递变悬移，细段为均匀悬移，指示较弱的且较为稳定的水动力环境[25-26]；频数分布曲线为双峰(图4B)，众数值分别为6φ和11φ，这类样品分选较好。含砂粉砂和粉砂质砂沉积碎屑，在概率累积曲线中也为三段式(图4C)，但其滚动组份显著，悬移组份降低，指示较强且不稳定的水动力环境[13,29]，频数分布曲线为单峰(图4D)(众数值为2～3φ)，有一个长的细粒尾，这类样品一般分选较差，少数分选较好(特别是砂含量较高时)。

图3 XR-01剖面粒度(C-M图(A)和三组份三角图(B))特点Fig.3 Grain size distributions for Profile XR-01 (A. C-M diagram; B. triangular diagram of clay-silt-sand)

图4 XR-01剖面部分沉积物粒度概率累积曲线和频数分布图 A,B.为黏土质粉砂或粉砂质黏土沉积碎屑; C,D.为含砂粉砂和粉砂质砂沉积碎屑Fig.4 Cumulative particle size probability curves and frequency distributions of samples from Profile XR-01 A, B. deposited by clayey silt or silty clay; C, D. sedimentary by silty sand and silty sand

3.3 粒度对洪水事件的指示

基于粒度分析结果，计算了碎屑沉积物的平均粒径(μm)、分选系数(μm)、(粗粉砂+砂)/(细粉砂+黏土)、SS(分选系数×粒径跨度(μm))等参数。同时，基于距离剖面上游约4 km的永修站1953—2014年水位数据，统计了雨季修河洪峰最高水位；同时统计了修河流域1953—2014年平均降水量(见图5)及流域年大雨和暴雨次数(基于四个站点)(图5)。修河流域1953—2014年，较大洪水年分别为1954、1967、1969—1970、1973、1975、1977、1983、1989、1993、1995、1998—1999、2005、2010、2012等16个年份[30]；其中1954年、1998—1999年为特大洪水年。将上述两组数据进行对比，结果认为：

在上述较大洪水年份，碎屑沉积颗粒一般较粗，指示沉积动力较强；分选系数，有时较小、有时较大，指示分选程度在较大洪水年份并不统一，这说明较大洪水期间水动力存在不稳定性。平均粒径(μm)、分选系数(S)、(粗粉砂+砂)/(细粉砂+黏土)及SS等指标对这些洪水事件的检出率：由图5可知这些指标发生显著变化的年份与现代水文数据确定的较大洪水年分对应效果显著，其中SS检测出较大洪水年14次，检出率高达93%，平均粒径(μm)检测出较大洪水12次，检出率为80%；(粗粉砂+砂)/(细粉砂+黏土)的检出率检测出较大洪水10次，平均粒径和(粗粉砂+砂)/(细粉砂+黏土)的总体检测效果没SS好，但是其对1954—1955年两次大洪水年分的检出效果优于SS，其中的原因还有待分析；分选系数的指示效果并不显著，较大洪水年分沉积物的分选系数会发生突变，但是呈现出有的年份较大，有的年份较小的特点。这些指标对图5并未标出的一般洪水年(1953年、1961年、1962年、1967年、2002年)的检出效果整体都差于较大洪水。因此以河漫滩沉积序列辨识洪水事件时以较大洪水为主，而平均粒径和SS指标为最优选择，其中SS对于洪水的指示效果最为显著。

粒度指标与实测水文记录的对比表明，洪水年份，河漫滩沉积记录碎屑颗粒较粗、分选差、粒径跨度大，概率累积曲线中滚动组份含量高(图4C)，频数曲线为单峰，具有细粒尾(图4D)，指示了强弱易变的不稳定的水动力环境。而其他年份的河漫滩沉积，碎屑颗粒较细、分选较好、粒径跨度较小，概率累积曲线中滚动组份几乎不存在(图4A)，频数曲线为双峰(图4B)，指示了较为稳定的水动力环境。这不只体现在水动力强度较弱的1953—1970年间，也同样体现在水动力环境较强的1970—2014年间。

4 讨论

河漫滩环境下的碎屑堆积，均是河水漫溢过自然堤而在平水期的河流两岸低洼地带的河流堆积，均是洪水期间的碎屑堆积。因此，严格而言，所有的河漫滩堆积均是洪水堆积。本文的研究表明，如果洪水期间行洪水位较高，也即是指洪水强度较高，洪水期洪峰流量较高，则漫溢到河漫滩的洪水水文过程具有强弱易变不稳定的水文环境，河漫滩本身的行洪能力也加强；而如果洪水期间行洪水位较低，也即是指洪水强度较低，洪水期洪峰流量较低，则漫溢到河漫滩的洪水水文过程具有较弱的水文特点，河漫滩环境中水流速度很慢，河漫滩本身不具有行洪能力，这种洪水，也就是所说的一般洪水。这种特征在一般的河漫滩沉积环境是普遍的[13-14,31]。在XR-01剖面中，较大洪水期间总沉积厚度约为69 cm，占整个剖面厚度的53%；较大洪水期间碎屑沉积速度远高于其他年份，为河漫滩建造的主要动力；一般洪水期间碎屑沉积速度虽低于较大洪水，由于出现频数大，沉积厚度约61 cm，也是河漫滩建造的重要营力。

图5 XR-01剖面对洪水事件的记录图Fig.5 Flood event record for Profile XR-01

一般洪水由于其强度小，并且每年都可能出现，但是基本不具有致灾作用，对这种强度洪水的研究，意义不大。而较大洪水(包括特大洪水)，由于其强度较高，具有偶发性，危害大，且在河漫滩沉积体系中沉积碎屑的粒度指标显著，区别于建造河漫滩沉积环境的一般洪水事件，本文将其称为异常洪水。

碎屑颗粒的粒度指标是基于河漫滩沉积体系建立异常洪水序列的最主要指标之一，传统研究中平均粒径、分选系数、甚至砂的含量及(粗粉砂+砂)/(细粉砂+黏土)比值等指标，均具有对异常洪水的辨识能力。同时，由于异常洪水期间河漫滩沉积环境水动力不稳定，碎屑颗粒粗细易变，且分选一般较差。这些特征使碎屑沉积的粒度跨度(Sp)(最粗颗粒对应的粒径(μm)—最细颗粒对应的粒径(μm))较宽，而以φ值单位计算的分选系数(St)往往偏大，使二者的乘积对于异常洪水具有较强的辨识能力。因此，本文建议基于河漫滩沉积体系进行异常洪水研究使用SS这个指标。

5 结论

通过对修河近现代河漫滩沉积剖面的粒度分析，结合现代水文观测资料，得出以下初步结论：

(1) 修河近现代河漫滩剖面识别出了1953年以来16次较大洪水中的14次，识别率高，其建立的洪水事件的序列完整，与现代观测数据得到的洪水年份一致性达90%以上。基于河漫滩沉积体系建立的这种洪水，有别于塑造河漫滩沉积体系的平均应力——“一般洪水”，本文将其称为异常洪水。

(2) 修河河漫滩沉积剖面中，粒度指标对河流洪水的响应极为敏感，对修河洪水事件的辨识度高，其中沉积物的SS(分选系数×粒径跨度)检出率高于90%、平均粒径(μm)的检出率为80%，建议在河漫滩沉积体系的洪水研究中，采用SS(分选系数×粒径跨度)指标。它可与分选系数，甚至粒径跨度等，组成基于河漫滩沉积体系建立异常洪水序列的关键指标体系。