雅魯藏布江加查峽谷河段古洪水沉積特征

鄔 龍,謝悅波,聶秋月,徐世賓

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098;2.水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,天津 300250)

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].河流在洪水期漂流著由流域面上帶來的孢粉、枯枝落葉等有機(jī)物,因退水而停留沉積于洪峰水位所在某些處所(如洞穴、支溝回水末端等),稱為洪水平流沉積物.基于洪水平流沉積物這一信息載體,利用放射性14C測(cè)定其發(fā)生年代,依據(jù)其尖滅點(diǎn)高程作為洪水位指示,采用水力學(xué)模型推求其發(fā)生的流量[1-2].目前在古洪水水文學(xué)研究方面,國(guó)內(nèi)外已取得顯著成果,我國(guó)自20世紀(jì)80年代開始,先后在長(zhǎng)江、黃河、淮河等流域的某些河段開展了古洪水研究工作,并且在大量研究的基礎(chǔ)上總結(jié)出了一套古洪水研究的指標(biāo)體系[2-8].本文主要對(duì)研究河段古洪水平流沉積物的野外沉積特征、沉積環(huán)境、粒度特征、重礦物特征等要素進(jìn)行分析、總結(jié),從而為研究河段典型古洪水沉積物的甄別和古洪水流量計(jì)算提供依據(jù).

1 研究背景

由于雅魯藏布江上無歷史調(diào)查洪水資料,僅有1949年以來50a左右的實(shí)測(cè)洪水資料,因此,現(xiàn)有的資料條件不能滿足藏木水電站設(shè)計(jì)洪水的頻率計(jì)算要求;此外,藏木水電站采用混凝土重力壩,根據(jù)規(guī)范[9]要求及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),不宜采用PMP/PMF(可能最大暴雨/可能最大洪水)作為規(guī)劃設(shè)計(jì)的依據(jù).因此,采用古洪水研究方法成為藏木水電站設(shè)計(jì)中洪水計(jì)算的一個(gè)重要途徑.

古洪水調(diào)查研究區(qū)位于雅魯藏布江中游加查峽谷河段,在藏木水電站壩址上下游近70km河段選取32個(gè)取樣斷面,共采集138個(gè)古洪水沉積樣品,主要采樣點(diǎn)位置見圖1.

圖1 雅魯藏布江加查峽谷段古洪水沉積樣品位置Fig.1 Sampling points of palaeofloods in Jiacha Gorge on Yarlung Zangbo River

2 野外沉積特征

從野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),雅魯藏布江加查峽谷河段古洪水平流沉積部位多集中于支溝回水末端、平緩岸坡、漫灘、河道突然展寬的回水區(qū)域和位置較高的巖體上,其中在一處洞穴中發(fā)現(xiàn)有貝殼和植物果實(shí)(桃核)沉積.采樣沉積層剖面特征主要表現(xiàn)為:表層以砂質(zhì)、粉砂質(zhì)黏土為主,夾雜植物根系;下層多為砂礫、礫石混雜堆積;再往下則以巨礫石層為主.部分沉積層向上延伸數(shù)米形成尖滅,為古洪水水位的確定提供了有利的條件,此外,部分沉積層有明顯的微薄層理.

圖2為雅魯藏布江加查峽谷某河段高河漫灘階地調(diào)查采樣的平流沉積物.從圖2可見,在高河漫灘階地堆積物的表層為細(xì)顆粒沉積物堆填在巨礫之間,這可以理解為后來的洪水帶來的或洪流涌水條件下形成的細(xì)顆粒沉積,掩覆在較早的巨礫沖積物之上.這種巨礫與細(xì)礫的砂質(zhì)堆積形態(tài),也正是雅魯藏布江與其他河流平流沉積物沉積形態(tài)特征[4]的顯著差別之處,反映了雅魯藏布江特有的水文地理特征.

圖2 某采樣點(diǎn)的高河漫灘沉積環(huán)境和相應(yīng)的平流沉積物Fig.2 Sedimentary environment of sampling points in a high flood plain and corresponding advective sediments

3 粒度特征

粒度特征分析是對(duì)沉積物分析研究的最基本手段之一.對(duì)沉積物中各粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)(砂、粉砂和黏土)、中值粒徑、小于4φ(φ=-log2D,D為粒徑)累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分選系數(shù)、偏度等參數(shù)進(jìn)行研究分析,有助于推斷沉積物的搬運(yùn)動(dòng)力、沉積環(huán)境以及形態(tài)類型[1-6].

各粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)按礫(粒徑＞2mm)、砂(粒徑為0.0625～2mm)、粉砂(粒徑為0.0039～0.0625mm)、黏土(粒徑＜0.0039mm)進(jìn)行劃分;中值粒徑是在顆粒累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線上截取頻率為50%的φ值;分選系數(shù)按克倫賓方法計(jì)算,公式為

式中 φ75,φ25為累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%,25%粒徑的φ值.分選系數(shù)Q Dφ在0～0.6為分選很好,0.6～1.4為分選好,1.4～2.2為分選中等,2.2～3為分選差,大于3為分選很差.

分析表1數(shù)據(jù)可知,雅魯藏布江加查峽谷河段古洪水沉積樣品的粒度特征表現(xiàn)為以砂質(zhì)、粉砂質(zhì)顆粒為主,粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)中砂粒級(jí)占50%以上,黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小,樣品顆粒小于4φ粒級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)多在50%以下,中值粒徑一般在3～4之間,且分選性較好,分選系數(shù)在1.2以下.與現(xiàn)代洪水的泛濫沉積相(Y-JX03-01,Y-JX04-01等)相比,其分選系數(shù)相近或稍高,中值粒徑、粉砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)均偏高,砂質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低;與洪坡積、沖坡積物(Y-BY04-01,Y-LBD12-01等)相比,其分選系數(shù)明顯偏低.

此外,雅魯藏布江古洪水沉積物粒度特征與長(zhǎng)江三峽、黃河小浪底河段、沁河河口村、海河水系的崗南、黃壁莊[4,8-11]等古洪水沉積物又有著顯著的差異.這些河流的古洪水沉積物粒度特征主要表現(xiàn)為以粉砂、黏土為主,一般情況下,中值粒徑均在4.0以上,且累計(jì)小于4φ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于雅魯藏布江.但是它們有個(gè)共同特點(diǎn),就是樣品顆粒的分選系數(shù)均較好,這也是雅魯藏布江特有的粒度指標(biāo)體系.因此,深入調(diào)查研究不同江河流域的古洪水情況,應(yīng)立足于該流域的水文地理特性、沉積特征,以現(xiàn)代洪水的平流沉積、灘地沉積、泛濫沉積作為相應(yīng)流域古洪水研究的切入點(diǎn),確定相應(yīng)的粒度指標(biāo)體系.

表1 雅魯藏布江加查河谷段的古洪水沉積粒度特征Table 1 Characteristics of grain size of palaeoflood sediments in Jiacha Gorge on Yarlung Zangbo River

4 重礦物特征

對(duì)河流沉積物樣品的重礦物組合及其含量的分析,有助于查明沉積物樣品是來源于該河流的上游,還是來源于該河流的支流,或是該地谷坡上的物質(zhì),在古洪水研究中有重要的意義[7].本文古洪水研究中部分沉積物樣品主要重礦物特征見表2.

表2 雅魯藏布江加查峽谷河段洪水沉積重礦物特征Table 2 Characteristics of heavy minerals of palaeoflood sediments in Jiacha Gorge on Yarlung Zangbo River

對(duì)雅魯藏布江加查峽谷河段調(diào)查采集樣品的室內(nèi)分析結(jié)果表明,大部分樣品的重礦物組合具有同類的特點(diǎn),即各樣品所含重礦物的種類及其組合特征具有相似性,以磁鐵礦、赤、褐鐵礦、綠簾石、石榴石、角閃石、磷灰石等為主,含有少量的輝石、透閃石、綠泥石等重礦物,個(gè)別樣品中某些種類重礦物有缺失或者富集.如Y-BY04-01號(hào)樣品具有所含重礦物種類偏少的特點(diǎn),且磁鐵礦、角閃石、磷灰石、榍石等主要重礦物有明顯偏高的現(xiàn)象(是其他樣品中含量的10倍以上),而透閃石、輝石、十字石等許多在其他樣品中常見的礦物在該樣品中都沒有見到.據(jù)該樣品沉積環(huán)境的地貌部位、巖性特征、沉積結(jié)構(gòu)及其粒度特征最終判斷該處沉積很可能是以坡積物為主的堆積物.

5 年代特征和孢子花粉特征

年代特征有助于確定古洪水發(fā)生的時(shí)間.本文主要利用14C測(cè)年技術(shù)確定年代特征,共測(cè)定22個(gè)沉積樣品,其年代最遠(yuǎn)為距今(6650±120)a.其中在距今2960a發(fā)生一場(chǎng)特大量級(jí)的洪水事件,這與長(zhǎng)江三峽距今(2420±295)a、黃河小浪底距今(2360±375)a、海河水系黃壁莊距今2500a和淮河水系響洪甸距今2700a左右發(fā)生的特大量級(jí),甚至是最大量級(jí)的古洪水事件在發(fā)生年代上比較相近[5].由此說明,距今2500a左右,在我國(guó)境內(nèi)或更廣闊的范圍內(nèi)可能有一次氣候突變事件發(fā)生,因?yàn)?特大洪水事件正是極端氣候變化的即時(shí)響應(yīng).

應(yīng)用孢粉組合中一些典型的標(biāo)志性孢粉科屬可以劃分地層相對(duì)時(shí)代及再造古地理,恢復(fù)古氣候.在大量分析的基礎(chǔ)上,孢粉分析還可以為古洪水資料氣候條件的一致性分析論證提供可靠依據(jù)[1].通過河段采集樣品的孢粉特征的分析調(diào)查,發(fā)現(xiàn)植物種屬較豐富,并鑒定了60個(gè)科屬植物的孢粉類型,包括19個(gè)科屬的喬木及灌木植物花粉,17個(gè)科屬的蕨類孢子,平均每個(gè)樣品含有約321粒孢粉.孢粉圖式見圖3(圖中喬木是指喬木中孢粉所占比例較大的幾個(gè)科屬,其他喬木是指孢粉所占比例較小的科局,草木、灌木等同).從圖3可見,根據(jù)年代從老至新的孢粉組合特征,這些年代可分為5個(gè)階段.其中,第Ⅱ階段(距今3024～1489a)與第Ⅲ階段(距今1489～170a)的孢粉以及孢粉組合特征具有較好的一致性.因此,從孢粉組合特征及已有古氣候研究成果[12]可以看出研究區(qū)域在大約距今3000a的氣候條件與近現(xiàn)代氣候條件具有較明顯的一致性.這為設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中古洪水與近現(xiàn)代洪水資料的一致性分析提供了依據(jù).

圖3 雅魯藏布江加查峽谷段古洪水沉積物孢粉圖式Fig.3 Pollen diagram of palaeoflood sediments in Jiacha Gorge on Yarlung Zangbo River

6 結(jié) 語

古洪水平流沉積物的分析確定是古洪水研究的關(guān)鍵.本文根據(jù)雅魯藏布江加查峽谷河段古洪水平流沉積物的野外勘查與室內(nèi)分析,確立了雅魯藏布江所特有的平流沉積特征體系,尤其是在粒度指標(biāo)方面的特征,從而為研究河段的古洪水分析計(jì)算及藏木水電站的設(shè)計(jì)洪水確定提供了基礎(chǔ)資料,同時(shí)進(jìn)一步完善了以往僅從內(nèi)陸地區(qū)河流古洪水研究的粒度特征體系中得出的認(rèn)識(shí)和結(jié)論.

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