黃河上游靖遠
--景泰段全新世古洪水水文學(xué)

胡貴明，黃春長，周亞利，龐獎勵，查小春，郭永強

陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，西安 710062

?

黃河上游靖遠
--景泰段全新世古洪水水文學(xué)

胡貴明，黃春長，周亞利，龐獎勵，查小春，郭永強

陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，西安 710062

對黃河上游靖遠--景泰段峽谷進行系統(tǒng)野外考察，在靖遠縣金坪村(JPC)發(fā)現(xiàn)典型的全新世古洪水滯流沉積物。通過光釋光(OSL)測年和與黃河吉縣段FJJ剖面進行地層對比，確定這期特大古洪水事件發(fā)生在 3 200～3 000 a B.P.，即全新世中期--晚期氣候惡化轉(zhuǎn)折階段，對應(yīng)著我國歷史上商末至西周早期。采用古洪水水文學(xué)方法恢復(fù)古洪水洪峰水位，并且采用比降-面積法計算這一期多次古洪水事件的洪峰流量為 16 110～17 740 m3/s。同時，根據(jù)野外調(diào)查獲得 2012年7月31日黃河上游大洪水的洪痕高程，采用相同參數(shù)和方法恢復(fù)其洪峰流量，誤差僅有 2.7%，表明在該河段對于古洪水水文恢復(fù)計算參數(shù)選取和計算結(jié)果是可靠的。

黃河上游; 全新世; 古洪水; 滯流沉積物; 水文學(xué)

0 前言

黃河在中華五千年文明演進中扮演著重要角色，但在孕育中華文明的同時，其水患對沿岸及周邊文明發(fā)展帶來嚴(yán)重甚至毀滅性災(zāi)難，造成了不可估量的損失。在過去幾十年里，因全球氣候變化和沿河、海岸帶居民點增加等原因，洪水威脅日益增大，給防災(zāi)減災(zāi)工作帶來巨大壓力；又因缺乏水文數(shù)據(jù)資料及時空分布的有限性[1]，給洪水尤其是特大洪水的研究帶來諸多不便。為科學(xué)應(yīng)對洪水威脅，延長洪水水文學(xué)數(shù)據(jù)序列已成為必須。對這些缺乏資料記錄的洪水，如何恢復(fù)其水位、精確計算其流量是洪水研究要面對的問題。野外判定古洪水滯流沉積物(slackwater deposits, SWD)，是利用水文地貌學(xué)、第四紀(jì)沉積學(xué)、地質(zhì)年代學(xué)等多學(xué)科交叉方法確定古洪水洪峰水位和發(fā)生年代，再采用水文學(xué)方法和水力學(xué)模型推求古洪水洪峰流量。這些成果既可將洪水水文學(xué)數(shù)據(jù)序列延長到萬年尺度，又可借助研究成果進一步分析其發(fā)生頻率，可有效提高洪水預(yù)測的可靠性[2]。

在我國，黃河及其支流一直是古洪水水文學(xué)研究的重要河流。黃春長等[3-6]對黃河中游及其支流北洛河、渭河、汾河，以及漢江上游等全新世古洪水進行了系統(tǒng)的萬年尺度古洪水水文學(xué)研究，積累了這些地區(qū)大量的古洪水水文學(xué)數(shù)據(jù)資料。然而，上述研究主要集中在中游及其支流河段，對黃河上游全新世古洪水水文學(xué)的研究進展緩慢，幾乎處于空白狀態(tài)[7]。筆者對黃河上游靖遠--景泰段峽谷開展全新世古洪水水文學(xué)恢復(fù)研究，進一步提供黃河上游地區(qū)古洪水水文學(xué)數(shù)據(jù)資料，揭示干旱半干旱地區(qū)水文系統(tǒng)對全球氣候變化的響應(yīng)規(guī)律，以期為建立黃河上游蘭州--靖遠段超長尺度洪水洪峰流量與發(fā)生頻率關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域概況

黃河從源頭到內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)為上游、河口鎮(zhèn)至鄭州桃花峪為中游、桃花峪以下為下游。黃河上游處于我國青藏高原區(qū)東北側(cè)和西北干旱半干旱區(qū)，大陸性氣候明顯，年均溫為-5.0～9.7 ℃，年降水量370～600 mm[8]，土壤以灰褐土和褐土為主，植被多為山地森林、高寒草甸、草地等。黃河上游地區(qū)多年天然徑流量330億 m3,為黃河天然徑流總量的57.2%；多年平均天然輸沙量234 億 t，占黃河全年總來沙量的8%，水多沙少，為黃河清水來源[9]。黃河上游地區(qū)地勢地貌比較復(fù)雜，龍羊峽至寧夏中衛(wèi)下河沿為青藏高原與黃土高原結(jié)合部，其中積石峽以下的一些支流流經(jīng)黃土高原，土質(zhì)疏松、垂直節(jié)理發(fā)育、植被稀疏、水土流失嚴(yán)重。本文所研究河段位于黃河蘭州水文站下游約200 km處(圖1)。

圖1 黃河水系圖(a)與靖遠縣金坪村(JPC)河段衛(wèi)星影像圖(b)Fig.1 Stream system of the Yellow River (a)and the satellite image of JPC reach in Jingyuan County(b)

蘭州水文站自 1934年來的實測記錄表明：上游河長約1 690 km，集水面積22 255 km2，占黃河流域總面積的29.6%；多年平均徑流總量309.9 億 m3，最大年徑流量517.9 億 m3(1967年)，最小年徑流量203.9 億 m3(1997年)；多年平均輸沙量0.717 億 t，年最大輸沙量2.716 億 t(1967年),年最小輸沙量0.149 億 t(1982年)[10]；實測最大洪峰流量為5 600 m3/s(1981年9月15日)，歷史調(diào)查最大洪水出現(xiàn)在1904年7月17--18 日，最大洪峰流量為8 500 m3/s[11]。2012年7月31日，黃河上游暴發(fā)洪水，蘭州站實測洪峰流量3 860 m3/s，洪峰到達靖遠縣為2 960 m3/s，到達中衛(wèi)減少為2 810 m3/s。

2 研究地點和古洪水SWD沉積地層

在野外工作階段，對黃河靖遠--景泰段重點沿支流溝口、低階地、回水灣等古洪水SWD易沉積的地點重點考察。本文研究的金坪村(JPC,37°11′19.18″N,104°26′21.36″E)位于靖遠縣北側(cè)的金坪村基巖峽谷區(qū)，河槽深切入基巖之中，一些支流匯入口有少量沙卵石沉積。左岸為陡峭的基巖崖壁，局部見黃河第一級階地基座階地，其高出平水位25～30 m，前沿為直立的崖壁；右岸基巖斜坡之下為坡積物構(gòu)成的緩坡地，為靖遠縣金坪村村落和農(nóng)田果園所在。野外詳細調(diào)查在黃河右岸JPC路塹邊坡發(fā)現(xiàn)全新世厚層坡積石渣土層剖面夾有一套古洪水 SWD 沉積層 (圖2)。沿景泰--靖遠段黃河河谷數(shù)十公里范圍的詳細調(diào)查，并未發(fā)現(xiàn)任何古堰塞湖形成的證據(jù)，從而確認(rèn)它們是黃河大洪水在高水位滯流情況下的懸移質(zhì)沉積物，其記錄了全新世時期的一期多次古洪水事件。

圖2 黃河上游靖遠縣JPC全新世古洪水SWD剖面照片F(xiàn)ig.2 Photo of the palaeoflood SWD in the Holocene sediment profile at the JPC site along the upper Yellow River

靖遠黃河JPC剖面頂沿海拔高程為1 312 m，高出黃河平水位17 m。該剖面主要沉積學(xué)特征如下：1)由古洪水洪峰所攜帶的懸移質(zhì)泥沙的沉積物是濁黃橙色的粉砂、黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土層，與其上下的灰色坡積石渣土性狀完全不同。2)古洪水SWD沉積物多達14層，總厚度達約3.0 m，單層厚度10～60 cm，并向坡上方向逐漸尖滅[12-14]。3)其中一些SWD層與層之間夾有薄的坡積石渣土層，表明層與層之間有一定的沉積間斷，指示著兩個古洪水事件之間存在明顯的時間間隔。4)單層厚度較大(20～60 cm)的古洪水SWD的內(nèi)部，為均質(zhì)塊狀結(jié)構(gòu)，下部含有細砂，上部含有一層薄的(0.5～2.0 cm)濁紅棕色黏土質(zhì)蓋層，表明其沉積水深較大，洪峰高水位滯流狀態(tài)持續(xù)時間長，緩慢的沉積過程當(dāng)中，分選性沉積特征突出。5)地層厚度較小的古洪水SWD層的內(nèi)部，有明顯的波狀微層理(厚度1～2 mm)即波痕，表明其沉積水深較小，洪峰高水位滯流狀態(tài)持續(xù)時間較短。這些特征與黃春長等[12-14]總結(jié)的古洪水 SWD 宏觀形態(tài)特征相一致。通過古洪水 SWD層系統(tǒng)采樣，在實驗室內(nèi)對其進行磁化率、粒度、燒失量、CaCO3和微量元素等一系列理化指標(biāo)分析測定，表明這一套沉積物是由黃河古洪水懸移質(zhì)泥沙在高水位滯流環(huán)境中的沉積物，它們記錄了黃河上游全新世時期的一期14次古洪水事件。

3 研究方法與古洪水事件的氣候背景

3.1 研究方法

沿黃河靖遠--景泰段系統(tǒng)考察，在沿河多個地點發(fā)現(xiàn)全新世各類型沉積層剖面。依據(jù)古洪水SWD 野外宏觀判別標(biāo)準(zhǔn)，在多個地點發(fā)現(xiàn)了古洪水SWD 沉積層，選擇靖遠JPC地點的沉積層為研究剖面。研究河段為基巖河槽，受兩岸基巖影響，河槽形態(tài)較為穩(wěn)定[15]，無較大支流匯入，河流流態(tài)穩(wěn)定，河道規(guī)整，便于獲取水文參數(shù)進行水文學(xué)恢復(fù)計算。野外使用美國公司生產(chǎn)的Contour-XLR1-LC5279型精密激光測距儀和高精度GPS，對該河槽斷面形態(tài)、河床比降和古洪水SWD厚度等進行精確測量；室內(nèi)結(jié)合1∶10 000 地形圖進行校正，并基于以上工作在距JPC剖面地點下游約1.2 km的基巖峽谷處選取最狹窄、最順直規(guī)整的河段，作為古洪水水文學(xué)研究的河槽斷面(圖1b)。依據(jù)國家水利水電工程設(shè)計規(guī)范當(dāng)中天然河道糙率標(biāo)準(zhǔn)，確定了河槽糙率系數(shù)值。根據(jù)古洪水SWD特征，決定采用“尖滅點高程法”和“古洪水SWD厚度與含沙率關(guān)系法”恢復(fù)古洪水的洪峰水位，推求其洪峰流量。

3.2 古洪水事件的氣候背景

圖3 靖遠JPC剖面與吉縣FJJ剖面地層柱狀對比圖Fig.3 Pedo-stratigraphic correlations between JPC profile in Jingyuan and FJJ profile in Jixian

黃河吉縣段FJJ剖面與黃河靖遠JPC剖面同屬于黃河干流上的沉積剖面，兩者在沉積地層上較相似。結(jié)合OSL測年斷代結(jié)果[16](圖3)認(rèn)為，兩個地點古洪水發(fā)生年齡相近， 均為同一時期的沉積剖面，可以進行地層對比;故確定JPC剖面記錄的特大古洪水事件發(fā)生年代為3 200～3 000 a B.P.，即全新世中期--晚期氣候惡化轉(zhuǎn)折期。根據(jù)本課題組對黃河中游流域全新世黃土-古土壤剖面的氣候變化研究，以及其他學(xué)者對格陵蘭島高分辨率冰芯、北大西洋深海冰芯研究顯示，在3 100 a B.P.前后全球氣候發(fā)生突變[5-6, 12-13, 17-18]。因而黃河上游這一期古洪水事件恰好發(fā)生在全新世中期大暖期結(jié)束、全新世晚期干旱期開始的轉(zhuǎn)折階段。其也對應(yīng)著我國歷史上商末--西周早期氣候惡化轉(zhuǎn)折的階段。黃河上游靖遠--景泰段發(fā)生在全新世中期與晚期氣候惡化轉(zhuǎn)折階段的特大古洪水事件不是孤立的，本課題組通過對在黃河中游永和關(guān)、壺口段、天水--寶雞峽河段及漆水河[19-23]和漢江上游白河段、旬陽段、鄖西等段[24-26]發(fā)現(xiàn)的古洪水SWD沉積地層進行的OSL測年斷代、地層對比、14C測年等研究表明，這些地點在3 200～3 000 a B.P. 發(fā)生了多期古洪水事件;說明在全新世大暖期向全新世暖期干旱期轉(zhuǎn)折階段，黃河上中游和漢江上游流域季風(fēng)氣候狀態(tài)不穩(wěn)定，氣候變率較大，干旱與洪水時有發(fā)生。這是區(qū)域氣候水文系統(tǒng)對全球氣候變化響應(yīng)規(guī)律的反映，也是黃河上游地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境對全球氣候變化比較敏感的結(jié)果。

4 古洪水水文學(xué)恢復(fù)研究

4.1 古洪水水位的確定

本文分別采用尖滅點高程法和古洪水厚度與含沙量關(guān)系法恢復(fù)古洪水洪峰水位[13, 27-28]。野外精確測量古洪水SWD沉積層底界高程為1 307.0～1 309.8 m，厚度h為 0.1～0.6 m。結(jié)合該河段古洪水發(fā)生期間我國氣候處于劇烈轉(zhuǎn)折惡化期、旱澇頻發(fā)及上游地區(qū)水沙特征，將該期古洪水懸移質(zhì)體積含沙率ρ估算為 0.15, 求出沉積水深d為1.33～4.00 m (d=h/ρ);故由尖滅點高程法和厚度與含沙量關(guān)系法恢復(fù)古洪水洪峰水位分別為1 308.0～1 310.3 m 和1 309.67～1 311.40 m(表1, 2)。

4.2 古洪水河槽斷面的選擇

根據(jù)水文學(xué)原理，古洪水研究的理想河段為基巖峽谷河道，其河槽比較規(guī)整、抗蝕力強，河槽斷面變化小、水流穩(wěn)定，古洪水流量計算結(jié)果誤差較小，有助于借助古洪峰水位推求洪峰流量[27-28]。筆者所選取的研究斷面A--A’在距剖面地點下游約1.2 km處最狹窄、最順直規(guī)整處(圖1, 4)。JPC剖面地點處于靖遠--景泰段基巖峽谷區(qū)，河槽和河谷均為堅硬的變質(zhì)巖。在全新世特大洪水發(fā)生期間，該斷面河槽形態(tài)沒有發(fā)生大的變化，斷面與洪水流向相垂直，精確測量可獲得河槽形態(tài)和巖性。根據(jù)尖滅點法指示古洪水最高洪峰水位為1 310.30 m(古洪水SWD14)；據(jù)厚度與含沙量關(guān)系法恢復(fù)的古洪水最高洪峰水位為1 311.40 m(古洪水SWD2)，可計算出河槽過洪斷面面積和濕周等參數(shù)(表1, 2)。

表1 黃河上游靖遠縣JPC斷面全新世古洪水水文恢復(fù)計算成果表之一

注：采用尖滅點高程法。

表2 黃河上游靖遠縣JPC斷面全新世古洪水水文恢復(fù)計算成果表之二

注：采用SWD厚度與含沙量關(guān)系法。

圖4 黃河上游靖遠縣JPC古洪水過流斷面Fig.4 Cross-section of the palaeofloods in the JPC reach of the upper Yellow River

4.3 古洪水水文參數(shù)選擇與流量計算

水文參數(shù)選擇的準(zhǔn)確性直接影響古洪水水文恢復(fù)計算結(jié)果的可靠性。利用尖滅點高程法和SWD厚度與含沙量關(guān)系法恢復(fù)古洪水洪峰水位及確定各項參數(shù)后，對于古洪水洪峰流量的計算方法比較多。但由于JPC地點古洪水SWD沉積地層位于基巖峽谷段，河槽形態(tài)變化不大且規(guī)整，河流流態(tài)穩(wěn)定，若行洪斷面選取恰當(dāng)，斷面面積等水文參數(shù)計算準(zhǔn)確，根據(jù)河流兩岸植被覆蓋程度和沖刷狀況，可以較為準(zhǔn)確地確定糙率系數(shù)n。鑒于上述特征，采用比降-面積法計算古洪水洪峰流量最為合適，其公式為

式中：Q為洪峰流量，m3/s；n為糙率系數(shù)；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；R為水力半徑，m；S為水面比降。

對靖遠縣JPC地點河段水面比降S進行確定時，考慮到該河段規(guī)整，且為基巖河床，全新世以來河槽形態(tài)變化不大，沖淤基本平衡[29]，故用河床比降代替水面比降。野外采用美國生產(chǎn)的 Contour-XLR1-LC5279 型精密激光測距儀和高精度GPS對高程和距離進行精確測量，結(jié)合 1∶10 000地形圖中的水邊高程點進行校正，得到JPC古洪水SWD事件所處的河段比降為0.001。

在古洪水水文學(xué)研究中，河道糙率系數(shù)對水文恢復(fù)計算具有重要影響。靖遠縣 JPC處于干旱半干旱區(qū)，植被覆蓋率較低，以攀巖樹木、灌木叢和雜草為主，基巖大部裸露，凹凸不平;特大洪水發(fā)生時，水流淹沒全部河槽和兩岸基巖，且該河段水文地貌在一定程度上受到人類活動影響。依據(jù)上述自然地理背景，參照國家水利水電工程設(shè)計規(guī)范當(dāng)中天然河道糙率標(biāo)準(zhǔn)和Chow. V. T. 等對糙率系數(shù)的研究成果[30-32]，將JPC河段的糙率系數(shù)n值確定為0.035。

將各相關(guān)參數(shù)代入上述公式，采用水力學(xué)模型計算古洪水SWD所記錄的全新世特大洪水事件發(fā)生期間古洪水的洪峰流量;結(jié)果采用尖滅點高程法和厚度與含沙量關(guān)系法恢復(fù)的古洪水洪峰流量分別為12 730～16 120 m3/s 和16 110～17 740 m3/s(表1, 2)。

4.4 水文參數(shù)與流量恢復(fù)可靠性驗證

在古洪水水文學(xué)研究中可采取多種方式對水文參數(shù)選取的準(zhǔn)確性和流量恢復(fù)的可靠性進行驗證。本文根據(jù)JPC河段2012年7月31日大洪水洪痕所指示的洪峰水位，采用厚度與含沙量關(guān)系法恢復(fù)其洪水洪峰流量，同時結(jié)合平水位流量驗證恢復(fù)的古洪水洪峰流量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。2012年7月31日，JPC河段洪水洪痕指示洪峰水位高出平水位3.8 m， 為1 298.8 m。據(jù)水文站實測，洪峰到達靖遠縣流量為2 960 m3/s。另據(jù)靖遠縣1956--1979年統(tǒng)計資料分析，黃河在靖遠縣境內(nèi)平均徑流量約為1 043 m3/s，平水位高程為1 295.0 m。

由于平水位期間，河流淹沒河槽面積較洪水發(fā)生期間小，河水在流動過程中受到兩岸植被和基巖崖壁的滯力變小，所以在平水位計算中，其糙率系數(shù)選為0.030，其他參數(shù)不變。這樣，用厚度與含沙量關(guān)系法恢復(fù)的2012年大洪水洪峰流量為3 040 m3/s、平水位流量為1 010 m3/s，與實測洪峰流量和平水位流量的誤差分別為2.7%和-3.2%。由此可見，黃河上游靖遠--景泰段全新世古洪水水文學(xué)研究所選取的水文參數(shù)和通過水力模型計算得到的洪峰流量結(jié)果是合理可信的。另據(jù)本課題組多年對黃河中游及其支流地區(qū)古洪水洪峰流量推求的結(jié)果顯示，在全新世萬年尺度內(nèi)，最大洪水事件洪峰流量往往是水文觀測記錄最大洪峰流量的2.0～4.5倍[33-35]；而據(jù)黃河蘭州水文站實測最大流量5 600 m3/s，出現(xiàn)在1981年9月15日，本文所采用的古洪水SWD厚度與含沙量關(guān)系法恢復(fù)洪峰水位求出的JPC河段洪水洪峰流量是其3.2倍，進一步說明對該地點全新世古洪水水文學(xué)研究結(jié)果是可靠的。

表3 黃河上游靖遠縣JPC斷面2012年洪水洪痕洪峰流量與平水位(1956--1979年)流量恢復(fù)計算成果表

Table 3 Reconstructed flood peak discharges in 2012 and discharges of the normal river water level (1956--1979) at the JPC section of the upper Yellow River

水位高程/m水面寬/m總水深/m水面比降糙率系數(shù)過水?dāng)嗝婷娣e/m2濕周/m水力半徑/m洪峰流量/(m3/s)2012年大洪水1298.8155.08.30.0010.035978.75153.376.383040平水位1295.0134.04.50.0010.030437.25134.633.251010

5 萬年尺度洪峰流量-發(fā)生頻率關(guān)系分析

將黃河蘭州水文站1934--1989 年觀測的年最大洪水?dāng)?shù)據(jù)和歷史洪水調(diào)查獲得的1904年的大洪水?dāng)?shù)據(jù)、與古洪水洪峰流量通過“含有特大值的不連續(xù)洪水?dāng)?shù)據(jù)序列頻率分析方法”計算，可有效延長洪水?dāng)?shù)據(jù)序列尺度(圖5)。

圖5 黃河上游靖遠--景泰段含有特大值的不連續(xù)洪水?dāng)?shù)據(jù)序列圖Fig.5 Discontinuous peak discharge data series in Jingyuan-Jingtai section of the upper Yellow River

使用實測洪峰流量和歷史洪水洪峰流量計算頻率，得到萬年一遇洪水洪峰流量為11 550 m3/s，千年一遇洪水洪峰流量為9 280 m3/s；而由古洪水水文計算結(jié)果知萬年一遇洪水洪峰流量 18 330 m3/s，千年一遇洪水洪峰流量12 640 m3/s?？蓪⒐藕樗芯砍晒尤氲綒v史洪水和實測洪水資料序列中，建立實測洪水、歷史洪水、古洪水超長尺度洪水洪峰流量頻率曲線，使得黃河靖遠--景泰段超長尺度洪水洪峰流量-發(fā)生頻率關(guān)系更加可靠，這對于黃河上游水利水電工程建設(shè)、水能資源高效開發(fā)、防洪減災(zāi)等十分重要。

6 討論和結(jié)論

全球氣候變化研究廣受關(guān)注[36-37]。作為水文氣候事件的直接記錄，黃河上游靖遠JPC剖面被坡積石渣土覆蓋，后經(jīng)人為開挖顯露出來。通過OSL測年研究和與黃河吉縣 FJJ 剖面進行詳細的地層對比，確定該期古洪水事件發(fā)生年代為3 200～3 000 a B.P.，即全新世中期大暖期向晚期干旱轉(zhuǎn)折期，結(jié)合世界范圍內(nèi)全新世氣候研究資料可知，該時段發(fā)生了氣候突變，在我國半干旱半濕潤區(qū)表現(xiàn)為季風(fēng)狀態(tài)失穩(wěn)、氣候變率大、旱澇頻發(fā)，并由此引發(fā)嚴(yán)重的自然災(zāi)害、社會動蕩，加快了商朝的滅亡[4]。且黃河上游地處青藏高原區(qū)東側(cè)和干旱半干旱區(qū)，氣候類型復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，對環(huán)境變化的反映比較敏感，在全球氣候出現(xiàn)轉(zhuǎn)折波動的背景下，流域內(nèi)氣候水文系統(tǒng)也會隨之發(fā)生劇烈變化，此時易發(fā)生旱澇災(zāi)害。

對黃河上游靖遠JPC剖面記錄的古洪水事件進行全新世古洪水水文學(xué)研究，用厚度與含沙量關(guān)系法恢復(fù)古洪水洪峰水位，用比降-面積法恢復(fù)古洪水洪峰流量，采用糙率系數(shù)±1‰的變幅進行驗算，以上計算表明這些古洪水事件代表的洪峰流量為15 700～18 300 m3/s，其變幅僅僅為-2.8%～2.9%。另外，根據(jù)實測2012年現(xiàn)代大洪水洪痕水位，采用相同方法和水文參數(shù)恢復(fù)洪峰流量，其結(jié)果與水文站實測洪峰流量誤差僅有2.79%。采用不同方法的驗算結(jié)果，誤差值均在合理區(qū)間，表明古洪水水文學(xué)方法選取的水文參數(shù)是合理的，恢復(fù)的古洪水洪峰流量是可靠的。

結(jié)合黃河蘭州水文站1934--1989年實測數(shù)據(jù)、歷史洪水和古洪水流量數(shù)據(jù)進行黃河靖遠--景泰段超長尺度洪水洪峰流量-發(fā)生頻率關(guān)系分析，可知黃河靖遠--景泰段千年一遇洪水洪峰流量為12 640 m3/s ，萬年一遇洪水洪峰流量為18 830 m3/s，這為建立蘭州--靖遠段超長尺度洪水洪峰流量-發(fā)生頻率關(guān)系分析奠定了基礎(chǔ)。

[1] Sheffer N A, Rico M，Enze Y，et al. The Palaeoflood Record of the Gardon River, France: A Comparison with the Extreme 2002 Flood Event[J]. Geomorphology, 2008, 98: 71-83.

[2] Baker V R. Palaeoflood Hydrology in a Global Context[J]. Catena, 2006, 66: 161-168.

[3] Huang C C, Pang J L, Zha X C, et al. Holocene Palaeoflood Events Records by Slackwater Deposits Along the Lower Jinghe River Valley, Middle Yellow River Basin, China[J]. Journal of Quaternary Science, 2012, 27 (5): 485-493.

[4] Huang C C, Pang J L, Zha X C, et al. Sedimentary Records of Extraordinary Floods at the Ending of the Mid-Holocene Climatic Optimum Along the Upper Weihe River, China[J].The Holocene, 2011, 22(6): 675-686.

[5] Huang C C, Pang J L, Zha X C, et al. Extraordinary Floods of 4 100-4 000 a B.P. Recorded at the Late Neolithic Ruins in the Jinghe River Gorges, Middle Reach of the Yellow River, China[J]. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology, 2010, 289(1/2/3/4): 1-9.

[6] Huang C C, Pang J L, Zha X C, et al. Extraordinary Floods Related to the Climatic Event at 4 200 a B.P. on the Qishui River, the Middle Reaches of the Yellow River, China[J]. Quaternary Science Reviews, 2011, 30(3/4) : 460-468.

[7] 李曉剛. 黃河流域古洪水研究進展[J]. 商洛學(xué)院學(xué)報, 2013, 27(2): 57-63. Li Xiaogang. The Progress of Palaeoflood Research in the Yellow River[J]. Journal of Shangluo College, 2013, 27(2): 57-63.

[8] 任立新, 馮亞楠. 黃河蘭州站不同時段年徑流量變化特征[J]. 科學(xué)創(chuàng)新導(dǎo)報, 2008(24): 62-64. Ren Lixin, Feng Yanan. Annual Runoff Variation of the Yellow River in Lanzhou Station at Different Times[J].Science and Technology Innoviation Herald,2008(24): 62-64.

[9] 仇杰. 2010年黃河上游水文情勢分析[J]. 甘肅水利水電技術(shù), 2011, 43(3): 6-8. Qiu Jie. The Analysis About Hydrological Occurrence of Upper Yellow River in 2010[J]. Gansu Water Conservancy and Hydropower Technology, 2011, 43(3): 6-8.

[10] 鄭艷爽, 尚紅霞, 陶海鴻. 黃河唐乃亥--蘭州段近期水沙變化特點分析[J]. 人民黃河, 2013, 35(1): 17-18. Zheng Yanshuang, Shang Hongxia, Tao Haihong. The Analysis on Characteristics of Water and Sediment Between Tangnaihai and Lanzhou Section of Yellow River in the Recent Time[J]. Yellow River, 2013, 35(1): 17-18.

[11] 劉玉林, 梁貴生. 黃河上游洪水及其特性[J]. 甘肅水利水電技術(shù), 2002, 38(2): 99-101. Liu Yulin, Liang Guisheng. Flood and Its Character of the Upper Yellow River[J]. Water Conservancy and Hydropower Engineering. 2002, 38(2): 99-101.

[12] Huang C C, Pang J L. Abruptly Increased Climatic Aridity and Its Social Impact on the Loess Plateau of China at 3 100 a B.P.[J]. Journey of Arid Environments, 2002, 52: 87-99.

[13] 黃春長, 龐獎勵, 周亞利, 等. 黃河流域關(guān)中盆地史前大洪水研究：以周原漆水河谷為例[J]. 中國科學(xué): 地球科學(xué), 2011, 41(11): 1658-1669. Huang Chunchang, Pang Jiangli, Zhou Yali, et al. Prehistorical Floods in the Guanzhong Basin in the Yellow River Drainage Area: A Case Study Along the Qishuihe River Valley over the Zhouyuan Loess Tableland[J]. Science China：Earth Sciences, 2011, 41(11): 1685-1669.

[14] Huang C C, Pang J L, Zha X C, et al. Extraordinary Hydro-Climatic Events During the Period AD 200-300 Recorded by Slackwater Deposits in the Upper Hanjiang River Valley, China[J]. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology, 2013, 374: 274-283.

[15] 冉立山, 王隨繼, 范小黎, 等. 黃河上游河道水力幾何形態(tài)關(guān)系分析[J]. 人民黃河, 2009, 31(6): 38-41. Ran Lishan, Wang Suiji, Fan Xiaoli, et al. Analysis on the Relation About the Waterpower Geometry of the Upper Yellow River[J]. Yellow River, 2009, 31(6): 38-41.

[16] 馬玉改, 黃春長, 周亞利, 等. 黃河中游吉縣段全新世古洪水滯留沉積物光釋光測年研究[J]. 第四紀(jì)研究, 2014, 34(2): 372-380. Ma Yugai, Huang Chunchang, Zhou Yali, et al. OSL Dating of the Holocene Paleoflood Events in the Jixian Reach Along the Middle Yellow River[J]. Quaternary Sciences, 2014, 34(2): 372-381.

[17] Bond G, Kromer B, Beer J, et al. Persistent Solar Influence on North Atlantic Climate During the Holocene[J]. Science, 2001, 294: 2130-2136.

[18] O’Brien S R, Mayewski P A, Meeker L D, et al. Complexity of Holocene Climate as Reconstructed from a Greenland Ice Core[J]. Science, 1995, 270: 1962-1964.

[19] 黃春長, 李曉剛, 龐獎勵, 等. 黃河永和關(guān)段全新世古洪水研究[J]. 地理學(xué)報, 2012, 67 (11): 1493-1504. Huang Chunchang, Li Xiaogang, Pang Jiangli, et al. Palaeoflood Sedimentological and Hydrological Studies on the Yongheguan Reach in the Middle Yellow River[J]. Acta Geographica Sinica, 2012, 67(11): 1493-1504.

[20] 李小剛, 黃春長, 龐獎勵, 等. 黃河壺口段全新世古洪水事件及其水文學(xué)研究[J]. 地理學(xué)報，2010, 65 (11): 1371-1380. Li Xiaogang, Huang Chunchang, Pang Jiangli, et al. Hydrological Studies of the Holocene Palaeoflood in the Hukou Reach of the Yellow River[J]. Acta Geographica Sinica, 2010, 65(11): 1371-1380.

[21] 萬紅蓮, 黃春長, 龐獎勵, 等. 渭河寶雞峽全新世特大洪水水文學(xué)研究[J]. 第四紀(jì)研究, 2010, 30(2): 430-440. Wan Honglian, Huang Chunchang, Pang Jiangli, et al. Holocene Extreme Floods of the Baoji Gorges of the Weihe River[J]. Quaternary Sciences, 2010, 30(2): 430-440.

[22] 朱向峰, 黃春長, 龐獎勵, 等. 渭河天水峽谷全新世特大洪水水文學(xué)研究[J]. 地理科學(xué)進展, 2010, 29(7): 840-846. Zhu Xiangfeng, Huang Chunchang, Pang Jiangli, et al. Holocene Extreme Floods of the Tianshui Gorges of the Weihe River[J]. Progress in Geography, 2010, 29(7): 840-846.

[23] 姚平, 黃春長, 龐獎勵, 等. 北洛河中游黃陵洛川段全新世古洪水研究[J]. 地理學(xué)報, 2008, 63(11): 1198-1206. Yao Ping, Huang Chunchang, Pang Jiangli, et al. Palaeoflood Hydrological Study in the Luochuan, Huangling Reach in the Middle Reach of Beiluo River[J]. Acta Geographica Sinica, 2008, 63(11): 1198-1206.

[24] 王龍升, 黃春長, 龐獎勵, 等. 旬陽東段漢江全新世古洪水研究[J]. 地理科學(xué)進展, 2012, 31(9): 1141-1143. Wang Longsheng, Huang Chunchang, Pang Jiangli, et al. Palaeoflood Hydrological Study in the Xunyang Reach in Hanjiang River[J]. Progress In Geography, 2012, 31(9): 1141-1143.

[25] 李曉剛, 黃春長, 龐獎勵, 等. 漢江上游白河段萬年尺度洪水水文學(xué)研究[J]. 地理科學(xué), 2012，32(8): 971-978. Li Xiaogang, Huang Chunchang, Pang Jiangli, et al. Palaeoflood Hydrological Study in the Baihe Reach in the Upper Reaches of the Hanjiang River[J]. Scientia Geographica Sinica, 2012, 32(8): 971-978.

[26] 虎亞偉, 龐獎勵, 黃春長, 等. 漢江上游鄖西段全新世古洪水水文學(xué)研究[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報, 2012, 21(5): 55-62. Hu Yawei, Pang Jiangli, Huang Chunchang, et al. Palaeoflood Hydrological Study in the Yunxi Reach in the Upper Reaches of the Hanjiang River[J]. Journal of Natural Disasters. 2012, 21(5): 55-62.

[27] 詹道江, 謝悅波. 洪水計算新進展: 古洪水研究[J]. 水文, 1997(1): 1-6. Zhan Daojiang, Xie Yuebo. New Process in the Flood: Palaeoflood Research[J]. Hydrology, 1997(1): 1-6.

[28] 詹道江, 謝悅波. 古洪水研究[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2001:49-90. Zhan Daojiang, Xie Yuebo. Palaeoflood Study[M]. Beijing: China Water Power Press, 2001: 49-90.

[29] 張會平, 張培震, 吳慶龍, 等. 循化一貴德地區(qū)黃河水系河流縱剖面形態(tài)特征及其構(gòu)造意義[J]. 第四紀(jì)研究, 2008, 28(2): 299-309. Zhang Huiping, Zhang Peizhen, Wu Qinglong, et al. Characteristic of the Huanghe River Longitudinal Profiles around Xunhua-Guizhou Area (Ne Tibet) and Their Tectonic Significance[J]. Quaternary Sciences , 2008, 28(2): 299-307.

[30] 武漢水利水電學(xué)院水力學(xué)教研室. 水力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1986: 335-336. Hydraulic Section,School of Water Resource and Hydropower. Hydraulic[M]. Beijing: Higher Education Press, 1986: 335-336.

[31] 詹道江, 葉守澤. 工程水文學(xué)[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2000: 276-277. Zhan Daojiang, Ye Shouze. Engineering Hydrology[M]. Beijing: China Water Power Press, 2000: 276-277.

[32] Chew V T. Open-Channel Hydraulics[M]. New York: McGraw-Hill Book Company Inc, 1959.

[33] 李瑜琴, 黃春長, 龐獎勵, 等. 涇河中游龍山文化晚期特大洪水水文學(xué)研究[J]. 地理學(xué)報, 2009, 64(5): 541-552. Li Yuqin, Huang Chunchang , Pang Jiangli, et al. Paleoflood Occurrence in the Late Period of the Longshan Culture in the Middle Reaches of the Jinghe River[J]. Acta Geographica Sinca, 2009, 64(5): 541-552.

[34] 查小春, 黃春長, 龐獎勵. 關(guān)中西部漆水河全新世特大洪水與環(huán)境演變[J]. 地理學(xué)報, 2007, 62(3): 291-300. Zha Xiaochun, Huang Chunchang, Pang Jiangli. Holocene Extreme Floods and Environmental Change of Qishuihe River in Western Guanzhong Basin[J]. Acta Goegraphica Sinica, 2007, 62(3): 291-300.

[35] 胡貴明，黃春長，周亞利, 等. 伊河龍門峽段全新世古洪水和歷史洪水水文學(xué)重建[J]. 地理學(xué)報, 2015, 70(7):1165-1176. Hu Guiming, Huang Chunchang, Zhou Yali, et al. Hydrological Reconstruction of Holocene Palaeofloods and Historical Floods in the Longmen Gorge of the Yihe River[J]. Acta Goegraphica Sinica, 2015, 70(7):1165-1176.

[36] 張淑芹，劉玉英. 下遼河平原晚更新世泥炭的發(fā)現(xiàn)及其古氣候意義[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版, 2013, 43(3):845-850. Zhang Shuqin, Liu Yuying. Discovery of the late Pleistocene in the Lower Liaohe River Plain and Its Plaeoclimatic Significance[J]. Journal of Jilin University:Earth Science Edition, 2013, 43(3):845-850.

[37] 于磊，楊井泉，徐麗梅，等．氣候變化背景下海河流域干旱特征及趨勢[J]．吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版, 2014, 44(5):1615-1624. Yu Lei, Yang Jingquan, Xu Limei, et al. Trend and Drying Characteristics of Haihe River Basin Under the Background of Climate Change[J]. Journal of Jilin University: Earth Science Edition, 2014, 44(5):1615-1624.

Palaeoflood Hydrological Reconstruction in Jingyuan-Jingtai Reach in Upper Yellow River Valley

Hu Guiming, Huang Chunchang, Zhou Yali, Pang Jiangli, Zha Xiaochun, Guo Yongqiang

CollegeofTourismandEnvironmentalSciences,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an710062,China

A systematical field investigation is carried out in the upper Yellow River valley from Jingtai to Jingyuan reach. Palaeoflood slackwater deposits (SWD) are identified at several sites. The Holocene sediment profile at the site of Jinpingcun (JPC) is chosen for a further study on the palaeoflood hydrology. OSL dating and stratigraphic correlation with Jixian (FJJ) site in the middle reach gorge of the Yellow River show that these extreme palaeoflood events occurred during 3 200-3 000 a B.P., at the time when the climate was at the turn from the Middle Holocene climatic optimum to the Late Holocene dry period. This corresponds to the transition period from Shang Dynasty to Western Zhou Dynasty when many serious drought and flood disasters, harvest failures, and major social changes occurred. The palaeoflood stage is obtained by palaeohydrological methods. The reconstructed palaeoflood peak discharges were 16 110-17 740 m3/s using the slope-area method. Reconstruction of current flood (in 2012.07.31) and comparison with the gauged discharge prove that the hydrological method and hydrological parameters used are reliable. These results are very important to establish the relationship between peak discharge and occurrence frequency by 10 000-year time-scale in Lanzhou to Jingyuan reach. The method is very useful in Hydraulic engineering along the upper Yellow River.

upper Yellow River; Holocene; palaeoflood; slackwater deposit; hydrology

10.13278/j.cnki.jjuese.201506206.

2015-02-23

國家自然科學(xué)基金項目(41471071)；教育部博士點基金優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域項目(20110202130002)

胡貴明(1989--)，男，博士研究生，主要從事資源開發(fā)與環(huán)境演變研究，E-mail:guduyuyi@163.com

黃春長(1953--)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事資源開發(fā)與環(huán)境演變研究，E-mail:cchuang@snnu.edu.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201506206

P476

A

胡貴明，黃春長，周亞利，等.黃河上游靖遠--景泰段全新世古洪水水文學(xué).吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2015,45(6):1822-1832.

Hu Guiming, Huang Chunchang, Zhou Yali, et al. Palaeoflood Hydrological Reconstruction in the Jingyuan-Jingtai Reach in the Upper Yellow River Valley.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(6):1822-1832.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201506206.