古洪水事件識(shí)別及古洪水與氣候關(guān)系研究綜述

劉增琦

摘? 要：古洪水事件的識(shí)別是古洪水研究的關(guān)鍵手段，古洪水沉積物的野外特征、粒度組成特征及粒度參數(shù)、磁化率等，對(duì)于識(shí)別古洪水事件具有重要的參考價(jià)值;另外，古洪水還會(huì)造成文化遺存，在河道、文物或巖石上留下洪痕以及造成文化間斷，這些都是重要的古洪水證據(jù)。該文介紹了古洪水事件的3種識(shí)別方法，分別為地貌學(xué)方法、沉積學(xué)方法和環(huán)境考古學(xué)方法，討論了洪水和氣候變化的具體機(jī)制，有助于深入理解氣候變化和古洪水事件及其時(shí)間規(guī)律性的研究以及洪澇災(zāi)害對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律。

關(guān)鍵詞：古洪水;沉積學(xué);氣候關(guān)系

中圖分類號(hào) TV211.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2019）12-0070-3

Abstract：The identification of paleoflood events is the key means of paleoflood research.The field characteristics，grain size composition characteristics，grain size parameters and magnetic susceptibility of paleoflood sediments have important reference value for identifying paleoflood events.Paleoflood also causes cultural relics，leaving flood marks on rivers，cultural relics or rocks and causing cultural discontinuity.These are important evidence of paleoflood.This paper mainly discusses three identification methods：geomorphology，sedimentology and environmental archaeology，which play an active role in determining paleoflood events.Finally，the specific mechanisms of flood and climate change are discussed，which will help us to understand climate change，paleoflood events and their temporal regularity，as well as the response of flood disasters to climate change.

Key words：Paleoflood;Sedimentology;Climate Relations

洪水是一種非常普遍并且嚴(yán)重的自然災(zāi)害，會(huì)對(duì)人們的生活環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，并且危脅著人類的生命財(cái)產(chǎn)安全。森林植被的過度砍伐以及城市化建設(shè)，改變了土地原有的利用方式，尤其是在全球變暖的今天，旱澇災(zāi)害等極端天氣頻繁發(fā)生，使得洪水事件受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究和關(guān)注，對(duì)洪水災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)以及防洪具有非常重大的意義。古洪水是指第四紀(jì)全新世以來的可供考察的洪水事件。在過去，氣候水文變化存在記載洪水水文學(xué)的文獻(xiàn)，空間資料覆蓋率不均衡以及資料時(shí)間尺度有限等問題。古洪水的研究，可以重建超長(zhǎng)尺度洪水年代序列，恢復(fù)古洪水洪峰和流量，有助于理解由環(huán)境變化造成的河道水文變化，及其懸移質(zhì)泥沙搬運(yùn)和沉積規(guī)律，有助于反演氣候環(huán)境，揭示區(qū)域氣候環(huán)境變化。在河流水資源的規(guī)劃治理、洪水資料的記錄掌握和水利工程建設(shè)等工作中，都迫切需要準(zhǔn)確的超長(zhǎng)尺度洪水年代序列以及水文數(shù)據(jù)資料。在古洪水研究中，以識(shí)別古洪水沉積物為前提和關(guān)鍵手段。

1 古洪水事件的識(shí)別方法

對(duì)古洪水研究的主要途徑是通過識(shí)別古洪水滯留沉積物（slack water deposit）來分析古洪水事件。沉積物一般沉積在河谷、階地、洞穴、河口以及河道寬度陡變的地段。埋藏在地層中的洪水沉積在垂直方向上會(huì)體現(xiàn)出粒度成分、顏色、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等方面的明顯不同[1]，洪水還會(huì)造成文化間斷，在河道、文物、樹木或巖石上留下洪痕以及造成文化間斷。本文主要探討了3種識(shí)別古洪水地層的方法，分別為地貌學(xué)方法、沉積學(xué)方法和環(huán)境考古學(xué)學(xué)方法。

1.1 地貌學(xué)方法 古洪水滯留沉積是由洪水洪峰過境后流速極低的水流輸入的細(xì)顆粒沉積物形成的，通常沉積在河谷、階地、洞穴、河口以及河道寬度陡變的地段，可能會(huì)形成沖積地貌，如沖積平原、洪泛平原，沖積扇、三角洲等。在不同的河道流域，古洪水滯留沉積物在野外剖面會(huì)呈現(xiàn)出不同的特征。吳帥虎等[2]以漢江上游河谷的古洪水滯留沉積物為研究對(duì)象，分析了古洪水沉積物的野外宏觀特征。首先是洪水沉積物的顏色在剖面中會(huì)呈現(xiàn)出突變，例如洪水沉積物與古土壤和黃土顏色呈現(xiàn)出明顯不同。其次是洪水沉積物的結(jié)構(gòu)呈松散的粒狀結(jié)構(gòu)，而古土壤和黃土為棱柱狀結(jié)構(gòu);最后是洪水沉積物與其它地層層界清楚，結(jié)構(gòu)末端翹起并尖滅。郝高建等[3]研究了黃河晉陜峽谷的古洪水滯留沉積物，指出古洪水沉積頂部有粘土質(zhì)蓋層或者有因洪水?dāng)y帶植物根莖、花粉、孢子和碎葉等形成的有機(jī)質(zhì)層，每層古洪水滯留沉積物代表一期洪水，在此處的全新世黃土剖面中發(fā)生了5次特大古洪水，形成了一個(gè)古洪水期。黃春長(zhǎng)等[1]以黃河流域關(guān)中盆地的古洪水滯留沉積物為例，為其的判別建立了標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 沉積學(xué)方法 沉積物的粒度分析是恢復(fù)和研究古氣候環(huán)境的關(guān)鍵。根據(jù)沉積物粒徑大小、粒度參數(shù)以及粒徑分布圖可以區(qū)分沉積類型，分析出發(fā)生沉積作用時(shí)的地理環(huán)境和水力條件。沉積物的主要顆?；居伤樾己蛶r屑組成。其尺寸，形狀和結(jié)構(gòu)是地形、風(fēng)力和水動(dòng)力等環(huán)境元素相互作用的結(jié)果。沉積物粒徑可以反映出當(dāng)時(shí)的沉積規(guī)律，是衡量水動(dòng)力條件，指示沉積物的來源，是氣候干旱和潮濕的指標(biāo)。根據(jù)沉積物樣本的粒度參數(shù)，可以分析大量的信息，對(duì)了解氣候和環(huán)境變化有重要的科學(xué)意義。由于風(fēng)化成壤作用對(duì)古洪水滯留沉積物改造強(qiáng)度的不同，在粒度成份上相較于黃土古土壤的粘粒/粉砂比值結(jié)果偏小，粒徑分布集中，分選良好，磁化率低[4]。在粒度組成上，與之相對(duì)比中值粒徑（Md）、平均粒徑（Mz）、標(biāo)準(zhǔn)離差（σ）、偏度（SK）、分選系數(shù)（S0）粒度參數(shù)，可知古洪水滯留沉積物的中值粒徑和平均粒徑均比黃土和古土壤的偏大，而滯留沉積物的標(biāo)準(zhǔn)離差和分選系數(shù)與之相比偏低，說明分選較好[4，5]。除此之外，石英砂表面特征，磁化率也可以用來判別古洪水事件，例如朱誠(chéng)等[6]利用粒度、石英砂表面特征對(duì)南京江北地區(qū)的沉積物進(jìn)行研究，研究表明該地區(qū)在全新世以來發(fā)生了至少6次古洪水事件，楊曉燕等[7]通過磁化率對(duì)黃河上游官亭盆地的測(cè)量區(qū)分出了14個(gè)洪水單元。這些沉積物指標(biāo)在野外考察的基礎(chǔ)上，可以更加準(zhǔn)確地判斷古洪水滯留沉積物，這些工作為古洪水定量研究工作的開展奠定了一定的基礎(chǔ)。

1.3 環(huán)境考古方法

1.3.1 古洪水遺跡 在河流階地，支流溝口或是古建筑等古文物上會(huì)顯示出洪痕，如果后期的洪水洪峰大于前期時(shí)，前期洪水的洪痕就會(huì)被沖刷進(jìn)而掩蓋，反之后期的洪峰小于前期時(shí)，其洪痕才能得以保留。這些也可以作為判別古洪水判別的標(biāo)志，科學(xué)家在這方面做過研究。例如，長(zhǎng)江幕府山巖壁巖石表面水位痕跡的發(fā)現(xiàn)，就是古洪水事件發(fā)生的直接證據(jù)。

1.3.2 文化遺存 人類文明的起源和演變與河流密切相關(guān)，史前人類的定居點(diǎn)往往沿著河流分布，這樣就會(huì)不可避免地受到洪水的影響。這些洪泛區(qū)留下的文化遺存均可以證明古洪水事件，Li等[8]在黃河上流流域發(fā)現(xiàn)沙龍卡遺址。利用石英OSL（洪水沉積物的年代存在高估）、14C、磁化率和粒度成分測(cè)定證明在距今16000～3000年前，經(jīng)歷了1個(gè)洪水期。在大約15ka、8.3～5.4ka、3ka之后洪水頻率降低，史前人類移居到這些沿河階地。

1.3.3 文化中斷 古洪水會(huì)造成文化中斷，在穩(wěn)定的環(huán)境下地層中的文化層應(yīng)是連續(xù)的，若出現(xiàn)文化中斷有可能是洪水所至。張蕓等[9]在對(duì)長(zhǎng)江三峽地區(qū)環(huán)境考古與異常洪澇災(zāi)害的研究中發(fā)現(xiàn)，該區(qū)有些文化遺存存在文化層缺失現(xiàn)象，上下2個(gè)文化層之間普遍夾有一無文化遺物的淤積層，可能由洪水所致。除此之外，塊狀運(yùn)動(dòng)（如地震、滑坡等）也會(huì)造成文化層的中斷。塊體運(yùn)動(dòng)與洪水成因的沉積層有很大相似性，經(jīng)常會(huì)干擾洪水事件的識(shí)別。這是我們?cè)诠藕樗芯恐幸刈⒁獾囊稽c(diǎn)。

2 古洪水與氣候的關(guān)系分析

在全球變化的的背景下對(duì)古洪水的研究是一個(gè)重要方向，使得水文地貌和洪水事件成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。洪水滯留沉積物是當(dāng)時(shí)氣候水文事件和氣候變化的重要載體，可以借助沉積物質(zhì)進(jìn)行水文學(xué)恢復(fù)研究。通過釋光測(cè)年技術(shù)可以獲得洪水發(fā)生的年代，建立高分辨率的年代框架，進(jìn)而進(jìn)一步深入理解特大洪水事件對(duì)于過去氣候背景的變化的響應(yīng)規(guī)律。

2.1 洪水與季風(fēng)的關(guān)系 Zhao等[10]在永定河中游流域處發(fā)現(xiàn)6期古洪水沉積。并用石英OSL測(cè)年，以及用最小年齡模型（MAM）、中心年齡模型（CAM）計(jì)算De值。結(jié)果表明，這些古洪水事件發(fā)生在全新世，主要集中在8.5～7.3ka、2.8～2.4ka和1～0.5ka3個(gè)階段。與中國(guó)高分辨率的氣候記錄相比，這些古洪水事件均發(fā)生在氣候過渡期（當(dāng)氣候從暖濕（冷濕）期轉(zhuǎn)變?yōu)槔涓桑馗桑┢跁r(shí)，干旱地區(qū)植被覆蓋度率下降，導(dǎo)致儲(chǔ)水能力迅速下降，雖然降水量可能會(huì)減少，但河流水位會(huì)迅速上升，導(dǎo)致洪水;另一方面，當(dāng)氣候由冷干（暖干）期轉(zhuǎn)變?yōu)榕瘽瘢ɡ錆瘢┢跁r(shí)，植被覆蓋率開始增加，但還需要一定的時(shí)間來提高植被的蓄水能力。降水增加后會(huì)導(dǎo)致洪水的頻繁發(fā)生）。Guo等[11]結(jié)合全新世黃土古土壤地層對(duì)比，漢江上游SWD1-3分別出現(xiàn)在風(fēng)成黃土與類古土壤、類古土壤與表層土、現(xiàn)代黃土與表層土的分界面。結(jié)合石英OSL測(cè)年結(jié)果表明分別發(fā)生在9500～8500、3200～2800和1800～1700a B.P，漢江發(fā)生的特大洪水事件是夏季風(fēng)狀態(tài)失常的結(jié)果。Greenbaum[12]證明在內(nèi)蓋夫沙漠南部MIS3時(shí)期發(fā)生的大型古洪水增多的事件是由于降雨強(qiáng)度或持續(xù)時(shí)間增加的結(jié)果。Huang[13]證明涇河中游特大洪水事件主要發(fā)生在氣候轉(zhuǎn)折階段，此時(shí)季風(fēng)氣候變化異常，變率大，旱澇并存。Ely[14]、Benito[15]分別在美國(guó)中西部、西班牙西部研究發(fā)現(xiàn)，洪水頻發(fā)期與該地區(qū)氣候異常變化同樣存在著良好的相關(guān)關(guān)系。

2.2 洪水與ENSO的關(guān)系 Kiem等[16]將澳大利亞南部的洪水與ENSO做了對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其具有一定的相關(guān)性。馮利華等[17]分析了1865—1980年期間長(zhǎng)江漢口流域洪水事件與厄爾尼諾的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江漢口流域在厄爾尼諾的當(dāng)年或次年出現(xiàn)洪水的幾率更高，尤其是次年更易發(fā)生洪災(zāi)。楊特群等[18]對(duì)黃河流域的研究也得出了相同的結(jié)論。

3 展望

3.1 加強(qiáng)年代學(xué)研究 保證高分辨率精確的洪水年代序列是建立古洪水年表的前提，古洪水事件重建環(huán)境演化急需掌握精確而可靠的年代，對(duì)不同流域環(huán)境演變的深入研究急需要可靠的年代學(xué)數(shù)據(jù)作為支撐。在年代研究中，應(yīng)根據(jù)沉積物特點(diǎn)選用測(cè)年方法，并且選用多種測(cè)年方法以驗(yàn)證測(cè)年結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 加強(qiáng)古洪水事件跨流域?qū)Ρ确治鲅芯?國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)洪水事件的研究幾乎都在一個(gè)區(qū)域，例如在我國(guó)的長(zhǎng)江、黃河地區(qū)的發(fā)生的洪水進(jìn)行了大量的研究，而在西北地區(qū)的古洪水研究幾乎是空白的。區(qū)域洪水的研究只能代表本地事件，由于不同區(qū)域洪水的沉積特征、成因及其對(duì)氣候背景的響應(yīng)都有其特殊性和差異性，此外，許多洪水和氣候變化的后果是完全不同的。因此，加強(qiáng)不同流域的古洪水事件的跨流域?qū)Ρ妊芯匡@得尤為重要，可以進(jìn)一步揭示洪水事件和氣候變化的具體物理機(jī)制。

3.3 加強(qiáng)定量研究和多環(huán)境指標(biāo)的綜合研究 雖然目前對(duì)古洪水沉積物的野外特征和試驗(yàn)判別有了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但由于河道水文千變?nèi)f化，洪水的沉積特征不同區(qū)域不近相同，難以在野外找到能夠準(zhǔn)卻識(shí)別洪水的沉積物，為下一步的精確的古洪水恢復(fù)提供了難度。因此，今后應(yīng)加強(qiáng)多環(huán)境指標(biāo)的綜合研究以及加強(qiáng)定量研究，提高古洪水研究在時(shí)間上和空間上高分辨的識(shí)別率。

3.4 加強(qiáng)多學(xué)科合作 影響洪水的因素有很多，包括季風(fēng)、地形、太陽活動(dòng)變化、植被變化，人類活動(dòng)以及其他因素，涉及的內(nèi)容包括地貌學(xué)、沉積學(xué)、考古學(xué)、古生物學(xué)、第四季構(gòu)造學(xué)、水文學(xué)、氣候?qū)W、社會(huì)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。如何提取洪水信息，是需要解決的實(shí)際問題。因此，今后應(yīng)加強(qiáng)多學(xué)科的協(xié)同合作，以不同學(xué)科的角度對(duì)古洪水進(jìn)行更深一步的研究。

4 小結(jié)

綜上所述，洪水滯留沉積物在地層垂直方向上會(huì)體現(xiàn)出顏色、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等方面發(fā)生突變，沉積層頂部會(huì)出現(xiàn)粘土質(zhì)蓋層或是沉積形成的有機(jī)質(zhì)層，造成沉積間斷。在室內(nèi)可通過分析粒度、磁化率、石英砂表面特征等沉積物指標(biāo)在野外考察的基礎(chǔ)上更加準(zhǔn)確地判斷古洪水滯留沉積物。古洪水事件還會(huì)對(duì)古文化造成影響。極端自然災(zāi)害發(fā)生的氣候背景受全球變化和季風(fēng)環(huán)流的影響，與季風(fēng)環(huán)流異常、降水變化大密切相關(guān)，與ESNO也呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性。

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（責(zé)編：張宏民）