黄河流域全新世古洪水研究进展及展望

张鹏，杨劲松，赵华，刘哲，宋磊，张润，曹文庚

1. 中国地质科学院水文地质环境地质研究所， 石家庄 050061

2. 中国地质科学院第四纪年代学与水文环境演变重点实验室， 石家庄 050061

3. 中国地质大学（北京），北京 100083

4. 中国地震局地质研究所， 北京 100029

5. 中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061

在全球变暖的大背景下，极端事件尤其是极端水文事件频发[1]。洪灾作为极端水文事件的重要表现形式，由于其危害的严重性和突发性而备受关注，因此对洪水过程和规律的认识显得尤为重要。但是，传统研究主要依靠洪灾的文史记录和监测数据，覆盖的时间和空间有限，难以为研究洪水规律及预测提供全面、可靠的记录数据。而古洪水研究通过分析人类记录之前洪水事件所形成的地质记录，能够有效延长洪水记录的时空尺度，在查明洪水年代、洪峰水位和流量等水文信息基础上，科学系统地认识洪水历史、过程及规律。尤其是全新世古洪水事件与人类社会的发展密切相关，近年来已成为第四纪地质学和全球变化研究的热点之一[2-5]。

据灾难中心网统计，20 世纪全球范围内100 次最致命的自然灾害中有23 次发生在中国，其中有10 次 为 洪 灾 （ http:www.disastercenter.com/disaster/TOP100K.html），洪水已然成为我国最需要预防和应对的自然灾害之一。黄河流域由于独特的地质地貌条件，历来被认为是我国洪水泛滥最为严重的河流，长期存在较大的洪灾风险[6]。通过对黄河在全新世期间发生的古洪水事件进行研究，一方面有助于科学分析黄河流域在万年尺度对气候变化的响应规律，另一方面能够推动合理认识理解洪水事件与人类活动之间的相互关系[7]。基于黄河流域全新世古洪水研究的重要性，本文在系统总结近十年来研究者在古洪水识别、水文重建、年代框架建立和洪水与史前文化关系探讨等方面取得的新认识基础上，结合当前国际研究前沿，提出黄河流域古洪水研究的主要趋势。

1 黄河流域全新世古洪水研究现状

黄河流域自古以来洪灾频发，相应的洪水事件在地质记录中较为丰富，我国学者已经围绕黄河主要的干支流上获取了丰富的全新世古洪水研究成果（图1）。早期古洪水研究主要用于恢复洪峰水位、流量等水文信息，并延长洪水历史重现期[8-9]。随着科学技术的发展以及多学科交叉融合，近年来黄河流域的古洪水研究在古洪水识别、水文学重建、洪水年代框架和环境考古等方面都取得了较大进展。

1.1 古洪水识别

目前国内外对河流沉积体系的古洪水识别，主要将滞留沉积（slack-water deposits）作为全新世古洪水事件的识别标准[10-11]。滞留沉积是指河流在行洪过程的洪峰阶段洪水溢出主河道，在合适的地理位置（如河流交汇口、河岸洞穴等地）流速趋近于零，此时洪水裹挟的孢粉、根茎叶残体、泥沙等悬移质开始沉积并形成具水平层理的细粒沉积物[11]。

黄河流域的滞留沉积由于相似的沉积物源和水动力条件，在沉积特征上具有一定的共性。黄春长等[7]和李晓刚等[12]基于黄河中游多年的研究经验，认为黄土地区的古洪水滞留沉积与相邻沉积层在颜色和沉积构造等外观上的差异可以作为古洪水事件的野外识别特征。随着环境代用指标测试方法的完善和技术手段的不断提高，古洪水识别从野外的定性划分逐步发展为室内的定量分析。黄河流域多个研究地点的全新世古洪水滞留沉积在理化指标上具有以下相似特征：（1）粒度频率曲线表现为主峰单一且狭窄，平均粒径和中值粒径的数值小，指示了其为水动力条件低的河流悬移质沉积[13-14]；（2）古洪水滞留沉积与相邻古土壤相比，由于未受成壤作用影响而具有低磁化率、低烧失量的特征[15]；（3）古洪水滞留沉积物中的石英颗粒表面一般具有三角痕、V 形坑等特征，这与典型风成沉积物石英颗粒表面特征差异明显[13]；（4）古洪水滞留沉积与现代黄河滞留沉积在Fe2O3、Na2O、MgO、Si2O 等常量元素的含量上相近，反映其与现代黄河滞留沉积应为相同的物源[15]。可以看出，洪水作为一种异常突变事件，其形成的沉积物在沉积特征及理化指标上均与其他沉积物具有较为明显的差异，利用这种差异性并对比现代沉积过程可以作为识别黄河流域古洪水事件的重要手段。

图1 近十年来黄河流域全新世古洪水研究剖面位置图Fig.1 Location map of the Holocene paleoflood research sections of the Yellow River basin

1.2 古洪水水文学重建

古洪水水文学重建是古洪水研究的重要目的之一，通过恢复全新世时期的洪峰水位和流量等水文信息，延长洪水记录，为科学评价洪水周期规律及影响程度提供基础数据。黄河中上游的基岩峡谷段具有河槽稳定、水动力条件明确等特点，是古洪水水文重建的理想地区。近年来古洪水水文重建工作在上游靖远-景泰段[16]及支流洮河[17]、中游晋陕峡谷段[18]及主要支流渭河[19]等多个研究地点取得了一系列成果（图1，表1）。

古洪水滞留沉积作为古洪水事件的直接记录，能够提供洪水水位等信息。尽管杨达源等[8]较早地认识到对于高含沙量的黄河流域，古洪水滞留沉积的尖灭端高程与古洪水水位基本相同，但该方法在未出现真正尖灭点的沉积层或具有一定厚度沉积层的地方推求古洪水水位具有一定的局限性[9]。其后，黄春长等[20]认为可以利用“洪水滞留沉积厚度与河流含沙量关系法”恢复古洪水水位，能够较好地弥补前人方法的局限，获取更加准确的古洪水水位。而就黄河流域古洪水洪峰流量而言，近五年来运用广泛的包括比降-面积法和采用HEC-RAS（Hydrology Engineering Center-River Analysis System）模型。两种方法都基于水利建设常用的曼宁公式，其中面积-比降法在糙率值的获取上主要依靠经验获得，而HEC-RAS 模型依靠大量的河槽形态数据和水文参数大幅减少了糙率值的影响，相对前者获取的结果更加准确[21]。通过收集近五年来黄河流域不同河段古洪水水文重建结果，发现全新世古洪水洪峰流量是该河段水文站实测最大洪峰流量的2～4 倍，这与全球其他典型流域的全新世古洪水水文重建结果一致[22]（表 1）。

1.3 古洪水年代框架的建立

古洪水事件的年代测定是古洪水研究最为关键的环节，只有建立可靠的年代框架，才能在时间标尺下对古洪水的规律、机制和影响进行对比分析。现今黄河流域全新世古洪水年代学研究一般使用放射性碳（AMS-14C）、光释光（OSL）、地层对比和考古年代等多种方法开展古洪水事件的断代，在区域上也取得了较好的研究成果[12]。

本文系统收集了近年来黄河流域28 个地点的古洪水研究成果（表2），结果表明古洪水年代数据在空间上主要集中黄河中游的干支流，在技术方法上以光释光测年为主。这表明了黄河中游是流域内古洪水年代框架建立较完善的区域，而且由于该区域位于黄土高原地区，独特的黄土-古土壤序列中穿插着古洪水沉积层为利用光释光测年开展古洪水研究提供了便利。从年代框架中可以发现，黄河流域广泛发育有 4 200～3 000 aBP 期间的异常洪水记 录 ， 尤 其 是 集 中 在 4 200～ 4 000 aBP 和 3 200～3 000 aBP 两个时段。其中，4 200～4 000 aBP 时段的洪水地质记录在上游官亭盆地[27]，黄河中游洛阳段[43]和泾河[35]、北洛河[10]和漆水河[7]等主要支流以及下游菏泽段[48]均有相关报道。3 200～3 000 aBP 期间的古洪水事件的相关记录主要包括上游景泰峡谷[16]、官亭盆地[26]，中游晋陕峡谷[40]、渭河[19]、漆水河[7]以及下游内黄段[47]。可以看出，对两次古洪水事件均有记录的研究地点极少，仅在漆水河部分河段同时保存有这两次洪水记录。这可能与洪水规模和不同地点的沉积过程有关，如果希望获取相对完整丰富的古洪水序列，需要在更多的区域开展详细的古洪水调查工作。另一方面，就黄河流域不同河段的古洪水年代框架而言，尽管我们无法确定这些同一时段、不同地点的洪水事件是否为同一洪水事件，是否与“大禹治水”等史前大洪水传说存在必然的联系，但现有成果基本可以确定黄河流域在4 200～3 000 aBP 期间存在一段洪水频发期。

表1 黄河流域古洪水水文信息重建Table 1 Comparison of paleoflood hydrological information of some research sites in the Yellow River Basin

表2 黄河流域全新世古洪水研究剖面位置及年代数据Table 2 The age data and location of the Holocene paleoflood research profiles

1.4 古洪水对史前文化的影响

黄河作为中华民族的母亲河，孕育了灿烂的中华文明，但频繁的洪水灾害也给人类文明带来了深远影响，地层中的古洪水记录为分析黄河对文明兴衰历程的影响提供了可能[46,49]。前人根据黄河两岸文化遗址中的古洪水记录，综合考古学、地质学和古环境分析成果，发现频繁的洪水灾害会改变沿岸人口聚集区布局[45,48]和农业生产方式[50]，尤其是对生产力较低的史前社会产生更为严重的影响。

值得一提的是，4 000 aBP 前后的史前大洪水由于发生在新石器时代晚期至青铜器时代之间，是研究黄河流域洪水与早期人类文明关系的重要研究对象。从沉积学上来看，在黄河上游喇家遗址[7]的齐家文化层、中游二里头遗址[43]和下游十里铺遗址[48]的龙山文化层均被黄河洪水沉积直接覆盖（图2），结合在遗址中发现史前先民被迫“水进人退”的考古证据，可认为4 000 年前后的史前大洪水摧毁了流域两岸大量的史前聚落，是新石器时代晚期文化消失的重要诱因[49]。同时，史前大洪水引起了大规模的人口迁徙以及有组织的抵御洪水活动[7,48]，这些行为在一定程度上促使形成了以二里头遗址为代表的青铜器时代早期大型城邑[43]。这为解释二里头文化遗址数量远远低于龙山文化，且多分布在海拔较高的嵩山地区的原因提供了一定的依据[51]。此外Wu 等[27]通过古洪水研究认为，黄河流域从新石器时代晚期至青铜器时代的社会政治大转型是古代先民应对积石峡堰塞湖溃决大洪水所作出的复杂文化反应。但是多位学者分别从堰塞湖消失时间[52-53]、溃决洪水流量计算方法[54]和上游溃决洪水对中下游文明影响程度[55]等方面提出质疑。可以看出，虽然黄河流域史前大洪水与华夏文明起源的问题尚存在一些争议，但有关史前时期古洪水事件-人类早期文明的演变关系是当前黄河流域古洪水研究的重要方向。由于古人类择水而居的生活习性，黄河沿岸分布的众多文化聚落必然会受到洪水事件的影响，所以我们有理由相信随着研究的逐渐深入，古洪水研究在黄河流域的环境考古中将扮演更为重要的角色。

图2 黄河流域古洪水文化序列对比a. 喇家遗址剖面（图 1 中的 2 号点）[26]；b. 二里头遗址剖面（图 1 中的 23 号点）[43]；c. 十里铺遗址剖面（图 1 中的 24 号点）[48]Fig.2 Cultural sequence comparison of palaeoflood records in the Yellow River Basina. profile of Lajia Site（Point 2 in Figure 1）, b. profile of Erlitou site（Point 23 in Figure 1）, c.profile of Shilipu site（Point 24 in Figure 1）.

2 黄河流域全新世古洪水研究展望

2.1 完善不同地貌位置古洪水记录

通过系统梳理现阶段黄河流域全新世古洪水研究现状，以往的研究区主要集中在基岩峡谷区，包括上游的官亭盆地、中游的晋陕峡谷及主要支流（图1）。这些区域洪水沉积物具有保存完好、出露明显和单次洪水信息明确等特点，易于开展古洪水调查和古洪水水文重建。然而，当今的研究者日益关注洪水灾害在不同时间、不同流域（空间）产生的序列变化及其对区域气候的响应[56-57]，只有围绕流域不同河段开展系统综合的调查及研究，才能科学、系统地认识洪水发生规律、机制及驱动因素。因此，下游平原区作为现代人类聚集区、城镇化核心区和洪灾高风险区理应加强相关工作。

但是黄河在下游流域决堤泛滥次数众多，河道变迁频繁往复，沉积相变复杂，使得对古洪水事件的判别和水文重建更加困难。借鉴国际上近年来在平原区古洪水研究所取得的重要成果，结合黄河下游相关工作，笔者初步梳理了黄河下游的洪水沉积物特征（图3）：（1）平原区洪水沉积物厚度、粒径大小等特征，受河流侵蚀强度影响与距离河道远近有密切关系。远离河道地区多为厚层细粒沉积物，近河道地区相对沉积粒径更粗、厚度更薄，对应洪水记录重现期也存在较大差异[58-59]；（2）洪水沉积单元存在着典型的二元结构，即下部为洪水漫滩后形成的黄色粉砂，上部为结构紧实的棕红色滞留沉积[48,60]；（3）黄河下游地区在古河道附近存在丰富的古文化层（古土壤层）和古湖泊层[46]，洪水层作为异常突变事件与其在沉积特征上有明显差别[61]；（4）古洪水沉积的粒度频率曲线与现代黄河洪水沉积相似，而与下伏古文化层有较大的差异[48]（图4）。这些沉积特征及指标上的差异为河流下游洪泛区开展异常洪水的判别提供了重要参考。同时，部分研究者[62-63]在下游平原区的古洪水水文学重建中进行了一系列有益的尝试，取得了较好的研究成果，为不同河段古洪水事件综合对比奠定了一定基础，后续随着研究的深入和多学科的交叉，下游地区将会获取更丰富的全新世古洪水记录。

2.2 加强古洪水年代测试研究

图3 黄河洪泛平原异常洪沉积模式及相应频率曲线 （据文献[59]改编）Fig.3 Abnormal flood deposition model and corresponding frequency curves of Yellow River flood plain （modified from reference [59]）

图4 黄河下游洪水沉积频率曲线图 （据文献 [48]改编）Fig.4 Paleoflood deposition frequency curves of the lower Yellow River （modified from reference [48]）

尽管黄河流域古洪水事件的年代框架已基本建立，但这些年代数据主要源自于中上游地区的光释光测年和地层对比，仅有少量研究结合文化考古或AMS-14C 测年（表2）。在黄河中上游利用OSL测年时，王恒松等[35]考虑到洪水等水成沉积物存在释光信号不完全晒退的可能，采用单片再生法获得黄河中上游洪水沉积物的等效剂量（De 值），根据De 分布特征判别埋藏前OSL 信号可能未归零的样品，对这些样品采用统计学方法选取De 较小的部分进行年代计算以期获得洪水发生的真实年代。但是平原区的洪水的沉积过程和规律与中上游有一定的区别，可能导致洪水沉积物光释光信号晒退程度不同，这使得该区洪水沉积物光释光测年结果的可靠性还需探索完善。比如Shen 等[64]认为，沂河盆地洪水沉积物粗颗粒石英晒退较好，推测其可能来自于河流上游长时间暴露的山区表层沉积物或较为年轻的河道沉积物。Zhao 等[65]在华北平原进行洪水沉积物光释光研究后指出，OSL 测年结果存在偏老的现象，而且同一洪水沉积层垂向不同位置的样品晒退程度不同。因此在洪泛区进行光释光测年尽量采集序列样品，在洪水沉积不同位置以及其上下的非洪水沉积层取样，以期获得准确可靠的年龄。

相对而言，黄河下游洪泛区的文化层或者古湖沉积中遗存有大量的有机质、螺壳和炭屑等，这为使用放射性碳测年提供了有效的测年材料。但值得注意的是，杨铭等[66]通过研究三杨庄汉代文化遗址中的洪水事件发现，14C 年代结果比OSL 年代结果严重高估，且高估值与深度呈正比，这可能是由于在黄河下游洪泛区利用AMS-14C 定年存在碳库效应[60]以及有机物的二次搬运造成的[67]。因此，如何在河流冲淤积体系下寻找到有效的测年材料是AMS-14C 法在黄河下游古洪水研究亟需解决的难点所在。

综上，黄河流域古洪水事件的断代重点需要加强样品挑选、方法改进和精细化研究，利用多种定年手段，结合黄河流域丰富的文化遗址和悠久的史料记载，多重比对，交互印证，综合分析异常洪水事件的上下限，确定高精度年代框架。通过下游年代数据结合中上游已有年代建立流域综合年代框架，将有助于分析黄河流域复杂的“气候-洪水-人文”关系。

2.3 深化洪水驱动因素的研究

由于季风区河流系统对于气候变化响应敏感，目前对黄河流域洪水驱动机制的研究集中在洪水事件的气候背景研究上。相关研究表明异常洪水事件在千年尺度上极易发生在气候突变或转折阶段，这些阶段存在着季风气候失稳和气候变率增大的现象[40,68]。随着区域古气候研究中精度的提高，学者发现极端降水导致的异常洪水与太阳活动[69]、北大西洋涛动[70]、太平洋年代际震荡[71]和厄尔尼诺事件[48]等百年或者年际尺度的气候现象存在着很好的相关性。

近年来，构造运动也被一些学者认为是黄河流域全新世古洪水事件的重要驱动因素之一，比如Wu 等[27]认为黄河史前大洪水是由于地震造成的堰塞湖溃决造成的。尽管这项研究尚存在一定的争议，但也为我们研究黄河流域异常洪水驱动机制提供了新思路。此外，通过对考古遗址中古洪水事件的分析，发现古人类活动也对洪水事件有重要影响，比如黄春长等[7]认为先周时期周原大规模的农业开发和城邑建设造成的水土流失，加剧了该区域洪水的侵蚀和沉积过程，而整个黄土高原的水土流失明显增加了黄河泛滥的频率[72]。同时，人类对堤坝等水利工程的过度依赖也会影响着黄河流域洪水灾害的频率和规模[45,47]。

总之，探讨黄河流域异常洪水的驱动机制时应综合考虑气候、构造运动以及人类作用等多种要素。尤其是全新世晚期，人类活动已成为影响黄河洪水主要因素之一。因此查明黄河流域洪水驱动机制需要结合水力学、气象学、地质学和考古学等多学科共同完成。

3 结论

结合近十年来黄河流域全新世古洪水研究进展，可以看出当前全新世古洪水研究区主要在中上游的基岩峡谷区进行，在沉积特征、水文重建和年代框架等方面取得了丰富成果。尤其是在黄河流域普遍发现有 4 200～3 000 aBP 期间的异常洪水记录，这些洪水事件与喇家遗址、大禹治水及夏王朝建立等历史文明兴衰更替可能存在着相关联系。但是目前在下游黄泛区关于古洪水的系统研究依然处于起步阶段，缺乏对古洪水地质记录和重建古洪水水文信息的详细研究，而作为中原文明的核心区和现代人类聚集区的下游地区更应加强古洪水的相关研究。笔者认为，今后随着测年技术的不断进步和不同学科的交叉融合，应进一步加强黄河流域内不同地貌单元、不同时间尺度下古洪水事件的综合对比分析，科学认识洪水事件的时空规律及影响因素，为未来全球变化大背景下黄河流域的洪灾风险评估和洪水防治提供重要资料。