长江中游河漫滩沉积序列对洪水事件的指示——以荆州扬子江剖面为例

罗 淑 元，郑 丽 匀，曹 向 明，高 震 东，李 晓 峰，贾 玉 连

(江西师范大学地理环境学院 鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西 南昌330022)

在全球变暖背景下，区域极端气候和环境问题愈加频发，严重影响到了区域的发展和经济建设[1-2]。在长江中下游地区，以洪涝为代表的自然灾害最为突出[1，3]。为更好地探究区域河流长时间序列上的水文特征，以便为区域防洪减灾提供参考，恢复河流古洪水强度和过程、重建古洪水序列及其发生规律和气候背景，已成为全球变化研究中的一个重要方面[4]。在高分辨率古洪水事件序列重建的研究中，材料主要集中于历史文献[5-6]和地层记录[7-8]。地层记录主要包括河漫滩沉积[9-12]和湖泊沉积[13-16]这两种素材，并取得了一定的成果。如：施雅风等[6]基于历史资料，重建了1840年以来长江中下游地区的洪水序列；王敏杰[8]和吴霜等[13]分别基于长江水下三角洲沉积的Zr/Fe和黄茅潭湖泊沉积的粒度及元素，重建了600 a和240 a的高分辨率洪水序列；Toonen 等[15]利用粒度端元分析重建了 Rhine 河流 450 a来的洪水事件。同时，在地层记录中，尤其是以河漫滩沉积序列重建洪水事件的研究中，洪水重建的指标和方法也各不相同，缺乏对比验证，例如：连丽聪等[17]认为河漫滩平均粒径和分选系数×粒径跨度是判断洪水较为理想的指标；钱鹏等[18]认为样品偏态系数为负偏、粒度偏粗、磁化率高时，沉积物粒径总体相对较大，反映水流量大，搬运能力强，有大洪水发生；展望等[19]认为大洪水时沉积物有机质含量高，粒度偏粗。另外，河漫滩快速堆积和河流侧向摆动引发的沉积环境变化，也会对古洪水的重建带来一定干扰[17，20]。上述研究表明，在洪水水文过程中，河漫滩沉积环境下的指标指示有其典型特征，但这种特征在洪水重建时并未得到应有的重视。因此，该区域亟待科学而系统地开展古洪水研究工作。

本文结合荆州长江河漫滩沉积序列扬子江剖面，基于植物残体AMS-14C charcoal和137Cs比活度建立的剖面年代框架，分析了沉积物粒度特征指示的沉积环境；并结合历史资料[21-24]和1877年以来宜昌站年最高水位和最大流量[24]，分析了河漫滩沉积体系中各粒度指标对洪水事件的指示与辨识效果，探究了可用于洪水事件判别的指标。分析成果可为基于河漫滩沉积进行古洪水重建提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

长江荆江河段上承宜昌以上地区来水，汇入了清江、沮漳河，干流经四口分流流入洞庭湖，再于城陵矶与干流汇合。长江该段流经江汉盆地，地势平坦，河流蜿蜒曲折，河网复杂，且与洞庭湖形成了复杂的江湖关系。荆江河段客水丰沛，上游宜昌站多年平均径流量为4 364.0亿m3，5～10月径流量占全年的79.0%[24]。清江和沮漳河多年平均径流量是140.0亿m3和26.5亿m3。受四口分洪影响，沙市站多年平均径流量为3 914.0亿m3，略小于上游宜昌站径流量。主汛期5～10月径流量占全年的76.5%，区域旱涝灾害频发[24]。

1.2 剖面概述

扬子江剖面(112.1299°E，30.3025°N)(见图1)在湖北省荆州市荆州区城南镇，位于长江北岸荆州大堤外侧。相对于荆江河道形态整体上的复杂多变，该(沙市)段河流自1788年来河道变幅较小，1796年龙洲垸修筑，近200 a来，以洲滩的生长和变迁为主，河流的侧向摆动并不显著[24]。该河段河道顺直微弯，流向朝东北，枯水期河宽1 500 m，洪水期河宽为1 800 m，剖面因岸线崩塌而出露。在2015年4月采样时，剖面顶部距离水面9.3 m，结合沙市站水文数据和地貌判断，除2006年和2011年极个别极枯年份外，该剖面大多数年份年份均被洪水淹没，属于中低位漫滩[17]。

图1 研究区概况Fig.1 Map of the research area

扬子江剖面由6段组成(见图2)，顶底衔接为一个完整的剖面。该剖面从上到下依次如图2中A、B、C、D、E和F所示，厚度依次是1.14，1.65，0.99，2.82，1.93 m和0.97 m，总厚度为9.50 m。底部0.40 m为青灰色淤泥质砂层；往上0.80 m为灰黄色粉砂质砂层；上部8.30 m为黏土质粉砂，颜色由深棕褐色渐变为灰黄色，中间含1层薄层灰黄色砂质粉砂，属河漫滩沉积。该层位层理清晰(见2中的A)，中间包含多层较薄的砂层，层理厚度为 5.00～15.00 mm，每层主要为棕褐色黏土质粉砂，层理之间夹一极薄的砂层，砂层中富含云母等片状矿物。这些特征与杨达源[25]、谢悦波等[26]对河流平流沉积(滞留沉积)特征的描述一致，沉积动力相对较弱。因为该剖面绝大多数年份均被洪水淹没，该剖面多年的沉积间断存在的可能性不高，沉积相对连续。对剖面以1.5 cm连续采样，共采集616份样品。

注：A是第1段；B是第2段；C是第3段；D是第4段；E是第5段；F是第6段；a为微层理。图2 扬子江剖面及微层理Fig.2 Photographs of YZR profile and its micro-lamination

1.3 实验方法

以激光衍射法对沉积物样品进行测试，测试前依次以10%的双氧水和10%的盐酸对适量的样品进行80 ℃水浴处理，离心洗酸后加入10 mL 的0.05 mol/L的分散剂，超声5 min后，以土壤折射率进行测试。测试的仪器为HORIBA particle sizer LA-950，该仪器测试粒径范围为0～3 000 μm，误差为5%[13]。测试在江西师范大学分析测试中心完成；粒度参数以矩值法求得，粒度组分参考了Udden-Wentworth 的分类标准[27-28]，粒度分布分维值的计算参考了史兴民等[29]的计算过程，并进行有标度和无标度范围的分析。由于确定标度范围后拟合的结果更好，因而选取有标度范围的粒度分维值D进行指标分析。

年代测试包括137Cs比活度测试和AMS-14Ccharcoal测试。其中，137Cs比活度测试过程参考了冷雪等[30]的过程，即取适量风干样品，研磨后蜡封3周时间，采用EG&G ORTEC公司GWL-120-15型高纯锗并型光子检测系统测定，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。AMS-14Ccharcoal测试：在9.02 m和7.05 m各取500 g风干样品，剔除明显的根系后，以10%的盐酸清洗样品，过180目筛网，取筛网上样品，在体视显微镜下挑选陆生高等植物种子和叶片，并送至Beta实验室进行测试。

2 结果分析

2.1 剖面年代序列

结合剖面野外描述和剖面上粒度3组份特征，扬子江剖面具有河漫滩典型的二元结构：下层为砂(河床相沉积)，上层8.30 m为黏土质粉砂(河漫滩相沉积)[12]。基于AMS-14Ccharcoal测试结果并结合δ13C和INTCAL 13 database的矫正[31]，其结果如表1所列：深度为9.02 m和7.05 m处的高等陆生植物残体14C的校正年代分别是1755～1760年和1810～1910年。137Cs为放射性核素，由核试验产生，半衰期为30.167 a，大气中的含量在1964年前后达到顶峰。结合137Cs比活度的结果显示：2.90 m处首次出现137Cs，137Cs比活度在1.89 m处达到整个剖面的峰值。结合137Cs在长江中下游地区河湖沉积物中分布特征，一般认为沉积序列中137Cs首次出现的层节对应1952～1953年，下部第一个137Cs峰值对应1963～1964年[30，32-33]。由于河流平流沉积中137Cs来源包括大气沉降和流域输入，因此该剖面中2.90 m处沉积时间不早于1952～1953年；1.89 m处沉积时间不早于1963～1964年。荆州水利志[24]中记载了长江主河道在1788年由紧贴荆州城迁移到现在位置，这与扬子江剖面河床相和河漫滩相间的相变存在极为密切的关联，本文判断该剖面的8.30 m处对应了1788年。结合上述时间点，扬子江剖面地层其他各处年代由线性差值计算，其结果如图3所示。综上认为：扬子江剖面上部8.30 m(河漫滩沉积部分)为1788年以来堆积的，该剖面沉积速率较快，达到了0.41a/样品。

表1 扬子江剖面AMS-14Ccharcoal测年结果

图3 扬子江剖面地层及年代Fig.3 Age control and lithological features of YZR profile

2.2 沉积物粒度特征

作为测定容易、环境指示意义明确的代用指标，粒度指标在气候和环境的重建中有着极为广泛的应用[34]。河流沉积物的粒度指标特征可以判断其沉积动力及其大小，其中，粒度频数曲线可以直观地分析沉积物搬运动力和特点，在古洪水判定中应用广泛。

为明确该剖面河漫滩沉积时期的搬运动力和特点，对0～8.30 m段(河漫滩沉积)沉积物的粒度频数分布和累积进行分析(8.30 m以下为河床相沉积，本文未讨论)，结果如图4所示：样品的粒度频数曲线主要为4种类型，分别为A1、A2、B和C。A1类型中主峰在25 μm左右，并在1 000 μm出明显的粗粒峰，说明除已递变悬浮搬运的颗粒物外，滚动组分也相对丰富；A2类型中，主峰在60～85μm，次峰为25μm，说明这类样品的跳跃组分极为丰富；上述两类样品均代表了较强的水动力环境，表示出类似河床相沉积的特征。C类样品主峰在10～25 μm，还有明显的黏粒峰，偶含砂砾，这部分样品跳跃组分含量极为稀少，为典型的平流沉积物粒度特征，其沉积动力相对较弱；B类样品主峰为25 μm，次峰在60 μm左右，其介于A2类型和C类型之间，沉积动力在两者之间。

结合上述4种类型(3类)的粒度频数分布曲线和频数累积曲线特征，对0～8.30 m段(河漫滩沉积相)样品进行归类统计。A1和A2型的样品为61个，代表较强的水动力环境，B型的样品为56个，沉积环境略强，C型为450个，沉积环境偏弱。它们粒度指标的平均值和标准差如表2所列：整体来看，A型样品平均粒径更粗、分选更差、粗颗粒组分多、细颗粒组分少、C值和中值粒径也更大、粒度分布分维值D更小[29]，这种特征与C型样品粒度特征正好相反；B型样品的粒度特征则处于两者之间。

2.3 粒度对洪水事件的指示

本文结合历史文献(四地文献记录中除局地洪灾的年份)[6，21-24]和宜昌站1877年来的年最大流量(大洪水标准为宜昌站流量大于60 000 m3/s，特大洪水标准为宜昌站流量大于60 000 m3/s且在历史资料中是严重致灾年份)[24]，判断出荆江河段自1788年来46个(特)大洪水年份(见图5)，6个特大洪水分别为1788，1860，1870，1931，1954年和1998年，40个大洪水年份为1796，1813，1827，1830，1835，1839，1840，1841，1848，1849，1883，1888，1892，1896，1898，1909，1917，1919，1921，1924，1926，1935，1936，1937，1938，1945，1948，1950，1958，1964，1966，1968，1974，1981，1983，1987，1989，1999，2004年和2010年。

表2 扬子江剖面0～8.3 m段不同类型样品的粒度指标平均值与标准差

图4 粒度频数分布曲线与粒度频数累积曲线Fig.4 Grain size frequency distribution curve and accumulation curve of the YZR profile

基于粒度特征，本文将平均粒径、分选、粒度频数分维值D等13个粒度指标与上述历史资料和水文数据进行对比，结果认为：该河漫滩记录了45次洪水事件，其中文献和水文记录有极少部分洪水年份没有识别(不同资料间相邻的洪水年份按成功识别)，如1919，1924，1948，1964年和1999年[6，21-24]；也有1864，1878年和1941年未能在历史文献和水文数据中得以查证。大洪水发生的频率为0.201 8 a/次，这和长江宜昌站(1877～2010年)年最大流量大于60 000 m3/s出现的频率(0.201 4 a/次)极为接近[24]；特大洪水发生的频率0.0263 a/次。

3 讨 论

对于河漫滩沉积来说，它是河水漫溢过自然堤，于自然堤与河岸之间洼地的河流沉积[25]，其沉积于洪水期，故而广义上来说，河漫滩沉积物均为洪水堆积物[17]。在一般洪水时，由于河流流量偏小，行洪水位偏低，自然堤后(河漫滩上)水深较浅，水流速偏慢，此时河漫滩不具备行洪能力，其沉积动力弱，堆积物也以黏土质粉砂为主，沉积物颗粒偏细[12，17-19，25-26]；在特大洪水时，由于河流流量超乎平时，自然堤后(河漫滩上)水深较深，流速和河流主洪道的流速相差无几，此时河漫滩上的沉积动力较强，沉积环境近似与河床相沉积，沉积物也以滚动—跃移组分为主(至少占据相当多的部分)，堆积物以粉砂质砂到砂(也有部分为砂质粉砂)[26]，沉积物颗粒较粗；大洪水的沉积环境则处于两者之间。

在扬子江剖面中上述特大洪水年份时沉积为砂质粉砂或砂，大部分样品是粉砂质砂，平均粒径在24.13 μm左右，个别样品(如1870年)的平均粒度达到60 μm以上，在粒度频数分布曲线和频数累积曲线中上，类似图4中A1和A2类型(即存在明显的砂粒级的峰，含有较为丰富的滚动组分和跳跃组分，分选较差)，更接近于河床相，反映了较强的沉积动力，这与上述特大洪水时河漫滩沉积特征的论述是相同的。大洪水年份沉积物为粉砂到砂质粉砂，样品的粒度特征类似与图4中的B类型，含有一定含量的跳跃组分，以递变悬浮组分和均匀悬浮组分为主；一般洪水年份时沉积物粒度偏细，分选相对较好。

图5 洪水事件序列Fig.5 Palaeoflood events reconstruction

将平均粒径、砂等13个指标与历史文献和水文数据所重建的46个(特)大洪水年份对比，各个指标对洪水年份检出的结果如表3所示：平均粒径、砂、(粗粉砂+砂)/(细粉砂+黏土)、中值粒径和粒度频数分维值D这5个指标对1788年来46个洪水年份的检出率超过了70%，分别达到82.61%，89.12%，80.43%，71.74%和76.09%，表明这5个指标对沉积环境响应敏感，作为洪水事件判定指标是合适的。分选系数、粉砂、黏土、峰态和偏态这5个指标对洪水检出率不及50%，检出率较差，不建议作为洪水重建的指标；粗粉砂、细粉砂和C值对洪水检出率在60%到70%。

表3 粒度指标对大洪水和特大洪水年份检出结果统计

在本文剖面中，一个特大洪水年份沉积的厚度少则如1931年沉积厚度为10 cm，多则像1998年沉积厚度可达30 cm，这些年份沉积速率极快。一个大洪水年份的沉积厚度，少则6 cm，多则达12 cm，沉积速率较快。这2类洪水年份(共37个)总沉积厚度达3.62 m，对于8.30 m河漫滩沉积来说，大洪水和特大洪水是极为重要的营造动力；一般洪水年份年沉积速率为2.57 cm，明显低于大洪水和特大洪水年份的沉积速率，但由于其出现频次较高，其间沉积厚度为4.68 m，是该河漫滩主要的营造动力。扬子江剖面两种营造动力所占据的情况与修河XR-01剖面类似而又有区别[17]，这一方面代表了河漫滩建造的共性，另一方面又因两者局地沉积环境差异而有一些区别。

研究认为，河漫滩沉积序列中重建的洪水事件(年份)是河流较大的洪水或特大洪水事件(发生的年份)。在河漫滩沉积序列中，这种(特)大洪水事件的表现特征是碎屑偏粗，滚动-跃移组分含量显著，沉积物组成是砂质粉砂到砂。基于沉积物这些特征，结合文献资料和水文数据对比与验证的结果，研究认为：在基于河漫滩沉积序列重建洪水序列时，平均粒径、砂、(粗粉砂+砂)/(细粉砂+黏土)、中值粒径和粒度频数分维值D这5个指标对洪水事件辨识能力较强，有较好应用的价值。

4 结 论

通过对长江中游荆州扬子江剖面中上段8.30 m的粒度分析，并结合历史文献、水文数据，得出以下结论：

(1) 扬子江剖面中8.30 m的河漫滩沉积物，其粒度频数分布曲线为4类，分别表示了弱而稳定的平流沉积到强且不稳定的(似)河床相沉积环境，分别指示了一般洪水、大洪水和特大洪水事件；平均粒径、砂、(粗粉砂+砂)/(细粉砂+黏土)、中值粒径和粒度频数分维值D这5个指标对环境有敏感地响应，能够较好地区分各类洪水，它们检出了沉积序列中45个洪水年份，与历史资料和水文数据的吻合度达到90%以上。

(2) 在荆州扬子江剖面中，粒度指标对大洪水和特大洪水事件有敏感的响应，各个指标对文献资料中46个(特)大洪水年份的检出率分别是82.61%，89.12%，80.43%，71.74%和76.09%。研究建议：在以河漫滩沉积物重建古洪水事件(年份)时，以砂、平均粒径、(粗粉砂+砂)/(细粉砂+黏土)、中值粒径和粒度频数分维值D这5个指标作为关键指标体系，用于(特)大洪水事件的判别。

致 谢

感谢晏宏研究员、郑景云研究员对本文提出的修改建议；刘慧华、方淑华、陈鑫鑫和史培良在粒度和年代实验上给予的帮助；感谢严灿成、黄诗明在野外采样中提供的帮助，在此一并致谢。