湘江衡阳段河漫滩沉积物粒度特征与历史洪水事件

熊平生, 刘 亮, 张楚楚, 郝丽婷, 黄临娟

(衡阳师范学院 地理与旅游学院, 湖南 衡阳 421002)

河漫滩是指洪水泛滥在河岸形成的具有独特二元结构的地质体，是河流地貌的重要类型。河漫滩沉积与环境作为一个跨学科的热点研究，在全球环境变化研究中受到广大学者们的关注[1]。有关河漫滩沉积物相关的研究涉及古洪水重建、物质来源、环境污染等领域。如周岳等[2]研究了渭河河漫滩沉积剖面粒度组合特征，揭示了渭河230 a来的21次洪水事件；曹向明等[3]研究了赣江河漫滩沉积物粒度特征发现，粒度的分维值对古洪水重建有重要指示意义；马鹏飞等[4]研究了雅鲁藏布江中游江心洲、河漫滩分布特征及其指示的沙源特征；张凌华等[5]研究了南京—镇江河段3个现代河漫滩的粒度变化认为，河漫滩粒度的变化不仅与洪水的强度有关，也与沉积环境有关；冷勇辉等[6]研究了长江松滋段江心洲剖面的粒度特征，揭示了其历史变迁及其沉积环境演化。赵东杰等[7]研究了滇黔桂岩溶区河漫滩表土重金属含量，揭示了沉积物重金属来源和污染状况；王鑫等[8]结合磁化率分析方法揭示了长江下游镇江—扬州河段河漫滩重金属污染分布特征。目前的研究存在如下主要问题：如河漫滩沉积洪水识别的代用指标存在分歧，需要进一步探索；国内关于流域洪水灾害的研究分布不平衡，主要集中在长江流域和黄河流域，其他而对于一些小的流域和地区的洪水事件研究较为薄弱。本文基于AMS14C高精测年基础上，通过对湘江吉祥河漫滩剖面高密度采样和粒度测定结果，揭示河漫滩沉积物洪水记录的代用指标，探究湘江河漫滩沉积时期所记录的洪水事件，揭示极端洪水事件和洪水发生规律，为防洪减灾提供指导。

1 研究区概况与方法

湘江是长江中游南岸重要支流，干流总长856 km，流域面积9.46×104km2，沿途接纳大小支流1 300多条，耒水是湘江主要支流之一。吉祥剖面(简称JX)位于衡阳市城区以北湘江和耒水交汇附近(图1)，地理坐标为112.644°E，26.915°N。该剖面位于耒水河道转弯的地方，该河段河道向左岸弯曲，河漫滩宽约60～80 m，为中低位漫滩。研究区域属于中亚热带季风性湿润气候，热量充足，冬寒夏热，年均气温18.5～20.2 ℃，降雨量较多充沛，春夏多雨水，年均降水量为1 005～1 836.2 mm。

图1 吉祥剖面位置和研究区地质图

经过野外调查和剖面反复比较，在湘江和耒水交汇附近，距离耒水入湘江口约1 km处的左岸漫滩上选择一个保存完整的代表性剖面作为研究对象，该剖面具有明显的二元结构，厚度约183 cm。2020年10月18日，课题组以2 cm为间隔距离，从上往下依次进行采样，共采集样品91件。测试工作在衡阳师范学院第四纪实验室完成，仪器为Masterizer-3000型激光粒度仪。

2 结果与分析

2.1 AMS14C测年

在吉祥剖面距离地表182 cm处取样约10 g。样品在美国Beta实验室完成AMS14C测年，近低界AMS14C年龄为6 390±30 aBP。根据河漫滩平均沉积速率，并结合插值法推算出各个沉积阶段的形成年龄。

2.2 粒度组分

由表1可知，吉祥(JX)河漫滩沉积物粒度组成以粗粉砂、粗砂和极细砂为主。粗粉砂(0.01～0.05 mm)含量最高平均值为27.58%，分布范围介于0%～96.31%之间；粗砂(0.5～3.5 mm)居第二位平均值为21.53%，分布范围为0%～100%；极细砂(0.05～0.1 mm)和细砂(0.1～025 mm)平均值分别为17.18%，15.02%，分布范围分别为0%～96%，0%～79.75%之间。细粉砂(0.005～0.01 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)和黏粒(0.002～0.005 mm)含量相对较少。根据JX剖面的颜色和粒度组分特征，可将该剖面划分为5层(图2)，剖面5个层位粒度组成特征如下：

表1 吉祥剖面部分样品粒度测试结果

图2 吉祥剖面粒度分布曲线

第A层为粗粉砂、极细砂、细砂层，厚28 cm。粗粉砂(0.01～0.05 mm)含量最高，平均值为32.81%，其次是极细砂、细砂组分，平均值含量分别21.47%，20.14%。粉砂、中砂、黏粒组分平均含量分别为9.53%，8.32%，5.92%。粗砂含量很少为1.15%，胶粒含量不到1%。粗粉砂、极细砂、黏粒和细粉砂曲线呈波动递减的变化趋势，而中砂和细砂曲线呈波动递增的变化。

第B层为粗砂、中砂、细砂层，厚39 cm。粗砂(0.5～3.5 mm)平均含量为59.66%，为全剖面最高阶段，粗砂曲线波动变化显著。中砂、细砂、粗粉砂和极细砂组分，平均含量分别为11.49%，10.78%，7.82%，6.57%。黏粒、细粉砂和胶粒含量很少。

第C层为粗粉砂、极细砂、细砂层，厚53 cm。粗粉砂(0.01～0.05 mm)平均含量最高为34.90%，分布范围介于0%～45.86%之间。极细砂、细砂、细粉砂和黏粒，平均含量分别为16.58%，15.62%，14.63%，13.41%，分布范围分别为0%～27.93%，0%～79.75%，0%～53.33%，0%～78.46%。中粒、粗砂组分含量极少。

第D层为粗砂、粗粉砂、极细砂、细砂层，厚35 cm。粗砂(0.5～3.5 mm)组分平均含量最高为37.78%，分布范围介于0.12%～79.61%之间，粗砂曲线由下往上呈现先增后减的变化趋势。其次是粗粉砂、极细砂和细砂，其平均含量分别为22.72%，16.32%，11.62%。细粉砂、中砂、黏粒、胶粒的含量较少，平均值分别5.34%，5.19%，0.96%，0.054%。

第E层为粗粉砂、极细砂、细砂层，厚23 cm。粗粉砂(0.01～0.05 mm)平均含量为41.85%，分布范围介于39.06%～45.43%之间，其次是极细砂平均含量为27.39%，分布范围介于23.63%～29.42%之间。细砂和细粉砂平均含量分别为15.74%，11.25%。粗砂、中砂、黏粒和胶粒组分含量较少，平均含量分别为0.03%，2.12%，1.59%，0。

2.3 粒度参数

对衡阳JX剖面平均粒径(Mz)、中值粒径(Md)、峰态(Kg)、分选系数(σ1) 、偏度(SK)进行计算，并绘制成图3。由图3可知，JX剖面平均粒径(Mz)为-0.94Φ～8.58Φ，总平均值为3.74Φ，显示沉积动力总体较强；分选系数(σ1)值为-2.74～-0.16，平均值为-1.55，表明分选性极好；偏度值(SK)为-0.82～0.88，平均值为-0.10，负偏和对称型居多，偏向粗粒度一侧；峰态(Kg)值为0.32～2.13，平均值为0.88，宽型峰态居多。中值粒径曲线和平均粒径曲线变化近似同步。

图3 吉祥剖面粒度参数分布特征

2.4 河漫滩沉积物粒度组分的影响因素

研究表明，水流动力条件是影响河漫滩沉积粒度组分的关键因素，水动力越强，携带的颗粒越大，反之越小[9]。河漫滩高度的变化也会影响沉积物粒度组分结构，随着河漫滩厚度的增高，造成漫滩上洪水沉积物粒度颗粒变细。水流动力条件的影响因素有气候、地形和人类活动等。湘江流域属于中亚热带季风性湿热气候区，降水集中在4—6月，夏季高温、强对流、副热带高压、台风等天气现象叠加，春夏季为暴雨多发季节，容易发生大洪水。洪水强度越大，河流搬运动力越大，沉积物粒度组分中粗粒比重增大，湘江河漫滩沉积颗粒以粗粉砂、粗砂为主。近代以来，随着湘江流域水利设施的建设、土地利用方式的改变等人类活动影响增强，也会影响河漫滩沉积物的粒度组分。

2.5 河漫滩沉积粒度对洪水规模、沉积动力的指示

洪水代用指标是河漫滩沉积物研究的重要问题之一，学者们做了大量的探索。如连丽聪等[10]研究发现，平均粒径和SS(分选系数×粒径跨度)能很好的检验异常洪水事件。万智巍等[11]研究指出，粒度组分和粒度参数指标能很好的揭示洪水事件；罗淑元等[12]研究提出，平均粒径、砂粒、(粗粉砂+砂粒)/(细粉砂+黏粒)、中值粒径和粒度频数分维值等指标能区别各类洪水事件。对吉祥剖面粗砂、中值粒径、平均粒径、粗粉砂+细粉砂指标进行了线性回归分析发现，中值粒径值与平均粒径值、粗粉砂+细粉砂的含量成显著正相关性，相关系数分别为0.985 6，0.792 13；粗砂含量与平均粒径值、中值粒径值、粗粉砂+细粉砂含量成显著负相关性，相关系数分别为-0.878 7， -0.862 3；-0.770 7。如图4所示，粗砂曲线与平均粒径曲线、中值粒径曲线、粗粉砂+细粉砂曲线波动趋势相反；平均粒径曲线、中值粒径曲线、粗粉砂+细粉砂曲线波动趋势相近似。研究发现，吉祥剖面粗砂含量、中值粒径值、粗粉砂+细粉砂含量、平均粒径值在洪水发生过程中表现出的相似性和差异性，这4个指标能够很好的指示洪水变化。粗砾组分含量高，粗粉砂+细粉砂含量少，平均粒径值低，指示沉积时期水动力大，洪水规模大；粗砾组分含量少，粗粉砂+细粉砂含量多，平均粒径值高，指示沉积时期洪水动力小，洪水规模小。

图4 吉祥剖面平均粒、粗砂含量、中值粒径和粗粉砂+细粉砂含量对比

2.6 河漫滩沉积物粒度特征与洪水的关系

洪水沉积物粒度组分和粒度参数能反映沉积环境和洪水动力强弱，水动力越强，携带颗粒的粒径越大，反之越小[13]。基于野外剖面观测记录的基础上，结合粒度曲线(图2)和粒度参数曲线(图3)及其粒度组合曲线(图4)的变化特征，将JX河漫滩沉积剖面划分为5个阶段。

E阶段182—158 cm(约6 390—5 547 aBP):该段沉积以粗粉砂为主，其次是极细砂，平均粒径值为4.71Φ，沉积水动力作用较强，平均粒径、中值粒径、峰态、偏度曲线平稳，指示该沉积段环境较稳定。粒度组合特征揭示了该沉积段流水动力作用较强，水流量较大，与当时河漫滩高度较低有关。

D阶段158—122 cm(约5 547—4 283 aBP)：以粗砂含量最高，细粉砂、黏粒和胶粒含量极少。平均粒径值为2.59Φ，中值粒径、峰态、偏度、分选系数曲线有明显波动，反映了这阶段的沉积环境不稳定，沉积动力呈现先增后减的趋势，流水沉积动力比E阶段显著增强，河水流量增大。该阶段中130—134 cm区间，粗砾组分含量为第二峰区间，沉积动力异常，可能发生过特大洪水事件。

C阶段122—68 cm (约4 283—2 837 aBP)：以粗粉砂含量最高，其次为极细砂、细砂、细粉砂和黏粒，粗砂含量极少，粗砂曲线变化平稳，平均粒径值为5.38Φ，中值粒径、峰态、偏度曲线比较平稳，揭示沉积环境较为稳定，流水动力作用比D阶段显著减弱，洪水量减少。

B阶段68—28 cm(约2 837—983 aBP) ：粗砂含量为剖面最高层位，黏粒、细粉砂和胶粒含量极少，平均粒径值为1.47Φ，中值粒径、峰态、偏度、粗粉砂+细粉砂平均含量曲线波动较大，分选系数为全剖面最大值区域。指示了该沉积阶段为洪水动力最强劲、洪水流量最大时期，为衡阳市6 390 aBP以来洪水高发、规模宏大时期，B阶段中剖面B阶段34—40 cm和44—46 cm区间，粗砂的含量高达99%以上，中值粒径值为最低值范围，指示沉积动力异常强大，为特大洪水事件多发时期。根据《衡阳市志》[14]对衡阳大洪水的记录，最早见于记载为西晋咸宁二年(公元276年)，发生在B沉积段。

A阶段28—0 cm(至今约983 a)：粗粉砂含量最高，平均粒径、中值粒径、粗粉砂+细粉砂平均含量曲线波动较大，指示该沉积阶段环境不稳定，沉积动力逐渐增强的趋势。流水动力和洪水量比B阶段有所减弱，可能与河漫滩处于最高位置有关。与阶段A、阶段C和阶段E粒径大小相近，根据赵景波等[15]的洪水规模和深度原则推测，A阶段洪水规模大于阶段E，C，与B阶段相近似。根据《衡阳市志》[14]对衡阳洪水的记录，近1 000 a里发生过19次特大洪水灾害，分别出现在公元1454，1593，1656，1711，1906，1924，1931，1949，1954，1962，1968，1976，1978，1982，1984，1994，1996，1998，2006年。A阶段的粒度记录与历史时期大洪水多发较为一致。

综上所述，河漫滩发育较早的E和D阶段，河漫滩高度相对较低，洪水发生的频率较高，其中D阶段粒度较粗代表发生的是大洪水。在河漫滩发育较晚的阶段A和B阶段，河漫滩变高，为衡阳市大洪水多发时期，这可能与中世纪暖期长江及其以南地区降水偏多[16-17]有关，或与厄尔尼诺事件频繁发生有关。

3 结 论

(1) 河漫滩沉积物粒度组成以粗粉砂、粗砂、极细砂为主。粗粉砂含量最高平均值为27.58%；粗砂居第二位平均值为21.53%；极细砂、细砂平均值分别为17.18%，15.02%。细粉砂、中砂和黏粒含量相对较少。粒度参数显示，平均粒径(Mz)为 -0.94—8.58Φ，总体平均值为 3.74Φ，沉积动力强；分选系数(σ1值为-2.74—(-0.16)，平均值为 -1.55，粒度分选极好；偏态值(SK)为-0.82—0.88，平均值为-0.10，负偏和对称型居多；峰态(Kg)值为0.32～2.13，平均值为0.88，宽型峰态居多。

(2) 河漫滩沉积物粒度组合特征显示，自6 390 a BP以来，衡阳湘江洪水规模上呈增大的变化，洪水发生的频次呈增多的趋势。吉祥剖面揭示的5个阶段洪水规模大小顺序依次为：B阶段>D阶段>A阶段>C阶段>E阶段。此外，剖面B阶段中34—40 cm和44—46 cm区间，沉积D阶段中130—134 cm区间，粗砂的含量异常的增高，粗粉砂和细粉砂含量极少，中值粒径值为最低值范围，洪水沉积动力异常强大，为衡阳特大洪水事件发生时期。沉积阶段A和阶段B为洪水多发时期，沉积B阶段和D阶段期间均发生过特大洪水。

(3) 吉祥河漫滩剖面中值粒径值与平均粒径值、粗粉砂+细粉砂的含量成显著正相关性。粗砂含量与平均粒径值、中值粒径值、粗粉砂+细粉砂含量成显著负相关性。粗砂含量、中值粒径值、粗粉砂+细粉砂含量、平均粒径值4个指标能够很好的指示洪水变化。粗砾组分含量高，粗粉砂+细粉砂含量少，平均粒径值低，指示沉积时期水动力大，洪水规模大；粗砾组分含量少，粗粉砂+细粉砂含量多，平均粒径值高，指示沉积时期洪水动力小，洪水规模小。