古洪水事件识别及古洪水与气候关系研究综述

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　　摘  要：古洪水事件的识别是古洪水研究的关键手段，古洪水沉积物的野外特征、粒度组成特征及粒度参数、磁化率等，对于识别古洪水事件具有重要的参考价值;另外，古洪水还会造成文化遗存，在河道、文物或岩石上留下洪痕以及造成文化间断，这些都是重要的古洪水证据。该文介绍了古洪水事件的3种识别方法，分别为地貌学方法、沉积学方法和环境考古学方法，讨论了洪水和气候变化的具体机制，有助于深入理解气候变化和古洪水事件及其时间规律性的研究以及洪涝灾害对气候变化的响应规律。
　　关键词：古洪水;沉积学;气候关系
　　中图分类号 TV211.1 文献标识码 A 文章编号 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
　　洪水是一种非常普遍并且严重的自然灾害，会对人们的生活环境造成严重破坏，并且危脅着人类的生命财产安全。森林植被的过度砍伐以及城市化建设，改变了土地原有的利用方式，尤其是在全球变暖的今天，旱涝灾害等极端天气频繁发生，使得洪水事件受到了国内外学者的广泛研究和关注，对洪水灾害进行预测以及防洪具有非常重大的意义。古洪水是指第四纪全新世以来的可供考察的洪水事件。在过去，气候水文变化存在记载洪水水文学的文献，空间资料覆盖率不均衡以及资料时间尺度有限等问题。古洪水的研究，可以重建超长尺度洪水年代序列，恢复古洪水洪峰和流量，有助于理解由环境变化造成的河道水文变化，及其悬移质泥沙搬运和沉积规律，有助于反演气候环境，揭示区域气候环境变化。在河流水资源的规划治理、洪水资料的记录掌握和水利工程建设等工作中，都迫切需要准确的超长尺度洪水年代序列以及水文数据资料。在古洪水研究中，以识别古洪水沉积物为前提和关键手段。
　　1 古洪水事件的识别方法
　　对古洪水研究的主要途径是通过识别古洪水滞留沉积物（slack water deposit）来分析古洪水事件。沉积物一般沉积在河谷、阶地、洞穴、河口以及河道宽度陡变的地段。埋藏在地层中的洪水沉积在垂直方向上会体现出粒度成分、颜色、结构和构造等方面的明显不同[1]，洪水还会造成文化间断，在河道、文物、树木或岩石上留下洪痕以及造成文化间断。本文主要探讨了3种识别古洪水地层的方法，分别为地貌学方法、沉积学方法和环境考古学学方法。
　　1.1 地貌学方法 古洪水滞留沉积是由洪水洪峰过境后流速极低的水流输入的细颗粒沉积物形成的，通常沉积在河谷、阶地、洞穴、河口以及河道宽度陡变的地段，可能会形成冲积地貌，如冲积平原、洪泛平原，冲积扇、三角洲等。在不同的河道流域，古洪水滞留沉积物在野外剖面会呈现出不同的特征。吴帅虎等[2]以汉江上游河谷的古洪水滞留沉积物为研究对象，分析了古洪水沉积物的野外宏观特征。首先是洪水沉积物的颜色在剖面中会呈现出突变，例如洪水沉积物与古土壤和黄土颜色呈现出明显不同。其次是洪水沉积物的结构呈松散的粒状结构，而古土壤和黄土为棱柱状结构;最后是洪水沉积物与其它地层层界清楚，结构末端翘起并尖灭。郝高建等[3]研究了黄河晋陕峡谷的古洪水滞留沉积物，指出古洪水沉积顶部有粘土质盖层或者有因洪水携带植物根茎、花粉、孢子和碎叶等形成的有机质层，每层古洪水滞留沉积物代表一期洪水，在此处的全新世黄土剖面中发生了5次特大古洪水，形成了一个古洪水期。黄春长等[1]以黄河流域关中盆地的古洪水滞留沉积物为例，为其的判别建立了标准。
　　1.2 沉积学方法 沉积物的粒度分析是恢复和研究古气候环境的关键。根据沉积物粒径大小、粒度参数以及粒径分布图可以区分沉积类型，分析出发生沉积作用时的地理环境和水力条件。沉积物的主要颗粒基本由碎屑和岩屑组成。其尺寸，形状和结构是地形、风力和水动力等环境元素相互作用的结果。沉积物粒径可以反映出当时的沉积规律，是衡量水动力条件，指示沉积物的来源，是气候干旱和潮湿的指标。根据沉积物样本的粒度参数，可以分析大量的信息，对了解气候和环境变化有重要的科学意义。由于风化成壤作用对古洪水滞留沉积物改造强度的不同，在粒度成份上相较于黄土古土壤的粘粒/粉砂比值结果偏小，粒径分布集中，分选良好，磁化率低[4]。在粒度组成上，与之相对比中值粒径（Md）、平均粒径（Mz）、标准离差（σ）、偏度（SK）、分选系数（S0）粒度参数，可知古洪水滞留沉积物的中值粒径和平均粒径均比黄土和古土壤的偏大，而滞留沉积物的标准离差和分选系数与之相比偏低，说明分选较好[4，5]。除此之外，石英砂表面特征，磁化率也可以用来判别古洪水事件，例如朱诚等[6]利用粒度、石英砂表面特征对南京江北地区的沉积物进行研究，研究表明该地区在全新世以来发生了至少6次古洪水事件，杨晓燕等[7]通过磁化率对黄河上游官亭盆地的测量区分出了14个洪水单元。这些沉积物指标在野外考察的基础上，可以更加准确地判断古洪水滞留沉积物，这些工作为古洪水定量研究工作的开展奠定了一定的基础。 　　1.3 环境考古方法
　　1.3.1 古洪水遗迹 在河流阶地，支流沟口或是古建筑等古文物上会显示出洪痕，如果后期的洪水洪峰大于前期时，前期洪水的洪痕就会被冲刷进而掩盖，反之后期的洪峰小于前期时，其洪痕才能得以保留。这些也可以作为判别古洪水判别的标志，科学家在这方面做过研究。例如，长江幕府山岩壁岩石表面水位痕迹的发现，就是古洪水事件发生的直接证据。
　　1.3.2 文化遗存 人类文明的起源和演变与河流密切相关，史前人类的定居点往往沿着河流分布，这样就会不可避免地受到洪水的影响。这些洪泛区留下的文化遗存均可以证明古洪水事件，Li等[8]在黄河上流流域发现沙龙卡遗址。利用石英OSL（洪水沉积物的年代存在高估）、14C、磁化率和粒度成分测定证明在距今16000～3000年前，经历了1个洪水期。在大约15ka、8.3～5.4ka、3ka之后洪水频率降低，史前人类移居到这些沿河阶地。
　　1.3.3 文化中断 古洪水会造成文化中断，在稳定的环境下地层中的文化层应是连续的，若出现文化中断有可能是洪水所至。张芸等[9]在对长江三峡地区环境考古与异常洪涝灾害的研究中发现，该区有些文化遗存存在文化层缺失现象，上下2个文化层之间普遍夹有一无文化遗物的淤积层，可能由洪水所致。除此之外，块状运动（如地震、滑坡等）也会造成文化层的中断。块体运动与洪水成因的沉积层有很大相似性，经常会干扰洪水事件的识别。这是我们在古洪水研究中要着重注意的一点。
　　2 古洪水与气候的关系分析
　　在全球变化的的背景下对古洪水的研究是一个重要方向，使得水文地貌和洪水事件成为国内外学者关注的热点。洪水滞留沉积物是当时气候水文事件和气候变化的重要载体，可以借助沉积物质进行水文学恢复研究。通过释光测年技术可以获得洪水发生的年代，建立高分辨率的年代框架，进而进一步深入理解特大洪水事件对于过去气候背景的变化的响应规律。
　　2.1 洪水与季风的关系 Zhao等[10]在永定河中游流域处发现6期古洪水沉积。并用石英OSL测年，以及用最小年龄模型（MAM）、中心年龄模型（CAM）计算De值。结果表明，这些古洪水事件发生在全新世，主要集中在8.5～7.3ka、2.8～2.4ka和1～0.5ka3个阶段。与中国高分辨率的气候记录相比，这些古洪水事件均发生在气候过渡期（当气候从暖湿（冷湿）期转变为冷干（温干）期时，干旱地区植被覆盖度率下降，导致储水能力迅速下降，虽然降水量可能会减少，但河流水位会迅速上升，导致洪水;另一方面，当气候由冷干（暖干）期转变为暖湿（冷湿）期时，植被覆盖率开始增加，但还需要一定的时间来提高植被的蓄水能力。降水增加后會导致洪水的频繁发生）。Guo等[11]结合全新世黄土古土壤地层对比，汉江上游SWD1-3分别出现在风成黄土与类古土壤、类古土壤与表层土、现代黄土与表层土的分界面。结合石英OSL测年结果表明分别发生在9500～8500、3200～2800和1800～1700a B.P，汉江发生的特大洪水事件是夏季风状态失常的结果。Greenbaum[12]证明在内盖夫沙漠南部MIS3时期发生的大型古洪水增多的事件是由于降雨强度或持续时间增加的结果。Huang[13]证明泾河中游特大洪水事件主要发生在气候转折阶段，此时季风气候变化异常，变率大，旱涝并存。Ely[14]、Benito[15]分别在美国中西部、西班牙西部研究发现，洪水频发期与该地区气候异常变化同样存在着良好的相关关系。
　　2.2 洪水与ENSO的关系 Kiem等[16]将澳大利亚南部的洪水与ENSO做了对比分析，结果发现其具有一定的相关性。冯利华等[17]分析了1865—1980年期间长江汉口流域洪水事件与厄尔尼诺的关系，发现长江汉口流域在厄尔尼诺的当年或次年出现洪水的几率更高，尤其是次年更易发生洪灾。杨特群等[18]对黄河流域的研究也得出了相同的结论。
　　3 展望
　　3.1 加强年代学研究 保证高分辨率精确的洪水年代序列是建立古洪水年表的前提，古洪水事件重建环境演化急需掌握精确而可靠的年代，对不同流域环境演变的深入研究急需要可靠的年代学数据作为支撑。在年代研究中，应根据沉积物特点选用测年方法，并且选用多种测年方法以验证测年结果的准确性。
　　3.2 加强古洪水事件跨流域对比分析研究 国内学者对洪水事件的研究几乎都在一个区域，例如在我国的长江、黄河地区的发生的洪水进行了大量的研究，而在西北地区的古洪水研究几乎是空白的。区域洪水的研究只能代表本地事件，由于不同区域洪水的沉积特征、成因及其对气候背景的响应都有其特殊性和差异性，此外，许多洪水和气候变化的后果是完全不同的。因此，加强不同流域的古洪水事件的跨流域对比研究显得尤为重要，可以进一步揭示洪水事件和气候变化的具体物理机制。
　　3.3 加强定量研究和多环境指标的综合研究 虽然目前对古洪水沉积物的野外特征和试验判别有了一定的标准，但由于河道水文千变万化，洪水的沉积特征不同区域不近相同，难以在野外找到能够准却识别洪水的沉积物，为下一步的精确的古洪水恢复提供了难度。因此，今后应加强多环境指标的综合研究以及加强定量研究，提高古洪水研究在时间上和空间上高分辨的识别率。
　　3.4 加强多学科合作 影响洪水的因素有很多，包括季风、地形、太阳活动变化、植被变化，人类活动以及其他因素，涉及的内容包括地貌学、沉积学、考古学、古生物学、第四季构造学、水文学、气候学、社会学等多个领域。如何提取洪水信息，是需要解决的实际问题。因此，今后应加强多学科的协同合作，以不同学科的角度对古洪水进行更深一步的研究。
　　4 小结
　　综上所述，洪水滞留沉积物在地层垂直方向上会体现出颜色、结构和构造等方面发生突变，沉积层顶部会出现粘土质盖层或是沉积形成的有机质层，造成沉积间断。在室内可通过分析粒度、磁化率、石英砂表面特征等沉积物指标在野外考察的基础上更加准确地判断古洪水滞留沉积物。古洪水事件还会对古文化造成影响。极端自然灾害发生的气候背景受全球变化和季风环流的影响，与季风环流异常、降水变化大密切相关，与ESNO也呈现出一定的相关性。 　　参考文献
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