古洪水事件識別及古洪水與氣候關系研究綜述

劉增琦

摘? 要：古洪水事件的識別是古洪水研究的關鍵手段，古洪水沉積物的野外特征、粒度組成特征及粒度參數、磁化率等，對于識別古洪水事件具有重要的參考價值;另外，古洪水還會造成文化遺存，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。該文介紹了古洪水事件的3種識別方法，分別為地貌學方法、沉積學方法和環境考古學方法，討論了洪水和氣候變化的具體機制，有助于深入理解氣候變化和古洪水事件及其時間規律性的研究以及洪澇災害對氣候變化的響應規律。

關鍵詞：古洪水;沉積學;氣候關系

中圖分類號 TV211.1文獻標識碼 A文章編號 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重的自然災害，會對人們的生活環境造成嚴重破壞，并且危脅著人類的生命財產安全。森林植被的過度砍伐以及城市化建設，改變了土地原有的利用方式，尤其是在全球變暖的今天，旱澇災害等極端天氣頻繁發生，使得洪水事件受到了國內外學者的廣泛研究和關注，對洪水災害進行預測以及防洪具有非常重大的意義。古洪水是指第四紀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的文獻，空間資料覆蓋率不均衡以及資料時間尺度有限等問題。古洪水的研究，可以重建超長尺度洪水年代序列，恢復古洪水洪峰和流量，有助于理解由環境變化造成的河道水文變化，及其懸移質泥沙搬運和沉積規律，有助于反演氣候環境，揭示區域氣候環境變化。在河流水資源的規劃治理、洪水資料的記錄掌握和水利工程建設等工作中，都迫切需要準確的超長尺度洪水年代序列以及水文數據資料。在古洪水研究中，以識別古洪水沉積物為前提和關鍵手段。

1 古洪水事件的識別方法

對古洪水研究的主要途徑是通過識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體現出粒度成分、顏色、結構和構造等方面的明顯不同[1]，洪水還會造成文化間斷，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種識別古洪水地層的方法，分別為地貌學方法、沉積學方法和環境考古學學方法。

1.1 地貌學方法 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呈現出不同的特征。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呈現出突變，例如洪水沉積物與古土壤和黃土顏色呈現出明顯不同。其次是洪水沉積物的結構呈松散的粒狀結構，而古土壤和黃土為棱柱狀結構;最后是洪水沉積物與其它地層層界清楚，結構末端翹起并尖滅。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蓋層或者有因洪水攜帶植物根莖、花粉、孢子和碎葉等形成的有機質層，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生了5次特大古洪水，形成了一個古洪水期。黃春長等[1]以黃河流域關中盆地的古洪水滯留沉積物為例，為其的判別建立了標準。

1.2 沉積學方法 沉積物的粒度分析是恢復和研究古氣候環境的關鍵。根據沉積物粒徑大小、粒度參數以及粒徑分布圖可以區分沉積類型，分析出發生沉積作用時的地理環境和水力條件。沉積物的主要顆?；居伤樾己蛶r屑組成。其尺寸，形狀和結構是地形、風力和水動力等環境元素相互作用的結果。沉積物粒徑可以反映出當時的沉積規律，是衡量水動力條件，指示沉積物的來源，是氣候干旱和潮濕的指標。根據沉積物樣本的粒度參數，可以分析大量的信息，對了解氣候和環境變化有重要的科學意義。由于風化成壤作用對古洪水滯留沉積物改造強度的不同，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，與之相對比中值粒徑（Md）、平均粒徑（Mz）、標準離差（σ）、偏度（SK）、分選系數（S0）粒度參數，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，而滯留沉積物的標準離差和分選系數與之相比偏低，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，例如朱誠等[6]利用粒度、石英砂表面特征對南京江北地區的沉積物進行研究，研究表明該地區在全新世以來發生了至少6次古洪水事件，楊曉燕等[7]通過磁化率對黃河上游官亭盆地的測量區分出了14個洪水單元。這些沉積物指標在野外考察的基礎上，可以更加準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。

1.3 環境考古方法

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顯示出洪痕，如果后期的洪水洪峰大于前期時，前期洪水的洪痕就會被沖刷進而掩蓋，反之后期的洪峰小于前期時，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志，科學家在這方面做過研究。例如，長江幕府山巖壁巖石表面水位痕跡的發現，就是古洪水事件發生的直接證據。

1.3.2 文化遺存 人類文明的起源和演變與河流密切相關，史前人類的定居點往往沿著河流分布，這樣就會不可避免地受到洪水的影響。這些洪泛區留下的文化遺存均可以證明古洪水事件，Li等[8]在黃河上流流域發現沙龍卡遺址。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定證明在距今16000～3000年前，經歷了1個洪水期。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 古洪水會造成文化中斷，在穩定的環境下地層中的文化層應是連續的，若出現文化中斷有可能是洪水所至。張蕓等[9]在對長江三峽地區環境考古與異常洪澇災害的研究中發現，該區有些文化遺存存在文化層缺失現象，上下2個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，塊狀運動（如地震、滑坡等）也會造成文化層的中斷。塊體運動與洪水成因的沉積層有很大相似性，經常會干擾洪水事件的識別。這是我們在古洪水研究中要著重注意的一點。

2 古洪水與氣候的關系分析

在全球變化的的背景下對古洪水的研究是一個重要方向，使得水文地貌和洪水事件成為國內外學者關注的熱點。洪水滯留沉積物是當時氣候水文事件和氣候變化的重要載體，可以借助沉積物質進行水文學恢復研究。通過釋光測年技術可以獲得洪水發生的年代，建立高分辨率的年代框架，進而進一步深入理解特大洪水事件對于過去氣候背景的變化的響應規律。

2.1 洪水與季風的關系 Zhao等[10]在永定河中游流域處發現6期古洪水沉積。并用石英OSL測年，以及用最小年齡模型（MAM）、中心年齡模型（CAM）計算De值。結果表明，這些古洪水事件發生在全新世，主要集中在8.5～7.3ka、2.8～2.4ka和1～0.5ka3個階段。與中國高分辨率的氣候記錄相比，這些古洪水事件均發生在氣候過渡期（當氣候從暖濕（冷濕）期轉變為冷干（溫干）期時，干旱地區植被覆蓋度率下降，導致儲水能力迅速下降，雖然降水量可能會減少，但河流水位會迅速上升，導致洪水;另一方面，當氣候由冷干（暖干）期轉變為暖濕（冷濕）期時，植被覆蓋率開始增加，但還需要一定的時間來提高植被的蓄水能力。降水增加后會導致洪水的頻繁發生）。Guo等[11]結合全新世黃土古土壤地層對比，漢江上游SWD1-3分別出現在風成黃土與類古土壤、類古土壤與表層土、現代黃土與表層土的分界面。結合石英OSL測年結果表明分別發生在9500～8500、3200～2800和1800～1700a B.P，漢江發生的特大洪水事件是夏季風狀態失常的結果。Greenbaum[12]證明在內蓋夫沙漠南部MIS3時期發生的大型古洪水增多的事件是由于降雨強度或持續時間增加的結果。Huang[13]證明涇河中游特大洪水事件主要發生在氣候轉折階段，此時季風氣候變化異常，變率大，旱澇并存。Ely[14]、Benito[15]分別在美國中西部、西班牙西部研究發現，洪水頻發期與該地區氣候異常變化同樣存在著良好的相關關系。

2.2 洪水與ENSO的關系 Kiem等[16]將澳大利亞南部的洪水與ENSO做了對比分析，結果發現其具有一定的相關性。馮利華等[17]分析了1865—1980年期間長江漢口流域洪水事件與厄爾尼諾的關系，發現長江漢口流域在厄爾尼諾的當年或次年出現洪水的幾率更高，尤其是次年更易發生洪災。楊特群等[18]對黃河流域的研究也得出了相同的結論。

3 展望

3.1 加強年代學研究 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，古洪水事件重建環境演化急需掌握精確而可靠的年代，對不同流域環境演變的深入研究急需要可靠的年代學數據作為支撐。在年代研究中，應根據沉積物特點選用測年方法，并且選用多種測年方法以驗證測年結果的準確性。

3.2 加強古洪水事件跨流域對比分析研究 國內學者對洪水事件的研究幾乎都在一個區域，例如在我國的長江、黃河地區的發生的洪水進行了大量的研究，而在西北地區的古洪水研究幾乎是空白的。區域洪水的研究只能代表本地事件，由于不同區域洪水的沉積特征、成因及其對氣候背景的響應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，加強不同流域的古洪水事件的跨流域對比研究顯得尤為重要，可以進一步揭示洪水事件和氣候變化的具體物理機制。

3.3 加強定量研究和多環境指標的綜合研究 雖然目前對古洪水沉積物的野外特征和試驗判別有了一定的標準，但由于河道水文千變萬化，洪水的沉積特征不同區域不近相同，難以在野外找到能夠準卻識別洪水的沉積物，為下一步的精確的古洪水恢復提供了難度。因此，今后應加強多環境指標的綜合研究以及加強定量研究，提高古洪水研究在時間上和空間上高分辨的識別率。

3.4 加強多學科合作 影響洪水的因素有很多，包括季風、地形、太陽活動變化、植被變化，人類活動以及其他因素，涉及的內容包括地貌學、沉積學、考古學、古生物學、第四季構造學、水文學、氣候學、社會學等多個領域。如何提取洪水信息，是需要解決的實際問題。因此，今后應加強多學科的協同合作，以不同學科的角度對古洪水進行更深一步的研究。

4 小結

綜上所述，洪水滯留沉積物在地層垂直方向上會體現出顏色、結構和構造等方面發生突變，沉積層頂部會出現粘土質蓋層或是沉積形成的有機質層，造成沉積間斷。在室內可通過分析粒度、磁化率、石英砂表面特征等沉積物指標在野外考察的基礎上更加準確地判斷古洪水滯留沉積物。古洪水事件還會對古文化造成影響。極端自然災害發生的氣候背景受全球變化和季風環流的影響，與季風環流異常、降水變化大密切相關，與ESNO也呈現出一定的相關性。

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（責編：張宏民）