湘江衡陽段河漫灘沉積物粒度特征與歷史洪水事件

熊平生, 劉 亮, 張楚楚, 郝麗婷, 黃臨娟

(衡陽師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院, 湖南 衡陽 421002)

河漫灘是指洪水泛濫在河岸形成的具有獨特二元結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體，是河流地貌的重要類型。河漫灘沉積與環(huán)境作為一個跨學(xué)科的熱點研究，在全球環(huán)境變化研究中受到廣大學(xué)者們的關(guān)注[1]。有關(guān)河漫灘沉積物相關(guān)的研究涉及古洪水重建、物質(zhì)來源、環(huán)境污染等領(lǐng)域。如周岳等[2]研究了渭河河漫灘沉積剖面粒度組合特征，揭示了渭河230 a來的21次洪水事件；曹向明等[3]研究了贛江河漫灘沉積物粒度特征發(fā)現(xiàn)，粒度的分維值對古洪水重建有重要指示意義；馬鵬飛等[4]研究了雅魯藏布江中游江心洲、河漫灘分布特征及其指示的沙源特征；張凌華等[5]研究了南京—鎮(zhèn)江河段3個現(xiàn)代河漫灘的粒度變化認(rèn)為，河漫灘粒度的變化不僅與洪水的強(qiáng)度有關(guān)，也與沉積環(huán)境有關(guān)；冷勇輝等[6]研究了長江松滋段江心洲剖面的粒度特征，揭示了其歷史變遷及其沉積環(huán)境演化。趙東杰等[7]研究了滇黔桂巖溶區(qū)河漫灘表土重金屬含量，揭示了沉積物重金屬來源和污染狀況；王鑫等[8]結(jié)合磁化率分析方法揭示了長江下游鎮(zhèn)江—揚(yáng)州河段河漫灘重金屬污染分布特征。目前的研究存在如下主要問題：如河漫灘沉積洪水識別的代用指標(biāo)存在分歧，需要進(jìn)一步探索；國內(nèi)關(guān)于流域洪水災(zāi)害的研究分布不平衡，主要集中在長江流域和黃河流域，其他而對于一些小的流域和地區(qū)的洪水事件研究較為薄弱。本文基于AMS14C高精測年基礎(chǔ)上，通過對湘江吉祥河漫灘剖面高密度采樣和粒度測定結(jié)果，揭示河漫灘沉積物洪水記錄的代用指標(biāo)，探究湘江河漫灘沉積時期所記錄的洪水事件，揭示極端洪水事件和洪水發(fā)生規(guī)律，為防洪減災(zāi)提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況與方法

湘江是長江中游南岸重要支流，干流總長856 km，流域面積9.46×104km2，沿途接納大小支流1 300多條，耒水是湘江主要支流之一。吉祥剖面(簡稱JX)位于衡陽市城區(qū)以北湘江和耒水交匯附近(圖1)，地理坐標(biāo)為112.644°E，26.915°N。該剖面位于耒水河道轉(zhuǎn)彎的地方，該河段河道向左岸彎曲，河漫灘寬約60～80 m，為中低位漫灘。研究區(qū)域?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，熱量充足，冬寒夏熱，年均氣溫18.5～20.2 ℃，降雨量較多充沛，春夏多雨水，年均降水量為1 005～1 836.2 mm。

圖1 吉祥剖面位置和研究區(qū)地質(zhì)圖

經(jīng)過野外調(diào)查和剖面反復(fù)比較，在湘江和耒水交匯附近，距離耒水入湘江口約1 km處的左岸漫灘上選擇一個保存完整的代表性剖面作為研究對象，該剖面具有明顯的二元結(jié)構(gòu)，厚度約183 cm。2020年10月18日，課題組以2 cm為間隔距離，從上往下依次進(jìn)行采樣，共采集樣品91件。測試工作在衡陽師范學(xué)院第四紀(jì)實驗室完成，儀器為Masterizer-3000型激光粒度儀。

2 結(jié)果與分析

2.1 AMS14C測年

在吉祥剖面距離地表182 cm處取樣約10 g。樣品在美國Beta實驗室完成AMS14C測年，近低界AMS14C年齡為6 390±30 aBP。根據(jù)河漫灘平均沉積速率，并結(jié)合插值法推算出各個沉積階段的形成年齡。

2.2 粒度組分

由表1可知，吉祥(JX)河漫灘沉積物粒度組成以粗粉砂、粗砂和極細(xì)砂為主。粗粉砂(0.01～0.05 mm)含量最高平均值為27.58%，分布范圍介于0%～96.31%之間；粗砂(0.5～3.5 mm)居第二位平均值為21.53%，分布范圍為0%～100%；極細(xì)砂(0.05～0.1 mm)和細(xì)砂(0.1～025 mm)平均值分別為17.18%，15.02%，分布范圍分別為0%～96%，0%～79.75%之間。細(xì)粉砂(0.005～0.01 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)和黏粒(0.002～0.005 mm)含量相對較少。根據(jù)JX剖面的顏色和粒度組分特征，可將該剖面劃分為5層(圖2)，剖面5個層位粒度組成特征如下：

表1 吉祥剖面部分樣品粒度測試結(jié)果

圖2 吉祥剖面粒度分布曲線

第A層為粗粉砂、極細(xì)砂、細(xì)砂層，厚28 cm。粗粉砂(0.01～0.05 mm)含量最高，平均值為32.81%，其次是極細(xì)砂、細(xì)砂組分，平均值含量分別21.47%，20.14%。粉砂、中砂、黏粒組分平均含量分別為9.53%，8.32%，5.92%。粗砂含量很少為1.15%，膠粒含量不到1%。粗粉砂、極細(xì)砂、黏粒和細(xì)粉砂曲線呈波動遞減的變化趨勢，而中砂和細(xì)砂曲線呈波動遞增的變化。

第B層為粗砂、中砂、細(xì)砂層，厚39 cm。粗砂(0.5～3.5 mm)平均含量為59.66%，為全剖面最高階段，粗砂曲線波動變化顯著。中砂、細(xì)砂、粗粉砂和極細(xì)砂組分，平均含量分別為11.49%，10.78%，7.82%，6.57%。黏粒、細(xì)粉砂和膠粒含量很少。

第C層為粗粉砂、極細(xì)砂、細(xì)砂層，厚53 cm。粗粉砂(0.01～0.05 mm)平均含量最高為34.90%，分布范圍介于0%～45.86%之間。極細(xì)砂、細(xì)砂、細(xì)粉砂和黏粒，平均含量分別為16.58%，15.62%，14.63%，13.41%，分布范圍分別為0%～27.93%，0%～79.75%，0%～53.33%，0%～78.46%。中粒、粗砂組分含量極少。

第D層為粗砂、粗粉砂、極細(xì)砂、細(xì)砂層，厚35 cm。粗砂(0.5～3.5 mm)組分平均含量最高為37.78%，分布范圍介于0.12%～79.61%之間，粗砂曲線由下往上呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。其次是粗粉砂、極細(xì)砂和細(xì)砂，其平均含量分別為22.72%，16.32%，11.62%。細(xì)粉砂、中砂、黏粒、膠粒的含量較少，平均值分別5.34%，5.19%，0.96%，0.054%。

第E層為粗粉砂、極細(xì)砂、細(xì)砂層，厚23 cm。粗粉砂(0.01～0.05 mm)平均含量為41.85%，分布范圍介于39.06%～45.43%之間，其次是極細(xì)砂平均含量為27.39%，分布范圍介于23.63%～29.42%之間。細(xì)砂和細(xì)粉砂平均含量分別為15.74%，11.25%。粗砂、中砂、黏粒和膠粒組分含量較少，平均含量分別為0.03%，2.12%，1.59%，0。

2.3 粒度參數(shù)

對衡陽JX剖面平均粒徑(Mz)、中值粒徑(Md)、峰態(tài)(Kg)、分選系數(shù)(σ1) 、偏度(SK)進(jìn)行計算，并繪制成圖3。由圖3可知，JX剖面平均粒徑(Mz)為-0.94Φ～8.58Φ，總平均值為3.74Φ，顯示沉積動力總體較強(qiáng)；分選系數(shù)(σ1)值為-2.74～-0.16，平均值為-1.55，表明分選性極好；偏度值(SK)為-0.82～0.88，平均值為-0.10，負(fù)偏和對稱型居多，偏向粗粒度一側(cè)；峰態(tài)(Kg)值為0.32～2.13，平均值為0.88，寬型峰態(tài)居多。中值粒徑曲線和平均粒徑曲線變化近似同步。

圖3 吉祥剖面粒度參數(shù)分布特征

2.4 河漫灘沉積物粒度組分的影響因素

研究表明，水流動力條件是影響河漫灘沉積粒度組分的關(guān)鍵因素，水動力越強(qiáng)，攜帶的顆粒越大，反之越小[9]。河漫灘高度的變化也會影響沉積物粒度組分結(jié)構(gòu)，隨著河漫灘厚度的增高，造成漫灘上洪水沉積物粒度顆粒變細(xì)。水流動力條件的影響因素有氣候、地形和人類活動等。湘江流域?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕熱氣候區(qū)，降水集中在4—6月，夏季高溫、強(qiáng)對流、副熱帶高壓、臺風(fēng)等天氣現(xiàn)象疊加，春夏季為暴雨多發(fā)季節(jié)，容易發(fā)生大洪水。洪水強(qiáng)度越大，河流搬運動力越大，沉積物粒度組分中粗粒比重增大，湘江河漫灘沉積顆粒以粗粉砂、粗砂為主。近代以來，隨著湘江流域水利設(shè)施的建設(shè)、土地利用方式的改變等人類活動影響增強(qiáng)，也會影響河漫灘沉積物的粒度組分。

2.5 河漫灘沉積粒度對洪水規(guī)模、沉積動力的指示

洪水代用指標(biāo)是河漫灘沉積物研究的重要問題之一，學(xué)者們做了大量的探索。如連麗聰?shù)萚10]研究發(fā)現(xiàn)，平均粒徑和SS(分選系數(shù)×粒徑跨度)能很好的檢驗異常洪水事件。萬智巍等[11]研究指出，粒度組分和粒度參數(shù)指標(biāo)能很好的揭示洪水事件；羅淑元等[12]研究提出，平均粒徑、砂粒、(粗粉砂+砂粒)/(細(xì)粉砂+黏粒)、中值粒徑和粒度頻數(shù)分維值等指標(biāo)能區(qū)別各類洪水事件。對吉祥剖面粗砂、中值粒徑、平均粒徑、粗粉砂+細(xì)粉砂指標(biāo)進(jìn)行了線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，中值粒徑值與平均粒徑值、粗粉砂+細(xì)粉砂的含量成顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.985 6，0.792 13；粗砂含量與平均粒徑值、中值粒徑值、粗粉砂+細(xì)粉砂含量成顯著負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.878 7， -0.862 3；-0.770 7。如圖4所示，粗砂曲線與平均粒徑曲線、中值粒徑曲線、粗粉砂+細(xì)粉砂曲線波動趨勢相反；平均粒徑曲線、中值粒徑曲線、粗粉砂+細(xì)粉砂曲線波動趨勢相近似。研究發(fā)現(xiàn)，吉祥剖面粗砂含量、中值粒徑值、粗粉砂+細(xì)粉砂含量、平均粒徑值在洪水發(fā)生過程中表現(xiàn)出的相似性和差異性，這4個指標(biāo)能夠很好的指示洪水變化。粗礫組分含量高，粗粉砂+細(xì)粉砂含量少，平均粒徑值低，指示沉積時期水動力大，洪水規(guī)模大；粗礫組分含量少，粗粉砂+細(xì)粉砂含量多，平均粒徑值高，指示沉積時期洪水動力小，洪水規(guī)模小。

圖4 吉祥剖面平均粒、粗砂含量、中值粒徑和粗粉砂+細(xì)粉砂含量對比

2.6 河漫灘沉積物粒度特征與洪水的關(guān)系

洪水沉積物粒度組分和粒度參數(shù)能反映沉積環(huán)境和洪水動力強(qiáng)弱，水動力越強(qiáng)，攜帶顆粒的粒徑越大，反之越小[13]。基于野外剖面觀測記錄的基礎(chǔ)上，結(jié)合粒度曲線(圖2)和粒度參數(shù)曲線(圖3)及其粒度組合曲線(圖4)的變化特征，將JX河漫灘沉積剖面劃分為5個階段。

E階段182—158 cm(約6 390—5 547 aBP):該段沉積以粗粉砂為主，其次是極細(xì)砂，平均粒徑值為4.71Φ，沉積水動力作用較強(qiáng)，平均粒徑、中值粒徑、峰態(tài)、偏度曲線平穩(wěn)，指示該沉積段環(huán)境較穩(wěn)定。粒度組合特征揭示了該沉積段流水動力作用較強(qiáng)，水流量較大，與當(dāng)時河漫灘高度較低有關(guān)。

D階段158—122 cm(約5 547—4 283 aBP)：以粗砂含量最高，細(xì)粉砂、黏粒和膠粒含量極少。平均粒徑值為2.59Φ，中值粒徑、峰態(tài)、偏度、分選系數(shù)曲線有明顯波動，反映了這階段的沉積環(huán)境不穩(wěn)定，沉積動力呈現(xiàn)先增后減的趨勢，流水沉積動力比E階段顯著增強(qiáng)，河水流量增大。該階段中130—134 cm區(qū)間，粗礫組分含量為第二峰區(qū)間，沉積動力異常，可能發(fā)生過特大洪水事件。

C階段122—68 cm (約4 283—2 837 aBP)：以粗粉砂含量最高，其次為極細(xì)砂、細(xì)砂、細(xì)粉砂和黏粒，粗砂含量極少，粗砂曲線變化平穩(wěn)，平均粒徑值為5.38Φ，中值粒徑、峰態(tài)、偏度曲線比較平穩(wěn)，揭示沉積環(huán)境較為穩(wěn)定，流水動力作用比D階段顯著減弱，洪水量減少。

B階段68—28 cm(約2 837—983 aBP) ：粗砂含量為剖面最高層位，黏粒、細(xì)粉砂和膠粒含量極少，平均粒徑值為1.47Φ，中值粒徑、峰態(tài)、偏度、粗粉砂+細(xì)粉砂平均含量曲線波動較大，分選系數(shù)為全剖面最大值區(qū)域。指示了該沉積階段為洪水動力最強(qiáng)勁、洪水流量最大時期，為衡陽市6 390 aBP以來洪水高發(fā)、規(guī)模宏大時期，B階段中剖面B階段34—40 cm和44—46 cm區(qū)間，粗砂的含量高達(dá)99%以上，中值粒徑值為最低值范圍，指示沉積動力異常強(qiáng)大，為特大洪水事件多發(fā)時期。根據(jù)《衡陽市志》[14]對衡陽大洪水的記錄，最早見于記載為西晉咸寧二年(公元276年)，發(fā)生在B沉積段。

A階段28—0 cm(至今約983 a)：粗粉砂含量最高，平均粒徑、中值粒徑、粗粉砂+細(xì)粉砂平均含量曲線波動較大，指示該沉積階段環(huán)境不穩(wěn)定，沉積動力逐漸增強(qiáng)的趨勢。流水動力和洪水量比B階段有所減弱，可能與河漫灘處于最高位置有關(guān)。與階段A、階段C和階段E粒徑大小相近，根據(jù)趙景波等[15]的洪水規(guī)模和深度原則推測，A階段洪水規(guī)模大于階段E，C，與B階段相近似。根據(jù)《衡陽市志》[14]對衡陽洪水的記錄，近1 000 a里發(fā)生過19次特大洪水災(zāi)害，分別出現(xiàn)在公元1454，1593，1656，1711，1906，1924，1931，1949，1954，1962，1968，1976，1978，1982，1984，1994，1996，1998，2006年。A階段的粒度記錄與歷史時期大洪水多發(fā)較為一致。

綜上所述，河漫灘發(fā)育較早的E和D階段，河漫灘高度相對較低，洪水發(fā)生的頻率較高，其中D階段粒度較粗代表發(fā)生的是大洪水。在河漫灘發(fā)育較晚的階段A和B階段，河漫灘變高，為衡陽市大洪水多發(fā)時期，這可能與中世紀(jì)暖期長江及其以南地區(qū)降水偏多[16-17]有關(guān)，或與厄爾尼諾事件頻繁發(fā)生有關(guān)。

3 結(jié) 論

(1) 河漫灘沉積物粒度組成以粗粉砂、粗砂、極細(xì)砂為主。粗粉砂含量最高平均值為27.58%；粗砂居第二位平均值為21.53%；極細(xì)砂、細(xì)砂平均值分別為17.18%，15.02%。細(xì)粉砂、中砂和黏粒含量相對較少。粒度參數(shù)顯示，平均粒徑(Mz)為 -0.94—8.58Φ，總體平均值為 3.74Φ，沉積動力強(qiáng)；分選系數(shù)(σ1值為-2.74—(-0.16)，平均值為 -1.55，粒度分選極好；偏態(tài)值(SK)為-0.82—0.88，平均值為-0.10，負(fù)偏和對稱型居多；峰態(tài)(Kg)值為0.32～2.13，平均值為0.88，寬型峰態(tài)居多。

(2) 河漫灘沉積物粒度組合特征顯示，自6 390 a BP以來，衡陽湘江洪水規(guī)模上呈增大的變化，洪水發(fā)生的頻次呈增多的趨勢。吉祥剖面揭示的5個階段洪水規(guī)模大小順序依次為：B階段>D階段>A階段>C階段>E階段。此外，剖面B階段中34—40 cm和44—46 cm區(qū)間，沉積D階段中130—134 cm區(qū)間，粗砂的含量異常的增高，粗粉砂和細(xì)粉砂含量極少，中值粒徑值為最低值范圍，洪水沉積動力異常強(qiáng)大，為衡陽特大洪水事件發(fā)生時期。沉積階段A和階段B為洪水多發(fā)時期，沉積B階段和D階段期間均發(fā)生過特大洪水。

(3) 吉祥河漫灘剖面中值粒徑值與平均粒徑值、粗粉砂+細(xì)粉砂的含量成顯著正相關(guān)性。粗砂含量與平均粒徑值、中值粒徑值、粗粉砂+細(xì)粉砂含量成顯著負(fù)相關(guān)性。粗砂含量、中值粒徑值、粗粉砂+細(xì)粉砂含量、平均粒徑值4個指標(biāo)能夠很好的指示洪水變化。粗礫組分含量高，粗粉砂+細(xì)粉砂含量少，平均粒徑值低，指示沉積時期水動力大，洪水規(guī)模大；粗礫組分含量少，粗粉砂+細(xì)粉砂含量多，平均粒徑值高，指示沉積時期洪水動力小，洪水規(guī)模小。