洪水计算的新进展——古洪水研究

尽管中国有悠久历史，但利用历史洪水展延洪水频率曲线以求稀遇设计洪水，仍感困难和不可靠，古洪水研究可得到数千年的大洪水资料。使洪水的考证期大为扩展，因而得以从根本上避免现行数字外延洪水顺频率曲的弊端，成果稳定可靠，为洪水计算工辟了一条新的途径，本文论述了古洪水研究的原理方法和我国四大河流应用古洪水研究的经验与成果。     

古洪水平流沉积与水位

古洪水研究的目的是通过古洪水信息的载体－古洪水平流沉积提供古水水位及流量，而如何确定古洪水沉积顶面高程与其洪峰水位的关系是河床演变学至今尚水解决的难题。经过长江，黄河，黄河和淮河古洪水研究之后，对此问题获得了新的认识， 水平流沉积物尖灭点高程与共洪峰水位之间一致的关系，给古洪水研究解决了一个关键问题。     

古洪水流量的误差计算

古洪水研究已在大型工程和长江三峡，黄河小浪底等的设计洪水中得到动用取得了令人虚心成功，但古洪水流量的推求与实测量的计算往往有大的差别，根据随机误差的传播给出了一般情况下的古洪不流量推误差计算公式，以小流底２３６０ａＢＰ古洪水注同误差的计算为例，对最终计算出的古洪水流量成果给出了一个误差范围。     

高山峡谷区古洪水事件重建研究进展

古洪水事件重建是地貌学与环境变化领域的前沿性课题之一。高山峡谷基岩河段是古洪水重建的理想场所,通过系统梳理国内外文献,评述古洪水事件重建研究进展,认为识别古水位标志(palaeo-stage indicators)、系统建立流域尺度洪水综合地貌证据是古洪水重建的前提和基础。而不同类型的古洪水地貌证据中,古洪水滞流沉积物(slackwater deposits,SWD)是最完整的具有确切水位标志指示意义的高水位悬移质沉积物,而其他边滩坝体(bars)是指示洪水路径和水动力条件的低水位标志沉积物。基于这些洪水地貌证据与水位标志物指示,采用多种水力学模型重建古洪水规模。同时采用多种测年方法相互验证建立可靠完整的古洪水事件年代序列。从点到面建立古洪水事件数据库,提出不同成因类型古洪水事件的时空模式,系统揭示特大洪水发生规律及其演化趋势。其中,青藏高原周缘灾难性古洪水事件在形成年代、地貌证据和水文模拟等方面具有鲜明的时空特征与地貌效应,这些对认识全球末次冰期巨型洪水事件具有重要意义。在特定的时空尺度范围内评估极端洪水事件的地表过程与地貌效应,甚至大陆尺度灾难性古洪水研究已经拓展到行星尺度洪水地貌。此外,高山峡谷现代大洪水地貌原型观测对理解古洪水水文过程机制等具有重要的参考价值。     

古洪水平流沉积

古洪水研究依赖古洪水沉积获得古水文信息。古洪水平流沉积是古洪水泛滥于死水断面范围内形成的薄层细颗粒沉积。以长江三峡下段与黄河三门峡以下河段为例，古洪水平流沉积被掩埋保存在部分缓倾斜岸坡平台上，主要的识别标志，在沉积构造方面为发育微薄层理，末端翘起并尖灭，此外还具有特定的粒度结构以及多种重矿物的百分含量方面的特征。     

古洪水事件的判别标志

古洪水研究的关键是确定古洪水事件的识别标志.洪水可以造成古文化中断,还会在各种文物上留下洪水痕迹.山区河流古洪水产生的平流沉积在沉积层理、沉积体形状、颜色等沉积构造和粒度、分选性、矿物组合等沉积结构方面具有可识别的标志.在洪泛平原区,对古溃口扇采用沉积学、地球物理学方法研究其沉积结构,对确定古洪水事件具有积极意义;通过古洪水所产生的埋藏古树、泥炭及沉积物中花粉的研究也有助于对古洪水事件的识别.     

全新世古洪水研究进展

尽管古洪水的研究最多只有50年左右的历史,但是利用全新世古洪水研究来补充洪水频率计算的资料,对预测洪水发生的可能性和严重程度具有重要的意义,所以古洪水的研究发展比较迅速。本文从古洪水事件的判别、古洪水平流沉积物的特点、古洪水的水文计算等方面阐述了全新世古洪水的研究进展。古洪水研究虽然取得了很大进展,但是仍然存在以下问题:研究区域主要集中在长江、黄河流域的部分地区,所以研究区域需要进一步扩展;研究分辨率有待提高;洪水事件与气候变化的关系研究的较少;对洪水事件的成因关注的不多;对一个流域内古洪水序列的全面建立还存在困难。     

岩相古地理方法在古洪水研究中的应用

用古洪水外延洪水频率曲线是水文学中常见的问题,古洪水沉积研究法是最常用的方法,但该方法面临洪积物识别的问题。从岩相古地理学的研究思路出发,通过选取典型区进行古沟谷洪水沉积采样,用筛分法进行颗粒分析,并对其粒度级配特征值进行统计计算,同时参照岩相古地理沉积物粒度参数计算公式和分析原理,分析了古沟谷洪水的颗粒构成特性,证实了沉积物属于古洪水沉积。为古洪水研究提供一条新的思路与方法。     

6 000 a BP以来长江下游地区古洪水与气候变化关系初步研究

通过对埋藏古树、泥炭、以及海相贝壳测年资料进行搜集和整理，结果表明：长江下游地区6000 a BP以来古洪水的发生与气候变化有着密切的联系。由于长江下游地区地势低平这一地貌特点，使得海面变化对于研究区洪水发生有着重要的影响，气候变化导致的海面上升对长江下游河段径流的顶托作用导致河流上溯以及地面排水不畅，致使洪水发生频率加大以及洪水危害的程度加强，出现“小水大灾”的现象，长江三角洲地区古洪水发生频率与美洲地区古洪水发生频率的对比研究表明，长江三角地区乃至整个长江流域在大的气候变化趋势上与全球其它地区是相似的，既有全球气候变化特点的同时又具有区域响应的特点，这对于未来研究区洪水发生的预测有着重要意义。     

古洪水平流沉积粒度特征

古洪水信息的取得依赖于对其信息的载体－古洪水平流沉积作出准确的识别和判定,其判定的标志之一是粒度分析。根据长江、黄河、海河、淮河古洪水研究的经验,首次建立了一套实验分析判定古洪水平流沉积粒度特征的指标体系,对古洪水研究的推广应用具有较高的实用价值。     

2360aBP古洪水对小浪底设计洪水的作用

根据我国频率计算中广泛采用的Ｐ－Ⅲ型分布,应用统计试验方法,分别对仅由历史调查洪水和实测洪水组成的不完全系列,以及加入考虑流量误差情况下的古洪水资料后的系列进行了计算,得到后者比前者抽样误差大为减小的结论。     

白洋淀漕河全新世早期古洪水事件的沉积特征及气候背景

古洪水沉积物是研究地史时期极端降水事件和古环境演化的重要载体。基于地质记录开展古洪水重建研究,可以为揭示区域洪水历史过程及机制提供依据,对水资源利用和工程建设等具有重要的现实意义。本文以漕河古河道北岸出露较好的李迪城村剖面为研究对象,综合地层序列、野外沉积特征、沉积构造及沉积物粒度分析,对白洋淀地区漕河古河道沉积记录的古洪水事件进行了识别,发现该剖面具有以下主要特征:古洪水沉积层与下伏地层存在明显的冲刷侵蚀面,沉积体形态呈透镜状,由泥砾、炭屑、双壳类及灰黑色粉细砂混杂组成,发育中小型交错层理;洪水沉积物粒度指标(中值粒径、砂含量、黏土/粉砂值及Q90)表现为高值,以细砂为优势组分,含混杂的粉砂及少量黏土,分选较差;古洪水沉积层中古树与双壳类集中埋藏,呈定向排列,其指示的方向与遥感影像揭示的古河道方向一致。通过该剖面沉积特征及地层AMS ¹⁴C年代分析,确定漕河在全新世早期约10.8~9.6 ka BP发生了4期古洪水事件,这4期古洪水事件可以与该时期华北地区其它古洪水事件进行对比。当时正值全新世早期,东亚夏季风增强,为气温和降水频繁波动上升时期,据此推断白洋淀地区全新世早期的古洪水事件是当时气候背景下的产物。     

可能最大降水与古洪水研究

设计洪水是工程水文学中的难题,靠数学化来指导频率曲线外延的成就不大,但用新近提出的古洪水概念与方法,可取得距今几千年的洪水信息,对提高洪水频率曲线稀遇部分的情度有重要意义.本文还阐述了PMP/PMF途径在“可能”与“最大”两方面的新概念和新方法.     

渭河咸阳段全新世古洪水事件光释光测年研究

古洪水水文学研究是全球气候变化研究的前沿课题,确定古洪水事件的年代是古洪水研究的重要内容之一。对渭河流域进行深入的野外考察,在中游咸阳段阶地发现全新世黄土-古土壤层里夹有古洪水滞流沉积层,表明该地层记录了古洪水事件发生的信息。在该剖面采集光释光样品,分离提取40~63 μm石英颗粒成分,应用单片再生剂量法（SAR）进行红外后蓝光(Post-IR OSL)释光测量,获得了9个OSL年龄值。结果表明由古洪水滞流沉积层记录的特大古洪水事件发生在3 200~2 800 a B.P.之间。结合沉积样品系列的磁化率和粒度成分等气候替代性指标分析,揭示了在全新世中期向晚期转折过渡时期,渭河流域处于气候向干旱化发展的转型期,气候变化剧烈,大气系统不稳定,降水变率增大等,是导致特大洪水多发的主要原因。这也是渭河流域气候水文系统对于全球性气候恶化响应的结果。     

长江三峡库区中坝遗址地层洪水沉积粒度特征及其沉积环境

通过对三峡库区中坝遗址1981年洪水沉积和疑似古洪水沉积的粒度对比分析，发现它们的平均粒径、分选系数、偏度、峰度和众值粒径都在同一值域范围内；频率分布曲线相似，呈单峰态；概率累积曲线都呈明显的三段式。从而推断出中坝遗址的文化间隙层为古洪水沉积。在考古断代和AMS14C测年基础上，对洪水沉积环境研究发现，中坝遗址洪水沉积大多发生在我国的暖期，但周朝和宋代的洪水沉积发生在我国冷期，这与我国气候小循环和当地独特的地貌特征有关。清代以后，沉积物平均粒径明显变大，表明当地植被已经退化；沉积物平均粒径和峰度变化幅度大，说明人类活动使当地生态系统变得脆弱，气候多变。     

汉江上游晏家棚段全新世古洪水研究

通过对汉江上游详尽的野外考察,在湖北郧县晏家棚河段全新世黄土—古土壤地层中发现3层典型古洪水滞流沉积物。在沉积学的基础上,使用OSL技术断代,确定3期特大洪水事件分别在1 000~900 a BP,1 800~1 600 a BP和3 200~2 800 a BP期间发生。采用"古洪水SWD尖灭点高程法"确定这3期古洪水事件的洪峰水位介于176.20~176.73 m。运用Arc GIS耦合HEC-RAS水力模型,推求这3期古洪水事件的洪峰流量介于53 770~55 950 m3/s,并从多种角度验证了该模型计算结果的科学性和合理性。将此结果与实测洪水和历史洪水资料接续,构成万年尺度洪水水文数据序列,得到汉江上游晏家棚河段万年一遇和千年一遇洪水的流量分别为59 100和45 200m3/s。采用HEC-RAS模型对研究河段进行古洪水模拟,方法科学,结果可靠。将该河段洪水水文数据序列有效地延长到万年尺度,极大地提高了设计洪水的可靠性。     

晚更新世晚期以来的长江上游古洪水记录

长江上游三峡河段主要的古洪水记录有:1)三峡深槽的蚀积变化;2)长江阶地粗粒沉积;3)长江的泛滥沉积;4)长江的古洪水平流沉积。不同时间跨度不同类型古洪水记录的精度有较大的差别。古洪水记录显示,晚更新世晚期的40～30kaB.P.,长江上游大洪水比30kaB.P.以来的长江上游大洪水大得多;全新世以来,以3983aB.P.前后的大洪水为相对最大;公元1870年大洪水为3000aB.P.以来最大洪水;近百年来的实测洪水以公元1981年洪水为最大。     

晚更新世晚期以来的长江上游古洪水记录

长江上游三峡河段主要的古洪水记录有:1)三峡深槽的蚀积变化;2)长江阶地粗粒沉积;3)长江的泛滥沉积;4)长江的古洪水平流沉积。不同时间跨度不同类型古洪水记录的精度有较大的差别。古洪水记录显示,晚更新世晚期的40～30kaB.P.,长江上游大洪水比30kaB.P.以来的长江上游大洪水大得多;全新世以来,以3983aB.P.前后的大洪水为相对最大;公元1870年大洪水为3000aB.P.以来最大洪水;近百年来的实测洪水以公元1981年洪水为最大。     

汉江上游尚家河段全新世古洪水事件光释光测年研究

汉江上游是南水北调中线工程重要的水源区。通过对汉江上游河谷的详细调查,在郧县尚家河段全新世黄土-古土壤剖面上部发现一层典型古洪水滞流沉积物,对其进行了年代学和沉积学的研究。对于系统采集的样品,进行粒度分析测定,证明其为典型的古洪水滞流沉积物（SWD）,记录了古洪水事件发生的气候水文信息。采用古洪水水文学方法恢复推算出这次特大古洪水事件的洪峰流量为63 720 m3/s,其规模大于实测最大洪水。应用光释光测年（OSL）技术中的单片再生剂量法（SAR）,测得样品的年龄在940±140~3 190±100 a之间,确定古洪水SWD是汉江上游发生在1 000~900 a B.P.期间的特大洪水事件的沉积物。这期古洪水事件的发生年代对应于我国北宋/辽时期的气候恶化阶段,由于东亚夏季风环流异常变化,降水变率大,气候处于不稳定期,出现旱涝灾害频繁发生的现象。研究结果对于深入揭示河流水文系统对于全球变化的响应规律提供了新的证据。     

黄河上游靖远-景泰段全新世古洪水水文学

对黄河上游靖远景泰段峡谷进行系统野外考察,在靖远县金坪村(JPC)发现典型的全新世古洪水滞流沉积物。通过光释光(OSL)测年和与黄河吉县段FJJ剖面进行地层对比,确定这期特大古洪水事件发生在 3 200~3 000 a B.P.,即全新世中期晚期气候恶化转折阶段,对应着我国历史上商末至西周早期。采用古洪水水文学方法恢复古洪水洪峰水位,并且采用比降-面积法计算这一期多次古洪水事件的洪峰流量为 16 110~17 740 m³/s。同时,根据野外调查获得 2012年7月31日黄河上游大洪水的洪痕高程,采用相同参数和方法恢复其洪峰流量,误差仅有 2.7%,表明在该河段对于古洪水水文恢复计算参数选取和计算结果是可靠的。