全新世中后期开封西郊黄泛沉积序列的孢粉记录

历史时期以来,黄河在开封市附近多次泛滥形成了相对完整的沉积序列。选取开封市西郊25 m岩芯（ZK_jm）为研究对象,通过孢粉分析,结合地层沉积旋回和历史文献资料,探讨了全新世中后期以来大洪水事件的孢粉记录。结果表明：黄泛地层中的孢粉含量及其组成很好地记录了大洪水事件,洪水沉积期的木本植物花粉含量高于其间断期,而人工禾本科花粉含量低于间断期。每个粒度旋回基本上都有与之对应的孢粉亚带,且其上下界限的吻合度较高,表明孢粉可作为划分沉积旋回的代用指标。岩芯孢粉亚带的数目（12个）多于粒度旋回数目（9个）,孢粉组合特征可以识别出规模较小的洪水或者一次洪水事件出现的多个短期洪水间歇期所形成的沉积,孢粉指标划分沉积旋回的精度高于粒度指标。     

人为—生物源元素在开封古城黄泛地层沉积旋回划分中的指示意义

科学地划分黄泛地层沉积旋回是阐明开封古城兴衰与黄河水患关系的关键,但黄泛地层的粒度层序往往被后期人类活动所扰动,需要探索其他代用指标。在开封老城区的河南大学师专(ZKsz)和医专校区(ZKyz)以及西郊的金明校区(ZKjm)分别钻取25 m连续岩芯,共获得657个样品。用ICP和AFS法测定样品14种元素含量,以人为—生物源元素综合富集系数(IEF)为代用指标,应用小波分析技术划分沉积旋回。结果表明:岩芯Ni、Cr、Fe、Mn、Co、V和Al是自然源元素,Cd、Pb、Cu、Zn、Hg、As和P是人为—生物源元素。郊区岩芯的粒度(砂黏比)旋回与元素旋回的数目和界限相一致,指示IEF可以作为划分沉积旋回的代用指标。城区ZKsz岩芯0~12 m和ZKyz岩芯0~9 m的元素旋回分别为8个和6个,均多于其粒度旋回,IEF可以规避粒度层序紊乱的干扰,元素旋回能够准确反演黄河泛滥次数。现今开封老城区地下的战国大梁城、北宋东京城、明末开封城和清末开封城古地面分别在10~12 m、9 m、4 m和1 m左右。     

开封市西郊地层“崇祯大旱”事件的孢粉记录

根据开封市西郊9 m岩芯样品的孢粉分析,结合AMS¹⁴C测年、粒度分析和历史文献,揭示区域植被对“崇祯大旱”事件的响应。结果表明,岩芯深度0~1.8 m为20世纪中叶的黄河灌淤层和近期堆垫层,1.8~4 m和4~7.8 m分别为1841年和1642-1644年的黄泛沉积;岩芯存在7.8~9 m、5~7.8 m、2~5 m和0~2 m等4个孢粉带,其中5~7.8 m的孢粉带记录了明末“崇祯大旱”事件。该层段下段（6.7~7.8 m）为黄泛早期沉积物,木本植物花粉减少至整个岩芯的最低值,而藜科花粉比例显著升高并占据绝对优势,同时还伴随有旱生植物白刺属和麻黄属花粉出现,蒲公英属和菊科等耐旱植物花粉含量也相对较高,指示一次干旱事件;上段（5~6.7 m）为黄泛后期沉积物,木本植物尤其是松属花粉含量较高,而藜科等旱生植物花粉相对较少,可能是由于松属等木本植物花粉悬浮能力强而被洪水携带至下游,在水流缓慢或近于滞流时沉积,再加上洪水过后黄泛地面接受当地源、区域源和区域外源花粉的缘故。     

黑碳在开封古城黄泛地层沉积旋回划分中的指示意义

多次黄河泛滥使现今开封城市地面以下叠置数座古城,出现"城摞城"奇观。泛滥之后的城市重建等人类活动常常扰动正常的沉积层序,给粒度旋回划分带来巨大困难,因此需要寻找其他代用指标。分别在"城摞城"中心区(ZKsz)和郊区(ZKjm)获取25 m连续岩芯,以10 cm间隔分样;用激光粒度法结合筛分开展沉积物粒度分析,用Lim法(1996)测定黑碳含量,用小波分析划分沉积旋回。结果表明:ZKjm岩芯的粒度旋回界线大多与黑碳旋回一致,表明黑碳含量可以作为划分沉积旋回的代用指标。ZKsz钻芯深度8.8~23.5 m之间的地层,粒度旋回和黑碳旋回的数量及其界限基本相同;北宋以后地层(深度0.3~8.8 m)的粒度旋回只有2个,而黑碳旋回有7个,表明黑碳含量适用于城市扰动地层的沉积旋回划分。     

开封黄泛地层全新世中晚期碳密度和碳储量研究

开封古城相对完整的黄泛沉积序列为探索历史时期碳密度及储量提供了难得的研究载体。以开封城区（师专、医专和明伦）和郊区（金明）4个25 m岩芯为研究对象,通过对861个岩芯样品的容重、有机碳和黑碳分析测试,开展地层有机碳和黑碳密度及储量分析。结果表明：地层有机碳和黑碳含量垂直分布特征基本一致,高值主要集中在地表1 m范围内,其次是各朝代文化层附近,城区地层含量明显高于郊区。地层0~25 m黑碳密度均值为24.67 kg/m²,黑碳储量为11.30 Tg,分别占总有机碳密度和储量的24.26%和21.75%。表明地层黑碳碳库在总有机碳库中占有较大比例,在计算土壤或沉积物碳密度和碳储量时,应将黑碳也考虑在内。老城区0~25 m地层黑碳储量占比高出新区10%以上,主要与老城区受历朝人类活动影响强度较大及煤炭的广泛使用有关。研究结果可为寻找“遗失的碳”、精确计算碳循环和平衡提供参考。     

黄河内蒙古不同河型段对洪水过程的响应特征

黄河内蒙古河段的河道淤积近年来有所加重,一些人寄望于人造洪峰冲沙来降低河床。本文根据典型年份的最大洪水的流量—水位过程线变化特征,揭示黄河内蒙古不同河型段对这些洪水的响应机制,得出黄河内蒙古河段洪水的流量—水位过程线类型有线形、顺时针环线、逆时针环线3类单一关系和线形+逆时针环线、逆时针环线+线形、"8"字形+线形、嵌套状逆时针环线以及交叉线形5类复合关系。这些关系总体上可以反映洪水过程中河床是侵蚀还是沉积、何时侵蚀何时沉积、以及冲淤是否具有反复性。黄河内蒙古冲积性河段的河道对同一次洪水过程的响应沿程表现出分化现象,其中辫状河段以河床侵蚀下降为特征,弯曲河段以河床明显沉积升高为特征,而顺直河段以少量沉积或冲淤平衡为特征。不同河型段的河道对洪水的响应趋势与洪水动能的沿程减小相适应,洪峰含沙量沿程减小是该趋势的具体体现。人造洪峰冲沙难以逆转上述淤积趋势,对防治洪灾帮助有限。     

黄河永和关段全新世古洪水研究

通过对黄河中游晋陕峡谷段进行系统地考察, 在多个地点发现全新世古洪水滞流沉积物。选择永和关段YHG剖面进行了沉积学和水文学研究。根据野外宏观沉积学特征, 确定YHG 剖面含有一组五层古洪水滞流沉积层。采样分析测试表明其磁化率低、烧失量小、CaCO₃含量低, 粒度成分分类为粉沙质细沙和细沙质粉沙。它们是黄河洪水悬移质泥沙在高水位滞流情况下的沉积物, 记录了黄河晋陕峡谷段一期五次特大古洪水事件。通过地层学对比分析和OSL 测年断代, 确定这五次洪水发生在全新世中期-晚期转折阶段, 即3200-3000 aBP。这也是我国历史上商末-西周初年的气候恶化转折阶段。利用“古洪水SWD厚度与含沙量关系法”恢复古洪水洪峰水位, 采用面积-比降法计算出5 次古洪水事件洪峰流量介于28380~48590 m³/s 之间。该结果有效地延长了黄河中游洪水数据序列, 为万年尺度洪水流量-频率关系的计算提供了基础数据。这对于黄河中下游水利水电工程洪水设计和洪水资源化开发管理具有重要的现实意义, 对于揭示黄河中游水文过程对于全球变化的响应规律具有重要的科学意义。     

赣北黄茅潭湖泊沉积记录的240年以来古洪水事件

古洪水研究是近几十年来全球变化研究的一个热点,同时也是难点。本文利用赣北黄茅潭的湖泊沉积,建立了小冰期以来全球变暖背景下的区域洪水记录。采用²¹⁰Pb和¹³⁷Cs方法厘定了地层年代,基于粒度与元素地球化学指标的对比分析,揭示了器测记录(1950年)以来指标记录的特点与区域日降水超过50 mm天数的关系,认为黄茅潭HMT-01孔粒度(包括粗粉砂+砂/粘土比值、平均粒径)和Zr/Rb、Ti/Rb、Zr/Fe比值可作为洪水指标记录,共识别出1950-2010年期间记载的13次洪水事件中的11次。基于这些指标记录及指标特点,共识别1769-1950年间由历史文献记录的31次洪水事件中的23次,识别率达74.2%。研究表明：①湖泊沉积中Zr/Rb、Ti/Rb、Zr/Fe比值和粒度参数(平均粒径、粗粉砂+砂/粘土)作为洪水指标,对洪水事件沉积有较好的指示作用,且Zr/Rb比值对洪水事件的检出率较高;②黄茅潭流域洪水发生频率暖期高于冷期;③年代际尺度上,1820s-1840s,1860s-1870s为19世纪冷期黄茅潭洪水高频期,这两个阶段对应东亚夏季风偏强,长江中下游地区降雨较多;20世纪赣北黄茅潭洪水基本随1920s-1940s,1980s-1990s两个变暖阶段而高频出现,与长江中下游大洪水演变特点基本一致。研究结果为利用湖泊沉积记录反演过去的洪水变化,延长洪水序列、认识洪水规律提供了一定的科学依据。     

黄河壶口段全新世古洪水事件及其水文学研究

通过对黄河中游晋陕峡谷段的考察,在多个地点发现全新世古洪水滞流沉积层。选择壶口段左岸岩棚内典型的古洪水滞流沉积剖面进行沉积学和水文学研究。对于采集的全新世地层剖面序列样品,进行粒度成分、磁化率、烧失量、CaCO₃含量等分析,从沉积学角度证明了研究剖面所夹洪水沉积物为典型的古洪水滞流沉积物,记录了全新世两个时期的特大洪水事件。通过地层学对比分析和OSL测年,确定其分别发生在全新世早期-中期转折阶段,和中期-晚期转折阶段。利用沉积学和水文学原理恢复古洪水水位,计算出第一组古洪水洪峰流量为27490m³/s、27830 m³/s、28570 m³/s,第二组为40920m³/s。本文的研究发现全新世特大洪水事件,并且恢复了其水文特征数据,对于揭示黄河水文过程对于全球变化的响应规律具有重要的科学意义,对于水利工程建设具有重要的现实意义。     

开封古城不同朝代文化层重金属积累与污染分析

开封古城黄泛沉积形成的“城摞城”奇观为文化层重金属积累与污染分析提供难得的材料。在开封市城区（师专钻孔和医专钻孔）和郊区（金明钻孔）分别获取25 m连续岩芯,大部分按10 cm间隔分样,共获得657个沉积物样品。用ICP-MS和AFS方法测定样品Pb、Cd、Cu、Zn、Hg、As、Ni、Cr和Co含量。结合地层¹⁴C年代数据、考古发掘及历史文献记载,建立不同朝代文化层年代框架,开展文化层重金属积累与污染分析。结果表明：师专、医专和金明钻孔均存在战国、宋金、明早期、明中期、明晚期和清代6个文化层。文化层大部分重金属发生不同程度富集,以Hg富集最为明显,城区钻孔明早期以前文化层达到强富集至极强富集水平。绝大多数文化层发生了重金属轻度至中度污染,中度污染发生在城区钻孔的宋金文化层。城区钻孔的最主要污染重金属是Hg,其次是Cu、Pb和Zn;郊区钻孔的主要污染重金属是Cd、Cr、Hg和Pb。不同朝代文化层重金属污染程度与其人口密度呈正相关。明早、中、晚期文化层污染程度逐渐减轻的现象可能与明朝开封城复兴与频繁的黄河泛滥有关。     

伊河龙门峡段全新世古洪水和历史洪水水文学重建

对伊洛河流域进行水文学和沉积学野外调查,在伊河龙门峡（LMX）地点发现典型的全新世黄土—古土壤剖面,根据野外沉积特征和磁化率、粒度分析判定该剖面夹有五层洪水滞流沉积层（SWD）。通过OSL测年和地层对比,确定该地层记录了四期五次特大洪水事件,分别发生在3100~3000 a BP、1800~1700 a BP、770~610 a BP和420~340 a BP,并结合史料等初步判断其中包含了AD 223和1761年历史洪水的沉积记录。这些古洪水事件与全新世气候恶化、转折和气候事件有明确的对应关系。采用古洪水水文学方法恢复洪峰水位,并采用比降—面积法计算出古洪水和历史洪水事件的洪峰流量介于14100~15800 m³/s。同时,根据实测获得1958年7月17日伊河龙门大洪水的洪峰水位和流量数据,采用相同参数和方法恢复其洪峰流量,误差仅有-3.6%,表明在该河段古洪水水文学重建所选参数和计算结果是可靠的。这些研究成果既证明季风气候区河流水文系统对全新世气候异常事件响应敏感,又为伊洛河流域水利、交通和防洪工程建设提供基础数据,具有重要的科学意义和实践价值。     

开封地区宋元时期洪涝灾害与气候变化

整理分析历史文献资料,提取出北宋和元代开封地区的洪涝灾害信息,对比探讨两个时期洪涝灾害发生特征及其反映的气候变化。结果表明,宋元开封地区洪灾频发,平均2.75~2.89 a发生1次,北宋以中度雨涝为主,元代以河流决溢大灾为主。北宋前70 a洪灾频发,元代则两头少中间多。宋元洪灾主要集中于夏秋季节,夏季风降水增多或集中是其主要驱动力。北宋洪灾空间差异较小,元代则因距离黄河改道远近而差异较大。北宋前期约40 a气候偏干,之后干湿波动频繁,元代相对湿润并延续至后期;宋元洪灾均具有共同的准3、7 a周期。     

基于数值模拟的黄河下游不同情景溃堤洪水特性

通过研究黄河下游地区的溃堤洪水特性,为防洪减灾工作提供科学依据。本文以黄河下游地区的DEM,1958、1982、1996年典型历史洪水和2000年土地利用数据为模型初始输入,分4个模拟情景,依据黄河溃堤水流的特性,利用二维非恒定流模型对黄河下游不同位置决口情景下的洪水演进特性进行模拟,结果表明:洪水在演进过程中都会侵夺沿途河流行洪,进入下游后洪水会顺河归槽;在同一河段,同一年型洪水北岸不同位置溃口情景所淹没的面积大于南岸对应位置的淹没面积;黄河两岸洪泛区地理位置的差异,使两岸的洪灾程度具有区域差异;水深且流速大的洪水淹没主流区面积相对较小,水浅且流速小的非主流区面积相对较大。     

黄河上游靖远金坪段全新世古洪水沉积物特征

通过对黄河上游靖远-景泰峡谷段进行系统地全新世古洪水沉积学和水文学考察,确定金坪村剖面含有一组14层古洪水滞流沉积层。同时在该河段多处发现2012年大洪水洪痕和滞流沉积物的尖灭点。对两种沉积物进行采样和分析测试,结果表明古洪水滞流沉积物粒度成分分类为粘土质粉沙和细沙质粉沙。其粒度分布集中,分选性良好,与现代大洪水滞流沉积物完全相同,明显不同于晚更新世马兰黄土和全新世中期古土壤。这些特征表面他们是黄河上游古洪水悬移质泥沙在高水位滞流环境下缓慢沉积的产物,记录了黄河上游靖远-景泰峡谷段一期14次特大古洪水事件。该剖面全新世古洪水滞流沉积物的磁化率很低、烧失量小、Ca CO3含量低,与现代洪水滞流沉积物对应指标相似。说明这组古洪水滞流沉积物在沉积之后很快被坡积石渣土覆盖保存,没有受到地表风化成壤作用的影响。并且经过OSL测年,本期特大古洪水事件发生在3 200—3 000 a B.P.,这些研究结果对于揭示黄河上游特大洪水沉积物性质和泥沙来源、开展黄河流域全新世古洪水水文学研究,揭示黄河上游洪水水文泥沙过程对于全球变化的响应规律具有重要的意义。     

兰州黄河高漫滩沉积与洪水变化研究

根据兰州黄河高漫滩沉积剖面的观察和81个样品的粒度分析,研究兰州黄河马滩剖面沉积特征和当时的洪水变化。结果表明,马滩剖面明显分为15个沉积层,指示15次较大的洪水。这15个阶段河漫滩洪水深度和规模由大到小的变化顺序依次为第10>12>11>13>15>14>3>5>7>8>6>1>4>9>2阶段。据历史文献推算,马滩高漫滩沉积代表的15次洪水发生在170 a B.P.以来。兰州洪水沉积不连续,这15次洪水的每一次一般代表1 a雨季的短暂时间,两次洪水间隔时间通常为10 a左右,这10 a是没有洪水发生或洪水规模小的阶段,也是降水量正常或偏少的阶段。     

废黄河沉积记录中来自不同河流物质的信息——基于重矿物与地球化学元素分析

在全新世时间尺度内,沉积记录主要受控于沉积物供给、输运和堆积过程等因素。对废黄河沉积记录的深入分析可以反演黄河南流夺淮过程中沉积物的“源”-“汇”关系。基于废黄河故道沉积记录中重矿物和地球化学元素特征,并结合与现代黄河沉积物的对比,揭示废黄河沉积记录中物质来源的信息。结果表明,废黄河故道沉积物中重矿物平均含量为0.19%,种类多达15余种,以稳定矿物为主,不同矿物的时空变化差异较大。废黄河故道泥质和砂质沉积物中,地球化学元素表现出明显的时空变化规律,随深度递增元素含量可分为降低、稳定和增加趋势。对比现代黄河沉积物,发现废黄河故道沉积物中稳定和极稳定矿物相对含量较高,泥质沉积物中更多地富集Zn,Ni,Al,Ba,Cu,Li,K等元素。这一差异性反映出其它不同河流物质补给而产生的影响,淮河沉积物中重矿物和地球化学元素的研究为该论断提供了佐证。     

南黄海埋藏古三角洲

应用高分辨地球物理测量手段在南黄海中部深水区测量,发现了大面积以前积与前人所述反射结构为特征的埋藏三角洲地层。经过岩芯沉积成份分析、有孔虫组合、１４Ｃ年龄测定,证明是晚更新世晚期海退时期的古黄河三角洲沉积,并能与相邻的地层时代和沉积环境对应。结合华北平原与陆架区埋藏古河道的研究证明,晚更新世晚期低海面时期已经形成了黄河,并且流进了渤、黄海陆架海区。     

黄海海埋藏古三角洲

应用高分辨地球物理测量手段在南黄海中部深水区测量,发现了大面积以前积与前人所述反射结构为特征的埋藏三角洲地层。经过岩芯沉积成份分析、有孔虫组合、＾１４Ｃ年龄测定,证明是晚更新世晚期海退出期的古黄河三角洲沉积,并能与相邻的地层时代和沉积环境对应。结合华北平原与陆架区埋藏古河道的研究证明,晚更新世晚期低海面时期已经形成了黄河,并且流进了渤、黄海陆架海区。     

长江上游全新世特大洪水对西南 季风变化的响应

利用24次全新世特大洪水序列与川渝地区近两千年的洪灾史料,对长江上游特大洪水事件和气候变化的响应机制进行了分析。从长江上游特大洪水序列与阿拉伯海记录的西南季风气候变化对比分析来看,特大洪水事件与西南季风变化具有很好的响应关系,特大洪水事件多发生于西南季风较弱的阶段,这些阶段以西南季风气候快速变化为特征,是气候剧烈波动期或气候的转型期。与北大西洋、贵州董歌洞石笋所记录的气候变化比较,特大洪水有的与全新世气候突变一致,有的则不一致,可能特大洪水事件更多表现为地方事件。与文献记载的历史洪灾事件相比,长江上游低频高量级的特大洪水事件对西南季风的变化具有更好的响应关系,而高频低量级的洪灾事件具有更高的随机性,由于历史文献记载的洪水量级差异较大,如果将他们笼统地放在一起分析,可能会掩盖洪水事件对气候变化响应机制。     

黄河马头关段全新世古洪水水文恢复及气候背景研究

通过野外观察研究,在黄河中游晋陕峡谷永和县佛堂村（FTC）支沟口的回水湾内发现了全新世古洪水滞流沉积物。结合沉积学分析,判定它们是典型的全新世古洪水悬移质泥砂颗粒在高水位滞流环境中的沉积物。利用“古洪水SWD厚度含沙量法”恢复古洪水洪峰水位,借助HEC-RAS模型估算出4次古洪水事件洪峰流量在25 200～51 500 m³·s^-1之间。OSL测年结果显示,FTC地点的古洪水发生在1 900～1 700 a BP、3 400～3 000 a BP。全新世气候变化研究表明,这两个时期气候恶化,旱涝灾害多有发生。FTC地点的两期四次洪水反映了这两个时期的气候异常变化成果,表明了黄河中游水文系统对气候变化作出的响应,也印证了季风区河流对气候突变的响应规律,为黄河中下游地区防洪减灾和水资源开发提供了基础数据。