山東丹河2018年洪水沉積特征、物源分析及水文過程重建

李華勇趙 楠楊藝萍于正松孫啟發(fā)吳帥虎張 曼張虎才

1.安陽師范學院資源環(huán)境與旅游學院,河南 安陽 455000;

2.中國科學院南海海洋研究所,廣東 廣州 510301;

3.中國科學院邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室,廣東 廣州 510301;

4.云南師范大學地理學部,云南 昆明 650500;

5.云南省高原地理過程與環(huán)境變化重點實驗室,云南 昆明 650500;

6.云南大學生態(tài)與環(huán)境學院,云南 昆明 650504;

7.云南大學高原湖泊生態(tài)與治理研究院,云南 昆明 650504

當今洪水災害頻發(fā)的環(huán)境背景下,利用地質(zhì)載體延長古洪水記錄的時空尺度,研究其發(fā)生規(guī)律,探討古洪水發(fā)生的氣候背景及自然和人文因素,逐漸成為學術熱點,并且極具現(xiàn)實意義(Knox,2000;張業(yè)成等,2006;高楊等,2017)。古洪水沉積物是記錄古洪水信息的重要地質(zhì)載體之一,通過對其研究,既可以理解河流水文系統(tǒng)在萬年尺度對于氣候變化的響應規(guī)律,又可以揭示古洪水水位、流量及其發(fā)生機制,同時為現(xiàn)代水利和防洪工程設計提供依據(jù) (Brown et al.,2000;De Niel et al.,2017)。但因缺乏現(xiàn)代洪水沉積物研究作為識別依據(jù)和參考,學術界對古洪水層的判別主要依據(jù)經(jīng)驗法,精準識別較為困難(吳慶龍等,2009;Dong et al.,2018)。因此,遵循“將今論古”的研究思路,充分認識現(xiàn)代洪水沉積特征,是識別古洪水沉積層的重要前提和依據(jù) (Zhan et al., 2010; St George et al., 2020)。然而,目前現(xiàn)代洪水沉積學研究較為薄弱,表現(xiàn)在一是成果產(chǎn)出較少,且研究區(qū)集中于河流中、上游地區(qū) (Micallef et al.,2018;Carling et al.,2020);二是對一次完整洪水沉積過程的系統(tǒng)研究不足,尤其缺乏現(xiàn)代洪水層與下伏地層的對比。文章選取山東省北部丹河2018年洪水事件作為研究案例點,鉆取新鮮洪水沉積層及下伏土壤層巖芯(鉆孔編號DH1),進行粒度、燒失量、磁化率及孢粉分析,探究小流域下游洪水沉積特征,揭示水動力變化過程,分析泥沙侵蝕源區(qū),研究結果既可為古洪水沉積層識別提供有力參考,又可為水利和防洪工程建設提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與洪水發(fā)生過程

丹河位于山東省北部,發(fā)源于臨朐縣山旺鎮(zhèn),北偏東流向匯入彌河,最終注入渤海萊州灣(圖1a、1b)。河流上游流經(jīng)魯中山地,林地面積相對較大;下游流經(jīng)山前平原及濱海低地區(qū),流域內(nèi)以旱作糧食作物和蔬菜種植為主。流域年平均降水量約為600 mm,降水集中在5—8月,旱澇災害頻發(fā)(徐立榮,2001;黃振國等,2013)。

2018年8月中旬,臺風 “摩羯”和“溫比亞”接連影響該區(qū)域,帶來強降水,河流水位迅速升高,彌河、丹河下游發(fā)生多處漫堤和決堤險情,形成洪澇災害(徐立榮,2001;郭廣軍和賀芳丁,2018)。

2 樣品采集與實驗方法

2.1 樣品采集

2018年10月,筆者考察丹河洪水淹沒區(qū),并選擇下游新鮮洪水沉積物保存較為原始的地點(圖1b),獲取沉積物短鉆DH1巖芯(36°51′8″N,118°55′58″E;長21.0 cm),鉆孔位于堤壩內(nèi)側河漫灘之上(圖1c),巖芯0~9.0 cm段為黃色粉砂層,粒度較粗,巖性松散;9.0~11.5 cm段為棕色黏土層,質(zhì)地緊密;11.5~21.0 cm段發(fā)育紅棕色現(xiàn)代土壤,顆粒較細(圖1d)。

圖1 丹河下游流域及鉆孔位置Fig.1 Location of the downstream of Dan River and the drilling point(a) The location of the research area; (b) Downstream of the Dan River; (c) Sampling site; (d) The lithology of the core DH1

樣品運回實驗室后剖開,以0.5 cm間隔分樣,獲得42個樣品,全部進行粒度、磁化率、碳酸鹽及有機質(zhì)含量分析,少數(shù)層位樣品量不足以完成磁化率實驗時,將相鄰樣品合并進行測試,并選取4個樣品(2.0~2.5 cm、6.0~6.5 cm、10.0~10.5 cm、15.0~15.5 cm)進行孢粉分析。

2.2 實驗方法

粒度測試所用儀器為Mastersizer 2000型激光粒度儀,檢測范圍0.02~2000 μm,樣品預處理后上機測試,系統(tǒng)自動測量2次并取平均值(李華勇等,2020);有機質(zhì)和碳酸鹽含量采用燒失量法測定 (張文河和穆桂金,2007;胡彩莉等,2016);磁化率采用英國Bartington儀器公司生產(chǎn)的MS2型磁化率儀,重復測量3次取平均值(王喜生等,2006),以上實驗均在云南師范大學高原湖泊生態(tài)與全球變化重點實驗室完成。

孢粉提取采用HF法,鑒定和統(tǒng)計在Nikon光學顯微鏡(10×100倍)下進行,每個樣品鑒定和統(tǒng)計不少于300?；ǚ?孢粉百分比含量按孢子和花粉總數(shù)計算(李春海和何翠玲,2004),實驗在中國科學院南海海洋研究所邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室完成。

3 實驗結果

3.1 粒度組分特征

DH1鉆孔巖芯粒度組分以粉砂為主,平均含量達到82.7%,黏土和砂平均含量分別為8.3%、9.0%;中值粒徑介于9.2~31.9 μm之間。巖芯宏觀特征和各粒級含量變化規(guī)律顯示,DH1鉆孔巖芯沉積物可分為三段:下段(11.5~21.0 cm)粒度較細且變化不大,平均中值粒徑僅為13.8 μm;0~9.0 cm為砂質(zhì)粉砂層,平均砂含量在整個鉆孔最高,達到14.7%;中間為過渡層 (9.0~11.5 cm),砂含量逐漸升高,黏土和粉砂含量波動降低(圖2a)。

3.2 燒失量特征

巖芯有機質(zhì)含量波動范圍為3.7%~9.6%,平均含量為5.5%,其中土壤層(11.5~21.0 cm)有機質(zhì)含量較為穩(wěn)定,平均值為5.4%,洪水層(0~11.5 cm)有機質(zhì)含量總體呈減少特征,平均含量為5.6%,峰值出現(xiàn)在11.0 cm處(洪水沉積初期),含量接近10%(圖2b)。

碳酸鹽含量介于2.0%~4.6%之間,平均值3.0%,變化特征與有機質(zhì)含量曲線較為一致,于11.5 cm處出現(xiàn)峰值,含量達到4.6%,其他層位含量均較低,尤其是上段洪水粉砂層 (0~9.0 cm),含量低且較為穩(wěn)定(圖2b)。

3.3 磁化率特征

低頻質(zhì)量磁化率χlf變化范圍為5.08×10-8~42.22×10-8m3/kg,平均值為表現(xiàn)為顯著的兩段式變化,洪水層磁化率平均值為5.78×10-8m3/kg,顯著低于土壤層(平均值27.73×10-8m3/kg),且在沉積界面處 (11.5~12.0 cm)呈突變式減小(圖2c)。

圖2 DH1鉆孔巖芯粒度組分、燒失量及磁化率變化曲線Fig.2 Variation curves of grain size components, loss on ignition and magnetic susceptibility in the core DH1(a) Variation of grain size data; (b) Variation of loss on ignition; (c) Variation of magnetic susceptibility

3.4 孢粉特征

DH1鉆孔巖芯共鑒定出40個科屬的孢粉。孢粉組合中以草本花粉為主,共19個屬種,占總含量的 71.41%,主要以藜科 (Chenopodiaceae,22.93%)、禾本科(Gramineae,14.37%)、香蒲科(Typhaceae,7.87%)、蒿屬(Artemisia,4.13%)、羅布麻屬(Apocynum,3.80%)、莎草 科(Cyperaceae,3.22%)、唐松草屬 (Thalictrum,3.80%)、眼子菜科(Potamogetonaceae,2.89%)、葎草屬(Humulus,2.04%)、十字花 科(Cruciferae,1.62%)、薔薇科 (Rosaceae,1.25%)、車前草科 (Plantaginaceae,1.08%)等為主;此外還有少許菊科 (Compositae,0.5%)和豆科(Leguminosae,0.1%)等。其次是木本花粉,共16個科屬,占總含量的24.45%,主要有胡桃屬(Juglans,5.59%)、松屬(Pinus,5.56%)、榆屬(Ulmus,4.03%)、樺木屬(Betula,1.94%)、落葉櫟屬(DeciduousQuercu,1.68%)等。蕨類孢子含量最少,約為3.06%,其中三縫孢含量是2.40%,而單縫孢只出現(xiàn)在洪水層,含量為1.32%(圖3)。

圖3 DH1鉆孔巖芯主要孢粉譜Fig.3 Sporo-pollen percentage diagram for main taxa in the core DH1

4 討論

4.1 洪水層粒度二元結構與水動力特征

粒度特征可直觀反映洪水水動力大小(Draut and Rubin,2013;王繼龍等,2016;劉智榮等,2021)。DH1鉆孔巖芯下段11.5~21.0 cm為河漫灘沉積基礎上發(fā)育的現(xiàn)代土壤層,粒徑較細,以黏土和粉砂為主,砂含量很低(圖2a)。0~11.5 cm段為洪水沉積層,巖性宏觀特征及粒級含量結果顯示,該段又可分為兩個亞段:0~9.0 cm是典型洪水粉砂層,粒度較粗;9.0~11.5 cm段為過渡層,粒度由細變粗,指示水動力逐漸增強。自然狀態(tài)洪水發(fā)生后,粗粒物質(zhì)沉降快,細泥沙沉降慢,單次洪水沉積旋回底部泥沙粗,頂部顆粒較細(Long et al.,2008)。然而,丹河流域人類活動強度大,行洪河道被大量侵占,導致洪水初期水流不暢,以細粒沉積物為主,后期流速加快,粒度變粗,沉積平流粉砂層,使沉積旋回呈現(xiàn)底部泥沙細、頂部泥沙粗的特征(見4.2小節(jié)討論)。

4.2 敏感組分與洪水過程重建

利用粒徑-標準偏差法識別出DH1鉆孔巖芯粒度具有兩個敏感組分:C1(9 μm)和C2(61 μm;圖4;孫有斌等,2003)。C1屬于細粉砂組分,通常在弱動力環(huán)境下才能穩(wěn)定沉積(李華勇等,2017);C2組分介于粗粉砂和砂之間,其含量多寡可指示水動力強度的變化(陳橋等,2013)。提取其含量并繪制變化曲線,兩者基本呈鏡像相關關系,表明受同一沉積動力控制(圖5)。

圖4 DH1鉆孔巖芯粒度敏感組分變化特征Fig.4 Two sensitive grain size components of the core DH1

圖5 敏感組分、燒失量及磁化率變化特征與洪水階段劃分Fig.5 Diagram showing the variance of sensitive component contents, loss on ignition, magnetic susceptibility and the flooding stage

根據(jù)巖性及敏感組分變化特征,可將洪水沉積層劃分為2個階段、3個亞段,對應洪水過程的3個時期(圖5)。

(1)階段Ⅰ:巖芯11.5~8.0 cm段,洪水前期。C1含量由0.8%迅速降低到0.3%以下,C2含量則由0.024%逐步升高到0.136%,揭示該階段鉆孔位置洪水流速由慢速迅速變快。根據(jù)敏感組分含量具體變化特征,又可將洪水前期細分為2個亞段。

①Ⅰ-1段:巖芯11.5~10.0 cm段,洪水初始階段。相比下伏土壤層,11.5 cm處C1和C2含量分別有所升高和降低,并達到全鉆孔巖芯峰值,表明洪水最初期,河流水位上升淹沒鉆孔位置,但流速并未同步提高,水動力極弱,沉積物以黏土和細粉砂為主(圖2a)。氣候干旱化和人地矛盾突出大背景下,人為活動對河流水文系統(tǒng)的改造和影響日益突出(Grill et al.,2019),一方面表現(xiàn)為大量滾水壩的修建以及行洪河道被侵占,阻礙洪水通暢流動。另一方面,中、上游防洪水利設施攔蓄一部分洪水,導致初期洪水強度不大,水位上漲的壓力主要來自區(qū)域內(nèi)大氣直接降水以及地表徑流匯入,因此出現(xiàn)水位升高但流速未同步加快的現(xiàn)象,DH1鉆孔巖芯11.5 cm處粒度特征即是該水文現(xiàn)象的沉積學表現(xiàn)。自11.5 cm至10.0 cm,C1含量驟降,C2含量波動升高,但仍處于相對穩(wěn)定階段,表明該時期洪水流速加快,導致C1組分無法穩(wěn)定沉積,但水動力強度尚不足以顯著影響C2含量,即洪水流速未達到影響粗粉砂、砂含量的閾值(周慧等,2020)。

②Ⅰ-2段:巖芯10.0~8.0 cm段,流速加快階段。C1含量持續(xù)降低,C2含量快速升高,分別達到鉆孔巖芯最小值和最大值,對應洪水初期水動力快速增強階段。強水流攜帶大量粗粒組分沉積在鉆孔位置,同時由于沉積環(huán)境不穩(wěn)定,細粒組分沉積量大幅減少。

(2)階段Ⅱ:巖芯8.0~0 cm段,高水位平流沉積階段。C2含量穩(wěn)定在高值區(qū),C1含量則相對較低,表明該階段洪水流速快且較為穩(wěn)定,對應洪水高水位平流沉積階段。敏感組分C1和C2含量分別具有微弱的波動升高和降低趨勢,揭示洪水水動力緩慢減弱。鉆孔頂部未出現(xiàn)洪水沉積旋回中常見的細粒沉積(Long et al.,2008),指示洪水退水過程迅速。DH1鉆孔巖芯取自河流行洪道內(nèi)(圖1c),洪水可通過河道迅速退去,不易出現(xiàn)長期的弱水動力泛濫狀態(tài),因而沉積旋回頂部未出現(xiàn)典型黏土層。另外,丹河下游地區(qū)人口密集,工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值較大,洪水對人民生命財產(chǎn)安全造成嚴重威脅,人為對洪水的疏排從另一方面加快了退水過程。

4.3 燒失量對水動力大小的響應

DH1鉆孔巖芯有機質(zhì)、碳酸鹽含量在洪水前期沉積層(階段Ⅰ)為高值,并于10.5~11.5 cm處達到峰值,對應洪水沉積Ⅰ-1段,隨后快速降低,后有所回升,與敏感組分C1含量變化特征相似(圖6)。圖6顯示洪水沉積層有機質(zhì)、碳酸鹽含量與敏感組分C1含量呈正相關關系,R2值分別達到0.83、0.89。洪水相對湖泊、海洋而言,沉積過程短暫而迅速,有機質(zhì)和碳酸鹽以外源輸入為主,內(nèi)源產(chǎn)量極低。有機碎屑物比重較小,在靜水或弱水動力條件下才能有效沉積,粒度越細,其含量越高(李華等,2008;楊冰潔等,2015);而輸入性碳酸鹽礦物主要富集在細粒組分中(何良彪,1991)。因此,水動力強度決定了洪水層碳酸鹽和有機質(zhì)含量,流速越快,粒度越大,燒失量越低;水動力越弱,粒度越細,含量越高(王艷君和金秉福,2017)。

圖6 DH1鉆孔巖芯燒失量與敏感組分C1含量相關關系散點圖Fig.6 Scatter diagram showing the correlation between loss on ignition and sensitive component (C1) contents in the core DH1(a) Correlation between TOC contents and sensitive component (C1) contents; (b) Correlation between carbonate contents and sensitive component (C1) contents

4.4 孢粉對于水動力及物源的指示意義

自然狀態(tài)下由于粗、細泥沙在洪水中自由沉降速度存在差異,往往形成頂部粒度細、底部粗的特征,稱之為一次洪水沉積旋回 (Long et al.,2008)。由于孢粉比重遠比泥沙小,因而大部分富集于沉積旋回頂部,通過比較沉積剖面粒度和孢粉豐度變化,可判別洪水水動力大小,并進一步區(qū)分洪水沉積旋回(張信寶等,2005)。受自然因素和人為活動影響,現(xiàn)代洪水水文特征呈現(xiàn)復雜性(Bormann et al.,2011),在DH1鉆孔巖芯剖面粒度表現(xiàn)為下細上粗。與之相對應,洪水前期細粒沉積層(階段Ⅰ,11.5~8.0 cm)孢粉豐度達到21769.8 粒/克 (圖 7),遠高于洪水粉砂層(3016.3 粒/克)和土壤層(4317.3 粒/克),一方面因素是該階段水動力較弱,有助于孢粉沉降并富集;另一方與沉積物粒徑小更有利于孢粉存儲有關(陳橋等,2013)。因此,高孢粉濃度通常對應洪水沉積旋回末期或水動力較弱的階段。

洪水粉砂層(8.0~0 cm段)的木本花粉平均百分含量(32.31%)比下部土壤層(15.21%)的要高,而其草本花粉平均百分含量(63.72%)則比下部(80.18%)低,說明洪水可將上游山地木本花粉搬運到下游,使花粉百分含量發(fā)生變化(于革,2011)。土壤層草本植物花粉含量高達80.18%,與當?shù)匾赞r(nóng)業(yè)為主的植被類型相符,木本植物花粉含量占15.21%,且科屬種類未突破洪水粉砂層花粉類型(圖3),反映風力可將區(qū)域外或上游山地植被孢粉搬運至下游地區(qū),但貢獻相對有限(常婧等,2017)。兩者對比不難發(fā)現(xiàn),河流洪水搬運孢粉的能力大于風力,因此下游表土孢粉組合可較好指示研究區(qū)植被分布情況,而洪水沉積孢粉組合則更能反映流域內(nèi)植被的整體狀況(李杰等,2019)。

階段Ⅰ(11.5~8.0 cm段)洪水前期黏土沉積層木本和草本花粉平均百分含量分別為21.99%和78.01%,與土壤層接近(15.21%、80.18%),而與洪水粉砂層差異稍大(圖7),揭示洪水前期細粒沉積物可能主要來自研究區(qū)內(nèi),而非上游山區(qū)。結合洪水發(fā)生過程和粒度特征推測,該階段水位上漲的主因是大氣直接降水以及本地地表徑流匯入,因此研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田為泥沙主要來源,后期上游客水涌入,帶來更多山地地區(qū)泥沙和植被孢粉信息。該鉆孔孢粉沉積記錄顯示孢粉組合特征對于傳播過程和水動力大小具有良好響應,同時具備識別泥沙侵蝕源區(qū)的潛力(張信寶等,2005;常婧等,2017)。

圖7 DH1鉆孔巖芯孢粉種類與濃度、深度分布圖(☆表示孢粉分析取樣位置)Fig.7 Diagram showing the concentration and depth of different sporo-pollen species in the core DH1 (☆ represents the sampling locations)

4.5 磁化率揭示的沉積相變化

DH1鉆孔巖芯洪水層低頻質(zhì)量磁化率遠低于下伏土壤層,且不論洪水沉積粒度粗細特征如何,磁化率值始終穩(wěn)定在低值區(qū)(圖5)。表明磁化率大小主要揭示沉積相變化,即成壤作用的強度,而與粒度相關性較弱(徐新文等,2010;綦琳等,2020)。第四紀黃土和古洪水層研究中,磁化率低值通常指示成壤強度較小的粉塵堆積或洪水沉積層,而其接觸古土壤層或文化層,因成壤過程中產(chǎn)生的細粒磁鐵礦就地賦存,磁化率值一般較高(安芷生等,1990;王曉勇等,2003)。

文章研究的DH1鉆孔巖芯各指標參數(shù)中,燒失量、孢粉豐度及組合特征皆與粒度存在顯著關聯(lián),即粒度越細,對應孢粉豐度和燒失量值越高,因此均不能單獨作為洪水層識別的絕對指標。而磁化率值有別于其他指標三段式變化模式,在洪水前期黏土層和典型洪水粉砂層數(shù)值非常穩(wěn)定,且顯著低于下伏土壤層(圖5),指示成壤強度和沉積相變化,因此可作為識別河流沉積與土壤層的有效指標,但其地理空間適用性有待進一步探討。

5 結論

文章基于山東北部丹河流域現(xiàn)代洪水沉積物鉆孔巖芯的粒度、燒失量、孢粉及磁化率特征,重建洪水水動力過程,識別泥沙侵蝕源區(qū),建立小流域下游洪水沉積特征,為古洪水層識別提供一定參考。

(1)粒度敏感組分含量特征揭示,洪水前期水動力較弱,在自然條件和人為活動兩方面因素共同作用下,水位上漲但流速并未同步加快,沉積黏土層;后期流速顯著加快,出現(xiàn)典型洪水粉砂沉積。

(2)有機顆粒物比重較輕,在弱水動力環(huán)境下才能有效沉積,外源輸入性碳酸鹽礦物主要集中于細顆粒組分中,因此兩者均在洪水黏土層出現(xiàn)高值,與粒度具顯著負相關關系。

(3)孢粉豐度在洪水前期黏土沉積層遠高于其他層位,可與燒失量共同指示洪水水動力強弱;下游表層土孢粉組合可較好指示研究區(qū)植被分布情況,洪水粉砂層孢粉組合則更能反映流域內(nèi)植被的整體狀況,揭示河流洪水搬運孢粉的能力大于風力;洪水黏土沉積層孢粉組合與研究區(qū)內(nèi)植被的分布狀況吻合度較好,明顯有別于洪水粉砂層孢粉組合特征,推測洪水前期水位上漲的主因是降水和本地地表徑流匯入,因此泥沙和孢粉來自研究區(qū)內(nèi),后期上游客水涌入,帶來更多山地植被孢粉信息。DH1鉆孔巖芯孢粉沉積記錄顯示孢粉組合特征對于傳播過程和水動力大小具有良好響應,同時具備識別泥沙侵蝕源區(qū)的潛力。

(4)與其他指標參數(shù)受控于洪水水動力特征不同,磁化率值主要反映成壤強度的大小,在洪水層普遍表現(xiàn)為穩(wěn)定的低值,且顯著低于接觸土壤層磁化率值,因此可作為判識洪水沉積的有效指標,但其在不同區(qū)域的適用性是否一致,有待進一步研究。