山东弥河流域现代洪水沉积特征与水动力过程反演

近几十年来，在考古地层与现代河漫滩沉积中均发现有洪水事件沉积^[1-3]，进一步研究揭示，古洪水可能极大地影响了流域内文明演进，甚至带来毁灭性打击^[4-5]。洪水沉积层作为古洪水事件的地质信息载体，其准确识别是进行古气候与古水文研究的必要前提^[6-7]。目前学术界对现代洪水沉积特征研究集中于河流中上游地区的巨能洪水沉积与滞流沉积^[8-9]，滞流沉积是洪水期河流两岸达到最高水位且流速接近零的状态下，逐渐在岸边沉积下来的“上细下粗"沉积单元层^[10]，是识别古洪水事件的常用载体，其沉积学特征和识别标志主要有：呈现明显斜层理或交错层理、水平或波状层理，末端翘起的构造特征；粒度负偏分布的结构特征；重矿物组合单调且含量偏低的矿物特征^[11]；磁化率和有机质含量较低的地球物理化学特征^[12]；以及古生物学标志等^[13-15]。然而，滞流沉积物仅在河流中上游的峡谷地区较易赋存，河流下游泛滥平原地区的洪水沉积特征研究相对较少^[16]，尤其缺乏系统研究一次洪水沉积过程及其与下伏地层的对比。由此导致古洪水层识别缺乏参考系，仍多依赖经验法，从而可能造成判识偏差，甚至产生一定争议^[17-18]。因此，遵循“将今论古"的研究思路，充分认识现代洪水沉积特征是识别地层中古洪水事件的重要前提和依据^[19-20]。弥河位于山东省北部，下游属泛滥平原地区，是全国重要的蔬菜种植区，区域内古文化遗址众多，历史时期洪水灾害频发，严重影响和威胁该地区人民生命财产安全和社会经济可持续发展^[21]。本文选取弥河下游2018年洪水事件为研究案例，获取新鲜洪水沉积物及下伏土壤层岩芯，进行孢粉、粒度、烧失量和磁化率等指标分析，充分认识现代洪水沉积特征，探讨其变化规律及影响因素，对比洪水层与土壤层沉积差异并建立洪水沉积判定标志，为识别全新世泛滥平原地区古洪水层提供可靠依据。

1. 研究区概况

弥河发源于山东中部沂山，全长206 km，总体为北偏东流向，注入渤海莱州湾（图1a），流域面积3847.5 km²，多年平均径流深度156.5 mm。岳寺高村以下为下游，河长96 km，流经山前平原和滨海低地区，河道平均比降为0.4‰（图1b）。流域年均降水量约为600 mm，降水分配不均，集中在5—8月，多发旱涝灾害，有水文记录以来（截至2017年），最大洪峰流量发生在1963年7月19日，达到2870 m³/s。近40年来断流天数呈逐渐增加趋势，特别是1981年以来，寒桥站监测年断流天数均在150天以上。河流上游地区林地面积相对较大，下游以旱作粮食作物和蔬菜种植为主^[22]。2018年8月中旬，台风“摩羯"和“温比亚"接连影响弥河流域，带来强降水，河流水位迅速升高，中游洪峰流量接近2500 m³/s，下游发生多处漫堤和决堤险情，形成洪涝灾害。

a. Location of Mi River basin, b. The lower reaches of Mi River, c. Location of sampling site, d. The lithology of MH1 core.

DownLoad: Full-Size Img PowerPoint

2. 材料与方法

2.1 样品采集

2018年10月，笔者考察了弥河流域洪水淹没区，并在下游高河漫滩区选择新鲜洪水沉积物保存较为原始的地点（图1b—c），提取21.5 cm长沉积物岩芯MH1，其中0～9 cm为黄色洪水沉积，以黏土和粉砂为主，未见明显层理，下段为棕色现代土壤层（图1d）。钻孔位于弥河下游宽谷地区，地势平坦，河床宽100～200 m，行洪河道宽约2 km，河漫滩高出河床约2.5 m（图1c），堤坝高出河漫滩约3 m。2018年洪水水位接近坝顶，并于部分河段发生漫堤和决堤，淹没堤坝外侧部分地区（图1b）。该区域以小麦、玉米等旱作农业为主，河滩区域为杂草荒地。

浅钻带回实验室后剖开，以0.5 cm间隔分样，获得43个样品，全部进行粒度、碳酸盐及有机质含量、磁化率分析（少数层位样品量不足时将相邻样品合并测试），并选取洪水和土壤层各两个样品（深度分别为2～2.5、6～6.5、10～10.5、15～15.5 cm）进行孢粉分析。

2.2 实验方法

样品粒度测试所用仪器为Mastersizer 2000型激光粒度仪，首先加浓度为30%的H₂O₂以除去样品中有机质，然后加10 mL浓度为0.05 mol/L的(NaPO₃)₆作为分散剂，并用超声波震荡10 min后测量^[23]。测试结果采用粒级-标准偏差法进行分析^[24]，通过计算每一粒级所对应含量的标准偏差获得粒度敏感组分的个数和分布范围，计算公式为：

S=1N−1∑i=1N(xi−x¯)2" role="presentation" style="position: relative;">S=1N−1∑Ni=1(xi−x¯)2−−−−−−−−−−−−−−−√S=1N−1∑i=1N(xi−x¯)2

(1)

式中，S为变量x的标准偏差（本文x为各粒级含量），x_i为样本值，N为样本数。

有机质和碳酸盐含量采用烧失法测定^[25-26]：将恒重坩埚清洗干净，放入105 ℃恒温鼓风烘箱加热8 h，取出放入干燥器至室温后称重；取充分干燥的粉末状样品至称量好的坩埚中，放入105 ℃恒温鼓风烘箱加热6~8 h，取出放入干燥器冷却至室温后称重；将称重后的坩埚及样品放入设定温度为550 ℃的马弗炉内加热2 h，放入干燥器中冷却至室温后称重；再将称重过后的坩埚放入950 ℃马弗炉里烧1 h，关掉马弗炉冷却至250 ℃，用镊子取出放入干燥器至室温后称重。根据称量结果，进行数学换算得到有机质含量和碳酸盐含量。

磁化率采用英国Bartington仪器公司生产的MS2型磁化率仪，在远离干扰磁场的情况下，对样品进行低频磁化率（470 Hz）和高频磁化率（4700 Hz）测试。每个样品分别测试3次后取平均值，得到低频质量磁化率（χ_lf）和高频质量磁化率（χ_hf），并由此计算出频率磁化率（χ_fd）和频率磁化率百分比（χ_fd%），其中，频率磁化率χ_fd=χ_lf−χ_hf，频率磁化率百分比χ_fd%=（χ_lf−χ_hf）/χ_lf×100%^[27]。以上实验在云南师范大学高原湖泊生态与全球变化重点实验室完成。

孢粉提取采用HF法，鉴定和统计在Nikon光学显微镜10×100倍下进行，每个样品不少于300粒花粉，孢粉百分比含量按孢子和花粉总数计算^[28]，该实验在中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室完成。

3. 结果

3.1 粒度组分与参数特征

粒度测试结果显示（表1，图2），MH1孔以粉砂为主，含量变化范围为67.76%～77.83%，平均含量达到71.95%；黏土平均含量19.90%，大致呈逐渐增加趋势；砂含量变化范围为0.03%～14.69%，呈显著两段式特征：0～9 cm平均含量仅为1.73%，下段平均含量达到12.78%；中值粒径范围为5.82～24.81 μm，平均值6.34 μm，变化模式与砂含量相似。

Table 1. Values of index parameters of MH1 core

深度/cm	中值粒径/μm	黏土含量/%	砂含量 /%	有机质含量 /%	碳酸盐含量 /%	磁化率χlf /(10−8 m3/kg)	孢粉丰度 /(粒/g)
0～0.5	6.93	32.21	0.03	7.24	6.35	8.03
0.5～1	8.12	23.92	0.62	6.77	6.45
1～1.5	8.48	27.97	0.23	6.47	6.54	8.32
1.5～2	10.02	26.14	0.27	6.13	6.22	7.76
2～2.5	9.45	29.91	0.95	5.78	5.68	8.46	6608.14
2.5～3	8.92	23.86	2.38	6.68	5.92	8.71
3～3.5	8.88	27.27	1.64	6.09	6.17	8.47
3.5～4	9.46	23.84	2.57	6.07	6.26
4～4.5	9.33	26.82	0.90	5.88	6.18	8.78
4.5～5	10.77	20.90	2.69	6.15	6.03	8.69
5～5.5	10.31	24.78	3.10	5.87	6.19	8.68
5.5～6	11.38	20.31	3.34	5.91	6.11	7.91
6～6.5	11.65	19.90	2.99	6.12	5.84	7.94	8019.79
6.5～7	12.34	19.05	3.13	6.01	5.99	7.21
7～7.5	12.03	21.38	0.79	5.92	6.62	7.32
7.5～8	11.51	21.56	2.69	5.97	6.73	7.05
8～8.5	11.20	23.67	0.42	5.96	6.78	6.52
8.5～9	10.96	21.15	2.41	6.18	7.73
9～9.5	24.81	15.73	14.35	6.40	7.55	6.48
9.5～10	22.49	17.21	12.21	4.94	3.17
10～10.5	22.07	16.98	14.15	4.34	3.17	9.25	1614.49
10.5～11	22.49	14.83	14.06	5.54	3.02
11～11.5	22.15	17.34	12.63	4.68	2.68	9.36
11.5～12	18.47	15.53	11.66	4.42	2.89	9.20