2020, Vol.40
溃决大洪水的研究往往是利用地质学、地貌学、沉积学、水文学等多种手段识别与重建溃决洪水事件，聚焦洪水发生的气候与地质背景、洪水规模与频率，提高灾害风险评估能力，探讨其与地貌演化、环境突变和人类文明的关系等[1~5]。溃决洪水通常是由滑坡、崩塌、泥石流、冰川、冰碛物以及火山等自然形成的坝体溃决而成，主要的堰塞方式有峡谷堵塞、自然圈闭的盆地蓄水以及水下通道堰塞等(表 1)[4~5]。受坝体堵塞或冰水融化影响，河道、海湾上游或冰盖附近往往长期储存大量水体，当堰塞坝发生溃决时，这些水体会从上游瞬间释放引发洪水事件[6~10]。其中一些发生频率低但规模大的溃决洪水(high-magnitude outburst floods)，会在短时间内释放出巨大能量，也常称为“灾难性(catastrophic)”或“极端(extreme)”洪水，其最大洪峰的量级往往超过105 m3/s，远大于一般规模的溃决洪水和降雨、融雪形成的气象性洪水(meteorological floods)[11~14]，通过水文模拟得到溃决大洪水引发的洪峰流量最高可接近108 m3/s[12, 15](图 1)。还有许多学者将洪峰值超过106 m3/s的洪水称为巨型洪水(megaflood)，并认为其中的大部分与晚更新世以来北半球的冰川活动有关[2, 4, 14~16]。除了具有极短的溃坝时间和较高的洪峰流量特点外，溃决大洪水带来的底床剪切作用和沉积迁移能力，还可以侵蚀基岩峡谷和搬运巨型砾石，形成独特的侵蚀和沉积地貌[11]。溃决大洪水事件通常持续时间长，影响范围大，一旦发生将会对下游的人民财产安全造成重大危害。同时，这类洪水与古气候波动联系密切，且常对地表产生长久而深远的影响，因此可为溃决洪水灾害、古环境重建与地表过程研究提供宝贵资料[5, 15]。
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表 1 自然堰塞坝体分类* Table 1 Classification of natural dam types |
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图 1 目前已知洪水体积与洪峰流量的溃决洪水事件规模较大的洪水已进行标注；修改自文献[4] Fig. 1 Outburst floods for which flood volume and peak discharge are known. Largest floods of each type are labeled. Modified from reference[4] |
溃决大洪水的沉积搬运和侵蚀能力远大于正常的河流流水作用，因此一次或几次大洪水事件能够直接影响地貌的形态。北美洲沟槽疤地(Channeled Scabland)中的大型玄武岩峡谷就是大洪水刻蚀地表后形成的典型侵蚀地貌[17]。Korup和Montgomery[18]在藏东南的雅鲁藏布江大峡谷入口处发现了全新世堰塞湖，推测第四纪时期曾发生多次冰川堵江，冰川坝和堰塞湖阻碍了河流溯源侵蚀，维持了青藏高原边缘的稳定，溃决洪水则侵蚀了下游的基岩河道，这些事件可能是导致大峡谷形成的重要原因；Wang等[19]发现青藏高原东南缘鲁朗河堵江处的河道陡峭指数ksn异常高，认为可能是滑坡坝长期堵江造成河道淤积，影响了河流纵剖面形态；Cook等[20]在详细分析尼泊尔地区的冰川湖溃决洪水(Glacier Lake Outburst Floods，简称GLOFs)后，认为该地区河谷的长时间尺度演化主要受溃决洪水的频率和规模而不是降水量的影响。
溃决大洪水事件往往是地表过程对气候变化进行快速水文响应的极端表现之一。例如现已研究的溃决大洪水中有许多发育在北半球冰盖附近，如北美洲的米苏拉(Missoula)冰湖溃决洪水[21]、Agassiz冰湖溃决洪水[22]、阿尔泰地区的Kuray-Chuja洪水[23]以及冰岛和格陵兰岛地区冰川相关洪水(Jökulhlaups)[11]等，由于晚更新世末期气候变化造成了冰盖消融，导致冰川坝溃决引发大规模洪水[15, 24]。到了全新世，冰川活动不再成为主要驱动力，洪水规模有所缩小，区域气候冷暖波动成为溃决大洪水事件的主导因素[16]。与此同时，溃决大洪水也可能会造成环境突变，如北半球冰盖附近的洪水将具有高密度的异常冷流体注入海洋，在海底的负载物质逐渐沉降后流体密度降低，形成向上运动的对流柱，打乱了热盐环流模式，最终造成气候突变[25]。关于12.8 ka B. P.时发生全球变冷的新仙女木事件(Younger Dryas event)，有观点认为是受当时Laurentide冰盖消融影响，冰川湖溃决向海洋中释放了大量淡水引发变冷事件[22]。
全新世时期环境变化与人类活动关系极为密切，像大洪水这样的自然灾害会促使人类不断迁移，对人类文明演进产生深远的影响[26~27]。近年来关于溃决大洪水对人类文明的影响也有所报道，如在8740~8160 a B. P.时段北半球的Laurentide冰盖溃决释放了大量淡水，使得全球海平面上升了近1.4 m，可能导致新石器时期的人类失去了耕地而向欧洲迁移[28]；Wu等[29]认为公元前1920年黄河上游发生了溃决洪水，与黄河流域内新石器向青铜器时代变迁的时间吻合，可能标志着夏王朝的开始。许多洪水频发区在具有灾害风险的同时也蕴藏着大量可开发资源，如发源于青藏高原的雅鲁藏布江、岷江和金沙江等多条流域内堵江堰塞和溃决洪水灾害频发，但同时其丰富的水资源和高地势落差则可用于水利水电开发[8, 30]。因此对溃决大洪水进行水力学重建，能够获得远超历史洪水重现期的万年尺度洪水水文数据[3, 31]，帮助分析溃决过程与力学机理，提高风险评估和监测预警准确度，这对于水电工程建设和防洪减灾具有十分重要的意义。
1.2 研究历史与现状观测与重建溃决大洪水事件是溃决洪水研究的重要内容。现今大部分溃决洪水事件的发生都十分突然和短暂，能够直接成功观测的洪水数量和规模都极为有限。全球不同地区虽流传有史前大洪水的传说，但是历史上关于降雨性洪水的记录较多，对溃决洪水的直接文献记载十分缺乏[29~30]。许多地质证据表明在人类历史时期之前地球上发生过许多大规模的溃决洪水事件，因此学者们常通过地质学、地貌学和古水力学等间接手段对其进行研究与重建[2~3]。
最早关于溃决大洪水的研究源于20世纪20年代北美洲沟槽疤地(Channeled Scabland)的成因争论上，该地区发育的巨型玄武岩峡谷被普遍认为是河流侵蚀下切形成的[17]，但Bretz[32]发现峡谷内几乎未见河流发育迹象，提出可能是大规模洪水侵蚀而成，挑战了当时认为的“地表侵蚀过程是平缓稳定的”传统观点。随后研究证实，在末次冰盛期时科迪勒拉(Cordilleran)冰盖发生冰进堵江，形成了米苏拉(Missoula)冰川堰塞湖，随后冰川坝溃决形成大洪水，坝体处释放的湖水深度近600 m，水量达2500 km3[17]，洪水刻蚀地表后形成了大规模基岩峡谷[33](图 2)。随着20世纪50年代河流古水力学研究的兴起和80年代古洪水水文学(Paleoflood Hydrology)的提出[1]，人们对溃决大洪水的认识开始在河流地貌、第四纪冰川与地质、年代学、水利工程以及行星地质研究的基础上不断清晰和深化，并日益认识到陆地中广泛存在着古洪水相关的沉积记录，现已在全球范围内展开了大量溃决大洪水的研究[4, 14, 16~17, 34](图 3)。通过野外地质调查与经验公式分析，结合古水力学手段和基于GIS的灾害研究，能够很好地分析出溃决洪水的成因、地貌与沉积学特征、洪水演进过程以及与气候变化的耦合关系等；同时，基于简单物理公式的流体动力学计算模型等工程研究方法，也大量运用到堰塞水体、堰塞坝的几何特征和理想溃坝过程的反演等研究中[35]。
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图 2 美国西北部晚更新世大洪水经过区域(黄色区域) 沟槽疤地(Channeled Scabland，简称CS)位于科迪勒拉冰盖南部，红色箭头为米苏拉洪水溃口；修改于文献[33] Fig. 2 Regions of the northwestern United States affected by Late Pleistocene cataclysmic flooding(yellow part). The Channeled Scabland(CS)is located immediately south of the Cordilleran Ice Sheet. Red arrow shows the outlet of Missoula floods. Modified from reference[33] |
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图 3 全球41个现已记载的灾难性陆地大洪水位置，修改自文献[14, 34] 图中红色箭头表示洪水事件的运动方向 Fig. 3 Locations for 41 regions where terrestrial catastrophic flooding has been recorded, modified from references [14, 34]. The red arrows show the direction of flooding events |
基岩河床的地貌形态主要受基岩的物理性质与河流的水动力条件控制[36~37]，除了低强度高频率的河流作用会长期磨蚀基岩河道外，像洪水这种高强度低频率的高能量水流作用往往也能够在短时间内剥蚀松散的砾石层与基岩河床，成为河流侵蚀下切、侧蚀、溯源侵蚀与冲蚀的重要动力[10, 20, 38]。洪水的高能量急流在垂向上的拔蚀(plucking)常形成沟痕、滩槽和锅穴，在横向上的侧蚀则表现为对河岸的侵蚀后退，以及对岸壁下部掏空形成凹岸，决堤口处常会引发洪水溢流和冲蚀作用[15]，如长江中游决口处的下方被冲蚀成深潭[39]。溃决大洪水能够形成大规模的基岩峡道，这些峡道往往没有水或发育极小的水流，形成蜿蜒曲折纵横交错的网状系统，峡道侧面发育基岩阶地；峡道上游的瀑布或陡崖处常发育基岩裂点，洪水的多次冲刷使得局部侵蚀作用加强，造成裂点多次溯源迁移[40~42]。
宏观上一般可将溃决大洪水侵蚀地貌分为洪水侵蚀河道地貌和残留高地两部分[5, 13, 15, 21, 38, 43~59](表 2和图 4)。洪水侵蚀河道地貌主要有冲刷基岩面、磨蚀穴或壶穴、无水瀑布和纵向深槽等，高洪水面在侵蚀河道边缘的岩石后，在局部会形成侵蚀凹龛、洪水刷痕与侵蚀溶洞等侵蚀微地貌[15]。典型的基岩洪水侵蚀地貌有北美洲沟槽疤地，洪水作用形成的深切峡谷十分发育，磨蚀基岩河床形成的壶穴发育成近圆形的湖泊，直径达250 m[32]。爱达荷峡谷内的侵蚀峡谷和大型丘状体亦十分典型[47~48]。冰岛的Jökulsá á Fjöllum流域内，溃决洪水对Jökulsárgljúfur峡谷上游的刻蚀导致裂点后退，形成数十米高的无水瀑布(cataracts)[43]。残留高地是洪水在改造沉积物后形成的流线型残余山丘或小岛，岸边的沉积物或水下冰川坝上还会形成侵蚀坑或冰蚀穴[15, 32]。比较有代表性的残留高地发育在北美洲沟槽疤地的东部，洪水改造后的残余山丘约几千米长，向上游汇聚成船头状，向下游形成细长的尾状体，周围无沟槽，常呈辫状形式成群分布，发育有黄土层夹砾石和钙化层[32, 50]。
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表 2 大型溃决性洪水侵蚀与沉积地貌(修改自文献[5, 43]) Table 2 Erosional and depositional landforms made by high-magnitude outburst floods, modified from references[5, 43] |
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图 4 冰川溃决大洪水地貌发育模型，修改自文献[57] (a)洪水通过下游峡谷冰水平原模型；(b)火山-冰川洪水冲刷发育模型图(a)中：1.扩展坝，2.悬浮坝，3.巨型波纹或丘体，4.滞留沉积，5.大型丘状体交错层理，6.大型坝前交错层理，7.滞后的叠加砾石，8.河道充填沉积，9.小规模波纹，10.斜槽河道与沟槽，11.锅穴洞与填充，12.冰块阻塞物，13.邻近峡谷边坡刷痕；图(b)中：1.多期叠加粗粒沉积层序，2.阶地砾石沉积，3.发育有砾石层、辫状古河道的废弃冰水的高地，4. “冲刷”冰水平原，5.高密度洪水流沉积沟槽扇，6.发育流线型残丘、巨砾和波纹的侵蚀河道，7.远端丘状沉积，8.流线型丘状侵蚀坝，发育锅穴地貌，9.洪水侵蚀河道，10.侵蚀活动融水河道，11.基岩堆积物下游的流线型侵蚀坝、冲刷痕、混杂砾石和沙丘等 Fig. 4 Model of landform development of glacial outburst flood, modified from reference[57]. (a)Model of valley sandur development downstream of a spillway channel; (b)Model of outwash development in an area of volcano-glacial jokulhlaup drainage. Fig.(a)including:1. expansion bar; 2. pendant bar; 3. megaripples or dunes; 4. slack-water deposits; 5. large-scale dune cross-bedding; 6.large-scale bar front cross-bedding; 7. imbricated boulder lag; 8. channel fill deposits; 9. small-scale ripples; 10. chute channels and lobes; 11. kettle holes and kettle fills; 12. ice-block obstacle marks; 13. wash limit on adjacent valley-side slopes. Fig.(b)including:1. stacked sequences of multistage massive granular sediments; 2. terraced boulder deposits; 3. high level, abandoned sandur surface exhibiting thin gravel horizon and braided palaeochannel networks; 4. washed sandur; 5. lobate fan deposited by hyperconcentrated Jökulhlaup flows; 6. incised Jökulhlaup channel with streamlined residual hummocks, boulders and megaripples; 7. hummocky distal Jökulhlaup deposit; 8. streamlined, hummocky, erosional bars mantled with rimmed and till-fill kettles; 9. incised Jökulhlaup channel; 10. incised active meltwater channel; 11. streamlined erosional bars, wash limits and scattered boulders and dune forms downstream of bedrock obstacles |
极高的流速和巨大的能量，使得溃决大洪水能够长时间远距离的搬运包括碎屑与石块在内的大量沉积物，并能粉碎岩石与碎屑产生细颗粒沉积物，最终堆积形成独特的沉积地貌[14, 23, 45]。除了在洪水行进时周围的沉积物质会卷入到洪水中之外，大量冰碛物、坡积物、湖相地层等来自上游的沉积物质也会参与到洪水的搬运和堆积过程中[15, 57]。洪水在经过河流两岸的阶地、台地以及弯道凸岸时会在顶部或凹槽内形成洪水堆积层，从狭窄地区进入平坦地带时会形成冲积扇或三角洲沉积[49]。先前已有的沉积地貌在洪水经过后也会受到改造，如冰川活动引起的洪水可以搬运包括冰川漂砾在内的冰源碎屑，流域内的洪水作用则能够改变河道内浅滩、边滩、心滩和河漫滩的位置和形状[15, 60]。由于后期的地表作用常会抹去早期洪水沉积的证据，因此能够保留的洪水沉积物主要分布在坝体下游的狭窄河道或海湾口，集中残留在支流河口、入海口、河流弯道内侧和峡谷壁内。与一般规模洪水事件相比，溃决大洪水产生的沉积常常保存在拔河较高的位置而不易被后期流水改造。典型的溃决大洪水沉积地貌有不同形态的砾石坝(bars)、大型砾石堆积波纹(丘状体)与叠瓦层、滞留沉积、纵向山脊和反向丘等[49](表 2和图 4)。
野外可以看到大量与溃决大洪水有关的沉积地貌和地形，但是有些并非溃决大洪水所独有，冰川、河流和风成作用，还有小规模的洪水事件同样能够塑造相似的沉积特征，所以单独某个沉积地貌的出现不足以作为证明溃决大洪水事件出现的证据[15, 18]。例如最早由Bretz[61]调查大洪水时发现的滞留沉积(Slackwater Deposits，简称SWDs，又译作平流沉积或憩流沉积)，在随后的古洪水研究中作为估算降雨性古洪水的最高水位而被大量应用。相较其他沉积物质而言滞留沉积在溃决大洪水中可能保存较少且不够典型，因此常利用多种沉积地貌特征来综合判别大洪水事件，并结合沉积学分析完善堵江溃决过程[15]。例如可通过洪水砾石坝高度等用于洪水水力学重建的沉积物特征来估算洪水最大水深，以推测洪水大致规模[44, 56]
大型洪水坝(bars)是最为典型的洪水沉积地貌，主要形成于大洪水通过的主洪道中，是洪水能量减弱时留下的粗颗粒沉积体，后期常被水流作用或晚期洪水改造或破坏，洪水坝主要类型有扩展坝(expansion bars)、悬浮坝(pendant bars)和涡流坝(Eddy bars)等[44, 49, 52, 57]。其中扩展坝常发生在洪水通道从狭窄河谷突然变宽的地区，多被后期水流改造，形成三角洲状或流线型沉积；悬浮坝主要发育在堰塞体的背水沉淀处，如洪水河道中间的基岩小山后面；涡流坝则发育在支流峡谷的洪水回水区[15]。另一典型沉积地貌为砾石波纹，或称砾石丘(giant current ripples or dunes)，是有规律间隔排列的横向砾石脊线，形成于相对较浅的高能量流水作用，与水流方向垂直，线条笔直且延展较远，在北美西部、阿尔泰和冰岛等地区十分常见[49, 59, 62]。丘状体只形成于亚临界流环境(Fr＜1)下，不对称的几何形态可以指示水流方向，洪水砾石丘高度和波长常与平均洪水水深成比例，因此对其研究得到可用于计算洪峰流量的古水利参数[52]。
3 沉积学特征 3.1 洪水沉积模型溃决洪水沉积物的结构、分选、粒度、粒序、层理、沉积构造和沉积相等能够指示水流深度与方向等古水流证据，以得到沉积环境类型的信息[45]。通过地层学与沉积学研究，可以重建单次和多次事件的洪水过程，获得洪水形成机制、沉积物供给变化与水动力特征；同时综合多个沉积地层证据来建立沉积体系，排除因冰川、河流和风成作用产生的相似沉积序列，才能够把握洪水沉积过程，更精准地识别溃决洪水事件[14, 52, 59, 63]。目前国内外学者已通过地层比对在纵向上建立了洪水沉积模型[14]；对溃坝堆积体进行沉积层序分析，提出湖相沉积-堰塞坝-溃坝堆积“三位一体”的沉积分析法[63~64]，详细分析与冰川活动相关的堰塞湖沉积特征[65]。但相关工作仍需进一步开展，如对堰塞湖相沉积、堵江坝沉积以及由近到远不断变化的洪水沉积进行整体沉积相学分析，全面完整的建立某个流域内的洪水序列等[11, 66]。
基岩峡谷内的大洪水沉积特征表现为靠近上游发育有巨厚的卵石或砾石堆积层，下游出现大量粒度均一的碎屑堆积层，通常近水平且较为平坦，具有横向扩展性[16]。例如西伯利亚阿尔泰地区Chuja河流峡谷内洪水形成的砾石层近100 m厚，向下游沉积粒度逐渐变细，形成巨厚粗砂层，分选中等到极差[23]。局部地区可见大规模的斜坡堆积(clinoforms)，发育叠瓦构造和小规模交错层理，层中可见坠石与冰障等碎屑物质，指示快速加积作用[57, 67]。通过集中分析阿尔泰地区洪水坝的沉积特征，结合全球其他古洪水事件沉积学研究，Carling[14]总结出大洪水剖面的典型垂向沉积序列模型，自下而上包括(图 5)：
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图 5 阿尔泰地区的Little Jaloman坝内发育的典型沉积，得出单个洪水沉积韵律层序S1~S6的模型图(通常8~10 m厚) 修改自文献[14] Fig. 5 Example of a single rhythm(typically 8~10 m thick)within the Little Jaloman bar, Altai showing a typical sequence stack 1 through 6. Modified from reference[14] |
S1—巨厚次水平/平行层状巨砾基底；
S2—大规模斜坡堆积；
S3—次水平/平行或波状/层状叠加的细砾薄层，夹坠石、碎屑或泥石流透镜体；
S4—低角度细颗粒及粗砂层，发育小规模填充构造；
S5—粉砂薄层；
S6—泥石流沉积薄层，夹变形地层或砾石层。
溃决大洪水的沉积机制可解释为携带有大量悬浮颗粒与沉积物的紊流，从主泄洪道流出，在凹槽(re-entrant)中迅速失去动力，使悬浮液中的沉积物快速加积到临近地层上[14](图 6)。这样一个连续的沉积序列通常代表洪水经过时产生的一个脉冲周期，形成平坦河床上的高浓度悬浮沉积，极高的动能使悬浮液能够搬运大量细砾和粗砂，得到粒度较粗的巨厚河床沉积，而粘土和淤泥则被进一步搬运，因此洪水堆积中细颗粒一般会缺失或沉积较少。在洪水流速最大期间，沉积物主要为平行层理，运输的泥沙常常分选很差，并扩散形成加积面，随着洪水减弱，受负载迁移作用加积面末端会形成含小波纹及沙丘的交错薄层。综上可以得出大洪水的流体结构可分为上下两层，上层为悬浮有大量沉积物的高密度紊流，在沉积过程中悬浮颗粒与粗砂会快速加积到临近的下部地层；下层为密度更大的底负载搬运流，流体性质介于泥石流与浊流之间[14, 45]。
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图 6 支流河谷处发育的洪水堆积大坝倾斜沉积面上主要沉积相形成模型横截面表示洪水从主峡谷(左)进入支流峡谷回水区(右)剖面图；该简化图只显示了3个沉积旋回；修改自文献[14] Fig. 6 Model of the formation of key sedimentary facies on inclined depositional surfaces of a giant bar developed in a tributary valley. The section represents a profile from the main valley(left)into a back flooded tributary valley(right). In this diagram only three cycles of deposition are shown for simplicity. Modified from reference[14] |
通过地层对比，Baker[49]和Maizels[57]在米苏拉湖和冰岛湖溃决洪水的沉积地层中发现了与鲍马序列相似的韵律层，认为溃决大洪水沉积序列与浊流沉积的鲍马序列可以进行类比[44, 53]，但是由于两者流体性质的不同，得到的沉积层序有着本质区别[14]。浊流沉积广泛存在于沿海大陆架和湖泊环境中，从砂到粉砂皆有沉积，少有河流相关沉积[23]。浊流的定义为“携带有大量固体悬浮物质的高密度浑浊水流，受重力驱动而流向低密度环境”，因此鲍马沉积模型主要针对的是低密度砂流[14, 59]。
3.2 年代学研究准确测定溃坝大洪水事件的发生与结束时间，是重建灾害序列、估算灾害频率、探讨大洪水灾害驱动机制等科学问题的基础，在对洪水事件进行时间限定时，可对沉积物的相对年代进行初步判定。一般早于洪水事件发育的有上游堰塞湖的湖岸沉积、残余堰塞坝沉积等；与洪水同时间形成的如下游的洪水砾石坝、砾石丘沉积等；洪水砾石坝有时会堵塞下游的支流形成次生堰塞湖，形成年代会晚于洪水的发生时间[15]。与洪水相关的冲积扇、河流沉积、风成堆积与古土壤等也常用于测定洪水的结束时间，不过对于判断反复溃决的洪水事件来说可能会存在论据不足[3, 54]。
在大洪水形成的沉积、侵蚀地貌中，有大量相关物质可以用于年代学分析，主要测年手段包括放射性碳定年(14 C)、光释光测年(OSL)、火山灰年代学和宇宙成因核素测年等。最为常见的是对洪水事件相关的滞留沉积、洪泛沉积以及古堰塞湖沉积中的有机物、砂或粉砂进行14 C和OSL定年[23, 43, 51]。前人对米苏拉洪水的年代学研究比较充分，主要通过从Columbia峡谷中的洪水沉积物、生物遗骸和夹杂的火山碎屑中获取14 C和OSL年龄，对洪水时间做最老限定，得到米苏拉洪水可能发生在22~16 ka B. P.[68~69]。但是由于溃决大洪水过程快速而短暂，许多还发生在植被稀少的高山峡谷区，使得沉积物中可用于14 C定年的有机物十分有限，同时早期形成的有机物可能混入其中造成碳库效应使得年龄高估，这些问题极大制约了14 C测年方法的应用[70]。而大洪水沉积物的OSL测年则由于信号晒退问题，导致年代可能出现高估[33, 71]。在对大洪水沉积物开展OSL样品采集时应选择分选好粒径细，具有明显水平层理的细中砂层，这类沉积物通常保留在相对静水环境的凹地，有更多的曝光晒退机会；同时尽量避免如浊流沉积等粗砂层，否则晒退不完全导致样品De的离散度过大，年代精准度较差[33]。不过随着测年应用的发展，前人通过最小年代模型(Minimum Age Model)等方法成功对冰川、泥石流等同样晒退较差的沉积物开展测年研究[72~73]，因此现今大洪水沉积物OSL测年也应该能够获得更精准的年代结果。近年来原地生成宇宙成因核素(Terrestrial Cosmogenic Nuclide，简称TCN)测年在古洪水侵蚀地貌定年上有了较大应用，通过测定洪水搬运来的砾石样品、残留坝体上的漂砾以及某次洪水强烈冲刷而暴露的基岩，还原古洪水的发生过程，但需注意的是这些暴露面最好为最大一次洪水作用搬运冲刷形成的，以保证其不受后期改造的影响[9, 74]。Balbas等[55]对洪水坝与冰筏沉积花岗岩漂砾、与洪水路径相关的花岗基岩以及发育在Purcell Trench和Okanogan lobes的终碛垄花岗漂砾进行10 Be暴露年龄测定，精准限定了米苏拉洪水经过各个河段时的具体时间；Baynes等[75]对冰岛Jökulsárgljúfur峡谷中洪水的冲刷基岩面进行3 He暴露测年，得到峡谷在全新世以来的3次下切时间，指示巨型裂点至少后退了2 km。其他年代学方法在溃决大洪水研究中也有所应用，如Gombiner等[76]利用K/Ar年龄和143 Nd/144 Nd分析海洋钻孔沉积物和与米苏拉洪水相关沉积物，认为洪水从美西部科迪勒兰冰盖向西经过华盛顿后，在末次冰期时到达温哥华岛的深海中；又如Clague等[68]在研究华盛顿州Yakima和Walla Walla峡谷内的晚更新世滞流沉积时，利用古地磁手段和两层火山灰证据，推定出米苏拉冰川湖共发生了10次洪水事件。
4 溃决洪水计算洪水经过时水体的流速和体积在短时间内会迅速增加，随后减弱，因此其水位线总体上具有明显的短流脉冲沉积特征[77]。一般河流的平均流速很少超过5 m/s，而天然坝的溃决能在短时间内产生极高的流速，如通过水力模型分析出冰岛Jökulhlaups冰川湖溃决洪水产生了19 m/s的流速[59]。大型堵江事件发生后，上游水位不断上升形成的堰塞湖会淹没周边的居民和建筑，同时坝体也在不断失稳，一旦溃坝将引发洪灾淹没下游，造成巨大损失，因此在水利工程建设和防洪减灾研究中，需要对溃决洪水进行重建。现今国内外已有不少学者提出了溃决洪水的计算模型，但目前多数模型仍存在较大不确定性，对于古洪水流量的准确估算仍在探讨和深化之中[78~79]。主要原因是自然溃坝洪水流态多变，边界条件难以确定，无法实现高精度的模型计算；同时自然界中造成堵塞的坝体物质成分复杂，其物理特性和溃决过程难以准确推测，如溃决出口的宽度和深度会影响洪水流量大小，但两者函数关系多成非线性，公式推导十分困难；此外在模拟长时间尺度的溃决洪水时，还需考虑当时的水流条件、古气候变化和构造运动条件，加上有些溃决大洪水的规模远大于现今可观测到的洪水规模，这些使得大部分数值计算和经验公式无法较好地运用到实际模拟中[4, 80~81]。
4.1 洪峰流量水力学重建重建溃决洪水事件的理论方法大致可分为3种[81]：一种是经验公式估算，主要基于现已观测的人工坝溃坝参数为主，即建立简单的溃口流量随时间的变化过程，以预测洪水溃口处的流量，该方法忽略了坝体之间的差异和溃口处的发展过程，常导致误差较大，因此一般用于定性分析[5]。第二种是半经验公式估算，其在堰流公式的基础上建立库容和坝体几何参数后，再利用非线性回归将潜在的堰塞水体相关联来预测溃决洪峰流量[80]。这类方法一般会事先假设溃坝时间和溃口形状，实际计算时会存在不确定性，其得到的溃决洪水与蓄水量之间的关系离散性较大，甚至同一水源的两次洪水都有较大差异，且缺少具体溃决机理的讨论，因此多在一些快速简单、特定量级的流量估测中较为有效[6~8, 82]。第三种是物理模型估算，综合水力学、泥沙动力学、土力学和边坡稳定理论等数值模拟了溃坝溃口处的发展过程和洪水在下游的演进过程[80]。在描述洪水流体时，三维自由水面的Navier-Stokes(NSEs)方程可以详细描述紊流的运动过程。但由于该方程计算难度过大，难以运用到溃决洪水事件的全部区域，因而简化得到的圣维南(Saint-Venant)方程被大量应用到溃决洪水模拟中[83~84]。其中一维方程可以简单重建溃决大洪水在经过长直河道时各个阶段形成的最大洪峰流量，但是无法较好应用于复杂地形区，且不能有效描述流向和侧向应力的快速变化[84~85]。二维方程中的浅水方程(Shallow-Water Equations，简称SWEs)近年来在溃决大洪水演进与动力学模拟方面效果较好，因此被广泛采用，但对于研究垂向参数变化大或大面积复杂地形的水流变化时仍略欠精准[13, 77, 86]。
较为有效的洪水模型需要能够准确处理自由水面的非连续性传播，进行各种(超临界/亚临界/临界)水流形态的分析，可以计算洪水在经过河谷、洪泛区等实际复杂河流系统时的变化，保证在经过临界面时物质的质量和动量守恒[87]。有许多根据上述方法建立的模型在重建溃决大洪水的溃坝与演进过程时取得较好成果，例如以溃坝过程为主的模型最早有DAMBRK、BREACH、BEED等，有些可模拟洪水演进过程，一般要基于半经验公式假设溃坝时间和溃口形状等参数[80]。为改善侵蚀动力模型以提高精度，一些模型如HR-BREACH、BASEMENT等通过输入物理参数来解决水流平衡问题，并结合运移公式来模拟溃坝[80~81, 86]。近年主要用于计算洪水演进过程的模型有HEC-RAS[85, 88]、TELEMAC- 2D[89]、TUFLOW 2D[85]、LISFLOOD-FP[90]、ANUGA[79]、SOBEK[91]、GeoClaw[92]等，并已在许多具体研究中得到了可靠结果。
北美洲的沟槽疤地作为记录溃决大洪水事件的典型地区之一，早在20世纪80年代便采用较为复杂的二维模型基于该地区对米苏拉溃决大洪水开展古水力学重建，并在随后的几十年间不断进行改进和补充[16]。Miyamoto等[77]优化了前人的计算代码，利用二维浅水方程和曼宁经验公式来模拟洪水演进过程，但未能全面的还原整个洪水运动过程，且工作缺乏野外观测数据。Denlinger和O'Connell[84]结合野外观察，采用分辨率更高30 m DEM数据较为完整的模拟出了一次米苏拉洪水事件，得到的流量结果与野外观测到的行洪路径大致匹配，但是在Pasco盆地处未能拟合成功，且忽略了水流的沉积搬运作用。最近Liu和Baker[88]综合了野外证据和前期理论研究，利用HEC-RAS 2-D模型更为精确的重建了米苏拉大洪水演进过程，模拟结果基本覆盖了整个沟槽疤地的范围，并得到洪水从北爱达荷Clark Fork到东太平洋的水流深度、速度和功率。
4.2 洪水水力参数的确定在进行溃决洪水重建时，首先要结合地貌沉积、地形数据分析和野外测量恢复洪水事件的洪峰水位、得到河道几何形态。古堰塞湖水体体积、溢洪道地貌特征以及基岩河道内堆积物厚度与粒度都能够帮助确定溃决洪水的水文参数[15]。不同的野外观测结果和洪水过程分析会直接影响溃决洪水模型的结果，如Larsen和Lamb[79]认为在估测洪水排量时，如果假设洪水充满了整个峡谷进而得出洪水的上限流量，可能会夸大洪水的规模，实际洪水在经过河床时产生的剪切应力可能仅稍微超出了侵蚀阈值，因此一次洪水事件侵蚀下切的规模十分有限。他们将北美洲Moses Coulee峡谷假设为洪水逐步侵蚀下切而成，由此得到的洪水排量与冰川湖溃决模拟出的洪水排量相符[79]。此外，由于不了解过去的气候与水流条件，许多地貌演化模型只能基于半经验公式来确定水文参数[11, 66]，为提高参数精确度，Garcia-Castellanos和O'Connor[82]通过收集已发表的溃决洪水定量数据结果来反演出水口处的侵蚀度参数，扩大了溃决洪水模型中侵蚀度参数适用的时间范围。
洪水古水位标志(Paleostage Indicator，简称PSI)是溃决洪水重建的重要指标之一。识别洪水遗留在河道上的天然痕迹可以恢复溃决洪水的淹没面，是推算洪水流量的重要依据[2~3]。由于大部分洪水都能越过基座阶地或者堆积阶地，河道基岩的侵蚀地貌无法代表洪水的最高水位，因此洪水滞留沉积常成为古洪水重建中重要的水位指示标志(SWD-PSI)，此外，也常采用洪水沙丘高度或者巨砾粒径等进行推算[2, 16]。在河流的沉积物中，主流线相沉积物记录了河流搬运能力的变化，而河流搬运的粒径最大颗粒可以指示特大洪水水流所能搬动的最小极限，故通过野外观测得到沉积砾石粒径数据、再利用经验公式即可得到水流深度和速度。深槽与主流线相的粗粒沉积物作为古洪水重建的指标时，由于沉积物来源较为复杂，并无法排除来自岸坡的坡积物、崩积物造成的误差，因此可利用砾质、砂砾质堆积剖面结构特征的变化来分析当地过水断面底面的变化，从而粗略估算古洪水的量级[15]。除了重建水深，洪水搬运的沉积物还可以为床底剪切应力和水流功率提供线索[15]。由于河槽断面的稳定对洪峰流量的推算影响极大，因此大多数洪水重建都会选择在抗蚀的基岩峡谷河段或河流中游的均衡稳定河段，这些河段的河槽形态规则，各种水文参数稳定，引起的误差很小，有利于借助洪水洪峰水位推求洪峰流量[15, 84]。此外利用水槽和人工河道等物理模型可以模拟天然河道，能够帮助验证数值模型的有效性，如采用水槽模拟实验可以还原数值模拟假设的边界条件和物理参数，并通过控制单一变量来分析行洪过程的影响因素[93~94]。
5 藏东南大型堰塞-溃决洪水事件 5.1 藏东南大型堰塞-溃决洪水研究现状我国地处亚洲东部，受季风气候和地形条件影响，自古以来洪水灾害频发，20世纪80年代以来国内关于溃决性洪水的研究日益增多，现已观测到的溃决洪水多以滑坡、泥石流和冰碛、冰川湖溃决为主[30, 95]，主要集中在新疆天山和青藏高原喜马拉雅地区的冰坝湖与冰碛湖溃决洪水，如叶尔羌河、雅鲁藏布江和帕隆藏布米堆冰湖溃决洪水[96~98]，以及青藏高原周缘的滑坡与泥石流溃决洪水，如金沙江石鼓古冰川与雪龙囊古滑坡、大渡河与岷江古地震滑坡洪水[8, 99~101]，研究内容包括分布特征、沉积学与年代学分析、成因机制、数值模拟与减灾对策的研究等，但是更为详细的分析仍相对缺乏[35，63, 102~103]。晚第四纪以来青藏高原地区构造活动强烈、冰川跃动频繁，极易发生堵江溃决事件[63]，已研究发现的溃决大洪水都分布在青藏高原地区，如1954年的年楚河桑旺错冰碛溃决洪水洪峰量达到105 m3/s[30, 97]；2000年发生在易贡藏布的滑坡溃决洪水洪峰量为1.24×105 m3/s，Turzewski等[92]通过二维浅水方程对其进行了较为精确的水力学重建；晚更新世以来雅鲁藏布江大峡谷地区发生的南迦巴瓦冰川堵江，形成了格噶古堰塞湖，随后发生多次溃决引发了大洪水事件[104~105]。近年来不断有学者在青藏高原东南缘流域中发现有新的大规模堰塞湖与溃决洪水地貌和沉积地层(图 7)，大多数的堵江位置都分布在断裂带附近，青藏高原东缘的挤压作用导致一系列南北向构造带和深切河谷的发育，造成该地区地震、崩塌与滑坡等灾害事件频发，加上该地区的亚热带气候和充沛的降雨，都为堵江-溃决事件的发生提供了有利条件[30, 106~107]。
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图 7 青藏高原东部现已研究的主要堰塞坝分布 修改自参考文献[94] Fig. 7 Distribution of main natural dams in the eastern of Tibetan Plateau, modified from reference[94] |
通过野外调查，我们在雅鲁藏布江中下游的加查、墨脱附近以及金沙江下游大具盆地附近都发现了大量洪水堆积地貌(图 8)。这些沉积地貌主要分布在出峡谷口的下游河谷宽阔地带或盆地中，形成洪水坝、洪积台地等，沉积剖面一般保存在河道拐弯处、回水区域和支沟交汇附近，野外观测到剖面发育有巨厚的灰色含砾石粗砂层，靠近上游发育有砾石堆积，越到下游沉积粒度越小，沉积厚度越薄。在洪水地貌的上游都发育有古堰塞湖沉积，堵江位置集中在堰塞湖尾部的峡谷入口处，通常发育有规模较大的裂点，峡谷两岸可以看到滑坡、冰川和泥石流等堆积物发育。
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图 8 藏东南地区洪水地貌与沉积地层 (a)墨脱地区洪水堆积，下部为砾石层，上部粗砂加砾石层；(b)加查地区洪水堆积，巨厚粗砂层；(c)加查地区洪水坝；(d)大具盆地洪水堆积 Fig. 8 Flood morphology and sedimentary strata in southeastern Tibet. (a)Flood profile in the Motuo, a huge thick gravel layer on the bottom, and coarse sandy gravel layer on the top; (b)Flood profile in the Jiacha, huge thick sandy bedding; (c)Flood bars in the Jiacha; (d)Flood deposits in Daju Basin |
现今溃决大洪水研究主要集中在北半球大陆冰盖区或具有洪泛平原的大型盆地内，通常地势较低，洪水相关的侵蚀与沉积地貌清晰且典型，沉积物较易保存，溃坝堆积物质粒径较小[14, 16]。然而关于高山峡谷环境下的溃决大洪水研究较为不足，与平坦地区相比，高山峡谷区内的溃决洪水形成的侵蚀与沉积地貌不易辨别，由于地势与坡度较陡，河道形态多变，许多古洪水野外识别方法无法较好应用到高山地区，洪水在地势高差大的狭窄河谷中冲刷性更强，导致泄洪道内较难发现溃坝堆积，大部分沉积物保存在分洪河道、谷边凹陷处回水洼地以及河岸阶地等[10, 78]；同时，河谷内洪水沉积物的缺乏也给测年工作带来困难；在水力学模型重建方面，现有的二维浅水方程模型对较为复杂的大面积山区溃决洪水模拟尚不精确[59, 81, 90]。
青藏高原东南缘因其独特的构造与气候背景诱发了大量堵江-溃决事件的发生，为集中研究高山峡谷区的溃决大洪水提供了极好的平台[18, 92]。例如作为藏东南最具代表性的雅鲁藏布江，自喜马拉雅山北麓向东穿越多条近南北向断裂带，在高原边缘绕南迦巴瓦峰形成“U”字形大拐弯，流经大峡谷后向南流向印度平原(印度境内称为布拉马普特拉河)，形成宽谷-峡谷相间的串珠状河谷地貌和跨越高原-平原的巨大地势落差，是一条水资源丰富但生态环境脆弱的国际性河流。作为自古以来人类生活生存的天然选择，雅鲁藏布江-布拉马普特拉河流域的低地上孕育了著名的曲贡文化、林芝文化等，这些低地的形成与末次冰盛期以来河谷区的堵江堰塞-溃决洪水事件密切相关1)。与平原地带为主的北半球冰盖区不同，雅鲁藏布江所在的高山峡谷区河道坡降大、落差高，溃决洪水冲刷性强，对雅鲁藏布江进行溃决洪水研究，将为溃决大洪水刻蚀基岩峡谷的地貌过程提供典型实例。同时，受印度季风和孟加拉湾湿润气候控制，低纬度高海拔的藏东南地区海洋性冰川十分发育，通过冰川堰塞湖及溃坝洪水序列的研究，能够为冰川地貌过程和古气候变化的探讨提供有用信息。随着西藏地区经济的逐年发展，对雅鲁藏布江流域溃决大洪水的研究将有助于青藏高原东南部地区的古灾害的认知和未来灾害活动的预测。
1) Wang et al. Impact of major environmental events on the distribution of human sites in the Yarlung Tsangpo River since the Last Ice Age. Submitted
6 总结溃决大洪水作为极端地表事件，对河流发育、气候突变以及人类文明变迁产生了重要影响，近几十年以来国内外学者通过地质学、水文学等多种方法相结合的古洪水水文学对北美、西伯利亚、冰岛等北半球冰盖附近的溃决大洪水进行了地貌学、沉积学分析与水力学模型重建。溃决大洪水在经过河谷后，会对河道进行强烈切割，并携带大量沉积物，形成独特的洪水侵蚀和沉积地貌。通过与浊流沉积的鲍马序列进行比对，支流洪水坝附近形成的一次洪水脉冲沉积可归纳为6层典型洪水的垂向沉积序列模型，同时根据堵江-溃决的事件链建立湖相沉积-堰塞坝-溃坝堆积“三位一体”的沉积分析法。然而对堵江溃决事件进行整体沉积相学分析的研究不够完善，整个流域内的洪水沉积序列尚未建立。在洪水沉积物测年方面，已有大量文章利用14 C、OSL、宇宙成因核素以及K/Ar等年代学方法对洪水事件进行限定，但对溃决大洪水沉积物的绝对年龄测试的精度仍有不足。在水力学模型方面，利用二维浅水方程对小规模洪水和平坦地区大洪水事件的数值模拟已日趋成熟，但是由于高山峡谷区的溃决大洪水研究尚不充分，对规模较大或高山峡谷区的溃决洪水水力学模型精度有待提高。国内溃决洪水研究多集中在西部地区一般规模的洪水研究，对地势高差大的地区发生的溃决大洪水认识仍不足。青藏高原东南地区晚第四纪以来构造活动与气候波动强烈，流域内堵江溃决事件频发，近年来关于青藏高原东南部地区的滑坡、冰川等堵江溃决洪水事件日益受到关注，在雅鲁藏布、易贡藏布、帕隆藏布、金沙江、大渡河、岷江等多条流域内都发现了大量湖相地层和洪水相关地貌，发生时间可能从晚更新世一直延续至今，其中全新世以来的大洪水事件可能影响了古文明的变迁。重建青藏高原东南部溃决大洪水能够丰富洪水沉积学与年代学框架，构建高山峡谷区溃决大洪水的事件发生链，提高水力学模型精确度，对分析极端地表过程对地貌与环境响应以及洪水灾害的评估和预防工作具有重要意义。
致谢: 审稿专家和编辑部的杨美芳老师对文章的修改和完善提出了许多建设性意见，在此表示衷心感谢。
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Abstract
The high-magnitude outburst flood, as an extreme land surface process, is a non-frequent flood with water and sediment discharge peaks exceeding normal one within a short period of time. It has a great impact on river evolution, climate changes, and history of humankind civilization. A lot of researches have focused on geomorphology, sedimentology, and hydraulic model reconstruction of high-magnitude outburst floods near the ice caps in the northern hemisphere, including North America, Siberia and Iceland, using paleohydrology combined with geological, hydrological and other methods.When high-magnitude outburst flood passes through the river valley, the river channel will be cut severely, and also it will carry a large amount of sediment at the same time, forming a unique flood landform. One succession of a single cycle flood flow formed in a tributary bar can be summarized into a 6-sequence typical vertical sedimentation model by comparing with the Baumar sequence of turbidity sedimentation. Another scientific research approach to study the sedimentary of outburst deposits called "Trinity" is also become an important guide for outburst flood study. However, the analysis of overall sedimentary facies and spatial distribution from dammed-lakes, blocking dam and flood sediments, and the flood sedimentary sequence in the entire river basin has not yet been established. In terms of dating of flood sediments, although the method of absolute age for flood sediments is still insufficient, many reports have recorded14C, OSL, TCN, and K/Ar chronology to reconstruct the time of flood events. On the basis of hydraulic models, numerical simulation using two-dimensional Shallow-water equations for large-scale flood and small-scale floods in plain areas has become mature. However, due to insufficient research on the high-magnitude flood events in the mountain area, the accuracy of hydraulic model needs for high-magnitude outburst flood in mountain need to be improved. Most of domestic flood researches focus on the study of normal scale outburst floods in Western China, and there is insufficient understanding of high-magnitude outburst floods that occur in mountains with high terrain differences, especially in Tibetan Plateau.Tectonic activity and climatic fluctuations have been strong in the southeastern Tibetan Plateau since the Late Quaternary. River damming events occurred in Tibet are frequent. In recent years, landslides and glacial dammed outburst flood events in the Tibetan Plateau have received increasing attention. A large number of lacustrine sediments and flood deposits have been found in Yigong River, Parlung River, Yarlung River, Jinsha River, Dadu River and Minjiang River. Those events may have start from the Late Pleistocene to the present. Many flood events since the Holocene may have an impact on the rise and fall of ancient civilizations in China and India. Reconstruction of high-magnitude outburst floods in the Yarlung River in Tibetan Plateau can improve the framework flood sedimentology and chronology. It can also establish event chains of catastrophic floods in mountain area and improve the accuracy of hydraulic models. It is of great significance for analyzing the response of extreme landform processes and disaster assessment.