0 前言

黄河在中华五千年文明演进中扮演着重要角色，但在孕育中华文明的同时，其水患对沿岸及周边文明发展带来严重甚至毁灭性灾难，造成了不可估量的损失。在过去几十年里，因全球气候变化和沿河、海岸带居民点增加等原因，洪水威胁日益增大，给防灾减灾工作带来巨大压力；又因缺乏水文数据资料及时空分布的有限性^[1]，给洪水尤其是特大洪水的研究带来诸多不便。为科学应对洪水威胁，延长洪水水文学数据序列已成为必须。对这些缺乏资料记录的洪水，如何恢复其水位、精确计算其流量是洪水研究要面对的问题。野外判定古洪水滞流沉积物(slackwater deposits,SWD)，是利用水文地貌学、第四纪沉积学、地质年代学等多学科交叉方法确定古洪水洪峰水位和发生年代，再采用水文学方法和水力学模型推求古洪水洪峰流量。这些成果既可将洪水水文学数据序列延长到万年尺度，又可借助研究成果进一步分析其发生频率，可有效提高洪水预测的可靠性^[2]。

在我国，黄河及其支流一直是古洪水水文学研究的重要河流。黄春长等^{[3, 4, 5, 6]}对黄河中游及其支流北洛河、渭河、汾河，以及汉江上游等全新世古洪水进行了系统的万年尺度古洪水水文学研究，积累了这些地区大量的古洪水水文学数据资料。然而，上述研究主要集中在中游及其支流河段，对黄河上游全新世古洪水水文学的研究进展缓慢，几乎处于空白状态^[7]。笔者对黄河上游靖远景泰段峡谷开展全新世古洪水水文学恢复研究，进一步提供黄河上游地区古洪水水文学数据资料，揭示干旱半干旱地区水文系统对全球气候变化的响应规律，以期为建立黄河上游兰州靖远段超长尺度洪水洪峰流量与发生频率关系奠定基础。

黄河从源头到内蒙古托克托县河口镇为上游、河口镇至郑州桃花峪为中游、桃花峪以下为下游。黄河上游处于我国青藏高原区东北侧和西北干旱半干旱区，大陆性气候明显，年均温为-5.0~9.7 ℃，年降水量370~600 mm^[8]，土壤以灰褐土和褐土为主，植被多为山地森林、高寒草甸、草地等。黄河上游地区多年天然径流量330亿 m³,为黄河天然径流总量的57.2%；多年平均天然输沙量234 亿 t，占黄河全年总来沙量的8%，水多沙少，为黄河清水来源^[9]。黄河上游地区地势地貌比较复杂，龙羊峡至宁夏中卫下河沿为青藏高原与黄土高原结合部，其中积石峡以下的一些支流流经黄土高原，土质疏松、垂直节理发育、植被稀疏、水土流失严重。本文所研究河段位于黄河兰州水文站下游约200 km处(图1)。

图 1 黄河水系图(a)与靖远县金坪村(JPC)河段卫星影像图(b) Fig.1 Stream system of the Yellow River (a)and the satellite image of JPC reach in Jingyuan County(b)

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兰州水文站自1934年来的实测记录表明：上游河长约1 690 km，集水面积22 255 km²，占黄河流域总面积的29.6%；多年平均径流总量309.9 亿 m³，最大年径流量517.9 亿 m³(1967年)，最小年径流量203.9 亿 m³(1997年)；多年平均输沙量0.717 亿 t，年最大输沙量2.716 亿 t(1967年),年最小输沙量0.149 亿 t(1982年)^[10]；实测最大洪峰流量为5 600 m³/s(1981年9月15日)，历史调查最大洪水出现在1904年7月1718 日，最大洪峰流量为8 500 m³/s^[11]。2012年7月31日，黄河上游暴发洪水，兰州站实测洪峰流量3 860 m³/s，洪峰到达靖远县为2 960 m³/s，到达中卫减少为2 810 m³/s。

在野外工作阶段，对黄河靖远景泰段重点沿支流沟口、低阶地、回水湾等古洪水SWD易沉积的地点重点考察。本文研究的金坪村(JPC,37°11′19.18″N,104°26′21.36″E)位于靖远县北侧的金坪村基岩峡谷区，河槽深切入基岩之中，一些支流汇入口有少量沙卵石沉积。左岸为陡峭的基岩崖壁，局部见黄河第一级阶地基座阶地，其高出平水位25~30 m，前沿为直立的崖壁；右岸基岩斜坡之下为坡积物构成的缓坡地，为靖远县金坪村村落和农田果园所在。野外详细调查在黄河右岸JPC路堑边坡发现全新世厚层坡积石渣土层剖面夹有一套古洪水 SWD 沉积层 (图2)。沿景泰靖远段黄河河谷数十公里范围的详细调查，并未发现任何古堰塞湖形成的证据，从而确认它们是黄河大洪水在高水位滞流情况下的悬移质沉积物，其记录了全新世时期的一期多次古洪水事件。

图 2 黄河上游靖远县JPC全新世古洪水SWD剖面照片 Fig.2 Photo of the palaeoflood SWD in the Holocene sediment profile at the JPC site along the upper Yellow River

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靖远黄河JPC剖面顶沿海拔高程为1 312 m，高出黄河平水位17 m。该剖面主要沉积学特征如下：1)由古洪水洪峰所携带的悬移质泥沙的沉积物是浊黄橙色的粉砂、黏土质粉砂、粉砂质黏土层，与其上下的灰色坡积石渣土性状完全不同。2)古洪水SWD沉积物多达14层，总厚度达约3.0 m，单层厚度10~60 cm，并向坡上方向逐渐尖灭^{[12, 13, 14]}。3)其中一些SWD层与层之间夹有薄的坡积石渣土层，表明层与层之间有一定的沉积间断，指示着两个古洪水事件之间存在明显的时间间隔。4)单层厚度较大(20~60 cm)的古洪水SWD的内部，为均质块状结构，下部含有细砂，上部含有一层薄的(0.5~2.0 cm)浊红棕色黏土质盖层，表明其沉积水深较大，洪峰高水位滞流状态持续时间长，缓慢的沉积过程当中，分选性沉积特征突出。5)地层厚度较小的古洪水SWD层的内部，有明显的波状微层理(厚度1~2 mm)即波痕，表明其沉积水深较小，洪峰高水位滞流状态持续时间较短。这些特征与黄春长等^{[12, 13, 14]}总结的古洪水 SWD 宏观形态特征相一致。通过古洪水 SWD层系统采样，在实验室内对其进行磁化率、粒度、烧失量、CaCO₃和微量元素等一系列理化指标分析测定，表明这一套沉积物是由黄河古洪水悬移质泥沙在高水位滞流环境中的沉积物，它们记录了黄河上游全新世时期的一期14次古洪水事件。

沿黄河靖远景泰段系统考察，在沿河多个地点发现全新世各类型沉积层剖面。依据古洪水SWD 野外宏观判别标准，在多个地点发现了古洪水SWD 沉积层，选择靖远JPC地点的沉积层为研究剖面。研究河段为基岩河槽，受两岸基岩影响，河槽形态较为稳定^[15]，无较大支流汇入，河流流态稳定，河道规整，便于获取水文参数进行水文学恢复计算。野外使用美国公司生产的Contour-XLR1-LC5279型精密激光测距仪和高精度GPS，对该河槽断面形态、河床比降和古洪水SWD厚度等进行精确测量；室内结合1∶10 000 地形图进行校正，并基于以上工作在距JPC剖面地点下游约1.2 km的基岩峡谷处选取最狭窄、最顺直规整的河段，作为古洪水水文学研究的河槽断面(图1b)。依据国家水利水电工程设计规范当中天然河道糙率标准，确定了河槽糙率系数值。根据古洪水SWD特征，决定采用“尖灭点高程法”和“古洪水SWD厚度与含沙率关系法”恢复古洪水的洪峰水位，推求其洪峰流量。

黄河吉县段FJJ剖面与黄河靖远JPC剖面同属于黄河干流上的沉积剖面，两者在沉积地层上较相似。结合OSL测年断代结果^[16](图3)认为，两个地点古洪水发生年龄相近，均为同一时期的沉积剖面，可以进行地层对比;故确定JPC剖面记录的特大古洪水事件发生年代为3 200~3 000 a B.P.，即全新世中期晚期气候恶化转折期。根据本课题组对黄河中游流域全新世黄土-古土壤剖面的气候变化研究，以及其他学者对格陵兰岛高分辨率冰芯、北大西洋深海冰芯研究显示，在3 100 a B.P.前后全球气候发生突变^{[5, 6, 12, 13, 17, 18]}。因而黄河上游这一期古洪水事件恰好发生在全新世中期大暖期结束、全新世晚期干旱期开始的转折阶段。其也对应着我国历史上商末西周早期气候恶化转折的阶段。黄河上游靖远景泰段发生在全新世中期与晚期气候恶化转折阶段的特大古洪水事件不是孤立的，本课题组通过对在黄河中游永和关、壶口段、天水宝鸡峡河段及漆水河^{[19, 20, 21, 22, 23]}和汉江上游白河段、旬阳段、郧西等段^{[24, 25, 26]}发现的古洪水SWD沉积地层进行的OSL测年断代、地层对比、¹⁴C测年等研究表明，这些地点在3 200~3 000 a B.P. 发生了多期古洪水事件;说明在全新世大暖期向全新世暖期干旱期转折阶段，黄河上中游和汉江上游流域季风气候状态不稳定，气候变率较大，干旱与洪水时有发生。这是区域气候水文系统对全球气候变化响应规律的反映，也是黄河上游地区脆弱的生态环境对全球气候变化比较敏感的结果。

图 3 靖远JPC剖面与吉县FJJ剖面地层柱状对比图 Fig.3 Pedo-stratigraphic correlations between JPC profile in Jingyuan and FJJ profile in Jixian

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本文分别采用尖灭点高程法和古洪水厚度与含沙量关系法恢复古洪水洪峰水位^{[13, 27, 28]}。野外精确测量古洪水SWD沉积层底界高程为1 307.0~1 309.8 m，厚度h为 0.1~0.6 m。结合该河段古洪水发生期间我国气候处于剧烈转折恶化期、旱涝频发及上游地区水沙特征，将该期古洪水悬移质体积含沙率ρ估算为 0.15,求出沉积水深d为1.33~4.00 m (d=h/ρ);故由尖灭点高程法和厚度与含沙量关系法恢复古洪水洪峰水位分别为1 308.0~1 310.3 m 和1 309.67~1 311.40 m(表1,2)。

根据水文学原理，古洪水研究的理想河段为基岩峡谷河道，其河槽比较规整、抗蚀力强，河槽断面变化小、水流稳定，古洪水流量计算结果误差较小，有助于借助古洪峰水位推求洪峰流量^{[27, 28]}。笔者所选取的研究断面A-A’在距剖面地点下游约1.2 km处最狭窄、最顺直规整处(图1,4)。JPC剖面地点处于靖远——景泰段基岩峡谷区，河槽和河谷均为坚硬的变质岩。在全新世特大洪水发生期间，该断面河槽形态没有发生大的变化，断面与洪水流向相垂直，精确测量可获得河槽形态和岩性。根据尖灭点法指示古洪水最高洪峰水位为1 310.30 m(古洪水SWD14)；据厚度与含沙量关系法恢复的古洪水最高洪峰水位为1 311.40 m(古洪水SWD2)，可计算出河槽过洪断面面积和湿周等参数(表1,2)。

图 4 黄河上游靖远县JPC古洪水过流断面 Fig.4 Cross-section of the palaeofloods in the JPC reach of the upper Yellow River

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水文参数选择的准确性直接影响古洪水水文恢复计算结果的可靠性。利用尖灭点高程法和SWD厚度与含沙量关系法恢复古洪水洪峰水位及确定各项参数后，对于古洪水洪峰流量的计算方法比较多。但由于JPC地点古洪水SWD沉积地层位于基岩峡谷段，河槽形态变化不大且规整，河流流态稳定，若行洪断面选取恰当，断面面积等水文参数计算准确，根据河流两岸植被覆盖程度和冲刷状况，可以较为准确地确定糙率系数n。鉴于上述特征，采用比降-面积法计算古洪水洪峰流量最为合适，其公式为

式中：Q为洪峰流量，m³/s；n为糙率系数；A为过水断面面积，m²；R为水力半径，m；S为水面比降。

对靖远县JPC地点河段水面比降S进行确定时，考虑到该河段规整，且为基岩河床，全新世以来河槽形态变化不大，冲淤基本平衡^[29]，故用河床比降代替水面比降。野外采用美国生产的 Contour-XLR1-LC5279 型精密激光测距仪和高精度GPS对高程和距离进行精确测量，结合 1∶10 000地形图中的水边高程点进行校正，得到JPC古洪水SWD事件所处的河段比降为0.001。

在古洪水水文学研究中，河道糙率系数对水文恢复计算具有重要影响。靖远县 JPC处于干旱半干旱区，植被覆盖率较低，以攀岩树木、灌木丛和杂草为主，基岩大部裸露，凹凸不平;特大洪水发生时，水流淹没全部河槽和两岸基岩，且该河段水文地貌在一定程度上受到人类活动影响。依据上述自然地理背景，参照国家水利水电工程设计规范当中天然河道糙率标准和Chow. V. T. 等对糙率系数的研究成果^{[30, 31, 32]}，将JPC河段的糙率系数n值确定为0.035。

将各相关参数代入上述公式，采用水力学模型计算古洪水SWD所记录的全新世特大洪水事件发生期间古洪水的洪峰流量;结果采用尖灭点高程法和厚度与含沙量关系法恢复的古洪水洪峰流量分别为12 730~16 120 m³/s 和16 110~17 740 m³/s(表1,2)。

由于平水位期间，河流淹没河槽面积较洪水发生期间小，河水在流动过程中受到两岸植被和基岩崖壁的滞力变小，所以在平水位计算中，其糙率系数选为0.030，其他参数不变。这样，用厚度与含沙量关系法恢复的2012年大洪水洪峰流量为3 040 m³/s、平水位流量为1 010 m³/s，与实测洪峰流量和平水位流量的误差分别为2.7%和-3.2%。由此可见，黄河上游靖远景泰段全新世古洪水水文学研究所选取的水文参数和通过水力模型计算得到的洪峰流量结果是合理可信的。另据本课题组多年对黄河中游及其支流地区古洪水洪峰流量推求的结果显示，在全新世万年尺度内，最大洪水事件洪峰流量往往是水文观测记录最大洪峰流量的2.0~4.5倍^{[33, 34, 35]}；而据黄河兰州水文站实测最大流量5 600 m³/s，出现在1981年9月15日，本文所采用的古洪水SWD厚度与含沙量关系法恢复洪峰水位求出的JPC河段洪水洪峰流量是其3.2倍，进一步说明对该地点全新世古洪水水文学研究结果是可靠的。

将黄河兰州水文站1934-1989 年观测的年最大洪水数据和历史洪水调查获得的1904年的大洪水数据、与古洪水洪峰流量通过“含有特大值的不连续洪水数据序列频率分析方法”计算，可有效延长洪水数据序列尺度(图5)。

图 5 黄河上游靖远景泰段含有特大值的不连续洪水数据序列图 Fig.5 Discontinuous peak discharge data series in Jingyuan-Jingtai section of the upper Yellow River

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使用实测洪峰流量和历史洪水洪峰流量计算频率，得到万年一遇洪水洪峰流量为11 550 m³/s，千年一遇洪水洪峰流量为9 280 m³/s；而由古洪水水文计算结果知万年一遇洪水洪峰流量 18 330 m³/s，千年一遇洪水洪峰流量12 640 m³/s。可将古洪水研究成果加入到历史洪水和实测洪水资料序列中，建立实测洪水、历史洪水、古洪水超长尺度洪水洪峰流量频率曲线，使得黄河靖远——景泰段超长尺度洪水洪峰流量-发生频率关系更加可靠，这对于黄河上游水利水电工程建设、水能资源高效开发、防洪减灾等十分重要。

全球气候变化研究广受关注^{[36, 37]}。作为水文气候事件的直接记录，黄河上游靖远JPC剖面被坡积石渣土覆盖，后经人为开挖显露出来。通过OSL测年研究和与黄河吉县 FJJ 剖面进行详细的地层对比，确定该期古洪水事件发生年代为3 200~3 000 a B.P.，即全新世中期大暖期向晚期干旱转折期，结合世界范围内全新世气候研究资料可知，该时段发生了气候突变，在我国半干旱半湿润区表现为季风状态失稳、气候变率大、旱涝频发，并由此引发严重的自然灾害、社会动荡，加快了商朝的灭亡^[4]。且黄河上游地处青藏高原区东侧和干旱半干旱区，气候类型复杂，生态环境十分脆弱，对环境变化的反映比较敏感，在全球气候出现转折波动的背景下，流域内气候水文系统也会随之发生剧烈变化，此时易发生旱涝灾害。

对黄河上游靖远JPC剖面记录的古洪水事件进行全新世古洪水水文学研究，用厚度与含沙量关系法恢复古洪水洪峰水位，用比降-面积法恢复古洪水洪峰流量，采用糙率系数±1‰的变幅进行验算，以上计算表明这些古洪水事件代表的洪峰流量为15 700~18 300 m³/s，其变幅仅仅为-2.8%~2.9%。另外，根据实测2012年现代大洪水洪痕水位，采用相同方法和水文参数恢复洪峰流量，其结果与水文站实测洪峰流量误差仅有2.79%。采用不同方法的验算结果，误差值均在合理区间，表明古洪水水文学方法选取的水文参数是合理的，恢复的古洪水洪峰流量是可靠的。

结合黄河兰州水文站1934-1989年实测数据、历史洪水和古洪水流量数据进行黄河靖远——景泰段超长尺度洪水洪峰流量-发生频率关系分析，可知黄河靖远景泰段千年一遇洪水洪峰流量为12 640 m³/s ，万年一遇洪水洪峰流量为18 830 m³/s，这为建立兰州-靖远段超长尺度洪水洪峰流量-发生频率关系分析奠定了基础。