汉江上游晏家棚段全新世古洪水研究*
吉琳, 庞奖励*, 黄春长, 查小春, 周亚利, 刘涛, 王蕾彬
陕西师范大学旅游与环境学院,西安 710062
*通讯作者:庞奖励(1963-),男,陕西西安人,教授,主要从事资源开发与环境演变研究. E-mail:jlpang@126.com

作者简介:吉琳 (1990-),女,山西太原人,硕士研究生,主要从事资源开发与环境演变研究. E-mail:jilinlin0226@163.com

摘要

通过对汉江上游详尽的野外考察,在湖北郧县晏家棚河段全新世黄土—古土壤地层中发现3层典型古洪水滞流沉积物。在沉积学的基础上,使用OSL技术断代,确定3期特大洪水事件分别在1 000~900 a BP,1 800~1 600 a BP和3 200~2 800 a BP期间发生。采用“古洪水SWD尖灭点高程法”确定这3期古洪水事件的洪峰水位介于176.20~176.73 m。运用ArcGIS耦合HEC-RAS水力模型,推求这3期古洪水事件的洪峰流量介于53 770~55 950 m3/s,并从多种角度验证了该模型计算结果的科学性和合理性。将此结果与实测洪水和历史洪水资料接续,构成万年尺度洪水水文数据序列,得到汉江上游晏家棚河段万年一遇和千年一遇洪水的流量分别为59 100和45 200 m3/s。采用HEC-RAS模型对研究河段进行古洪水模拟,方法科学,结果可靠。将该河段洪水水文数据序列有效地延长到万年尺度,极大地提高了设计洪水的可靠性。

关键词: HEC-RAS模型; 汉江上游; 全新世; 古洪水; 水文学
中图分类号:P331.1 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2015)04-0487-08
Holocene Palaeoflood Studies of the Yanjiapeng Reach in the Upper Hanjiang River, China
Ji Lin, Pang Jiangli, Huang Chunchang, Zha Xiaochun, Zhou Yali, Liu Tao, Wang Leibin
College of Tourism and Environmental Sciences, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, China
Abstract

Three bedsets of typical palaeoflood slackwater deposits (SWDs) were identified in the Holocene loess-soil sequence at Yanjiapeng (YJP) sites along the banks of Yunxian County in the upper Hanjiang River during the detailed investigations. They were studied by field observations and laboratory analysis. These extreme flood events were dated to 1 000~900 a BP, 1 800~1 600 a BP and 3 200~2 800 a BP with the Optically Stimulated Luminescence (OSL) dating in combination with the previously studies in the Hanjiang River. The palaeostages of these flood episodes were 176.20~176.73 m estimated with the elevations of the end-point of these SWDs. HEC-RAS model within an ArcGIS environment showed that the palaeoflood peak discharges ranged from 53 770 to 55 950 m3/s. The hydraulic parameters and the results were tested from different aspects. The results indicated that the palaeoflood peak discharges reconstructed by the HEC-RAS model were reliable and accurate. Besides, flood data series are extended to a 10 000year time scale established by a combination data of the gauged flood, historical flood and palaeoflood in the upper Hanjiang River, which provided the values of 59 100 m3/s and 45 200 m3/s for the 10 000 a and 1 000 a floods, respectively. This paper establishes a new way in hydrological reconstruction of upper Hanjiang River and is considerably significant in water resource management, flood mitigation and hydrological engineering.

Keyword: HEC-RAS hydraulic model; Upper Hanjiang River; Holocene; Palaeoflood; Hydrology.
1 引言

受全球气候变化和环境恶化的影响, 汉江洪水灾害频发, 威胁着人民生命财产安全, 制约着经济社会可持续发展[1~5]。准确掌握洪水资料, 对于汉江上游水利工程建设, 水资源开发调度以及防洪减灾等具有十分重要的现实意义。然而, 在水利工程设计洪水时, 由于严重缺少超长尺度的水文数据资料, 一方面, 设计的洪水量较小, 导致桥梁、水库大坝等冲垮, 制约防洪工程的可靠性, 危机水利枢纽的安全; 另一方面, 单纯学习苏联经验, 使得设计洪水严重偏大, 浪费国家巨额投资, 妨碍水利水电工程建设的发展[6]。万年尺度古洪水数据序列可极大地补充完善洪水设计所需的水文数据资料, 对于解决上述问题具有关键作用。

古洪水水文学综合地貌学、沉积学、水文学、年代学和考古学等多学科理论以及多种测年技术, 对古洪水滞流沉积物(slackwater deposit, SWD)这一地质学记录进行深入系统研究, 推求古洪水洪峰水位和洪峰流量等水文信息, 从而获得河流超长尺度水文频率等资料[7~10]。国际上, 多采用HEC-RAS (Hydraulic Engineering Center-River Analysis System)水力模型对古洪水洪峰流量进行恢复[11~14]; 国内, 已有不少学者在长江、黄河、汉江、渭河等流域开展了古洪水研究[10, 15~28], 但是运用水力模型进行古洪水水文模拟的研究并不多。本文以汉江上游郧县晏家棚段为研究对象, 结合河道地形数据和水文参数, 运用HEC-RAS模型恢复古洪水洪峰流量, 并验证其可靠性和科学性。将模拟结果加入到洪水水文数据序列, 用于万年尺度洪水洪峰流量与频率关系分析, 大大提高了设计洪水的可靠性。

2 研究区概况与研究剖面
2.1 研究区概况

汉江是长江北岸最大的支流, 发源于陕西省宁强县潘冢山, 向东南方向流经陕、鄂两省, 在武汉市汉口龙王庙汇入长江。汉江上游(丹江口水库以上地区)干流长约925 km, 集水面积约9.52× 104 km2。研究区域属北亚热带边缘季风气候区, 气候温和, 雨量充沛, 干湿分明, 多年平均气温约12~16 ℃, 多年平均降水量约830.9 mm。降水量年内分配严重不均匀, 暴雨常集中于7~9月, 多达全年降水量70%以上, 极容易形成暴雨洪流。该地区峡谷和盆地相间, 在峡谷河段, 河流直接切入变质岩性基岩, 谷深崖陡, 河道顺直单一, 水流状态稳定[29, 30]

汉江上游晏家棚河段位于白河水文站下游约35 km处。白河水文站自建站以来, 实测最大洪水发生在1983年7月31日, 洪峰流量为31 000 m3/s, 其次为发生在2005年10月2日和2010年7月18日的大洪水, 洪峰流量分别为27 000 m3/s和21 400 m3/s。调查到的历史最大洪水发生于明代万历十一年 (1583年), 其洪峰流量约34 800 m3/s, 其次为1867年和1921年, 洪峰流量分别为30 300 m3/s和27 500 m3/s[31]

Fig.1 Location of the studied site(a) Location of the studied site; (b) Cross-sections in the YJP reach; (c) Photo of YJP profile图1 汉江上游郧县晏家棚地点(a) 研究地点位置; (b)研究河段河槽断面系列; (c)研究剖面照片

2.2 研究剖面

通过系统深入的野外考察, 在汉江上游郧县晏家棚(YJP)河段左岸一级阶地全新世黄土‒古土壤地层中发现三层典型古洪水滞流沉积物(SWD)(图1)。对该剖面进行了详细的地层划分和沉积学特征描述(图2)。根据古洪水滞流沉积物鉴别标准[10, 19, 20], 并结合汉江上游相关研究成果[21~28], 可以确定YJP地点的古洪水滞流沉积层为汉江上游特大洪水悬移质泥沙在高水位滞流环境下形成的沉积物, 它们在颜色、质地、结构等宏观特征上与该地点的表土、黄土和古土壤明显不同。

使用丹麦Ris-TL-OSL-DA15断代系统, 采用单片再生剂量法[32]对沉积样品进行光释光(OSL)年代测定(表1)。结合地层对比, 确定这3期古洪水事件发生于1000~900 a BP, 1800~1600 a BP和3200~2800 a BP, 这为研究流域环境与全球性气候变化的关系提供了宝贵的年代数据资料。

3 研究方法
3.1 古洪水洪峰水位

采用“ 古洪水SWD尖灭点高程法” [33]恢复洪峰水位, 即精确测量各古洪水滞流沉积层尖灭点高程, 将其作为所对应古洪水事件的最小洪峰水位。

3.2 古洪水洪峰流量

严格按照模型水力参数选择标准[34, 35], 结合该河段野外勘探和实际河流水文情况, 合理选定相关参数, 运用HEC-RAS模型进行天然河道水面线计算。首先, 利用高精度GPS和激光测距仪进行精确测量, 并结合1:10 000比例尺地形图进行校正, 采用ArcGIS软件建立YJP河道三维地形数字模型; 然后, 耦合HEC-GeoRAS模块与ARC/INFO软件, 提取该河段河流中心线、河岸线以及河槽断面线等河道水文信息, 并导入到水力学模型中; 最后, 运用HEC-RAS (v4.1.0)模型进行水面线计算, 即给定不同流量, 多次校正计算所得的水面线, 使其与研究河段古洪水滞流沉积物指示水位匹配, 从而推算得出古洪水洪峰流量[23]

图2 汉江上游郧县晏家棚全新世古洪水滞流沉积物剖面地层划分、描述与年代图Fig.2 Pedo-stratigraphy subdivision, descriptions and chronology in the YJP profile in the upper Hanjiang River

表1 汉江上游晏家棚剖面OSL测年结果 Table 1 OSL dating results of the sample from the YJP site in the upper Hanjiang River
4 结果分析
4.1古洪水洪峰水位

YJP剖面三层古洪水SWD底界高程介于175.85~176.38 m, 各层的厚度在0.01~0.15 m, 各层抬升的高度约为0.35 m。从而采用“ 古洪水SWD尖灭点高程法” 恢复的这三期古洪水洪峰水位介于176.20 ~176.73 m。

4.2 古洪水洪峰流量

YJP河段为基岩峡谷河槽, 岩性硬度大, 抗侵蚀能力强, 河道顺直单一, 为稳定的河槽。河段两岸长有灌木, 且缓岸(左岸)灌木丛比陡岸(右岸)茂盛, 水流通畅, 故发生大洪水时, 洪水直接淹没全部河槽。按照国家水利水电工程规范[34]和美国学者Chow V.T研究成果[35], 确定主河道糙率系数n=0.032, 左岸(缓岸)n=0.060, 右岸(陡岸)n=0.056。研究河段断面变化小, 河段没有明显的收缩和扩张, 故收缩系数和扩张系数分为0.1和0.3[14]。由河道三维地形数字模型可知, 河床比降为0.0012。

在汉江上游YJP地点2325 m长的河段上选取16个断面(图1b), 根据选定的水文参数, 运用HEC‒RAS模型对古洪水水面线以及洪峰流量进行模拟, 得到汉江上游YJP剖面古洪水SWD1~SWD3指示的洪峰流量分别为53 770 m3/s, 54 820 m3/s和55 950 m3/s(图 3a)。

5 模型验证与讨论
5.1现代洪水水文检验

在洪水发生过后, 往往会在河槽留下树挂杂物以及泥沙沉淀等痕迹, 这些洪痕指示的洪水水位, 对校正洪峰水位具有十分重要的意义。根据调查访问与实际测量, 获得了汉江上游晏家棚段在2010年7月18日发生的特大洪水现代洪痕水位为168.0 m。结合该洪痕水位, 选用相同参数, 使用HEC-RAS模型推算出这次洪水洪峰流量为19 920 m3/s, 与上游约35 km处白河水文站实测洪峰流量21 400 m3/s相比, 相差7.4%。

图3 基于HEC-RAS模型建立的汉江上游晏家棚古洪水水面线与7号断面形态Fig. 3 Calculated flood-surface profiles using HEC-RAS and the 7th cross-section of the channel in the YJP reach along the upper Hanjiang River

将研究地点的流域面积值和运用HEC-RAS模拟出的古洪水洪峰流量值, 与世界各地河流古洪水研究结果[7]对比, 发现其完全符合世界各大重要河流洪水最大洪峰流量与流域面积关系规律。这些结果证明运用HEC-RAS模型对汉江上游晏家棚进行古洪水水文恢复的结果是合理的。

5.2 与比降— 面积法结果相比

比降— 面积法, 系采用稳定均匀流或非均匀流公式, 按洪水痕迹所在断面面积推断流量。因其灵活、简便, 适用性较强, 故在重建洪水洪峰流量中运用广泛[16]。在汉江上游晏家棚河段选取河段平直、两岸基岩相对距离最短且垂直于流向处的断面(图3b), 运用比降— 面积法进行古洪水洪峰流量恢复, 以此作为对比。比降— 面积法公式为:

(1)

式中:Q为洪峰流量(m3/s); n为河道糙率系数; A为过流面积(m2); R为水力半径(m); S为水面比降。

将运用HEC-RAS模型模拟的洪峰流量和用比降— 面积法求得的洪峰流量进行对比, 两者的差异率小于6.6% (表2)。这也说明在该研究河段采用HEC-RAS模型进行古洪水水文恢复是可行的。

表2 汉江上游晏家棚地点古洪水洪峰流量 Table 2 The peak discharge of palaeofloods in YJP reach in the Upper Hanjiang River
5.3 糙率系数灵敏度测试

对于使用水力学模型法和比降— 面积法而言, 曼宁糙率系数n的选定都会对洪峰流量的计算结果产生明显影响[14]。故对糙率系数n慎重选取, 尽量减小主观因素对选取结果的干扰就变得十分重要。鉴于此, 我们就两种方法推求的古洪水洪峰流量对于糙率系数的灵敏度进行测试。给定糙率系数一定变幅 (± 25%), 根据比降— 面积法计算公式(1), 古洪水洪峰流量值与综合糙率成反比, 故采用该法计算所得古洪水洪峰流量的变幅为-20%和33%。然而, 运用HEC-RAS模型计算古洪水洪峰流量, 在糙率系数变幅相同的条件下, 推求各层古洪水SWD对应的洪峰流量变动范围介于-16.96%~13.54%(表3)。

由此可见, 使用HEC-RAS模型模拟古洪水洪峰流量, 有效地减少人为因素在选择糙率系数方面对计算结果的影响, 从而使模拟结果更为科学准确。

5.4 万年尺度洪水流量与频率关系

将汉江上游YJP剖面记录的全新世古洪水洪峰流量加入到白河水文站1935— 2011年实测洪水资料, 以及调查获得的历史大洪水(1921年、1867年和1583年)数据中, 构成含有万年尺度古洪水洪峰流量的不连续洪水水文数据序列(图4), 采用“ 含有特大值的不完整系列频率分析方法” [34], 进行万年尺度洪峰流量与频率关系分析, 得到汉江上游晏家棚河段万年一遇、千年一遇和百年一遇洪水流量分别为59 100 m3/s, 45 200 m3/s, 33 400 m3/s。这样, 利用古洪水滞流沉积层这种天然的地质学证据, 准确恢复了全新世以来最大古洪水洪峰流量, 将洪水水文数据序列延长到万年尺度, 从而大大提高了设计洪水的可靠性。

图4 汉江上游晏家棚段万年以来不连续洪水水文数据序列Fig.4 Peak discharge with Baihe gauge station records, historical period records and palaeoflood records at the YJP reach in the upper Hanjiang River

6 结论

根据野外详细的实地考察和沉积学特性分析, 确定汉江上游郧县晏家棚地点地层剖面含有三层古洪水滞流沉积物, 它们是古洪水悬移质泥沙在高水位滞流环境下形成的沉积物。通过与汉江上游流域全新世古洪水事件及其全新世地层年代框架的对比, 结合OSL测年, 确定这三期古洪水事件发生在1000~900 a BP, 1800~1600 a BP和3200~2800 a BP。

表3 汉江上游晏家棚地点古洪水洪峰流量对糙率系数的灵敏度测试结果 Table 3 Results of the sensitivity test performed on the hydraulic calculations in the YJP reach in the upper Hanjiang River

采用“ 古洪水SWD尖灭点高程法” , 恢复晏家棚剖面古洪水SWD洪水水位, 得到这三期古洪水洪峰水位介于176.20~176.73 m。运用HEC-RAS模型对这三期古洪水进行模拟, 所得洪峰流量在53 770~55 950 m³ /s之间。利用该河段2010年洪水洪痕高程, 采用相同模型参数恢复洪水洪峰流量, 将计算结果与白河水文站实测数据对比误差小于7.4%; 该模型模拟恢复的洪峰流量值与流域面积的关系符合世界各地河流古洪水洪峰流量与流域面积关系规律; 与比降‒面积法对比, 2种方法所得结果差异率小于6.6%; 给定糙率系数± 25%的变幅, 使用HEC-RAS模型对其进行模拟的结果变化变幅在-16.96%~13.54%之间, 远小于使用比降— 面积法计算结果。运用HEC-RAS模型在汉江上游基岩峡谷河段, 对古洪水水文学进行恢复是合理科学的。

采用“ 含有特大值的不完整系列频率分析方法” , 进行万年尺度洪峰流量与频率关系分析, 得到汉江上游晏家棚河段万年一遇、千年一遇和百年一遇洪水流量分别为59 100 m3/s, 45 200 m3/s, 33 400 m3/s。这样就将可靠性较差的外延转为内插, 从而极大程度的提高了设计洪水的可靠性。

本研究为汉江上游万年尺度特大洪水水文学恢复提供了新的途径, 也为汉江上游水利设计和防洪减灾提供了重要的水文数据参考。

The authors have declared that no competing interests exist.

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