利用湖泊沉積物研究古洪水水文學(xué),水文學(xué)論文

利用湖泊沉積物研究古洪水水文學(xué),水文學(xué)論文洪水作為一種特別普遍的自然災(zāi)禍，頻繁地對人類生命和財產(chǎn)造成宏大損害，如1998年長江特大洪水使整個長江流域都遭受了嚴(yán)重的毀壞。隨著當(dāng)下人口數(shù)量的增加、森林植被的砍伐以及城市化建設(shè)等所致的土地利用方式改變，其怎樣影響洪水頻率和洪災(zāi)程度是當(dāng)今密切關(guān)注的問題；十分在全球氣候變暖背景下，災(zāi)禍性天氣、極端氣候事件的頻發(fā)以及年內(nèi)和地區(qū)降水分配不均對將來洪水頻率和強(qiáng)度變化的影響也是迫切需要解決的科學(xué)問題，因而預(yù)測和預(yù)防洪水災(zāi)禍意義特別重大。對過去規(guī)律的良好認(rèn)知是把握和搞好將來預(yù)測的最好途徑。在氣候變化對洪水災(zāi)禍影響的研究中，當(dāng)代觀測數(shù)據(jù)時間太短，很難進(jìn)行年代和世紀(jì)尺度的氣候變化以及對引發(fā)洪水的機(jī)制討論。固然歷史記錄能夠延長洪水資料，但其描繪敘述主觀性較大，會受致災(zāi)程度和人為偏見的影響，且時間跨度也特別有限，因此仍然難以知足需要。為了提高對洪水引發(fā)機(jī)制和重現(xiàn)周期的理解，需要保存良好的更長時間序列、更可靠洪水事件的自然檔案記錄。古洪水是指全新世以來至可考證的歷史洪水期以前由第四紀(jì)沉積物所記錄的大洪水〔Baker,1983,1987,2008〕，其研究最初源于洪水地貌學(xué)和第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)，并在1982年正式成為一門學(xué)科〔Ko-cheletal,1982〕。古洪水水文學(xué)初次是應(yīng)用于美國懷俄明州河流水文條件的研究中，之后很多學(xué)者〔Dana,1882;Stewartetal,1961〕在河流古洪水辨別和重建方面作了大量工作。先后建立了一套基于樹木洪水痕跡、河流侵蝕記錄、洪水河漫灘以及平流沉積的粒徑、磁學(xué)、元素和有機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)的古洪水重建方式方法〔Baker,1987;Elyetal,1993;Mack-lin,2003;Benito,2005;Thorndycraftetal,2005;Baker,2008;Stoffel,2008〕。大量研究者利用上述方式方法重建了一系列洪水事件〔Knox,1993;朱誠等，1996;Springeretal,1997;楊達(dá)源等，1997;Suietal,2001;Heine,2004;Thorndycraftetal,2005;Huangetal,2007〕，并討論了洪水與氣候〔Zhangetal,2002,2007;Huangetal,2007〕、文明〔朱誠等，1996;Xiaetal,2004;Mannersetal,2007;Swierczynskietal,2020〕的聯(lián)絡(luò)。固然上述重建方式方法在過去幾十年來獲得了很大成功，但隨著河流古洪水水文學(xué)科的發(fā)展，其存在的缺陷和缺乏逐步顯露。例如，重建時間跨度特別有限，河流證據(jù)一般很難記錄強(qiáng)度小的洪水事件，洪水后期河流侵蝕和后來大洪水對上次洪水證據(jù)的毀壞都將會導(dǎo)致洪水記錄不完好等。因而，尋找其他記錄載體建立連續(xù)、高分辨的長時間序列洪水記錄迫切需要。湖泊沉積物具有記錄介質(zhì)豐富、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高、對氣候與環(huán)境變化敏感以及能夠提供原始?xì)夂蜃兓涗浀葍?yōu)點〔Zhouetal,2018;沈吉等2018〕，為建立連續(xù)、高分辨率的洪水記錄提供了不可多得的材料。利用湖泊沉積物研究洪水的歷史最早能夠追溯到20世紀(jì)70年代〔Sturmetal,1978;Lambertetal,1979〕，地質(zhì)學(xué)者發(fā)現(xiàn)了河流徑流與湖泊碎屑沉積之間的聯(lián)絡(luò)，但并沒有意識到湖泊沉積物對重建過去洪水的價值。直到1987發(fā)生在阿爾卑斯山北部的瑞士大洪水，才引起人們利用湖泊沉積物研究洪水災(zāi)禍和洪水歷史的注意。在之后的20多年內(nèi)，尤其歐洲和北美地區(qū)，利用湖泊沉積物重建洪水研究以指數(shù)式增長。對于古洪水研究而言，利用湖泊沉積研究古洪水的最大優(yōu)勢之一是湖泊沉積能夠持續(xù)地同時記錄背景沉積與洪水沉積，這為我們重建完好洪水日歷以及討論洪水與氣候關(guān)系提供了可能。除此之外，還可根據(jù)湖泊沉積物中洪積層的粒徑大小、厚度以及沉積容重等指標(biāo)重建洪水強(qiáng)度〔Giguet-Covexetal,2020;Jennyetal,2020〕。湖泊沉積物相對于河流洪水沉積物的測年方式方法也已特別成熟，在一些高分辨率或有紋層的湖泊沉積物中，完全能夠精到準(zhǔn)確追蹤到洪水發(fā)生的年際甚至季節(jié)〔Lamoureux,2000;周愛鋒，2007;Czymziketal,2020;Swierczynskietal,2020〕。并且在河流洪水記錄證據(jù)中，很難區(qū)別于洪水的地震、滑坡、崩塌沉積，而湖泊沉積物則可嘗試根據(jù)巖性、分選性、C-M圖等方式方法進(jìn)行甄別〔Nomadeetal,2005;Schnellmannetal,2006;Wilhelmetal,2020〕。固然湖泊沉積物是洪水與氣候、環(huán)境變化信息的雙重記錄載體，不僅能夠重建過去洪水，而且還可討論洪水與大陸尺度大氣環(huán)流變化、區(qū)域氣候背景、植被狀況之間耦合機(jī)制〔Loukasetal,2000;Arn-audetal,2005;Oslegeretal,2018;Bussmann,2018〕，甚至可預(yù)測全球氣候變暖背景下洪水頻率與強(qiáng)度的變化〔Millyetal,2002;Wilhelmetal,2020〕。但是，湖泊作為混雜不同時空尺度氣候、環(huán)境和水文信息沉積物的收集器，既記錄著環(huán)流尺度的氣候變化，也記錄著區(qū)域尺度的氣候波動。怎樣從湖泊沉積物中提取與洪水成因相關(guān)聯(lián)的氣候、環(huán)境信息是亟需解決的問題?，F(xiàn)有的大量研究成果基本上都是從下面兩個方面討論古洪水與氣候變化的機(jī)制：一是只考慮大尺度大氣環(huán)流影響，討論湖泊記錄的古洪水與氣候變化的機(jī)制〔Gluretal,2020;Vannireetal,2020;Wirth,Gillietal,2020;Wirth,Gluretal,2020〕；二是主要考慮區(qū)域尺度上氣候動態(tài)、大氣傳輸和流域自然特征的影響，討論湖泊記錄的古洪水與區(qū)域氣候波動的機(jī)制〔Viglio-neetal,2018;Vasskogetal,2018〕。固然至今已有大量研究成果，但關(guān)于湖泊記錄的古洪水與氣候變化、區(qū)域氣候波動的研究僅限于相關(guān)性討論階段，還沒有從根本上揭示洪水事件與氣候變化、波動的詳細(xì)物理機(jī)制，因而需要更多地根據(jù)湖泊沉積重建的古洪水日志進(jìn)行洪水與氣候耦合關(guān)系的研究。本文在介紹河流洪水研究的基礎(chǔ)上，重點綜述了湖泊沉積物重建古洪水以及古洪水與環(huán)境的耦合機(jī)制，為今后利用湖泊沉積物研究古洪水水文學(xué)提供一些可借鑒的方式方法。2湖泊洪水記錄辨別利用湖泊作為載體研究古洪水的首要問題就是從湖泊沉積物中辨別洪積層，即通過調(diào)查和鑒別古洪水遺留下的地質(zhì)、地貌與沉積證據(jù)來辨別古洪水。固然，洪水引起的碎屑沉積與背景沉積都以層間流和底流兩種方式〔Giovanoli,1990;Gillietal,2020;Schillereffetal,2020〕沉積在湖盆中并被保存下來，但是碎屑沉積的巖性、粒徑、礦物、容重、元素、磁學(xué)、孢粉、有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽等指標(biāo)與背景沉積會存在顯著的差異，可通過巖性、沉積學(xué)方式方法、有機(jī)地球化學(xué)方式方法、元素地球化學(xué)方式方法以及不同的沉積經(jīng)過〔如地震與洪水〕等途徑辨別洪積層。由于影響不同區(qū)域的湖泊沉積的因素不同，本文僅綜述適應(yīng)于大多數(shù)湖泊的洪水辨別方式方法。2.1巖性、粒徑方式方法湖泊中的洪水沉積層一般來源于強(qiáng)水流攜帶的顆粒較粗的陸源碎屑物質(zhì)，這些沉積物與背景沉積之間最基本、最顯著的差異表如今巖性和粒徑上，因而巖性、粒徑是辨別湖泊洪水最常用、最普遍的指標(biāo)之一〔Slettenetal,2003;Bussmann,2018〕。根據(jù)湖泊背景沉積物大多以粘土、粉砂組分為主，很少構(gòu)成單一碎屑層的特點，可通過巖性突變、中值粒徑或者平均粒徑的驟增、分選性變差等指標(biāo)判定洪積層位置〔Wilhelmetal,2020〕。除此之外，可以以利用Weibull函數(shù)擬合、端元分析等數(shù)學(xué)方式方法，提取洪水沉積粒徑組分重建洪水歷史。湖泊記錄的洪水沉積與背景沉積的物質(zhì)來源、物質(zhì)組分和沉積經(jīng)過的明顯差異，導(dǎo)致湖泊沉積物在巖性上發(fā)生顯著變化〔Gillietal,2003;Simon-neauetal,2020;Vannireetal,2020〕。巖性最顯著的變化表現(xiàn)為沉積物色度上，假如洪水沉積中的有機(jī)質(zhì)含量高，則洪積層顏色一般比擬暗；假如洪水沉積中碳酸鹽含量比擬高，則洪積層顏色一般比擬亮。因而能夠利用沉積物色度指標(biāo)甚至基于XRF巖芯掃描獲得的亮度曲線，高分辨率地判別強(qiáng)度較小的洪水〔圖1a〕。另外對于含有紋層沉積的湖泊，洪水一般出如今非紋層內(nèi)，因而可以以借助紋層和非紋層的差異辨別洪水發(fā)生位置〔Czymziketal,2018〕。除了洪積層與背景沉積層存在顯著差異外，在洪積層內(nèi)部也有細(xì)微的變化。洪峰時入湖徑流很大，將粗顆粒物質(zhì)帶入湖泊，沉積層底部粒徑較粗；之后洪水徑流逐步變小，搬運能力減弱，攜帶的顆粒變小，沉積層上部粒徑較細(xì)。所以，洪積層內(nèi)最顯著的粒徑特征就是沉積物粒徑向上緩慢變細(xì)，好似洪積層底部粗顆粒上戴了一個粘土帽,并且這個特征也是在湖泊沉積中辨別洪積層的一個非常有效的方式方法。Parris等〔2018〕就基于這個特點，利用端元分析方式方法在湖泊巖芯中辨別了全新世幾次高頻洪水沉積層。洪水沉積層內(nèi)部粒徑向上緩慢變細(xì)的特征一般也表現(xiàn)為兩種形式〔Gillietal,2020〕：其一是洪積層底部粒徑忽然變大，向上緩慢變細(xì)，反映了洪水徑流逐步變?nèi)醯慕?jīng)過〔圖1b1〕；其二是洪積層底部粒徑先出現(xiàn)增大的趨勢，到達(dá)最大值后，再緩慢變細(xì)，這種形式反映了洪水徑流漸漸增大再緩慢變?nèi)醯慕?jīng)過〔圖1b2〕。有時在沉積層粒徑向上緩慢變細(xì)經(jīng)過中出現(xiàn)一個或幾個次高峰，可能反映了整個洪水經(jīng)過中出現(xiàn)屢次洪峰經(jīng)過。因而，粒徑特征不僅可作為辨別洪水的一種方式方法，而且還能反映洪峰次數(shù)及其對應(yīng)洪水徑流的差異，甚至可利用粒徑進(jìn)一步重建洪水強(qiáng)度變化以及評估洪水災(zāi)禍程度。基于湖泊沉積巖性和粒徑辨別洪水案例很多。如Arnaud等〔2002〕在對阿爾卑斯山西北部An-terne湖洪水研究中，將湖泊沉積物劃分為4種巖性：灰暗色薄層粘土質(zhì)粉砂、白色粘土、黃黑灰色粘土質(zhì)粉砂以及黑色粘土質(zhì)砂；并將4種巖性合并為3個沉積序列：L-type層主要以灰暗色薄層粘土質(zhì)粉砂組成，A-type層主要以白色粘土、黃黑灰色粘土質(zhì)粉砂、黑色粘土質(zhì)砂組成，B-type主要以黃黑灰色粘土質(zhì)粉砂、黑色粘土質(zhì)砂；根據(jù)巖性、粒徑指標(biāo)，作者以為A-type序列為洪水沉積層〔圖1c〕。類似地，Wilhelm〔2020〕在阿爾卑斯山西北部Blanc湖〔Arnaudetal,2002〕洪水研究中，劃分了類似巖性，辨別出了過去270年中的56次洪水沉積層。2.2地球化學(xué)方式方法有機(jī)地球化學(xué)方式方法主要根據(jù)洪水沉積與背景沉積在物質(zhì)來源、物質(zhì)組成和沉積經(jīng)過的差異所導(dǎo)致沉積物中有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽含量的相應(yīng)變化辨別洪水〔Gillietal,2003;Simonneauetal,2020;Van-nireetal,2020〕。在一般情況下，如背景沉積有機(jī)質(zhì)〔碳酸鹽〕含量高〔低〕，則洪積層有機(jī)質(zhì)〔碳酸鹽〕含量相對較低〔高〕；但也存在背景沉積中有機(jī)質(zhì)〔碳酸鹽〕含量低〔高〕而洪積層有機(jī)質(zhì)〔碳酸鹽〕含量比擬高〔低〕的情況，可根據(jù)湖泊所處的區(qū)域環(huán)境以及有機(jī)質(zhì)或碳酸鹽突變位置判定洪積層。除此之外，湖泊沉積物中不同元素具有不同的古氣候與古環(huán)境指示意義〔Kylanderetal,2018〕：如輕元素硅〔Si〕、鋁〔Al〕、鉀〔K〕、鈦〔Ti〕在湖泊研究中普遍被以為是外源碎屑元素，一般與外源物質(zhì)的輸入有關(guān)，能夠指示入湖水流的強(qiáng)弱；也有一些元素的相對豐度可指示沉積物的粒徑大小與來源〔Cuvenetal,2018;Schlolautetal,2020〕，如Si和鋯〔Zr〕與粗粉砂及砂礫層相關(guān)，Ti與淤泥〔粉砂〕層相關(guān)，K和鐵元素〔Fe〕則與黏土層相關(guān)，Al/Ti和K/Al比值與碎屑來源相關(guān)。因而，上述沉積物元素變化特征為判定洪水引起的外源碎屑顆粒來源與辨別洪水沉積位置提供了可能。并且隨著元素測量技術(shù)的發(fā)展，這種方式方法也越來越廣泛地被采用。Morelln等〔2018〕在研究西班牙Estanya湖時，通過XRF巖芯掃描獲得了Si、K、Al、Ti、Fe、S、Ca等元素數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析，華而不實PC1主要反映了Si、K、Al、Ti的正值，分析以為PC1指示陸源碎屑物質(zhì)的輸入；當(dāng)PC1忽然增加時能夠作為辨別洪水發(fā)生的根據(jù)。Moreno等〔2008〕用同樣的方式方法研究了西班牙的Taravilla湖，通過XRF巖芯掃描獲得了類似的元素數(shù)據(jù)，同樣作主成分分析，結(jié)果表示清楚：PC1負(fù)值指示碳酸鹽輸入量增加，PC2正值指示硅酸鹽輸入量增加，并將碳酸鹽和硅酸鹽輸入量同時增加〔即陸源碎屑增加〕視為洪水發(fā)生〔圖2〕。除了以上根據(jù)常規(guī)元素辨別湖泊洪積層外，可以利用Rb/Sr比值〔Vasskogetal,2018〕、Sr與Nd同位素〔Revel-Rollandetal,2005〕辨別洪積層。根據(jù)等效離子半徑效應(yīng)，在礦物中Rb經(jīng)常替代K,而Sr經(jīng)常替代Ca,并且K類礦物相對于Ca類礦物更易風(fēng)化；一般降雨引發(fā)的洪積層中Sr的含量相對較高，則Rb/Sr低值可用來辨別洪水沉積層。但是，在冰川湖泊中，由于冰川侵蝕的沉積礦物更接近原巖礦物，冰川侵蝕引發(fā)的突發(fā)性洪積層，Rb/Sr反而較背景沉積層高。所以，在利用元素指標(biāo)辨別洪水沉積層時，要注意區(qū)域的差異性。2.3洪水辨別的數(shù)學(xué)方式方法：RoC將巖性、粒度、元素等指標(biāo)的突變作為判定洪水事件根據(jù)時，突變程度的斷定通常會遭到人為因素的影響，然而應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方式方法，將大于1或2個標(biāo)準(zhǔn)方差斷定為突變點，再結(jié)合指標(biāo)指示意義辨別洪水事件，將會減少主觀因素的影響。如St?ren等〔2018〕首先應(yīng)用一種數(shù)學(xué)統(tǒng)計方式方法指標(biāo)變化速率〔RateofChange,RoC〕，在Meringsdalsvatnet湖泊中辨別洪水事件，這種方式方法能夠精到準(zhǔn)確地診斷出各指標(biāo)快速波動的位置，即洪水開場發(fā)生的時刻。指標(biāo)變化速率方式方法〔RoC〕原理如下：首先，將獲得的湖泊沉積各代用指標(biāo)〔粒度、色度、磁化率、元素、有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽、生物標(biāo)志化合物等〕參數(shù)變量〔y〕采用滑動平均或其他方式方法去除氣候變化的長期趨勢信息，根據(jù)可靠年代模型計算各樣品對應(yīng)的年代t〔年〕；然后，將相鄰樣品各代用指標(biāo)參數(shù)變量y與時間變量t相除即：RoC=y/t,獲得各代用指標(biāo)的變化速率。在洪水發(fā)生時，各代用指標(biāo)的RoC會忽然增高〔正值〕，隨洪水強(qiáng)度和沉積速率逐步變小時，RoC則減小為負(fù)值，但絕對值沒有發(fā)生時的變化速率大〔圖3〕。因而，可把RoC的忽然高值對應(yīng)的時間作為洪水發(fā)生時刻，同時還可根據(jù)高于RoC的一個或兩個標(biāo)準(zhǔn)方差，辨別出不同強(qiáng)度的洪水。St?ren等〔2018〕在挪威Meringsdalsvatnet湖泊中利用上述方式方法判別洪水時，將CT-number和MS原始數(shù)據(jù)采用30點滑動平均去除受長期氣候變化影響的95%的長期趨勢，并用RoC一個標(biāo)準(zhǔn)方差臨界，分別辨別出317和92個洪水事件，固然洪水發(fā)生頻數(shù)存在很大的差異〔可能與不同指標(biāo)對氣候響應(yīng)的敏感度有關(guān)〕，但兩指標(biāo)對應(yīng)的洪水高頻發(fā)生期非常吻合。而且比照距Meringsdalsvatnet湖泊15km的Otta河流自1789年以來歷史或器測記錄的6次洪水事件，利用RoC方式方法共鳴別了5次，且華而不實4次事件對應(yīng)非常好?？梢?，盡管這種方式方法在一定程度上低估了洪水發(fā)生的頻率，但總體上能很好記錄洪水事件。固然RoC方式方法能夠很客觀地從沉積底層中辨別洪水起始位置，但仍在不同程度上遭到年代-深度關(guān)系模型、沉積速率和分樣間隔等因素的影響。例如在沉積速率高時，RoC值將會增加。然而，一般以為沉積速率增加是受流域徑流量加強(qiáng)引起的，所以沉積速率對此方式方法的影響并不是主要的，因此其在一定程度上具有很好的客觀可信性。2.4洪水和塊體運動辨別法從沉積巖性方面觀察，塊體運動〔如地震、滑坡等〕與洪水成因的沉積層有很大類似性，經(jīng)常會干擾湖泊沉積中洪水事件的辨別。但在沉積連續(xù)性上，湖泊中的洪水沉積層一般來源于強(qiáng)水流攜帶的顆粒較粗的陸源碎屑物質(zhì)，與湖泊背景沉積差異較大，在湖泊沉積序列中表現(xiàn)為明顯的不連續(xù)性。而由地震或湖泊水位異常波動等原因引起的塊體運動濁流沉積層往往由重組的湖泊背景沉積構(gòu)成，表現(xiàn)為沉積連續(xù)性。除此之外，塊體運動濁流層在地球化學(xué)組成等方面也與洪水引起的碎屑沉積明顯不同。而由三角洲崩塌或者其他因素導(dǎo)致的滑坡引致的塊體運動濁流沉積層在湖泊沉積序列中同樣表現(xiàn)為明顯的不連續(xù)性，同為離散型的洪水與塊體運動沉積層很難從沉積連續(xù)性上進(jìn)行區(qū)分，但可根據(jù)兩類沉積層的沉積構(gòu)造和組成加以判別。一般而言，塊體運動碎屑層相比洪積層厚度更大、粒徑更粗，并且在沉積層底部含有基巖碎屑組分。除此之外，很多學(xué)者〔Arnaudetal,2002;Giguet-Covexetal,2020〕在巖性基礎(chǔ)上將沉積層劃分為不同的沉積序列，根據(jù)沉積序列最頂部能否含有白的粘土帽區(qū)別洪水和塊體運動碎屑層，是由于洪水發(fā)生時，水體濁度增加，等到洪水結(jié)束或冬季上層湖水結(jié)冰之后，緩慢沉積成一層分選性非常好的白色粘土層，〔圖4a〕。Arnaud〔2002〕根據(jù)不同巖性組合的垂直構(gòu)造將Anterne湖劃分為L型、A型、B型3種沉積類型〔本文只討論A型洪水沉積、B型沉積塊體運動沉積〕，華而不實A型沉積從底至頂部有巖性4、巖性3、巖性2組成，而B型沉積從底至頂部有巖性4、巖性3組成。A型與B型相比，一方面B型頂部沉積缺少巖性2部分〔白色粘土層〕，另一方面B型底部沉積是由粒徑較粗的基巖碎屑組成。因而，可根據(jù)碎屑沉積層底部的基巖碎屑層和洪積層上部的白色粘土帽區(qū)分洪水與塊體運動。塊體運動與洪水沉積層除了粒徑大小、組分不同外，在分選性上也存在很大的差異，一般情況下，塊體運動的分選性比洪水沉積更差。如此圖4c,Arn-aud在研究Anterne湖的洪水和地震事件時，比照湖泊沉積的平均粒徑和分選性，發(fā)現(xiàn)B型沉積的分選性比A型沉積分選性差。這是由于相比地震作用造成的基巖碎屑和細(xì)顆粒的混合沉積，洪水水流具有一定的分選作用，粒徑分布相對集中。所以，湖泊沉積粒徑的分選性在一定程度上可以以幫助洪水和地震事件更準(zhǔn)確的辨別〔Arnaudetal,2002〕。類似地，Wilhelm等〔2020〕在Blanc湖洪水研究中，利用C-M分布圖〔即中值粒徑和百分之一粗顆粒組分分布圖〕得到了三塊指示不同沉積經(jīng)過的的分布區(qū)域，并以此來辨別洪水和地震事件〔圖4b〕，華而不實沉積2型、沉積3型分別指示洪水和地震事件。除上述廣泛應(yīng)用的指標(biāo)之外，還有一些其他辨別洪積層的方式方法。很多研究者〔B?eetal,2006;Wolfeetal,2006〕發(fā)現(xiàn)，磁學(xué)指標(biāo)〔高磁化率、高等溫剩磁〕，孢粉指標(biāo)〔不易腐蝕的舌狀花亞科和蕨目孢粉〕和容重指標(biāo)等可以以辨別洪積層?？傊?，在辨別洪水事件時，不能只單獨采用一種方式方法，需要結(jié)合多種指標(biāo)綜合分析才能獲得更精到準(zhǔn)確的結(jié)果。3湖泊洪水記錄與氣候機(jī)制上文已提及，湖泊沉積物既可記錄洪水事件，還能夠記錄沉積背景，即當(dāng)時環(huán)境，為討論洪水與氣候環(huán)境的關(guān)系提供了便利。湖泊作為混雜不同時空尺度氣候、環(huán)境和水文信息沉積物的收集器，既記錄了環(huán)流尺度的氣候變化，也記錄了區(qū)域尺度的氣候波動，所以在根據(jù)湖泊沉積物重建氣候-洪水關(guān)系時不可避免地要考慮空間尺度、區(qū)域差異對洪水成因的影響〔St?renetal,2018〕。同時，可直接觀測的洪水事件與氣候環(huán)境關(guān)系的研究，也為湖泊沉積記錄的古洪水事件與古氣候、古環(huán)境耦合關(guān)系的討論提供了重要借鑒和驗證。為更精到準(zhǔn)確地討論與重建洪水成因機(jī)制及與環(huán)境的耦合關(guān)系，本文先根據(jù)區(qū)域條件差異將洪水分類，再討論環(huán)流與區(qū)域尺度上的氣候變化對洪水成因的影響。3.1洪水與北大西洋濤動Wirth〔2020〕、Wirth,Gilli等〔2020〕研究了阿爾卑斯山15個湖泊〔北部10個、南部5個〕記錄的全新世以來的洪水與太陽輻射、北大西洋濤動〔NAO〕的關(guān)聯(lián)。表示清楚15個湖泊沉積記錄的洪水頻率與太陽輻射呈負(fù)相關(guān)，即在全新世冷期洪水頻率加強(qiáng)，詳細(xì)影響機(jī)制表現(xiàn)：氣溫通過影響哈德利環(huán)流圈的南北移動，改變洪水發(fā)生頻率。在冷期時，哈德利環(huán)流圈北移受阻，其北界位于歐洲中部，促進(jìn)了大西洋鋒面系統(tǒng)抵達(dá)阿爾卑斯山地區(qū)，大西洋氣團(tuán)帶來的水汽增加了本地區(qū)降水，因而洪水頻率升高；在暖期時，哈德利環(huán)流圈北移，副熱帶高壓控制本地區(qū)，降水減少，洪水頻率降低。Wirth通過比照阿爾卑斯山南部和北部洪水頻率發(fā)現(xiàn)兩者存在顯著差異，且造成這種差異的原因與NAO有關(guān)，即在NAO負(fù)相位時，熱帶輻合帶〔ITCZ〕和西風(fēng)南移加強(qiáng)，導(dǎo)致所控制的南阿爾卑斯山地區(qū)降水增加洪水頻率偏高，而北阿爾卑斯山地區(qū)的洪水頻率相對降低。另外，還根據(jù)阿爾卑斯山南部洪水頻率變化重建了NAO的波動序列。因而對洪水與氣候物理機(jī)制的討論不僅能夠幫助我們找到引發(fā)洪水的氣候機(jī)制，甚至還能夠利用記錄完好的洪水日歷重建氣候變化。3.2洪水與北極濤動。Noren等〔2002〕研究了美國東北部13湖泊的洪水周期以及與北極濤動〔AO〕的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)美國東北部洪水存在3000年周期波動，而且在AO負(fù)相位時，美國東北部洪水頻率升高；在AO正相位時，美國東北部洪水頻率降低。Parris等〔2018〕對美國東北部湖泊記錄的洪水研究與Noren的結(jié)論類似，同樣以為，美國東北部洪水強(qiáng)弱主要驅(qū)動機(jī)制是北極氣團(tuán)控制的冷干氣候與熱帶氣團(tuán)控制的暖濕氣候之間的蹺蹺板式交互轉(zhuǎn)換所引發(fā)的降水變化。除此之外，AO負(fù)相位時，歐洲變冷、高緯度西風(fēng)減弱所導(dǎo)致的美國東北部洪水頻率的變化與上述阿爾卑斯山洪水研究結(jié)果具有一定遙相關(guān)性，即美國東北部洪水與北大西洋千年尺度上的氣候波動可能也存在相關(guān)性。所以，可根據(jù)造成不同區(qū)域洪水頻率、強(qiáng)度變化的氣候機(jī)制比照，討論全球環(huán)流尺度間氣候機(jī)制的遙相關(guān)。3.3洪水與太平洋濤動Li等〔2020〕對中國長江下游太湖洪水的研究，發(fā)現(xiàn)太湖洪水也與太平洋十年濤動〔PDO〕具有強(qiáng)相關(guān)性。作者利用太湖歷史碑文記載、湖泊沉積物記錄重建了過去400年30次洪水事件，通過比照年際尺度上PDO序列與太湖洪水記錄，發(fā)現(xiàn)有13次洪水事件與PDO峰值相重疊，即PDO能夠解釋太湖過去30次洪水事件中43%的信息?？紤]到太湖沉積物分辨率僅為0.173cm/a,很難與年際尺度上PDO序列比照。對PDO與太湖洪水記錄10年滑動平均后，比照發(fā)現(xiàn)兩者的重疊次數(shù)到達(dá)了22次，并且兩序列的C-檢測結(jié)果也表示清楚太湖洪水與PDO存在很好的相關(guān)性。固然關(guān)于太湖湖泊記錄的古洪水與氣候變化的研究還處于相關(guān)性討論階段，沒有從根本上解決洪水事件與氣候變化的詳細(xì)物理機(jī)制，但仍為利用湖泊沉積重建古洪水序列以及討論洪水與氣候聯(lián)絡(luò)提供了借鑒，將來這類研究還有待進(jìn)一步深化。Kiem等〔2003〕通過對澳大利亞東南部新南威爾士州的洪水研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)洪水與太平洋年代際濤動〔IPO〕、ENSO具有強(qiáng)相關(guān)性。在拉尼娜〔LaNina〕事件和IPO負(fù)相位氣候條件下，要比厄爾尼諾〔ElNinos〕和IPO非負(fù)相位時洪水頻率和強(qiáng)度增加，并且在IPO負(fù)相位時的LaNina事件也比非負(fù)相位的LaNina事件的洪水頻率和強(qiáng)度更大、更強(qiáng)。結(jié)論為：澳大利亞東南部新南威爾士州洪水的頻率和強(qiáng)度遭到年代際IPO和ENSO濤動雙重調(diào)控影響。對澳大利亞東南部新南威爾士州洪水記錄的頻譜分析，發(fā)現(xiàn)以傳統(tǒng)經(jīng)歷體驗分析方式方法得到的區(qū)域洪水指數(shù)為3.17的洪水周期大約是100年；但在IPO負(fù)相位氣候背景下，其一樣強(qiáng)度洪水的周期僅為15年。這也從另一側(cè)面驗證了IPO濤動對新南威爾士州強(qiáng)洪水的調(diào)控作用；同樣也啟示，在預(yù)測將來洪水變化時，考慮不同的氣候驅(qū)動機(jī)制和不同的氣候環(huán)境背景對洪水的頻率周期和災(zāi)禍程度影響的差異，可能會大大提高預(yù)測的可信性與正確性。3.4洪水與厄爾尼諾-南方濤動Kiem等〔2003〕同時發(fā)現(xiàn)澳大利亞東南部新南威爾士州洪水與ENSO也具有一定相關(guān)性。LaNi-na事件時洪水頻率和強(qiáng)度明顯比非LaNina事件時增加和加強(qiáng)很多。然而，也有研究者〔Waylen