浅析湖泊沉积对河流降水影响因素

　　沉积年代序列根据测定结果,226Ra的比活度(52.96~127.26Bq/kg)较高,在垂向上变化较大(图2)。210Pbex(过剩210Pb)的比活度(10.86~398.69Bq/kg)和210Pbt(总210Pb)的比活度(83.35~494.86Bq/kg)演变趋势相似,从湖底深度约28cm处开始逐渐增加,于11cm处突然剧增至7cm处达到峰值,对应1986年切尔诺贝利核电站泄露事件。

　　太湖TXS孔岩芯剖面(图2)中210Pbex呈非指数式分布,所以本文用CRS(ConstantRateofSupply)模式[22]计算TXS孔沉积通量,获得沉积速率0.173cm/a,即5.8a/cm。岩芯特征分析显示沉积物质地单一,均为细泥与粉砂混合体,沉积环境接近,由此依据平均沉积速率推断,岩芯深度27.25cm约对应1849aA.D.。TXS孔中137Cs比活度较低(<21Bq/kg),从11.75cm处1.52Bq/kg开始出现,向上一直增加,于4.75cm处达到峰值20.68Bq/kg,其后降低直至顶部,总体形态呈尖锐的单峰。钻孔TXS中137Cs沉积通量远小于太湖区域大气沉降累积通量(2120Bq/kg),这种现象在太湖其他钻孔以及长江中下游的洪湖、巢湖沉积物中也有相似发现[23~26],可能是后生沉积作用导致峰高降低的结果。若以TXS垂直剖面上137Cs蓄积峰对应1986年全球137Cs散落高峰期,计算的平均沉积速率与利用210PbCRS模式分析结果相一致。

　　137Cs全球1963年散落高峰在太湖TXS钻孔表现不显着,可能由于沉积物后生沉积作用稀释所致。结合210Pb测定和模式,确定沉积速率并建立年代序列(图略)。粒度特征变化太湖TXS孔沉积物粒径分析表明(图3),砂级粒径(>64μm)百分含量在钻孔30cm以上较低,小于2.5%,粒径含量变化于0~2.466%之间,最大值出现在18.25cm处约1901年附近,12.25cm和14.25cm缺失粗颗粒物质砂,砂级粒径平均含量为0.97%,离差系数Cv=0.72,粒径变化波动幅度较大。钻孔岩芯中粉砂粒径4~64μm百分含量平均80.53%左右,变动范围74.83%~85.40%,离差系数Cv=0.04,因此,岩芯中绝大部分沉积物都是粉砂,而且含量变化比较稳定。黏土颗粒(<4μm)平均含量为18.60%左右,30cm以上变化于14.60%~20.06%之间,离差系数Cv=0.15,钻孔中黏土含量变动幅度较小。

　　由此知道,150年来太湖西山沉积环境整体相对稳定,水动力条件保持稳定,主要沉积物粉砂离散程度很小,只有0.04,黏土离散程度较小,也只有0.15左右,砂离散程度较大达到0.72,表明影响砂沉积的水动力条件变化较大。太湖沉积物质来源主要有两个:流域自身水沙供给和长江洪水倒灌湖泊区水沙供给。太湖沉积颗粒大部分为黏土质粉砂,即黏土(粒径<0.01mm)含量占20%~40%左右,而粉砂(粒径0.1~0.01mm)含量占60%~80%左右,砂(粒径>0.1mm)含量很少[4]。粗颗粒的砂应该主要为水动力条件较强的洪水[14~17]搬运而来。

　　磁学特征对钻孔TXS岩芯磁化率测定结果表明,低频磁化率变化与沉积粒度具有显着的同步变化。在7.25cm处1968年处于最低值10.66×10-8m3/kg,顶部达到最高值26.73×10-8m3/kg,均值15.86×10-8m3/kg。与粒度砂级粒径(>64μm)做相关分析,表明与磁化率变化呈负相关,相关系数-0.23;磁化率和粒度粉砂(4~64μm)变化呈负相关,相关系数-0.37;磁化率和粒度黏土(<4μm)变化呈正相关,相关系数0.42(达到95%置信区域)。太湖沉积磁性矿物主要以细颗粒黏土为主,当水力条件较强时,磁化率值相对较小,而水动力条件较弱时,磁化率值就相对较大。

　　这与太湖WIC孔沉积物磁化率与较粗颗粒组分含量成反相关,而与较细颗粒组分成正相关[27]的结论相一致,在中国东部地区其它区域苏北盆地[28]、巢湖[29]、河北省阳原盆地井儿洼湖相沉积物中[30]都有相似的结论。因此,太湖盆地TXS钻孔沉积物粒度和磁化率的大小变化能够反映入湖径流水动力条件的变化,可以指示湖泊周边气候变迁过程。碎屑颗粒砂的含量相对高值和磁化率相对低值表明湖泊较强的水动力搬运能力,指示着较强的区域性降水过程和随后较大的径流输入湖盆,反映太湖流域洪涝事件的发生。

　　湖泊沉积与降水、流量相关分析

　　太湖流域处于中国东部湿润性季风区,每年降水主要集中于夏季,短期暴雨引起的洪水也多集中于夏季,由区域降水补给和径流输入导致洪涝灾害也频发于夏季。由于南京地处太湖流域上游,南京气象站降水量能反映下游径流特征。故以南京站数据为主,辅以同一流域降水情势相同的上海和杭州站夏季降水记录,得到流域夏季降水序列。

　　采用流域夏季(6、7和8月)降水大于90%百分位作为极端丰水年,结合长江干流下游河段水文监测大通水文站1950年以来径流量大于90%百分位做为极端洪水年,并与历史文献洪水记录对比,综合分析得到洪水参数(图略)。对比洪水参数,太湖沉积、湖相韵律变化,佐以磁学特征,获得太湖流域洪水指标。

　　结果发现太湖TXS钻孔沉积粒度砂级粒径(>64μm)与过去150a来洪水年重合15次,误差±1年,重合年份为1849,1859—1860,1870—1871,1882—1883,1895—1896,1901—1902,1907,1912—1913,1931,1954—1955,1973—1974,1980,1986—1987,1991—1992,1998年等,识别率达到62.5%。

　　缘由可能是采样间隔精度尚未达到1a数量级(本钻孔为±3a/样)。根据现代150a粒度—磁化率—洪水参数建立的洪水指标,进行快速傅里叶频谱变换(FFT)。表明沉积粒径、低频磁化率具共同的48a和20a周期(图5)。此外,对TXS钻孔岩芯4.12m段进行类比,获得了洪水重发信号。其中粗颗粒砂级粒径(>64μm)—低频磁化率指标捕获洪水事件64次;沉积物中值粒径(D=50)—低频磁化率指数分析获得洪水事件58次。

　　讨论

　　TXS孔位于湖泊中心区,与湖泊边缘相比较,沉积速率更低。虽然局部湖岸因风浪冲击崩塌也能增加太湖水中的含沙量,但对整个太湖影响不大。因此,太湖盆地是一个以外来碎屑沉积为主的开放型沉积湖盆,进入湖盆的来水是控制沉积物粒径构成变化的主要动力因子。

　　根据沉积机械分选原理[31],沉积物颗粒大小由湖边向湖中心逐渐变细,并呈同心圆状分布;在湖泊中的不同位置,沉积物颗粒的大小随搬运动力改变可发生变化。当降水量增加尤其集中降雨、强降雨增加时,进入湖泊水量增加,水流搬运泥沙能力增强,搬运相对较粗的碎屑颗粒物质进入湖泊沉积;当流域降水减少,入湖水量减少,流速变缓,水动力搬运能力减弱,水流挟带泥沙的搬运动力下降,搬运的沉积碎屑物也就相对较细。所以粗颗粒物质砂(>64μm)的沉积指示着较高的区域降水和较大的径流输入,于中国东部湿润季风区则预示着暴雨和洪涝事件的发生;如果只有细颗粒的沉积而缺失粗颗粒物质则代表着降水量偏少年份,表明当时气候相对干旱。本研究表明太湖湖泊沉积物粒度砂级粒径(>64μm)与磁学特征能捕获过去150a来洪水事件14次,识别率为62.5%。

　　该指标对洪水的分辨率达不到90%或更高,主要原因是沉积速率低(约0.173cm/a),尽管钻孔位于湖心位置,取样是5mm间隔。磁化率作为一项环境代用指标,反映了各种环境营力之间相互作用和转化过程,能指示区域沉积环境。磁化率能够较好地反映黄土和古土壤成土过程的作用程度,高值表明了较强烈的成壤作用和适宜的气候状况,低值表明了铁磁性矿物含量较少和较为恶劣的气候状况[32,33]。沉积物中磁性矿物来源有三类;外源磁性矿物、自生磁性矿物和成岩磁性矿物,湖泊沉积磁性矿物中外源磁性矿物占绝对优势[34]。

　　沉积物磁化率的大小与其磁性矿物种类、粒径、含量相关,它们都受物源区影响。因此,磁化率可以反映沉积动力的强弱及其变化趋势,若沉积动力与沉积环境不变,可以反映沉积物源区的变化[27]。太湖盆地磁性矿物来源以外源磁性矿物为主,受输入碎屑物质磁性矿物成分、含量和粒度控制,磁性矿物含量和粒度组成与水动力条件相关:若物源区磁性矿物以粗颗粒砂级碎屑为主,当水动力搬运能力强时,磁化率就大;若物源区磁性颗粒矿物以细颗粒黏土为主,则动力搬运能力较弱时,沉积物磁化率也相对较大。

　　文中依据沉积物粒度、湖相韵律以及磁学特征尝试对太湖流域150a来洪涝事件进行定量重建,个别洪水事件的沉积剖面年龄与洪水参数年龄有大约1年的偏离,这可能与210Pb年龄测试的误差有关,也可能与风浪、风涌水和湖流对湖底的扰动造成沉积环境的不稳定有关。同时,钻孔粗颗粒砂级沉积并不能与洪水参数形成一一对应,一些沉积颗粒较粗年份并没有洪水事件发生,也表明自然地理状况下湖泊沉积动力环境的复杂性。

　　结语

　　总结本文的分析结果,得到以下几点结论:(1)长江下游径流(Q≥90%百分位)、夏季降水量(Pjja≥90%百分位)和文献记录长江流域1840年以来的特大洪水,共发现洪水事件约24次,即平均6.25a/次。(2)太湖湖泊沉积物粒度砂级粒径(>64μm)与磁学特征能捕获过去150a洪水事件15次,与洪水记录对应的识别率62.5%,表明湖泊沉积记录能较好地反演过去洪水变化。

　　(3)太湖沉积磁化率与较粗颗粒组分含量成反相关,而与较细颗粒组分成正相关;磁性矿物沉积物主要以细颗粒黏土为主,当水动力条件较强时,磁化率值相对较小,而水动力条件较弱时,磁化率值就相对较大。(4)150a来太湖湖泊沉积由TXS钻孔揭示的粒度和磁学特征,与长江下游径流量高值、太湖流域夏季强降水、以及文献记载长江特大洪涝灾害三者组成具有很好的对应关系,能够做为沉积的洪水指标用以认识过去极端洪水的长周期变化特征和规律。

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