古洪水文學(xué)研究論文

古洪水文學(xué)研究論文

一古洪水水位和河床斷面的確定

1古洪水洪峰水位計算

洪峰流量最基本的依據(jù)就是洪水水位，如果洪水位確定得不準(zhǔn)確，就難以保證計算成果的準(zhǔn)確性．因此在洪峰流量推算過程中首先應(yīng)確定洪峰水位．古洪水洪峰水位的確定依賴于古洪水滯留沉積層．國外一些學(xué)者通常直接采用SwD頂面高層作為全新世古洪水的洪峰水位，計算出洪峰流量的最小值．由于其忽略了SwD沉積水深，所以所得結(jié)果會嚴(yán)重偏?。髞項钸_(dá)源等提出洪峰水位應(yīng)采用SwD向著坡上方的尖滅點的高程，其精度相對更高．大量的室內(nèi)模型實驗、野外觀測和取樣調(diào)查的結(jié)果都證明古洪水平流沉積尖滅點高程指示洪水位精度高于滯留沉積層頂面高層．但是在全新世古洪水的采樣過程中，洪水SwD沉積往往不存在尖滅點，所以就無法應(yīng)用此方法．李曉剛等通過大量實驗和研究，創(chuàng)設(shè)了“古洪水SwD厚度與含沙量關(guān)系法”，通過恢復(fù)SwD的沉積水深，確定古洪水洪峰水位，推求出的洪峰流量更加接近于實際情況．

2古洪水行洪斷面的確定運用古洪水平流沉積物野外及室內(nèi)分析特征及指標(biāo)體系確定古洪水平流沉積，并由恢復(fù)古洪水水位推求流量，必須解決古洪水當(dāng)時的行洪斷面問題．

1)基巖峽谷型河床流量的推算精度取決于斷面地貌的穩(wěn)定性．對于基巖型河床，由于其河槽比較規(guī)整，巖石的強(qiáng)度較強(qiáng)，斷面抗蝕能力強(qiáng)，沖刷和淤積能力較弱，故河道變化量小，水流狀態(tài)穩(wěn)定．而且，峽谷河段易于大洪水沉積物的保存，在古洪水流量計算時選擇基巖峽谷段河床，有利于減小誤差．

2)沖淤變化型河床對于沖淤變化型河床，由于其巖性較弱，在地質(zhì)過程中，河流下切、泥沙淤積等影響較強(qiáng)，所以現(xiàn)今所觀察到的河床斷面與古河床的斷面差別很大．在沖淤變化型河床確定行洪斷面要從多個角度來考慮．謝悅波等認(rèn)為古洪水當(dāng)時行洪斷面面積與現(xiàn)在實際斷面面積之間的差值由兩部分組成:一是年際斷面沖淤變化量;二是一次洪水過程中的斷面沖淤變化量．由于沖淤變化型河床行洪斷面的確定還有難度，所以應(yīng)避免在此類河段中展開古洪水流量的計算．

二古洪水洪峰流量的計算方法

確定古洪水洪峰水位和行洪斷面之后，要根據(jù)實際情況采用合適的計算方法，來恢復(fù)古洪水的洪峰流量．

1水位流量關(guān)系

在應(yīng)用水位—流量關(guān)系法時，應(yīng)選擇在附近有水文站的河段．因其是在實測資料作為基礎(chǔ)上進(jìn)行計算，所以該水文站應(yīng)具有大水年水位—流量關(guān)系資料．由于沒有考慮區(qū)間的入流，所以在采用此方法時應(yīng)選擇在與水文站相近的斷面;此外，水文站的水位—流量關(guān)系曲線一般是建立在實測資料的基礎(chǔ)上的，在水文站沒有監(jiān)測到洪水的較高水位的情形下，這就需要延長水位—流量關(guān)系曲線．經(jīng)常使用的高水延長法有曼寧公式法和史蒂斯法．

2比降面積法比降面積法

是利用比降和斷面面積，采用水力學(xué)公式計算河段流量的方法．這種方法在計算古洪水流量時具有方便、適用性較強(qiáng)的特點，如果可以用水位一流量關(guān)系法計算的，也可以用比降法進(jìn)行計算．由于洪水在行洪的過程中，經(jīng)常能出現(xiàn)一個最高水位，此時洪水水位在短時間里可以看作是不變的，可近似視為恒定流計算．此方法在近幾年的全新世古洪水洪峰流量計算中應(yīng)用也較多．且多用在基巖峽谷斷面，由于河床自全新世以來變化不大，且能容易計算糙率系數(shù)．水面比降可用河床比降代替．通過野外紅外測距儀實地測量的結(jié)果結(jié)合地形圖中的水面高程點進(jìn)行校正，獲得比降．

3ArcGIS耦合HEc－ＲAS模型法HEc－ＲAS模型是由美國陸軍工程師團(tuán)所開發(fā)的一款模型，在天然河道和人造河網(wǎng)的一維水力學(xué)計算中用途廣泛．HEc模型的理論基礎(chǔ)即能量守恒采用該模型時首先要對所研究區(qū)域下墊面概化，利用ArcGIS強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)分析功能對所研究河段地形圖、遙感資料進(jìn)行數(shù)字化，生成所研究河段的不規(guī)則三角網(wǎng)．然后在ArcGIS下耦合HEc－GeoＲAS模塊，繪制河流中心線、斷面線、主槽線等，同時在提取河道斷面等數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)其導(dǎo)入HEc－ＲAS開始模擬．并根據(jù)實測結(jié)果對斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，確定河槽兩岸糙率系數(shù)、擴(kuò)張以及收縮系數(shù)，給定邊界條件，確定起始斷面．最后模擬不同洪峰流量的古洪水，可得到相應(yīng)的古洪水水面線，其中與古洪水滯流沉積物指示水位高程最吻合的水面線，其所對應(yīng)的洪峰流量，即為古洪水洪峰流量．

三古洪水洪峰流量的驗證

1利用實測數(shù)據(jù)反演法古洪水水文恢復(fù)計算需要對其結(jié)果的可靠性驗證．尤其是利用比降面積法獲得的洪峰流量，可通過對采樣點進(jìn)行仔細(xì)觀察，找到最近幾次洪水的明顯洪痕，以確定洪水水位高程，并利用之前觀測到的河槽數(shù)據(jù)，比降和糙率．利用公式計算出洪峰流量，已驗證此方法是否可靠．

2利用世界各地流域面積與大洪水洪峰流量關(guān)系美國學(xué)者Baker通過對全世界各大洲及地區(qū)的古洪水研究資料系統(tǒng)的進(jìn)行分析，結(jié)果表明古洪水的洪峰流量與其流域面積存在相關(guān)性．如果以流域面積為橫坐標(biāo)，洪峰流量為縱坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，流域內(nèi)發(fā)生的大洪水的洪峰流量應(yīng)介于Q=和Q=之間．我國一些學(xué)者在進(jìn)行古洪水洪峰流量的驗證時也采用了這種方法，結(jié)果計算出的洪峰流量與Baker的研究成果相符，也間接證明了這種方法是可以驗證洪峰流量的計算中．

四主要問題與展望

1存在的問題

對古洪水沉積物剖面的識別還存在困難．對于古洪水平流沉積物的野外識別和試驗判別己經(jīng)有了依據(jù)，但是能準(zhǔn)確指示洪水水位的平流沉積物的尖滅點在野外并不容易找到．由于人類活動的加劇，對大自然的改造愈發(fā)嚴(yán)重，以及水文條件復(fù)雜，河道變化較大等原因，河流沿岸的典型平流沉積物很少有完好保存，這種情況下如何準(zhǔn)確計算洪水洪峰水位和流量需要進(jìn)一步研究．

研究區(qū)域還不夠廣泛．在中國，開展古洪水研究的流域還不多．現(xiàn)在古洪水的研究多集中在長江流域和黃河流域部分地區(qū)．在其它大部分地區(qū)研究成果相對較少．

古洪水洪峰水位的恢復(fù)誤差較大．用古洪水滯流沉積物頂面高程作為古洪水洪峰水位，求的洪峰流量不夠精確．采用古洪水滯留沉積尖滅點作為洪峰水位，接近真實水位，但是尖滅點在形成后很難保存下來，尤其是在適合古洪水水文學(xué)研究的基巖峽谷河段．古洪水SwD厚度含沙量關(guān)系法解決了上述問題，已有學(xué)者通過這種方法恢復(fù)古洪水的洪峰水位．

古河道的恢復(fù)精度不高．隨著時間的不斷推移，在地球內(nèi)營力和外營力的共同作用下，包括河流裁彎取直、側(cè)蝕以及人類活動對大自然的影響越來越嚴(yán)重，現(xiàn)代河道斷面以及河床與古河床必然會有很大不同．要更準(zhǔn)確地計算古洪水的流量，就必須弄清河床斷面隨時間衍化所發(fā)生的變化，包括地貌、巖性及其環(huán)境的變化．

2研究展望

古洪水水文學(xué)研究是全球變化研究的一個重要方向，應(yīng)加強(qiáng)多學(xué)科的合作，采取多學(xué)科集成的方法研究古洪水，提高研究的分辨率，進(jìn)而提高古洪水研究的可信度．

應(yīng)在全國各流域開展古洪水水文學(xué)的研究工作，建立相