古洪水文學研究論文

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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確，就難以保證計算成果的準確性．因此在洪峰流量推算過程中首先應確定洪峰水位．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，所以所得結果會嚴重偏小．后來楊達源等提出洪峰水位應采用SWD向著坡上方的尖滅點的高程，其精度相對更高．大量的室內模型實驗、野外觀測和取樣調查的結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，所以就無法應用此方法．李曉剛等通過大量實驗和研究，創(chuàng)設了“古洪水SWD厚度與含沙量關系法”，通過恢復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分析特征及指標體系確定古洪水平流沉積，并由恢復古洪水水位推求流量，必須解決古洪水當時的行洪斷面問題．

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，巖石的強度較強，斷面抗蝕能力強，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，在地質過程中，河流下切、泥沙淤積等影響較強，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．謝悅波等認為古洪水當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，來恢復古洪水的洪峰流量．

1水位流量關系

在應用水位—流量關系法時，應選擇在附近有水文站的河段．因其是在實測資料作為基礎上進行計算，所以該水文站應具有大水年水位—流量關系資料．由于沒有考慮區(qū)間的入流，所以在采用此方法時應選擇在與水文站相近的斷面;此外，水文站的水位—流量關系曲線一般是建立在實測資料的基礎上的，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、適用性較強的特點，如果可以用水位一流量關系法計算的，也可以用比降法進行計算．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果結合地形圖中的水面高程點進行校正，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)的一維水力學計算中用途廣泛．HEC模型的理論基礎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(RASGIS)數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)其導入HEC－RAS開始模擬．并根據(jù)實測結果對斷面數(shù)據(jù)進行修正，確定河槽兩岸糙率系數(shù)、擴張以及收縮系數(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計算需要對其結果的可靠性驗證．尤其是利用比降面積法獲得的洪峰流量，可通過對采樣點進行仔細觀察，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系美國學者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)的進行分析，結果表明古洪水的洪峰流量與其流域面積存在相關性．如果以流域面積為橫坐標，洪峰流量為縱坐標建立坐標系，流域內發(fā)生的大洪水的洪峰流量(Q)應介于Q=760D0.4和Q=21D0.73之間．我國一些學者在進行古洪水洪峰流量的驗證時也采用了這種方法，結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

(1)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)嚴重，以及水文條件復雜，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，這種情況下如何準確計算洪水洪峰水位和流量需要進一步研究．

(2)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．

(3)古洪水洪峰水位的恢復誤差較大．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研究的基巖峽谷河段．古洪水SWD厚度含沙量關系法解決了上述問題，已有學者通過這種方法恢復古洪水的洪峰水位．

(4)古河道的恢復精度不高．隨著時間的不斷推移，在地球內營力和外營力的共同作用下，包括河流裁彎取直、側蝕以及人類活動對大自然的影響越來越嚴重，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

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

(2)應在全國各流域開展古洪水水文學的研究工作，建立相同時間尺度下的不同區(qū)域的對比關系．恢復古洪水洪峰流量，延長洪水水文數(shù)據(jù)序列，建立萬年尺度洪水流量－頻率關系，對于揭示全球變化的響應規(guī)律具有重要的科學意義，對于防洪減災和水資源水能源工程建設也具有重要的現(xiàn)實意義．

(3)應加強古洪水洪峰水位及行洪斷面的研究，進一步提高洪峰流量恢復的精度．

作者：王超張紅梅申洪源單位：山東師范大學臨沂大學資源環(huán)境學院