古洪水文學(xué)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(jì)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(jì)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(jì)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(huì)嚴(yán)重偏小．后來?xiàng)钸_(dá)源等提出洪峰水位應(yīng)采用SWD向著坡上方的尖滅點(diǎn)的高程，其精度相對(duì)更高．大量的室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)、野外觀測(cè)和取樣調(diào)查的結(jié)果都證明古洪水平流沉積尖滅點(diǎn)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(diǎn)，所以就無法應(yīng)用此方法．李曉剛等通過大量實(shí)驗(yàn)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(shí)際情況．
2古洪水行洪斷面的確定運(yùn)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(shí)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(duì)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(jì)算時(shí)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(duì)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(gè)角度來考慮．謝悅波等認(rèn)為古洪水當(dāng)時(shí)行洪斷面面積與現(xiàn)在實(shí)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(jì)算．
二古洪水洪峰流量的計(jì)算方法
確定古洪水洪峰水位和行洪斷面之后，要根據(jù)實(shí)際情況采用合適的計(jì)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(shí)，應(yīng)選擇在附近有水文站的河段．因其是在實(shí)測(cè)資料作為基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)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(shí)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(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上的，在水文站沒有監(jiān)測(cè)到洪水的較高水位的情形下，這就需要延長(zhǎng)水位—流量關(guān)系曲線．經(jīng)常使用的高水延長(zhǎng)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(jì)算河段流量的方法．這種方法在計(jì)算古洪水流量時(shí)具有方便、適用性較強(qiáng)的特點(diǎn)，如果可以用水位一流量關(guān)系法計(jì)算的，也可以用比降法進(jìn)行計(jì)算．由于洪水在行洪的過程中，經(jīng)常能出現(xiàn)一個(gè)最高水位，此時(shí)洪水水位在短時(shí)間里可以看作是不變的，可近似視為恒定流計(jì)算．此方法在近幾年的全新世古洪水洪峰流量計(jì)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(jì)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(cè)距儀實(shí)地測(cè)量的結(jié)果結(jié)合地形圖中的水面高程點(diǎn)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(jì)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(shí)首先要對(duì)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(duì)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(shí)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(dǎo)入HEC－RAS開始模擬．并根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)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(duì)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(yàn)證
1利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演法古洪水水文恢復(fù)計(jì)算需要對(duì)其結(jié)果的可靠性驗(yàn)證．尤其是利用比降面積法獲得的洪峰流量，可通過對(duì)采樣點(diǎn)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(cè)到的河槽數(shù)據(jù)，比降和糙率．利用公式計(jì)算出洪峰流量，已驗(yàn)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(duì)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(Q)應(yīng)介于Q=760D0.4和Q=21D0.73之間．我國一些學(xué)者在進(jìn)行古洪水洪峰流量的驗(yàn)證時(shí)也采用了這種方法，結(jié)果計(jì)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(yàn)證洪峰流量的計(jì)算中．
四主要問題與展望
1存在的問題
(1)對(duì)古洪水沉積物剖面的識(shí)別還存在困難．對(duì)于古洪水平流沉積物的野外識(shí)別和試驗(yàn)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(diǎn)在野外并不容易找到．由于人類活動(dòng)的加劇，對(duì)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(jì)算洪水洪峰水位和流量需要進(jìn)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(zhǎng)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(duì)較少．
(3)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(diǎn)作為洪峰水位，接近真實(shí)水位，但是尖滅點(diǎn)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．
(4)古河道的恢復(fù)精度不高．隨著時(shí)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(dòng)對(duì)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(huì)有很大不同．要更準(zhǔn)確地計(jì)算古洪水的流量，就必須弄清河床斷面隨時(shí)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(xué)研究是全球變化研究的一個(gè)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．
(2)應(yīng)在全國各流域開展古洪水水文學(xué)的研究工作，建立相同時(shí)間尺度下的不同區(qū)域的對(duì)比關(guān)系．恢復(fù)古洪水洪峰流量，延長(zhǎng)洪水水文數(shù)據(jù)序列，建立萬年尺度洪水流量－頻率關(guān)系，對(duì)于揭示全球變化的響應(yīng)規(guī)律具有重要的科學(xué)意義，對(duì)于防洪減災(zāi)和水資源水能源工程建設(shè)也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義．
(3)應(yīng)加強(qiáng)古洪水洪峰水位及行洪斷面的研究，進(jìn)一步提高洪峰流量恢復(fù)的精度．
作者：王超張紅梅申洪源單位：山東師范大學(xué)臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院
