姚江流域现代特大洪水沉积物粒度及磁性参数特征

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摘要：2013年10月受“菲特”台风的影响，浙江余姚境内的姚江流域发生了特大洪水。通过系统采集不同河段高、低河漫滩及泛滥平原的沉积物样品，开展粒度分析和磁性测量，探讨了该地区特大洪水事件在沉积物粒度及磁性参数方面的表征特征。研究表明，沉积物粒度组成以粉沙为主（平均58.72%），黏土次之（23.27%），沙最少（18.01%），主体成分为黏土-沙质粉沙；从低河漫滩、高河漫滩到泛滥平原，沉积物粒度具有变细趋势，但差别不大；频率曲线表现为较宽的单峰，略显正偏；概率累积曲线较为平缓且均为两段式。入城段与城区干流段沉积物中磁性参数χ、SIRM呈现高度的相关性，表明磁性矿物主要由亚铁磁性矿物组成，较高的χARM表明沉积物中含有较多的稳定单畴亚铁磁性矿物。区域横向对比结果表明，余姚洪水沉积物在粒度结构上可与同时期形成的嘉兴地区的洪水沉积物作比较，也与良渚古城附近、杭州平原广泛发育的“黄粉土”相近，而与杭州湾高潮滩沉积物明显不同。

关键词：姚江；洪水沉积物；粒度；磁性参数；表征特征

中图分类号：P331.1；P512.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8洪涝灾害是中国严重的自然灾害之一，通过洪水沉积学标志研究建立古洪水演化序列是洪水预报的重要内容[1-4]。山区河流或河流峡谷段古洪水沉积学标志的研究已经较为成熟[5]，但泛滥平原区古洪水沉积标志尚未建立[6]；洪水沉积物是研究古洪水发生规模、频率和规律的基本材料，通过现代洪水沉积研究建立洪水沉积学标志是揭示古洪水信息的基础[7，8]。

粒度是表征沉积物特征最重要的沉积学指标之一，粒度分析能很好地指示沉积物的物质来源、搬运介质、动力沉积环境及其变化等[9-12]。沉积物磁性特征主要反映了沉积物中磁性矿物的含量、类型、晶粒特征等，这些都是在沉积物分选、搬运和沉积过程中形成的[13，14]。

本研究通过对姚江洪水沉积物的粒度分析及磁性测量，同时开展与区域内不同沉积环境形成的细颗粒沉积物进行对比，探讨姚江流域现代特大洪水的沉积学特征，并为宁绍平原古洪水的研究提供参考。

1 姚江流域和洪水概况

姚江为甬江一级支流，位于浙江省东部[15]，源于四明山。其水系为复合状水系，干流右侧的山区性河流呈梳状分布，由西南向东北注入干流；左侧为平原河网，多由西北向东南注入干流，呈扇状分布。姚江入余姚城区除干流外，分出两条汊流，南汊为兰墅江，北汊为候青江，出城后又汇合，经蜀山闸、姚江大闸，在宁波市三江口汇入甬江。流域总面积3 008 km2，干流长106 km；属亚热带季风气候，四季分明；全流域年平均降水量约为1 500 mm，年平均径流量为1.56×109 m3。

姚江平原（面积2 041 km2，吴淞高程3～7 m[16]）是中国历史上洪涝灾害最频繁的地区之一[17，18]。2013年10月5日至8日，受台风“菲特”影响，姚江流域普降大到暴雨，全市过程雨量达561 mm，暴雨中心张公岭站过程雨量达到819 mm，导致姚江水位迅速上涨直至溢出河道向两岸泛滥。至10月8日，最高洪水位达5.33 m，超过警戒水位1.56 m，超过历史最高水位0.53 m，并一直持续到15日16：00时才回落到3.77 m的警戒线，整个退水时间持续6.75 d。据卫星影像及历史资料[19]判断，最高洪水位时洪泛面积超过855 km2，余姚市区不同程度受淹，为余姚历史上“百年一遇”[20]。

2 材料与方法

2.1 野外采样

洪水退去后，及时对姚江流域（平原段）进行了实地考察，选择代表性地点系统采集沉积物样品。设断面27个（图1），其中编号YYM01-YYM23位于干流段（分为入城段、城区段和出城段），编号YYS24-YYS26在兰墅江，编号YYN27在候青江。每个断面力求采集到低河漫滩（L）、高河漫滩（H）和泛滥平原（P）3组样品。河漫滩样品采于河道内，泛滥平原样品则采于驳岸、市区、农田和树叶等，共采样品68个（部分点位的样品缺失）。沉积物（淤泥）为浅灰色，厚度10～40 cm不等，剖面上具有微细层理，失水干燥后普遍出现泥裂，黏土含量较高。

2.2 试验测试分析

所有样品于常温（<40 ℃）下烘干，采用木棒在胶垫上碾压分散，装袋备用。首批选做样品42个，其中低河漫滩样品13个，高河漫滩样品17个，泛滥平原样品12个。

粒度分析：称取代表性样品0.06～0.10 g，置于100 mL烧杯中；先加入足量浓度为30%的H2O2除有机质，后加入10 mL浓度为2%的稀盐酸除碳酸钙，再加入10 mL浓度为2%的六偏磷酸钠，超震15 min分散，静置12 h后于测试前再次超震分散。测试仪器为LS13320型激光粒度仪，量程范围0.017～2 000.000 μm，分析误差为±0.5%。主要粒度指标和粒度参数分别用仪器自带软件和Excel处理。

磁性参数测量：称取样品5～6 g不等，用保鲜膜包裹好，放入特制的聚乙烯圆柱盒中，压实，盖紧。采用的仪器为英国Bartington MS2磁化率仪，非磁滞剩磁（ARM）和等温剩磁（IRM）测量所用仪器为英国Molspin公司生产的交变退磁仪、脉冲磁化仪和Minispin旋转磁力仪。根据测量结果，分别计算单位质量磁化率χ，饱和等温剩磁SIRM、非磁滞剩磁磁化率χARM、硬剩磁HIRM等磁性参数。

3 结果与分析

3.1 粒度组成及主要粒度参数

沉积学粒度划分采用Folk和Ward的粒径分级标准，<4 μm的为黏土，4～63 μm为粉沙，>63 μm的为沙。泛滥平原、高河漫滩、低河漫滩粒度组分含量有所不同（表1）：泛滥平原粉沙含量介于47.80%～66.50%之间，平均为60.08%；黏土含量在20.40%～28.50%之间，平均为23.91%；沙含量介于7.90%～23.70%之间，平均为15.36%；高河漫滩粉沙含量介于45.60%～66.60%之间，平均为58.23%；黏土含量在18.60%～25.00%之间，平均为22.04%；沙含量介于8.50%～29.40%之间，平均为18.95%；低河漫滩粉沙含量介于49.20%～66.70%之间，平均为56.91%；黏土含量在14.00%～30.00%之間，平均为21.83%；沙含量介于10.70%～33.10%之间，平均为21.73%。姚江洪水沉积物粒度组成以粉沙为主，含量超过50%；泛滥平原、高河漫滩、低河漫滩样品黏土含量依次降低，粉沙和沙含量依次升高，沉积物颗粒逐渐变粗，指示出洪水发生时不同地貌单位水动力条件明显不同[21]。

泛滥平原、高河漫滩、低河漫滩中值粒径均值分别为6.08、5.82、5.73 Ф，表明沉积物主体为粉沙且自上而下有逐渐变粗的趋势；沉积物分选系数总体位于2.13～2.83，为分选很差；偏度介于0～0.38之间，为正偏；峰态介于0.79～1.21，属于中等。

不同河段粒度组分含量有所不同（表2）：入城段粉沙含量介于52.90%～70.70%之间，平均为64.46%，黏土含量在14.01%～27.51%之间，平均为22.87%，沙含量介于5.50%～33.10%之间，平均为12.67%。城区干流段与入城段粒度组分含量相近，粉沙含量介于49.20%～66.70%之间，平均为60.67%，黏土含量次之，在19.90%～26.70%之间，平均为22.76%，沙含量介于9.90%～30.01%之间，平均为16.57%；城区汊流段（候青江与兰墅江）粒度组分与干流差异较大，粉沙含量在45.61%～53.53%之间，平均为48.61%，沙含量在17.89%～33.21%之间，平均为26.01%，黏土含量介于20.96%～30.17%，平均为25.28%；出城段粒度组分含量与汊流段较为相似，粉沙含量在43.50%～61.50%之间，平均为50.85%，沙含量次之，在20.70%～34.40%之间，平均为25.55%，黏土含量介于15.01%～28.70%，平均为23.6%。出城段与城区汊流段较入城段及城区干流段沉积物粒径稍粗。

粒度参数显示不同河段分选系数总体位于2.01～3.01，属于分选很差级别，出城段与城区汊流段稍高；入城段与城区干流段偏度为正偏，而出城段与汊流段则近于对称，沉积物峰态介于0.79～1.24，属于中等峰。入城段与城区干流段和出城段与城区汊流段的粒度特征差别表明前者区域与后者有着不同的沉积环境，且后者区域可能有不同的物源供应物[22]。

根据沉积学分级标准做出的粒度组分三角图常用于对沉积物粒度成分的命名，或是对不同沉积物的粒度成分进行比较[23]。姚江流域平原段现代洪水沉积物性质主要是沙-黏土质粉沙、黏土-沙质粉沙和黏土质粉沙（图2）。

3.2 频率曲线与概率累积曲线

频率曲线对于水动力条件变化的反映是比较灵敏的[24]。此次洪水沉积物频率曲线的基本形态均为单峰型（图3），前半部曲线稍有起伏，泛滥平原与高、低河漫滩峰态相似，次级峰值较小，主频较宽，介于5～6 Ф之间，显示出沉积物主要以粉沙为主；出城段与城区汊流段的频率曲线较为相似，主频较宽，介于5～6 Ф之间，峰态宽而矮；入城段与城区干流段主峰态较为窄而高，峰值主频对应的值稍小，位于5～6 Ф，频带宽度大约在4～10 Ф。此次洪水发生时不同地貌单元及河段水动力条件不同：泛滥平原、高河漫滩、低河漫滩水动力有依次增强的趋势，但总体均较弱；入城段及城区干流段水动力较为单一，而出城段及城区干流段则表现出较为复杂的的水动力条件[25]。

粒度概率累积曲线能够有效地区分沉积物中的推移质、跃移质和悬移质组分。选取典型断面的样品进行概率累积曲线分析（图4），结果表明，入城段（图4a）与城区干流段（图4b、图4c）几乎都缺少推移质，仅含有少量的跃移质，含量在10%～20%，主要以悬移质为主，达到80%以上。低河漫滩与高河漫滩和泛滥平原存在不同，其跃移质含量明显偏多，在YYM17L样品中，还存在极少量的推移质，说明低河漫滩的水动力比其他层位大，沉积物的粒径偏粗。

出城段（图4d）样品中存在少量推移质，跃移质组分达到25%，其水动力明显大于上游入城段及城区干流段，这与正常河流的水动力特征有所不同[26]。可能的原因是出城段样品位于蜀山闸下游，洪涝发生期间，正值中国东部沿海地区天文大潮，姚江候潮泄洪，流域水动力均较弱，而在泄洪期间，蜀山闸下游河段的水动力要大于上游，至于准确的原因有待进一步分析。候青江（图4e）与兰墅江（图4f）樣品中含有大约1%的推移质，25%的跳跃质，水动力较城区干流要强。

3.3 主要磁性参数特征

磁性矿物是沉积物中普遍存在的组分，磁性矿物的类型、含量及晶粒大小等特征与沉积物的物质来源、搬运及沉积过程中的动力条件有关[27，28]。

3.3.1 磁性矿物的含量 质量磁化率χ和饱和等温剩磁SIRM近似地指示样品中磁性矿物的含量，与χ不同的是，SIRM不受顺磁性、抗磁性矿物的影响，主要反映亚铁磁性矿物（如磁铁矿）的含量。泛滥平原、高河漫滩、低河漫滩χ有逐渐增强的趋势（图5），SIRM与χ的变化趋势相同，说明沉积物中的磁性矿物以亚铁磁性矿物为主。硬剩磁HIRM反映不完整反铁磁性矿物（如赤铁矿、针铁矿）的含量，HIRM的变化说明低河漫滩中含有较多的不完整反铁磁性矿物。

3.3.2 晶粒特征 χARM是对稳定单畴亚铁磁性矿物颗粒极为敏感的参数，与χ的变化趋势相同，χARM反映出泛滥平原、高河漫滩、低河漫滩稳定单畴亚铁磁性矿物含量逐渐升高。比值χARM/χ与χARM/SIRM常被用作指示磁性矿物颗粒的大小，高值反映较细的单畴颗粒，低值反映较粗的多畴颗粒，但如果样品中含有大量的SP颗粒，也会造成χARM/χ的低值。洪水沉积物样品中χARM/χ<7，χARM/χ<7×10-4 mA-1，指示了亚铁磁性矿物以单畴—假单畴为主，泛滥平原、高河漫滩、低河漫滩样品中磁性矿物有逐渐变细的趋势。

3.3.3 磁性矿物的种类 S-300 mT反映不完整反铁磁性矿物和亚铁磁性矿物的相对比例，随着不完整反铁磁性矿物的比例增加而下降，所有样品中S-300 mT均达到93%～96%，即经-300 mT磁场磁化后，样品所携剩磁已接近饱和，说明沉积物样品中亚铁磁性矿物主导了样品的磁性特征，但同时存在少量不完整反铁磁性物质的贡献。

由图6可知，不同河段沉积物χ与SIRM变化趋势基本相同，说明沉积物磁性特征由亚铁磁性矿物所主导。入城段与城区干流段样品χ与SIRM明显比城区汊流段及出城段要低：入城段与城区干流段χ均值为3.175×10-7 m3/kg，汊流段兰墅江和候青江χ均值为6.231×10-7 m3/kg，出城段χ均值为5.963×10-7 m3/kg。硬剩磁HIRM反映不完整反铁磁性矿物（如赤铁矿、针铁矿）的含量，HIRM的变化趋势与χ和SIRM类似，反映了出城段与城区汊流段的不完整反铁磁性矿物含量比入城段及城区干流段要高。非磁滞剩磁磁化率χARM是对稳定单畴亚铁磁性矿物颗粒极为敏感的参数，反映了出城段与城区汊流段含有更多单畴亚铁磁性矿物。磁性参数特征表明城区汊流段与出城段比入城段及城区干流段有显著的差别，可能是由于城区汊流段与出城段近源物质增多，有不同的物质来源，导致其沉积物磁性参数异常。

4 区域对比

4.1 粒度组成对比

不同沉积环境下的沉积物粒度特征有所不同，为了表征姚江洪水沉积物的沉积学特征，对比了杭州湾北岸高潮滩沉积物、2013年11月嘉兴洪水沉积物与杭嘉湖平原洪泛堆积土的粒度特征（表3）。

杭州湾北岸高潮滩样品（HL）是于2013年11月系统采集的。结果表明，粒度组分以粉沙为主，均值为67.9%；黏土含量次之，为26.17%；沙含量最少，为5.91%。中值粒径为6.33 Ф；沉积物颗粒总体偏细；分选系数介于1.95～2.20之间，属于分选差至很差的区间；峰态介于0.94～1.19之间，属于宽峰；偏度属于正偏；土壤命名三角图显示杭州湾北岸高潮滩沉积物的性质主要是黏土质粉沙。

嘉兴洪水沉积物（JX）是2013年11月嘉兴受台风“菲特”影响，发生洪涝形成的。粒度组分以粉沙为主，含量为60.13%；黏土含量次之，为25.45%；沙含量最少，为14.42%。中值粒径为6.21 Ф；分选系数介于2.13～2.86之间，为分选差至很差的区间；峰态介于0.79～1.25之间，属于宽峰；嘉兴洪水沉积物的性质主要是黏土质粉沙、黏土沙质粉沙、沙黏土质粉沙；

杭嘉湖平原洪泛堆积土（HJH）是该地区广泛分布的一种淤积土，厚约60～100 cm，奠定了杭嘉湖平原的最后形成[29]。样品采集于良渚古城西城墙钻孔（WW）17～115 cm处。结果表明，粒度组分以粉沙为主，含量为60.98%；黏土含量次之，为36.11%；沙含量极少，为3.03%；中值粒径为7.16 Ф；分选系数介于1.65～2.21之间，属于分选差到分选很差的级别；峰态介于0.86～1.13之间，属于中等峰；偏度的范围位于0.04～0.26之间，介于对称至正偏的范畴。

4.2 频率曲线和概率累积曲线对比

杭州湾北岸高潮滩沉积物频率曲线为单峰型，峰值粒径在5～6 Ф之间，占到40%，属于窄峰，概率累积曲线两段式，由跃移总体和悬浮总体组成，悬浮总体达到70%～90%，缺少推移组分。这与高潮滩沉积环境有关，潮滩表层沉积物的粒度组成通常受制于物质来源和水动力及其作用下的搬运方式。搬运介质的动力大小和搬运方式是决定沉积物粒度组成的两个基本因子[30]。杭州湾北岸高潮滩沉积物主要来自长江口细颗粒泥沙扩散并随潮搬运[31]。

据陈沈良等[30]对杭州湾北岸沉积物的研究表明，开敞的淤泥质潮滩上部沉积物的堆积既有高潮时悬沙的落淤，又有低潮滩粗颗粒推移质的介入；在强动力作用潮滩冲刷时期粗颗粒向上推移细颗粒物质随潮带走，而在潮滩堆积期间水体细颗粒泥沙的落淤是其主要方式，细颗粒部分主要是由于悬沙落淤形成，沉积物月均粒径变化可相差近一个数量级。此次采样期应为堆积期，沉积物总体以悬浮为主。

嘉兴洪水沉积物频率曲线为多峰型，主峰值粒径位于6 Ф左右，次峰值粒径则因不同的采样点有所偏差，大致位于2～4 Ф之间，概率累积曲线为两段式，跃移质组分含量约为5%～10%，悬浮组分分为两段，与杭州湾北岸高潮滩沉积物的频率曲线较为相似，这可能是嘉兴洪水沉积物是在洪水高水位条件下形成的，且受到多次水动力条件干扰，沉积时环境较为复杂。

黄粉土频率曲线单峰型，峰值粒径在6～8 Ф，占到3%，含有一个细小拖尾，属于宽峰，分选较差；概率累积曲线两段式，小于4 Ф粒径含量约占5%，分选相对较好，大于4 Ф的悬浮组分分两段，说明其物质来源不止一种，并且沉积物混合不均匀呈中等峰態，水动力弱，多截点的特征也表明非静水的环境沉积，水动力条件不稳定，呈现水动力环境相对较弱的泛滥平原沉积环境。

综上分析表明，姚江洪水沉积物、嘉兴洪水沉积物、杭州湾北岸高潮滩沉积物以及杭嘉湖平原黄粉土在粒度组成上虽有差异，但概率累积曲线较为相似，均为两段式，跃移质组分含量较少，悬浮质组分有多段，反映出相近的水动力条件。

4.3 磁性参数对比

由于物质来源及环境影响造成磁组合和配比的差异，使得不同时空的环境物质表现出特定的磁性特征，赋存了一定的环境信息。因此，可以使用物质的磁性参数特征示踪其物源。据此，对比了姚江洪水沉积物、杭州湾北岸高潮滩沉积物、杭嘉湖平原黄粉土与嘉兴洪水沉积物的磁性参数特征，以此说明不同空间区域的沉积物，磁化率指标可以有效进行区分。

姚江洪水沉积物样品磁化率平均值为3.175×10-7 m3/kg，杭州湾北岸高潮滩沉积物的磁化率多在5.04×10-7～8.82×10-7 m3/kg，杭嘉湖平原黄粉土的磁化率介于6.70×10-8～1.37×10-7 m3/kg，平均值是9.30×10-8 m3/kg；对比发现，嘉兴洪水磁性参数与余姚洪水较为接近，杭州湾高潮滩样品则含有更多的亚铁磁性矿物和不完整反铁磁性矿物，但二者都是亚铁磁性矿物主导，黄粉土的各项磁性参数低于洪水沉积物与高潮滩沉积物的磁性参数，说明不同区域类型的沉积物在磁性特征上有着明显的区别。姚江洪水沉积物是河流洪水泥沙及其搬运动力状况的自然记录。姚江主干位于平原内，上游源自四明山，区域内植被覆盖茂密，沉积物粒度总体偏细，磁化率指示着本流域的物源特征。杭州湾高潮滩沉积物的物源主要是长江来沙。嘉兴洪水沉积物的物源主要是杭嘉湖平原内物质，黄粉土则是历史时期沉积物，埋藏已久，磁化率受多重因素影响，因此在对比现代沉积物时需要综合考虑其判别影响因子。

5 小结与讨论

2013年10月，受台风“菲特”的影响浙江东部的姚江流域普降大暴雨，余姚市（姚江平原）发生了漫溢型特大洪水，为开展现代特大洪水事件的沉积物粒度和磁性参数表征研究提供了不可多得的案例。结论如下。

沉积物粒度较细，平均粒径6.15 Ф、中值粒径5.98 Ф，沙、粉沙、黏土的平均含量分别为18.01%、58.72%、23.27%；沉积物分选差（2.01～3.01），正偏（0.1～0.3），单峰峰态中等（0.9～1.11）。概率累积曲线均为两段式，代表介质搬运方式以跃移和悬浮为主。

从低河漫滩到泛滥平原，沉积物粒度具有逐渐变细的趋势。河漫滩样品频率曲线均为单峰，峰值最大值（主频）为5～6 Ф，频宽为4～8 Ф，说明沉积物主体以粉沙为主；而泛滥平原的样品主频出现右移，为6 Ф左右，频宽4～9 Ф。后者对于该地区基于地层样品研究和反演古洪水事件具有参考价值。

沉积物磁性矿物以亚铁磁性矿物为主导，同时存在不完整反铁磁性矿物的贡献，磁性矿物的颗粒以单畴-假单畴为主，且从低河漫滩到泛滥平原，磁性矿物的颗粒有逐渐变细的趋势。

区域对比结果表明，余姚洪水沉积物与同时发生的浙江嘉兴地区的洪水沉积物具有可比性，可能指示了漫溢型洪水的特点；与杭州良渚古城附近采集到的黄粉土（杭州平原的表层样品）也较为相似，而与杭州湾高潮滩沉积物明显不同。

致谢：沈铭能高级实验师指导完成粒度分析；研究生赵钦、郑洁等参与试验处理；磁性参数测量是在河口海岸国家重点实验室完成并得到张卫国老师的指导，在此一并致谢。

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