High resolution flood records in the Yangtze subaqueous delta during the past century and control mechanism
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摘要:
夏季洪涝灾害对长江流域社会经济造成了严重的影响，急需开展多时空尺度流域洪水发生规律和控制机理的研究，但因洪水器测数据年限短和缺少有效的古洪水沉积记录研究方法而难以实现。选取长江水下三角洲YEC1701柱状样顶部100 cm进行高分辨率XRF岩心连续扫描（XRFCS），粒度、有机碳、N元素、δ13C和210Pb定年分析，并与流域洪水器测或历史记录等进行对比研究，以期建立高效的古洪水沉积记录代用指标。结果表明，长江水下三角洲沉积物中Zr/Rb峰值通常对应粒度粗组分高值和较高的C/N值、偏负的δ13C值，所在层位的沉积年龄与流域洪水事件发生年份有很好的对应关系。由此判断，Zr/Rb值可作为判别长江古洪水沉积的重要代用指标。长江流域于1930—2017年间共发生22次洪水事件，利用XRFCS获得的10 mm和2 mm间隔Zr/Rb值可分别识别出其中的11次和18次，识别率为50%和80%。由此推荐XRFCS样品测试间隔要小于年沉积速率一半以内，以提高古洪水事件的识别率。多源洪水和降雨数据分析表明，长江洪水年际至千年尺度发生规律主要受厄尔尼诺-南方涛动和东亚夏季风、南亚夏季风活动的共同影响。但早期长江洪水资料分辨率较低，长江水下三角洲有较连续的洪水沉积记录，运用XRFCS毫米级分辨率的Zr/Rb值可重建全新世高分辨率的长江古洪水发生历史，更精细地分析气候变化对洪水发生规律的控制机理，为预测全球变化背景下长江洪水演变趋势提供依据。
Abstract:Summer flood hazards have a strong influence on the social economy of the Yangtze River Basin, so it is in dire need of investigating multiple spatiotemporal variations in floods and control mechanisms, but this is handled by short time extent of instrumental flood data and lack of effective research methods for palaeoflood deposition records.A sediment core (YEC1701)collected from the Yangtze subaqueous delta was studied in detail with its top 100 cm through using high-resolution XRF core scanner (XRFCS), and measurements of grain size, organic carbon and nitrogen, stable carbon isotope (δ13C), and210Pb compositions.The above study results were compared with the observing instruments or documental flood data to establish an effective proxy for paleo-flood depositions by comparison with instrumental or documental flood data.The results show that the peak value of Zr/Rb in the subaqueous delta sediments of the Yangtze River usually corresponds to the high value of coarse grain composition, the high value of C/N, and the negative value of δ13C.The sedimentary age of the strata in the delta corresponds well to the year of flood events in the basin.Therefore, the Zr/Rb ratio can be used as an important proxy index for the identification of palaeo-flood sediments in the Yangtze River.Totally, 22 flood events occurred in the period 1930-2017 in the Yangtze River basin, 11 and 18 of which were identified by the XRFCS Zr/Rb data in terms of 10 mm and 2 mm measurement intervals with effective recognition rates of 50% and 80% respectively.It is therefore recommended to perform XRFCS measurement with a smaller interval than half of sedimentation rates for better recognition rates of flood events.Multiple source data of river floods and precipitations were analyzed to show that river floods in Yangtze River basin are majorly influenced by ENSO (El Niño-Southern Oscillation), EASM (East Asian summer monsoon) and SASM (South Asian summer monsoon) over different time scales from multiple years to millennium.However, the time resolution for earlier flood records is very low, and it can be greatly improved by employing XRFCS mm-scaled Zr/Rb ratio of continuous flood depositions in the Yangtze subaqueous delta.This will also improve our understanding of controlling mechanisms of flood events and then better prediction of flood variation in response to global climate change.
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Keywords:
- Yangtze /
- flood deposition /
- Zr/Rb ratio /
- ENSO /
- East Asian summer monsoon /
- South Asian summer monsoon
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流域洪水是造成社会经济损失和人员伤亡最严重的自然灾害之一，近年受气候变化、人口增长、社会经济发展等影响，洪灾频次和致灾程度都在增加[1-3]。极端降雨事件引发的洪水与全球变暖的关系是大家关注的焦点，重建长时间尺度洪水事情发生频次、规律与控制机制成为相关研究的重要内容。准确的洪水器测记录只有几十年历史，利用文字记载和沉积记录可以有效延长洪水发生历史[4-6]。后者是利用古洪水事件沉积的代用指标，尽可能准确地、完整地列举沉积记录中的洪水事件，并尽可能精确地确定洪水发生的时间[7-10]。大河流域洪水灾害尤为突出，掌握其长时间序列极端洪水事件的发生规律及影响机制，对有效预测全球变化背景下流域洪水的演化趋势，采取有效措施防控洪涝灾害与水资源管理等均具有重要意义。
洪水期间急剧增强的河流动力可输运更多粗的陆源颗粒物到河口沉积，形成沉积结构、有机质、元素地球化学组成上均有别于非洪水的沉积单元，可据此建立判别古洪水事件沉积的代用指标[10-11]。元素Zr/Rb值在成岩作用中较稳定，被认为是重建古洪水的有效指标[11-13]；其中Zr主要富集于锆石等相对粗颗粒的重矿物中，而Rb更易富集于粘土矿物等细颗粒组分中，因此Zr/Rb值能够反映沉积物中粗-细颗粒的相对含量变化[12, 14]，河口沉积单元具有高的Zr/Rb值可能是洪水事件所致[6, 9]。
长江年均径流量约8.93×1011 m3，年均输沙量达3.68×108 t(1951—2015年)，因处在亚热带季风区，受季节性降雨的影响，65%的径流量集中于夏季(5~10月)入海[15]，并常形成暴雨洪灾，给流域内社会经济和人民生产生活造成了严重威胁[5, 16]。2020年长江流域特大洪涝灾害造成7047.1万人次受灾，直接经济损失达2143.1亿元[17]。洪水极大地改变了河口的沉积地貌[18]，并在水下三角洲形成相应的沉积单元[19]，因此可通过相关沉积特征研究重建历史洪水事件。Wang等[6]利用长江水下三角洲钻孔岩心粒度和Zr/Rb值，重建了长江流域1350—1950 AD高分辨率古洪水记录。Hu等[9]利用长江口外短柱样沉积物中的Zr/Rb值和粒度敏感组分，识别出1887年以来发生的20次长江洪水事件。
然而，台风暴潮、冬季强风浪等极端事件，同样能通过改变水动力环境影响河口沉积物的Zr/Rb值[20-21]。利用Zr/Rb值进行古洪水重建时，基本未考虑非洪水因素的影响，存在误判的可能性，因此需结合其他指标来验证高Zr/Rb值是流域洪水事件所致。洪水可同时携带大量的有机质到河口沉积[22]，陆源有机质以较高的C/N值(大于12)和偏负的δ13C值(约-27‰)区分于海源有机质(C/N值：6~8，δ13C值：-20‰)[23-25]，可依此辅助判别河口沉积物高的Zr/Rb值是否为洪水事件所致。此外，河口洪水事件沉积的重建还受到取样间隔、测年准确性等的影响，保存下来的洪水事件沉积通常只有数毫米至几厘米，而代表高能的粗颗粒纹层常不超过1 cm，急需运用高分辨的、连续的沉积柱状样分析方法，提高洪水事件沉积判别的有效性。
本次在长江水下三角洲选取可建立准确年龄框架的柱状样YEC1701开展历史洪水研究。首先通过粒度敏感组分变化和有机指标特征验证高Zr/Rb值对洪水事件的指示意义；其次通过流域洪水器测与文献记录对比，进一步论证不同测试间隔获取的Zr/Rb值对流域洪水事件的识别效率；最后基于YEC1701中恢复的近百年洪水资料，以及前人从历史文献、地质记录重建的中长时间尺度长江古洪水资料，通过主控因素与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO：El Niño-Southem Oscillation)、南亚夏季风、东亚夏季风活动规律的精细对比，探讨气候变化对长江流域洪水时空变化规律的控制机制。
1. 现代长江三角洲地质概况
现代长江三角洲指以徐六泾为节点的三次分汊四口入海的新格局。长江主泓从19世纪中叶由北支改道南支，之后从北支下泄的径流量占比快速下降，至1958年后已持续低于5%[26-27]。进入南支的主泓时，时而以南港为下泄主通道，时而改为北港，存在数十年不等的周期性摆动。长江水下三角洲向东一直延伸至水深50~60 m(图 1-b)，可进一步划分为3个沉积相带[31]，三角洲前缘浅滩(水深小于5 m)以细砂、粉砂质沉积为主，三角洲前缘斜坡(水深介于5~10 m和10~30 m之间)以粉砂和粘土质粉砂为主，前三角洲(水深介于10~30 m和40~60 m之间)以粉砂质粘土为主。再向东过渡为泥质砂和中外陆架变余砂(图 1-b)。
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图 1 长江流域主要水系(a)和长江口及周边海域表层沉积物分布特征(b，据参考文献[28]修改)(其他文献中用于古洪水研究的5个短柱样位置(A[29]、Cj0702[9]、S5-2[20]、DH3-2、DH3-3[11])；a图中红色虚线表示南亚夏季风(SASM)和东亚夏季风(EASM)主要影响区域的分界线(据参考文献[30]修改))Figure 1. Major tributaries of the Yangtze River system (a)and grain-size distribution pattern of surface sediments in the Yangtze Estuary and adjacent seas (b)夏季长江携带巨量泥沙入海，约40%泥沙沉积在口门附近，其余部分先沉积在水下三角洲，冬季受到强风浪作用再悬浮往南或其他方向输运。除径流外，长江口属中等潮差环境，口门处平均潮差为2.6 m；波浪作用较弱，但每年会受到强台风和冬季风暴的影响。口外会受到沿岸流、台湾暖流等的影响[32]。
2. 材料与方法
2.1 研究材料
本次研究的YEC1701柱状样为同济大学2017年执行YEC夏季航次取得的重力柱状样，采自水深22.4 m的长江水下三角洲(北纬30°57.1′、东经122°44.3′，图 1)，柱长4.05 m。在实验室内将柱样对半剖开，一半岩心用薄膜封盖后冷藏保存，另一半岩心经表面平整处理拍照后进行XRF岩心无损扫描(XRFCS)，再按1 cm间距进行分样，低温烘干后装入塑料样品袋，冷藏保存以备后续测试分析。
2.2 实验分析与数据处理
2.2.1 XRF岩心扫描分析
岩心无损元素扫描使用Avaatech公司的XRF岩心扫描仪(XRFCS)。将剖开的岩心表面平整后覆上专用薄膜，分别在10 kV、30 kV和50 kV的工作电压下对YEC1701柱样以1 cm步长进行扫描，获得27种元素含量数据。根据沉积物柱中广泛发育毫米级厚的沙质纹层和较低的沉积速率，对顶部1 m岩心以步长2 mm进行加密扫描，目的是探讨并建立基于沉积记录重建长江古洪水发生历史的有效指标和高效分析方法。
Avaatech XRF岩心扫描仪为能量色散型XRF，各元素含量数据为相对含量，元素测量结果以cps(counts per second)表示[33]。
2.2.2 粒度分析
以4 cm间距选取粒度测试样品，每个样品称量0.3 g左右置于50 mL离心管，先后加入15 mL 30%的H2O2和15 mL 1 mol/L的HCl，分别去除有机质和碳酸盐，待反应结束后加去离子水清洗，重复此步骤直至上清液呈中性；上机测试前加入六偏磷酸钠溶液，超声振荡15 min使颗粒充分离散。测试分析使用Beckman Coulter LS230型全自动激光粒度仪，测量范围为0.375~2000 μm，粒径测量间隔为0.135 φ，重复测量的相对误差小于1%。使用“粒级-标准偏差法”提取沉积物中的敏感粒度组分[34-36]。
2.2.3 有机碳、N元素和稳定碳同位素分析
取样间距和层位同粒度分析样品，每次取约1 g干样研磨后置于15 mL离心管，加入浓度1 mol/L的优级纯盐酸去除碳酸盐，将离心管置于60℃水浴锅，每隔2 h振荡一次使充分反应，待24 h后反应结束，再用去离子水反复清洗样品至中性，冻干研磨后进行总有机碳(TOC)和总氮(TN)分析。有机元素分析使用Elementar Vario EL Cube CN系列有机元素分析仪进行测试。根据TOC测试结果，取40 μg有机碳沉积物于DELTA plus XP同位素质谱仪连接Carlo Erba Instruments Flash 1112分析仪进行测试，获得δ13C数据。
2.2.4 年代测定
按照210Pb随深度衰变规律，以2~8 cm不等间距取10 g干样，用玛瑙研钵磨至无明显颗粒感，装入样品密封盒，封存20 d后待测。样品测试使用井式低本底高纯锗探头的γ能谱仪(GWL-120-15-LB-AWT，AMETEK)，同时测量210Pb、137Cs、226Ra等核素，具体测试方法见王晓慧等[37]，每个样品测试时间为48 h。根据CIC(恒定初始浓度)模式，基于210Pbex(过剩210Pb)深度剖面分段计算平均沉积速率，进而建立柱样年龄框架。
以上所有测试分析均在同济大学海洋地质国家重点实验室完成。
3. 结果
3.1 岩性、粒度特征与敏感组分
YEC1701柱状样岩性较单一，以粘土质粉砂为主，夹薄的粉砂质纹层(图 2)。砂、粉砂和粘土的含量分别为0.1%~2.5%(1.1±0.7%)、64.9%~84.3%(70.0±4.1%)、13.2%~34.4%(29.0±4.6%)，各组分含量变化范围较小。平均粒径Mz波动范围为5.8~14.1 μm，平均值为7.4±1.7 μm；分选系数SD波动范围为1.55~1.76 φ，平均值为1.62±0.05 φ，分选性较差。
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图 2 YEC1701柱状样沉积物岩性、粒度特征、敏感组分与Zr/Rb值的垂向变化Figure 2. Downcore variations of the lithology, grain size parameters, sensitive grain populations, and Zr/Rb ratio in core YEC1701通过粒级-标准偏差法识别出YEC1701柱样有3个敏感组分(图 3-a)，标准偏差的3个峰值对应的粒级是对沉积环境最敏感的粒级：5.4 μm、28.7 μm和106.0 μm。3个组分的分界约为11.3 μm和96.6 μm，其中最粗组分在柱样中最多占0.8%，因此在后续统计分析时将其与中间组分合并统称为粗组分(图 3-a)。
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图 3 柱状样沉积物粒级-标准偏差曲线对比(其他柱样位置和数据来源详见图 1)a—单粒径测量通道(0.135 φ)；b—双粒径测量通道(0.27 φ)Figure 3. Grain size-standard deviation curves of sediment cores in the Yangtze Delta with different statistical intervals柱样中大于11.3 μm的粗组分含量在37%左右波动(图 2)。除“锯齿”型波动变化外，柱样粒度参数整体增减趋势不明显，粗、细组分含量随深度变化幅度不大，表明该孔所处的沉积环境相对稳定，适合开展高分辨率的古环境重建工作。但在个别层位，如21 cm、25 cm、33~41 cm和77 cm处粒度变粗，粗组分含量突然增加，反映了强水动力事件的扰动，可能是洪水或风暴等极端高能事件所致。
3.2 Zr /Rb值特征
YEC1701柱样10 mm间距XRFCS得到的Zr/Rb值变化范围为0.800~2.411，平均值为1.024±0.259。柱样2 mm间距XRFCS得到的Zr /Rb值变化范围为0.487~2.176，平均值为0.924±0.231。二者波动趋势较吻合，在埋深3~5.4 cm、17~17.4 cm、26~28.2 cm、36~41.2 cm、50.2 cm、69.8~70.4 cm、76.8~77 cm、85.4~89 cm、97.8~98.8 cm等层位出现明显峰值(图 2)。
3.3 有机元素和同位素组成特征
YEC1701柱样中TOC和TN含量总体变化不大(图 4)。TN含量为0.088%~0.119%，平均值为0.102±0.006%；TOC含量为0.40%~0.58%，平均值为0.51±0.05%，二者基本落在现代长江水系沉积物的有机元素组成范围内[38]。TN和TOC含量的垂向变化趋势相似，且显著正相关，相关系数达0.75。C/N值随深度变化不大，在4.5~5.5范围内波动，平均值为4.9。柱样δ13C值变化范围为-23.9‰~-23.1‰，平均值为-23.5‰，柱样上部45 cm的δ13C值较下部明显偏负。
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图 4 YEC1701柱状样有机元素和碳同位素组成变化Figure 4. Variations of organic elements and stable carbon isotope (δ13C)in core YEC17013.4 年代框架的建立
YEC1701柱样沉积物中的补给210Pb(210Pbsu)通过测量226Ra获得，垂向无明显变化趋势，平均值为2.06±0.18 dpm/g(图 5-a)。过剩210Pb(210Pbex)由沉积物210Pb总量扣除得到210Pbsu，210Pbex深度剖面整体符合随深度增加比活度不断减小的特征，自上而下可分为3段(图 5-a)。顶部9 cm 210Pbex分布较不规则，结合该段岩心有一定扰动(图 2)，可能是取样或生物扰动造成的，属于混合层不参与沉积速率计算。第二段9~75 cm为第一个衰减层，除去低于检出限的部分值后，拟合通过CIC模式计算得到该段平均沉积速率为1.62 cm/a，假设混合层底界9 cm处对应取样时间2017年，按照平均沉积速率计算得到埋深75 cm处的沉积时间应为1976年。第三段75~100 cm为第二个衰减层，拟合通过CIC模式计算得到该段平均沉积速率为0.53 cm/a，按照平均沉积速率计算得到埋深100 cm处的沉积年龄为1930年。
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图 5 YEC1701柱状样210Pb(a)和137Cs(b)深度剖面特征(a中斜线框标示顶部混合层；b中灰色框标示137Cs蓄积峰范围)Figure 5. 210Pb (a)and 137Cs (b)concentration profiles and accumulation rate calculated from core YEC1701YEC1701柱样的137Cs深度剖面在60~90 cm处出现峰值，向上逐渐减少，判断该峰值对应北半球1963年的核试验峰，由此计算得到柱样的平均沉积速率为1.00~1.56 cm/a，与210Pbex分段拟合通过CIC模式计算得到的沉积速率相近。由于137Cs蓄积峰较宽(图 5-b)，在建立年代框架时主要依据210Pb定年结果。
4. 讨论
4.1 长江口洪水事件沉积的可靠判别指标
4.1.1 洪水沉积敏感组分和有机质组成特征
粒级-标准偏差法得到的粒度敏感组分对沉积物来源和水动力变化十分敏感，可用于指示沉积事件[9, 35-36]。已有若干研究运用该方法进行长江洪水事件沉积的识别，均发现长江口外沉积物粒级主要由粗、细2个敏感组分构成(图 3)，且都认为粗组分敏感地记录了洪水事件发生频次[9, 11, 20]。但不同柱样粗组分粒级和标准偏差统计值差别较大，部分原因可能是采用了不同粒级统计间隔造成的。为此，按单粒径测量通道(0.135 φ)和双粒径测量通道(0.27 φ)2种统计间隔进行粒级-标准偏差法分析，并分别成图，与文献中[9, 11, 20, 29]对应的统计间隔分析结果进行对比(图 3)。结果发现，2种统计间隔对粗、细组分峰值对应的粒级影响较小，如YEC1701柱样的2组值分别为：5.4 μm与5.63 μm，28.7 μm与30.2 μm；但双粒径测量通道统计法的标准偏差值基本是单粒径测量通道统计值的一倍左右。事件沉积主要关注不同组分的粒级范围和标准偏差峰值所对应的敏感粒级，因此2种统计分析结果可以对比。
位于现代长江水下三角洲泥质区的YEC1701、A、Cj0702和S5-2柱样粗、细组分界限(11.3 μm、13.14 μm、14.33 μm和11.48 μm)非常接近。已有研究表明，长江悬沙组成物质较细，平均粒径通常低于13 μm[39]。由此判断，这些细组分沉积物颗粒源自长江入海悬沙，并以絮凝方式沉降为主，对水动力反映较弱。但位于现代长江水下三角洲外的沙质区DH3-2和DH3-3柱样粗、细组分界限显著偏粗，分别为20~32 μm和45 μm[11]，且这2个柱样细组分的粒级-标准偏差曲线为双峰态，也不同于水下三角洲泥质区内4个柱样的单峰态，成因应更复杂，需对原始数据进行重新解释，才能更准确地揭示其所蕴含的物源和水动力信息。
YEC1701柱样的粗组分标准偏差峰值出现在粒径28.7~30.2 μm，与同样位于现代长江水下三角洲泥质区的相邻站位柱样A(37.16 μm)、Cj0702 (34.0 μm)和较远的柱样S5-2(26.3 μm)均可对比[9, 20, 29]。这些粗组分以中、粗粉砂和极细砂为主，它们应以单颗粒运动为特征，对强水动力事件敏感, 因此粗组分在柱样中的时间序列变化被认为是长江流域洪水事件的可靠沉积记录[9, 20]。位于现代长江水下三角洲外沙质区的柱样DH3-2和DH3-3的粗组分也被解释为长江洪水事件沉积记录[11]，但该粗组分以细砂为主，标准偏差峰值对应的粒径分别为190 μm(DH3-2)和170 μm(DH3-3)[11]，也显著大于现代长江水下三角洲泥质区4个柱样的粗组分峰值粒径(26.3~37.16 μm)。笔者认为，洪水不可能携带细砂粒级沉积物越过上百千米宽的水下三角洲泥质区，进入沙质区沉积(图 1-b)，更有可能是风暴沉积的结果，且物源来自东海中外陆架的沙质区而非现代河流输入。
长江水下三角洲粗组分沉积也不能完全排除风暴成因[20-21]。统计发现，YEC1701柱样粗组分含量高值通常对应较高的C/N值和偏负的δ13C值(图 6)。洪水时期显著增加的径流量除携带大量的沉积物入海外，期间陆源有机质入海通量也会显著增加[47]。研究表明，2011年洪水期长江口表层沉积物C/N值大于枯水期，佐证了洪水是河流输出陆源有机质的主要贡献[48]。此外，近海风暴沉积沙质层的海源有机质含量更高，表现为δ13C值偏正和C/N值偏低，正好与河口洪水沉积沙质层的δ13C值偏负、C/N值偏高等相反[49]。综上所述，认为YEC1701柱样中大于11.3 μm的粗组分可作为长江流域洪水判别的沉积学指标。
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长江水下三角洲沉积物变化还会受到长江入海主泓摆动、苏北沿岸流等的影响[32]。苏北沿岸流可能带来黄河源物质，影响沉积物元素组成，但对季节性沉积物粗细变化应该影响不大[32]。长江入海主泓已从19世纪中叶稳定在南支河槽，尽管会在南、北港之间摆动[26-27]，但对南、北港岸外的YEC1701柱样位置影响不大(图 1-b)。近期长江入海泥沙部分来自长江中下游河床侵蚀，导致入海沉积物明显变粗，但这种较长尺度的趋势性变化应该不影响季节性沉积物粗细变化。尽管如此，这些较长周期的沉积物输入趋势性变化非常值得研究。
4.1.2 洪水沉积的Zr/Rb值判别特征和识别成效
尽管YEC1701柱样的粗组分含量变化可以有效判别长江洪水事件沉积，但因采样间隔大，时间分辨率低，目前只能据此初步划分出几次洪水多发期，难以确定特定年份的洪水事件(图 6)。XRFCS可以等间距(≥1 mm)扫描岩心，得到二十余种主量和微量元素的相对含量，通过选取特征元素比值可以显著提高事件沉积的分辨率[6, 13]。扫测间距越小耗时越长，考虑时效性通常采用10 mm等间距扫描岩心[29]。Zr和Rb因赋存的矿物不同，Zr/Rb值被认为是陆源碎屑沉积物很好的粒度代用指标，已被广泛用于古洪水重建[11-13]。通过同层位对比发现，YEC1701柱样中高Zr/Rb值均很好地对应沉积物粗组分高值和较大的C/N值、偏负的δ13C值。如1999年中下游大洪水和1998年全流域特大洪水所对应的粗粒沉积层Zr/Rb距平值高达1，δ13C值为-23.9‰。由此可见，YEC1701柱样中的高Zr/Rb值可用来反演长江流域洪水事件的代用指标。
根据210Pbex沉积速率重建的沉积年龄，对比分析YEC1701柱样10 mm间距Zr/Rb距平值正峰值和长江流域历史洪峰流量数据，结果发现1930—2017年间共发生22次洪水事件，依据Zr/Rb值可识别出其中的11次，识别率仅为50%(图 6-a、c; 表 1)。较低的识别率可能因为YEC1701柱样沉积速率较低，其中0~75 cm平均沉积速率为1.62 cm/a，而75~100 cm降为0.53 cm/a，10 mm的XRFCS扫测间隔无法很好地捕捉一些较薄的洪水事件沉积。
表 1 长江流域历史洪水信息Table 1. Historical floods of Yangtze River年份 洪峰流量/(m3·s-1) 水文站 区域 参考文献 2016 61300 汉口 中下游 [40] 2012 71200 三峡入库 上游 [41] 2010 70000 宜昌 上中游 [42] 2004 61100 宜昌 上游 [43] 2002 70300 汉口 中下游 [44] 1999 84500 大通 中下游 [4] 1998 81700 大通 全流域 [4] 1996 75200 大通 中游 [4] 1995 74500 大通 中下游 [4] 1991 66700 汉口 下游 [4] 1983 65000 汉口 中游及汉江流域 [4] 1981 85700 寸滩 上游 [4] 1980 60100 汉江 中下游 [4] 1969 62400 汉口 中下游 [4] 1954 92600 大通 全流域 [4] 1949 - - 中下游 [4] 1948 57000 宜昌 上游 [45] 1945 73800 寸滩 上游 [4] 1936 62000 宜昌 上游 [45] 1935 56900 宜昌 中游 [46] 1934 - - 上游 [4] 1931 65000 宜昌 全流域 [45] 为了尽可能准确、完整地反演沉积记录中的洪水事件，按2 mm间距重新对YEC1701柱样顶部1 m岩心进行加密扫描。2 mm间距的Zr/Rb距平值大于0.15的高值区段很好地对应长江流域历史洪峰高值(图 6-a、b)，据此共识别出1930—2017年间的18次洪水事件，识别率为80%，较10 mm间距的Zr/Rb值识别法提高了60%。一些仍未被识别出来的洪水事件通常是前后年都有大洪水发生，如1934年与1935年、1980年与1981年、1995年与1996年和1998年与1999年等，存在后发洪水事件改造先前洪水事件沉积的可能，以及2次事件沉积之间的细粒层较薄而未能被当前扫描间距的XRFCS所识别等原因。综上所述，认为高分辨率的XRFCS元素比值法为古洪水历史重建提供了高效的方法，连续扫测间距取年沉积速率值的一半以内为宜。
4.2 近百年长江流域洪水发生的主周期及影响因素
频谱分析已广泛应用于地层学周期性变化的探测，有助于更好地了解沉积记录在时间序列上的变化[50]。为了探究长江流域洪水的发生规律，使用Past3软件中的REDFIT频谱分析功能对YEC1701柱样2 mm间距扫测的Zr/Rb值进行分析，Zr/Rb值时间序列功率谱显示，经95%置信度水平检验存在6.7 a、5.2 a和1.3 a的周期(图 7)。现代ENSO的变化周期为2~8 a[51-52]，而百年来的太平洋年代际涛动(PDO：Pacific Decadal Oscillation)数据分析显示其变化周期一般大于10 a[53-54]。在YEC1701柱样记录中，1930年以来高分辨率Zr/Rb值的变化周期与ENSO周期吻合，并未体现PDO的影响，表明近百年来长江洪水发生主要受控于ENSO的变化。
ENSO主要通过影响西太平洋副热带高压(WPSH：Western Pacific Subtropical High)的强度和位置进而影响季风雨带的位置，从而驱动长江流域的降水变化与洪水发生规律[5, 55]。在厄尔尼诺现象(正相位ENSO事件)发生期间，WPSH增强并向西扩展、向南移动[56]，同期东亚夏季风减弱，季风雨带不能像正常年份那样向华北推进，而是在长江中下游流域和华南地区持续存在，导致华南地区降水偏多、华北地区降水偏少[55, 57-58]。已有研究显示，1936年、1954年、1983年和1998年发生的长江大洪水事件均和强厄尔尼诺现象有很大关系[59]。Jiang等[57]通过历史资料研究表明，公元1470—2003年长江流域上游的洪涝和干旱历史与ENSO活动有关。Zhu等[60]通过石笋记录研究表明，全新世长江中游地区降雨和古洪水也与ENSO活动变强密切相关。可见，ENSO是影响长江流域洪水年际至千年尺度变化的重要因素。
4.3 长江流域洪水时空变化的影响机制
全球范围内的洪水事件多与区域性强降雨有关[61]。长江流域6~9月洪季平均径流量和年降水量的相关指数高达0.87，且洪水事件的发生与气候变化引起的强降雨密切相关[5, 62]。除ENSO影响外，长江流域内不同区域季节降水变化明显受到东亚夏季风(EASM)和南亚夏季风(SASM)的调控[63-67]，进而影响流域洪水发生规律。通过时序分析，对比1930年以来YEC1701柱样的高分辨率洪水沉积记录、流域洪水器测资料及重建的其他气候数据，进一步探讨多重气候因素对长江洪水事件的影响机制。
器测资料表明，20世纪60年代前多发上游和全流域大洪水，之后多发中下游洪水(图 8-g)。这2个阶段长江径流量与中下游流域梅雨带降水量存在反相关关系，即20世纪60年代前长江年径流量大，但中下游流域梅雨带降水量很少；而此后正好相反(图 8-e、f)。此外，这2个阶段的洪水对ENSO和亚洲夏季风的响应也不同。根据Zr/Rb值等识别出的长江流域6个洪水事件多发期中(图 8)，1930—1939年和1949—1957年这2个洪水多发期与拉尼娜现象(负相位ENSO事件)有较好的对应关系，且为强SASM和EASM期；而1971—1974年、1976—1985年、1991—2006年、2009—2017年这4个洪水多发期与厄尔尼诺呈现出较好的对应关系，为弱SASM和EASM期(图 8)。由此可见，2个阶段的不同气候态是控制多年至年代际上游洪水或中下游洪水多发变化的主要因素。
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图 8 1930—2017年YEC1701柱样沉积物Zr/Rb距平值与气候变化、降雨量及长江年径流量对比(SASM指数(a，据参考文献[65])、EASM指数(b、c分别据参考文献[68]和[69])、ENSO指数(d，https://www.esrl.noaa.gov/psd/enso/mei)、长江中下游流域梅雨带降水量(e，据参考文献[70])及长江年径流量(f，1930—2005年数据据参考文献[71]；2006—2017年数据据参考文献[72])；蓝色阴影区域表示上游和全流域洪水多发期，橘色阴影区域表示中下游洪水多发期)Figure 8. Comparison of Zr/Rb anomaly valueswith climate change, the precipitation records and annual water discharge of the Changjiang river历史资料重建结果表明，年代际至百年尺度长江中下游区域洪涝灾害主要与厄尔尼诺有关，但在长江上游厄尔尼诺却是干旱事件的成因，而洪涝灾害主要与拉尼娜有关[57]。地质资料重建结果表明，百年至千年尺度长江中游地区降雨强度和频率也与厄尔尼诺现象密切相关[63]。由此可见，拉尼娜期间易发生长江上游或全流域洪水，而厄尔尼诺期间易发生长江中下游洪水。
受EASM和SASM差异影响，长江流域上游和中下游存在降水异常的偶极模式[73]。如前所述，20世纪60年代前的2个上游或全流域大洪水多发期受强SASM主导，而此后的4个中下游洪水多发期受弱EASM主导(图 8-a、b、c)。24次全新世特大洪水序列与川渝地区近2000年的洪灾史料分析表明，SASM暖湿气流源源不断的水汽输送是维持长江上游暴雨的物质基础，表现在上游暴雨事件与活跃的SASM之间有很好的相关性，上游暴雨多发期与SASM强盛期相对应，因此SASM的异常增强常引发长江上游的极端洪水事件[74]。其他长江上游古洪水及汉江上游古洪水的研究也得出类似结论[4, 75]。但是长江中下游强降水则与较弱的EASM有关，历史资料研究表明，当EASM环流较弱时，盛行南风/副热带高压系统在中国东部上空更弱，不能向北推进至较高纬度，导致在中国东部形成了一个更南向的季风雨带，致使雨带长时间的停留在江淮流域上空，给长江中下游流域带来丰富的降水[57, 76]。
综上所述，长江流域洪水存在显著的多时空尺度演化，受ENSO和亚洲季风活动规律的共同影响。中长时间尺度的长江流域降雨研究较详细，但因缺少连续的沉积记录和可靠的洪水沉积代用指标，中长时间尺度长江古洪水发生规律的研究还较薄弱。可以利用长江水下三角洲较连续的沉积记录，运用XRFCS得到高分辨率(毫米级)的Zr/Rb值，结合其他辅助判别指标，可望重建全新世高分辨率的长江古洪水发生历史，为预测气候变化与洪水发生规律提供依据。
5. 结论
(1) 长江水下三角洲YEC1701柱样中Zr/Rb峰值通常对应粒度粗组分含量和C/N的高值及偏负的δ13C值，可作为辨识长江洪水沉积的代用指标；以2 mm间隔进行XRF岩心扫描(XRFCS)得到的Zr/Rb值对长江洪水沉积的识别率为80%，显著高于10 mm间隔的Zr/Rb值对洪水沉积的识别率(50%)；总体表明高分辨率XRFCS的Zr/Rb值是通过三角洲沉积记录重建流域古洪水发生历史的高效方法。
(2) 高分辨率Zr/Rb值时间序列功率谱显示，经95%置信度水平检验存在6.7 a、5.2 a、1.3 a周期，与现代ENSO 2~8 a的变化周期吻合，表明长江洪水与ENSO事件之间存在密切联系。
(3) 据多源气候和洪水数据分析推断，长江洪水年际至千年尺度时间变化受到ENSO和东亚夏季风、南亚夏季风的共同影响；长江上游或全流域洪水多发期主要受拉尼娜影响和强南亚夏季风控制，而中下游洪水多发期主要受厄尔尼诺影响和弱东亚夏季风控制；但历史时期的各种数据分辨率较低，仍有待更多高分辨率的证据加以证实。
致谢: 感谢同济大学赵金鹏、王晓慧、苏建锋同学对采样及室内实验工作的帮助，感谢中国极地研究中心毕磊助理研究员对本文图件制作的指导。 -
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图 1 长江流域主要水系(a)和长江口及周边海域表层沉积物分布特征(b，据参考文献[28]修改)
(其他文献中用于古洪水研究的5个短柱样位置(A[29]、Cj0702[9]、S5-2[20]、DH3-2、DH3-3[11])；a图中红色虚线表示南亚夏季风(SASM)和东亚夏季风(EASM)主要影响区域的分界线(据参考文献[30]修改))
Figure 1. Major tributaries of the Yangtze River system (a)and grain-size distribution pattern of surface sediments in the Yangtze Estuary and adjacent seas (b)
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图 2 YEC1701柱状样沉积物岩性、粒度特征、敏感组分与Zr/Rb值的垂向变化
Figure 2. Downcore variations of the lithology, grain size parameters, sensitive grain populations, and Zr/Rb ratio in core YEC1701
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图 3 柱状样沉积物粒级-标准偏差曲线对比(其他柱样位置和数据来源详见图 1)
a—单粒径测量通道(0.135 φ)；b—双粒径测量通道(0.27 φ)
Figure 3. Grain size-standard deviation curves of sediment cores in the Yangtze Delta with different statistical intervals
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图 4 YEC1701柱状样有机元素和碳同位素组成变化
Figure 4. Variations of organic elements and stable carbon isotope (δ13C)in core YEC1701
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图 5 YEC1701柱状样210Pb(a)和137Cs(b)深度剖面特征(a中斜线框标示顶部混合层；b中灰色框标示137Cs蓄积峰范围)
Figure 5. 210Pb (a)and 137Cs (b)concentration profiles and accumulation rate calculated from core YEC1701
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图 8 1930—2017年YEC1701柱样沉积物Zr/Rb距平值与气候变化、降雨量及长江年径流量对比
(SASM指数(a，据参考文献[65])、EASM指数(b、c分别据参考文献[68]和[69])、ENSO指数(d，https://www.esrl.noaa.gov/psd/enso/mei)、长江中下游流域梅雨带降水量(e，据参考文献[70])及长江年径流量(f，1930—2005年数据据参考文献[71]；2006—2017年数据据参考文献[72])；蓝色阴影区域表示上游和全流域洪水多发期，橘色阴影区域表示中下游洪水多发期)
Figure 8. Comparison of Zr/Rb anomaly valueswith climate change, the precipitation records and annual water discharge of the Changjiang river
表 1 长江流域历史洪水信息
Table 1 Historical floods of Yangtze River
年份 洪峰流量/(m3·s-1) 水文站 区域 参考文献 2016 61300 汉口 中下游 [40] 2012 71200 三峡入库 上游 [41] 2010 70000 宜昌 上中游 [42] 2004 61100 宜昌 上游 [43] 2002 70300 汉口 中下游 [44] 1999 84500 大通 中下游 [4] 1998 81700 大通 全流域 [4] 1996 75200 大通 中游 [4] 1995 74500 大通 中下游 [4] 1991 66700 汉口 下游 [4] 1983 65000 汉口 中游及汉江流域 [4] 1981 85700 寸滩 上游 [4] 1980 60100 汉江 中下游 [4] 1969 62400 汉口 中下游 [4] 1954 92600 大通 全流域 [4] 1949 - - 中下游 [4] 1948 57000 宜昌 上游 [45] 1945 73800 寸滩 上游 [4] 1936 62000 宜昌 上游 [45] 1935 56900 宜昌 中游 [46] 1934 - - 上游 [4] 1931 65000 宜昌 全流域 [45] 
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