黄河流域某古洪水滞流沉积物研究(4)

　　4.2 古洪水洪峰流量模拟结果。
　　
　　利用 HEC-RAS 模型推求古洪水洪峰流量时，必须先确定模型所需的各项水文参数。 天然河道糙率是衡量河床及边壁形状的不规则和粗糙程度对水流运动影响的一个综合性系数，因河床、岸壁的粗糙程度，河道过水断面形状、大小和底坡沿程变化，床面、岸壁地质特性，水流流态及含沙量等的不同而不同[28-29]. 黄河XHQ 剖面河床为卵石，石块，水行于深槽峡谷间，断面规整，水声较大，两侧岸壁为岩石，崎岖不平整，上面生长杂草、树木。 当发生特大洪水时，水流可将全部河槽淹没。 在全新世时期基岩河槽变化很小，结合该河段的地表特征，根据糙率表所描述天然河道的特征[28],以及前人在研究区域进行水文调查的经验值，结合野外所见各断面所处河段特征和当时河流沿岸植被覆盖状况得到研究断面河道糙率值，XHQ 所属类型为 V 类，主河槽糙率系数 n 值为 0.035,左右岸 n 值为 0.040.
　　
　　收缩系数与扩张系数用来评估河道收缩和扩张的能量损失。 XHQ 河段水流属缓流状态，河槽是逐渐收缩与扩张的，参考 HEC-RAS v4.1 的 Reference Manual,收缩系数和扩张系数取值分别为 0.1 和 0.3[10].
　　
　　一般来说，能量坡降几乎可以用河道坡降或水面比降来代替[10]. 在确定 XHQ 河道比降时，由于黄河中游晋陕峡谷段较顺直，河床为基岩，全新世大暖期以来受冲刷和淤积影响小，且河槽稳定，因此以河床比降代替水面比降[10]. 水面比降是指河道的水面两点间落差与其长度的比值。 野外考察时用 GPS 和红外线测距仪精确测量高程和距离，并在室内用 1 ∶ 10000 地形图进行校正，得到符合实际情况的水面比降，本文计算得到 XHQ 水面比降为 0.001.
　　
　　应用 HEC-RAS 模型进行古洪水模拟，在黄河中游龙门段 3 km 长的河段上均匀选取 16 个过水断面（ 图6） ,并确定相关参数，进行洪水流量计算。 在一维恒定流模型中给定不同流量进行试算，对比水面线与古洪水 SWD 指示洪峰水位的关系，得到黄河中游 XHQ 地点一期 4 次古洪水 SWD 记录的全新世特大洪水洪峰流量介于 46280~48800 m3/ s（ 图 4） .
　　 　　4.3 模型可靠性检验。
　　
　　在利用 HEC-RAS 模型推求古洪水洪峰流量的过程中，河道糙率系数的选取对于模拟结果的影响度很大。 所以，我们在野外实地勘察中，对该河段的河道形态、河床质成分、植被覆盖度、人类活动影响和水流形态特征等方面进行分析研究，并借鉴天然河道糙率问题的前沿成果[30-31],合理慎重选取 n 值。 同时，在洪水模拟过程中，设定其他水文参数保持不变，给定糙率系数±25%变率，进行糙率系数灵敏度测验。 结果表明各自对应的洪峰流量变幅在-10.88%~ 7.85% 之间（ 表 3） . 若使用传统的比降-面积法计算洪峰流量，由公式（ 2） 可知，糙率系数 n 的选取对 Q 值影响更大。 所以，利用 HEC-RAS 模型进行古洪水洪峰流量恢复所得结果更为精确。
　　 　　式中，A 为过流断面面积（ m2） ,Q 为洪峰流量（ m3/ s） ,n 为河道糙率系数，R 为水力半径（ m） ,S 为水面比降。从在泾河[7]、北洛河[8]、渭河[32]、汉江上游[33-34]等多个地点恢复的古洪水洪峰流量结果来看，在全新世时期发生特大洪水事件的最大洪峰流量不超过水文观测记录的 4.5 倍[6]. 结合 XHQ 地点附近的龙门水文站水文观测记录，以及洪水洪峰流量与流域面积关系的研究[2],表明运用 HEC-RAS 模型进行古洪水水文恢复计算的结果是可靠的。
　　 　　5 古洪水事件发生的气候背景探讨。
　　
　　特大洪水的发生与大气环流的异常有关，而大气环流的异常又与气候变化关系密切。 全新世特大古洪水事件往往发生在气候过渡时期的突变阶段，是对气候极端事件即时性的响应。 在气候突变恶化阶段，降水变率增大，会导致洪水事件的发生。 美国学者 Knox 指出全新世一万年以来洪水重现期与气候变化有一定的相关性[35-37]殷淑燕等[38]统计分析汉江上游历史时期的洪水灾害资料，发现汉江上游洪水发生频率与强度在清后期至现代为最高时期，其次出现在明末清初和唐代末期，再次是西汉初期、明代初期。 这说明历史时期洪水灾害的出现同样与气候的异常波动有关。 不是简单地在气候湿润期较多，在暖干期变少，而是在气候突变转型期、波动期的大背景下较多较强烈。