一種河流歷史形態數字復原方法與流程
2023-10-08 12:32:29 2
本發明涉及河流地貌學領域，具體涉及一種河流歷史形態數字復原方法。
背景技術：
河流歷史演變是了解河流地貌動力過程的關鍵問題，也是掌握河流大尺度演變規律的基礎。不同於河流的近期演變分析，有著較充分的實測資料，河流歷史演變通常是缺乏可靠資料和數據的。根據《河道演變勘測調查規範(SL383-2007)》，長期以來，對河流歷史演變資料的獲取主要從河流歷史考證、區域構造背景調查、古河道調查和決口衝積扇調查等方面進行，其中河流歷史考證依賴於歷史文獻；區域構造背景調查則主要針對的是數以百萬年計的地質年代，很多已超出了河流的形成年代(如長江中遊荊江的穩定河勢自秦漢以來才逐漸形成，此前為雲夢澤河網)；決口衝積扇只能在有規模較大的決口處方能明顯形成；而古河道調查的傳統手段則是以遙感解譯彎道遺蹟進行，對於沉積層取樣調查則一直未能深入探索。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種河流歷史形態數字復原方法，在斷面制模原理和沉積物年代分層的基礎上，將光釋光測年技術引入河流歷史演變資料的獲取，解決沉積物垂向採集過程中避光分層問題和斷面形態數字復原問題。
本發明採用的技術方案如下：
一種河流歷史形態數字復原方法，首先基於河流斷面制模原理，將擬恢復的衝積河段劃分為多個斷面，並在各斷面上按照一定的分布選取多個垂線進行沉積物垂向鑽孔取樣得到沉積柱；然後基於河流沉積過程原理，將鑽取的沉積柱劃分為多個沉積層，並引入沉積物光釋光測年技術，對各沉積層進行年代測定；最後將同一年代的沉積層所在三維坐標進行數位化和圖形化處理(連線繪圖)，即可完成河流歷史斷面形態的數字復原；逐個斷面進行歷史形態復原，集成後即為整個河段的歷史形態數字復原。整個思路中有整體-斷面-集成、空間-年代-空間的過程，具體步驟如下：
(1)在需要進行河流歷史演變分析的衝積河段，按每隔500米至1000米取一個河道斷面，將河段沿水流走向劃分為多個橫斷面；
(2)在擬恢復的河道斷面上按照河流階地、河漫灘、河道主槽、河道深泓等部位共選擇7-15個垂線，並通過GPS定位裝置和全站儀，記錄各個垂線頂點的三維坐標；
(3)在同一垂線同時垂直鑽取兩個沉積柱，其中一個沉積柱為比對柱，另一個沉積柱為樣品柱，深度均要求直至基巖，沉積柱直徑一般為10-20cm；
(4)首先將比對柱打開，按照沉積物物理性狀(如沉積物顏色、顆粒粗細、孔隙大小等)比對柱分為多個沉積層，記錄各沉積層上頂點的三維坐標和相對位置，並在一般通用繪圖軟體上繪製斷面上各垂線沉積柱沉積層位置、厚度，製成有坐標的地層剖面圖；
(5)按照比對柱各個沉積層的相對位置，將樣品柱各個沉積層連同採樣管一起鋸開，用封管塞密封各沉積層樣品，編號後到實驗室進行光釋光測年；
(6)將同一斷面不同垂線處取得的沉積柱各沉積層年代均測定完畢後，在地層剖面圖上將同一年代的沉積層頂點相連，所形成的剖線即為該年代下的河流斷面，依次將各年代的坐標進行聯繫，即完成了整個斷面各個歷史年代的形態復原；
(7)將多個斷面復原後即可形成整個河段的歷史形態復原，將同一年代下各垂線沉積層頂點三維坐標在繪圖軟體中進行連線繪圖，則可形成歷史河段的DEM，可供河道歷史演化過程的全息展示。
本發明提供的河流歷史形態數字復原方法，補充了《河道演變勘測調查規範(SL383-2007)》中關於河流階地和古河道調查方面的技術細節，可解決河流歷史演變資料獲取的難題，對河流歷史演變分析有直接幫助，並有利於探索河流歷史徑流和泥沙輸移變化規律。
附圖說明
圖1為本發明實施例中河流歷史斷面形態復原示意圖；
圖2為瀾滄江囊謙河段取樣斷面布置圖；
圖3為1#斷面歷史形態復原圖，圖中基準高程為3512m，85黃海高程。
具體實施方式
本發明依據河流斷面制模原理(參見《河工模型試驗規程(SL99-2012)》，將河流分成多個斷面，在每個斷面上設置7-15個垂線進行沉積物垂向取樣，通過測定各沉積物樣品的年代，判斷河流的歷史形態。除河流斷面制模原理外，本發明還涉及的理論有：
(1)衝積河流沉積物分層現象，衝積河流往往在上遊泥沙不斷搬運前來的過程中會沉積一部分泥沙在河床中，而不同年代不同的水力條件將帶來物理性狀不同的沉積物層，其表觀差異會表現在顆粒大小、孔隙率甚至顏色等方面，每一個沉積層就是特殊水文事件的年代記錄；
(2)光釋光測年技術：光釋光測年技術是一種基於自然輻射的累積效應而建立的測年方法，其測量的是沉積物中碎屑石英或長石自最後一次搬運見光以來的埋藏時間,其優勢是與傳統熱釋光相比信號更易回零、與樹輪測年、14C測年相比測年範圍更長，並且測年材料或年代可測標誌物更容易獲得，對樣品僅要求採樣過程中必須避光，其他限制比較簡單。此前，放射性碳(14C)測年是300-50000年以內沉積物測年的常用方法，與釋光測年相比，其缺點是較難獲得合適的測年材料(碳屑、植物殘體、泥炭等)，並且可能存在有機質原地性等問題。因此，伴隨著考古以及地貌學的發展，光釋光測年成為了沉積物年代測定方面應用最廣泛的手段。
本發明實施例提供一種河流歷史形態數字復原方法，包括如下步驟：
(1)在需要進行河流歷史演變分析的衝積河段，本實施例以瀾滄江囊謙河段為例進行說明，按每隔500米左右取一個河道斷面，將河段沿水流走向劃分為8個橫斷面；
(2)由於河段較窄，在擬恢復的河道斷面上按照河流階地、河漫灘、河道主槽、河道深泓等部位共選擇7個垂線，並通過GPS定位裝置和全站儀，記錄各個垂線頂點的三維坐標；
(3)在同一垂線同時垂直鑽取兩個沉積柱，其中一個沉積柱為比對柱，另一個沉積柱為樣品柱，深度均要求直至基巖，沉積柱直徑為10cm；
(4)首先將比對柱打開，按照沉積物物理性狀(如沉積物顏色、顆粒粗細、孔隙大小等)比對柱分為多個沉積層，記錄各沉積層上頂點的三維坐標和相對位置，並在一般通用繪圖軟體上繪製斷面上各垂線沉積柱沉積層位置、厚度，製成有坐標的地層剖面圖；
(5)按照比對柱各個沉積層的相對位置，將樣品柱各個沉積層連同採樣管一起鋸開，用封管塞密封各沉積層樣品，編號後到實驗室進行光釋光測年；
(6)將同一斷面不同垂線處取得的沉積柱各沉積層年代均測定完畢後，在地層剖面圖上將同一年代的沉積層頂點相連，所形成的剖線即為該年代下的河流斷面，依次將各年代的坐標進行聯繫，即完成了整個斷面各個歷史年代的形態復原，如圖1所示。
(7)將多個斷面恢復後即可形成整個河段的歷史形態復原，將同一年代下各垂線沉積層頂點三維坐標在繪圖軟體中進行連線繪圖，則可形成歷史河段的DEM，可供河道歷史演化過程的全息展示。
驗證：
瀾滄江囊謙河段發育為典型的衝積河流，河道寬淺，且其下為峽口壅水，因此其地貌過程以沉積為主，在該衝積河段中間隔500m布設測驗斷面進行沉積物鑽孔測年，具體河道位置和斷面布置見圖2，斷面端點見表1(坐標係為WGS84坐標系)。
通過鑽取瀾滄江囊謙河段沉積物，以現行光釋光技術對其中1號斷面進行沉積層測年，復原得出了全新世5個典型年代的河流斷面形態，如圖3所示，分別為270aBP，960aBP，1500aBP，5kaBP，7kaBP，可大致對應全新世現代暖期、小冰期、中世紀暖期、乾冷界限、大暖期鼎盛時期等氣候變化節點。這與河流沉積學原理是一致的，即每次河流沉積物的集中出現都代表著一次或一個時期的典型水文事件，由於全新世以來每次暖期與冰期地球的地表徑流及泥沙輸移情況差異很大，因此會在典型的氣候年代堆積出相應的河流沉積物。同時可以看出：本河段地貌年代屬於堆積型過程，沉積物從上至下，年代依次增加，這與河段下遊為峽谷河段有關，由於峽谷的壅水作用，使得本河段沉積物不斷堆積。因此，此圖反映的地貌過程與宏觀構造情況以及氣候變化均是一致的，可以作為利用該方法進行河流歷史形態準確復原的佐證。
表1瀾滄江囊謙河段測驗斷面控制點坐標