三峽水庫干流沉積物的粒度分布與礦物組成特征

黎國有 肖尚斌 王雨春 劉 力 牛鳳霞

（1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

三峽水庫作為我國新建的特大型水庫，其興利作用和環(huán)境生態(tài)效應(yīng)都引起了國內(nèi)外的極大關(guān)注［1－2].自2003年6月蓄水以來，三峽庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題逐漸顯露，其中以支流庫灣水體富營養(yǎng)化最為嚴(yán)重［3－6].水體沉積物既是各種污染物的匯集地，又是對水質(zhì)有潛在影響的次生污染源［7－11].研究表明泥沙帶入的顆粒態(tài)磷是三峽水庫主要的磷污染源［6].沉積物的粒度分布與礦物組成等因素對氮磷等營養(yǎng)鹽、重金屬等物質(zhì)的吸附、解吸和遷移有重要影響［12－14].本文分析了三峽庫區(qū)干流沉積物粒度和礦物組成及分布特征，旨在為進(jìn)一步研究庫區(qū)沉積物中營養(yǎng)鹽和重金屬等污染物質(zhì)的賦存形態(tài)和遷移規(guī)律等研究等提供科學(xué)參考.

1 材料與方法

1.1 三峽水庫概況

三峽水庫1994年正式動工興建，2003年開始蓄水發(fā)電，于2009年全部完工，至2010年第一次蓄水至175m水位（正常蓄水位）.水庫地理位置為東經(jīng)106°～111°50′，北緯29°16′～31°25′之間，東起湖北省宜昌市，西至重慶江津市，全長約660km，屬于濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候，具有東暖春早，夏熱伏旱，秋雨連綿，濕度大和云霧多、風(fēng)力小等特征［15].三峽庫區(qū)長江沿岸主要的一級支流有40條，嘉陵江和烏江是庫區(qū)最大的兩條支流，另外流域面積超過3 000km2的支流有6條，分別為綦江、龍溪河、小江、磨刀溪、大寧河和香溪河.

1.2 樣品采集和處理

于2010年11月22日～12月19日三峽水庫第一次蓄水至175m期間，從三峽大壩的壩前斷面－茅坪開始，溯流而上采集沉積物樣品，至重慶港為止.在長江干流上的茅坪、郭家壩、巴東官渡口、巫山、奉節(jié)、磨刀溪外長江斷面、云陽、石寶寨、萬州、忠縣、豐都、涪陵、寸灘、重慶港等斷面，和庫區(qū)40條一級支流的河口內(nèi)1～5km河段范圍內(nèi)進(jìn)行沉積物樣品采集.其中，香溪河、大寧、磨刀溪和小江作為典型支流，進(jìn)行加密采樣.樣品采集采用抓斗式和柱狀采樣器［16]相結(jié)合，其中干流斷面和四大支流以柱狀采樣器進(jìn)行樣品采集，其它支流采樣點(diǎn)則用抓斗式采樣器采集樣品；其中干流上的寸灘和巫山兩處未能采集到柱狀樣品，只通過抓斗采集到表層沉積物樣品.由于采樣區(qū)域跨度大，上、下游的水流條件相差也較大，因此所采集到的沉積物樣品多集中在云陽至茅坪段的干、支流上；云陽至重慶港段干、支流上所采集到的沉積物樣品則少很多.沉積物樣品的采樣位置如圖1所示.沉積物柱狀樣品在現(xiàn)場按2cm進(jìn)行分割，與抓斗所采樣品一起分裝在帶刻度的聚乙烯離心管中，現(xiàn)場測定沉積物的pH值后密封，冰凍保存（－20℃）、運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室供分析.本文僅報道干流沉積物的粒度組成特點(diǎn)和礦物成分特征.

圖1 樣品位置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

沉積物在經(jīng)30%的H2O2處理后，在中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所用Malvern 2000型激光粒度儀進(jìn)行粒度分析，測量范圍為0.02～2 000μm，粒級分辨率為0.01φ，重復(fù)測量的相對誤差＜3%.用于礦物分析的樣品經(jīng)低溫離心、冷凍干燥后，用瑪瑙研缽研磨并過200目篩，在中國地質(zhì)大學(xué)采用荷蘭Xpert MPD ProX射線衍射分析儀測定，測試環(huán)境為溫度20℃、濕度65%、電流30mA、電壓40kV、角度精度為0.002 5°，重復(fù)測量的相對誤差＜5%.獲得樣品衍射圖后，根據(jù)衍射角、衍射峰、參比強(qiáng)度、相對強(qiáng)度等分析每個樣品的礦物組成，其中閃石是閃石類的統(tǒng)稱，長石是鉀長石與斜長石的統(tǒng)稱.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 粒度分布

三峽庫區(qū)沉積物的粒級分析結(jié)果如圖2～3所示.按國家海洋局1975年粒度分級標(biāo)準(zhǔn)，庫區(qū)干流沉積物主要為粘土質(zhì)粉砂，其中粉砂（4～63μm）為主，平均占61%，其次是粘土（＜4μm），約占38%，而砂（＞63μm）含量很低，平均約1%.

圖2 三峽庫區(qū)干流沉積物粒級的垂直分布

圖3 三峽庫區(qū)干流表層沉積物顆粒級配的沿程分布

其中在巫山處只采集到少量表層沉積物，其粘土、粉砂、砂質(zhì)以及中值粒徑的分別為：1 7%，5 7%，2 5%，2 4μm.與其它地方相比存在非常大的差異，原因是樣品采集時采樣船離岸不遠(yuǎn)，采樣的位置可能位于消落帶而非河道內(nèi)所導(dǎo)致.考慮到大寧河河口－巫山港屬于喇叭形河口，長江干流水體經(jīng)過巫山新縣城時，左側(cè)水體會大量涌入港內(nèi)，形成旋流再從巫山港流出，因此港內(nèi)離干流不遠(yuǎn)的沉積物與干流沉積物應(yīng)該具有很大的相似性，故本文把離干流約5 0 0m的巫山港表層沉積物的分析結(jié)果作為長江干流沉積物的參考值.

從圖2可以看出，干流沉積物粒度垂向上的變化無明顯規(guī)律，但是云陽至奉節(jié)段的砂含量要低于巫山至郭家壩段.從表層沉積物粒徑的沿程分布圖（圖3）明顯看出3個粒級均在奉節(jié)處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折：粘土含量從上游至奉節(jié)明顯增加，從奉節(jié)到茅坪則小幅度減小；粉砂的含量呈現(xiàn)與粘土對應(yīng)相反的變化規(guī)律；而砂則出現(xiàn)在兩頭，奉節(jié)表層沉積物沒有砂，其粘土和粉砂的含量各占一半.

干流沉積物中值粒徑的變化范圍在3.6 4～1 6.1 9μm之間，平均值為6.2 2μm.圖4（a）表明，庫區(qū)干流沉積物的中值粒徑的垂向變化不盡相同：忠縣、云陽和奉節(jié)處隨著深度的增大而增大；巴東和郭家壩呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律；長江磨刀溪處深層沉積物的中值粒徑要高于表層，但是表層以下的粒徑比較均勻；茅坪處沉積物中值粒徑沿著深度變化不大.從圖4（b）可以看出，表層沉積物的中值粒徑的沿程變化同樣在奉節(jié)出現(xiàn)變化趨勢分界，奉節(jié)以上呈現(xiàn)沿程減小的趨勢而且變化明顯，奉節(jié)至茅坪則是沿程有所增大，不過增幅很小.

圖4 三峽庫區(qū)干流沉積中值粒徑的垂直分布

2.2 礦物組成

三峽庫區(qū)沉積物主要礦物組成包括綠泥石、伊利石、閃石、石英、長石、方解石、白云石、黃鐵礦等；其中優(yōu)勢礦物為綠泥石、伊利石和石英，平均分別約為2 9%、2 4%、2 4%；其次為長石、方解石和白云石，占8%、9%、5%；其余為少量的閃石和黃鐵礦等.

從圖5可以看出，干流沉積物的礦物組成在垂向上表現(xiàn)出兩個區(qū)域性：（1）寸灘至巫山段，沉積物的礦物成分在垂向上無明顯變化；（2）巫山至郭家壩段，綠泥石和伊利石的含量沿著深度先減小后增大，而石英、長石、方解石以及白云石含量則沿著深度先增大后減小.徐永輝等［17]指出三峽水庫以奉節(jié)為界，分東西兩大地貌單元，粒度與礦物組成均在奉節(jié)出現(xiàn)區(qū)域分界，可能與此有關(guān).茅坪處的礦物組成雖然與奉節(jié)處相似，但是茅坪為三峽大壩的壩址，其中的沉積物受大壩閘門以及蓄泄水的直接影響較大，因此茅坪的沉積物與郭家壩處的礦物組成規(guī)律有所差異而與相距甚遠(yuǎn)的奉節(jié)相近是有可能的.

圖5 三峽庫區(qū)干流沉積物礦物組成的垂直分布

圖6是表層沉積物礦物組成的沿程分布規(guī)律，可以看出：沉積物中綠泥石和伊利石含量在忠縣至巫山段沿程增大，在巫山至郭家壩段沿程減小.白云石從寸灘至奉節(jié)沿程減小，最大值在寸灘處，含量為1 5%；奉節(jié)到茅坪則變化不大，基本在5%左右.方解石的變化規(guī)律與白云石的變化規(guī)律一致.石英和長石則與綠泥石、伊利石的變化規(guī)律相反.

圖6 三峽庫區(qū)干流表層沉積物礦物組成的沿程分布

3 討 論

3.1 粒度分布曲線與粒度參數(shù)

3.1.1 粒度頻率分布曲線

碎屑沉積物粒度大小通常與水動力強(qiáng)度相適應(yīng)，粒度分布可以反映水動力強(qiáng)弱、物質(zhì)來源及沉積環(huán)境的變化［18].頻率分布曲線在描述樣品總體粒度特征的同時，也直觀顯示了樣品中各粒級組分的相對含量及其對總樣的貢獻(xiàn).在繪制頻率分布曲線（圖7）時，先根 據(jù) Krumbein 轉(zhuǎn) 換 公 式［19－20]，將 Udden－Wentworth粒級標(biāo)準(zhǔn)通過對數(shù)變換轉(zhuǎn)化為φ值.從圖7可知，庫區(qū)干流沉積物的頻率分布曲線基本呈現(xiàn)單峰形態(tài)，忠縣與巫山處雖然是雙峰結(jié)構(gòu)但是次峰偏低，在頻率統(tǒng)計中表現(xiàn)為單眾數(shù)，峰值對應(yīng)的φ值均屬于粉砂級即粉砂占優(yōu)勢，說明各點(diǎn)的流速變化不大.其中茅坪的粗粒端出現(xiàn)一個小尾峰，說明茅坪中的大顆粒沉積物出現(xiàn)異常，這在后面將進(jìn)一步對其進(jìn)行討論.

圖7 三峽庫區(qū)干流表層沉積物粒度頻率曲線圖

3.1.2 沉積物中值粒徑（Md）與平均粒徑（Mz）的差異性

Mz是所有粒度的平均值，Md是50%累積含量的粒徑，兩者均能表示沉積物粒度分布的集中趨勢.但是Md不能表示粗細(xì)兩側(cè)的粒度變化，而Mz則能更準(zhǔn)確反映碎屑顆粒的集中趨勢.從圖9中能夠明顯看出三峽庫區(qū)干流沉積物的平均粒徑要大于中值粒徑，可見沉積物中相對大一點(diǎn)的顆粒要多一些.水動力越強(qiáng)，沉積物越粗，反之沉積物越細(xì)［21－22].從Mz和Md的沿程變化來看，“沿程細(xì)化”在奉節(jié)以上河段表現(xiàn)非常明顯，往下至郭家壩則相對穩(wěn)定，說明上下兩段的水動力條件有所不同，上段流速的沿程變化要大，下段則相對平穩(wěn)，而下段沉積物的Mz和Md小幅度增大可能是區(qū)間支流的匯入所造成的.茅坪的平均粒徑大幅度增大，則直接反映出其表層含有一定量的大粒徑顆粒.茅坪沉積物含有4%砂質(zhì)，相對其它地方要高很多（圖2），因此在其頻率分布曲線的粗粒端表現(xiàn)出小尾峰，這可能是多種因素的影響結(jié)果.由于三峽大壩的攔截，上游干流、附近支流以及附近岸坡的碎屑物進(jìn)入茅坪后，受水流搬運(yùn)分選作用降低，可能大部分直接沉積下來.

圖8 三峽庫區(qū)干流表層沉積物Mz和Md的沿程變化

3.2 礦物組成與粒度的相關(guān)性分析

陸源物質(zhì)粒度實(shí)際上是礦物顆粒的大小，即粒度只是礦物顆粒尺寸的一個表征［23－24].通過SPSS統(tǒng)計軟件對沉積物的粒徑和礦物組成進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)綠泥石、伊利石、石英和長石成分與粒度有著密切聯(lián)系.從表1可看出，綠泥石和伊利石含量與較細(xì)粒級含量，石英和長石含量與較粗粒級含量均表現(xiàn)為較好的正相關(guān)，說明細(xì)粒組分主要由綠泥石和伊利石等粘土礦物組成；粗粒組分主要由石英和長石礦物組成.

表1 粒度與礦物組成的相關(guān)性

研究已經(jīng)表明，土壤的粒徑越小越容易吸附重金屬、氮和磷等物質(zhì).通過對比王中波等人的研究［25]，發(fā)現(xiàn)長江干流沉積物的礦物組成發(fā)生了變化.與2003和2004年相比，庫區(qū)內(nèi)的干流沉積物石英的含量降低將近一半，綠泥石和伊利石的含量有了大幅度增加.庫區(qū)干流沉積物中粘土礦物的比例增大，意味著三峽水庫發(fā)生水體富營養(yǎng)化的潛在風(fēng)險的增大.

4 結(jié) 論

1）三峽庫區(qū)干流沉積物的巖性為粘土質(zhì)粉砂.粉砂（粒徑為4～63μm）的平均含量占61.35%，為單眾數(shù)，反映了庫區(qū)各地的水體流速變化幅度不大，其余為粘土和少量的砂.

2）平均粒徑的沿程變化在奉節(jié)發(fā)生改變，具有區(qū)域性.茅坪的平均粒徑大幅度增大，原因是上游干流、附近支流以及附近岸坡的碎屑物進(jìn)入茅坪后，受水流搬運(yùn)分選作用降低，可能大部分直接沉積下來.

3）三峽庫區(qū)沉積物的礦物組成包括：綠泥石、伊利石、閃石、石英、長石、方解石、白云石、黃鐵礦.其中主要成分為綠泥石、伊利石和石英，平均占29%、24%、24%；其次為長石、方解石和白云石，占8%、9%、5%；其余為少量的閃石和黃鐵礦.礦物組成的變化也以奉節(jié)為界，呈現(xiàn)出兩個區(qū)域性規(guī)律.

4）與過去相比，庫區(qū)干流沉積物的礦物組成結(jié)構(gòu)發(fā)生很大改變：石英的含量降低將近一半，綠泥石和伊利石的含量大幅度增加.這增加了三峽水庫發(fā)生富營養(yǎng)化和其它環(huán)境問題的潛在風(fēng)險.

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