廣州流溪河水庫沉積物粒度端元模型分析及其沉積動力學意義

王艷杰，唐紅渠，姜仕軍

（暨南大學 生態(tài)學系、廣東省水體富營養(yǎng)化與赤潮防治廣東普通高校重點實驗室，廣州510632）

自然界中大多數(shù)沉積物受一種或多種搬運營力、動力機制的共同作用，出現(xiàn)了多成因、多峰分布的粒度頻率曲線特征，且同一類型沉積物因受地形、搬運介質(zhì)及時空上的差異等多重影響，其粒度表征的頻率曲線分布特征也各不相同［1］。沉積物粒度蘊含著水動力機制、降雨量和物源等多方面的信息，而利用這些信息可以揭示沉積環(huán)境的類型，推斷氣候變化以及沉積物擴散搬運的過程［2－4］。為了獲得并破譯這些信息，人們多采用主成分分析（PCA）、聚類分析或者因子分析等方法，取得了諸多成果。特別是，Weltje和Maarten總結了粒度分析方法并提出了動力組分的概念，認為沉積物是由不同的來源或不同的搬運機制經(jīng)過分選而對不同時期的動力組分進行混合形成的，進而提出了端元模型的概念［5，6］。Dietze改進了端元模型，并發(fā)表了基于Matlab的端元模型算法［7］，為端元模型用于分析沉積物粒度數(shù)據(jù)以反演物源和沉積環(huán)境提供了堅實的基礎。

對于缺乏長期監(jiān)測記錄的湖泊，利用沉積物粒度可以反演湖泊的發(fā)展過程與趨勢以及湖泊環(huán)境的初始特征［8，9］。水庫作為一種介于河流與湖泊之間的半人工半自然水體，因防洪和調(diào)蓄，水位波動較大，水動力學過程極為活躍；同時作為年輕的水體，水庫內(nèi)各種沉積過程還未達到平衡。雖然水庫沉積物粒度組成及特點也直接反映了水動力強弱、沉積物來源及沉積環(huán)境等信息［10－12］，但是其復雜性高于湖泊，從而直接影響到水庫管理方法的應用［13］。流溪河水庫是廣州市主要的飲用水源地，于1958年建成蓄水。水庫上游的2條主要入庫河流分別是呂田河和玉溪河（圖1）。整個流域受典型的熱帶－亞熱帶季風氣候影響，降雨充沛，有明顯的雨季和旱季，年平均氣溫達21.1℃。本文以此典型的峽谷型深水水庫為研究對象，利用端元模型對多個沉積柱的粒度組成進行分析，揭示水庫沉積環(huán)境和物源在時間和空間上的演變，闡明不同沉積環(huán)境和水動力條件下的粒度分布特征及物質(zhì)來源，為華南地區(qū)水庫容積和水質(zhì)管理提供科學依據(jù)，同時為端元模型應用于研究年輕水體的沉積物源和沉積環(huán)境提供借鑒。

圖1 流溪河水庫采樣位置示意圖Fig.1 Sampling sites in the Liuxihe reservoir

1 材料和方法

2012年4月及2013年7月，在流溪河水庫進行了2次采樣共獲得9個沉積柱（S1～S9）。樣品在保持垂直狀態(tài)下運回實驗室，置于4℃保存直至分割。選用了代表水庫不同分區(qū)的4個柱樣（S3、S4、S6和S8）作為研究對象（表1）。各沉積柱按1cm分樣，共獲得305個樣品，冷凍干燥后在室溫下貯存直至測試分析。

對每個樣品稱取約0.22g放入50mL的離心管中，加入20mL六偏磷酸鈉溶液（質(zhì)量分數(shù)為4%，pH＝8.0左右），浸泡24h，粒度測試前對樣品進行超聲波處理15min。粒度分析采用Mastersizer 2000型激光衍射粒度儀（英國Malvern公司），測量范圍0.02～2 000μm，每個樣品重復測量3次，相對誤差小于2%。把實測到的粒徑范圍（0.2φ～12φ）按照0.18φ的間隔分為68個粒級，構成粒度成分矩陣。粒度分析在中國科學院南海海洋研究所完成。

表1 流溪河水庫巖心柱參數(shù)Table 1 Parameters of the sediment cores from the Liuxihe reservoir

2 結果與分析

2.1 沉積速率

沉積柱S3位于原河道上，先后保存了河流和水庫的沉積記錄，可以用于對比建庫前后沉積環(huán)境的變化。其他3個沉積柱建庫前沉積為第四紀堆積物或土壤，沒有保存建庫前河流環(huán)境的沉積記錄。因此選用S3作為參考剖面進行年代分析。王艷杰等根據(jù)210Pb測齡和磁化率測試結果，確定沉積柱S3的平均沉積速率約為1.65cm/a，由此求得該沉積柱0～95cm各深度所對應的年代［14］。同時，沉積柱S3的210Pb測齡結果與137Cs峰值時標年齡基本吻合［14］，說明由此建立的年代框架較為可靠。

由于本文所研究的4個沉積柱磁化率的變化趨勢和高值點均具有較高的相似性，S4、S6和S8的年代可以通過磁化率與S3對比獲得。S3沉積柱的4個磁化率高值點分別對應于1998年、1992年、1974年和1960年，據(jù)此獲得S4、S6和S8沉積柱對應磁化率高值點的年代，進而算出每個階段的沉積速率。圖2為流溪河4個沉積柱的深度與年代對比。由于各個線段的斜率即為沉積速率，因此4條曲線分別反映了4個沉積柱建庫以來沉積速率的變化。從空間上看，從入庫口（S3）到庫區(qū)（S8），相同時間段內(nèi)沉積速率大體呈依次減小的趨勢。從時間上看，S4、S6和S8每個階段的沉積速率均不相同，從下到上總體呈“高－低－高－低”的變化趨勢。S3沉積柱的210Pb測齡采用恒定初始濃度模型（CIC），計算得出的是整個沉積柱的平均沉積速率，故沉積速率不變。

圖2 流溪河水庫4個沉積柱沉積速率變化Fig.2 Variations in the sedimentation rates of the 4 sedimentary columns from the Liuxihe reservoir

2.2 端元模型分析

利用Dietze的端元算法［7］，在Matlab平臺上對粒度數(shù)據(jù)矩陣進行計算。其解釋累積曲線表明，3個端元組分的累積解釋率超過95%，可以較好地代表粒度數(shù)據(jù)的總體特征（圖3-A）。因此本文采用3個端元對粒度數(shù)據(jù)進行模擬分析，各個端元組分的粒度組成特征和頻率曲線如圖3-B所示，其中值粒徑分別約為3.5φ、6.5φ、8.5φ。平均總R2說明端元模擬值與實測值之間的擬合程度。從圖3-C中可以看出，除最粗和最細的粒級外，大部分粒級的平均總R2均達到0.8以上，說明總體擬合效果較好，特別是沉積柱S3和S8擬合度最高（圖3-D）。

圖3 流溪河水庫沉積柱粒度組分端元分析結果Fig.3 Results of the end-member modeling of the sediment grain-size compositions of the 4sedimentary columns from the Liuxihe reservoir

一個沉積物顆粒一旦形成，則可在搬運營力作用下通過滾動、躍移或懸移而被搬運。而顆粒被移動的距離和方式取決于它本身的物理特性（如粒度、密度、形狀等）和搬運營力作用的強度。端元1的粒度頻率曲線為正偏態(tài)的雙峰態(tài)，主峰偏于粗粒一側(cè)，粒徑為2.5φ～6φ，次峰偏于細粒一側(cè)，表示沉積物以粗組分為主，細粒組分只占少量，其雙峰分布說明分選很差、成因較復雜。端元1主要分布在S4和S6沉積柱中（圖4）。由于流溪河水庫地理形態(tài)具有河流的特點，且這2個樣點位于流溪河原河道附近，受到入庫和出庫水流變化的影響；同時，流溪河水庫長期裸露的消落帶較多，整個庫區(qū)常年受東南季風影響，在波浪拍打、雨水沖刷及地表徑流的搬運作用下，粗顆粒沉積物被攜帶進入水庫內(nèi)，在近岸帶或水下斜坡底部沉積下來。由此推斷端元1代表波浪拍打及地表徑流作用造成的土壤侵蝕產(chǎn)物。這個推斷與殷志強等［2］研究的結論一致，認為該粒徑組分是湖濱相，受較強的波浪拍打和沖刷回流作用，岸邊和水底較粗的砂礫會被侵蝕并搬運進入水體沉積。

端元2的粒度頻率曲線表現(xiàn)為較平且寬的單峰，近于正態(tài)分布，說明分選較差，其粒徑范圍是4.8φ～7.9φ，中值粒徑介于端元1與端元3之間。端元2在4個沉積柱中均占有一定比例，且占有比例由河流入庫口（S3），經(jīng)過渡區(qū)（S4和S6），至庫灣（S8）依次降低（圖4），推斷端元2可能是河流搬運帶來的顆粒物。這是因為河流水動力由入庫口到庫區(qū)，其能量逐漸減弱，距離入庫口越遠，攜帶的顆粒物越難以到達。

端元3的粒度頻率曲線為尖且窄的單峰，表示沉積物的組成比較集中或單一，分選較好，其組分粒徑范圍為6.9φ～10φ，以細小懸浮顆粒為主。從圖4可知，端元3主要分布于S3和S8沉積柱，尤其在S8沉積柱中，其平均比例達到83.4%。端元3的分布區(qū)域是遠離河流入庫口的庫灣內(nèi)，水動力能量較弱，其沉積物主要是粒度很細的懸浮物質(zhì)，屬于湖心沉積環(huán)境［2］。由此推斷端元3應該來源于大氣降塵和河流攜帶的懸移物質(zhì)，前者在整個流域沉降后由河流搬運匯聚于水庫，與后者一起在水動力很弱的環(huán)境下沉積。前人對大氣降塵的研究認為，粒徑＜5.6φ的顆粒物均可長期懸浮，通過降雨及一些物理過程沉降到陸地［15］。

3 討論

3.1 庫區(qū)沉積物粒度變化的控制因素

圖4 流溪河水庫4個沉積柱端元組成的縱向變化Fig.4 Vertical variations in the 3end-members of the 4sediment cores from the Liuxihe reservoir

如圖2所示，S4、S6和S8的沉積速率在同一時期具有明顯的差異，但總體上隨著與河流入庫口距離增加而降低，而且每個沉積柱從下到上都呈現(xiàn)出“高–低–高–低”的變化規(guī)律。這說明入庫河流搬運來的物質(zhì)始終是水庫的重要物源。河流水動力由于受流量、水庫水位調(diào)節(jié)及流溪河水庫本身形態(tài)的影響，其搬運能力沿水庫入庫口至大壩方向逐漸減弱，沉積顆粒呈現(xiàn)梯度變細，即：河流區(qū)＞過渡區(qū)＞湖泊區(qū)。但在水庫不同發(fā)展時期，局部的物源和沉積作用對沉積特征也有較大的影響。

根據(jù)4個沉積柱的時間序列，可明顯地劃分為4個時期：1960年之前的建庫前期、1960～1990年、1990～1998年、1998～2012年。

第Ⅰ時期（1960年以前）：此階段S3的沉積顆粒在整個沉積柱中最粗，以端元1和端元2為主，端元3含量極少，推測這個時期的沉積為建庫前的河道沉積［16］，與該水庫的歷史吻合。這一階段屬于河流沉積作用產(chǎn)物，水動力較強，距離物源近，沉積物顆粒較粗，分選差。

第Ⅱ階段（1960～1990年）：流溪河水庫建成蓄水初期，由于水位迅速上升，大量山體被淹沒，庫內(nèi)植被分解，原來的地表沉積物受浸泡，在底流的侵蝕和沖刷作用下，被近距離搬運至庫區(qū)再沉積，所以此階段的沉積以端元1和端元2為主，沉積物粒徑較粗，沉積速率較高。當水庫蓄水完成，沉積環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定，水位大幅度抬升使得河流帶來的外源輸入相對減少，沉積速率降低；但S4和S6的端元1組分依然占主導，可能與S4和S6位于流溪河原河道附近的地理位置有關。建庫前的流溪河為峽谷地形中的山間河流，河道附近即為山體斜坡底部，在入庫河流和水庫用水形成的底流的共同作用下，原有未成巖的地表沉積物經(jīng)長時間浸泡后，易于被侵蝕并且搬運至斜坡底部再沉積下來。此外，水庫水位受人工調(diào)控，水位變化很大，在整個庫區(qū)會形成一個幾乎不長植被的消落帶，裸露的表土很容易被雨水沖刷搬運進入水庫，在近岸區(qū)或者斜坡底部沉積。

S3沉積柱位于河流入庫口，直接受河流搬運作用控制，端元2占主導；而S8的樣品深度未能達到建庫初期，后期沉積以端元2和端元3為主。S8位于水動力很弱的庫灣內(nèi)，沉積物以河流懸浮物和大氣降塵為主。這是由于該樣點遠離入庫口，搬運營力較弱，而較細的懸移物易于到達，主要包括河流攜帶來的陸源細顆粒懸移組分以及流域內(nèi)的大氣降塵，所以S8樣點的物源以端元3為主。

第Ⅲ時期（1990～1998年）：水庫處于穩(wěn)定期，以S4和S6的端元2占有比例逐漸增加為特征；同時S3的端元1的占有比例在1998年前后達50%，說明此時期河流搬運營力突然增強，可能與氣候變化和人類活動增強有關。據(jù)報道，1990年至2000年間，華南地區(qū)的降雨量、冬季極端降水強度和珠江流域洪水事件明顯上升［17，18］。加上1985年以來流溪河森林公園旅游業(yè)迅速發(fā)展，出現(xiàn)植被破壞和土地利用性質(zhì)改變，流域內(nèi)地表沉積物的侵蝕加劇，被搬運入庫的粗顆粒沉積物增加。同時，該時期各沉積柱中都見到對應于1998年的磁化率高峰值和最大的沉積速率，可能與1997～1998年厄爾尼諾現(xiàn)象之后國內(nèi)出現(xiàn)的特大洪水有關。據(jù)有關研究，這一時期珠江流域發(fā)生的20～50a一遇的洪水共13次，50a一遇的洪水3次［19］。極端降水可能導致了整個流溪河流域，特別是庫區(qū)裸露的消落帶出現(xiàn)大范圍、強烈的表土侵蝕，這些土壤顆粒的再沉積使得磁化率極大地升高［14］，從而可以作為流域乃至區(qū)域?qū)Ρ鹊闹匾獦酥緦游?，同時也可指示該流域內(nèi)的降雨強度。

第Ⅳ時期（1998年以來）：此階段以端元1所占比例的先降低后緩慢升高為特征，同時也伴隨著磁化率的先降低后緩慢回升的變化趨勢［14］，說明較上一時期極端洪水事件有所減少［19，20］，導致端元1的粗顆粒組分和磁化率下降。流域內(nèi)人類活動造成的土地利用性質(zhì)改變和水庫消落帶的侵蝕較以往更為強烈，外源輸入物增加，可能是造成磁化率回升和端元1比例增加的主要原因。此外，沉積速率的降低也印證了這一時期的河流輸入整體有所降低。由于S3沉積柱是采用CIC模式獲得平均沉積速率進行測齡，所以其沉積速率未表現(xiàn)出在其他3個沉積柱中出現(xiàn)的規(guī)律性變化。考慮其緊鄰入庫口的位置，其沉積速率在縱向上應該更為明顯地呈現(xiàn)“高－低－高－低”的變化規(guī)律，這有待引入其他測齡方法（如年紋層）去驗證。

3.2 庫灣區(qū)沉積特征

盡管S8的沉積速率自建庫以來變化很大（圖2），但是其沉積物顆粒分布特征基本保持穩(wěn)定，沉積物以懸移細顆粒為主，與其他3個沉積柱差異較大（圖4）。從地理位置看，S8位于庫灣區(qū)，受外界干擾少，搬運營力弱，粗顆粒物質(zhì)難以到達。與S3相比較，S8沉積環(huán)境更多地反映了較為穩(wěn)定的湖心沉積環(huán)境，其來源以端元3為主。由于庫灣區(qū)遠離入庫口，水動力由入庫口至大壩方向呈遞減趨勢，顆粒物由粗到細逐級沉降，懸移物質(zhì)能夠到達。懸移物質(zhì)包括河流搬運帶來的陸源細顆粒物質(zhì)和流域內(nèi)的大氣降塵，故S8沉積以端元3為主，具有典型的湖心沉積特征［2，21，22］。這說明，庫灣區(qū)受入庫河流影響較小，沉積環(huán)境穩(wěn)定，是研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的理想采樣區(qū)域。

4 結論

a.流溪河水庫的沉積物來源包括河流搬運、表土侵蝕及大氣降塵，其中河流搬運物質(zhì)是該水庫所有時期的主要物源。沿入庫河流至水庫大壩方向，沉積物顆粒由粗到細分布，庫區(qū)水動力逐漸減弱，即：河流區(qū)（S3）＞過渡區(qū)（S4和S6）＞庫灣區(qū)（S8）。

b.自建庫以來，水庫不同區(qū)域的主要沉積作用過程經(jīng)歷了明顯的演變。位于河流入庫口的S3主要受入庫河流較強的搬運營力和沉積作用的控制，端元2占主導。位于庫灣區(qū)的S8遠離入庫口，水動力很弱，主要沉積物來源為端元3。位于過渡區(qū)的S4和S6受較強河流水動力的影響，再加上建庫初期原來的地表沉積物被侵蝕、搬運并再沉積下來，經(jīng)歷了多重物源的影響，沉積物以端元1和端元2為主。

c.自1960年以來，受流域內(nèi)降水和人類活動的影響，整個庫區(qū)的沉積速率在縱向上從下到上依次呈現(xiàn)“高－低－高－低”的演變規(guī)律。

本研究得到廣東省科技計劃重點項目和NSFC-云南聯(lián)合重點基金的支持，野外采樣由暨南大學長期生態(tài)學實驗室全體成員共同完成，粒度測定中得到了夏偉和劉娟的幫助，粒度測試工作在中國科學院南海海洋研究所完成，作者在此一并向他們表示感謝。

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