太湖表層沉積物粒度組成時(shí)空分布特征及分類命名

侯 俊，王 超，王沛芳，錢 進(jìn)

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

沉積物的粒度組成反映了沉積物粒徑大小及級(jí)配分布，對(duì)沉積物的表面物理化學(xué)性質(zhì)、比表面積和表面自由能有重要影響，進(jìn)而影響其對(duì)污染物的吸附、解吸和遷移，是影響沉積物中污染物含量最重要的控制參數(shù)之一［1］。研究顯示，重金屬、磷等更傾向被吸附和分布于細(xì)顆粒物質(zhì)中，其歸趨和遷移過(guò)程更多地受沉積物粒度效應(yīng)而非沉積物整體的影響［2-4］。其次，由于不同粒徑沉積物中污染物的毒性和生物有效性不一樣［5］，因此，在沉積物中污染物分布特征、沉積物生物有效性和毒性效應(yīng)、沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)等研究中，沉積物粒度特征分析和校正是相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)［6］。其中，采用伍登-溫特華斯(Udden-Wentworth)分級(jí)方案進(jìn)行粒度劃分，以小于0.063 mm粒級(jí)作為沉積物重金屬研究介質(zhì)，可減少粒徑分布對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，解決了不同樣品重金屬含量可比性的焦點(diǎn)問(wèn)題，在國(guó)外得到充分研究［7］。

國(guó)內(nèi)沉積物污染研究中對(duì)沉積物粒度劃分的方法不統(tǒng)一［8-9］，沒(méi)有統(tǒng)一到小于0.063 mm標(biāo)準(zhǔn)粒級(jí)，已有數(shù)據(jù)資料與世界文獻(xiàn)的大部分?jǐn)?shù)據(jù)可比性不強(qiáng)。因此，本文采用目前國(guó)際上廣泛應(yīng)用的伍登-溫特華斯分級(jí)方案和?？?Folk)命名法，開(kāi)展了太湖表層沉積物粒度組成特征及其在不同湖區(qū)和不同季節(jié)的分布規(guī)律研究，旨在為我國(guó)探尋污染物在沉積物中的賦存特征和制定沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)提供沉積物粒度組成方面的基本依據(jù)，使研究結(jié)果與國(guó)際研究具有可比性。

1 研究區(qū)域與采樣點(diǎn)分布

根據(jù)地理位置、底泥狀況及水質(zhì)情況，將太湖劃分為梅梁灣、竺山灣、貢湖灣、湖心區(qū)、西部沿岸區(qū)、南部沿岸區(qū)、東太湖和東部沿岸區(qū)8個(gè)湖區(qū)，每個(gè)湖區(qū)設(shè)置若干采樣點(diǎn)，共計(jì)34個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)。于2009年4月24—28日(春季平水期)、7月2—6日(夏季豐水期)、9月18—22日(秋季平水期)和2010年1月2—27日(冬季枯水期)開(kāi)展4次采樣工作，采樣點(diǎn)用 Magellan Explorist 500型GPS定位。

利用彼得森采泥器采集全太湖34個(gè)點(diǎn)位的表層沉積物樣品(0 ～10 cm)，其中 HX 26，HX27，GH24，HX29 均未采集到沉積物樣品。采集的樣品保存于潔凈的聚乙烯瓶中(排出空氣)迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，取適量濕沉積物樣品于50 mL燒杯中，加入適量蒸餾水，再加入5 mL H2O2(30%)并靜置過(guò)夜以去除有機(jī)質(zhì)，次日加入5 mL分散劑(含3.3%六偏磷酸鈉)做超聲波振蕩，后采用激光粒度分析儀(庫(kù)爾特LS13320)進(jìn)行沉積物粒度分析。

圖1 研究區(qū)域與采樣點(diǎn)分布Fig.1 Study area and sampling sites

2 太湖不同湖區(qū)表層沉積物粒度組分分布特征

根據(jù)國(guó)際上應(yīng)用較廣的伍登-溫特華斯的粒度分級(jí)方案(2的幾何級(jí)數(shù)制，即:沙(2～0.063 mm)、粉沙(0.063～0.0039 mm)和黏土(＜0.0039 mm))對(duì)太湖表層沉積物進(jìn)行粒度分析。

太湖表層沉積物粒級(jí)劃分結(jié)果如表1所示。各湖區(qū)表層沉積物各粒級(jí)組成都呈現(xiàn)相同的規(guī)律:大部分為粉沙(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.62% ～75.54%)，沙和黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相近(分別為8.67% ～27.61%和7.67% ～17.95%)。但沙、粉沙和黏土各粒級(jí)在各湖區(qū)中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有不同:沙含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的最低值出現(xiàn)在西部沿岸區(qū)XB17(8.67%);東太湖、貢湖灣東南沿岸的沙含量相對(duì)較高(20%以上)，最高值出現(xiàn)在貢湖灣GH3點(diǎn)(27.61%)，全湖沙含量的平均值為15.00%。粉沙含量的最低值出現(xiàn)在貢湖灣GH3點(diǎn)(62.62%)，最高值出現(xiàn)在竺山灣ZS14點(diǎn)(75.54%)，全湖粉沙含量的平均值為71.48%;黏土含量最低值出現(xiàn)在東太湖DT33點(diǎn)(7.67%)，最高值出現(xiàn)在貢湖灣GH5點(diǎn)(17.95%)，全湖黏土含量的平均值為13.52%。

小于0.063 mm粒級(jí)部分代表了水體顆粒物中的粉沙和黏土部分，代表了水體沉積物中可被再懸浮部分，也是水體懸浮物的主要成分?？傮w上，太湖各湖區(qū)表層沉積物中小于0.063 mm的組分所占比例的順序?yàn)?西部沿岸區(qū)＞東部沿岸區(qū)＞梅梁灣＞湖心區(qū)＞竺山灣＞南部沿岸區(qū)＞貢湖灣＞東太湖，其中，東太湖、貢湖灣東南沿岸沉積物中粒徑小于0.063 mm的組分所占比例顯著低于其他湖區(qū)(p＜0.05)，表明東太湖、貢湖灣沉積物中粗顆粒物質(zhì)較多?？梢?jiàn)，太湖表層沉積物中粒徑小于0.063 mm的組分在各個(gè)湖區(qū)分布不均勻，因此，進(jìn)行太湖沉積物污染研究時(shí)需考慮不同湖區(qū)沉積物粒度組成差異對(duì)污染物分布的影響。

表1 太湖表層沉積物各粒級(jí)組成和平均粒徑Table 1 Granulometric composition and mean particle sizes of surface sediments in Taihu Lake

平均粒徑(粒度平均值)代表粒度分布的集中趨勢(shì)，代表搬運(yùn)營(yíng)力的平均動(dòng)能。太湖表層沉積物各采樣點(diǎn)的平均粒徑為0.025～0.139 mm，大部分在0.03 mm左右;全湖的平均粒徑為0.047 mm。其中，東太湖、貢湖灣東南沿岸沉積物的平均粒徑顯著高于其他湖區(qū)(p＜0.05)。粒度時(shí)空分布格局的影響因素很復(fù)雜，受水動(dòng)力強(qiáng)弱、物質(zhì)來(lái)源及沉積環(huán)境的變化等多方面因素的影響［10］，太湖不同湖區(qū)沉積物的粒度分布機(jī)理需要進(jìn)一步深入研究。

3 不同季節(jié)太湖表層沉積物粒度組成特征

太湖表層沉積物各粒級(jí)組成在不同季節(jié)的變化如圖2所示，其中黏土組分(＜0.003 9 mm)在夏季顯著高于其他季節(jié)(p＜0.05)，粉沙組分(0.003 9～0.063 mm)在春季顯著高于其他季節(jié)(p＜0.05)，沙組分(0.063～2 mm)在秋冬季顯著高于春夏季(p＜0.05)。對(duì)于粒徑小于0.063 mm的組分，春季(4月)所占比例在各季節(jié)中最大(84.74% ～98.94%，平均值為91.43%)，夏季所占比例次之(69.70% ～99.71%，平均值為90.04%)，秋季所占比例(51.42% ～93.74%，平均值為79.68%)和冬季所占比例較低(43.46%～88.70%，平均值為78.88%左右)。因此，太湖沉積物污染研究時(shí)需考慮不同季節(jié)沉積物粒度組成差異對(duì)污染物分布的影響。

不同季節(jié)太湖表層沉積物各粒級(jí)組成的變化顯示了太湖不同季節(jié)水動(dòng)力情況的差異，太湖春季風(fēng)的頻率和強(qiáng)度較小，而其他季節(jié)特別是夏秋季節(jié)風(fēng)的頻率和強(qiáng)度都比較大，風(fēng)擾動(dòng)造成粒度小的沉積物顆粒懸浮起來(lái)，同時(shí)增加了對(duì)湖岸的侵蝕而造成粗顆粒物質(zhì)增多，因而使夏、秋、冬季粗顆粒組分的比例增加、細(xì)顆粒組分的比例減少。

4 太湖沉積物粒度分類命名探討

常用的沉積物粒度分類命名方法包括優(yōu)勢(shì)粒級(jí)法、謝帕德法、福克法等［11］。我國(guó)20世紀(jì)90年代以前基本上都使用優(yōu)勢(shì)粒級(jí)法，之后為了便于交流開(kāi)始采用國(guó)際上流行的謝帕德法和?？朔?。但由于謝帕德法其分類沉積物范圍的局限性(無(wú)礫沉積物分類)、分類圖解相對(duì)的復(fù)雜性和分類邊界劃分的相對(duì)主觀性，以及缺乏對(duì)沉積環(huán)境的表現(xiàn)性，目前正在被?？朔ㄋ〈?2］。?？朔ㄓ捎谄涑练e物分類的完整性、分類圖解的簡(jiǎn)潔性及適用性、分類邊界劃分的客觀性，能夠很好地反映沉積物的水動(dòng)力環(huán)境及成因，正在被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外地質(zhì)工作者所接受。目前文獻(xiàn)中太湖沉積物粒度分類命名多采用傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)粒級(jí)法［13］，容易造成文獻(xiàn)理解和學(xué)術(shù)交流上的困難。筆者擬采用?？朔▽?duì)太湖8個(gè)湖區(qū)的無(wú)礫沉積物樣品進(jìn)行分類，結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同時(shí)期太湖表層沉積物各粒級(jí)組成Fig.2 Granulometric composition of surface sediments in Taihu Lake in different seasons

根據(jù)圖3對(duì)太湖沉積物進(jìn)行定名，結(jié)果如表2所示，研究區(qū)的123個(gè)表層無(wú)礫樣品主要可以分成沙質(zhì)粉沙和粉沙，個(gè)別樣點(diǎn)為粉沙質(zhì)沙和泥。

圖3 太湖表層沉積物?？朔ǚ诸愂疽鈭DFig.3 Classification of surface sediments in Taihu Lake by Folk method

分析圖2、圖3和表2可知，春季太湖表層沉積物以粉沙為主，主要分布在梅梁灣、西部沿岸區(qū)、湖心區(qū)、東部沿岸區(qū)、貢湖東南部等;秋冬季太湖表層沉積物基本全部為沙質(zhì)粉沙。沉積學(xué)的研究已經(jīng)證明［14］，不同粒度組分在沉積過(guò)程中的行為和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)是不同的，礫、沙等粗粒沉積物為推移組分，在機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用過(guò)程中一般呈側(cè)向加積，是較強(qiáng)水動(dòng)力的標(biāo)志;粉沙和黏土屬于懸浮組分，一般呈垂向加積，是弱水動(dòng)力的標(biāo)志［15］。太湖表層沉積物類型的這種季節(jié)差異性，即春季標(biāo)志相對(duì)較弱水動(dòng)力的以粉沙為主、秋冬季標(biāo)志相對(duì)較強(qiáng)水動(dòng)力的全部為沙質(zhì)粉沙，顯示了不同季節(jié)水動(dòng)力條件變化對(duì)表層沉積物的影響。

表2 ?？朔ǚ诸惖奶韺映练e物類型及粒度參數(shù)Table 2 Types of surface sediments in Taihu Lake classified by Folk method and granulometric parameters

5 結(jié) 語(yǔ)

a.太湖表層沉積物各采樣點(diǎn)的平均粒徑為0.025～0.139 mm，全湖平均粒徑為0.047 mm;沉積物粒級(jí)組成大部分為粉沙(62.62% ～75.54%)，沙和黏土的含量相近(分別為8.67% ～27.61%和7.67% ～17.95%);總體上，各湖區(qū)表層沉積物中粒徑小于0.063 mm的組分所占比例次序?yàn)?西部沿岸區(qū)＞東部沿岸區(qū)＞梅梁灣＞湖心區(qū)＞竺山灣＞南部沿岸區(qū)＞貢湖灣＞東太湖。

b.春季(4月)太湖表層沉積物中粒徑小于0.063 mm的組分所占比例在各季節(jié)中最大(84.74% ～98.94%，平均值為91.43%)，夏季所占比例次之(69.70% ～99.71%，平均值為90.04%)，秋季所占比例(51.42% ～93.74%，平均值為79.68%)和冬季所占比例較低(43.46% ～88.70%，平均值為78.88%)。

c.?？朔诸惙ǖ慕Y(jié)果顯示，研究區(qū)的123個(gè)表層無(wú)礫樣品主要可以分成沙質(zhì)粉沙(84個(gè))和粉沙(37個(gè))，個(gè)別樣點(diǎn)為粉沙質(zhì)沙(1個(gè))和泥(1個(gè))。

d.考慮到太湖沉積物中粒徑小于0.063 mm的組分在不同湖區(qū)和不同季節(jié)存在差異，進(jìn)行太湖沉積物污染研究時(shí)需考慮不同湖區(qū)和不同季節(jié)沉積物粒度組成差異對(duì)污染物分布的影響。

e.本文描述的是太湖表層沉積物在1a中不同季節(jié)水動(dòng)力、物源供給等多種因素作用后的分布特征，若要獲得各季節(jié)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，還需對(duì)目前的樣品采集方法與采樣工具精度進(jìn)行改進(jìn)。

［1］吳俊鋒，謝飛，陳麗娜，等.太湖重污染湖區(qū)底泥沉積物特性［J］.水資源保護(hù)，2011，27(4):74-78.(WU Junfeng，XIE Fei，CHEN Lina，et al.Characteristics of bottom sediment in heavily polluted area of Taihu Lake［J］.Water Resources Protection，2011，27(4):74-78.(in Chinese))

［2］HOSSS，HAITZER M，TRAUNSPURGER W，et al.Influence of particle size distribution and content of organic matter on the toxicity of copper in sediment bioassays using caenorhabditis elegans(nematoda)［J］.Water，Air and Soil Pollution，1997，99(1/4):689-695.

［3］LEE SJ，KIM J H，CHANG Y S，et al.Characterization of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans in different particle size fractions of marine sediments［J］.Environmental Pollution，2006，144(2):554-561.

［4］WANG Shengrui，JIN Xiangcan，BU Qingyun，et al.Effects of particle size，organic matter and ionic strength on the phosphate sorption in different trophic lake sediments［J］.Journal of Hazardous Materials，2006，128(2/3):95-105.

［5］CUONG N D，DANIEL S，NAM I C，et al.The effect of particle size on the bioavailability of estrogenic chemicals from sediments［J］.Chemosphere，2009，76(3):395-401.

［6］ CHEN Yunzeng，YANG Hao，ZHANG Zhenke，et al.Application of equilibrium partitioning approach to the derivation of sediment quality guidelines for metals in dianchi Lake［J］.Pedosphere，2007，17(3):284-294.

［7］陳靜生，王飛越，陳江麟.論小于63μm粒級(jí)作為水體顆粒物重金屬研究介質(zhì)的合理性及有關(guān)粒級(jí)轉(zhuǎn)換模型研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1994，14(4):419-425.(CHEN Jingsheng，WANG Feiyue，CHEN Jianglin.Relation of aquatic particulate grain size to heavy metals concentrations in eastern chinese rivers［J］.Acta Scientiae Circumstntiae，1994，14(4):419-425.(in Chinese))

［8］余源盛.太湖底質(zhì)與湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)系［C］//中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所集刊.北京:科學(xué)出版社，1992:48-62.

［9］范成新，張路.太湖沉積物污染與修復(fù)原理［M］.北京:科學(xué)出版社，2009:65-68.

［10］牛紅義，吳群河，陳新庚.珠江(廣州河段)表層沉積物粒度分布特征［J］.生態(tài)環(huán)境，2007，16(5):1353-1357.(NIU Hongyi，WU Qunhe，CHEN Xingeng.Grain size distributional characteristics of the surface sediments in the Pearl River(Guangzhou section)［J］.Ecology and Environment，2007，16(5):1353-1357.(in Chinese))

［11］趙東波.常用沉積物粒度分類命名方法探討［J］.海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài)，2009，25(8):41-46.(ZHAO Dongbo.Study on commonly used classification methods of sediment granulometric［J］.Marine Geology Letters，2009，25(8):41-46.(in Chinese))

［12］王中波，楊守業(yè)，張志.兩種碎屑沉積物分類方法的比較［J］.海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài)，2007，23(3):36-40.(WANG Zhongbo，YANG Shouye，ZHANG Zhi.Comparison of two classification methods of clastic sediments［J］.Marine Geology Letters，2007，23(3):36-40.(in Chinese))

［13］秦伯強(qiáng)，胡維平，陳偉民，等.太湖水環(huán)境演化過(guò)程與機(jī)理［M］.北京:科學(xué)出版社，2004:170.

［14］王中波，何起祥，楊守業(yè)，等.謝帕德和?？怂樾汲练e物分類方法在南黃海表層沉積物編圖中的應(yīng)用與比較［J］.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2008，28(1):1-8.(WANG Zhongbo，HE Qixiang，YANGShouye，et al.Comparison and application of shepard’s and folk’s classifications to the subsurface mapping in the southyellow sea［J］.Marine Geology ＆ Quaternary Geology，2008，28(1):1-8.(in Chinese))

［15］湯露露，王鵬，姚琪.太湖湖流、波浪、沉積物的三維數(shù)值模擬［J］.水資源保護(hù)，2011，27(2):1-5.(TANG Lulu，WANG Peng，YAO Qi.Three-dimensional numerical simulation of current，waves and sediment transport in Taihu Lake［J］.Water Resources Protection，2011，27(2):1-5.(in Chinese))