淺水湖泊表層沉積物粒度垂向分布及其水動力表征

燕文明,劉 凌,錢 寶,楊艷青,吳挺峰,王 汗,,黃 列,

(1. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2. 長江水利委員會水文局,湖北 武漢 430010; 3. 南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008)

淺水湖泊表層沉積物粒度垂向分布及其水動力表征

燕文明1,劉 凌1,錢 寶2,楊艷青1,吳挺峰3,王 汗1,3,黃 列1,3

(1. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2. 長江水利委員會水文局,湖北 武漢 430010; 3. 南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008)

為揭示淺水湖泊表層沉積物粒度組成特征,解析沉積物粒度分布對沉積物物源和水動力的響應(yīng),并為淺水湖泊沉積物營養(yǎng)鹽分布特征研究提供支撐。利用激光法對里下河地區(qū)4個不同大小和形狀的淺水湖泊沉積物樣品的粒度進(jìn)行研究,結(jié)果表明:(a)研究區(qū)表層沉積物平均粒徑隨深度增加而減小;(b)面積大的湖泊表層沉積物的中值粒徑垂向分布差異較大;(c)面積大且寬的湖泊中的砂粒搬運(yùn)作用強(qiáng)于面積小且窄的湖泊;(d)對于面積較大的湖泊,湖心區(qū)砂粒含量高于湖泊周邊區(qū)域;(e)粒徑的三角分布圖顯示研究區(qū)表層沉積物顆粒大多落入壤粒和砂粒的范疇,表明研究區(qū)湖泊水動力活動較強(qiáng);(f)風(fēng)浪擾動較大的九龍口沉積物垂向分布連續(xù)性較差;(g)蜈蚣湖和得勝湖沉積物平均粒徑垂向分布變化不大,表明其水動力條件變化相對較小,與實(shí)際調(diào)查一致。

淺水湖泊;表層沉積物;粒度;垂向分布;水動力;里下河地區(qū)小型湖泊

圖1 里下河地區(qū)淺水湖泊粒度研究點(diǎn)位分布Fig. 1 Locations of grain size sampling points in shallow lakes of Lixiahe Region

粒度是沉積物重要物理特性之一,是沉積物分類的重要指標(biāo)。不同粒度的沉積物具有不同的比表面積、質(zhì)量、有機(jī)質(zhì)含量等,粒度的差異影響著營養(yǎng)鹽在沉積物-水界面上的遷移轉(zhuǎn)化過程,并影響沉積物吸附和釋放營養(yǎng)鹽的能力[1-3]。沉積物粒度受物源遠(yuǎn)近以及搬運(yùn)方式影響;反之,沉積物粒度的分布特征可以識別其所在環(huán)境的水動力狀況[4-5],判定沉積物的運(yùn)動方式[6],可以辨別沉積物的物源條件[7-8]。可見,沉積物粒度分析在研究粒徑趨勢、辨別水動力條件、區(qū)分沉積環(huán)境和判定物質(zhì)輸運(yùn)方式等方面具有重要作用。而已有的關(guān)于沉積物粒度分布特征的研究多集中在海洋和大型湖泊,且多是進(jìn)行空間差異對比研究,關(guān)于中小型湖泊沉積物粒徑垂向分布的研究較少。研究區(qū)域地處里下河腹部區(qū),位于淮河中下游,研究區(qū)內(nèi)溝、河、湖蕩面積眾多。據(jù)調(diào)查,近50年間里下河地區(qū)的湖蕩面積縮小了近95%,萎縮速度驚人。筆者選取該區(qū)域內(nèi)4個中小型淺水湖泊的沉積物樣品分層后進(jìn)行粒度分析,闡述沉積物粒度組成及粒度參數(shù)空間分布特征,解析中小型湖泊表層沉積物類型,探究其對沉積物物源和水動力的響應(yīng)。研究成果可為該區(qū)域湖泊沉積物營養(yǎng)鹽分布特征研究提供支撐。

1 樣品來源與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品來源

2012年9月采集里下河地區(qū)的蜈蚣湖、得勝湖、九龍口、大縱湖4個湖泊的沉積物原位柱狀樣,其中大縱湖3個(編號為DZ、DZ3、DZ5),九龍口3個(編號為JLK1、JLK3和JLK4),蜈蚣湖和得勝湖采樣點(diǎn)編號為WG和DS。采樣中全程采用GPS定位,采樣點(diǎn)分布見圖1。4個湖泊的平均深度、人類擾動方式、水質(zhì)情況等湖泊學(xué)屬性見表1。

表1 湖泊基本情況

1.2 粒度分析方法

激光法近年來被推廣應(yīng)用于粒度測量及粒型分析中[9-10],也是筆者進(jìn)行粒度測試的選用方法。為更好地反映沉積物的粒度分布特征,在上機(jī)測試之前需要去除樣品中的有機(jī)質(zhì)和鈣質(zhì)的影響。樣品的預(yù)處理步驟如下:(a)樣品的分散。取約1 g樣品放于小燒杯中,加入分散劑。分散劑的選擇:中性土加0.1 mol/L的草酸鈉5 mL,酸性土加0.1 mol/L的氫氧化鈉5 mL,一般樣品加入0.1 mol/L的六偏磷酸鈉溶液5 mL。(b)加入30%的過氧化氫2 mL除去有機(jī)質(zhì)。(c)加入0. 1 mol/L的稀鹽酸2 mL除去鈣質(zhì)膠結(jié)物。(d)超聲30 s洗去鹽分,靜置過夜。然后在激光粒度分析儀(LS13320,美國貝克曼公司)上測定沉積物粒徑。

2 沉積物粒度分布及其水動力表征

2.1 沉積物粒度等級分布特征

圖2 湖泊沉積物顆粒粒徑比例三角圖Fig. 2 Trianglular diagram of proportion of particle size in lake sediments

根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)[11],土壤結(jié)構(gòu)分類按照0～2.0 μm、2.0～20.0 μm和20.0～2 000 μm共3個粒徑將沉積物分為黏粒、壤粒和砂粒3個不同等級。結(jié)合8個采樣點(diǎn)垂向分層的沉積物粒徑分布,得出沉積物土壤類型分布特征。測點(diǎn)WG和DS的20 cm以上沉積物為壤粒;JLK1和JLK3表層6 cm以上為黏粒和壤粒的混合,6 cm到20 cm沉積物為壤粒;JLK4表層20 cm沉積物為黏粒和壤粒的混合;DZ、DZ3、DZ5表層4 cm以上以黏粒和砂粒的混合為主,DZ、DZ3表層4 cm以下為壤粒,DZ5表層4 cm以下沉積物是黏粒和砂粒的混合。

研究區(qū)湖泊沉積物3個不同等級比例如圖2所示。由圖2可知,表層粒徑較大的部分沉積物顆粒落入砂粒的范疇,但大部分沉積物顆粒屬于壤粒。圖2從下往上顯示依次反映了沉積物由表層向深層的沉積物顆粒分布情況。由于壤粒具有較大的比表面積,對氨氮具有較強(qiáng)的吸附能力,因此導(dǎo)致沉積物對氨氮的吸附容量較大,從而沉積物在一定程度上是氨氮的“匯”,對于本研究區(qū)而言,含量較多的壤?？赡軙鸪练e物中氨氮的富集。

2.2 沉積物中值粒徑和平均粒徑垂向分布與水動力特征分析

平均粒徑M可以用來反映粒度分布的聚集趨向,并能夠表達(dá)搬運(yùn)營力的平均動能[12]。所選研究點(diǎn)沉積物中值粒徑D50和M的垂向分布情況如圖3所示。

D50和M可以用來表示顆粒分布的集中趨勢。式(1)中D16、D50、D84分別表示在測試樣品粒度分布范圍內(nèi),體積分?jǐn)?shù)為16%、50%、84%的粒徑。

(1)

圖3 湖泊沉積物顆粒D50和M垂直分布Fig. 3 Vertical distribution of median grain diameter D50 and average particle size M in lake sediments

由圖3可知,蜈蚣湖、得勝湖和九龍口沉積物D50隨深度的增加變化不大。九龍口呈現(xiàn)鋸齒狀變化,但中值粒徑約是DS同一分層處的2倍左右,位于9.69～23.38 μm之間,這可能是因?yàn)榫琵埧谑且粋€寬淺湖泊,風(fēng)浪擾動較大,多條河流注入使湖泊沉積物擁有多種物源供應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致沉積物垂向分布連續(xù)性較差。DZ和DZ3的中值粒徑垂向分布差異較大,尤其是表層8 cm以上,隨著深度的增加而減小,下層沉積物的平均粒徑明顯小于上層。分析原因可能是因?yàn)镈Z和DZ3在幾十年前離物源較遠(yuǎn),大部分沉積物經(jīng)過長期的水力過程到達(dá)此處再進(jìn)一步沉積下來,而到了當(dāng)代,表層沉積物平均粒徑顯著增加,顯示湖泊面積萎縮,物源靠近,2個采樣點(diǎn)分別處于入湖口和出湖口的位置,沉積環(huán)境受人類活動的影響更明顯。DZ5的表層沉積物中值粒徑最大,達(dá)到66 μm,整體呈現(xiàn)隨深度增加而減小的趨勢,可能是由于湖泊沉積物固有物理特性所決定的,該采樣點(diǎn)位于湖心區(qū),受人類活動影響較小(該采樣點(diǎn)沉積物土壤質(zhì)地明顯不同于其他采樣點(diǎn))。

8個采樣點(diǎn)的平均粒徑隨深度增加而降低,其中大縱湖的平均粒徑垂向變幅較大。WG、DS沉積物平均粒徑變化不大,表明影響這2個采樣點(diǎn)處的動力條件變化不大,其粒級百分含量的變化反映陸源物質(zhì)輸運(yùn)的變化,該結(jié)果與實(shí)際調(diào)查相一致。蜈蚣湖和得勝湖水面面積較小,水面呈狹長形,WG和DS受到的風(fēng)浪擾動小于湖心區(qū)的JLK4和DZ5。DZ和DZ5表層沉積物的平均粒徑相對較大且隨深度增加呈現(xiàn)明顯的降低,DZ沉積物的平均粒徑垂向變幅明顯大于DZ5,表明這兩者對環(huán)境變化都較敏感,且DZ的沉積物比DZ5敏感。DZ位于大縱湖的出湖口,受水動力條件影響,其沉積物主要來自于大縱湖,這也是該采樣點(diǎn)與DZ5平均粒徑垂向分布特征相似的原因。而DZ3位于大縱湖的南部入湖口,其沉積物組分主要來自上游河流的沖刷,平均粒徑垂向分布特征不同于DZ和DZ5。

8個采樣點(diǎn)的平均粒徑介于14～129 μm之間,其中,DZ3和DZ5表層4 cm以上沉積物平均粒徑高于其他6個采樣點(diǎn)。水動力條件、物質(zhì)來源及底質(zhì)環(huán)境的變化等因素共同影響著沉積物粒度的空間分布特征,進(jìn)而導(dǎo)致了沉積物粒徑垂向分布呈現(xiàn)鋸齒狀變化。對于蜈蚣湖、得勝湖、九龍口湖泊的5個采樣點(diǎn)以及大縱湖的DZ和DZ3,沉積物粒度主要受地表徑流、河流沖刷以及降雨等多因素的影響,陸源碎屑物是這7個采樣點(diǎn)處底質(zhì)的主要物質(zhì)來源,進(jìn)而使底質(zhì)粒度組成較復(fù)雜,顆粒粒度的垂向分布也會發(fā)生明顯的不均勻變化;DZ5位于湖心區(qū),沉積物來源比較單一,沉積物粒度主要受到波浪擾動、自身物理特征和降雨等因素的影響,粒徑的垂向分布曲線相對較為平滑。

2.3 不同類型沉積物垂向分布及其水動力表征

由圖4可見,8個采樣點(diǎn)粒徑分布不均勻,砂粒組分所占比例順序?yàn)?蜈蚣湖<得勝湖<九龍口<大縱湖;黏粒組分所占比例順序?yàn)?大縱湖<九龍口<蜈蚣湖<得勝湖;壤粒組分所占比例順序?yàn)?大縱湖<九龍口<蜈蚣湖<得勝湖。黏粒的粒徑較小,密度也相對較小,代表了水體沉積物中可被再懸浮部分,是水體懸浮物的主要成分。DZ和DZ3中黏粒隨深度的增加而增加,其他6個采樣點(diǎn)黏粒含量變幅較小;除WG外,其他7個采樣點(diǎn)壤粒隨深度的增加而增加,砂粒隨深度的增加而降低,其中DZ的壤粒和砂粒的垂向變幅最大。

不同粒度組分在沉積過程中的行為和動力學(xué)性質(zhì)是不同的[13],黏粒和壤粒屬于懸浮組分,一般呈垂向加積,是弱水動力的標(biāo)志[14];沉積物中粒徑較大的砂粒等一般作為推移組分,在機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用過程中一般呈側(cè)向加積,反映了該粒徑沉積物所在環(huán)境為較強(qiáng)的水動力環(huán)境。大縱湖水面面積較大,容易受到風(fēng)浪擾動的影響,且擾動力較大。而蜈蚣湖和得勝湖為河道型湖泊,由風(fēng)浪帶來的水動力較弱,進(jìn)而使大縱湖表層沉積物中砂粒等粗顆粒組分所占比例較大,壤粒和黏粒等細(xì)顆粒組分相對較小,這一點(diǎn)與尉建功等[15]對海域表層沉積物粒度的研究類似,其研究指出砂質(zhì)海岸的沉積物動力過程主要受波浪控制,底質(zhì)粒度不僅受水文水動力的影響,也會受到流域物源的影響[1]。在里下河地區(qū),面積大且寬闊的湖泊容易形成大的風(fēng)浪,加速砂粒沉積物的搬運(yùn)過程,增加表層沉積物中砂粒的含量。對于該區(qū)域中面積最大的大縱湖而言,風(fēng)浪較大的湖心區(qū)沉積物中的砂粒含量多于湖的南部和北部。因此,大面積湖泊沉積物中砂粒含量明顯多于小且窄的湖泊,粒度分布情況更容易被改變。而位于底層的沉積物可能是幾十年前的產(chǎn)物,當(dāng)時的水文、河湖聯(lián)通與現(xiàn)在可能不同,湖泊的大小和形狀也會間接改變湖泊表層沉積物顆粒的分布情況。

圖4 湖泊沉積物顆粒黏粒、壤粒、砂粒垂直分布Fig.4 Vertical distribution of clay, silt, and sand in lake sediments

3 結(jié) 論

a. 蜈蚣湖、得勝湖、九龍口沉積物中值粒徑隨深度變化不大,8個采樣點(diǎn)沉積物的平均粒徑垂向呈現(xiàn)隨深度增加而降低的趨勢,各采樣點(diǎn)的差異反映了對環(huán)境的變化敏感程度。

b. 湖泊的大小和形狀間接影響了沉積物顆粒分布,面積大且寬的湖泊中的砂粒搬運(yùn)作用強(qiáng)于面積小且窄的湖泊;對于面積較大的湖泊,湖心區(qū)砂粒含量高于周邊區(qū)域。

c. 蜈蚣湖和得勝湖平均粒徑變化不大,表明該處水動力條件變化不大,與實(shí)際調(diào)查一致;沉積物來源較為單一的大縱湖湖心區(qū)粒徑垂向分布曲線較平滑;風(fēng)浪擾動較大,多條河流注入使九龍口沉積物擁有多種物源供應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致了沉積物垂向分布連續(xù)性較差。

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Vertical distribution of particle size and hydrodynamic characterization of surface sediments in shallow lakes

YAN Wenming1，LIU Ling1，QIAN Bao2，YANG Yanqing1，WU Tingfeng3，WANG Han1,3，HUANG Lie1,3

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.HydrologyBureauofChangjiangWaterResourcesCommission,Wuhan430010,China3.NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China)

In order to investigate the composition of particle size of surface sediments in shallow lakes, the response of particle size distribution to the source and hydrodynamic characteristics of sediments, and the distribution characteristics of nutrients in sediments of shallow lakes, the particle size of sediment samples from four shallow lakes with different sizes and shapes in the Lixiahe Region were studied. The results are as follows: (a) The average particle size of the surface sediments in the study area decreases with the increase of depth. (b) The vertical distribution of the median grain diameter of the surface sediments in large lakes is significantly different. (c) The transportation capacity for sands of large and wide lakes is stronger than that of small and narrow lakes. (d) For a large lake, the sand content in the central area is higher than in the surrounding area of the lake. (e) The triangular distribution chart of particle size shows that the surface sediments mostly fall into the categories of silt loam and sandy loam, indicating that the hydrodynamic activity of the lakes in the study area is strong. (f) Poor continuity in the vertical distribution of sediments occurs in Jiulongkou Lake with a large amount of wind disturbance. (g) The vertical distribution of the average particle size of sediments in Wugong Lake and Desheng Lake does not change significantly, indicating that hydrodynamic conditions rarely change. These results agree with the field investigations.

shallow lake; surface sediment; grain size; vertical distribution; hydrodynamics; small lakes in Lixiahe Region

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.04.010

2016-05-30

國家自然科學(xué)基金(41301531,41471021,51279060)

燕文明(1982—),女,江蘇沛縣人,高級實(shí)驗(yàn)師,博士,主要從事環(huán)境水文及水環(huán)境保護(hù)研究。E-mail:ywm0815@163.com

吳挺峰,副研究員。E-mail:tfwu@niglas.ac.cn

X17;X524

A

1000-1980(2017)04-0345-05