基于粒徑和 137Cs的三峽水庫(kù)消落帶泥沙來(lái)源示蹤研究

，(.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 00083；.中國(guó)科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 6004)

1 研究背景

消落帶是位于陸地與水體之間、受到水位漲落影響的各種地貌單元的總和[1-2]，體現(xiàn)為河流與陸地交替控制這一區(qū)域，因而具有水域和陸地雙重屬性，在景觀生態(tài)學(xué)中屬于典型的生態(tài)交錯(cuò)帶[3-4]。泥沙淤積在消落帶地貌演化、生物與地球化學(xué)循環(huán)和改變生物多樣性等方面均發(fā)揮了重要作用，因而受到越來(lái)越多的關(guān)注。首先，泥沙淤積為消落帶地貌演化過(guò)程提供了最直接的物質(zhì)來(lái)源，使消落帶上逐漸形成了包括河漫灘、河流階地與臺(tái)地等諸多平坦地貌形態(tài)，體現(xiàn)出對(duì)消落帶地貌特征的決定作用[5-7]；其次，泥沙淤積過(guò)程是生物與地球化學(xué)循環(huán)的重要載體，在細(xì)顆粒泥沙強(qiáng)大的吸附作用下，有機(jī)質(zhì)與養(yǎng)分[8-9]、痕量元素[10]以及農(nóng)業(yè)面源污染物質(zhì)[11]均在各自循環(huán)體系中實(shí)現(xiàn)了從陸地到水體的遷移；第三，泥沙淤積直接造成消落帶地表的透光度與透氧度下降，使得底棲動(dòng)物的生活環(huán)境遭到破壞、生存空間遭到擠壓，同時(shí)造成植物衰亡，消落帶生態(tài)系統(tǒng)多樣性進(jìn)一步降低[12-14]。因此，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)泥沙淤積問(wèn)題、辨析泥沙沉積規(guī)律，對(duì)于改善消落帶生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。泥沙沉積的下墊面條件與泥沙來(lái)源是影響泥沙淤積的兩大關(guān)鍵因素。就下墊面條件而言，緩坡消落帶積蓄泥沙的能力通常比陡坡高出不少；而寬闊河面有利于水流降速，同樣能夠加劇泥沙淤積。泥沙來(lái)源則是泥沙淤積的物質(zhì)基礎(chǔ)，同等水文與下墊面條件下，物源數(shù)量的多少能夠決定沉積量的大小。

粒徑特征是泥沙的重要物理性質(zhì)之一，由于水流對(duì)土壤與泥沙顆粒的分選過(guò)程，使其在解譯坡面與河道侵蝕過(guò)程信息、判斷泥沙來(lái)源上發(fā)揮了重要作用[15]。作為一種人工放射性同位素，137Cs通過(guò)干濕沉降到達(dá)地表后，能夠快速、強(qiáng)烈地被土壤顆粒吸附且不發(fā)生任何交換，因此在量化土壤侵蝕、示蹤泥沙來(lái)源的研究方面受到長(zhǎng)期關(guān)注[16-17]。目前三峽庫(kù)區(qū)泥沙來(lái)源問(wèn)題的研究在小流域尺度上取得了初步結(jié)論，已查明農(nóng)業(yè)耕地是侵蝕產(chǎn)沙的首要來(lái)源，林地對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)則相對(duì)小很多[18]。對(duì)于大空間尺度下的消落帶沉積物而言，王彬儼等[19]已經(jīng)通過(guò)三峽水庫(kù)消落帶沉積物粒徑的空間變異特征，對(duì)消落帶沉積物的來(lái)源進(jìn)行了分析。盡管粒徑特征在物源示蹤過(guò)程中存在一定的便利性，但其局限性也比較明顯。為了應(yīng)對(duì)這種局限性，本文選擇將粒徑特征與137Cs相結(jié)合進(jìn)行雙因子示蹤，以期彌補(bǔ)粒徑特征在泥沙遷移與示蹤研究中存在的不足，通過(guò)更加充分地研究三峽水庫(kù)消落帶沉積泥沙來(lái)源問(wèn)題，豐富了對(duì)三峽水庫(kù)泥沙輸移規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為深入了解三峽水庫(kù)消落帶生態(tài)環(huán)境特征提供了參考。

2 研究區(qū)概況

三峽水庫(kù)位于長(zhǎng)江上游四川盆地東部，地理坐標(biāo)為28°10′N(xiāo)—31°13′N(xiāo)，105°11′E—110°38′E。庫(kù)區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均降水量1 120 mm；年平均氣溫16.3～18.2 ℃；無(wú)霜期300～340 d；大部分地區(qū)年日照時(shí)數(shù)為1 200～1 600 h。根據(jù)三峽水庫(kù)水位運(yùn)行調(diào)度安排，每年10—12月，水庫(kù)蓄水至高水位175 m以滿足發(fā)電需求，每年6—8月則回落至低水位145 m以滿足防洪需求，每年如此循環(huán)往復(fù)，從而形成垂直落差達(dá)到30 m的消落帶。受此影響，這一區(qū)域的生態(tài)環(huán)境發(fā)生巨大變化，泥沙在消落帶上大量沉積，使得萌芽能力強(qiáng)的草本植物迅速占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其中以一年生草本植物為主；水淹時(shí)間上的顯著差異，造成消落帶不同高程區(qū)間的土壤重度、含水量、pH值、有機(jī)質(zhì)和氮磷元素等理化特征發(fā)生分化。

三峽水庫(kù)消落帶總面積344.24 km2，其中，高程在145～155，155～165，165～175 m的消落帶面積分別占總面積24.58%，33.41%，42.02%；中部涪陵至奉節(jié)河段約占水庫(kù)河道總長(zhǎng)50%，形成的消落帶面積約占庫(kù)區(qū)總量的68%，是水庫(kù)消落帶分布較為集中的區(qū)域；坡度≤25°的消落帶面積為263.7 km2，占總面積的79.50%，可見(jiàn)，三峽水庫(kù)消落帶以緩坡為主[20-22]。

3 研究方法

3.1 樣品采集

根據(jù)長(zhǎng)江三峽河道的形態(tài)與流向特征，在兼顧變動(dòng)回水區(qū)與常年庫(kù)區(qū)、長(zhǎng)江左右岸的條件下，選擇江津城區(qū)、釣魚(yú)嘴、郭家沱、木洞鎮(zhèn)、長(zhǎng)壽城區(qū)、藺市鎮(zhèn)、南沱鎮(zhèn)、任家鎮(zhèn)、石寶鎮(zhèn)、萬(wàn)州城區(qū)、小周鎮(zhèn)、奉節(jié)永樂(lè)鎮(zhèn)、巫山南陵鄉(xiāng)、巴東城區(qū)和秭歸屈原鎮(zhèn)共15處典型消落帶，在各消落帶H=(148±2)m范圍內(nèi)布設(shè)采樣點(diǎn)。由于變動(dòng)回水區(qū)H=148 m高程帶被河水淹沒(méi)，故選擇在江岸線3 m范圍內(nèi)擇優(yōu)布設(shè)采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)分布情況如圖1所示。

圖1 典型消落帶采樣點(diǎn)分布Fig.1 Locations of sediment sampling sites in riparian zone

此外，選擇涪陵藺市鎮(zhèn)、忠縣任家鎮(zhèn)和巴東3個(gè)典型消落帶斷面，在每斷面上另選3～4個(gè)位于不同高程的特征采樣點(diǎn)，用于分析沉積物粒徑與137Cs活度的高程變化特征。其中，藺市鎮(zhèn)消落帶位于水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)，坡度<15°的緩坡占絕大多數(shù)。由于消落帶與上部坡面之間存在鐵路線，且鐵路線兩側(cè)均布設(shè)有水土保持工程措施，故判斷上部坡面無(wú)侵蝕產(chǎn)沙輸入消落帶，但H=175 m高程帶存在較明顯的岸坡崩塌的痕跡，可判斷存在比較強(qiáng)烈的波浪侵蝕。任家鎮(zhèn)和巴東分別位于常年庫(kù)區(qū)的尾端和前端，其地形特征均表現(xiàn)為鄰江區(qū)域坡度較緩、近岸區(qū)坡度較陡。其中，任家鎮(zhèn)消落帶H≥168 m高程區(qū)間無(wú)沉積，其上方坡面為郁閉度>95%的天然林地，無(wú)農(nóng)村居民點(diǎn)，可判斷侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度極低；巴東消落帶H≥166 m高程區(qū)間無(wú)沉積，其上方為柑橘果園，有農(nóng)村居民點(diǎn)，判斷可能存在一定的土壤侵蝕、向消落帶輸入泥沙。3個(gè)典型消落帶斷面分別位于庫(kù)尾、庫(kù)中、庫(kù)首，土壤侵蝕特征分別為波浪侵蝕、微度侵蝕和耕作侵蝕，能夠涵蓋三峽水庫(kù)大多數(shù)消落帶區(qū)域，具有較好代表性。

在每一采樣點(diǎn)挖取沉積物剖面，使用100 cm3標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀對(duì)各剖面實(shí)施連續(xù)分層采樣，每層取1個(gè)重復(fù)樣。對(duì)于肉眼觀測(cè)下粒度均勻的沉積物，采用5 cm等距分層的方法進(jìn)行取樣，若淤積厚度不足5 cm，則不分層。對(duì)于肉眼觀測(cè)下存在粗細(xì)顆粒交替沉積的剖面，采用自然分層的方法進(jìn)行取樣。采樣完成后將樣品烘干、研磨，去除其中的植物根系與粒徑>2 mm的礫石，待試。采樣時(shí)間為2015年7月14—27日，共采集得到233份樣品和等量重復(fù)樣，采樣時(shí)三峽水庫(kù)壩前水位在145.29～146.89 m之間波動(dòng)，消落帶幾乎全部露出水面。

3.2 泥沙粒度特征與 137Cs活度測(cè)試分析

直徑較小的土粒在土壤膠體的作用下廣泛發(fā)生膠結(jié)作用，形成直徑較大的團(tuán)聚體，改變了土壤的孔隙狀況與顆粒特征。因此，為了避免土壤交替干擾粒度分析的測(cè)試結(jié)果，需要對(duì)泥沙樣品進(jìn)行前處理，去除其中的土壤膠體，主要包括有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽2種。

首先取3 g混合均勻的樣品加入離心管中，然后滴入H2O2，并將離心管置于振蕩器上，使樣品中有機(jī)質(zhì)與H2O2充分反應(yīng),生成CO2和水，直到反應(yīng)結(jié)束，隨后對(duì)樣品進(jìn)行離心、去除上清液。然后多次添加H2O2并重復(fù)上述操作步驟，直至樣品無(wú)氣泡溢出。添加鹽酸去除碳酸鹽的操作過(guò)程與H2O2基本一致。其中，每次加入H2O2和HCl的體積均為10 mL，濃度分別為30%和1 mol/L。樣品經(jīng)純水洗滌后，使用Malvern MasterSize 2000型激光粒度儀測(cè)試泥沙樣品的粒徑特征。測(cè)試時(shí)主要采用水介質(zhì)對(duì)樣品進(jìn)行分散，同時(shí)使用超聲輔助分散。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量3次取平均值作為測(cè)量結(jié)果。根據(jù)我國(guó)《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》(SL 42—2010)的規(guī)定，將泥沙粒徑劃分為<4 μm(黏粒)、[4,62)μm(粉粒)和[62,2 000 )μm(砂粒)3個(gè)范圍。

137Cs活度測(cè)試方法為：使用美國(guó)ORTEC 公司生產(chǎn)的配備n型高純鍺探頭(LOAX HPGe)的低能量、低本底γ能譜儀在661.7 keV能譜峰下，測(cè)定備試樣品的137Cs譜峰面積；并基于全峰面積法，求算樣品的137Cs含量。每份樣品的測(cè)試質(zhì)量m≥250 g，測(cè)試時(shí)間t≥50 000 s，在95%的可信度下測(cè)試誤差為±5%。

3.3 粒徑和 137Cs示蹤泥沙來(lái)源的基本原理

金沙江的泥沙主要以溝谷河岸侵蝕的形式進(jìn)入水體，從來(lái)源上講主要是底土；嘉陵江、烏江和三峽庫(kù)區(qū)的侵蝕產(chǎn)沙皆以坡面侵蝕的方式為主，其貢獻(xiàn)的泥沙從來(lái)源上講主要是表土。137Cs作為一種大氣沉降核素，在表土中含量較高、底土中含量較低，因此，坡面侵蝕形成的泥沙137Cs活度較高，溝谷侵蝕則相反。因此，源于金沙江的泥沙通常具有較低的137Cs活度，而源于嘉陵江、烏江和庫(kù)區(qū)內(nèi)土壤侵蝕的泥沙則具有較高的137Cs活度。

此外，不同來(lái)源的泥沙進(jìn)入水庫(kù)之后，受水動(dòng)力學(xué)條件變化的影響，粗顆粒大多在上游發(fā)生沉積，細(xì)顆粒大多在水庫(kù)中下游沉積。不同粒徑的泥沙對(duì)137Cs的吸附作用存在差異，細(xì)顆粒泥沙通常對(duì)137Cs具有較高的吸附能力，而粗顆粒泥沙則吸附能力較低。因此，河流對(duì)泥沙的分選作用導(dǎo)致粗細(xì)顆粒先后沉積，同樣可能導(dǎo)致沉積物的137Cs活度沿河流流向發(fā)生變化。研究表明，源于金沙江和嘉陵江的懸移質(zhì)泥沙具有較低的137Cs活度，其平均值分別為0.08 Bq/kg和0.00 Bq/kg；源于烏江和典型支流汝溪河的懸移質(zhì)泥沙具有相對(duì)較高的137Cs活度，其平均值分別為0.58 Bq/kg和0.55 Bq/kg[23]。因此，當(dāng)某一特定來(lái)源對(duì)沉積物的貢獻(xiàn)程度較高時(shí)，沉積物中的137Cs活度也更加接近相應(yīng)物源的特征值。

4 結(jié)果與分析

4.1 消落帶沉積物粒徑水平變化特征

受水動(dòng)力學(xué)條件變化的影響，沉積物的粒徑沿水流方向會(huì)相應(yīng)地表現(xiàn)出一定的變化特征。首先，水庫(kù)壩體對(duì)近壩段水流存在阻滯作用，使得細(xì)顆粒相對(duì)容易沉積；而水庫(kù)尾端遠(yuǎn)離壩體，水流幾乎不會(huì)受到阻滯作用，細(xì)顆粒不具備良好的沉積條件，使得沉積物容易表現(xiàn)出沿水流方向粒徑逐漸降低的情況。其次，與細(xì)顆粒相比，粗顆粒質(zhì)量較大，進(jìn)入水庫(kù)后可在庫(kù)尾大量沉積，造成水庫(kù)中部和近壩段水體中極少含有粗顆粒，在此情況下，由于粗顆粒物源缺失，沉積物同樣容易出現(xiàn)上游粗顆粒富集、下游細(xì)顆粒富集現(xiàn)象。

三峽水庫(kù)消落帶沉積物粒徑自上游至下游的水平變化如圖2所示。

圖2 三峽水庫(kù)消落帶沉積物粒徑水平變化Fig.2 Statistical average particle size distribution of each sediment profile at sampling locations

三峽水庫(kù)干流消落帶沉積物中值粒徑(D50)的變化范圍為7.85～126.54 μm，沿水流方向表現(xiàn)為在庫(kù)尾劇烈變化、在忠縣及其下游基本穩(wěn)定的特征。其中，粉粒是沉積物的主要粒徑組分，其含量的變化范圍為23.24%～83.39%，常年庫(kù)區(qū)的粉粒含量平均值為69.50%，顯著高于變動(dòng)回水區(qū)的均值39.20%；砂粒是變動(dòng)回水區(qū)沉積物的主要粒徑組分，其含量變化范圍為0.49%～73.24%，沿水流方向在變動(dòng)回水區(qū)強(qiáng)烈波動(dòng)，隨后在忠縣石寶鎮(zhèn)降至10%以下，并基本保持穩(wěn)定，最后在秭歸縣屈原鎮(zhèn)達(dá)到最低值；黏粒是消落帶沉積物中占比最低的粒徑組分，其含量變化范圍為2.95%～28.15%，沿水流方向在變動(dòng)回水區(qū)發(fā)生波動(dòng)后，在任家鎮(zhèn)首次達(dá)到并穩(wěn)定在15%以上，表現(xiàn)出與砂粒含量相反的特征。值得注意的是，消落帶H=148 m高程帶沉積物的這種粒徑變化規(guī)律，與河道底泥的變化特征[24]基本吻合。

泥沙粒徑的水平變化特征可以在一定程度上反映其來(lái)源。首先，金沙江、嘉陵江進(jìn)入水庫(kù)的粗顆粒泥沙主要沉積在變動(dòng)回水區(qū)。其次，已有研究表明，在三峽庫(kù)區(qū)中部河段，懸移質(zhì)泥沙中粒徑d≥62 μm的粗顆粒不足8%[25]，但坡耕地侵蝕進(jìn)入水庫(kù)的泥沙中d≥100 μm的粗顆粒卻高達(dá)18.62%[26]，表明庫(kù)區(qū)內(nèi)土壤侵蝕逐漸替代河流懸移質(zhì)泥沙，成為庫(kù)區(qū)中下游河段粗顆粒沉積物的主要來(lái)源。第三，受河道形態(tài)影響，細(xì)顆粒泥沙(d<62 μm)的粒徑特征在變動(dòng)回水區(qū)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間變化，在河道窄、流速快的河段，細(xì)顆粒物不足沉積總量的25%，而在河面寬闊、流速較緩的河段，細(xì)顆粒可達(dá)沉積總量的70%以上，相比之下，在常年庫(kù)區(qū)除南沱、任家外的所有采樣點(diǎn)中，細(xì)顆粒物占總量的比例均在83%以上。

圖3 三峽水庫(kù)消落帶沉積物137Cs活度水平變化Fig.3 Variation of 137Cs activity of each sample and the statistical average 137Cs activities of each profile at sampling locations

4.2 消落帶沉積物 137Cs活度水平變化特征

三峽水庫(kù)消落帶沉積泥沙137Cs活度自上游至下游的水平沿程變化特征如圖3所示(圓點(diǎn)表示單個(gè)樣品137Cs活度)。各沉積泥沙剖面內(nèi)137Cs活度在樣品間的均值介于0.09～1.76 Bq/kg之間，大體上沿河流流向逐漸升高；不同位置沉積物剖面間的137Cs活度平均值為0.78 Bq/kg，最高值出現(xiàn)在秭歸，最低值出現(xiàn)在江津，變異系數(shù)為68.41%，屬于中等變異，表示三峽水庫(kù)消落帶沉積物的137Cs活度存在較強(qiáng)烈的水平空間變化。變動(dòng)回水區(qū)和常年庫(kù)區(qū)的137Cs活度存在顯著差異(p=0.007)，137Cs活度在2個(gè)區(qū)域的平均值分別為0.35 Bq/kg和1.06 Bq/kg。

三峽水庫(kù)從上游至下游，137Cs活度在水平方向上提升幅度最大的2個(gè)區(qū)間是郭家沱—木洞鎮(zhèn)河段和奉節(jié)—巫山河段，單位距離137Cs活度增幅分別為31.17×10-3Bq/(kg·km)和14.89×10-3Bq/(kg·km)。而2個(gè)河段在物源上存在的共同特征在于，在郭家沱和奉節(jié)之前分別有嘉陵江和澎溪河匯入。2條支流匯入以后，137Cs活度并沒(méi)有在匯入口下游第1個(gè)采樣點(diǎn)顯著升高，卻都在第1個(gè)采樣點(diǎn)至第2個(gè)采樣點(diǎn)的河段快速上升?？紤]到2條支流都是典型的以坡面表土為主要侵蝕對(duì)象的流域，其流域產(chǎn)沙通常具有較高的137Cs活度，因此，137Cs活度的水平變化一方面反映出嘉陵江與澎溪河對(duì)消落帶沉積物的貢獻(xiàn)，另一方面又反映出支流入庫(kù)泥沙通常不會(huì)立即在干流消落帶上發(fā)生沉積，而是隨水流運(yùn)移一段距離后再沉積。

三峽水庫(kù)另一重要支流烏江匯入后，137Cs活度并沒(méi)有出現(xiàn)顯著上升或下降，匯入點(diǎn)下游連續(xù)3個(gè)區(qū)間河段的137Cs活度變幅均不超過(guò)±5.0×10-3Bq/(kg· km)。通過(guò)進(jìn)一步分析沉積物的沉積季節(jié)發(fā)現(xiàn)，南沱鎮(zhèn)與任家鎮(zhèn)的雨季沉積物中，砂粒含量明顯高于上游的藺市鎮(zhèn)，這說(shuō)明烏江為長(zhǎng)江干流提供了豐富的粗顆粒泥沙，并在涪陵至忠縣河段的消落帶發(fā)生沉積。眾所周知，粗顆粒泥沙對(duì)于137Cs活度的吸附能力顯著弱于細(xì)顆粒泥沙，因此，盡管烏江是三峽水庫(kù)的重要支流和泥沙來(lái)源，但由于其提供的泥沙顆粒較粗、137Cs活度不高，導(dǎo)致其匯入后沒(méi)有顯著改變干流懸移質(zhì)泥沙的137Cs活度，并體現(xiàn)為消落帶沉積物無(wú)明顯變化。

137Cs活度的水平變化特征還表現(xiàn)出與泥沙粒徑變化極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。在三峽水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)，137Cs活度沿水流方向急速升高，反映出對(duì)137Cs吸附能力較弱的粗顆粒物進(jìn)入水庫(kù)后在變動(dòng)回水區(qū)大量沉積，這一方面導(dǎo)致變動(dòng)回水區(qū)消落帶沉積物的137Cs活度偏低，同時(shí)也使得隨水流進(jìn)入常年庫(kù)區(qū)的懸移質(zhì)泥沙將呈現(xiàn)出細(xì)顆粒富集的特征。在任家鎮(zhèn)及其下游河段，消落帶沉積物的137Cs活度均>1.0 Bq/kg，且沿河道的增長(zhǎng)速率并不突出，表明該河段消落帶沉積物以對(duì)137Cs吸附能力較強(qiáng)的細(xì)顆粒泥沙為主，并且沉積物的顆粒組成沿水流方向呈逐漸緩慢變細(xì)的趨勢(shì)。這一變化特征表明，金沙江和嘉陵江進(jìn)入三峽水庫(kù)的粗顆粒泥沙主要沉積在變動(dòng)回水區(qū)，而烏江進(jìn)入水庫(kù)的粗顆粒泥沙則主要沉積在常年庫(kù)區(qū)末端的涪陵至豐都段；沿水流方向，沉積物顆粒逐漸變細(xì)，并且在任家鎮(zhèn)及其下游河段基本保持穩(wěn)定。

4.3 典型消落帶斷面粒徑與 137Cs活度高程變化特征

4.3.1 藺市消落帶

在藺市消落帶，鄰江區(qū)域消落帶坡腳H=151 m的沉積物粒徑最大、137Cs活度最低，但二者在其他高程上的變化情況存在差異。中值粒徑D50在H=156 m達(dá)到最低值，隨后又隨高程的增加而升高；137Cs活度在H=156 m達(dá)到最高，之后隨著高程的增加呈現(xiàn)出“先降低后升高”的趨勢(shì)。具體而言，黏粒含量為13.02%～15.66%、粉粒含量為54.36%～64.06%、砂粒含量為20.95%～32.63%、137Cs活度為0.51～0.88 Bq/kg，四者的變異系數(shù)[27]分別為7.73%，6.93%，20.83%，20.41%，前兩者屬弱變異，后兩者屬中等變異(見(jiàn)圖4(a)、圖4(b))。

在波浪侵蝕和坡面徑流沖刷的雙重作用下，消落帶土壤侵蝕會(huì)將大量表層土粒帶入水體形成懸浮泥沙，在上覆水的作用下，具有較大質(zhì)量的粗顆粒優(yōu)先在消落帶較高的位置沉積，而質(zhì)量較小的細(xì)顆粒則被水流向下運(yùn)移，沉積在較低的位置[25]。如此一來(lái)所形成的特征則是高程越高、沉積物越粗、137Cs活度越低。但是，這一結(jié)果是在坡面侵蝕和波浪侵蝕作為主控因素條件下進(jìn)行的分析，對(duì)于河流挾沙對(duì)消落帶沉積物的影響則考慮相對(duì)較少。事實(shí)上，在藺市河段，懸移質(zhì)泥沙中的粗顆粒物質(zhì)含量較高，能夠?yàn)橄鋷о徑瓍^(qū)域提供豐富的泥沙物源，使得距離江岸線最近的H=151 m高程帶沉積物顆粒最粗、137Cs活度最低。若不考慮H=151 m高程帶，該斷面其余3個(gè)采樣點(diǎn)的黏粒、粉粒、砂粒含量與中值粒徑的變異系數(shù)均<10%，即無(wú)顯著差異，表明H=151 m高程帶受到了河流挾沙的干擾，不遵循消落帶坡面泥沙遷移與分配規(guī)律。另一方面，在冬季蓄水期，三峽水庫(kù)水位長(zhǎng)時(shí)間維持在175 m高程運(yùn)行，這為河流泥沙在H=167 m沉積創(chuàng)造了有利條件。由于冬季河流泥沙的粒徑較細(xì)、對(duì)137Cs吸附能力強(qiáng)，因此這一時(shí)期在H=167 m發(fā)生沉積的物質(zhì)也能夠具有更高的137Cs活度。但值得一提的是，這一時(shí)期在H=167 m沉積的河流泥沙并不一定完全是庫(kù)區(qū)外來(lái)源，也可能是水位長(zhǎng)時(shí)間停留在175 m，使得波浪不斷淘蝕河岸土壤所形成的物源。

綜上所述，在變動(dòng)回水區(qū)，消落帶坡腳處的沉積物主要來(lái)源于上游入庫(kù)的懸移質(zhì)泥沙，岸坡土壤侵蝕幾乎無(wú)任何影響。隨著消落帶高程上升，岸坡土壤侵蝕對(duì)沉積物的貢獻(xiàn)逐漸升高。

4.3.2 任家消落帶

在這一斷面，消落帶坡腳H=149 m高程帶的沉積物粒徑最大、137Cs活度最低，隨著海拔高度的上升，沉積物粒徑逐漸變細(xì)、137Cs活度則先降后升。具體而言，黏粒含量為20.05%～23.71%、粉粒含量為57.22%～70.82%、砂粒含量為6.76%～22.73%、137Cs活度為0.43～1.26 Bq/kg，四者的變異系數(shù)分別為6.65%，7.96%，58.20%，32.22%，前兩者屬弱變異，后兩者屬中等變異(圖4(c)、圖4(d))。

圖4 三峽水庫(kù)干流消落帶不同高程沉積泥沙粒徑與137Cs變化特征Fig.4 Sediment’s particle size distribution and 137Cs activities at different altitudes in typical riparian transects

在冬季枯水期時(shí)，由于侵蝕性降雨稀少，進(jìn)入河流中的粗顆粒泥沙數(shù)量銳減，同時(shí)在水流變緩的影響下，為數(shù)不多的砂粒在進(jìn)入水庫(kù)以后主要沉積在變動(dòng)回水區(qū)，很少進(jìn)入常年庫(kù)區(qū)。在夏季豐水期時(shí)，侵蝕性降雨增多，進(jìn)入河流的粗顆粒泥沙也相應(yīng)劇增，盡管此時(shí)水流流速逐漸加快，為常年庫(kù)區(qū)消落帶帶來(lái)了更多的粗顆粒泥沙，但同時(shí)發(fā)生的水庫(kù)水位下降，又使得這些粗顆粒集中分布在消落帶下部，海拔較高的消落帶喪失了獲得粗顆粒物質(zhì)的時(shí)機(jī)。因此，在河流掌控條件下，消落帶沉積物應(yīng)表現(xiàn)出高程越高、泥沙顆粒越細(xì)的特征。然而此前在三峽忠縣河段的研究[23]卻觀測(cè)到相反的特征，在該研究中，消落帶高程越高，泥沙顆粒越粗。深入對(duì)比發(fā)現(xiàn)，消落帶上方坡面的土地利用狀況是影響消落帶泥沙來(lái)源組成的干擾因素。當(dāng)消落帶上方為坡耕地時(shí)，活躍的土壤侵蝕持續(xù)不斷地向消落帶輸入泥沙，成為消落帶沉積物的一個(gè)不可忽視的來(lái)源，在坡面徑流的分選作用下，表現(xiàn)為沉積物顆粒在坡頂最粗、隨高程的下降而逐漸變細(xì)。當(dāng)消落帶上方為高度郁閉的天然林時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度微弱，難以向消落帶輸入泥沙，河流懸移質(zhì)泥沙成為消落帶沉積物的近乎唯一來(lái)源，在此情況下，消落帶沉積物表現(xiàn)為坡腳處顆粒最粗，而坡頂處顆粒最細(xì)。

與藺市消落帶的變化特征一致，任家消落帶的137Cs活度同樣為鄰江區(qū)域最低、消落帶中下部H=151 m處最高、隨后隨著高程的增加而先降后升。這說(shuō)明H=167 m沉積物的這種特征并不會(huì)因?yàn)橄鋷戏酵恋乩妙愋偷淖兓l(fā)生改變，而是消落帶與水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度等自身因素產(chǎn)生的，進(jìn)一步印證了水位在175 m停留時(shí)，波浪不斷淘蝕岸坡土壤，引起部分土壤顆粒在消落帶上部發(fā)生沉積。

綜上所述，消落帶上方土地利用狀況是消落帶沉積物來(lái)源組成的干擾因素，具有較好侵蝕條件的土地能夠成為消落帶沉積物的重要來(lái)源；消落帶H=167 m高程帶沉積物可能大部分來(lái)源于冬季的波浪侵蝕。

4.3.3 巴東消落帶

在這一斷面，消落帶坡腳H=149 m高程帶的沉積物顆粒最粗、137Cs活度最低。D50和137Cs活度的最低值與最高值均出現(xiàn)在H=153 m高程帶，隨高程的增加又分別表現(xiàn)為增大和降低的趨勢(shì)，這一變化趨勢(shì)與藺市消落帶基本一致，不過(guò)本消落帶D50的變異系數(shù)僅為5.99%，不同高程間沉積泥沙粒徑的差異很小(圖4(e)、圖4(f))。具體而言，黏粒含量為28.15%～31.37%、粉粒含量為66.93%～69.87%、砂粒含量為1.70%～2.75%、137Cs活度為1.08～1.57 Bq/kg，四者的變異系數(shù)分別為5.21%，1.85%，24.08%，5.70%，前兩者屬弱變異，后兩者屬中等變異。

盡管砂粒含量在不同高程間存在較強(qiáng)烈的變化，但由于其占比太低，并沒(méi)有對(duì)沉積泥沙顆粒組成的高程變化造成明顯影響。就細(xì)顆粒而言，三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，萬(wàn)縣水文站的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示河流泥沙D50約為6 μm，而同期朱沱水文站的這一特征值為11 μm[28]，表明在水流分選作用下，三峽水庫(kù)前端的懸移質(zhì)泥沙存在細(xì)顆粒高度富集現(xiàn)象，同時(shí)也表明，細(xì)顆粒泥沙在發(fā)生沉積以前能夠歷經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間和長(zhǎng)距離搬運(yùn)，因此，上游入庫(kù)的細(xì)顆粒泥沙能夠?yàn)檫@一消落帶提供物質(zhì)來(lái)源。與藺市和任家消落帶的變化特征一致，巴東消落帶的137Cs活度同樣為坡腳處最低、消落帶中下部H=153 m處最高、隨后隨著高程的增加而先降后升，可判斷為相似的泥沙沉積與波浪侵蝕過(guò)程。巴東消落帶位于三峽水庫(kù)前端，兩岸山地陡峭、林木茂盛，并不適宜大范圍農(nóng)業(yè)耕作，當(dāng)?shù)鼐用竦霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)以橘橙種植為主，耕作活動(dòng)不多。由此可以判斷，水流挾沙是本消落帶沉積泥沙的主要來(lái)源，坡面土壤侵蝕存在一定貢獻(xiàn)，但作為一個(gè)下游河段，其河流中的懸移質(zhì)泥沙本身已經(jīng)包含庫(kù)區(qū)內(nèi)侵蝕所作出的貢獻(xiàn)。

5 結(jié) 論

三峽水庫(kù)消落帶沉積泥沙的中值粒徑在7.85～126.54 μm之間波動(dòng)，最高值出現(xiàn)在江津，最低值出現(xiàn)在巴東，從上游至下游逐漸下降，并在忠縣任家鎮(zhèn)及其下游河段基本保持穩(wěn)定；在任家及其上游河段，泥沙剖面存在明顯的旋迴分層特征。137Cs活度在0.09～1.76 Bq/kg之間波動(dòng)，最高值出現(xiàn)在秭歸，最低值出現(xiàn)在江津，從上游至下游逐漸增大，但在任家鎮(zhèn)及其下游河段仍有波動(dòng)。在消落帶垂直方向上，鄰江區(qū)域沉積物的粒徑最粗、137Cs活度最低，對(duì)于消落帶其他高程區(qū)間，泥沙粒徑的變化主要受消落帶上方土地利用類型決定，在存在侵蝕的消落帶，粒徑通常隨高度的增加而逐漸增大，當(dāng)上方是侵蝕較弱的林地時(shí)，沉積物粒徑隨高度的增加而逐漸降低。相比之下，無(wú)論上方是何種土地利用類型，137Cs活度受到的影響都比較小，自下而上呈現(xiàn)出隨高度增加先降后升的變化趨勢(shì)。

三峽水庫(kù)消落帶的粗顆粒與細(xì)顆粒沉積物具有不同的來(lái)源特征。變動(dòng)回水區(qū)的粗顆粒主要源于金沙江和嘉陵江，烏江入庫(kù)的粗顆粒主要沉積在涪陵至忠縣任家鎮(zhèn)段，任家鎮(zhèn)下游的粗顆粒主要源于庫(kù)區(qū)內(nèi)侵蝕產(chǎn)沙；變動(dòng)回水區(qū)的細(xì)顆粒主要源于金沙江和嘉陵江，常年庫(kù)區(qū)的細(xì)顆粒泥沙來(lái)源存在季節(jié)變化，在旱季沉積的細(xì)顆粒物主要來(lái)源于金沙江和嘉陵江，而在雨季沉積的細(xì)顆粒物則具有廣泛來(lái)源，金沙江、嘉陵江、烏江和庫(kù)區(qū)內(nèi)侵蝕均具有不可忽視的貢獻(xiàn)。H≥166 m以上的區(qū)域是一個(gè)特殊高程帶，其細(xì)顆粒泥沙主要來(lái)源于冬季枯水期的波浪侵蝕。

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