滇池流域?qū)毾蠛铀畮?kù)沉積物粒度分布特征及其環(huán)境記錄

陳 艷, 王延華,2, 葉 斌, 孫 恬, 張茂恒,2

(1.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 南京 210023; 2.虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210023; 3.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評(píng)估中心, 北京 100012)

沉積物粒度是反演古氣候的可靠物理指標(biāo)之一[1-2]，是水動(dòng)力條件、沉積物源、搬運(yùn)介質(zhì)以及搬運(yùn)方式綜合作用的結(jié)果[3-4]。特定的沉積環(huán)境通常具有不同的沉積物粒徑特征[5]。滇池是云貴高原最大的淡水湖泊，湖泊沉積記錄蘊(yùn)含有豐富的氣候、環(huán)境信息。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)滇池流域湖泊沉積物進(jìn)行了研究[6-8]，采用放射性核素(137Cs和210Pb)計(jì)年法確定沉積年代和沉積速率，通過(guò)對(duì)沉積柱中有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物的垂向研究，反演不同時(shí)間尺度的沉積環(huán)境變化狀況。也有研究者通過(guò)對(duì)表層沉積物的元素組成和含量進(jìn)行分析研究其空間分布特征與賦存狀態(tài)，探討其污染特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[9-10]。對(duì)滇池流域的研究集中在滇池主體及其周邊地區(qū)污染物環(huán)境行為，對(duì)流域內(nèi)水庫(kù)沉積物的研究較少。近幾十年來(lái)滇池流域干旱頻發(fā)，寶象河水庫(kù)作為滇池流域的重要組成部分，具有防洪、發(fā)電、灌溉等功能，并且是昆明主城區(qū)水源的主要源頭，滇池流域第二大河流寶象河的水源[11]。本文以云南滇池流域的寶象河水庫(kù)柱狀沉積物為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)沉積物粒度及其參數(shù)特征的研究，結(jié)合Sahu判別式和粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法的分析，探討沉積物粒度的環(huán)境敏感組分及其環(huán)境特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寶象河水庫(kù)(102°55′—102°56′E，24°01′—25°02′N)修建于1958年，地處大板橋鎮(zhèn)，蓄水后未清淤，最初用于農(nóng)灌，1996年后成為昆明主城區(qū)水源的主要源頭，主要補(bǔ)給水源為三岔河、熱水河和方桿溪水。水庫(kù)東北高，西南低[12]。北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，干濕分明，降雨集中在5—10月。水庫(kù)周圍主要土壤類型為紅壤和水稻土，土地利用方式主要為林地、耕地和水體[13]，人為干擾程度較弱。

1.2 樣品采集與測(cè)試方法

1.2.1 樣品采集方法 2019年8月，滇池流域旱年，利用重力采樣器在寶象河水庫(kù)采得連續(xù)的柱狀沉積物3根(圖1)，沉積物柱芯分別長(zhǎng)為73.5 cm，58 cm和74.5 cm。采集后將柱芯于-20℃冷凍，選取其中74.5 cm沉積柱進(jìn)行分析。按照地下0～0.5 cm為1層；0.5～59.5 cm為1 cm/層間隔連續(xù)分樣，共得59個(gè)樣品；59.5～74.5 cm為0.5 cm/層間隔分樣，共得30個(gè)樣品；整個(gè)沉積柱共得90個(gè)樣品。將分割后的樣品進(jìn)行冷凍干燥至恒重備用。

圖1 寶象河水庫(kù)研究區(qū)域與采樣位置

1.2.2 樣品測(cè)試方法 粒度測(cè)定基于英國(guó)Malven生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度分析儀，儀器測(cè)量范圍為0.02～2 000 μm，相對(duì)誤差小于3%。主要步驟[14]為：取干燥研磨后的樣品0.5 g，樣品放置于小燒杯內(nèi)，加入10%的雙氧水，同時(shí)用玻璃棒攪拌盡可能去除有機(jī)質(zhì)。加入5 ml濃度為20%的鹽酸以去除碳酸鹽，繼續(xù)用玻璃棒攪拌直至無(wú)氣泡產(chǎn)生。倒入蒸餾水清洗樣品，靜置后去除上清液，重復(fù)4次以上，最終使樣品溶液為中性即可。加入10 ml分散劑(0.05 mol/L六偏磷酸鈉溶液)，借助超聲波震蕩溶液15 min使樣品充分分散，隨后上機(jī)進(jìn)行粒度測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物粒度垂向變化趨勢(shì)

為了研究寶象河沉積物巖芯粒度的垂向分布特征，根據(jù)Udden-Wentworth分級(jí)方法將粒徑組分分為黏土質(zhì)(<4 μm)、細(xì)粉砂質(zhì)(4～16 μm)、粗粉砂質(zhì)(16～64 μm)和砂質(zhì)(>64 μm)4類。見(jiàn)圖2，沉積物粒度組分以粗粉砂質(zhì)為主，其次是細(xì)粉砂質(zhì)，黏土質(zhì)分別占比31.8～47.4%，18.2～35.5%和15.9～34.7%。沉積物中黏土質(zhì)、細(xì)粉砂質(zhì)、粗粉砂質(zhì)、砂質(zhì)組分平均含量分別為24.7%±4.28%，25.6%±4.02%，39.6%±4.43%，10.1%±4.52%。中值粒徑介于8.4～31.1 μm，與各組分之間相關(guān)系數(shù)分別為0.96，0.91，0.85，0.88(p<0.01)。可用中值粒徑表征沉積柱巖芯粒度的垂向變化趨勢(shì)。根據(jù)沉積物巖芯中值粒徑的變化特征將寶象河水庫(kù)沉積物劃分為4個(gè)沉積階段：沉積階段Ⅰ(-74.5～-55 cm)：沉積物各粒徑組分波動(dòng)較小，以粉砂質(zhì)為主，包括細(xì)粉砂質(zhì)和粗粉砂質(zhì)，沉積物粒徑由細(xì)到粗各組分含量分別為27.4%±2.0%，28.7%±2.9%，36.7%±3.2%，7.2%±3.3%。

沉積階段Ⅱ(-55～-43 cm)：沉積物粒徑細(xì)化，黏土質(zhì)含量增加，細(xì)粉砂質(zhì)和粗粉砂質(zhì)含量稍有減少。主要以黏土質(zhì)和粗粉砂質(zhì)為主，各粒徑組分含量分別為28.9%±2.9%，27.9%±2.1%，36.1%±2.3%，7.1%±1.7%。沉積階段Ⅲ(-43～-26 cm)：沉積物粗化明顯，以粗粉砂質(zhì)為主。其中粗顆粒物質(zhì)含量增多，粗粉砂質(zhì)和砂質(zhì)平均含量分別為40.2%±3.1%，12.3%±2.7%；細(xì)顆粒物質(zhì)含量減少，黏土質(zhì)和細(xì)粉砂質(zhì)平均含量分別為24.2%±2.7%，23.3%±2.4%。沉積階段Ⅳ(-26～0 cm)：沉積物粒度波動(dòng)較小，但仍有粗化的趨勢(shì)。其中黏土質(zhì)和細(xì)粉砂質(zhì)含量明顯減少，含量分別為19.5%±2.0%，21.7%±2.4%；粗粉砂質(zhì)含量穩(wěn)定變化，含量為44.8%±1.5%；砂質(zhì)含量增多，含量為14.0%±4.0%。

整體來(lái)看，不同粒級(jí)組分含量隨著深度的變化趨勢(shì)有較為明顯的差異，黏土質(zhì)與粗粉砂質(zhì)、細(xì)粉砂質(zhì)與砂質(zhì)組分的變化趨勢(shì)相反。黏土質(zhì)與細(xì)粉砂質(zhì)含量隨著深度減小而減小，粗粉砂質(zhì)和砂質(zhì)含量隨著深度減小而增多。隨著深度的減小，沉積物粗顆粒物質(zhì)含量增加，細(xì)顆粒物質(zhì)含量減少。隨著深度減小，沉積物粗化明顯，表明沉積環(huán)境的水動(dòng)力條件有由小變大的趨勢(shì)。

圖2 寶象河水庫(kù)沉積物粒度垂向分布特征

2.2 粒度基本參數(shù)特征

粒度基本參數(shù)包括分選系數(shù)(Sd)、偏度(Sk)、峰態(tài)(Kg)和平均粒徑(Mz)。分選系數(shù)代表了沉積物顆粒大小的集中程度[15]，常用于分析沉積環(huán)境的動(dòng)力條件和沉積物的物質(zhì)來(lái)源[16]。偏度是表示沉積物粒度頻率曲線對(duì)稱性的參數(shù)[17]，反映粗細(xì)分布的對(duì)稱程度以及沉積物搬運(yùn)能力的強(qiáng)弱[18]。峰態(tài)是衡量頻率曲線尖峰凸起程度的參數(shù)[19]，并反映粒度分布的集中和分散情況[20]。平均粒徑表示沉積物顆粒的粗細(xì)，反映物質(zhì)來(lái)源和沉積韻律的變化[21]。通過(guò)計(jì)算寶象河水庫(kù)沉積物的分選系數(shù)、偏度、峰態(tài)和平均粒徑，并且對(duì)照Folk-Ward分選性、偏度、峰態(tài)分級(jí)表(表1)，結(jié)果表明：寶象河水庫(kù)沉積物樣品的分選系數(shù)范圍集中在1.50～1.80，平均值為1.67，沉積物分選差，反映當(dāng)時(shí)水動(dòng)力作用較強(qiáng)或者離物源較近。寶象河水庫(kù)沉積物樣品的偏度范圍集中在-0.05～-0.44，從地表至地下32 cm處沉積物偏度值<-0.30；屬于極負(fù)偏，-32 cm以下沉積物偏度介于-0.30～-0.10，屬于負(fù)偏。寶象河水庫(kù)沉積物的峰態(tài)值介于0.76～0.98，表層5 cm沉積物峰態(tài)值介于0.90～1.11，屬于中等峰態(tài)；-5 cm以下沉積物峰態(tài)值介于0.67～0.90，峰態(tài)寬平。平均粒徑介于5.56～6.94 μm，-43 cm以下沉積物平均粒徑變化較小，表明沉積環(huán)境較為穩(wěn)定；-43 cm以上沉積物平均粒徑隨著深度的減小而減小(圖3)。

表1 分選性、偏度、峰態(tài)分級(jí)[22]

圖3 寶象河水庫(kù)沉積物粒度基本參數(shù)特征

2.3 環(huán)境判別及敏感組分提取

Sahu判別式[23]是薩胡通過(guò)對(duì)大量的砂石、礫石等碎屑物質(zhì)進(jìn)行分析建立的一系列判別公式。本文采用Sahu判別式(表2)對(duì)沉積環(huán)境進(jìn)行鑒別，將寶象河水庫(kù)沉積物粒度數(shù)據(jù)代入判別式中計(jì)算，公式1計(jì)算結(jié)果顯示最大值為-0.99，最小值為-9.11，沉積環(huán)境復(fù)雜，表層5 cm大于-2.74，屬于海灘沉積環(huán)境，-5 cm以下小于-2.74，屬于風(fēng)成沉積環(huán)境；公式2計(jì)算結(jié)果顯示最小值為199.14，最大值為232.47，均大于65.37為淺海沉積環(huán)境；公式3計(jì)算結(jié)果顯示最小值-12.87，最大值為-10.35，均小于-7.42為河流或三角洲沉積環(huán)境。通過(guò)計(jì)算寶象河水庫(kù)并非全年處于被河水覆蓋的環(huán)境，部分時(shí)段裸露在空氣中，經(jīng)受風(fēng)化影響。表明寶象河水庫(kù)的入庫(kù)河流屬于間歇性河流。

表2 沉積環(huán)境鑒別公式及標(biāo)準(zhǔn)[24-27]

標(biāo)準(zhǔn)偏差是數(shù)值相對(duì)于平均值的離散程度。標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，數(shù)值偏離平均值的程度越低，離散程度越低[28]。粒徑—標(biāo)準(zhǔn)偏差法[29-30]的基本原理是通過(guò)激光粒度儀分析計(jì)算樣品每個(gè)粒級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，獲得不同粒度分布范圍以及相對(duì)含量，并以粒級(jí)為橫坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為縱坐標(biāo)做圖。在圖中出現(xiàn)的峰值越高，代表該粒級(jí)組分對(duì)沉積環(huán)境越敏感，即產(chǎn)生該粒級(jí)的沉積環(huán)境變化越大。運(yùn)用粒徑—標(biāo)準(zhǔn)偏差法來(lái)提取寶象河沉積物中的敏感組分。從圖4可以看出，粒徑—標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線中出現(xiàn)了3個(gè)峰值，其粒徑依次為5.75 μm，60.26 μm，416.87 μm，與其對(duì)應(yīng)的邊界為22.91 μm，181.97 μm。因此，將寶象河水庫(kù)沉積物粒度劃分為A(粒徑<22.91 μm)、B(粒徑介于22.91～181.97 μm)、C(粒徑>181.97 μm)3個(gè)粒度組分。為了分析這3個(gè)粒徑組分對(duì)沉積環(huán)境的敏感程度，分別計(jì)算了各組分的含量。組分A含量的變化范圍為41.26%～73.59%，平均值為58.72%±8.28%；組分B含量的變化范圍為26.41%～56.79%，平均值為40.82%±8.04%；組分C含量的變化范圍為0～4.81%，平均值為0.45%±0.91%，由于C組分的平均含量低于1%，在此不討論其環(huán)境指示意義。A，B組分含量最多，因此，確定粒徑組分A，B為寶象河水庫(kù)沉積物中的環(huán)境敏感粒度組分，用來(lái)揭示寶象河水庫(kù)沉積環(huán)境的變化。

圖4 粒徑—標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線

A，B組分含量垂向變化見(jiàn)圖5，從地下深處至地表，A，B組分隨埋藏深度的變化趨勢(shì)相反。-56 cm以下隨著埋藏深度減小A組分含量增加，B組分含量減少；-56 cm以上隨著埋藏深度的減小A組分含量減少，B組分含量增加。中值粒徑介于8.3～29.2 μm，波動(dòng)較大，隨著埋藏深度的減小而逐漸增大。通過(guò)對(duì)比A，B組分以及中值粒徑垂向變化特征，發(fā)現(xiàn)B組分含量的變化趨勢(shì)與中值粒徑的變化趨勢(shì)存在明顯的一致性，表明B組分才是對(duì)沉積環(huán)境最為敏感的顆粒組分，而A組分含量的變化則是受到B組分含量的影響。沉積物由細(xì)變粗，表明沉積環(huán)境的水動(dòng)能條件有變高的趨勢(shì)。研究表明在開(kāi)放性湖泊(水庫(kù))中，粗粒沉積物較多表示入湖水量大，地表徑流攜帶粗粒物質(zhì)進(jìn)入湖泊，氣候濕潤(rùn)；反之，細(xì)粒物質(zhì)較多表明氣候干燥，降水量小[31-32]。

圖5 寶象河水庫(kù)沉積物不同粒徑敏感組分含量變化特征

寶象河是昆明古六河之一，屬于天然河道，下墊面多為山坡地和農(nóng)田，寶象河水庫(kù)于1958年修建在寶象河主流上，修建后未進(jìn)行清淤處理。根據(jù)文獻(xiàn)研究[33]寶象河水庫(kù)平均沉積速率為0.72 cm/a，寶象河水庫(kù)沉積柱沉積年代可追溯至1915年左右，推測(cè)-22 cm，-36 cm，-46 cm深度分別對(duì)應(yīng)1963年、1984年、1999年并且50 cm深度左右處為1958年。寶象河水庫(kù)屬于開(kāi)放性水域，沉積物粒度在-56 cm左右隨著埋藏深度減小而變粗可能是由于修建水庫(kù)蓄水導(dǎo)致水流搬運(yùn)能力減弱，粗顆粒物質(zhì)在水庫(kù)周邊，故將A，B敏感組分以及中值粒徑變化趨勢(shì)與1958—2018年昆明地區(qū)年降水量進(jìn)行對(duì)比。由圖6看出，近60 a昆明市年降水量的變化范圍在565.80～1 449.90 mm，均值為994.10 mm。通過(guò)對(duì)比過(guò)去60 a的年降水量與寶象河水庫(kù)修建以來(lái)沉積物粒度的A，B組分含量變化以及中值粒徑的波動(dòng)，發(fā)現(xiàn)B組分含量、中值粒徑的變化趨勢(shì)與年降水量的變化趨勢(shì)較為一致，表明降水量是影響寶象河水庫(kù)沉積物粒徑變化的一個(gè)重要因素。1958—1999年，降水量整體呈波動(dòng)增加的趨勢(shì)，氣候濕潤(rùn)，地表徑流攜帶粗粒物質(zhì)進(jìn)入水庫(kù)，對(duì)應(yīng)的A組分含量減少，B組分含量增加，沉積物粒度變粗；1999—2009年降水量逐漸減少，氣候干燥，入庫(kù)水流小，對(duì)應(yīng)的A組分含量變多，B組分含量相對(duì)減少，沉積物粒徑變細(xì)；2009—2018年，年降水量增加，入庫(kù)水流增大，A組分含量減少，B組分含量增加，沉積物粒徑變粗。

圖6 昆明1958-2018年年降水量變化趨勢(shì)

3 結(jié) 論

寶象河水庫(kù)巖芯沉積物中黏土質(zhì)和細(xì)粉砂質(zhì)兩種組分含量合計(jì)超過(guò)50%，隨著埋藏加深二者含量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，砂質(zhì)含量最少，隨深度增加而減小的趨勢(shì)。沉積物分選性差，偏度屬于負(fù)偏或極負(fù)偏，峰態(tài)寬平或?qū)儆谥械确鍛B(tài)，平均粒徑介于5.56～6.94 μm。

利用Sahu判別式對(duì)沉積環(huán)境進(jìn)行判別，揭示寶象河水庫(kù)沉積物來(lái)源復(fù)雜，且入庫(kù)河流屬于間歇性河流。粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法提取出的敏感組分表明，寶象河水庫(kù)沉積物環(huán)境敏感組分A與組分B的含量隨埋藏深度呈現(xiàn)反向變化趨勢(shì)，而組分B垂向變化與中值粒徑變化趨勢(shì)一致，反映了寶象河水庫(kù)沉積物粒度的整體變化受到組分B的影響。沉積物B組分隨著埋藏深度減小由細(xì)變粗，水動(dòng)力條件有由小變大的趨勢(shì)，并且降水是影響寶象河水庫(kù)沉積物粒徑變化的一個(gè)重要原因。