滇池流域寶象河水庫沉積物粒度分布特征及其環境記錄

陳 艷, 王延華,2, 葉 斌, 孫 恬, 張茂恒,2

(1.南京師范大學 地理科學學院, 南京 210023; 2.虛擬地理環境教育部重點實驗室,南京 210023; 3.生態環境部環境工程評估中心, 北京 100012)

沉積物粒度是反演古氣候的可靠物理指標之一[1-2]，是水動力條件、沉積物源、搬運介質以及搬運方式綜合作用的結果[3-4]。特定的沉積環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，湖泊沉積記錄蘊含有豐富的氣候、環境信息。國內外學者對滇池流域湖泊沉積物進行了研究[6-8]，采用放射性核素(137Cs和210Pb)計年法確定沉積年代和沉積速率，通過對沉積柱中有機和無機污染物的垂向研究，反演不同時間尺度的沉積環境變化狀況。也有研究者通過對表層沉積物的元素組成和含量進行分析研究其空間分布特征與賦存狀態，探討其污染特征和生態風險[9-10]。對滇池流域的研究集中在滇池主體及其周邊地區污染物環境行為，對流域內水庫沉積物的研究較少。近幾十年來滇池流域干旱頻發，寶象河水庫作為滇池流域的重要組成部分，具有防洪、發電、灌溉等功能，并且是昆明主城區水源的主要源頭，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柱狀沉積物為研究對象，通過對沉積物粒度及其參數特征的研究，結合Sahu判別式和粒級—標準偏差法的分析，探討沉積物粒度的環境敏感組分及其環境特征。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

寶象河水庫(102°55′—102°56′E，24°01′—25°02′N)修建于1958年，地處大板橋鎮，蓄水后未清淤，最初用于農灌，1996年后成為昆明主城區水源的主要源頭，主要補給水源為三岔河、熱水河和方桿溪水。水庫東北高，西南低[12]。北亞熱帶濕潤季風氣候，干濕分明，降雨集中在5—10月。水庫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采得連續的柱狀沉積物3根(圖1)，沉積物柱芯分別長為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/層間隔連續分樣，共得59個樣品；59.5～74.5 cm為0.5 cm/層間隔分樣，共得30個樣品；整個沉積柱共得90個樣品。將分割后的樣品進行冷凍干燥至恒重備用。

圖1 寶象河水庫研究區域與采樣位置

1.2.2 樣品測試方法 粒度測定基于英國Malven生產的Mastersizer 2000型激光粒度分析儀，儀器測量范圍為0.02～2 000 μm，相對誤差小于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，加入10%的雙氧水，同時用玻璃棒攪拌盡可能去除有機質。加入5 ml濃度為20%的鹽酸以去除碳酸鹽，繼續用玻璃棒攪拌直至無氣泡產生。倒入蒸餾水清洗樣品，靜置后去除上清液，重復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，隨后上機進行粒度測試。

2 結果與分析

2.1 沉積物粒度垂向變化趨勢

為了研究寶象河沉積物巖芯粒度的垂向分布特征，根據Udden-Wentworth分級方法將粒徑組分分為黏土質(<4 μm)、細粉砂質(4～16 μm)、粗粉砂質(16～64 μm)和砂質(>64 μm)4類。見圖2，沉積物粒度組分以粗粉砂質為主，其次是細粉砂質，黏土質分別占比31.8～47.4%，18.2～35.5%和15.9～34.7%。沉積物中黏土質、細粉砂質、粗粉砂質、砂質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，與各組分之間相關系數分別為0.96，0.91，0.85，0.88(p<0.01)?？捎弥兄盗奖碚鞒练e柱巖芯粒度的垂向變化趨勢。根據沉積物巖芯中值粒徑的變化特征將寶象河水庫沉積物劃分為4個沉積階段：沉積階段Ⅰ(-74.5～-55 cm)：沉積物各粒徑組分波動較小，以粉砂質為主，包括細粉砂質和粗粉砂質，沉積物粒徑由細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)：沉積物粒徑細化，黏土質含量增加，細粉砂質和粗粉砂質含量稍有減少。主要以黏土質和粗粉砂質為主，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，以粗粉砂質為主。其中粗顆粒物質含量增多，粗粉砂質和砂質平均含量分別為40.2%±3.1%，12.3%±2.7%；細顆粒物質含量減少，黏土質和細粉砂質平均含量分別為24.2%±2.7%，23.3%±2.4%。沉積階段Ⅳ(-26～0 cm)：沉積物粒度波動較小，但仍有粗化的趨勢。其中黏土質和細粉砂質含量明顯減少，含量分別為19.5%±2.0%，21.7%±2.4%；粗粉砂質含量穩定變化，含量為44.8%±1.5%；砂質含量增多，含量為14.0%±4.0%。

整體來看，不同粒級組分含量隨著深度的變化趨勢有較為明顯的差異，黏土質與粗粉砂質、細粉砂質與砂質組分的變化趨勢相反。黏土質與細粉砂質含量隨著深度減小而減小，粗粉砂質和砂質含量隨著深度減小而增多。隨著深度的減小，沉積物粗顆粒物質含量增加，細顆粒物質含量減少。隨著深度減小，沉積物粗化明顯，表明沉積環境的水動力條件有由小變大的趨勢。

圖2 寶象河水庫沉積物粒度垂向分布特征

2.2 粒度基本參數特征

粒度基本參數包括分選系數(Sd)、偏度(Sk)、峰態(Kg)和平均粒徑(Mz)。分選系數代表了沉積物顆粒大小的集中程度[15]，常用于分析沉積環境的動力條件和沉積物的物質來源[16]。偏度是表示沉積物粒度頻率曲線對稱性的參數[17]，反映粗細分布的對稱程度以及沉積物搬運能力的強弱[18]。峰態是衡量頻率曲線尖峰凸起程度的參數[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，反映物質來源和沉積韻律的變化[21]。通過計算寶象河水庫沉積物的分選系數、偏度、峰態和平均粒徑，并且對照Folk-Ward分選性、偏度、峰態分級表(表1)，結果表明：寶象河水庫沉積物樣品的分選系數范圍集中在1.50～1.80，平均值為1.67，沉積物分選差，反映當時水動力作用較強或者離物源較近。寶象河水庫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；屬于極負偏，-32 cm以下沉積物偏度介于-0.30～-0.10，屬于負偏。寶象河水庫沉積物的峰態值介于0.76～0.98，表層5 cm沉積物峰態值介于0.90～1.11，屬于中等峰態；-5 cm以下沉積物峰態值介于0.67～0.90，峰態寬平。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，表明沉積環境較為穩定；-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、峰態分級[22]

圖3 寶象河水庫沉積物粒度基本參數特征

2.3 環境判別及敏感組分提取

Sahu判別式[23]是薩胡通過對大量的砂石、礫石等碎屑物質進行分析建立的一系列判別公式。本文采用Sahu判別式(表2)對沉積環境進行鑒別，將寶象河水庫沉積物粒度數據代入判別式中計算，公式1計算結果顯示最大值為-0.99，最小值為-9.11，沉積環境復雜，表層5 cm大于-2.74，屬于海灘沉積環境，-5 cm以下小于-2.74，屬于風成沉積環境；公式2計算結果顯示最小值為199.14，最大值為232.47，均大于65.37為淺海沉積環境；公式3計算結果顯示最小值-12.87，最大值為-10.35，均小于-7.42為河流或三角洲沉積環境。通過計算寶象河水庫并非全年處于被河水覆蓋的環境，部分時段裸露在空氣中，經受風化影響。表明寶象河水庫的入庫河流屬于間歇性河流。

表2 沉積環境鑒別公式及標準[24-27]

標準偏差是數值相對于平均值的離散程度。標準偏差越小，數值偏離平均值的程度越低，離散程度越低[28]。粒徑—標準偏差法[29-30]的基本原理是通過激光粒度儀分析計算樣品每個粒級的標準偏差，獲得不同粒度分布范圍以及相對含量，并以粒級為橫坐標，標準偏差為縱坐標做圖。在圖中出現的峰值越高，代表該粒級組分對沉積環境越敏感，即產生該粒級的沉積環境變化越大。運用粒徑—標準偏差法來提取寶象河沉積物中的敏感組分。從圖4可以看出，粒徑—標準偏差曲線中出現了3個峰值，其粒徑依次為5.75 μm，60.26 μm，416.87 μm，與其對應的邊界為22.91 μm，181.97 μm。因此，將寶象河水庫沉積物粒度劃分為A(粒徑<22.91 μm)、B(粒徑介于22.91～181.97 μm)、C(粒徑>181.97 μm)3個粒度組分。為了分析這3個粒徑組分對沉積環境的敏感程度，分別計算了各組分的含量。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為寶象河水庫沉積物中的環境敏感粒度組分，用來揭示寶象河水庫沉積環境的變化。

圖4 粒徑—標準偏差曲線

A，B組分含量垂向變化見圖5，從地下深處至地表，A，B組分隨埋藏深度的變化趨勢相反。-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，波動較大，隨著埋藏深度的減小而逐漸增大。通過對比A，B組分以及中值粒徑垂向變化特征，發現B組分含量的變化趨勢與中值粒徑的變化趨勢存在明顯的一致性，表明B組分才是對沉積環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。沉積物由細變粗，表明沉積環境的水動能條件有變高的趨勢。研究表明在開放性湖泊(水庫)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進入湖泊，氣候濕潤；反之，細粒物質較多表明氣候干燥，降水量小[31-32]。

圖5 寶象河水庫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田，寶象河水庫于1958年修建在寶象河主流上，修建后未進行清淤處理。根據文獻研究[33]寶象河水庫平均沉積速率為0.72 cm/a，寶象河水庫沉積柱沉積年代可追溯至1915年左右，推測-22 cm，-36 cm，-46 cm深度分別對應1963年、1984年、1999年并且50 cm深度左右處為1958年。寶象河水庫屬于開放性水域，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蓄水導致水流搬運能力減弱，粗顆粒物質在水庫周邊，故將A，B敏感組分以及中值粒徑變化趨勢與1958—2018年昆明地區年降水量進行對比。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。通過對比過去60 a的年降水量與寶象河水庫修建以來沉積物粒度的A，B組分含量變化以及中值粒徑的波動，發現B組分含量、中值粒徑的變化趨勢與年降水量的變化趨勢較為一致，表明降水量是影響寶象河水庫沉積物粒徑變化的一個重要因素。1958—1999年，降水量整體呈波動增加的趨勢，氣候濕潤，地表徑流攜帶粗粒物質進入水庫，對應的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，入庫水流小，對應的A組分含量變多，B組分含量相對減少，沉積物粒徑變細；2009—2018年，年降水量增加，入庫水流增大，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

3 結 論

寶象河水庫巖芯沉積物中黏土質和細粉砂質兩種組分含量合計超過50%，隨著埋藏加深二者含量均呈現增加趨勢，砂質含量最少，隨深度增加而減小的趨勢。沉積物分選性差，偏度屬于負偏或極負偏，峰態寬平或屬于中等峰態，平均粒徑介于5.56～6.94 μm。

利用Sahu判別式對沉積環境進行判別，揭示寶象河水庫沉積物來源復雜，且入庫河流屬于間歇性河流。粒級—標準偏差法提取出的敏感組分表明，寶象河水庫沉積物環境敏感組分A與組分B的含量隨埋藏深度呈現反向變化趨勢，而組分B垂向變化與中值粒徑變化趨勢一致，反映了寶象河水庫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變粗，水動力條件有由小變大的趨勢，并且降水是影響寶象河水庫沉積物粒徑變化的一個重要原因。