三峡水库蓄水初期沉积物有机碳的分布特征

汪志江 黎国有 王雨春 肖尚斌

(1.三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002;2.珠海水务集团有限公司,珠海 519000;3.中国水利水电科学研究院水环境研究所,北京 100038)

三峡工程是世界上最大的水力发电工程,修建三峡大坝引起的环境问题,特别是库区的环境问题受到普遍关注[1-7].2003年三峡水库开始蓄水至今,库区的生态环境问题慢慢地显现出来,尤其是支流库湾水体富营养化现象[3].另外,沉积在水库底部的动物植物残骸、黏土、泥沙、矿物质等,在长时间的物理、化学、生物作用下最终形成底泥[4].而有机碳是底泥的重要组成部分,同样也是生源要素中的重要部分,水库底部几乎所有的生物地球化学过程都与其息息相关[6-7].目前,水库底泥中碳的储存特性研究报道较少(特别是水库蓄水初期),由于水库底泥中存在重金属和有机农药等污染物,人们常将其作为研究重点[8],而忽略了水库蓄水初期底泥中有机碳的分布特征.

本文选取三峡水库蓄水初期进行研究,通过调查三峡水库干、支流总有机碳(TOC)沿河流纵向及垂向的分布特征,重点讨论了总有机碳(TOC)含量与粒度之间的相关关系,旨在为全面而系统地认识水库的沉积物属性和其他环境科学问题等提供基础性的依据.

1 材料与方法

1.1 三峡水库概况

水库所处地理位置为东经106°～111°50′,北纬29°16′～31°25′之间,长度大约660 km,整个三峡水库的气候变化较大,夏热伏旱,秋雨连绵,冬暖春寒,风力小、湿度高和云雾多等特征[9],是典型的湿润亚热带季风气候.库区最大的两条支流是嘉陵江和乌江,而三峡库区长江沿岸主要的一级支流总共有40条,其中綦江、龙溪河、小江、磨刀溪、大宁河和香溪河[10]是流域面积超过3 000 km2的支流.

1.2 样品采集和预处理

1.2.1 监测方案与样品采集

采样时间从2010年11月初至12月中旬,选取8个干流断面,如图1所示,依次为茅坪、郭家坝、巴东、奉节、长江磨刀溪、云阳、忠县、寸滩,典型支流选取香溪河、小江和大宁河,将采样点分为上游、下游以及河口处,所以支流共布设9个断面.用柱状采样器[11]采集沉积物样品,在采样现场按0～2 cm进行分层,立即测定沉积物的p H、Eh等指标,将采集的所有样品均装入带有刻度的离心管中,并进行密封低温保存,最终带回实验室分析各种指标.

图1 研究区采样点分布

1.2.2 预处理

故将运回实验室的样品通过3 500 r/min高速离心机进行分离,离心后剩下的沉积物需放入冷冻干燥机中干燥3～5 d至恒重,将干燥后的样品取出,用玛瑙研钵研磨,并通过200目的分选筛进行筛选,筛选后的样品装入密封袋并做好标记,存放于玻璃干燥器中,直至完成实验分析.

1.3 实验方法

1.3.1 有机碳的测定

实验时采用外热法[6]测定总有机碳(TOC)的含量.为了减少实验误差,保证实验数据的可靠性,在测定每组样品时,都做一两个空白实验.测试工作于重庆西南大学完成.

1.3.2 粒度分析

进行粒度分析前,先使用30%的双氧水(H2O2)对原样沉积物进行处理.本实验是在中国科学院地球环境研究所使用Malvern 2000型激光粒度仪测定,粒度分辨率可达到0.01φ,测量上、下限为2 000μm和0.02μm,且重复测量的相对误差＜3%[12].

2 实验结果

2.1 沉积物总有机碳沿程分布特征

2.1.1 干流

寸滩至茅坪段表层沉积物总有机碳(TOC)含量变化趋势如图2所示.

图2 三峡库区干流表层沉积物中总有机碳(TOC)含量变化图

沉积物中TOC含量范围为0.72%～1.05%,平均值0.89%,最大值出现在长江磨刀溪,最小值出现在云阳.在长江磨刀溪、郭家坝等处TOC含量达到峰值,而在云阳处出现波谷,含量低于0.8%.

2.1.2 支流

1)香溪河.香溪河沉积物沿垂向平均总有机碳(TOC)含量为1.00%～1.27%,均值为1.18%,最大值出现在上游,最小值出现在河口(如图3所示).

图3 各支流沉积物TOC含量沿程分布图

香溪河从上游到河口TOC含量依次为1.27%、1.24%、1.00%,呈现“沿程降低的趋势”;表层沉积物的TOC含量依次为1.45%、1.42%、1.02%.

2)大宁河.大宁河沉积物沿垂向总有机碳(TOC)含量为1.11%～1.20%,均值为1.17%,最大值出现在中游,最小值出现在河口.大宁河从上游到河口TOC含量依次为1.19%、1.20%、1.11%,呈现“中间高两头低”的趋势;表层沉积物的TOC含量依次为1.09%、1.10%、0.84%.

3)小江.小江沉积物沿垂向总有机碳(TOC)含量为1.13%～1.30%,均值为1.23%,最大值出现在上游,最小值出现在河口.小江从上游到河口TOC含量依次为1.30%、1.27%、1.13%,呈现“沿程递减”的趋势;表层沉积物的TOC含量依次为1.55%、1.33%、0.91%.

2.2 沉积物总有机碳垂向分布特征

2.2.1 干流

干流各监测断面沉积物中总有机碳(TOC)沿垂向上分布如图4所示.

图4 长江干流TOC含量垂向分布图

忠县从表层至3cm处,TOC含量逐渐升高,3cm处向下,含量又减小.而巴东和长江磨刀溪河口处沉积物TOC的变化趋势基本一致,虽然含量随深度有一定的波动变化,但总体来讲,TOC含量随深度的增加而增大的.对于其它地方,TOC含量波动范围比较大,无明显的变化规律.

2.2.2 支流

1)香溪河.香溪河中上游(XX06和XX08)7 cm向表层与7 cm向下总有机碳(TOC)含量均逐渐增大(如图5所示).河口处(XX01)是干、支流的交界处,水动力条件较为复杂,所以TOC含量随深度有一定波动.总体来说,香溪河沉积物TOC含量随着深度的增加在一定程度上还是有所增大的,而郭家坝处TOC含量则随着深度的增加而逐渐减少.

图5 支流沉积物TOC含量沿垂向分布图

2)大宁河.大宁河河口处(DN01+1)与中游(DN05)总有机碳(TOC)含量随深度的变化趋势基本一致,TOC含量随着深度的增加而增大,达到13～15 cm左右,出现峰值,分别为0.99%和1.57%;随后,随着深度的增加而逐渐减小.

另外,河口处(XX01)和上游处(XX03)TOC含量的变化规律也基本相似,总体上呈现“先增大后减小,最后趋于稳定”的趋势.

3)小江.垂向上,小江中上游(XJ04L和XJ08R)沉积物中总有机碳(TOC)含量变化规律基本一致,从表层开始先缓慢减小最后趋于稳定.对于小江河口处(XJ00),在9 cm处达到峰值,之后逐渐减小,最后趋于稳定.而对于云阳处,TOC含量虽有一定的波动变化,但基本还是遵循“先增大,后减小,最后趋于稳定”的变化规律.

3 讨 论

3.1 干流粒度与沉积物总有机碳含量的关系

从寸滩至茅坪段三峡库区干流表层沉积物颗粒级配的沿程分布如图6所示.

图6 三峡库区干流表层沉积物颗粒级配的沿程分布

粘土含量从寸滩到奉节逐渐增加,而奉节到茅坪则呈现逐渐减少的趋势;另外,干流上粉砂含量的变化趋势与粘土的恰恰相反,而粉砂中细粉砂含量占主导地位;最后,整个干流上砂的含量普遍较少,忠县以及茅坪段相对较多,含量分别为5.83%、4.34%左右.茅坪位于大坝的坝址处,水库的兴建使大半的沙被拦截在水库内,而沉积物受蓄水和泄水的直接影响,有研究表明,水动力越强,沉积物越粗,反之沉积物越细[13],所以茅坪处含砂量较高可能是此原因造成的.表层沉积物中值粒径的变化同样在奉节处出现变化趋势分界(如图7所示),寸滩至奉节段中值粒径逐渐减小,变化幅度较大,奉节至茅坪段中值粒径缓慢增大,变化幅度较小,说明以奉节为节点的上下两段的水动力条件不相同,奉节以上流速沿程变化较大,奉节以下流速沿程变化较稳定.

图7 三峡库区长江干流沉积物中值粒径变化图

沉积物的各种粒度级配和粒度参数可用于水库水动力状况的分析[14-15],水库的兴建,使中下游沙含量急剧下降,大半都被拦截在水库内[16],而水体中的污染物易吸附在表层沉积物粒径1 mm以下的沉积物中[17],使得粒径越细小的沉积物潜在的污染危险更大.

干流总有机碳(TOC)与粒度的相关性分析见表1.干流沉积物TOC含量与黏土呈显著正相关(r=0.762),说明TOC含量主要受粒径较小的黏土物质控制.已有研究表明沉积物有机碳含量受粒径大小的影响,并且细颗粒物质中TOC的含量更高,特别是黏土中[6,18-19].沉积物粒径越大,TOC含量越低,反之,TOC含量越高.对沉积物的组分而言,激光粒度仪测量的结果是偏大的[20],即本实验测量的粒径数值比实际数值要大,所以干流沉积物中TOC含量受较小粒径的影响显著.

表1 干流有机质与粒度的相关分析

3.2 支流粒度与沉积物总有机碳含量的关系

1)香溪河.香溪河各样点的中值粒径以及粒度组分百分含量的分布如图8所示.

图8 香溪河粒度组分百分含量分布图

上游(XX08)和中游(XX06)中值粒径在垂向上呈现波动性变化,变化范围依次为3.78～9.10μm、4.24～8.89μm,平均值依次为6.68μm、6.14μm,而河口(XX01)处中值粒径在垂向上较为稳定,其变化范围为3.04～4.54μm,平均值为3.58μm.上游、中游和河口处中值粒径的平均值排序依次是上游＞中游＞河口.香溪河的上游和河口处沉积物的中值粒径沿垂向呈减小趋势,而香溪河中游沉积物中值粒径沿垂向波动比较大,不过整体呈略微增大的趋势.其中黏土含量沿垂向上逐渐增大,其波动范围为45.61%～59.01%,平均含量约54.05%;细粉砂含量逐渐减小,其波动范围为28.72%～42.27%,平均含量约35.55%;粗粉砂含量的波动范围为9.89%～14.91%,平均含量约11.44%;砂含量沿垂向上逐渐增大,其波动范围为0～0.29%,平均含量约0.09%.

香溪河有机质与粒度的相关性分析见表2,香溪河沉积物TOC含量与细粉砂呈现一定的正相关关系(r=0.580),这说明在香溪河沉积物中,TOC的含量受细粉砂的影响显著.

表2 香溪河有机质与粒度的相关分析

2)大宁河.大宁河的中值粒径沿垂向的分布如图9所示.河口(DN01)中值粒径的范围为4.56～6.94 μm,平均值为5.70μm,中游(DN03)中值粒径的范围为3.63～8.52μm,平均值为5.87μm,上游(DN05)中值粒径的范围为5.24～15.46μm,平均值为7.99 μm.DN01、DN03和DN05中值粒径的平均值排序是DN05＞DN03＞DN01.大宁河河口(DN01)沉积物中值粒径沿垂向略微波动,整体呈略微增大的变化趋势.而大宁河上游(DN05)和中游(DN03)沉积物中值粒径沿垂向波动较大,无明显变化规律,说明水动力条件不同,水流流速变化较大.其中黏土含量呈波动性减少,变化范围为32.77%～45.73%,平均含量约39.00%;细粉砂含量的波动范围为37.81%～46.14%,平均含量约42.74%;粗粉砂含量呈波动性增加,变化范围为13.96%～25.10%,平均含量约18.61%;砂含量的波动范围为0.10%～4.47%,平均含量约1.24%.

图9 大宁河粒度组分百分含量分布图

大宁河有机质与粒度的相关性分析见表3.

表3 大宁河有机质与粒度的相关分析

大宁河沉积物TOC含量与细粉砂呈极显著正相关(r=0.806).已有研究表明有机质易于富集在细颗粒物质中,对于大宁河,沉积物中的有机质更易于富集在细粉砂中,说明大宁河TOC含量受细粉砂的影响显著.

3)小江.小江中值粒径沿垂向的分布如图10所示.XJ00中值粒径的范围为4.96～8.51μm,平均值为6.44μm,XJ04中值粒径的范围为4.55～6.34 μm,平均值为5.50μm,XJ08中值粒径的范围为7.25～9.17μm,平均值为8.07μm.XJ00、XJ04和XJ05中值粒径的平均值排序是XJ08＞XJ00＞XJ04.小江河口(XJ00)沉积物中值粒径沿垂向波动较大,无明显规律,说明河口处水动力条件不同,水流流速变化较大;小江中游(XJ04)和上游(XJ08)沉积物中值粒径沿垂向虽有波动,但整体上呈现增加的趋势.其中黏土含量呈波动性减少,变化范围为25.31%～42.24%,平均含量约33.85%;细粉砂含量则呈波动性增加,其变化范围为43.86%～53.06%,平均含量约48.85%;粗粉砂含量的波动范围为13.93%～22.83%,平均含量约19.10%;砂含量的波动范围为0.06%～0.49%,平均含量约0.22%.

图10 小江粒度组分百分含量分布图

小江有机质与粒度的相关性分析见表4,小江沉积物TOC含量与细粉砂呈极显著正相关(r=0.827).沉积物中的有机质更易于富集在细粉砂中,这表明小江沉积物中TOC含量主要受粒径较小的细颗粒物质的影响.

表4 小江有机质与粒度的相关分析

4 结 论

1)沿河流纵向分布中,长江干流寸滩至茅坪段TOC含量为0.72%～1.05%,平均值0.89%,最大值出现在长江磨刀溪,最小值出现在云阳.支流中,香溪河、大宁河、小江沉积物中TOC的平均含量分别为1.18%、1.17%、1.23%,TOC含量为香溪河＞大宁河＞小江.从上游到河口,香溪河和小江TOC含量呈现“沿程递减”的趋势;大宁河呈现“中间高两头低”的趋势.

2)垂向分布中,长江干流总有机碳(TOC)含量随深度呈波动变化,无明显变化规律,由于干流由各个支流汇入,导致各断面的水动力条件不同,水流速度变化较大,受外界因素的影响较大.水库蓄水初期,支流水深增大,水流速度变缓,不利于污染物的稀释降解,另外,河流两岸淹没范围增大,岸边污染物及腐殖物进入水库,而悬浮污染物容易沉降,进而形成新的沉积物,致使表层沉积物总有机碳(TOC)含量增大,整体上表现出随深度的增大而逐渐减小的特点.

3)对沉积物中总有机碳(TOC)含量与粒度组成之间相关关系的研究中,干流沉积物中TOC含量与黏土呈现显著正相关关系(r=0.762),支流中的香溪河、大宁河、小江沉积物中TOC含量与细粉砂呈现极显著正相关关系.对沉积物组分而言,激光粒度仪测量结果偏大,即本实验测量的粒径数值比实际数值要大.综上表明,三峡水库沉积物中TOC含量受粒径较小的物质控制,即TOC含量受粒径的影响显著.