滇池流域宝象河水库沉积物粒度分布特征及其环境记录

陈 艳, 王延华,2, 叶 斌, 孙 恬, 张茂恒,2

(1.南京师范大学 地理科学学院, 南京 210023; 2.虚拟地理环境教育部重点实验室,南京 210023; 3.生态环境部环境工程评估中心, 北京 100012)

沉积物粒度是反演古气候的可靠物理指标之一[1-2]，是水动力条件、沉积物源、搬运介质以及搬运方式综合作用的结果[3-4]。特定的沉积环境通常具有不同的沉积物粒径特征[5]。滇池是云贵高原最大的淡水湖泊，湖泊沉积记录蕴含有丰富的气候、环境信息。国内外学者对滇池流域湖泊沉积物进行了研究[6-8]，采用放射性核素(137Cs和210Pb)计年法确定沉积年代和沉积速率，通过对沉积柱中有机和无机污染物的垂向研究，反演不同时间尺度的沉积环境变化状况。也有研究者通过对表层沉积物的元素组成和含量进行分析研究其空间分布特征与赋存状态，探讨其污染特征和生态风险[9-10]。对滇池流域的研究集中在滇池主体及其周边地区污染物环境行为，对流域内水库沉积物的研究较少。近几十年来滇池流域干旱频发，宝象河水库作为滇池流域的重要组成部分，具有防洪、发电、灌溉等功能，并且是昆明主城区水源的主要源头，滇池流域第二大河流宝象河的水源[11]。本文以云南滇池流域的宝象河水库柱状沉积物为研究对象，通过对沉积物粒度及其参数特征的研究，结合Sahu判别式和粒级—标准偏差法的分析，探讨沉积物粒度的环境敏感组分及其环境特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宝象河水库(102°55′—102°56′E，24°01′—25°02′N)修建于1958年，地处大板桥镇，蓄水后未清淤，最初用于农灌，1996年后成为昆明主城区水源的主要源头，主要补给水源为三岔河、热水河和方杆溪水。水库东北高，西南低[12]。北亚热带湿润季风气候，干湿分明，降雨集中在5—10月。水库周围主要土壤类型为红壤和水稻土，土地利用方式主要为林地、耕地和水体[13]，人为干扰程度较弱。

1.2 样品采集与测试方法

1.2.1 样品采集方法 2019年8月，滇池流域旱年，利用重力采样器在宝象河水库采得连续的柱状沉积物3根(图1)，沉积物柱芯分别长为73.5 cm，58 cm和74.5 cm。采集后将柱芯于-20℃冷冻，选取其中74.5 cm沉积柱进行分析。按照地下0～0.5 cm为1层；0.5～59.5 cm为1 cm/层间隔连续分样，共得59个样品；59.5～74.5 cm为0.5 cm/层间隔分样，共得30个样品；整个沉积柱共得90个样品。将分割后的样品进行冷冻干燥至恒重备用。

图1 宝象河水库研究区域与采样位置

1.2.2 样品测试方法 粒度测定基于英国Malven生产的Mastersizer 2000型激光粒度分析仪，仪器测量范围为0.02～2 000 μm，相对误差小于3%。主要步骤[14]为：取干燥研磨后的样品0.5 g，样品放置于小烧杯内，加入10%的双氧水，同时用玻璃棒搅拌尽可能去除有机质。加入5 ml浓度为20%的盐酸以去除碳酸盐，继续用玻璃棒搅拌直至无气泡产生。倒入蒸馏水清洗样品，静置后去除上清液，重复4次以上，最终使样品溶液为中性即可。加入10 ml分散剂(0.05 mol/L六偏磷酸钠溶液)，借助超声波震荡溶液15 min使样品充分分散，随后上机进行粒度测试。

2 结果与分析

2.1 沉积物粒度垂向变化趋势

为了研究宝象河沉积物岩芯粒度的垂向分布特征，根据Udden-Wentworth分级方法将粒径组分分为黏土质(<4 μm)、细粉砂质(4～16 μm)、粗粉砂质(16～64 μm)和砂质(>64 μm)4类。见图2，沉积物粒度组分以粗粉砂质为主，其次是细粉砂质，黏土质分别占比31.8～47.4%，18.2～35.5%和15.9～34.7%。沉积物中黏土质、细粉砂质、粗粉砂质、砂质组分平均含量分别为24.7%±4.28%，25.6%±4.02%，39.6%±4.43%，10.1%±4.52%。中值粒径介于8.4～31.1 μm，与各组分之间相关系数分别为0.96，0.91，0.85，0.88(p<0.01)。可用中值粒径表征沉积柱岩芯粒度的垂向变化趋势。根据沉积物岩芯中值粒径的变化特征将宝象河水库沉积物划分为4个沉积阶段：沉积阶段Ⅰ(-74.5～-55 cm)：沉积物各粒径组分波动较小，以粉砂质为主，包括细粉砂质和粗粉砂质，沉积物粒径由细到粗各组分含量分别为27.4%±2.0%，28.7%±2.9%，36.7%±3.2%，7.2%±3.3%。

沉积阶段Ⅱ(-55～-43 cm)：沉积物粒径细化，黏土质含量增加，细粉砂质和粗粉砂质含量稍有减少。主要以黏土质和粗粉砂质为主，各粒径组分含量分别为28.9%±2.9%，27.9%±2.1%，36.1%±2.3%，7.1%±1.7%。沉积阶段Ⅲ(-43～-26 cm)：沉积物粗化明显，以粗粉砂质为主。其中粗颗粒物质含量增多，粗粉砂质和砂质平均含量分别为40.2%±3.1%，12.3%±2.7%；细颗粒物质含量减少，黏土质和细粉砂质平均含量分别为24.2%±2.7%，23.3%±2.4%。沉积阶段Ⅳ(-26～0 cm)：沉积物粒度波动较小，但仍有粗化的趋势。其中黏土质和细粉砂质含量明显减少，含量分别为19.5%±2.0%，21.7%±2.4%；粗粉砂质含量稳定变化，含量为44.8%±1.5%；砂质含量增多，含量为14.0%±4.0%。

整体来看，不同粒级组分含量随着深度的变化趋势有较为明显的差异，黏土质与粗粉砂质、细粉砂质与砂质组分的变化趋势相反。黏土质与细粉砂质含量随着深度减小而减小，粗粉砂质和砂质含量随着深度减小而增多。随着深度的减小，沉积物粗颗粒物质含量增加，细颗粒物质含量减少。随着深度减小，沉积物粗化明显，表明沉积环境的水动力条件有由小变大的趋势。

图2 宝象河水库沉积物粒度垂向分布特征

2.2 粒度基本参数特征

粒度基本参数包括分选系数(Sd)、偏度(Sk)、峰态(Kg)和平均粒径(Mz)。分选系数代表了沉积物颗粒大小的集中程度[15]，常用于分析沉积环境的动力条件和沉积物的物质来源[16]。偏度是表示沉积物粒度频率曲线对称性的参数[17]，反映粗细分布的对称程度以及沉积物搬运能力的强弱[18]。峰态是衡量频率曲线尖峰凸起程度的参数[19]，并反映粒度分布的集中和分散情况[20]。平均粒径表示沉积物颗粒的粗细，反映物质来源和沉积韵律的变化[21]。通过计算宝象河水库沉积物的分选系数、偏度、峰态和平均粒径，并且对照Folk-Ward分选性、偏度、峰态分级表(表1)，结果表明：宝象河水库沉积物样品的分选系数范围集中在1.50～1.80，平均值为1.67，沉积物分选差，反映当时水动力作用较强或者离物源较近。宝象河水库沉积物样品的偏度范围集中在-0.05～-0.44，从地表至地下32 cm处沉积物偏度值<-0.30；属于极负偏，-32 cm以下沉积物偏度介于-0.30～-0.10，属于负偏。宝象河水库沉积物的峰态值介于0.76～0.98，表层5 cm沉积物峰态值介于0.90～1.11，属于中等峰态；-5 cm以下沉积物峰态值介于0.67～0.90，峰态宽平。平均粒径介于5.56～6.94 μm，-43 cm以下沉积物平均粒径变化较小，表明沉积环境较为稳定；-43 cm以上沉积物平均粒径随着深度的减小而减小(图3)。

表1 分选性、偏度、峰态分级[22]

图3 宝象河水库沉积物粒度基本参数特征

2.3 环境判别及敏感组分提取

Sahu判别式[23]是萨胡通过对大量的砂石、砾石等碎屑物质进行分析建立的一系列判别公式。本文采用Sahu判别式(表2)对沉积环境进行鉴别，将宝象河水库沉积物粒度数据代入判别式中计算，公式1计算结果显示最大值为-0.99，最小值为-9.11，沉积环境复杂，表层5 cm大于-2.74，属于海滩沉积环境，-5 cm以下小于-2.74，属于风成沉积环境；公式2计算结果显示最小值为199.14，最大值为232.47，均大于65.37为浅海沉积环境；公式3计算结果显示最小值-12.87，最大值为-10.35，均小于-7.42为河流或三角洲沉积环境。通过计算宝象河水库并非全年处于被河水覆盖的环境，部分时段裸露在空气中，经受风化影响。表明宝象河水库的入库河流属于间歇性河流。

表2 沉积环境鉴别公式及标准[24-27]

标准偏差是数值相对于平均值的离散程度。标准偏差越小，数值偏离平均值的程度越低，离散程度越低[28]。粒径—标准偏差法[29-30]的基本原理是通过激光粒度仪分析计算样品每个粒级的标准偏差，获得不同粒度分布范围以及相对含量，并以粒级为横坐标，标准偏差为纵坐标做图。在图中出现的峰值越高，代表该粒级组分对沉积环境越敏感，即产生该粒级的沉积环境变化越大。运用粒径—标准偏差法来提取宝象河沉积物中的敏感组分。从图4可以看出，粒径—标准偏差曲线中出现了3个峰值，其粒径依次为5.75 μm，60.26 μm，416.87 μm，与其对应的边界为22.91 μm，181.97 μm。因此，将宝象河水库沉积物粒度划分为A(粒径<22.91 μm)、B(粒径介于22.91～181.97 μm)、C(粒径>181.97 μm)3个粒度组分。为了分析这3个粒径组分对沉积环境的敏感程度，分别计算了各组分的含量。组分A含量的变化范围为41.26%～73.59%，平均值为58.72%±8.28%；组分B含量的变化范围为26.41%～56.79%，平均值为40.82%±8.04%；组分C含量的变化范围为0～4.81%，平均值为0.45%±0.91%，由于C组分的平均含量低于1%，在此不讨论其环境指示意义。A，B组分含量最多，因此，确定粒径组分A，B为宝象河水库沉积物中的环境敏感粒度组分，用来揭示宝象河水库沉积环境的变化。

图4 粒径—标准偏差曲线

A，B组分含量垂向变化见图5，从地下深处至地表，A，B组分随埋藏深度的变化趋势相反。-56 cm以下随着埋藏深度减小A组分含量增加，B组分含量减少；-56 cm以上随着埋藏深度的减小A组分含量减少，B组分含量增加。中值粒径介于8.3～29.2 μm，波动较大，随着埋藏深度的减小而逐渐增大。通过对比A，B组分以及中值粒径垂向变化特征，发现B组分含量的变化趋势与中值粒径的变化趋势存在明显的一致性，表明B组分才是对沉积环境最为敏感的颗粒组分，而A组分含量的变化则是受到B组分含量的影响。沉积物由细变粗，表明沉积环境的水动能条件有变高的趋势。研究表明在开放性湖泊(水库)中，粗粒沉积物较多表示入湖水量大，地表径流携带粗粒物质进入湖泊，气候湿润；反之，细粒物质较多表明气候干燥，降水量小[31-32]。

图5 宝象河水库沉积物不同粒径敏感组分含量变化特征

宝象河是昆明古六河之一，属于天然河道，下垫面多为山坡地和农田，宝象河水库于1958年修建在宝象河主流上，修建后未进行清淤处理。根据文献研究[33]宝象河水库平均沉积速率为0.72 cm/a，宝象河水库沉积柱沉积年代可追溯至1915年左右，推测-22 cm，-36 cm，-46 cm深度分别对应1963年、1984年、1999年并且50 cm深度左右处为1958年。宝象河水库属于开放性水域，沉积物粒度在-56 cm左右随着埋藏深度减小而变粗可能是由于修建水库蓄水导致水流搬运能力减弱，粗颗粒物质在水库周边，故将A，B敏感组分以及中值粒径变化趋势与1958—2018年昆明地区年降水量进行对比。由图6看出，近60 a昆明市年降水量的变化范围在565.80～1 449.90 mm，均值为994.10 mm。通过对比过去60 a的年降水量与宝象河水库修建以来沉积物粒度的A，B组分含量变化以及中值粒径的波动，发现B组分含量、中值粒径的变化趋势与年降水量的变化趋势较为一致，表明降水量是影响宝象河水库沉积物粒径变化的一个重要因素。1958—1999年，降水量整体呈波动增加的趋势，气候湿润，地表径流携带粗粒物质进入水库，对应的A组分含量减少，B组分含量增加，沉积物粒度变粗；1999—2009年降水量逐渐减少，气候干燥，入库水流小，对应的A组分含量变多，B组分含量相对减少，沉积物粒径变细；2009—2018年，年降水量增加，入库水流增大，A组分含量减少，B组分含量增加，沉积物粒径变粗。

图6 昆明1958-2018年年降水量变化趋势

3 结 论

宝象河水库岩芯沉积物中黏土质和细粉砂质两种组分含量合计超过50%，随着埋藏加深二者含量均呈现增加趋势，砂质含量最少，随深度增加而减小的趋势。沉积物分选性差，偏度属于负偏或极负偏，峰态宽平或属于中等峰态，平均粒径介于5.56～6.94 μm。

利用Sahu判别式对沉积环境进行判别，揭示宝象河水库沉积物来源复杂，且入库河流属于间歇性河流。粒级—标准偏差法提取出的敏感组分表明，宝象河水库沉积物环境敏感组分A与组分B的含量随埋藏深度呈现反向变化趋势，而组分B垂向变化与中值粒径变化趋势一致，反映了宝象河水库沉积物粒度的整体变化受到组分B的影响。沉积物B组分随着埋藏深度减小由细变粗，水动力条件有由小变大的趋势，并且降水是影响宝象河水库沉积物粒径变化的一个重要原因。