闽北古亭水库沉积物粒度组成及其对气候的响应

叶宏萌，李青玉，华伟平，苏丽鳗，左邦瑞，陈菱，林江玲

（武夷学院，生态与资源工程学院，福建省生态产业绿色技术重点实验室，福建 武夷山 354300）

古亭水库位于武夷山市东南部地区，地处闽江流域建溪水系上游。在水库底部广泛且连续分布着沉积物质[1]。水库沉积物对流域环境变化具有敏感响应,其粒度参数可反映沉积环境中物质来源、水动力环境、以及水动力条件等[2]。因此，通过对水库沉积物的粒度数据的分析,并结合历史年降雨量和平均气温研究，有助于了解水库现代沉积过程以及对区域气候变化的响应，也为开展区域气候环境重建以及改善水库水质提供科学依据[3-4]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区为福建省武夷山市五夫镇古亭水库（118°12′10″ E～118°19′20″ E，27°38′15″ N～27°40′50″ N），水源主要依赖地表径流和水面降水补给，主要来源于建溪水系上游的崇阳溪的支流。该水系属于放射性水系，水力资源富饶，流程短，水流急，坡降大，平均坡降0.8‰。该水库于1965 年5 月建成，是介于河流与湖泊之间的半人工半自然水体，具有滞洪和蓄洪的作用，同时用于灌溉用水及发电。古亭水库的流域面积为35.29 km2，水库水面0.19 km2，死库容3.2 万m3，总库容305 万m3。

1.2 样品采集

2020 年11 月17 日，对古亭水库（118°12′10″ E～118°19′20″ E，27°38′15″ N～27°40′50″ N）进行采样，利用柱状采样器采集柱状沉积物样品。沉积物样品均现场放进密封袋中，贴上标签，防止样品混淆。封好塑料袋袋口并将其放入样品收集容器中，送回实验室进行分类和重新标记。

1.3 样品处理与测试

将沉积物样品放置在通风良好的室内，剔除样品中的树枝、叶等杂质，自然风干后在室温下贮存直至测试分析。沉积物采样深度为77 cm，0～72 cm 按1 cm分，分72 层，73～77 cm 按5 cm 分，分1 层，共获73 个样品备用。取部分自然风干后的沉积物样品研磨过筛(100 目)，烘干(105 ℃)后在相同规格的塑料容器中称重约5～10 g，用蜡密封30 天备用。

放射性元素(137Cs 与210Pbex)用高纯锗探测器γ 谱仪(GWL-120-15，ORTEC，USA)测定；沉积物粒度用Bettersize2600E 激光粒度分析仪（丹东百特仪器有限公司生产）湿法测定沉积物样品。详细步骤为：少量多次加入待测土样，直至遮光控制在10%～15%范围内后等待机器自动进样测量。测量结果按照Udden-Wentworth 标准将沉积物粒级分类为黏粒(<4 μm)、粉粒(4～64 μm)和砂粒(>64 μm)三个级别进行数据处理。

1.4 数据处理

沉积物粒度参数指标的统计分析采用统计软件Excel 进行，而放射性元素（137Cs 与210Pb）沉积定年与沉积物粒度的相关采用Origin2019b 进行。

2 结果与分析

2.1 沉积物沉积年代及沉积速率的确定

2.1.1 沉积物沉积年代

基于210 Pbex 测年的CRS 模式[5]估算古亭水库沉积物柱芯年代，该模型中，沉积物每层的沉积年代可表述为：

式中：t 为沉积物某一层的沉积年代(a)，A0为沉积岩芯中210Pbex 的累计输入总量(Bq·cm-2)，Ah为一定深度h以下各层沉积物中210Pbex 的累计总量(Bq·cm-2)，λ 为210Pb 的放射性衰变常数(λ=0.03114/a)[6]。

210Pbex 的比活度随着质量深度的增加呈不规则波动下降趋势，而137Cs 的比活度随质量深度的增加呈现了两个鲜明的蓄积峰，分别是质量深度为33.87 g·cm-2和38.79 g·cm-2，其对应年代为1986 年和1975 年。造成1986 年137Cs 次蓄积峰的主要来源可能为1986 年切尔诺贝利核电站核泄漏造成137Cs 在全球范围内散落[5,7]；而造成1975 年137Cs 最大蓄积峰的主要原因可能为：中国在20 世纪70 年代西北地区进行大气核试验产生了放射性沉降。在云贵高原、东部平原的不少湖区137Cs 主次蓄积峰对应年代为1975、1986 年[8]，所以将1975 年和1986 年达到的蓄峰值作为辅助定年时标是具有一定可信度的，见图1。

图1 沉积物剖面质量深度-比活度关系图Fig.1 The relationship between the quality depth and the specific activity of the sediment profile

2.1.2 沉积物沉积速率

利用沉积速率计算公式：

式中：S 是沉积速率(g·cm-2·a-1)，Z 为质量深度(g·m-2)是某一深度Z 以上沉积物的累积值，t 为沉积物某一层的沉积年代(a)[9]。

通过CRS 模式估算得出的水库柱状样沉积历史可追溯到1877 年。由于古亭水库于1958 年建造，于1965 年竣工，故本文选取1966—2020 年作为研究时间段，即只分析深度62 cm 以上至表层的沉积物性质。结合137Cs 蓄积峰定年，将研究时间段分为三个节点（如表1），沉积物在1966—1975 年、1975—1986 年、1986—2020 年之间的平均沉积速率分别为0.29、0.30、0.33 g·cm-2·a-1，说明古亭水库54 年来的沉积速率变化幅度较小，沉积环境较为稳定。

表1 210Pbex 时标计年沉积速率结果Tab.1 Results of annual deposition rate on 210Pbex time scale

图2 更直观的反应沉积速率变化趋势，可知沉积速率呈三段不同变化趋势：第一段为1966—1998 年，沉积速率稳定在0.29～0.32 g·cm-2·a-1，说明此期间内沉积过程受影响小；第二段为1998—2010 年，沉积速率呈小幅度稳步上升趋势；第三段为2010—2020 年，此阶段受较为频繁的人为影响，沉积速率整体呈显著上升趋势，波动幅度较往年更大，尤其在2017 年后沉积速率激增。结合过去54 年古亭水库年降雨量数据分析可知，1998 年和2010 年为丰水年，随降雨量增大，因降雨冲刷地表而入库沉积的泥沙量上升。据2013—2020 年统计年鉴可知，2013 年之后政府对产业结构进行调整，促进了水产业发展，水生生物的活动改变了沉积物水动力环境，加速了沉积过程。

图2 沉积速率与年代示意图Fig.2 Schematic diagram of deposition rate and age

图3 五夫镇古亭水库沉积物粒级分布三角图Fig.3 Triangular diagram of sediment size distribution of Guting Reservoir in Wufu Town

2.2 沉积物粒度机械组成及特征

2.2.1 沉积物粒度机械组成

沉积物的优势粒级是粉粒，其主导了沉积物的粒度变化，含量达80%以上；黏粒含量和砂粒含量较低，大体相当。粉粒和黏粒在研究区分布比较均匀，而砂粒组成分布较为杂乱，这可能与水库周边不同时期、不同强度的地表径流有关，地表径流汇入水库时将泥沙带入湖泊并蓄积在沉积物中，导致不同深度的沉积物粒径分布存在差异。粒度分析结果表明：黏粒组分变化范围介于7.24%～15.60%之间，平均值为10.51%；粉粒组分总体在73.51%～87.74%之间起伏，平均值为83.48%；砂粒组分波动于1.44%～19.12%之间，平均值为6.01%。整体黏粒含量较小，粉粒含量较多，砂粒变化幅度最大，见图2。

2.2.2 沉积物粒度垂直变化特征

整体来看，不同粒级组分含量随深度的变化存在较为明显的差异，砂粒组分含量随深度变化表现出缓慢波动后大幅度增加又大幅度减小后又大幅度增加；粉粒在整体所占比重都是最大的，变化趋势是先缓慢波动后剧烈减少后剧烈增加又剧烈减少，粉粒组分与砂粒组分两者的变化趋势呈明显的负相关；黏粒含量变化趋势是先缓慢增加后大幅度增加又大幅度减少，但整体含量不是很高。不同粒级含量随深度的变化显示，3 个粒级变化曲线中粉粒和砂粒的变化范围具有明显的波动特征，可能反映了搬运沉积动力强度的阶段性变化，见图4。

图4 五夫镇古亭水库沉积物粒度随深度变化的粒度分布特征Fig.4 Grain size distribution characteristics of sediments in Guting Reservoir,Wufu Town,changing with depth

图5 古亭水库沉积物中值粒径与降雨量变化关系图Fig.5 The relationship between the median particle size of the sediments and rainfall changes in Guting Reservoir

3 讨论

3.1 沉积物粒度对降雨量响应的研究

中值粒径是研究环境对沉积物粒度变化特征影响的重要参数[10]，在短尺度高分辨率的气候序列里：粒度偏粗指示降水量偏高的湿润年份，粒度偏细指示降水量偏低的干旱年份[10,11]。

从上图可见，粒度与降雨量变化整体对应性不高，但对于部分特殊降水年份仍具有指示作用。自1966 到1971 年中值粒径呈明显下降趋势，响应了1971 年枯水年。降雨量匮乏使得水位下降，湖面收缩，粗颗粒不易到达库区沉积，导致沉积物颗粒偏细；自1990 年到1998 年中值粒径变化呈显著上升趋势，响应了1998 年丰水年。在1998 年洪水期间地表径流携带陆源粗颗粒物的能力增强，更多的粗颗粒入库沉积。而1975 年与2010 年虽也为丰水年，但中值粒径在对应年份的指示性并不明显。造成指示性不一致的原因可能为：在1975 年，库区植被环境稳定，其涵养水源能力较强，使得中值粒径大小不能明显指示降雨量。而从20 世纪70 年代末开始我国实行改革开放政策，掀起的开荒热潮破坏了流域原有植被环境，导致中值粒径大小能够直观反映降雨量变化。直至1998年发生特大洪涝灾害，我国发布了一系列环境保护政策，使流域植被覆盖率增高，削弱了地表径流搬运能力，降雨量对沉积结果影响减小[9,11]；

3.2 沉积物粒度对气温响应的研究

参照中值粒径与降雨量的关系图，得到中值粒径与气温之间的变化关系图，见图6。

图6 古亭水库沉积物中值粒径与气温变化关系图Fig.6 The relationship between the median particle size of the sediments and temperature changes in Guting Reservoir

1966—2020 年间年平均气温呈显著上升趋势，中值粒径则呈“u 型”先减后增又平缓下降变化。中值粒径对年平均气温整体变化的响应大致分为2 个阶段：

第一阶段（1966—2012 年）：2012 年前中值粒径与气候升温具有良好的同步性：中值粒径较小指示年平均温度偏低，中值粒径较大指示年平均温度升高。尤其在1995—1998 年二者出现相对峰值。该时期随温度升高蒸发量增大，库区水位下降，加之同时期流域生态因大力开荒受到破坏，水土流失加剧，地表径流携带粗颗粒物入库量增大，导致中值粒径值显著增加。

第二阶段（2012—2020 年）：该阶段主要受频繁的人类活动影响，中值粒径不能有效指示气温变化甚至出现局部呈负相关。政府于2013 年前后在流域开展了烟草援建灌区工程，减少了地表裸露面积，加之近几十年水库的气候由冷湿向暖湿转变，这种过渡性的气候适宜植被生长，最终使得流域植被覆盖率上升，水土流失情况得以改善，入库粗颗粒物质相应减少。所以该时期沉积物粒径变化呈平缓下降趋势，这与刘兴起等对青海湖沉积物变化研究结论一致[12,13]。

4 结论

基于武夷山市古亭水库柱状沉积物的粒径组成情况，结合137Cs 与210Pbex 计算所得的相应沉积年代，并参照流域1966—2020 年内降雨量与气温变化数据进行比对分析，初步得到以下结论：

（1）中值粒径与降雨量变化整体对应性不高，不过对于1971 年枯水年、1998 年丰水年仍具有指示作用，但不能指示其他丰水年，可能与20 世纪70 年代末掀起的开荒热潮、特大洪灾后开始发展的环境保护有一定关系。

（2）中值粒径对气温变化的响应性大致可分为两个时期：2012 年以前中值粒径与气候升温具有良好的同步性，中值粒径较小指示年平均温度偏低，中值粒径较大指示年平均温度升高。2012 年以后，政府修缮了水利设施，扩大了作物养殖范围，加之近几十年水库的气候由冷湿向暖湿转变，处于这种过渡性气候下的植被长势良好，使得流域植被覆盖率上升，水土流失情况得以改善。比起自然因素，频繁的人类活动对沉积结果的影响更明显，这种影响对沉积物粒度特征不是小幅度的波动，而是显著的改变。