閩北古亭水庫沉積物粒度組成及其對氣候的響應

葉宏萌，李青玉，華偉平，蘇麗鰻，左邦瑞，陳菱，林江玲

（武夷學院，生態(tài)與資源工程學院，福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術重點實驗室，福建 武夷山 354300）

古亭水庫位于武夷山市東南部地區(qū)，地處閩江流域建溪水系上游。在水庫底部廣泛且連續(xù)分布著沉積物質[1]。水庫沉積物對流域環(huán)境變化具有敏感響應,其粒度參數(shù)可反映沉積環(huán)境中物質來源、水動力環(huán)境、以及水動力條件等[2]。因此，通過對水庫沉積物的粒度數(shù)據(jù)的分析,并結合歷史年降雨量和平均氣溫研究，有助于了解水庫現(xiàn)代沉積過程以及對區(qū)域氣候變化的響應，也為開展區(qū)域氣候環(huán)境重建以及改善水庫水質提供科學依據(jù)[3-4]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為福建省武夷山市五夫鎮(zhèn)古亭水庫（118°12′10″ E～118°19′20″ E，27°38′15″ N～27°40′50″ N），水源主要依賴地表徑流和水面降水補給，主要來源于建溪水系上游的崇陽溪的支流。該水系屬于放射性水系，水力資源富饒，流程短，水流急，坡降大，平均坡降0.8‰。該水庫于1965 年5 月建成，是介于河流與湖泊之間的半人工半自然水體，具有滯洪和蓄洪的作用，同時用于灌溉用水及發(fā)電。古亭水庫的流域面積為35.29 km2，水庫水面0.19 km2，死庫容3.2 萬m3，總庫容305 萬m3。

1.2 樣品采集

2020 年11 月17 日，對古亭水庫（118°12′10″ E～118°19′20″ E，27°38′15″ N～27°40′50″ N）進行采樣，利用柱狀采樣器采集柱狀沉積物樣品。沉積物樣品均現(xiàn)場放進密封袋中，貼上標簽，防止樣品混淆。封好塑料袋袋口并將其放入樣品收集容器中，送回實驗室進行分類和重新標記。

1.3 樣品處理與測試

將沉積物樣品放置在通風良好的室內(nèi)，剔除樣品中的樹枝、葉等雜質，自然風干后在室溫下貯存直至測試分析。沉積物采樣深度為77 cm，0～72 cm 按1 cm分，分72 層，73～77 cm 按5 cm 分，分1 層，共獲73 個樣品備用。取部分自然風干后的沉積物樣品研磨過篩(100 目)，烘干(105 ℃)后在相同規(guī)格的塑料容器中稱重約5～10 g，用蠟密封30 天備用。

放射性元素(137Cs 與210Pbex)用高純鍺探測器γ 譜儀(GWL-120-15，ORTEC，USA)測定；沉積物粒度用Bettersize2600E 激光粒度分析儀（丹東百特儀器有限公司生產(chǎn)）濕法測定沉積物樣品。詳細步驟為：少量多次加入待測土樣，直至遮光控制在10%～15%范圍內(nèi)后等待機器自動進樣測量。測量結果按照Udden-Wentworth 標準將沉積物粒級分類為黏粒(<4 μm)、粉粒(4～64 μm)和砂粒(>64 μm)三個級別進行數(shù)據(jù)處理。

1.4 數(shù)據(jù)處理

沉積物粒度參數(shù)指標的統(tǒng)計分析采用統(tǒng)計軟件Excel 進行，而放射性元素（137Cs 與210Pb）沉積定年與沉積物粒度的相關采用Origin2019b 進行。

2 結果與分析

2.1 沉積物沉積年代及沉積速率的確定

2.1.1 沉積物沉積年代

基于210 Pbex 測年的CRS 模式[5]估算古亭水庫沉積物柱芯年代，該模型中，沉積物每層的沉積年代可表述為：

式中：t 為沉積物某一層的沉積年代(a)，A0為沉積巖芯中210Pbex 的累計輸入總量(Bq·cm-2)，Ah為一定深度h以下各層沉積物中210Pbex 的累計總量(Bq·cm-2)，λ 為210Pb 的放射性衰變常數(shù)(λ=0.03114/a)[6]。

210Pbex 的比活度隨著質量深度的增加呈不規(guī)則波動下降趨勢，而137Cs 的比活度隨質量深度的增加呈現(xiàn)了兩個鮮明的蓄積峰，分別是質量深度為33.87 g·cm-2和38.79 g·cm-2，其對應年代為1986 年和1975 年。造成1986 年137Cs 次蓄積峰的主要來源可能為1986 年切爾諾貝利核電站核泄漏造成137Cs 在全球范圍內(nèi)散落[5,7]；而造成1975 年137Cs 最大蓄積峰的主要原因可能為：中國在20 世紀70 年代西北地區(qū)進行大氣核試驗產(chǎn)生了放射性沉降。在云貴高原、東部平原的不少湖區(qū)137Cs 主次蓄積峰對應年代為1975、1986 年[8]，所以將1975 年和1986 年達到的蓄峰值作為輔助定年時標是具有一定可信度的，見圖1。

圖1 沉積物剖面質量深度-比活度關系圖Fig.1 The relationship between the quality depth and the specific activity of the sediment profile

2.1.2 沉積物沉積速率

利用沉積速率計算公式：

式中：S 是沉積速率(g·cm-2·a-1)，Z 為質量深度(g·m-2)是某一深度Z 以上沉積物的累積值，t 為沉積物某一層的沉積年代(a)[9]。

通過CRS 模式估算得出的水庫柱狀樣沉積歷史可追溯到1877 年。由于古亭水庫于1958 年建造，于1965 年竣工，故本文選取1966—2020 年作為研究時間段，即只分析深度62 cm 以上至表層的沉積物性質。結合137Cs 蓄積峰定年，將研究時間段分為三個節(jié)點（如表1），沉積物在1966—1975 年、1975—1986 年、1986—2020 年之間的平均沉積速率分別為0.29、0.30、0.33 g·cm-2·a-1，說明古亭水庫54 年來的沉積速率變化幅度較小，沉積環(huán)境較為穩(wěn)定。

表1 210Pbex 時標計年沉積速率結果Tab.1 Results of annual deposition rate on 210Pbex time scale

圖2 更直觀的反應沉積速率變化趨勢，可知沉積速率呈三段不同變化趨勢：第一段為1966—1998 年，沉積速率穩(wěn)定在0.29～0.32 g·cm-2·a-1，說明此期間內(nèi)沉積過程受影響小；第二段為1998—2010 年，沉積速率呈小幅度穩(wěn)步上升趨勢；第三段為2010—2020 年，此階段受較為頻繁的人為影響，沉積速率整體呈顯著上升趨勢，波動幅度較往年更大，尤其在2017 年后沉積速率激增。結合過去54 年古亭水庫年降雨量數(shù)據(jù)分析可知，1998 年和2010 年為豐水年，隨降雨量增大，因降雨沖刷地表而入庫沉積的泥沙量上升。據(jù)2013—2020 年統(tǒng)計年鑒可知，2013 年之后政府對產(chǎn)業(yè)結構進行調整，促進了水產(chǎn)業(yè)發(fā)展，水生生物的活動改變了沉積物水動力環(huán)境，加速了沉積過程。

圖2 沉積速率與年代示意圖Fig.2 Schematic diagram of deposition rate and age

圖3 五夫鎮(zhèn)古亭水庫沉積物粒級分布三角圖Fig.3 Triangular diagram of sediment size distribution of Guting Reservoir in Wufu Town

2.2 沉積物粒度機械組成及特征

2.2.1 沉積物粒度機械組成

沉積物的優(yōu)勢粒級是粉粒，其主導了沉積物的粒度變化，含量達80%以上；黏粒含量和砂粒含量較低，大體相當。粉粒和黏粒在研究區(qū)分布比較均勻，而砂粒組成分布較為雜亂，這可能與水庫周邊不同時期、不同強度的地表徑流有關，地表徑流匯入水庫時將泥沙帶入湖泊并蓄積在沉積物中，導致不同深度的沉積物粒徑分布存在差異。粒度分析結果表明：黏粒組分變化范圍介于7.24%～15.60%之間，平均值為10.51%；粉粒組分總體在73.51%～87.74%之間起伏，平均值為83.48%；砂粒組分波動于1.44%～19.12%之間，平均值為6.01%。整體黏粒含量較小，粉粒含量較多，砂粒變化幅度最大，見圖2。

2.2.2 沉積物粒度垂直變化特征

整體來看，不同粒級組分含量隨深度的變化存在較為明顯的差異，砂粒組分含量隨深度變化表現(xiàn)出緩慢波動后大幅度增加又大幅度減小后又大幅度增加；粉粒在整體所占比重都是最大的，變化趨勢是先緩慢波動后劇烈減少后劇烈增加又劇烈減少，粉粒組分與砂粒組分兩者的變化趨勢呈明顯的負相關；黏粒含量變化趨勢是先緩慢增加后大幅度增加又大幅度減少，但整體含量不是很高。不同粒級含量隨深度的變化顯示，3 個粒級變化曲線中粉粒和砂粒的變化范圍具有明顯的波動特征，可能反映了搬運沉積動力強度的階段性變化，見圖4。

圖4 五夫鎮(zhèn)古亭水庫沉積物粒度隨深度變化的粒度分布特征Fig.4 Grain size distribution characteristics of sediments in Guting Reservoir,Wufu Town,changing with depth

圖5 古亭水庫沉積物中值粒徑與降雨量變化關系圖Fig.5 The relationship between the median particle size of the sediments and rainfall changes in Guting Reservoir

3 討論

3.1 沉積物粒度對降雨量響應的研究

中值粒徑是研究環(huán)境對沉積物粒度變化特征影響的重要參數(shù)[10]，在短尺度高分辨率的氣候序列里：粒度偏粗指示降水量偏高的濕潤年份，粒度偏細指示降水量偏低的干旱年份[10,11]。

從上圖可見，粒度與降雨量變化整體對應性不高，但對于部分特殊降水年份仍具有指示作用。自1966 到1971 年中值粒徑呈明顯下降趨勢，響應了1971 年枯水年。降雨量匱乏使得水位下降，湖面收縮，粗顆粒不易到達庫區(qū)沉積，導致沉積物顆粒偏細；自1990 年到1998 年中值粒徑變化呈顯著上升趨勢，響應了1998 年豐水年。在1998 年洪水期間地表徑流攜帶陸源粗顆粒物的能力增強，更多的粗顆粒入庫沉積。而1975 年與2010 年雖也為豐水年，但中值粒徑在對應年份的指示性并不明顯。造成指示性不一致的原因可能為：在1975 年，庫區(qū)植被環(huán)境穩(wěn)定，其涵養(yǎng)水源能力較強，使得中值粒徑大小不能明顯指示降雨量。而從20 世紀70 年代末開始我國實行改革開放政策，掀起的開荒熱潮破壞了流域原有植被環(huán)境，導致中值粒徑大小能夠直觀反映降雨量變化。直至1998年發(fā)生特大洪澇災害，我國發(fā)布了一系列環(huán)境保護政策，使流域植被覆蓋率增高，削弱了地表徑流搬運能力，降雨量對沉積結果影響減小[9,11]；

3.2 沉積物粒度對氣溫響應的研究

參照中值粒徑與降雨量的關系圖，得到中值粒徑與氣溫之間的變化關系圖，見圖6。

圖6 古亭水庫沉積物中值粒徑與氣溫變化關系圖Fig.6 The relationship between the median particle size of the sediments and temperature changes in Guting Reservoir

1966—2020 年間年平均氣溫呈顯著上升趨勢，中值粒徑則呈“u 型”先減后增又平緩下降變化。中值粒徑對年平均氣溫整體變化的響應大致分為2 個階段：

第一階段（1966—2012 年）：2012 年前中值粒徑與氣候升溫具有良好的同步性：中值粒徑較小指示年平均溫度偏低，中值粒徑較大指示年平均溫度升高。尤其在1995—1998 年二者出現(xiàn)相對峰值。該時期隨溫度升高蒸發(fā)量增大，庫區(qū)水位下降，加之同時期流域生態(tài)因大力開荒受到破壞，水土流失加劇，地表徑流攜帶粗顆粒物入庫量增大，導致中值粒徑值顯著增加。

第二階段（2012—2020 年）：該階段主要受頻繁的人類活動影響，中值粒徑不能有效指示氣溫變化甚至出現(xiàn)局部呈負相關。政府于2013 年前后在流域開展了煙草援建灌區(qū)工程，減少了地表裸露面積，加之近幾十年水庫的氣候由冷濕向暖濕轉變，這種過渡性的氣候適宜植被生長，最終使得流域植被覆蓋率上升，水土流失情況得以改善，入庫粗顆粒物質相應減少。所以該時期沉積物粒徑變化呈平緩下降趨勢，這與劉興起等對青海湖沉積物變化研究結論一致[12,13]。

4 結論

基于武夷山市古亭水庫柱狀沉積物的粒徑組成情況，結合137Cs 與210Pbex 計算所得的相應沉積年代，并參照流域1966—2020 年內(nèi)降雨量與氣溫變化數(shù)據(jù)進行比對分析，初步得到以下結論：

（1）中值粒徑與降雨量變化整體對應性不高，不過對于1971 年枯水年、1998 年豐水年仍具有指示作用，但不能指示其他豐水年，可能與20 世紀70 年代末掀起的開荒熱潮、特大洪災后開始發(fā)展的環(huán)境保護有一定關系。

（2）中值粒徑對氣溫變化的響應性大致可分為兩個時期：2012 年以前中值粒徑與氣候升溫具有良好的同步性，中值粒徑較小指示年平均溫度偏低，中值粒徑較大指示年平均溫度升高。2012 年以后，政府修繕了水利設施，擴大了作物養(yǎng)殖范圍，加之近幾十年水庫的氣候由冷濕向暖濕轉變，處于這種過渡性氣候下的植被長勢良好，使得流域植被覆蓋率上升，水土流失情況得以改善。比起自然因素，頻繁的人類活動對沉積結果的影響更明顯，這種影響對沉積物粒度特征不是小幅度的波動，而是顯著的改變。