广州流溪河水库沉积物粒度端元模型分析及其沉积动力学意义

王艳杰，唐红渠，姜仕军

（暨南大学 生态学系、广东省水体富营养化与赤潮防治广东普通高校重点实验室，广州510632）

自然界中大多数沉积物受一种或多种搬运营力、动力机制的共同作用，出现了多成因、多峰分布的粒度频率曲线特征，且同一类型沉积物因受地形、搬运介质及时空上的差异等多重影响，其粒度表征的频率曲线分布特征也各不相同［1］。沉积物粒度蕴含着水动力机制、降雨量和物源等多方面的信息，而利用这些信息可以揭示沉积环境的类型，推断气候变化以及沉积物扩散搬运的过程［2－4］。为了获得并破译这些信息，人们多采用主成分分析（PCA）、聚类分析或者因子分析等方法，取得了诸多成果。特别是，Weltje和Maarten总结了粒度分析方法并提出了动力组分的概念，认为沉积物是由不同的来源或不同的搬运机制经过分选而对不同时期的动力组分进行混合形成的，进而提出了端元模型的概念［5，6］。Dietze改进了端元模型，并发表了基于Matlab的端元模型算法［7］，为端元模型用于分析沉积物粒度数据以反演物源和沉积环境提供了坚实的基础。

对于缺乏长期监测记录的湖泊，利用沉积物粒度可以反演湖泊的发展过程与趋势以及湖泊环境的初始特征［8，9］。水库作为一种介于河流与湖泊之间的半人工半自然水体，因防洪和调蓄，水位波动较大，水动力学过程极为活跃；同时作为年轻的水体，水库内各种沉积过程还未达到平衡。虽然水库沉积物粒度组成及特点也直接反映了水动力强弱、沉积物来源及沉积环境等信息［10－12］，但是其复杂性高于湖泊，从而直接影响到水库管理方法的应用［13］。流溪河水库是广州市主要的饮用水源地，于1958年建成蓄水。水库上游的2条主要入库河流分别是吕田河和玉溪河（图1）。整个流域受典型的热带－亚热带季风气候影响，降雨充沛，有明显的雨季和旱季，年平均气温达21.1℃。本文以此典型的峡谷型深水水库为研究对象，利用端元模型对多个沉积柱的粒度组成进行分析，揭示水库沉积环境和物源在时间和空间上的演变，阐明不同沉积环境和水动力条件下的粒度分布特征及物质来源，为华南地区水库容积和水质管理提供科学依据，同时为端元模型应用于研究年轻水体的沉积物源和沉积环境提供借鉴。

图1 流溪河水库采样位置示意图Fig.1 Sampling sites in the Liuxihe reservoir

1 材料和方法

2012年4月及2013年7月，在流溪河水库进行了2次采样共获得9个沉积柱（S1～S9）。样品在保持垂直状态下运回实验室，置于4℃保存直至分割。选用了代表水库不同分区的4个柱样（S3、S4、S6和S8）作为研究对象（表1）。各沉积柱按1cm分样，共获得305个样品，冷冻干燥后在室温下贮存直至测试分析。

对每个样品称取约0.22g放入50mL的离心管中，加入20mL六偏磷酸钠溶液（质量分数为4%，pH＝8.0左右），浸泡24h，粒度测试前对样品进行超声波处理15min。粒度分析采用Mastersizer 2000型激光衍射粒度仪（英国Malvern公司），测量范围0.02～2 000μm，每个样品重复测量3次，相对误差小于2%。把实测到的粒径范围（0.2φ～12φ）按照0.18φ的间隔分为68个粒级，构成粒度成分矩阵。粒度分析在中国科学院南海海洋研究所完成。

表1 流溪河水库岩心柱参数Table 1 Parameters of the sediment cores from the Liuxihe reservoir

2 结果与分析

2.1 沉积速率

沉积柱S3位于原河道上，先后保存了河流和水库的沉积记录，可以用于对比建库前后沉积环境的变化。其他3个沉积柱建库前沉积为第四纪堆积物或土壤，没有保存建库前河流环境的沉积记录。因此选用S3作为参考剖面进行年代分析。王艳杰等根据210Pb测龄和磁化率测试结果，确定沉积柱S3的平均沉积速率约为1.65cm/a，由此求得该沉积柱0～95cm各深度所对应的年代［14］。同时，沉积柱S3的210Pb测龄结果与137Cs峰值时标年龄基本吻合［14］，说明由此建立的年代框架较为可靠。

由于本文所研究的4个沉积柱磁化率的变化趋势和高值点均具有较高的相似性，S4、S6和S8的年代可以通过磁化率与S3对比获得。S3沉积柱的4个磁化率高值点分别对应于1998年、1992年、1974年和1960年，据此获得S4、S6和S8沉积柱对应磁化率高值点的年代，进而算出每个阶段的沉积速率。图2为流溪河4个沉积柱的深度与年代对比。由于各个线段的斜率即为沉积速率，因此4条曲线分别反映了4个沉积柱建库以来沉积速率的变化。从空间上看，从入库口（S3）到库区（S8），相同时间段内沉积速率大体呈依次减小的趋势。从时间上看，S4、S6和S8每个阶段的沉积速率均不相同，从下到上总体呈“高－低－高－低”的变化趋势。S3沉积柱的210Pb测龄采用恒定初始浓度模型（CIC），计算得出的是整个沉积柱的平均沉积速率，故沉积速率不变。

图2 流溪河水库4个沉积柱沉积速率变化Fig.2 Variations in the sedimentation rates of the 4 sedimentary columns from the Liuxihe reservoir

2.2 端元模型分析

利用Dietze的端元算法［7］，在Matlab平台上对粒度数据矩阵进行计算。其解释累积曲线表明，3个端元组分的累积解释率超过95%，可以较好地代表粒度数据的总体特征（图3-A）。因此本文采用3个端元对粒度数据进行模拟分析，各个端元组分的粒度组成特征和频率曲线如图3-B所示，其中值粒径分别约为3.5φ、6.5φ、8.5φ。平均总R2说明端元模拟值与实测值之间的拟合程度。从图3-C中可以看出，除最粗和最细的粒级外，大部分粒级的平均总R2均达到0.8以上，说明总体拟合效果较好，特别是沉积柱S3和S8拟合度最高（图3-D）。

图3 流溪河水库沉积柱粒度组分端元分析结果Fig.3 Results of the end-member modeling of the sediment grain-size compositions of the 4sedimentary columns from the Liuxihe reservoir

一个沉积物颗粒一旦形成，则可在搬运营力作用下通过滚动、跃移或悬移而被搬运。而颗粒被移动的距离和方式取决于它本身的物理特性（如粒度、密度、形状等）和搬运营力作用的强度。端元1的粒度频率曲线为正偏态的双峰态，主峰偏于粗粒一侧，粒径为2.5φ～6φ，次峰偏于细粒一侧，表示沉积物以粗组分为主，细粒组分只占少量，其双峰分布说明分选很差、成因较复杂。端元1主要分布在S4和S6沉积柱中（图4）。由于流溪河水库地理形态具有河流的特点，且这2个样点位于流溪河原河道附近，受到入库和出库水流变化的影响；同时，流溪河水库长期裸露的消落带较多，整个库区常年受东南季风影响，在波浪拍打、雨水冲刷及地表径流的搬运作用下，粗颗粒沉积物被携带进入水库内，在近岸带或水下斜坡底部沉积下来。由此推断端元1代表波浪拍打及地表径流作用造成的土壤侵蚀产物。这个推断与殷志强等［2］研究的结论一致，认为该粒径组分是湖滨相，受较强的波浪拍打和冲刷回流作用，岸边和水底较粗的砂砾会被侵蚀并搬运进入水体沉积。

端元2的粒度频率曲线表现为较平且宽的单峰，近于正态分布，说明分选较差，其粒径范围是4.8φ～7.9φ，中值粒径介于端元1与端元3之间。端元2在4个沉积柱中均占有一定比例，且占有比例由河流入库口（S3），经过渡区（S4和S6），至库湾（S8）依次降低（图4），推断端元2可能是河流搬运带来的颗粒物。这是因为河流水动力由入库口到库区，其能量逐渐减弱，距离入库口越远，携带的颗粒物越难以到达。

端元3的粒度频率曲线为尖且窄的单峰，表示沉积物的组成比较集中或单一，分选较好，其组分粒径范围为6.9φ～10φ，以细小悬浮颗粒为主。从图4可知，端元3主要分布于S3和S8沉积柱，尤其在S8沉积柱中，其平均比例达到83.4%。端元3的分布区域是远离河流入库口的库湾内，水动力能量较弱，其沉积物主要是粒度很细的悬浮物质，属于湖心沉积环境［2］。由此推断端元3应该来源于大气降尘和河流携带的悬移物质，前者在整个流域沉降后由河流搬运汇聚于水库，与后者一起在水动力很弱的环境下沉积。前人对大气降尘的研究认为，粒径＜5.6φ的颗粒物均可长期悬浮，通过降雨及一些物理过程沉降到陆地［15］。

3 讨论

3.1 库区沉积物粒度变化的控制因素

图4 流溪河水库4个沉积柱端元组成的纵向变化Fig.4 Vertical variations in the 3end-members of the 4sediment cores from the Liuxihe reservoir

如图2所示，S4、S6和S8的沉积速率在同一时期具有明显的差异，但总体上随着与河流入库口距离增加而降低，而且每个沉积柱从下到上都呈现出“高–低–高–低”的变化规律。这说明入库河流搬运来的物质始终是水库的重要物源。河流水动力由于受流量、水库水位调节及流溪河水库本身形态的影响，其搬运能力沿水库入库口至大坝方向逐渐减弱，沉积颗粒呈现梯度变细，即：河流区＞过渡区＞湖泊区。但在水库不同发展时期，局部的物源和沉积作用对沉积特征也有较大的影响。

根据4个沉积柱的时间序列，可明显地划分为4个时期：1960年之前的建库前期、1960～1990年、1990～1998年、1998～2012年。

第Ⅰ时期（1960年以前）：此阶段S3的沉积颗粒在整个沉积柱中最粗，以端元1和端元2为主，端元3含量极少，推测这个时期的沉积为建库前的河道沉积［16］，与该水库的历史吻合。这一阶段属于河流沉积作用产物，水动力较强，距离物源近，沉积物颗粒较粗，分选差。

第Ⅱ阶段（1960～1990年）：流溪河水库建成蓄水初期，由于水位迅速上升，大量山体被淹没，库内植被分解，原来的地表沉积物受浸泡，在底流的侵蚀和冲刷作用下，被近距离搬运至库区再沉积，所以此阶段的沉积以端元1和端元2为主，沉积物粒径较粗，沉积速率较高。当水库蓄水完成，沉积环境逐渐趋于稳定，水位大幅度抬升使得河流带来的外源输入相对减少，沉积速率降低；但S4和S6的端元1组分依然占主导，可能与S4和S6位于流溪河原河道附近的地理位置有关。建库前的流溪河为峡谷地形中的山间河流，河道附近即为山体斜坡底部，在入库河流和水库用水形成的底流的共同作用下，原有未成岩的地表沉积物经长时间浸泡后，易于被侵蚀并且搬运至斜坡底部再沉积下来。此外，水库水位受人工调控，水位变化很大，在整个库区会形成一个几乎不长植被的消落带，裸露的表土很容易被雨水冲刷搬运进入水库，在近岸区或者斜坡底部沉积。

S3沉积柱位于河流入库口，直接受河流搬运作用控制，端元2占主导；而S8的样品深度未能达到建库初期，后期沉积以端元2和端元3为主。S8位于水动力很弱的库湾内，沉积物以河流悬浮物和大气降尘为主。这是由于该样点远离入库口，搬运营力较弱，而较细的悬移物易于到达，主要包括河流携带来的陆源细颗粒悬移组分以及流域内的大气降尘，所以S8样点的物源以端元3为主。

第Ⅲ时期（1990～1998年）：水库处于稳定期，以S4和S6的端元2占有比例逐渐增加为特征；同时S3的端元1的占有比例在1998年前后达50%，说明此时期河流搬运营力突然增强，可能与气候变化和人类活动增强有关。据报道，1990年至2000年间，华南地区的降雨量、冬季极端降水强度和珠江流域洪水事件明显上升［17，18］。加上1985年以来流溪河森林公园旅游业迅速发展，出现植被破坏和土地利用性质改变，流域内地表沉积物的侵蚀加剧，被搬运入库的粗颗粒沉积物增加。同时，该时期各沉积柱中都见到对应于1998年的磁化率高峰值和最大的沉积速率，可能与1997～1998年厄尔尼诺现象之后国内出现的特大洪水有关。据有关研究，这一时期珠江流域发生的20～50a一遇的洪水共13次，50a一遇的洪水3次［19］。极端降水可能导致了整个流溪河流域，特别是库区裸露的消落带出现大范围、强烈的表土侵蚀，这些土壤颗粒的再沉积使得磁化率极大地升高［14］，从而可以作为流域乃至区域对比的重要标志层位，同时也可指示该流域内的降雨强度。

第Ⅳ时期（1998年以来）：此阶段以端元1所占比例的先降低后缓慢升高为特征，同时也伴随着磁化率的先降低后缓慢回升的变化趋势［14］，说明较上一时期极端洪水事件有所减少［19，20］，导致端元1的粗颗粒组分和磁化率下降。流域内人类活动造成的土地利用性质改变和水库消落带的侵蚀较以往更为强烈，外源输入物增加，可能是造成磁化率回升和端元1比例增加的主要原因。此外，沉积速率的降低也印证了这一时期的河流输入整体有所降低。由于S3沉积柱是采用CIC模式获得平均沉积速率进行测龄，所以其沉积速率未表现出在其他3个沉积柱中出现的规律性变化。考虑其紧邻入库口的位置，其沉积速率在纵向上应该更为明显地呈现“高－低－高－低”的变化规律，这有待引入其他测龄方法（如年纹层）去验证。

3.2 库湾区沉积特征

尽管S8的沉积速率自建库以来变化很大（图2），但是其沉积物颗粒分布特征基本保持稳定，沉积物以悬移细颗粒为主，与其他3个沉积柱差异较大（图4）。从地理位置看，S8位于库湾区，受外界干扰少，搬运营力弱，粗颗粒物质难以到达。与S3相比较，S8沉积环境更多地反映了较为稳定的湖心沉积环境，其来源以端元3为主。由于库湾区远离入库口，水动力由入库口至大坝方向呈递减趋势，颗粒物由粗到细逐级沉降，悬移物质能够到达。悬移物质包括河流搬运带来的陆源细颗粒物质和流域内的大气降尘，故S8沉积以端元3为主，具有典型的湖心沉积特征［2，21，22］。这说明，库湾区受入库河流影响较小，沉积环境稳定，是研究区域生态环境变化的理想采样区域。

4 结论

a.流溪河水库的沉积物来源包括河流搬运、表土侵蚀及大气降尘，其中河流搬运物质是该水库所有时期的主要物源。沿入库河流至水库大坝方向，沉积物颗粒由粗到细分布，库区水动力逐渐减弱，即：河流区（S3）＞过渡区（S4和S6）＞库湾区（S8）。

b.自建库以来，水库不同区域的主要沉积作用过程经历了明显的演变。位于河流入库口的S3主要受入库河流较强的搬运营力和沉积作用的控制，端元2占主导。位于库湾区的S8远离入库口，水动力很弱，主要沉积物来源为端元3。位于过渡区的S4和S6受较强河流水动力的影响，再加上建库初期原来的地表沉积物被侵蚀、搬运并再沉积下来，经历了多重物源的影响，沉积物以端元1和端元2为主。

c.自1960年以来，受流域内降水和人类活动的影响，整个库区的沉积速率在纵向上从下到上依次呈现“高－低－高－低”的演变规律。

本研究得到广东省科技计划重点项目和NSFC-云南联合重点基金的支持，野外采样由暨南大学长期生态学实验室全体成员共同完成，粒度测定中得到了夏伟和刘娟的帮助，粒度测试工作在中国科学院南海海洋研究所完成，作者在此一并向他们表示感谢。

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