浅水湖泊表层沉积物粒度垂向分布及其水动力表征

燕文明,刘 凌,钱 宝,杨艳青,吴挺峰,王 汗,,黄 列,

(1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098; 2. 长江水利委员会水文局,湖北 武汉 430010; 3. 南京地理与湖泊研究所,江苏 南京 210008)

浅水湖泊表层沉积物粒度垂向分布及其水动力表征

燕文明1,刘 凌1,钱 宝2,杨艳青1,吴挺峰3,王 汗1,3,黄 列1,3

(1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098; 2. 长江水利委员会水文局,湖北 武汉 430010; 3. 南京地理与湖泊研究所,江苏 南京 210008)

为揭示浅水湖泊表层沉积物粒度组成特征,解析沉积物粒度分布对沉积物物源和水动力的响应,并为浅水湖泊沉积物营养盐分布特征研究提供支撑。利用激光法对里下河地区4个不同大小和形状的浅水湖泊沉积物样品的粒度进行研究,结果表明:(a)研究区表层沉积物平均粒径随深度增加而减小;(b)面积大的湖泊表层沉积物的中值粒径垂向分布差异较大;(c)面积大且宽的湖泊中的砂粒搬运作用强于面积小且窄的湖泊;(d)对于面积较大的湖泊,湖心区砂粒含量高于湖泊周边区域;(e)粒径的三角分布图显示研究区表层沉积物颗粒大多落入壤粒和砂粒的范畴,表明研究区湖泊水动力活动较强;(f)风浪扰动较大的九龙口沉积物垂向分布连续性较差;(g)蜈蚣湖和得胜湖沉积物平均粒径垂向分布变化不大,表明其水动力条件变化相对较小,与实际调查一致。

浅水湖泊;表层沉积物;粒度;垂向分布;水动力;里下河地区小型湖泊

图1 里下河地区浅水湖泊粒度研究点位分布Fig. 1 Locations of grain size sampling points in shallow lakes of Lixiahe Region

粒度是沉积物重要物理特性之一,是沉积物分类的重要指标。不同粒度的沉积物具有不同的比表面积、质量、有机质含量等,粒度的差异影响着营养盐在沉积物-水界面上的迁移转化过程,并影响沉积物吸附和释放营养盐的能力[1-3]。沉积物粒度受物源远近以及搬运方式影响;反之,沉积物粒度的分布特征可以识别其所在环境的水动力状况[4-5],判定沉积物的运动方式[6],可以辨别沉积物的物源条件[7-8]。可见,沉积物粒度分析在研究粒径趋势、辨别水动力条件、区分沉积环境和判定物质输运方式等方面具有重要作用。而已有的关于沉积物粒度分布特征的研究多集中在海洋和大型湖泊,且多是进行空间差异对比研究,关于中小型湖泊沉积物粒径垂向分布的研究较少。研究区域地处里下河腹部区,位于淮河中下游,研究区内沟、河、湖荡面积众多。据调查,近50年间里下河地区的湖荡面积缩小了近95%,萎缩速度惊人。笔者选取该区域内4个中小型浅水湖泊的沉积物样品分层后进行粒度分析,阐述沉积物粒度组成及粒度参数空间分布特征,解析中小型湖泊表层沉积物类型,探究其对沉积物物源和水动力的响应。研究成果可为该区域湖泊沉积物营养盐分布特征研究提供支撑。

1 样品来源与实验方法

1.1 样品来源

2012年9月采集里下河地区的蜈蚣湖、得胜湖、九龙口、大纵湖4个湖泊的沉积物原位柱状样,其中大纵湖3个(编号为DZ、DZ3、DZ5),九龙口3个(编号为JLK1、JLK3和JLK4),蜈蚣湖和得胜湖采样点编号为WG和DS。采样中全程采用GPS定位,采样点分布见图1。4个湖泊的平均深度、人类扰动方式、水质情况等湖泊学属性见表1。

表1 湖泊基本情况

1.2 粒度分析方法

激光法近年来被推广应用于粒度测量及粒型分析中[9-10],也是笔者进行粒度测试的选用方法。为更好地反映沉积物的粒度分布特征,在上机测试之前需要去除样品中的有机质和钙质的影响。样品的预处理步骤如下:(a)样品的分散。取约1 g样品放于小烧杯中,加入分散剂。分散剂的选择:中性土加0.1 mol/L的草酸钠5 mL,酸性土加0.1 mol/L的氢氧化钠5 mL,一般样品加入0.1 mol/L的六偏磷酸钠溶液5 mL。(b)加入30%的过氧化氢2 mL除去有机质。(c)加入0. 1 mol/L的稀盐酸2 mL除去钙质胶结物。(d)超声30 s洗去盐分,静置过夜。然后在激光粒度分析仪(LS13320,美国贝克曼公司)上测定沉积物粒径。

2 沉积物粒度分布及其水动力表征

2.1 沉积物粒度等级分布特征

图2 湖泊沉积物颗粒粒径比例三角图Fig. 2 Trianglular diagram of proportion of particle size in lake sediments

根据国际制土壤质地分级标准[11],土壤结构分类按照0～2.0 μm、2.0～20.0 μm和20.0～2 000 μm共3个粒径将沉积物分为黏粒、壤粒和砂粒3个不同等级。结合8个采样点垂向分层的沉积物粒径分布,得出沉积物土壤类型分布特征。测点WG和DS的20 cm以上沉积物为壤粒;JLK1和JLK3表层6 cm以上为黏粒和壤粒的混合,6 cm到20 cm沉积物为壤粒;JLK4表层20 cm沉积物为黏粒和壤粒的混合;DZ、DZ3、DZ5表层4 cm以上以黏粒和砂粒的混合为主,DZ、DZ3表层4 cm以下为壤粒,DZ5表层4 cm以下沉积物是黏粒和砂粒的混合。

研究区湖泊沉积物3个不同等级比例如图2所示。由图2可知,表层粒径较大的部分沉积物颗粒落入砂粒的范畴,但大部分沉积物颗粒属于壤粒。图2从下往上显示依次反映了沉积物由表层向深层的沉积物颗粒分布情况。由于壤粒具有较大的比表面积,对氨氮具有较强的吸附能力,因此导致沉积物对氨氮的吸附容量较大,从而沉积物在一定程度上是氨氮的“汇”,对于本研究区而言,含量较多的壤粒可能会引起沉积物中氨氮的富集。

2.2 沉积物中值粒径和平均粒径垂向分布与水动力特征分析

平均粒径M可以用来反映粒度分布的聚集趋向,并能够表达搬运营力的平均动能[12]。所选研究点沉积物中值粒径D50和M的垂向分布情况如图3所示。

D50和M可以用来表示颗粒分布的集中趋势。式(1)中D16、D50、D84分别表示在测试样品粒度分布范围内,体积分数为16%、50%、84%的粒径。

(1)

图3 湖泊沉积物颗粒D50和M垂直分布Fig. 3 Vertical distribution of median grain diameter D50 and average particle size M in lake sediments

由图3可知,蜈蚣湖、得胜湖和九龙口沉积物D50随深度的增加变化不大。九龙口呈现锯齿状变化,但中值粒径约是DS同一分层处的2倍左右,位于9.69～23.38 μm之间,这可能是因为九龙口是一个宽浅湖泊,风浪扰动较大,多条河流注入使湖泊沉积物拥有多种物源供应,进而导致沉积物垂向分布连续性较差。DZ和DZ3的中值粒径垂向分布差异较大,尤其是表层8 cm以上,随着深度的增加而减小,下层沉积物的平均粒径明显小于上层。分析原因可能是因为DZ和DZ3在几十年前离物源较远,大部分沉积物经过长期的水力过程到达此处再进一步沉积下来,而到了当代,表层沉积物平均粒径显著增加,显示湖泊面积萎缩,物源靠近,2个采样点分别处于入湖口和出湖口的位置,沉积环境受人类活动的影响更明显。DZ5的表层沉积物中值粒径最大,达到66 μm,整体呈现随深度增加而减小的趋势,可能是由于湖泊沉积物固有物理特性所决定的,该采样点位于湖心区,受人类活动影响较小(该采样点沉积物土壤质地明显不同于其他采样点)。

8个采样点的平均粒径随深度增加而降低,其中大纵湖的平均粒径垂向变幅较大。WG、DS沉积物平均粒径变化不大,表明影响这2个采样点处的动力条件变化不大,其粒级百分含量的变化反映陆源物质输运的变化,该结果与实际调查相一致。蜈蚣湖和得胜湖水面面积较小,水面呈狭长形,WG和DS受到的风浪扰动小于湖心区的JLK4和DZ5。DZ和DZ5表层沉积物的平均粒径相对较大且随深度增加呈现明显的降低,DZ沉积物的平均粒径垂向变幅明显大于DZ5,表明这两者对环境变化都较敏感,且DZ的沉积物比DZ5敏感。DZ位于大纵湖的出湖口,受水动力条件影响,其沉积物主要来自于大纵湖,这也是该采样点与DZ5平均粒径垂向分布特征相似的原因。而DZ3位于大纵湖的南部入湖口,其沉积物组分主要来自上游河流的冲刷,平均粒径垂向分布特征不同于DZ和DZ5。

8个采样点的平均粒径介于14～129 μm之间,其中,DZ3和DZ5表层4 cm以上沉积物平均粒径高于其他6个采样点。水动力条件、物质来源及底质环境的变化等因素共同影响着沉积物粒度的空间分布特征,进而导致了沉积物粒径垂向分布呈现锯齿状变化。对于蜈蚣湖、得胜湖、九龙口湖泊的5个采样点以及大纵湖的DZ和DZ3,沉积物粒度主要受地表径流、河流冲刷以及降雨等多因素的影响,陆源碎屑物是这7个采样点处底质的主要物质来源,进而使底质粒度组成较复杂,颗粒粒度的垂向分布也会发生明显的不均匀变化;DZ5位于湖心区,沉积物来源比较单一,沉积物粒度主要受到波浪扰动、自身物理特征和降雨等因素的影响,粒径的垂向分布曲线相对较为平滑。

2.3 不同类型沉积物垂向分布及其水动力表征

由图4可见,8个采样点粒径分布不均匀,砂粒组分所占比例顺序为:蜈蚣湖<得胜湖<九龙口<大纵湖;黏粒组分所占比例顺序为:大纵湖<九龙口<蜈蚣湖<得胜湖;壤粒组分所占比例顺序为:大纵湖<九龙口<蜈蚣湖<得胜湖。黏粒的粒径较小,密度也相对较小,代表了水体沉积物中可被再悬浮部分,是水体悬浮物的主要成分。DZ和DZ3中黏粒随深度的增加而增加,其他6个采样点黏粒含量变幅较小;除WG外,其他7个采样点壤粒随深度的增加而增加,砂粒随深度的增加而降低,其中DZ的壤粒和砂粒的垂向变幅最大。

不同粒度组分在沉积过程中的行为和动力学性质是不同的[13],黏粒和壤粒属于悬浮组分,一般呈垂向加积,是弱水动力的标志[14];沉积物中粒径较大的砂粒等一般作为推移组分,在机械搬运和沉积作用过程中一般呈侧向加积,反映了该粒径沉积物所在环境为较强的水动力环境。大纵湖水面面积较大,容易受到风浪扰动的影响,且扰动力较大。而蜈蚣湖和得胜湖为河道型湖泊,由风浪带来的水动力较弱,进而使大纵湖表层沉积物中砂粒等粗颗粒组分所占比例较大,壤粒和黏粒等细颗粒组分相对较小,这一点与尉建功等[15]对海域表层沉积物粒度的研究类似,其研究指出砂质海岸的沉积物动力过程主要受波浪控制,底质粒度不仅受水文水动力的影响,也会受到流域物源的影响[1]。在里下河地区,面积大且宽阔的湖泊容易形成大的风浪,加速砂粒沉积物的搬运过程,增加表层沉积物中砂粒的含量。对于该区域中面积最大的大纵湖而言,风浪较大的湖心区沉积物中的砂粒含量多于湖的南部和北部。因此,大面积湖泊沉积物中砂粒含量明显多于小且窄的湖泊,粒度分布情况更容易被改变。而位于底层的沉积物可能是几十年前的产物,当时的水文、河湖联通与现在可能不同,湖泊的大小和形状也会间接改变湖泊表层沉积物颗粒的分布情况。

图4 湖泊沉积物颗粒黏粒、壤粒、砂粒垂直分布Fig.4 Vertical distribution of clay, silt, and sand in lake sediments

3 结 论

a. 蜈蚣湖、得胜湖、九龙口沉积物中值粒径随深度变化不大,8个采样点沉积物的平均粒径垂向呈现随深度增加而降低的趋势,各采样点的差异反映了对环境的变化敏感程度。

b. 湖泊的大小和形状间接影响了沉积物颗粒分布,面积大且宽的湖泊中的砂粒搬运作用强于面积小且窄的湖泊;对于面积较大的湖泊,湖心区砂粒含量高于周边区域。

c. 蜈蚣湖和得胜湖平均粒径变化不大,表明该处水动力条件变化不大,与实际调查一致;沉积物来源较为单一的大纵湖湖心区粒径垂向分布曲线较平滑;风浪扰动较大,多条河流注入使九龙口沉积物拥有多种物源供应,进而导致了沉积物垂向分布连续性较差。

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Vertical distribution of particle size and hydrodynamic characterization of surface sediments in shallow lakes

YAN Wenming1，LIU Ling1，QIAN Bao2，YANG Yanqing1，WU Tingfeng3，WANG Han1,3，HUANG Lie1,3

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.HydrologyBureauofChangjiangWaterResourcesCommission,Wuhan430010,China3.NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China)

In order to investigate the composition of particle size of surface sediments in shallow lakes, the response of particle size distribution to the source and hydrodynamic characteristics of sediments, and the distribution characteristics of nutrients in sediments of shallow lakes, the particle size of sediment samples from four shallow lakes with different sizes and shapes in the Lixiahe Region were studied. The results are as follows: (a) The average particle size of the surface sediments in the study area decreases with the increase of depth. (b) The vertical distribution of the median grain diameter of the surface sediments in large lakes is significantly different. (c) The transportation capacity for sands of large and wide lakes is stronger than that of small and narrow lakes. (d) For a large lake, the sand content in the central area is higher than in the surrounding area of the lake. (e) The triangular distribution chart of particle size shows that the surface sediments mostly fall into the categories of silt loam and sandy loam, indicating that the hydrodynamic activity of the lakes in the study area is strong. (f) Poor continuity in the vertical distribution of sediments occurs in Jiulongkou Lake with a large amount of wind disturbance. (g) The vertical distribution of the average particle size of sediments in Wugong Lake and Desheng Lake does not change significantly, indicating that hydrodynamic conditions rarely change. These results agree with the field investigations.

shallow lake; surface sediment; grain size; vertical distribution; hydrodynamics; small lakes in Lixiahe Region

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.04.010

2016-05-30

国家自然科学基金(41301531,41471021,51279060)

燕文明(1982—),女,江苏沛县人,高级实验师,博士,主要从事环境水文及水环境保护研究。E-mail:ywm0815@163.com

吴挺峰,副研究员。E-mail:tfwu@niglas.ac.cn

X17;X524

A

1000-1980(2017)04-0345-05