三峡水库干流沉积物的粒度分布与矿物组成特征

黎国有 肖尚斌 王雨春 刘 力 牛凤霞

（1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

三峡水库作为我国新建的特大型水库，其兴利作用和环境生态效应都引起了国内外的极大关注［1－2].自2003年6月蓄水以来，三峡库区的生态环境问题逐渐显露，其中以支流库湾水体富营养化最为严重［3－6].水体沉积物既是各种污染物的汇集地，又是对水质有潜在影响的次生污染源［7－11].研究表明泥沙带入的颗粒态磷是三峡水库主要的磷污染源［6].沉积物的粒度分布与矿物组成等因素对氮磷等营养盐、重金属等物质的吸附、解吸和迁移有重要影响［12－14].本文分析了三峡库区干流沉积物粒度和矿物组成及分布特征，旨在为进一步研究库区沉积物中营养盐和重金属等污染物质的赋存形态和迁移规律等研究等提供科学参考.

1 材料与方法

1.1 三峡水库概况

三峡水库1994年正式动工兴建，2003年开始蓄水发电，于2009年全部完工，至2010年第一次蓄水至175m水位（正常蓄水位）.水库地理位置为东经106°～111°50′，北纬29°16′～31°25′之间，东起湖北省宜昌市，西至重庆江津市，全长约660km，属于湿润亚热带季风气候，具有东暖春早，夏热伏旱，秋雨连绵，湿度大和云雾多、风力小等特征［15].三峡库区长江沿岸主要的一级支流有40条，嘉陵江和乌江是库区最大的两条支流，另外流域面积超过3 000km2的支流有6条，分别为綦江、龙溪河、小江、磨刀溪、大宁河和香溪河.

1.2 样品采集和处理

于2010年11月22日～12月19日三峡水库第一次蓄水至175m期间，从三峡大坝的坝前断面－茅坪开始，溯流而上采集沉积物样品，至重庆港为止.在长江干流上的茅坪、郭家坝、巴东官渡口、巫山、奉节、磨刀溪外长江断面、云阳、石宝寨、万州、忠县、丰都、涪陵、寸滩、重庆港等断面，和库区40条一级支流的河口内1～5km河段范围内进行沉积物样品采集.其中，香溪河、大宁、磨刀溪和小江作为典型支流，进行加密采样.样品采集采用抓斗式和柱状采样器［16]相结合，其中干流断面和四大支流以柱状采样器进行样品采集，其它支流采样点则用抓斗式采样器采集样品；其中干流上的寸滩和巫山两处未能采集到柱状样品，只通过抓斗采集到表层沉积物样品.由于采样区域跨度大，上、下游的水流条件相差也较大，因此所采集到的沉积物样品多集中在云阳至茅坪段的干、支流上；云阳至重庆港段干、支流上所采集到的沉积物样品则少很多.沉积物样品的采样位置如图1所示.沉积物柱状样品在现场按2cm进行分割，与抓斗所采样品一起分装在带刻度的聚乙烯离心管中，现场测定沉积物的pH值后密封，冰冻保存（－20℃）、运回实验室供分析.本文仅报道干流沉积物的粒度组成特点和矿物成分特征.

图1 样品位置图

1.3 实验方法

沉积物在经30%的H2O2处理后，在中国科学院地球环境研究所用Malvern 2000型激光粒度仪进行粒度分析，测量范围为0.02～2 000μm，粒级分辨率为0.01φ，重复测量的相对误差＜3%.用于矿物分析的样品经低温离心、冷冻干燥后，用玛瑙研钵研磨并过200目筛，在中国地质大学采用荷兰Xpert MPD ProX射线衍射分析仪测定，测试环境为温度20℃、湿度65%、电流30mA、电压40kV、角度精度为0.002 5°，重复测量的相对误差＜5%.获得样品衍射图后，根据衍射角、衍射峰、参比强度、相对强度等分析每个样品的矿物组成，其中闪石是闪石类的统称，长石是钾长石与斜长石的统称.

2 实验结果

2.1 粒度分布

三峡库区沉积物的粒级分析结果如图2～3所示.按国家海洋局1975年粒度分级标准，库区干流沉积物主要为粘土质粉砂，其中粉砂（4～63μm）为主，平均占61%，其次是粘土（＜4μm），约占38%，而砂（＞63μm）含量很低，平均约1%.

图2 三峡库区干流沉积物粒级的垂直分布

图3 三峡库区干流表层沉积物颗粒级配的沿程分布

其中在巫山处只采集到少量表层沉积物，其粘土、粉砂、砂质以及中值粒径的分别为：1 7%，5 7%，2 5%，2 4μm.与其它地方相比存在非常大的差异，原因是样品采集时采样船离岸不远，采样的位置可能位于消落带而非河道内所导致.考虑到大宁河河口－巫山港属于喇叭形河口，长江干流水体经过巫山新县城时，左侧水体会大量涌入港内，形成旋流再从巫山港流出，因此港内离干流不远的沉积物与干流沉积物应该具有很大的相似性，故本文把离干流约5 0 0m的巫山港表层沉积物的分析结果作为长江干流沉积物的参考值.

从图2可以看出，干流沉积物粒度垂向上的变化无明显规律，但是云阳至奉节段的砂含量要低于巫山至郭家坝段.从表层沉积物粒径的沿程分布图（图3）明显看出3个粒级均在奉节处出现转折：粘土含量从上游至奉节明显增加，从奉节到茅坪则小幅度减小；粉砂的含量呈现与粘土对应相反的变化规律；而砂则出现在两头，奉节表层沉积物没有砂，其粘土和粉砂的含量各占一半.

干流沉积物中值粒径的变化范围在3.6 4～1 6.1 9μm之间，平均值为6.2 2μm.图4（a）表明，库区干流沉积物的中值粒径的垂向变化不尽相同：忠县、云阳和奉节处随着深度的增大而增大；巴东和郭家坝呈现先增大后减小的规律；长江磨刀溪处深层沉积物的中值粒径要高于表层，但是表层以下的粒径比较均匀；茅坪处沉积物中值粒径沿着深度变化不大.从图4（b）可以看出，表层沉积物的中值粒径的沿程变化同样在奉节出现变化趋势分界，奉节以上呈现沿程减小的趋势而且变化明显，奉节至茅坪则是沿程有所增大，不过增幅很小.

图4 三峡库区干流沉积中值粒径的垂直分布

2.2 矿物组成

三峡库区沉积物主要矿物组成包括绿泥石、伊利石、闪石、石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿等；其中优势矿物为绿泥石、伊利石和石英，平均分别约为2 9%、2 4%、2 4%；其次为长石、方解石和白云石，占8%、9%、5%；其余为少量的闪石和黄铁矿等.

从图5可以看出，干流沉积物的矿物组成在垂向上表现出两个区域性：（1）寸滩至巫山段，沉积物的矿物成分在垂向上无明显变化；（2）巫山至郭家坝段，绿泥石和伊利石的含量沿着深度先减小后增大，而石英、长石、方解石以及白云石含量则沿着深度先增大后减小.徐永辉等［17]指出三峡水库以奉节为界，分东西两大地貌单元，粒度与矿物组成均在奉节出现区域分界，可能与此有关.茅坪处的矿物组成虽然与奉节处相似，但是茅坪为三峡大坝的坝址，其中的沉积物受大坝闸门以及蓄泄水的直接影响较大，因此茅坪的沉积物与郭家坝处的矿物组成规律有所差异而与相距甚远的奉节相近是有可能的.

图5 三峡库区干流沉积物矿物组成的垂直分布

图6是表层沉积物矿物组成的沿程分布规律，可以看出：沉积物中绿泥石和伊利石含量在忠县至巫山段沿程增大，在巫山至郭家坝段沿程减小.白云石从寸滩至奉节沿程减小，最大值在寸滩处，含量为1 5%；奉节到茅坪则变化不大，基本在5%左右.方解石的变化规律与白云石的变化规律一致.石英和长石则与绿泥石、伊利石的变化规律相反.

图6 三峡库区干流表层沉积物矿物组成的沿程分布

3 讨 论

3.1 粒度分布曲线与粒度参数

3.1.1 粒度频率分布曲线

碎屑沉积物粒度大小通常与水动力强度相适应，粒度分布可以反映水动力强弱、物质来源及沉积环境的变化［18].频率分布曲线在描述样品总体粒度特征的同时，也直观显示了样品中各粒级组分的相对含量及其对总样的贡献.在绘制频率分布曲线（图7）时，先根 据 Krumbein 转 换 公 式［19－20]，将 Udden－Wentworth粒级标准通过对数变换转化为φ值.从图7可知，库区干流沉积物的频率分布曲线基本呈现单峰形态，忠县与巫山处虽然是双峰结构但是次峰偏低，在频率统计中表现为单众数，峰值对应的φ值均属于粉砂级即粉砂占优势，说明各点的流速变化不大.其中茅坪的粗粒端出现一个小尾峰，说明茅坪中的大颗粒沉积物出现异常，这在后面将进一步对其进行讨论.

图7 三峡库区干流表层沉积物粒度频率曲线图

3.1.2 沉积物中值粒径（Md）与平均粒径（Mz）的差异性

Mz是所有粒度的平均值，Md是50%累积含量的粒径，两者均能表示沉积物粒度分布的集中趋势.但是Md不能表示粗细两侧的粒度变化，而Mz则能更准确反映碎屑颗粒的集中趋势.从图9中能够明显看出三峡库区干流沉积物的平均粒径要大于中值粒径，可见沉积物中相对大一点的颗粒要多一些.水动力越强，沉积物越粗，反之沉积物越细［21－22].从Mz和Md的沿程变化来看，“沿程细化”在奉节以上河段表现非常明显，往下至郭家坝则相对稳定，说明上下两段的水动力条件有所不同，上段流速的沿程变化要大，下段则相对平稳，而下段沉积物的Mz和Md小幅度增大可能是区间支流的汇入所造成的.茅坪的平均粒径大幅度增大，则直接反映出其表层含有一定量的大粒径颗粒.茅坪沉积物含有4%砂质，相对其它地方要高很多（图2），因此在其频率分布曲线的粗粒端表现出小尾峰，这可能是多种因素的影响结果.由于三峡大坝的拦截，上游干流、附近支流以及附近岸坡的碎屑物进入茅坪后，受水流搬运分选作用降低，可能大部分直接沉积下来.

图8 三峡库区干流表层沉积物Mz和Md的沿程变化

3.2 矿物组成与粒度的相关性分析

陆源物质粒度实际上是矿物颗粒的大小，即粒度只是矿物颗粒尺寸的一个表征［23－24].通过SPSS统计软件对沉积物的粒径和矿物组成进行相关性分析，发现绿泥石、伊利石、石英和长石成分与粒度有着密切联系.从表1可看出，绿泥石和伊利石含量与较细粒级含量，石英和长石含量与较粗粒级含量均表现为较好的正相关，说明细粒组分主要由绿泥石和伊利石等粘土矿物组成；粗粒组分主要由石英和长石矿物组成.

表1 粒度与矿物组成的相关性

研究已经表明，土壤的粒径越小越容易吸附重金属、氮和磷等物质.通过对比王中波等人的研究［25]，发现长江干流沉积物的矿物组成发生了变化.与2003和2004年相比，库区内的干流沉积物石英的含量降低将近一半，绿泥石和伊利石的含量有了大幅度增加.库区干流沉积物中粘土矿物的比例增大，意味着三峡水库发生水体富营养化的潜在风险的增大.

4 结 论

1）三峡库区干流沉积物的岩性为粘土质粉砂.粉砂（粒径为4～63μm）的平均含量占61.35%，为单众数，反映了库区各地的水体流速变化幅度不大，其余为粘土和少量的砂.

2）平均粒径的沿程变化在奉节发生改变，具有区域性.茅坪的平均粒径大幅度增大，原因是上游干流、附近支流以及附近岸坡的碎屑物进入茅坪后，受水流搬运分选作用降低，可能大部分直接沉积下来.

3）三峡库区沉积物的矿物组成包括：绿泥石、伊利石、闪石、石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿.其中主要成分为绿泥石、伊利石和石英，平均占29%、24%、24%；其次为长石、方解石和白云石，占8%、9%、5%；其余为少量的闪石和黄铁矿.矿物组成的变化也以奉节为界，呈现出两个区域性规律.

4）与过去相比，库区干流沉积物的矿物组成结构发生很大改变：石英的含量降低将近一半，绿泥石和伊利石的含量大幅度增加.这增加了三峡水库发生富营养化和其它环境问题的潜在风险.

［1]Stone R.Three Gorges Dam：into the Unknown［J].Science，2008，321（5889）：628－632.

［2]Shen G，Xie Z.Three Gorges Project：Chance and Challenge［J].Science，2004，304（5671）：681.

［3]方 涛，付长营，敖鸿毅，等.三峡水库蓄水前后香溪河氮磷污染状况研究［J].水生生物学报，2006，30（1）：26－30.

［4]兰 峰.三峡工程蓄水前后库区河流水质变化分析［J].人民长江，2008，39（1）：7－8.

［5]郑丙辉，曹承进，秦延文，等.三峡水库主要入库河流氮营养盐特征及其来源分析［J].环境科学，2008，29（1）：1－6.

［6]曹承进，秦延文，郑丙辉，等.三峡水库主要入库河流磷营养盐特征及其来源分析［J].环境科学，2008，29（2）：310－315.

［7]Von der Heyden C，New M.Sediment Chemistry：a History of Mine Contaminant Remediation and an Assessment of Processes and Pollution Potential［J].Journal of Geochemical Exploration，2004，82（1－3）：35－57.

［8]郭长城，喻国华，王国祥.河流泥沙对污染河水中污染物的吸附特性研究［J].生态环境，2006，15（6）：1151－1155.

［9]岳维忠，黄小平，孙翠慈.珠江口表层沉积物中氮，磷的形态分布特征及污染评价［J].海洋与湖沼，2007，38（2）：111－117.

［10]Lu X，Song J，Li X，et al.Geochemical Characteristics of Nitrogen in the Southern Yellow Sea Surface Sediments［J].Journal of Marine Systems，2005，56（1－2）：17－27.

［11]Gupta G，Karuppiah M.Heavy Metals in Sediments of Two Chesapeake Bay Tributaries——Wicomico and Pocomoke Rivers［J].Journal of Hazardous Materials，1996，50（1）：15－29.

［12]丘耀文，朱良生，黎满球，等.海陵湾沉积物重金属与粒度分布特征［J].海洋通报，2004（6）：49－53.

［13]Singh KP，Mohan D，Singh VK，et al.Studies on Distribution and Fractionation of Heavy Metals in Gomti River Sediments－a Tributary of the Ganges，India［J].Journal of hydrology，2005，312（1－4）：14－27.

［14]吕晓霞，翟世奎，于增慧.长江口及邻近海域表层沉积物中营养元素的分布特征及其控制因素［J].海洋环境科学，2005，24（3）：1－5.

［15]黄真理，李玉樑.三峡水库水质预测和环境容量计算［M].北京：中国水利水电出版社，2006：14－15.

［16]王雨春，黄荣贵.SWB－1型便携式湖泊沉积物―界面水取样器的研制［J].地质地球化学，1998（1）：94－96.

［17]徐永辉，杨达源，陈可锋，等.三峡水库蓄水后对库区岸坡地貌过程的影响［J].水土保持通报，2006，26（5）：23－25.

［18]梁 娟.磨刀门河口沉积物粒度特征与沉积环境［J].热带地理，2005，25（2）：117－122.

［19]Krumbein W C.Size Frequency Distributions of Sediments［J].Journal of Sedimentary Research，1934，4（2）：65－77.

［20]Krumbein W C.Size Frequency Distributions of Sediments and the Normal Phi Curve［J].Journal of Sedimentary Research，1938，8（3）：84－90.

［21]Church M，Kellerhals R.On the Statistics of Grain Size Variation Along a Gravel River［J].Canadian Journal of Earth Sciences，1978，15（7）：1151－1160.

［22]Rice S.Which Tributaries Disrupt Downstream Fining along Gravel－bed Rivers？［J].Geomorphology，1998，22（1）：39－56.

［23]徐方建，李安春，万世明，等.东海内陆架陆源物质矿物组成对粒度和地球化学成分的制约［J].地球科学：中国地质大学学报，2009，34（4）：613－613.

［24]徐方建，万世明，李安春，等.中国边缘海陆源沉积物粒度与矿物组成的关系［J].自然科学进展，2008，18（11）：1271－1278.

［25]王中波，杨守业，李 萍，等.长江水系沉积物碎屑矿物组成及其示踪意义［J].沉积学报，2006，24（4）：570－578.