三峽水庫蓄水初期沉積物有機(jī)碳的分布特征

汪志江 黎國有 王雨春 肖尚斌

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.珠海水務(wù)集團(tuán)有限公司,珠海 519000;3.中國水利水電科學(xué)研究院水環(huán)境研究所,北京 100038)

三峽工程是世界上最大的水力發(fā)電工程,修建三峽大壩引起的環(huán)境問題,特別是庫區(qū)的環(huán)境問題受到普遍關(guān)注[1-7].2003年三峽水庫開始蓄水至今,庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題慢慢地顯現(xiàn)出來,尤其是支流庫灣水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象[3].另外,沉積在水庫底部的動物植物殘骸、黏土、泥沙、礦物質(zhì)等,在長時間的物理、化學(xué)、生物作用下最終形成底泥[4].而有機(jī)碳是底泥的重要組成部分,同樣也是生源要素中的重要部分,水庫底部幾乎所有的生物地球化學(xué)過程都與其息息相關(guān)[6-7].目前,水庫底泥中碳的儲存特性研究報(bào)道較少(特別是水庫蓄水初期),由于水庫底泥中存在重金屬和有機(jī)農(nóng)藥等污染物,人們常將其作為研究重點(diǎn)[8],而忽略了水庫蓄水初期底泥中有機(jī)碳的分布特征.

本文選取三峽水庫蓄水初期進(jìn)行研究,通過調(diào)查三峽水庫干、支流總有機(jī)碳(TOC)沿河流縱向及垂向的分布特征,重點(diǎn)討論了總有機(jī)碳(TOC)含量與粒度之間的相關(guān)關(guān)系,旨在為全面而系統(tǒng)地認(rèn)識水庫的沉積物屬性和其他環(huán)境科學(xué)問題等提供基礎(chǔ)性的依據(jù).

1 材料與方法

1.1 三峽水庫概況

水庫所處地理位置為東經(jīng)106°～111°50′,北緯29°16′～31°25′之間,長度大約660 km,整個三峽水庫的氣候變化較大,夏熱伏旱,秋雨連綿,冬暖春寒,風(fēng)力小、濕度高和云霧多等特征[9],是典型的濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候.庫區(qū)最大的兩條支流是嘉陵江和烏江,而三峽庫區(qū)長江沿岸主要的一級支流總共有40條,其中綦江、龍溪河、小江、磨刀溪、大寧河和香溪河[10]是流域面積超過3 000 km2的支流.

1.2 樣品采集和預(yù)處理

1.2.1 監(jiān)測方案與樣品采集

采樣時間從2010年11月初至12月中旬,選取8個干流斷面,如圖1所示,依次為茅坪、郭家壩、巴東、奉節(jié)、長江磨刀溪、云陽、忠縣、寸灘,典型支流選取香溪河、小江和大寧河,將采樣點(diǎn)分為上游、下游以及河口處,所以支流共布設(shè)9個斷面.用柱狀采樣器[11]采集沉積物樣品,在采樣現(xiàn)場按0～2 cm進(jìn)行分層,立即測定沉積物的p H、Eh等指標(biāo),將采集的所有樣品均裝入帶有刻度的離心管中,并進(jìn)行密封低溫保存,最終帶回實(shí)驗(yàn)室分析各種指標(biāo).

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布

1.2.2 預(yù)處理

故將運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室的樣品通過3 500 r/min高速離心機(jī)進(jìn)行分離,離心后剩下的沉積物需放入冷凍干燥機(jī)中干燥3～5 d至恒重,將干燥后的樣品取出,用瑪瑙研缽研磨,并通過200目的分選篩進(jìn)行篩選,篩選后的樣品裝入密封袋并做好標(biāo)記,存放于玻璃干燥器中,直至完成實(shí)驗(yàn)分析.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 有機(jī)碳的測定

實(shí)驗(yàn)時采用外熱法[6]測定總有機(jī)碳(TOC)的含量.為了減少實(shí)驗(yàn)誤差,保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,在測定每組樣品時,都做一兩個空白實(shí)驗(yàn).測試工作于重慶西南大學(xué)完成.

1.3.2 粒度分析

進(jìn)行粒度分析前,先使用30%的雙氧水(H2O2)對原樣沉積物進(jìn)行處理.本實(shí)驗(yàn)是在中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所使用Malvern 2000型激光粒度儀測定,粒度分辨率可達(dá)到0.01φ,測量上、下限為2 000μm和0.02μm,且重復(fù)測量的相對誤差＜3%[12].

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 沉積物總有機(jī)碳沿程分布特征

2.1.1 干流

寸灘至茅坪段表層沉積物總有機(jī)碳(TOC)含量變化趨勢如圖2所示.

圖2 三峽庫區(qū)干流表層沉積物中總有機(jī)碳(TOC)含量變化圖

沉積物中TOC含量范圍為0.72%～1.05%,平均值0.89%,最大值出現(xiàn)在長江磨刀溪,最小值出現(xiàn)在云陽.在長江磨刀溪、郭家壩等處TOC含量達(dá)到峰值,而在云陽處出現(xiàn)波谷,含量低于0.8%.

2.1.2 支流

1)香溪河.香溪河沉積物沿垂向平均總有機(jī)碳(TOC)含量為1.00%～1.27%,均值為1.18%,最大值出現(xiàn)在上游,最小值出現(xiàn)在河口(如圖3所示).

圖3 各支流沉積物TOC含量沿程分布圖

香溪河從上游到河口TOC含量依次為1.27%、1.24%、1.00%,呈現(xiàn)“沿程降低的趨勢”;表層沉積物的TOC含量依次為1.45%、1.42%、1.02%.

2)大寧河.大寧河沉積物沿垂向總有機(jī)碳(TOC)含量為1.11%～1.20%,均值為1.17%,最大值出現(xiàn)在中游,最小值出現(xiàn)在河口.大寧河從上游到河口TOC含量依次為1.19%、1.20%、1.11%,呈現(xiàn)“中間高兩頭低”的趨勢;表層沉積物的TOC含量依次為1.09%、1.10%、0.84%.

3)小江.小江沉積物沿垂向總有機(jī)碳(TOC)含量為1.13%～1.30%,均值為1.23%,最大值出現(xiàn)在上游,最小值出現(xiàn)在河口.小江從上游到河口TOC含量依次為1.30%、1.27%、1.13%,呈現(xiàn)“沿程遞減”的趨勢;表層沉積物的TOC含量依次為1.55%、1.33%、0.91%.

2.2 沉積物總有機(jī)碳垂向分布特征

2.2.1 干流

干流各監(jiān)測斷面沉積物中總有機(jī)碳(TOC)沿垂向上分布如圖4所示.

圖4 長江干流TOC含量垂向分布圖

忠縣從表層至3cm處,TOC含量逐漸升高,3cm處向下,含量又減小.而巴東和長江磨刀溪河口處沉積物TOC的變化趨勢基本一致,雖然含量隨深度有一定的波動變化,但總體來講,TOC含量隨深度的增加而增大的.對于其它地方,TOC含量波動范圍比較大,無明顯的變化規(guī)律.

2.2.2 支流

1)香溪河.香溪河中上游(XX06和XX08)7 cm向表層與7 cm向下總有機(jī)碳(TOC)含量均逐漸增大(如圖5所示).河口處(XX01)是干、支流的交界處,水動力條件較為復(fù)雜,所以TOC含量隨深度有一定波動.總體來說,香溪河沉積物TOC含量隨著深度的增加在一定程度上還是有所增大的,而郭家壩處TOC含量則隨著深度的增加而逐漸減少.

圖5 支流沉積物TOC含量沿垂向分布圖

2)大寧河.大寧河河口處(DN01+1)與中游(DN05)總有機(jī)碳(TOC)含量隨深度的變化趨勢基本一致,TOC含量隨著深度的增加而增大,達(dá)到13～15 cm左右,出現(xiàn)峰值,分別為0.99%和1.57%;隨后,隨著深度的增加而逐漸減小.

另外,河口處(XX01)和上游處(XX03)TOC含量的變化規(guī)律也基本相似,總體上呈現(xiàn)“先增大后減小,最后趨于穩(wěn)定”的趨勢.

3)小江.垂向上,小江中上游(XJ04L和XJ08R)沉積物中總有機(jī)碳(TOC)含量變化規(guī)律基本一致,從表層開始先緩慢減小最后趨于穩(wěn)定.對于小江河口處(XJ00),在9 cm處達(dá)到峰值,之后逐漸減小,最后趨于穩(wěn)定.而對于云陽處,TOC含量雖有一定的波動變化,但基本還是遵循“先增大,后減小,最后趨于穩(wěn)定”的變化規(guī)律.

3 討 論

3.1 干流粒度與沉積物總有機(jī)碳含量的關(guān)系

從寸灘至茅坪段三峽庫區(qū)干流表層沉積物顆粒級配的沿程分布如圖6所示.

圖6 三峽庫區(qū)干流表層沉積物顆粒級配的沿程分布

粘土含量從寸灘到奉節(jié)逐漸增加,而奉節(jié)到茅坪則呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢;另外,干流上粉砂含量的變化趨勢與粘土的恰恰相反,而粉砂中細(xì)粉砂含量占主導(dǎo)地位;最后,整個干流上砂的含量普遍較少,忠縣以及茅坪段相對較多,含量分別為5.83%、4.34%左右.茅坪位于大壩的壩址處,水庫的興建使大半的沙被攔截在水庫內(nèi),而沉積物受蓄水和泄水的直接影響,有研究表明,水動力越強(qiáng),沉積物越粗,反之沉積物越細(xì)[13],所以茅坪處含砂量較高可能是此原因造成的.表層沉積物中值粒徑的變化同樣在奉節(jié)處出現(xiàn)變化趨勢分界(如圖7所示),寸灘至奉節(jié)段中值粒徑逐漸減小,變化幅度較大,奉節(jié)至茅坪段中值粒徑緩慢增大,變化幅度較小,說明以奉節(jié)為節(jié)點(diǎn)的上下兩段的水動力條件不相同,奉節(jié)以上流速沿程變化較大,奉節(jié)以下流速沿程變化較穩(wěn)定.

圖7 三峽庫區(qū)長江干流沉積物中值粒徑變化圖

沉積物的各種粒度級配和粒度參數(shù)可用于水庫水動力狀況的分析[14-15],水庫的興建,使中下游沙含量急劇下降,大半都被攔截在水庫內(nèi)[16],而水體中的污染物易吸附在表層沉積物粒徑1 mm以下的沉積物中[17],使得粒徑越細(xì)小的沉積物潛在的污染危險(xiǎn)更大.

干流總有機(jī)碳(TOC)與粒度的相關(guān)性分析見表1.干流沉積物TOC含量與黏土呈顯著正相關(guān)(r=0.762),說明TOC含量主要受粒徑較小的黏土物質(zhì)控制.已有研究表明沉積物有機(jī)碳含量受粒徑大小的影響,并且細(xì)顆粒物質(zhì)中TOC的含量更高,特別是黏土中[6,18-19].沉積物粒徑越大,TOC含量越低,反之,TOC含量越高.對沉積物的組分而言,激光粒度儀測量的結(jié)果是偏大的[20],即本實(shí)驗(yàn)測量的粒徑數(shù)值比實(shí)際數(shù)值要大,所以干流沉積物中TOC含量受較小粒徑的影響顯著.

表1 干流有機(jī)質(zhì)與粒度的相關(guān)分析

3.2 支流粒度與沉積物總有機(jī)碳含量的關(guān)系

1)香溪河.香溪河各樣點(diǎn)的中值粒徑以及粒度組分百分含量的分布如圖8所示.

圖8 香溪河粒度組分百分含量分布圖

上游(XX08)和中游(XX06)中值粒徑在垂向上呈現(xiàn)波動性變化,變化范圍依次為3.78～9.10μm、4.24～8.89μm,平均值依次為6.68μm、6.14μm,而河口(XX01)處中值粒徑在垂向上較為穩(wěn)定,其變化范圍為3.04～4.54μm,平均值為3.58μm.上游、中游和河口處中值粒徑的平均值排序依次是上游＞中游＞河口.香溪河的上游和河口處沉積物的中值粒徑沿垂向呈減小趨勢,而香溪河中游沉積物中值粒徑沿垂向波動比較大,不過整體呈略微增大的趨勢.其中黏土含量沿垂向上逐漸增大,其波動范圍為45.61%～59.01%,平均含量約54.05%;細(xì)粉砂含量逐漸減小,其波動范圍為28.72%～42.27%,平均含量約35.55%;粗粉砂含量的波動范圍為9.89%～14.91%,平均含量約11.44%;砂含量沿垂向上逐漸增大,其波動范圍為0～0.29%,平均含量約0.09%.

香溪河有機(jī)質(zhì)與粒度的相關(guān)性分析見表2,香溪河沉積物TOC含量與細(xì)粉砂呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系(r=0.580),這說明在香溪河沉積物中,TOC的含量受細(xì)粉砂的影響顯著.

表2 香溪河有機(jī)質(zhì)與粒度的相關(guān)分析

2)大寧河.大寧河的中值粒徑沿垂向的分布如圖9所示.河口(DN01)中值粒徑的范圍為4.56～6.94 μm,平均值為5.70μm,中游(DN03)中值粒徑的范圍為3.63～8.52μm,平均值為5.87μm,上游(DN05)中值粒徑的范圍為5.24～15.46μm,平均值為7.99 μm.DN01、DN03和DN05中值粒徑的平均值排序是DN05＞DN03＞DN01.大寧河河口(DN01)沉積物中值粒徑沿垂向略微波動,整體呈略微增大的變化趨勢.而大寧河上游(DN05)和中游(DN03)沉積物中值粒徑沿垂向波動較大,無明顯變化規(guī)律,說明水動力條件不同,水流流速變化較大.其中黏土含量呈波動性減少,變化范圍為32.77%～45.73%,平均含量約39.00%;細(xì)粉砂含量的波動范圍為37.81%～46.14%,平均含量約42.74%;粗粉砂含量呈波動性增加,變化范圍為13.96%～25.10%,平均含量約18.61%;砂含量的波動范圍為0.10%～4.47%,平均含量約1.24%.

圖9 大寧河粒度組分百分含量分布圖

大寧河有機(jī)質(zhì)與粒度的相關(guān)性分析見表3.

表3 大寧河有機(jī)質(zhì)與粒度的相關(guān)分析

大寧河沉積物TOC含量與細(xì)粉砂呈極顯著正相關(guān)(r=0.806).已有研究表明有機(jī)質(zhì)易于富集在細(xì)顆粒物質(zhì)中,對于大寧河,沉積物中的有機(jī)質(zhì)更易于富集在細(xì)粉砂中,說明大寧河TOC含量受細(xì)粉砂的影響顯著.

3)小江.小江中值粒徑沿垂向的分布如圖10所示.XJ00中值粒徑的范圍為4.96～8.51μm,平均值為6.44μm,XJ04中值粒徑的范圍為4.55～6.34 μm,平均值為5.50μm,XJ08中值粒徑的范圍為7.25～9.17μm,平均值為8.07μm.XJ00、XJ04和XJ05中值粒徑的平均值排序是XJ08＞XJ00＞XJ04.小江河口(XJ00)沉積物中值粒徑沿垂向波動較大,無明顯規(guī)律,說明河口處水動力條件不同,水流流速變化較大;小江中游(XJ04)和上游(XJ08)沉積物中值粒徑沿垂向雖有波動,但整體上呈現(xiàn)增加的趨勢.其中黏土含量呈波動性減少,變化范圍為25.31%～42.24%,平均含量約33.85%;細(xì)粉砂含量則呈波動性增加,其變化范圍為43.86%～53.06%,平均含量約48.85%;粗粉砂含量的波動范圍為13.93%～22.83%,平均含量約19.10%;砂含量的波動范圍為0.06%～0.49%,平均含量約0.22%.

圖10 小江粒度組分百分含量分布圖

小江有機(jī)質(zhì)與粒度的相關(guān)性分析見表4,小江沉積物TOC含量與細(xì)粉砂呈極顯著正相關(guān)(r=0.827).沉積物中的有機(jī)質(zhì)更易于富集在細(xì)粉砂中,這表明小江沉積物中TOC含量主要受粒徑較小的細(xì)顆粒物質(zhì)的影響.

表4 小江有機(jī)質(zhì)與粒度的相關(guān)分析

4 結(jié) 論

1)沿河流縱向分布中,長江干流寸灘至茅坪段TOC含量為0.72%～1.05%,平均值0.89%,最大值出現(xiàn)在長江磨刀溪,最小值出現(xiàn)在云陽.支流中,香溪河、大寧河、小江沉積物中TOC的平均含量分別為1.18%、1.17%、1.23%,TOC含量為香溪河＞大寧河＞小江.從上游到河口,香溪河和小江TOC含量呈現(xiàn)“沿程遞減”的趨勢;大寧河呈現(xiàn)“中間高兩頭低”的趨勢.

2)垂向分布中,長江干流總有機(jī)碳(TOC)含量隨深度呈波動變化,無明顯變化規(guī)律,由于干流由各個支流匯入,導(dǎo)致各斷面的水動力條件不同,水流速度變化較大,受外界因素的影響較大.水庫蓄水初期,支流水深增大,水流速度變緩,不利于污染物的稀釋降解,另外,河流兩岸淹沒范圍增大,岸邊污染物及腐殖物進(jìn)入水庫,而懸浮污染物容易沉降,進(jìn)而形成新的沉積物,致使表層沉積物總有機(jī)碳(TOC)含量增大,整體上表現(xiàn)出隨深度的增大而逐漸減小的特點(diǎn).

3)對沉積物中總有機(jī)碳(TOC)含量與粒度組成之間相關(guān)關(guān)系的研究中,干流沉積物中TOC含量與黏土呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.762),支流中的香溪河、大寧河、小江沉積物中TOC含量與細(xì)粉砂呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系.對沉積物組分而言,激光粒度儀測量結(jié)果偏大,即本實(shí)驗(yàn)測量的粒徑數(shù)值比實(shí)際數(shù)值要大.綜上表明,三峽水庫沉積物中TOC含量受粒徑較小的物質(zhì)控制,即TOC含量受粒徑的影響顯著.