基于粒径和^137Cs的三峡水库消落带泥沙来源示踪研究

基于粒径和 １３７Ｃｓ的三峡水库
消落带泥沙来源示踪研究
王彬俨１，严冬春２
（１．北京林业大学 水土保持学院，北京 １０００８３；２．中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 ６１００４１）
摘 要：为分析三峡水库消落带泥沙输移与沉积规律，采用原位观测方法，沿库岸 Ｈ＝１４８ｍ高程带选择 １５个采样 点，并甄选出 ３个典型断面采集沉积泥沙样品，利用激光粒度仪和 γ能谱仪分别测试样品的粒径与 １３７Ｃｓ活度，分 析二者在水平和高程 ２个维度的变化特征，探讨消落带沉积泥沙来源。结果表明：①三峡水库消落带沉积物的中 值粒径（Ｄ５０）沿水流方向逐渐降低，并在忠县任家镇及其下游河段基本保持稳定，而 １３７Ｃｓ活度沿水流方向逐渐增 大，但在任家镇及其下游河段仍有波动。②消落带邻江区域沉积物的粒径最粗、１３７Ｃｓ活度最低，除这一区域外，沉 积物粒径沿高程的变化取决于消落带上方坡面的土壤侵蚀状况，若上方存在侵蚀，沉积物粒径随高程的增加而增 大，若上方微弱侵蚀或无侵蚀，则沉积物粒径随高程的增加而降低，但 １３７Ｃｓ活度不受上方土壤侵蚀状况影响，均表 现为随高度增加先降后升的变化趋势。③粗颗粒与细颗粒沉积物具有不同的来源特征，变动回水区的粗颗粒也主 要源于金沙江和嘉陵江，乌江入库的粗颗粒主要沉积在涪陵至忠县任家镇河段，任家镇下游的粗颗粒主要源于库 区内侵蚀产沙；变动回水区的细颗粒主要源于金沙江和嘉陵江，常年库区的细颗粒泥沙来源较多，金沙江、嘉陵江、 乌江和库区内侵蚀产沙均存在明显贡献，而库水位涨落过程中的波浪侵蚀对沉积物存在再分配作用，它能使表层 沉积物重新进入水体，并在较低的位置实现二次沉积。 关键词：泥沙来源；示踪研究；粒径；１３７Ｃｓ；消落带；三峡水库 中图分类号：ＴＶ１４５；Ｓ１５２．３；Ｓ１２４．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－５４８５（２０１８）０６－０１４６－０８
收稿日期：２０１７－０９－１５；修回日期：２０１７－１０－２１ 基金项目：国家重点研发计划项目（２０１６ＹＦＣ０４０２３０１）；国家自然科学基金重点项目（４１４３０００４１１） 作者简介：王彬俨（１９８８－），男，四川宜宾人，博士后，研究方向为水土保持与泥沙淤积。Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｂｉｎｙａｎ＠ｂｊｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 通信作者：严冬春（１９８１－），男，湖北宜昌人，副研究员，博士，研究方向为土壤侵蚀与水土保持。Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｄｃ＠ｉｍｄｅ．ａｃ．ｃｎ
低［１２－１４］。因此，准确认识泥沙淤积问题、辨析泥沙沉 积规律，对于改善消落带生态环境具有十分重要的意 义。泥沙沉积的下垫面条件与泥沙来源是影响泥沙 淤积的两大关键因素。就下垫面条件而言，缓坡消落 带积蓄泥沙的能力通常比陡坡高出不少；而宽阔河面 有利于水流降速，同样能够加剧泥沙淤积。泥沙来源 则是泥沙淤积的物质基础，同等水文与下垫面条件 下，物源数量的多少能够决定沉积量的大小。
１ 研究背景
消落带是位于陆地与水体之间、受到水位涨落影 响的各种地貌单元的总和［１－２］，体现为河流与陆地交 替控制这一区域，因而具有水域和陆地双重属性，在 景观生态学中属于典型的生态交错带［３－４］。泥沙淤 积在消落带地貌演化、生物与地球化学循环和改变生 物多样性等方面均发挥了重要作用，因而受到越来越 多的关注。首先，泥沙淤积为消落带地貌演化过程提 供了最直接的物质来源，使消落带上逐渐形成了包括 河漫滩、河流阶地与台地等诸多平坦地貌形态，体现 出对消落带地貌特征的决定作用［５－７］；其次，泥沙淤 积过程是生物与地球化学循环的重要载体，在细颗粒 泥沙强大的吸附作用下，有机质与养分［８－９］、痕量元 素［１０］以及农业面源污染物质［１１］均在各自循环体系 中实现了从陆地到水体的迁移；第三，泥沙淤积直接 造成消落带地表的透光度与透氧度下降，使得底栖动 物的生活环境遭到破坏、生存空间遭到挤压，同时造 成植 物 衰 亡，消 落 带 生 态 系 统 多 样 性 进 一 步 降
第 ６期
王彬俨 等 基于粒径和 １３７Ｃｓ的三峡水库消落带泥沙来源示踪研究
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通过三峡水库消落带沉积物粒径的空间变异特征， 对消落带沉积物的来源进行了分析。尽管粒径特征 在物源示踪过程中存在一定的便利性，但其局限性 也比较明显。为了应对这种局限性，本文选择将粒 径特征与 １３７Ｃｓ相结合进行双因子示踪，以期弥补粒 径特征在泥沙迁移与示踪研究中存在的不足，通过 更加充分地研究三峡水库消落带沉积生态环境特征提供了参考。
第 ３５卷 第 ６期 ２０１８年 ６月
长 江 科 学 院 院 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｄｏｉ：１０．１１９８８／ｃｋｙｙｂ．２０１７１０６３
Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２ ０ １ ８
２０１８，３５（６）：１４６－１５３
水淹没，故选择在江岸线 ３ｍ范围内择优布设采样 点。采样点分布情况如图 １所示。
２ 研究区概况
三峡水库位于长江上游四川盆地东部，地理坐标 为 ２８°１０′Ｎ—３１°１３′Ｎ，１０５°１１′Ｅ—１１０°３８′Ｅ。库区属 中亚热带季风性湿润气候，年均降水量 １１２０ｍｍ；年 平均气温 １６．３～１８．２℃；无霜期 ３００～３４０ｄ；大部分 地区年日照时数为 １２００～１６００ｈ。根据三峡水库 水位运行调度安排，每年 １０—１２月，水库蓄水至高 水位 １７５ｍ以满足发电需求，每年 ６—８月则回落至 低水位 １４５ｍ以满足防洪需求，每年如此循环往复， 从而形成垂直落差达到 ３０ｍ的消落带。受此影响， 这一区域的生态环境发生巨大变化，泥沙在消落带 上大量沉积，使得萌芽能力强的草本植物迅速占据 绝对优势，其中以一年生草本植物为主；水淹时间上 的显著差异，造成消落带不同高程区间的土壤重度、 含水量、ｐＨ值、有机质和氮磷元素等理化特征发生 分化。
粒径特征是泥沙的重要物理性质之一，由于水 流对土壤与泥沙颗粒的分选过程，使其在解译坡面 与河道侵蚀过程信息、判断泥沙来源上发挥了重要 作用 ［１５］。 作 为 一 种 人 工 放 射 性 同 位 素，１３７Ｃｓ通 过 干湿沉降到达地表后，能够快速、强烈地被土壤颗粒 吸附且不发生任何交换，因此在量化土壤侵蚀、示踪 泥沙来源 的 研 究 方 面 受 到 长 期 关 注 ［１６－１７］。 目 前 三 峡库区泥沙来源问题的研究在小流域尺度上取得了 初步结论，已查明农业耕地是侵蚀产沙的首要来源， 林地对侵蚀产沙 的 贡 献 则 相 对 小 很 多 ［１８］。 对 于 大 空间尺度下的消落带沉积物而言，王彬俨等 已 ［１９］ 经