劉靜玲,李 毅,史 璇,尤曉光,孫 斌,陳楠楠

(1.水環(huán)境模擬國家重點聯(lián)合實驗室，北京 100875；2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875)

海河流域典型河流沉積物粒度特征及分布規(guī)律

劉靜玲1，2,李 毅1，2,史 璇1，2,尤曉光1，2,孫 斌1，2,陳楠楠1，2

(1.水環(huán)境模擬國家重點聯(lián)合實驗室，北京 100875；2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875)

為了解海河流域典型河流沉積物粒度參數(shù)空間分布規(guī)律，對海河典型河流的表層沉積物進行采集并利用Mstersize2000激光粒度儀進行粒度分析。結(jié)果表明，海河典型河流沉積物平均粒徑差異顯著，分選狀況總體較差；山區(qū)水系與平原水系相比，沉積物平均粒徑減小，呈集中分布，水動力減弱；山區(qū)自北向南變化明顯，水系沉積物平均粒徑減小，分布集中化，分選狀況變差，由極正偏-正偏，向?qū)ΨQ方向變化，峰度向平坦方向趨近，水動力減弱，符合粒徑自然變化規(guī)律；平原區(qū)水系沉積物粒徑參數(shù)表明南北變化不明顯，因受較多支流、河流-湖泊-洼淀濕地等復(fù)雜系統(tǒng)和人為干擾強烈的影響，南北無顯著變化規(guī)律?？偟膩碚f，海河流域河流受人為干擾強度較大，河流沉積物源較為復(fù)雜，棲息地物理完整性差。

海河流域；河流沉積物；粒度特征；分布規(guī)律

沉積物是河流系統(tǒng)的重要組成部分，分析河流沉積物的特征可了解人類活動影響下的環(huán)境變化響應(yīng)[1-2]。沉積物也是流域污染物的重要蓄積庫，可作為敏感性指標(biāo)反應(yīng)污染環(huán)境的時空變化趨勢[3]。沉積物位于相面交界處，對水生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響[4]。

粒度是沉積物的基本性質(zhì)，受沉積環(huán)境、水動力條件、搬運介質(zhì)及方式等因素的影響[5-6]，在沉積環(huán)境提取[7]、沉積物源解析[8]、沉積動力條件反演[9]以及特定時間尺度內(nèi)氣候和水動力變化過程的推測[10]等方面有著廣泛的應(yīng)用。近幾年學(xué)者根據(jù)沉積物粒度特征對流域水環(huán)境特征開展了大量研究，如基于河流表層沉積物粒度組成進行研究區(qū)沉積動力分區(qū)，探討研究區(qū)沉積環(huán)境及水動力條件[6,11-13]；基于粒度空間分布研究水庫對河流的沉積環(huán)境影響[14-16]，依據(jù)河流沉積物粒度特征分析其與水動力關(guān)系[6，8，17]等。

筆者對海河流域典型河流表層沉積物進行不同水系粒徑參數(shù)特征分析，并基于地貌和緯度差異，分別對典型河流沉積物山區(qū)和平原水系以及南北水系進行粒度比較與分析，探討海河流域河流沉積物粒度特征和空間分布規(guī)律與水動力以及人為干擾的關(guān)系，旨在為海河流域河流物理完整性評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

海河流域位于北緯35°～43°、東經(jīng)112°～120°，東臨渤海，西倚太行，南界黃河，北以蒙古高原與內(nèi)陸河流域接界[18]，涵蓋京、津、冀等8個省、市、自治區(qū)[19]，城市集中，人口密集，是我國政治文化中心和經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)[20]，也是我國水資源開發(fā)程度最高的流域[21]。流域總面積31.8萬km2，河流總長度1.61萬km，是我國的七大水系之一，北方的主要流域之一，流域由灤河、北三河、永定河、大清河、子牙河、黑龍港運東、漳衛(wèi)河、徒駭馬頰河以及海河干流等九大水系構(gòu)成(圖1)，自東向西依次為濱海平原、內(nèi)陸平原、山區(qū)以及高原地貌[22]，地勢總體西北高東南低，東部和南部為平原區(qū)，西部為山西高原與太行山區(qū)，北部是蒙古高原和燕山山區(qū)。河系分為兩類，一類發(fā)源于太行山和燕山背風(fēng)坡，山區(qū)支流集中，匯水面積大，泥沙含量較高；另一類發(fā)源于太行山和燕山迎風(fēng)坡，支流分散，源短流急，突發(fā)性強，兩類河流交錯相間分布。

圖1 海河流域九大水系

1.2 樣品采集和分析

采樣時間為2014年8月，在灤河、北三河、永定河、大清河、子牙河、黑龍港運東、漳衛(wèi)河、徒駭馬頰河等8條河流設(shè)置采樣點，根據(jù)各水系的水文狀況及水利設(shè)施，于各水系上游、中游、下游分別設(shè)置采樣點。采用抓泥斗式采樣器采集表層沉積物樣品，在各樣點的河心區(qū)與漫灘區(qū)(離岸2～5 m)均平行采集3個沉積樣，采樣深度10 cm，樣品裝入密封塑料袋中，保存于4℃環(huán)境中。根據(jù)《地球化學(xué)普查規(guī)范》中關(guān)于河流沉積物采產(chǎn)方法規(guī)定，20～30 m河段范圍內(nèi)，可以多點采樣并合并成一個樣品。本研究根據(jù)海河流域水系實際狀況，采用3個樣品合并后進行粒徑分析，重復(fù)測定3次。

1.3 樣品分析與數(shù)據(jù)處理

在實驗室，各樣點表層沉積物經(jīng)過自然風(fēng)干，過10目篩，取2 mm以下的砂、黏土質(zhì)樣品，置于廣口瓶中。

沉積物粒度參數(shù)采用Mstersize 2000激光粒度儀進行濕式測量，測量范圍是0.02～2 800 μm，誤差小于等于1%。測定平均粒徑、分選系數(shù)、偏度系數(shù)和峰度系數(shù)等參數(shù)，得到沉積物粒度曲線。根據(jù)粒度曲線的峰數(shù)，繪制峰數(shù)比例圖。依據(jù)沉積物粒度劃分標(biāo)準，將沉積物組分劃定為黏土(0～0.004 mm)、粉砂(0.004～0.063 mm)、砂(0.063～2 mm)[23]。數(shù)據(jù)處理及作圖分析選用軟件Origin和SPSS。

2 結(jié)果分析

2.1 海河典型河流沉積物粒度參數(shù)分布比較

選取漳衛(wèi)河、徒駭馬頰河、子牙河、黑龍港運東、大清河、永定河、北三河和灤河作為海河典型河流進行研究分析。選取沉積物的平均粒徑均值、沉積物組分比例、分選系數(shù)、偏度系數(shù)、峰度系數(shù)、峰數(shù)比例為本文沉積物粒度參數(shù)，對8條河流進行對比分析。

2.1.1 平均粒徑均值

沉積物平均粒徑均值描述平均粒徑的集中分布趨勢(圖2)，根據(jù)其值大小，將典型河流劃分3個等級：第一等級粒徑最大，包括大清河(181.3 μm)、永定河(165.4 μm)、灤河(160.6 μm)3個水系；第二等級粒徑中等，包括漳衛(wèi)河(127 μm)、子牙河(97 μm)、北三河(89 μm)3個水系；第三等級粒徑最小，平均粒徑均在100μm以下，包括黑龍港運東(64.6 μm)、徒駭馬頰河(52.7 μm)2個水系。

(a) 8條河流沉積物平均粒徑均值

(b) 8條河流沉積物平均粒徑值散點圖

(c) 8條河流沉積物平均粒徑值箱式圖

2.1.2 沉積物組分

根據(jù)沉積物黏土、粉砂和砂百分含量數(shù)據(jù)做出三角圖(圖3)，研究各水系沉積物組分。為更好地了解研究區(qū)的水動力情況，依據(jù)Morten Pejrup的新三角圖，采用沉積物結(jié)構(gòu)組成來反映其水動力強度，先以砂百分含量的10%、50%、90%依次將沉積物分為A、B、C、D 4組，再以粉砂/(粉砂+黏土)百分比的20%、50%、80%將沉積物分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類，百分比數(shù)值越低反映水動力強度越大(圖4)。結(jié)果表明，8條河流的黏土含量較低(lt;10%)，粉砂和砂是沉積物的主要組分。第一等級3個水系(大清河、永定河、灤河)沉積物最靠近砂端，第三等級2個水系(黑龍港運東、徒駭馬頰河)沉積物最靠近粉砂端，與粒徑均值分布規(guī)律一致。研究區(qū)沉積物均位于Pejrup圖中Ⅳ區(qū)，說明水動力總體較強，第一、二等級水系沉積物總體位于B、C區(qū)，第三等級水系沉積物主要位于C、D區(qū)，說明前者較后者流動性強。海河典型河流沉積物隨粒徑均值增大，粉砂含量減少，砂含量增大，流動性加強，水動力總體較強。

圖3 海河流域典型河流沉積物組分三角圖

(a) 第一等級

(b) 第二等級

(c) 第三等級

2.1.3 分選系數(shù)

分選系數(shù)反映沉積物粒度的集中趨勢，分選性好，粒度分布集中。海河典型河流的沉積物分選系數(shù)(圖5)表明研究區(qū)分選整體較差，分選狀況自好到差依次為：灤河、永定河、北三河、徒駭馬頰河、黑龍港運東、大清河水系、子牙河水系、漳衛(wèi)河水系，其中，灤河、永定河、徒駭馬頰河分選狀況較好。

2.1.4 偏度系數(shù)

偏度系數(shù)反映沉積物粒度分布的對稱性。海河典型河流沉積物偏度系數(shù)(圖6)表明，研究區(qū)大部分處于正偏與極正偏區(qū)間，沉積物粒度集中在粗端，灤河水系有部分樣點處在對稱與負偏區(qū)間，沉積物粒度集中在細端。各水系按照正偏程度由小到大劃分為三部分，第一部分是灤河與徒駭馬頰河水系，第二部分是永定河、大清河、黑龍港運東與北三河水系，第三部分為漳衛(wèi)河與子牙河水系。

(a) 分選系數(shù)散點圖 (b) 分選系數(shù)箱式圖

(a) 偏度系數(shù)散點圖 (b) 偏度系數(shù)箱式圖

2.1.5 峰度系數(shù)

峰度系數(shù)反映粒度頻率曲線尖銳程度，海河典型河流沉積物峰度系數(shù)分布(圖7)表明，研究區(qū)沉積物峰度分布區(qū)間較大，主要集中在平坦、正態(tài)、尖銳和很尖銳區(qū)間，其中子牙河與黑龍港運東水系沉積物粒度分布較尖銳。

(a) 峰度系數(shù)散點圖

(b) 峰度系數(shù)箱式圖

2.1.6 峰數(shù)比例

沉積物粒徑的頻率曲線可分析泥沙沉積的物源，單峰對稱曲線表明沉積物為單一物源的自然狀態(tài)，多峰不對稱分布表明泥沙沉積含有多種物質(zhì)成分[7]。根據(jù)沉積物粒度曲線的峰數(shù)比例，可分析海河流域8條河流的泥沙物源。

沉積物粒度頻率曲線的峰數(shù)可反應(yīng)沉積物物源與沉積環(huán)境。海河典型河流沉積物粒度曲線的峰數(shù)比例(圖8)表明，具有單峰分布沉積物的只有灤河、大清河、漳衛(wèi)河水系。灤河水系的單、雙峰沉積物比例高于其他水系，其4、5峰沉積物分布比例小于其他水系，沉積物源較簡單，受人類煩擾少，沉積環(huán)境較好，與之前學(xué)者根據(jù)PAHs的污染情況得到的沉積環(huán)境結(jié)論相一致[24]。北三河、永定河、大清河水系4、5峰沉積物比例相對較大，河流情況較復(fù)雜，沉積物來源較多。綜上，除灤河水系外，由南到北各水系沉積物4、5峰比例有增大趨勢而1、2、3峰相應(yīng)變小。

圖8 海河流域8條河流沉積物粒度曲線1～5峰比例分布

2.2 海河流域山區(qū)與平原水系沉積物粒度參數(shù)分布差異比較

選取海河流域北部的灤河水系(灤河山區(qū)與灤河平原)、北三河水系(北三河山區(qū)與北三河平原)、大清河水系(大清河山區(qū)，大清河平原)、海河流域南部的漳衛(wèi)河水系(漳衛(wèi)河山區(qū)與漳衛(wèi)河平原)、子牙河水系(子牙河山區(qū)與子牙河平原)作為研究對象，分析山區(qū)與平原沉積物粒度差異。

2.2.1 海河流域北部山區(qū)

海河流域北部三個水系的山區(qū)與平原沉積物平均粒徑對比(圖9)和峰數(shù)比例對比(圖10)表明，由山區(qū)到平原沉積物平均粒徑呈減小趨勢，水動力條件增強，與山區(qū)水系沉積物粒度相比，平原水系平均粒徑相對較小且分布集中。灤河水系山區(qū)與平原粒徑總體差異不明顯，山區(qū)僅個別樣點沉積物粒徑值遠大于平原區(qū)。北三河由山區(qū)到平原， 1～3峰各比例下降，4～5各峰比例增大，沉積環(huán)境復(fù)雜化，沉積物來源增多，大清河由山區(qū)到平原，1～3峰總體比例下降，但單、雙峰增多，該區(qū)域受人為擾動小，沉積環(huán)境簡單，4～5峰各比例減少，復(fù)雜環(huán)境增多。灤河自山區(qū)到平原，單、雙峰比例增多，3～5峰各比例減少，表明受人類干擾區(qū)域減少，沉積環(huán)境變好。

(a) 平均粒徑散點圖

(b) 平均粒徑箱式圖

圖10 灤河、北三河、大清河山區(qū)與平原沉積物粒度曲線峰數(shù)比例

2.2.2 海河流域南部山區(qū)

海河流域南部山區(qū)與平原水系沉積物平均粒徑(圖11)與峰數(shù)比例(圖12)對比表明，由山區(qū)到平原，平均粒徑值有逐漸減小且分布集中的趨勢(plt;0.01)，水動力條件增強，1～3峰沉積物比例減小，4～5峰沉積物比例增大，沉積環(huán)境復(fù)雜化，沉積物源增多。

(a) ZW山區(qū)與平原沉積物平均粒徑散點圖

(b) ZW山區(qū)與平原沉積物平均粒徑箱式圖

(c) ZY山區(qū)與平原沉積物平均粒徑散點圖

(d) ZY山區(qū)與平原沉積物平均粒徑箱式圖

(a) 漳衛(wèi)河水系

(b) 子牙河水系

2.3 海河流域山區(qū)及平原水系沉積物粒度參數(shù)分布的南北差異分析

海河流域源近流急，從北向南共計分為9大水系，呈扇面形分布，匯入渤海灣。不同水系的水環(huán)境污染狀況不同，各自水系從物理完整性的角度探索人為活動的影響及粒徑變化可能有所不同。海河流域山區(qū)水系由南至北包括漳衛(wèi)河、子牙河、大清河、永定河、北三河和灤河山區(qū)6個水系。平原水系由南至北為漳衛(wèi)河、徒駭馬頰河、子牙河、黑龍港運東、大清河、北三河和灤河冀東平原共計7個水系。分析山區(qū)及平原兩組水系的粒度參數(shù)，可探究粒度參數(shù)分布的緯度是否存在差異。

2.3.1 山區(qū)

海河流域山區(qū)水系沉積物粒度參數(shù)分布(圖(13))自北向南，水系沉積物平均粒徑分布集中化，分選狀況變差，水動力條件增強。其中永定河與灤河山區(qū)出現(xiàn)較多分選中等、較好和好的樣點。

偏度系數(shù)變化不顯著，其中灤河與永定河水系有部分樣點處于對稱區(qū)間，其他水系均處于正偏或極正偏區(qū)間，沉積物粒度分布偏粗端，無明顯的南北差異，其中永定河水系峰態(tài)最為尖銳。

(a) 平均粒徑散點圖

(b) 平均粒徑箱式圖

(c) 分選系數(shù)散點圖

(d) 分選系數(shù)箱式圖

(e) 偏度系數(shù)散點圖

(f) 偏度系數(shù)箱式圖

(g) 峰度系數(shù)散點圖

(h) 峰度系數(shù)箱式圖

2.3.2 平原

海河流域平原地區(qū)7個水系的沉積物粒度參數(shù)(圖14)總體上南北無明顯變化規(guī)律。沉積物平均粒徑均值自北向南表現(xiàn)出減小的趨勢且分布集中化，水動力條件減弱，其中子牙河平原水系平均粒徑高于同緯度的漳衛(wèi)河水系，子牙河平原地區(qū)來自上游山區(qū)的支流較多，同時人工開挖河道，如滏陽新河、滏東排河、石津總干渠等，可能導(dǎo)致了這一區(qū)域河流水動力增強，沉積物粒徑增大。大清河水系淀西平原區(qū)出現(xiàn)了若干平均粒徑值較高的樣點，超過了其他北部平原水系，原因同樣在于白洋淀以上來自山區(qū)支流較多，同時支流上游分布眾多水庫，水庫的存在對下游河道侵蝕作用較大。灤河平原水系分選最好。研究區(qū)平原水系沉積物偏度系數(shù)變化規(guī)律不明顯，除徒駭馬頰河水系外從北向南沉積物偏度有向正偏-極正偏的變化趨勢，而峰度系數(shù)除北三河水系外北到南沉積物峰態(tài)系數(shù)由很尖銳向平坦變化趨勢。

(a) 平均粒徑散點圖

(b) 平均粒徑箱式圖

(c) 分選系數(shù)散點圖

(d) 分選系數(shù)箱式圖

(e) 偏度系數(shù)散點圖

(f) 偏度系數(shù)箱式圖

(g) 峰度系數(shù)散點圖

(h) 峰度系數(shù)箱式圖

3 結(jié) 論

a. 海河典型河流沉積物平均粒徑差異顯著，大清河(181.3 μm)gt;永定河(165.4 μm)gt;灤河(160.6 μm)gt;漳衛(wèi)河(127 μm)gt;子牙河(97 μm)gt;北三河(89 μm)gt;黑龍港運東(64.6 μm)gt;徒駭馬頰河(52.7 μm)，粉砂和砂是沉積物的主要組分，黏土含量較低(lt;10%)，總體分選水平較差，基本處于正偏與極正偏區(qū)間，粒度集中在粗端，峰度分布區(qū)間較大，集中在平坦、正態(tài)、尖銳和很尖銳區(qū)間，粒度曲線具有多峰，說明研究區(qū)河流受人為干擾強度較大，河流沉積物源較為復(fù)雜，棲息地物理完整性差。

b. 海河流域山區(qū)水系與平原水系相比，沉積物平均粒徑減小，呈集中分布，水動力減弱，其中灤河水系山區(qū)與平原差異不顯著；其他水系4～5峰比例隨山區(qū)到平原而增大，沉積環(huán)境復(fù)雜化，受人為干擾增大。

c. 海河流域山區(qū)與平原區(qū)水系沉積物粒徑參數(shù)變化規(guī)律不同。山區(qū)自北向南變化明顯，水系沉積物平均粒徑減小，分布集中化，分選狀況變差，由極正偏-正偏，向?qū)ΨQ方向變化，峰度向平坦方向趨近，水動力減弱，符合粒徑自然變化規(guī)律。平原區(qū)水系沉積物粒徑參數(shù)表明南北變化不明顯，因受較多支流、河流-湖泊-洼淀濕地等復(fù)雜系統(tǒng)和人為干擾強烈的影響，南北無顯著變化規(guī)律。

海河流域河流生態(tài)系統(tǒng)棲息地物理完整性是生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建和水環(huán)境改善的前提條件，各種人為干擾例如土地利用變化、岸帶人工化和閘壩建設(shè)等均對河流沉積物的結(jié)構(gòu)與組成產(chǎn)生重要的影響，應(yīng)在河流生態(tài)系統(tǒng)管理中加強對河流底質(zhì)的物理、化學(xué)和生態(tài)因子進行一體化的系統(tǒng)監(jiān)測和分析，建議特別是在水庫閘壩上下點位設(shè)置固定監(jiān)測點位，對于不同水平年和年內(nèi)豐平枯季節(jié)粒徑變化進行長期的監(jiān)測，可為河流棲息地完整性評估與生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

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GrainsizecharacteristicsanddistributionregularitiesoftypicalriversedimentsinHaiheRiverBasin

LIUJingling1,2,LIYi1,2,SHIXuan1,2,YOUXiaoguang1,2,SUNBin1,2,CHENNannan1,2

(1.StateKeyJointLaboratoryofEnvironmentalSimulationandPollutionControl,Beijing100875,China；2.SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

In order to understand the spatial distribution of grain size parameters of typical river sediments in Haihe River Basin, the surface sediments of the typical rivers in Haihe River Basin were collected and analyzed with the Mstersize 2000 laser particle size analyzer. The results show that the average grain size of the typical river sediments in Haihe River is significantly different, and the sorting condition is generally poor. Compared with the plain water system, the average grain size of the sediments in the mountainous area is reduced, and the hydrodynamics is weakened. The change of the particle size of the sediments in the mountain area from north to south is obvious, and the average grain size of stream sediment decreases and the distribution is concentrated, sizing condition changes from extreme positive to positive and symmetric, and the kurtosis tends to be flat, the hydrodynamic is weakened. Such change is in accordance with the natural variation of the grain size. However, the grain size parameters of the sediments in the plain water system show that the change between north and south is not obvious. Because of the strong influence of the complex system of many tributaries, rivers, lakes, wetlands and human disturbance, there is no significant change in the north and South. Generally speaking, the intensity of human disturbance is higher in Haihe River basin, the source of river sediment is quite complex, physical integrity of the habitat is poor.

Haihe basin; river; sediment; grain size characteristics; regularities of distribution

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.06.02

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07203-006)；國家自然科學(xué)基金(41271496)

劉靜玲(1962—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事流域水生態(tài)系統(tǒng)管理研究。E-mail：jingling@bnu.edu.cn

P343.5

A

1004-6933(2017)06-0009-11

2017-05-09 編輯：彭桃英)