摘要：為揭示滇池入湖河流寶象河表層沉積物的粒度和元素地球化學特征，于旱、雨兩季在寶象河干支流采集了20個表層沉積物樣品。利用馬爾文Mastersizer 2000型激光粒度儀和X射線熒光光譜儀分別進行粒度實驗分析測試和地球化學元素測試。結(jié)果表明：寶象河表層沉積物以黏土質(zhì)粉砂、粉砂和砂質(zhì)粉砂為主，占總量的74.22%；粒徑分形維數(shù)值為2.007～2.947，其中粉砂的分形維數(shù)值波動最小，粒度參數(shù)反映了寶象河沉積物以細粒物質(zhì)為主的沉積學特點，且物源單一，搬運方式以懸移質(zhì)為主，體現(xiàn)了城市河流寶象河水動力特征較弱的特點。對沉積物元素地球化學特征的分析結(jié)果表明，Zn，Cu，Ni，Pb，Cr平均含量值分別是區(qū)域背景值的2.71，4.13，1.64，1.63和1.76倍，其中Cu元素含量與背景值的比值遠高于其他幾種微量元素。沉積物大部分風化指數(shù)CIA值為65～85，部分為85～100，揭示了寶象河流域處于北亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)干、濕兩季分明的氣候特征下巖石所經(jīng)歷的風化情況。

關(guān)鍵詞：沉積物； 粒度； 元素地球化學特征； 寶象河流域； 滇池

中圖法分類號：P512.2；P595

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.11.015

文章編號：1006-0081（2024）11-0093-07

0 引 言

河流是陸源碎屑物質(zhì)向湖泊或海洋遷移的主要通道，在地球物質(zhì)大循環(huán)中占據(jù)重要地位。對河流沉積物輸移狀態(tài)的研究一方面可以反映區(qū)域沉積環(huán)境對流域的影響，另一方面可以反映河流受人為擾動后的水動力特征。粒度作為研究沉積物的來源、水動力條件、運移方式和形成原因的指標，對于了解沉積環(huán)境具有重要的指示意義［1-4］。對沉積物中元素地球化學特征進行研究，可以揭示元素在表生地球化學環(huán)境中的遷移、富集規(guī)律［5-8］。以往大部分研究都是圍繞大江大河這類貫穿多個地貌單元和構(gòu)造帶的大型流域［9-13］，而對具有相同氣候環(huán)境和巖性特征的山地型中小河流的研究較少，但是小流域在研究河流運動過程對沉積物物質(zhì)組成影響中具有不可替代的現(xiàn)實意義［14］。

山地農(nóng)業(yè)-城市型河流寶象河作為典型的小流域，以往對其研究主要集中在氮、磷等營養(yǎng)元素的輸移，以及水污染、重金屬污染評價等方面［15-17］。然而將元素和顆粒物的粒度作為一個整體，系統(tǒng)研究沉積物和化學元素遷移過程，探究寶象河元素地球化學過程和河流流域演化過程，通過沉積物和元素地球化學過程指示流域環(huán)境變化的研究還有待進一步開展。

基于此，本文在以往對寶象河流域的研究基礎(chǔ)上，將沉積物粒度特征與元素地球化學特征作為研究內(nèi)容，探討它們的分布規(guī)律，揭示研究區(qū)的沉積環(huán)境和流域水動力特征。以期豐富對相同氣候和巖性背景下小流域沉積環(huán)境特征的研究，完善滇池入湖河流的基礎(chǔ)地球化學信息，可在一定程度上為受人類擾動較強地區(qū)河流沉積物的理化特征研究提供基礎(chǔ)支撐，為該區(qū)域乃至滇池流域的生態(tài)評價體系和污染治理提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寶象河屬于昆明古六河之一，是滇池流域第二大河流，干流全長36.2 km。流域?qū)儆诘湫偷睦ッ鞅眮啛釒駶櫦撅L氣候區(qū)，干、濕兩季分明，全年降水集中在5～9月份［18］。流域內(nèi)上游以林地和耕地為主，中游屬于城鄉(xiāng)結(jié)合部，下游以城市建設(shè)用地為主，屬于典型的山地農(nóng)業(yè)-城市混合型流域［19］。

1.2 樣品采集與測試

根據(jù)寶象河流域農(nóng)業(yè)用地和城市建筑分布特點，將河流劃分為上、中、下游3個取樣段，結(jié)合研究區(qū)旱雨兩季分明的氣候特征，把采樣時段分為豐水期（2016年5～10月）和枯水期（2016年11月至2017年4月）。分別于2016年8月和2017年4月在寶象河流域10個采樣點采集沉積物樣品，具體詳見圖1。沉積物樣品經(jīng)過自然風干，剔除雜質(zhì)，用瑪瑙研缽進行研磨后過200目尼龍篩，裝入聚乙烯自封袋中保存，留待實驗測定。

利用馬爾文Mastersizer 2000型激光粒度儀和X射線熒光光譜儀完成對沉積物粒度和元素含量的測定，采用烏頓-溫德華氏粒級標準進行輸出。樣品分析和測試前處理均按照相關(guān)試驗規(guī)范要求進行，具體步驟見文獻［20］。

1.3 粒度分形維數(shù)計算

本文根據(jù)粒度分析儀所獲得的粒徑體積數(shù)據(jù)，按照目前大多數(shù)學者［21-23］所使用的王國梁等［24］提出的體積分形維數(shù)的概念及其計算公式推導，得到體積分形維數(shù)計算公式：

V（r＜R）VT=（RλV）3-D（1）

式中：r為沉積物顆粒粒徑；V（rlt;R）為粒徑小于R的顆粒累積體積（這里的體積均為體積百分數(shù)）；VT為沉積物顆粒的總體積；V（rlt;R）/VT是粒徑小于R的沉積物顆粒的累積體積百分含量，計算時 R 取某級粒級上限值與下限值的算術(shù)平均值；λV為對所有粒級而言的上限值，數(shù)值上等于最大粒徑；D是沉積物顆粒體積分形維數(shù)。

首先分別計算出lg［V（rlt;R）/VT］與lg（R/λV），其次以lg［V（rlt;R）/VT］為縱坐標，以lg（R/λV）為橫坐標作出雙對數(shù)曲線，將各沉積物的粒徑分布數(shù)據(jù)繪于圖上，最后用最小二乘法擬合成一條直線，該直線斜率等于（3-D），進一步求出分形維數(shù)D值。

1.4 沉積物風化指數(shù)計算

本文根據(jù)沉積物和土壤的風化指數(shù)（chemical index of alteration，CIA）進行計算［25］。具體計算公式如下：

CIA=Al2O3/（Al2O3+K2O+CaO*+Na2O）×100（2）

式中：CaO*的取值由土壤和沉積物樣品中CaO和Na2O的值決定，當CaO含量大于Na2O含量時，CaO*按樣品中的Na2O含量值計算；當CaO含量小于或等于Na2O含量時，CaO*按樣品中的CaO含量值計算。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用ArcGIS 10.8來進行研究區(qū)制圖，Excel 2010對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理，運用SPSS 22對旱雨兩季采集的20個樣品的元素組分和粒度分形維數(shù)進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物粒度組分結(jié)構(gòu)

根據(jù)溫氏輸出的粒徑數(shù)值（表1）可知：寶象河沉積物粒徑主要集中在4 μm（黏土）以下和4～63 μm（粉砂）范圍內(nèi)，而63 μm以上的粒徑分布較少，按照維謝爾得出的沉積物搬運方式與粒度分布之間的關(guān)系［26］，粒徑約為0.1 mm左右的顆粒物以懸浮方式遷移；顆粒物粒度在0.15～1.0 mm范圍內(nèi)或更細則以跳躍方式遷移，且在沉積底層0.61 m范圍內(nèi)移動。由此可以判斷寶象河沉積物主要是以懸移質(zhì)為主，摻雜少部分躍移質(zhì)。從各粒徑段平均值可以看出，豐水期除了4 μm以下粒徑段的占比高于枯水期外，其余4個粒徑段的均值都低于枯水期。這說明豐水期因河流水量遠大于枯水期，河流水動力特征波動較小，穩(wěn)定的水環(huán)境有利于黏土礦物大量沉積并吸附于河流底質(zhì)中。相較于豐水期，河流枯水期各河段水動力特征波動增大，部分樣點因水動力作用減小而導致大顆粒礦物不能隨水遷移轉(zhuǎn)而沉降到沉積物中。

利用謝帕德圖解法［27］對寶象河表層沉積物的粒度組成進行直觀描述，詳見圖2。從圖中可以看出，寶象河表層沉積物粒度集中分布在黏土質(zhì)粉砂、粉砂和砂質(zhì)粉砂范圍內(nèi)，平均百分含量為74.22%。粒度組分里面幾乎沒有較粗的砂，說明山地農(nóng)業(yè)-城市河流寶象河流經(jīng)地區(qū)地勢起伏不大，顆粒篩選均一。由于從沙溝村至入湖口的寶豐濕地高程變化小，水流平緩，可以看出在整條河流中，沉積物受到的水動力作用總體來說變化不明顯。上游雖流經(jīng)山區(qū)，但因為支流水量較小，且匯注于寶象河水庫后重新流出，未從根本上改變河流水動力特征，導致寶象河沉積物粒度組分較集中。

2.2 沉積物粒度參數(shù)

粒度基本參數(shù)包括中值粒徑（Md）、平均粒徑（X）、分選系數(shù)（δ）、偏態(tài)（SK）和峰態(tài)（Kg）。作為測定容易、環(huán)境指示意義明確的代用指標，它們在氣候和環(huán)境的重建中有著極為廣泛的應用［28］。按照馬爾文激光粒度儀輸出的粒徑數(shù)據(jù)，在Folk提出的粒度參數(shù)計算方法和粒度參數(shù)分級標準的指導下，對寶象河沉積物粒度分布進行描述［29］，具體分級標準詳見表2。寶象河沉積物的中值粒徑和平均粒徑在數(shù)值上無明顯差別，平均粒徑略高于中值粒徑，變化范圍為0.011～0.275。平均粒徑主要受兩個因素影響，一是源區(qū)物質(zhì)的粒度分布，二是搬運介質(zhì)的平均動能［30］。從上文分析可知，寶象河粒度集中在粉砂范圍內(nèi)，粒級相對較細，這種細粒沉積反映了寶象河處于低能環(huán)境。從寶象河沉積物的分選系數(shù)值來看，粒度集中分布在較狹窄的數(shù)值區(qū)間內(nèi)，研究區(qū)所有采樣點沉積物分選等級都處于分選很好的等級，由于分選作用與運動介質(zhì)的性質(zhì)和碎屑物被搬運的距離密切相關(guān)，因此可以判斷寶象河流域水流搬運作用不強烈。這也可從寶象河沉積物的偏態(tài)系數(shù)值看出：寶象河大部分樣點為負偏，峰偏向細粒度一側(cè)，粗粒一側(cè)有一低的尾部，數(shù)據(jù)位于平均值左邊的比位于右邊的多，長尾巴拖在左邊。已有研究表明，細?？傮w占優(yōu)勢時為負偏態(tài)，粗?？傮w占優(yōu)勢時為正偏態(tài)［26］，表明寶象河沉積物粒度平均值向中位數(shù)較粗的方向移動，沉積物以細粒組分為主。從寶象河沉積物的峰度系數(shù)來看，所有采樣點的Kg值都在0.8以上，上游區(qū)域峰度等級以平峰為主，兼有常峰；中游區(qū)域峰度等級以常峰為主，兼有平峰；下游區(qū)域峰度等級為常峰。整體峰態(tài)較窄，說明沉積物粒度分布較集中，細粒與粗粒大致均等混合，無未經(jīng)改造就進入沉積環(huán)境的其他外來物質(zhì)。

分形維數(shù)（D）作為一種粒度分布參數(shù)，與傳統(tǒng)粒度參數(shù)一起討論可以更好地揭示沉積物的粒度特征。粒度分形特征是表現(xiàn)沉積物不同粒徑及對應組分比例的結(jié)構(gòu)特征，從物理學意義上來講，立體結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)應為2～3，如果小于2則認為不具有自相似性分形結(jié)構(gòu)特征，一般粗顆粒砂質(zhì)不具有自相似性的分形結(jié)構(gòu)，所以對寶象河表層沉積物粒度進行分形計算時，只計算了粒度小于4 μm（D1）、4～63 μm（D2）和大于63 μm（D3）這3種情況。寶象河豐水期（圖3），黏土分形維數(shù)為2.820～2.894，平均值為2.856；粉砂分形維數(shù)為2.903～2.943，平均值為2.923；砂粒分形維數(shù)為2.007～2.636，平均值為2.437。寶象河枯水期（圖4），黏土分形維數(shù)為2.735～2.869，平均值為2.824；粉砂分形維數(shù)為2.915～2.947，平均值為2.925；砂粒分形維數(shù)為2.393～2.758，平均值為2.607。從數(shù)值上看，粒度＞63 μm的沉積物分形維數(shù)值波動較大。在豐水期和枯水期粒度處于中間值的粉砂的分形維數(shù)值波動都比較小，說明河流沉積物中粉砂的結(jié)構(gòu)特征相對穩(wěn)定，并且由于河流干流全長僅為36.2 km，沉積物搬運距離較短，外動力對其物質(zhì)粒度組成的改變相對較小，從而使其在很大程度上仍然保持著源區(qū)物質(zhì)分選較差的特征，分形維數(shù)較大，接近3。

由于沉積物物質(zhì)來源和搬運方式的不同，在不同的沉積環(huán)境中沉積物粒度分布特征表現(xiàn)各異，寶象河沉積物表現(xiàn)出來的環(huán)境特征體現(xiàn)了區(qū)域差異。寶象河流域內(nèi)不同土地利用類型相對集中，在上游區(qū)域植被覆蓋度高，人類活動少，河道環(huán)境和徑流特征都接近于天然狀態(tài)；在中游區(qū)域，用地類型以農(nóng)業(yè)用地為主，河道平緩，水流較慢；下游河道進入昆明主城區(qū)，河道周圍以城市建筑為主，河道硬化，匯水面集中?？傮w而言，寶象河流域作為典型的山地農(nóng)業(yè)-城市混合型流域，其特有的環(huán)境特征導致沉積物粒度集中分布在粉砂范圍內(nèi)，且結(jié)構(gòu)特征穩(wěn)定，外動力對其物質(zhì)的粒度組成的改變相對較??；沉積物物源單一，無未經(jīng)改造就進入沉積環(huán)境的其他物質(zhì)，表明流域內(nèi)土地利用/覆被變化（LUCC）和土壤侵蝕現(xiàn)象不明顯，這與實地觀察到的現(xiàn)象一致；河流水動力特征較弱，處于低能環(huán)境，特別是下游區(qū)域因河道硬化減小沉積物輸移落差，流水搬運作用不強。

2.3 沉積物中元素分布及風化特征分析

地球化學元素分布規(guī)律的研究是揭示元素礦化富集及空間變化規(guī)律的重要途徑之一［31］。利用地球化學方法對寶象河沉積物中的元素進行地球化學特征分析，以更好地掌握該流域地表的化學元素組成、分布和演化特征。對沉積物中微量元素進行分析發(fā)現(xiàn)，沉積物中Zn，Cu，Ni，Pb，Cr的總含量分別為57.25～697.5，53.25～262.5，37.75～75.25，8.5～171.5，58.75～148 mg/kg；含量均值分別為（218.44±130.38）mg/kg，（138.91±67.86）mg/kg，（54.71±11.57）mg/kg，（58.56±31.95）mg/kg，（101.16±23.38）mg/kg；對比云南省 A 層土壤重金屬元素背景值［32］的幾何平均值（Zn，Cu，Ni，Pb，Cr分別為80.5，33.6，33.4，36，57.6 mg/kg）可以發(fā)現(xiàn)，寶象河沉積物重金屬的平均含量值分別是區(qū)域背景值的 2.71，4.13，1.64，1.63和1.76倍，其中Cu元素含量與背景值的比值遠高于其他幾種微量元素。對于造成Cu元素富集現(xiàn)象的原因探討見文獻［33］。

對寶象河水體沉積物樣品中的主量元素進行分析發(fā)現(xiàn)，表層沉積物中SiO2含量變化范圍為32.87%～65.80%，Al2O3含量變化范圍為11.14%～19.52%，F(xiàn)e2O3含量變化范圍為5.80%～20.12%，MgO含量變化范圍為1.20%～2.87%，CaO含量變化范圍為0.78%～14.35%，Na2O含量變化范圍為0.56%～1.36%，K2O含量變化范圍為0.82%～2.36%，由于SiO2主要賦存于粗粒組分中，而Al2O3則是細粒級黏土礦物的特征組分，所以在以粉砂為主的寶象河中，SiO2含量占據(jù)一定的優(yōu)勢地位。以上幾種主量元素變異系數(shù)分別為18%，17%，41%，24%，78%，30%和30%。從數(shù)值可以看出，SiO2含量較高，是因為地帶性土壤黃壤的母巖風化程度較低［34］，但很快分解和崩解為最終產(chǎn)物；CaO的平均值波動的幅度比例相對最大，這可能與該區(qū)域地處北亞熱帶、化學風化較強、沉積物中Ca易風化并隨水遷移速度過快有關(guān)。

CIA最早被用來反映源區(qū)風化程度［35］。通過沉積物的風化指數(shù)值來定量和定性分析寶象河流域沉積物的風化特征可知，寶象河沉積物的CIA值大部分為65～85，反映溫暖、濕潤條件下沉積物中等的化學風化程度［36］，而部分采樣點的CIA值大于85，為85～100，反映了炎熱、潮濕的熱帶亞熱帶條件下沉積物的強烈化學風化程度。兩個等級的CIA值較好地詮釋了昆明北亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)干、濕兩季分明的氣候特征下巖石所經(jīng)歷的風化情況。

2.4 沉積物粒度分形維數(shù)與元素的相關(guān)性分析

粒度分形維數(shù)作為粒度參數(shù)中重要的補充，探討它與沉積物中常微量元素之間的關(guān)系，有助于更好地了解沉積環(huán)境與河流水動力對沉積物的影響。通過對寶象河沉積物的粒徑分形維數(shù)與沉積物中各元素進行相關(guān)性分析（表3）可以發(fā)現(xiàn)，眾多元素中只有Ca和粉砂的分形維數(shù)之間在0.05層上顯著相關(guān)，說明寶象河沉積物的粒度分形結(jié)構(gòu)和地化元素之間幾乎沒有直接的關(guān)系。由于不同的化學元素由不同的地球化學性質(zhì)所決定，因此與粒徑之間的相關(guān)性不明顯，這與王兆奪等［37］對泉州灣表層沉積物粒度分形特征與沉積學關(guān)系研究結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

通過對寶象河沉積物的粒度和地化元素進行分析可知，寶象河沉積物機械組成以黏土質(zhì)粉砂、粉砂和砂質(zhì)粉砂為主，平均百分含量為74.22%，整條河流中沉積物受到的水動力條件變化不明顯，物源單一，無未經(jīng)改造就進入沉積環(huán)境的其他物質(zhì)，表明流域內(nèi)水土流失現(xiàn)象不明顯，河流水動力特征較弱，處于低能環(huán)境，流水搬運作用不強，整體符合城市河流的水動力特征。粒徑分形維數(shù)值為2.007～2.947，其結(jié)構(gòu)特征均滿足自相似性的特點，其中粉砂的分形維數(shù)值波動最小，其他粒度參數(shù)也反映了寶象河沉積物以細粒物質(zhì)為主的沉積學特點。對沉積物中的元素進行地球化學特征分析發(fā)現(xiàn)，Zn，Cu，Ni，Pb，Cr的總含量分別為57.25～697.5，53.25～262.5，37.75～75.25，8.5～171.5，58.75～148 mg/kg，其平均含量值分別是區(qū)域背景值的 2.71，4.13，1.64，1.63，1.76倍；主量元素SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，MgO，CaO，Na2O和K2O的含量變化范圍分別為32.87%～65.80%，11.14%～19.52%，5.80%～20.12%，1.20%～2.87%，0.78%～14.35%，0.56%～1.36%和0.82%～2.36%，SiO2含量占優(yōu)勢，表明地帶性土壤黃壤的母巖風化程度較低，最終產(chǎn)物帶有較多原巖基本性質(zhì)；沉積物的風化指數(shù)CIA值大部分為65～85，部分為85～100，與昆明北亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)干、濕兩季分明的氣候特征下的巖石風化特征相符。將沉積物粒度分形維數(shù)與各元素進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，粒度的分形維數(shù)與地球化學元素之間沒有明顯的相關(guān)性。

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（編輯：舒忠磊）

Grain size and element geochemical characteristics of surface sediments in Baoxiang River of Dianchi Lake

XIAO Dongdong1，SU Bin2

（1.Kaili University，Kaili 556011，China； 2.Faculty of Geography，Yunnan Normal University，Kunming 650500，China）

Abstract：

In order to reveal the grain size and elemental geochemical characteristics of surface sediments in the Baoxiang River，which is a river that flows into the Dianchi Lake，20 surface sediments were collected from the mainstream and tributaries of Baoxiang River during the dry and rainy seasons.The particle sizes test and geochemical elements test were carried out by Malvern Mastersizer 2000 laser particle size analyzer and X-ray fluorescence spectrometer respectively.The results showed that the surface sediments of Baoxiang River were mainly clay silt，silty sand and sandy silt，accounting for 74.22% of the total.The fractal dimension of particle sizes were between 2.007 and 2.947，in which the fractal dimension of silt fluctuates the least.Particle size parameters reflected the Baoxiang River were dominated by fine grained matter，with single source and mainly suspended mass transport，which also reflected the weak hydrodynamic characteristics of the urban river.Geochemical analyzed of elements in sediments showed that the average content of Zn，Cu，Ni，Pb and Cr were 2.71，4.13，1.64，1.63 and 1.76 times of the regional background value，respectively，and the ratio of Cu was much higher than that of other.The weathering index CIA values of the sediments were between 65 ～ 85 and 85 ～ 100，which indicated the weathering conditions of the rocks in the Baoxiang River basin under the distinct climatic characteristics of dry and wet seasons in the North subtropical humid monsoon climate region.

Key words：

sediment； granularity； element geochemical characteristic； Baoxiang River Basin； Dianchi Lake