水利工程对南四湖现代沉积速率的影响

　　摘要:利用放射性同位素(137Cs、210Pb)测年法计算山东省南四湖的沉积速率，采用高纯锗γ谱仪(美国EG＆GOＲTEC公司)对南四湖上级湖、下级湖的沉积岩柱(DS2和WS2)样品进行137Cs、210Pb放射性活度测试，分析水利工程建设对湖泊沉积影响的程度与后果．结果表明:上级湖、下级湖137Cs总蓄积量之比为9.7，说明在二级坝水利工程影响下，流域内侵蚀泥沙及其所吸附的137Cs主要沉积于上级湖;137Cs在湖泊沉积物中的剖面分布与137Cs大气沉降时序的分布模式相背离，故137Cs蓄积峰不具备时标意义．利用210Pb计年的CＲS(恒定补给速率)模式分析2个沉积岩柱不同质量深度所对应的年代，结果显示，150多年来南四湖上级湖、下级湖的沉积速率不稳定，以1960年为界划分为两大时段:沉积岩柱底部所对应的年代至1960年，上级湖、下级湖沉积速率平均值分别为0.069、0.160g?(cm2·a);1960—2010年，二者沉积速率平均值分别为0.218、0.072g?(cm2·a)．可见，二级坝水利工程对南四湖沉积速率产生了重要影响，210Pb计年的CＲS模式分析结果可靠．

　　关键词:水利工程;沉积速率;137Cs、210Pb计年;南四湖

　　湖泊沉积物是流域环境的天然档案馆，它能连续、完整地记录流域自然环境变化及人类活动信息，在研究全球变化与区域响应方面具有不可替代的优势．近百年来，人类活动的范围、强度不断扩大和增强，尤其是修筑堤、坝等水利工程，改变了湖泊原有的水动力环境，这势必会影响到泥沙的搬运和沉积过程，使沉积特征发生改变．要反演全球和区域的近代自然环境变化，提取人类活动信息，必须以精确的定年为基础，确定沉积物的沉积年代，建立高精度的现代湖泊沉积序列．放射性同位素(137Cs、210Pb等)测年法具有时间尺度短、测年精度高等特点，被广泛应用于湖泊、水库、河口、沼泽、海洋、海湾等近现代沉积物的研究．南四湖是我国十大淡水湖之一，在工农业用水、水产养殖、防洪、航运等方面作用巨大，同时也是我国南水北调东线工程的重要调蓄湖泊．为了合理开发利用南四湖资源，前人做了大量研究工作，取得了一系列成果．文献对南四湖各湖泊及整个南四湖的形成时代及成因做了研究;沈吉等根据沉积岩心色素指标特征、有机碳氮比值和有机碳同位素特征分析，初步确定了南四湖的成湖时代;武周虎等利用平均综合污染指数法筛选出17条重污染河流，并指出这些河流与南四湖中ρ(TN)、ρ(TP)的关系;高学平等则利用主成分分析法研究了泗河等15条主要入湖河流对南四湖水质造成的影响，并以ρ(DO)、ρ(CODCr)、ρ(CODMn)、ρ(BOD5)等作为评价指标对湖区污染状况进行了评价;王元军通过典型样地调查，应用二元属性数据和数量数据对南四湖沉水植物的β多样性与生境之间的关系进行了研究．然而目前鲜见关于人类活动(尤其是水利工程)产生的湖泊沉积环境效应的研究．1960年，南四湖堤、坝等水利工程建成使用后，改变了其原有的沉积环境，使自然湖泊成为受人工调控的水库型湖泊．该研究以放射性同位素(137Cs、210Pb)测年为基础，结合水利工程建成使用的时间，探讨137Cs、210Pb计年方法在浅水湖泊中的适用性;确定南四湖沉积物的沉积年代，计算沉积速率;分析水利工程建设对湖泊影响的程度与后果，以期为南四湖的合理开发利用与保护提供理论依据．

　　1、研究区概况

　　南四湖(34°27'N～35°20'N、116°34'E～117°21'E)地处沂蒙山地丘陵区及津浦铁路西侧，位于山东省西南部的济宁市微山县，湖形狭长，呈东南—西北向延伸．该湖由南阳、独山、昭阳、微山4个湖区组成，湖长约125km，宽5～25km，湖盆地势北高南低，是华北地区面积最大的浅水淡水草型湖泊．入湖河流53条，河流流域面积超过500km2的有12条．湖东为山洪河道，源短流急;湖西为平原坡水河道，集流入湖缓慢;出湖河道为位于南四湖南部的韩庄运河、伊家河、老运河及不牢河等．南四湖流域位于暖温带季风气候区，多年平均降水量为773.6mm，年均日照时数为2515.5h，年均气温为13.8℃(湖内年均气温为14.3℃)．

　　1960年建成使用的二级坝将南四湖一分为二．北部为上级湖，包括南阳、独山及部分昭阳湖;南部为下级湖，包括微山湖及部分昭阳湖，洪水通过节制闸由上级湖下泄到下级湖，再通过下级湖南端的韩庄水利枢纽等出口流出．南四湖的基本水文特征．

　　2、材料与方法

　　2.1样品采集

　　于2010年5月，分别在南四湖二级坝两侧的下级湖和上级湖的湖心处，使用奥地利Corer-60重力采样器(采样管内径为8.3cm)采得未受扰动的沉积岩柱WS2(34°38'61″N、117°11'47″E，水深185cm处，沉积岩柱长37cm)及DS2(35°05'09″N、116°47'20″E，水深298cm处，沉积岩柱长39cm)各1根，带回实验室分样，样品按0.5～1.0cm的间距切割，称其湿质量．然后使用恒温鼓风干燥箱(60℃)烘干样品，冷却、称量、研磨、过0.147mm筛．称取10g左右样品放入塑料容器内，用蜡封口，放置21d使226Ｒa与210Pb处于永久衰变平衡状态，然后进行同位素的γ-射线测试．

　　2.2样品测试

　　样品的γ-射线测试在南京师范大学地理科学学院江苏省环境演变与生态建设重点实验室进行，放射性核素210Pb、226Ｒa、137Cs的比活度采用美国EG＆GOＲTEC公司生产的高纯锗P形探测器、数字化谱仪及多通道分析系统测定;210Pbex(过剩210Pb)的比活度为210Pbt（总210Pb)与226Ｒa比活度的差值．2.3137Cs和210Pb测年方法原理137Cs是随着大气层热核试验而产生的一类人工放射性核素，而210Pb为天然放射性Pb的同位素，是238U系列中226Ｒa衰变中间产物222Ｒn的α衰变子体，将二者结合起来应用于近现代沉积物计年，进而确定湖泊等水体泥沙的沉积速率．计年原理见文献通过分析沉积物柱芯中210Pbex的比活度，可计算该层节的沉积年龄，并计算出沉积速率．210Pbex计年的常用模式有2种:①CIC(常量初始浓度)模式，适合于含侵蚀来源210Pbex的水环境系统;②CＲS(恒定补给速率)模式，适用于210Pbex输入通量保持恒定，沉积物堆积速率可能随时间变化的条件．在计算沉积速率时，为减小压实效应带来的误差，使计年结果更精确，该研究以沉积物的质量深度(即单位面积沉积物的质量，g?cm2)代替沉积物的实际厚度．

　　3、结果与讨论

　　3.1137Cs垂直分布与计年

　　137Cs比活度在沉积岩柱中的分布特征．沉积岩柱中137Cs、210Pbex的比活度与质量深度之间的关系可知，总体上WS2和DS2的137Cs比活度均不高，蓄积峰均未超过25.0Bq?kg，与长江中下游湖泊沉积物中137Cs的蓄积峰相似．WS2中大部分137Cs断续分布在质量深度为6.65g?cm2以上层位，蓄积峰出现在质量深度为0.48g?cm2处，该处137Cs比活度为(4.7±1.6)Bq?kg．在质量深度为18.36g?cm2处最先检出137Cs，其比活度仅为(1.7±0.9)Bq?kg;由该处向上到质量深度为6.65g?cm2处，137Cs均低于检出限．DS2中137Cs主要分布在质量深度为6.96g?cm2〔137Cs比活度为(1.4±1.2)Bq?kg〕以上层位，蓄积峰出现在质量深度为3.45g?cm2处，比活度为(23.9±1.4)Bq?kg，其以上层位137Cs比活度有所降低，至沉积岩柱表层时降至(14.9±1.4)Bq?kg;但在质量深度14.64g?cm2处也检测到137Cs，其比活度为(2.3±1.0)Bq?kg，该处以上层位直至质量深度为7.6g?cm2处，137Cs比活度均低于检出限．WS2、DS2中137Cs总沉降量分别为(87.9±60.4)、(850±146.7)Bq?m2．WS2、DS2的137Cs剖面分布均与全球公认的剖面分布模式相背离，其随时间的变化规律与北半球大气中137Cs的沉降时序并不相吻合，137Cs在沉积物中达到蓄积峰后，向上并没有降低，反而呈向表层聚集趋势，而且在剖面中最先检测到137Cs的层位(经210Pb计年验证)对应的时间要远早于137Cs的初始降落时间，这在其他湖泊的研究中也出现过类似现象，可见，单独使用137Cs计年法难以确定沉积物的年代．

　　南四湖沉积岩柱中137Cs出现该分布状态的可能原因:①137Cs的半衰期为30.17a，经过近50多年的自然衰变，导致137Cs的1954年时标失效、1964年的137Cs比活度降低．②受到生物扰动和机械扰动．南四湖是一大型淡水草型浅水湖泊，湖中布满水生植物，其死亡残体转化成的有机质主要集中于沉积物上部，由于137Cs易被有机质吸附，导致137Cs向表层集聚;南四湖水较浅，底栖生物活动、风浪、船舶行驶等均会对沉积物产生机械扰动，使137Cs发生沉积混合．③湖泊沉积物中蓄积的137Cs部分来自流域内土壤侵蚀的延迟输入，如某年份通过大气沉降到流域土壤表面的137Cs被土壤颗粒吸附，当年并不能全部随土壤侵蚀进入到湖泊沉积物中，剩余部分会随其后不同年份的土壤侵蚀过程进入湖泊，并蓄积在相应发生侵蚀年份的沉积层位中，故相对于某年份的大气沉降蓄积在沉积物中的137Cs具有一定滞后性．因为137Cs时标法的建立是基于137Cs主要来自大气沉降这一前提，所以在土壤侵蚀输入影响下，沉积岩柱中137Cs的剖面分布背离于大气历史沉降时序，其蓄积峰不具有时标意义．2个沉积岩柱中137Cs总蓄积量的对比可以说明该问题．2个沉积岩柱位于同一区域，其137Cs的大气沉降量应该基本相近，若排除流域土壤侵蚀输入的影响，二者137Cs的剖面形态及蓄积量也相近，但137Cs的分布及总蓄积量对比结果表明，DS2中蓄积的137Cs比活度蓄积峰及其总蓄积量均高于WS2，二者137Cs蓄积峰之比为5.09，总蓄积量之比则为9.7，推断可能是由于二级坝建成后，使得南四湖上级湖、下级湖的流域面积与湖泊面积之比分别为44.74、5.30，而相近区域内该比值越大，137Cs的总蓄积量就越大，峰值越明显，反之则相反．因此，上级湖137Cs的总蓄积量较大，下级湖则较小．2个沉积岩柱137Cs总蓄积量的差值同时也表明了DS2中137Cs随流域土壤侵蚀的输入量远大于大气直接沉降量，导致137Cs蓄积峰的蓄积年代与大气沉降峰的沉降年代不对应;而对于WS2，由于流域面积较小，137Cs比活度绝对值也较小，其受流域土壤侵蚀过程中137Cs输入量的影响可能更加明显，致使WS2中出现的137Cs蓄积峰的蓄积年代也不能简单地对应于大气137Cs沉降峰的沉降年代．

　　因此，南四湖流域土壤侵蚀过程中137Cs的输入量是导致2个沉积岩柱中137Cs峰值失去时标意义的最重要原因．可见，单独使用137Cs时标法难以确定沉积物的沉积年代，需要与其他断代方法相结合来进行．

　　3.2垂直分布与210Pbex计年

　　南四湖2个沉积岩柱表层中210Pbex的比活度分布出现异常，比活度自表层向下并未呈指数递减，反而有所升高，这可能与沉积物表层的混合作用及222Ｒn的丢失有关．WS2表层210Pbex的比活度为(266±34)Bq?kg，向下至质量深度为0.63g?cm2处达到最高值，为(880±354)Bq?kg;而DS2表层210Pbex的比活度为(255±17)Bq?kg，向下至质量深度为1.62g?cm2处达到最高值，为(302±23)Bq?kg．2个沉积岩柱中210Pbex的比活度达到最高值后，向下分别呈锯齿状递减，说明沉积速率出现波动，适于采用210Pb计年的CＲS模式计算2个沉积岩柱各层节沉积物的沉积年代．

　　根据210Pb计年的CＲS模式分别计算2个沉积岩柱各层节沉积物的年代和沉积速率，并绘制沉积速率-年代关系曲线．