沉积物是河流系统的重要组成部分，表层沉积物是河床底质在一定的水动力条件下长期作用而形成的^[1]，通过研究沉积物的粒度参数可以用来识别不同的沉积环境类型^[2]，追溯过去发生的自然事件或人类活动^[3]，对沉积物的物源及成因进行识别^[4]。随着人类活动范围和强度的扩展，河流污染程度加剧，受污染的河水经过沉降、吸附等作用，污染物质积聚在沉积物中，使其成为二次污染源^[5]。滦河流域地处华北平原，人口密集，工业发达，多环芳烃^[6]及重金属^[7]污染具有很高的生态风险。水体中的污染物极易吸附在表层沉积物上^[8]，且主要集中在1 mm粒径以下的沉积物中^[9]，浓度与沉积物粒径具有一定相关性，多环芳烃与重金属在沉积物中的含量与沉积物某一组分含量呈显著正相关关系^[10,11]，或者其浓度峰值出现在砂级以下某一粒径区间的沉积物中^[12]。普遍的规律是沉积物粒径越小，其比表面积越大，吸附能力就越强，包含污染物质越多^[13]。不同区域沉积物的粒度参数分布有其特有规律，其空间分布规律是由所处沉积环境的水动力条件、介质运移机制等诸多因素形成的，同时这些因素又受人类活动的影响^[14]。河流上的水利设施阻断了自然河流水沙迁移变化，进而改变了河流沉积物的组成^[15]及分布^[16]。水库长期蓄水会减少下游区域水沙输入，造成河床侵蚀^[17]，也会导致表层沉积物的粒度粗化^[18]，三峡水库在蓄水后，改变了下泄的水沙条件及泥沙输移特性，引起大坝下游河流表层沉积物粒度特性发生改变^[19]，随着三峡水库的建成和蓄水运行，造成下游输沙量减小，下游河床出现严重侵蚀，沉积物粒径明显粗化^[20]。沉积物粒度参数具有时空变化特征，通过研究某一河流的沉积物粒度的空间分布规律，可以解析出河流水沙迁移及河道变化过程^[21]。

流域尺度下对于河流沉积物相关的研究重点关注在河流^[20]、湖泊^[22]或近海生态单元^[23]的沉积物粒度时空分布上。本文以滦河流域为研究区，拟研究滦河干流与主要支流河流表层沉积物中粒度在2 mm以下的砂、黏土组分的空间分布规律及其成因，并分析大中型水库对沉积物粒度的影响，为滦河流域河道生态修复方案制定和水库合理调度提供科学依据和技术支持。 1 采样与分析方法 1.1 研究区域概况

滦河流域位于华北平原东北部，是海河流域四大子流域之一，位于东经115°30′~119°45′，北纬39°10′~42°40′，发源于河北省丰宁县巴颜图古尔山麓，流入内蒙古自治区称为闪电河，纳吐力根河后称大滦河，在郭家屯与小滦河汇合后称滦河，经承德地区进入冀东平原，在乐亭县流入渤海，全长885 km，流域面积44 600km²。其中，山区面积43 940km²，平原面积810km²（图 1）。滦河水量充沛，支流众多，由上至下大的支流有小滦河、兴州河、伊逊河、蚂蚁吐河、武烈河、老牛河、柳河、瀑河、潵河、青龙河等，在整个海河流域中，滦河流域人为污染干扰较小，是下游经济发达地区的重要水源地（引滦入津工程）。滦河流域水库闸坝等人工水利设施较多，上游有闪电河水库、双山水库、庙宫水库等，中下游建有潘家口水库、大黑汀水库、桃林口水库等大型水库，此3座水库控制了流域面积的90%。

图 1 滦河流域采样点位置分布 Figure 1 Location of sampling sites within the Luanhe River Basin

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根据滦河水量及水利设施情况，2013年8月在滦河流域设置25个采样点，如图 1所示，点位高程即经纬度如表 1所示。其中在干流设置15个采样点，L1-L7为上游，L8~L12为中游，L13-L15为下游，在小滦河（XL）、伊逊河（YX1、YX2和YX3）、武烈河（WL）、老牛河（LN）、柳河（LH）、青龙河（QL1、QL2和QL3）等6条支流设置10个采样点，小滦河位于上游，伊逊河、武烈河和老牛河位于中游，柳河和青龙河位于下游。河流表层沉积物用抓泥斗采集，采样深度10 cm，在各个样点的离岸2~5 m区域采集3个平行沉积样，装入聚乙烯袋。

表 1 滦河干流与支流采样点基本信息 Table 1 Basic information of sampling points

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在实验室，将各个样点沉积物自然风干，将块状样品研磨至粉末状，过10目筛，舍弃砾级样品，取2 mm以下砂、黏土质样品，沉积物粒度参数采用激光粒度仪（Microtrac S3500）湿式测量法测定。主要测定平均粒径（Mz）、分选系数（σ1）、偏度系数（Skewness）和峰度系数（Kurtosis）参数，并计算水库坝下与坝上的平均粒径差（M=M_D-M_U，其中，M_D表示水库坝下平均粒径，M_U表示水库坝上平均粒径）。同时，根据沉积物粒度划分标准，将每个沉积物划分成黏土（0~0.004 mm）、粉砂（0.004~0.063 mm）和砂（0.063~2 mm）^[24]。数据利用Origin软件和SPSS进行作图和分析。 2 结果与讨论 2.1 滦河干流河流表层沉积物粒度参数空间分布规律

从滦河干流15个采样点河流表层沉积物粒度参数测定结果可以看出（图 2），滦河干流沉积物的分选性整体很差（分选系数：1.80~4.66）。15个采样点的沉积物粒度基本正偏（偏度系数：-0.20~0.57），中下游比上游更加正偏。中下游粒度峰态呈现出更尖锐的趋势（峰度系数：1.10~2.13）。

图 2 滦河干流各样点沉积物粒度参数 Figure 2 Surface sediments grain size parameters in Luan River

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中上游沉积物平均粒径变化较小且相对集中，下游有较大波动，其中L13和L15两点平均粒径明显变大（最高值在L13点为409.9 μm）（图 3）。滦河流域地貌变化与河流走向一致，由高原经山地过渡到平原，而流域地貌的变化是河流沉积物特征变化的一个自然影响因素，由此研究采样点海拔高度与河流走向的关系（图 4），通过线性回归（Pearson′s，r=-0.97）发现沿河向下样点海拔呈线性下降趋势，而平均粒径空间分布不规则的波动显示出地形环境不是滦河沉积物粒径变化的关键影响因子。

图 3 滦河干流沉积物平均粒径 Figure 3 Average particle size of surface sediments in Luan River

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图 4 沿河纵向各采样点海拔高度变化 Figure 4 Longitudinal altitude variation of all sampling points in Luan River

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利用SPSS软件进行回归分析，研究滦河中上游沉积物粒径变化规律并分析成因（图 5）。结果表明，上游河段沉积物平均粒径有增大趋势（最高值在L7点为225.3 μm），而中游河段逐渐变小（最低值在L12点为25.7 μm）。滦河上游闸坝众多，导致下游河水含沙量变小，造成河道沉积物粗化^[20]。Katie H和Costigan等^[15]对美国Ninnescah河200 km河段的11个表层沉积物进行研究，分析发现11个表层沉积物粒径出现了细化的趋势。从本文与Katie H等研究分别得出的沉积物粒径沿程细化方程可以看出（表 2），滦河流域水利设施相对较多，而上游水库是造成沉积物粒径波动的重要因素。 　　

图 5 滦河干流中上游沉积物平均粒径 Figure 5 Average particle size of surface sediments in upper and middle reaches of Luan River

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表 2 表层沉积物粒径沿程细化方程 Table 2 Downstream fining equation of surface sediment grain size

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为了较全面地反映出沉积物颗粒的组成变化，将其划分为黏土、粉砂和砂（图 6）。从L1到L9点黏土的含量几乎为0，下游地区有缓慢增长的趋势，但是整体含量较小，最高点出现在L14，也仅为5.5%，而粉砂和砂的含量占总体的比例近95%。其中砂的含量变化与平均粒径的变化趋势较为一致，上游地区砂的含量占优势，中游地区砂与粉砂含量相当，下游出现波动。其中上游地区的L4、L5和L7三个样点沉积物砂的含量几乎达到100%，这也说明了上游水库对沉积物组分的显著影响。

图 6 滦河河流表层沉积物组分变化 Figure 6 Composition distribution of surface sediments in Luan River

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比较滦河干流上中下游的沉积物粒度参数和沉积物组分（图 7和图 8），可以看出，滦河沉积物平均粒径从大到小为：下游（237.1 μm）>上游（153.3 μm）>中游（71.4 μm），上中下游差异显著（P＜0.05）；沉积物的分选性在上中下游都很差，上游和下游相对好于中游；沉积物粒度在上游正偏，中下游比上游更加正偏；沉积物粒度峰态从上中下游依次呈现出更尖锐的趋势；粘土含量在中下游都极低，分别为1.4％和1.8％，上游为0~0.4％；砂含量在上中下游差异显著，其中在中游含量最高（51.8％）；粉砂含量分别在中上游和中下游差异显著，上游（86.5％）>下游（72.3％）>中游（46.8％）。

图 7 滦河干流上中下游粒度参数对比 Figure 7 Surface sediments grain size parameters on the middle and lower reaches of Luan River

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图 8 滦河干流上中下游沉积物组分对比 Figure 8 Composition distribution of surface sediments on the middle and lower reaches of Luan River

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从6条主要支流沉积物粒度参数可以看出（图 9），滦河支流小滦河、伊逊河、武烈河、老牛河、柳河和青龙河的沉积物平均粒径依次呈先减后增的趋势，从小滦河的60.7 μm到武烈河下降最低为30.7 μm，再到青龙河达到最大为922.8 μm，6条支流按照从滦河上游到下游的顺序，沉积物平均粒径呈先减后增的趋势，其中下游的柳河和青龙河显著增大，整体分选性较差，下游两条河流分选稍好（分选系数：1.40~5.36），整体呈极正偏（偏度系数：0.22~0.57），峰态尖锐，而滦河下游两条支流峰度较为平坦（峰度系数：0.73~1.59）。

图 9 滦河主要支流沉积物粒度参数 Figure 9 Surface sediments grain size parameters in six tributaries

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从6条主要支流沉积物组分比例可以看出（图 10），砂组分变化与平均粒径一致，最低点出现在武烈河为12.1%，最高点在青龙河为98.1%，粉砂和黏土变化趋势与之相反，粉砂含量在武烈河达到最高点为84.3%，最低点在青龙河含量只有1.9%，而黏土只在中游的伊逊河、武烈河和老牛河出现，含量顺次升高，最大值为4.5%。从滦河流域支流上水库分布来看，这种变化很可能与闸坝的干扰作用有关。

图 10 滦河主要支流表层沉积物组分 Figure 10 Composition of surface sediments in six tributaries

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比较滦河支流上中下游的沉积物粒度参数和沉积物组分（图 11和图 12），可以看出，滦河沉积物平均粒径从大到小为：下游（531.1 μm）>上游（60.7 μm）>中游（42.4 μm），下游与中上游差异极显著（P＜0.01）；沉积物的分选性在上中下游都很差，下游相对好于中上游；沉积物粒度在上中下游都正偏；沉积物粒度峰态的尖锐程度从上中下游依次呈现出减小的趋势；粘土含量在中游较低，在上下游几乎为0；砂在中游含量最高，下游最低；粉砂含量变化规律与干流不同，下游（80.3％）>上游（39.8％）>中游（18.7％）。

图 11 滦河支流上中下游粒度参数对比 Figure 11 Surface sediments grain size parameters on the middle and lower reaches of six tributaries

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图 12 滦河支流上中下游沉积物组分对比 Figure 12 Composition distribution of surface sediments on the middle and lower reaches of six tributaries

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比较滦河干流与支流的沉积物粒度参数和沉积物组分（图 13和图 14），可以看出，滦河干流与支流沉积物平均粒径差异显著（P＜0.05），支流（208.2 μm）>干流（142.3 μm），支流高于干流31.9％；滦河干流与支流的沉积物的分选性都很差；沉积物粒度都正偏；粒度峰态都很尖锐。粘土含量在滦河干流和支流都较低，支流高于干流43.4％；砂含量在干流与支流差异显著，其中支流高于干流45.0％；粉砂含量在干流与支流差异显著，干流高于支流34.3％。

图 13 滦河干流与支流粒度参数对比 Figure 13 Surface sediments grain size parameters in six tributaries and Luan River

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图 14 滦河干流与支流沉积物组分对比 Figure 14 Composition of surface sediments in six tributaries and Luan River

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选取滦河中游支流伊逊河上的庙宫水库，滦河干流的潘家口和大黑汀水库，滦河下游支流青龙河上的桃林口水库等4个大型水库作为研究对象，其中潘家口水库与大黑汀水库地理位置相对较近而且在实际情况中联合调用，将其作为一个整体来考虑。从滦河流域三个大型水库坝上和坝下沉积物平均粒径与组分对比可以看出（图 15），庙宫水库、潘家口大黑汀水库及桃林口水库坝下沉积物平均粒径与沉积物组分均有增长趋势。潘家口大黑汀水库、桃林口水库和庙宫水库坝下沉积物平均粒径分别增大94.6%、50.5%和20.6%，平均粒径差值大小为：潘家口大黑汀水库（387.8 μm）>桃林口水库（99.3 μm）>庙宫水库（25.4 μm），水库库容与沉积物平均粒径变化呈正相关（图 16）。潘家口大黑汀水库坝上和坝下沉积物中黏土与粉砂的含量从3.6%、86.2%均降到0，而砂的含量骤增至100%，桃林口坝上和坝下沉积物中粉砂的含量由52.6%降到9.5%，砂从47.4%升至90.5%，庙宫水库坝上和坝下沉积物中黏土从0增至1.9%，粉砂与砂的变化不大。从三个大型水库相关参数可以看出（表 3），水库的存在是造成滦河流域河流沉积物粗化的关键因素，这种作用在建有大型水库的滦河流域中下游地区尤为明显，水库的干扰作用也是导致滦河下游地区沉积物平均粒径大幅波动变化的主要原因。

图 15 滦河流域三个大型水库上下游沉积物平均粒径与组分对比 Figure 15 Contrast of sediment Mz and composition between upstream and downstream of three reservoirs within Luanhe River Basin

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图 16 水库库容与平均粒径差值的相关性 Figure 16 The correlation of reservoir and difference between the average particle size

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表 3 滦河大型水库参数 Table 3 Parameters of main reservoirs within the Luanhe River Basin

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（1）滦河干流上游沉积物平均粒径分别与中游和下游差异显著，中游与下游差异较显著，下游（237.1 μm）>上游（153.3 μm）>中游（71.4 μm），显示出沉积物沿程粗化的空间分布规律；表层沉积物组分中粘土含量中下游分别为1.4％和1.8％，上游0~0.4％；砂含量在中游含量最高为51.8％；粉砂含量上游（86.5％）>下游（72.3％）>中游（46.8％）。

（2）滦河支流下游沉积物平均粒径与中上游差异极显著，下游（531.1 μm）>上游（60.7 μm）>中游（42.4 μm），沉积物沿程粗化；表层沉积物组分中的粘土和砂含量变化与滦河干流一致，粉砂含量变化规律与干流不同，下游（80.3％）>上游（39.8％）>中游（18.7％）。

（3）滦河干流与支流沉积物平均粒径差异显著，支流（208.2 μm）>干流（142.3 μm）；表层沉积物组分中粘土和砂含量支流高于干流，分别达43.4％和45.0％；粉砂含量干流高于支流34.3％。

（4）滦河流域三个大型水库坝下沉积物平均粒径均增大，平均粒径差值大小为：潘家口大黑汀水库（387.8 μm）>桃林口水库（99.3 μm）>庙宫水库（25.4 μm），水库规模与沉积物的粒径变化呈正相关，水库对表层沉积物组分、分选性、偏度和峰度影响显著。 4 管理建议

（1）水资源管理部门应加强对滦河干流和支流表层沉积物粒度的监测与分析；

（2）由于水库造成坝上和坝下河段物理形态和河流纵向完整性发生改变，应关注其潜在生态风险的定量化评估。