乌拉特灌域地下水水化学离子特征评价及来源分析

2020-05-25袁宏颖杨树青丁雪华杨新民

节水灌溉 2020年2期

袁宏颖，杨树青，丁雪华，杨新民，王波

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.乌拉特灌域管理局，内蒙古巴彦淖尔 014400)

地下水既是生态环境的重要组成部分，也是影响生态环境的重要因素[1]，对人类生产活动、社会经济发展极为重要[2]，因其具有分布广、水质好、不易被污染等优势，在农业灌溉以及生活用水等方面被广泛利用[3]。同时，地下水作为大气圈、岩石圈物质能量交换的纽带，对于生态环境具有支撑作用[4]，但地下水存在环境复杂，污染后治理极为困难[5]。

地下水化学特征作为地下水环境质量评价的重要组成部分，是外界环境与地下水长期相互作用形成的[6,7]，既能用于阐明地下水起源，又能为开发利用和管理地下水资源提供依据[8,9]。对于合理利用及科学管理地下水具有极其重要的意义。地下水化学组成不仅受地形条件、地质地貌的影响，人类活动及气候条件也会使其含量发生巨大的变化。目前，地下水化学特征研究已成为学界讨论的热点，国内外研究者主要大多采用统计分析、Durov图或同位素示踪、离子比例系数等方法[10-12]，对流域[13-16]、城市[17-19]、矿区[20-22]等不同地区地下水化学特征进行研究，本文以地处中国北方半干旱地区且土壤盐渍化极其严重的乌拉特灌域为研究对象，从地下水化学的角度综合探讨盐渍化灌区农田地下水组成、分布及来源，为半干旱地区大型灌区地下水环境保护、地下水污染治理、地下水环境风险预警、地下水资源合理开发利用、保证农作物产量及当地居民用水安全提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

乌拉特灌域(40°27′39″E～41°10′15″E，108°06′12″N～109°39′43″N)位于内蒙古西部，河套灌区最东端，总控制面积约4 400 km2。南部有黄河流过，东北部与乌梁素海相毗邻，东南方向有乌拉山隆起并绵延向西，灌域坡降平缓，总体呈西高东低、南高北低走势。

灌域属典型的温带大陆性气候，降雨少而蒸发大，年平均降雨量约为270 mm，年平均蒸发量约为2 380 mm，气温7.9 ℃，风速6.64 m/s，日照时数3 187 h[23,24]。

灌域地处平原地带，主要以农业为主，有少量畜牧业和小型工业，其主要作物有玉米、葵花、西葫芦、枸杞等，是我国重要粮食产地之一。

1.2 采样及测定

图1 研究区地理位置及地下水采样点Fig.1 Geographic location of the study area and distribution of the groundwater sampling sites

表1 乌拉特灌域地下水测定项目及方法Tab.1 The measurement items and methods of Wulate irrigation groundwater

测定项目测定方法pH玻璃电极法Ca2+、SO2-4及Mg2+EDTA滴定法HCO-3、CO2-3酸滴定法Cl-硝酸银滴定法Na+、K+火焰原子吸收分光光度法

1.3 研究方法

Piper三线图由Pipre于1944年提出，是目前较为常用的将水化学成分进行分类的方法，可以简单直观的判断地下水化学组成及分布，体现其化学组成特征从而确定其控制单元。三线图由两个等腰三角形和一个菱形组成，下方三角形分别代表阴、阳离子的每升毫克当量的百分数，上方菱形里的点是由下方两三角形内溶解物质的相对浓度平行于三角形的边作射线的交点，可以反映地下水阴、阳离子的相对成分及总化学性质，同时判断其主要水化学类型组成。

20世纪50年代从前苏联引进的舒卡列夫分类法，可以清楚地反映其水化学组成类型，它主要根据矿化度和6种主要离子浓度进行划分，将毫克当量大于25%的离子进行组合，共分成49种类型，又根据矿化度大小分为A(<1.5 g/L)、B(1.5～10 g/L)、C(10～40 g/L)、D(>40g/L)4种类型。本文运用该方法与上述piper三线图相结合，判断研究区地下水主要水化学组成类型。

综合危害系数法是综合利用全盐量和钠吸附比两个参数，评价地下水质的方法，可以全面反应盐害、碱害，计算公式如下：

K=12.4M+SAR

(1)

(2)

式中：K为综合危害系数，无量纲；M为全盐量，g/L；SAR为钠吸附比，无量纲。

按综合危害系数大小将水质分为灌溉效果较好的一、二级水和灌溉效果较差的三、四级水，评价标准如表2所示。

表2 综合危害系数法评价标准Tab.2 Evaluation standard of comprehensive hazard coefficient

Pearson相关系数可用来衡量两个变量集合间的线性关系，相关系数的绝对值越大，相关性越强；相关系数的绝对值越接近于0，相关性越小；相关系数越接近于1，二者变化情况越一致。对乌拉特灌域地下水进行相关性分析，可以由此判断各离子的来源的一致性与差异性[22]。

2 结果与讨论

2.1 含量特征

表3 乌拉特灌域地下水化学特征值分析

注：①标准值为《中华人民共和国农田灌溉水质标准(GB5084-2005)》。

2.2 空间分布规律

利用ArcGIS10.3以地统计学克里格插值绘制乌拉特灌域地下水pH、TDS空间分布图，结果显示，乌拉特灌域地下水总体显碱性，整体呈现塔布沙拉村以东高于塔布沙拉村以西的状况，局部区域呈现斑点状高值区，芦官壕村和红卫村附近地下水pH最高，主要原因是人类活动的空间差异导致其pH出现非稳态的空间分布[26](图2)。

图2 乌拉特灌域地下水pH分布特征情况Fig.2 Wulate irrigation groundwater pH distribution

TDS呈阶梯状分布，由西向东北、东南方向递减，高值区主要分布在西部的东土城村和乃马岱村附近，塔布沙拉村周围地区次之，灌域东北角红卫村周围稍低，中部庆华村至灌域东北角及灌域东部新民村往东至边界最低，整体看来，乌拉特灌域地下水TDS空间变异性明显且差距较大(图3)。主要原因一方面是由于夏季干旱炎热、蒸发强烈，在毛细作用下，水化学组分不断向地表运移并在土壤中富积，而乌拉特灌域的主要引水渠在乃马岱村附近相汇，由于渠道渗漏淋洗土壤中化学组分进入地下水，使该地区TDS明显高于其他地区。另一方面，有研究表明[27]，灌域东南部属于乌拉山隆起的构造侵染聚集带，而东北部属于地下水流动极其缓慢的滞留聚集区，前者地下水受断裂构造涌出的深层盐卤水影响，TDS值总体高于滞留聚集区，这也与本研究结果较为一致。

图3 乌拉特灌域地下水TDS分布特征情况Fig.3 Wulate irrigation groundwater TDS distribution

2.3 水化学组成类型及评价

图4 乌拉特灌域地下水主要离子piper图Fig.4 Piper diagram of Wulate irrigation groundwater

表4 乌拉特灌域地下水化学类型舒卡列夫分类结果Tab.4 Shukalev classification results of groundwater chemical type in Wulate irrigation

Piper三线图相较于舒卡列夫分类法反映的信息更多，且分区细致，可直观反映水化学类型的组成结构，但判别受人为主观影响较大，而舒卡列夫分类法可弥补其缺陷，二者结合使用可迅速直观地对地下水化学类型进行分类。

经评价，乌拉特灌域地下水综合危害系数最大值为328.76，最小值为14.73，均值77.88，属于四级水质的取样点占比高达75%，且其中78%为低钠水(Na+占阳离子的毫克当量百分数小于70%)，此类水用于灌溉可能导致土壤盐化，22%为高钠水，用于灌溉可能导致土壤碱化，四级水的综合危害系数低的可用于点种，高者则不宜用于灌溉。其余一、二、三级水均为低钠水，一级水适合用于灌溉，二、三级水易导致土壤盐碱化，故应该适量灌溉(表5)。通过以上分析并结合地理位置可知，乌拉特灌域除根厂村、庆华村及树林子乡外，其他地下水用于灌溉时，应适当控制地下水灌溉用量，以防土壤盐、碱化加重。

表5 综合危害系数法水质评价结果Tab.5 Water quality evaluation result of Comprehensive hazard coefficient

2.4 来源分析及因素探究

图5 乌拉特灌域地下水化学Gibbs图分析结果Fig.5 Gibbs diagram of Wulate irrigation groundwater

表6 乌拉特灌域地下水TDS与主要离子相关性分析Tab.6 Correlation analysis of TDS and characteristic Ions of groundwater in Wulate irrigation

离子pHHCO2-3Cl-SO2-4Ca2+Mg2+K++Na+全盐量TDSpH1.0000.142-0.107-0.169-0.391∗-0.142-0.009-0.079-0.059HCO2-31.0000.374∗0.466∗∗0.0330.453∗∗0.543∗∗0.578∗∗0.416∗∗Cl-1.0000.724∗∗0.397∗0.760∗∗0.935∗∗0.956∗∗0.937∗∗SO2-41.0000.3050.708∗∗0.807∗∗0.854∗∗0.701∗∗Ca2+1.0000.474∗∗0.1590.342∗0.461∗∗Mg2+1.0000.652∗∗0.782∗∗0.783∗∗K++Na+1.0000.974∗∗0.862∗∗全盐量1.0000.911∗∗TDS1.000

注：**在0.01水平(双侧)上显著相关；*在0.05水平(双侧)上显著相关。

图6 离子比例系数图Fig.6 The ions ratio diagram

Gibbs图可判别地下水化学组分主要影响因素，相关分析可确定不同化学组分来源的一致性，离子比例系数可判定蒸发岩的溶解对水化学组成的作用[29]，本文综合运用以上3种方法，对乌拉特灌域地下水化学组分的主要来源进行详细探究，结果表明，乌拉特灌域地下水化学组分主要受蒸发作用和人类活动影响，由于地下水流动缓慢，随着TDS及pH值的变化，各离子间不断发生反应产生沉淀同时与土壤中的离子成分进行交换，Ca2+、Mg2+等难溶组分先沉淀，导致Na+、Cl-等易溶组分浓度升高。