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“引大入秦”灌溉工程对甘肃秦王川盆地地下水化学组分的影响

2020-11-30吕晓立刘景涛韩占涛

农业工程学报 2020年2期
关键词:水化学溶解性秦王

吕晓立,刘景涛,韩占涛,朱 亮,陈 玺

“引大入秦”灌溉工程对甘肃秦王川盆地地下水化学组分的影响

吕晓立1,2,刘景涛1※,韩占涛1,2,朱 亮1,陈 玺1

(1. 中国地质科学院水文地质环境地质研究所,石家庄 050061;2.中国地质调查局、河北省地下水污染机理与修复重点实验室,石家庄 050061)

为研究“引大入秦”灌溉工程对秦王川盆地地下水化学组分的影响,该文在对该盆地地下水进行系统采样分析的基础上,通过对比“引大入秦”工程运行前后盆地内水化学数据,利用数理统计、Gibbs图、离子比等方法,对盆地内地下水化学组分演化进行了深入分析。结果表明:工程运行前,研究区水化学类型以Cl·SO4-Na、Cl·SO4-Na·Mg和SO4·Cl -Na为主。工程运行初期,在灌溉渗水淋洗作用下包气带易溶盐进入地下水,盆地地下水向盐化和硬化方向演化。随着工程的继续运行,包气带盐分被逐步洗脱殆尽,灌溉淋滤水的含盐量逐渐降低,其中处于盆地汇水区的平原区中部下降趋势最为明显,地下水化学类型由Cl·SO4-Na演化为HCO3·SO4-Na(Na·Ca·Mg)和Cl·SO4·HCO3-Na。盆地周缘黄土丘陵区水资源贫乏,受原生沉积地层中高含量易溶盐影响,Cl·SO4-Na·Mg型水分布范围基本保持不变。盆地南部当铺一带地下水由Cl·SO4-Na型演化为Cl·SO4-Na·Mg型水。在这一过程中,研究区水化学组分受硅酸盐岩风化溶解以及岩盐和蒸发岩盐溶解共同作用,在蒸发浓缩作用下富集。盆地地下水受工矿企业污染影响较小,但化肥的使用导致地下水NO3-质量浓度明显升高。研究结果为秦王川灌区地下水资源的可持续发开利用提供参考。

干旱;灌溉;秦王川盆地;地下水水化学演化;离子来源;风化溶解

0 引 言

中国北方地区干旱少雨,蒸发强烈,水资源缺乏。为解决水资源供需矛盾,在中国北方修建了大型引水灌溉工程,灌溉工程在给当地带来巨大经济效益的同时,也强烈改变了地下水水化学环境,灌溉渗水的大量补给引起地下水位抬升,进而引起土壤次生盐渍化问题[1-3]。龚磊[4]研究表明,旱改水工程的实施导致吉林西部五家子灌区及其周边土壤发生盐碱化,土壤含盐量、地下水溶解性总固体(total dissolved solids,TDS)和水位埋深是土壤盐碱化的主要影响因素。韩宇[5]研究表明吉林西部松原灌区水化学演化主要受控于溶滤、蒸发浓缩以及阳离子交替吸附作用。李彬等[6]研究表明蒸发浓缩和阳离子交换是控制内蒙古河套灌区地下水水质演变的主要水化学过程。随着“一带一路”工作的推进,地下水资源对干旱区生态系统、经济发展发挥着不可替代的作用,灌区地下水环境的变化也成为国内外学者研究热点。

秦王川盆地位于甘肃省兰州市西北部,是“引大入秦”工程的主要灌溉区,区内易于水利化的耕地面积达3.8×104hm2以上,但水资源十分贫乏,该区水土资源矛盾突出。“引大入秦”水利灌溉工程是一项跨流域的大型调水工程,引大通河水滋润干涸的秦王川盆地,工程包括引水枢纽、总干渠及东一、东二两条干渠,20世纪90年代相继建成通水,每年设计引水量4.43×108m3,灌溉面积达5.73×104hm2。然而,随着灌溉水的大量渗入,盆地地下水位不断上升,部分地区出现不同程度的土壤次生盐渍化和水质恶化,对盆地生态环境构成威胁。秦王川盆地作为兰州市的主要经济开发区,需水量持续增大。充分认识盆地的地下水化学特征,对于有效实施灌溉,充分发挥工程效益,预测和预防不良的水文地质问题及环境问题,具有十分重要的意义[7]。然而,目前国内外学者对该盆地的研究主要集中在土壤盐渍化方面[8-9],对盆地水文地质特征,尤其是地下水化学演化特征研究甚少,不足以支撑区域水资源的管理。本文选择秦王川盆地为研究区,通过“引大入秦”工程实施前后地下水化学组分数据对比分析,运用吉布斯(Gibbs)图、离子比等多种手段,深入探讨了“引大入秦”灌溉渗水淋溶作用下,秦王川盆地地下水化学演变特征及其形成机理。以期为当地地下水资源的可持续开发利用以及区内经济发展提供参考。

1 材料与研究方法

1.1 研究区水文地质概况

秦王川盆地地处祁连山东端,陇西黄土高原西北部,甘肃省永登县与皋兰县境内,灌区主要包括永登县的树屏乡、中川镇、秦王镇、古山乡。盆地南北长约42 km,东西宽11~13 km,面积约504 km2;区内地势北高南低,海拔1 830~2 300 m。盆地北部为低山区,东、西、南3面为低缓黄土丘陵,相对高差40~60 m。盆地内上古山-黄茨滩北侧以基岩丘陵地貌为主,南侧以洪积平原为主,盆地内分布南北走向的第四系中、上更新统残台。盆地属于内陆冷温带半干旱气候区,多年平均气温5.9 ℃;多年平均降水量252.5 mm,集中在7-9月份;多年平均蒸发量为1 954.8 mm。地表无常年径流,多为季节性宽阔的流水河沟(图1a)。

秦王川盆地位于中–新生界发育期的永登–河口凹陷带中,是以第三系为基底的半封闭大型构造坳陷盆地[10]。盆地内广泛分布第四系松散沉积层,同时分布寒武系、奥陶系、志留系、白垩系、第三系地层。区内地下水可分为基岩裂隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水和松散岩类孔隙水。区内水资源贫乏,除东西两侧古河道富水性较好外,区内大部分区域单井涌水量小于100 m3/d。区内地下水主要赋存于第四系松散沉积砂碎石及中细砂层中(图1b),受地质构造所控,盆地自北向南,含水层颗粒逐渐变细,由单一潜水含水层过渡为具有统一水力联系的多层潜水–承压水含水层[11]。至本次研究,“引大入秦”工程运行17 a,盆地中部水位埋深集中在40~50 m;南部水位埋深集中在20~40 m;盆地北部低山丘陵区和南部出口低洼沟槽地带水位埋深在10 m以下,在南部当铺一带由于基底隆起和粘土层的阻隔,地下水排泄不畅溢出地表形成盐沼区。对比1993年工程运行前地下水位埋深数据[12],盆地北部地下水位稍有上升,变化幅度为3~5 m;其他区域地下水位埋深变化幅度小。盆地内地下水主要受古沟道控制,总体上由北向南呈股状径流。渠道渗漏及灌溉水入渗是盆地地下水的主要补给来源。泉水溢出、蒸发、沟谷潜流和人工开采是盆地地下水的主要排泄方式[7]。

1.2 样品采集与分析

2011年9月在研究区采集水样品18组(图1a),其中浅层地下水样品17组(含泉水1组),地表水样品1组。1993年数据来源于甘肃省秦王川和西岔罐区地下水及地质环境综合勘察评价报告[12]、2009年数据来源于参考文献秦王川灌区水环境的变化分析和水资源的优化利用[13]。1993年、2009年及2011年样品采集位置基本一致,且均取自丰水期。地下水样品取自民井或机井,主要采集浅层地下水。

采样井井深主要集中在1.5~60 m,水位埋深主要集中2.0~42.6 m。采样设备主要有离心泵和潜水泵,采样前,对采样井进行抽水清洗,待排出水量大于井孔储水量3倍,并且现场指标稳定后再进行采样,以确保采集的样品具有代表性。当由于采样井孔径太小无法使用水泵时,采用中国地质科学院水文地质环境地质研究所自主研发的“水斗定深取样器”[14],通过人工提水的方式洗井,待各现场指标稳定后,将井下目标深度的地下水直接密封后采出地面,所用采样瓶为2.5 L的高密度聚乙烯瓶。取样后,贴标签并用Parafilm封口膜密封避光保存,7 d内送达实验室测试。样品由自然资源部地下水矿泉水及环境监测中心测定,执行标准参照 GB/T 8538-1995[15]。利用美国戴安DX-120型离子色谱仪和北京华科ICP-AES光谱仪分别对阴、阳离子进行测定。现场测试指标酸碱度(pH)、溶解氧(dissolved oxygen,DO)和氧化还原电位(Eh)等采用多功能便携式测试仪(Multi-340i/SET,德国WTW)进行测试。

1.3 数据分析

运用舒卡列夫分类法分析水化学类型,运用SPSS、AquaChem等软件分析水化学数据,运用吉布斯(Gibbs)图、离子比分析探讨地下水化学组分来源及控制因素。

2 结果与分析

2.1 地下水化学特征

本次研究在盆地周缘丘陵区边缘采集地下水样品11组,中部平原区采集地下水样品6组,水库采集地表水1组。秦王川盆地不同地貌单元地下水总体上属于稳态水,略偏氧化水,部分丘陵低山区地下水相对偏还原态一些(表1)。浅层地下水pH介于7.4~8.36之间,总体上为中性或弱碱性水(表1)。地下水溶解性总固体介于483.3~6 505 mg/L,均值为2 920.5 mg/L。受原生沉积地层中高含量易溶盐影响[9],研究区大面积分布咸水、微咸水,仅在盆地中部出现TDS值小于1.0 g/L的淡水(图1a)。研究区地下水阳离子以Na+为主,阴离子以Cl-和SO42-为主;丘陵区地下水中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-等组分及溶解性总固体、总硬度(total hardness,TH)等明显高于平原区(图2)。从周缘黄土丘陵区到盆地中部平原区,地下水中HCO3-质量浓度逐渐升高,其他各离子组分呈降低趋势(图1c);TDS质量浓度呈现出由周边丘陵区呈环状向中心降低的规律,地下水由咸水、微咸水过渡到淡水(图1a)。研究区引自大通河的地表水为低溶解性总固体淡水,TDS质量浓度为257.1 mg/L,pH为7.81,弱碱性水;阳离子以Ca2+为主,阴离子以HCO3-为主,为HCO3-Ca型水。在垂向上,研究区浅层地下水TDS值与水位埋深无明显的相关性(图3),除一个深层承压水点TDS值较低外,其它浅层地下水TDS值的波动性较大,最高可达6 506 mg/L。

表1 研究区水化学组分统计

注:表示样品采集数量(组);Eh表示氧化还原电位(mV)。

Note:indicates the number of samples collected (group);Eh indicates oxidation reduction potential (mV).

注:圆圈右上角的数字表示第n个数据为离散数据。

注:水位埋深为0的点位于丘陵区边缘为泉水。

从各宏量组分的变异系数来看,除pH值外,其余指标的变异系数值均大于10%,表现出中等或强变异性,表明各离子在空间分布上存在较大离散性和波动性。其中,平原区地下水大部分离子组分变异系数较丘陵区大,平原区Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-、TDS、总硬度等指标表现出较强的变异性(表1),表明平原区各离子组分受人类活动输入影响更强烈。

2.2 地下水水化学组分时空演变特征

2.2.1 地下水化学组分空间分布特征

根据舒卡列夫分类法(图1a,图4),研究区地下水中碱金属离子含量超过碱土金属离子含量,强酸根超过弱酸根,碳酸盐硬度小于50%,地下水化学水平分带明显。黄茨滩以北地下水TDS质量浓度大于3 g/L,属SO4·Cl- Na型水。盆地东西两侧丘陵边缘以及南部喻家梁周围,在灌溉水及大气降水入渗淋滤作用下,基岩风化层中的石膏、芒硝、菱镁矿等高含量易溶盐分溶解进入地下水,形成以氯化物和硫酸盐为主的高溶解性总固体地下水,地下水TDS质量浓度介于3~5 g/L,水化学类型为Cl·SO4-Na·Mg和Cl·SO4-Na·Mg·Ca型水。两侧古沟道内的其他地方,地下水径流条件相对较好,水交替作用较强,为TDS质量浓度小于3 g/L的Cl·SO4-Na·Mg·Ca型水。盆地中部受北部潜流以及农田灌溉回归淡水补给及洗盐作用下,中部出现了TDS质量浓度小于1 g/L的淡水,为HCO3·SO4-Na型、HCO3·SO4-Na·Ca型和Cl·SO4·HCO3-Na型水。从盆地周缘丘陵区到中部平原区,秦王川盆地地下水化学类型从Cl·SO4-Na型逐渐过渡到HCO3·SO4-Na·Ca型水。

注:Piper三线图表明八大离子含量百分比及其内在联系。在图左下方三角形,4个阳离子含量百分比用三线坐标表示。在右下方三角形中,4个阴离子亦如此。中间的菱形区域表示Ca2++Mg2+和Cl-+SO42-含量百分比。图中数字表示各离子组分含量百分比。

2.2.2 地下水化学组分随时间演变特征

为阐明“引大入秦”灌溉工程对研究区地下水化学组分的影响,将2011年(本次研究)、2009年[13](工程运行17a)和1993年[12](工程运行前)水化学数据进行对比(图4~图6)。“引大入秦”灌溉工程运行以来,研究区地下水溶解性总固体呈先上升后下降的演化趋势(图5a,图6)。受原生沉积地层中高含量易溶盐影响[9],工程运行初期,灌溉回归渗水淋洗包气带易溶盐进入地下水,地下水TDS呈上升趋势;随着时间的推移,包气带盐分被逐步洗脱殆尽[8],灌溉淋滤水的含盐量逐渐降低,地下水呈淡化趋势(图5a)。工程运行17a后,平原区地下水溶解性总固体下降明显,TDS质量浓度均值从2009年的3 111.5 mg/L下降为2011年的1 719.3 mg/L(图5a)。丘陵区地下水TDS质量浓度均值由1993年的3 197.9 mg/L上升到2009年的4 598.9 mg/L,至2011年TDS质量浓度均值演变为3 575.6 mg/L(图5a)。研究区地下水总硬度在盆地丘陵区和平原区表现出相反的演化趋势(图5b),工程运行17a后,周缘丘陵区地下水资源贫乏,水循环交替弱,地下水总硬度均值由1993年的1 121.4 mg/L上升到2011年的1 392.1 mg/L;平原区受灌溉回归水补给,水循环交替快,地下水总硬度均值由1993年的1 202 mg/L下降到2011年的681.9 mg/L。

图5 不同时间地下水TDS和总硬度箱型图

图6 地下水部分样品TDS年际变化

另外,从图4可见,不同地貌单元地下水化学呈不同的演变特征。平原区地下水HCO3-增加趋势明显,含量百分比由10%左右增加为10%~55%;Cl-先增加后减少,由1993年的50%左右增加到2009年的60%左右,后又减少为20%~50%。平原区地下水Na+和Ca2+变化不明显;Mg2+呈先下降后上升趋势,Mg2+含量百分比由1993年的20%左右下降到2009年的10%左右,2011年增加为15%~30%。黄土丘陵区地下水SO42-增加趋势明显,含量百分比由25%左右增加到30%~50%;Cl-含量百分比由70%减少到45%~60%。丘陵区地下水Na+、Ca2+变化不明显;Mg2+呈上升趋势,其含量百分比由10%左右增加为25%~35%。

研究区地下水在20世纪六七十年代基本保持天然状态[16],地下水水化学类型主要为Cl·SO4-Na·Mg型水。“引大入秦”灌溉工程运行前[12](1993年),研究区基本保持天然水化学类型。20世纪90年代中期“引大入秦”灌溉工程竣工后,地下水环境发生了较大变化(图1a和图4)。2011年区内地下水化学类型演变为6种,盆地周缘的Cl·SO4-Na·Mg型水分布范围基本保持不变,地下水溶解性总固体和总硬度稍有升高。盆地南部当铺一带地下水由Cl·SO4-Na向Cl·SO4-Na·Mg型演化,地下水水质呈好转趋势,由TDS值大于5g/L盐水演化为小于3g/L的微咸水。盆地中部平原区地下水由Cl·SO4-Na型演化为HCO3·SO4-Na和Cl·SO4·HCO3-Na型水,地下水中的溶解性总固体和总硬度均明显下降,盆地中部出现了TDS值小于1 g/L的淡水。

总之,从水化学数据的历史变化趋势来看(图5a和图6),“引大入秦”工程运行以来,研究区地下水质受灌溉淋滤水影响明显,工程运行初期,灌溉水入渗洗脱包气带盐分进入地下水,使地下水中的盐分增加,随着工程的继续运行,当包气带中的盐分被洗脱殆尽后,灌溉淋滤水的含盐量逐渐降低,数据显示(图5a),2009年后地下水TDS呈下降趋势,其中处于盆地汇水区的平原区中部下降趋势最为明显(图1a)。研究区表征天然地下水化学状态的Cl·SO4-Na、Cl·SO4-Na·Mg型水范围逐渐缩小,而受“引大入秦”工程灌溉渗水影响的Cl·SO4-Na·Mg·Ca和HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水范围逐渐增加。这一结论验证了前人的水质演化推论[17]。

2.3 水化学演化控制因素分析

2.3.1 水化学演化过程分析

Gibbs[18]利用半对数坐标图直观的表示了地表水化学组分特征、控制因素及其相互关系。当TDS值和Cl-/(Cl-+HCO3-)值均较高时,地下水化学组分受控于蒸发浓缩作用;当TDS值较低且Cl-/(Cl-+HCO3-)比值小于0.5时,地下水化学组分受控于岩石风化作用;当TDS值较低且Cl-/(Cl-+HCO3-)值较高时,地下水化学组分受控于大气降雨。本次研究Gibbs图(图7)显示,盆地丘陵区及平原区浅层地下水样品点主要集中在中上部,表明研究区浅层水各离子组分受蒸发浓缩及岩石风化作用共同控制。

注:图中虚线表示不同水岩作用范围,ρ 为离子浓度

秦王川地下水样品点(Na+)/((Na+)+(Ca2+))集中在0.55~0.9之间,82.4%的地下水样品TDS值大于1.0 g/L,表明蒸发浓缩作用是秦王川盆地水化学组分主要的影响因素。丘陵区受基岩山区高溶解性总固体地下水的补给,TDS质量浓度在2 g/L以上,盆地东部山前丘陵区山子墩一带最高可达6.5 g/L。盆地中部上华家井一带水位埋深较深,蒸发浓缩作用相对较小,农业灌溉回归淡水淋洗补给占主导作用,地下水溶解性总固体降低,出现了TDS质量浓度小于1.0 g/L的淡水。引自大通河地表水水化学组分主要受水岩相互作用影响,为低溶解性总固体淡水。

不同岩性端元间的对比可以判别不同岩石风化溶解对地下水化学组分的影响[19-22]。研究区地下水主要集中在硅酸盐岩和蒸发盐岩控制端元,其中,丘陵区地下水样品更靠近蒸发盐岩端元,而平原区样品更靠近硅酸盐岩端元。地表水样品介于硅酸盐岩和碳酸盐岩端元之间,受硅酸盐岩和碳酸盐岩风化溶解作用共同影响(图8)。

图8 不同盐岩风化溶解对水化学组分影响

阴阳离子三角图能反映水的离子组成,常用于判断流域岩石风化的控制端元[23-24]。在阳离子Mg2+-Ca2+- (Na++K+)三角图中(图9a),秦王川盆地下水样品主要落在硅酸盐岩风化控制端元。在阴离子SiO2-HCO3-- (Cl-+SO42-)三角图中(图9b),秦王川盆地丘陵区地下水样品主要靠近盐岩或蒸发盐岩溶解控制端元,平原区样品主要靠近硫酸风化硅酸盐岩和碳酸风化硅酸盐岩控制端之间。说明,秦王川盆地地下水化学组分受硅酸盐岩风化溶解以及岩盐和蒸发岩盐溶解作用所控。这与处于西北干旱地区地下水离子组分以蒸发岩溶解为主相一致[16,22]。

注:图中数字表示主要离子组分含量百分比。

Scholler[25]利用“氯碱指数”CAI(chlor alkali index)表示阳离子交换作用的可能性及强度。当地下水中的Na+、K+交换围岩矿物中吸附态的Ca2+、Mg2+时,CAI1与CAI2值为正;反之,当水中的Ca2+、Mg2+交换围岩矿物中吸附态的Na+、K+时,CAI1与CAI2值为负;且阳离子交换作用越强,CAI1与CAI2的绝对值越大。

CAI1=[Cl-−(Na++K+)]/Cl-(1)

CAI2=[Cl-−(Na++K+)]/(SO42-+HCO3-+CO32-+NO3-)(2)

由图10可见,丘陵区大部分样品点的CAI1和CAI2为正值;平原区大部分样品点CA1和CA2为负值,地表水点CA1和CA2为负值。丘陵区地下水样品点CA1和CA2绝对值变化范围均较小,CA1和CA2绝对值均集中在0~0.5之间;平原区地下水样品点CA1的绝对值集中在0~0.7之间,CA2绝对值介于0~3.5。说明秦王川盆地同时发生着正向和逆向阳离子交换作用,丘陵区地下水中的Na+交换围岩中的Ca2+、Mg2+;平原区地下水中的Ca2+、Mg2+交换围岩中的Na+、K+;除了盆地中心带地下水(图10左下角样品)阳离子交换作用相对强烈外,大部分地区地下水阳离子交换作用相对较弱。

图10 不同地貌单元地下水离子交换作用

2.3.2 “引大入秦”工程对地下水化学组分的影响

在“引大入秦”工程实施前,秦王川盆地地下水的补给量少,径流量小。随着灌溉工程的逐步实施和灌溉面积的增加,引大入秦工程灌区引水量由2000年1.02×108m3增加为2010年的2.1×108m3,灌溉面积由2000年的2.06×104hm2增加为2010年的2.87×104hm2,单位面积灌溉量也呈逐年增加的趋势(图11)。灌溉回归渗水成为地下水的主要补给来源,同时盆地外泄的流量也在逐年增加[13]。工程运行初期,在灌溉回归水淋溶作用下包气带中的易溶盐分进入地下水向下游迁移富集,地下水溶解性总固体升高明显。随着工程的继续运行,盆地灌区上游和中游包气带逐渐脱盐[8],工程运行17 a盆地中游平原区地下水溶解性总固体逐渐降低,地下水水质淡化明显。然而在盆地周缘黄土丘陵区地下水资源贫乏,水循环交替弱,同时地层中富有高含量的易溶盐,在降雨淋溶作用下进入地下水导致地下水溶解性总固体呈升高趋势。

注:数据来源于“引大入秦工程管理局年报”。

Note: Data adapted from Administration of Bring Datong River to Qinwangchuan project

图11灌区引水量及灌溉面积年际变化

Fig.11 Interannual variation of irrigated water volume and irrigation area

2.3.3 人为活动输入影响

地下水中的NO3-主要来自于农业化肥的使用和城市生活污水的排放,而SO42-多来自于硫化矿物的溶解、工矿业活动和大气沉降。因此地下水中的NO3-/Na+和SO42-/Na+比值的变化反映了农业活动和工矿活动的影响[26-27]。秦王川盆地地下水大部分样品点2个比值均较小(图12a),小部分样品点偏向工矿活动输入方向。说明研究区受工矿活动输入影响较小。研究区地下水NO3-/Na+变异较大,NO3-质量浓度介于1.1~176.4 mg/L,均值为67.7 mg/L,23.5%的地下水样品NO3-质量浓度超出了地下水3类水标准限值(88.6 mg/L),且NO3-与总硬度呈显著的正相关关系(<0.05)(图12b)。这说明灌溉在促进秦王川盆地农业发展的同时,农业化肥的使用也导致地下水中NO3-明显升高。

图12人类活动对水化学组分的影响及NO3-与总硬度的关系

3 结 论

1)受“引大入秦”灌溉工程影响,研究区表征天然地下水化学状态的Cl·SO4-Na、Cl·SO4-Na·Mg型水范围逐渐缩小,而受灌溉渗水影响的Cl·SO4-Na·Mg·Ca和HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水范围逐渐增加。从盆地周缘丘陵区到中部平原区,地下水溶解性总固体呈环状降低,水化学类型从Cl·SO4-Na型逐渐过渡到HCO3·SO4-Na型。盆地周缘丘陵低山区Cl·SO4-Na·Mg型地下水分布范围基本保持不变;盆地中部平原区地下水由Cl·SO4-Na型演变为HCO3·SO4-Na、HCO3·SO4-Na·Ca·Mg、Cl·SO4·HCO3-Na型水。

2)研究区地下水化学演化受天然和人为因素双重作用影响,其中灌溉渗水淋洗补给、岩石风化溶解和蒸发浓缩作用是地下水演化的主导因素。受原生沉积地层中高含量易溶盐和“引大入秦”灌溉渗水影响,研究区地下水化学组分变化明显。工程运行初期,在灌溉渗水淋洗作用下包气带易溶盐进入地下水,使地下水溶解性总固体和硬度升高明显。随着时间的推移,包气带盐分被洗脱殆尽,灌溉淋滤水的含盐量逐渐降低,盆地中部平原汇水区及盆地南部出口处地下水溶解性总固体下降明显。秦王川灌区地下水受工矿企业污染影响较小,但农药化肥的使用致使地下水中NO3-明显升高。

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Effects of Yindaruqin irrigation project on groundwater chemical compositions in Qinwangchuan basin in Gansu Province

Lü Xiaoli1,2, Liu Jingtao1※, Han Zhantao1,2, Zhu Liang1, Chen Xi1

(1.,050061,; 2.,050061,)

Hydraulic project alerts hydrological cycle and changes biochemistry of water as a result. In this paper, we investigated the change in groundwater chemistry in Qinwangchuan basin as affected by the Yindaruqin irrigation project. Groundwater samples were taken from the basin and were chemically analyzed before and after the irrigation project was in operation. The change in groundwater chemistry was analyzed using methods including statistics, Gibbs graphs and ions ratios. The results showed that the coefficient of variation (CV) of all main ions was larger than 10%, with their CV in the plain area being higher than that in the loess hill area. The total dissolved solids in the groundwater were currently high, with Na+being the dominant cation and Cl-and SO42-the dominant anions. Salty and brackish water was found in most parts of the basin, and fresh water with total dissolved solids less than 1.0 g/L existed only in the middle of the basin. The total dissolved solids in the groundwater decreased from the loess hills at the edge of the basin towards the central plain area, and the associated hydro-chemical type of the groundwater changed gradually from Cl·SO4-Na type to HCO3·SO4-Na type. Before the irrigation project was constructed, the main geochemical type of the groundwater was Cl·SO4-Na, Cl·SO4-Na·Mg and SO4·Cl–Na. At earlier operating stage of the project, leaching of soluble salts from the topsoil led to an increase in total dissolved solids and hardness in the groundwater. With the decrease in soluble salts in the topsoil due to leaching, however, the total dissolved solids in the groundwater have been in decline since 2009, especially in the center of the plain where the total dissolved solids in the groundwater in some areas had reduced to < 1.0 g/L from > 3.0 g/L and the groundwater type changed from Cl·SO4-Na to HCO3·SO4-Na, HCO3·SO4-Na·Ca·Mg, and Cl·SO4·HCO3-Na, respectively. In contrast, the groundwater chemistry in the loess hills at the edge of the basin did not show significant change due to limited irrigation, and its chemical type is still Cl·SO4-Na·Mg despite a slight increase in total dissolved solids and total hardness. The groundwater type at Dangpu area in the southern basin changed from Cl·SO4-Na to Cl·SO4-Na·Mg, with a light decrease in total dissolved solids and total hardness. The change in groundwater chemistry in the Qinwangchuan basin is affected by both natural and anthropogenic factors. The infiltration and salt leaching due to irrigation increased the total dissolved solids in the groundwater initially followed by a dilution. Rock weathering and dissolution of minerals increased the total dissolved solids, and groundwater evaporation also increased the total dissolved solids in areas where the groundwater table was shallow. The ions in the groundwater originated from silicate weathering and dissolution of halite, along with the evaporation-induced condensation. Industry did not affect groundwater chemistry but the application of chemical fertilizer led to an increase in NO3-in the groundwater. These results provide a useful dataset for sustainable management of the groundwater resources in proximal areas of the Qinwangchuan irrigation project.

drought; irrigation; Qinwangchuan Basin; hydrochemical evolution of groundwater; ion source; chemical weathering

吕晓立,刘景涛,韩占涛,朱亮,陈玺. “引大入秦”灌溉工程对甘肃秦王川盆地地下水化学组分的影响[J]. 农业工程学报,2020,36(2):166-174.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.020 http://www.tcsae.org

Lü Xiaoli, Liu Jingtao, Han Zhantao, Zhu Liang, Chen Xi. Effects of Yindaruqin irrigation project on groundwater chemical compositions in Qinwangchuan basin in Gansu Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 166-174. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.020 http://www.tcsae.org

2019-05-03

2019-12-23

中央级科研院所基本科研业务费项目(SK201901);中国地质调查局地质调查项目(DD20190331,DD20160308);国家自然科学基金项目(41472226);河北省自然科学基金项目( D2017504008)

吕晓立,高级工程师,主要从事地下水污染调查与修复研究。Email:2767398591@qq.com

刘景涛,副研究员,主要从事污染水文地质研究。Email:728881944@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.020

S273.4;P641.12

A

1002-6819(2020)-02-0166-09

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