喀什噶尔河流域灌区地下水质量空间变化及影响因素分析

2022-11-07支博远闫志雲曾妍妍赛永成汪康铭斯琴高娃巴音布力克

节水灌溉 2022年10期

支博远，闫志雲，2，3，曾妍妍，2，3，赛永成，李珍，汪康铭，斯琴高娃·巴音布力克

（1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆水文水资源工程技术研究中心，乌鲁木齐 830052；3.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，乌鲁木齐 830052）

地下水资源是生活、灌溉用水的主要来源，随着畜牧业的发展和耕地面积的扩张，粪便以及化肥农药的残留物随着降水淋滤会加重浅层地下水质量的劣化[1,2]。Xu 等[3]发现长期使用含盐量高的地下水灌溉，会影响土壤的通透性，抑制植物生长。近年来，常用BP 神经网络法、模糊综合评价法、综合指数法、Wilcox 图解和USSL 图解法等方法进行地下水质量评价[4,5]，袁瑞强等[6]以洞庭湖上游平原浅层地下水为研究内容，基于BP 神经网络法进行水质评价，高振凯等[7]用模糊综合法对宁夏吴灵灌区进行地下水质量评价，鲁照[8]基于熵权改进的综合指数法研究鄱阳湖水质年际变化特征及空间分布，谭浩等[9]用Wilcox 图解和USSL 图解法等对关中平原中部的泾惠渠灌区的灌溉水质进行评价。

新疆喀什噶尔河流域以农业发展为主[10]。农业灌溉以引水灌溉为主，研究区处于干旱半干旱区，由于水分蒸发较大，盐分易累积于地表，使土壤发生盐渍化，从而影响了本流域的农业发展。本文对喀什噶尔河流域灌区地下水质量和灌溉适宜性进行评价，同时，系统分析灌区地下水质量的空间变化规律及地下水质量劣化的主要影响因素，旨在为喀什噶尔河流域灌区地下水可持续开发利用和污染防治提供理论依据，对于保证当地人民身体健康及改善区域地下水环境，促进农业经济的发展，具有重要意义。

1 研究方法

1.1 研究区概况

位于新疆塔里木盆地西部边缘的喀什噶尔河流域属于暖温带大陆性气候，降水量少、蒸发量多、地势复杂、水资源分布不均衡、水文循环缓慢，整个流域的地势总体为西高东低。区域主要地貌类型为山前冲洪积倾斜平原和细土平原，山前冲洪积倾斜平原为单一结构潜水区，岩性以砂砾和粗砂为主；细土平原为多层结构的潜水-承压水区，岩性为亚黏土、中粗砂和粉细砂等。喀什噶尔河流域地下水主要接受水库入渗补给、渠系渗漏补给和农田灌溉入渗补给等，地下水径流自西向东，排泄以泉水排泄、侧向径流、潜水蒸发蒸腾及人为开采为主[11-13]。

1.2 数据来源及处理

2014～2018 年共采集地下水水样399 组（其中，单一结构潜水、承压水区潜水和承压水水样分别为105 组、19 组和275组）（图1）。水样测试由中国地质科学院水文地质环境地质研究所和新疆地矿局第二水文地质工程地质大队实验室完成，现场测定pH、水温和电导率（EC）等指标，实验室测定溶解性总固体（TDS）、总硬度（TH）、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、F-和Fe 等指标。经检验，地下水水样数据的阴阳离子平衡误差值E＜±5%，说明所有水样数据均为可靠数据。

图1 地下水取样点分布图

1.3 地下水质量评价

采用F值评分法对研究区地下水质量进行评价。首先依据《地下水质量标准（GB∕T 14848-2017）》，评价各个指标所属类别，并按表1对各个指标赋单项指标水质评分值[14]。

表1 单项指标水质评分值表

再按照式（1）和式（2）计算综合评分值F：

式中：F为各项指标水质综合评分值；Fi为各单项指标水质评分值；为单项指标水质评分值Fi的算术平均值；Fmax为各单项指标水质评分值中的最大值。根据F值划分地下水质量等级（表2）。

表2 地下水质量级别标准

1.4 灌溉适宜性评价

采用USSL图（钠吸附比SAR与EC的关系）分析地下水碱害与盐害对土壤的影响，同时，采用Wilcox图（钠百分比SSP和EC的关系）分析地下水质量对土壤和作物的影响，并进行灌溉适宜性分类。钠吸附比SAR和钠百分比SSP计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 地下水水化学特征分析

采用描述性统计分析灌区地下水化学组分特征（表3），pH 值范围在6.61～9.93，整体为偏弱碱性。地下水中主要阳离子含量大到小依次为Na+、Mg2+、Ca2+，主要阴离子含量大到小依次为SO42-、Cl-、HCO3-。地下水中TDS 范围为214.00～96 991.02 mg∕L，均值为6 399.31 mg∕L，其中淡水（TDS＜1 g∕L）、微咸水（TDS=1～3 g∕L）、咸水（TDS=3～10 g∕L）和盐水（TDS=10～50 g∕L）分别占总水样的37.6%、32.2%、24.2%和6.0%。

表3 地下水水化学指标特征参数统计表

从Piper 三线图（图2）可以看出，研究区不同含水层水化学环境有所差异，单一结构潜水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分别占阳离子总和的42.9%、28.8%和28.3%，SO42-、Cl-和HCO3-压水区潜水水化学类型以SO4·Cl-Na为主，这主要是因为承压水区潜水主要集中在细土平原区，埋藏较浅，该区域蒸发强烈且地下径流迟缓，以致于溶解度较小的钙、镁碳酸盐率先达到饱和并沉淀析出[15]。

图2 地下水Piper三线图

2.2 地下水质量及灌溉适宜性评价结果

2.2.1 地下水质量评价

根据水样检测结果选取8 个超标指标（TDS、TH、Na+、Cl-、SO42-、NO3-、F-和Fe）作为评价因子，根据F值评分法分别占阴离子总量的54.7%、24.8%和20.5%，水化学类型以SO4·Cl-Na·Mg（17.1%）为主；承压水区潜水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分别占阳离子总和的47.7%、29.1%和23.2%，SO42-、Cl-和HCO3-分别占阴离子总和52.2%、36.0%和11.8%，水化学类型以SO4·Cl-Na（26.3%）为主；承压水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分别占阳离子总和的44.2%、27.3%和28.5%，SO42-、Cl-和HCO3-分别占阴离子总和54.9%、30.1%和15.0%，水化学类型以SO4·Cl-Na·Mg （22.4%）和SO4·Cl-Na （19.1%）为主。单一结构潜水和承压水水化学类型以SO4·Cl-Na·Mg 为主，承计算可知单一结构潜水I～III 类水占比分别为4.8%、22.9%和36.2%，IV 和V 类水占比分别为12.4%和23.7%；承压水区潜水I～III 类水占比分别为5.3%、21.1%和5.2%，IV 和V 类水占比分别为5.2%和63.2%；承压水I～III 类水占比分别为4.0%、20.4%和23.3%，IV 和V 类水占比分别为10.1%和42.2%（图3）。由质量类别占比可知，按质量优劣排序：单一结构潜水＞承压水＞承压水区潜水。灌区单一结构潜水多分布在山前冲洪积倾斜平原，受到大气降水入渗补给和山区基岩裂隙水的侧向补给，水质相对较好；地下水从山前冲洪积倾斜平原流动到细土平原区的过程中，受到上游的侧向补给，携带了盐类离子，致使承压水区盐类离子浓度过高，且细土平原潜水埋深较浅，受到蒸发作用的影响，致使承压水区潜水中矿化度升高趋于咸化，水质劣化。

图3 地下水质量评价结果

2.2.2 灌溉适宜性评价

由于水样EC检测数据较少，只选用含EC检测数据的46组地下水水样用于灌溉适宜性评价。根据钠吸附比SAR和EC的大小将USSL 图（图4）划分为16 个区域，图中C 代表盐化级别，EC值越大表示可溶性盐质量浓度过高，用于灌溉会使土壤趋于盐化；S 代表碱化级别，SAR值越大，土壤越趋于碱化[16]。地下水灌溉适宜性根据SAR值可以分为4 类[17]：优秀（SAR＜10）、良好（10≤SAR＜18）、较差（18≤SAR＜26）和极差（SAR≥26）。单一结构潜水的SAR值介于0.73～9.98，平均值为4.27；承压水水区潜水的SAR值介于1.79～22.67，平均值为6.56；承压水的SAR值介于0.36～16.83，平均值为5.28。C2-S1和C3-S1 区域的地下水适宜灌溉，其他区域均不宜用以灌溉[18]，单一结构潜水、承压水区潜水和承压水中适宜灌溉水样占比分别为50.0%、37.5%和21.5%，而不适宜灌溉水样占比分别为50.0%、62.5%和78.5%，表明该流域地下水存在较为严重的钠害。

图4 灌溉适宜性评价的USSL图

Wilcox 图是根据纳百分比SSP和EC的大小将灌溉适宜性划分为5类（图5），单一结构潜水中水质极好、水质良好、水质适宜、水质保留和水质不适宜区占比分别为10.0%、70.0%、0.0%、10.0%和10.0%，承压水区潜水中占比分别为12.5%、25.0%、0.0%、25.0%和37.5%，承压水中占比分别为3.6%、17.9%、7.1%、25.0%和46.4%。水质极好、水质良好和水质适宜区为可直接灌溉区域，水样占比为41.3%；水质保留和水质不适宜区为不可直接灌溉区域，水样占比为58.7%，与USSL 图中灌溉水评价结果相近，适宜灌溉与不宜灌溉水样约为2∶3。

图5 灌溉适宜性分类的Wilocx图

2.3 灌区地下水质量空间变化

考虑到承压水区潜水取样点较少，为了防止空间插值误差过大，保持插值的连续性，将承压水区潜水和承压水合并为承压水区含水层分析，为了直观反映喀什噶尔河流域灌区地下水质量的空间变化，采用ArcGIS 克里金插值法绘制出灌区地下水质量的空间分布图（图6）。

图6 地下水质量空间分布图

单一结构潜水含水层水质良好类（Ⅰ～Ⅲ类水）主要分布在喀什市、疏附县、疏勒县、阿克陶县和英吉沙县等区域，其中Ⅲ类水分布最广，Ⅱ类水次之；水质较差类（Ⅳ和Ⅴ类水）主要分布在阿图什市、英吉沙县和伽师县等区域，其中Ⅳ类水分布范围较广。

承压水区含水层水质良好类主要分布在疏勒县、阿克陶县、伽师县和岳普湖县等区域，其中Ⅲ类水分布范围最广；水质较差类主要分布在喀什市、英吉沙县、岳普湖县和伽师县等区域，其中Ⅴ类水分布范围较广。

综上，I～III 类水在喀什市、疏勒县和阿克陶县等区域均有分布，但所占比重较小，IV 和V 类水主要分布在岳普湖县和伽师县等区域。

2.4 地下水质量空间变化的影响因素分析

2.4.1 因子分析

选取TDS、TH、Na+、Cl-、SO42-、NO3-和Fe 等7 项指标进行因子分析，同时考虑Ca2+、Mg2+含量对TDS、TH 影响较大，HCO3-与诸多离子相关性较大，故也将Ca2+、Mg2+和HCO3-作为因子分析的指标。对10 项指标进行KMO 和巴特利球体检验，经检验，单一结构潜水、承压水区潜水和承压水的KMO 值分别为0.549、0.514、0.510，表明均可做因子分析，并分别选取特征根大于1的公因子3个、3个和2个，其累计贡献率分别为89.71%、98.26%和84.36%，均能很好的反映原始信息[19]。由表4可知，3种含水层水样的F1因子贡献率均大于其他因子贡献率，表明F1因子对地下水质量影响较大。

表4 水化学指标旋转因子载荷矩阵

在单一结构潜水中F1 因子载荷较高的指标为Na+、Ca2+、

Mg2+、Cl-、SO42-、TDS 和TH，由Gibbs 图可知（图7），取样点大多分布在受蒸发浓缩和岩石溶滤作用控制的区域，在强烈的蒸发浓缩作用下，易形成以Na+、Cl-为主的高TDS水，另外有少量取样点分布在Gibbs 图之外，可能受到人类活动或者阳离子交换作用。γ（Ca2+∕Na+）∕γ（HCO3-∕Na+）和γ（Ca2+∕Na+）∕γ（Mg2+∕Na+）的离子比值关系可反映离子来源（图8），灌区地下水水化学离子主要分布在蒸发盐岩和硅酸盐岩所控制的区域，另有少量离子分布在碳酸盐岩控制区域，第四系以来海退过程中残留的蒸发盐岩矿物（岩盐、石膏等）溶解，是地下水中Na+、Ca2+、Cl-、SO42-的主要来源；巨厚沉积层中富含长石碎屑物（钠长石），而长石碎屑物经碳酸化作用，使地下水中Na+增多[20]，说明地下水主要水化学离子主要来自蒸发盐岩和硅酸盐岩的溶解。F2 因子载荷较高的指标为NO3-，硝态氮浓度高的区域主要集中在耕地，由于污水的排放和大量的农用肥料，在降雨和农业灌溉过程中，NO3-会渗透到土壤中，并经包气带流入地下水，造成水质恶化[21]。F3 因子荷载较高的指标为HCO3-，一方面在径流条件较好的区域以溶滤作用为主，由于碳酸盐、硅酸盐矿物的溶解致使HCO3-含量增多；另一方面有机质参与的脱硫酸作用和铁锰氧化物的还原作用会产生大量HCO3-[22]。

图7 地下水Gibbs图

图8 地下水离子比值端元图

在承压水区潜水中F1 因子中载荷较高的指标与单一结构潜水的中的指标相比，少了Ca2+、Mg2+和SO42-，这是由于承压NO3-，NO3-对该含水层水质影响较大，F1 因子可能与农业化水区潜水埋深较浅，在蒸发浓缩作用下Ca2+、Mg2+和SO42-等离子相继析出，促使该含水层中Ca2+、Mg2+和SO42-减少；增加了肥、生活污水和牲畜粪便等人类活动有关。F2 因子中载荷较高的指标Mg2+和SO42-，主要因为硅酸盐岩、硫酸盐等矿物的溶解。F3因子中载荷较高的指标为Ca2+和Fe，Ca2+来源于硅酸盐矿物的溶解，Fe主要是由于褐铁矿、菱铁矿等矿物的溶解，另一方面是因为原生地质作用导致平原第四系地层中含有丰富的有机质，有机质在微生物作用下分解出还原性物质，使难溶高价铁氧化物被还原成低价的铁易溶盐，造成地下水中Fe 含量升高，承压水区潜水中6.2%的水样氧化还原电位Eh＜70，指示该含水层处于还原或亚还原环境[23]。

在承压水中只有F1和F2因子，F1因子中载荷较高指标与F1 高度正相关，F1 因子代表了水岩相互作用，F2 因子中NO3-载荷较高，由于研究区大量开采承压水，导致潜水越流补给承压水，携带潜水中NO3-等离子进入承压含水层，造成承压水中NO3-含量增加，F2代表了人类活动的间接作用。

2.4.2 其他影响因素分析

（1）水文地质条件。喀什噶尔河流域降雨稀少、蒸发量大，盐类离子从埋藏较浅的地下水析出，盐分堆积地表，造成了盐渍化。这些盐类又通过蒸发-入渗的垂向交替运动进入到地下水中，盐分在土壤和地下水之间循环利用，使得水质变差。单一结构潜水分布在山前冲洪积倾斜平原区，该区域地势起伏显著，地下水动力条件较好，超标离子易迁移；多层结构潜水-承压水区分布在细土平原区，该区域地势较为平缓，地下径流迟缓，水力梯度相对较小，减缓了超标离子的移运，使地下水中超标离子增多，地下水质量劣化。

（2）阳离子交换作用。利用氯碱指数（CAI-1 和CAI-2）来分析阳离子交换作用发生的强度和方向[公式（5）～（6）]，若CAI-1 和CAI-2 均为负值，表明地下水中Ca2+、Mg2+与颗粒物上的Na+发生离子交换，使得地下水中Na+含量升高，Ca2+、Mg2+含量降低[24]；若两者均为正值，则反之。图9 所示绝大部分采样点CAI-1 和CAI-2 均小于0，表明发生了反向阳离子交换作用，氯碱指数减小，阳离子交换作用增强，地下水中Na+含量增多，导致地下水质量劣化。