甘肃黄土高原区淤地坝水质时空分布特征研究

王 英，秦 力，马成祥，高 佳，杨鹏飞

(甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

0 引言

淤地坝是黄土高原区人民在长期同水土流失斗争实践中创造的一种既能拦截泥沙[1]、保持水土，又能淤地造田、增产粮食的水土保持工程措施。淤地坝在工程运行前期，可作为水源工程，解决当地工农业生产用水和发展水产养殖业，对水资源缺乏的黄土高原干旱、半干旱地区的群众生产、生活条件改善发挥了重要作用。为缓解黄土高原地区水资源短缺现状，提高淤地坝工程水资源利用效率，兰立军等[2]初步探讨了黄土高原淤地坝工程水资源利用模式，提出拦蓄灌溉、雨水蓄集及地表水和地下水联合利用3种模式。朱芷等[3]以黄土丘陵区榆林沟淤地坝系为例，提出了应构建优势农业主导模式的田园综合体，以及围绕现代农业、休闲旅游、田园社区营造淤地坝系田园综合体的建设思路。高雅玉等[4]通过分析认为半干旱区淤地坝建设的传统目标主要是拦沙和淤地造田，近年来流域水土流失综合治理成效显著，水土流失量减少，造成很多坝系达到设计淤积年限后仍然未淤满具有拦蓄利用雨洪水资源的潜力。吴晓等[5]对甘肃省淤地坝建设现状与蓄水利用潜力进行分析。淤地坝在工程运行前期或达到设计年限仍未淤满，具有提供水资源灌溉的潜力。但淤地坝水质如何，灌溉后是否会引起土壤盐碱化？为探究淤地坝水质现状，需要深入分析水质监测数据。水质数据具有多指标、多点位的特点，且水质指标之间存在相关性与重叠现象[6]。主成分分析(PCA)作为多元统计方法，广泛用于研究河流水质变化特征和污染源识别，为国内外学者广泛使用[7]。Ran等[8]综合运用了CA、PCA和DA对三峡库区古夫河进行水质时空特征分析，提取出主导古夫河水质变化的水质因子；刘贤梅等(2019)[9]运用主成分分析法(PCA)分析了贵州省张维河水质时空分布特征；国外学者运用多元分析法分析了西班牙Pisuerga河[10]以及韩国Nakdong河[11]水质时空变化特征。淤地坝水质中涉及温度、pH、微生物、微量元素等指标较多且复杂，运用主成分分析法能够清晰地识别影响水体水质变化的主导因子。因此本文以甘肃黄土高原区淤地坝为例对淤地坝水质进行测定，采用主成分分析法研究淤地坝水质各相关因素时空分布特征，确定主导水体变化的环境因子，同时监测淤地坝水灌溉后的土壤盐分变化，分析淤地坝水质对土壤质地的影响，为利用淤地坝拦蓄雨水发挥水资源灌溉功能提供科技支撑。

1 研究区域

1.1 研究区淤地坝概况

本淤地坝群共有4座淤地坝，坐落于甘肃省定西市安定区秦岚山乡大坪村，属小型坝，建于1950年。3#坝已基本淤满，1#坝水深1m，2#坝水深5m，4#坝水深5m。2#坝、4#坝已达到设计淤积年限后仍然未淤满，具有拦蓄雨水提供灌溉水资源的能力。大坪村拥有现代蔬菜种植产业，近年来，2#淤地坝和4#淤地坝作为灌溉基础条件发挥了重要作用。因此，本研究针对1#坝、2#坝和4#坝进行水质监测分析。

1.2 水质采样及分析方法

本研究按照3座淤地坝地形地貌设立了3个水质监测点位，进行了为期1年的水质监测，每月测量1次。选取了16项基本控制水质指标进行测定，包括水温、pH、悬浮物、化学需氧量、五日生化需氧量、硫化物、阴离子表面活性剂、全盐量、氯化物、总汞、铅、镉、总砷、六价铬、类大肠菌群、蛔虫卵数；选取11项农田灌溉水质选择性控制指标氟化物、氰化物、石油类、挥发酚、三氯已醛、硼、苯、铜、锌、硒、丙烯醛按季度进行监测。按照GB 5084—2021《农田灌溉水质标准》推荐的方法进行测定。2022年4—7月在定西市安定区青岚山乡大坪村开展利用淤地坝水灌溉芹菜的试验研究，在每个小区内用土钻分4层取土(0～10、10～30、30～50、50～70cm)，全盐量的测定采用土壤水溶性盐总量的测定法，土壤电导率的测定采用电极法测定。数据采用主成分分析法和origin软件进行统计分析。

2 试验结果

2.1 相关性分析

16项基本控制水质指标中去除8项未检出数据项，8项为有数据项，分别为水温、pH、悬浮物、化学需氧量、五日生化需氧量、全盐量、总砷和氯化物。通过对8项指标进行相关性分析(见表1—3)，1#坝水温和pH正相关，化学需氧量、五日生化需氧量、全盐量两两正相关，P<0.01相关性显著。化学需氧量、五日生化需氧量和氯化物两两正相关，相关性水平较显著P<0.05；全盐量和氯化物相关性显著。2#坝pH和全盐量相关性较显著，化学需氧量、五日生化需氧量、全盐量两两正相关，相关性水平显著；全盐量和氯化物相关性显著。4#坝pH和氯化物相关性较显著，化学需氧量和五日生化需氧量正相关，相关性水平显著；全盐量和氯化物相关性显著。

表1 1#坝基本控制指标的相关性分析表

表2 2#坝基本控制指标的相关性分析

表3 4#坝基本控制指标的相关性分析

由此说明，1#坝水温影响水中的pH，1#坝库容小且接近淤满，蓄积水量少，水中的全盐量和氯化物对水中的需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)都有影响，且全盐量影响较大；2#坝含盐量高，对坝的pH影响较大，全盐量对需氧量、五日生化需氧量影响较大，4#坝氯化物含量高，对坝的pH影响较大，氯化物对需氧量、五日生化需氧量影响较大。3个淤地坝中的氯化物是影响全盐量的主要因素。

2.2 主成分分析

利用SPSS软件对3个淤地坝主要指标数据进行主成分分析，按照特征值大于1的原则，提取了影响水质变化的主成分[12]，如表4所示，1#坝的第一主成分贡献率最大，占50.47%，主要影响因子是化学需氧量、五日生化需氧量和全盐量。淤地坝水中的盐类含量高，导致水中溶解氧不足以满足菌种自身代谢，降低了化学需氧量、五日生化需氧量的处理效率；2#坝的主成分有4个，第1主成分为pH、全盐量和氯化物，第2主成分为化学需氧量、五日生化需氧量，说明2#坝全盐量和氯化物含量高，影响最大的是pH值，其次为化学需氧量、五日生化需氧量；3#坝的主成分有3个，第1主成分为pH、全盐量和氯化物，第2主成分为水温、化学需氧量和五日生化需氧量，说明3#坝全盐量和氯化物含量高，影响最大的是pH值，其次为化学需氧量、五日生化需氧量。

表4 1#坝、2#坝、3#坝主成分分析表

2.3 水质超标分析

3座淤地坝27项实测指标对照GB 5084—2021限值，全盐量、氯化物和硼3项指标超出标准值。如图1所示，3座淤地坝的全盐量随时间呈波动趋势，2#坝和4#坝超出标准值，1#坝未超标，全年都低于标准值；4#坝超标严重，最大时为12064mg/L，是标准值的6倍；2#坝最大值为5028mg/L，是标准值的2.5倍。

图1 3座淤地坝全盐量随时间变化图

如图2所示，2#和4#淤地坝的氯化物随时间呈波动趋势，1#坝变化不明显。2#坝和4#坝只有1个月未超标，其他月份都超出标准值，1#坝始终未超标，全年都低于标准值；4#坝超标严重，最大时为3456mg/L，约为标准值的10倍；2#坝最大值为1324mg/L，是标准值的3.8倍。淤地坝由于多年蓄积雨水，蒸发量大，盐分集聚，日积月累造成全盐量和氯化物含量超标。

图2 3座淤地坝氯化物随时间变化图

如图3所示，2#和4#淤地坝的硼含量随季节呈波动趋势，1#坝变化不明显。2#坝只在7月份超出标准值，其他都在正常范围内；4#坝始终都超出标准值，且最大值为4.9mg/L，是标准值的1.6倍。硼超标是由于淤地坝周围种植蔬菜施用硼肥后随降雨汇集到淤地坝内，造成硼含量超标。

图3 3座淤地坝硼指标随时间变化图

2.4 淤地坝水灌溉后土壤盐分变化

淤地坝在工程运行前期或达到设计年限仍未淤满可所为水源工程，用于灌溉或水产养殖等，但淤地坝灌溉后是否会引起土壤盐碱化？李璐霞[13]研究分析淤地坝土壤盐碱化的特征及其影响因素并提出相应防治措施。赵慧等[14]采用统计学方法和冗余分析方法，探讨研究区土壤盐分含量的季节变化特征。本文就此开展了利用淤地坝水灌溉芹菜的试验研究，分析土壤盐分的变化特征。芹菜生育期灌水后用土钻分4层取土样(0～10、10～30、30～50、50～70cm)，测定土壤电导率和全盐量。如图4—5所示，土壤电导率和全盐量随灌水时间呈微增长的趋势，表层土壤表现明显；表层土壤0～10、10～30cm的电导率和全盐量随灌水入渗，呈下降上升反复的趋势。试验表明表层土壤的含盐量最高，随着深度变化，土壤含盐量越低。这与盐碱化形成的原因有关，土壤底层或地下水的盐分随毛管水上升到地表，水分蒸发后，盐分积累在表层土壤中[13]。

图4 淤地坝水灌溉后土壤电导率变化图

3 结论

(1)淤地坝水质主成分分析得出，全盐量、氯化物、化学需氧量和五日生化需氧量主导着淤地坝水质变化，4个环境因子之间呈显著正相关。

(2)水质监测数据表明，1#坝水质指标正常，未超标；2#坝和4#坝水体中全盐量、氯化物、硼含量超标，且4#坝超标严重；淤地坝水灌溉后土壤电导率和全盐量呈微增趋势，表层土壤的含盐量最高，随着深度变化含盐量降低。

(3)研究分析淤地坝水质影响因子、时空分布特征及灌溉后土壤盐碱化程度，可为进一步利用淤地坝拦蓄雨水发挥水资源灌溉潜力提供科技支撑，缓解黄土高原地区水资源短缺现状，助力乡村产业振兴。