山西省山陰縣地下水特征及其土壤鹽漬化現(xiàn)狀研究

李婧瑋，迪世靖，胡偉偉

?

山西省山陰縣地下水特征及其土壤鹽漬化現(xiàn)狀研究

李婧瑋1，迪世靖2，胡偉偉3

(1.山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，山西 太原 030009；2.山西新科聯(lián)環(huán)境技術(shù)有限公司，山西 太原 030002；3.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

通過研究山陰縣北部洪濤山前傾斜平原與沖積平原的水文地質(zhì)特征，以及不同水文地質(zhì)單元淺層地下水的水文地球化學(xué)特征，分析了TDS、總硬度和SO42-的變化趨勢及其形成原因，最后針對(duì)地下水環(huán)境對(duì)土壤鹽漬化的影響機(jī)理，提出土壤漬化防治及改造過程中應(yīng)注意的問題，可通過減少灌水入滲量，加大灌區(qū)潛水排泄量等鹽防治措施進(jìn)行鹽堿地治理。

淺層地下水；總硬度；SO42-；土壤鹽漬化

山陰縣位于桑干河斷陷盆地，淺層地下水屬于典型的洪積物和沖積物中孔隙水，地下水類型為潛水和半承壓水。從山前傾斜平原到?jīng)_積平原，依次為地下水的補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)和排泄區(qū)，淺層地下水位埋深逐漸減小，TDS增大，相應(yīng)的主要水化學(xué)類型為HCO3-型- HCO3--SO42型-SO42-Cl-型，發(fā)生的主要水化學(xué)作用依次為溶濾作用、陽離子交替吸附作用和蒸發(fā)濃縮作用，在沖積平原區(qū)存在大面積的土壤鹽漬化現(xiàn)象。本文通過研究分析水文地質(zhì)特征以及水文地球化學(xué)特征的分帶性，論證了典型水文地質(zhì)單元的孔隙水特征，在此基礎(chǔ)上分析了地下水環(huán)境對(duì)土壤鹽漬化的影響，針對(duì)其發(fā)生條件提出了防治措施和相關(guān)建議。

1　研究區(qū)水文地質(zhì)特征

1.1地質(zhì)構(gòu)造概況

山陰縣位于山西省朔州市中南部，地處大同斷陷盆地南部，在東南邊緣是恒山余支翠微山，西北部是洪濤山，中間為桑干河斷陷盆地，地形為西北向東南傾斜，其構(gòu)造形態(tài)大致為一走向北東、傾向北西單斜構(gòu)造，或者單斜中沿走向和沿傾向具有波浪起伏的次級(jí)褶皺構(gòu)造。地貌大體可以分為基巖山區(qū)、黃土丘陵區(qū)、傾斜平原區(qū)和沖積平原區(qū)。

1.2地下水分布賦存特征

在基巖山區(qū)接受大氣降水補(bǔ)給，有泉出露匯入河流，流向平原，在山前水峪口、新廣武村、賈家窯村等處均有泉水流出，泉流量約為0.7 L/s。從山前向平原第四系沉積層厚度逐漸增大，在洪濤山前分布上神泉斷裂，在斷裂以南，地層上升，第四系沉積較??；在斷裂以北，地層下降，第四系沉積較厚，厚度為200～400 m。傾斜平原區(qū)由于山前受地形坡降較大、地下水徑流強(qiáng)度較大、降雨沖刷作用強(qiáng)烈等因素，使得巖性顆粒較粗，形成富水性較好的含水層，接受大氣降水的補(bǔ)給，主要為潛水，且埋深較大，是下游沖積平原區(qū)的主要補(bǔ)給區(qū)。平原區(qū)由河道沖積物形成，由于地形變緩，含水層分布較均勻，過水?dāng)嗝孑^大，地下水滯流，河流的流速降低，攜帶的泥沙沉積，導(dǎo)致含水層顆粒變細(xì)，單層厚度較薄，形成粉細(xì)砂和粘土互層的多層含水層結(jié)構(gòu)，中淺層承壓水水量較豐富，為主要的取水層位。潛水接受大氣降水補(bǔ)給、河流滲漏補(bǔ)給、灌溉回歸水入滲補(bǔ)給，承壓水主要接受山區(qū)及山前傾斜平原的側(cè)向補(bǔ)給，潛水垂直蒸發(fā)作用強(qiáng)烈。地下水從山區(qū)流向盆地，在研究區(qū)為自西北向東南徑流，木瓜河為最低排泄點(diǎn)。

1.3含水層特征

洪濤山山前傾斜平原受構(gòu)造控制，含水層分布不均勻，呈條狀分布的特點(diǎn)，其富水性的強(qiáng)弱具有分區(qū)性。潛水含水層主要為全新統(tǒng)卵石層和上更新統(tǒng)砂礫石層，上覆包氣帶厚度為10～30 m，巖性為全新統(tǒng)黃土狀粉土、粉質(zhì)粘土，夾薄層或透鏡體砂礫、圓礫、卵石等，透水性較好，承壓含水層為中更新統(tǒng)和下更新統(tǒng)中粗砂及亞砂土，隔水層為上更新統(tǒng)亞粘土、粉質(zhì)粘土夾鈣質(zhì)結(jié)核、砂礫透鏡體。傾斜平原由上到下，水位埋深變淺，富水性變好，在傾斜平原上部水位埋深大于60 m，單井涌水量<10 t/h，在傾斜平原中下部水位埋深為10～38 m，單井用水量15 t/h左右，在傾斜平原下部，水位埋深約4～13 m，單井涌水量25 t/h左右。

在沖積平原區(qū)，含水層具有明顯的承壓性，巖性變細(xì)，沖積平原潛水含水層主要為全新統(tǒng)粉細(xì)砂，上更新統(tǒng)砂卵礫石層，上覆包氣帶巖性主要為全新世黃土狀粉土、粉質(zhì)粘土，含鈣質(zhì)結(jié)核，厚度較小，滲透性較差。下更系統(tǒng)和中更新統(tǒng)承壓含水層巖性為粉細(xì)砂，上更系統(tǒng)承壓含水層巖性主要為粗砂、砂礫石層，隔水層主要為上更新統(tǒng)粘性土、粉土、粉質(zhì)粘土夾鈣質(zhì)結(jié)核，并與多個(gè)含水層互層。潛水水位埋深1～10 m，承壓水位埋深為10～40 m。

2　地下水文地球化學(xué)特征

第四系孔隙水受地形地貌、地層巖性、植被等因素的影響，由山前傾斜平原到?jīng)_積平原水化學(xué)特征表現(xiàn)出一定的規(guī)律性：pH由7.87～8.34，TDS由2～3 g/L到5～8g/L，由微咸水到咸水，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)Cl-、SO42-濃度逐漸增加。從地下水流程上看，地下水中的主要離子表現(xiàn)為按溶解度從低到高的分布規(guī)律，在補(bǔ)給區(qū)主要為溶解度較低的重碳酸鈣鎂型水，在徑流區(qū)主要為溶解度較高的硫酸鹽鈉型水，在主要為溶解度高的氯(硫酸)鈉型水。地下水呈現(xiàn)這樣的水化學(xué)特征，主要是因?yàn)樗宣}類的溶解度不同以及水化學(xué)作用在時(shí)間和空間上動(dòng)態(tài)變化的綜合作用結(jié)果。

2.1TDS的空間變化趨勢及原因分析

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)，TDS逐漸增大。這主要是由于隨著溶濾作用的持續(xù)，圍巖中的離子不斷進(jìn)入地下水中，并隨地下水徑流向下游匯集，導(dǎo)致在補(bǔ)給區(qū)TDS較低，在徑流區(qū)TDS不斷升高，在排泄區(qū)TDS最高。

2.2總硬度的空間變化趨勢及原因分析

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，總硬度在傾斜平原逐漸上升，在與沖積平原過渡段有所下降，在沖積平原呈上升趨勢。總硬度是指與水中Cl-、SO42-等結(jié)合的多價(jià)金屬陽離子的總量。影響總硬度變化的因素主要是溶濾作用和陽離子交換作用。氯化物通過溶濾作用最容易進(jìn)入地下水中，并向下游徑流匯集，而圍巖中的氯化物不斷貧化；隨著溶濾作用的延續(xù)，相對(duì)易溶的硫酸鹽進(jìn)入地下水中；溶濾作用長期持續(xù)，導(dǎo)致在補(bǔ)給區(qū)含水層中剩下來的主要為以鈣鎂離子為主的碳酸鹽[1]，導(dǎo)致總硬度增加；隨著地下水流程的增加，溶濾作用長期持續(xù)，使進(jìn)入地下水中的各離子增多，CaCO3、MaCO3的溶解度較低飽和析出，使硬度在傾斜平原與沖積平原過渡段會(huì)有所下降；隨著地下水流程的繼續(xù)增加，易溶鹽向下游匯集，以及工業(yè)廢水和生活污水中的Na+、平原區(qū)的降水及污水灌溉將土壤中的Na+淋濾出來，導(dǎo)致平原區(qū)地下水中陽離子主要以Na+為主，地下水滯流，水巖作用強(qiáng)烈，巖土顆粒變細(xì)，容易發(fā)生陽離子交換作用，并且在沖積平原的局地區(qū)已形成降落漏斗[2]，造成水化學(xué)場和水動(dòng)力場發(fā)生改變，增強(qiáng)了水巖之間的陽離子交換作用，使巖土中的Ca2+、Mg2+進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到地下水中。此外，持續(xù)的溶濾作用使水中的其他金屬離子增多，從而引起總硬度升高。

圖1　沿地下水流程不同地貌單元TDS、總硬度和SO42-變化趨勢

2.3SO42-的空間變化趨勢及原因分析

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，從傾斜平原到?jīng)_積平原SO42-含量逐漸升高。地下水中的SO42-具有很好的遷移性，是該區(qū)地下水中含量較高的陰離子。主要是由于該地區(qū)石炭系和二疊系是重要的含煤地層，硫化物主要為黃鐵礦，隨著地下水徑流，含水層圍巖中的硫化物不斷被氧化成硫酸鹽，經(jīng)過溶濾作用，致使地下水中硫酸鹽含量不斷增加。另外燃煤產(chǎn)生的SO2形成酸雨，通過大氣降水入滲地下，以及工業(yè)廢水和生活廢水中含有SO42-，入滲地下，同時(shí)發(fā)生林濾，使土壤中的的硫酸鹽溶解，導(dǎo)致地下水中SO42-濃度較高。傾斜平原地下水徑流速度較大，SO42-隨地下水向下游遷移，沖積平原地下水滯流，SO42-不斷匯集。

3　土壤鹽漬化研究

3.1地下水環(huán)境對(duì)土壤鹽漬化的影響

在山陰縣有鹽堿地約54萬畝，水位埋深>1m，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，在不同水文地質(zhì)條件下，鹽堿化程度不同。在河流一級(jí)階地上，鹽堿化程度為輕度鹽堿。在河漫灘上鹽堿化程度為中度到重度鹽堿。

地下水環(huán)境對(duì)土壤鹽漬化發(fā)生的影響因素，主要包括潛水的均衡情況、潛水埋深、徑流條件、地表水和地下水的礦化度和離子組成、蒸發(fā)作用以及人類活動(dòng)影響等。發(fā)生鹽漬化的地下水埋深的臨界深度為2m，地下水徑流條件也決定土壤鹽漬化的發(fā)生，在徑流強(qiáng)度較大的地區(qū)，不會(huì)發(fā)生。在徑流滯緩地區(qū)，土壤易發(fā)生鹽漬化；潛水礦化度越大，土壤鹽漬化越嚴(yán)重[3]。

在沖積平原區(qū)，地下水中主要為TDS較高，地下水中含有Cl-、SO42-、Na+等離子，潛水埋藏變淺，地下水滯流，蒸發(fā)成為其主要的排泄途徑，蒸發(fā)作用導(dǎo)致水走鹽留。由于大氣降水、灌溉水入滲以及下伏半承壓水、承壓水對(duì)潛水越流補(bǔ)給量大于潛水的排泄量，其中灌溉水的貢獻(xiàn)量較大，潛水表現(xiàn)為正均衡，從而導(dǎo)致潛水水位抬升，潛水蒸發(fā)量將不斷增加，產(chǎn)生土壤鹽漬化。

3.2土壤鹽漬化防治及改造過程中應(yīng)注意的問題

在沖積平原區(qū)，灌溉水入滲導(dǎo)致地地下水在淺層滯留，容易發(fā)生蒸發(fā)作用，使土壤中的鹽分增加。為防治土壤鹽漬化，必須通過減少灌水的入滲量，加大灌溉區(qū)潛水的排泄量，減少潛水儲(chǔ)存量的增加值，以降低潛

水水位的抬升情況。

鹽堿地治理可以采取挖溝排鹽和暗管排鹽，灌水壓堿，修建防滲渠，引水-打井-修渠-灌溉等農(nóng)田水利工程措施，以及增施有機(jī)肥、施用化學(xué)改良劑等農(nóng)藝措施、工程措施、生物措施相結(jié)合的綜合治理鹽堿地體系，減少鹽堿地的面積，增加作物產(chǎn)量。

不同的灌溉水質(zhì)和灌溉方式對(duì)土壤鹽分含量的影響不同。綜合土壤的積鹽狀況和作物產(chǎn)量分析，淡淡咸的組合灌溉順序?yàn)樽顑?yōu)方案[4]；在土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的過程中，會(huì)對(duì)土壤鹽漬化產(chǎn)生一定的影響，如新的荒地開墾對(duì)土壤界面和結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生劇烈的影響[5]，建設(shè)用地帶來土地硬質(zhì)表面的增加，提高了土壤表面坡面漫流的初始速度，造成土壤中水分運(yùn)移加速，導(dǎo)致鹽分空間運(yùn)移加速；農(nóng)業(yè)耕作導(dǎo)致大量的化學(xué)肥料的投入，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的聚集，有利于改善土壤脫鹽，但卻會(huì)出現(xiàn)土壤酸化和堿化的現(xiàn)象[6-7]；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的定期和不定期灌溉以及溝渠網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也會(huì)導(dǎo)致區(qū)域水分的空間不平衡，進(jìn)而加劇鹽分空間變異的復(fù)雜性[8]。因此在進(jìn)行土地利用規(guī)劃及改造的同時(shí)，應(yīng)該足夠重視這些問題，并做進(jìn)一步研究，避免鹽漬化現(xiàn)象加劇。

4　結(jié)語

(1)在山陰北部基巖區(qū)、傾斜平原區(qū)和沖積平原區(qū)不同地貌單元的地下水的賦存特征呈現(xiàn)一定的差異性，在同一地質(zhì)單元的不同區(qū)域，補(bǔ)給強(qiáng)度不同。

(2)地球化學(xué)作用由山前傾斜平原區(qū)的溶濾作用為主，過渡為沖積平原區(qū)的蒸發(fā)濃縮作用、陽離子交換作用為主。

(3)由于地下水的自然溶濾作用，以及人類活動(dòng)影響，經(jīng)過陽離子交換作用，導(dǎo)致總硬度在傾斜平原上升、傾斜平原與沖積平原過渡段有所下降、沖積平原呈上升的趨勢；煤系地層以及人類活動(dòng)影響導(dǎo)致SO42-濃度是該區(qū)濃度較高的陰離子。

(4)由于平原區(qū)TDS高，地下水滯流，以及農(nóng)業(yè)灌溉工程的不合理，潛水水量變化表現(xiàn)為正均衡，地下水位抬升埋深較淺，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈導(dǎo)致水走鹽留，使土地呈現(xiàn)不同程度的鹽漬化。

(5)土地利用結(jié)構(gòu)的改變，會(huì)引起地下水和鹽分空間運(yùn)移速率的改變；農(nóng)業(yè)施肥對(duì)有利于土壤脫鹽，但也會(huì)引起酸化或堿化；農(nóng)業(yè)灌溉會(huì)導(dǎo)致區(qū)域空間水分的空間不平衡，應(yīng)科學(xué)合理進(jìn)行。針對(duì)改善土壤鹽漬化應(yīng)做更深入、全面的研究。

[1]周訓(xùn),胡伏生,何江濤，等.地下水科學(xué)概論(第二版)[M]．北京：地質(zhì)出版社.2014．

[2]姜體勝.北京郊區(qū)淺層地下水總硬度變化及機(jī)理分析[C].2008年北京市水文科學(xué)技術(shù)研討會(huì).2008.

[3]宋長春,鄧偉.吉林西部地下水特征及其與土壤鹽漬化的關(guān)系[J].地理科學(xué).2000,20(3):246-250.

[4]李建國,濮勵(lì)杰,朱明,等.土壤鹽漬化研究現(xiàn)狀及未來研究熱點(diǎn)[J].地理學(xué)報(bào).2012,67(9):1233-1245.

[5]柳云龍,呂軍,王人潮,等.低丘侵蝕紅壤墾種綠化后土壤結(jié)構(gòu)，養(yǎng)分積聚和持水性能[J].水土保持學(xué)報(bào).2000,14(4):79-82.

[6]俞仁培,楊道平.土壤堿化過程與實(shí)質(zhì)的研究 Ⅰ.重碳酸鈉對(duì)土壤堿化的作用[J].土壤學(xué)報(bào).1982,19(04).

[7]鄭達(dá)賢,沙濟(jì)琴.福建濱海木麻黃林下土壤性質(zhì)的變化及其對(duì)林帶更新的影響[J].地理學(xué)報(bào).1994(04):345-352.

[8]余世鵬,楊勁松,劉廣明.優(yōu)化灌溉與秸稈還田防控黃淮海平原農(nóng)田土壤次生鹽漬害研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào).2009(3):1-4.

Research on Groundwater Characteristics and Its present situation of Soil Salinization in Shanyin County of Shanxi Province

LI Jing-wei1，DI Shi-jing2，HU Wei-wei3

(1.Reseach Center for Eco-Environmental Science in Shanxi,Taiyuan,Shanxi,030009,China；2.Shanxi GuoHuan Environmental Technology Co.Ltd,Taiyuan,Shanxi,030002,China；3.Xi’an Engineering Design Co,Ltd,China Coal,Xi’an,Shanxi,710054,China.)

By the research on the hydrogeological characteristics of piedmont inclined plain and alluvial plain in Hongtao mountain,the northern region of Shanyin County,and the hydrogeochemical characteristics of shallow groundwater in different geohydrologic units,this paper analyzed the change trends and the forming reasons of TDS,total hardness and SO42-along the process of groundwater.Finally,based on the groundwater environment impact factors of soil salinization,this paper putted forward the prevention measures and Suggestions.

shallow groundwater；total hardness；SO42-；soil salinization

2016-04-26

李婧瑋(1990-)，女，河北唐山人，助理工程師，主要從事地下水資源管理與評(píng)價(jià)。

P641.12

A

1004-1184(2016)05-0006-02