四川省簡陽市地下水水化學(xué)特征及灌溉適宜性

張志強(qiáng), 張 強(qiáng), 劉超飛, 王超月, 付曉剛, 閆佰忠

(1.河北地質(zhì)大學(xué), 河北 石家莊 050031; 2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610059; 3.河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北石家莊 050031; 4.河北省水資源可持續(xù)利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化協(xié)同創(chuàng)新中心, 河北 石家莊 050031)

地下水是重要的供水水源，尤其是在我國西南紅層干旱區(qū)，水資源供需矛盾十分突出[1]。地下水水質(zhì)的優(yōu)劣直接制約著人們的生產(chǎn)生活，地下水中各離子組分的含量及分布特征是影響地下水水質(zhì)的主要因素[2]。對(duì)地下水水化學(xué)特征的研究，能夠了解地下水水質(zhì)面貌、形成機(jī)制及演化規(guī)律，國內(nèi)外專家學(xué)者在此方面已開展了大量的研究工作[3-7]。在了解地下水水化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，探索有效的研究方法合理評(píng)價(jià)地下水資源，以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，是目前地下水環(huán)境研究亟待解決的問題。Giridharan等[8]通過分析印度Cooum河地區(qū)地下水中主要離子成分，發(fā)現(xiàn)地下水水質(zhì)主要受到碳酸鹽、硅酸鹽礦物的溶解及離子交換作用控制，并分別利用鈉吸附比(SAR)、殘余性碳酸鈉(RSC)等單項(xiàng)指標(biāo)分析了研究區(qū)地下水用于農(nóng)業(yè)灌溉的適宜性。Varol等[9]利用R型因子分析研究了土耳其Tefenni平原地區(qū)地下水水化學(xué)成分形成過程中所發(fā)生的水巖相互作用，并通過比較豐水期與枯水期Na%的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)枯水期地下水水質(zhì)更不利于農(nóng)業(yè)灌溉。Zouahri等[10]利用USSL分類法研究發(fā)現(xiàn)，摩洛哥西北部地區(qū)地下水灌溉產(chǎn)生土壤鹽害的風(fēng)險(xiǎn)較高，而產(chǎn)生土壤堿害的風(fēng)險(xiǎn)較低。何錦等[11]利用電導(dǎo)率(EC)、鈉吸附比(SAR)等指標(biāo)證實(shí)了滄州地區(qū)微咸水灌溉是土壤鹽害和堿害發(fā)生的主要原因。此外，涉及灌溉水質(zhì)評(píng)價(jià)的研究方法還有Wilcox分類法[12]、鹽度與堿度法[13]、灌溉系數(shù)法等。多數(shù)研究方法都是利用單項(xiàng)指標(biāo)分別對(duì)鹽害和堿害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏整體性、綜合性。四川省簡陽市作為我國西南紅層干旱缺水地區(qū)的典型代表[14]。地下水資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要的供水水源。受巖性、地貌、氣候及古沉積環(huán)境等因素影響，該區(qū)地下水礦化度由淺至深逐漸升高，呈現(xiàn)出明顯的垂直分帶現(xiàn)象。本文在闡明地下水水化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，綜合多種評(píng)價(jià)指標(biāo)(TDS，SAR，Na%，Cl-，Ka)，利用基于熵權(quán)的模糊物元方法來研究地下水在農(nóng)業(yè)灌溉中的適宜性，以獲得更加綜合的評(píng)價(jià)結(jié)果，為該區(qū)合理、科學(xué)的開發(fā)優(yōu)質(zhì)地下水資源提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

簡陽市位于四川盆地中部，西側(cè)為龍泉山脈，沱江自北向南貫穿全區(qū)。地理坐標(biāo)：104°11′56″—104°54′16″E，30°5′41″—30°38′57″N。研究區(qū)地貌以淺丘為主，其次為低山和河壩沖積平原，丘陵約占總面積的88%。沱江自北向南流經(jīng)全境，將境內(nèi)丘陵分割為東西兩部分。東部丘陵以中丘中谷、深丘中谷為主，兼有淺丘寬谷，地勢(shì)由北向南傾斜，海拔400～580 m。西部丘陵以淺丘寬谷為主，兼有部分緩丘河壩和中丘中谷，地勢(shì)由西北向東南傾斜，海拔369～500 m。西北轄有龍泉山脈中段的一部分山區(qū)。研究區(qū)屬中亞熱帶濕潤氣候，四季分明，雨量充沛，年平均降水量為836 mm，研究區(qū)年平均氣溫在17 ℃左右。

1.2 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)研究區(qū)村莊、農(nóng)田分布狀況，以及地形地貌、地層巖性等因素，于2015年6月選取36組鉆孔與水井水樣進(jìn)行分析測(cè)試，水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)由中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司巖土試驗(yàn)中心完成，測(cè)試方法按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其中水樣S1—S30取樣深度3—17 m，水樣D1—D6取樣深度24—58 m，本次研究中將S1—S30與D1—D6分別定義為淺表層與中深層地下水水樣(圖1)。

圖1 研究區(qū)取樣點(diǎn)分布

2.2 水化學(xué)特征研究方法

Gibbs[15]通過分析全球水化學(xué)數(shù)據(jù)，認(rèn)為影響水化學(xué)成分形成的主要因素包括巖石風(fēng)化、大氣降水和蒸發(fā)結(jié)晶。本次研究采用Gibbs圖，確定控制研究區(qū)地下水水化學(xué)成分形成的主要因素。然后利用離子比值關(guān)系詳細(xì)分析水化學(xué)成分形成過程中所發(fā)生的水文地球化學(xué)作用。

2.3 灌溉水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

目前，國內(nèi)外專家、學(xué)者對(duì)灌溉水水質(zhì)評(píng)價(jià)已做了大量的研究工作，提出了多種研究方法，主要包括單因子評(píng)價(jià)法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、Wilcox圖解及USSL圖解法等[16-18]。一般僅涉及一種或兩種指標(biāo)，所得結(jié)果難以全面反映灌溉水水質(zhì)的整體狀況，為了能夠綜合反映灌溉水水質(zhì)的總體質(zhì)量，本研究綜合多項(xiàng)灌溉水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用模糊物元評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合熵值法所確定的權(quán)重系數(shù)，對(duì)研究區(qū)淺表層與中深層地下水灌溉適宜性進(jìn)行分析，以揭示研究區(qū)灌溉水水質(zhì)的整體狀況。

2.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo) 鈉吸附比(sodium adsorption ratio， SAR)是指示灌溉水或土壤溶液中鈉離子含量的重要參數(shù)，也是衡量灌溉水體引起土壤堿化程度的重要指標(biāo)[19]。SAR值越高，土壤吸附Na+的能力越強(qiáng)，從而破壞土壤結(jié)構(gòu)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使土壤滲透性變差，導(dǎo)水能力也隨之降低[20-21]，其計(jì)算公式為：

(1)

式中，所有離子單位均為meq/L。

灌溉系數(shù)Ka是指土層上有某一水層，全部蒸發(fā)后留下的鹽類，能使1.2 m土層積鹽，使大多數(shù)作物不能生長，這個(gè)水層厚度即為灌溉系數(shù)[22]。它是根據(jù)堿類對(duì)40種作物的最大危害以及鈉鹽的相對(duì)危害性的試驗(yàn)中得出來的。灌溉系數(shù)Ka是根據(jù)鈉離子與氯離子、硫酸根的相對(duì)含量來評(píng)價(jià)灌溉水體水質(zhì)的，但其忽略了全鹽的作用。其計(jì)算公式為：

(2)

當(dāng)?shù)叵滤蠳a+含量較高時(shí)，地下水中Na+會(huì)交換黏土顆粒吸附的Ca2+和Mg2+，導(dǎo)致土壤滲透性降低，導(dǎo)致土壤水分運(yùn)移受阻，影響作物生長[23-24]。Na%可以用來衡量灌溉水體引起土壤堿害的風(fēng)險(xiǎn)大小，Na%值越大，引起土壤堿害的風(fēng)險(xiǎn)性越大。其計(jì)算公式為：

(3)

綜合選取水樣總礦化度TDS、鈉吸附比SAR、易溶性鈉百分比Na%、灌溉系數(shù)Ka及Cl-作為灌溉水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)[25-26]，將灌溉水體水質(zhì)由好到差分別定義為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ級(jí)4個(gè)等級(jí)。由于低優(yōu)指標(biāo)(TDS，SAR，Na%,Cl-)與高優(yōu)指標(biāo)(Ka)共存，因此需要對(duì)Ka取倒數(shù)進(jìn)行歸一化處理(表1)。

表1 研究區(qū)灌溉水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及歸一化后分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2 基于熵權(quán)的模糊物元評(píng)價(jià)模型 在物元分析中所描述的事物M及其特征C和量值c組成物元R=(M,C,x)。其中，量值x具有模糊性，稱其為模糊物元。若事物M有n個(gè)特征c1,c2,…,cn及其相應(yīng)的量值x1,x2,…,xn，則R稱為n維模糊物元[27-28]。若m個(gè)事物的n維物元組合在一起便構(gòu)成m個(gè)事物的n維復(fù)合模糊物元Rmn。記作：

(4)

式中：Rmn——m個(gè)事物的n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的復(fù)合物元；Mi——第i個(gè)事物(i=1,2,…,m)；Ck——第k個(gè)特征(k=1,2,…,n)；xik——第i個(gè)事物第k項(xiàng)特征對(duì)應(yīng)的模糊量值。

模型的建立過程如下：

(1) 構(gòu)建復(fù)合模糊物元。對(duì)36個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建立40個(gè)樣品5個(gè)指標(biāo)的復(fù)合模糊物元Rmn。

(2) 根據(jù)越大越優(yōu)原則(γik/xik/maxxik)，構(gòu)建從優(yōu)隸屬度模糊物元Rmn′[29-30]。

(5)

式中：γik——從優(yōu)隸屬度；xik——第i個(gè)事物第k項(xiàng)特征對(duì)應(yīng)的模糊量值； maxxik——各事物中每一項(xiàng)特征所有量值xik中的最大值。

(3) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模糊物元Rs和從優(yōu)隸屬度模糊物元Rmn′構(gòu)建差平方模糊復(fù)合物元RΔ。標(biāo)準(zhǔn)模糊物元是從優(yōu)隸屬度模糊物元Rmn′中的最大值或最小值，本文以最大為最優(yōu)，因此各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)模糊物元均為1。

若Δij(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)表示標(biāo)準(zhǔn)模糊物元與復(fù)合從優(yōu)隸屬度模糊物元Rmn′中的各項(xiàng)差的平方，則組成差平方復(fù)合模糊物元RΔ，其中Δij=(γ0j-γij)2，(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)，則

(6)

(4) 確定歸一化判斷矩陣。建立m個(gè)事物n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣B=(xij)mn(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)，并做歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣B′

(7)

式中：xmax,xmin——同指標(biāo)不同事物中的最滿意者或者最不滿意者。

(5) 計(jì)算各指標(biāo)的熵Hi與熵權(quán)W[31]:

(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)

(8)

定義了第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵之后，可得到第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)定義W=(ωi)1×n

(6) 計(jì)算貼近度ρHj。貼近度是指被評(píng)價(jià)樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品之間的相互接近程度，其值越大表示兩者越接近，反之則相離較遠(yuǎn)[32]。本文采用歐氏貼近度ρHj作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而建立貼近度復(fù)合模糊物元RρH

(9)

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水水化學(xué)特征

3.1.2 礦化度 地下水總礦化度(TDS)是指地下水中所含有的各種離子、分子以及化合物的總量，是區(qū)分地下咸水、淡水的重要依據(jù)。由圖2可以看出，地下水取樣深度<20 m時(shí)，其礦化度較低，一般在500～1 000 mg/L，當(dāng)取樣深度>20 m時(shí)，地下水礦化度取樣深度的增大逐漸升高，最高達(dá)到2 800 mg/L。其原因，一方面是交替緩慢的中深層地下水，不斷溶慮砂泥巖地層中鈣芒硝結(jié)核及薄層石膏，另一方面，是由于深部位微承壓性鹽鹵水向上越流，發(fā)生混合作用所致。

表2 研究區(qū)地下水水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)特征值 mg/L

圖2 研究區(qū)地下水礦化度隨取樣深度變化

3.1.3 水化學(xué)類型 根據(jù)淺表層與中深層地下水中主要離子組分含量，繪制Piper圖，由圖3可以看出，淺表層地下水水樣中堿土金屬離子含量高于堿金屬離子，而在中深層地下水中，部分水樣的堿金屬離子含量高于堿土金屬離子，說明研究區(qū)地下水由淺表層至中深層，地下水優(yōu)勢(shì)陽離子逐漸由Ca2++Mg2+轉(zhuǎn)化為K++Na+。由Piper圖還可以看出，淺表層地下水水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca，HCO3-Ca·Mg型，中深層地下水水化學(xué)類型主要為HCO3-Na·Ca，HCO3·SO4-Ca·Mg，SO4-Na·Ca型，由淺表層至中深層，地下水水化學(xué)類型發(fā)生明顯變化。

3.2 水文地球化學(xué)作用

由Gibbs分布圖(圖4)可以看出，影響淺表層與中深層地下水水化學(xué)成分的主要因素是巖石風(fēng)化作用，但中深層地下水水化學(xué)成分更趨向于海水的特性，這說明中深層地下水受到源于海相沉積的深層鹵水的混合作用影響。

圖3 研究區(qū)淺表層與中深層地下水水樣Piper圖(%)

圖4 研究區(qū)地下水水化學(xué)控制機(jī)制

圖5 研究區(qū)主要離子成分比值關(guān)系

3.3 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)研究區(qū)灌溉水體水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)(TDS，SAR，Na%，Cl-，Ka)，對(duì)36個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(淺表層、中深層)和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建立40個(gè)樣品5個(gè)指標(biāo)的復(fù)合模糊物元，結(jié)合熵值法確定的各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，計(jì)算得到各水樣(淺表層、中深層)的貼近度，并與灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的貼近度進(jìn)行比較，劃分各水樣的灌溉水質(zhì)級(jí)別(表3)。由表3可知，從主要離子組分含量角度分析，簡陽地區(qū)所有淺表層地下水屬于Ⅰ級(jí)水，水質(zhì)良好，適宜用做灌溉水源。50%的中深層地下水屬于Ⅱ級(jí)水，水質(zhì)一般，易造成土壤鹽堿災(zāi)害，不宜長期用于農(nóng)業(yè)灌溉。綜合分析淺表層與中深層地下水評(píng)價(jià)結(jié)果，可看出簡陽地區(qū)地下水水質(zhì)由淺至深逐漸變差，淺表層地下水較中深層更適于農(nóng)業(yè)灌溉，農(nóng)業(yè)水資源利用適宜淺井開采。

表3 研究區(qū)各樣本貼近度與評(píng)價(jià)結(jié)果表

4 結(jié) 論

簡陽地區(qū)是川中紅層干旱區(qū)的典型代表，川中紅層區(qū)地下水水化學(xué)特征呈現(xiàn)明顯的垂直分帶現(xiàn)象。本文以簡陽地區(qū)為例，系統(tǒng)分析了其地下水水化學(xué)特征及形成機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其淺表層與中深層地下水進(jìn)行灌溉適宜性評(píng)價(jià)。

(1) 研究區(qū)地下水礦化度隨深度增加而明顯升高，淺表層主要分布淡水，中深層主要為微咸水。由淺至深，地下水水化學(xué)類型也發(fā)生明顯變化，淺表層地下水主要為HCO3-Ca，HCO3-Ca·Mg型，中深層主要為HCO3-Na·Ca，HCO3·SO4-Ca·Mg，SO4-Na·Ca型。

(2) Gibbs圖揭示了控制淺表層與中深層地下水水化學(xué)成分的主要因素是巖石風(fēng)化作用。主要離子比值關(guān)系揭示了淺表層與中深層地下水水化學(xué)成分受到巖鹽、方解石、石膏、硅酸鹽礦物的溶解及陽離子交替吸附作用的影響。部分淺表層地下水受人類活動(dòng)影響比較明顯；中深層地下水受深層鹽鹵水越流混合作用影響較明顯。

(3) 水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，淺表層地下水水質(zhì)良好，適宜用做灌溉水源，由淺至深，地下水水質(zhì)逐漸變差，中深層地下水不宜長期用于農(nóng)業(yè)灌溉。