湔江沖洪積扇地下水氮分布特征及灌溉用水適宜性評價(jià)

唐金平，胡 漾，張 強(qiáng)，何文君，朱志強(qiáng)，牛佚凡

(1. 成都理工大學(xué)，成都 610059；2. 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，成都 610059; 3. 山西華晉巖土工程勘察有限公司，太原 030021)

0 引 言

湔江沖洪積扇位于成都平原西緣山前地帶，是成都平原8個(gè)中、大型沖洪積扇之一[5]。近年來，湔江沖洪積扇區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)、工業(yè)發(fā)展迅速，迅猛的經(jīng)濟(jì)發(fā)展對地下水的需求日益增加，也意味著人類活動(dòng)對地下水的影響愈加強(qiáng)烈。本文通過采集研究區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)樣品，對地下水中“三氮”的空間分布特征進(jìn)行研究，并對其進(jìn)行飲用水水質(zhì)與灌溉水質(zhì)評價(jià)，為成都平原山前沖洪積扇群，尤其是湔江沖洪積扇區(qū)域內(nèi)的地下水資源開發(fā)與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湔江發(fā)源于彭州市龍門山脈太子城峰西南側(cè)紅龍池與乾龍池，是沱江3大源頭之一。湔江自西北向東南流向，于彭州市穿越龍門山，而后在丹景山鎮(zhèn)進(jìn)入成都平原，全長約139 km。湔江沖洪積扇位于成都平原西北部，自西北向南東傾斜，面積約270 km2，與岷江沖洪積扇、南江沖洪積扇等8個(gè)中、大型山前沖洪積扇相互疊加組成成都平原山前沖洪積扇群。

研究區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源為大氣降水入滲、農(nóng)業(yè)灌溉水入滲、鄰近河渠水入滲以及湔江河谷砂礫石地下徑流入滲等。地下水的徑流受地形條件控制作用明顯，由山前向東南方向徑流，局部受人為開采活動(dòng)影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。地下水的排泄在扇頂與扇中部位以人工開采與向下游徑流排泄，扇緣區(qū)域以人工開采、泉水出露與蒸發(fā)等方式排泄。

研究區(qū)內(nèi)廣泛分布村鎮(zhèn)，土地類型以農(nóng)業(yè)用地為主，零星分布一些以石油化工場地為代表的工礦企業(yè)。地表水系有新開河、新安河支渠、十河子、蒙埝河、馬牧河、小石河、鴨子河。

研究區(qū)地下水埋深為0～20.5 m，地下水開采利用主要為農(nóng)戶分散型淺井開采，村鎮(zhèn)集中供水式開采較少，僅隆豐鎮(zhèn)與丹景山鎮(zhèn)2處集中式開采。分散式開采深度多為5～16 m，少量達(dá)23.5～45 m，集中式開采深度為22～60 m。故本次地下水研究對象均為湔江沖洪積扇區(qū)域上部潛水。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究小組于2018年5月對湔江沖洪積扇區(qū)地下水進(jìn)行野外采集，取樣點(diǎn)分布見圖1。地下水均來自研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉井與居民飲用水井，采樣層位均為上部潛水含水層，共采集地下水樣30組。水樣均使用0.45 μm微孔濾膜過濾后現(xiàn)場封裝并冷藏，在24 h內(nèi)送至實(shí)驗(yàn)室完成檢測。檢測方法均按照國家飲用水水質(zhì)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。分析結(jié)果的準(zhǔn)確性使用Aquachem計(jì)算離子平衡誤差進(jìn)行驗(yàn)證，分析結(jié)果誤差小于5%。

圖1 研究區(qū)概況及取樣分布圖Fig.1 Overview of the study area and sampling distribution

2.2 生活飲用水水質(zhì)評價(jià)方法

研究區(qū)內(nèi)淺層地下水是當(dāng)?shù)鼐用裆铒嬘弥饕膩碓矗叵滤馁|(zhì)量對當(dāng)?shù)鼐用竦纳钌a(chǎn)與健康狀況影響顯著。本文采用基于貝葉斯理論的地下水質(zhì)量評價(jià)方法[6]對研究區(qū)地下水進(jìn)行綜合評價(jià)。貝葉斯評價(jià)方法能夠綜合各指標(biāo)對地下水的影響，給出一個(gè)更為合理地評價(jià)結(jié)果，由于其簡單高效且結(jié)果準(zhǔn)確合理的特點(diǎn)，已有較多的使用[7,8]。地下水各指標(biāo)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848-2017)》以及文獻(xiàn)[9]的方法確定。評價(jià)方法如下：

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式中：G為最終評價(jià)等級；xi為水質(zhì)檢測因子(i=1，2，…，n)；yij為檢測因子i的評價(jià)類型(j=1，2，…，5)；wi為評價(jià)因子對應(yīng)的權(quán)重，采用超標(biāo)倍數(shù)法計(jì)算獲得。

在缺少評價(jià)對象的先驗(yàn)信息的情況下將先驗(yàn)概率P(yi1)視為相等(P(yi1)=…=P(yi5)=0.2)。

2.3 灌溉適宜性評價(jià)方法

鈉吸附比(SAR)引自美國農(nóng)業(yè)部[10]，能夠反映地下水中鈉離子與土壤組分發(fā)生交替吸附作用的相對活度，對地下水的堿化能力具有較好的指示作用。SAR值越高，說明堿化能力越強(qiáng)。

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同理，鈉百分比也是評估農(nóng)業(yè)灌溉適宜性的常用方法[11]。

(7)

Szaboles和Darab提出了鎂危害(MH)，以評估農(nóng)業(yè)灌溉用水的適用性[12]。當(dāng)灌溉水中Mg2+含量達(dá)到某一水平時(shí)，土壤中可能發(fā)生鎂堿化作用，從而影響土壤結(jié)構(gòu)，對作物產(chǎn)生毒害作用。

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3 結(jié)果與分析

3.1 氮含量及空間分布特征

表1 地下水“三氮”含量描述性統(tǒng)計(jì)Tab.1 Descriptive statistics of groundwater “trinitrogen” content

圖2 “三氮”含量空間分布Fig.2 Spatial distribution of the “trinitrogen” content

3.2 飲用水水質(zhì)評價(jià)與分析

選取氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、CODMn、總大腸菌群、鈉、鐵、錳、總硬度、硫酸鹽、氯化物、溶解性總固體等12項(xiàng)指標(biāo)作為評價(jià)指標(biāo)。利用貝葉斯水質(zhì)評價(jià)模型獲得的結(jié)果見表2?？梢钥闯鲣战瓫_洪積扇區(qū)域內(nèi)地下水水質(zhì)狀況均較好，均符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。其中，多數(shù)為Ⅱ、Ⅲ類水，分別占樣本總數(shù)的37%、53%，Ⅰ類水占樣本的 10 %，無Ⅳ類與Ⅴ類水。利用克里金插值法[15]繪制研究區(qū)水質(zhì)評價(jià)分區(qū)示意圖(見圖3)，地下水呈現(xiàn)出扇中優(yōu)于扇頂與扇緣的趨勢。

單指標(biāo)評價(jià)方法能夠直接觀察到地下水中各項(xiàng)指標(biāo)的情況，對單項(xiàng)指標(biāo)的評價(jià)具有積極的意義，同時(shí)能夠?yàn)榫C合評價(jià)結(jié)果提供借鑒。由表3可知，研究區(qū)內(nèi)地下水中部分區(qū)域存在總大腸桿菌群超標(biāo)的現(xiàn)象，其原因是當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)活動(dòng)與牲畜排泄物對淺層地下水造成污染。同時(shí)地下水中“三氮”的含量也較高，亦與人類活動(dòng)密切相關(guān)(化肥、農(nóng)藥與牲畜排泄物等)?？傮w而言，研究區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)狀況較好，得益于沖洪積扇獨(dú)特的含水層結(jié)構(gòu)與快速的循環(huán)更替，為湔江沖洪積扇區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)生活提供了水資源基礎(chǔ)。

表2 地下水水質(zhì)綜合評價(jià)結(jié)果Tab.2 Results of comprehensive evaluation of groundwater quality

圖3 湔江沖洪積扇地下水水質(zhì)等級分區(qū)Fig.3 Groundwater quality grade division of the Jianjiang alluvial fan

表3 單指標(biāo)水質(zhì)評價(jià)結(jié)果Tab.3 Single indicator water quality evaluation

3.3 灌溉水適宜性評價(jià)

鹽度(EC)[16,17]對土壤堿化與農(nóng)作物的生長有著顯著的影響，當(dāng)用高鹽度的地下水進(jìn)行灌溉時(shí)，會(huì)導(dǎo)致土壤硬化，抑制作物的生長。研究區(qū)內(nèi)地下水EC值為315.22～1 429.79 μS/cm，計(jì)算的SAR值為0.34～1.26。為更直觀地對灌溉水質(zhì)進(jìn)行了解，引用美國鹽度實(shí)驗(yàn)室(USSL)灌溉用水分類圖[10,18]，見圖4。研究區(qū)內(nèi)90%的地下水樣處于低SAR中鹽度的水平，10%的地下水樣處于低SAR高鹽度的水平。同時(shí)，反映鹽度與鈉百分比的Wilcox圖[19](見圖5)顯示，研究區(qū)內(nèi)地下水90%的地下水樣屬于非常適合灌溉的類別，10%的地下水屬于適合灌溉類別。

圖4 研究區(qū)地下水灌溉水質(zhì)USSL分類圖Fig.4 USSL classification of groundwater irrigation water quality in the study area

圖5 研究區(qū)地下水灌溉水質(zhì)Wilcox圖Fig.5 Wilcox plot of groundwater irrigation water quality in the study area

一般情況下，鎂離子與鈉離子發(fā)生交換，當(dāng)灌溉水中的鎂離子超過一定限度時(shí)，將可能導(dǎo)致土壤的鎂堿化效應(yīng)，破壞土壤結(jié)構(gòu)，因此鎂危害作用也是灌溉水質(zhì)評價(jià)的重要指標(biāo)[20]。當(dāng)MH>50%時(shí)，地下水則不適合灌溉(見表4)。研究區(qū)內(nèi)地下水MH指數(shù)為10.55%～38.92%，說明適用于農(nóng)業(yè)灌溉。滲透率指數(shù)(PI)值為32.03%～62.14%，在Doneen圖[13]上繪制的PI計(jì)算值表明，所有的地下水樣本均屬于Ⅰ類(見圖6)，即土壤的滲透率100%。

表4 不同分級標(biāo)準(zhǔn)的地下水灌溉適宜性Tab.4 Suitability of groundwater for irrigation based on several classification

圖6 研究區(qū)地下水灌溉水質(zhì)Doneen圖Fig.6 Doneen diagram of groundwater irrigation water quality in the study area

4 結(jié) 論

(2)湔江沖洪積扇地下水“三氮”含量均具有明顯的空間變異性。沖洪積扇北部區(qū)域“三氮”含量明顯高于南部區(qū)域，反映當(dāng)?shù)厝祟惢顒?dòng)的區(qū)域性差異，北部區(qū)域工農(nóng)業(yè)活動(dòng)更為顯著。

(3)基于貝葉斯的綜合水質(zhì)評價(jià)結(jié)果表明湔江沖洪積扇地下水均符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水分別占樣本總數(shù)的10%、37%、53%。根據(jù)鹽度(EC)、SAR、鈉百分比、MH與滲透率指數(shù)(PI)等，研究區(qū)地下水均適用于農(nóng)業(yè)灌溉，但部分水樣存在總大腸桿菌群與硝酸鹽超標(biāo)的問題，應(yīng)引起關(guān)注。

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