暴雨對引黃灌區(qū)土壤與地下水環(huán)境影響研究

李平 張彥 梁志杰 劉鐸 黃仲冬 齊學(xué)斌 李中生

摘要：為了客觀評估特大暴雨對人民勝利渠灌區(qū)土壤與地下水的環(huán)境效應(yīng)，跟蹤研究了2016年7月9-20日特大暴雨降雨過程，分析了暴雨作用下人民勝利渠灌區(qū)典型區(qū)域土壤鹽分及地下水化學(xué)組成的演變特征。結(jié)果表明：與暴雨前相比，暴雨驅(qū)動了80 cm以上根層土壤脫鹽，0-10、10-20、20-30 cm土層土壤鹽分下降明顯，分別較暴雨前降低了63.74%、68. 20%、33.41%;典型區(qū)域暴雨后0-20 cm根層土壤鹽分均值為0.187 9 mS/cm;區(qū)域地下水埋深較暴雨前上升了0.18 m.區(qū)域地下水陽離子水文化學(xué)相的分類類型由暴雨前的鈣一鈉型轉(zhuǎn)化為暴雨后的鈉一鈣型，區(qū)域地下水總?cè)芙庑怨腆w含量較暴雨前增加了24.95%，達(dá)到1 315.09 mg/L，區(qū)域地下水鈉吸附比較暴雨前增加了54.05%.達(dá)到32.94。暴雨驅(qū)動了根層土壤鹽分向下淋溶，導(dǎo)致0- 100 cm根層土壤鹽分呈現(xiàn)“扁平化”分布，由暴雨產(chǎn)生的淋溶補給加劇了地下水作為灌溉水的堿化危害風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：暴雨;井渠結(jié)合灌區(qū);土壤脫鹽率;水化學(xué)待征;鈉吸附比

中圖分類號：X523;TV211.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2020.01.013

隨著全球氣候變暖的持續(xù)發(fā)展，增溫背景下極端氣候事件出現(xiàn)的頻率顯著增大，如夏季高溫、暴雨等[1]。近十多年極端氣候事件造成的直接經(jīng)濟(jì)損失呈指數(shù)上升趨勢，極端氣候事件對生態(tài)環(huán)境的影響及危害更加嚴(yán)峻[2-3].暴雨產(chǎn)生的地表徑流及對地下水補給引起的災(zāi)害風(fēng)險評估、水土流失、面源污染和淺層地下水污染等日益受到關(guān)注[4-7]。人民勝利渠灌區(qū)地處黃淮海平原中西部，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季缺水、干旱，蒸發(fā)強(qiáng)烈，夏季多雨瀝澇嚴(yán)重。賈大林等[8]關(guān)于黃淮海平原水鹽均衡的研究表明，水分支出的25.7%為人海量，大部分以蒸散的形式消耗，假定雨水和引黃水含鹽量分別為0.004%、0.040%，則每年有近0.4億t鹽累積在黃淮海平原中，旱澇和鹽堿已成為制約黃淮海平原農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因子之一。目前關(guān)于不同灌排管理措施、灌溉方式及農(nóng)藝措施等土壤水鹽運移規(guī)律[9-11]，暴雨徑流對地表水水質(zhì)影響[12].硬化下墊面暴雨徑流特征[13]等方面的研究較多，而對于暴雨，尤其是特大暴雨對根層土壤鹽分淋洗及地下水化學(xué)特征影響的研究尚不多見。

河南省人民勝利渠灌區(qū)自1952年開始引黃灌溉.20世紀(jì)50年代末，灌區(qū)“大引、大蓄、大灌”模式導(dǎo)致地下水水位急劇抬升，地下水水位埋深平均值從1952年的3.0 m抬升至1960年的1.3 m，誘發(fā)大面積耕地次生鹽漬化，1961年大約1.88萬hm2耕地受到不同程度鹽堿化的危害[14]。20世紀(jì)60年代初至80年代末，井灌渠補、渠井并用等措施的聯(lián)合運用，在提高供水保證率和灌溉水利用效率的同時，通過調(diào)整引黃水與地下水的用水比例調(diào)控灌區(qū)地下水水位[15]，灌區(qū)鹽堿化問題基本得到根治，灌區(qū)地下水水位埋深控制在2.0 m以下[16-17]。20世紀(jì)90年代以來，該區(qū)年平均降水量僅為550 mm.受全球氣候變化影響，以0.8 mm/a的速度下降。近年來隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，該區(qū)域用水需求大幅增加，農(nóng)業(yè)用水被嚴(yán)重擠占，近Sa渠灌水量僅為多年均值的75.52%。為了滿足農(nóng)業(yè)的正常生產(chǎn)，增加地下水利用成為主要解決途徑之一，地下水堿化[18]、表層土壤積鹽等影響灌區(qū)生態(tài)環(huán)境[19]的問題日益凸顯。

通過跟蹤2016年7月9-20日特大暴雨作用下，人民勝利渠灌區(qū)典型區(qū)域根層土壤鹽分及地下水化學(xué)特征演變特征，探討暴雨對區(qū)域根層脫鹽及地下水環(huán)境的影響，以期為干旱半干旱灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源管理及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)演變的應(yīng)對提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

研究區(qū)位于人民勝利渠灌區(qū)西三干渠控制范圍內(nèi)，面積800 hm2。研究區(qū)多年平均水面蒸發(fā)量1 860 mm.多年平均降水量584 mm.降水量年內(nèi)分布不均，6-9月降水量占全年的70% - 80%。土壤類型為潮土，呈堿性，pH值為8.2 - 9.5.成土母質(zhì)為近代黃河泛濫沉積物，土壤含鹽量用電導(dǎo)率表示，為0.178 -0.746 mS/cm.碳酸鈣含量為6% - 14%.土壤含鹽類型為重碳酸、氯化物一鈣、鈉型。研究區(qū)淺層含水層底板埋深80 -130 m，含水層單層厚8-80 m，總厚44 - 110 m，含水介質(zhì)以上更新統(tǒng)與全新統(tǒng)粗砂、中砂和細(xì)砂為主，層內(nèi)無穩(wěn)定連續(xù)的黏土、亞黏土隔水層[20]。作物種植為一年兩熟、冬小麥/夏玉米輪作模式，該區(qū)域為典型渠井并用區(qū)域，渠井設(shè)施配套良好。用水方式、用水水平基本一致，研究區(qū)工程布置、土壤及地下水監(jiān)測點布置詳見參考文獻(xiàn)[15，21]。

1.1 降水歷時及降水特征

2016年7月9-20日研究區(qū)經(jīng)歷了5次自然降雨有效淋洗過程，降雨量分布見表1，降雨過程線見圖1。典型區(qū)域累計降雨量為307.3 mm.占全年的34.53%.其中日降雨量峰值出現(xiàn)在7月9日，累計降雨量159.9mm.最大降雨時段2：00至13：00累計降雨量154.7mm，其降雨強(qiáng)度達(dá)12.9 mm/h.根據(jù)《降水量等級》（ GB/T 28592-2012）劃分標(biāo)準(zhǔn)，本次降雨為特大暴雨（見圖2）。

1.2 樣品采集與分析

根據(jù)研究區(qū)域面積、渠系分布特點，按照整體性和代表性原則，共布置了土壤監(jiān)測點29個，土壤樣品采集時間為2016年7月7日和30日。每個土壤監(jiān)測點采樣深度分別為0-10、10 - 20、20-30、30-40、40-60、60-80、80 - 100 cm.采用5點采樣法進(jìn)行樣品采集，土壤中全鹽量采用電導(dǎo)法測定，測定其土水質(zhì)量比1：5浸提液電導(dǎo)率值。

按照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（ HJ/T 164-2004）的要求，共布置地下水環(huán)境監(jiān)測點17個，地下水樣品采集時間分別為2016年7月1日和30日。采用定深取樣器現(xiàn)場采集地下水樣品，采樣深度為15 m.每個監(jiān)測點每次采集樣品1 000 mL，樣品采集后及時送檢。pH值采用便攜式pH計法測定，水溶性鹽總量采用電導(dǎo)法測定.K+、Na+、Ca2+、Mg2+濃度采用原子吸收法測定，C02-、HC03、SO2-、Cl-濃度采用離子色譜法測定。

1.3 參數(shù)計算

土壤脫鹽率、地下水鈉吸附比、地下水入滲補給量計算公式為

2 結(jié)果與分析

2.1 暴雨前后土壤鹽分垂向變化特征

典型區(qū)域暴雨前后0-100 cm土層土壤鹽分垂向分布見圖3。暴雨前，一支渠、二支渠、三支渠控制范圍內(nèi)0 - 100 cm土層土壤含鹽量分別為0.191 7 -0.338 3、0.177 0-0.337 4、0.177 5 -0.345 1 mS/cm;區(qū)域土壤鹽分0- 10 cm土層最高、30-40 cm土層最低.40-60 cm土層土壤鹽分逐漸升高、60-100 cm土層土壤鹽分穩(wěn)定在0. 187 9 mS/cm，屬于表聚型鹽分剖面I，型分布）。暴雨后.0-10、10 - 20、20 - 30 cm土層土壤鹽分降低明顯，分別較暴雨前降低了63. 74%、68.20%、33.41%，40 - 80 cm土層土壤鹽分略有降低，降幅為2.79% -8.65%.而80-100 cm土層土壤鹽分略有增大，較暴雨前增大了2.12%。

2.2 暴雨對區(qū)域土壤脫鹽及鹽分空間分布的影響

典型區(qū)域暴雨前后不同土層土壤鹽分含量及脫鹽率見表2。暴雨后，0-10、10 - 20、20 - 30、30 - 40、40 -60、60 - 80、80 - 100 cm土層土壤脫鹽率均值分別為38. 94%、40. 31%、23. 72%、7.09%、7.69%、2.79%、-2.11%;區(qū)域鹽分淋洗以30 cm以上土層土壤為主，特別是一支渠控制范圍60 cm以下土層土壤出現(xiàn)積鹽，60-80、80 - 100 cm土層土壤積鹽率分別為2.75%、11.20%。典型區(qū)域暴雨前后0- 20 cm土壤鹽分空間分布見圖4。暴雨后0 - 20、20 - 40、40 - 60、60 - 80、80 -100 cm根層土壤鹽分（用電導(dǎo)率表示）均值分別為0.187 9、0.167 0、0.173 7、0.183 5、0.193 3 mS/cm，分別較暴雨前降低了39.56%、17.19%、8.38%、2.28%、-2.87%。暴雨后0- 10、10 - 20、20 - 40、40 - 60、60 -80、80 - 100 cm根層土壤鹽分均值標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.028、0.016、0.017、0.018、0.031、0.027， 40 cm以上土層土壤鹽分均值標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著低于暴雨前的，但60cm以下土層土壤鹽分均值標(biāo)準(zhǔn)偏差略高于暴雨前的。

2.3 暴雨對區(qū)域地下水埋深及水化學(xué)特征的影響

典型區(qū)域暴雨前后地下水化學(xué)組成變化情況見表3。區(qū)域地下水埋深監(jiān)測結(jié)果表明，暴雨后區(qū)域平均地下水埋深為12.71 m，地下水水位較暴雨前上升了0.18m，據(jù)此估算由暴雨產(chǎn)生的地下水入滲補給量達(dá)14.46萬m3。根據(jù)水文化學(xué)相的分類標(biāo)準(zhǔn)21]，暴雨前后區(qū)域地下水類型分別為HCO：、Cl- - Ca2+、Na+型和Cl-、S042- -Na+、Ca2+型，Na+、HCO：和Cl-濃度分別為暴雨前的1.47倍、1.38倍、1.12倍。暴雨前后區(qū)域地下水鈉吸附比分別為21.38、32.94，暴雨后較暴雨前增加了54.05%。暴雨前后區(qū)域地下水總?cè)芙庑怨腆w含量分別為1 052.41、1 315.09 mg/L，暴雨后較暴雨前增加了24.95%。

3 討論

3.1 暴雨后區(qū)域根層土壤鹽分淋洗特征

暴雨前典型區(qū)域0- 10 cm表層土壤含鹽量最高，達(dá)到0.419 1 mS/cm.暴雨后典型區(qū)域0- 10 cm表層土壤含鹽量極值僅為0.253 9 mS/cm，暴雨前后0-100cm土層土壤含鹽量標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.059、0.017，表明暴雨驅(qū)動了根層土壤鹽分的垂向淋洗，導(dǎo)致土壤鹽分垂向分布的“扁平化”[ 23-24]：暴雨前典型區(qū)域0 - 20cm根層土壤鹽分均值大于0.32 mS/cm（折合土壤含鹽量1.50 g/kg[22]）的區(qū)域面積占28.96%，暴雨后典型區(qū)域0-20 cm根層土壤鹽分均值均小于0.32 mS/cm.表明暴雨顯著抑制了土壤鹽分的表聚、有效緩解了表層土壤鹽漬化的風(fēng)險[25]。此外，一支渠、二支渠、三支渠控制范圍0 - 100 cm土層土壤平均脫鹽率分別為24.59%、25.51%、28.93%，且二支渠、三支渠控制范圍土壤脫鹽深度均超過100 cm，但需要注意的是，一支渠控制范圍60-100 cm土層土壤脫鹽率為負(fù)值，表明60 cm以上土層淋洗鹽分在下層土壤累積，這主要是土壤空間異質(zhì)性、交換性鈉百分比和鹽基鹽分組成導(dǎo)致根層土壤脫鹽深度的差異[26]。

3.2 暴雨對區(qū)域地下水入滲補給量與水環(huán)境的影響

暴雨后區(qū)域地下水水位上升了0.18 m.地下水入滲補給量達(dá)到14.46萬m3.7月9-20日區(qū)域累計降雨量為245. 84萬m3，地下水入滲補給量占降雨量的5.88%.表明暴雨對區(qū)域淺層地下水具有強(qiáng)烈的補給效應(yīng)[27-28]。暴雨前地下水陽離子水文化學(xué)相的分類類型為鈣一鈉型，暴雨后地下水陽離子水文化學(xué)相的分類類型轉(zhuǎn)化為鈉一鈣型，暴雨后區(qū)域地下水鈉吸附比均值高達(dá)32.94.明顯高于農(nóng)業(yè)灌溉水堿化危害程度分級臨界值，堿化級別達(dá)到S4、堿化危害程度為非常高。地下水中總?cè)芙庑怨腆w含量較暴雨前增加了24.95%.陽離子中Na+含量為暴雨前的1.47倍，陰離子中HC03、Cl-濃度分別為暴雨前的1.38倍、1.12倍，這主要是Na+、HC03、Cl-等易交換性鹽基離子在水解作用下，隨暴雨淋溶入滲到地下水中，增加了地下水中Na+、HC03、Cl-等的濃度和地下水中可溶性固體含量[29-30]，表明暴雨淋洗是驅(qū)動根層土壤Na+遷移到地下水和地下水劣變的主要因素，且暴雨后地下水作為灌溉水源的堿化危害程度非常高，不適宜作為灌溉水源，因此暴雨對淺層地下水環(huán)境影響顯著。

4 結(jié)論

（1）暴雨驅(qū)動了根層土壤脫鹽，區(qū)域0- 100 cm土層土壤綜合脫鹽率達(dá)到26.35%，此外暴雨后0- 100cm土層土壤含鹽量的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.017.僅為暴雨前的28. 81%，導(dǎo)致0- 100 cm根層土壤鹽分分布的“扁平化”。

（2）暴雨對地下水的入滲補給強(qiáng)烈，區(qū)域地下水入滲補給量達(dá)到14.46萬m3.由于暴雨對根層土壤鹽基離子的水解作用，區(qū)域地下水陽離子水文化學(xué)相的分類類型由暴雨前的鈣一鈉型轉(zhuǎn)變?yōu)楸┯旰蟮拟c一鈣型，暴雨后區(qū)域地下水總?cè)芙庑怨腆w含量和鈉吸附比分別為暴雨前的1.25倍、1.54倍，暴雨后地下水作為灌溉水的堿化危害級別為S4、堿化危害程度非常高。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】

收稿日期：2019- 06- 20

基金項目：農(nóng)田精準(zhǔn)控制灌溉技術(shù)合作研究（ FIRI2019-05-02）;農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管專項（GJFP2019036）;國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0800403）：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項目（ CAAS-ASTIP）

作者簡介：李平（1979-），男，河南信陽人，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)水環(huán)境風(fēng)險評估研究工作

通信作者：齊學(xué)斌（1963-），男.陜西西安人，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置方面的研究工作