烏拉特灌域地下水水化學(xué)離子特征評(píng)價(jià)及來(lái)源分析

袁宏穎，楊樹青，丁雪華，楊新民，王 波

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.烏拉特灌域管理局，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 014400)

地下水既是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，也是影響生態(tài)環(huán)境的重要因素[1]，對(duì)人類生產(chǎn)活動(dòng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展極為重要[2]，因其具有分布廣、水質(zhì)好、不易被污染等優(yōu)勢(shì)，在農(nóng)業(yè)灌溉以及生活用水等方面被廣泛利用[3]。同時(shí)，地下水作為大氣圈、巖石圈物質(zhì)能量交換的紐帶，對(duì)于生態(tài)環(huán)境具有支撐作用[4]，但地下水存在環(huán)境復(fù)雜，污染后治理極為困難[5]。

地下水化學(xué)特征作為地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要組成部分，是外界環(huán)境與地下水長(zhǎng)期相互作用形成的[6,7]，既能用于闡明地下水起源，又能為開發(fā)利用和管理地下水資源提供依據(jù)[8,9]。對(duì)于合理利用及科學(xué)管理地下水具有極其重要的意義。地下水化學(xué)組成不僅受地形條件、地質(zhì)地貌的影響，人類活動(dòng)及氣候條件也會(huì)使其含量發(fā)生巨大的變化。目前，地下水化學(xué)特征研究已成為學(xué)界討論的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究者主要大多采用統(tǒng)計(jì)分析、Durov圖或同位素示蹤、離子比例系數(shù)等方法[10-12]，對(duì)流域[13-16]、城市[17-19]、礦區(qū)[20-22]等不同地區(qū)地下水化學(xué)特征進(jìn)行研究，本文以地處中國(guó)北方半干旱地區(qū)且土壤鹽漬化極其嚴(yán)重的烏拉特灌域?yàn)檠芯繉?duì)象，從地下水化學(xué)的角度綜合探討鹽漬化灌區(qū)農(nóng)田地下水組成、分布及來(lái)源，為半干旱地區(qū)大型灌區(qū)地下水環(huán)境保護(hù)、地下水污染治理、地下水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、地下水資源合理開發(fā)利用、保證農(nóng)作物產(chǎn)量及當(dāng)?shù)鼐用裼盟踩峁┛茖W(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏拉特灌域(40°27′39″E～41°10′15″E，108°06′12″N～109°39′43″N)位于內(nèi)蒙古西部，河套灌區(qū)最東端，總控制面積約4 400 km2。南部有黃河流過(guò)，東北部與烏梁素海相毗鄰，東南方向有烏拉山隆起并綿延向西，灌域坡降平緩，總體呈西高東低、南高北低走勢(shì)。

灌域?qū)俚湫偷臏貛Т箨懶詺夂?，降雨少而蒸發(fā)大，年平均降雨量約為270 mm，年平均蒸發(fā)量約為2 380 mm，氣溫7.9 ℃，風(fēng)速6.64 m/s，日照時(shí)數(shù)3 187 h[23,24]。

灌域地處平原地帶，主要以農(nóng)業(yè)為主，有少量畜牧業(yè)和小型工業(yè)，其主要作物有玉米、葵花、西葫蘆、枸杞等，是我國(guó)重要糧食產(chǎn)地之一。

1.2 采樣及測(cè)定

圖1 研究區(qū)地理位置及地下水采樣點(diǎn)Fig.1 Geographic location of the study area and distribution of the groundwater sampling sites

表1 烏拉特灌域地下水測(cè)定項(xiàng)目及方法Tab.1 The measurement items and methods of Wulate irrigation groundwater

測(cè)定項(xiàng)目測(cè)定方法pH玻璃電極法Ca2+、SO2-4及Mg2+EDTA滴定法HCO-3、CO2-3酸滴定法Cl-硝酸銀滴定法Na+、K+火焰原子吸收分光光度法

1.3 研究方法

Piper三線圖由Pipre于1944年提出，是目前較為常用的將水化學(xué)成分進(jìn)行分類的方法，可以簡(jiǎn)單直觀的判斷地下水化學(xué)組成及分布，體現(xiàn)其化學(xué)組成特征從而確定其控制單元。三線圖由兩個(gè)等腰三角形和一個(gè)菱形組成，下方三角形分別代表陰、陽(yáng)離子的每升毫克當(dāng)量的百分?jǐn)?shù)，上方菱形里的點(diǎn)是由下方兩三角形內(nèi)溶解物質(zhì)的相對(duì)濃度平行于三角形的邊作射線的交點(diǎn)，可以反映地下水陰、陽(yáng)離子的相對(duì)成分及總化學(xué)性質(zhì)，同時(shí)判斷其主要水化學(xué)類型組成。

20世紀(jì)50年代從前蘇聯(lián)引進(jìn)的舒卡列夫分類法，可以清楚地反映其水化學(xué)組成類型，它主要根據(jù)礦化度和6種主要離子濃度進(jìn)行劃分，將毫克當(dāng)量大于25%的離子進(jìn)行組合，共分成49種類型，又根據(jù)礦化度大小分為A(<1.5 g/L)、B(1.5～10 g/L)、C(10～40 g/L)、D(>40g/L)4種類型。本文運(yùn)用該方法與上述piper三線圖相結(jié)合，判斷研究區(qū)地下水主要水化學(xué)組成類型。

綜合危害系數(shù)法是綜合利用全鹽量和鈉吸附比兩個(gè)參數(shù)，評(píng)價(jià)地下水質(zhì)的方法，可以全面反應(yīng)鹽害、堿害，計(jì)算公式如下：

K=12.4M+SAR

(1)

(2)

式中：K為綜合危害系數(shù)，無(wú)量綱；M為全鹽量，g/L；SAR為鈉吸附比，無(wú)量綱。

按綜合危害系數(shù)大小將水質(zhì)分為灌溉效果較好的一、二級(jí)水和灌溉效果較差的三、四級(jí)水，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 綜合危害系數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation standard of comprehensive hazard coefficient

Pearson相關(guān)系數(shù)可用來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)變量集合間的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大，相關(guān)性越強(qiáng)；相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近于0，相關(guān)性越??；相關(guān)系數(shù)越接近于1，二者變化情況越一致。對(duì)烏拉特灌域地下水進(jìn)行相關(guān)性分析，可以由此判斷各離子的來(lái)源的一致性與差異性[22]。

2 結(jié)果與討論

2.1 含量特征

表3 烏拉特灌域地下水化學(xué)特征值分析

注：①標(biāo)準(zhǔn)值為《中華人民共和國(guó)農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB5084-2005)》。

2.2 空間分布規(guī)律

利用ArcGIS10.3以地統(tǒng)計(jì)學(xué)克里格插值繪制烏拉特灌域地下水pH、TDS空間分布圖，結(jié)果顯示，烏拉特灌域地下水總體顯堿性，整體呈現(xiàn)塔布沙拉村以東高于塔布沙拉村以西的狀況，局部區(qū)域呈現(xiàn)斑點(diǎn)狀高值區(qū)，蘆官壕村和紅衛(wèi)村附近地下水pH最高，主要原因是人類活動(dòng)的空間差異導(dǎo)致其pH出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的空間分布[26](圖2)。

圖2 烏拉特灌域地下水pH分布特征情況Fig.2 Wulate irrigation groundwater pH distribution

TDS呈階梯狀分布，由西向東北、東南方向遞減，高值區(qū)主要分布在西部的東土城村和乃馬岱村附近，塔布沙拉村周圍地區(qū)次之，灌域東北角紅衛(wèi)村周圍稍低，中部慶華村至灌域東北角及灌域東部新民村往東至邊界最低，整體看來(lái)，烏拉特灌域地下水TDS空間變異性明顯且差距較大(圖3)。主要原因一方面是由于夏季干旱炎熱、蒸發(fā)強(qiáng)烈，在毛細(xì)作用下，水化學(xué)組分不斷向地表運(yùn)移并在土壤中富積，而烏拉特灌域的主要引水渠在乃馬岱村附近相匯，由于渠道滲漏淋洗土壤中化學(xué)組分進(jìn)入地下水，使該地區(qū)TDS明顯高于其他地區(qū)。另一方面，有研究表明[27]，灌域東南部屬于烏拉山隆起的構(gòu)造侵染聚集帶，而東北部屬于地下水流動(dòng)極其緩慢的滯留聚集區(qū)，前者地下水受斷裂構(gòu)造涌出的深層鹽鹵水影響，TDS值總體高于滯留聚集區(qū)，這也與本研究結(jié)果較為一致。

圖3 烏拉特灌域地下水TDS分布特征情況Fig.3 Wulate irrigation groundwater TDS distribution

2.3 水化學(xué)組成類型及評(píng)價(jià)

圖4 烏拉特灌域地下水主要離子piper圖Fig.4 Piper diagram of Wulate irrigation groundwater

表4 烏拉特灌域地下水化學(xué)類型舒卡列夫分類結(jié)果Tab.4 Shukalev classification results of groundwater chemical type in Wulate irrigation

Piper三線圖相較于舒卡列夫分類法反映的信息更多，且分區(qū)細(xì)致，可直觀反映水化學(xué)類型的組成結(jié)構(gòu)，但判別受人為主觀影響較大，而舒卡列夫分類法可彌補(bǔ)其缺陷，二者結(jié)合使用可迅速直觀地對(duì)地下水化學(xué)類型進(jìn)行分類。

經(jīng)評(píng)價(jià)，烏拉特灌域地下水綜合危害系數(shù)最大值為328.76，最小值為14.73，均值77.88，屬于四級(jí)水質(zhì)的取樣點(diǎn)占比高達(dá)75%，且其中78%為低鈉水(Na+占陽(yáng)離子的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)小于70%)，此類水用于灌溉可能導(dǎo)致土壤鹽化，22%為高鈉水，用于灌溉可能導(dǎo)致土壤堿化，四級(jí)水的綜合危害系數(shù)低的可用于點(diǎn)種，高者則不宜用于灌溉。其余一、二、三級(jí)水均為低鈉水，一級(jí)水適合用于灌溉，二、三級(jí)水易導(dǎo)致土壤鹽堿化，故應(yīng)該適量灌溉(表5)。通過(guò)以上分析并結(jié)合地理位置可知，烏拉特灌域除根廠村、慶華村及樹林子鄉(xiāng)外，其他地下水用于灌溉時(shí)，應(yīng)適當(dāng)控制地下水灌溉用量，以防土壤鹽、堿化加重。

表5 綜合危害系數(shù)法水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Water quality evaluation result of Comprehensive hazard coefficient

2.4 來(lái)源分析及因素探究

圖5 烏拉特灌域地下水化學(xué)Gibbs圖分析結(jié)果Fig.5 Gibbs diagram of Wulate irrigation groundwater

表6 烏拉特灌域地下水TDS與主要離子相關(guān)性分析Tab.6 Correlation analysis of TDS and characteristic Ions of groundwater in Wulate irrigation

離子pHHCO2-3Cl-SO2-4Ca2+Mg2+K++Na+全鹽量TDSpH1.0000.142-0.107-0.169-0.391?-0.142-0.009-0.079-0.059HCO2-31.0000.374?0.466??0.0330.453??0.543??0.578??0.416??Cl-1.0000.724??0.397?0.760??0.935??0.956??0.937??SO2-41.0000.3050.708??0.807??0.854??0.701??Ca2+1.0000.474??0.1590.342?0.461??Mg2+1.0000.652??0.782??0.783??K++Na+1.0000.974??0.862??全鹽量1.0000.911??TDS1.000

注：**在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

圖6 離子比例系數(shù)圖Fig.6 The ions ratio diagram

Gibbs圖可判別地下水化學(xué)組分主要影響因素，相關(guān)分析可確定不同化學(xué)組分來(lái)源的一致性，離子比例系數(shù)可判定蒸發(fā)巖的溶解對(duì)水化學(xué)組成的作用[29]，本文綜合運(yùn)用以上3種方法，對(duì)烏拉特灌域地下水化學(xué)組分的主要來(lái)源進(jìn)行詳細(xì)探究，結(jié)果表明，烏拉特灌域地下水化學(xué)組分主要受蒸發(fā)作用和人類活動(dòng)影響，由于地下水流動(dòng)緩慢，隨著TDS及pH值的變化，各離子間不斷發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生沉淀同時(shí)與土壤中的離子成分進(jìn)行交換，Ca2+、Mg2+等難溶組分先沉淀，導(dǎo)致Na+、Cl-等易溶組分濃度升高。

3 結(jié) 論

(2)研究區(qū)地下水整體呈弱堿性，pH變化范圍為7.27～8.81，部分地區(qū)出現(xiàn)點(diǎn)狀高值區(qū)，主要是由于人類活動(dòng)的空間差異導(dǎo)致的非穩(wěn)態(tài)分布。TDS呈塊狀分布，空間變異性較大，灌域西南部受烏拉山隆起斷裂構(gòu)造的影響，深層鹽鹵水上涌，其TDS含量明顯高于其他地區(qū)。

(4)灌域地下水主要受人類活動(dòng)及蒸發(fā)作用的影響，由于坡降平緩、土壤顆粒細(xì)、地下水流動(dòng)緩慢及蒸發(fā)作用強(qiáng)烈等因素影響，地下水中各離子不斷進(jìn)行交換等反應(yīng)，使其離子濃度發(fā)生變化，同時(shí)受人類灌溉施肥等因素影響。