甘肅黃土高原區(qū)淤地壩水質(zhì)時空分布特征研究

王 英，秦 力，馬成祥，高 佳，楊鵬飛

(甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

淤地壩是黃土高原區(qū)人民在長期同水土流失斗爭實踐中創(chuàng)造的一種既能攔截泥沙[1]、保持水土，又能淤地造田、增產(chǎn)糧食的水土保持工程措施。淤地壩在工程運行前期，可作為水源工程，解決當?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，對水資源缺乏的黃土高原干旱、半干旱地區(qū)的群眾生產(chǎn)、生活條件改善發(fā)揮了重要作用。為緩解黃土高原地區(qū)水資源短缺現(xiàn)狀，提高淤地壩工程水資源利用效率，蘭立軍等[2]初步探討了黃土高原淤地壩工程水資源利用模式，提出攔蓄灌溉、雨水蓄集及地表水和地下水聯(lián)合利用3種模式。朱芷等[3]以黃土丘陵區(qū)榆林溝淤地壩系為例，提出了應構(gòu)建優(yōu)勢農(nóng)業(yè)主導模式的田園綜合體，以及圍繞現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、休閑旅游、田園社區(qū)營造淤地壩系田園綜合體的建設思路。高雅玉等[4]通過分析認為半干旱區(qū)淤地壩建設的傳統(tǒng)目標主要是攔沙和淤地造田，近年來流域水土流失綜合治理成效顯著，水土流失量減少，造成很多壩系達到設計淤積年限后仍然未淤滿具有攔蓄利用雨洪水資源的潛力。吳曉等[5]對甘肅省淤地壩建設現(xiàn)狀與蓄水利用潛力進行分析。淤地壩在工程運行前期或達到設計年限仍未淤滿，具有提供水資源灌溉的潛力。但淤地壩水質(zhì)如何，灌溉后是否會引起土壤鹽堿化？為探究淤地壩水質(zhì)現(xiàn)狀，需要深入分析水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。水質(zhì)數(shù)據(jù)具有多指標、多點位的特點，且水質(zhì)指標之間存在相關性與重疊現(xiàn)象[6]。主成分分析(PCA)作為多元統(tǒng)計方法，廣泛用于研究河流水質(zhì)變化特征和污染源識別，為國內(nèi)外學者廣泛使用[7]。Ran等[8]綜合運用了CA、PCA和DA對三峽庫區(qū)古夫河進行水質(zhì)時空特征分析，提取出主導古夫河水質(zhì)變化的水質(zhì)因子；劉賢梅等(2019)[9]運用主成分分析法(PCA)分析了貴州省張維河水質(zhì)時空分布特征；國外學者運用多元分析法分析了西班牙Pisuerga河[10]以及韓國Nakdong河[11]水質(zhì)時空變化特征。淤地壩水質(zhì)中涉及溫度、pH、微生物、微量元素等指標較多且復雜，運用主成分分析法能夠清晰地識別影響水體水質(zhì)變化的主導因子。因此本文以甘肅黃土高原區(qū)淤地壩為例對淤地壩水質(zhì)進行測定，采用主成分分析法研究淤地壩水質(zhì)各相關因素時空分布特征，確定主導水體變化的環(huán)境因子，同時監(jiān)測淤地壩水灌溉后的土壤鹽分變化，分析淤地壩水質(zhì)對土壤質(zhì)地的影響，為利用淤地壩攔蓄雨水發(fā)揮水資源灌溉功能提供科技支撐。

1 研究區(qū)域

1.1 研究區(qū)淤地壩概況

本淤地壩群共有4座淤地壩，坐落于甘肅省定西市安定區(qū)秦嵐山鄉(xiāng)大坪村，屬小型壩，建于1950年。3#壩已基本淤滿，1#壩水深1m，2#壩水深5m，4#壩水深5m。2#壩、4#壩已達到設計淤積年限后仍然未淤滿，具有攔蓄雨水提供灌溉水資源的能力。大坪村擁有現(xiàn)代蔬菜種植產(chǎn)業(yè)，近年來，2#淤地壩和4#淤地壩作為灌溉基礎條件發(fā)揮了重要作用。因此，本研究針對1#壩、2#壩和4#壩進行水質(zhì)監(jiān)測分析。

1.2 水質(zhì)采樣及分析方法

本研究按照3座淤地壩地形地貌設立了3個水質(zhì)監(jiān)測點位，進行了為期1年的水質(zhì)監(jiān)測，每月測量1次。選取了16項基本控制水質(zhì)指標進行測定，包括水溫、pH、懸浮物、化學需氧量、五日生化需氧量、硫化物、陰離子表面活性劑、全鹽量、氯化物、總汞、鉛、鎘、總砷、六價鉻、類大腸菌群、蛔蟲卵數(shù)；選取11項農(nóng)田灌溉水質(zhì)選擇性控制指標氟化物、氰化物、石油類、揮發(fā)酚、三氯已醛、硼、苯、銅、鋅、硒、丙烯醛按季度進行監(jiān)測。按照GB 5084—2021《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》推薦的方法進行測定。2022年4—7月在定西市安定區(qū)青嵐山鄉(xiāng)大坪村開展利用淤地壩水灌溉芹菜的試驗研究，在每個小區(qū)內(nèi)用土鉆分4層取土(0～10、10～30、30～50、50～70cm)，全鹽量的測定采用土壤水溶性鹽總量的測定法，土壤電導率的測定采用電極法測定。數(shù)據(jù)采用主成分分析法和origin軟件進行統(tǒng)計分析。

2 試驗結(jié)果

2.1 相關性分析

16項基本控制水質(zhì)指標中去除8項未檢出數(shù)據(jù)項，8項為有數(shù)據(jù)項，分別為水溫、pH、懸浮物、化學需氧量、五日生化需氧量、全鹽量、總砷和氯化物。通過對8項指標進行相關性分析(見表1—3)，1#壩水溫和pH正相關，化學需氧量、五日生化需氧量、全鹽量兩兩正相關，P<0.01相關性顯著?；瘜W需氧量、五日生化需氧量和氯化物兩兩正相關，相關性水平較顯著P<0.05；全鹽量和氯化物相關性顯著。2#壩pH和全鹽量相關性較顯著，化學需氧量、五日生化需氧量、全鹽量兩兩正相關，相關性水平顯著；全鹽量和氯化物相關性顯著。4#壩pH和氯化物相關性較顯著，化學需氧量和五日生化需氧量正相關，相關性水平顯著；全鹽量和氯化物相關性顯著。

表1 1#壩基本控制指標的相關性分析表

表2 2#壩基本控制指標的相關性分析

表3 4#壩基本控制指標的相關性分析

由此說明，1#壩水溫影響水中的pH，1#壩庫容小且接近淤滿，蓄積水量少，水中的全鹽量和氯化物對水中的需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)都有影響，且全鹽量影響較大；2#壩含鹽量高，對壩的pH影響較大，全鹽量對需氧量、五日生化需氧量影響較大，4#壩氯化物含量高，對壩的pH影響較大，氯化物對需氧量、五日生化需氧量影響較大。3個淤地壩中的氯化物是影響全鹽量的主要因素。

2.2 主成分分析

利用SPSS軟件對3個淤地壩主要指標數(shù)據(jù)進行主成分分析，按照特征值大于1的原則，提取了影響水質(zhì)變化的主成分[12]，如表4所示，1#壩的第一主成分貢獻率最大，占50.47%，主要影響因子是化學需氧量、五日生化需氧量和全鹽量。淤地壩水中的鹽類含量高，導致水中溶解氧不足以滿足菌種自身代謝，降低了化學需氧量、五日生化需氧量的處理效率；2#壩的主成分有4個，第1主成分為pH、全鹽量和氯化物，第2主成分為化學需氧量、五日生化需氧量，說明2#壩全鹽量和氯化物含量高，影響最大的是pH值，其次為化學需氧量、五日生化需氧量；3#壩的主成分有3個，第1主成分為pH、全鹽量和氯化物，第2主成分為水溫、化學需氧量和五日生化需氧量，說明3#壩全鹽量和氯化物含量高，影響最大的是pH值，其次為化學需氧量、五日生化需氧量。

表4 1#壩、2#壩、3#壩主成分分析表

2.3 水質(zhì)超標分析

3座淤地壩27項實測指標對照GB 5084—2021限值，全鹽量、氯化物和硼3項指標超出標準值。如圖1所示，3座淤地壩的全鹽量隨時間呈波動趨勢，2#壩和4#壩超出標準值，1#壩未超標，全年都低于標準值；4#壩超標嚴重，最大時為12064mg/L，是標準值的6倍；2#壩最大值為5028mg/L，是標準值的2.5倍。

圖1 3座淤地壩全鹽量隨時間變化圖

如圖2所示，2#和4#淤地壩的氯化物隨時間呈波動趨勢，1#壩變化不明顯。2#壩和4#壩只有1個月未超標，其他月份都超出標準值，1#壩始終未超標，全年都低于標準值；4#壩超標嚴重，最大時為3456mg/L，約為標準值的10倍；2#壩最大值為1324mg/L，是標準值的3.8倍。淤地壩由于多年蓄積雨水，蒸發(fā)量大，鹽分集聚，日積月累造成全鹽量和氯化物含量超標。

圖2 3座淤地壩氯化物隨時間變化圖

如圖3所示，2#和4#淤地壩的硼含量隨季節(jié)呈波動趨勢，1#壩變化不明顯。2#壩只在7月份超出標準值，其他都在正常范圍內(nèi)；4#壩始終都超出標準值，且最大值為4.9mg/L，是標準值的1.6倍。硼超標是由于淤地壩周圍種植蔬菜施用硼肥后隨降雨匯集到淤地壩內(nèi)，造成硼含量超標。

圖3 3座淤地壩硼指標隨時間變化圖

2.4 淤地壩水灌溉后土壤鹽分變化

淤地壩在工程運行前期或達到設計年限仍未淤滿可所為水源工程，用于灌溉或水產(chǎn)養(yǎng)殖等，但淤地壩灌溉后是否會引起土壤鹽堿化？李璐霞[13]研究分析淤地壩土壤鹽堿化的特征及其影響因素并提出相應防治措施。趙慧等[14]采用統(tǒng)計學方法和冗余分析方法，探討研究區(qū)土壤鹽分含量的季節(jié)變化特征。本文就此開展了利用淤地壩水灌溉芹菜的試驗研究，分析土壤鹽分的變化特征。芹菜生育期灌水后用土鉆分4層取土樣(0～10、10～30、30～50、50～70cm)，測定土壤電導率和全鹽量。如圖4—5所示，土壤電導率和全鹽量隨灌水時間呈微增長的趨勢，表層土壤表現(xiàn)明顯；表層土壤0～10、10～30cm的電導率和全鹽量隨灌水入滲，呈下降上升反復的趨勢。試驗表明表層土壤的含鹽量最高，隨著深度變化，土壤含鹽量越低。這與鹽堿化形成的原因有關，土壤底層或地下水的鹽分隨毛管水上升到地表，水分蒸發(fā)后，鹽分積累在表層土壤中[13]。

圖4 淤地壩水灌溉后土壤電導率變化圖

3 結(jié)論

(1)淤地壩水質(zhì)主成分分析得出，全鹽量、氯化物、化學需氧量和五日生化需氧量主導著淤地壩水質(zhì)變化，4個環(huán)境因子之間呈顯著正相關。

(2)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，1#壩水質(zhì)指標正常，未超標；2#壩和4#壩水體中全鹽量、氯化物、硼含量超標，且4#壩超標嚴重；淤地壩水灌溉后土壤電導率和全鹽量呈微增趨勢，表層土壤的含鹽量最高，隨著深度變化含鹽量降低。

(3)研究分析淤地壩水質(zhì)影響因子、時空分布特征及灌溉后土壤鹽堿化程度，可為進一步利用淤地壩攔蓄雨水發(fā)揮水資源灌溉潛力提供科技支撐，緩解黃土高原地區(qū)水資源短缺現(xiàn)狀，助力鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)振興。