青銅峽灌區(qū)排水溝—地下水水化學(xué)特征及轉(zhuǎn)換關(guān)系分析

孫玉芳，海晶，金曉媚，趙志鵬，李洪波，朱薇

青銅峽灌區(qū)排水溝—地下水水化學(xué)特征及轉(zhuǎn)換關(guān)系分析

孫玉芳1,2，海晶3，金曉媚1*，趙志鵬2，李洪波2，朱薇2

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，銀川 750026；3.寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)局，銀川 750021）

【目的】分析青銅峽灌區(qū)淺層地下水與排水溝的水化學(xué)和同位素特征，揭示地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)換?！痉椒ā烤C合運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Gibbs模型、Piper圖、Schoeller圖、陽(yáng)離子交替吸附作用圖等方法，系統(tǒng)分析排水溝水及周圍淺層地下水的水化學(xué)特征，探討排水溝與周圍淺層地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系。【結(jié)果】排水溝水總體呈弱堿性或堿性，TDS在休灌期大于灌期；淺層地下水TDS在休灌期和灌期差別不大，但都明顯大于排水溝。排水溝和淺層地下水陽(yáng)離子：Na+>Ca2+>Mg2+>K+，陰離子：Cl->SO42->HCO3-。排水溝附近的淺層地下水離子濃度垂向上的差異大于水平方向上的差異。排水溝和淺層地下水的δ18O和δD在灌期和休灌期差異都不明顯，30 m深度淺層地下水同位素貧化明顯?！窘Y(jié)論】排水溝與淺層地下水的水化學(xué)組分受蒸發(fā)濃縮和巖石風(fēng)化作用的控制，同時(shí)受混合作用和離子交換作用影響，淺層地下水比排水溝受離子交換作用更加顯著。灌區(qū)南部淺層地下水更靠近巖石風(fēng)化控制區(qū)，中部和北部樣點(diǎn)更靠近蒸發(fā)濃縮控制區(qū)。灌區(qū)內(nèi)排水溝排泄地下水和補(bǔ)給地下水兩種模式同時(shí)存在，排水溝主要排泄灌溉退水，灌溉退水比例平均值達(dá)到81.54%，而部分排水溝不僅沒(méi)有能夠排水，還成為附近淺層地下水的重要補(bǔ)給來(lái)源，補(bǔ)給比例最高達(dá)到84.62%。

青銅峽灌區(qū)；排水溝；水化學(xué)；同位素；轉(zhuǎn)化關(guān)系

0 引言

【研究意義】地表水與地下水作為全球水循環(huán)的主要參與者，其水化學(xué)特征及其二者之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系研究一直是區(qū)域水循環(huán)研究的熱點(diǎn)之一[1]?！狙芯窟M(jìn)展】水體中的離子組分是水在循環(huán)過(guò)程中與周圍環(huán)境長(zhǎng)期相互作用的結(jié)果[2]，水體中水化學(xué)組分可以反映水化學(xué)特征的空間分布和演化特征[3-5]，干旱半干旱的西北內(nèi)陸地區(qū)，氣候干燥，降水稀少，水資源分布時(shí)空差異大，水量性水資源供需矛盾突出[6-7]，水質(zhì)性的水資源短缺更加嚴(yán)重[8]。引黃工程很大程度上緩解了這一矛盾，一方面為區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類生活和生態(tài)環(huán)境的改善提供必要的水資源，另一方面引黃水利工程引起了局部地下水循環(huán)變化和水文地球化學(xué)過(guò)程改變等，因此開(kāi)展區(qū)域水文過(guò)程研究成為一項(xiàng)十分重要的工作，諸多學(xué)者先后在水體的水化學(xué)組分[1,5]、離子來(lái)源[9-10]、循環(huán)方式[11-12]、地表水與地下水關(guān)系[13-14]，地下水補(bǔ)給[9-10]等方面開(kāi)展研究，取得了豐富的研究成果。水化學(xué)結(jié)合氫氧同位素方法，及Piper圖和Gibbs圖等傳統(tǒng)水化學(xué)方法，是目前研究區(qū)域水文過(guò)程最常用且有效的方法[15]。

青銅峽灌區(qū)位于西北內(nèi)陸干旱-半干旱區(qū)，地處黃河中游，因其特殊的地理位置而得黃河之利，灌溉歷史有2000多年，是我國(guó)最古老的引黃灌區(qū)之一。灌區(qū)渠系和排水溝縱橫交錯(cuò)，從而形成了引水有保障、排水有出路的灌排系統(tǒng)。灌區(qū)豐富的地下水資源與溝渠滲漏、田間灌溉入滲關(guān)系密切，發(fā)達(dá)的灌排系統(tǒng)一方面將黃河水引入灌區(qū)澆灌土地從而保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植被生長(zhǎng)的生態(tài)水位，另一方面把富余的水排出不致使地下水位過(guò)高而產(chǎn)生鹽堿化、沼澤化等生態(tài)問(wèn)題。近年來(lái)，受氣候變化和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響，用水結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，灌排系統(tǒng)不斷完善，地表水與地下水的轉(zhuǎn)換日益復(fù)雜。【切入點(diǎn)】關(guān)于農(nóng)田排水系統(tǒng)引起的水文過(guò)程的研究主要集中在水鹽運(yùn)移[16]、控制排水對(duì)土壤肥力的流失[17]及污染[18]等方面，針對(duì)排水溝相關(guān)的地表水與地下水轉(zhuǎn)化引發(fā)的水化學(xué)特征及轉(zhuǎn)化量還不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】青銅峽灌區(qū)灌排系統(tǒng)發(fā)達(dá)，地下水淺埋，鹽漬化問(wèn)題普遍，排水溝排水去鹽效果不理想，本文以青銅峽灌區(qū)的排水溝為研究對(duì)象，應(yīng)用水化學(xué)和穩(wěn)定同位素等方法等，系統(tǒng)分析排水溝水及周圍淺層地下水的水化學(xué)特征，探討排水溝對(duì)局部地區(qū)地下水環(huán)境的影響，提高對(duì)灌區(qū)水文過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青銅峽灌區(qū)屬于干旱-半干旱大陸性氣候，氣溫和降水具有明顯的季節(jié)變化特征，降水稀少且主要集中在每年的6—9月，多年平均降水量180 mm左右，日照時(shí)間3 000 h左右，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年蒸發(fā)量與降水量的比值接近10倍。黃河從青銅峽口進(jìn)入灌區(qū)，南北向貫穿研究區(qū)，黃河干流、支流、山洪溝道、湖泊濕地和灌排系統(tǒng)共同構(gòu)成了研究區(qū)的水文體系?，F(xiàn)有總干渠2條，干渠10條，黃河以東分布東干渠、漢渠、秦渠、馬蓮渠，河西分布西干渠、唐徠渠、漢延渠、惠農(nóng)區(qū)、泰民渠、大清渠等；大小排水溝近百條，骨干排水溝24條，總長(zhǎng)660 km；其中河?xùn)|15條，排水面積788 km2，河西49條，排水面積4 214 km2；陶樂(lè)揚(yáng)水灌區(qū)24條，排水面積147 km2。其中東排水溝、第一排水溝、第四排水溝、第五排水溝、第三排水溝排水量都超過(guò)1×108m3。灌區(qū)自西向東構(gòu)成了山前洪積傾斜平原—沖洪積傾斜平原—沖湖積平原的地貌格局，地貌的這種特點(diǎn)決定了水文地質(zhì)條件的水平分帶性（圖1）。潛水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水、洪水散失、灌溉及渠系滲漏、地下水徑流及黃河水的補(bǔ)給；潛水的排泄以蒸發(fā)為主，其次為向排水溝排泄，少量人工開(kāi)采，灌區(qū)東部的部分地區(qū)地下水向黃河排泄。引黃灌溉渠系滲漏和田間入滲對(duì)地下水的補(bǔ)給占補(bǔ)給量的80%左右。灌區(qū)每年4月中旬至9月底為灌期，10月至翌年3月為休灌期。

1.2 樣品采集

在青銅峽灌區(qū)的南部、中部和北部分別選取典型排水溝段，南部選取四二干溝（YP-5）、第二排水溝（YP-7）、永二干溝石油城段（YP-8）和望遠(yuǎn)段（YP-12）；中部選取中干溝永寧縣上游（YP-10）、中游（YP-11）、下游（YP-9）；北部選取第五排水溝（YP-1）、第三排水溝的沙湖段（YP-3）和平羅段（YP-4）。在垂直排水溝距離10 m的位置布置一組30 m深（1#）和10 m深（2#）的監(jiān)測(cè)孔組；在垂直排水溝距離30 m位置再布置一組30 m（3#）和10 m深（4#）的監(jiān)測(cè)孔組。排水溝及其附近監(jiān)測(cè)孔淺層地下水受到當(dāng)?shù)乜荨⒇S期及灌溉制度的影響，存在灌期和休灌期之分，因此分別在休灌期（4月上旬）和灌期（8月上旬）采集排水溝和監(jiān)測(cè)孔水質(zhì)全分析和同位素氘D、氧18O水樣。共采集全分析樣品98件，氘D、氧18O同位素樣品各98件。

圖1 青銅峽灌區(qū)主要溝渠分布與采樣點(diǎn)分布

1.3 樣品測(cè)試

水化學(xué)樣品采集后保存于2.5 L塑料瓶并密封，2 d內(nèi)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，全分析樣送至國(guó)土資源部銀川礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心測(cè)定，K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-采用離子色譜儀（TY2014000015）分析，HCO3-和CO32-采用雙指示劑滴定法測(cè)定，并經(jīng)陰陽(yáng)離子平衡驗(yàn)證，保證可信誤差范圍在±5%以內(nèi)。水體同位素樣品采樣后保存于500 mL塑料瓶中，并立即密封，以減少蒸發(fā)，穩(wěn)定同位素樣送至中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文環(huán)境地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行測(cè)定。

1.4 研究方法

采用ArcMap繪制青銅峽灌區(qū)主要溝渠分布與采樣點(diǎn)分布圖，運(yùn)用Excel 2016軟件對(duì)樣品離子組分濃度的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算變異系數(shù)。應(yīng)用Origin 2017軟件繪制統(tǒng)計(jì)圖、同位素關(guān)系圖、Gibbs圖、Schoeller圖和陽(yáng)離子交替吸附作用圖，應(yīng)用Grapher 13繪制Piper圖。

利用同位素技術(shù)可以計(jì)算水體不同補(bǔ)給來(lái)源的混合比例，根據(jù)同位素質(zhì)量守恒原理，利用二端元混合模型[19]計(jì)算排水溝水或淺層地下水的來(lái)源比例。

當(dāng)淺層地下水向排水溝排泄時(shí)，計(jì)算式為：

+g=1， （1）

+gg=d， （2）

當(dāng)排水溝向淺層地下水補(bǔ)給時(shí)，計(jì)算式為：

+d=1， （3）

+dd=g， （4）

式中：dg分別為排水溝水、淺層地下水、灌溉退水的比例（%）；dg分別為排水溝水、淺層地下水、灌溉退水的18O或D的量（‰）。

2 結(jié)果與分析

2.1 水化學(xué)特征

水化學(xué)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示（表1）：排水溝和淺層地下水pH值介于6.97～8.88之間，呈弱堿性或堿性，變異系數(shù)0.02～0.05，空間變異性?。慌潘疁霞皽\層地下水pH值在休灌期均高于灌期。排水溝溶解性總固體（TDS）平均值在休灌期（1 655.95 mg/L）大于灌期（1 026.45 mg/L），淺層地下水TDS平均值在休灌期（2 556.02 mg/L）和灌期（2 682.59 mg/L）差別不大，但都明顯大于排水溝，這可能是因?yàn)槭艿降貙尤転V組分進(jìn)入淺層地下水影響，相對(duì)排水溝礦化度增大。淺層地下水分層統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示（表1），1#和3#淺層地下水的TDS大于2#和4#，變異系數(shù)也有相似的規(guī)律，說(shuō)明30 m深度的淺層地下水礦化程度高于10 m深度，30 m與10 m深度淺層地下水水力聯(lián)系弱，相互轉(zhuǎn)化不明顯。

表1 青銅峽灌區(qū)排水溝與淺層地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

注 1#代表距溝10 m深度30 m；2#代表距溝10 m深度10 m；3#代表距溝30 m深度30 m；4#代表距溝30 m深度10 m。

排水溝和淺層地下水的宏量離子量排序在休灌期與灌期一致（表1），陽(yáng)離子：Na+>Ca2+>Mg2+>K+，陰離子：Cl->SO42->HCO3-；宏量離子組分中除了HCO3-在灌期略有升高，其他組分均在休灌期大于灌期，尤其Na+和Cl-、SO42-的變化更大。水化學(xué)組分分層統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示（表1）：1#>2#、3#>4#，30 m深度淺層地下水離子質(zhì)量濃度高于10 m深度，灌期（圖2（a））和休灌期（圖2（b））規(guī)律相似。將各層淺層地下水的水化學(xué)組分平均值相減后比較，可以判斷水化學(xué)組分濃度變化的方向和程度。2#-1#、4#-3#分別代表距離排水溝10 m和30 m的淺層地下水垂直方向上的差異，灌期和休灌期的2#-1#、4#-3#均為負(fù)值（圖2（c）、圖2（d）），可知30 m深度的淺層地下水離子濃度大于10 m深度，且變幅較大，并且10 m范圍內(nèi)的垂向差異大于30 m范圍的。1#-3#、2#-4#分別代表30 m深度和10 m深度淺層地下水在水平方向的差異，1#-3#為正值，表示在30 m深度時(shí)，距離排水溝10 m的淺層地下水離子濃度大于30 m距離，變幅較??；2#-4#為負(fù)值，表示距離10 m深度時(shí)，距離排水溝10 m的淺層地下水離子濃度小于30 m距離，變幅較小。可見(jiàn)排水溝附近的淺層地下水離子濃度垂向上的差異大于水平方向上的差異。

2.2 水化學(xué)類型

Piper圖是表征水體水化學(xué)組成并體現(xiàn)水化學(xué)特征的重要方法[20]，經(jīng)陰陽(yáng)離子平衡檢驗(yàn)后，將主要離子的毫克當(dāng)量數(shù)（meq，%）點(diǎn)投到Piper圖中，來(lái)判斷研究區(qū)水化學(xué)類型。Piper圖的菱形區(qū)域被劃分為V、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ區(qū)和Ⅸ區(qū)（圖3）[21]，分別指示Ca2+-HCO3-型、Ca2+-SO42-型、Na+-Cl-型、Na+-HCO3-型及混合型。據(jù)圖3所示，在休灌期，排水溝樣點(diǎn)中，8個(gè)分布在Ⅶ區(qū)（Na+-Cl-型水）、1個(gè)（YP-9）分布在Ⅴ區(qū)（Ca2+-HCO3-型水）、1個(gè)（YP-10）分布在Ⅸ區(qū)（混合型水）；在灌期，排水溝樣點(diǎn)中，6個(gè)分布在Ⅶ區(qū)（Na+-Cl-型水）、2個(gè)（YP-9、YP-11）分布在Ⅴ區(qū)（Ca2+-HCO3-型水）、2個(gè)（YP-10、YP-7）分布在Ⅸ區(qū)（混合型水），在灌期受到農(nóng)田退水沖淡作用影響，排水溝由休灌期的Na+-Cl-型水向混合型和Ca2+-HCO3-型水轉(zhuǎn)化。淺層地下水的水化學(xué)組分在Piper圖中的分布結(jié)果顯示，除Ⅵ區(qū)沒(méi)有分布，在V、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ區(qū)均有分布，總體表現(xiàn)為過(guò)渡型。距排水溝10 m的淺層地下水，1#比2#分布更加離散，且2#水樣更接近排水溝水樣的分布，說(shuō)明10 m深度范圍內(nèi)的淺層地下水與排水溝聯(lián)系密切，30 m深度淺層地下水與排水溝之間的水力聯(lián)系較弱。距排水溝30 m的淺層地下水，3#和4#樣點(diǎn)分布較一致，比1#、2#的分布更加離散，相對(duì)排水溝差別更大，說(shuō)明30 m距離以外淺層地下水與排水溝水力聯(lián)系減弱，水化學(xué)組分差異明顯。

圖2 排水溝及淺層地下水宏量組分統(tǒng)計(jì)

圖3 青銅峽灌區(qū)排水溝及周圍淺層地下水Piper三線圖

2.3 穩(wěn)定同位素特征

水體中δ18O和δD關(guān)系被廣泛用作分析水體來(lái)源，并通過(guò)判讀不同水體與大氣降水線的位置關(guān)系可以解析不同水體間的相互關(guān)系[15]。淺層地下水及排水溝樣點(diǎn)均位于黃河水氫氧同位素關(guān)系線（DSMOW=4.66δ18OSMOW-22.75，=0.92）[22]和銀川地區(qū)降水線（DSMOW=7.28δ18OSMOW+5.76，=0.98）[23]的右下方，顯示重同位素貧化。排水溝的δ18O和δD在灌期和休灌期差異不明顯，空間差異小，說(shuō)明其補(bǔ)給來(lái)源穩(wěn)定且季節(jié)性變化小。淺層地下水1#、3#的δ18O和δD均小于2#、4#，并小于相應(yīng)排水溝。淺層地下水的1#、3#水樣在灌期和休灌期都向左下方偏移，重同位素貧化，遠(yuǎn)離黃河水線，而向銀川地區(qū)降水線靠近；2#、4#水樣與排水溝分布一致，更加靠近黃河水線；說(shuō)明排水溝與10 m深度的淺層地下水補(bǔ)給來(lái)源相似或者二者之間聯(lián)系密切、交換頻繁，30 m深度淺層地下水與10 m深度淺層地下水和排水溝之間水力聯(lián)系較弱。

表2 青銅峽灌區(qū)排水溝及周圍淺層地下水穩(wěn)定同位素統(tǒng)計(jì)

注 1#代表距溝10 m深度30 m；2#代表距溝10 m深度10 m；3#代表距溝30 m深度30 m；4#代表距溝30 m深度10 m。

圖4 青銅峽灌區(qū)典型排水溝及周圍淺層地下水δD和δ18O的關(guān)系

2.4 水化學(xué)成因分析

2.4.1 Gibbs效應(yīng)

Gibbs模型的應(yīng)用能夠很好地揭示水中離子組分主要受哪種地球化學(xué)作用控制：降水控制類型、巖石風(fēng)化控制類型和蒸發(fā)濃縮控制類型[24]。圖5顯示，排水溝及其周邊淺層地下水樣點(diǎn)分散的落在巖石風(fēng)化控制和蒸發(fā)濃縮控制的過(guò)渡帶，而遠(yuǎn)離降水控制端元。排水溝及淺層地下水無(wú)顯著的灌期和休灌期差異，并且淺層地下水1#、2#、3#和4#水樣分異不明顯，說(shuō)明排水溝與淺層地下水可能發(fā)生了普遍的混合作用或者離子交換，排水溝及其附近30 m深度與10 m深度淺層地下水具有相似的組分來(lái)源。灌區(qū)淺層地下水樣點(diǎn)在模型中分布離散，灌區(qū)南部的YP-9、YP-10、YP-11和灌區(qū)中部的YP-5、YP-7更靠近巖石風(fēng)化控制區(qū)，中部的YP-8、YP-12和北部YP-1、YP-3、YP-4更靠近蒸發(fā)濃縮控制區(qū)。淺層地下水受其賦存環(huán)境和水動(dòng)力條件的影響，地下水總體流向是自西南向北東，灌區(qū)南部屬于區(qū)域上的徑流區(qū)，巖石風(fēng)化作用占主導(dǎo)，中部和北部屬于徑流排泄區(qū)，以蒸發(fā)濃縮作用為主。陰離子Cl-/（Cl-+HCO3-）模型中，大部分樣點(diǎn)落在大于0.5的范圍，陰離子以Cl-為主，而陽(yáng)離子Na+/（Na++Ca2+）模型中樣點(diǎn)比較分散，在0.1～1.0范圍均有分布，也說(shuō)明灌區(qū)淺層地下水發(fā)生普遍的陽(yáng)離子交換作用。部分樣點(diǎn)落在了模型外，可能是人類活動(dòng)干擾的結(jié)果。

圖5 青銅峽灌區(qū)典型排水溝及周圍淺層地下水Gibbs圖

2.4.2 混合作用

Schoeller圖作為一種常用水化學(xué)特征圖示，可以清晰地展示眾多樣品中宏量離子的濃度變化；如果圖中各水樣點(diǎn)連接2個(gè)元素之間的連線基本平行，表示這兩個(gè)元素的濃度比值基本上相等或相近[25]；如若不平行，則水樣之間濃度比值差異較大，Schoeller圖還可用來(lái)展示不同取樣點(diǎn)之間的地下水化學(xué)組分的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向，即隨著水流由濃度相對(duì)低點(diǎn)向濃度相對(duì)高點(diǎn)運(yùn)移[25]。研究區(qū)水樣在灌期和休灌期的Schoeller圖特征顯示相似（圖6），1#與3#淺層地下水的各離子變化趨勢(shì)相近，表明30 m深度淺層地下水在水平方向上發(fā)生混合作用，2#、4#與排水溝水樣的各離子變化趨勢(shì)相近，表明排水溝與10 m深度淺層地下水發(fā)生水平方向和垂向混合作用。1#與3#淺層地下水位于其他水樣之上，排水溝位于最下部，30 m深度與10 m深度及排水溝各水化學(xué)組分變化趨勢(shì)差異較大，說(shuō)明排水溝向淺層地下水補(bǔ)給，10 m深度的淺層地下水及排水溝向30 m深度的淺層地下水補(bǔ)給，并且混合作用影響較弱。

圖6 青銅峽灌區(qū)典型排水溝及周圍淺層地下水Schoeller圖

2.4.3 陽(yáng)離子交換作用

離子比例關(guān)系(Na+-Cl-)/[(Ca2++Mg2+)-(SO42-+HCO3-)]值可用于判斷陽(yáng)離子交換作用的程度[26]。如果地下水系統(tǒng)中碳酸巖溶解作用連續(xù)發(fā)生且未發(fā)生離子交換作用，樣點(diǎn)分布則會(huì)靠近原點(diǎn)位置，而已發(fā)生離子交換的樣品點(diǎn)分布則會(huì)靠近1∶1線。由圖7可以看出，除YP-1遠(yuǎn)離斜線，其他淺層地下水樣點(diǎn)均分布在1∶1斜線附近，表明淺層地下水離子交換作用顯著，而排水溝水樣更靠近原點(diǎn)位置，表征其受離子交換作用影響較小。

圖7 陽(yáng)離子交換吸附作用

3 討論

3.1 排水溝—地下水轉(zhuǎn)化量

淺層地下水與排水溝之間的關(guān)系有2種：一種是淺層地下水與引黃灌溉退水混合后向排水溝排泄，一種是灌溉水和排水溝水向淺層地下水補(bǔ)給。北部引黃渠水樣YQ-2的δ18O和δD數(shù)據(jù)（-8.7，-64）和引黃渠水樣YQ-6的δ18O和δD數(shù)據(jù)（-9.9，-71）分別代表灌區(qū)南部和北部灌溉水的同位素組成，2#地下水與排水溝聯(lián)系最密切，將灌期2#水樣及灌溉水同位素?cái)?shù)據(jù)和帶入式（1）—式（4），計(jì)算得到各排水溝或地下水的混合比例（表3）。結(jié)果顯示，排水溝主要排泄灌溉退水，灌溉退水比例平均值達(dá)到81.54%，而部分排水溝不僅沒(méi)有能夠排水，還成為附近淺層地下水的重要補(bǔ)給來(lái)源，補(bǔ)給比例最高達(dá)到84.62%。水位統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示（表4），排水溝水位與2#淺層地下水位相當(dāng)，甚至部分排水溝水位高于地下水位，水頭差的存在導(dǎo)致排水溝不僅不能排泄地下水，還向地下水補(bǔ)給。

表3 排水溝或地下水的不同來(lái)源混合比例

表4 排水溝及附近淺層地下水水位

3.2 排水溝與地下水轉(zhuǎn)化研究的實(shí)際意義

青銅峽灌區(qū)是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，大水漫灌依然是最主要的灌溉方式，豐富的灌溉水源補(bǔ)給導(dǎo)致潛水位淺埋，鹽漬化普遍。為減輕鹽漬化的危害，當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娫诩訌?qiáng)灌溉用水管理的同時(shí)采取了水利措施（溝排結(jié)合井排、灌溉洗鹽、壓鹽、放淤）、農(nóng)技措施（作物合理布局、平整土地、施放有機(jī)肥）和土壤改良措施（更換土壤、壓沙、釋放改良劑）等綜合管理方法，而水利措施是其他措施的基礎(chǔ)，挖溝排水應(yīng)用最廣泛且能持久見(jiàn)效，一直沿用至今，有效的排出了部分灌溉退水和地表積水。通過(guò)排水溝與地下水的水化學(xué)、同位素轉(zhuǎn)化關(guān)系研究可知，近年來(lái)，青銅峽灌區(qū)排水溝在排泄地下水方面的效果不甚理想。灌區(qū)地形平坦，地面坡降小，有些支溝深度僅2 m左右，溝底高于地下水位，只能排泄灌溉退水和地表水，不能排地下水，加之部分排水溝缺乏養(yǎng)護(hù)，淤堵、坍塌等問(wèn)題嚴(yán)重，排水效果不夠理想。尤其灌區(qū)北部，作為灌區(qū)地下水的排泄區(qū)，地下水位淺、鹽漬化嚴(yán)重，如果地下水得不到有效的排出，甚至出現(xiàn)排水溝反向補(bǔ)給地下水，沒(méi)有起到排水去鹽的作用。為了灌區(qū)農(nóng)業(yè)的良好發(fā)展和生態(tài)環(huán)境不斷改善，深挖清淤排水溝將成為根本途徑。

4 結(jié)論

1）排水溝水TDS及水化學(xué)組分空間變異性在休灌期大于灌期，水化學(xué)類型在休灌期以Na+-Cl-型水為主，到灌期向混合型和Ca2+-HCO3-型水轉(zhuǎn)化。淺層地下水TDS和水化學(xué)組分空間變異性在休灌期和灌期差別不大，但都明顯大于排水溝，水化學(xué)類型復(fù)雜多樣。排水溝和淺層地下水陽(yáng)離子：Na+>Ca2+>Mg2+>K+，陰離子：Cl->SO42->HCO3-。排水溝附近淺層地下水離子濃度垂向上的差異大于水平方向上的差異。排水溝與淺層地下水水化學(xué)組分受蒸發(fā)濃縮和巖石風(fēng)化作用的控制，同時(shí)受混合作用和離子交換作用影響，淺層地下水比排水溝受離子交換作用更加顯著。灌區(qū)南部排水溝及淺層地下水更靠近巖石風(fēng)化控制區(qū)，中部和北部其他更靠近蒸發(fā)濃縮控制區(qū)。

2）排水溝和淺層地下水的δ18O和δD在灌期和休灌期差異都不明顯，空間變異小。30 m深度與10 m深度地下水及排水溝的同位素分異明顯，之間水力聯(lián)系較弱；10 m深度淺層地下水與排水溝之間水力聯(lián)系密切。

3）灌區(qū)內(nèi)排水溝排泄地下水和補(bǔ)給地下水2種模式同時(shí)存在，排水溝主要排泄灌溉退水，灌溉退水比例平均值達(dá)到81.54%，而部分排水溝不僅沒(méi)有能夠排水，還成為附近淺層地下水的重要補(bǔ)給來(lái)源，補(bǔ)給比例最高達(dá)到84.62%。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突）

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Hydrochemical Relationship between Water in Drainage Ditches and Shallow Groundwater in Qingtongxia Irrigation Area

SUN Yufang1,2, HAI Jing3, JIN Xiaomei1*, ZHAO Zhipeng2, LI Hongbo2, ZHU Wei2

(1. School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China;2. Hydrology & Environmental Geological Survey Institute of Ningxia Hui Autonomous Region, Yinchuan 750026, China;3. Bureau of Geology of Ningxia Hui Autonomous Region, Yinchuan 750021, China)

【Objective】Change in groundwater in Qingtongxia Irrigation areas is mainly due to the leaching of drainage ditches and infiltration of field irrigation. The exchange between surface water and groundwater is frequent but complex. This paper analyzes the hydrochemical relationship between water in drainage ditches and their adjacent shallow groundwater.【Method】The study was based on hydrochemical data measured from water samples taken from both drainage ditches and shallow groundwater. Their correlations and transformation were analyzed using statistics, Gibbs model, Piper chart, Schoeller chart, cation alternating adsorption chart and other methods.【Result】The water in the drainage ditches was more alkaline in the off-irrigation period, and slightly alkaline or alkaline in the irrigation period. In contrast, the shallow groundwater was neutral or weakly alkaline in the off-irrigation period and weakly alkaline or alkaline in the irrigation period. The TDS of the water in the drainage ditches was higher in irrigation period than in off-irrigation period, while the TDS of the shallow groundwater remained approximately same, though it was significantly higher than that of the drainage ditches. The content of cations in the water in both the drainage ditches and shallow groundwater were ranked in the order of Na+>Ca2+>Mg2+>K+, while the anions were in the order of Cl->SO42->HCO3-. The difference in ion concentration in the shallow groundwater near the drainage ditches was greater in the vertical direction than in the horizontal direction. The δ18O and δD in the ditch water and shallow groundwater were approximately the same during both irrigation and off-irrigation periods, and their spatial variation was small. The isotope dilution by shallow groundwater was noticeable at the depth of 30 m.【Conclusion】The chemical compositions of ditch water and shallow groundwater are controlled by evaporation or rock weathering, in addition to hydrodynamic mixing. The hydrochemistry in the shallow groundwater in the south of the area depends on rock weathering, while that in the middle and north of the area is largely modulated by evaporation. Depending on the depth of groundwater table, the drainage ditch can ether discharge or drain the groundwater due to the rise of groundwater table following irrigation. The average ratio of irrigation water withdrawal was 81.54%. For regions where groundwater table is deep, the drainage ditch is the main source of groundwater, accounting for 84.62% of water supply to the groundwater.

Qingtongxia irrigation area; drainage ditch; hydrochemical characteristics; Isotope; transformation relation

1672 - 3317（2023）09 - 0110 - 09

TV213；P592

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023058

孫玉芳, 海晶, 金曉媚, 等. 青銅峽灌區(qū)排水溝—地下水水化學(xué)特征及轉(zhuǎn)換關(guān)系分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(9): 110-118.

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2023-02-22

2023-06-14

2023-09-15

寧夏財(cái)政廳項(xiàng)目（6400201901273，NXCZ20220201）；寧夏回族自治區(qū)人才小高地建設(shè)項(xiàng)目；第五批寧夏青年科技人才托舉工程項(xiàng)目（NXKJTGGC2020053）；寧夏自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2021AAC03450）

孫玉芳（1985-），女，寧夏固原人。高級(jí)工程師，博士研究生，主要從事生態(tài)水文方面研究。E-mail: 446725299@ qq.com

金曉媚（1968-），女，河北保定人。教授，博士，主要從事生態(tài)水文方面研究。E-mail: jinxm@cugb.edu.cn

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責(zé)任編輯：趙宇龍