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喀什噶爾河流域灌區(qū)地下水質(zhì)量空間變化及影響因素分析

2022-11-07 07:35支博遠(yuǎn)閆志雲(yún)曾妍妍賽永成汪康銘斯琴高娃巴音布力克
節(jié)水灌溉 2022年10期
關(guān)鍵詞:承壓水水樣潛水

支博遠(yuǎn),閆志雲(yún),2,3,曾妍妍,2,3,賽永成,李 珍,汪康銘,斯琴高娃·巴音布力克

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心,烏魯木齊 830052;3.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實驗室,烏魯木齊 830052)

地下水資源是生活、灌溉用水的主要來源,隨著畜牧業(yè)的發(fā)展和耕地面積的擴(kuò)張,糞便以及化肥農(nóng)藥的殘留物隨著降水淋濾會加重淺層地下水質(zhì)量的劣化[1,2]。Xu 等[3]發(fā)現(xiàn)長期使用含鹽量高的地下水灌溉,會影響土壤的通透性,抑制植物生長。近年來,常用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合評價法、綜合指數(shù)法、Wilcox 圖解和USSL 圖解法等方法進(jìn)行地下水質(zhì)量評價[4,5],袁瑞強(qiáng)等[6]以洞庭湖上游平原淺層地下水為研究內(nèi)容,基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行水質(zhì)評價,高振凱等[7]用模糊綜合法對寧夏吳靈灌區(qū)進(jìn)行地下水質(zhì)量評價,魯照[8]基于熵權(quán)改進(jìn)的綜合指數(shù)法研究鄱陽湖水質(zhì)年際變化特征及空間分布,譚浩等[9]用Wilcox 圖解和USSL 圖解法等對關(guān)中平原中部的涇惠渠灌區(qū)的灌溉水質(zhì)進(jìn)行評價。

新疆喀什噶爾河流域以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主[10]。農(nóng)業(yè)灌溉以引水灌溉為主,研究區(qū)處于干旱半干旱區(qū),由于水分蒸發(fā)較大,鹽分易累積于地表,使土壤發(fā)生鹽漬化,從而影響了本流域的農(nóng)業(yè)發(fā)展。本文對喀什噶爾河流域灌區(qū)地下水質(zhì)量和灌溉適宜性進(jìn)行評價,同時,系統(tǒng)分析灌區(qū)地下水質(zhì)量的空間變化規(guī)律及地下水質(zhì)量劣化的主要影響因素,旨在為喀什噶爾河流域灌區(qū)地下水可持續(xù)開發(fā)利用和污染防治提供理論依據(jù),對于保證當(dāng)?shù)厝嗣裆眢w健康及改善區(qū)域地下水環(huán)境,促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,具有重要意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

位于新疆塔里木盆地西部邊緣的喀什噶爾河流域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶詺夂颍邓可?、蒸發(fā)量多、地勢復(fù)雜、水資源分布不均衡、水文循環(huán)緩慢,整個流域的地勢總體為西高東低。區(qū)域主要地貌類型為山前沖洪積傾斜平原和細(xì)土平原,山前沖洪積傾斜平原為單一結(jié)構(gòu)潛水區(qū),巖性以砂礫和粗砂為主;細(xì)土平原為多層結(jié)構(gòu)的潛水-承壓水區(qū),巖性為亞黏土、中粗砂和粉細(xì)砂等??κ哺翣柡恿饔虻叵滤饕邮芩畮烊霛B補(bǔ)給、渠系滲漏補(bǔ)給和農(nóng)田灌溉入滲補(bǔ)給等,地下水徑流自西向東,排泄以泉水排泄、側(cè)向徑流、潛水蒸發(fā)蒸騰及人為開采為主[11-13]。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

2014~2018 年共采集地下水水樣399 組(其中,單一結(jié)構(gòu)潛水、承壓水區(qū)潛水和承壓水水樣分別為105 組、19 組和275組)(圖1)。水樣測試由中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所和新疆地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊實驗室完成,現(xiàn)場測定pH、水溫和電導(dǎo)率(EC)等指標(biāo),實驗室測定溶解性總固體(TDS)、總硬度(TH)、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、F-和Fe 等指標(biāo)。經(jīng)檢驗,地下水水樣數(shù)據(jù)的陰陽離子平衡誤差值E<±5%,說明所有水樣數(shù)據(jù)均為可靠數(shù)據(jù)。

圖1 地下水取樣點(diǎn)分布圖

1.3 地下水質(zhì)量評價

采用F值評分法對研究區(qū)地下水質(zhì)量進(jìn)行評價。首先依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB∕T 14848-2017)》,評價各個指標(biāo)所屬類別,并按表1對各個指標(biāo)賦單項指標(biāo)水質(zhì)評分值[14]。

表1 單項指標(biāo)水質(zhì)評分值表

再按照式(1)和式(2)計算綜合評分值F:

式中:F為各項指標(biāo)水質(zhì)綜合評分值;Fi為各單項指標(biāo)水質(zhì)評分值;為單項指標(biāo)水質(zhì)評分值Fi的算術(shù)平均值;Fmax為各單項指標(biāo)水質(zhì)評分值中的最大值。根據(jù)F值劃分地下水質(zhì)量等級(表2)。

表2 地下水質(zhì)量級別標(biāo)準(zhǔn)

1.4 灌溉適宜性評價

采用USSL圖(鈉吸附比SAR與EC的關(guān)系)分析地下水堿害與鹽害對土壤的影響,同時,采用Wilcox圖(鈉百分比SSP和EC的關(guān)系)分析地下水質(zhì)量對土壤和作物的影響,并進(jìn)行灌溉適宜性分類。鈉吸附比SAR和鈉百分比SSP計算公式如下:

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水水化學(xué)特征分析

采用描述性統(tǒng)計分析灌區(qū)地下水化學(xué)組分特征(表3),pH 值范圍在6.61~9.93,整體為偏弱堿性。地下水中主要陽離子含量大到小依次為Na+、Mg2+、Ca2+,主要陰離子含量大到小依次為SO42-、Cl-、HCO3-。地下水中TDS 范圍為214.00~96 991.02 mg∕L,均值為6 399.31 mg∕L,其中淡水(TDS<1 g∕L)、微咸水(TDS=1~3 g∕L)、咸水(TDS=3~10 g∕L)和鹽水(TDS=10~50 g∕L)分別占總水樣的37.6%、32.2%、24.2%和6.0%。

表3 地下水水化學(xué)指標(biāo)特征參數(shù)統(tǒng)計表

從Piper 三線圖(圖2)可以看出,研究區(qū)不同含水層水化學(xué)環(huán)境有所差異,單一結(jié)構(gòu)潛水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分別占陽離子總和的42.9%、28.8%和28.3%,SO42-、Cl-和HCO3-壓水區(qū)潛水水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na為主,這主要是因為承壓水區(qū)潛水主要集中在細(xì)土平原區(qū),埋藏較淺,該區(qū)域蒸發(fā)強(qiáng)烈且地下徑流遲緩,以致于溶解度較小的鈣、鎂碳酸鹽率先達(dá)到飽和并沉淀析出[15]。

圖2 地下水Piper三線圖

2.2 地下水質(zhì)量及灌溉適宜性評價結(jié)果

2.2.1 地下水質(zhì)量評價

根據(jù)水樣檢測結(jié)果選取8 個超標(biāo)指標(biāo)(TDS、TH、Na+、Cl-、SO42-、NO3-、F-和Fe)作為評價因子,根據(jù)F值評分法分別占陰離子總量的54.7%、24.8%和20.5%,水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na·Mg(17.1%)為主;承壓水區(qū)潛水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分別占陽離子總和的47.7%、29.1%和23.2%,SO42-、Cl-和HCO3-分別占陰離子總和52.2%、36.0%和11.8%,水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na(26.3%)為主;承壓水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分別占陽離子總和的44.2%、27.3%和28.5%,SO42-、Cl-和HCO3-分別占陰離子總和54.9%、30.1%和15.0%,水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na·Mg (22.4%) 和SO4·Cl-Na (19.1%) 為主。單一結(jié)構(gòu)潛水和承壓水水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na·Mg 為主,承計算可知單一結(jié)構(gòu)潛水I~I(xiàn)II 類水占比分別為4.8%、22.9%和36.2%,IV 和V 類水占比分別為12.4%和23.7%;承壓水區(qū)潛水I~I(xiàn)II 類水占比分別為5.3%、21.1%和5.2%,IV 和V 類水占比分別為5.2%和63.2%;承壓水I~I(xiàn)II 類水占比分別為4.0%、20.4%和23.3%,IV 和V 類水占比分別為10.1%和42.2%(圖3)。由質(zhì)量類別占比可知,按質(zhì)量優(yōu)劣排序:單一結(jié)構(gòu)潛水>承壓水>承壓水區(qū)潛水。灌區(qū)單一結(jié)構(gòu)潛水多分布在山前沖洪積傾斜平原,受到大氣降水入滲補(bǔ)給和山區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給,水質(zhì)相對較好;地下水從山前沖洪積傾斜平原流動到細(xì)土平原區(qū)的過程中,受到上游的側(cè)向補(bǔ)給,攜帶了鹽類離子,致使承壓水區(qū)鹽類離子濃度過高,且細(xì)土平原潛水埋深較淺,受到蒸發(fā)作用的影響,致使承壓水區(qū)潛水中礦化度升高趨于咸化,水質(zhì)劣化。

圖3 地下水質(zhì)量評價結(jié)果

2.2.2 灌溉適宜性評價

由于水樣EC檢測數(shù)據(jù)較少,只選用含EC檢測數(shù)據(jù)的46組地下水水樣用于灌溉適宜性評價。根據(jù)鈉吸附比SAR和EC的大小將USSL 圖(圖4)劃分為16 個區(qū)域,圖中C 代表鹽化級別,EC值越大表示可溶性鹽質(zhì)量濃度過高,用于灌溉會使土壤趨于鹽化;S 代表堿化級別,SAR值越大,土壤越趨于堿化[16]。地下水灌溉適宜性根據(jù)SAR值可以分為4 類[17]:優(yōu)秀(SAR<10)、良好(10≤SAR<18)、較差(18≤SAR<26)和極差(SAR≥26)。單一結(jié)構(gòu)潛水的SAR值介于0.73~9.98,平均值為4.27;承壓水水區(qū)潛水的SAR值介于1.79~22.67,平均值為6.56;承壓水的SAR值介于0.36~16.83,平均值為5.28。C2-S1和C3-S1 區(qū)域的地下水適宜灌溉,其他區(qū)域均不宜用以灌溉[18],單一結(jié)構(gòu)潛水、承壓水區(qū)潛水和承壓水中適宜灌溉水樣占比分別為50.0%、37.5%和21.5%,而不適宜灌溉水樣占比分別為50.0%、62.5%和78.5%,表明該流域地下水存在較為嚴(yán)重的鈉害。

圖4 灌溉適宜性評價的USSL圖

Wilcox 圖是根據(jù)納百分比SSP和EC的大小將灌溉適宜性劃分為5類(圖5),單一結(jié)構(gòu)潛水中水質(zhì)極好、水質(zhì)良好、水質(zhì)適宜、水質(zhì)保留和水質(zhì)不適宜區(qū)占比分別為10.0%、70.0%、0.0%、10.0%和10.0%,承壓水區(qū)潛水中占比分別為12.5%、25.0%、0.0%、25.0%和37.5%,承壓水中占比分別為3.6%、17.9%、7.1%、25.0%和46.4%。水質(zhì)極好、水質(zhì)良好和水質(zhì)適宜區(qū)為可直接灌溉區(qū)域,水樣占比為41.3%;水質(zhì)保留和水質(zhì)不適宜區(qū)為不可直接灌溉區(qū)域,水樣占比為58.7%,與USSL 圖中灌溉水評價結(jié)果相近,適宜灌溉與不宜灌溉水樣約為2∶3。

圖5 灌溉適宜性分類的Wilocx圖

2.3 灌區(qū)地下水質(zhì)量空間變化

考慮到承壓水區(qū)潛水取樣點(diǎn)較少,為了防止空間插值誤差過大,保持插值的連續(xù)性,將承壓水區(qū)潛水和承壓水合并為承壓水區(qū)含水層分析,為了直觀反映喀什噶爾河流域灌區(qū)地下水質(zhì)量的空間變化,采用ArcGIS 克里金插值法繪制出灌區(qū)地下水質(zhì)量的空間分布圖(圖6)。

圖6 地下水質(zhì)量空間分布圖

單一結(jié)構(gòu)潛水含水層水質(zhì)良好類(Ⅰ~Ⅲ類水)主要分布在喀什市、疏附縣、疏勒縣、阿克陶縣和英吉沙縣等區(qū)域,其中Ⅲ類水分布最廣,Ⅱ類水次之;水質(zhì)較差類(Ⅳ和Ⅴ類水)主要分布在阿圖什市、英吉沙縣和伽師縣等區(qū)域,其中Ⅳ類水分布范圍較廣。

承壓水區(qū)含水層水質(zhì)良好類主要分布在疏勒縣、阿克陶縣、伽師縣和岳普湖縣等區(qū)域,其中Ⅲ類水分布范圍最廣;水質(zhì)較差類主要分布在喀什市、英吉沙縣、岳普湖縣和伽師縣等區(qū)域,其中Ⅴ類水分布范圍較廣。

綜上,I~I(xiàn)II 類水在喀什市、疏勒縣和阿克陶縣等區(qū)域均有分布,但所占比重較小,IV 和V 類水主要分布在岳普湖縣和伽師縣等區(qū)域。

2.4 地下水質(zhì)量空間變化的影響因素分析

2.4.1 因子分析

選取TDS、TH、Na+、Cl-、SO42-、NO3-和Fe 等7 項指標(biāo)進(jìn)行因子分析,同時考慮Ca2+、Mg2+含量對TDS、TH 影響較大,HCO3-與諸多離子相關(guān)性較大,故也將Ca2+、Mg2+和HCO3-作為因子分析的指標(biāo)。對10 項指標(biāo)進(jìn)行KMO 和巴特利球體檢驗,經(jīng)檢驗,單一結(jié)構(gòu)潛水、承壓水區(qū)潛水和承壓水的KMO 值分別為0.549、0.514、0.510,表明均可做因子分析,并分別選取特征根大于1的公因子3個、3個和2個,其累計貢獻(xiàn)率分別為89.71%、98.26%和84.36%,均能很好的反映原始信息[19]。由表4可知,3種含水層水樣的F1因子貢獻(xiàn)率均大于其他因子貢獻(xiàn)率,表明F1因子對地下水質(zhì)量影響較大。

表4 水化學(xué)指標(biāo)旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

在單一結(jié)構(gòu)潛水中F1 因子載荷較高的指標(biāo)為Na+、Ca2+、

Mg2+、Cl-、SO42-、TDS 和TH,由Gibbs 圖可知(圖7),取樣點(diǎn)大多分布在受蒸發(fā)濃縮和巖石溶濾作用控制的區(qū)域,在強(qiáng)烈的蒸發(fā)濃縮作用下,易形成以Na+、Cl-為主的高TDS水,另外有少量取樣點(diǎn)分布在Gibbs 圖之外,可能受到人類活動或者陽離子交換作用。γ(Ca2+∕Na+)∕γ(HCO3-∕Na+)和γ(Ca2+∕Na+)∕γ(Mg2+∕Na+)的離子比值關(guān)系可反映離子來源(圖8),灌區(qū)地下水水化學(xué)離子主要分布在蒸發(fā)鹽巖和硅酸鹽巖所控制的區(qū)域,另有少量離子分布在碳酸鹽巖控制區(qū)域,第四系以來海退過程中殘留的蒸發(fā)鹽巖礦物(巖鹽、石膏等)溶解,是地下水中Na+、Ca2+、Cl-、SO42-的主要來源;巨厚沉積層中富含長石碎屑物(鈉長石),而長石碎屑物經(jīng)碳酸化作用,使地下水中Na+增多[20],說明地下水主要水化學(xué)離子主要來自蒸發(fā)鹽巖和硅酸鹽巖的溶解。F2 因子載荷較高的指標(biāo)為NO3-,硝態(tài)氮濃度高的區(qū)域主要集中在耕地,由于污水的排放和大量的農(nóng)用肥料,在降雨和農(nóng)業(yè)灌溉過程中,NO3-會滲透到土壤中,并經(jīng)包氣帶流入地下水,造成水質(zhì)惡化[21]。F3 因子荷載較高的指標(biāo)為HCO3-,一方面在徑流條件較好的區(qū)域以溶濾作用為主,由于碳酸鹽、硅酸鹽礦物的溶解致使HCO3-含量增多;另一方面有機(jī)質(zhì)參與的脫硫酸作用和鐵錳氧化物的還原作用會產(chǎn)生大量HCO3-[22]。

圖7 地下水Gibbs圖

圖8 地下水離子比值端元圖

在承壓水區(qū)潛水中F1 因子中載荷較高的指標(biāo)與單一結(jié)構(gòu)潛水的中的指標(biāo)相比,少了Ca2+、Mg2+和SO42-,這是由于承壓NO3-,NO3-對該含水層水質(zhì)影響較大,F(xiàn)1 因子可能與農(nóng)業(yè)化水區(qū)潛水埋深較淺,在蒸發(fā)濃縮作用下Ca2+、Mg2+和SO42-等離子相繼析出,促使該含水層中Ca2+、Mg2+和SO42-減少;增加了肥、生活污水和牲畜糞便等人類活動有關(guān)。F2 因子中載荷較高的指標(biāo)Mg2+和SO42-,主要因為硅酸鹽巖、硫酸鹽等礦物的溶解。F3因子中載荷較高的指標(biāo)為Ca2+和Fe,Ca2+來源于硅酸鹽礦物的溶解,F(xiàn)e主要是由于褐鐵礦、菱鐵礦等礦物的溶解,另一方面是因為原生地質(zhì)作用導(dǎo)致平原第四系地層中含有豐富的有機(jī)質(zhì),有機(jī)質(zhì)在微生物作用下分解出還原性物質(zhì),使難溶高價鐵氧化物被還原成低價的鐵易溶鹽,造成地下水中Fe 含量升高,承壓水區(qū)潛水中6.2%的水樣氧化還原電位Eh<70,指示該含水層處于還原或亞還原環(huán)境[23]。

在承壓水中只有F1和F2因子,F(xiàn)1因子中載荷較高指標(biāo)與F1 高度正相關(guān),F(xiàn)1 因子代表了水巖相互作用,F(xiàn)2 因子中NO3-載荷較高,由于研究區(qū)大量開采承壓水,導(dǎo)致潛水越流補(bǔ)給承壓水,攜帶潛水中NO3-等離子進(jìn)入承壓含水層,造成承壓水中NO3-含量增加,F(xiàn)2代表了人類活動的間接作用。

2.4.2 其他影響因素分析

(1)水文地質(zhì)條件??κ哺翣柡恿饔蚪涤晗∩?、蒸發(fā)量大,鹽類離子從埋藏較淺的地下水析出,鹽分堆積地表,造成了鹽漬化。這些鹽類又通過蒸發(fā)-入滲的垂向交替運(yùn)動進(jìn)入到地下水中,鹽分在土壤和地下水之間循環(huán)利用,使得水質(zhì)變差。單一結(jié)構(gòu)潛水分布在山前沖洪積傾斜平原區(qū),該區(qū)域地勢起伏顯著,地下水動力條件較好,超標(biāo)離子易遷移;多層結(jié)構(gòu)潛水-承壓水區(qū)分布在細(xì)土平原區(qū),該區(qū)域地勢較為平緩,地下徑流遲緩,水力梯度相對較小,減緩了超標(biāo)離子的移運(yùn),使地下水中超標(biāo)離子增多,地下水質(zhì)量劣化。

(2)陽離子交換作用。利用氯堿指數(shù)(CAI-1 和CAI-2)來分析陽離子交換作用發(fā)生的強(qiáng)度和方向[公式(5)~(6)],若CAI-1 和CAI-2 均為負(fù)值,表明地下水中Ca2+、Mg2+與顆粒物上的Na+發(fā)生離子交換,使得地下水中Na+含量升高,Ca2+、Mg2+含量降低[24];若兩者均為正值,則反之。圖9 所示絕大部分采樣點(diǎn)CAI-1 和CAI-2 均小于0,表明發(fā)生了反向陽離子交換作用,氯堿指數(shù)減小,陽離子交換作用增強(qiáng),地下水中Na+含量增多,導(dǎo)致地下水質(zhì)量劣化。

圖9 氯堿指數(shù)圖

3 結(jié) 論

(1)喀什噶爾河流域灌區(qū)地下水pH 值范圍為6.39~10.50,地下水整體呈弱堿性,TDS相對較高,多為高礦化度水。陽離子以Na+為主,陰離子以SO42-和Cl-為主,地下水水化學(xué)類型主要為SO4·Cl-Na、SO4·Cl-Na·Mg和SO4·Cl-Na·Ca型。

(2)喀什噶爾河流域灌區(qū)地下水質(zhì)量整體較差,超Ⅲ類地下水主要分布在岳普湖縣和伽師縣等區(qū)域,含水層水質(zhì)的優(yōu)劣表現(xiàn)為單一結(jié)構(gòu)潛水>承壓水>承壓水區(qū)潛水。研究區(qū)地下水存在較為嚴(yán)重的鈉害,適宜灌溉與不宜灌溉地下水水樣約為2∶3,部分區(qū)域地下水不能直接進(jìn)行灌溉,否則會抑制植物生長。

(3)喀什噶爾河流域灌區(qū)地下水質(zhì)量劣化主要受到蒸發(fā)濃縮和巖石溶濾的雙重作用影響,其中又以蒸發(fā)鹽巖和硅酸鹽巖風(fēng)化溶濾為主;此外,還受到水文地質(zhì)條件,原生還原環(huán)境,農(nóng)業(yè)化肥、牲畜糞便和生活污水等人類活動和陽離子交換等作用的影響。

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