内蒙古河套灌区浅层地下水化学特征和灌溉适宜性分析

内蒙古河套灌区浅层地下水化学特征和灌溉适宜性分析李泽岩1,2,3,曹文庚1,2,3,王卓然4,李谨丞1,5,任宇1,2,3（1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北石家庄050061；2.自然资源部地下水科学与工程重点实验室,河北石家庄050061；3.河北沧州平原区地下水与地面沉降国家野外科学观测研究站,河北石家庄050061；4.水利部信息中心,北京100053；5.中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京100083）摘要随着黄河流域水资源供需矛盾加剧,我国特大型灌区——内蒙古河套灌区开始采用黄河水与地下水相结合的方式进行农业灌溉。本研究采集河套灌区内499组地下水样品和1组黄河水样品,在分析地下水和黄河水样品的水化学特征基础上,运用钠吸附比(SAR)、渗透指数(PI)、钠含量(SC)和残余碳酸钠(RSC)以及《农田灌溉水质标准(GB5084—2021)》对地下水和黄河水的灌溉适宜性进行对比分析。结果表明,地下水与黄河水均为弱碱性水,Ca2+和HC03-为优势离子,Gibbs图显示地下水受到岩石风化淋溶和蒸发浓缩的双重影响,对灌溉适宜性影响较大的钠盐主要来自岩盐溶解。灌溉适宜性分析结果表明,从SAR、PI和RSC指标来看,地下水的灌溉适宜性较好,从SC指标来看,不适宜灌溉的地下水主要分布在灌区北部总排干和灌区南部黄河沿岸;根据农田灌溉水质标准分析,除总砷和氯化物两项指标外,其余指标适宜灌溉样品占比均高于90%,综合评价全区共231组地下水样品适宜灌溉。地下水与黄河水灌溉适宜性对比表明,黄河水的SAR和SC指标灌溉适宜性分析结果较好,地下水的PI和RSC指标灌溉适宜性分析结果较好,根据灌溉水质标准显示黄河水所有指标均适宜灌溉。本研究为日后内蒙古河套灌区合理选用灌溉水源提供数据支撑,为该区域地下水的治理与防控提供科学依据。关键词河套灌区;灌溉适宜性;地下水;黄河水;水化学特征0引言内蒙古河套灌区位于黄河上中游内蒙古段北岸冲积平原,灌区总土地面积达到119万hm2,是全国三个特大型灌区之一,为我国北方最大的引黄灌溉地区,是我国重要的商品粮、油生产基地[1-2]。多年来,黄河水是河套灌区主要的灌溉水源,多年平均引黄水量达50亿m3[3],农业用水占引黄水量的90%以上。随着黄河流域水资源日益紧张,灌区水资源配额减少[4],合理利用地下水进行灌溉是缓解水资源供需矛盾的重要途径。然而,河套灌区降水少,蒸发浓缩作用强烈,盐分无法有效排出,使得灌区处于积盐状态[5-6],地下水呈现不同程度的盐渍化[7-8],长期灌溉影响土壤的渗透性。河套地区存在大面积高砷地下水[9⇓⇓-12],灌溉时地下水中的砷会随农作物的累积进入人体[13],河套灌区主要作物小麦对砷的富集作用尤其强烈[14]。为提高农作物产量,多年来河套灌区大量施用氮肥,过量的氮肥在土壤中盈余,随土壤下渗到地下水中,增加了地下水灌溉的风险[15⇓-17]。因此本文对灌区内地下水、黄河水灌溉适宜性进行对比分析,查明地下水与黄河水作为灌溉水源的差异,为河套灌区合理配置灌溉水源提供科学依据。1材料与方法1.1研究区概况内蒙古河套灌区位于内蒙古自治区中部巴彦淖尔市(北纬40°13'—42°28',东经105°12'—109°53'),河套盆地东临内蒙古第二大淡水湖乌梁素海,北靠阴山山脉,西临乌兰布和沙漠,南部为鄂尔多斯高原,盆地面积约1万km2(图1)。河套盆地由山麓阶地、山前冲洪积扇和冲积平原组成,西部和南部为沙漠,海拔高程为1000~1600m。黄河位于平原南部,北岸宽度为40~75km,直抵狼山山前;南岸宽2~8km,沿断裂与鄂尔多斯高原相连[18]。图1研究区位置与采样点分布示意图盆地内多年平均降水量为130~220mm,主要集中于6至9月,年平均蒸发量达1900~2500mm[19]。盆地内黄河干流长度为345km,多年平均过境水径流量315亿m3[9],黄河入境后坡度变小,水流平稳,盆地内湖泊众多,乌梁素海面积最大,为古黄河改道后形成的河迹湖,是河套盆地黄灌区排退水的容泄区[20-21]。河套盆地为断陷盆地,研究区处于华北地台北缘,区内地层以第四系为主,总体呈北厚南薄的分布规律。依据不同的埋藏条件和水力特性,灌区内地下水可分为单一结构潜水区域和双层结构区域。单一结构潜水区分布于狼山山前冲洪积扇裙带和洪积平原,补给来源为山区地下水侧向径流,排泄途径为农业开采和径流排泄;双层结构区浅层地下水的补给来源为黄河水灌溉入渗补给,主要排泄方式为蒸发排泄。本文研究对象为全新世—晚更新世地层,潜水与半承压水之间无稳定隔水层,地下水位埋深基本一致,统称为浅层地下水[9]。浅层地下水的径流方向主要由西南向东北,自黄河北岸向北部山前径流排泄。河套平原内灌溉渠遍布全区[10],盆地为内蒙古自治区最古老的灌溉区,具有悠久的农业生产历史。1.2样品采集与测试于2015年6至7月在内蒙古河套平原采集地下水样品499组,井深范围为10~40m,采集黄河水样品1组。样品采集项目包括全分析、微量元素分析、As和Fe价态分析,现场测试指标主要包括水温、pH值、溶解性总固体(TDS)等。采样前调查采样井的水文地质成井结构,测量地下水位,抽水15~20min进行洗井,同时用井水冲洗取样瓶3~4次;采样过程中,使用40mL棕色玻璃瓶,水样需注满取样瓶,瓶口不留空隙;采样完毕后添加1mL浓盐酸,用防水胶带封口,贴好标签并于4℃冷藏保存,7日内送至实验室测试分析。样品测试工作由中国地质科学院水文地质环境地质研究所完成,测试环境温度23℃,湿度50%。分析地下水样时,加5%的重复样,所有重复样品的误差小于5%。1.3评价方法利用钠吸附比(SAR)、渗透指数(PI)、钠含量(SC)和残余碳酸钠(RSC)4个指标进行河套灌区地下水灌溉适宜性分析[22⇓⇓-25],其中SAR反映地下水中钠离子与土壤组分发生交替吸附作用的相对活度[26],PI用来衡量土壤介质的渗透能力[16,27],SC利用钠百分比评估在所有溶解的阳离子中钠的危害水平[28],RSC是利用Eaton公式对比碳酸盐和重碳酸盐与地下水中钙镁离子的比值[29]:式(1)—(4)中:Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HC03-分别为该离子的浓度,单位meq/L。地下水灌溉水质分级评价参照《农田灌溉水质标准》(GB5084—2021),根据内蒙古灌区作物种植类型,选择旱地作物的项目限值作为评价标准,多指标综合评价遵循从劣不从优原则。2结果与讨论2.1水化学特征499组地下水样品pH值为7.15~9.26,平均值7.91,环境接近中性和微碱性。TDS质量浓度在278~22382mg/L范围内,平均为1833mg/L;阳离子以Na+、K+为主,其次为Ca2+、Mg2+。Na+、K+质量浓度的中位值分别为285.4mg/L和4.44mg/L。阴离子以Cl-为主,其次为HCO3-、SO42-,平均质量浓度分别为559.05mg/L、498.37mg/L、356.75mg/L。Piper图显示灌区内地下水类型主要为Na-Cl-HCO3型,Na-HCO3-SO4型和Na-HCO3-Cl型(图2(a))。1组黄河水样品pH值为7.62,TDS为327.40mg/L,低于地下水样品TDS平均值;阳离子以Ca2+、Na+为主,其质量浓度分别为52.50mg/L、38.11mg/L;阴离子以HCO3-为主,质量浓度为194.03mg/L;地下水类型为Ca-Na-HCO3(图2(a))。图2河套灌区水化学状况图(a)Piper三线图(单位:%);(b)(d)Gibbs分布图;(c)Cl-和Na+离子比分布图Gibbs图可以通过蒸发、降水和水岩相互作用来评估地下水化学状况[30]。本文绘制了水样的TDS与Na+/(Ca2++Na+)、Cl-/(Cl-+HCO3-)质量浓度比值关系(图2(b)和(d)),河套灌区浅层地下水主要受到岩石风化和蒸发浓缩作用双重影响。河套灌区地势低洼,浅层地下水埋深较浅利于蒸发,年均蒸发量远大于降水量,蒸发强排泄成为平原区浅层地下水的主要排泄方式[9]。阴山山前冲洪积扇区域地下水和南部鄂尔多斯台地北部地下水中离子浓度均受到基岩风化淋溶作用(图2(b)和(d))。地下水中主要的阴阳离子之间的比值关系可以进一步解释水岩相互作用,推断地下水演化[31]。Cl-具有较高的溶解度,不易沉淀,因此在地下水中相对稳定,其来源为含水层中岩石矿物的溶解和深层卤水入侵,Na+/Cl-比值接近1时可以判断地下水中的Na+和Cl-来自岩盐的溶解[32-33],灌区水样的Na+和Cl-离子比分布接近1:1线,大部分水样在1:1线之上(图2(c)),表明地下水中还存在硅酸盐矿物如花岗岩的溶解或阳离子交换作用[16],其中阳离子交换作用会影响地下水中钙镁离子含量,对钠吸附比等指标产生直接影响。2.2地下水灌溉适宜性分析2.2.1四指标体型灌溉适宜性分析根据K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-浓度的SAR、SC、PI和RSC4种灌溉适用性评价指标体系对内蒙古河套灌区地下水进行分析[22],结果如表1所示,SAR指标范围为0.17~2.52,99.2%地下水样品非常适合用于灌溉,仅有4个样品为较适合灌溉;PI最小值为129.90,即所有地下水样品用于灌溉时均不会影响土壤的渗透性,非常适合用于灌溉;SC指标范围在17.82~94.98之间,显示共有319组地下水样品适用于灌溉,占比为63.93%,剩余36.07%样品不适用或不确定是否适用于灌溉。从河套灌区地下水灌溉适宜性分区图(图3)可以看出,SC指标不适宜灌溉的样品主要分布在灌区北部总排干和灌区南部黄河沿岸,适宜灌溉样品分布在阴山山前冲洪积扇裙带、补隆淖、临河决口扇和向西至五原县西部区域。河套总排干为全区主要排泄区,地势低洼,水循环缓慢,Gibbs图中看出区域内蒸发强烈(图2(b)和(d)),综合导致总排干区域地下水盐碱浓度较高,钠百分比超过60%,该区域地下水需在灌溉前进行盐过滤,增加有机质或保证排水系统良好的前提下才可以用于农作物灌溉[16]。RSC指标在-112.76~15.58之间,全区内88%共439组样品灌溉适宜性较好,60组地下水样品不适宜用于灌溉,不适宜灌溉的样品点零星分布在总排干西部即杭锦后旗附近(表1和图3)。表1地下水灌溉适宜性评价结果图3河套灌区地下水灌溉适宜性分区图2.2.2依据《农田灌溉水质标准》进行灌溉适宜性分析以上根据SAR、SC、PI和RSC4个指标的灌溉适宜性评价体系仅综合考虑地下水主要阴阳离子的含量和灌溉过程对土壤渗透性的影响,未考虑水化学指标和其他常规离子等的影响,有一定的局限。本部分结合《农田灌溉水质标准(GB5084-2021)》中相关控制项目,丰富分析指标体系,进一步分析灌溉水源对耕地、地下水和农产品安全的保障情况。分析结果见表2。表2依据《农田灌溉水质标准》(GB5084—2021)的河套灌区灌溉适宜性评价依据《农田灌溉水质标准》(GB5084—2021),共选择8个基本控制指标和7个选择控制指标对499组地下水样品进行灌溉分析,在基本控制指标中,水温、总铅和总汞均全部适宜灌溉旱地作物,仅有总砷、氯化物2个指标适宜灌溉样品占比低于90%,分别为83.37%和58.32%。在选择控制指标中,氰化物、挥发酚和总锌均全部适宜灌溉旱地作物,剩余指标适宜性样品占比均超过97%。综合评价结果显示,全区共有231组地下水样品适宜用于灌溉农田(表2和图4)。图4河套灌区地下水灌溉水质分布图内蒙古灌区地下水中砷浓度超过标准中限值的样品主要分布在黄河古河道带区域,即河套平原总排干两侧。岩石风化和蒸发浓缩作用会影响地下水中砷的富集[34],该区域地势低洼,为平原内主要排泄区,浅层地下水埋深较浅,区域蒸发浓缩作用格外强烈。有研究表明,河套盆地高砷地下水主要赋存于还原环境中[35],平原内砷浓度超标区域还原性最强,导致大量砷从铁锰氧化物中解吸释放到地下水中并富集[8,11,36]。氯化物主要分布在乌梁素海西侧以及总排干南侧。Cl-具有溶解度高、难以去除的特点[37],岩石矿物的溶解是地下水Cl-的唯一来源[38]。乌梁素海的水源主要由河套灌区内总排干输给,排泄过程给乌梁素海带来大量盐分,使得湖水中氯离子含量逐年升高,水质变差[39]。鄂尔多斯高原岩石淋溶风化作用强烈,岩石矿物溶解带来的大量氯离子沿地下水流向被输送到乌梁素海西侧的黄河两岸,使得地下水中氯离子含量增加。综合SAR、SC、PI和RSC4个指标和《农田灌溉水质标准》(GB5084—2021)分析可以得出,河套灌区内适宜灌溉的地下水主要分布在阴山山前冲洪积扇裙带区和补隆淖决口扇、临河决口扇范围内。2.3地下水与黄河水灌溉适宜性对比分析河套灌区大量引用黄河水用于灌溉,近年来为缓解黄河流域水资源压力,开始利用黄河水与地下水结合灌溉的方式来进行农业生产,本小节将依据SAR、PI、SC、RSC、《农田灌溉水质标准》5个指标,开展黄河水和地下水的灌溉适宜性对比分析,为制定内蒙古灌区不同地区的灌溉方案提供依据。在灌区阴山山前总排干以北地区无法引用黄河水灌溉,仅可抽取地下水进行灌溉,因此本部分内容仅对灌区总排干以南的地下水样品进行对比。2.3.1四指标体系灌溉适宜性对比分析图5为灌区地下水样品Na+、Ca2+、Mg2+、K+、Cl-、HC03-、S042-和C032-浓度与黄河水中浓度的对比,黄河水8个离子的浓度均在地下水样品中位值之下,其中黄河水中Na+、Mg2+、Cl-、HC03-浓度接近地下水样品浓度的最低值,与地下水样品的总体浓度水平差距较大。利用黄河水样品的离子浓度进行灌溉适宜性分析,其分析结果与地下水分析结果见图6和表3,黄河水的4个指标均显示为适宜灌溉。SAR指标评价结果显示,区内大部分地下水样的钠吸附比较黄河水钠吸附比更高,在2.2小节中已评价得出地下水的钠吸附比均适宜灌溉,因此两者均可用于灌溉,而不会因为钠离子的阳离子交换作用影响土壤渗透性。从渗透性PI考虑,全区均为地下水灌溉适宜性优于黄河水。从SC钠百分比考虑,全区均为黄河水更适宜灌溉。RSC对比结果发现,在地下水不适宜灌溉的区域基本都是黄河水灌溉适宜性更优。图5河套灌区地下水与黄河水主要离子质量浓度对比图图6河套灌区地下水与黄河水灌溉适宜性对比图表3河套灌区黄河水与地下水四个指标对比2.3.2依据《农田灌溉水质标准》进行灌溉适宜性对比分析基于标准限值对黄河灌溉水质进行分析,发现黄河水质均适宜进行内蒙古灌区旱地作物的地下水灌溉,图7对地下水超标较明显且黄河水有检出的6个指标进行展示,黄河水As、Cl、Zn、F的浓度均在地下水样品浓度的中值之下,因此黄河水更适宜于进行农作物灌溉。图7河套灌区地下水与黄河水主要项目对比3结论(1)河套灌区地下水与黄河水均为弱碱性水;地下水阳离子以Na+、K+为主,阴离子以Cl-为主;黄河水阳离子以Ca2+、Na+为主,阴离子以HC03-为主。灌区地下水化学状况主要受到岩石风化和蒸发浓缩作用影响,对灌溉适宜性影响较大的钠盐主要来自岩盐溶解。(2)河套灌区地下水灌溉适宜性良好,适宜灌溉的地下水主要分布在阴山山前冲洪积扇裙带区和补隆淖决口扇、临河决口扇范围内。SAR、PI和RSC三个指标在全区内均为“适宜灌溉”标准,SC指标在阴山山前冲洪积扇裙带、补隆淖、临河决口扇和向西至五原县西部区域为“适宜灌溉”标准;根据《农田灌溉水质标准》(GB5084—2021),仅有总砷、氯化物2个指标适宜灌溉样品占比低于90%,岩石风化溶解和蒸发浓缩作用是该现象的主要成因。(3)河套灌区地下水和黄河水灌溉适宜性对比分析表明,SAR和SC指标显示黄河水更适宜灌溉,PI和RSC指标显示地下水更适宜灌溉,依据灌溉水质标准分析,黄河水所有指标均适宜灌溉。综合地下水、黄河水灌溉适宜性分析结果,可在补隆淖、临河决口扇和向西至五原县西部区域内使用地下水结合黄河水进行农业灌溉,其余地区更宜使用黄河水进行灌溉。参考文献：[1]邹宇锋,蔡焕杰,张体彬,等.河套灌区不同灌溉方式春玉米耗水特性与经济效益分析[J].农业机械学报,2020,51(9):237-248.[2]章超然.地表水补给地下水化学特征和砷分布的影响[D].北京:中国地质大学(北京),2020.[3]王璐瑶.河套灌区地下水开发利用的渠井结合比研究[D].武汉:武汉大学,2018.[4]沈来银,胡铁松,周姗,等.基于SHAW模型的河套灌区秋浇渠系优化配水模型研究[J].水利学报,2020,51(4):458-467.[5]马贵仁,屈忠义,王丽萍,等.基于ArcGIS空间插值的河套灌区土壤水盐运移规律与地下水动态研究[J].水土保持学报,2021,35(4):209-216.[6]史海滨,杨树青,李瑞平,等.内蒙古河套灌区水盐运动与盐渍化防治研究展望[J].灌溉排水学报,2020,39(8):1-17.[7]GUOHM,ZHANGY.XINGLN,etal.SpatialvariationinarsenicandfluorideconcentrationsofshallowgroundwaterfromthetownofShahaiintheHetaobasin,InnerMongolia[J].AppliedGeochemistry,2012,27(11):2187-2196.[8]CAOWG,GUOHM.ZHANGYL,etal.ControlsofpaleochannelsongroundwaterarsenicdistributioninshallowaquifersofalluvialplainintheHetaoBasin,China[J].ScienceofTotalEnvironment,2018,613/614:958-968.[9]CAOWG.GenesisofhigharsenicgroundwaterintypicalalluvialplainofYellowRiverBasin[D].Zhengzhou:NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,2018.[10]GUOHM,ZHANGY,JIAYF,etal.DynamicbehaviorsofwaterlevelsandarsenicconcentrationinshallowgroundwaterfromtheHetaoBasin,InnerMongolia[J].JournalofGeochemicalExploration,2013,135:130-140.[11]GUOHM,YANGSZ,TANGXH,etal.GroundwatergeochemistryanditsimplicationsforarsenicmobilizationinshallowaquifersoftheHetaoBasin,InnerMongolia[J].ScienceofTotalEnvironment,2008,393(1):131-44.[12]WENDG,ZHANGFC,ZHANGEY,etal.Arsenic,fluorideandiodineingroundwaterofChina[J].JournalofGeochemicalExploration,2013,135:1-21.[13]陈国梁,冯涛,陈章,等.砷在农作物中的累积及其耐受机制研究综述[J].生态环境学报,2017,26(11):1997-2002.[14]段明宇,吴攀,张翅鹏,等.高砷煤矿污染土壤的小麦砷累积研究[J].麦类作物学报,2017,37(7):985-991.[15]崔佳琪,李仙岳,史海滨,等.河套灌区地下水化学演变特征及形成机制[J].环境科学,2020,41(9):4011-4020.[16]BIANJM,NIESY,WANGR,etal.Hydrochemicalcharac-teristicsandqualityassessmentofgroundwaterforirrigationuseincentralandeasternSongnenPlain,NortheastChina[J].EnvironmentalMonitoringandAssessment,2018,190(7):382-398.[17]袁宏颖,杨树青,张万锋,等.河套灌区浅层地下水NO3--N时空变化及驱动因素[J/OL].环境科学,2021./10.13227/j.hjkx.202107.[18]曹文庚.黄河流域典型冲积平原高砷地下水成因机制[D].郑州:华北水利水电大学,2018.[19]付宇,曹文庚,张娟娟.基于随机森林建模预测河套盆地高砷地下水风险分布[J].岩矿测试,2021,40(6):860-870.[20]袁成福,冯绍元,庄旭东.内蒙古河套灌区典型耕、荒地水盐动态分析[J].干旱地区农业研究,2022,40(1):77-85.[21]赖黎明,美丽,杨旸.内蒙古河套灌区农业土壤特征与发展分析[J].江苏农业科学,2022,50(2):213-218.[22]SELVAMS,JESURAJAK,ROYPD,etal.AssessmentofgroundwaterfromanindustrialcoastalareaofsouthIndiaforhumanhealthriskfromconsumptionandirrigationsuitability[J].EnvironmentalResearch,2021,200:111-461.[23]朱丹尼,邹胜章,李军,等.会仙岩溶湿地丰平枯水期地表水污染及灌溉适用性评价[J].环境科学,2021,42(5):2241-2250.[24]唐金平,张强,胡漾,等.湔江冲洪积扇地下水化学特征及控制因素分析[J].环境科学,2019,40(7):28-33.[25]高延康,刘祖发,卓文珊,等.基于模糊综合优化模型的湛江市地下水灌溉适宜性评价[J].亚热带资源与环境学报,2019,14(3):29-37.[26]StaffofUSSalinityLaboratory.DiagnosisandImprovementofSalineandAlkalineSoils:U.S.DepartmentofAgricultureHandBook[M].Washington:GovernmentPrintingOfficeWashington,1954.[27]DONEENLD.Notesonwaterqualityinagriculture[M]//WaterScienceandEngineeringPaper4001.Davis:UniversityofCalifornia,1964.[28]BISHWAKARMAK,WANGGX,ZHANGF,etal.HydrochemicalcharacterizationandirrigationsuitabilityoftheGangesBrahmaputraRiverSystem:reviewandassessment[J].JournalofMountainScience,2022,19(2):388-402.[29]EATONFM.Significanceofcarbonateirrigationwater[J].SoilScience,1950,69(2):123-133.[30]ZHICS,CAOWG,WNAGZ,etal.High-arsenicgroundwaterinpaleochannelsofthelowerYellowRiver,China:distributionandgenesismechanisms[J].Water,2021,13(3):338-342.[31]REDDYAGS,KUMARKN.Identificationofthehydrogeochemicalprocessesingroundwaterusingmajorionchemist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