黄土台塬灌区泉水化学性质变化规律的研究

黄土台塬灌区泉水化学性质变化规律的研究1.1 研究背景和选题依据黄土台塬灌区是黄土台塬区主要的农业生产基地，在塬区经济发展中有着举足轻重的地位，但是由于干旱的气候条件（年降雨量远小于年蒸发量），低平封闭的地形条件，高矿化度地下水及人为的不合理灌溉等诸多因素的影响使灌区土壤盐渍化问题日益突出，严重影响灌区经济发展和灌区居民生存。甘肃省沿黄灌区是继河西走廊之后的第二个综合农业商品生产基地，辖19个县区，区域面积约4.5104km2，占全省土地面积的10.54%和总人口的24.7%。由于黄河及其众多支流水源，从20世纪60年代开始，相继建成了景电、兴电、刘川、靖会、引大、皋兰西岔、榆中三角城等电力提灌工程，农田实际灌溉面积达3.85105hm2，极大的改善了这一区域的农业生产条件，产生了良好的经济和社会效益4。但由于电力提灌工程大都建在相对封闭的平原和盆地，造成水盐运移不畅，再加上干旱的气候条件和不合理的农事活动，使得各个灌区土壤盐渍化问题都比较突出。甘肃沿黄灌区地表组成多样，川、塬、台地兼有，既有集中集中连片的大面积灌溉区，也有分散于丘陵、坡地上的梯田，条田；既有旱作耕地改造的灌溉农田，也有荒塬、荒川开发改造的新灌区，除少量黄河一、二级阶地的自留灌溉区外，大多为提升400m以上的高扬程灌区，有的甚至提升800m以上，是甘肃省移民开发的重要区域。在黄河流经甘肃的480km中，兰州和白银占了全长的76%，分别有各类农田灌溉水利工程739处和1710处，景电、兴电、引大、靖会等大中型灌溉区也都位于这一区域5。受区域性气候、地形、土壤母质、水文地质等特定自然条件及耕作、灌溉等因素的影响，引水灌溉后各个区域都出现了大面积土壤次生盐渍化。虽然各个灌区次生盐渍化发生的原因、面积和程度不同，但基本上都是灌区上游土壤母质为含盐的原生盐碱地，经提水灌溉开发利用后造成中下游次生盐渍化。土壤盐渍化受灌溉、降水、蒸发、排水、冻融、耕作、种植作物等综合因素制约。盐随水来、盐随水去这一对矛盾统一体是土壤盐分运动的主要特点，土壤毛管水的地面蒸发是土壤积盐的主要因素；灌溉水及大气降水的入渗、淋溶，排水沟排水是土壤脱盐的主要因素。但是所有这些因素都可以归结为水盐动态问题来研究。根据水均衡原理，在一段时间内进入灌区的水量等于同期灌区排出的水量加上灌区水储量的变化。可溶盐随水移动，水的运动产生盐的运动，灌区的水均衡决定着灌区的盐均衡。水均衡不但决定了地下水位高低和水质的好坏，还决定了土壤含盐量多少以及土壤的积盐和脱盐3。1.2 研究区概况黑方台位于甘肃省永靖县盐锅峡、八盘峡库区，距离兰州约40km，曾经是一个荒芜但非常稳定的黄土塬。20世纪60年代末期，为了安置刘家峡、盐锅峡水库区的移民，在黑方台建成了提水灌溉工程，开展大规模农业生产6。多年来一直采用大水漫灌的方式进行灌溉，提水灌溉工程于1966年7月开工建设，1969年6月30日竣工；设计提水量0.12m3/s,实际提水量0.21 m3/s。根据1981年到1999年的灌溉资料计算，年平均提水量为645104m3，其中80年代（1981年到1989年9年间）的年平均提水量是722104 m3,1982年的提水量最大，为858.2104 m3，1987年的提水量最小，为599104 m3；90年代（1990年1999年）的年平均提水量是576104 m3，1991年的提水量最大，为682.5104 m3,1995年最小，为503104 m3。灌区每年一般需要提灌5次，5月份春灌一次，11月份冬灌一次，期间还需要进行三次苗灌7。黑方台属黄河级基座阶地。盐锅峡附近的虎狼沟将黑方台切割成2块，西侧面积较小的为方台，约1.7km2，东侧面积较大的为黑台，东西长约6km，南北宽13km，面积约为12 km2.黑台北部发育有近E-W向的磨石沟，切割至阶地基座以下，东侧前缘直接与黄河级阶地相接，形成高差达90130m左右的斜坡地形6。黑方台为典型的黄土塬，据野外调查及有关资料，黑方台地层由新到老可分为：上更新统黄土（Q3）：灰黄色，成分以粉粒为主，土质均一、疏松多孔，厚2050m；中更新统冲击物（Q2）:可分为2层，上部为厚417m的粘土层，下部为砂卵石层，约25m;白垩系河口群（Khk）：为紫红色暗红色泥岩、砂质泥岩。透水性差的粘土层构成了上更新统黄土的底部隔水层，从而造成灌溉条件下塬区地下水位的抬升6。黑方台地下水总体上有西向东流汇向东部台缘，小部分向两侧分流。东部除了自身接受塬面灌溉的补给，还接受来自西侧的侧向补给，必将造成此处台塬地下水位抬升相对其他边缘较快6。第二章 实验材料和方法2.1 取样将黑方台灌区泉水露头区域分为八个区，其中区在黑台周边，区在方台周边，分别在各个区采样，并进行编号8。其中对2013年12月、2014年1月、2014年3月、2014年4月这三个月不同区域的泉水进行采样、分类编号，带回样品并进行了实验。图2.18为灌区泉水分区概况及具体的泉眼分布情况。图2.1 泉眼分布图 2.2 实验本次实验是在室内恒温条件下进行的。2.2.1 实验仪器实验所采用的仪器是水质监测仪。2.2.2 试样制备本次实验采用的是原液和蒸馏水按1:9的比例进行调配制备试样。首先在100ml烧杯中倒入原液约20ml，然后将烧杯中的原液倒入10ml量筒中，当量筒中原液快接近10毫升是停止，改用胶头滴管吸取烧杯中的原液滴入10ml量筒，直至量筒中的原液为10ml；取一500ml烧杯，将10ml量筒中的原液倒入烧杯中，用蒸馏水清洗量筒，清洗过量筒的蒸馏水继续倒入烧杯，重复清洗量筒三次，每次清洗过量筒的蒸馏水都继续倒入500ml烧杯；然后加蒸馏水入500ml烧杯中直至接近100ml，改用清洗过的胶头滴管往500ml烧杯中滴蒸馏水直至100ml，这样就制备好原液和蒸馏水为1:9的100ml试样。2.2.3 实验过程取出水质监测仪打开开关接上pH探针，然后将pH探针放入制备好的100ml试样中搅拌1分钟后读数，分别记录试样的EC、TDS和pH值。第三章 实验结果及分析3.1 实验结果3.1.1 泉水样本化学性质在空间上的变化规律分析此次分析取了2014年4月一个月的泉水样本实验数据变化规律进行分析泉水样本EC值在不同区域、不同泉眼的变化情况如图3.1.1所示。由于在黑台区和区只采集的一个样本，所以图中呈现不出在一个区内的变化；从黑台两个泉眼泉水样本EC值来看，可以看出24号和25号泉水样本EC两者相差不大，黑台区27号和32号两个泉眼泉水样本EC值同区一样，在同一个区内都变化不大；黑台区36号和37号两个泉眼泉水样本EC值相差不大，37号和43号两个泉眼泉水样本EC值相差不大，但36号泉眼和43号泉眼泉水样本EC值差距就比前两组之间的差距增大不少，将黑台区这三个泉眼泉水样本EC值比较就会发现从36号到43号呈逐渐递减的趋势，在泉眼分布图中可以看出36号、37号和43号三个泉眼是从东到西分布的；在方台区的6号、4号、7号和8号四个泉眼泉水样本EC值是按逐渐递增的形式变化的，而且两两之间的变化幅度相近，但这个变化幅度明显比黑台区三个泉眼泉水样本EC值两两之间的变化幅度大，在泉眼分布图中可以看出4号、6号、7号和8号泉眼是按从南到北、从西到东的方向分布的；在黑台区的三个泉眼泉水样本EC值变化差距比较大，没有明显的递增递减趋势，其中9号和12号泉眼泉水样本EC值非常接近，接近11号泉眼泉水样本EC值的一半。将各个分区泉眼泉水样本EC值求平均值再进行比较，如图3.1.2所示。从图中可以看出各区泉水样本EC均值是按、的顺序呈递增趋势，有很明显的线性相关，其中最大均值比最小均值的两倍还大一点，泉水样本EC均值最大的方台区位于各个分区的最西南端。泉水样本EC均值比较低的黑台区、区和同样泉水样本EC均值较低的黑台区是相对的位置，即区位于黑台西端，而区和区位于黑台东端；同样的规律，泉水样本EC均值较高的黑台区和区位置也是相对的，即区位于黑台西南方，而区位于黑台东北方。图3.1.1 不同泉眼泉水样本EC值图3.1.2 不同分区泉水样本EC均值泉水样本TDS值在不同区域、不同泉眼的变化规律如图3.1.3所示，各区泉水TDS均值变化规律如图3.1.4所示。从图3.1.3和图3.1.4可以看出，泉水样本TDS值在空间上的变化规律与泉水样本EC几乎一致，这就说明水溶液EC直接和TDS成正比。图3.1.3 不同泉眼泉水样本TDS值图3.1.4 不同分区泉水样本TDS均值泉水样本pH值在不同区域、不同泉眼的变化规律如图3.1.5所示，同样是由于黑台区和区只采集到一个样本，所以图中没有呈现出泉水样本pH在区和区内的变化；黑台区的24号和25号泉眼泉水样本pH接近，区的27号和32号泉眼泉水样本pH同样也很接近；到黑台区3个泉眼泉水样本pH就出现了比较大的变化，其中36号和37号两个泉眼泉水样本pH较为接近，但与43号泉眼泉水样本pH差距较大；在方台区4个泉眼泉水样本pH是按6号、7号、8号、4号逐渐递减的，变化比较均匀，有很明显的线性相关性；在方台区的三个泉眼泉水样本中，9号和12号泉眼泉水样本pH非常接近，但与11号泉眼泉水样本pH差距较大。将各个分区泉眼泉水样本pH值求平均值再进行比较，如图3.1.6所示。从图中可以看出各区泉水样本EC均值是按、的顺序呈递增趋势，有很明显的线性相关。从图中可以看出，泉水样本EC和TDS均值最低的黑台区pH均值却最高，相反泉水样本EC和TDS均值最高的方台区pH却最低，可以猜测，泉水的EC和TDS成正比，而这两项参数和pH接近成反比关系。整体来看，黑台泉水样本pH均值高于方台。图3.1.4 不同泉眼泉水样本pH值图3.1.6 不同分区泉水样本pH均值3.1.2泉水样本化学性质在时间上的变化规律分析取黑台区24号、区32号、区37号三个泉眼泉水样本在2013年12月、2014年1月、2014年3月和2014年4月4个不同的月份的数据进行比较。图3.1.7为上述三个泉眼泉水样本EC在四个不同的月份变化情况。从图中可以看出从图中可以看出黑台区37号泉眼泉水样本EC值在2014年1月出现明显下降，其他3个月EC值非常接近，基本没什么变化。黑台、区的24号和32号泉水样本EC值在四个月中都非常接近，没有特别明显的波动。整体来看，不论这个三泉眼泉水EC值是否变化，37号泉眼泉水样本EC都是这三个泉眼泉水样本EC中最大的，24号泉眼泉水样本EC最小。图3.1.724号、32号、37号3个泉眼泉水样本EC值在4个月内的变化情况图3.1.8为上述三个泉眼泉水样本TDS在4个不同月份的变化情况。TDS的变化情况同EC的变化情况基本保持一致，同样是黑台37号泉眼泉水样本TDS在2014年1月出现明显的下降，到2014年三月又上升接近2013年12月的水平，到2014年4月也基本保持不变，没有特别明显的波动。黑台、区的24号和32号泉水样本TDS值在四个月中都非常接近，没有特别明显的波动。整体来看，不论这个三泉眼泉水TDS值是否变化，37号泉眼泉水样本TDS都是这三个泉眼泉水样本TDS中最大的，24号泉眼泉水样本TDS最小。图3.1.824号、32号、37号三个泉眼泉水样本TDS值在4个月内的变化情况图3.1.9为上述三个泉眼泉水样本pH在4个不同月份的变化情况。从图中可以看出三个泉眼泉水样本pH相比EC和TDS在四个不同的月份出现了非常明显的变化；其中黑台、区的24号和32号泉水样本pH值在2014年1月下降非常明显，并且24号和32号泉眼泉水样本pH在14年1月是下降到一个相同的数值，在之后的3月和4月又逐渐回升直至接近2013年12月的水平。黑台区的37号泉水样本pH值在2013年12月和14年1月都非常接近，几乎没有波动，在14年3月出现明显的下降，之后又逐渐回升接近12年12月和14年1月的水平。图3.1.924号、32号、37号三个泉眼泉水样本pH值在4个月内的变化情况3.2 泉水化学性质之间的关系取2014年4月份这1个月的泉水样本EC、TDS、pH进行两两之间的相互比较。图3.2.1为14年4月所有泉水样本EC和TDS的散点图，从图中可以看出EC与TDS成正比关系，通过查阅资料发现水溶液的电导率（EC）直接和溶解固体量浓度（TDS)成正比，而且固体量浓度越高，电导率越大。电导率和溶解固体量浓度的关系近似表示为：1.4S/cm=1ppm或2S/cm=1ppm。图3.2.114年4月所有泉眼泉水样本EC值和TDS值对比图图3.2.2为14年4月所有泉水样本EC和pH的散点图。从图中可以看出EC和pH具有比较明显的线性相关性，泉水溶液pH的改变伴随着的是泉水溶液EC的变化。图3.2.214年4月所有泉眼泉水样本EC值和pH值对比图图3.2.3为14年4月所有泉水样本TDS和pH的散点图。同EC相似，TDS与pH也存在着比较明显的线性相关性，随着泉水中总溶解固体量（TDS）的增加，泉水电导率（EC）和pH也随之发生着变化，EC的变化同TDS保持一致，而pH的变化却相反，即随着TDS的增加，pH会相对的降低。图3.2.314年4月所有泉眼泉水样本TDS值和EC值对比图第四章 结语我国对于土壤盐渍化及次生盐渍化的研究已经有70年的历史，由盐分离子毒害理论等基础