内蒙古河套灌区上中下游地下水时空演变特征

内蒙古河套灌区上中下游地下水时空演变特征

李斌，石滨海，张建国，在节水改造前后，内蒙古河套灌区地下水化学特征[j]。农业工程报告，2014年，30（21）：99-110。LiBin,ShiHaibin,ZhangJianguo,etal.Hydrochemicalcharacteristicsofgroundwaterbeforeandafterwater-savingreforminHetaoIrrigationDistrict,InnerMongolia[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2014,30(21):99-110.(inChinesewithEnglishabstract)0节水改造对农田水环境的影响中国大型灌区普遍存在灌区可利用水量减少(以中国最大的内陆河塔里木河为例,根据恰拉水文站观测资料显示,年平均径流量从20世纪60年代的12~16亿m3减少到2005年的1~3亿m3),有效灌溉面积比率低,土壤盐渍化严重(北方),工程老化失修和灌溉水利用效率较低等问题。自1998年以来,国家启动了大型灌区续建配套与节水改造工程,在改善灌区灌溉条件,提高灌区农业综合生产能力与灌溉水利用效率的同时,灌区内农田水文循环规律也随之被改变。对于北方灌区,渠道衬砌、井区结合和田间节水技术的改进打破了原有的农田水盐动态平衡,使区域农田水环境发生相应变化。灌区水盐环境显著变化对灌区农业发展产生的影响成为人们关注的焦点。近年来,国内外学者围绕节水改造对灌区环境效应开展了广泛的研究。杜丽娟等分析了灌区节水改造对环境的影响因素,探讨了灌区节水改造环境效应的评价指标体系,阐述了近年来广泛应用的环境效应评价方法;代锋刚等结合灌区渠系衬砌、田间节水及农业种植结构的实际情况设置8种情景,分析了灌区节水改造对地下水空间分布的影响;陈亚新等利用人工神经网络(artificialneuralnetwork)模型对河套灌区节水改造后农田土壤水盐变化进行了系统预测。澳大利亚灌排委员会从环境、社会、水管理等方面对灌区节水改造状况进行了研究,并分析了各方面之间的相互影响因素。Dougherty等将灌溉工程可能造成的环境问题分为灌溉土地退化、社会经济状况降低、水质恶化、生态退化以及地下水减少5大类。ManoliadisOG等对灌溉工程可能对环境的影响因子分为自然、生物、社会和经济4个方面。上述研究主要集中于影响因素及评价指标体系和方法的研究,而从地下水水化学微观角度定量论述节水改造对灌区农田水环境的影响鲜有报道。地下水水化学研究是地下水资源与农田水环境质量评价的重要内容,它对流域地下水资源利用和管理及与其有关的生态环境的保护与建设都具有重要的意义。地下水化学特征的研究是水化学研究的重要内容之一,地下水化学成分特征与地质、地貌、水文地质条件密切相关,即地下水中各元素的含量及迁移规律决定于当地的自然地理、岩性条件、地下水的补给、径流和排泄条件等因素。当前,学者们主要采用数理统计、Piper或Durov图、离子比例系数、矿物饱和指数、同位素示踪及水文地球化学模拟等技术方法对地下水化学特征、水化学成分的形成及演化等进行研究[18,19,20,21,22,23,24]。本文以地处北方干旱寒冷地区的内蒙古河套灌区为研究对象,从地下水水化学的角度探讨节水改造给灌区农田水环境带来的影响。为灌区节水改造规划实施对农田环境的影响进行合理评价提供科学依据,促进和推动灌区节水农业科学高效稳步发展。1材料和方法1.1农田灌草护坡的自然条件内蒙古河套灌区位于中国的西部,40°12′~41°20′N,106°10′~109°30′E。灌区地处黄河的河套平原,北抵阴山山脉的狼山、乌拉山,南至黄河,东与包头市为邻,西与乌兰布和沙漠相接。灌区总土地面积1120000hm2。灌区地处干旱、半荒漠草原地带,冬季严寒少雪,夏季高温干热,降雨稀少、蒸发量大,无霜期短,冬季封冻期长,温差大,为典型的大陆性气候、季节性冻土地区。年均降雨量139~222mm,由西向东逐渐增加,5-9月份降雨量占全年的72.6%。年均蒸发量1999~2346mm,5-7月蒸发量最大,占全年50%以上,年均蒸发是年降水的13.6倍,春季比值可达36.3倍,年均风速为2.5~3.0m/s,土壤冻结期始于11月下旬,冻深100~200cm,翌年5月中上旬冻层全部融通,冻结至融通历时180d。1.2地下水的自然分布内蒙古河套灌区在地质构造上属于华北地台的鄂尔多斯台向斜的一部分,为一形成于侏罗纪晚期的中新生代断陷盆地,新生代地层广布全区。在构造形态上,呈现北深南浅,西深东浅的不对称的箕状凹陷。由于黄河的形成及其多次改道,又在湖相层上覆盖了黄河冲积层,在黄河古河道的波及区和引黄灌溉大量淡水补给作用下,湖积层咸水区上覆盖了淡水层。从地形上看,内蒙古河套灌区是一个面积大、地面坡降平缓的平原区,地下水的流向与地面坡降基本一致,而且土壤颗粒细,渗透性能差,地下水流速缓慢。黄河从灌区南缘通过,处于灌区较高的位置。在灌区东南,乌拉山隆起带从西山咀潜入平原地下,向西延伸,成为平原水库的一座“挡水坝”,因而平原地下水向外排泄十分困难。河套平原这一地质特点从总体上决定了其地下水的排泄方式为垂直蒸发型。河套灌区含水层水平方向上的分布规律为:由于拗陷深度自东向西、由南向北加大,含水层厚度沿此方向增厚,由东部60~80m,向西增至150~240m,由南部隆起区的20~60m向北增至100~200m,总的规律由东南向西北变厚。含水层顶板埋藏深度一般小于20m。灌区潜水补给来源主要是各级渠道的渗漏水及田间灌溉入渗,其次是山洪水和降水。1.3观测井的布设本研究设5个分布在灌区的上、中、下游的研究区,详见图1。为便于监测和管理,将其归纳为3个中心区。磴口县与杭锦后旗、临河、乌拉特前旗与乌拉特中旗研究区分别为上、中、下游中心区。在上、中与下游区分别布置16眼、7眼与11眼地下水观测井,共计34眼。观测井根据地形条件,采用井深10m的普通观测井。井管下端用直径7.62cm塑料管封闭,上部用1.5m长的钢管加帽,并用混凝土加固,防止丢失。根据地表植被情况及土壤盐渍化程度布设观测井。本试验分别在节水改造前(2007年)、节水改造后(2008和2009年)每年的4-10月份(为内蒙河套灌区主要作物的全生育期)取样,取样每月1次,并在灌溉前后加测。采样时间为8:00,取样点在水面以下0.5m处,并在72h内送达实验室进行有关水化学参数测试。1.4样品与测试方法测试项目包括主要阴阳离子Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、CO32-及pH值和溶解性总固体(totaldissolvedsoils,TDS)。样品测试在内蒙古巴彦淖尔盟水利科学研究所实验中心进行,其中Na+、K+测试方法为火焰原子吸收分光光度法;Cl-、SO42-测试方法为离子色谱法;Ca2+、Mg2+测试方法为乙二胺四乙酸二钠(ethylenediaminetetraaceticacid,EDTA)滴定法;HCO3-、CO32-测试方法为酸碱滴定法;pH值测试方法为电位法;溶解性总固体利用各测试项目质量浓度的总和确定。1.5地下水水化学参数值将2007、2008和2009年4-10月的各项地下水水化学数据取月平均值,作为每个井位的地下水水化学参数值。利用AquaChem4.0软件中的Piper模块绘制皮伯三线图。用CAD绘制H.И.托尔斯基汉方格图和多矩形图(multi-rectangulardiagrams,MRD)。2结果与分析2.1节水改造前后hco3-含量的相对稳定性对分布于河套灌区上中下游共34个潜水水样有关水化学参数进行统计特征值分析。分析结果表明(表1):连续3a的统计特征值都显示,Ca2+、Mg2+、HCO3-的变异系数相对较小,反映它们在潜水中含量的相对稳定性,其中在节水改造前(2007年)HCO3-的平均质量浓度(492.1mg/L)在阴离子中最小,而在节水改造后2008年(508.9mg/L)和2009年(549.8mg/L)在阴离子中最大。在3a中HCO3-的标准差和变异系数始终保持在阴离子中最小,说明在节水改造后(2008、2009年)HCO3-在潜水中绝对含量较大,相对含量差别不大,为潜水的主要阴离子;Na+、Cl-、SO42-的变异系数较大,反映它们在潜水中的含量区域变异性较大,表明它们是随环境因素而变化的敏感因子,是决定潜水盐化作用的主要变量。2.2碱度对hco3-及ca2+的影响相关性分析可揭示地下水化学参数的相似相异性及来源的一致性和差异性。相关性的强弱用Pearson相关系数表示。计算结果表明,2007年(节水改造前)、2008和2009年全灌区地下水水样中Na+、Cl-与TDS相关系数最高,Na+、Cl-和TDS的总回归方程分别为:式中:y为溶解性总固体质量浓度,mg/L;x1为氯离子质量浓度,mg/L;x2为钠离子质量浓度,mg/L。而Ca2+与HCO3-呈负相关关系,同时Mg2+与HCO3-之间及Na+与Ca2+、Mg2+的相关性较差。出现上述现象的原因是,河套灌区是一个面积大、地面坡降平缓、土壤颗粒细的平原地区,地势总体西高东低,南高北低。地下水的流向与地面坡降基本一致,流路长,坡降缓,水流速度极低,水交换缓慢,有利于Na+充分交换和聚集。这时阳离子交换起主要作用,水中的Na+与土壤中的Ca2+、Mg2+进行离子交换,导致Na+在土壤中的大量积累。随着碱度升高,促进白云石CaMg(CO3)2的生成,发生沉淀。由于Ca2+被除去,[Mg2+]/[Ca2+]的比率升高,当其达到6以上时,碳酸钙就会转化成白云石。当缺少过量的碱度时,就会发生白云石化作用,钙被释放出来,并以石膏的形式沉淀下来。2.3na/cl系数在地下水的化学成分中,各种组分之间的含量比例系数常用来研究某些水文地球化学问题,因为不同成因或不同条件形成的地下水,比例系数在数值上有较明显的差异,因此可以利用这类系数判断地下水成因。γNa/γCl系数称为地下水的成因系数,是表征地下水中钠离子富集程度的一个水文地球化学参数。低矿化度水具有较高的γNa/γCl系数(γNa/γCl>0.85),高矿化度水具有较低的γNa/γCl系数(γNa/γCl<0.85)。由图2可知,3a全灌区潜水水样分析点几乎都位于直线1∶1以上,说明Na+浓度基本上均大于Cl-浓度,即γNa/γCl系数大于1,地下水在径流过程中不断通过水解和酸作用使岩石矿物风化溶解,使Na+从长石中释放出来,同时水中Ca2+和土壤中Na+发生交换,从而使Na+浓度大于Cl-浓度。由图3可知,3a全灌区地下水大约在TDS<2200mg/L区域范围内,γNa/γCl系数总体上随着TDS的增加呈上升的趋势,说明在矿化度<2200mg/L水体中,随着地下水流程和滞留时间的增加,来自矿物风化溶解的Na+浓度逐渐增加,当地下水TDS>2200mg/L时,γNa/γCl系数基本上随着TDS的增加呈下降的趋势,说明当地下水中的TDS达到一定时,Na+开始与含水层中黏土矿物吸附的Ca2+、Mg2+进行离子交换,导致地下水中的Na+浓度减小,相反Cl-增加,水中HCO3-及SO42-相应发生沉淀,使Cl-富集,即导致γNa/γCl系数下降。由图4可知,3a全灌区地下水水样分析点大部分位于直线1∶1的下方,正是由于Ca2+、Mg2+生成碳酸盐产生沉淀,从而使[Ca2++Mg2+]浓度降低的原因。2.4在节水改造前后分析地下水化学的结构2.4.1全农田地下水的离子分布特征H.И.托尔斯基汉方格图解法由苏联著名水文地质学家托尔斯基汉(Tolstikhin)于二战后提出,用于地下水化学分类。在托尔斯基汉方格图中,横坐标为阳离子含量(毫克当量百分数),纵坐标为阴离子含量。Ca2++Mg2+的量自左向右增加,同时,Na++K+的量在减少;阴离子HCO3-的含量自下向上增加,同时Cl-+SO42-的量逐渐减少。用一点的位置表示水的化学成分计算出水样阳离子(Na++K+)的毫克当量百分数,用个位数n1表示,n1为1~10的数表示毫克当量为10%~100%。再计算强酸(Cl-+SO42-+NO3-等)的毫克当量百分数,用10位数n2表示。(n1+n2)值对应方格图中的一点,并在方格图上绘出其位置,从而可以看出该灌区地下水离子分布特征。对全灌区地下水水样进行化学分析后,运用H.И.托尔斯基汉方格图解法分析,由图5可知,2007(节水改造前)、2008和2009年全灌区大部分地下水水样的(n1+n2)值大于50,占全灌区约97%,据此可初步判断全灌区地下水大部分属于氯化物及硫化物的钠、钙和镁盐,Cl-+SO42+>50%;并且,2008和2009年整体的代码值相比于2007年(节水改造前)有减小的趋势,图中点位上移,即全灌区HCO3-的毫克当量百分数有所增加。从图5中还可看出,与2007年(节水改造前)比较,2008和2009年的整体点位有向右移动的趋势,即Na+有减少的趋势。2.4.2地下水水化学类型与组成变化三线图首先是由Pipre在1944年提出来的,故又称Piper三线图。在图中各以3组主要的阳离子(Ca2+,Mg2+Na++K+)和阴离子(Cl-,SO42-,HCO3-+CO3-)的每升毫克当量的百分数来表示。每图包括3个部分,在左下方和右下方分别为2张等腰三角形域,中间上方夹着一张菱形域,每域的边长均按100等分读数。在左下方的等腰三角形域,3个主要阳离子反应值的百分数按三线座标用一个单点表示。在右下方的等腰三角形域,阴离子亦用同样方法表示。这样,图上所作的二单点表示了地下水中某些溶解物质的相对浓度。然后通过这二个单点平行三角形外边作射线,于菱形域内相交一点。这一点通常可以说明地下水总的化学性质并用阴阳离子对表示地下水的相对成分。因此,三线图表示地下水性质,用的是化学成分的相对浓度而不是绝对浓度,在三线图上把数据点到菱形域的一定位置以后就可进行解释。利用AquaChem4.0软件中的Piper模块绘出上中下游地下水水化学类型图,分析全灌区地下水水化学特征与演变规律,揭示控制地下水质量演变的主要水化学过程。从图6中可以看出:沿地下水流方向(灌区上游→灌区中游→灌区下游),全灌区地下水水化学类型变化极为复杂:2007年(节水改造前)主要从Na-Ca-Mg-ClSO4-HCO3型、Na-Mg-Cl-SO4-HCO3型和Na-Mg-CaHCO3-SO4-Cl型向Na-Cl-SO4型、Na-SO4-HCO3型和Na-Mg-Cl-HCO3转变。2008年主要从Ca-Na-Mg-HCO3-SO4-Cl型、Na-Mg-Ca-HCO3-SO4-Cl型和Na-Mg-Cl-HCO3-SO4型向Na-Cl-HCO3-SO4型、Na-HCO3-Cl-SO4型和Na-Ca-HCO3-SO4-Cl型转变。2009年主要从Na-Ca-Cl-SO4-HCO3型、Na-Mg-Ca-HCO3-SO4-Cl型和Na-Mg-Ca-Cl-HCO3-SO4型向Na-HCO3-Cl-SO4型、Na-Cl-SO4型和Na-Ca-Mg-Cl-SO4-HCO3型转变。3a地下水水化学类型的转变有一个共同点:沿着地下水水流的方向(灌区上游→灌区中游→灌区下游)Na+占主导地位的趋势越来越明显,阳离子由上游的Na-Ca-Mg转变为下游单独的Na+,这是由于沿灌区上游→灌区中游→灌区下游方向,地下水不断与外界环境进行各种物理化学作用,蒸发浓缩起主要作用,随着pH值和TDS含量的逐渐增加,当pH值>7.4和TDS>600mg/L时,产生碳酸盐的沉淀,致使水中Ca2+、Mg2+浓度降低,从而使Na+在下游占绝对优势。2007(节水改造前)年与2008、2009年的区别在于:无论灌区上游还是下游,在地下水化学类型上,2008和2009年HCO3-在阴离子占主导地位的化学类型多于2007年的。2.4.3地下水化学类型的划分和标注为了更为明晰地反映全灌区地下水化学类型及其分布和随年份的变化,弄清每个井位地下水中百分数最高的阴离子和阳离子含量的信息,采用巴基斯坦核科学与技术研究院镭与同位素应用研究所NiazAhmad等于2003年提出的多矩形图解法(multi-rectangulardiagram,MRD)来进行分析。在图中,将相临的阳离子与阴离子成对标注在坐标轴上。同样,横坐标为阳离子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+),纵坐标为阴离子(HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-)。纵、横坐标进一步划分为3个相临、但不重叠的小坐标,每个小坐标分别代表阳离子和阴离子含量。由于Na+和K+、HCO3-和CO32-的化学性质相近,故将其合并,即将Na++K+和HCO3-+CO32-分别视为一个组分,在地下水化学类型中分别以Na和HCO3表示。在综合的MRD图中包含有9个小的矩形,它们分别代表HCO3—Ca、HCO3—Mg、HCO3—Na、SO4—Ca、SO4—Mg、SO4—Na、Cl—Ca、Cl—Mg、Cl—Na型水。在标注时,浓度值用阴、阳离子各自的毫克当量/升(mEq/L)的百分数来表示。在标注时,分别选出每个水样中百分数最高的阴离子和阳离子,并将其标注在相应的小矩形坐标中。这样标注出的多矩形图反映出的是水样中最高百分数的阴离子和阳离子情况,用同样的方法可以另作次高百分数离子的MRD图和最低百分数离子的MRD图。图7表明,整个灌区地下水的主要化学类型为HCO3-Na型、SO4-Na型和Cl-Na型,Cl-Na型水和SO4-Na型水主要分布在灌区的上游和下游。在节水改造前(2007年),Cl-Na型水在整个灌区占的比重最大(占55.88%),HCO3-Na占23.53%,SO4-Na占14.71%;到2008年Cl-Na型水在整个灌区所占比重有所减少(占35.29%),而HCO3-Na型有所增加,占44.12%;在2009年Cl-Na型水在整个灌区所占比重进一步减少,占20.59%,而HCO3-Na型进一步增加,占55.88%。全灌区Na+浓度大于50%的水样数在2007年(节水改造前)约占水样总数的64.71%,到2008年减少到55.88%,在2009年进一步减少到41.18%。HCO3-的增加,Cl-和Na+的减少这些变化反映出灌区地下水向着淡化,对作物危害减小的方向转变。3节水改造效果分析3种图解法中,皮伯三线图解法应用最为广泛,与H.И.托尔斯基汉方格图解法相比,皮伯三线图解法反映的化学信息更多,分区更为细致,它的一大特点是,若将一个区域的水样标在图上,可以分析地下水化学成分的演变规律;而MRD法具有容纳大量,图解结果不但可以清楚地显示地下水中阴、阳离子含量的信息,而且与前2种图解法相比,提供了更明晰、易懂的水化学类型的信息。对于处理复杂地下水化学系统,MRD的优点更为显著。上述运用3种图解方法对河套灌区地下水化学类型的分析结果,都支持同样的一个结论:与节水改造前(2007年)相比,节水改造后(2008、2009年)地下水的水质都有淡化的趋势。其原因在于:至2007年末,河套灌区节水改造工程基本完成,且引黄水量减少,见表2,使得黄河水带入灌区和下渗到地下水盐分都随之减少,地下水矿化度趋于稳定,但离子成分发生变化。同时,地下水埋深下降(以中游区为例:2007年地下水埋深月平均值2.14,2008年为2.37m,2009年为2.28m),这对于减少蒸发控制灌区土壤盐渍化起到了积极的作用。节水改造工程的实施,使灌区排水系统逐步完善,全灌区排水量呈逐年增加趋势,增大了地下水的排盐量。根据内蒙古农业大学和日本冈山大学合作项目的主要科研成果:通过调查灌区土壤及各级灌排渠系水阳离子含量变化及室内模拟灌溉水淋洗土柱试验得出,灌区灌溉水经过土壤到排水阳离子组成与灌