銀川平原地下水水化學特征分析及灌溉適用性評價

唐利君,康錦輝,劉桂環(huán),張 薇

(寧夏國土資源調(diào)查監(jiān)測院,寧夏 銀川 750002)

0 引 言

地下水作為一種重要的水資源,在城市生活用水、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等方面發(fā)揮著重要作用。地下水在循環(huán)過程中不斷與周圍巖石圈、生物圈和大氣圈進行物質(zhì)與能量交換,使其形成獨特的地下水化學特征,反映地下水化學成分的演化過程[1-4]。同時,地下水變化也能影響周圍生態(tài)環(huán)境。例如,地下水水位高低、礦化度大小與土壤鹽堿化密切相關(guān)。高礦化度且埋藏淺的地下水在土壤毛細作用下上升到土壤表層,水分蒸發(fā)后鹽分殘留在土壤中,導致土壤鹽堿化[5-6]。同時,土壤鹽堿化程度的增加,也會在一定程度上影響地下水化學特征。因此,對地下水化學特征的研究,有助于揭示地下水的來源與演變過程。

銀川平原地勢平坦,是黃河流域上游地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)基地和工業(yè)基地,也是寧夏回族自治區(qū)社會經(jīng)濟最發(fā)達的區(qū)域[7]。該區(qū)地處西北地區(qū),氣候干旱少雨,蒸發(fā)強烈,局部土壤鹽堿化嚴重。地下水資源是農(nóng)業(yè)以及居民生活用水的重要來源。近年來,隨著寧夏引黃灌溉區(qū)水量的壓減,研究區(qū)部分農(nóng)業(yè)采用地下水作為灌溉水源,加大了地下水的開采量。長期不合理開發(fā)地下水導致地下水位下降以及水質(zhì)惡化。此外,采用礦化度較高的地下水灌溉會加重土壤鹽漬化,導致生態(tài)環(huán)境惡化。因此,對地下水進行水質(zhì)評價至關(guān)重要,對銀川平原地下水資源合理的開發(fā)以及保護具有重要意義。已有學者對銀川平原地下水水化學特征及演化規(guī)律進行了研究[8-9],然而,對于銀川地區(qū)微咸地下水及其灌溉用水評價的相關(guān)研究較少。

本研究基于銀川平原潛水和承壓水水化學特征,分析地下水水化學類型及離子組分來源,對地下水進行灌溉用水質(zhì)量評價,以期為該地區(qū)地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

銀川平原位于寧夏回族自治區(qū)北部,南起青銅峽,北至石嘴山,西靠賀蘭山,東倚鄂爾多斯臺地。南北長165 km,東西寬42～60 km。地處中溫帶干旱區(qū),干旱少雨,日照充足,晝夜溫差大。

平原內(nèi)地貌單元由西向東依次為賀蘭山山前沖洪積傾斜平原、黃河沖積平原和沖湖積平原。廣泛分布的第四系沉積物是主要的含水層。其中,賀蘭山山前洪積扇和青銅峽口沖積扇屬單一潛水區(qū),含水層巖性主要為礫石、砂礫石層夾礫中粗砂。沖積平原與沖洪積平原為潛水-承壓水多層水區(qū),含水層結(jié)構(gòu)不均一,水力聯(lián)系密切,含水層巖性以細砂、粉細砂為主,隔水層為黏土與砂黏土。研究區(qū)潛水主要補給來源包括大氣降水、灌溉入滲,承壓水則受山前平原潛水側(cè)向徑流補給。由于平原內(nèi)承壓水的大量開采,使?jié)撍桓哂诔袎核^,導致上覆潛水越流成為承壓水另一補給來源。自西向東,地下水水力坡度減小,徑流條件變差,潛水排泄方式自西向東逐漸由以側(cè)向徑流排泄為主向以蒸發(fā)排泄為主轉(zhuǎn)變[10]。

2 樣品采集與測試

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)簡圖及采樣點分布Fig.1 Hydrogeological map and distribution of sampling points in the study area

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水化學特征

表1 研究區(qū)地下水化學指標的描述性統(tǒng)計Tab.1 Descriptive statistics of groundwater chemical indicators in the study area

圖2 潛水、承壓水TDS空間分布Fig.2 Spatial distribution of TDS in unconfined and confined water

圖3 研究區(qū)水樣元素濃度箱線圖Fig.3 Box and whisker plots of element concentrations of water samples in the study area

圖4為研究區(qū)地下水Piper三線圖,能直觀反映地下水水化學組分特征。圖4表明,銀川平原潛水水化學類型復雜多樣,具體為HCO3-Ca、Cl-Na、SO4-Na、HCO3-Na和HCO3-Mg型水,主要以Cl-Na型水為主。相對來說,承壓水水化學類型略為簡單,具體為Cl-Na、SO4-Na、HCO3-Na、HCO3-Mg型水,主要以HCO3-Na型水為主。這說明潛水與承壓水的演化過程存在差異。由于研究區(qū)日照充足,蒸發(fā)量大,因此,潛水更容易受蒸發(fā)濃縮作用影響[11],這也是導致潛水與承壓水TDS空間分布南低北高的重要因素。

圖4 研究區(qū)地下水Piper三線圖Fig.4 Piper three-line diagram of groundwater in the study area

3.2 地下水離子來源分析

表2 潛水地下水水化學參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.2 Correlation coefficient matrix of groundwater hydrochemical parameters for unconfined water

表3 承壓水地下水水化學參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.3 Correlation coefficient matrix of groundwater hydrochemical parameters for confined water

3.3 灌溉用水質(zhì)量評價

如前所述,研究區(qū)地下水TDS含量普遍偏高,而水中含鹽量過高則會導致土壤鹽化,特別是高含量的Na+可能造成土壤板結(jié)、滲透率降低,從而影響植物生長。該研究區(qū)氣候干燥,降雨量少,灌溉用水主要為黃河水與地下水,因此本次對地下水進行灌溉水質(zhì)評價。將鈉吸附比(SAR)和全鹽量(電導率(EC))作為灌溉用水評價的重要指標。

基于美國農(nóng)業(yè)部(USDA)評價方法對研究區(qū)地下水進行灌溉水水質(zhì)分類(圖6)[13]。由圖6可知,潛水中有38.89%的樣品落在C4區(qū)域,C3與C2區(qū)域的樣品分別占潛水總樣品的55.56%和5.55%,無樣品落在C1區(qū)域。潛水樣品中落在S1、S2、S3、S4的樣品分別為66.67%,11.11%,5.56%和16.66%。承壓水中落在C2、C3、C4區(qū)域的樣品分別占承壓水總樣品的10.37%,52.63%和37%,落在S1、S2、S3、S4區(qū)域的樣品分布占70%、20%、0%、10%。這表明,盡管潛水與承壓水部分樣品堿度級別不高,但可溶性鹽質(zhì)量濃度偏高,用于灌溉可能導致土壤鹽化,影響植物生長。綜合來看,該區(qū)位于C2～S1、C3～S1、C3～S2的地下水樣適合做為灌溉水,占總水樣的63.16%,其中,潛水占28.95%,承壓水占34.21%。

圖6 研究區(qū)灌溉水水質(zhì)分類Fig.6 Classification of the quality of irrigation water in the study area

4 結(jié) 論

灌溉用水評價結(jié)果顯示,該區(qū)域63.16%地下水適合農(nóng)業(yè)灌溉,其中,潛水占28.95%,承壓水占34.21%。