山西省山阴县地下水特征及其土壤盐渍化现状研究

李婧玮，迪世靖，胡伟伟



山西省山阴县地下水特征及其土壤盐渍化现状研究

李婧玮1，迪世靖2，胡伟伟3

(1.山西省生态环境研究中心，山西 太原 030009；2.山西新科联环境技术有限公司，山西 太原 030002；3.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

通过研究山阴县北部洪涛山前倾斜平原与冲积平原的水文地质特征，以及不同水文地质单元浅层地下水的水文地球化学特征，分析了TDS、总硬度和SO42-的变化趋势及其形成原因，最后针对地下水环境对土壤盐渍化的影响机理，提出土壤渍化防治及改造过程中应注意的问题，可通过减少灌水入渗量，加大灌区潜水排泄量等盐防治措施进行盐碱地治理。

浅层地下水；总硬度；SO42-；土壤盐渍化

山阴县位于桑干河断陷盆地，浅层地下水属于典型的洪积物和冲积物中孔隙水，地下水类型为潜水和半承压水。从山前倾斜平原到冲积平原，依次为地下水的补给区、径流区和排泄区，浅层地下水位埋深逐渐减小，TDS增大，相应的主要水化学类型为HCO3-型- HCO3--SO42型-SO42-Cl-型，发生的主要水化学作用依次为溶滤作用、阳离子交替吸附作用和蒸发浓缩作用，在冲积平原区存在大面积的土壤盐渍化现象。本文通过研究分析水文地质特征以及水文地球化学特征的分带性，论证了典型水文地质单元的孔隙水特征，在此基础上分析了地下水环境对土壤盐渍化的影响，针对其发生条件提出了防治措施和相关建议。

1　研究区水文地质特征

1.1地质构造概况

山阴县位于山西省朔州市中南部，地处大同断陷盆地南部，在东南边缘是恒山余支翠微山，西北部是洪涛山，中间为桑干河断陷盆地，地形为西北向东南倾斜，其构造形态大致为一走向北东、倾向北西单斜构造，或者单斜中沿走向和沿倾向具有波浪起伏的次级褶皱构造。地貌大体可以分为基岩山区、黄土丘陵区、倾斜平原区和冲积平原区。

1.2地下水分布赋存特征

在基岩山区接受大气降水补给，有泉出露汇入河流，流向平原，在山前水峪口、新广武村、贾家窑村等处均有泉水流出，泉流量约为0.7 L/s。从山前向平原第四系沉积层厚度逐渐增大，在洪涛山前分布上神泉断裂，在断裂以南，地层上升，第四系沉积较薄；在断裂以北，地层下降，第四系沉积较厚，厚度为200～400 m。倾斜平原区由于山前受地形坡降较大、地下水径流强度较大、降雨冲刷作用强烈等因素，使得岩性颗粒较粗，形成富水性较好的含水层，接受大气降水的补给，主要为潜水，且埋深较大，是下游冲积平原区的主要补给区。平原区由河道冲积物形成，由于地形变缓，含水层分布较均匀，过水断面较大，地下水滞流，河流的流速降低，携带的泥沙沉积，导致含水层颗粒变细，单层厚度较薄，形成粉细砂和粘土互层的多层含水层结构，中浅层承压水水量较丰富，为主要的取水层位。潜水接受大气降水补给、河流渗漏补给、灌溉回归水入渗补给，承压水主要接受山区及山前倾斜平原的侧向补给，潜水垂直蒸发作用强烈。地下水从山区流向盆地，在研究区为自西北向东南径流，木瓜河为最低排泄点。

1.3含水层特征

洪涛山山前倾斜平原受构造控制，含水层分布不均匀，呈条状分布的特点，其富水性的强弱具有分区性。潜水含水层主要为全新统卵石层和上更新统砂砾石层，上覆包气带厚度为10～30 m，岩性为全新统黄土状粉土、粉质粘土，夹薄层或透镜体砂砾、圆砾、卵石等，透水性较好，承压含水层为中更新统和下更新统中粗砂及亚砂土，隔水层为上更新统亚粘土、粉质粘土夹钙质结核、砂砾透镜体。倾斜平原由上到下，水位埋深变浅，富水性变好，在倾斜平原上部水位埋深大于60 m，单井涌水量<10 t/h，在倾斜平原中下部水位埋深为10～38 m，单井用水量15 t/h左右，在倾斜平原下部，水位埋深约4～13 m，单井涌水量25 t/h左右。

在冲积平原区，含水层具有明显的承压性，岩性变细，冲积平原潜水含水层主要为全新统粉细砂，上更新统砂卵砾石层，上覆包气带岩性主要为全新世黄土状粉土、粉质粘土，含钙质结核，厚度较小，渗透性较差。下更系统和中更新统承压含水层岩性为粉细砂，上更系统承压含水层岩性主要为粗砂、砂砾石层，隔水层主要为上更新统粘性土、粉土、粉质粘土夹钙质结核，并与多个含水层互层。潜水水位埋深1～10 m，承压水位埋深为10～40 m。

2　地下水文地球化学特征

第四系孔隙水受地形地貌、地层岩性、植被等因素的影响，由山前倾斜平原到冲积平原水化学特征表现出一定的规律性：pH由7.87～8.34，TDS由2～3 g/L到5～8g/L，由微咸水到咸水，同时可以发现Cl-、SO42-浓度逐渐增加。从地下水流程上看，地下水中的主要离子表现为按溶解度从低到高的分布规律，在补给区主要为溶解度较低的重碳酸钙镁型水，在径流区主要为溶解度较高的硫酸盐钠型水，在主要为溶解度高的氯(硫酸)钠型水。地下水呈现这样的水化学特征，主要是因为水中盐类的溶解度不同以及水化学作用在时间和空间上动态变化的综合作用结果。

2.1TDS的空间变化趋势及原因分析

由图1可以发现，从补给区到排泄区，TDS逐渐增大。这主要是由于随着溶滤作用的持续，围岩中的离子不断进入地下水中，并随地下水径流向下游汇集，导致在补给区TDS较低，在径流区TDS不断升高，在排泄区TDS最高。

2.2总硬度的空间变化趋势及原因分析

由图1可以发现，总硬度在倾斜平原逐渐上升，在与冲积平原过渡段有所下降，在冲积平原呈上升趋势。总硬度是指与水中Cl-、SO42-等结合的多价金属阳离子的总量。影响总硬度变化的因素主要是溶滤作用和阳离子交换作用。氯化物通过溶滤作用最容易进入地下水中，并向下游径流汇集，而围岩中的氯化物不断贫化；随着溶滤作用的延续，相对易溶的硫酸盐进入地下水中；溶滤作用长期持续，导致在补给区含水层中剩下来的主要为以钙镁离子为主的碳酸盐[1]，导致总硬度增加；随着地下水流程的增加，溶滤作用长期持续，使进入地下水中的各离子增多，CaCO3、MaCO3的溶解度较低饱和析出，使硬度在倾斜平原与冲积平原过渡段会有所下降；随着地下水流程的继续增加，易溶盐向下游汇集，以及工业废水和生活污水中的Na+、平原区的降水及污水灌溉将土壤中的Na+淋滤出来，导致平原区地下水中阳离子主要以Na+为主，地下水滞流，水岩作用强烈，岩土颗粒变细，容易发生阳离子交换作用，并且在冲积平原的局地区已形成降落漏斗[2]，造成水化学场和水动力场发生改变，增强了水岩之间的阳离子交换作用，使岩土中的Ca2+、Mg2+进一步转移到地下水中。此外，持续的溶滤作用使水中的其他金属离子增多，从而引起总硬度升高。

图1　沿地下水流程不同地貌单元TDS、总硬度和SO42-变化趋势

2.3SO42-的空间变化趋势及原因分析

由图1可以发现，从倾斜平原到冲积平原SO42-含量逐渐升高。地下水中的SO42-具有很好的迁移性，是该区地下水中含量较高的阴离子。主要是由于该地区石炭系和二叠系是重要的含煤地层，硫化物主要为黄铁矿，随着地下水径流，含水层围岩中的硫化物不断被氧化成硫酸盐，经过溶滤作用，致使地下水中硫酸盐含量不断增加。另外燃煤产生的SO2形成酸雨，通过大气降水入渗地下，以及工业废水和生活废水中含有SO42-，入渗地下，同时发生林滤，使土壤中的的硫酸盐溶解，导致地下水中SO42-浓度较高。倾斜平原地下水径流速度较大，SO42-随地下水向下游迁移，冲积平原地下水滞流，SO42-不断汇集。

3　土壤盐渍化研究

3.1地下水环境对土壤盐渍化的影响

在山阴县有盐碱地约54万亩，水位埋深>1m，蒸发作用强烈，在不同水文地质条件下，盐碱化程度不同。在河流一级阶地上，盐碱化程度为轻度盐碱。在河漫滩上盐碱化程度为中度到重度盐碱。

地下水环境对土壤盐渍化发生的影响因素，主要包括潜水的均衡情况、潜水埋深、径流条件、地表水和地下水的矿化度和离子组成、蒸发作用以及人类活动影响等。发生盐渍化的地下水埋深的临界深度为2m，地下水径流条件也决定土壤盐渍化的发生，在径流强度较大的地区，不会发生。在径流滞缓地区，土壤易发生盐渍化；潜水矿化度越大，土壤盐渍化越严重[3]。

在冲积平原区，地下水中主要为TDS较高，地下水中含有Cl-、SO42-、Na+等离子，潜水埋藏变浅，地下水滞流，蒸发成为其主要的排泄途径，蒸发作用导致水走盐留。由于大气降水、灌溉水入渗以及下伏半承压水、承压水对潜水越流补给量大于潜水的排泄量，其中灌溉水的贡献量较大，潜水表现为正均衡，从而导致潜水水位抬升，潜水蒸发量将不断增加，产生土壤盐渍化。

3.2土壤盐渍化防治及改造过程中应注意的问题

在冲积平原区，灌溉水入渗导致地地下水在浅层滞留，容易发生蒸发作用，使土壤中的盐分增加。为防治土壤盐渍化，必须通过减少灌水的入渗量，加大灌溉区潜水的排泄量，减少潜水储存量的增加值，以降低潜

水水位的抬升情况。

盐碱地治理可以采取挖沟排盐和暗管排盐，灌水压碱，修建防渗渠，引水-打井-修渠-灌溉等农田水利工程措施，以及增施有机肥、施用化学改良剂等农艺措施、工程措施、生物措施相结合的综合治理盐碱地体系，减少盐碱地的面积，增加作物产量。

不同的灌溉水质和灌溉方式对土壤盐分含量的影响不同。综合土壤的积盐状况和作物产量分析，淡淡咸的组合灌溉顺序为最优方案[4]；在土地利用结构发生改变的过程中，会对土壤盐渍化产生一定的影响，如新的荒地开垦对土壤界面和结构都会产生剧烈的影响[5]，建设用地带来土地硬质表面的增加，提高了土壤表面坡面漫流的初始速度，造成土壤中水分运移加速，导致盐分空间运移加速；农业耕作导致大量的化学肥料的投入，促进土壤有机质的聚集，有利于改善土壤脱盐，但却会出现土壤酸化和碱化的现象[6-7]；农业生产中的定期和不定期灌溉以及沟渠网络的建设也会导致区域水分的空间不平衡，进而加剧盐分空间变异的复杂性[8]。因此在进行土地利用规划及改造的同时，应该足够重视这些问题，并做进一步研究，避免盐渍化现象加剧。

4　结语

(1)在山阴北部基岩区、倾斜平原区和冲积平原区不同地貌单元的地下水的赋存特征呈现一定的差异性，在同一地质单元的不同区域，补给强度不同。

(2)地球化学作用由山前倾斜平原区的溶滤作用为主，过渡为冲积平原区的蒸发浓缩作用、阳离子交换作用为主。

(3)由于地下水的自然溶滤作用，以及人类活动影响，经过阳离子交换作用，导致总硬度在倾斜平原上升、倾斜平原与冲积平原过渡段有所下降、冲积平原呈上升的趋势；煤系地层以及人类活动影响导致SO42-浓度是该区浓度较高的阴离子。

(4)由于平原区TDS高，地下水滞流，以及农业灌溉工程的不合理，潜水水量变化表现为正均衡，地下水位抬升埋深较浅，蒸发作用强烈导致水走盐留，使土地呈现不同程度的盐渍化。

(5)土地利用结构的改变，会引起地下水和盐分空间运移速率的改变；农业施肥对有利于土壤脱盐，但也会引起酸化或碱化；农业灌溉会导致区域空间水分的空间不平衡，应科学合理进行。针对改善土壤盐渍化应做更深入、全面的研究。

[1]周训,胡伏生,何江涛，等.地下水科学概论(第二版)[M]．北京：地质出版社.2014．

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Research on Groundwater Characteristics and Its present situation of Soil Salinization in Shanyin County of Shanxi Province

LI Jing-wei1，DI Shi-jing2，HU Wei-wei3

(1.Reseach Center for Eco-Environmental Science in Shanxi,Taiyuan,Shanxi,030009,China；2.Shanxi GuoHuan Environmental Technology Co.Ltd,Taiyuan,Shanxi,030002,China；3.Xi’an Engineering Design Co,Ltd,China Coal,Xi’an,Shanxi,710054,China.)

By the research on the hydrogeological characteristics of piedmont inclined plain and alluvial plain in Hongtao mountain,the northern region of Shanyin County,and the hydrogeochemical characteristics of shallow groundwater in different geohydrologic units,this paper analyzed the change trends and the forming reasons of TDS,total hardness and SO42-along the process of groundwater.Finally,based on the groundwater environment impact factors of soil salinization,this paper putted forward the prevention measures and Suggestions.

shallow groundwater；total hardness；SO42-；soil salinization

2016-04-26

李婧玮(1990-)，女，河北唐山人，助理工程师，主要从事地下水资源管理与评价。

P641.12

A

1004-1184(2016)05-0006-02