暴雨对引黄灌区土壤与地下水环境影响研究

李平 张彦 梁志杰 刘铎 黄仲冬 齐学斌 李中生

摘要：为了客观评估特大暴雨对人民胜利渠灌区土壤与地下水的环境效应，跟踪研究了2016年7月9-20日特大暴雨降雨过程，分析了暴雨作用下人民胜利渠灌区典型区域土壤盐分及地下水化学组成的演变特征。结果表明：与暴雨前相比，暴雨驱动了80 cm以上根层土壤脱盐，0-10、10-20、20-30 cm土层土壤盐分下降明显，分别较暴雨前降低了63.74%、68. 20%、33.41%;典型区域暴雨后0-20 cm根层土壤盐分均值为0.187 9 mS/cm;区域地下水埋深较暴雨前上升了0.18 m.区域地下水阳离子水文化学相的分类类型由暴雨前的钙一钠型转化为暴雨后的钠一钙型，区域地下水总溶解性固体含量较暴雨前增加了24.95%，达到1 315.09 mg/L，区域地下水钠吸附比较暴雨前增加了54.05%.达到32.94。暴雨驱动了根层土壤盐分向下淋溶，导致0- 100 cm根层土壤盐分呈现“扁平化”分布，由暴雨产生的淋溶补给加剧了地下水作为灌溉水的碱化危害风险。

关键词：暴雨;井渠结合灌区;土壤脱盐率;水化学待征;钠吸附比

中图分类号：X523;TV211.1+2

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2020.01.013

随着全球气候变暖的持续发展，增温背景下极端气候事件出现的频率显著增大，如夏季高温、暴雨等[1]。近十多年极端气候事件造成的直接经济损失呈指数上升趋势，极端气候事件对生态环境的影响及危害更加严峻[2-3].暴雨产生的地表径流及对地下水补给引起的灾害风险评估、水土流失、面源污染和浅层地下水污染等日益受到关注[4-7]。人民胜利渠灌区地处黄淮海平原中西部，属温带大陆性季风气候区，春季缺水、干旱，蒸发强烈，夏季多雨沥涝严重。贾大林等[8]关于黄淮海平原水盐均衡的研究表明，水分支出的25.7%为人海量，大部分以蒸散的形式消耗，假定雨水和引黄水含盐量分别为0.004%、0.040%，则每年有近0.4亿t盐累积在黄淮海平原中，旱涝和盐碱已成为制约黄淮海平原农业可持续发展的主要因子之一。目前关于不同灌排管理措施、灌溉方式及农艺措施等土壤水盐运移规律[9-11]，暴雨径流对地表水水质影响[12].硬化下垫面暴雨径流特征[13]等方面的研究较多，而对于暴雨，尤其是特大暴雨对根层土壤盐分淋洗及地下水化学特征影响的研究尚不多见。

河南省人民胜利渠灌区自1952年开始引黄灌溉.20世纪50年代末，灌区“大引、大蓄、大灌”模式导致地下水水位急剧抬升，地下水水位埋深平均值从1952年的3.0 m抬升至1960年的1.3 m，诱发大面积耕地次生盐渍化，1961年大约1.88万hm2耕地受到不同程度盐碱化的危害[14]。20世纪60年代初至80年代末，井灌渠补、渠井并用等措施的联合运用，在提高供水保证率和灌溉水利用效率的同时，通过调整引黄水与地下水的用水比例调控灌区地下水水位[15]，灌区盐碱化问题基本得到根治，灌区地下水水位埋深控制在2.0 m以下[16-17]。20世纪90年代以来，该区年平均降水量仅为550 mm.受全球气候变化影响，以0.8 mm/a的速度下降。近年来随着中国经济的快速发展，该区域用水需求大幅增加，农业用水被严重挤占，近Sa渠灌水量仅为多年均值的75.52%。为了满足农业的正常生产，增加地下水利用成为主要解决途径之一，地下水碱化[18]、表层土壤积盐等影响灌区生態环境[19]的问题日益凸显。

通过跟踪2016年7月9-20日特大暴雨作用下，人民胜利渠灌区典型区域根层土壤盐分及地下水化学特征演变特征，探讨暴雨对区域根层脱盐及地下水环境的影响，以期为干旱半干旱灌区农业水资源管理及其生态环境效应演变的应对提供科学依据。

1 材料和方法

研究区位于人民胜利渠灌区西三干渠控制范围内，面积800 hm2。研究区多年平均水面蒸发量1 860 mm.多年平均降水量584 mm.降水量年内分布不均，6-9月降水量占全年的70% - 80%。土壤类型为潮土，呈碱性，pH值为8.2 - 9.5.成土母质为近代黄河泛滥沉积物，土壤含盐量用电导率表示，为0.178 -0.746 mS/cm.碳酸钙含量为6% - 14%.土壤含盐类型为重碳酸、氯化物一钙、钠型。研究区浅层含水层底板埋深80 -130 m，含水层单层厚8-80 m，总厚44 - 110 m，含水介质以上更新统与全新统粗砂、中砂和细砂为主，层内无稳定连续的黏土、亚黏土隔水层[20]。作物种植为一年两熟、冬小麦/夏玉米轮作模式，该区域为典型渠井并用区域，渠井设施配套良好。用水方式、用水水平基本一致，研究区工程布置、土壤及地下水监测点布置详见参考文献[15，21]。

1.1 降水历时及降水特征

2016年7月9-20日研究区经历了5次自然降雨有效淋洗过程，降雨量分布见表1，降雨过程线见图1。典型区域累计降雨量为307.3 mm.占全年的34.53%.其中日降雨量峰值出现在7月9日，累计降雨量159.9mm.最大降雨时段2：00至13：00累计降雨量154.7mm，其降雨强度达12.9 mm/h.根据《降水量等级》（ GB/T 28592-2012）划分标准，本次降雨为特大暴雨（见图2）。

1.2 样品采集与分析

根据研究区域面积、渠系分布特点，按照整体性和代表性原则，共布置了土壤监测点29个，土壤样品采集时间为2016年7月7日和30日。每个土壤监测点采样深度分别为0-10、10 - 20、20-30、30-40、40-60、60-80、80 - 100 cm.采用5点采样法进行样品采集，土壤中全盐量采用电导法测定，测定其土水质量比1：5浸提液电导率值。

按照《地下水环境监测技术规范》（ HJ/T 164-2004）的要求，共布置地下水环境监测点17个，地下水样品采集时间分别为2016年7月1日和30日。采用定深取样器现场采集地下水样品，采样深度为15 m.每个监测点每次采集样品1 000 mL，样品采集后及时送检。pH值采用便携式pH计法测定，水溶性盐总量采用电导法测定.K+、Na+、Ca2+、Mg2+浓度采用原子吸收法测定，C02-、HC03、SO2-、Cl-浓度采用离子色谱法测定。

1.3 参数计算

土壤脱盐率、地下水钠吸附比、地下水入渗补给量计算公式为

2 结果与分析

2.1 暴雨前后土壤盐分垂向变化特征

典型区域暴雨前后0-100 cm土层土壤盐分垂向分布见图3。暴雨前，一支渠、二支渠、三支渠控制范围内0 - 100 cm土层土壤含盐量分别为0.191 7 -0.338 3、0.177 0-0.337 4、0.177 5 -0.345 1 mS/cm;区域土壤盐分0- 10 cm土层最高、30-40 cm土层最低.40-60 cm土层土壤盐分逐渐升高、60-100 cm土层土壤盐分稳定在0. 187 9 mS/cm，属于表聚型盐分剖面I，型分布）。暴雨后.0-10、10 - 20、20 - 30 cm土层土壤盐分降低明显，分别较暴雨前降低了63. 74%、68.20%、33.41%，40 - 80 cm土层土壤盐分略有降低，降幅为2.79% -8.65%.而80-100 cm土层土壤盐分略有增大，较暴雨前增大了2.12%。

2.2 暴雨對区域土壤脱盐及盐分空间分布的影响

典型区域暴雨前后不同土层土壤盐分含量及脱盐率见表2。暴雨后，0-10、10 - 20、20 - 30、30 - 40、40 -60、60 - 80、80 - 100 cm土层土壤脱盐率均值分别为38. 94%、40. 31%、23. 72%、7.09%、7.69%、2.79%、-2.11%;区域盐分淋洗以30 cm以上土层土壤为主，特别是一支渠控制范围60 cm以下土层土壤出现积盐，60-80、80 - 100 cm土层土壤积盐率分别为2.75%、11.20%。典型区域暴雨前后0- 20 cm土壤盐分空间分布见图4。暴雨后0 - 20、20 - 40、40 - 60、60 - 80、80 -100 cm根层土壤盐分（用电导率表示）均值分别为0.187 9、0.167 0、0.173 7、0.183 5、0.193 3 mS/cm，分别较暴雨前降低了39.56%、17.19%、8.38%、2.28%、-2.87%。暴雨后0- 10、10 - 20、20 - 40、40 - 60、60 -80、80 - 100 cm根层土壤盐分均值标准偏差分别为0.028、0.016、0.017、0.018、0.031、0.027， 40 cm以上土层土壤盐分均值标准偏差显著低于暴雨前的，但60cm以下土层土壤盐分均值标准偏差略高于暴雨前的。

2.3 暴雨对区域地下水埋深及水化学特征的影响

典型区域暴雨前后地下水化学组成变化情况见表3。区域地下水埋深监测结果表明，暴雨后区域平均地下水埋深为12.71 m，地下水水位较暴雨前上升了0.18m，据此估算由暴雨产生的地下水入渗补给量达14.46万m3。根据水文化学相的分类标准21]，暴雨前后区域地下水类型分别为HCO：、Cl- - Ca2+、Na+型和Cl-、S042- -Na+、Ca2+型，Na+、HCO：和Cl-浓度分别为暴雨前的1.47倍、1.38倍、1.12倍。暴雨前后区域地下水钠吸附比分别为21.38、32.94，暴雨后较暴雨前增加了54.05%。暴雨前后区域地下水总溶解性固体含量分别为1 052.41、1 315.09 mg/L，暴雨后较暴雨前增加了24.95%。

3 讨论

3.1 暴雨后区域根层土壤盐分淋洗特征

暴雨前典型区域0- 10 cm表层土壤含盐量最高，达到0.419 1 mS/cm.暴雨后典型区域0- 10 cm表层土壤含盐量极值仅为0.253 9 mS/cm，暴雨前后0-100cm土层土壤含盐量标准偏差分别为0.059、0.017，表明暴雨驱动了根层土壤盐分的垂向淋洗，导致土壤盐分垂向分布的“扁平化”[ 23-24]：暴雨前典型区域0 - 20cm根层土壤盐分均值大于0.32 mS/cm（折合土壤含盐量1.50 g/kg[22]）的区域面积占28.96%，暴雨后典型区域0-20 cm根层土壤盐分均值均小于0.32 mS/cm.表明暴雨显著抑制了土壤盐分的表聚、有效缓解了表层土壤盐渍化的风险[25]。此外，一支渠、二支渠、三支渠控制范围0 - 100 cm土层土壤平均脱盐率分别为24.59%、25.51%、28.93%，且二支渠、三支渠控制范围土壤脱盐深度均超过100 cm，但需要注意的是，一支渠控制范围60-100 cm土层土壤脱盐率为负值，表明60 cm以上土层淋洗盐分在下层土壤累积，这主要是土壤空间异质性、交换性钠百分比和盐基盐分组成导致根层土壤脱盐深度的差异[26]。

3.2 暴雨对区域地下水入渗补给量与水环境的影响

暴雨后区域地下水水位上升了0.18 m.地下水入渗补给量达到14.46万m3.7月9-20日区域累计降雨量为245. 84万m3，地下水入渗补给量占降雨量的5.88%.表明暴雨对区域浅层地下水具有强烈的补给效应[27-28]。暴雨前地下水阳离子水文化学相的分类类型为钙一钠型，暴雨后地下水阳离子水文化学相的分类类型转化为钠一钙型，暴雨后区域地下水钠吸附比均值高达32.94.明显高于农业灌溉水碱化危害程度分级临界值，碱化级别达到S4、碱化危害程度为非常高。地下水中总溶解性固体含量较暴雨前增加了24.95%.阳离子中Na+含量为暴雨前的1.47倍，阴离子中HC03、Cl-浓度分别为暴雨前的1.38倍、1.12倍，这主要是Na+、HC03、Cl-等易交换性盐基离子在水解作用下，随暴雨淋溶入渗到地下水中，增加了地下水中Na+、HC03、Cl-等的浓度和地下水中可溶性固体含量[29-30]，表明暴雨淋洗是驱动根层土壤Na+迁移到地下水和地下水劣变的主要因素，且暴雨后地下水作为灌溉水源的碱化危害程度非常高，不适宜作为灌溉水源，因此暴雨对浅层地下水环境影响显著。

4 结论

（1）暴雨驱动了根层土壤脱盐，区域0- 100 cm土层土壤综合脱盐率达到26.35%，此外暴雨后0- 100cm土层土壤含盐量的标准偏差仅为0.017.仅为暴雨前的28. 81%，导致0- 100 cm根层土壤盐分分布的“扁平化”。

（2）暴雨对地下水的入渗补给强烈，区域地下水入渗补给量达到14.46万m3.由于暴雨对根层土壤盐基离子的水解作用，区域地下水阳离子水文化学相的分类类型由暴雨前的钙一钠型转变为暴雨后的钠一钙型，暴雨后区域地下水总溶解性固体含量和钠吸附比分别为暴雨前的1.25倍、1.54倍，暴雨后地下水作为灌溉水的碱化危害级别为S4、碱化危害程度非常高。

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【责任编辑 吕艳梅】

收稿日期：2019- 06- 20

基金项目：农田精准控制灌溉技术合作研究（ FIRI2019-05-02）;农产品质量安全监管专项（GJFP2019036）;国家重点研发计划项目（2017YFD0800403）：中国农业科学院科技创新工程项目（ CAAS-ASTIP）

作者简介：李平（1979-），男，河南信阳人，副研究员，主要从事农业水环境风险评估研究工作

通信作者：齐学斌（1963-），男.陕西西安人，副研究员，主要从事农业水资源优化配置方面的研究工作