内蒙古河套灌区浅层地下水化学特征和灌溉适宜性分析

李泽岩，曹文庚，王卓然，李谨丞，任 宇

(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061；2.自然资源部地下水科学与工程重点实验室，河北 石家庄 050061；3.河北沧州平原区地下水与地面沉降国家野外科学观测研究站，河北 石家庄 050061；4.水利部信息中心，北京 100053；5.中国地质大学(北京) 水资源与环境学院，北京 100083)

0 引 言

内蒙古河套灌区位于黄河上中游内蒙古段北岸冲积平原，灌区总土地面积达到119万hm2，是全国三个特大型灌区之一，为我国北方最大的引黄灌溉地区，是我国重要的商品粮、油生产基地[1-2]。多年来，黄河水是河套灌区主要的灌溉水源，多年平均引黄水量达50亿m3[3]，农业用水占引黄水量的90%以上。随着黄河流域水资源日益紧张，灌区水资源配额减少[4]，合理利用地下水进行灌溉是缓解水资源供需矛盾的重要途径。然而，河套灌区降水少，蒸发浓缩作用强烈，盐分无法有效排出，使得灌区处于积盐状态[5-6]，地下水呈现不同程度的盐渍化[7-8]，长期灌溉影响土壤的渗透性。河套地区存在大面积高砷地下水[9-12]，灌溉时地下水中的砷会随农作物的累积进入人体[13]，河套灌区主要作物小麦对砷的富集作用尤其强烈[14]。为提高农作物产量，多年来河套灌区大量施用氮肥，过量的氮肥在土壤中盈余，随土壤下渗到地下水中，增加了地下水灌溉的风险[15-17]。因此本文对灌区内地下水、黄河水灌溉适宜性进行对比分析，查明地下水与黄河水作为灌溉水源的差异，为河套灌区合理配置灌溉水源提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古河套灌区位于内蒙古自治区中部巴彦淖尔市(北纬 40°13′—42°28′，东经 105°12′—109° 53′)，河套盆地东临内蒙古第二大淡水湖乌梁素海，北靠阴山山脉，西临乌兰布和沙漠，南部为鄂尔多斯高原，盆地面积约1万km2(图1)。河套盆地由山麓阶地、山前冲洪积扇和冲积平原组成，西部和南部为沙漠，海拔高程为1 000～1 600 m。黄河位于平原南部，北岸宽度为40～75 km，直抵狼山山前；南岸宽2～8 km，沿断裂与鄂尔多斯高原相连[18]。

盆地内多年平均降水量为130～220 mm，主要集中于6至9月，年平均蒸发量达1 900～2 500 mm[19]。盆地内黄河干流长度为345 km，多年平均过境水径流量315亿m3[9]，黄河入境后坡度变小，水流平稳，盆地内湖泊众多，乌梁素海面积最大，为古黄河改道后形成的河迹湖，是河套盆地黄灌区排退水的容泄区[20-21]。

河套盆地为断陷盆地，研究区处于华北地台北缘，区内地层以第四系为主，总体呈北厚南薄的分布规律。依据不同的埋藏条件和水力特性，灌区内地下水可分为单一结构潜水区域和双层结构区域。单一结构潜水区分布于狼山山前冲洪积扇裙带和洪积平原，补给来源为山区地下水侧向径流，排泄途径为农业开采和径流排泄；双层结构区浅层地下水的补给来源为黄河水灌溉入渗补给，主要排泄方式为蒸发排泄。本文研究对象为全新世—晚更新世地层，潜水与半承压水之间无稳定隔水层，地下水位埋深基本一致，统称为浅层地下水[9]。浅层地下水的径流方向主要由西南向东北，自黄河北岸向北部山前径流排泄。河套平原内灌溉渠遍布全区[10]，盆地为内蒙古自治区最古老的灌溉区，具有悠久的农业生产历史。

1.2 样品采集与测试

于2015年6至7月在内蒙古河套平原采集地下水样品499组，井深范围为10～40 m，采集黄河水样品1组。样品采集项目包括全分析、微量元素分析、As和Fe价态分析，现场测试指标主要包括水温、pH值、溶解性总固体(TDS)等。采样前调查采样井的水文地质成井结构，测量地下水位，抽水15～20 min进行洗井，同时用井水冲洗取样瓶3～4次；采样过程中，使用40 mL棕色玻璃瓶，水样需注满取样瓶，瓶口不留空隙；采样完毕后添加1 mL浓盐酸，用防水胶带封口，贴好标签并于4 ℃冷藏保存，7日内送至实验室测试分析。

样品测试工作由中国地质科学院水文地质环境地质研究所完成，测试环境温度23 ℃，湿度50%。分析地下水样时，加5%的重复样，所有重复样品的误差小于 5%。

1.3 评价方法

利用钠吸附比(SAR)、渗透指数(PI)、钠含量(SC)和残余碳酸钠(RSC)4个指标进行河套灌区地下水灌溉适宜性分析[22-25]，其中SAR反映地下水中钠离子与土壤组分发生交替吸附作用的相对活度[26]，PI用来衡量土壤介质的渗透能力[16, 27]， SC利用钠百分比评估在所有溶解的阳离子中钠的危害水平[28]，RSC是利用Eaton公式对比碳酸盐和重碳酸盐与地下水中钙镁离子的比值[29]：

(1)

(2)

(3)

RSC=HCO3--(Ca2++Mg2+)

(4)

式(1)—(4)中：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-分别为该离子的浓度，单位meq/L。

地下水灌溉水质分级评价参照《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2021)，根据内蒙古灌区作物种植类型，选择旱地作物的项目限值作为评价标准，多指标综合评价遵循从劣不从优原则。

2 结果与讨论

2.1 水化学特征

499组地下水样品pH值为7.15～9.26，平均值7.91，环境接近中性和微碱性。TDS质量浓度在278～22 382 mg/L范围内，平均为1 833 mg/L；阳离子以Na+、K+为主，其次为Ca2+、Mg2+。Na+、K+质量浓度的中位值分别为285.4 mg/L和4.44 mg/L。阴离子以Cl-为主，其次为HCO3-、SO42-，平均质量浓度分别为559.05 mg/L、498.37 mg/L、356.75 mg/L。

Piper图显示灌区内地下水类型主要为Na-Cl-HCO3型，Na-HCO3-SO4型和Na- HCO3-Cl型(图2(a))。1组黄河水样品pH值为7.62，TDS为327.40 mg/L，低于地下水样品TDS平均值；阳离子以Ca2+、Na+为主，其质量浓度分别为52.50 mg/L、38.11 mg/L；阴离子以HCO3-为主，质量浓度为194.03 mg/L；地下水类型为Ca-Na-HCO3(图2(a))。

Gibbs图可以通过蒸发、降水和水岩相互作用来评估地下水化学状况[30]。本文绘制了水样的TDS与Na+/(Ca2++Na+)、Cl-/( Cl-+HCO3-)质量浓度比值关系(图2(b)和(d))，河套灌区浅层地下水主要受到岩石风化和蒸发浓缩作用双重影响。河套灌区地势低洼，浅层地下水埋深较浅利于蒸发，年均蒸发量远大于降水量，蒸发强排泄成为平原区浅层地下水的主要排泄方式[9]。阴山山前冲洪积扇区域地下水和南部鄂尔多斯台地北部地下水中离子浓度均受到基岩风化淋溶作用(图2(b)和(d))。

地下水中主要的阴阳离子之间的比值关系可以进一步解释水岩相互作用，推断地下水演化[31]。Cl-具有较高的溶解度，不易沉淀，因此在地下水中相对稳定，其来源为含水层中岩石矿物的溶解和深层卤水入侵，Na+/Cl-比值接近1时可以判断地下水中的Na+和Cl-来自岩盐的溶解[32-33]，灌区水样的Na+和Cl-离子比分布接近1:1线，大部分水样在1:1线之上(图2(c))，表明地下水中还存在硅酸盐矿物如花岗岩的溶解或阳离子交换作用[16]，其中阳离子交换作用会影响地下水中钙镁离子含量，对钠吸附比等指标产生直接影响。

综上所述，造成小吨位铸造引导轮中频感应淬火后产生裂纹的主要原因，是铸造毛坯变截面处的圆弧存在尖角和内部铸造缺陷造成的应力集中，导致无法抵抗感应淬火的组织应力及热应力。

2.2 地下水灌溉适宜性分析

2.2.1 四指标体系灌溉适宜性分析

根据 K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-浓度的SAR、SC、PI和RSC 4种灌溉适用性评价指标体系对内蒙古河套灌区地下水进行分析[22]，结果如表1所示，SAR指标范围为0.17～2.52，99.2%地下水样品非常适合用于灌溉，仅有4个样品为较适合灌溉；PI最小值为129.90，即所有地下水样品用于灌溉时均不会影响土壤的渗透性，非常适合用于灌溉；SC指标范围在17.82～94.98之间，显示共有319组地下水样品适用于灌溉，占比为63.93%，剩余36.07%样品不适用或不确定是否适用于灌溉。从河套灌区地下水灌溉适宜性分区图(图3)可以看出，SC指标不适宜灌溉的样品主要分布在灌区北部总排干和灌区南部黄河沿岸，适宜灌溉样品分布在阴山山前冲洪积扇裙带、补隆淖、临河决口扇和向西至五原县西部区域。河套总排干为全区主要排泄区，地势低洼，水循环缓慢，Gibbs图中看出区域内蒸发强烈(图2(b)和(d))，综合导致总排干区域地下水盐碱浓度较高，钠百分比超过60%，该区域地下水需在灌溉前进行盐过滤，增加有机质或保证排水系统良好的前提下才可以用于农作物灌溉[16]。RSC指标在-112.76～15.58之间，全区内88%共439组样品灌溉适宜性较好，60组地下水样品不适宜用于灌溉，不适宜灌溉的样品点零星分布在总排干西部即杭锦后旗附近(表1和图3)。

2.2.2 依据《农田灌溉水质标准》进行灌溉适宜性分析

以上根据SAR、SC、PI和RSC 4个指标的灌溉适宜性评价体系仅综合考虑地下水主要阴阳离子的含量和灌溉过程对土壤渗透性的影响，未考虑水化学指标和其他常规离子等的影响，有一定的局限。本部分结合《农田灌溉水质标准(GB 5084-2021)》中相关控制项目，丰富分析指标体系，进一步分析灌溉水源对耕地、地下水和农产品安全的保障情况。分析结果见表2。

表1 地下水灌溉适宜性评价结果

依据《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2021),共选择8个基本控制指标和7个选择控制指标对499组地下水样品进行灌溉分析，在基本控制指标中，水温、总铅和总汞均全部适宜灌溉旱地作物，仅有总砷、氯化物2个指标适宜灌溉样品占比低于90%，分别为83.37%和58.32%。在选择控制指标中，氰化物、挥发酚和总锌均全部适宜灌溉旱地作物，剩余指标适宜性样品占比均超过97%。综合评价结果显示，全区共有231组地下水样品适宜用于灌溉农田(表2和图4)。

内蒙古灌区地下水中砷浓度超过标准中限值的样品主要分布在黄河古河道带区域，即河套平原总排干两侧。岩石风化和蒸发浓缩作用会影响地下水中砷的富集[34]，该区域地势低洼，为平原内主要排泄区，浅层地下水埋深较浅，区域蒸发浓缩作用格外强烈。有研究表明，河套盆地高砷地下水主要赋存于还原环境中[35]，平原内砷浓度超标区域还原性最强，导致大量砷从铁锰氧化物中解吸释放到地下水中并富集[8,11,36]。

表2 依据《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2021)的河套灌区灌溉适宜性评价

综合SAR、SC、PI和RSC 4个指标和《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2021)分析可以得出，河套灌区内适宜灌溉的地下水主要分布在阴山山前冲洪积扇裙带区和补隆淖决口扇、临河决口扇范围内。

2.3 地下水与黄河水灌溉适宜性对比分析

河套灌区大量引用黄河水用于灌溉，近年来为缓解黄河流域水资源压力，开始利用黄河水与地下水结合灌溉的方式来进行农业生产，本小节将依据SAR、PI、SC、RSC、《农田灌溉水质标准》5个指标，开展黄河水和地下水的灌溉适宜性对比分析，为制定内蒙古灌区不同地区的灌溉方案提供依据。在灌区阴山山前总排干以北地区无法引用黄河水灌溉，仅可抽取地下水进行灌溉，因此本部分内容仅对灌区总排干以南的地下水样品进行对比。

2.3.1 四指标体系灌溉适宜性对比分析

图5为灌区地下水样品Na+、Ca2+、Mg2+、K+、Cl-、HCO3-、SO42-和CO32-浓度与黄河水中浓度的对比，黄河水8个离子的浓度均在地下水样品中位值之下，其中黄河水中Na+、Mg2+、Cl-、HCO3-浓度接近地下水样品浓度的最低值，与地下水样品的总体浓度水平差距较大。利用黄河水样品的离子浓度进行灌溉适宜性分析，其分析结果与地下水分析结果见图6和表3，黄河水的4个指标均显示为适宜灌溉。SAR指标评价结果显示，区内大部分地下水样的钠吸附比较黄河水钠吸附比更高，在2.2小节中已评价得出地下水的钠吸附比均适宜灌溉，因此两者均可用于灌溉，而不会因为钠离子的阳离子交换作用影响土壤渗透性。从渗透性PI考虑，全区均为地下水灌溉适宜性优于黄河水。从SC钠百分比考虑，全区均为黄河水更适宜灌溉。RSC对比结果发现，在地下水不适宜灌溉的区域基本都是黄河水灌溉适宜性更优。

表3 河套灌区黄河水与地下水四个指标对比

2.3.2 依据《农田灌溉水质标准》进行灌溉适宜性对比分析

基于标准限值对黄河灌溉水质进行分析，发现黄河水质均适宜进行内蒙古灌区旱地作物的地下水灌溉，图7对地下水超标较明显且黄河水有检出的6个指标进行展示，黄河水As、Cl、Zn、F的浓度均在地下水样品浓度的中值之下，因此黄河水更适宜于进行农作物灌溉。

3 结 论

(1)河套灌区地下水与黄河水均为弱碱性水；地下水阳离子以Na+、K+为主，阴离子以Cl-为主；黄河水阳离子以Ca2+、Na+为主，阴离子以HCO3-为主。灌区地下水化学状况主要受到岩石风化和蒸发浓缩作用影响，对灌溉适宜性影响较大的钠盐主要来自岩盐溶解。

(2)河套灌区地下水灌溉适宜性良好，适宜灌溉的地下水主要分布在阴山山前冲洪积扇裙带区和补隆淖决口扇、临河决口扇范围内。SAR、PI和RSC三个指标在全区内均为“适宜灌溉”标准，SC指标在阴山山前冲洪积扇裙带、补隆淖、临河决口扇和向西至五原县西部区域为“适宜灌溉”标准；根据《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2021)，仅有总砷、氯化物2个指标适宜灌溉样品占比低于90%，岩石风化溶解和蒸发浓缩作用是该现象的主要成因。

(3)河套灌区地下水和黄河水灌溉适宜性对比分析表明，SAR和SC指标显示黄河水更适宜灌溉，PI和RSC指标显示地下水更适宜灌溉，依据灌溉水质标准分析，黄河水所有指标均适宜灌溉。综合地下水、黄河水灌溉适宜性分析结果，可在补隆淖、临河决口扇和向西至五原县西部区域内使用地下水结合黄河水进行农业灌溉，其余地区更宜使用黄河水进行灌溉。