银川平原地下水水化学特征分析及灌溉适用性评价

唐利君,康锦辉,刘桂环,张 薇

(宁夏国土资源调查监测院,宁夏 银川 750002)

0 引 言

地下水作为一种重要的水资源,在城市生活用水、农业、工业等方面发挥着重要作用。地下水在循环过程中不断与周围岩石圈、生物圈和大气圈进行物质与能量交换,使其形成独特的地下水化学特征,反映地下水化学成分的演化过程[1-4]。同时,地下水变化也能影响周围生态环境。例如,地下水水位高低、矿化度大小与土壤盐碱化密切相关。高矿化度且埋藏浅的地下水在土壤毛细作用下上升到土壤表层,水分蒸发后盐分残留在土壤中,导致土壤盐碱化[5-6]。同时,土壤盐碱化程度的增加,也会在一定程度上影响地下水化学特征。因此,对地下水化学特征的研究,有助于揭示地下水的来源与演变过程。

银川平原地势平坦,是黄河流域上游地区重要的农业基地和工业基地,也是宁夏回族自治区社会经济最发达的区域[7]。该区地处西北地区,气候干旱少雨,蒸发强烈,局部土壤盐碱化严重。地下水资源是农业以及居民生活用水的重要来源。近年来,随着宁夏引黄灌溉区水量的压减,研究区部分农业采用地下水作为灌溉水源,加大了地下水的开采量。长期不合理开发地下水导致地下水位下降以及水质恶化。此外,采用矿化度较高的地下水灌溉会加重土壤盐渍化,导致生态环境恶化。因此,对地下水进行水质评价至关重要,对银川平原地下水资源合理的开发以及保护具有重要意义。已有学者对银川平原地下水水化学特征及演化规律进行了研究[8-9],然而,对于银川地区微咸地下水及其灌溉用水评价的相关研究较少。

本研究基于银川平原潜水和承压水水化学特征,分析地下水水化学类型及离子组分来源,对地下水进行灌溉用水质量评价,以期为该地区地下水资源的可持续开发利用提供科学依据。

1 研究区域概况

银川平原位于宁夏回族自治区北部,南起青铜峡,北至石嘴山,西靠贺兰山,东倚鄂尔多斯台地。南北长165 km,东西宽42～60 km。地处中温带干旱区,干旱少雨,日照充足,昼夜温差大。

平原内地貌单元由西向东依次为贺兰山山前冲洪积倾斜平原、黄河冲积平原和冲湖积平原。广泛分布的第四系沉积物是主要的含水层。其中,贺兰山山前洪积扇和青铜峡口冲积扇属单一潜水区,含水层岩性主要为砾石、砂砾石层夹砾中粗砂。冲积平原与冲洪积平原为潜水-承压水多层水区,含水层结构不均一,水力联系密切,含水层岩性以细砂、粉细砂为主,隔水层为黏土与砂黏土。研究区潜水主要补给来源包括大气降水、灌溉入渗,承压水则受山前平原潜水侧向径流补给。由于平原内承压水的大量开采,使潜水水位高于承压水水头,导致上覆潜水越流成为承压水另一补给来源。自西向东,地下水水力坡度减小,径流条件变差,潜水排泄方式自西向东逐渐由以侧向径流排泄为主向以蒸发排泄为主转变[10]。

2 样品采集与测试

图1 研究区水文地质简图及采样点分布Fig.1 Hydrogeological map and distribution of sampling points in the study area

3 结果与分析

3.1 地下水化学特征

表1 研究区地下水化学指标的描述性统计Tab.1 Descriptive statistics of groundwater chemical indicators in the study area

图2 潜水、承压水TDS空间分布Fig.2 Spatial distribution of TDS in unconfined and confined water

图3 研究区水样元素浓度箱线图Fig.3 Box and whisker plots of element concentrations of water samples in the study area

图4为研究区地下水Piper三线图,能直观反映地下水水化学组分特征。图4表明,银川平原潜水水化学类型复杂多样,具体为HCO3-Ca、Cl-Na、SO4-Na、HCO3-Na和HCO3-Mg型水,主要以Cl-Na型水为主。相对来说,承压水水化学类型略为简单,具体为Cl-Na、SO4-Na、HCO3-Na、HCO3-Mg型水,主要以HCO3-Na型水为主。这说明潜水与承压水的演化过程存在差异。由于研究区日照充足,蒸发量大,因此,潜水更容易受蒸发浓缩作用影响[11],这也是导致潜水与承压水TDS空间分布南低北高的重要因素。

图4 研究区地下水Piper三线图Fig.4 Piper three-line diagram of groundwater in the study area

3.2 地下水离子来源分析

表2 潜水地下水水化学参数相关系数矩阵Tab.2 Correlation coefficient matrix of groundwater hydrochemical parameters for unconfined water

表3 承压水地下水水化学参数相关系数矩阵Tab.3 Correlation coefficient matrix of groundwater hydrochemical parameters for confined water

3.3 灌溉用水质量评价

如前所述,研究区地下水TDS含量普遍偏高,而水中含盐量过高则会导致土壤盐化,特别是高含量的Na+可能造成土壤板结、渗透率降低,从而影响植物生长。该研究区气候干燥,降雨量少,灌溉用水主要为黄河水与地下水,因此本次对地下水进行灌溉水质评价。将钠吸附比(SAR)和全盐量(电导率(EC))作为灌溉用水评价的重要指标。

基于美国农业部(USDA)评价方法对研究区地下水进行灌溉水水质分类(图6)[13]。由图6可知,潜水中有38.89%的样品落在C4区域,C3与C2区域的样品分别占潜水总样品的55.56%和5.55%,无样品落在C1区域。潜水样品中落在S1、S2、S3、S4的样品分别为66.67%,11.11%,5.56%和16.66%。承压水中落在C2、C3、C4区域的样品分别占承压水总样品的10.37%,52.63%和37%,落在S1、S2、S3、S4区域的样品分布占70%、20%、0%、10%。这表明,尽管潜水与承压水部分样品碱度级别不高,但可溶性盐质量浓度偏高,用于灌溉可能导致土壤盐化,影响植物生长。综合来看,该区位于C2～S1、C3～S1、C3～S2的地下水样适合做为灌溉水,占总水样的63.16%,其中,潜水占28.95%,承压水占34.21%。

图6 研究区灌溉水水质分类Fig.6 Classification of the quality of irrigation water in the study area

4 结 论

灌溉用水评价结果显示,该区域63.16%地下水适合农业灌溉,其中,潜水占28.95%,承压水占34.21%。