环境科学  2020, Vol. 41 Issue (9): 4011-4020   PDF    
引用本文
崔佳琪, 李仙岳, 史海滨, 孙亚楠, 安海军, 邢进平. 河套灌区地下水化学演变特征及形成机制[J]. 环境科学, 2020, 41(9): 4011-4020.
CUI Jia-qi, LI Xian-yue, SHI Hai-bin, SUN Ya-nan, AN Hai-jun, XING Jin-ping. Chemical Evolution and Formation Mechanism of Groundwater in Hetao Irrigation Area[J]. Environmental Science, 2020, 41(9): 4011-4020.
河套灌区地下水化学演变特征及形成机制
崔佳琪1, 李仙岳1, 史海滨1, 孙亚楠1, 安海军2, 邢进平2     
1. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018;
2. 河套灌区永济灌域管理局, 巴彦淖尔 015000
收稿日期: 2020-03-13; 修订日期: 2020-04-02
基金项目: 国家自然科学基金项目(51539005，51969024，51669020)；内蒙古水利厅重大项目(NSK2017-M1)；内蒙古科技厅重大专项(zdzx2018059)
作者简介: 崔佳琪(1996~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为干旱区农业水资源利用与水环境, E-mail:897237672@qq.com
通信作者: 李仙岳, E-mail:lixianyue80@126.com
摘要: 地下水资源是我国西北干旱区的重要资源，但不合理的开发利用导致系列生态环境问题，深入探究地下水化学演变特征及形成机制，对于地下水资源的合理利用具有重要意义.以河套灌区永济灌域为研究区，综合运用聚类分析和因子分析等统计学方法，研究了该区域地下水化学演化特征并阐明了地下水化学的形成机制，说明不同因子的影响程度.结果表明，研究区地下水阳离子以Na++K+为主，阴离子分别以Cl-和HCO3-为主，且Na++K+和Cl-离子具有较高的空间变异性，是决定地下水盐化的主要因子，地下水化学类型以Cl-Na、HCO3 ·Cl ·SO4-Na和HCO3-Na型为主；通过聚类分析，研究区地下水可分为4类(A1、A2和B1、B2类)，其中A1类地下水为高矿化度Cl-Na型水，A2、B1和B2类地下水主要为HCO3 ·Cl ·SO4-Na和HCO3-Na型水，结合因子分析，该区域地下水化学主要受"盐化"作用、碳酸盐岩溶解作用和人类活动影响，影响程度分别占了45.976%、23.853%和16.678%.蒸发盐岩溶解和阳离子交换作用是研究区Na+和Cl-积聚的重要来源，农业灌溉(对土壤盐分的淋洗)和干旱(蒸腾蒸发强烈)是地下水盐化的关键驱动因素.
关键词: 河套灌区      地下水      水化学特征      盐化作用      形成机制     
Chemical Evolution and Formation Mechanism of Groundwater in Hetao Irrigation Area
CUI Jia-qi1 , LI Xian-yue1 , SHI Hai-bin1 , SUN Ya-nan1 , AN Hai-jun2 , XING Jin-ping2     
1. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China;
2. Administration of Yongji Irrigation Area of Hetao Irrigation District, Bayannur 015000, China
Abstract: Groundwater resources are important sources of water in the arid region of northwestern China, but their overexploitation and utilization has led to a series of ecological and environmental problems. Exploring the characteristics and mechanism of groundwater chemical evolution is important for the rational use of groundwater resources. The characteristics of groundwater chemical evolution were studied in the Yongji Irrigation Area of Hetao Irrigation District and the formation mechanism of the chemical compounds in groundwater were investigated using cluster analysis, factor analysis, and other statistical methods. The influence degree of different factors was calculated. The results showed that the major cations in groundwater in the study area were Na+ and K+, and the major anions were Cl- and HCO3-. Moreover, Na+, K+, and Cl- showed high spatial variability and were the main factors contributing to groundwater salinization. The major chemical compounds in the groundwater in the study area were Cl-Na, HCO3 ·Cl ·SO4-Na, and HCO3-Na. Based on the cluster analysis results, the groundwater was divided into four categories (A1, A2, B1, and B2), of which A1 was highly mineralized by Cl-Na type water, while A2, B1, and B2 were mainly HCO3 ·Cl ·SO4-Na and HCO3-Na type water. Principal component analysis results suggest that groundwater chemistry was mainly affected by salinization, carbonate karstification, and human activities with the influence degrees of 45.976%, 23.853% and 16.678%, respectively. Evaporation, salt rock dissolution, and cation exchange were important sources of Na+ and Cl- accumulation in the irrigation area. Agricultural irrigation (leaching of soil salts) and drought (intense transpiration) were the key drivers of groundwater salinization in the irrigation area.
Key words: Hetao irrigation area      groundwater      hydrochemical characteristics      salinization      formation mechanism     

我国西北干旱区水资源短缺, 地下水资源是维持当地社会经济可持续发展和保持生态环境健康的重要因素, 而不合理的开发利用已引起了一系列生态环境问题, 故摸清地下水环境变化规律对干旱区社会、经济、农业和生态健康发展具有重要作用[1, 2].地下水化学演变特征是地下水环境变化的集中反映, 同时明确其形成机制也是地下水资源与农田水环境质量评价的重要内容[3].地下水化学特征的演变很大程度上取决于自然过程[4](水文地质条件、岩性、水岩相互作用和海水入侵等), 如岩溶地下水[5, 6]主要受白云石、岩盐和石膏溶解等水岩相互作用的影响; 冲洪积扇浅层地下水化学[7]主要与岩体溶滤作用有关, 而受蒸发浓缩、大气降雨及阳离子交换吸附影响不明显; 影响黄河三角洲浅层地下水化学[8]的关键因素是黄河入海流路和海水入侵.然而随着人类活动(农业、工业和城市发展等)的加剧, 对地下水的影响已不可忽视, 如珠江三角洲地区[9]经过几十年的城市化和工业化发展, 地下水化学类型增加到89种, 城市化发展成为珠江三角洲地下水环境变化的强大驱动力; 东莞地区[10]农业肥料的过度使用、生活污水的不适当排放, 造成地下水中NO3-、SO42-和Mg2+增多; 阿尔及利亚东部Tébessa地区[11]由于农业使用大量的合成氮肥, 硝酸盐污染成为影响地下水环境的一个严重问题.

近年来, 地下水化学的研究一直是水文地质及水文地球化学领域研究的热点[12~14].由于人类活动的影响, 具有自然属性的地下水也被赋予了社会属性[15~17], 所以探索地下水化学特征及影响因素的难度也在加大.仅采用常规统计分析方法研究地下水和多变量的相互关系十分困难, 目前大多研究均采用多元统计理论[18, 19], 通过提取隐藏在原始数据群体中的重要信息, 揭示水化学样品或指标之间复杂的内在联系, 能更容易从众多的因子指标中归纳出影响水化学特征的主要因素, 定量解释各主要因素对地下水化学特征的影响程度, 同时结合Piper三线图和相关性分析等方法可进一步揭示地下水水化学的具体成因, 从而做到定性定量分析地下水化学组分的形成机制.

河套灌区属于平原灌区, 地形平缓, 水力坡度小, 地下径流条件较差, 降水稀少, 蒸发强烈, 引黄水量大.灌区主要特点是盐渍化严重, 轻度、中度和重度盐渍化耕地分别占总面积的29.8%、17.2%和9.2%[20], 地下水以微咸水为主, 同时自1998年以来河套灌区实施了大规模续建配套与节水改造工程, 推广节水灌溉, 年均引水量由52亿m3减少到47亿m3[21], 使得灌区地下水环境发生巨大变化, 所以灌区地下水环境的演化除了受自身地质条件和气候因素等自然因素影响, 同时农业活动和节水灌溉等人为影响势必会对地下水环境产生强烈的作用.尽管杜军等[22]基于地学统计等方法对河套灌区年内地下水埋深和矿化度进行了时空上的演变分析, 但没有对地下水化学特征进行详细分析.李彬等[23]基于相关性分析和图解法等研究了节水改造前后河套灌区地下水化学特征, 但并没有对地下水化学的形成机制和影响因素进行定性定量分析.故针对这种盐渍化严重, 同时节水改造等人为影响强烈的区域, 探索其地下水化学特征及形成机制, 对于当地地下水开采利用和农业可持续发展都具有重要意义.本文以河套灌区永济灌域为研究区, 利用聚类分析和因子分析等方法定性定量研究地下水化学特征及其形成机制, 以区分自然过程和人为活动对地下水环境的影响, 以期为盐渍化灌区地下水资源可持续发展提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本文选择河套灌区中游具有代表性的永济灌域(107°13′~107°42′E, 40°36′~41°13′N)为研究区(图 1).灌域总土地面积18.36万hm2, 属温带大陆性干旱气候, 干燥多风, 日照时间长, 年均气温7.5~8.9℃, 年均降雨量100~280 mm, 年均蒸发量为2327 mm.该地区以农业为主, 主要种植小麦、葵花和玉米, 属于典型的盐渍化灌域.灌域地势呈西南向东北倾斜, 海拔在979~1077 m之间.地下水流向与地面坡降基本一致, 但土壤颗粒细、渗透性能差, 地下水流速缓慢.地下水总的流向自西向东, 但大部分浅层地下水靠灌域内数条自南而北的排水干渠汇入北部由西向东的总排水干渠, 然后再经总排水干渠流入东部的乌梁素海.灌域地下水化学受地理环境、地质构造和水文地质条件的影响, 在水平及垂直方向上均具有明显的水化学分带性, 表现为干旱气候带的沉降盆地灌溉型水化学特征, 地下水以小于3 g·L-1的微咸水为主, 少部分地区为大于3 g·L-1的咸水.降水与蒸发是影响该区域地下水补给和排泄最主要的气象因素.地下水主要由引黄灌溉补给, 其次为降水入渗补给, 引黄灌溉以夏灌(4~9月)和秋浇(10~11月)为主, 灌域多年(1999~2017年)地下水埋深和地下水矿化度分别为2.16 m和3.42 g·L-1, 引水量从1999年的10.22亿m3减少到2017年的9.21亿m3, 地下水循环属于典型的入渗-蒸发类型.

图 1 研究区采样点示意 Fig. 1 Diagram of sampling points in the study area

1.2 样品采集与处理

根据灌域行水特点, 在不同时期进行样品采集, 分别于2017年的3月6日(夏灌前)、7月16日(生育期)和11月11日(秋浇期)进行3次野外水样的采集与测定.地下水埋深采用人工法测量, 水样在取样后24 h内进行水质测定, 包括pH、八大离子(Ca2+、Mg2+、Na++K+、CO3-、HCO3-、Cl-和SO42-)含量等, 其中Cl-用硝酸银滴定法测定, Ca2+、Mg2+和SO42-采用EDTA滴定法测定, CO3-和HCO3-采用酸碱滴定法测定, Na+和K+采用火焰原子吸收分光光度法, pH值采用电位法测定; 并用八大离子的质量浓度总和来代表TDS[24, 25], 气象数据来源于中国气象科学数据共享网(http://data.cma.cn/), 包括2017年逐月累计降雨量和逐月累计蒸发量, 引排水数据来源于河套灌区永济灌域管理局.

数据可靠性用式(1)检验[26]:

(1)

式中, E表示相对误差, ma和mc为阴阳离子的毫克当量浓度(meq·L-1).经计算, 所有样品离子平衡误差在±5%以内.

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2013软件进行数据处理, Stiff图和Piper三线图应用AqQA软件绘制, Gibbs图和离子相关性分析应用origin 2018软件绘制.应用R语言的pheatmap包对研究区地下水理化指标进行聚类和热点分析, 同一类(簇)中的对象具有很强的相似性, 不同类(簇)间的对象有很大的相异性, 从而可以对地下水进行定性分类.应用SPSS 22.0软件的主成分提取和方差最大正交旋转因子法对各理化指标进行因子分析, 从而提取出多变量中具有代表性的因子组分.

2 结果与分析 2.1 地下水理化性质及空间演变特征

研究区TDS变化范围为0.878~25.117 g·L-1, 其中小于3 g·L-1的微咸水井数占77.78%(表 1).pH在7.200~8.700之间, 均值为7.757, 为中性水或弱碱性水.从离子组分的变异系数来看, 地下水阴离子大小顺序为Cl-＞SO42-＞HCO3-, 阳离子大小顺序为Na++K+＞Mg2+＞Ca2+, 即阴离子中Cl-变异系数最大, 阳离子中Na++K+变异系数最大, 变异系数范围为1.985~2.137和1.695~1.857, 说明Cl-和Na++K+是随环境因素变化的敏感因子, 是决定地下水盐化的主要变量.而HCO3-、SO42-和Ca2+变异系数相对较小, 表明在研究区内分布较稳定, 主要受地质背景条件控制.Na+和Cl-本身较高的空间变异性导致TDS质量浓度空间变异性较高.

表 1 研究区地下水理化指标特征 Table 1 Characteristics of physical and chemical indexes of groundwater in the study area

不同月份主要离子质量浓度大小顺序为7月＞11月＞3月; 阳离子中, Na++K+质量浓度介于0.081~7.485 g·L-1之间, 占阳离子的29%~93%, 为最大阳离子.阴离子中, Cl-质量浓度介于0.106~13.298 g·L-1之间, HCO3-质量浓度介于0.259~1.980 g·L-1之间, 分别占阴离子的10%~84%和4%~75%, 且各井中的TDS变化同Na++K+和Cl-变化趋势较为一致, 从而验证了Na++K+和Cl-是决定地下水盐化的主要变量(图 2).对比不同月份TDS质量浓度和地下水埋深变化可知, 当大部分井的埋深较深时, TDS质量浓度较小; 而埋深较浅时, TDS质量浓度较大, 说明地下水埋深的变化可以反映水化学参数的变化, 当埋深较浅时, 蒸发作用强烈, TDS质量浓度大.

图 2 研究区地下水典型理化指标空间变化特征 Fig. 2 Spatial variations in classic physicochemical indexes in the study area

地下水化学类型对于揭示水文地球化学成分起着重要的作用, 利用Piper三线图可以了解水体的主要离子组成及演化特征.由图 3可知, 阳离子主要集中在Na+端元, 阴离子分布较为分散, 多集中在HCO3·Cl·SO4区域, 部分点位趋于Cl-端元.研究区水化学类型主要由HCO3-Na、HCO3·Cl·SO4-Na和Cl-Na型组成.虽然研究区水化学类型构成多样, 但各月份之间没有明显的差异.

图 3 地下水化学Piper三线图 Fig. 3 Piper diagram of groundwater chemistry

2.2 地下水化学演变主要成因分析

在每年3月(春灌前), 河套灌区未受引黄灌溉和降雨的影响, 针对该时期地下水环境, 选取了地下水样中的pH、Na++K+、Mg2+、Ca2+、SO42-、HCO3-、Cl-、TDS和埋深共9项指标, 将有很强的相似性的数据分到同一类或簇, 把地下水定性分成几类.利用聚类热点图(图 4)和各类地下水物理化学参数平均值(表 2), 将18组样品分为两大类(A和B), 4个子集(A1和A2, B1和B2), A1类地下水各离子组分变化要远复杂于A2类地下水, 水化学类型为高矿化度的Cl-Na型水.其中YJ15所在地区, 地下为一潜伏的乌拉山隆起带, 断裂极其发育, 该区地下水的化学成分主要受构造活动的影响, 即地下水的盐分等含量主要由沿断裂构造涌出的深层盐卤水侵染所造成. Y9和Y10分布在研究区的地下水富集带[27], 即地下水径流的聚集区, 该地带含水层沉积颗粒变细, 主要为冲积湖积作用形成的中细砂、粉细砂和黏土夹层, 透水性较差, 地下水径流受阻, 流速较慢, 南、北双向的水流在此汇合聚集.在干旱的气候条件下, 蒸发作用强烈, 地下水水质较差.A2类地下水埋深较大, 主要位于市区周边, 地下水开采程度大, 水化学类型主要为HCO3-Na型, 与B类地下水相比, 各离子浓度具有相同的规律.B类地下水主要分布在灌域的径流区, 农业化程度高, B1和B2类地下水的Na++K+、Mg2+、Ca2+、SO42-、HCO3-和Cl-具有相似的离子浓度, 说明其具有相似的来源, B1类地下水离子组分质量浓度变幅不大, 水化学类型主要为HCO3·Cl·SO4-Na型. B2类地下水pH较大, 水化学类型与B1相同.因此, 研究区地下水化学组分与地形地貌, 地层岩性及农业活动等人类活动密切相关.

图 4 地下水环境聚类热点 Fig. 4 Heat map of groundwater environment

表 2 不同类别典型地下水理化指标统计(平均值) Table 2 Statistical results of physical and chemical indexes of different types of typical groundwater (average value)

通过主成分提取和最大方差正交旋转因子分析法, 完成对研究区地下水各指标参数的因子分析, 从而找到变量中隐藏的具有代表性的因子[28].考虑到地层岩性的复杂性, 应用软件PHREEQC程序计算了所取水样中方解石(SIC)、白云石(SID)、石膏(SIG)和岩盐(SIH)饱和指数, 结合其它参数, 获得了研究区18组水样的理化指标特征值, 经KMO及Bartlett球型度检验后, 得到了3个主因子F1、F2和F3, 累计方差贡献率为86.506%(表 3).主因子1(F1)的综合贡献率为45.976%, Na++K+、Mg2+、Cl-、Ca2+、TDS和岩盐的因子载荷较大, 说明主因子1(F1)主要代表“盐化”或“矿化”作用.主因子2(F2)的贡献率为23.853%, 其中HCO3-、方解石饱和指数、白云石饱和指数和pH因子载荷较大, 说明主因子2(F2)主要受弱碱性环境下的碳酸盐岩矿物溶解对地下水化学组分的影响.主因子3(F3)的贡献率为16.678%, 其中SO42-和地下水埋深因子载荷值较大, 有研究表明SO42-与污水排放有很大关系[10], 说明主因子3(F3)主要受人类活动(地下水开采和污水排放)的影响.结合聚类热点图(图 4), 绘制3个主因子得分关系图(图 5), A1类地下水F1得分值最大, 即受“高盐化”作用影响; A2、B1和B2类地下水的3个主因子得分值相差不多, 说明其与主因子F1、F2和F3均有很大关系, 即受“高盐化”作用、碳酸盐岩溶解作用和人类活动(地下水开采和人类活动)影响.

表 3 研究区地下水各指标旋转因子载荷矩阵1) Table 3 Rotation factor loading matrix of groundwater indicators in the study area

图 5 主因子得分相关关系 Fig. 5 Relationship between the three factor scores of principal component analysis

3 讨论 3.1 地下水离子组分的自然来源

由于地下水与含水层矿物之间发生反应, 探讨含水层矿物水岩作用, 对了解地下水化学的形成机制有着重要作用.Gibbs图[29]通过对地下水化学组分分析, 利用TDS与阳离子质量浓度比值Na+/(Na++Ca2+)、阴离子质量浓度比值Cl-/(Cl-+HCO3-)的关系, 宏观反映地下水中主要离子的控制因素:大气降水、岩石溶滤和蒸发结晶.将水化学数据绘于Gibbs图中, 阳离子质量浓度比值范围为0.358~0.991, 阴离子质量浓度比值范围为0.177~0.951.由图 6可知, 地下水样分布在“岩石溶滤作用”与“蒸发结晶作用”区间, 不同月份间差异不大, 其中A1类地下水样主要分布在图像的右上部, TDS质量浓度较高, 水化学离子组成主要受蒸发结晶作用, 其它类地下水样主要分布在图像中偏右部, 受岩石溶滤和蒸发结晶的综合作用.说明研究区地下水化学特征主要受岩石溶滤和蒸发结晶作用.

图 6 研究区地下水Gibbs图 Fig. 6 Gibbs diagram of groundwater in the study area

地下水的化学成分在自然条件下, 发生水岩反应产生各主要离子, 各离子组分间的比例系数常被用来研究某些水文地球化学问题, 通过计算水体中阴阳离子间的比值关系, 指示水体溶滤作用, 反映水化学形成及演变特征[30]. γ(Na++K+)/γ(Cl-)(毫克当量比值关系)可以反映Na++K+和Cl-的来源[31].由图 7(a)可知, 研究区地下水样基本位于1:1当量线附近, 证实蒸发盐岩和硅酸盐岩对地下水中Na++K+和Cl-的重要贡献.除A1区部分样点位于1:1的线下方, Cl-相对于Na+过量外, 大部分样点位于1:1的线上方, 说明水化学组分除了受蒸发盐岩与硅酸盐岩的溶解作用外, 还受到阳离子交换作用等其它因素的影响, 从而使Na++K+浓度大于Cl-浓度. 可能存在的风化过程有:

(2)
(3)
(4)
图 7 研究区地下水离子关系 Fig. 7 Ionic relationships in groundwater in the study area

阳离子交换作用是指在一定条件下, 岩石或土壤颗粒吸附地下水中某些阳离子, 从而将其原来的部分阳离子转化为地下水中的组分[32]. γ(Na+-K+)/γ[(Ca2++Mg2+)-(SO42-+HCO3-)]可以反映阳离子交换作用强度.由图 7(d)可知, 地下水样品γ(Na++K+-Cl-)/γ[(Ca2++Mg2+)-(SO42-+HCO3-)]表现出明显的负相关性, 较为集中分布在-1.007的直线周围, 表明地下水中发生了阳离子交换作用.阳离子交换作用是Na+的来源之一, 最常见的阳离子交换是Ca2+、Mg2+和Na+交换, 化学方程式如下:

(5)
(6)

研究区大量Ca2+、Mg2+交换吸附固体颗粒表面的Na+, 导致大部分水样点Na+相对Cl-过量.而A1类地下水部分取样点Cl-相对于Na+过量, 可能是由于水样点Na+过高(3个月平均为7.033 g·L-1), 发生Na+交换吸附Ca2+和Mg2+, 消耗了部分Na+.综上所述, 说明蒸发盐岩作用和阳离子交换作用是灌域Na+和Cl-积聚的重要来源.

有研究表明[33], 地下水中的Ca2+、Mg2+可能来源于碳酸岩盐和蒸发岩盐, SO42-可能来源于蒸发岩盐的溶解, HCO3-主要来源于碳酸盐岩溶解.因此可用γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)来判断4种离子的主要来源[34], 由图 7(b)可知研究区大多数取样点位于1:1等当量线上, 说明其主要来源于蒸发盐岩(岩盐、石膏等)和碳酸盐岩(白云石和方解石等), 其中A1类地下水取样点位于等当量线下方, Ca2+和Mg2+的质量浓度和不足以平衡HCO3-和SO42-质量浓度和, 可能是由于当pH值＞7.4和TDS大于0.60 g·L-1时[35], Ca2+与HCO3-生成CaCO3沉淀.随着碱度升高, 促进白云石CaMg(CO3)2沉淀的生成.由于Ca2+被除去, Mg2+/Ca2+比率升高, 当其达到6以上时, 碳酸钙转化成白云石, 当缺少过量的碱度时, 就会发生白云石化作用, 钙被释放出来, 以石膏的形式沉淀下来, 导致Ca2+和Mg2+的质量浓度和小于HCO3-和SO42-质量浓度和, 同时阳离子交换也是Ca2+和Mg2+减少的原因之一, 相关化学方程式如下:

(7)
(8)
(9)
(10)

由图 7(c)可知研究区水样点多位于等量线上方, 暗示蒸发盐岩(岩盐、石膏和芒硝等)来源大于碳酸盐岩来源.

3.2 农业活动和气候因素对水环境的影响

研究区属无灌溉即无农业地区, 主要补给因素为引黄灌溉补给和降雨入渗补给, 补给期为4月中下旬至10月底整个灌溉期, 其中降雨入渗补给量很少, 对研究区地下水环境影响较小.由于地下水径流条件较差, 研究区主要排泄途径是蒸发消耗.由不同月份地下水化学参数值可知[图 8(a)], 7月和11月各参数较3月均有不同程度的增大, 其中TDS、Na++K+、Cl-和SO42-质量浓度增加幅度明显, 其主要由于进入作物生育期后, 研究区多次灌水, 引水多排水少且蒸腾蒸发强烈[图 8(b)], 研究区土壤水分处于灌溉-补给-蒸发的循环过程, 导致大量盐分聚集在浅层地下水中, 11月经秋浇后, 聚集在土壤中的大量盐分被淋洗到浅层地下水中, 使得地下水盐分较高.说明农业灌溉在满足农业生产需求的同时, 也带来了大量的盐类离子, 同时, 强烈的蒸腾蒸发使各组分含量浓缩, 溶质浓度增大, 导致TDS的大幅度增加, 研究区地下水环境趋于盐化.由图 2可知, 研究区灌溉期(7月和11月)各水化学参数较未灌溉期(3月)整体均有不同程度的增加, 且7月由于蒸发强烈, 增加幅度更大, 说明农业灌溉(对土壤盐分的淋洗作用)和干旱(蒸腾蒸发强烈)作用于整个研究区, 是地下水盐化的重要来源.

图 8 不同月份地下水化学参数和影响因素 Fig. 8 Water chemistry parameters and influencing factors in different months

3.3 引排水量变化对地下水环境的影响

由1999~2017年TDS年际变化粗略反映引排水量的减少对地下水环境的影响.由图 9可知, 引水量由1999年的10.22亿m3减少到2017年的9.21亿m3, TDS的年际变化反映了地下水环境呈逐年盐化趋势, 其主要由于引水量的减少, 不足以淡化地下水, 且排水量呈逐年减少趋势, 有研究表明, 累积排水量与浸出盐之间存在显著的线性相关性, 排出的盐负荷随排水量的减少而减少[36], 加之土壤中被灌溉淋洗的盐分溶解在地下水中, 导致地下水环境逐年盐化.目前引排水量条件下不能改善地下水环境, 需完善排水系统并合理控制灌水量.

图 9 1999~2017年研究区引排水量与地下水TDS变化 Fig. 9 Changes in diversion and drainage and TDS of groundwater in the study area from 1999 to 2017

4 结论

(1) 永济灌域地下水中Na++K+和Cl-具有较高空间变异性, 是随环境因素变化的敏感因子, 也是决定地下水盐化的主要变量.地下水水化学类型以Cl-Na、HCO3-Na和HCO3·Cl·SO4-Na型为主.

(2) 通过聚类热点分析, 该区域地下水分为4类(A1、A2、B1和B2):A1类地下水主要分布在研究区北部地下水径流的聚集带, 为高矿化度Cl-Na型水; A2类分布在市区, 地下水开采程度大; B类地下水主要分布在灌域的径流区, 农业化程度高. A2、B1和B2类地下水离子浓度变化相似, 具有相似的离子来源, 水化学类型主要为HCO3·Cl·SO4-Na、HCO3-Na型水.

(3) 采用因子分析, 识别出地下水化学受到“盐化”作用(方差贡献率为45.976%)、碳酸盐岩溶解作用(方差贡献率为23.853%)和人类活动(地下水开采和污水排放, 方差贡献率为16.678%)等因素的影响.其中A1类地下水主要受“盐化”作用影响, A2、B1和B2类地下水受混合作用的影响.

(4) 自然条件下, 研究区地下水主要控制因素为蒸发结晶作用和岩石溶滤作用, 其中蒸发盐岩溶解和阳离子交换作用是研究区Na+和Cl-积聚的重要来源.农业灌溉(对土壤盐分的淋洗)和干旱(蒸腾蒸发强烈)是水环境趋于盐化的重要原因.

参考文献
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