四川省簡陽市地下水水化學特征及灌溉適宜性

張志強, 張 強, 劉超飛, 王超月, 付曉剛, 閆佰忠

(1.河北地質大學, 河北 石家莊 050031; 2.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室, 四川 成都 610059; 3.河北省水資源可持續利用與開發重點實驗室, 河北石家莊 050031; 4.河北省水資源可持續利用與產業結構優化協同創新中心, 河北 石家莊 050031)

地下水是重要的供水水源，尤其是在我國西南紅層干旱區，水資源供需矛盾十分突出[1]。地下水水質的優劣直接制約著人們的生產生活，地下水中各離子組分的含量及分布特征是影響地下水水質的主要因素[2]。對地下水水化學特征的研究，能夠了解地下水水質面貌、形成機制及演化規律，國內外專家學者在此方面已開展了大量的研究工作[3-7]。在了解地下水水化學特征的基礎上，探索有效的研究方法合理評價地下水資源，以指導農業生產活動，是目前地下水環境研究亟待解決的問題。Giridharan等[8]通過分析印度Cooum河地區地下水中主要離子成分，發現地下水水質主要受到碳酸鹽、硅酸鹽礦物的溶解及離子交換作用控制，并分別利用鈉吸附比(SAR)、殘余性碳酸鈉(RSC)等單項指標分析了研究區地下水用于農業灌溉的適宜性。Varol等[9]利用R型因子分析研究了土耳其Tefenni平原地區地下水水化學成分形成過程中所發生的水巖相互作用，并通過比較豐水期與枯水期Na%的變化規律，發現枯水期地下水水質更不利于農業灌溉。Zouahri等[10]利用USSL分類法研究發現，摩洛哥西北部地區地下水灌溉產生土壤鹽害的風險較高，而產生土壤堿害的風險較低。何錦等[11]利用電導率(EC)、鈉吸附比(SAR)等指標證實了滄州地區微咸水灌溉是土壤鹽害和堿害發生的主要原因。此外，涉及灌溉水質評價的研究方法還有Wilcox分類法[12]、鹽度與堿度法[13]、灌溉系數法等。多數研究方法都是利用單項指標分別對鹽害和堿害風險進行評估，評價結果缺乏整體性、綜合性。四川省簡陽市作為我國西南紅層干旱缺水地區的典型代表[14]。地下水資源是農業生產重要的供水水源。受巖性、地貌、氣候及古沉積環境等因素影響，該區地下水礦化度由淺至深逐漸升高，呈現出明顯的垂直分帶現象。本文在闡明地下水水化學特征的基礎上，綜合多種評價指標(TDS，SAR，Na%，Cl-，Ka)，利用基于熵權的模糊物元方法來研究地下水在農業灌溉中的適宜性，以獲得更加綜合的評價結果，為該區合理、科學的開發優質地下水資源提供理論依據。

1 研究區概況

1.1 自然地理概況

簡陽市位于四川盆地中部，西側為龍泉山脈，沱江自北向南貫穿全區。地理坐標：104°11′56″—104°54′16″E，30°5′41″—30°38′57″N。研究區地貌以淺丘為主，其次為低山和河壩沖積平原，丘陵約占總面積的88%。沱江自北向南流經全境，將境內丘陵分割為東西兩部分。東部丘陵以中丘中谷、深丘中谷為主，兼有淺丘寬谷，地勢由北向南傾斜，海拔400～580 m。西部丘陵以淺丘寬谷為主，兼有部分緩丘河壩和中丘中谷，地勢由西北向東南傾斜，海拔369～500 m。西北轄有龍泉山脈中段的一部分山區。研究區屬中亞熱帶濕潤氣候，四季分明，雨量充沛，年平均降水量為836 mm，研究區年平均氣溫在17 ℃左右。

1.2 地質及水文地質條件

2 資料與方法

2.1 數據來源

根據研究區村莊、農田分布狀況，以及地形地貌、地層巖性等因素，于2015年6月選取36組鉆孔與水井水樣進行分析測試，水質指標的檢測由中國建筑西南勘察設計研究院有限公司巖土試驗中心完成，測試方法按照國家相關標準。其中水樣S1—S30取樣深度3—17 m，水樣D1—D6取樣深度24—58 m，本次研究中將S1—S30與D1—D6分別定義為淺表層與中深層地下水水樣(圖1)。

圖1 研究區取樣點分布

2.2 水化學特征研究方法

Gibbs[15]通過分析全球水化學數據，認為影響水化學成分形成的主要因素包括巖石風化、大氣降水和蒸發結晶。本次研究采用Gibbs圖，確定控制研究區地下水水化學成分形成的主要因素。然后利用離子比值關系詳細分析水化學成分形成過程中所發生的水文地球化學作用。

2.3 灌溉水質評價方法

目前，國內外專家、學者對灌溉水水質評價已做了大量的研究工作，提出了多種研究方法，主要包括單因子評價法、數理統計法、Wilcox圖解及USSL圖解法等[16-18]。一般僅涉及一種或兩種指標，所得結果難以全面反映灌溉水水質的整體狀況，為了能夠綜合反映灌溉水水質的總體質量，本研究綜合多項灌溉水質評價指標，利用模糊物元評價方法，并結合熵值法所確定的權重系數，對研究區淺表層與中深層地下水灌溉適宜性進行分析，以揭示研究區灌溉水水質的整體狀況。

2.3.1 評價指標 鈉吸附比(sodium adsorption ratio， SAR)是指示灌溉水或土壤溶液中鈉離子含量的重要參數，也是衡量灌溉水體引起土壤堿化程度的重要指標[19]。SAR值越高，土壤吸附Na+的能力越強，從而破壞土壤結構團粒結構，使土壤滲透性變差，導水能力也隨之降低[20-21]，其計算公式為：

(1)

式中，所有離子單位均為meq/L。

灌溉系數Ka是指土層上有某一水層，全部蒸發后留下的鹽類，能使1.2 m土層積鹽，使大多數作物不能生長，這個水層厚度即為灌溉系數[22]。它是根據堿類對40種作物的最大危害以及鈉鹽的相對危害性的試驗中得出來的。灌溉系數Ka是根據鈉離子與氯離子、硫酸根的相對含量來評價灌溉水體水質的，但其忽略了全鹽的作用。其計算公式為：

(2)

當地下水中Na+含量較高時，地下水中Na+會交換黏土顆粒吸附的Ca2+和Mg2+，導致土壤滲透性降低，導致土壤水分運移受阻，影響作物生長[23-24]。Na%可以用來衡量灌溉水體引起土壤堿害的風險大小，Na%值越大，引起土壤堿害的風險性越大。其計算公式為：

(3)

綜合選取水樣總礦化度TDS、鈉吸附比SAR、易溶性鈉百分比Na%、灌溉系數Ka及Cl-作為灌溉水質評價指標[25-26]，將灌溉水體水質由好到差分別定義為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ級4個等級。由于低優指標(TDS，SAR，Na%,Cl-)與高優指標(Ka)共存，因此需要對Ka取倒數進行歸一化處理(表1)。

表1 研究區灌溉水質評價標準及歸一化后分級標準

2.3.2 基于熵權的模糊物元評價模型 在物元分析中所描述的事物M及其特征C和量值c組成物元R=(M,C,x)。其中，量值x具有模糊性，稱其為模糊物元。若事物M有n個特征c1,c2,…,cn及其相應的量值x1,x2,…,xn，則R稱為n維模糊物元[27-28]。若m個事物的n維物元組合在一起便構成m個事物的n維復合模糊物元Rmn。記作：

(4)

式中：Rmn——m個事物的n個評價指標的復合物元；Mi——第i個事物(i=1,2,…,m)；Ck——第k個特征(k=1,2,…,n)；xik——第i個事物第k項特征對應的模糊量值。

模型的建立過程如下：

(1) 構建復合模糊物元。對36個監測數據和4級標準建立40個樣品5個指標的復合模糊物元Rmn。

(2) 根據越大越優原則(γik/xik/maxxik)，構建從優隸屬度模糊物元Rmn′[29-30]。

(5)

式中：γik——從優隸屬度；xik——第i個事物第k項特征對應的模糊量值； maxxik——各事物中每一項特征所有量值xik中的最大值。

(3) 根據標準模糊物元Rs和從優隸屬度模糊物元Rmn′構建差平方模糊復合物元RΔ。標準模糊物元是從優隸屬度模糊物元Rmn′中的最大值或最小值，本文以最大為最優，因此各指標的標準模糊物元均為1。

若Δij(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)表示標準模糊物元與復合從優隸屬度模糊物元Rmn′中的各項差的平方，則組成差平方復合模糊物元RΔ，其中Δij=(γ0j-γij)2，(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)，則

(6)

(4) 確定歸一化判斷矩陣。建立m個事物n個評價指標的判斷矩陣B=(xij)mn(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)，并做歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣B′

(7)

式中：xmax,xmin——同指標不同事物中的最滿意者或者最不滿意者。

(5) 計算各指標的熵Hi與熵權W[31]:

(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)

(8)

定義了第i個評價指標的熵之后，可得到第i個評價指標的熵權定義W=(ωi)1×n

(6) 計算貼近度ρHj。貼近度是指被評價樣品與標準樣品之間的相互接近程度，其值越大表示兩者越接近，反之則相離較遠[32]。本文采用歐氏貼近度ρHj作為評價標準，從而建立貼近度復合模糊物元RρH

(9)

3 結果與討論

3.1 地下水水化學特征

3.1.2 礦化度 地下水總礦化度(TDS)是指地下水中所含有的各種離子、分子以及化合物的總量，是區分地下咸水、淡水的重要依據。由圖2可以看出，地下水取樣深度<20 m時，其礦化度較低，一般在500～1 000 mg/L，當取樣深度>20 m時，地下水礦化度取樣深度的增大逐漸升高，最高達到2 800 mg/L。其原因，一方面是交替緩慢的中深層地下水，不斷溶慮砂泥巖地層中鈣芒硝結核及薄層石膏，另一方面，是由于深部位微承壓性鹽鹵水向上越流，發生混合作用所致。

表2 研究區地下水水化學組分統計特征值 mg/L

圖2 研究區地下水礦化度隨取樣深度變化

3.1.3 水化學類型 根據淺表層與中深層地下水中主要離子組分含量，繪制Piper圖，由圖3可以看出，淺表層地下水水樣中堿土金屬離子含量高于堿金屬離子，而在中深層地下水中，部分水樣的堿金屬離子含量高于堿土金屬離子，說明研究區地下水由淺表層至中深層，地下水優勢陽離子逐漸由Ca2++Mg2+轉化為K++Na+。由Piper圖還可以看出，淺表層地下水水化學類型主要為HCO3-Ca，HCO3-Ca·Mg型，中深層地下水水化學類型主要為HCO3-Na·Ca，HCO3·SO4-Ca·Mg，SO4-Na·Ca型，由淺表層至中深層，地下水水化學類型發生明顯變化。

3.2 水文地球化學作用

由Gibbs分布圖(圖4)可以看出，影響淺表層與中深層地下水水化學成分的主要因素是巖石風化作用，但中深層地下水水化學成分更趨向于海水的特性，這說明中深層地下水受到源于海相沉積的深層鹵水的混合作用影響。

圖3 研究區淺表層與中深層地下水水樣Piper圖(%)

圖4 研究區地下水水化學控制機制

圖5 研究區主要離子成分比值關系

3.3 綜合評價結果分析

根據研究區灌溉水體水質評價指標(TDS，SAR，Na%，Cl-，Ka)，對36個監測點(淺表層、中深層)和分級標準建立40個樣品5個指標的復合模糊物元，結合熵值法確定的各指標權重系數，計算得到各水樣(淺表層、中深層)的貼近度，并與灌溉水質標準的貼近度進行比較，劃分各水樣的灌溉水質級別(表3)。由表3可知，從主要離子組分含量角度分析，簡陽地區所有淺表層地下水屬于Ⅰ級水，水質良好，適宜用做灌溉水源。50%的中深層地下水屬于Ⅱ級水，水質一般，易造成土壤鹽堿災害，不宜長期用于農業灌溉。綜合分析淺表層與中深層地下水評價結果，可看出簡陽地區地下水水質由淺至深逐漸變差，淺表層地下水較中深層更適于農業灌溉，農業水資源利用適宜淺井開采。

表3 研究區各樣本貼近度與評價結果表

4 結 論

簡陽地區是川中紅層干旱區的典型代表，川中紅層區地下水水化學特征呈現明顯的垂直分帶現象。本文以簡陽地區為例，系統分析了其地下水水化學特征及形成機制，并在此基礎上對其淺表層與中深層地下水進行灌溉適宜性評價。

(1) 研究區地下水礦化度隨深度增加而明顯升高，淺表層主要分布淡水，中深層主要為微咸水。由淺至深，地下水水化學類型也發生明顯變化，淺表層地下水主要為HCO3-Ca，HCO3-Ca·Mg型，中深層主要為HCO3-Na·Ca，HCO3·SO4-Ca·Mg，SO4-Na·Ca型。

(2) Gibbs圖揭示了控制淺表層與中深層地下水水化學成分的主要因素是巖石風化作用。主要離子比值關系揭示了淺表層與中深層地下水水化學成分受到巖鹽、方解石、石膏、硅酸鹽礦物的溶解及陽離子交替吸附作用的影響。部分淺表層地下水受人類活動影響比較明顯；中深層地下水受深層鹽鹵水越流混合作用影響較明顯。

(3) 水質綜合評價結果顯示，淺表層地下水水質良好，適宜用做灌溉水源，由淺至深，地下水水質逐漸變差，中深層地下水不宜長期用于農業灌溉。