內蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域地下水水質與硝態(tài)氮時空變化研究

屈忠義,林雪松,馮兆忠,李 茂,王長生,曹 明

(1.內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院,內蒙古呼和浩特 010018;2.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085;3.內蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域管理局,內蒙古陜壩 015400)

中國水污染的核心問題是水體的氮、磷富營養(yǎng)化,大部分水體污染的主要原因是農業(yè)面源污染[1]。河套灌區(qū)是中國三大灌區(qū)之一,土壤鹽堿化嚴重。由于灌區(qū)長期形成大水漫灌的習慣,加上大量使用化學氮肥,導致大量的氮肥損失,尤其是NO3-N淋失導致的地下水面源污染特別嚴重[2]。雖然關于河套灌區(qū)農田氮淋失狀況也有一些較為深入的研究[2-6],但這些研究主要集中在小區(qū)試驗監(jiān)測,對農田灌溉引起水體氮污染的時空變化趨勢研究較少。特別是隨著河套灌區(qū)近幾年來節(jié)水工程的實施和引黃水量的控制,以及灌區(qū)管理水平的提高,對于灌區(qū)節(jié)水工程改造及灌區(qū)引水量下降對區(qū)域地下水氮肥淋失造成地下水污染的影響研究顯得較為薄弱。硝態(tài)氮是旱地農田土壤無機氮存在的主要形態(tài)[6],在農田施入的氮素除被作物吸收外,一部分以NO3-N的形式儲存于土壤中,在降雨或灌溉時淋至土壤深層,導致地下水污染。其污染方式大致有2種:一種是點源污染,另一種是面源污染。點源污染已經有了定論,面源污染問題仍處于爭論之中。近年來,國內外開展了許多農田硝態(tài)氮淋失的研究工作[7-11],這些工作著重于對NO3-N淋失的環(huán)境影響評價,或者對氮肥施入土壤后的轉化過程研究和肥料利用率的計算,或者針對水氮耦合的運移進行模擬。對于河套灌區(qū)農田氮素淋失引起的硝態(tài)氮地下水污染狀況的研究,筆者曾經在2003年對其進行了污染狀況評價,該評價只采用了2003年的實驗數據,僅僅從污染程度上進行了總體評價,沒有對空間污染狀況進行分析,也沒有在時間變化趨勢上做進一步的跟蹤監(jiān)測。2003年以來,河套灌區(qū)連續(xù)投入大量資金進行了節(jié)水工程改造,解放閘灌域的干渠、分干渠及支斗渠都不同程度地進行了節(jié)水工程配套,節(jié)水工程覆蓋率已經達到灌區(qū)的40%左右,灌區(qū)的引水量也較多年平均值有明顯減少,地下水位也呈下降趨勢,評價灌區(qū)節(jié)水改造后區(qū)域農田氮污染狀況對于評價節(jié)水工程的環(huán)境、生態(tài)效益具有十分重要的意義。在2003年監(jiān)測結果的基礎上,筆者于2008年對灌區(qū)的地下水污染狀況進行取樣分析,并應用ArcGIS軟件分析了不同年份相同時期灌域內農田硝態(tài)氮淋失空間變化以及分布狀況,以期為該地區(qū)水環(huán)境的保護、治理及節(jié)水工程改造后的環(huán)境效應評價提供參考依據。

1 試驗方法

1.1 研究區(qū)基本情況

河套灌區(qū)解放閘灌域位于河套灌區(qū)上游,南北長約87km,東西寬約78km,呈三角形狀,地形是西南高、東北低,海拔高度為1032～1035m。灌域總面積為2.304×105hm2,灌溉面積為1.421×105hm2,其中耕地為1.22×105hm2。灌域屬中溫帶高原氣候型、大陸性氣候特征。風大雨少,氣候干燥,蒸發(fā)量大,無霜期短,日照時間長,年均日照時數為3181h,多年平均無霜期為130d。灌域多年平均地下水埋深1.72m,年平均降水138.2mm,年平均蒸發(fā)量為2096.4mm,年平均風速為2～3m/s,是典型的無灌溉即無農業(yè)的地區(qū),多年平均引水量在13億m3左右,多年平均排水量在2億m3左右。灌域內設有地下水日常觀測井57眼,其中有27眼同步觀測地下水水質。灌域內有干渠 3條、分干渠 16條,全長263km。從2000年開始,河套灌區(qū)陸續(xù)開始實行大型灌區(qū)節(jié)水工程改造,減少引黃水量,推行節(jié)水灌溉制度等措施,灌區(qū)農田水環(huán)境因此發(fā)生了一系列的變化,筆者把這個變化階段前后人為地定義為節(jié)水工程實施前后。

1.2 試驗內容與測定方法

地下水采樣點為解放閘灌域的27眼地下水井,測點遍布整個灌域,基本屬于平均分布。采樣時間分別為 2003年的3月、5月、7月、9月與 2008年的3月、5月、7月、9月,采樣點位置均用GPS定位,取回的水樣用密封袋密封保存于冰箱內,并在24h內將取得的樣品測定完畢。水樣測定內容為硝態(tài)氮質量濃度,測定方法為紫外分光光度法。地下水礦化度測定方法為質量法。解放閘灌域地下水水質監(jiān)測點分布見圖1。

圖1 解放閘灌域地下水水質監(jiān)測點分布

1.3 反距離加權插值方法

根據解放閘灌域27個地下水井點測得的數據進行空間插值,獲得不同年份相同時期的地下水硝態(tài)氮濃度空間分布情況。文中所用的反距離加權(IDW,inverse distance weighted)插值法是近年來廣泛應用于空間插值的一種方法[12],該方法基于相近似的原理:物體離得越近,它們的性質就越相似;反之,離得越遠則相似性越小。該方法以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均,離插值點越近的樣本點賦予的權重越大。該方法可由ARCGIS9.0中的插值工具模塊實現。

確定權重的計算公式為式中:P為指數值;di0為預測點s0與各已知樣點si之間的距離。

樣點在預測點值的計算過程中所占權重的大小受參數P的影響,也就是說,隨著采樣點與預測點之間距離的增加,標準樣點對預測點影響的權重按指數規(guī)律減少。在預測過程中,各樣點值對預測點值作用的權重大小是成比例的,這些權重值的總和為1。

2 結果與討論

2.1 節(jié)水灌溉前后引水量變化對比分析

由于硝態(tài)氮的淋洗與灌水量密切相關,通過2002年、2003年、2007與2008年解放閘灌域的引水量(表1)可以看出,2002～2008年間,引水量呈整體減小趨勢,2008年的全年灌水量比2002年減少9%,說明節(jié)水改造項目實施后灌區(qū)節(jié)水效果較為明顯。

表1 河套灌區(qū)解放閘灌域節(jié)水灌溉前后引水量對照 萬m3

2.2 節(jié)水灌溉前后地下水埋深及其水質變化分析

2.2.1地下水埋深變化

河套灌區(qū)的地下水埋深與引水量有密切關系,長期以來由于過量引水,灌區(qū)地下水埋深一直處于較高水平,導致灌區(qū)鹽漬化問題較為突出。隨著節(jié)水改造工程的實施和節(jié)水灌溉技術的推廣,灌區(qū)內年引水量逐年減少,地下水位也隨之有了明顯的下降,由表2可以看出地下水埋深由 2002年年均1.64m下降到2008年的1.99m,地下水位平均下降了0.35m,比多年平均地下水位(1998～2008年)下降了0.14m。在作物生育期內地下水埋深也有了不同程度的下降,表明河套灌區(qū)節(jié)水工程實施后,由于引水量減少,降低了地下水位,對于控制灌區(qū)土壤鹽漬化起到了積極作用。

表2 河套灌區(qū)解放閘灌域節(jié)水灌溉前后地下水位變化對照 m

2.2.2地下水礦化度變化

地下水礦化度是衡量地下水水質的一項重要指標。河套灌區(qū)地下水礦化度大于3000mg/L的面積幾乎布滿了整個灌域,通過節(jié)水前后地下水水質的對比發(fā)現,灌區(qū)地下水水質呈現好轉趨勢。從表3中可以看出,2008年地下水礦化度較2003年平均降低了21.4%。河套灌區(qū)的淺層地下水基本上是農田灌溉經由土壤耕作層下滲到地下水表層。灌區(qū)土壤鹽漬化程度高,土壤中的鹽分由于灌溉被淋洗到地下水表層。節(jié)水改造工程使得灌區(qū)引水量減少,地下水礦化度降低,關于此需要進一步深入研究。

表3 河套灌區(qū)解放閘灌域節(jié)水灌溉前后地下水質礦化度變化對照 mg/L

2.3 區(qū)域硝態(tài)氮時空變化分析

利用反距離加權法,對2003年和2008年的硝態(tài)氮監(jiān)測結果進行空間插值分析,并將不同濃度硝態(tài)氮所占的面積進行對比分析,從圖2及表4可以看出:在2003年間,夏灌前解放閘灌域地下水硝態(tài)氮質量濃度大于10 mg/L的面積占灌域總面積的9.95%,全年所測得的4次硝態(tài)氮質量濃度總平均值大于10 mg/L的面積占灌域總面積的9.02%;2008年3月硝態(tài)氮質量濃度大于10mg/L的面積占灌域總面積的5.22%,全年平均值大于10mg/L的面積占灌域總面積的5.20%。而2003年與2008年所測得的硝態(tài)氮質量濃度大于10mg/L的面積占灌域總面積的比例均超過5%,由此可以看出,解放閘從2003年到2008年地下水重度污染的面積大幅度減少,雖然河套灌區(qū)解放閘灌域近些年地下水的硝態(tài)氮污染不容樂觀,但是隨著節(jié)水工程的實施及引水量的減少,加之灌區(qū)管理水平的提高,灌域內地下水硝態(tài)氮污染狀況有較為明顯的緩解,說明實行節(jié)水工程改造和節(jié)水灌溉對于改善河套灌區(qū)水環(huán)境狀況具有積極的作用。

圖2 河套灌區(qū)解放閘灌域節(jié)水灌溉前后地下水硝態(tài)氮時空分布

4 結 論

通過對河套灌區(qū)解放閘灌域節(jié)水工程實施前后的區(qū)域地下水硝態(tài)氮污染的監(jiān)測和時空分布分析評價,得出以下主要結論:

a.近年來節(jié)水工程改造及引黃水量的減少導致地下水位下降,對控制土壤鹽漬化有明顯作用。地下水礦化度有所下降,但難以進行機理解釋,需要進一步深入研究。

b.節(jié)水灌溉工程實施幾年內,灌區(qū)硝態(tài)氮淋失得到緩解,地下水硝態(tài)氮質量濃度總體呈下降趨勢,地下水污染狀況呈現減輕趨勢。節(jié)水灌溉的實施對減少河套灌區(qū)的硝態(tài)氮淋失和地下水污染具有積極的改善作用,特別是由于秋澆水量的減少,地下水對硝態(tài)氮淋失污染具有明顯的作用,隨著人們節(jié)水意識的增強,加之科學的施肥,未來河套灌區(qū)的硝態(tài)氮淋失污染問題有望得到控制。

表4 不同年份相同時期解放閘灌域不同質量濃度硝態(tài)氮所占面積對比

c.節(jié)水灌溉工程實施后,對灌區(qū)地下水環(huán)境的影響是直接的、明顯的,但作為農業(yè)生產基礎載體的土壤地下水環(huán)境變化,是受多種因素綜合影響的。除一定生產力條件下的人為因素外,土地類型、地形地貌及不同水文年型的氣象等自然因素,無不對地下水環(huán)境產生影響。因此,較長時間系列的研究節(jié)水灌溉實施引起的地下水硝態(tài)氮及殺蟲劑、磷的污染狀況變化,是今后研究需要繼續(xù)關注的問題。

致謝:在項目實施過程中得到了河套灌區(qū)沙壕渠灌溉試驗站有關人員的大力支持,在此表示衷心感謝！

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