湔江沖洪積扇地下水氮分布特征及灌溉用水適宜性評價

唐金平，胡 漾，張 強，何文君，朱志強，牛佚凡

(1. 成都理工大學，成都 610059；2. 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059; 3. 山西華晉巖土工程勘察有限公司，太原 030021)

0 引 言

湔江沖洪積扇位于成都平原西緣山前地帶，是成都平原8個中、大型沖洪積扇之一[5]。近年來，湔江沖洪積扇區域內農業、工業發展迅速，迅猛的經濟發展對地下水的需求日益增加，也意味著人類活動對地下水的影響愈加強烈。本文通過采集研究區內地下水化學樣品，對地下水中“三氮”的空間分布特征進行研究，并對其進行飲用水水質與灌溉水質評價，為成都平原山前沖洪積扇群，尤其是湔江沖洪積扇區域內的地下水資源開發與保護提供科學依據。

1 研究區概況

湔江發源于彭州市龍門山脈太子城峰西南側紅龍池與乾龍池，是沱江3大源頭之一。湔江自西北向東南流向，于彭州市穿越龍門山，而后在丹景山鎮進入成都平原，全長約139 km。湔江沖洪積扇位于成都平原西北部，自西北向南東傾斜，面積約270 km2，與岷江沖洪積扇、南江沖洪積扇等8個中、大型山前沖洪積扇相互疊加組成成都平原山前沖洪積扇群。

研究區地下水的主要補給來源為大氣降水入滲、農業灌溉水入滲、鄰近河渠水入滲以及湔江河谷砂礫石地下徑流入滲等。地下水的徑流受地形條件控制作用明顯，由山前向東南方向徑流，局部受人為開采活動影響而發生偏轉。地下水的排泄在扇頂與扇中部位以人工開采與向下游徑流排泄，扇緣區域以人工開采、泉水出露與蒸發等方式排泄。

研究區內廣泛分布村鎮，土地類型以農業用地為主，零星分布一些以石油化工場地為代表的工礦企業。地表水系有新開河、新安河支渠、十河子、蒙埝河、馬牧河、小石河、鴨子河。

研究區地下水埋深為0～20.5 m，地下水開采利用主要為農戶分散型淺井開采，村鎮集中供水式開采較少，僅隆豐鎮與丹景山鎮2處集中式開采。分散式開采深度多為5～16 m，少量達23.5～45 m，集中式開采深度為22～60 m。故本次地下水研究對象均為湔江沖洪積扇區域上部潛水。

2 數據與方法

2.1 數據來源

研究小組于2018年5月對湔江沖洪積扇區地下水進行野外采集，取樣點分布見圖1。地下水均來自研究區內農業灌溉井與居民飲用水井，采樣層位均為上部潛水含水層，共采集地下水樣30組。水樣均使用0.45 μm微孔濾膜過濾后現場封裝并冷藏，在24 h內送至實驗室完成檢測。檢測方法均按照國家飲用水水質及相關標準。分析結果的準確性使用Aquachem計算離子平衡誤差進行驗證，分析結果誤差小于5%。

圖1 研究區概況及取樣分布圖Fig.1 Overview of the study area and sampling distribution

2.2 生活飲用水水質評價方法

研究區內淺層地下水是當地居民生活飲用主要的來源，地下水的質量對當地居民的生活生產與健康狀況影響顯著。本文采用基于貝葉斯理論的地下水質量評價方法[6]對研究區地下水進行綜合評價。貝葉斯評價方法能夠綜合各指標對地下水的影響，給出一個更為合理地評價結果，由于其簡單高效且結果準確合理的特點，已有較多的使用[7,8]。地下水各指標的評價標準值依據《地下水質量標準(GB/T 14848-2017)》以及文獻[9]的方法確定。評價方法如下：

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式中：G為最終評價等級；xi為水質檢測因子(i=1，2，…，n)；yij為檢測因子i的評價類型(j=1，2，…，5)；wi為評價因子對應的權重，采用超標倍數法計算獲得。

在缺少評價對象的先驗信息的情況下將先驗概率P(yi1)視為相等(P(yi1)=…=P(yi5)=0.2)。

2.3 灌溉適宜性評價方法

鈉吸附比(SAR)引自美國農業部[10]，能夠反映地下水中鈉離子與土壤組分發生交替吸附作用的相對活度，對地下水的堿化能力具有較好的指示作用。SAR值越高，說明堿化能力越強。

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同理，鈉百分比也是評估農業灌溉適宜性的常用方法[11]。

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Szaboles和Darab提出了鎂危害(MH)，以評估農業灌溉用水的適用性[12]。當灌溉水中Mg2+含量達到某一水平時，土壤中可能發生鎂堿化作用，從而影響土壤結構，對作物產生毒害作用。

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3 結果與分析

3.1 氮含量及空間分布特征

表1 地下水“三氮”含量描述性統計Tab.1 Descriptive statistics of groundwater “trinitrogen” content

圖2 “三氮”含量空間分布Fig.2 Spatial distribution of the “trinitrogen” content

3.2 飲用水水質評價與分析

選取氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、CODMn、總大腸菌群、鈉、鐵、錳、總硬度、硫酸鹽、氯化物、溶解性總固體等12項指標作為評價指標。利用貝葉斯水質評價模型獲得的結果見表2。可以看出湔江沖洪積扇區域內地下水水質狀況均較好，均符合飲用水標準。其中，多數為Ⅱ、Ⅲ類水，分別占樣本總數的37%、53%，Ⅰ類水占樣本的 10 %，無Ⅳ類與Ⅴ類水。利用克里金插值法[15]繪制研究區水質評價分區示意圖(見圖3)，地下水呈現出扇中優于扇頂與扇緣的趨勢。

單指標評價方法能夠直接觀察到地下水中各項指標的情況，對單項指標的評價具有積極的意義，同時能夠為綜合評價結果提供借鑒。由表3可知，研究區內地下水中部分區域存在總大腸桿菌群超標的現象，其原因是當地農牧業活動與牲畜排泄物對淺層地下水造成污染。同時地下水中“三氮”的含量也較高，亦與人類活動密切相關(化肥、農藥與牲畜排泄物等)。總體而言，研究區內地下水水質狀況較好，得益于沖洪積扇獨特的含水層結構與快速的循環更替，為湔江沖洪積扇區域內生產生活提供了水資源基礎。

表2 地下水水質綜合評價結果Tab.2 Results of comprehensive evaluation of groundwater quality

圖3 湔江沖洪積扇地下水水質等級分區Fig.3 Groundwater quality grade division of the Jianjiang alluvial fan

表3 單指標水質評價結果Tab.3 Single indicator water quality evaluation

3.3 灌溉水適宜性評價

鹽度(EC)[16,17]對土壤堿化與農作物的生長有著顯著的影響，當用高鹽度的地下水進行灌溉時，會導致土壤硬化，抑制作物的生長。研究區內地下水EC值為315.22～1 429.79 μS/cm，計算的SAR值為0.34～1.26。為更直觀地對灌溉水質進行了解，引用美國鹽度實驗室(USSL)灌溉用水分類圖[10,18]，見圖4。研究區內90%的地下水樣處于低SAR中鹽度的水平，10%的地下水樣處于低SAR高鹽度的水平。同時，反映鹽度與鈉百分比的Wilcox圖[19](見圖5)顯示，研究區內地下水90%的地下水樣屬于非常適合灌溉的類別，10%的地下水屬于適合灌溉類別。

圖4 研究區地下水灌溉水質USSL分類圖Fig.4 USSL classification of groundwater irrigation water quality in the study area

圖5 研究區地下水灌溉水質Wilcox圖Fig.5 Wilcox plot of groundwater irrigation water quality in the study area

一般情況下，鎂離子與鈉離子發生交換，當灌溉水中的鎂離子超過一定限度時，將可能導致土壤的鎂堿化效應，破壞土壤結構，因此鎂危害作用也是灌溉水質評價的重要指標[20]。當MH>50%時，地下水則不適合灌溉(見表4)。研究區內地下水MH指數為10.55%～38.92%，說明適用于農業灌溉。滲透率指數(PI)值為32.03%～62.14%，在Doneen圖[13]上繪制的PI計算值表明，所有的地下水樣本均屬于Ⅰ類(見圖6)，即土壤的滲透率100%。

表4 不同分級標準的地下水灌溉適宜性Tab.4 Suitability of groundwater for irrigation based on several classification

圖6 研究區地下水灌溉水質Doneen圖Fig.6 Doneen diagram of groundwater irrigation water quality in the study area

4 結 論

(2)湔江沖洪積扇地下水“三氮”含量均具有明顯的空間變異性。沖洪積扇北部區域“三氮”含量明顯高于南部區域，反映當地人類活動的區域性差異，北部區域工農業活動更為顯著。

(3)基于貝葉斯的綜合水質評價結果表明湔江沖洪積扇地下水均符合飲用水標準，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水分別占樣本總數的10%、37%、53%。根據鹽度(EC)、SAR、鈉百分比、MH與滲透率指數(PI)等，研究區地下水均適用于農業灌溉，但部分水樣存在總大腸桿菌群與硝酸鹽超標的問題，應引起關注。

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