暴雨對引黃灌區土壤與地下水環境影響研究

李平 張彥 梁志杰 劉鐸 黃仲冬 齊學斌 李中生

摘要：為了客觀評估特大暴雨對人民勝利渠灌區土壤與地下水的環境效應，跟蹤研究了2016年7月9-20日特大暴雨降雨過程，分析了暴雨作用下人民勝利渠灌區典型區域土壤鹽分及地下水化學組成的演變特征。結果表明：與暴雨前相比，暴雨驅動了80 cm以上根層土壤脫鹽，0-10、10-20、20-30 cm土層土壤鹽分下降明顯，分別較暴雨前降低了63.74%、68. 20%、33.41%;典型區域暴雨后0-20 cm根層土壤鹽分均值為0.187 9 mS/cm;區域地下水埋深較暴雨前上升了0.18 m.區域地下水陽離子水文化學相的分類類型由暴雨前的鈣一鈉型轉化為暴雨后的鈉一鈣型，區域地下水總溶解性固體含量較暴雨前增加了24.95%，達到1 315.09 mg/L，區域地下水鈉吸附比較暴雨前增加了54.05%.達到32.94。暴雨驅動了根層土壤鹽分向下淋溶，導致0- 100 cm根層土壤鹽分呈現“扁平化”分布，由暴雨產生的淋溶補給加劇了地下水作為灌溉水的堿化危害風險。

關鍵詞：暴雨;井渠結合灌區;土壤脫鹽率;水化學待征;鈉吸附比

中圖分類號：X523;TV211.1+2

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2020.01.013

隨著全球氣候變暖的持續發展，增溫背景下極端氣候事件出現的頻率顯著增大，如夏季高溫、暴雨等[1]。近十多年極端氣候事件造成的直接經濟損失呈指數上升趨勢，極端氣候事件對生態環境的影響及危害更加嚴峻[2-3].暴雨產生的地表徑流及對地下水補給引起的災害風險評估、水土流失、面源污染和淺層地下水污染等日益受到關注[4-7]。人民勝利渠灌區地處黃淮海平原中西部，屬溫帶大陸性季風氣候區，春季缺水、干旱，蒸發強烈，夏季多雨瀝澇嚴重。賈大林等[8]關于黃淮海平原水鹽均衡的研究表明，水分支出的25.7%為人海量，大部分以蒸散的形式消耗，假定雨水和引黃水含鹽量分別為0.004%、0.040%，則每年有近0.4億t鹽累積在黃淮海平原中，旱澇和鹽堿已成為制約黃淮海平原農業可持續發展的主要因子之一。目前關于不同灌排管理措施、灌溉方式及農藝措施等土壤水鹽運移規律[9-11]，暴雨徑流對地表水水質影響[12].硬化下墊面暴雨徑流特征[13]等方面的研究較多，而對于暴雨，尤其是特大暴雨對根層土壤鹽分淋洗及地下水化學特征影響的研究尚不多見。

河南省人民勝利渠灌區自1952年開始引黃灌溉.20世紀50年代末，灌區“大引、大蓄、大灌”模式導致地下水水位急劇抬升，地下水水位埋深平均值從1952年的3.0 m抬升至1960年的1.3 m，誘發大面積耕地次生鹽漬化，1961年大約1.88萬hm2耕地受到不同程度鹽堿化的危害[14]。20世紀60年代初至80年代末，井灌渠補、渠井并用等措施的聯合運用，在提高供水保證率和灌溉水利用效率的同時，通過調整引黃水與地下水的用水比例調控灌區地下水水位[15]，灌區鹽堿化問題基本得到根治，灌區地下水水位埋深控制在2.0 m以下[16-17]。20世紀90年代以來，該區年平均降水量僅為550 mm.受全球氣候變化影響，以0.8 mm/a的速度下降。近年來隨著中國經濟的快速發展，該區域用水需求大幅增加，農業用水被嚴重擠占，近Sa渠灌水量僅為多年均值的75.52%。為了滿足農業的正常生產，增加地下水利用成為主要解決途徑之一，地下水堿化[18]、表層土壤積鹽等影響灌區生態環境[19]的問題日益凸顯。

通過跟蹤2016年7月9-20日特大暴雨作用下，人民勝利渠灌區典型區域根層土壤鹽分及地下水化學特征演變特征，探討暴雨對區域根層脫鹽及地下水環境的影響，以期為干旱半干旱灌區農業水資源管理及其生態環境效應演變的應對提供科學依據。

1 材料和方法

研究區位于人民勝利渠灌區西三干渠控制范圍內，面積800 hm2。研究區多年平均水面蒸發量1 860 mm.多年平均降水量584 mm.降水量年內分布不均，6-9月降水量占全年的70% - 80%。土壤類型為潮土，呈堿性，pH值為8.2 - 9.5.成土母質為近代黃河泛濫沉積物，土壤含鹽量用電導率表示，為0.178 -0.746 mS/cm.碳酸鈣含量為6% - 14%.土壤含鹽類型為重碳酸、氯化物一鈣、鈉型。研究區淺層含水層底板埋深80 -130 m，含水層單層厚8-80 m，總厚44 - 110 m，含水介質以上更新統與全新統粗砂、中砂和細砂為主，層內無穩定連續的黏土、亞黏土隔水層[20]。作物種植為一年兩熟、冬小麥/夏玉米輪作模式，該區域為典型渠井并用區域，渠井設施配套良好。用水方式、用水水平基本一致，研究區工程布置、土壤及地下水監測點布置詳見參考文獻[15，21]。

1.1 降水歷時及降水特征

2016年7月9-20日研究區經歷了5次自然降雨有效淋洗過程，降雨量分布見表1，降雨過程線見圖1。典型區域累計降雨量為307.3 mm.占全年的34.53%.其中日降雨量峰值出現在7月9日，累計降雨量159.9mm.最大降雨時段2：00至13：00累計降雨量154.7mm，其降雨強度達12.9 mm/h.根據《降水量等級》（ GB/T 28592-2012）劃分標準，本次降雨為特大暴雨（見圖2）。

1.2 樣品采集與分析

根據研究區域面積、渠系分布特點，按照整體性和代表性原則，共布置了土壤監測點29個，土壤樣品采集時間為2016年7月7日和30日。每個土壤監測點采樣深度分別為0-10、10 - 20、20-30、30-40、40-60、60-80、80 - 100 cm.采用5點采樣法進行樣品采集，土壤中全鹽量采用電導法測定，測定其土水質量比1：5浸提液電導率值。

按照《地下水環境監測技術規范》（ HJ/T 164-2004）的要求，共布置地下水環境監測點17個，地下水樣品采集時間分別為2016年7月1日和30日。采用定深取樣器現場采集地下水樣品，采樣深度為15 m.每個監測點每次采集樣品1 000 mL，樣品采集后及時送檢。pH值采用便攜式pH計法測定，水溶性鹽總量采用電導法測定.K+、Na+、Ca2+、Mg2+濃度采用原子吸收法測定，C02-、HC03、SO2-、Cl-濃度采用離子色譜法測定。

1.3 參數計算

土壤脫鹽率、地下水鈉吸附比、地下水入滲補給量計算公式為

2 結果與分析

2.1 暴雨前后土壤鹽分垂向變化特征

典型區域暴雨前后0-100 cm土層土壤鹽分垂向分布見圖3。暴雨前，一支渠、二支渠、三支渠控制范圍內0 - 100 cm土層土壤含鹽量分別為0.191 7 -0.338 3、0.177 0-0.337 4、0.177 5 -0.345 1 mS/cm;區域土壤鹽分0- 10 cm土層最高、30-40 cm土層最低.40-60 cm土層土壤鹽分逐漸升高、60-100 cm土層土壤鹽分穩定在0. 187 9 mS/cm，屬于表聚型鹽分剖面I，型分布）。暴雨后.0-10、10 - 20、20 - 30 cm土層土壤鹽分降低明顯，分別較暴雨前降低了63. 74%、68.20%、33.41%，40 - 80 cm土層土壤鹽分略有降低，降幅為2.79% -8.65%.而80-100 cm土層土壤鹽分略有增大，較暴雨前增大了2.12%。

2.2 暴雨對區域土壤脫鹽及鹽分空間分布的影響

典型區域暴雨前后不同土層土壤鹽分含量及脫鹽率見表2。暴雨后，0-10、10 - 20、20 - 30、30 - 40、40 -60、60 - 80、80 - 100 cm土層土壤脫鹽率均值分別為38. 94%、40. 31%、23. 72%、7.09%、7.69%、2.79%、-2.11%;區域鹽分淋洗以30 cm以上土層土壤為主，特別是一支渠控制范圍60 cm以下土層土壤出現積鹽，60-80、80 - 100 cm土層土壤積鹽率分別為2.75%、11.20%。典型區域暴雨前后0- 20 cm土壤鹽分空間分布見圖4。暴雨后0 - 20、20 - 40、40 - 60、60 - 80、80 -100 cm根層土壤鹽分（用電導率表示）均值分別為0.187 9、0.167 0、0.173 7、0.183 5、0.193 3 mS/cm，分別較暴雨前降低了39.56%、17.19%、8.38%、2.28%、-2.87%。暴雨后0- 10、10 - 20、20 - 40、40 - 60、60 -80、80 - 100 cm根層土壤鹽分均值標準偏差分別為0.028、0.016、0.017、0.018、0.031、0.027， 40 cm以上土層土壤鹽分均值標準偏差顯著低于暴雨前的，但60cm以下土層土壤鹽分均值標準偏差略高于暴雨前的。

2.3 暴雨對區域地下水埋深及水化學特征的影響

典型區域暴雨前后地下水化學組成變化情況見表3。區域地下水埋深監測結果表明，暴雨后區域平均地下水埋深為12.71 m，地下水水位較暴雨前上升了0.18m，據此估算由暴雨產生的地下水入滲補給量達14.46萬m3。根據水文化學相的分類標準21]，暴雨前后區域地下水類型分別為HCO：、Cl- - Ca2+、Na+型和Cl-、S042- -Na+、Ca2+型，Na+、HCO：和Cl-濃度分別為暴雨前的1.47倍、1.38倍、1.12倍。暴雨前后區域地下水鈉吸附比分別為21.38、32.94，暴雨后較暴雨前增加了54.05%。暴雨前后區域地下水總溶解性固體含量分別為1 052.41、1 315.09 mg/L，暴雨后較暴雨前增加了24.95%。

3 討論

3.1 暴雨后區域根層土壤鹽分淋洗特征

暴雨前典型區域0- 10 cm表層土壤含鹽量最高，達到0.419 1 mS/cm.暴雨后典型區域0- 10 cm表層土壤含鹽量極值僅為0.253 9 mS/cm，暴雨前后0-100cm土層土壤含鹽量標準偏差分別為0.059、0.017，表明暴雨驅動了根層土壤鹽分的垂向淋洗，導致土壤鹽分垂向分布的“扁平化”[ 23-24]：暴雨前典型區域0 - 20cm根層土壤鹽分均值大于0.32 mS/cm（折合土壤含鹽量1.50 g/kg[22]）的區域面積占28.96%，暴雨后典型區域0-20 cm根層土壤鹽分均值均小于0.32 mS/cm.表明暴雨顯著抑制了土壤鹽分的表聚、有效緩解了表層土壤鹽漬化的風險[25]。此外，一支渠、二支渠、三支渠控制范圍0 - 100 cm土層土壤平均脫鹽率分別為24.59%、25.51%、28.93%，且二支渠、三支渠控制范圍土壤脫鹽深度均超過100 cm，但需要注意的是，一支渠控制范圍60-100 cm土層土壤脫鹽率為負值，表明60 cm以上土層淋洗鹽分在下層土壤累積，這主要是土壤空間異質性、交換性鈉百分比和鹽基鹽分組成導致根層土壤脫鹽深度的差異[26]。

3.2 暴雨對區域地下水入滲補給量與水環境的影響

暴雨后區域地下水水位上升了0.18 m.地下水入滲補給量達到14.46萬m3.7月9-20日區域累計降雨量為245. 84萬m3，地下水入滲補給量占降雨量的5.88%.表明暴雨對區域淺層地下水具有強烈的補給效應[27-28]。暴雨前地下水陽離子水文化學相的分類類型為鈣一鈉型，暴雨后地下水陽離子水文化學相的分類類型轉化為鈉一鈣型，暴雨后區域地下水鈉吸附比均值高達32.94.明顯高于農業灌溉水堿化危害程度分級臨界值，堿化級別達到S4、堿化危害程度為非常高。地下水中總溶解性固體含量較暴雨前增加了24.95%.陽離子中Na+含量為暴雨前的1.47倍，陰離子中HC03、Cl-濃度分別為暴雨前的1.38倍、1.12倍，這主要是Na+、HC03、Cl-等易交換性鹽基離子在水解作用下，隨暴雨淋溶入滲到地下水中，增加了地下水中Na+、HC03、Cl-等的濃度和地下水中可溶性固體含量[29-30]，表明暴雨淋洗是驅動根層土壤Na+遷移到地下水和地下水劣變的主要因素，且暴雨后地下水作為灌溉水源的堿化危害程度非常高，不適宜作為灌溉水源，因此暴雨對淺層地下水環境影響顯著。

4 結論

（1）暴雨驅動了根層土壤脫鹽，區域0- 100 cm土層土壤綜合脫鹽率達到26.35%，此外暴雨后0- 100cm土層土壤含鹽量的標準偏差僅為0.017.僅為暴雨前的28. 81%，導致0- 100 cm根層土壤鹽分分布的“扁平化”。

（2）暴雨對地下水的入滲補給強烈，區域地下水入滲補給量達到14.46萬m3.由于暴雨對根層土壤鹽基離子的水解作用，區域地下水陽離子水文化學相的分類類型由暴雨前的鈣一鈉型轉變為暴雨后的鈉一鈣型，暴雨后區域地下水總溶解性固體含量和鈉吸附比分別為暴雨前的1.25倍、1.54倍，暴雨后地下水作為灌溉水的堿化危害級別為S4、堿化危害程度非常高。

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【責任編輯 呂艷梅】

收稿日期：2019- 06- 20

基金項目：農田精準控制灌溉技術合作研究（ FIRI2019-05-02）;農產品質量安全監管專項（GJFP2019036）;國家重點研發計劃項目（2017YFD0800403）：中國農業科學院科技創新工程項目（ CAAS-ASTIP）

作者簡介：李平（1979-），男，河南信陽人，副研究員，主要從事農業水環境風險評估研究工作

通信作者：齊學斌（1963-），男.陜西西安人，副研究員，主要從事農業水資源優化配置方面的研究工作