湔江冲洪积扇地下水氮分布特征及灌溉用水适宜性评价

唐金平，胡 漾，张 强，何文君，朱志强，牛佚凡

(1. 成都理工大学，成都 610059；2. 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059; 3. 山西华晋岩土工程勘察有限公司，太原 030021)

0 引 言

湔江冲洪积扇位于成都平原西缘山前地带，是成都平原8个中、大型冲洪积扇之一[5]。近年来，湔江冲洪积扇区域内农业、工业发展迅速，迅猛的经济发展对地下水的需求日益增加，也意味着人类活动对地下水的影响愈加强烈。本文通过采集研究区内地下水化学样品，对地下水中“三氮”的空间分布特征进行研究，并对其进行饮用水水质与灌溉水质评价，为成都平原山前冲洪积扇群，尤其是湔江冲洪积扇区域内的地下水资源开发与保护提供科学依据。

1 研究区概况

湔江发源于彭州市龙门山脉太子城峰西南侧红龙池与乾龙池，是沱江3大源头之一。湔江自西北向东南流向，于彭州市穿越龙门山，而后在丹景山镇进入成都平原，全长约139 km。湔江冲洪积扇位于成都平原西北部，自西北向南东倾斜，面积约270 km2，与岷江冲洪积扇、南江冲洪积扇等8个中、大型山前冲洪积扇相互叠加组成成都平原山前冲洪积扇群。

研究区地下水的主要补给来源为大气降水入渗、农业灌溉水入渗、邻近河渠水入渗以及湔江河谷砂砾石地下径流入渗等。地下水的径流受地形条件控制作用明显，由山前向东南方向径流，局部受人为开采活动影响而发生偏转。地下水的排泄在扇顶与扇中部位以人工开采与向下游径流排泄，扇缘区域以人工开采、泉水出露与蒸发等方式排泄。

研究区内广泛分布村镇，土地类型以农业用地为主，零星分布一些以石油化工场地为代表的工矿企业。地表水系有新开河、新安河支渠、十河子、蒙埝河、马牧河、小石河、鸭子河。

研究区地下水埋深为0～20.5 m，地下水开采利用主要为农户分散型浅井开采，村镇集中供水式开采较少，仅隆丰镇与丹景山镇2处集中式开采。分散式开采深度多为5～16 m，少量达23.5～45 m，集中式开采深度为22～60 m。故本次地下水研究对象均为湔江冲洪积扇区域上部潜水。

2 数据与方法

2.1 数据来源

研究小组于2018年5月对湔江冲洪积扇区地下水进行野外采集，取样点分布见图1。地下水均来自研究区内农业灌溉井与居民饮用水井，采样层位均为上部潜水含水层，共采集地下水样30组。水样均使用0.45 μm微孔滤膜过滤后现场封装并冷藏，在24 h内送至实验室完成检测。检测方法均按照国家饮用水水质及相关标准。分析结果的准确性使用Aquachem计算离子平衡误差进行验证，分析结果误差小于5%。

图1 研究区概况及取样分布图Fig.1 Overview of the study area and sampling distribution

2.2 生活饮用水水质评价方法

研究区内浅层地下水是当地居民生活饮用主要的来源，地下水的质量对当地居民的生活生产与健康状况影响显著。本文采用基于贝叶斯理论的地下水质量评价方法[6]对研究区地下水进行综合评价。贝叶斯评价方法能够综合各指标对地下水的影响，给出一个更为合理地评价结果，由于其简单高效且结果准确合理的特点，已有较多的使用[7,8]。地下水各指标的评价标准值依据《地下水质量标准(GB/T 14848-2017)》以及文献[9]的方法确定。评价方法如下：

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式中：G为最终评价等级；xi为水质检测因子(i=1，2，…，n)；yij为检测因子i的评价类型(j=1，2，…，5)；wi为评价因子对应的权重，采用超标倍数法计算获得。

在缺少评价对象的先验信息的情况下将先验概率P(yi1)视为相等(P(yi1)=…=P(yi5)=0.2)。

2.3 灌溉适宜性评价方法

钠吸附比(SAR)引自美国农业部[10]，能够反映地下水中钠离子与土壤组分发生交替吸附作用的相对活度，对地下水的碱化能力具有较好的指示作用。SAR值越高，说明碱化能力越强。

(6)

同理，钠百分比也是评估农业灌溉适宜性的常用方法[11]。

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Szaboles和Darab提出了镁危害(MH)，以评估农业灌溉用水的适用性[12]。当灌溉水中Mg2+含量达到某一水平时，土壤中可能发生镁碱化作用，从而影响土壤结构，对作物产生毒害作用。

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3 结果与分析

3.1 氮含量及空间分布特征

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

图2 “三氮”含量空间分布Fig.2 Spatial distribution of the “trinitrogen” content

3.2 饮用水水质评价与分析

选取氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、CODMn、总大肠菌群、钠、铁、锰、总硬度、硫酸盐、氯化物、溶解性总固体等12项指标作为评价指标。利用贝叶斯水质评价模型获得的结果见表2。可以看出湔江冲洪积扇区域内地下水水质状况均较好，均符合饮用水标准。其中，多数为Ⅱ、Ⅲ类水，分别占样本总数的37%、53%，Ⅰ类水占样本的 10 %，无Ⅳ类与Ⅴ类水。利用克里金插值法[15]绘制研究区水质评价分区示意图(见图3)，地下水呈现出扇中优于扇顶与扇缘的趋势。

单指标评价方法能够直接观察到地下水中各项指标的情况，对单项指标的评价具有积极的意义，同时能够为综合评价结果提供借鉴。由表3可知，研究区内地下水中部分区域存在总大肠杆菌群超标的现象，其原因是当地农牧业活动与牲畜排泄物对浅层地下水造成污染。同时地下水中“三氮”的含量也较高，亦与人类活动密切相关(化肥、农药与牲畜排泄物等)。总体而言，研究区内地下水水质状况较好，得益于冲洪积扇独特的含水层结构与快速的循环更替，为湔江冲洪积扇区域内生产生活提供了水资源基础。

表2 地下水水质综合评价结果Tab.2 Results of comprehensive evaluation of groundwater quality

图3 湔江冲洪积扇地下水水质等级分区Fig.3 Groundwater quality grade division of the Jianjiang alluvial fan

表3 单指标水质评价结果Tab.3 Single indicator water quality evaluation

3.3 灌溉水适宜性评价

盐度(EC)[16,17]对土壤碱化与农作物的生长有着显著的影响，当用高盐度的地下水进行灌溉时，会导致土壤硬化，抑制作物的生长。研究区内地下水EC值为315.22～1 429.79 μS/cm，计算的SAR值为0.34～1.26。为更直观地对灌溉水质进行了解，引用美国盐度实验室(USSL)灌溉用水分类图[10,18]，见图4。研究区内90%的地下水样处于低SAR中盐度的水平，10%的地下水样处于低SAR高盐度的水平。同时，反映盐度与钠百分比的Wilcox图[19](见图5)显示，研究区内地下水90%的地下水样属于非常适合灌溉的类别，10%的地下水属于适合灌溉类别。

图4 研究区地下水灌溉水质USSL分类图Fig.4 USSL classification of groundwater irrigation water quality in the study area

图5 研究区地下水灌溉水质Wilcox图Fig.5 Wilcox plot of groundwater irrigation water quality in the study area

一般情况下，镁离子与钠离子发生交换，当灌溉水中的镁离子超过一定限度时，将可能导致土壤的镁碱化效应，破坏土壤结构，因此镁危害作用也是灌溉水质评价的重要指标[20]。当MH>50%时，地下水则不适合灌溉(见表4)。研究区内地下水MH指数为10.55%～38.92%，说明适用于农业灌溉。渗透率指数(PI)值为32.03%～62.14%，在Doneen图[13]上绘制的PI计算值表明，所有的地下水样本均属于Ⅰ类(见图6)，即土壤的渗透率100%。

表4 不同分级标准的地下水灌溉适宜性Tab.4 Suitability of groundwater for irrigation based on several classification

图6 研究区地下水灌溉水质Doneen图Fig.6 Doneen diagram of groundwater irrigation water quality in the study area

4 结 论

(2)湔江冲洪积扇地下水“三氮”含量均具有明显的空间变异性。冲洪积扇北部区域“三氮”含量明显高于南部区域，反映当地人类活动的区域性差异，北部区域工农业活动更为显著。

(3)基于贝叶斯的综合水质评价结果表明湔江冲洪积扇地下水均符合饮用水标准，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类水分别占样本总数的10%、37%、53%。根据盐度(EC)、SAR、钠百分比、MH与渗透率指数(PI)等，研究区地下水均适用于农业灌溉，但部分水样存在总大肠杆菌群与硝酸盐超标的问题，应引起关注。

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