呂曉立，劉景濤，韓占濤，朱 亮，陳 璽

“引大入秦”灌溉工程對甘肅秦王川盆地地下水化學組分的影響

呂曉立1,2，劉景濤1※，韓占濤1,2，朱 亮1，陳 璽1

（1. 中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061；2.中國地質(zhì)調(diào)查局、河北省地下水污染機理與修復重點實驗室，石家莊 050061）

為研究“引大入秦”灌溉工程對秦王川盆地地下水化學組分的影響，該文在對該盆地地下水進行系統(tǒng)采樣分析的基礎(chǔ)上，通過對比“引大入秦”工程運行前后盆地內(nèi)水化學數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計、Gibbs圖、離子比等方法，對盆地內(nèi)地下水化學組分演化進行了深入分析。結(jié)果表明：工程運行前，研究區(qū)水化學類型以Cl·SO4-Na、Cl·SO4-Na·Mg和SO4·Cl -Na為主。工程運行初期，在灌溉滲水淋洗作用下包氣帶易溶鹽進入地下水，盆地地下水向鹽化和硬化方向演化。隨著工程的繼續(xù)運行，包氣帶鹽分被逐步洗脫殆盡，灌溉淋濾水的含鹽量逐漸降低，其中處于盆地匯水區(qū)的平原區(qū)中部下降趨勢最為明顯，地下水化學類型由Cl·SO4-Na演化為HCO3·SO4-Na(Na·Ca·Mg)和Cl·SO4·HCO3-Na。盆地周緣黃土丘陵區(qū)水資源貧乏，受原生沉積地層中高含量易溶鹽影響，Cl·SO4-Na·Mg型水分布范圍基本保持不變。盆地南部當鋪一帶地下水由Cl·SO4-Na型演化為Cl·SO4-Na·Mg型水。在這一過程中，研究區(qū)水化學組分受硅酸鹽巖風化溶解以及巖鹽和蒸發(fā)巖鹽溶解共同作用，在蒸發(fā)濃縮作用下富集。盆地地下水受工礦企業(yè)污染影響較小，但化肥的使用導致地下水NO3-質(zhì)量濃度明顯升高。研究結(jié)果為秦王川灌區(qū)地下水資源的可持續(xù)發(fā)開利用提供參考。

干旱；灌溉；秦王川盆地；地下水水化學演化；離子來源；風化溶解

0 引 言

中國北方地區(qū)干旱少雨，蒸發(fā)強烈，水資源缺乏。為解決水資源供需矛盾，在中國北方修建了大型引水灌溉工程，灌溉工程在給當?shù)貛砭薮蠼?jīng)濟效益的同時，也強烈改變了地下水水化學環(huán)境，灌溉滲水的大量補給引起地下水位抬升，進而引起土壤次生鹽漬化問題[1-3]。龔磊[4]研究表明，旱改水工程的實施導致吉林西部五家子灌區(qū)及其周邊土壤發(fā)生鹽堿化，土壤含鹽量、地下水溶解性總固體（total dissolved solids，TDS）和水位埋深是土壤鹽堿化的主要影響因素。韓宇[5]研究表明吉林西部松原灌區(qū)水化學演化主要受控于溶濾、蒸發(fā)濃縮以及陽離子交替吸附作用。李彬等[6]研究表明蒸發(fā)濃縮和陽離子交換是控制內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地下水水質(zhì)演變的主要水化學過程。隨著“一帶一路”工作的推進，地下水資源對干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮著不可替代的作用，灌區(qū)地下水環(huán)境的變化也成為國內(nèi)外學者研究熱點。

秦王川盆地位于甘肅省蘭州市西北部，是“引大入秦”工程的主要灌溉區(qū)，區(qū)內(nèi)易于水利化的耕地面積達3.8×104hm2以上，但水資源十分貧乏，該區(qū)水土資源矛盾突出。“引大入秦”水利灌溉工程是一項跨流域的大型調(diào)水工程，引大通河水滋潤干涸的秦王川盆地，工程包括引水樞紐、總干渠及東一、東二兩條干渠，20世紀90年代相繼建成通水，每年設(shè)計引水量4.43×108m3，灌溉面積達5.73×104hm2。然而，隨著灌溉水的大量滲入，盆地地下水位不斷上升，部分地區(qū)出現(xiàn)不同程度的土壤次生鹽漬化和水質(zhì)惡化，對盆地生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅。秦王川盆地作為蘭州市的主要經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，需水量持續(xù)增大。充分認識盆地的地下水化學特征，對于有效實施灌溉，充分發(fā)揮工程效益，預測和預防不良的水文地質(zhì)問題及環(huán)境問題，具有十分重要的意義[7]。然而，目前國內(nèi)外學者對該盆地的研究主要集中在土壤鹽漬化方面[8-9]，對盆地水文地質(zhì)特征，尤其是地下水化學演化特征研究甚少，不足以支撐區(qū)域水資源的管理。本文選擇秦王川盆地為研究區(qū)，通過“引大入秦”工程實施前后地下水化學組分數(shù)據(jù)對比分析，運用吉布斯（Gibbs）圖、離子比等多種手段，深入探討了“引大入秦”灌溉滲水淋溶作用下，秦王川盆地地下水化學演變特征及其形成機理。以期為當?shù)氐叵滤Y源的可持續(xù)開發(fā)利用以及區(qū)內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展提供參考。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

秦王川盆地地處祁連山東端，隴西黃土高原西北部，甘肅省永登縣與皋蘭縣境內(nèi)，灌區(qū)主要包括永登縣的樹屏鄉(xiāng)、中川鎮(zhèn)、秦王鎮(zhèn)、古山鄉(xiāng)。盆地南北長約42 km，東西寬11～13 km，面積約504 km2；區(qū)內(nèi)地勢北高南低，海拔1 830～2 300 m。盆地北部為低山區(qū)，東、西、南3面為低緩黃土丘陵，相對高差40～60 m。盆地內(nèi)上古山-黃茨灘北側(cè)以基巖丘陵地貌為主，南側(cè)以洪積平原為主，盆地內(nèi)分布南北走向的第四系中、上更新統(tǒng)殘臺。盆地屬于內(nèi)陸冷溫帶半干旱氣候區(qū)，多年平均氣溫5.9 ℃；多年平均降水量252.5 mm，集中在7－9月份；多年平均蒸發(fā)量為1 954.8 mm。地表無常年徑流，多為季節(jié)性寬闊的流水河溝（圖1a）。

秦王川盆地位于中–新生界發(fā)育期的永登–河口凹陷帶中，是以第三系為基底的半封閉大型構(gòu)造坳陷盆地[10]。盆地內(nèi)廣泛分布第四系松散沉積層，同時分布寒武系、奧陶系、志留系、白堊系、第三系地層。區(qū)內(nèi)地下水可分為基巖裂隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水和松散巖類孔隙水。區(qū)內(nèi)水資源貧乏，除東西兩側(cè)古河道富水性較好外，區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域單井涌水量小于100 m3/d。區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于第四系松散沉積砂碎石及中細砂層中（圖1b），受地質(zhì)構(gòu)造所控，盆地自北向南，含水層顆粒逐漸變細，由單一潛水含水層過渡為具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的多層潛水–承壓水含水層[11]。至本次研究，“引大入秦”工程運行17 a，盆地中部水位埋深集中在40～50 m；南部水位埋深集中在20～40 m；盆地北部低山丘陵區(qū)和南部出口低洼溝槽地帶水位埋深在10 m以下，在南部當鋪一帶由于基底隆起和粘土層的阻隔，地下水排泄不暢溢出地表形成鹽沼區(qū)。對比1993年工程運行前地下水位埋深數(shù)據(jù)[12]，盆地北部地下水位稍有上升，變化幅度為3～5 m；其他區(qū)域地下水位埋深變化幅度小。盆地內(nèi)地下水主要受古溝道控制，總體上由北向南呈股狀徑流。渠道滲漏及灌溉水入滲是盆地地下水的主要補給來源。泉水溢出、蒸發(fā)、溝谷潛流和人工開采是盆地地下水的主要排泄方式[7]。

1.2 樣品采集與分析

2011年9月在研究區(qū)采集水樣品18組（圖1a），其中淺層地下水樣品17組（含泉水1組），地表水樣品1組。1993年數(shù)據(jù)來源于甘肅省秦王川和西岔罐區(qū)地下水及地質(zhì)環(huán)境綜合勘察評價報告[12]、2009年數(shù)據(jù)來源于參考文獻秦王川灌區(qū)水環(huán)境的變化分析和水資源的優(yōu)化利用[13]。1993年、2009年及2011年樣品采集位置基本一致，且均取自豐水期。地下水樣品取自民井或機井，主要采集淺層地下水。

采樣井井深主要集中在1.5～60 m，水位埋深主要集中2.0～42.6 m。采樣設(shè)備主要有離心泵和潛水泵，采樣前，對采樣井進行抽水清洗，待排出水量大于井孔儲水量3倍，并且現(xiàn)場指標穩(wěn)定后再進行采樣，以確保采集的樣品具有代表性。當由于采樣井孔徑太小無法使用水泵時，采用中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所自主研發(fā)的“水斗定深取樣器”[14]，通過人工提水的方式洗井，待各現(xiàn)場指標穩(wěn)定后，將井下目標深度的地下水直接密封后采出地面，所用采樣瓶為2.5 L的高密度聚乙烯瓶。取樣后，貼標簽并用Parafilm封口膜密封避光保存，7 d內(nèi)送達實驗室測試。樣品由自然資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心測定，執(zhí)行標準參照 GB/T 8538-1995[15]。利用美國戴安DX-120型離子色譜儀和北京華科ICP-AES光譜儀分別對陰、陽離子進行測定?，F(xiàn)場測試指標酸堿度（pH）、溶解氧（dissolved oxygen，DO）和氧化還原電位（Eh）等采用多功能便攜式測試儀（Multi-340i/SET，德國WTW）進行測試。

1.3 數(shù)據(jù)分析

運用舒卡列夫分類法分析水化學類型，運用SPSS、AquaChem等軟件分析水化學數(shù)據(jù)，運用吉布斯（Gibbs）圖、離子比分析探討地下水化學組分來源及控制因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水化學特征

本次研究在盆地周緣丘陵區(qū)邊緣采集地下水樣品11組，中部平原區(qū)采集地下水樣品6組，水庫采集地表水1組。秦王川盆地不同地貌單元地下水總體上屬于穩(wěn)態(tài)水，略偏氧化水，部分丘陵低山區(qū)地下水相對偏還原態(tài)一些（表1）。淺層地下水pH介于7.4～8.36之間，總體上為中性或弱堿性水（表1）。地下水溶解性總固體介于483.3～6 505 mg/L，均值為2 920.5 mg/L。受原生沉積地層中高含量易溶鹽影響[9]，研究區(qū)大面積分布咸水、微咸水，僅在盆地中部出現(xiàn)TDS值小于1.0 g/L的淡水（圖1a）。研究區(qū)地下水陽離子以Na+為主，陰離子以Cl-和SO42-為主；丘陵區(qū)地下水中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-等組分及溶解性總固體、總硬度（total hardness，TH）等明顯高于平原區(qū)（圖2）。從周緣黃土丘陵區(qū)到盆地中部平原區(qū)，地下水中HCO3-質(zhì)量濃度逐漸升高，其他各離子組分呈降低趨勢（圖1c）；TDS質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出由周邊丘陵區(qū)呈環(huán)狀向中心降低的規(guī)律，地下水由咸水、微咸水過渡到淡水（圖1a）。研究區(qū)引自大通河的地表水為低溶解性總固體淡水，TDS質(zhì)量濃度為257.1 mg/L，pH為7.81，弱堿性水；陽離子以Ca2+為主，陰離子以HCO3-為主，為HCO3-Ca型水。在垂向上，研究區(qū)淺層地下水TDS值與水位埋深無明顯的相關(guān)性（圖3），除一個深層承壓水點TDS值較低外，其它淺層地下水TDS值的波動性較大，最高可達6 506 mg/L。

表1 研究區(qū)水化學組分統(tǒng)計

注:表示樣品采集數(shù)量（組）；Eh表示氧化還原電位（mV）。

Note:indicates the number of samples collected (group)；Eh indicates oxidation reduction potential (mV).

注：圓圈右上角的數(shù)字表示第n個數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)。

注：水位埋深為0的點位于丘陵區(qū)邊緣為泉水。

從各宏量組分的變異系數(shù)來看，除pH值外，其余指標的變異系數(shù)值均大于10%，表現(xiàn)出中等或強變異性，表明各離子在空間分布上存在較大離散性和波動性。其中，平原區(qū)地下水大部分離子組分變異系數(shù)較丘陵區(qū)大，平原區(qū)Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-、TDS、總硬度等指標表現(xiàn)出較強的變異性（表1），表明平原區(qū)各離子組分受人類活動輸入影響更強烈。

2.2 地下水水化學組分時空演變特征

2.2.1 地下水化學組分空間分布特征

根據(jù)舒卡列夫分類法（圖1a，圖4），研究區(qū)地下水中堿金屬離子含量超過堿土金屬離子含量，強酸根超過弱酸根，碳酸鹽硬度小于50%，地下水化學水平分帶明顯。黃茨灘以北地下水TDS質(zhì)量濃度大于3 g/L，屬SO4·Cl- Na型水。盆地東西兩側(cè)丘陵邊緣以及南部喻家梁周圍，在灌溉水及大氣降水入滲淋濾作用下，基巖風化層中的石膏、芒硝、菱鎂礦等高含量易溶鹽分溶解進入地下水，形成以氯化物和硫酸鹽為主的高溶解性總固體地下水，地下水TDS質(zhì)量濃度介于3～5 g/L，水化學類型為Cl·SO4-Na·Mg和Cl·SO4-Na·Mg·Ca型水。兩側(cè)古溝道內(nèi)的其他地方，地下水徑流條件相對較好，水交替作用較強，為TDS質(zhì)量濃度小于3 g/L的Cl·SO4-Na·Mg·Ca型水。盆地中部受北部潛流以及農(nóng)田灌溉回歸淡水補給及洗鹽作用下，中部出現(xiàn)了TDS質(zhì)量濃度小于1 g/L的淡水，為HCO3·SO4-Na型、HCO3·SO4-Na·Ca型和Cl·SO4·HCO3-Na型水。從盆地周緣丘陵區(qū)到中部平原區(qū)，秦王川盆地地下水化學類型從Cl·SO4-Na型逐漸過渡到HCO3·SO4-Na·Ca型水。

注：Piper三線圖表明八大離子含量百分比及其內(nèi)在聯(lián)系。在圖左下方三角形，4個陽離子含量百分比用三線坐標表示。在右下方三角形中，4個陰離子亦如此。中間的菱形區(qū)域表示Ca2++Mg2+和Cl-+SO42-含量百分比。圖中數(shù)字表示各離子組分含量百分比。

2.2.2 地下水化學組分隨時間演變特征

為闡明“引大入秦”灌溉工程對研究區(qū)地下水化學組分的影響，將2011年（本次研究）、2009年[13]（工程運行17a）和1993年[12]（工程運行前）水化學數(shù)據(jù)進行對比（圖4～圖6）。“引大入秦”灌溉工程運行以來，研究區(qū)地下水溶解性總固體呈先上升后下降的演化趨勢（圖5a，圖6）。受原生沉積地層中高含量易溶鹽影響[9]，工程運行初期，灌溉回歸滲水淋洗包氣帶易溶鹽進入地下水，地下水TDS呈上升趨勢；隨著時間的推移，包氣帶鹽分被逐步洗脫殆盡[8]，灌溉淋濾水的含鹽量逐漸降低，地下水呈淡化趨勢（圖5a）。工程運行17a后，平原區(qū)地下水溶解性總固體下降明顯，TDS質(zhì)量濃度均值從2009年的3 111.5 mg/L下降為2011年的1 719.3 mg/L（圖5a）。丘陵區(qū)地下水TDS質(zhì)量濃度均值由1993年的3 197.9 mg/L上升到2009年的4 598.9 mg/L，至2011年TDS質(zhì)量濃度均值演變?yōu)? 575.6 mg/L（圖5a）。研究區(qū)地下水總硬度在盆地丘陵區(qū)和平原區(qū)表現(xiàn)出相反的演化趨勢（圖5b），工程運行17a后，周緣丘陵區(qū)地下水資源貧乏，水循環(huán)交替弱，地下水總硬度均值由1993年的1 121.4 mg/L上升到2011年的1 392.1 mg/L；平原區(qū)受灌溉回歸水補給，水循環(huán)交替快，地下水總硬度均值由1993年的1 202 mg/L下降到2011年的681.9 mg/L。

圖5 不同時間地下水TDS和總硬度箱型圖

圖6 地下水部分樣品TDS年際變化

另外，從圖4可見，不同地貌單元地下水化學呈不同的演變特征。平原區(qū)地下水HCO3-增加趨勢明顯，含量百分比由10%左右增加為10%～55%；Cl-先增加后減少，由1993年的50%左右增加到2009年的60%左右，后又減少為20%～50%。平原區(qū)地下水Na+和Ca2+變化不明顯；Mg2+呈先下降后上升趨勢，Mg2+含量百分比由1993年的20%左右下降到2009年的10%左右，2011年增加為15%～30%。黃土丘陵區(qū)地下水SO42-增加趨勢明顯，含量百分比由25%左右增加到30%～50%；Cl-含量百分比由70%減少到45%～60%。丘陵區(qū)地下水Na+、Ca2+變化不明顯；Mg2+呈上升趨勢，其含量百分比由10%左右增加為25%～35%。

研究區(qū)地下水在20世紀六七十年代基本保持天然狀態(tài)[16]，地下水水化學類型主要為Cl·SO4-Na·Mg型水。“引大入秦”灌溉工程運行前[12]（1993年），研究區(qū)基本保持天然水化學類型。20世紀90年代中期“引大入秦”灌溉工程竣工后，地下水環(huán)境發(fā)生了較大變化（圖1a和圖4）。2011年區(qū)內(nèi)地下水化學類型演變?yōu)?種，盆地周緣的Cl·SO4-Na·Mg型水分布范圍基本保持不變，地下水溶解性總固體和總硬度稍有升高。盆地南部當鋪一帶地下水由Cl·SO4-Na向Cl·SO4-Na·Mg型演化，地下水水質(zhì)呈好轉(zhuǎn)趨勢，由TDS值大于5g/L鹽水演化為小于3g/L的微咸水。盆地中部平原區(qū)地下水由Cl·SO4-Na型演化為HCO3·SO4-Na和Cl·SO4·HCO3-Na型水，地下水中的溶解性總固體和總硬度均明顯下降，盆地中部出現(xiàn)了TDS值小于1 g/L的淡水。

總之，從水化學數(shù)據(jù)的歷史變化趨勢來看（圖5a和圖6），“引大入秦”工程運行以來，研究區(qū)地下水質(zhì)受灌溉淋濾水影響明顯，工程運行初期，灌溉水入滲洗脫包氣帶鹽分進入地下水，使地下水中的鹽分增加，隨著工程的繼續(xù)運行，當包氣帶中的鹽分被洗脫殆盡后，灌溉淋濾水的含鹽量逐漸降低，數(shù)據(jù)顯示（圖5a），2009年后地下水TDS呈下降趨勢，其中處于盆地匯水區(qū)的平原區(qū)中部下降趨勢最為明顯（圖1a）。研究區(qū)表征天然地下水化學狀態(tài)的Cl·SO4-Na、Cl·SO4-Na·Mg型水范圍逐漸縮小，而受“引大入秦”工程灌溉滲水影響的Cl·SO4-Na·Mg·Ca和HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水范圍逐漸增加。這一結(jié)論驗證了前人的水質(zhì)演化推論[17]。

2.3 水化學演化控制因素分析

2.3.1 水化學演化過程分析

Gibbs[18]利用半對數(shù)坐標圖直觀的表示了地表水化學組分特征、控制因素及其相互關(guān)系。當TDS值和Cl-/(Cl-+HCO3-)值均較高時，地下水化學組分受控于蒸發(fā)濃縮作用；當TDS值較低且Cl-/(Cl-+HCO3-)比值小于0.5時，地下水化學組分受控于巖石風化作用；當TDS值較低且Cl-/(Cl-+HCO3-)值較高時，地下水化學組分受控于大氣降雨。本次研究Gibbs圖（圖7）顯示，盆地丘陵區(qū)及平原區(qū)淺層地下水樣品點主要集中在中上部，表明研究區(qū)淺層水各離子組分受蒸發(fā)濃縮及巖石風化作用共同控制。

注：圖中虛線表示不同水巖作用范圍，ρ 為離子濃度

秦王川地下水樣品點(Na+)/((Na+)+(Ca2+))集中在0.55～0.9之間，82.4%的地下水樣品TDS值大于1.0 g/L，表明蒸發(fā)濃縮作用是秦王川盆地水化學組分主要的影響因素。丘陵區(qū)受基巖山區(qū)高溶解性總固體地下水的補給，TDS質(zhì)量濃度在2 g/L以上，盆地東部山前丘陵區(qū)山子墩一帶最高可達6.5 g/L。盆地中部上華家井一帶水位埋深較深，蒸發(fā)濃縮作用相對較小，農(nóng)業(yè)灌溉回歸淡水淋洗補給占主導作用，地下水溶解性總固體降低，出現(xiàn)了TDS質(zhì)量濃度小于1.0 g/L的淡水。引自大通河地表水水化學組分主要受水巖相互作用影響，為低溶解性總固體淡水。

不同巖性端元間的對比可以判別不同巖石風化溶解對地下水化學組分的影響[19-22]。研究區(qū)地下水主要集中在硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖控制端元，其中，丘陵區(qū)地下水樣品更靠近蒸發(fā)鹽巖端元，而平原區(qū)樣品更靠近硅酸鹽巖端元。地表水樣品介于硅酸鹽巖和碳酸鹽巖端元之間，受硅酸鹽巖和碳酸鹽巖風化溶解作用共同影響（圖8）。

圖8 不同鹽巖風化溶解對水化學組分影響

陰陽離子三角圖能反映水的離子組成，常用于判斷流域巖石風化的控制端元[23-24]。在陽離子Mg2+-Ca2+- (Na++K+)三角圖中（圖9a），秦王川盆地下水樣品主要落在硅酸鹽巖風化控制端元。在陰離子SiO2-HCO3-- (Cl-+SO42-)三角圖中（圖9b），秦王川盆地丘陵區(qū)地下水樣品主要靠近鹽巖或蒸發(fā)鹽巖溶解控制端元，平原區(qū)樣品主要靠近硫酸風化硅酸鹽巖和碳酸風化硅酸鹽巖控制端之間。說明，秦王川盆地地下水化學組分受硅酸鹽巖風化溶解以及巖鹽和蒸發(fā)巖鹽溶解作用所控。這與處于西北干旱地區(qū)地下水離子組分以蒸發(fā)巖溶解為主相一致[16,22]。

注：圖中數(shù)字表示主要離子組分含量百分比。

Scholler[25]利用“氯堿指數(shù)”CAI(chlor alkali index)表示陽離子交換作用的可能性及強度。當?shù)叵滤械腘a+、K+交換圍巖礦物中吸附態(tài)的Ca2+、Mg2+時，CAI1與CAI2值為正；反之，當水中的Ca2+、Mg2+交換圍巖礦物中吸附態(tài)的Na+、K+時，CAI1與CAI2值為負；且陽離子交換作用越強，CAI1與CAI2的絕對值越大。

CAI1=[Cl-?(Na++K+)]/Cl-（1）

CAI2=[Cl-?(Na++K+)]/(SO42-+HCO3-+CO32-+NO3-）（2）

由圖10可見，丘陵區(qū)大部分樣品點的CAI1和CAI2為正值；平原區(qū)大部分樣品點CA1和CA2為負值，地表水點CA1和CA2為負值。丘陵區(qū)地下水樣品點CA1和CA2絕對值變化范圍均較小，CA1和CA2絕對值均集中在0～0.5之間；平原區(qū)地下水樣品點CA1的絕對值集中在0～0.7之間，CA2絕對值介于0～3.5。說明秦王川盆地同時發(fā)生著正向和逆向陽離子交換作用，丘陵區(qū)地下水中的Na+交換圍巖中的Ca2+、Mg2+；平原區(qū)地下水中的Ca2+、Mg2+交換圍巖中的Na+、K+；除了盆地中心帶地下水（圖10左下角樣品）陽離子交換作用相對強烈外，大部分地區(qū)地下水陽離子交換作用相對較弱。

圖10 不同地貌單元地下水離子交換作用

2.3.2 “引大入秦”工程對地下水化學組分的影響

在“引大入秦”工程實施前，秦王川盆地地下水的補給量少，徑流量小。隨著灌溉工程的逐步實施和灌溉面積的增加，引大入秦工程灌區(qū)引水量由2000年1.02×108m3增加為2010年的2.1×108m3，灌溉面積由2000年的2.06×104hm2增加為2010年的2.87×104hm2，單位面積灌溉量也呈逐年增加的趨勢（圖11）。灌溉回歸滲水成為地下水的主要補給來源，同時盆地外泄的流量也在逐年增加[13]。工程運行初期，在灌溉回歸水淋溶作用下包氣帶中的易溶鹽分進入地下水向下游遷移富集，地下水溶解性總固體升高明顯。隨著工程的繼續(xù)運行，盆地灌區(qū)上游和中游包氣帶逐漸脫鹽[8]，工程運行17 a盆地中游平原區(qū)地下水溶解性總固體逐漸降低，地下水水質(zhì)淡化明顯。然而在盆地周緣黃土丘陵區(qū)地下水資源貧乏，水循環(huán)交替弱，同時地層中富有高含量的易溶鹽，在降雨淋溶作用下進入地下水導致地下水溶解性總固體呈升高趨勢。

注：數(shù)據(jù)來源于“引大入秦工程管理局年報”。

Note: Data adapted from Administration of Bring Datong River to Qinwangchuan project

圖11灌區(qū)引水量及灌溉面積年際變化

Fig.11 Interannual variation of irrigated water volume and irrigation area

2.3.3 人為活動輸入影響

地下水中的NO3－主要來自于農(nóng)業(yè)化肥的使用和城市生活污水的排放，而SO42-多來自于硫化礦物的溶解、工礦業(yè)活動和大氣沉降。因此地下水中的NO3-/Na+和SO42-/Na+比值的變化反映了農(nóng)業(yè)活動和工礦活動的影響[26-27]。秦王川盆地地下水大部分樣品點2個比值均較?。▓D12a），小部分樣品點偏向工礦活動輸入方向。說明研究區(qū)受工礦活動輸入影響較小。研究區(qū)地下水NO3-/Na+變異較大，NO3-質(zhì)量濃度介于1.1～176.4 mg/L，均值為67.7 mg/L，23.5%的地下水樣品NO3-質(zhì)量濃度超出了地下水3類水標準限值（88.6 mg/L），且NO3-與總硬度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（<0.05）（圖12b）。這說明灌溉在促進秦王川盆地農(nóng)業(yè)發(fā)展的同時，農(nóng)業(yè)化肥的使用也導致地下水中NO3-明顯升高。

圖12人類活動對水化學組分的影響及NO3-與總硬度的關(guān)系

3 結(jié) 論

1）受“引大入秦”灌溉工程影響，研究區(qū)表征天然地下水化學狀態(tài)的Cl·SO4-Na、Cl·SO4-Na·Mg型水范圍逐漸縮小，而受灌溉滲水影響的Cl·SO4-Na·Mg·Ca和HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水范圍逐漸增加。從盆地周緣丘陵區(qū)到中部平原區(qū)，地下水溶解性總固體呈環(huán)狀降低，水化學類型從Cl·SO4-Na型逐漸過渡到HCO3·SO4-Na型。盆地周緣丘陵低山區(qū)Cl·SO4-Na·Mg型地下水分布范圍基本保持不變；盆地中部平原區(qū)地下水由Cl·SO4-Na型演變?yōu)镠CO3·SO4-Na、HCO3·SO4-Na·Ca·Mg、Cl·SO4·HCO3-Na型水。

2）研究區(qū)地下水化學演化受天然和人為因素雙重作用影響，其中灌溉滲水淋洗補給、巖石風化溶解和蒸發(fā)濃縮作用是地下水演化的主導因素。受原生沉積地層中高含量易溶鹽和“引大入秦”灌溉滲水影響，研究區(qū)地下水化學組分變化明顯。工程運行初期，在灌溉滲水淋洗作用下包氣帶易溶鹽進入地下水，使地下水溶解性總固體和硬度升高明顯。隨著時間的推移，包氣帶鹽分被洗脫殆盡，灌溉淋濾水的含鹽量逐漸降低，盆地中部平原匯水區(qū)及盆地南部出口處地下水溶解性總固體下降明顯。秦王川灌區(qū)地下水受工礦企業(yè)污染影響較小，但農(nóng)藥化肥的使用致使地下水中NO3-明顯升高。

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Effects of Yindaruqin irrigation project on groundwater chemical compositions in Qinwangchuan basin in Gansu Province

Lü Xiaoli1,2, Liu Jingtao1※, Han Zhantao1,2, Zhu Liang1, Chen Xi1

(1.,050061,; 2.,050061,)

Hydraulic project alerts hydrological cycle and changes biochemistry of water as a result. In this paper, we investigated the change in groundwater chemistry in Qinwangchuan basin as affected by the Yindaruqin irrigation project. Groundwater samples were taken from the basin and were chemically analyzed before and after the irrigation project was in operation. The change in groundwater chemistry was analyzed using methods including statistics, Gibbs graphs and ions ratios. The results showed that the coefficient of variation (CV) of all main ions was larger than 10%, with their CV in the plain area being higher than that in the loess hill area. The total dissolved solids in the groundwater were currently high, with Na+being the dominant cation and Cl-and SO42-the dominant anions. Salty and brackish water was found in most parts of the basin, and fresh water with total dissolved solids less than 1.0 g/L existed only in the middle of the basin. The total dissolved solids in the groundwater decreased from the loess hills at the edge of the basin towards the central plain area, and the associated hydro-chemical type of the groundwater changed gradually from Cl·SO4-Na type to HCO3·SO4-Na type. Before the irrigation project was constructed, the main geochemical type of the groundwater was Cl·SO4-Na, Cl·SO4-Na·Mg and SO4·Cl–Na. At earlier operating stage of the project, leaching of soluble salts from the topsoil led to an increase in total dissolved solids and hardness in the groundwater. With the decrease in soluble salts in the topsoil due to leaching, however, the total dissolved solids in the groundwater have been in decline since 2009, especially in the center of the plain where the total dissolved solids in the groundwater in some areas had reduced to < 1.0 g/L from > 3.0 g/L and the groundwater type changed from Cl·SO4-Na to HCO3·SO4-Na, HCO3·SO4-Na·Ca·Mg, and Cl·SO4·HCO3-Na, respectively. In contrast, the groundwater chemistry in the loess hills at the edge of the basin did not show significant change due to limited irrigation, and its chemical type is still Cl·SO4-Na·Mg despite a slight increase in total dissolved solids and total hardness. The groundwater type at Dangpu area in the southern basin changed from Cl·SO4-Na to Cl·SO4-Na·Mg, with a light decrease in total dissolved solids and total hardness. The change in groundwater chemistry in the Qinwangchuan basin is affected by both natural and anthropogenic factors. The infiltration and salt leaching due to irrigation increased the total dissolved solids in the groundwater initially followed by a dilution. Rock weathering and dissolution of minerals increased the total dissolved solids, and groundwater evaporation also increased the total dissolved solids in areas where the groundwater table was shallow. The ions in the groundwater originated from silicate weathering and dissolution of halite, along with the evaporation-induced condensation. Industry did not affect groundwater chemistry but the application of chemical fertilizer led to an increase in NO3-in the groundwater. These results provide a useful dataset for sustainable management of the groundwater resources in proximal areas of the Qinwangchuan irrigation project.

drought; irrigation; Qinwangchuan Basin; hydrochemical evolution of groundwater; ion source; chemical weathering

呂曉立，劉景濤，韓占濤，朱亮，陳璽. “引大入秦”灌溉工程對甘肅秦王川盆地地下水化學組分的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(2)：166－174.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.020 http://www.tcsae.org

Lü Xiaoli, Liu Jingtao, Han Zhantao, Zhu Liang, Chen Xi. Effects of Yindaruqin irrigation project on groundwater chemical compositions in Qinwangchuan basin in Gansu Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 166－174. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.020 http://www.tcsae.org

2019-05-03

2019-12-23

中央級科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目（SK201901）；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目（DD20190331，DD20160308）；國家自然科學基金項目（41472226）；河北省自然科學基金項目( D2017504008)

呂曉立，高級工程師，主要從事地下水污染調(diào)查與修復研究。Email：2767398591@qq.com

劉景濤，副研究員，主要從事污染水文地質(zhì)研究。Email：728881944@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.020

S273.4；P641.12

A

1002-6819(2020)-02-0166-09