外来调水对华北低平原区地表水和地下水 水化学特征的影响* ——以河北省南皮县为例

华北低平原区有着巨大的粮食增产潜力,同时也是粮食生产和农业水资源矛盾突出的地区。外来调水与浅层微咸水的联合利用是解决区域水资源问题的有效途径之一,同时也将引起区域水循环和水环境的改变。为明确外来调水对华北低平原区地表水和地下水水化学特征的影响,本研究在华北低平原区河北省南皮县域内对调水后不同季节地表水和地下水进行调查和采样,利用水文地球化学和氢氧(d~2H、d~(18)O)稳定同位素相结合的方法,研究外来调水对地表水和地下水转化及其水化学特征的影响。研究结果表明,11月至翌年7月,受蒸发作用的影响,地表水电导率(EC)和钠吸附比(SAR)增加,d2H、d18O同位素不断富集;由于地表水和周围土壤的交换吸附作用使其水化学类型向Na~+、Cl~-和SO_4~(2-)增加、HCO_3~-减少的咸水转变。调水改变了地表水和浅层地下水之间的补给关系,11月至翌年3月,沟渠附近浅层地下水受外来调水直接或者灌溉补给,使得3月浅层地下水EC降低,埋深变浅,部分采样点分布在外来调水的SAR-EC区域。受调水影响,3月沟渠附近浅层地下水水化学类型为Na·Mg·Ca-Cl·SO_4、Na·Mg-Cl·SO_4·HCO_3、Na·Mg-SO_4·Cl·HCO_3等,是11月调水(Na·Mg·CaSO_4·HCO_3·Cl)和浅层地下水(Na·Mg-Cl·SO_4)的过渡类型。3月至7月浅层地下水补给沟渠水,地下水埋深变深,7月浅层地下水水化学类型与3月相似。调水可以季节性地改善区域内沟渠水及其附近的浅层地下水水质,而对深层地下水和坑塘水的水质无改善作用。调水对沟渠水水质的改善体现在调水季节,对浅层地下水水质的改善存在滞后性,2014年11月调水之后,2015年3月浅层地下水的水质得到改善。因此,采用调水和浅层地下水、坑塘水混合灌溉,对合理开发利用区域咸淡水资源以及深层地下水压采,恢复地下水位意义重大。     

新疆叶尔羌河流域平原区浅层地下水咸化空间分布及成因

为了解新疆叶尔羌河流域平原区地下水咸化特征及成因,该文运用多元统计、地统计等方法并结合遥感技术和地球化学方法对浅层地下水(井深≤100 m)水质演化进行分析。结果表明,研究区地下水呈中性或弱碱性,水化学类型以HCO_3·SO_4-Ca·Mg、SO_4·HCO_3-Na·Ca、SO_4·Cl-Na·Ca (Mg)和Cl·SO_4-Na型为主。咸化系数计算结果表明,单一结构潜水咸化程度较高,承压水区潜水咸化程度相对较低,浅层承压水咸化程度最高。潜水和浅层承压水Cl~-、SO_4~(2-)、溶解性总固体(TDS)半变异函数分析表明,各指标的空间相关性较强;沿地下水流向,潜水Cl~-、SO_4~(2-)、TDS浓度总体呈现升高的趋势,浅层承压水则呈现高低值相间分布的特征。因子分析和聚类分析表明,地下水咸化的影响因素可分为水文地质条件控制(GW1)、地下水化学环境影响(GW2)和人为活动影响(GW3) 3类。GW1类地下水分布范围较广,离子浓度主要受蒸发岩矿物的溶解控制;GW2类地下水分布于草地,地下水化学环境对地下水咸化影响相对较大;GW3类地下水主要分布于耕地和建设用地,地下水咸化受人为活动的影响显著,潜水受到农业灌溉、生活污水和工业污水影响较大,浅层承压水受污染程度相对较低。     

水城盆地空间城镇化对浅层岩溶地下水特征的影响

为研究水城盆地空间城镇化对浅层岩溶地下水的影响,以六盘水市水城盆地为研究对象,通过分析地下水采样点的氢氧同位素和水化学组分、地下水长期监测点的水位资料,研究了地下水补给来源和空间城镇化对岩溶地下水水化学特征、水位动态产生的影响。结果表明:研究区内地下水主要来自大气降水补给,水化学类型主要为HCO_3-Ca和HCO_3·SO_4-Ca型;空间城镇化影响下土地利用类型的空间差异与浅层岩溶地下水诸多离子的富集具有空间一致性,Cl~-和NH_3-N主要富集在建筑用地区,NO_3~-和SO_4~(2-)主要富集在耕地、林地和裸地等非建筑用地区,而Mn和As则主要来自工业建设产生的点源污染。研究区年内和年际地下水水位变幅均趋于稳定,结合该时期的降雨量与地下水水位变幅面积的关系,证明空间城镇化发展导致不透水面的增加,降低了地下水水位对降雨的响应程度,地下水补给条件变差,地下水开采量的变化成为影响地下水水位的主要因素。研究表明:空间城镇化建设的大力推进,改变了盆地内的土地利用方式,严重影响了地下水补给径流条件和地下水水质,造成局部地区有害离子的富集。     

新疆焉耆盆地地下水地球化学特征

采用相关分析法与主成分分析法,研究了新疆焉耆盆地地下水地球化学特征。结果表明:从开都河上游向盆地中部灌溉区,地下水矿化度由0.21g/L增加到37.45g/L,地下水水化学类型依次为HCO_3型、HCO_3-SO_4型、SO_4-Cl型以及Cl-SO_4型。研究区各时期地下水阳离子主要以Mg~(2+)与Ca~(2+)为主,阴离子主要以SO_4~(2-)与Cl~-为主。地下水矿化度,电导率,Mg~(2+),Ca~(2+),SO_4~(2-)与Cl~-均呈现强烈的空间变异性,pH值呈现非常弱的空间变异性。草地的地下水矿化度最高,荒漠地下水矿化度最低。地下水矿化度与主要离子含量从高到低依次为:草地、耕地、林地、荒漠。研究区地下水矿化度的大小与Mg~(2+),Ca~(2+),SO_4~(2-),Cl~-,HCO_3~-等离子含量水平的高低密切相关。     

"引大入秦"灌溉工程对甘肃秦王川盆地地下水化学组分的影响

为研究“引大入秦”灌溉工程对秦王川盆地地下水化学组分的影响,该文在对该盆地地下水进行系统采样分析的基础上,通过对比“引大入秦”工程运行前后盆地内水化学数据,利用数理统计、Gibbs图、离子比等方法,对盆地内地下水化学组分演化进行了深入分析。结果表明:工程运行前,研究区水化学类型以Cl·SO4-Na、Cl·SO4-Na·Mg和SO4·Cl-Na为主。工程运行初期,在灌溉渗水淋洗作用下包气带易溶盐进入地下水,盆地地下水向盐化和硬化方向演化。随着工程的继续运行,包气带盐分被逐步洗脱殆尽,灌溉淋滤水的含盐量逐渐降低,其中处于盆地汇水区的平原区中部下降趋势最为明显,地下水化学类型由Cl·SO4-Na演化为HCO3·SO4-Na(Na·Ca·Mg)和Cl·SO4·HCO3-Na。盆地周缘黄土丘陵区水资源贫乏,受原生沉积地层中高含量易溶盐影响,Cl·SO4-Na·Mg型水分布范围基本保持不变。盆地南部当铺一带地下水由Cl·SO4-Na型演化为Cl·SO4-Na·Mg型水。在这一过程中,研究区水化学组分受硅酸盐岩风化溶解以及岩盐和蒸发岩盐溶解共同作用,在蒸发浓缩作用下富集。盆地地下水受工矿企业污染影响较小,但化肥的使用导致地下水NO3-质量浓度明显升高。研究结果为秦王川灌区地下水资源的可持续发开利用提供参考。     

双河洞小流域主要离子化学特征及其来源分析

为探究岩溶地表水和地下水水化学特征及其各种盐类对主要离子的贡献,以喀斯特小流域为研究尺度,对贵州绥阳双河洞区域地表水和地下水水化学进行野外监测、采样和室内实验,并运用SPSS统计软件对水样点进行主成分分析研究。结果表明:(1)双河洞水化学阳离子主要以Ca~(2+)、Mg~(2+)为主,阴离子以HCO_3~-和SO_4~(2-)为主。水化学类型主要为Ca~(2+)·Mg~(2+)—HCO_3~-型水,而石膏洞为Ca~(2+)·Mg~(2+)—SO_4~(2-)型水。大多数离子的含量随采样点、季节和水体类型的不同而呈显著性差异;(2)岩石风化对流域离子组成影响显著,阴离子主要来自碳酸盐、蒸发盐或岩盐的溶解和风化,蒸发盐溶解是阳离子的主要控制机制,硅酸盐风化侵蚀作用对区域离子变化存在一定影响;(3)主成分分析法得出对区域离子化学组成的影响程度按碳酸盐、蒸发盐和硅酸盐递减,其中H_2CO_3风化碳酸盐岩的影响显著,但在个别地下水主要受H_2SO_4风化碳酸盐岩的影响显著,此外农业活动和居民生活也有一定影响。研究结果对双河洞洞区水资源的保护和开发利用及岩溶碳循环研究具有重要意义。     

浙江省灵江流域地表水化学特征及灌溉适宜性

[目的] 灵江是浙南诸河流域重要河流,在浙南一带具有典型性和代表性。分析灵江流域地表水体的水化学特征和演化机理及其灌溉适宜性,为该区域生态保护和高质量发展提供科学依据。[方法] 综合利用数理统计、Piper三线图、主成分分析和离子比等方法对流域地表水体进行水化学统计分析及成因判别;通过绘制Wilcox图和USSL图评估流域内地表水体灌溉适宜性。[结果] ① 灵江流域地表水的化学类型在空间上具有分带性。从中上游(Ⅰ区)-下游温黄平原河网区(Ⅱ区)-台州湾入海口(Ⅲ区)水化学类型从HCO₃-Ca型向Cl-Na型过渡。②Ⅰ区地表水的化学特征主要受到岩石风化作用中的硅酸盐岩溶解影响,少量受碳酸盐岩溶解影响;Ⅱ区地表水的水化学特征主要受硅酸盐岩溶解影响,Ⅲ区地表水的化学特征主要受蒸发盐岩溶解影响。③Ⅰ,Ⅱ区地表水的K⁺,Na⁺主要来源于硅酸盐矿物溶解,Ca²⁺,Mg²⁺,HCO^-₃,SO^-2₄主要受硅酸盐岩溶解,少量来源于碳酸盐岩的溶解。NO^-₃则主要来源于人类活动。④Ⅰ,Ⅱ区地表水适用于农业灌溉,Ⅲ区地表水灌溉适宜性较差,易引起盐碱害。[结论] 灵江流域地表水体的水化学组分受天然溶解及人类活动共同影响,中上游和下游温黄平原河网区地表水适宜农业灌溉,台州湾入海口地表水易引起盐碱害,在制定农业灌溉及生态保护和高质量发展规划时应予以重视。     

青海省北川河流域地下水水化学特征与水质评价

[目的]分析北川河流域地下水化学特征,从地下水的资源属性角度出发客观评价流域地下水水质状况,为区域地下水环境保护提供数据支撑。[方法]利用2019年北川河流域水文地质水资源调查所获取的189组地下水化学数据分析流域地下水化学成分的分布特征和来源。依据地下水富水性分级对单个样品点的水质类型赋予不同的系数,构建基于地下水富水性分级的区域水质评价方法。[结果]北川河流域地下水化学分布具有较大的空间变化。上游丘陵山区和河谷平原区广泛分布HCO₃~-型淡水,向下游逐渐出现SO₄^2-,Cl~-类型的微咸水、咸水以及指示人类活动影响的HCO₃·Cl-Na型淡水;碳酸盐岩和硅酸盐岩风化溶解对地下水水化学组分来源具有控制作用,局部区域因蒸发浓缩而富集;Al,Fe,Th等天然背景元素是造成流域地下水水质超标的主要指标,Pb,CCl₄、NO₃~-等典型污染组分在工业区和人口集中区地下水中超标更加明显,在人为污染及天然高背景双因素驱动下河谷区地下水质更加复杂;基于采样点数量统计的...     

湘江流域岳麓山周边地区地表水体水化学特征及灌溉适宜性

[目的] 对湘江流域岳麓山地区地表水体进行水化学特征分析及灌溉适宜性评价,为该地区的生态环境保护及水资源综合管理的科学决策提供理论支持。[方法] 以岳麓山周边地区为研究区,从2020年12月至2021年11月采集降水、山涧溪水和湘江河水水样,利用Piper图、Gibbs图、端元图等方法,分析各水体水化学特征以及影响因素。[结果] 降水主要阴阳离子为Ca²⁺,K⁺,SO^2-₄和NO^-₃,无明显水化学类型;山涧溪水主要阴阳离子为Ca²⁺和NO^-₃,主要水化学类型为Cl-Ca·Mg型和Cl-Ca型;湘江河水主要阴阳离子为Ca²⁺和HCO^-₃,主要水化学类型为HCO₃-Ca型。山涧溪水主要受大气降水输入和碳酸盐岩风化控制;湘江河水受碳酸盐岩风化作用影响较大。[结论] Na⁺离子含量,SAR和RSC指标以及其绘制USSL图和Wilcox图分析结果较好,山涧溪水和湘江河水适合用于灌,不易引起盐害或碱害。     

新疆于田绿洲地下水化学性质的数理统计分析

根据于田绿洲地下水水质分析结果,应用统计分析方法分析地下水化学特征,提取出对水质影响较大的离子为HCO-3、Na++K+和Cl-;地下水水质为碱性、弱硬水-极硬水,淡水、弱矿化水和中等矿化水在研究区内均有分布;研究区的地下水可划分为淡-弱矿化的HCO3-Na型水和弱-中等矿化的HCO3-Na型水两种类型;建立了地下水的主成分分析模型和总溶解固体与离子含量的回归模型.     

Element mass balances for South Carolina Coastal Plain watersheds

Element mass balance estimates for South Carolina Coastal Plain watersheds indicate that fertilizers and liming materials are the major sources for inputs of Ca, Mg, K, Cl, and HCO₃ whereas precipitation is the major input for Na and SO₄. Stream flow is the chief mode of output for all of these elements. A balance between input and output is evident only for Cl. Retentions of 50% or more are shown by Ca, Mg, K, HCO₃ and SO₄ whereas Na shows an apparent net loss. The retention of Ca, Mg and HCO₃ suggests that less than 25% of the dolomitic liming materials applied to the landscape actually dissolve and that the carbonate chemistry of Lower Coastal Plain streams is therefore probably largely controlled by seepage of groundwaters from underlying calcareous aquifers. The retention of K and the loss of Na may be due to cation exchange reactions on soil clays whereas the apparent retention of SO₄ is probably due to reduction to H₂S in floodplain environments and soil adsorption.     

河北曲周盐渍土区的地下水化学特征

对河北曲周县盐渍土区浅层地下水的水化学类型、基本化学性质、主要化学组分及其形式和微量元素的状况及分布等化学特征进行了分析和研究。资料表明，该区地下水化学类型以Cl-SO4型为主，其次为SO4-Cl型。阳离子以Ca∧2 为主，其次为Na∧ 。各地下水化学类型可用于3种特征指标，即rHCO3/r（Cl SO4)、rSO4/rCl和rNa/r（Ca Mg），加以区分。地下水矿化度平均3.11gL∧-1，最高达17gL∧-1。以Cl-SO4和SO4-Cl型的矿化度和离子强度较高。全区纳吸附比较低，基本上无钠害问题。饱和指数表明，地下水中石膏和硬石膏呈非饱和状态，而方解石、霰石呈过饱和状态。除主要游离子外，化学组分形式中CaSO∧04、MgSO∧04、CaHCO∧ 3和MgHCO∧ 3等配合物和配离子的相对浓度较高。地下水中微量元素Cr、Cd和Fe的含量较高，应注意其水质问题，除Zn外，各微量元素浓度均与矿化度呈极显著（或显著）相关。     

Effects of Land Use on Hydrochemistry and Contamination of Karst Groundwater from Nandong Underground River System, China

The Nandong Underground River System (NURS) is located in Southeast Yunnan Province, China. Groundwater in NURS plays a critical role in socio-economical development of the region. However, with the rapid increase of population in recent years, groundwater quality has degraded greatly. In this study, the analysis of 36 groundwater samples collected from springs in both rain and dry seasons shows significant spatial disparities and slight seasonal variations of major element concentrations in the groundwater. In addition, results from factor analysis indicate that NO ₃ ^? , Cl^?, SO ₄ ^2? , Na⁺, K⁺, and EC in the groundwater are mainly from the sources related to human activities while Ca²⁺, Mg²⁺, HCO ₃ ^? , and pH are primarily controlled by water–rock interactions in karst system with Ca²⁺ and HCO ₃ ^? somewhat from anthropogenic inputs. With the increased anthropogenic contaminations, the groundwater chemistry changes widely from Ca-HCO₃ or Ca (Mg)-HCO₃ type to Ca-Cl (+NO₃) or Ca (Mg)-Cl (+NO₃), and Ca-Cl (+NO₃+SO₄) or Ca (Mg)-Cl (+NO₃+SO₄) type. Concentrations of NO ₃ ^? , Cl^?, SO ₄ ^2? , Na⁺, and K⁺ generally show an indistinct grouping with respect to land use types, with very high concentrations observed in the groundwater from residential and agricultural areas. This suggests that those ions are mainly derived from sewage effluents and fertilizers. No specific land use control on the Mg²⁺ ion distribution is observed, suggesting Mg²⁺ is originated from natural dissolution of carbonate rocks. The distribution of Ca²⁺ and HCO ₃ ^? does not show any distinct land use control either, except for the samples from residential zones, suggesting the Ca²⁺ and HCO ₃ ^- mainly come from both natural dissolution of carbonate rocks and sewage effluents.     

黑龙港流域微地貌与地下水埋深对土壤潜在盐渍化的影响

[目的]对近年河北省曲周县土壤潜在盐渍化进行多方位评价,为预防土壤盐渍化提供科学依据。[方法]通过微咸水灌溉试验、土壤剖面观测和土样分析,从海拔高度、土层深度、地下水埋深、土壤质地几个方面对黑龙港流域土壤盐分运移以及其对土壤潜在盐渍化的影响进行探讨。[结果]从区域角度分析,降雨和用微咸水灌溉加剧了表层盐分向下层淋洗的可能性,从而使土壤盐分多在40—100cm土层聚集。质地较为黏重的土层阻止了土壤盐分的运移而聚积在该土层之上,为土壤潜在盐渍化创造了条件。土壤盐分含量与海拔高度呈现出很好的相关性,其复相关指数R2=0.76。HCO_3~-的表聚现象比较明显,各土层土壤SO_4~(2-)离子和Ca~(2+)离子与全盐含量之间达到了显著和极显著相关(0.88*~1.00**,0.89*~0.97**),Ca~(2+)离子与SO_4~(2-)离子之间达到了显著和极显著相关(0.86*~0.97**)。[结论]微地貌和土体构型的变化将会影响到土壤盐分的重新分配,进而对土壤潜在盐渍化有重要影响。     

Soluble components of sediments and their relation with dissolved arsenic in aquifers from the Hetao Basin,Inner Mongolia

Purpose

High groundwater arsenic (As) and salinity have been detected in aquifers of the Hetao Basin in Mongolia which have caused serious public health concerns. The objective of this study was to characterize the distributions of the soluble components in sediment in different lithologies and depths and to assess the relationship between soluble As in sediments and dissolved As in groundwater.

Materials and methods

One hundred and one sediment samples and 13 groundwater samples were collected from four boreholes at varied depths. In addition to total chemicals and mineralogical phases of sediments, the soluble components (including major ions and As, Fe, and Mn) in sediments and dissolved chemicals in groundwater were analyzed.

Results and discussion

Clay or silty clay had relatively higher EC values (189–805 μS cm^?1) than aquifer sands (approximately 92–261 μS cm^?1). The major soluble components were Na⁺, Ca²⁺, HCO₃ ^?, and SO₄ ^2?, which were more variable in clay samples than fine sand samples. Soluble As concentrations ranged between 2 and 950 μS cm^?1, and high contents generally occurred in clay sediments with high contents of soluble Fe and Mn. A comparison of chemicals between soluble components in sediments and dissolved species in groundwaters at matched depths showed that chemicals were preferentially partitioned into sediments at the mountain front and deep aquifers (>60 m), while partitioned into groundwater in the shallow aquifers (<60 m) of the flat plain. Arsenic was preferentially partitioned into groundwater in aquifers with relatively low dissolved SO₄ ^2?.

Conclusions

Groundwater components were mostly sourced from corresponding sediments. In clay sediments, As was desorbed from the surface sites along with other soluble components. Under reducing conditions, reduction of Fe oxides with high surface sites for As adsorption led to a weak association of As with other phases (such as carbonates), and therefore resulted in high dissolved As concentrations and low As partition between sediments and groundwater in deep aquifers.

     

再生水灌溉区农田包气带及地下水中硝酸盐分布特征及来源研究

本文通过对华北平原典型再生水灌溉区(河北省石家庄洨河流域)的包气带土壤、地表水和地下水进行采样分析,对硝酸盐在多种环境介质中的来源与环境行为进行了研究,识别了再生水灌溉区地下水硝酸盐污染来源,明确了不同灌溉条件对包气带土壤中硝酸盐迁移的影响。在受到城市再生水严重影响的洨河流域,地下水中的硝酸盐浓度分布范围在4.0 mg·L?1到156.6 mg·L?1之间,已经形成了距离河道2 km、深度70 m的硝酸盐高值区域,经过计算硝酸盐的垂向扩散速率为每年1～2 m。硝酸盐与氯离子的相关性表明,城市再生水是再生水灌溉区包气带、地表水和地下水中硝酸盐的主要来源。利用Geoprobe获取利用不同灌溉水农田土壤剖面样品,研究再生水对厚包气带NO3?-N垂向分布影响,再生水灌溉区和地下水灌溉区中包气带土壤的NO3?-N的平均含量为137.0 mg·kg-1和107.7 mg·kg-1,最高含量523.2 mg·L?1和725.9 mg·L?1,分别出现1.20 m和0.85 m深度,分布规律有着明显的差别。包气带土壤硝酸盐与氯离子的相关性分析表明,再生水灌溉区土壤硝酸盐主要来源于城市再生水,而地下水灌溉区可能来源于农田氮肥。地下水年龄和硝酸盐之间关系表明,地下水中1975年以前补给的硝酸盐浓度低于1975年以后补给,地下水硝酸盐污染与包气带氮入渗的历史过程密切相关。在华北平原特殊的地质水文背景下,农田面源污染对地下水的影响有限,但再生水灌溉区地下水硝酸盐污染的风险较高。     

Effect of excess MgSO4 or Mg(HCO3)2 in irrigation water on corn growth

Abstract

Some irrigation waters have a high Mg/Ca ratio. The objective of the experiment reported herein was to compare the effect of high Mg in combination with different anions and different EC levels on the growth of corn (Zea mays L.). Corn was grown in the greenhouse in a calcareous soil equilibrated and irrigated with the following waters: 1) tap water (check, EC = 0.078 dS/m, SAR = 0.1); 2) Mg(HCO₃)₂, EC=1 dS/m; 3) Mg(HCO₃)₂, EC = 3; 4) MgSO₄₎ EC=1; 5) MgSO₄, EC=3; 6) MgSO₄, EC = 6; and 7) and 8) mixed salts (Ec = 3 & 6 dS/m, SAR = 5, Ca: Mg = 3: 1, Cl: SO₄ = 2: 1). Yield depressions of top growth caused by mixed‐salt waters (EC = 3 & 6) were 17 and 26%, respectively, compared to yields obtained with tap water. Single‐salt MgSO₄ waters (EC = 1, 3 & 6) reduced corn tops 19, 38, and 59%, respectively, more than the mixed‐salt solutions at equivalent soil salinity levels probably due to Mg‐induced Ca deficiency. The Mg(HCO₃)₂ waters (EC = 1 & 3) reduced top growth 45 and 87% more than the mixed salt solutions. Thus Mg (HCO₃)₂ was more than twice as depressive on corn top growth as MgSO₄. Corn root growth depression was similar to top growth depression. Leaf Ca: Mg ratio was related to their ratio in the soil solution. The leaf Ca and Mg concentrations were almost the same for plants irrigated with Mg(HCO₃)₂ or MgSO₄ at EC = 1. Therefore, Mg: Ca ratio of leaves did not explain the yield differences between the two Mg salts. Nutrient imbalances and a high pH of 9 were possibly responsible for the lower yields in the presence of Mg(HCO₃)₂.