鄭文君

（湖北安源安全環(huán)?？萍加邢薰荆錆h 430040）

灌溉對大同盆地高砷地下水的影響

鄭文君

（湖北安源安全環(huán)?？萍加邢薰?，武漢 430040）

本次試驗的主要目的是研究采取深層地下水灌溉對淺層地下水造成的影響。經(jīng)過現(xiàn)場值以及后期帶回測定的樣品的處理和分析，筆者發(fā)現(xiàn)地下水中電導(dǎo)率、溶解氧、砷含量、氫氧同位素指標(biāo)在灌溉水入滲、氧化還原、蒸發(fā)等多種作用混合的情況下發(fā)生明顯變化。尤其在2.0 m的潛水面處多次出現(xiàn)峰值，并且隨著灌溉的進(jìn)行出現(xiàn)相應(yīng)的滯后現(xiàn)象，很多明顯的變化在灌溉停止后才逐漸顯現(xiàn)。由此可見，灌溉對研究區(qū)域地下水水化學(xué)場造成了顯著的影響，其具體表現(xiàn)為潛水面的升降及地下氧化還原條件的變化。

灌溉；砷；地下水；氧化還原

大同盆地位于大同市、陽方口、渾源、天鎮(zhèn)之間，該地海拔大都在1 000～1 100 m，年降水量400 mm左右，年均氣溫7℃左右，屬溫帶半干旱地區(qū)，蒸發(fā)強(qiáng)烈。從山前到盆地中心，沉積物顆粒由卵石、礫石逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉奂?xì)砂、黏土，厚度逐漸加大。盆地中部沖洪積平原地下水主要接受大氣降水垂直入滲補(bǔ)給，部分為側(cè)向洪積傾斜平原地下水徑流補(bǔ)給；主要排泄方式為潛水蒸發(fā)和人工開采。桑干河是本區(qū)主干河流。盆地及周圍山區(qū)地下水的運(yùn)動規(guī)律大體上受河系控制，徑流方向為由盆地周邊經(jīng)洪積傾斜平原向盆地中心運(yùn)動[1]。

試驗區(qū)設(shè)置在山陰縣大營村，當(dāng)?shù)卮迕褚苑N植玉米、向日葵和小米為主，有村民反映近兩年降水量低于往年同期，農(nóng)作物長勢較差，出現(xiàn)了不結(jié)果實的情況。當(dāng)?shù)氐臍夂蜉^為干旱，沒有豐富的地表水源，村民抽取地下水進(jìn)行灌溉，長年抽取地下水灌溉，會對地下水系統(tǒng)造成不可小覷的變化，使得砷在含水層中的富集和遷移機(jī)制發(fā)生變化。因此，把灌溉對高砷地下水造成的影響作為實驗課題，不僅有助于人們了解區(qū)域地下水水文地球化學(xué)的演化過程，而且可為當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬎踩稗r(nóng)業(yè)灌溉提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 樣品采集與分析

1.1 工作區(qū)情況簡介

2015年8月2日，筆者在大營村選擇一片較為平坦開闊的區(qū)域作為工作區(qū)，工作區(qū)的規(guī)格為南北向長50 m，東西向?qū)?0 m的長方形。沿工作區(qū)對角線對稱設(shè)置九個井群，每個井群設(shè)置六個小井進(jìn)行監(jiān)測，選定井群及每口監(jiān)測井的具體位置。此外，設(shè)置有兩個抽水井CW和PW2，兩抽水井的深度分別為24 m和38 m。抽水井CW位于工作區(qū)南北向中部東側(cè)，離工作區(qū)約50 m，抽水機(jī)PW2位于工作區(qū)西南方向約150 m處。其中CW井灌溉范圍為5、6、7、8、9井群，測定流量為5 063.29 L/h，PW2井灌溉范圍為1、2、3、4井群，測定流量為2 926.83 L/h。

每個點位均打六口井，1至3號井（0.5 m、1.0 m，1.5 m）打至包氣帶，4號井（2.0 m）打至潛水面附近，5號井（10 m）打至潛水含水層。由于試驗區(qū)域較小且井群間距較近，各點位測量數(shù)值差別較小，因此筆者對位于試驗區(qū)中心的5號井群著重分析。此外24 m處涉及水巖相互作用等較為復(fù)雜的反應(yīng)，由于其深度較大，其對灌溉的影響較為滯后，文中不做重點討論。

1.2 采樣及保存方法

為了明確探究灌溉對高砷地下水系統(tǒng)造成的影響，清楚地分析出灌溉前后及過程中地下水中各種組分的變化，明確其機(jī)理，筆者以山西大同盆地山陰縣大營村作為典型研究區(qū)，先后開展了4次水樣采集工作。

第一次采集灌溉前水樣20份。第二、三次是采集灌溉過程中的水樣，采樣54*2份。第四、五次是在灌溉完畢后采樣54*2份。接著，分別對水樣進(jìn)行常規(guī)水化學(xué)分析、陰陽離子分析、氫氧同位素、砷形態(tài)現(xiàn)場分離及砷含量測定。前后共進(jìn)行五次采樣，是為了更直觀地對比出灌溉前、灌溉中、灌溉后地下水中各種組分的變化趨勢，明確灌溉造成的影響。

在本次研究中，地下水樣采自陶土頭和抽水泵，陶土頭用于采集淺層地下水（0.5 m，1.0 m，1.5 m，2.0 m，10 m），抽水泵用于采集相對較深層的地下水（24 m）。均在出水30 min后取樣，以確保獲取新鮮的地下水。采集地下水時有些特殊組分需要加入一定化學(xué)試劑保存，所用試劑一律為優(yōu)級純。砷形態(tài)分離步驟采用Le等（2000）的方法。

1.3 樣品的分析方法

現(xiàn)場測定高砷地下水的水化學(xué)指標(biāo)：pH、電導(dǎo)率、溶解氧，氧化還原電位用美國Hach sension2和Hach LDOTM HQ10便攜式測定儀測定。堿度在取樣當(dāng)天用滴定法測定，其他水化學(xué)指標(biāo)在水樣采集后一周內(nèi)進(jìn)行測試。其中F-、cl-、、NO3、SO4等用美國Dionex公司的產(chǎn)品DX-120離子色譜儀進(jìn)行測定；Ca、Mg、Na、K、Fe、Mn等陽離子用美國熱電公司IRIS IntrepidⅡXSP型ICP-AES進(jìn)行測定；As及水中砷形態(tài)現(xiàn)場分離后的各形態(tài)砷含量采用北京吉天公司AFS830用氫化物發(fā)生原子熒光法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 水位分析

圖1 5號點水位動態(tài)圖

從圖1可以看出，初始潛水面大約在地面以下2.2 m左右處，隨著灌溉的進(jìn)行，約1 d水位第一次達(dá)到峰值，滯后水位迅速下降至初始潛水位，隨著灌溉進(jìn)行到6 d左右，水位再次達(dá)到峰值，直至灌溉結(jié)束。但是，水位在第一次峰值過后出現(xiàn)了約4～5 d的平穩(wěn)期，這與實際情況不相符，原因可能是：（1）試驗區(qū)地形不平穩(wěn)，灌溉水到達(dá)各井群的時間有差別，導(dǎo)致水位變化有所滯后[2-3]；（2）土壤在濕潤狀態(tài)下水的垂向入滲速度，要小于在干燥狀態(tài)下的垂向入滲速度；（3）抽水井抽出大量的水，其他點位的地下水對其補(bǔ)給導(dǎo)致水位下降，正好水位下降的速度等于灌溉入滲的速度[4]。在這種均衡的狀態(tài)下，地下水水位沒有立即發(fā)生變化。

2.2 水化學(xué)分析

根據(jù)piper三線圖對7號井群的6口井灌溉前至灌溉結(jié)束進(jìn)行水化學(xué)分類。灌溉前后1-5號井的水化學(xué)類型并未因灌溉發(fā)生變化，一直為NaCl型水。原因如下：由于氣候干旱，試驗田周圍小部分區(qū)域出現(xiàn)鹽堿地，地表明顯有部分白色晶體析出[5]；灌溉的地下水對地表起了沖刷和淋濾的作用，將地表和淺層的鹽分帶入地下水中，使其Na離子和Cl離子濃度明顯升高[6]，因此在淺層區(qū)域始終是NaCl型水。

2.3 砷含量分析

圖2 5號井群As（Ⅲ）隨深度的變化

圖3 5號井群TAs隨深度變化

選取試驗田正中心的五號點的井群進(jìn)行分析，從圖2、圖3可以看出，As（Ⅲ）、TAs都表現(xiàn)出非常明顯的規(guī)律。結(jié)合水位動態(tài)圖分析：（1）先縱向分析，砷濃度隨深度的增加先增大后減少，在2 m處砷含量最高。已知2 m為最接近潛水面的位置，以2 m為界，其上部為氧化環(huán)境，下部為還原環(huán)境。在包氣帶中以垂向運(yùn)移為主，在潛水含水層中以水平運(yùn)移為主。在灌溉的作用下，包氣帶中的砷被垂向運(yùn)移到潛水面并在此處大量富集，因此此處的砷含量明顯大于其他深度的井。（2）再橫向分析，砷含量隨灌溉的進(jìn)行先增加后減少。在灌溉停止后的第一次取樣中呈現(xiàn)出最大值。隨著灌溉的進(jìn)行，地下水位增加，潛水面不斷抬升，灌溉停止后水位在峰值處穩(wěn)定一段時間后開始下降。這致使原來的氧化環(huán)境變成還原環(huán)境，這與氧化還原指標(biāo)的結(jié)果正好吻合。筆者由此推斷：在氧化環(huán)境中Fe與As結(jié)合，在還原環(huán)境中這種絡(luò)合物無法穩(wěn)定存在，分解后導(dǎo)致砷的含量顯著增加[7-8]。另外，五號位的井群由PW2灌溉，PW2的As（Ⅲ）、TAs濃度分別為136.01、319.32。抽水井的砷濃度遠(yuǎn)大于5號井群的砷濃度，根據(jù)溶質(zhì)勢的運(yùn)移原理也可推斷出井中砷含量會先出現(xiàn)增加的趨勢，并且五價砷的漲勢要強(qiáng)于三價砷，可見在灌溉過程中帶入的氧氣使得部分三價砷被氧化。

2.4 電導(dǎo)率變化分析

圖4 五號井群電導(dǎo)率隨深度的變化

圖4為五號井群電導(dǎo)率隨深度變化的折線圖。（1）先縱向分析，人們可以看出明顯的規(guī)律，同一口井隨著深度的增加，電導(dǎo)率先減小后增大再減小。出現(xiàn)這種變化趨勢的原因是本區(qū)域含水層深度大約在2 m左右，電導(dǎo)率最大的位置在2 m處，分析此處為包氣帶和潛水含水層交界的位置，此處地下水與土壤作用強(qiáng)烈，將土壤中大量鹽分溶解且此處空氣更替迅速，CO2等氣體濃度較高，促進(jìn)水土間相互作用的速度。（2）再進(jìn)行橫向分析，對比同一口井灌溉前后的電導(dǎo)率值，人們可以看出電導(dǎo)率先增高再降低。原因是潛水面隨著灌溉的進(jìn)行明顯升高，但是這一現(xiàn)象滯后于灌溉，因此在灌溉過程中取樣分析，人們會發(fā)現(xiàn)水樣電導(dǎo)率未發(fā)生明顯變化[8]。灌溉結(jié)束后潛水面明顯升高，這致使地下水垂向運(yùn)移，灌溉水溶解了大量地表的鹽分并帶入地下水中。后期潛水位回落，灌溉中被淹沒的部分又恢復(fù)為包氣帶[9]。

2.5 氫氧同位素分析

圖5為深度0.5 m下不同批次所采取的δ18O與δ2H的關(guān)系圖。本研究區(qū)至今沒有完整的大氣降水δ18O和δ2H的歷史記錄，故采用包頭臺站的降水同位素組成作為近似的當(dāng)?shù)卮髿饨邓€。包頭臺站大氣降水δ18O和δ2H的平均值分別是-58‰和-8.3‰，當(dāng)?shù)亟邓€方程為：δ2H=6.3δ18O-5.4[10]。從圖中可以得出結(jié)論，此次所采取的水樣的δ18O-δ2H均落在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的下方，表明了其蒸發(fā)作用的存在。

圖5 0.5 m處δ18O與δ2H關(guān)系圖

隨著灌溉的進(jìn)行，不同深度采取的樣品的δ18O-δ2H回歸線的斜率均有一定程度的減小，表明蒸發(fā)作用的存在。此外，0.5 m深度不同批次采取的樣品的回歸線之間斜率相近但是發(fā)生明顯偏離，可能為灌溉回水與蒸發(fā)后的孔隙水混合后形成[11-12]。

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Effect of Irrigation on High Arsenic Groundwater in Datong Basin

Zheng Wenjun
（Hubei AnYuan Security Environmental Protection Technology Co., Ltd., Wuhan 430040, China）

The main purpose of this experiment is to study the influence of deep groundwater irrigation on shallow groundwater. Through the analysis of the scene and later back to the value of the sample was measured, the author found that the underground water conductivity, dissolved oxygen, arsenic content and isotopic indicators changed significantly in irrigation water infiltration, evaporation, oxidation and reduction of various functions such as mixed case. Especially in the phreatic surface of 2 m, many peaks occurred, and the corresponding hysteresis appeared with the irrigation. Many obvious changes appeared gradually after the irrigation stopped. This shows that irrigation has a significant influence on the hydrochemical field of groundwater in the study area, which is manifested as the rise and fall of phreatic water and the change of underground redox conditions.

irrigation; arsenic; groundwater; oxidation reduction

X131.3

A

1008-9500(2017)09-0021-04

2017-07-14

鄭文君（1992-），女，湖北十堰人，碩士研究生，助理工程師，從事電力安全評價工作。