郑文君

（湖北安源安全环保科技有限公司，武汉 430040）

灌溉对大同盆地高砷地下水的影响

郑文君

（湖北安源安全环保科技有限公司，武汉 430040）

本次试验的主要目的是研究采取深层地下水灌溉对浅层地下水造成的影响。经过现场值以及后期带回测定的样品的处理和分析，笔者发现地下水中电导率、溶解氧、砷含量、氢氧同位素指标在灌溉水入渗、氧化还原、蒸发等多种作用混合的情况下发生明显变化。尤其在2.0 m的潜水面处多次出现峰值，并且随着灌溉的进行出现相应的滞后现象，很多明显的变化在灌溉停止后才逐渐显现。由此可见，灌溉对研究区域地下水水化学场造成了显著的影响，其具体表现为潜水面的升降及地下氧化还原条件的变化。

灌溉；砷；地下水；氧化还原

大同盆地位于大同市、阳方口、浑源、天镇之间，该地海拔大都在1 000～1 100 m，年降水量400 mm左右，年均气温7℃左右，属温带半干旱地区，蒸发强烈。从山前到盆地中心，沉积物颗粒由卵石、砾石逐渐转变为粉细砂、黏土，厚度逐渐加大。盆地中部冲洪积平原地下水主要接受大气降水垂直入渗补给，部分为侧向洪积倾斜平原地下水径流补给；主要排泄方式为潜水蒸发和人工开采。桑干河是本区主干河流。盆地及周围山区地下水的运动规律大体上受河系控制，径流方向为由盆地周边经洪积倾斜平原向盆地中心运动[1]。

试验区设置在山阴县大营村，当地村民以种植玉米、向日葵和小米为主，有村民反映近两年降水量低于往年同期，农作物长势较差，出现了不结果实的情况。当地的气候较为干旱，没有丰富的地表水源，村民抽取地下水进行灌溉，长年抽取地下水灌溉，会对地下水系统造成不可小觑的变化，使得砷在含水层中的富集和迁移机制发生变化。因此，把灌溉对高砷地下水造成的影响作为实验课题，不仅有助于人们了解区域地下水水文地球化学的演化过程，而且可为当地居民的饮水安全及农业灌溉提供技术指导。

1 样品采集与分析

1.1 工作区情况简介

2015年8月2日，笔者在大营村选择一片较为平坦开阔的区域作为工作区，工作区的规格为南北向长50 m，东西向宽30 m的长方形。沿工作区对角线对称设置九个井群，每个井群设置六个小井进行监测，选定井群及每口监测井的具体位置。此外，设置有两个抽水井CW和PW2，两抽水井的深度分别为24 m和38 m。抽水井CW位于工作区南北向中部东侧，离工作区约50 m，抽水机PW2位于工作区西南方向约150 m处。其中CW井灌溉范围为5、6、7、8、9井群，测定流量为5 063.29 L/h，PW2井灌溉范围为1、2、3、4井群，测定流量为2 926.83 L/h。

每个点位均打六口井，1至3号井（0.5 m、1.0 m，1.5 m）打至包气带，4号井（2.0 m）打至潜水面附近，5号井（10 m）打至潜水含水层。由于试验区域较小且井群间距较近，各点位测量数值差别较小，因此笔者对位于试验区中心的5号井群着重分析。此外24 m处涉及水岩相互作用等较为复杂的反应，由于其深度较大，其对灌溉的影响较为滞后，文中不做重点讨论。

1.2 采样及保存方法

为了明确探究灌溉对高砷地下水系统造成的影响，清楚地分析出灌溉前后及过程中地下水中各种组分的变化，明确其机理，笔者以山西大同盆地山阴县大营村作为典型研究区，先后开展了4次水样采集工作。

第一次采集灌溉前水样20份。第二、三次是采集灌溉过程中的水样，采样54*2份。第四、五次是在灌溉完毕后采样54*2份。接着，分别对水样进行常规水化学分析、阴阳离子分析、氢氧同位素、砷形态现场分离及砷含量测定。前后共进行五次采样，是为了更直观地对比出灌溉前、灌溉中、灌溉后地下水中各种组分的变化趋势，明确灌溉造成的影响。

在本次研究中，地下水样采自陶土头和抽水泵，陶土头用于采集浅层地下水（0.5 m，1.0 m，1.5 m，2.0 m，10 m），抽水泵用于采集相对较深层的地下水（24 m）。均在出水30 min后取样，以确保获取新鲜的地下水。采集地下水时有些特殊组分需要加入一定化学试剂保存，所用试剂一律为优级纯。砷形态分离步骤采用Le等（2000）的方法。

1.3 样品的分析方法

现场测定高砷地下水的水化学指标：pH、电导率、溶解氧，氧化还原电位用美国Hach sension2和Hach LDOTM HQ10便携式测定仪测定。碱度在取样当天用滴定法测定，其他水化学指标在水样采集后一周内进行测试。其中F-、cl-、、NO3、SO4等用美国Dionex公司的产品DX-120离子色谱仪进行测定；Ca、Mg、Na、K、Fe、Mn等阳离子用美国热电公司IRIS IntrepidⅡXSP型ICP-AES进行测定；As及水中砷形态现场分离后的各形态砷含量采用北京吉天公司AFS830用氢化物发生原子荧光法测定。

2 结果与讨论

2.1 水位分析

图1 5号点水位动态图

从图1可以看出，初始潜水面大约在地面以下2.2 m左右处，随着灌溉的进行，约1 d水位第一次达到峰值，滞后水位迅速下降至初始潜水位，随着灌溉进行到6 d左右，水位再次达到峰值，直至灌溉结束。但是，水位在第一次峰值过后出现了约4～5 d的平稳期，这与实际情况不相符，原因可能是：（1）试验区地形不平稳，灌溉水到达各井群的时间有差别，导致水位变化有所滞后[2-3]；（2）土壤在湿润状态下水的垂向入渗速度，要小于在干燥状态下的垂向入渗速度；（3）抽水井抽出大量的水，其他点位的地下水对其补给导致水位下降，正好水位下降的速度等于灌溉入渗的速度[4]。在这种均衡的状态下，地下水水位没有立即发生变化。

2.2 水化学分析

根据piper三线图对7号井群的6口井灌溉前至灌溉结束进行水化学分类。灌溉前后1-5号井的水化学类型并未因灌溉发生变化，一直为NaCl型水。原因如下：由于气候干旱，试验田周围小部分区域出现盐碱地，地表明显有部分白色晶体析出[5]；灌溉的地下水对地表起了冲刷和淋滤的作用，将地表和浅层的盐分带入地下水中，使其Na离子和Cl离子浓度明显升高[6]，因此在浅层区域始终是NaCl型水。

2.3 砷含量分析

图2 5号井群As（Ⅲ）随深度的变化

图3 5号井群TAs随深度变化

选取试验田正中心的五号点的井群进行分析，从图2、图3可以看出，As（Ⅲ）、TAs都表现出非常明显的规律。结合水位动态图分析：（1）先纵向分析，砷浓度随深度的增加先增大后减少，在2 m处砷含量最高。已知2 m为最接近潜水面的位置，以2 m为界，其上部为氧化环境，下部为还原环境。在包气带中以垂向运移为主，在潜水含水层中以水平运移为主。在灌溉的作用下，包气带中的砷被垂向运移到潜水面并在此处大量富集，因此此处的砷含量明显大于其他深度的井。（2）再横向分析，砷含量随灌溉的进行先增加后减少。在灌溉停止后的第一次取样中呈现出最大值。随着灌溉的进行，地下水位增加，潜水面不断抬升，灌溉停止后水位在峰值处稳定一段时间后开始下降。这致使原来的氧化环境变成还原环境，这与氧化还原指标的结果正好吻合。笔者由此推断：在氧化环境中Fe与As结合，在还原环境中这种络合物无法稳定存在，分解后导致砷的含量显著增加[7-8]。另外，五号位的井群由PW2灌溉，PW2的As（Ⅲ）、TAs浓度分别为136.01、319.32。抽水井的砷浓度远大于5号井群的砷浓度，根据溶质势的运移原理也可推断出井中砷含量会先出现增加的趋势，并且五价砷的涨势要强于三价砷，可见在灌溉过程中带入的氧气使得部分三价砷被氧化。

2.4 电导率变化分析

图4 五号井群电导率随深度的变化

图4为五号井群电导率随深度变化的折线图。（1）先纵向分析，人们可以看出明显的规律，同一口井随着深度的增加，电导率先减小后增大再减小。出现这种变化趋势的原因是本区域含水层深度大约在2 m左右，电导率最大的位置在2 m处，分析此处为包气带和潜水含水层交界的位置，此处地下水与土壤作用强烈，将土壤中大量盐分溶解且此处空气更替迅速，CO2等气体浓度较高，促进水土间相互作用的速度。（2）再进行横向分析，对比同一口井灌溉前后的电导率值，人们可以看出电导率先增高再降低。原因是潜水面随着灌溉的进行明显升高，但是这一现象滞后于灌溉，因此在灌溉过程中取样分析，人们会发现水样电导率未发生明显变化[8]。灌溉结束后潜水面明显升高，这致使地下水垂向运移，灌溉水溶解了大量地表的盐分并带入地下水中。后期潜水位回落，灌溉中被淹没的部分又恢复为包气带[9]。

2.5 氢氧同位素分析

图5为深度0.5 m下不同批次所采取的δ18O与δ2H的关系图。本研究区至今没有完整的大气降水δ18O和δ2H的历史记录，故采用包头台站的降水同位素组成作为近似的当地大气降水线。包头台站大气降水δ18O和δ2H的平均值分别是-58‰和-8.3‰，当地降水线方程为：δ2H=6.3δ18O-5.4[10]。从图中可以得出结论，此次所采取的水样的δ18O-δ2H均落在当地大气降水线的下方，表明了其蒸发作用的存在。

图5 0.5 m处δ18O与δ2H关系图

随着灌溉的进行，不同深度采取的样品的δ18O-δ2H回归线的斜率均有一定程度的减小，表明蒸发作用的存在。此外，0.5 m深度不同批次采取的样品的回归线之间斜率相近但是发生明显偏离，可能为灌溉回水与蒸发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

郑文君（1992-），女，湖北十堰人，硕士研究生，助理工程师，从事电力安全评价工作。