张志强, 张 强, 刘超飞, 王超月, 付晓刚, 闫佰忠

(1.河北地质大学, 河北 石家庄 050031; 2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 四川 成都 610059; 3.河北省水资源可持续利用与开发重点实验室, 河北石家庄 050031; 4.河北省水资源可持续利用与产业结构优化协同创新中心, 河北 石家庄 050031)

地下水是重要的供水水源，尤其是在我国西南红层干旱区，水资源供需矛盾十分突出[1]。地下水水质的优劣直接制约着人们的生产生活，地下水中各离子组分的含量及分布特征是影响地下水水质的主要因素[2]。对地下水水化学特征的研究，能够了解地下水水质面貌、形成机制及演化规律，国内外专家学者在此方面已开展了大量的研究工作[3-7]。在了解地下水水化学特征的基础上，探索有效的研究方法合理评价地下水资源，以指导农业生产活动，是目前地下水环境研究亟待解决的问题。Giridharan等[8]通过分析印度Cooum河地区地下水中主要离子成分，发现地下水水质主要受到碳酸盐、硅酸盐矿物的溶解及离子交换作用控制，并分别利用钠吸附比(SAR)、残余性碳酸钠(RSC)等单项指标分析了研究区地下水用于农业灌溉的适宜性。Varol等[9]利用R型因子分析研究了土耳其Tefenni平原地区地下水水化学成分形成过程中所发生的水岩相互作用，并通过比较丰水期与枯水期Na%的变化规律，发现枯水期地下水水质更不利于农业灌溉。Zouahri等[10]利用USSL分类法研究发现，摩洛哥西北部地区地下水灌溉产生土壤盐害的风险较高，而产生土壤碱害的风险较低。何锦等[11]利用电导率(EC)、钠吸附比(SAR)等指标证实了沧州地区微咸水灌溉是土壤盐害和碱害发生的主要原因。此外，涉及灌溉水质评价的研究方法还有Wilcox分类法[12]、盐度与碱度法[13]、灌溉系数法等。多数研究方法都是利用单项指标分别对盐害和碱害风险进行评估，评价结果缺乏整体性、综合性。四川省简阳市作为我国西南红层干旱缺水地区的典型代表[14]。地下水资源是农业生产重要的供水水源。受岩性、地貌、气候及古沉积环境等因素影响，该区地下水矿化度由浅至深逐渐升高，呈现出明显的垂直分带现象。本文在阐明地下水水化学特征的基础上，综合多种评价指标(TDS，SAR，Na%，Cl-，Ka)，利用基于熵权的模糊物元方法来研究地下水在农业灌溉中的适宜性，以获得更加综合的评价结果，为该区合理、科学的开发优质地下水资源提供理论依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

简阳市位于四川盆地中部，西侧为龙泉山脉，沱江自北向南贯穿全区。地理坐标：104°11′56″—104°54′16″E，30°5′41″—30°38′57″N。研究区地貌以浅丘为主，其次为低山和河坝冲积平原，丘陵约占总面积的88%。沱江自北向南流经全境，将境内丘陵分割为东西两部分。东部丘陵以中丘中谷、深丘中谷为主，兼有浅丘宽谷，地势由北向南倾斜，海拔400～580 m。西部丘陵以浅丘宽谷为主，兼有部分缓丘河坝和中丘中谷，地势由西北向东南倾斜，海拔369～500 m。西北辖有龙泉山脉中段的一部分山区。研究区属中亚热带湿润气候，四季分明，雨量充沛，年平均降水量为836 mm，研究区年平均气温在17 ℃左右。

1.2 地质及水文地质条件

2 资料与方法

2.1 数据来源

根据研究区村庄、农田分布状况，以及地形地貌、地层岩性等因素，于2015年6月选取36组钻孔与水井水样进行分析测试，水质指标的检测由中国建筑西南勘察设计研究院有限公司岩土试验中心完成，测试方法按照国家相关标准。其中水样S1—S30取样深度3—17 m，水样D1—D6取样深度24—58 m，本次研究中将S1—S30与D1—D6分别定义为浅表层与中深层地下水水样(图1)。

图1 研究区取样点分布

2.2 水化学特征研究方法

Gibbs[15]通过分析全球水化学数据，认为影响水化学成分形成的主要因素包括岩石风化、大气降水和蒸发结晶。本次研究采用Gibbs图，确定控制研究区地下水水化学成分形成的主要因素。然后利用离子比值关系详细分析水化学成分形成过程中所发生的水文地球化学作用。

2.3 灌溉水质评价方法

目前，国内外专家、学者对灌溉水水质评价已做了大量的研究工作，提出了多种研究方法，主要包括单因子评价法、数理统计法、Wilcox图解及USSL图解法等[16-18]。一般仅涉及一种或两种指标，所得结果难以全面反映灌溉水水质的整体状况，为了能够综合反映灌溉水水质的总体质量，本研究综合多项灌溉水质评价指标，利用模糊物元评价方法，并结合熵值法所确定的权重系数，对研究区浅表层与中深层地下水灌溉适宜性进行分析，以揭示研究区灌溉水水质的整体状况。

2.3.1 评价指标 钠吸附比(sodium adsorption ratio， SAR)是指示灌溉水或土壤溶液中钠离子含量的重要参数，也是衡量灌溉水体引起土壤碱化程度的重要指标[19]。SAR值越高，土壤吸附Na+的能力越强，从而破坏土壤结构团粒结构，使土壤渗透性变差，导水能力也随之降低[20-21]，其计算公式为：

(1)

式中，所有离子单位均为meq/L。

灌溉系数Ka是指土层上有某一水层，全部蒸发后留下的盐类，能使1.2 m土层积盐，使大多数作物不能生长，这个水层厚度即为灌溉系数[22]。它是根据碱类对40种作物的最大危害以及钠盐的相对危害性的试验中得出来的。灌溉系数Ka是根据钠离子与氯离子、硫酸根的相对含量来评价灌溉水体水质的，但其忽略了全盐的作用。其计算公式为：

(2)

当地下水中Na+含量较高时，地下水中Na+会交换黏土颗粒吸附的Ca2+和Mg2+，导致土壤渗透性降低，导致土壤水分运移受阻，影响作物生长[23-24]。Na%可以用来衡量灌溉水体引起土壤碱害的风险大小，Na%值越大，引起土壤碱害的风险性越大。其计算公式为：

(3)

综合选取水样总矿化度TDS、钠吸附比SAR、易溶性钠百分比Na%、灌溉系数Ka及Cl-作为灌溉水质评价指标[25-26]，将灌溉水体水质由好到差分别定义为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ级4个等级。由于低优指标(TDS，SAR，Na%,Cl-)与高优指标(Ka)共存，因此需要对Ka取倒数进行归一化处理(表1)。

表1 研究区灌溉水质评价标准及归一化后分级标准

2.3.2 基于熵权的模糊物元评价模型 在物元分析中所描述的事物M及其特征C和量值c组成物元R=(M,C,x)。其中，量值x具有模糊性，称其为模糊物元。若事物M有n个特征c1,c2,…,cn及其相应的量值x1,x2,…,xn，则R称为n维模糊物元[27-28]。若m个事物的n维物元组合在一起便构成m个事物的n维复合模糊物元Rmn。记作：

(4)

式中：Rmn——m个事物的n个评价指标的复合物元；Mi——第i个事物(i=1,2,…,m)；Ck——第k个特征(k=1,2,…,n)；xik——第i个事物第k项特征对应的模糊量值。

模型的建立过程如下：

(1) 构建复合模糊物元。对36个监测数据和4级标准建立40个样品5个指标的复合模糊物元Rmn。

(2) 根据越大越优原则(γik/xik/maxxik)，构建从优隶属度模糊物元Rmn′[29-30]。

(5)

式中：γik——从优隶属度；xik——第i个事物第k项特征对应的模糊量值； maxxik——各事物中每一项特征所有量值xik中的最大值。

(3) 根据标准模糊物元Rs和从优隶属度模糊物元Rmn′构建差平方模糊复合物元RΔ。标准模糊物元是从优隶属度模糊物元Rmn′中的最大值或最小值，本文以最大为最优，因此各指标的标准模糊物元均为1。

若Δij(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)表示标准模糊物元与复合从优隶属度模糊物元Rmn′中的各项差的平方，则组成差平方复合模糊物元RΔ，其中Δij=(γ0j-γij)2，(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)，则

(6)

(4) 确定归一化判断矩阵。建立m个事物n个评价指标的判断矩阵B=(xij)mn(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)，并做归一化处理，得到归一化判断矩阵B′

(7)

式中：xmax,xmin——同指标不同事物中的最满意者或者最不满意者。

(5) 计算各指标的熵Hi与熵权W[31]:

(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)

(8)

定义了第i个评价指标的熵之后，可得到第i个评价指标的熵权定义W=(ωi)1×n

(6) 计算贴近度ρHj。贴近度是指被评价样品与标准样品之间的相互接近程度，其值越大表示两者越接近，反之则相离较远[32]。本文采用欧氏贴近度ρHj作为评价标准，从而建立贴近度复合模糊物元RρH

(9)

3 结果与讨论

3.1 地下水水化学特征

3.1.2 矿化度 地下水总矿化度(TDS)是指地下水中所含有的各种离子、分子以及化合物的总量，是区分地下咸水、淡水的重要依据。由图2可以看出，地下水取样深度<20 m时，其矿化度较低，一般在500～1 000 mg/L，当取样深度>20 m时，地下水矿化度取样深度的增大逐渐升高，最高达到2 800 mg/L。其原因，一方面是交替缓慢的中深层地下水，不断溶虑砂泥岩地层中钙芒硝结核及薄层石膏，另一方面，是由于深部位微承压性盐卤水向上越流，发生混合作用所致。

表2 研究区地下水水化学组分统计特征值 mg/L

图2 研究区地下水矿化度随取样深度变化

3.1.3 水化学类型 根据浅表层与中深层地下水中主要离子组分含量，绘制Piper图，由图3可以看出，浅表层地下水水样中碱土金属离子含量高于碱金属离子，而在中深层地下水中，部分水样的碱金属离子含量高于碱土金属离子，说明研究区地下水由浅表层至中深层，地下水优势阳离子逐渐由Ca2++Mg2+转化为K++Na+。由Piper图还可以看出，浅表层地下水水化学类型主要为HCO3-Ca，HCO3-Ca·Mg型，中深层地下水水化学类型主要为HCO3-Na·Ca，HCO3·SO4-Ca·Mg，SO4-Na·Ca型，由浅表层至中深层，地下水水化学类型发生明显变化。

3.2 水文地球化学作用

由Gibbs分布图(图4)可以看出，影响浅表层与中深层地下水水化学成分的主要因素是岩石风化作用，但中深层地下水水化学成分更趋向于海水的特性，这说明中深层地下水受到源于海相沉积的深层卤水的混合作用影响。

图3 研究区浅表层与中深层地下水水样Piper图(%)

图4 研究区地下水水化学控制机制

图5 研究区主要离子成分比值关系

3.3 综合评价结果分析

根据研究区灌溉水体水质评价指标(TDS，SAR，Na%，Cl-，Ka)，对36个监测点(浅表层、中深层)和分级标准建立40个样品5个指标的复合模糊物元，结合熵值法确定的各指标权重系数，计算得到各水样(浅表层、中深层)的贴近度，并与灌溉水质标准的贴近度进行比较，划分各水样的灌溉水质级别(表3)。由表3可知，从主要离子组分含量角度分析，简阳地区所有浅表层地下水属于Ⅰ级水，水质良好，适宜用做灌溉水源。50%的中深层地下水属于Ⅱ级水，水质一般，易造成土壤盐碱灾害，不宜长期用于农业灌溉。综合分析浅表层与中深层地下水评价结果，可看出简阳地区地下水水质由浅至深逐渐变差，浅表层地下水较中深层更适于农业灌溉，农业水资源利用适宜浅井开采。

表3 研究区各样本贴近度与评价结果表

4 结 论

简阳地区是川中红层干旱区的典型代表，川中红层区地下水水化学特征呈现明显的垂直分带现象。本文以简阳地区为例，系统分析了其地下水水化学特征及形成机制，并在此基础上对其浅表层与中深层地下水进行灌溉适宜性评价。

(1) 研究区地下水矿化度随深度增加而明显升高，浅表层主要分布淡水，中深层主要为微咸水。由浅至深，地下水水化学类型也发生明显变化，浅表层地下水主要为HCO3-Ca，HCO3-Ca·Mg型，中深层主要为HCO3-Na·Ca，HCO3·SO4-Ca·Mg，SO4-Na·Ca型。

(2) Gibbs图揭示了控制浅表层与中深层地下水水化学成分的主要因素是岩石风化作用。主要离子比值关系揭示了浅表层与中深层地下水水化学成分受到岩盐、方解石、石膏、硅酸盐矿物的溶解及阳离子交替吸附作用的影响。部分浅表层地下水受人类活动影响比较明显；中深层地下水受深层盐卤水越流混合作用影响较明显。

(3) 水质综合评价结果显示，浅表层地下水水质良好，适宜用做灌溉水源，由浅至深，地下水水质逐渐变差，中深层地下水不宜长期用于农业灌溉。