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泾惠渠位于关中平原中部,是一个从泾河自流引水的大型灌区,距今已有2200多年的灌溉历史。从古到今,它一直走在我国灌溉事业的前列,为中国的古代、现代粮食生产和社会经济的发展做出了辉煌的成就,为我国的灌溉事业树立了典型。
灌区灌溉历史久远,人口密度大,地下水不仅是工业和农业的主要水源,也是当地人民主要的饮用水源,甚至更多的是唯一的饮用水源。长期的地表灌溉和强烈的人类活动,使得地下水污染来源、过程复杂。本文从基础理论角度,基于地下水系统结构复杂性、构成要素的多样性,对多尺度复合污染体系物质循环过程、地下水水质演化的内在机理等开展研究。通过此项研究,不仅可从地下水的污染过程和演化机制等方面获得重要的理论价值;而且对于保障灌区经济和社会发展、人民的饮水安全等方面具有重大的社会价值,同时也可为我国地下水污染的控制与修复提供理论与技术支持。
本文以系统理论为指导,运用化学热力学的基本原理以及质量作用定律和质量守恒定律,使用同位素、水文地球化学模拟的等方法开展了以下研究:在系统分析地下水水化学组分时空分布规律的基础上,应用数理统计等方法确定影响地下水水环境的主要影响因素,利用水化学组分及其组合的分布特征,并结合H、O、S、N等同位素分布特征,确定地下水中主要污染组分的来源、污染特征;最后应用水文地球化学方法确定影响地下水化学形成的主要作用、过程和演化趋势。通过上述多种方法的综合研究,得出如下结论:
1.灌区地下水位动态变化特征
灌区地下水位在季节上的变化趋势为:地下水位最大值出现在春季,之后水位处于中间状态,最小值出现在秋季。灌区地下水位年际变化特征为:1932年-1980年由于灌排结合地下水潜水位上升、下降交替进行。1980年以后逐渐下降,到1994年以后地下水为强下降期。地下水流场方向为由西北到东南。
2.主要离子分布特征
1990年以来,灌区HCO3-离子的浓度在全区分布范围呈缓慢增加,高值区在空间上的分布由灌区北部向东北方向部转移;虽然Cl-近20年数值范围和平均值变化不大,但大于250mg/L的面积在不断扩大,达到灌区面积的2/3;SO42-严重超标,高值区(尤其大于600mg/L)的面积在不断增加,到2008年已达灌区总面积85.27％,高值位于三原西张一高陵新市一带,浓度在不断增大。
灌区阳离子K+Na+为主要离子,浓度值在不断增加,高值区的范围也不断扩大。
地下水中TDS在1980年(有资料记录)以来不断增多。对比灌区历年来的地下水TDS的分布规律,可以看出,灌区西部TDS较低,而东部和北部较高,高值区的分布面积逐年扩大。
随着地下水位的下降,硝酸盐的含量有明显降低。从1990年大范围的高浓度分布,转变为2008的低浓度。引起这一现象的原因是反硝化作用控制着灌区氮的转化形态。
地下潜水中氟和Cr6+超标面积大。氟高值位于泾阳的石桥和高陵榆楚—三原西张一带分布范围大,在面积分布上:小于1mg/L的面积占整个灌区面积的13.34%,大于1mg/L的占86.66%,最大可达2.4mg/L;Cr6+高值区位于泾阳、三原和阎良的北部一带。在面积分布上,小于0.05mg/L(饮用水标准)的面积占中面积的36.34%,0.05-0.2mg/L占53.82%,大于0.2mg/L占10.87%,最大可达0.223mg/L,位于三月县鲁桥乡东里堡村。
3.水化学类型的变化复杂化
对1982年、1990年和2008年的地下水水化学类型组成分析表明,地下水化学类型由K+、Na+和HCO3-控制的水型,逐渐转变为由K+、Na+和SO42-控制的水型。水化学类型在时间上从重碳酸型水向硫酸性水演化,而且水化学类型种类也变的复杂化,不是单纯的几种水型。
4.影响地下水水化学组成的主要因素
统计分析、以及野外的灌溉试验结果都表明,NO3-、K+Na+和SO42-是1990年以来地下水中的主要影响组分,其中NO3-、Cl-是人类活动影响引起的,K+Na+和SO42-是与当地地层的岩性条件有关。同时大量的地表灌溉大大加快了它们在地下水中聚积的速度。
5.34S、15N同位素特征
灌区地下水中的δ348SO4值分布在5.27-10.69(‰),表明地层中硫酸盐是硫酸盐的主要来源。应用硫酸根含量与δ34S-SO4的关系,表明地下水中SO42-来源于高δ34S-SO4值硫酸盐的溶解。
15N同位素特征表明地下水中硝酸盐主要来源于粪肥污染,其次为人造化肥污染。而且与1990年相比较,2008年灌区的大部分地区存在反硝化作用,尤其在泾阳云阳(灌区的西北部)-临潼的雨金一带,地下水的硝酸盐反硝化作用强烈,说明2008年地下水中硝酸盐含量降低是由于反硝化作用的影响。
6.灌区地下水水化学演化规律
通过2D、18O同位素分析和地下水水文地球化学等方法研究表明,灌区地下水的形成主要受溶解作用、阳离子交换作用和灌溉混合作用的影响。
溶解作用:矿物饱和指数计算结果说明,灌区含水层中硬石膏(Anhydrite)、石膏(Gypsum)、岩盐(Halite)矿物还会继续溶解,使得相应的离子会在地下水中不断增加。方解石和白云石逐渐趋于饱和,相应的Ca2+、Mg2+和HCO3-会在各地地下水中达到饱和。
离子交换作用:应用离子对比值和钠吸附比值(SAR)计算表明,灌区地下水存在强烈的阳离子交换作用。从1980年到2008年灌区地下水钠吸附比值在不断增大,而且高钠吸附比值(大于18)的面积不断扩大,地下水中含有从土壤中交换来的钠离子不断增多,水质在向盐化方向发展。
混合作用:通过地下水的δD和δ18O同位素值计算可知,长期的地表灌溉渠水对地下水的补给量很大,被抽样的井中最高的达60%,补给量与井的深度和水文地质条件有关。空间上在灌区的西部、北部比东南部要补给量要高。也说明地表灌溉对地下水水质演化有强烈的影响。
总体上,灌区地下水中主要离子K+、Na+和SO42-的区域分布,在宏观上受到地层岩性和岩相的控制,大量的地表灌溉水和大气降水进入地下水、以及地下水水平流动过程中与周围岩土发生溶滤作用和离子交换作用,使得K+、Na+和SO42-不断进入地下水,尤其在随着TDS的增加,K+、Na+和SO42-浓度增加很快,而且它们呈高度相关。地下水空间上的演化特征:灌区的北部、东部溶解作用和阳离子交换作用都很明显,水质差;西部相对较弱,水质相对较好。从灌区整体来看,地下水演化朝着Na+、SO42-方向发展。