节水改造前后内蒙古河套灌区地下水水化学特征

第30卷第21期农业工程学报 V ol.30 No.21

2014年11月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov. 2014 99 节水改造前后内蒙古河套灌区地下水水化学特征

李彬1,2，史海滨1※，张建国3，李祯1

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古农牧业科学院资源环境与检测技术研究所，呼和浩特 010031；3.巴彦淖尔市水利科学研究所，临河 015000）

摘要：为了研究大型灌区节水改造后区域农田水环境的变化，该文通过对内蒙古河套灌区上中下游地下水进行系统取样分析，综合运用描述性统计、相关性分析、离子比例系数和图解法（包括H.И.托尔斯基汉方格图解法、Piper三角图示法和多矩形图解法（multi-rectangular diagrams,MRD）），全面系统地研究节水改造前（2007年）后（2008，2009年）内蒙古河套灌区地下水水化学的时空变异特征与3 a演变规律。结果表明：蒸发浓缩和阳离子交换是控制灌区地下水水质演变的主要水文化学过程；与2007年（节水改造前）相比, 2008和2009年HCO3-在河套灌区地下水中绝对含量由在阴离子中最小变为最大成为地下水的主要阴离子; Ca2+、Mg2+、HCO3-的变异系数相对较小，它们在地下水中含量相对稳定。Na+、Cl-、SO42-的变异系数较大，它们在地下水中的含量变化较大，是随环境因素而变化的敏感因子，是决定地下水盐化作用的主要变量。整个灌区地下水的主要化学类型为HCO3—Na型、SO4—Na型和Cl—Na型，Cl—Na型水和SO4—Na型水主要分布在灌区的上游和下游，HCO3—Na 型水在灌区上中下游都有分布。与2007年（节水改造前）相比，2008年和2009年HCO3-浓度有所增加，Cl-和Na+的浓度有所减少，灌区地下水向着淡化，对作物危害减小的方向转变。全灌区地下水水化学类型时空变异十分复杂，沿着地下水总体水流的方向（灌区上游→灌区中游→灌区下游）Na+占主导地位的趋势越来越明显，在地下水化学类型上，2008年和2009年HCO3-在阴离子占主导地位的化学类型多于2007年（节水改造前）的。与皮伯三线图解法和H.И.托尔斯基汉方格图解法相比，多矩形图解法提供了更明晰、易懂的水化学类型的信息，对于处理复杂地下水化学系统，多矩形图解法的优点更为显著。研究结果为灌区节水改造规划实施对农田水环境的影响进行合理评价提供科学参考。

关键词：地下水；水质；节水；节水改造；水化学；时空变异；演变规律；内蒙古河套灌区

doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.21.013

中图分类号：P641.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2014)-21-0099-12

李 彬，史海滨，张建国，等. 节水改造前后内蒙古河套灌区地下水水化学特征[J]. 农业工程学报，2014，30(21)：99－110.

Li Bin,Shi Haibin, Zhang Jianguo,et al. Hydrochemical characteristics of groundwater before and after water-saving reform in Hetao Irrigation District, Inner Mongolia[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(21): 99－110. (in Chinese with English abstract)

0 引 言

中国大型灌区普遍存在灌区可利用水量减少[1]（以中国最大的内陆河塔里木河为例，根据恰拉水文站观测资料显示，年平均径流量从20世纪60年代的12～16亿m3减少到2005年的1～3亿m3），有效灌溉面积比率低，土壤盐渍化严重(北方)，工程老化失修和灌溉水利用效率较低等问题[2-3]。自

收稿日期：2013-11-19 修订日期：2014-10-23

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目（2011BAD29B03）;国家自然科学基金项目（51269015）；内蒙古科技攻关与政府专项科研项目（nsn200767）

作者简介：李彬，男，内蒙古集宁人，博士。主要从事节水灌溉新技术和土壤环境科学方向的研究。呼和浩特内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，010018。Email：libin_kim@https://www.wendangku.net/doc/7b5122691.html,

※通信作者：史海滨，男，山西太谷人，教授，博士生导师。主要从事节水灌溉原理及应用研究。呼和浩特内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，010018。Email：shi_haibin@https://www.wendangku.net/doc/7b5122691.html, 1998年以来，国家启动了大型灌区续建配套与节水改造工程，在改善灌区灌溉条件，提高灌区农业综合生产能力与灌溉水利用效率的同时，灌区内农田水文循环规律也随之被改变。对于北方灌区，渠道衬砌、井区结合和田间节水技术的改进打破了原有的农田水盐动态平衡，使区域农田水环境发生相应变化。灌区水盐环境显著变化对灌区农业发展产生的影响成为人们关注的焦点[4-8]。

近年来，国内外学者围绕节水改造对灌区环境效应开展了广泛的研究。杜丽娟等[9]分析了灌区节水改造对环境的影响因素，探讨了灌区节水改造环境效应的评价指标体系，阐述了近年来广泛应用的环境效应评价方法；代锋刚等[10]结合灌区渠系衬砌、田间节水及农业种植结构的实际情况设置8种情景，分析了灌区节水改造对地下水空间分布的影响；陈亚新等[11]利用人工神经网络（artificial neural

农业工程学报 2014年100

network）模型对河套灌区节水改造后农田土壤水盐变化进行了系统预测。澳大利亚灌排委员会从环境、社会、水管理等方面对灌区节水改造状况进行了研究，并分析了各方面之间的相互影响因素[12]。Dougherty 等[13]将灌溉工程可能造成的环境问题分为灌溉土地退化、社会经济状况降低、水质恶化、生态退化以及地下水减少5大类。Manoliadis O G 等[14]对灌溉工程可能对环境的影响因子分为自然、生物、社会和经济4个方面。上述研究主要集中于影响因素及评价指标体系和方法的研究，而从地下水水化学微观角度定量论述节水改造对灌区农田水环境的影响鲜有报道。

地下水水化学研究是地下水资源与农田水环境质量评价的重要内容，它对流域地下水资源利用和管理及与其有关的生态环境的保护与建设都具有重要的意义。地下水化学特征的研究是水化学研究的重要内容之一，地下水化学成分特征与地质、地貌、水文地质条件密切相关，即地下水中各元素的含量及迁移规律决定于当地的自然地理、岩性条件、地下水的补给、径流和排泄条件等因素[15-17]。当前，学者们主要采用数理统计、Piper 或Durov 图、离子比例系数、矿物饱和指数、同位素示踪及水文地球化学模拟等技术方法对地下水化学特征、水化学成分的形成及演化等进行研究[18-24]。本文以地处北方干旱寒冷地区的内蒙古河套灌区为研究对象，从地下水水化学的角度探讨节水改造给灌区农田水环境带来的影响。为灌区节水改造规划实施对农田环境的影响进行合理评价提供科学依据，促进和推动灌区节水农业科学高效稳步发展。

1 材料与方法

1.1 研究区基本概况

内蒙古河套灌区位于中国的西部，40°12′～41°20′N，106°10′~109°30′E。灌区地处黄河的河套平原，北抵阴山山脉的狼山、乌拉山，南至黄河，东与包头市为邻，西与乌兰布和沙漠相接。灌区总土地面积1 120 000 hm2。灌区地处干旱、半荒漠草原地带，冬季严寒少雪，夏季高温干热，降雨稀少、蒸发量大，无霜期短，冬季封冻期长，温差大，为典型的大陆性气候、季节性冻土地区。年均降雨量139～222 mm，由西向东逐渐增加，5－9月份降雨量占全年的72.6%。年均蒸发量1 999～2 346 mm，5－7月蒸发量最大，占全年50%以上，年均蒸发是年降水的13.6倍，春季比值可达36.3倍，年均风速为2.5～3.0 m/s，土壤冻结期始于11月下旬，冻深100～200 cm，翌年5月中上旬冻层全部融通，冻结至融通历时180 d。1.2 研究区域水文地质概况

内蒙古河套灌区在地质构造上属于华北地台的鄂尔多斯台向斜的一部分，为一形成于侏罗纪晚期的中新生代断陷盆地，新生代地层广布全区。在构造形态上，呈现北深南浅，西深东浅的不对称的箕状凹陷。由于黄河的形成及其多次改道，又在湖相层上覆盖了黄河冲积层，在黄河古河道的波及区和引黄灌溉大量淡水补给作用下，湖积层咸水区上覆盖了淡水层。从地形上看，内蒙古河套灌区是一个面积大、地面坡降平缓的平原区，地下水的流向与地面坡降基本一致，而且土壤颗粒细，渗透性能差，地下水流速缓慢。黄河从灌区南缘通过，处于灌区较高的位置。在灌区东南，乌拉山隆起带从西山咀潜入平原地下，向西延伸，成为平原水库的一座“挡水坝”，因而平原地下水向外排泄十分困难。河套平原这一地质特点从总体上决定了其地下水的排泄方式为垂直蒸发型。

河套灌区含水层水平方向上的分布规律为：由于拗陷深度自东向西、由南向北加大，含水层厚度沿此方向增厚，由东部60～80 m，向西增至150～240 m，由南部隆起区的20～60 m向北增至100～200 m，总的规律由东南向西北变厚。含水层顶板埋藏深度一般小于20 m。灌区潜水补给来源主要是各级渠道的渗漏水及田间灌溉入渗，其次是山洪水和降水[25]。

1.3 野外设计与取样方案

本研究设5个分布在灌区的上、中、下游的研究区，详见图1。为便于监测和管理，将其归纳为3个中心区。磴口县与杭锦后旗、临河、乌拉特前旗与乌拉特中旗研究区分别为上、中、下游中心区。在上、中与下游区分别布置16眼、7眼与11眼地下水观测井，共计34眼。观测井根据地形条件，采用井深10 m的普通观测井。井管下端用直径7.62 cm塑料管封闭，上部用1.5 m长的钢管加帽，并用混凝土加固，防止丢失。根据地表植被情况及土壤盐渍化程度布设观测井。本试验分别在节水改造前（2007年）、节水改造后（2008和2009年）每年的4－10月份（为内蒙河套灌区主要作物的全生育期）取样，取样每月1次，并在灌溉前后加测。采样时间为8：00，取样点在水面以下0.5 m处，并在72 h内送达实验室进行有关水化学参数测试。

1.4 测试项目及测试方法

测试项目包括主要阴阳离子Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、CO32-及pH值和溶解性总固体（total dissolved soils,TDS）。样品测试在内蒙古巴彦淖尔盟水利科学研究所实验中心进行，其中Na+、K+测试方法为火焰原子吸收分光光度法；

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Cl -、SO 42-测试方法为离子色谱法；Ca 2+、Mg 2+测试方法为乙二胺四乙酸二钠（ethylene diamine tetraacetic acid ，EDTA ）滴定法；HCO 3-、CO 32-测试方法为酸碱滴定法；pH 值测试方法为电位法；溶解性总固体利用各测试项目质量浓度的总和确定。

1.5 数据处理

将2007、2008和2009年4－10月的各项地下水水化学数据取月平均值，作为每个井位的地下水水化学参数值。

利用AquaChem 4.0软件中的Piper 模块绘制皮伯三线图。

图1 内蒙古河套灌区研究区分布示意图

Fig.1 Location of inner mongolia HeTao irrigation district study area

用CAD 绘制H.И.托尔斯基汉方格图和多矩形图（multi-rectangular diagrams,MRD ）。

2 结果与分析

2.1 节水改造前后地下水化学描述性统计分析

对分布于河套灌区上中下游共34个潜水水样有关水化学参数进行统计特征值分析。

分析结果表明（表1）：连续3 a 的统计特征值都显示，Ca 2+、Mg 2+、HCO 3-的变异系数相对较小，反映它们在潜水中含量的相对稳定性，其中在

节水改造前（2007年）HCO 3-的平均质量浓度（492.1 mg/L ）在阴离子中最小，而在节水改造后2008年（508.9 mg/L ）和2009年（549.8 mg/L ）在阴离子中最大。在3 a 中HCO 3-的标准差和变异系数始终保持在阴离子中最小，说明在节水改造后（2008、2009年）HCO 3-在潜水中绝对含量较大，相对含量差别不大，为潜水的主要阴离子；Na +、Cl -、

SO 42-的变异系数较大，

反映它们在潜水中的含量区域变异性较大，表明它们是随环境因素而变化的敏感因子，是决定潜水盐化作用的主要变量。

表1 2007－2009年地下水水化学参数的统计特征值

Table 1 Statistics eigenvalue of hydrochemical parameters of ground water from 2007 to 2009

年份 Year

项目 Item 最小值Minimum 最大值Maximum 平均值Mean

标准差 Standard deviation 变异系数

Coefficient of variation/%Na ++K +/(mg·L -1) 96.9 2 531.9 529.3 585.5 110.6

Ca 2+/(mg·L -1

) 46.8 288.6 105.1 41.0 39.0 Mg 2+/(mg·L -1

) 19.3 321.0 99.6 78.0 78.3

HCO 3-/(mg·L -1) 242.4 1 202.6 492.1 175.7 35.7

Cl -/(mg·L -1

) 133.0 2 980.8 580.6 686.4 118.2

SO 42-/(mg·L -1) 132.0 2 687.4 529.7 529.9 100.0 TDS/(mg·L -1

) 965.7 8 270.0 2 402.1 1 979.5 82.4

2007

pH 值

7.4 8.2 7.8 0.2 3.0 Na ++K +/(mg·L -1

) 133.7 2 108.0 412.5 401.6 97.4

Ca 2+/(mg·L -1

) 30.1 466.9 104.5 72.1 69.0 Mg 2+/(mg·L -1

) 31.4 615.9 92.1 98.1 106.5

HCO -3/(mg·L -1

) 339.9 780.6 508.9 118.7 23.3

Cl -/(mg·L -1

) 119.7 2 742.8 415.6 485.1 116.7 SO 42-/(mg·L -1) 104.1 3 816.2 475.9 628.7 132.1

TDS/(mg·L -1

) 755.0 9 952 1 998.8 1 626.5 81.4

2008

pH 值

7.6 8.4 7.8 0.2 2.6

农业工程学报 2014年102

续表

年份Year

项目

Item

最小值Minimum 最大值Maximum 平均值Mean

标准差

Standard deviation

变异系数

Coefficient of variation/%

Na+K/(mg·L) 93.0 2

595.8 485.1 579.6 119.5

Ca2+/(mg·L-1)

37.2 532.1 115.1 80.4 69.9 Mg2+/(mg·L-1)

31.4 558.8 104.6 89.8 85.9 HCO-3/(mg·L-1)

244.4 1139 549.8 189.1 34.4 Cl-/(mg·L-1) 104.9 2

959.1 497.4 649.5 130.6

SO42-/(mg·L-1) 118.1 3

266.2 549.8 623.9 113.5

TDS/(mg·L-1) 646.7 10 144.0 2 314.9 2 061.0 89.0

2009

pH值7.3 8.3 7.7 0.3 4.0 注：TDS为溶解性总固体质量浓度。

Note：TDS is total dissolved soils mass concentration.

2.2 节水改造前后地下水化学相关性分析

相关性分析可揭示地下水化学参数的相似相异性及来源的一致性和差异性。相关性的强弱用Pearson相关系数表示。

计算结果表明，2007年（节水改造前）、2008和2009年全灌区地下水水样中Na+、Cl-与TDS相关系数最高，Na+、Cl-和TDS的总回归方程分别为：y=2.962x1+769.09，r=0.902 （1）

y=3.443x2+606.13，r=0.904 （2）式中：y为溶解性总固体质量浓度，mg/L；x1为氯离子质量浓度，mg/L；x2为钠离子质量浓度，mg/L。

而Ca2+与HCO3-呈负相关关系，同时Mg2+与HCO3-之间及Na+与Ca2+、Mg2+的相关性较差。

出现上述现象的原因是，河套灌区是一个面积大、地面坡降平缓、土壤颗粒细的平原地区，地势总体西高东低，南高北低。地下水的流向与地面坡降基本一致，流路长，坡降缓，水流速度极低，水交换缓慢，有利于Na+充分交换和聚集。这时阳离子交换起主要作用，水中的Na+与土壤中的Ca2+、Mg2+进行离子交换，导致Na+在土壤中的大量积累。

2Na+(水)+Ca2+(土)→Ca2+(水)+2Na+(土) （3）2Na+(水)+Mg2+(土)→Mg2+(水)+2Na+(土) （4）

内蒙古河套灌区水文化学过程主要以蒸发浓缩作用为主，地下水总体从灌区由西向东径流，地下水的Na+质量浓度和TDS逐渐增高，pH值随之增大。当pH值>7.4和TDS>600 mg/L时，Ca2+与HCO-3生成CaCO3，发生沉淀。

Ca2++ 2HCO-3→CaCO3+CO2+H2O （5）

随着碱度升高，促进白云石CaMg(CO3)2的生成，发生沉淀。

Mg2++2HCO-3+CaCO3→CaMg(CO3)2+CO2+H2O（6）

由于Ca2+被除去，[Mg2+]/[Ca2+]的比率升高，当其达到6以上时，碳酸钙就会转化成白云石。

2CaCO3+Mg2+→CaMg(CO3)2+Ca2+（7）

当缺少过量的碱度时，就会发生白云石化作用，钙被释放出来，并以石膏的形式沉淀下来。

Ca2++2H2O+SO42-→CaSO4·2H2O （8）

2.3 节水改造前后地下水化学离子比例系数分析

在地下水的化学成分中，各种组分之间的含量比例系数常用来研究某些水文地球化学问题，因为不同成因或不同条件形成的地下水，比例系数在数值上有较明显的差异，因此可以利用这类系数判断地下水成因。

γNa/γCl系数称为地下水的成因系数，是表征地下水中钠离子富集程度的一个水文地球化学参数。低矿化度水具有较高的γNa/γCl系数（γNa/γCl> 0.85），高矿化度水具有较低的γNa/γCl系数（γNa/γCl<0.85）[26]。

由图2可知，3 a全灌区潜水水样分析点几乎都位于直线1∶1以上，说明Na+浓度基本上均大于Cl-浓度，即γNa/γCl系数大于1，地下水在径流过程中不断通过水解和酸作用使岩石矿物风化溶解，使Na+从长石中释放出来，同时水中Ca2+和土壤中Na+发生交换，从而使Na+浓度大于Cl-浓度。

由图3可知，3 a全灌区地下水大约在TDS< 2 200 mg/L区域范围内，γNa/γCl系数总体上随着TDS的增加呈上升的趋势，说明在矿化度<2 200 mg/L水体中，随着地下水流程和滞留时间的增加，来自矿物风化溶解的Na+浓度逐渐增加，当地下水TDS>2 200 mg/L时，γNa/γCl系数基本上随着TDS的增加呈下降的趋势，说明当地下水中的TDS达到一定时，Na+开始与含水层中黏土矿物吸附的Ca2+、Mg2+进行离子交换，导致地下水中的Na+浓度减小，相反Cl-增加，水中HCO3-及SO42-相应发生沉淀，使Cl-富集，即导致γNa/γCl系数下降。

由图4可知，3 a全灌区地下水水样分析点大部分位于直线1∶1的下方，正是由于Ca2+、Mg2+生成碳酸盐产生沉淀，从而使[Ca2++Mg2+]浓度降低的原因。

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a. 2007年

b. 2008年

c. 2009年

图2 地下水[Na+]相对[Cl-]的变化特征

Fig.2 Change of[Na+]Versus [Cl-] of ground water

a. 2007年

b. 2008年

c. 2009年

图3 地下水中比例系数[Na+]/[Cl-]相对溶解性总固体质量浓度的变化特征

Fig.3 Change of[Na+]/[Cl-]versus TDS of ground water

农业工程学报 2014年

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a. 2007年

b. 2008年

c. 2009年

图4 地下水中 [Ca ++Mg 2+

]离子浓度相对[HCO 3-+SO 42-]离子浓度的变化特征

Fig.4 Change of[Ca ++Mg 2+]versus [HCO 3-+SO 42-] of ground water

2.4 节水改造前后地下水化学图解分析

2.4.1 采用 H.И.托尔斯基汉方格图解法分析

H.И.托尔斯基汉方格图解法由苏联著名水文地质学家托尔斯基汉(Tolstikhin )于二战后提出，用于地下水化学分类。在托尔斯基汉方格图中，横坐标为阳离子含量（毫克当量百分数），纵坐标为阴离子含量。Ca 2++Mg 2+的量自左向右增加，同时，Na ++K +的量在减少；阴离子HCO 3-的含量自下向上增加，同时Cl -+SO 42-的量逐渐减少。用一点的位置表示水的化学成分计算出水样阳离子（Na ++K +）的毫克当量百分数，用个位数n 1表示，n 1为1～10的数表示毫克当量为10%～100%。再计算强酸（Cl -+SO 42-+NO 3-等）的毫克当量百分数，用10位数n 2表示。(n 1+n 2)值对应方格图中的一点，并在方格图上绘出其位置，从而可以看出该灌区地下水离子分布特征[27]。

对全灌区地下水水样进行化学分析后，运用H.И.托尔斯基汉方格图解法分析，由图5可知，2007（节水改造前）、2008和2009年全灌区大部分地下水水样的（n 1+n 2）值大于50，占全灌区约97%，

据此可初步判断全灌区地下水大部分属于氯化物及硫化物的钠、钙和镁盐，Cl -+SO 42+>50%；并且，2008和2009年整体的代码值相比于2007年（节水改造前）有减小的趋势，图中点位上移，即全灌区HCO 3-的毫克当量百分数有所增加。

从图5中还可看出，与2007年（节水改造前）比较，2008和2009年的整体点位有向右移动的趋势，即Na +有减少的趋势。

2.4.2 采用 Piper 三角图示法分析

三线图首先是由Pipre 在1944年提出来的，故又称Piper 三线图。在图中各以3组主要的阳离子（Ca 2+，Mg 2+ Na ++K +）和阴离子（Cl -，SO 42-，HCO 3-+CO 3-）的每升毫克当量的百分数来表示。每图包括3个部分，在左下方和右下方分别为2张等腰三角形域，中间上方夹着一张菱形域，每域的边长均按100等分读数。在左下方的等腰三角形域，3个主要阳离子反应值的百分数按三线座标用一个单点表示。在右下方的等腰三角形域，阴离子亦用同样方法表示。这样，图上所作的二单点表示了地下水中某些溶解物质的相对浓度。然后通过这二个

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a. 2007年

b. 2008年

c. 2009年

注：在托尔斯基汉方格图中，横坐标为阳离子含量（毫克当量百分数），纵坐标为阴离子含量。

Note: In Tolstikhin diagram, Abscissa shows the positive ion content and ordinate shows the negative ion content.

图5 河套灌区地下水化学方格图

Fig.5Hydrochemical cell chart of groundwater component in

Hetao irrigation 单点平行三角形外边作射线，于菱形域内相交一点。这一点通常可以说明地下水总的化学性质并用阴阳离子对表示地下水的相对成分。因此，三线图表示地下水性质，用的是化学成分的相对浓度而不是绝对浓度，在三线图上把数据点到菱形域的一定位置以后就可进行解释。

利用AquaChem 4.0软件中的Piper模块绘出上中下游地下水水化学类型图，分析全灌区地下水水化学特征与演变规律，揭示控制地下水质量演变的主要水化学过程。从图6中可以看出：沿地下水流方向(灌区上游→灌区中游→灌区下游)，全灌区地下水水化学类型变化极为复杂：

2007年（节水改造前）主要从Na-Ca-Mg-Cl- SO4-HCO3型、Na-Mg-Cl-SO4-HCO3型和Na-Mg-Ca- HCO3-SO4-Cl型向Na-Cl-SO4型、Na-SO4-HCO3型和Na-Mg-Cl-HCO3转变。

2008年主要从Ca-Na-Mg-HCO3-SO4-Cl型、Na-Mg-Ca-HCO3-SO4-Cl型和Na-Mg-Cl-HCO3-SO4型向Na-Cl-HCO3-SO4型、Na-HCO3-Cl-SO4型和Na-Ca-HCO3-SO4-Cl型转变。

2009年主要从Na-Ca-Cl-SO4-HCO3型、Na-Mg-Ca-HCO3-SO4-Cl型和Na-Mg-Ca-Cl-HCO3- SO4型向Na-HCO3-Cl-SO4型、Na-Cl-SO4型和Na-Ca-Mg-Cl-SO4-HCO3型转变。

3 a地下水水化学类型的转变有一个共同点：沿着地下水水流的方向（灌区上游→灌区中游→灌区下游）Na+占主导地位的趋势越来越明显，阳离子由上游的Na-Ca-M g转变为下游单独的Na+，这是由于沿灌区上游→灌区中游→灌区下游方向，地下水不断与外界环境进行各种物理化学作用，蒸发浓缩起主要作用，随着pH值和TDS含量的逐渐增加，当pH值>7.4和TDS>600 mg/L时，产生碳酸盐的沉淀，致使水中Ca2+、Mg2+浓度降低，从而使Na+

在下游占绝对优势。

a. 2007年

农业工程学报 2014年

106

b. 2008年

c. 2009年

注：在图中各以3组主要的阳离子（Ca 2+，Mg 2+ Na ++K +）和阴离子（Cl -，

SO 42-，HCO 3-+CO 3-）的每升毫克当量的百分数来表示。 每图包括3个部分，在左下方和右下方分别为2张等腰三角形域，中间上方夹着一张菱形域，每域的边长均按100等分读数。在左下方的等腰三角形域，3个主要阳离子反应值的百分数按三线座标用一个单点表示。在右下方的等腰三角形域，阴离子亦用同样方法表示。这样，图上所作的二单点表示了地下水中某些溶解物质的相对浓度。

Note: The milliequivalents per liter of three major groups of positive ion (Ca 2+, Mg 2+ Na ++K +) and negative ion (Cl -, SO 42-, HCO 3-+CO 3-) has been shown as a percentage number in the figure. Each figure was composed of three parts which there are two isosceles triangle areas at bottom left and right of figure and the diamond area exists in the middle of these two isosceles triangle areas. The length of area side has been shown as 100 aliquots. The reaction values percentage of three major positive ion has been shown as a point in trilinear coordinates at isosceles triangle area (bottom left); in addition, the negative ion has been shown the same way at isosceles triangle area (bottom right). As a result, two points from the both isosceles triangle area show the relative concentration of some dissolved substances in groundwater.

图6 河套灌区地下水化学皮伯三线图

Fig.6 Piper Hydrochemical Diagram of ground water in

Hetao irrigation

2007（节水改造前）年与2008、2009年的区别在于：无论灌区上游还是下游，在地下水化学类型上，2008和2009年HCO 3-在阴离子占主导地位的化学类型多于2007年的。 2.4.3 采用多矩形图解法分析

为了更为明晰地反映全灌区地下水化学类型

及其分布和随年份的变化，弄清每个井位地下水中百分数最高的阴离子和阳离子含量的信息，采用巴基斯坦核科学与技术研究院镭与同位素应用研究所Niaz Ahmad 等于2003年提出的多矩形图解法（multi-rectangular diagram ，MRD ）来进行分析。在图中，将相临的阳离子与阴离子成对标注在坐标轴上。同样，横坐标为阳离子（Ca 2+、Mg 2+、Na +、

K +）

，纵坐标为阴离子（HCO 3-、CO 32-、SO 42-、Cl -）。纵、横坐标进一步划分为3个相临、但不重叠的小坐标，每个小坐标分别代表阳离子和阴离子含量。由于Na +和K +、HCO 3-和CO 32-的化学性质相近，故将其合并，即将Na ++K +和HCO 3-+CO 32-分别视为一个组分，在地下水化学类型中分别以Na 和HCO 3表示。在综合的MRD 图中包含有9个小的矩形，

它们分别代表HCO 3—Ca 、

HCO 3—Mg 、HCO 3—Na 、SO 4—Ca 、SO 4—Mg 、SO 4—Na 、Cl —Ca 、Cl —Mg 、Cl —Na 型水。在标注时，浓度值用阴、阳离子各自的毫克当量/升（mEq/L ）的百分数来表示。在标注时，分别选出每个水样中百分数最高的阴离子和阳离子，并将其标注在相应的小矩形坐标中。这样标注出的多矩形图反映出的是水样中最高百分数的阴离子和阳离子情况，用同样的方法可以另作次高百分数离子的MRD 图和最低百分数离子的MRD 图[28-29]。

图7表明，整个灌区地下水的主要化学类型为HCO 3-Na 型、SO 4-Na 型和Cl-Na 型，Cl-Na 型水和SO 4-Na 型水主要分布在灌区的上游和下游。

a. 2007年

b. 2008年

第21期李彬等：节水改造前后内蒙古河套灌区地下水水化学特征

107

c. 2009年

注：浓度值用阴、阳离子各自的毫克当量/升（mEq/L）的百分数来表示。在标注时，分别选出每个水样中百分数最高的阴离子和阳离子，并将其标注在相应的小矩形坐标中。

Note: concentration value has been shown as percentage of milliequivalents per liter of positive and negative ion. To use the highest percentage of positive and negative ion to mark concentration value in the rectangle coordinates from the groundwater sample.

图7 河套灌区地下水水化学多矩形图

Fig.7 Multi-rectangular diagrams hydrochemical diagram of

ground water in Hetao irrigation

在节水改造前（2007年），Cl-Na型水在整个灌区占的比重最大（占55.88%），HCO3-Na占23.53%， SO4-Na占14.71%；到2008年Cl-Na型水在整个灌区所占比重有所减少（占35.29%），而HCO3-Na型有所增加，占44.12%；在2009年Cl-Na 型水在整个灌区所占比重进一步减少，占20.59%，而HCO3-Na型进一步增加，占55.88%。

全灌区Na+浓度大于50%的水样数在2007年（节水改造前）约占水样总数的64.71%，到2008年减少到55.88%，在2009年进一步减少到41.18%。HCO3-的增加，Cl-和Na+的减少这些变化反映出灌区地下水向着淡化，对作物危害减小的方向转变。

3 讨 论

3种图解法中，皮伯三线图解法应用最为广泛，与H.И.托尔斯基汉方格图解法相比，皮伯三线图解法反映的化学信息更多，分区更为细致，它的一大特点是，若将一个区域的水样标在图上，可以分析地下水化学成分的演变规律；而MRD法具有容纳大量，图解结果不但可以清楚地显示地下水中阴、阳离子含量的信息，而且与前2种图解法相比，提供了更明晰、易懂的水化学类型的信息。对于处理复杂地下水化学系统，MRD的优点更为显著。

上述运用3种图解方法对河套灌区地下水化学类型的分析结果，都支持同样的一个结论：与节水改造前（2007年）相比，节水改造后（2008、2009年）地下水的水质都有淡化的趋势。其原因在于：至2007年末，河套灌区节水改造工程基本完成，且引黄水量减少，见表2，使得黄河水带入灌区和下渗到地下水盐分都随之减少，地下水矿化度趋于稳定，但离子成分发生变化。同时，地下水埋深下降（以中游区为例：2007年地下水埋深月平均值2.14，2008年为2.37 m，2009年为2.28 m），这对于减少蒸发控制灌区土壤盐渍化起到了积极的作用。

表2 内蒙古河套灌区2007-2013年引排水量

Table 2 Water inflow and drain discharge in Hetao irrigation area of Inner Mongolia from 2007 to 2013

亿m3

灌区取水量Irrigation water withdrawal

退水量

Irrigation return-flow 排水Displacement

年份

Year 总干渠

Main canal 沈乌干渠

Sheng wu

trunk canal

合计

Total

泄水

Inlet

入乌排水

Displacement

for enter

Wuliangsuhai lake

入黄排水

Displacement for

enter the Yellow

River

合计

Total

总退水量

Irrigation

return-flow

净引水量

Net water

diversion

2007

54.50 6.01 60.51

12.37 4.91 1.51 6.42 18.79 48.14 2008

50.89 5.47 56.36

12.70 6.04 2.34 8.38 21.08 43.66 2009

57.82 6.28 64.10

16.81 4.89 1.91 6.80 23.61 47.29 2010

56.69 5.42 62.12

17.98 7.15 4.49 11.64 29.62 44.14 2011

54.20 4.96 59.16

19.55 5.83 3.52 9.35 28.90 39.62 2012

49.25 5.15 54.40

19.00 8.53 2.83 11.37 30.37 35.40 2013

63.14 5.89 69.03

24.15 5.10 4.70 9.80 33.94 44.88

节水改造工程的实施，使灌区排水系统逐步完善，全灌区排水量呈逐年增加趋势，增大了地下水的排盐量。根据内蒙古农业大学和日本冈山大学合作项目的主要科研成果：通过调查灌区土壤及各级灌排渠系水阳离子含量变化及室内模拟灌溉水淋洗土柱试验得出，灌区灌溉水经过土壤到排水阳离子组成与灌溉水（Na+所占比例为63.3%）相比，各级排水干渠排水所含盐分中Na+所占比例明显增加，平均约为87%，Na+所占比例平均增加23.3%。灌区各级排干沟排出的盐分主要以对作物危害较大Na+为主[30]。对比表2中3 a的全灌区排水量和灌区净引水量可知，与节水改造前相比，2008和2009年的净引水量减少而全灌区排水量增加（地下水排盐量增大），这样引入灌区的盐分减少而排出

农业工程学报 2014年108

灌区的有害盐分增加，使得地下水水质趋于淡化。

4 结 论

1）内蒙河套灌区的水文化学过程为蒸发浓缩和阳离子交换共同起作用。与节水改造前（2007年）相比，2008和2009年HCO3-在地下水中绝对含量由在阴离子中最小变为最大，成为地下水的主要阴离子。Ca2+、Mg2+、HCO3-的变异系数相对较小，它们在地下水中含量相对稳定。Na+、Cl-、SO42-的变异系数较大，它们在地下水中的含量变化较大，是随环境因素而变化的敏感因子，是决定地下水盐化作用的主要变量。

2）整个灌区地下水的主要化学类型为HCO3—Na型、SO4—Na型和Cl—Na型，Cl—Na型水和SO4—Na型水主要分布在灌区的上游和下游，HCO3—Na型水在灌区上中下游都有分布。节水改造后（2008、2009年）HCO3-浓度有所增加，Cl-和Na+的浓度有所减少，灌区地下水向着淡化，对作物危害减小的方向转变。节水改造的实施和引黄水量的减少是水质趋于淡化的主要原因。

3）全灌区地下水水化学类型时空变异十分复杂，沿着地下水总体水流的方向（灌区上游、灌区中游、灌区下游）Na+占主导地位的趋势越来越明显，在地下水化学类型上，2008和2009年HCO3-在阴离子占主导地位的化学类型多于节水改造前（2007年）。

4）与皮伯三线图解法和H.И.托尔斯基汉方格图解法相比，多矩形图解法提供了更明晰、易懂的水化学类型的信息，对于处理复杂地下水化学系统，多矩形图解法的优点更为显著。

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Hydrochemical characteristics of groundwater before and after

water-saving reform in Hetao Irrigation District, Inner Mongolia

Li Bin1,2, Shi Haibin1※, Zhang Jianguo3,Li Zhen1

(1. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agriculture University, Hohhot 010018, China;

2. Institute of Resources and Environment and Testing Technology of Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal

Husbandry Sciences, Hohhot,010031, China; 3. Institute of Water Conservancy Science, Inner Mongolia Bayannur,

Linhe 015000, China)

Abstract: The purpose of the research is to validate the water environment changes of regional soil after implementing the water-saving upgrading program. The background of this research is about program implementation of water-saving upgrading in North irrigation district. The groundwater samples were analyzed scientifically and systemically in Inner Mongolia Hetao irrigation district, then the descriptive statistics, the correlation matrices, the ratio coefficient of the main ions and the graphical method (including the H.И. diagram, the piper diagram and Multi-rectangular diagram) were utilized to gain the better understanding of the spatial-temporal variability of the characteristics and the evolution rule of groundwater hydrochemistry in Hetao irrigation district of Inner Mongolia. The results showed that evaporation concentration, lixiviation and cation exchange were the main hydrological chemical processes which controlled the evolution of groundwater quality in irrigation district. Compare with the 2007 (before water-saving upgrading), the absolute content of HCO3- has change from smallest to largest in anion which becoming the main anion in the groundwater on 2008 and 2009. Coefficient of variation of Ca2+、Mg2+、HCO3- had few change and kept in a stable content in the groundwater. In addition, coefficient of variation of Na+、Cl-、SO42- had a large change in the groundwater. As a result, Na+、Cl-、SO42-became a susceptibility factor varying with environmental factors and major variables that determined in groundwater salinization effect. The main chemical types of ground water were HCO3—Na (middle and lower reaches), SO4—Na (downstream) and Cl—Na (upstream) in irrigation district. Moreover, compared with the 2007, the concentration of HCO3- was increasing, but the concentration of Cl- and Na+ were decreasing. The groundwater was changing to more desalt water and small harm for crop. There was a complex spatiotemporal variation of chemical types for ground water. To follow the direction of groundwater flow, the chemical types of groundwater had been changed from Na-Ca-Mg-Cl-SO4-HCO3, Na-Mg-Cl-SO4-HCO3 and Na-Mg-Ca-HCO3- SO4-Cl to Na-Cl-SO4, Na-SO4-HCO3 and Na-Mg-Cl-HCO3. Furthermore, the chemical types of groundwater had been changed from Ca-Na-Mg-HCO3-SO4-Cl, Na-Mg-Ca-HCO3-SO4-Cl and Na-Mg-Cl-HCO3-SO4 to Na-Cl-HCO3-SO4, Na-HCO3-Cl-SO4 and Na-Ca-HCO3-SO4-Cl in 2008. In 2009 the chemical types of groundwater had been changed from Na-Ca-Cl-SO4-HCO3, Na-Mg-Ca-HCO3-SO4-Cl and Na-Mg-Ca-Cl-HCO3- SO4 to Na-HCO3-Cl-SO4, Na-Cl-SO4 and Na-Ca-Mg-Cl-SO4-HCO3. The Na+ had absolute predominance trend. Therefore, in chemical type aspect, HCO3- of anion in 2008 and 2009 was more primary chemical type than HCO3- of anion in 2007. The research results can give the references to evaluate the impacts of the water-saving upgrading program on water environment of regional soil.

Key words: groundwater; water quality; water conservation; upgrading of water-saving facilities; hydrochemistry; spatial-temporal variability; evolvement rule; Inner Mongolia Hetao irrigation district