第52卷第5期2021年5月
Vol.52,No.5
May.,2021人民长江
Yangtze River
文章编号：1001-4179(2021)05-0018-06
泾惠渠灌区地下水水质特征及评价
谭浩1!，刘燕1!2，赵志强1!，刘招1!2
(1.长安大学水利与环境学院，陕西西安710064；2.长安大学，旱区地下水文与生态效应教育部重点实验
室，陕西西安710064)
摘要：泾惠渠灌区位于关中平原中部，是陕西省粮食主要产区之一，地下水利用超过区域水资源利用总量的50%。为合理开发利用泾惠渠灌区浅层地下水，保障灌区粮食供应，以泾惠渠水和全区均匀分布的47个浅层地下水采样点水质数据为基础，采用模糊综合优化模型、Wilcox、USSL图解法与单因子评价方法对
灌区浅层地下水水质进行评价分析。结果表明：①灌区地下水溶解性总固体值较高，阳离子以Na Q为主，Ca八、Mg八次之，阴离子中主要以SO42-为主，地下水化学组分主要受溶滤作用和浓缩作用的影响。②泾惠渠灌区浅层地下水水样均为#级水，长期灌溉会导致作物减产，农田被破坏；渠水水样为"级水，优于地下水，可用于灌溉。
③通过Wilcox、USSL图解法与单因子评价方法对模糊综合优化评价结果进行验证，表明模糊综合优化模型
适用于研究区地下水水质评价分析且结论较为可靠。研究结果可为泾惠渠灌区地下水环境的治理与预防提供科学依据，对保证灌区粮食安全有着重要意义。
关键词：灌溉水；水质评价；地下水污染；模糊综合优化模型；泾惠渠灌区
中图法分类号：X824文献标志码：A DOI：10.16232/jki.1001-4179.2021.05.004
地下水是地球上最丰富且分布最广泛的淡水资源，对于人类的生产生活、社会经济发展具有重要的意义［1］。伴随着人类活动的增强，地下水已不可避免地遭受到了污染。由于地下水深埋地下，其污染具有隐蔽性特点，且由于流动缓慢，更新速度慢，一旦污染很难治理［_5］。泾惠渠灌区位于关中平原中部，是陕西省粮食主要产区之一，地下水利用超过区域水资源利用总量的50%［6-7］o近年来灌区在发
展高效农业生产的同时，以化肥、农药的残留物为主的污染物对灌区土壤及浅层地下水造成了不同程度的污染因此，需要针对灌区地下水水质进行科学系统的评价。当今采用较多的灌溉水水质评价方式有Wilcax分类法、灌溉系数法、模糊综合评价法和钠吸附比法等，但由于其均存在指标单一化的问题，评价结果综合性较差。而且实际水质评价中符合模糊综合评价模型要求的污染指标分级标准，一般是以点形式存在的标准值，这与模糊综合评价模型存在不兼容问题有关"冋。模糊综合评价模型要求的评价标准是分级值而不是分级范围，这是由隶属度的绝对化造成的W实际上，水质类别的模糊概念往往具有可变性或相对性，因此表征客观事物模糊性的隶属度也应是相对的［12］$
本文对泾惠渠灌区进行采样分析，并应用模糊综合优化模型进行灌溉水质评价，通过USSL图、Wilcax 图解法、各单因子评价法验证评价结果，从而为灌区地下水开发利用和污染防治提供理论依据$
1研究区概况
泾惠渠灌区处于关中平原中部，地势自西北向东南倾斜，海拔350-450m，全区地势平坦，属大陆性半干旱气候，蒸发作用较强烈"1］$灌区农作物以粮食、
收稿日期：2020-03-26
基金项目：国家外专局和教育部联合资助“111”引智项目(B08039)；陕西省水利厅科技项目(2016slkj-28)；陕西省重点研发计划项目(2019SF-237)；西安市建设科技计划项目(SJW2017-11)
作者简介：谭浩，男，硕士研究生，主要从事水文水资源方面的研究'E-mail：857019280@qq.cam
通讯作者：刘燕，女，副教授，博士，主要从事环境水文及水资源方向的教学和科研工作'E-mail：
第5期谭浩!等：泾惠渠灌区地下水水质特征及评价19
蔬菜为主，复种指数1. 85以上$灌区总面积约为
1 300 km 2，有效灌溉面积839.3 km 2，涵盖泾阳、三原、
高陵、临潼、阎良、富平等区县$泾惠渠灌区属于大型 井渠双灌灌区，是陕西省粮食、蔬菜主要产区之一，地
下水利用超过区域水资源利用总量的50% "6-7#$灌 区依据水文地质划分原理和其地貌特征以及地质构造 特征，可以划分为4个区、7个亚区，如表1所列。
2材料与方法
2.1样品的采集与处理
泾惠渠灌区为井渠双灌灌区，泾河河水和浅层地
下水为灌区主要灌溉水源$故此，本次研究以泾惠渠 水（48号样品）和全区均匀分布的47个浅层地下水采
样点为基础（见图1），进行采样测试$采样过程按HJ 493 -20090水质采样样品的保存和管理技术规定》"13# 和0环境水质质量保证手册》"14#规定进行$采样时间
为11月份冬季停灌期，所有样品点均采集3个样品, 以消除偶然误差$样品分析项目主要包括常规离子、 溶解性总固体、Mn 2+、Cr 6+、F -、硝酸盐、氨氮及pH 、
度、浊度$
2.2评价方法
将传统模糊综合评价法与相对隶属度相结合形
成模糊综合优化模型$采用相对隶属度来表征评价 指标与水质标准间的模糊关系，使用区间形式的评
价标准，综合多项评价指标，对研究区地下水灌溉适 宜性进行分析，综合反映灌溉水总体水质"15#$主要 步骤如下$
（1）划分目标等级$将评价对象划定4个评价等
级，记为
w 二{I , n , #, $}
（1）
富平县
15
河
河川
旨河 心35 河-® • .7
41 人,,QMp
…J
。
临潼区
・采样点匚区、县----河流
-…一灌区边界
图1研究区采样点位置示意
Fit. 1 Map of the study ares and sampling sites
（2） 其中i （优秀）、n （好）级地下水可直接用于灌
溉,#（中）级地下水若长期用于灌溉有破坏农田、导致 作物减产的隐患,$（差）级地下水不适宜灌溉$依据
DZ/T 0290 -20150地下水水质标准》，I （优秀）、"（好）、
$（差）级地下水对应i 、n 、v 级；#（中）级地下水对应#、
$级$研究区水质评价标准如表2所列。
（3） 建立评价指标集$选取对水质影响较大的钠 含量（% Na ）、钠吸附比（SAR ）、可溶性钠百分率
（SSP ）、电导率（EC ）4个评价指标$评价指标集记为
U 二{SSP , SAR , % Na,EC }
（2）
（4） 建立模糊关系矩阵，计算公式如下：
05\[1 -
（f ）
]
[C D ）, c
L （ J — 1 ）
0.5 \
[
1
#（
总）]S, & [ % Mi
Y — <o
05\[1 #
（M^）]
[M v ，吋
.05\[1 -
（）
]
[d i %"）]
（3）
表1泾惠渠灌区水文地质分区类型
Tab. 1 Hydroxeeloxical zoning types of Jinghuiqu
ares
地貌单元
水文地质分区
含水层
区（名称）
亚区（名称）
代号
埋深/m 厚度/m
岩性
泾渭河漫滩及-级阶地
泾渭河漫滩及一级阶地第四系全新统冲积
泾河漫滩及一级阶地强富水亚区
I A 12.33 -57.504-36
以粗砂、砂卵石为主，上覆砂土、亚黏土、局部夹粉、细砂
含水岩组水文地质区
渭河漫滩及一级阶地强富水亚区
I B 4.00 -63.0024 -50
以细砂、粗砂、砂砾石为主，间夹数层亚砂土、亚黏土、河漫
滩砂砾石层夹有淤泥质土
泾河二级阶地
泾河二级阶地第四系全新统冲积含水岩组泾河二级阶地清河、冶峪河以南富水亚区
n a 6.00 -75.00
6 -20西部及中部以粉、细砂、底部有砂砾石分布，东部以粉细砂水文地质区
泾河二级阶地东北部（清河以北）富水亚区
n b 10.00 -80.0010-20
为主，局部含砂砾石层，间夹有多层亚黏土、亚砂土
以粉细砂为主，局部含砂砾石、间夹亚黏土、亚砂土泾河二级阶地东北部（清河、冶峪河以北）富 水亚区
n c
12.50 -50.00
10-15
以亚黏土、亚砂土夹粉细砂为主，局部含砂砾石
泾河三级阶地渭河二级阶泾河三级、渭河二级阶地第四系全新统冲积泾河三级阶地中等富水亚区
# A 10.00 -50.0013-17以砂砾石为主，次为亚黏土、亚砂土夹砂层，上覆新黄土
地
含水岩组水文地质区
渭河二级阶地中等富水亚区# B 27.00 -90.0016-50以砂砾石、沙层为主，上部夹亚黏土、亚砂土，上覆新土黄土台塬黄土台塬第四系全新统冲积含水岩组水文黄土台塬弱富水亚区
$
80.00 - 100.00
10-30
以亚黏土、亚砂土夹砂、砂砾石层为主，上覆新黄土及老黄地质区
土 （厚度大）
注：引自《泾惠渠灌区浅层地下水研究报告》。
20
人民长江2021 年
表2研究区灌溉水水质评价分级标准
Tab. 2
Classification criteria for irrivation water qualite evaluation in the study area
级别
可溶性钠百分率/%钠吸附比
钠含量/%电导率/(
*s ■ cm -1)
0-500100-4002500
O5010
O18
40
O60250O75050
O10018O2660
O80750O2250
$
50
O10026
O50
80
O2002250
O5000
式中：(为评价指标Z 在等级j 处的相对隶属度；s*为
评价指标I 的实测值;@为指标I 在第j 等级浓度范围
［的左限值，为其右限值)为指标Z 在第j
-1等级的左限值,)心+ 1)为指标z 在第J + 1等级的右
限值；为指标Z 在第j 等级处相对隶属度为1的点,
其取值一般由下式确定$
+D 1)*
(4)y
1 y
-1 y
v /
11
由此可得模糊关系矩阵":
5
…r lm
R $
3 3 3
(5)
L 5 …r ”,
(5 )建立权重矩阵$使用聚类权法计算权重
s
；=
(6)
(討
*
(6)确定评价等级$将权重矩阵#和模糊关系 矩阵R 进行运算，得到评价对象的非归一化综合隶属
度向量B ：
$ $ A - R $ ( 3 ,3，…，3”)
(
7)
式中：“ •”为模糊算子$ 3*的计算公式为
3 $ # (8
)
* = 1
式中：；*为指标I 对等级j 的权重值$对向量$进行归 一化处理，由以下公式得到评价对象的等级$
A $ # ( 3Q xj)
j $ 133Q $ —D
1 # 3
(9)
式中：A 为级别特征值，综合反映了评价对象的状态及
趋势$当A & (0,1,1.5)时，评价对象处于第1等级; A & (j-0.5 J+0. 5 )且 j & ［ 2,1-1 ］时，评价对象处
于第j 等级;A & (” -0. 5 , ”)时，评价对象处于第” 等级$
3结果与分析
3.1地下水化验结果与分析
从表3可以看出：溶解性总固体值较高，说明灌区
地下水矿化度较大；从离子组分角度来看,SO 42-质量
浓度的平均值最大，Mg 2+、Cl -! HCO 3 一、Na +的质量浓 度仅次于SO 42-，说明其占据主导地位，并且Mg 2+、
Cl -、HCO 3 一、Na +的平均值较大，表明其绝对质量浓度 较高$ Mn 2+、硝酸盐、氨氮变异系数较大，其余离子变
异系数较小，说明灌区地下水中Mn 2+、硝酸盐、氨氮在
不同区域质量浓度值相差较高，因为地区工业污染和 氨氮肥污染，且易受地质条件和人类活动等因素的影 响$
由地下水Pipae 三线图可以看出：灌区地下水中 阳离子以Na +为主，Ca 2+、Mg 2+次之，阴离子中主要以
SO 42-为主，HC03一、Cl 一次之(见图3 )$运用离子毫克 当量比值分析法对地下水的成因和地下水化学成分的
来源及形成过程进行分析比水化学类型能更好地描绘 水质的演化过程［16］$通过对(Cl -) /( Ca 2+)值的分
析，可以反映地下水的水动力条件$灌区自西部向东 部(Cl ) /s ( Ca 2+ )值逐渐增大，均值为4.8 ，表明灌
区地下水流动缓慢且溶滤作用不充分，岩层中含有易
溶盐，西部水动力条件要好于东部$通过对(Cl -) /s
(SO 42-)、r( Cl )/( HCO 3- )>r ( SO 42- )/( HCO 3-)值 的分析，可以反映阴离子的空间变化过程及组分分配 比变化的水文地球化学参数［16］ $ r ( SO 42- )/s
(HCO 3-)、r( Cl )/r( SO 42-)自北向南呈现递增趋势,
均值分别为1.74 ,0.36 ;( Cl )/r( HCO 3-)自西向东
呈现增加趋势，均值为0.54；以上表明灌区下游的径 流条件较差，蒸发浓缩作用较为强烈，盐分易累积$通 过对(Ca 2+ )/r( Mg 2+ )、r( Na * )/s ( Mg 2+ )值的分析, 可以反映水质演化过程及矿化度的程度$ ( Ca 2+) /
表3 47组地下水样化学参数统计结果
Tab. 3 Statistics of hydrochemical parameters of 47 groundwaWs samples
项目F 一Cr 6 +
Mn 2 +硝酸盐氨氮Ca 2 +Mg 2 +K +Na +so
2-
Cl -HCO3-TDS pH EC
最大值 2.550.230.76
42.000.55217.90
293.20
140.041260.362107.30859.80
1022.105134.208.0110268.40最小值
0.34
0.010.010.47<0.0227.6047.1015.66
140.94148.9035.50
54.90
805.807.221611.60
平均值 1.080.070.088.060.11
74.04156.8254.19487.68
945.09305.06664.282377.42
7.594754.85
标准偏差0.46
0.050.17
8.950.0944.56
54.4424.82223.41415.05
153.89
174.11
893.240.20
1786.48
变异系数
0.430.69
2.10 1.11
0.82
0.600.35
0.46
0.460.440.500.260.38
0.03
0.38
注：泾惠渠渠水(48号样品)未列入统计结果；pH 无量钢，EC 的单位为*s/cm ，其他指标单位均为mg/L ；
变异系数无量纲
第5期谭浩!等：泾惠渠灌区地下水水质特征及评价21
t Mg2+)值呈现出自西向东的递减趋势%均值为0.5；c
(Na Q)/b Mg2+)值均较高%均值为3.25%表明灌区地下水矿化度较高且上游溶滤作用较强。通过对厂
(Ca2Q)/s(SO42-)r(Ca2+)/s(HCO3-)、c(Na+)/s
(Cl-)值的分析%可以反映地下水中主要离子的来源$ c(Ca2+)/s(SO42-)、厂(Ca2Q)/s(HCO3-)的均值分别
为0.09,0.15%说明灌区钙离子不仅来源于石膏和方
解石的溶解%还受白云石的影响。厂(Na Q)/s(Cl-)大于1.00且均值为1.80%说明钠离子的来源不仅只有岩盐的溶解%超出部分很可能来自硫酸钠蒸发沉积物的溶解$综上所述%灌区地下水化学组分的形成主要受溶滤作用和浓缩作用的影响$
图2地下水Piper三线图
Fio.1Piper three一line map of groundwater
3.2单项指标验证分析
SAR和钠含量代表灌溉用水中Na Q含量过高引起的危害$灌溉用水中Na Q浓度较高会对土壤物理性质产
生不利影响%当大量的Na Q吸附到土壤颗粒上时%会导致土壤颗粒分散"17#$在表3基础上%利用USSL、Wilcox图解法绘制出了灌溉水分类图(见图3-4)$
图3为基于美国农业部(USDA)评价方法的灌溉水水质分类结果%图中C代表盐化级别%S代表碱化级别$由图3可知：有45个样品落在C4区域内%占总水样的95.7%；2个水样落在C3区域内％占总水样的4.1%；渠水落在C2区域内；无水样落在C1区域内$该地区地下水可溶盐质量浓度过高%用于灌溉会导致土地盐化%影响作物生长%需采取淋滤、淡水混灌等方式控盐$落在S1S2、S3、S4内的水样占总水样的8.79%%27.08%%27.08%%37.05%%即位于S3、S4区域的地下水样占64.13%$使用这部分地下水灌溉将导致土壤碱化%土壤养分的有效性降低%对作物产生不利影响$综合盐化和碱化级别来看%位于C4S1、C4S2、C4S3、C4S4、C3S2、C2S1的样品数分别占总样品的6.25%%22.92%%27.08%% 37.5%,4.17%,2.08%$可以看出研究区仅有渠水位于C2S1%2个样品位于C3S2(占总水样的6.25%)%其余45个样品含盐量过高％属于C4S1、C4S2、C4S3、C4S4区域%不适于灌溉$
图3地下水样品含盐量及钠危害分级
Fig.3Saltcontentand sodium haeaed geading
chare of the groundwater samples
图4灌溉水水质分类
Fio,4Water quality classification map of irriaation water
-------------
-\P
•7*16
泾_\%1
•4
\
•44*朗8伽上嵐7.18.
_\・25
•瑞1*40
•3^13
论.蹲•»<
%
■眞
凶
-蛊*5凶
凶凶
-画
画
-艮田
U_L
TTT
8
图4为基于Wilcox图解法的灌溉水水质分类结果。由图4可知：灌区样品EC值均较高％范围为1611.6〜10268.4*s/cm%平均为4754.9*s/sm$所有样品均不能评为优质灌溉水源(250<EC<750 *s/cm)$位于适宜灌溉、保留灌溉、不适宜灌溉区域的水样分别占总水样的2.08%%4.17%%93.75%%说 明灌区大部地下水不适宜灌溉$对比图3与图4可知：44%46%48号水样在图3中位于C3S2和C2S1区%
22人民长江2021年
在图4中位于适宜灌溉区域、保留灌溉区域，结果具有
一致性$
3.3灌溉适应性评价
依据研究区灌溉水体4个水质评价指标，利用
模糊综合优化模型对48个样品进行灌溉水质适应
性评价，并利用水质样品数据通过USSL、WW cox图解
法、单因子评价法计算参数$分析灌区地下水的灌
溉适宜性与模糊综合优化模型进行对比，结果列于
表4$从表4可以看出：灌区浅层地下水水质较差,
均为#级水，长期用于灌溉有破坏农田、致使作物减
产的隐患；渠水水质优于浅层地下水为"级水，可用
于灌溉$
表4灌溉水水质参数评价与模型结果对比
Tab.4Comparison of eveluation of irriaation water
qualita parameterr and model resultr
编号可溶性
钠百分
率/%
钠吸
附比
匡
电导率/
(*s*
cm-1)
模型
结果
编号
可溶性
钠百分
率/%
钠吸
附比
匡
电导率/
(*s*
cm-1)
模型
结果
X0013234X0253234
X0023234X0263124
X0033234X0273234
X0043234X0283234
X0051124X0293134
X0063134X0303134
X0073234X0313124
X0083234X0323134
X0093234X0333134
X0103234X0341124
X0113234X0353134
X0123234X0363124
X0133124X0373124
X0143234X0383134
X0153234X0393124
X0163334X0403134
X0173234X0413134
X0183234X0423234
X0193134X0433234
X0203134X0443133
X0213134X0453134
X0223134X0463133
X0231124X0473234
X0243134X0481223从局部来看(以1号样品为例)：可溶性钠百分率(SSP)、钠含量(%Na)属于#级，电导率(EC)属于$级，钠吸附比(SAR)属于"级$因为位于#级的水质参数较多，模型判定1号水样为#类灌溉水，评价结果合理$从总体来看：浅层地下水中SSP、％Na、EC指标参数达到#、$等级的水样占比为91.67%,81.25%和93.75%；评价结果中浅层地下水中#、$等级的水样占97.92%，评价结果合理$4结论
(1)泾惠渠灌区地下水整体矿化度较大，主要阳离子为Na Q，主要阴离子为SO42-且Mn2Q、硝酸盐、氨
氮在不同区域质量浓度值相差较高$水化学组分的形成主要受溶滤作用和浓缩作用的控制，白云石及硫酸钠蒸发沉积物的溶解也有贡献$
(2)利用电导率、钠吸附比和钠含量等参数，参照美国农业部灌溉水分类标准和WW cox图解法对泾惠渠灌区地下水质量进行了评价，发现仅有6.25%的水样可作为灌溉水，均位于灌区东南部$
(3)采用模糊综合优化模型对泾惠渠灌区地下水水质进行评价，结果表明：灌区共48个采样点除渠水外全部属于#级水，质量较差不适宜灌溉；渠水为"级水，相比全区地下水较好，适宜灌溉$
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