阿尔及利亚东北部地表水水质与灌溉适宜性的综合评价：污染指数与灌溉指标的联合应用

《Desalination and Water Treatment》：Characterization of Surface Waters in Northeastern Algeria Utilizing Irrigation and Pollution Indices in Conjunction with Statistical Methods

本研究针对阿尔及利亚东北部半干旱地区地表水水质数据匮乏及灌溉适宜性不明的问题，研究人员通过分析13个站点的理化参数，综合运用WPI、SAR、Na%、IRR等多种水质与灌溉指数，结合统计方法进行评价。结果表明，大部分站点水质优良至良好，70%站点呈低污染水平，超过50%地表水适宜农业灌溉。该研究为该区域水资源可持续管理与农业实践提供了关键基线数据和科学依据。

　　

水是生命之源，是人类社会经济发展的基石。然而，在全球范围内，水资源的质量正日益受到人类活动和气候变化的严重威胁。在阿尔及利亚，尤其是在其半干旱地区，地表水资源面临着来自城市和工业排放的巨大压力。与此同时，关于这些水体的水质及其灌溉适宜性的科学数据却十分稀缺。这种知识空白使得该地区的水资源管理和可持续利用面临严峻挑战。正是在这样的背景下，由Aymen Hadjab、Rabah Zebsa、Ramzi Hadjab、Sadek Atoussi、Hichem Khammar和Amin Chaffai组成的研究团队，对阿尔及利亚东北部六个地区的地表水进行了深入的表征研究，旨在填补这一关键的知识缺口，并为该地区有限的水资源监测提供重要数据。这项研究成果已发表在《Desalination and Water Treatment》期刊上。

为了系统评估水质，研究人员在2022年至2023年间，从阿尔及利亚东北部六个区域的13个代表性站点采集了地表水样本。这些区域涵盖了从北部湿润气候（如Jijel, Guelma, Souk Ahras）到南部半干旱气候（如Mila, Oum El Bouaghi, Batna, Khenchela）的不同生物气候带。研究团队使用WTW 3620 IDS多参数测量仪现场测定水的物理特性（如温度、pH值、电导率EC），并将水样送至实验室，依据标准国际方法（如APHA标准方法）进行化学成分分析，包括氯离子(Cl^-)、硫酸根离子(SO₄^2-)、碳酸氢根离子(HCO₃^-)、硝酸根离子(NO₃^-)、镁离子(Mg²⁺)、钙离子(Ca²⁺)、钠离子(Na⁺)、钾离子(K⁺)和总硬度(TH)等。质量控制措施，如校准曲线线性验证（R2 > 0.999），确保了数据的可靠性。

研究的核心技术方法主要包括：（1）运用Piper图直观展示水样的水化学类型，识别主要离子组成特征；（2）计算水污染指数(WPI)以量化水体污染程度；（3）系统评估灌溉水质量，计算包括钠吸附比(SAR)、钠百分比(Na%)、残余碳酸钠(RSC)、渗透性指数(PI)、凯利比率(KR)、镁危害(MH)、残余碳酸氢钠(RSBC)、潜在盐度(PS)在内的多种灌溉指数；（4）创新性地构建并应用综合灌溉指数(IRR)，对灌溉适宜性进行整体评价；（5）利用Gibbs图分析控制水化学的主要机制（如岩石风化、蒸发浓缩）；（6）采用层次聚类分析(AHC)对采样点和水质参数进行分组，揭示其空间相似性和差异性；（7）通过Pearson相关性分析探讨各理化参数及灌溉指数之间的内在联系。

3.1. 一般水文化学特征

分析结果显示，研究区域地表水的理化性质存在显著的空间变异性。pH值范围在5.32至8.15之间，平均值为7.46，大部分站点符合WHO标准，但Khenchela地区的两个站点pH值偏低。电导率(EC)的差异尤为明显，最高值出现在Souk Ahras地区的Oued Charef站（1955 μS/cm），最低值在Batna地区（199.4 μS/cm），平均值为798.95 μS/cm，约有60%的站点超过了WHO的建议限值。氯离子(Cl^-)和硫酸根离子(SO₄^2-)的浓度也显示出很大的波动，最高浓度分别出现在Oued Charef站（1187.125 mg/L）和Oued Mechaki站（265.6 mg/L）。总溶解固体(TDS)的变化范围从101.5 mg/L到1475 mg/L。值得注意的是，Oum El Bouaghi和Souk Ahras地区的一些站点，如Oued Dahmane、Oued Dhimine和Oued Charef，表现出较高的氯离子、钠离子和镁离子浓度，这主要归因于城市未经处理的废水排放。相比之下，位于高海拔、受人类活动影响较小的站点（如Oued Taga）水质参数则保持在较好的水平。硝酸盐、碳酸氢盐、钙、钾和总硬度等参数总体上符合WHO指南。

3.2. Piper图

通过Piper图对水化学类型的分析，揭示了两种主要的化学相。大多数站点（11个）属于氯化物-硫酸盐-钙-镁型水，而Oued Charef和Oued Meskiana两个站点则呈现出氯化物-钠-钾型水的特征。这种差异反映了不同站点地质背景和潜在污染源的影响。

3.3. 水污染指数(WPI)

WPI指数用于量化水体的污染程度。结果表明，Oued Dahmane站的WPI值最高，属于中度污染水平。而Oued Lma Lakhal、Oued Ansar和Oued Ras Galaa等站的WPI值较低，属于低污染类别。总体而言，超过70%的采样点处于低污染和中度污染水平，污染程度与站点海拔高度和人类活动密集度呈负相关。

3.4. 灌溉水质量

3.4.1. 钠风险(Na%)和钠吸附比(SAR)

SAR值介于0.32到8.16之间（平均2.92），根据Richards分类，大部分水样属于灌溉水质的“良好”类别，五个站点为“优良”级别。Na%计算显示，95%的样本其灌溉水质为优良至良好，仅Oued Meskiana站的Na%值（66.06）属于“可疑”类别。结合EC和SAR的USSL（美国盐度实验室）图分析，可将站点分为C1-S1（优良，无限制，如Oued Taga）、C2-S1/S2（良好，如Oued Lma Lakhel等）和C3-S1/S2（中等盐度风险，需注意作物选择，如Oued Dahmane等）等类别。Wilcox图进一步证实，54%的站点（如Oued Lma Lakhal）灌溉水质为“优良”，38%为“良好”（如Oued Dahmane），仅Oued Charef站为“可允许”级别。

3.4.2. 残余碳酸钠(RSC)

所有站点的RSC值均为负值（范围-25.08至-2.01 meq/L，平均-17.09 meq/L），远低于1.25 meq/L的临界值，表明研究区地表水不存在碳酸钠残留引起的碱化风险，适合灌溉。

3.4.3. 渗透性指数(PI)

PI值评估了灌溉水对土壤渗透性的影响。70%的站点（如Oued Lma Lakhal, PI=29.95；Oued Meskiana, PI=67.71）其PI值低于75，属于“适宜”灌溉范畴。其余30%的站点PI值超过75，被认为对灌溉“不适宜”，长期使用可能影响土壤渗透性。

3.4.4. 潜在盐度(PS)

PS值基于氯离子和硫酸根离子浓度计算，范围在1.03至56.97之间（平均17.54）。仅8%的样本（如Oued Lma Lakhal, Oued Taga）属于“优良”级别，另有8%（Oued Athmania）为“良好”。然而，超过一半（54%）的样本（如Oued Dahmane, Oued Dhimine, Oued Charef）显示出“不适宜”灌溉的盐度水平，存在导致土壤盐渍化的风险。

3.4.5. 凯利比率(KR)

KR值在0.05到1.92之间（平均0.55）。根据Kelley的分类，92%的水样KR值小于1，属于“适宜”灌溉范围。仅Oued Meskiana站的KR值大于1，表明该站点的水“不适宜”灌溉。

3.4.6. 残余碳酸氢钠(RSBC)

所有站点的RSBC值均为负值（范围-6.29至-0.17，平均-1.93），全部属于“无碱性危害”类别，表明不存在由碳酸氢钠引起的碱度问题。

3.4.7. 镁危害(MH)

MH值变化范围很大，从12.83（Oued Rafraf）到96.20（Oued Maa），平均值为78.97。根据标准（MH < 50为适宜），大多数站点的MH值超过了限值，表明存在镁危害风险，可能对土壤结构和作物生长产生不利影响。仅Oued Meskiana和Oued Rafraf两个站点的MH值在可接受范围内。

3.5. 综合灌溉指数(IRR)

通过综合八个灌溉指数（SAR, Na%, RSC, MH, PI, PS, KR, RSBC）构建的IRR指数显示，研究区灌溉水质量存在明显差异。在13个站点中，3个站点水质为“优良”，7个为“良好”，3个为“可允许”。这表明大部分地表水适合农业灌溉使用，但部分站点需要特定的管理措施。

3.6. Gibbs图

Gibbs图分析表明，大多数采样点落在岩石风化作用主导区域内，说明水岩相互作用（如碳酸盐和蒸发岩矿物的溶解）是控制研究区地表水化学特征的主要机制。少数站点落在蒸发浓缩区域，反映了该半干旱地区蒸发作用对水化学的影响。

3.7. 层次聚类分析(AHC)

基于理化参数的AHC分析将13个站点分为三个主要簇。第一簇（如Oued Dhimine, Oued Dahmane, Oued Charef）化学组成高度相似，可能与相似的水文地质背景或污染源有关。第二簇（如Oued Meskiana, Oued Mechaki, Oued Zemzoum）具有一定的异质性。第三簇（如Oued Ras Galaa, Oued Maa, Oued Taga）包含更多样化的站点，但仍显示出化学上的凝聚力。基于灌溉和污染指数的AHC分析也识别出三个簇，反映了不同的水质和适宜性模式，例如一些簇具有相似的WPI和SAR值，而另一些簇则由高海拔、低人为影响的站点组成，水质均一且适宜灌溉。

3.8. 理化参数间的关系

相关性分析揭示了参数间的内在联系。氯离子(Cl^-)、钠离子(Na⁺)和硫酸根离子(SO₄^2-)之间呈现强正相关（如Cl^-与Na⁺, r=0.85），表明它们可能来源于共同的地质或人为污染源。钙离子(Ca²⁺)和钾离子(K⁺)之间也存在强相关性（r=0.91）。总溶解固体(TDS)与镁离子(Mg²⁺)、硫酸根离子(SO₄^2-)正相关，但与硝酸根离子(NO₃^-)和总硬度(TH)呈负相关，说明盐化与硝酸盐污染来源不同，后者更可能来自局地农业或生活污水排放。在灌溉指数方面，Na%与SAR强正相关（r=0.92），PI与Na%和SAR正相关，而与MH负相关，这表明高钠和高镁含量会对土壤渗透性产生不利影响。值得注意的是，WPI与IRR之间的相关性较弱（r=0.33），提示污染水平对灌溉适宜性的直接影响在此研究中并不显著。

4. 讨论与结论

本研究深入揭示了阿尔及利亚东北部地表水化学组成的显著空间变异性，其主要驱动因素包括流域地质结构、海拔差异以及与人类聚居区的距离。靠近城市和废水排放区的站点（如Oued Meskiana, Oued Dahmane, Oued Dhimine, Oued Charef）出现了氯化物、硫酸盐、电导率和总溶解固体含量升高的现象，常常超出WHO（2011）标准。相反，位于高海拔、人类活动影响较小的上游站点则保持了较好的水质。

灌溉适宜性评估表明，大部分水体的质量在可接受范围内，适合农业使用。然而，像Oued Meskiana这样的站点，由于钠含量高，存在钠化风险。残余碳酸氢钠(RSBC)指标显示水体呈非碱性状态，但潜在盐度(PS)和镁危害(MH)指数指出了一些地区在灌溉使用上存在限制。综合灌溉指数(IRR)证实，超过50%的地表水被归类为适合农业使用。

Gibbs图和层次聚类分析共同表明，水-岩相互作用是控制水化学的主要自然过程，而蒸发作用和人为污染（城市排放、农业径流）则塑造了局部的水质特征。参数间的相关性分析进一步佐证了地质来源和人为输入的共同影响。

总之，该研究为阿尔及利亚东北部半干旱地区的地表水资源状况提供了宝贵的基线数据。尽管许多地表水可用于灌溉，但对于已识别的污染热点和存在钠化、盐化风险的区域，需要进行持续监测、废水处理前预处理以及实施针对性的管理策略。研究成果强调了在该数据稀缺的区域建立水资源质量监测网络、加强污水处理能力以及推广可持续农业实践的必要性和紧迫性，对于该地区水资源的可持续管理、农业安全保障以及生态环境保护具有重要的科学意义和实践指导价值。