孫厚云，張　艷，楊　軍

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室/成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

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閬中市思依鎮(zhèn)地下水水化學(xué)特征分析

孫厚云，張艷，楊軍

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室/成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

[摘要]閬中市思依鎮(zhèn)地處四川紅層缺水地區(qū)，居民飲用水水源主要為淺層地下水，分析總結(jié)地下水水化學(xué)特征對地區(qū)供水具有重要意義。運用Piper三線圖、Durov圖、Scholler圖等水化學(xué)分析圖解，因子分析、聚類分析統(tǒng)計學(xué)方法確定研究區(qū)地下水水化學(xué)類型、地下水主要離子組分的分布特征，總結(jié)研究區(qū)地下水水化學(xué)特征。研究表明，研究區(qū)水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca型、HCO3+SO4-Ca型、HCO3-Ca+Mg型三類，占水樣總量的94.34%；地下水多為硬水，地下水主要陽離子為Ca2+，主要陰離子為HCO3-+CO32-；區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)形成過程中溶濾作用為主導(dǎo)作用。

[關(guān)鍵詞]閬中市；地下水；水化學(xué)特征；因子分析；聚類分析

四川紅層地區(qū)長期以來被視為“1地下水資源貧乏，在地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造有利的局部地段富水的貧水區(qū)”，對紅層淺層地下水水化學(xué)特征的研究于紅層地下水開發(fā)利用具有重要意義[1-2]。閬中市思依鎮(zhèn)地處川中紅層地區(qū)，當(dāng)?shù)鼐用耖L期以淺層地下水作為飲用水源，而目前該地區(qū)尚未進行過水文地球化學(xué)特征相關(guān)調(diào)查與研究，地下水水文地球化學(xué)特征不甚清楚。思依鎮(zhèn)地處農(nóng)業(yè)區(qū)，地下水可能已受農(nóng)業(yè)污染影響；因此，本次研究對閬中市思依鎮(zhèn)淺層地下水水化學(xué)成分特征進行了分析總結(jié)，以期為紅層地區(qū)供水決策提供基礎(chǔ)資料和信息支撐。

1研究區(qū)概況

1.1研究區(qū)自然地理概況

研究區(qū)思依鎮(zhèn)位于閬中市西北部，距離閬中市約35 km，屬片區(qū)區(qū)域型中心鎮(zhèn)，全鎮(zhèn)幅員面積68 km2。研究區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和、雨水充沛；年均氣溫16.9℃，年均降雨量1 042.5 mm；主要河流為桃花河、溫家河，由南向北注入嘉陵江水系一級支流西河。研究區(qū)地處四川盆地丘陵北端低山丘陵區(qū)，主要地貌為淺切丘陵和寬緩谷地，平均海拔高度550 m，西南部尖山子為研究區(qū)海拔最高點。

圖1　研究區(qū)地理位置

mg·L-1

1.2研究區(qū)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于四川紅層地區(qū)，含水層主要為粘土巖類和碎屑巖類[3]，含水層厚度不均，地下水水位埋藏較淺。研究區(qū)地下水賦存類型主要為第四系松散巖類孔隙水與白堊系劍門關(guān)組(K1j)砂、泥巖風(fēng)化帶孔隙裂隙水。前者主要賦存于研究區(qū)河谷、溝谷地帶的沖洪積物和山體表層第四系坡殘積物風(fēng)化帶中，主要分布于桃花河兩岸，寬緩谷地及部分山體頂部、緩坡及沖溝中。后者分布于研究區(qū)中部淺切丘陵區(qū)，主要賦存于白堊系劍門關(guān)組(K1j)砂、泥巖淺部風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙及深部砂巖層間裂隙孔隙中。

研究區(qū)第四系松散堆積物厚度小，地下水位埋藏較淺，淺層地下水基本受溝谷小流域的控制。地下水主要接受大氣降水、灌溉水及庫塘、水渠水入滲補給，地下動態(tài)呈季節(jié)性變化。研究區(qū)淺層在第四系土石堆積物中沿相互連通的孔隙呈面狀流動，在裂隙巖體中沿互相連通的裂隙呈脈狀流動，地下水徑流途徑短，流動方向具各向異性、不均一性，不具備區(qū)域性地下水流向。研究區(qū)地下水排泄的地點多為地形低洼的沖溝、河谷，主要以泉的形式出露。淺層風(fēng)化帶裂隙水在局部阻水作用下于斜坡或地形較高的溝谷處溢出地表，具有就地補給、就近排泄的特征。另外，居民打井用水等人工排泄及地表蒸發(fā)亦是研究素地下水排泄途徑之一。

2研究方法

2.1樣品采集與測試

在充分考慮地下水樣的代表性、樣品點的控制性、地下水流場特征等因素的基礎(chǔ)上，本次地下水水化學(xué)分析共取研究區(qū)淺層地下水水樣53組。本次研究所采集的地下水化學(xué)分析水樣均嚴格按照衛(wèi)生部1991年公布的《農(nóng)村實施 <生活飲用水衛(wèi)生標準> 準則》野外取樣規(guī)范要求進行采集、保存、送樣。地下水分析水樣檢測工作由四川省核工業(yè)輻測試防護院承擔(dān)，各指標檢測均嚴格按照相關(guān)國家標準進行。

2.2數(shù)據(jù)處理與分析方法

本次研究運用陰陽離子平衡法檢驗樣本數(shù)據(jù)的可靠性，選取電荷平衡誤差E<±5%的水樣數(shù)據(jù)作為可靠數(shù)據(jù)；經(jīng)計算，本次研究所取的53組地下水分析水樣均為可靠數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，對研究區(qū)各水樣進行舒卡列夫水化學(xué)類型分類[4]，分析確定研究區(qū)各水樣水化學(xué)類型；繪制水化學(xué)Piper三線圖[5]、Durov圖[6]、Scholler圖(見圖2、圖3和圖4)，明確研究區(qū)各離子的分布特征；對水化學(xué)參數(shù)進行因子分析、系統(tǒng)聚類Q型聚類分析，進一步分析總結(jié)研究區(qū)地下水水化學(xué)特征。

3地下水水化學(xué)特征分析

3.1水化學(xué)類型

按照舒卡列夫水化學(xué)分類法可將研究區(qū)地下水水化學(xué)類型分為5類，分別為HCO3-Ca型，共30組，占總水樣的56.60%；HCO3+SO4-Ca型，共11組，占水樣的20.75%；HCO3-Ca+Mg型，計9組，占總水樣的16.98%；研究區(qū)水化學(xué)類型主要為這三類，占水樣總量的94.34%。另外，研究區(qū)地下水水化學(xué)類型有HCO3+Cl-Ca型2組、CO3+SO4-Ca+Mg型1組。

3.2TDS、總硬度和主要離子分布特征

在數(shù)理統(tǒng)計中，通常用變異系數(shù)(Cv)來表征變量變化的穩(wěn)定程度，當(dāng) 0100%為強變異[7]。研究區(qū)地下水主要離子組分中，K+的Cv值超過了100%，說明K+的空間分布差異性顯著。部分采樣點SO42-濃度較高，最高達到172.90 mg·L-1，該地地下書局部可能已受人為污染。

從繪制的研究區(qū)水化學(xué)Piper圖可以直觀的看出，研究區(qū)內(nèi)水樣均分布于圖第1、3、5區(qū)，地下水總體上非碳酸鹽硬度超過50%，水體堿土金屬離子含量超過堿金屬離子，弱酸根離子含量超過強酸根離子。在水化學(xué)特征上，研究區(qū)地下水水體陽離子含量中Ca2+含量多大于50%，陰離子含量中HCO3-離子含量較高，與水化學(xué)分類結(jié)果一致。

表2　水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表

注：Max表示最大值；Min表示最小值；Mean表示均值；Std.表示標準偏差；Cv表示變異系數(shù)；pH無量綱，其余單位mg·L-1

總?cè)芙夤腆w(TDS)和總硬度是反映地下水水化學(xué)特征的重要指標。根據(jù)TDS的高低可以將地下水劃分為淡水(TDS<1 g/L)和咸水(TDS>1g/L)[8]。按硬度(以CaCO3計)分級標準將地下水劃分為軟水(<150 mg/L)、微硬水(150～300 mg/L)、硬水(300～450 mg/L)、極硬水(>450 mg/L)[9]。由繪制的Durov圖可看出，研究區(qū)地下水TDS均小于11 g/L，地下水為淡水。研究區(qū)地下水總硬度229～499 mg/L，主要為硬水，少數(shù)點(SY24、SY44、SY49)為軟水。同時，水樣點主要聚集于Durov圖的右上角，聚集為一類。

通過繪制所有采集水樣的Schoeller圖，可以反映研究區(qū)所有水樣各離子濃度的總體情況[7]，從繪制的Scholler圖可以看出各水樣點離子的相對含量，研究區(qū)地下水主要陽離子為Ca2+，主要陰離子為HCO3-+CO32-，地下水各采樣點的Cl-毫克當(dāng)量濃度變化范圍較大，SY52點Cl-含量較低。

綜合以上分析，結(jié)合研究區(qū)地下水采樣點分布可知，研究區(qū)地下水水體中含量最高的離子組分為Ca2+及HCO3-；陽離子各組分含量整體為Ca2+>Mg2+>Na+>K+，陰離子含量為HCO3->SO42->Cl-。地下水Ca2+及HCO3-高含量點主要沿在桃花河村往桃花河下游一帶分布。研究區(qū)地下水水體K+與Cl-含量一般較低，K+的空間分布差異性顯著；但Cl-、Ca2+、總硬度、TDS在鰱魚灣以西，思依鎮(zhèn)城區(qū)以東地區(qū)含量相對較高，且離子濃度沿思依鎮(zhèn)城區(qū)往西隨地勢降低而增高，可能是工業(yè)、城市生活污水等入滲所致。研究區(qū)思依鎮(zhèn)城區(qū)和研究區(qū)西南居民聚居區(qū)SO42-，較研究區(qū)其他區(qū)域濃度較大，可能是由于原含水巖層封閉的還原環(huán)境因人為活動發(fā)生氧化水化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生SO42-造成的。

圖2　研究區(qū)水化學(xué)Piper圖

圖3　研究區(qū)水化學(xué)Durov圖

3.3因子分析與聚類分析

運用統(tǒng)計學(xué)方法對地下水組分進行綜合分析，可進一步反映研究區(qū)地下水的水化學(xué)特征[10]。因子分析是把具有復(fù)雜關(guān)系的變量歸結(jié)為少數(shù)幾個綜合因子的多變量統(tǒng)計分析方法，用于將具有錯綜復(fù)雜關(guān)系的對象綜合為少數(shù)幾個因子，再現(xiàn)因子與原始變量之間的內(nèi)在聯(lián)系。本文選取8項反映地下水化學(xué)類型的指標進行因子分析，利用SPSS19.0軟件對標準化后的數(shù)據(jù)進行分析得到以下相關(guān)關(guān)系矩陣：

圖4　研究區(qū)水化學(xué)Scholler圖

Ca2+Mg2+K++Na+Cl-SO42-HCO3-TDSCa2+1.000Mg2+0.0731.000K++Na+0.1350.1961.000Cl-0.1090.0700.6331.000SO42-0.266-0.0400.1040.1871.000HCO3-0.2840.309-0.015-0.1050.1491.000TDS0.208-0.0460.1900.3290.0140.1641.000

表4　地下水水化學(xué)成分因子載荷矩陣

本次因子分析，得到標準化變量的特征矩陣共有7個特征值，按照特征值大于1的原則，在因子分析中提取3個公共因子，即F1、F2、F3，它們的累計貢獻率達到65.19%(表4)。為使公共因子的典型代表變量更加突出，便于分析實際意義，將因子載荷矩陣進行旋轉(zhuǎn)后得到的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣見表5。

表5　地下水水化學(xué)成分旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

經(jīng)因子分析提取的主因子F1，研究區(qū)地下水K++Na+，Cl-濃度為主因子的主要荷載變量。提取的主因子F2以地下水Mg2+、HCO3-濃度為主要載荷變量。提取的主因子F3以地下水Ca2+、SO42-濃度為主要載荷變量。地下水體中，SO42-背景值較低，地下水中SO42-濃度升高時，地下水水體可能已經(jīng)受污染。F3反映狀況與研究區(qū)城市聚居區(qū)存在地下水污染源一致，為人類活動影響因子。研究區(qū)類地層多含白云石、方解石等碳酸鹽礦物，地下水沿天然坡降向桃花河匯流，并隨桃花河由北向南向下游徑流、地下水交替作用較為強烈，地下水溶濾作用使地下水中Ca2+、Mg2+陽離子濃度變大。與此同時，研究區(qū)地下水Ca2+及HCO3-高含量點主要沿在桃花河村往桃花河下游一帶分布；水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca型、HCO3+SO4-Ca型、HCO3-Ca+Mg型三類；可推斷研究區(qū)地下水化學(xué)組分主要受碳酸溶濾作用控制。

圖5　系統(tǒng)R聚類譜系圖

聚類分析是根據(jù)樣本自身屬性，用數(shù)學(xué)的方法按照某些相似性指標定量地確定樣本之間的親疏關(guān)系，并按這種親疏關(guān)系程度對樣本進行聚類的一種統(tǒng)計學(xué)方法[11-13]。利用聚類分析對地下水化學(xué)樣本進行分析，能夠有效地分離出不同類別的水化學(xué)樣本，更加清晰的了解地下水水化學(xué)特征[14]。通過SPSS軟件中并對研究區(qū)數(shù)據(jù)作標準化變換，并將樣品間距離定義為歐氏距離，進行系統(tǒng)聚類R型聚類分析后得到譜系圖見圖5。

由聚類分析譜系圖可知，若按歐氏距離5將變量分為2類，則TDS、HCO3-為一類，其他變量為另一類；若將變量分為三類，則TDS、HCO3-各為一類，其他變量為另一類。由此可以看出，HCO3-為研究區(qū)地下水組分主要離子，與其他各離子顯著相關(guān)，此與地下水化學(xué)類型均為重碳酸型地下水相一致。若將變量分為四類，TDS、HCO3-各為一類；第三類為Ca2+、SO42-；二者緊密聯(lián)系，第四類為Mg2+、Na+、K+、Cl-。聚類譜系圖可以反映地下水體各離子的親疏關(guān)系，按照聚類先后，離子相關(guān)性逐漸降低，聚為4類的結(jié)果與因子分析結(jié)果一致，驗證了因子分析結(jié)果的合理性。

4結(jié)語

通過對研究區(qū)地下水水樣的水文地球化學(xué)分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca型、HCO3+SO4-Ca型、HCO3-Ca+Mg型三類，占水樣總量的94.34%；地下水TDS均小于1 g/L，為淡水；地下水總硬度229～499 mg/L，水質(zhì)主要為硬水。

(2)研究區(qū)地下水主要陽離子為Ca2+，主要陰離子為HCO3-+CO32-；地下水水體K+與Cl-含量一般較低，K+的空間分布差異性顯著；城市聚居區(qū)地下水SO42-濃度相對其他區(qū)域較高。

(3)研究區(qū)地下水化學(xué)組分主要受溶濾作用控制，區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)形成過程中溶濾作用為主導(dǎo)作用。地下水Ca2+及HCO3-高含量點主要沿在桃花河村往桃花河下游一帶沿地下水徑流方向分布，HCO3-、Ca2+、Mg2+、SO42-為地下水溶濾作用的主要載荷變量。

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Hydrochemistry characteristics of groundwater in Siyi Town,Langzhong City

SUN Hou-yun，ZHANGYan，YANGJun

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geo-environment Protection，Chengdu University of Technology/College of Environment and Civil Engineering, Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，Sichuan)

Abstract:Siyi Towan,Langzhong city is located in Sichuan red layer where suffers water shortage while water source here is mainly shallow groundwater. The analysis about hydrochemistry characteristics of groundwater will play a important role in water supplying in this area. Here we analyzed the hydrochemistry characteristics of groundwater，Using Piper diagram, Durov diagram, Scholler diagram and Factor analysis and Cluster analysis method to determine the hydrochemistry type of groundwater and the distribution characteristics of main ion components of groundwater. The results showed that the hydrochemistry types can be classified into HCO3-Ca type、HCO3+SO4-Ca type and HCO3-Ca+Mg type, which accounting for 94.34% of the total water sample. The Ca2+and HCO3-+CO32-dominant among cations and anions. Leaching effect played a leading role in the process of the formation of the hydrochemistry in the area.

Key words:Langzhong city；groundwater；hydrochemistry；factor analysis and clustering analysis

[收稿日期]2015-10-28

[基金項目]國家自然科學(xué)基金重點項目(40730634)；四川省科技支撐計劃項目(2011SZ0172)

[作者簡介]孫厚云(1990-)，男，湖北云夢人，在讀碩士研究生，主攻方向：地下水科學(xué)。

[中圖分類號]P641.12

[文獻標識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)01-0025-05