基于图表及统计方法的水化学综合分析

杨在文，李 晓，付 梅，王美芳

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

红层是以陆相沉积为主的碎屑沉积岩层，岩性以砂、泥岩为主，其形成条件的独特性，具有特殊的工程性质。研究红层工程区的水化学特征，可以加深对该区水文地质条件的认识，有助于拟建工程项目的实施。在水化学分析方法中，应用有效的图表及多元统计方法对具有相同特征的水化学分析样进行分类，这是描述水化学特征的非常重要的方法［1］。本文结合某红层研究区自然地理特征、地质及水文地质条件，应用图表及聚类分析方法，综合分析该区的水化学特征，对相似工程地区的水化学特征分析具有借鉴意义。

1 研究区自然地理概况

研究区位于四川省乐山市境内，属中亚热带湿润气候区，多年平均降水量为1 317.3 mm，降雨多集中在6～9月，年平均蒸发量 920.7 mm，多年平均气温 14.1℃ ～17.1℃。该区位于青衣江支流安顺河左岸的一级阶地上，安顺河支流莲花沟在阶地东南面接入主流。研究区受北东向构造体系控制，附近地形以构造剥蚀地形为主。区内以安顺河为界，左岸地势向河流逐渐降低，由中低山过渡到一级阶地;右岸为中山地貌，岩壁较为陡峭。

2 研究区地质条件

研究区出露地层包括第四系(Q4)及白垩系的夹关组(K2j)、灌口组(K2g)地层(图1)。第四系以坡残积层粉质粘土为主，夹细砂和碎石，顶部有少量冲积物漂石、卵石，分布于安顺河左岸缓坡，由南向北逐渐变厚。灌口组(K2g)主要为泥质粉砂岩与粉砂质泥岩互层，见少量溶蚀孔洞。夹关组(K2j)地层主要为钙质巨厚层状细砂岩，夹粉砂岩。区内为一向斜构造，由西南向东北斜穿研究区;该向斜褶曲宽阔，两翼产状大体对称，倾角均在5°～15°之间。

3 水文地质条件

研究区内主要发育松散岩类孔隙水、浅层风化带网状裂隙水及层间裂隙水。其中松散岩类孔隙水主要发育于安顺河级阶地及坡脚处，浅层风化网状裂隙水在区内广布，层间裂隙水主要发育在构造有利部位。安顺河左岸地区在西南方向地势较高处接受大气降雨补给，形成浅层风化裂隙水，另有部分下渗形成层间裂隙水，两者皆向南岸河阶地或安顺河直接排泄;阶地发育松散岩类孔隙水一方面接受大气降雨补给，同时接受裂隙水补给，其后向安顺河排泄。河流右岸区域由于地形陡峭，接受大气降雨补给后，多以面流方式向安顺河直接排泄，部分形成网状风化裂隙水，隐伏向南岸河排泄。

图1 研究区地质简图

4 水化学特征分析

4.1 水化学采样及分析结果

本次在研究区共采样12件，其中包括地表水样3件、泉水样1件及钻孔水样8件;采样位置如图2所示。所有水样都进行水化学简分析，相关分析结果见表1。

图2 研究区水化学采样位置图

从水化学分析结果(表1)可知:区域地下水与地表水化学特征具有相似性。水化学pH值在7.58～8.32之间，属弱碱性;矿化度在229～524 mg/L，为中低浓度淡水;水化学类型为HCO3－Ca(Mg)型。水化学样品各指标之间的相关关系见表2。

表1 水化学简分析结果

从离子相关性表中可以看出:各指标之间相关性较好的有 K+—SO42－、Ca2+—HCO3－—TDS两组。前者相关性较好，有两种可能:一是地层中含钾矿物影响，二是受到农业钾肥的污染;后三者相近是由于红层地区砂岩含石膏等碳酸盐矿物且多为钙质胶结;Ca2+及HCO3－为主要水化学离子。

4.2 水化学分类分析

对不同的水化学点的水化学指标进行统计分类，有助于深刻了解研究区的水化学特征。常用的方法包括图表法及多元统计分析。图表方法包括Piper三线图、Durov图、Collins条形图及Schoeller图等，统计分析方法包括分层聚类、模糊综合聚类及主成分分析等。这里选用水化学 Durov图［2］及分层聚类分析法［3，5］对研究区水化学数据进行分类;选用的指标包括主要阴阳离子。

Durov使用软件 Aquachem3.7生成，结果如图 3所示。分层聚类分析使用 SPSS15.0分析软件进行，根据相关经验首先选取Z－Scores法进行数据标准化［4］，使得变量的影响权重相同;利用 Euclidean Distance定义各样本间的距离，采用Ward’s方法对样本进行逐一归类［5］。结果以树形谱系图的形式表示，如图4。

表2 水化学指标相关矩阵

图3 研究区水化学Durov图

图4 研究区水化学聚类分析树状图

从图3中，可以看出所有水化学样品阳离子均以Ca2+为主，阴离子以 HCO3－为主，两个地表水样的硫酸根离子含量较高。从图4中可知以距离18为界，水化学样可以分为两个大组，其中S03与ZK7为Ⅱ组，位置处于安顺河右岸;其余样品为Ⅰ组。第Ⅰ组水样主要位于安顺河左岸;除 Q02与ZK6极其相近外，其余相互距离都较远;第Ⅰ组水样可以进一步分为四个小组，如图4所示。

将图3与图4相对比，可以看出图表方法可以提供可视的、容易理解的水样化学组成信息;然而当其被单独使用时会受到严重的限制。在水化学特征相近的地区，聚类分析结果比图表分析结果可读性更强。

基于上述分析结果，能够看出:安顺河河水与其他水样水化学特征有一定差别，这与上游环境对河流水化学特征影响有关;S03与ZK7受地形因素影响，径流途径较短，矿化度低，同时受地层因素影响，使两者与安顺河左岸水化学特征相差较大。水化学聚类分析结果表明安顺河左岸各钻孔之间水化学特征有一定相关性;同时由于第四系地层成分具有复杂性，使各钻孔水化学特征产生差别;泉水 Q02与 ZK6皆位于夹关组砂岩地层，岩性单一、径流途径短，使两者水化学特征极其相近。

5 结语

(1)研究区受到自然地理及地质条件的控制，水化学特征具有共性，地表及地下水均为弱碱性淡水，水化学类型为HCO3－Ca(Mg)型，Ca2+及 HCO3－为主要水化学离子。(2)在水化学特征较为相似的地区，聚类分析结果比图表分析结果具有更强的可读性。

(3)安顺河受到上游的影响，水化学特征与地下水相比有较大不同;安顺河右岸水化学特征受地形控制，明显区别于左岸;由于第四系成分的复杂性，左岸水化学特征相互之间也存在一定差别。

［1］C Güler，GD Thyne，JE McCray，KA Turner. Evaluation of graphical and multivariate statistical methods for classification of water chemistry data.Hydrogeology Journal(2002)10:455–474.

［2］孙亚乔，钱会等.基于矩形图的天然水化学分类和水化学规律研究［J］.地球科学与环境学报.2007，29(1):75－76.

［3］于静，贾疏源，吕端甫等.雅砻江某水电站坝址左岸江水水化学特征研究［J］. 矿物岩石.2004，(02):112－116.

［4］韩胜娟.SPSS聚类分析中数据无量纲化方法比较［J］.科技广场.2008，(03):229 －231.

［5］秦松柏，欧阳正平，程天舜.分层聚类分析在水文地球化学分类中的应用［J］.地下水.2008，(01):22 －23.