基于SPSS的岩溶地下水质变化及其影响因素——以重庆市金佛山表层岩溶地下水为例

曹 敏

(西南大学地理科学学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,西南大学岩溶环境与石漠化治理研究所，中国 北碚 400715)

地下水水质受水岩作用过程、大气和土壤输入以及人类活动等因素的共同影响[1-4]．我国西南岩溶地区岩溶水资源丰富，地下水，尤其是表层岩溶泉发育较多，表层岩溶带是南方岩溶水资源赋存运移的重要场所，也是当地群众生产生活的重要水源．由于岩溶地下水“水在楼上，土在楼下”的特殊性，容易受到人类活动影响，特别是防污能力较弱．因此，为了合理利用地下水，避免地下水受到人类活动的污染，必须掌握地下水动态及其影响因素．然而，区分地球化学过程等自然因素与土地利用等人类因素对地下水水质的影响十分困难，同时也是水文地质学、环境学等领域研究的热点和前沿领域[5]．

因子分析是通过对地下水化学数据的分类、降维处理，提取主要的影响因子．并根据因子在各离子上的载荷来区分自然过程与人类活动等因素对地下水水质的影响以及影响程度[6]．SPSS起源于美国，是目前世界上最优秀的统计分析软件之一，广泛应用于各个领域．

本文以重庆金佛山表层岩溶地下水为研究对象，根据水化学数据，利用因子分析方法探讨地下水水质的影响因素与影响强度，为岩溶区水资源的合理开发利用与保护提供科学依据．

1.铁路；2.高速公路；3.公路；4.河流；5.山顶；6.研究区；7.二叠系地层；8.寒武系地层；9.志留系地层；10.泉点；11.保护区界线；12.地层界线；13.断层图1 金佛山泉水采样点分布示意图(修改自伍坤宇[9])

1 研究区概况

金佛山位于重庆南川市境内，是大娄山东段支脉的突异山峰，海拔1 400～2 251 m，属典型的岩溶地貌．地理坐标为北纬28°50′～29°20′，东经107°～107°20′，总面积1 300 km2，已知景区面积为441 km2，还有522 km2的保护地带，为国家级森林公园和国家级自然保护区．主峰风吹岭海拔2 251 m，为大娄山脉东北段的最高峰[7]．金佛山处在一宽缓向斜(北东-南西走向)的轴部，山势高峻、切割强烈．北坡陡峭，沟谷深切，南坡较为平缓．出露的地层主要为寒武系、奥陶系、志留系和二叠系，岩性主要为碳酸盐岩和砂页岩．二叠系灰岩产状平缓，无大的断裂构造带存在，但北东和北西两组构造裂隙发育，岩层次生透水性好．金佛山位于亚热带湿润季风气候区，山体上部多年平均气温为8.2 ℃,年均降雨量约1 434.5 mm,山体下部平均气温为16.6 ℃,年均降雨量约1 287 mm[8]．大气降水主要通过洼地或谷地底部落水洞渗入地下岩溶含水层．地下水多沿层面、层间节理以及灰岩与砂岩交界面运移，最后以地下河或岩溶泉的形式排出．

2 数据来源与研究方法

3 结果分析

3.1 水化学特征的空间变异

pH值的大小在一定程度上反映岩溶作用的强弱，表层岩溶水pH值的变动范围为7.3～8.9．pH值反映了地下水中H+浓度，主要受水-岩作用过程、大气、土壤和人类活动的共同影响．在上述pH值变化范围内，pH值高表明岩溶作用弱，pH值低指示岩溶作用强．其变异系数为4.4%，表明存在一定的空间变异，但是不太明显，总体上反映了岩溶地区地下水的性质，即主要为弱碱性水．

岩溶水电导率变动范围12.3～79.9 mS/m，变异系数为43.4%，表明存在较大的空间变异．电导率的大小与溶解的离子浓度成正相关，主要反映地下水中离子的浓度及受污染的情况[10]．

溶氧量是研究水自净能力的一种依据．在20 ℃、100 kPa下，纯水里大约溶解氧9 mg/L．所有泉点中溶解氧质量浓度介于9.3～12.6 mg/L，变异系数8.9%，空间变异很小，表明金佛山地区溶解氧质量浓度处于正常水平，水质较好．

水中Na+的质量浓度为0.1～27.5 mg/L，变异系数达到160.6%，表现为强烈的空间变异．其来源包括含钠盐的海相沉积物和岩盐矿床的溶解、离子置换、生活废水、化肥以及大气降水[12]．K+的质量浓度为0.1～3.1 mg/L,变异系数71.6%,K+的来源主要是含钠岩石的溶解,此外,离子置换、化肥、生活废水以及大气降水也是K+的重要来源[12]．整个金佛山地区的K+质量浓度都比较低．

水中Sr2+质量浓度在0.1～1.4 mg/L，变异系数76.2%，表明空间变异很大．Sr2+的来源主要是含锶岩石的溶解，同时也跟人类活动有关．

表1 重庆金佛山表层岩溶水水质分析结果

3.2 水化学特征的因子关系分析

表2 变量相关矩阵(部分) 单位：mg/L

由表3可知，相关系数矩阵R得到特征值、方差贡献率和累积贡献率，可知第一因子的方差占所有因子方差的55.56%，前4个因子的对岩溶水质形成的累积方差贡献率达到87.85%(>85%)，因此金佛山岩溶水中的离子主要受到4种不同因素的影响．这4种因子分别代表水-岩作用、土壤等自然因子、大气降水与人类活动因子，本文将在后面予以解释．

表3 公因子方差(部分)

变量共同度表示各变量所含原始信息能被提取出的公因子所表示的程度．提出4个公因子后，可以计算各变量的共同度，如表4所示．除了ρ(Cl-)和ρ(Mg2+)的共同度为61.3%和71.3%之外，其余变量的共同度都在80%以上，因此这4个公因子对各离子来源具有较强的解释能力．

表4 因子旋转矩阵与共同度 单位：mg/L

为了进一步分析各个岩溶取水点的水质状况，采用回归方法求出因子得分函数矩阵如表5所示．

由系数矩阵将4个公因子表示为10个指标的线性形式．因子得分函数为：

F1=-0.169x1+0.18x2+0.235x3+0.041x4+0.237x5+0.217x6-0.153x7+0.115x8+0.071x9+0.229x10，

F2=0.784x1-0.145x2-0.056x3+0.115x4-0.122x5-0.091x6-0.007x7+0.141x8+0.438x9-0.117x10，

F3=0.019x1+0.492x2-0.097x3-0.106x4-0.05x5+0.013x6+0.758x7+0.048x8-0.227x9-0.03x10，

F4=0.062x1-0.092x2+0.025x3+1.025x4-0.033x5+0.111x6-0.071x7-0.017x8+0.123x9-0.049x10.

表5 因子得分系数矩阵 单位：mg/L

4 讨论

4.1 水-岩作用对岩溶水的影响

从因子F1的得分值来看，从地表水到地下水，得分值逐渐增大，特别是深部来源(如金佛山温泉)的水中各种离子质量浓度都较高，反映了大气降水来源补给的地下水经过充分的水-岩作用后沿裂隙、断裂运移，并在地表出露[13]，意味着在因子F1上具有高载荷的离子受到水-岩作用时间长短等的控制．

4.2 土壤等自然因子对岩溶水的影响

4.3 大气降水对岩溶水中离子的影响

因子F3的得分表现为地下水小于地表水，在马鞍山收费站和胡家湾最高，这两个点属于地表河流系统，说明岩溶地下水中的Na+、Cl-受到地表水体中溶质的影响．然而，由3.1的分析可知，金佛山地区的大部分岩溶地下水样品中Na+和Cl-并不高，基本与大气降水接近.可以认为其主要来自大气降水.

4.4 人类活动对岩溶水的影响

4.5 各因子的综合作用

任何一个地方的岩溶水都不可能只受到一种因素的影响．因此水中的化学离子往往是多来源的．对于金佛山来说，其离子主要来源于水-岩作用、土壤输入、大气降水和人类活动，并在大范围内依此顺序影响逐渐减弱．这也说明金佛山岩溶水质受到人类活动的影响还比较小，水质状况总体上趋于自然背景值．对于个别点来说，一种或两种因子起着主导作用．

5 结论

(1)金佛山表层岩溶水水质受到水-岩作用过程和土壤、大气降水与人类活动的共同影响，4个因素可以解释岩溶水水质形成的87.58%，其中水-岩作用可以解释55.56%，是影响金佛山地区岩溶水水质的最重要因素．

(3)岩溶水中化学离子的形成，是受自然过程与人类活动的综合影响．在金佛山自然保护区，影响水质形成的最重要因素还是自然过程．同时，随着人类活动的加剧，人类对水质的影响逐渐明显.对金佛山水质的动态监测是以后工作的重点．

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