阆中市思依镇地下水水化学特征分析
2016-06-15孙厚云
孙厚云，张 艳，杨 军
(成都理工大学地质灾害与地质环境保护国家重点实验室/成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059)
阆中市思依镇地下水水化学特征分析
孙厚云，张艳，杨军
(成都理工大学地质灾害与地质环境保护国家重点实验室/成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059)
[摘要]阆中市思依镇地处四川红层缺水地区，居民饮用水水源主要为浅层地下水，分析总结地下水水化学特征对地区供水具有重要意义。运用Piper三线图、Durov图、Scholler图等水化学分析图解，因子分析、聚类分析统计学方法确定研究区地下水水化学类型、地下水主要离子组分的分布特征，总结研究区地下水水化学特征。研究表明，研究区水化学类型主要为HCO3-Ca型、HCO3+SO4-Ca型、HCO3-Ca+Mg型三类，占水样总量的94.34%；地下水多为硬水，地下水主要阳离子为Ca2+，主要阴离子为HCO3-+CO32-；区内地下水化学形成过程中溶滤作用为主导作用。
[关键词]阆中市；地下水；水化学特征；因子分析；聚类分析
四川红层地区长期以来被视为“1地下水资源贫乏，在地层岩性、地形地貌、地质构造有利的局部地段富水的贫水区”，对红层浅层地下水水化学特征的研究于红层地下水开发利用具有重要意义[1-2]。阆中市思依镇地处川中红层地区，当地居民长期以浅层地下水作为饮用水源，而目前该地区尚未进行过水文地球化学特征相关调查与研究，地下水水文地球化学特征不甚清楚。思依镇地处农业区，地下水可能已受农业污染影响；因此，本次研究对阆中市思依镇浅层地下水水化学成分特征进行了分析总结，以期为红层地区供水决策提供基础资料和信息支撑。
1研究区概况
1.1研究区自然地理概况
研究区思依镇位于阆中市西北部，距离阆中市约35 km，属片区区域型中心镇，全镇幅员面积68 km2。研究区属亚热带湿润季风气候区，气候温和、雨水充沛；年均气温16.9℃，年均降雨量1 042.5 mm；主要河流为桃花河、温家河，由南向北注入嘉陵江水系一级支流西河。研究区地处四川盆地丘陵北端低山丘陵区，主要地貌为浅切丘陵和宽缓谷地，平均海拔高度550 m，西南部尖山子为研究区海拔最高点。
图1 研究区地理位置
mg·L-1
1.2研究区水文地质条件
研究区位于四川红层地区，含水层主要为粘土岩类和碎屑岩类[3]，含水层厚度不均，地下水水位埋藏较浅。研究区地下水赋存类型主要为第四系松散岩类孔隙水与白垩系剑门关组(K1j)砂、泥岩风化带孔隙裂隙水。前者主要赋存于研究区河谷、沟谷地带的冲洪积物和山体表层第四系坡残积物风化带中，主要分布于桃花河两岸，宽缓谷地及部分山体顶部、缓坡及冲沟中。后者分布于研究区中部浅切丘陵区，主要赋存于白垩系剑门关组(K1j)砂、泥岩浅部风化带网状裂隙及深部砂岩层间裂隙孔隙中。
研究区第四系松散堆积物厚度小，地下水位埋藏较浅，浅层地下水基本受沟谷小流域的控制。地下水主要接受大气降水、灌溉水及库塘、水渠水入渗补给，地下动态呈季节性变化。研究区浅层在第四系土石堆积物中沿相互连通的孔隙呈面状流动，在裂隙岩体中沿互相连通的裂隙呈脉状流动，地下水径流途径短，流动方向具各向异性、不均一性，不具备区域性地下水流向。研究区地下水排泄的地点多为地形低洼的冲沟、河谷，主要以泉的形式出露。浅层风化带裂隙水在局部阻水作用下于斜坡或地形较高的沟谷处溢出地表，具有就地补给、就近排泄的特征。另外，居民打井用水等人工排泄及地表蒸发亦是研究素地下水排泄途径之一。
2研究方法
2.1样品采集与测试
在充分考虑地下水样的代表性、样品点的控制性、地下水流场特征等因素的基础上，本次地下水水化学分析共取研究区浅层地下水水样53组。本次研究所采集的地下水化学分析水样均严格按照卫生部1991年公布的《农村实施 <生活饮用水卫生标准> 准则》野外取样规范要求进行采集、保存、送样。地下水分析水样检测工作由四川省核工业辐测试防护院承担，各指标检测均严格按照相关国家标准进行。
2.2数据处理与分析方法
本次研究运用阴阳离子平衡法检验样本数据的可靠性，选取电荷平衡误差E<±5%的水样数据作为可靠数据；经计算，本次研究所取的53组地下水分析水样均为可靠数据。在此基础上，对研究区各水样进行舒卡列夫水化学类型分类[4]，分析确定研究区各水样水化学类型；绘制水化学Piper三线图[5]、Durov图[6]、Scholler图(见图2、图3和图4)，明确研究区各离子的分布特征；对水化学参数进行因子分析、系统聚类Q型聚类分析，进一步分析总结研究区地下水水化学特征。
3地下水水化学特征分析
3.1水化学类型
按照舒卡列夫水化学分类法可将研究区地下水水化学类型分为5类，分别为HCO3-Ca型，共30组，占总水样的56.60%；HCO3+SO4-Ca型，共11组，占水样的20.75%；HCO3-Ca+Mg型，计9组，占总水样的16.98%；研究区水化学类型主要为这三类，占水样总量的94.34%。另外，研究区地下水水化学类型有HCO3+Cl-Ca型2组、CO3+SO4-Ca+Mg型1组。
3.2TDS、总硬度和主要离子分布特征
在数理统计中，通常用变异系数(Cv)来表征变量变化的稳定程度，当 0
从绘制的研究区水化学Piper图可以直观的看出，研究区内水样均分布于图第1、3、5区，地下水总体上非碳酸盐硬度超过50%，水体碱土金属离子含量超过碱金属离子，弱酸根离子含量超过强酸根离子。在水化学特征上，研究区地下水水体阳离子含量中Ca2+含量多大于50%，阴离子含量中HCO3-离子含量较高，与水化学分类结果一致。
表2 水化学参数统计表
注：Max表示最大值；Min表示最小值；Mean表示均值；Std.表示标准偏差；Cv表示变异系数；pH无量纲，其余单位mg·L-1
总溶解固体(TDS)和总硬度是反映地下水水化学特征的重要指标。根据TDS的高低可以将地下水划分为淡水(TDS<1 g/L)和咸水(TDS>1g/L)[8]。按硬度(以CaCO3计)分级标准将地下水划分为软水(<150 mg/L)、微硬水(150～300 mg/L)、硬水(300～450 mg/L)、极硬水(>450 mg/L)[9]。由绘制的Durov图可看出，研究区地下水TDS均小于11 g/L，地下水为淡水。研究区地下水总硬度229～499 mg/L，主要为硬水，少数点(SY24、SY44、SY49)为软水。同时，水样点主要聚集于Durov图的右上角，聚集为一类。
通过绘制所有采集水样的Schoeller图，可以反映研究区所有水样各离子浓度的总体情况[7]，从绘制的Scholler图可以看出各水样点离子的相对含量，研究区地下水主要阳离子为Ca2+，主要阴离子为HCO3-+CO32-，地下水各采样点的Cl-毫克当量浓度变化范围较大，SY52点Cl-含量较低。
综合以上分析，结合研究区地下水采样点分布可知，研究区地下水水体中含量最高的离子组分为Ca2+及HCO3-；阳离子各组分含量整体为Ca2+>Mg2+>Na+>K+，阴离子含量为HCO3->SO42->Cl-。地下水Ca2+及HCO3-高含量点主要沿在桃花河村往桃花河下游一带分布。研究区地下水水体K+与Cl-含量一般较低，K+的空间分布差异性显著；但Cl-、Ca2+、总硬度、TDS在鲢鱼湾以西，思依镇城区以东地区含量相对较高，且离子浓度沿思依镇城区往西随地势降低而增高，可能是工业、城市生活污水等入渗所致。研究区思依镇城区和研究区西南居民聚居区SO42-，较研究区其他区域浓度较大，可能是由于原含水岩层封闭的还原环境因人为活动发生氧化水化学反应而产生SO42-造成的。
图2 研究区水化学Piper图
图3 研究区水化学Durov图
3.3因子分析与聚类分析
运用统计学方法对地下水组分进行综合分析，可进一步反映研究区地下水的水化学特征[10]。因子分析是把具有复杂关系的变量归结为少数几个综合因子的多变量统计分析方法，用于将具有错综复杂关系的对象综合为少数几个因子，再现因子与原始变量之间的内在联系。本文选取8项反映地下水化学类型的指标进行因子分析，利用SPSS19.0软件对标准化后的数据进行分析得到以下相关关系矩阵：
图4 研究区水化学Scholler图
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 地下水水化学成分因子载荷矩阵
本次因子分析，得到标准化变量的特征矩阵共有7个特征值，按照特征值大于1的原则，在因子分析中提取3个公共因子，即F1、F2、F3，它们的累计贡献率达到65.19%(表4)。为使公共因子的典型代表变量更加突出，便于分析实际意义，将因子载荷矩阵进行旋转后得到的旋转因子载荷矩阵见表5。
表5 地下水水化学成分旋转因子载荷矩阵
经因子分析提取的主因子F1，研究区地下水K++Na+，Cl-浓度为主因子的主要荷载变量。提取的主因子F2以地下水Mg2+、HCO3-浓度为主要载荷变量。提取的主因子F3以地下水Ca2+、SO42-浓度为主要载荷变量。地下水体中，SO42-背景值较低，地下水中SO42-浓度升高时，地下水水体可能已经受污染。F3反映状况与研究区城市聚居区存在地下水污染源一致，为人类活动影响因子。研究区类地层多含白云石、方解石等碳酸盐矿物，地下水沿天然坡降向桃花河汇流，并随桃花河由北向南向下游径流、地下水交替作用较为强烈，地下水溶滤作用使地下水中Ca2+、Mg2+阳离子浓度变大。与此同时，研究区地下水Ca2+及HCO3-高含量点主要沿在桃花河村往桃花河下游一带分布；水化学类型主要为HCO3-Ca型、HCO3+SO4-Ca型、HCO3-Ca+Mg型三类；可推断研究区地下水化学组分主要受碳酸溶滤作用控制。
图5 系统R聚类谱系图
聚类分析是根据样本自身属性，用数学的方法按照某些相似性指标定量地确定样本之间的亲疏关系，并按这种亲疏关系程度对样本进行聚类的一种统计学方法[11-13]。利用聚类分析对地下水化学样本进行分析，能够有效地分离出不同类别的水化学样本，更加清晰的了解地下水水化学特征[14]。通过SPSS软件中并对研究区数据作标准化变换，并将样品间距离定义为欧氏距离，进行系统聚类R型聚类分析后得到谱系图见图5。
由聚类分析谱系图可知，若按欧氏距离5将变量分为2类，则TDS、HCO3-为一类，其他变量为另一类；若将变量分为三类，则TDS、HCO3-各为一类，其他变量为另一类。由此可以看出，HCO3-为研究区地下水组分主要离子，与其他各离子显著相关，此与地下水化学类型均为重碳酸型地下水相一致。若将变量分为四类，TDS、HCO3-各为一类；第三类为Ca2+、SO42-；二者紧密联系，第四类为Mg2+、Na+、K+、Cl-。聚类谱系图可以反映地下水体各离子的亲疏关系，按照聚类先后，离子相关性逐渐降低，聚为4类的结果与因子分析结果一致，验证了因子分析结果的合理性。
4结语
通过对研究区地下水水样的水文地球化学分析，可以得出以下结论：
(1)研究区水化学类型主要为HCO3-Ca型、HCO3+SO4-Ca型、HCO3-Ca+Mg型三类，占水样总量的94.34%；地下水TDS均小于1 g/L，为淡水；地下水总硬度229～499 mg/L，水质主要为硬水。
(2)研究区地下水主要阳离子为Ca2+，主要阴离子为HCO3-+CO32-；地下水水体K+与Cl-含量一般较低，K+的空间分布差异性显著；城市聚居区地下水SO42-浓度相对其他区域较高。
(3)研究区地下水化学组分主要受溶滤作用控制，区内地下水化学形成过程中溶滤作用为主导作用。地下水Ca2+及HCO3-高含量点主要沿在桃花河村往桃花河下游一带沿地下水径流方向分布，HCO3-、Ca2+、Mg2+、SO42-为地下水溶滤作用的主要载荷变量。
参考文献
[1]四川地矿局成都水文队.四川省泸州市古蔺县红层丘陵区“找水打井”工程地下水调查与区划报告[R]. 2006.
[2]毛文清，温清茂.红层地下水形成环境分析与水文地质分类[J].成都理工学报．1997，24:142-143．
[3]周绪纶.四川盆地红层浅层风化带裂隙水及其合理开发利用[J].四川地质学报.2007,03:184-191.
[4]沈照理.水文地球化学基础[M].北京:地质出版社.1999.
[5]Piper A M.1944.A Graphic Procedure in Geochemical Interpretationof Water Analyses[J]Trans Am Geophys Union，25:914-923.
[6]Durov S A.1948.Natural Waters and Graphic Representation of Their Compositions[J].Dokl Akad Nauk Ssssr，59:87-90 ．
[7]付昌昌.淮河流域沿海平原深层地下水水化学特征及咸水成因[D].吉林大学.2015.
[8]王大纯,张人权，等.水文地质学基础[M].地质出版社.1986.6.
[9]尹恒,吴勇,高东东,等. 德阳市城市规划区地下水化学特征分析[J]. 地下水.2012,01:30-35.
[10]曹阳,滕彦国,刘昀竺. 宁夏吴忠市金积水源地地下水水质影响因素的多元统计分析[J]. 吉林大学学报(地球科学版).2013,01:235-244.
[11]张明亮,许模,彭晓凤. 基于聚类分析的华蓥山褶皱山系地下水水化学分类研究[J]. 地下水.2013,01:31-33.
[12]陈倩,李长顺,钟金先. 四川红层浅层风化带裂隙水水化学特征的聚类分析[J]. 安全与环境工程.2012,02:43-47.
[13]李俊霞,苏春利,谢先军,等. 多元统计方法在地下水环境研究中的应用——以山西大同盆地为例[J]. 地质科技情报.2010,06:94-100.
[14]孙斌.多元统计方法在鄂尔多斯白垩系盆地都思兔河地下水系统水化学空间分布规律研究中的应用[D].吉林大学.2007.
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
[基金项目]国家自然科学基金重点项目(40730634)；四川省科技支撑计划项目(2011SZ0172)
[作者简介]孙厚云(1990-)，男，湖北云梦人，在读硕士研究生，主攻方向：地下水科学。
[中图分类号]P641.12
[文献标识码]A
[文章编号]1004-1184(2016)01-0025-05
