人民胜利渠灌区地下水水化学特征研究

韩宇平 张冬青 刘中培

摘要：基于人民胜利渠灌区丰、枯水期各22组水样，运用Q型聚类分析及主成分分析方法，研究了灌区地下水水化学时空分布特征及影响因素。结果表明：研究区丰、枯水期地下水空间分带性明显，可划分为Ⅰ、Ⅱ两个区域，Ⅰ区主要分布于古黄河滩地及其以东地区，Ⅱ区主要分布于古黄河背河洼地及其以西地区；Ⅰ区阴离子以HC03为主，水化学组分空间分布差异相对较小，水化学特征主要受地质条件影响：Ⅱ区阴离子以s02-4为主，水化学组分空间分布差异相对较大，水化学特征除受地质条件影响外，受水环境酸碱状况及人为污染影响较大。

关键词：地下水水化学特征；聚类分析；主成分分析；空间变异；人民胜利渠灌区

中图分类号：P641.3；P641.6

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.020

人民胜利渠灌区是新中国成立后在黄河下游兴建的第一个大型引黄灌溉工程。近年来，随着小浪底水库的建成运用，人民胜利渠灌区引水口受闸底高程限制引水困难，而灌区工农业发展及城市化水平提高对水资源量有着越来越大的需求¨，因此地下水开采量逐渐增大，成为灌区主要水源之一。灌区地下水水化学特征及其影响因素研究，不仅有助于了解地下水水文地球化学的演化过程，而且可以为合理开发利用地下水资源以及防治地下水污染提供科学依据。

Q型聚类作为地下水水化学特征分析的一种分类方法，以其良好的分类效果被广泛应用于水文地球化学研究中。CollinsK工等通过该方法划分了普拉河下游盆地地区地下水的径流补给区和排泄区；Mo-hamedEA等在干旱地区运用该方法对影响地下水水质的因素进行了分类和检验：王广才等通过该方法判别矿井突水水源，建立了突水水源判别模型：卢颖等通过聚类空间分布图划分了水化学类型区，分析了盆地地下水补排区水化学类型的差异：王珺瑜等通过该方法分析了济南泉域岩溶区地下水补排区的水化学分布特征及影响因素。已有研究为区域地下水水化学特征分析打下了良好的基础，不过关于空间分类后不同区域丰、枯水期地下水水化学演变规律的研究相对较少。笔者以人民胜利渠灌区为研究对象，综合运用Q型聚类分析及主成分分析方法，对人民胜利渠灌区地下水水化学特征、分布状况进行研究，并对Q型聚类后不同类型区丰、枯季地下水水化学演变特征和影响因素进行了系统分析，以期为灌区地下水资源的合理开发利用和管理提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

人民胜利渠灌区位于河南省北部，东经113°31—114°25、北纬35°00—35°30，主要由黄河冲积平原和太行山前冲洪积扇两部分组成，灌区面积1183km2。灌区地势自西向东呈下降趋势，根据地形条件可将灌区分为8个单元：原延封低洼平原、古黄河滩地、古黄河背河洼地、太行山前交接洼地、郇封岭岗地、黄河故道沙丘沙垄地、黄河滩地、黄河背河洼地。灌区属于暖温带大陆性季风气候区，年均气温14.5℃，多年平均水面蒸发量1864.0mm，多年平均降水量581.2mm，年内降水量分配不均，6-9月降水量占全年降水量的70%～80%。

研究区地下水主要赋存于松散岩类孔隙及半胶结碎屑岩类孔隙裂隙中。根据含水层组的埋藏条件，可划分为浅层含水组、中深层含水组和深层含水组。浅层含水层底板埋深80～130m，含水介质为上更新统与全新统的粗砂、中砂及细砂岩层，可见2～4层，单层厚8～80m，总厚度44～110m，由南向北含水层逐渐变薄，为研究区主要开采层。灌区地下水流向基本与地面坡降一致，由西南向东北流动。

1.2 数据来源

共布置22个地下水取样点，见图1。2016年丰、枯水期分别取样，共计44个样品。取样采用加拿大Solinst公司生产的425型离散区间地下水采样器，样品采集后当天或次日送至河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院实验室进行检测，检测指标共27项，本文主要分析K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Cl-、SO2-4、HC03-、N03-、NO2-、CODMn、pH、TDS和总硬度14项指标。其中，K+和Na+借助WFX-120A原子吸收分光光度计采用火焰发射光谱法测定，检测下限分别为0.16、0.09mg/L；Ca2+、Mg2+和总硬度采用乙二胺四乙酸二钠滴定法测定，检测下限依次为4、3、10mg/L；Cl-采用银量滴定法测定，检测下限为3mg/L；SO2-4；—采用乙二胺四乙酸二钠一钡滴定法测定，检测下限为10mg/L；HC03采用滴定法测定，检测下限为5mg/L；NH4+；、N03和N02借助T9双光速紫外可见分光光度计分别用纳氏试剂比色法、紫外分光光度法、分光光度法测定，检测下限分别为0.02、0.2、0.004mg/L；CODMn采用酸性高锰酸盐氧化法测定，检测下限为0.4mg/L；pH值在现场借助PHS-3C数字酸度计用玻璃电极法测定，其检测下限为0；TDS（以CaCO3计）借助BSA124S电子天平用烘干法测定，其检测下限为20mg/L。

1.3 研究方法

研究主要采用聚类分析和主成分分析方法，在SPSS19.0软件中操作实现。在分析水化学空间分类时采用Q型聚类分析方法。聚类分析是一种用于分類观察的半统计方法，聚类后同一类别的成员是彼此相似的，且区别于其他类。在具有有效的水文地球化学数据，但未建立清晰的水文地质模型的情况下，这种方法对于了解水化学特征的控制因素非常有用。聚类分析不仅可以对连续或分类变量进行聚类，而且可以提供丰富的距离计算方法和结果表示方法。Q型聚类分析以样本为研究对象，以距离为统计量。以Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HC03等14项指标对丰、枯水期各22个水样进行Q型聚类分析。首先，为避免样品间距离受到参数量级差别的影响，采用Z-score法对数据进行标准化处理：然后，以欧氏距离构建相似性矩阵，采用离差平方和法对水样进行归类，得到丰水期和枯水期水样聚类树状图：最后，利用ArcGIS10.2软件生成水化学样品聚类空间分布图。

在分析不同类型区水化学成分影响作用时采用主成分分析方法。主成分分析是一种降维处理方法，它将原有变量通过线性变换转化为少数几个相互独立的变量，同时以较少的变量反映原有变量的绝大部分信息，是使用最多的因子分析方法之一。首先，对选取的指标进行标准化处理，以消除变量在数量级或量纲上的影响：然后，根据标准化后的数据求出相关性矩阵及特征根和特征向量：最后，确定主成分。

2 结果与讨论

2.1 聚类分析

研究区丰水期和枯水期水样聚类树状图见图2（其中横坐标表示类间距离，纵坐标表示参与聚类的取样点在聚类过程中对应的序号以及对应的取样点），丰、枯水期水样均可分为Ⅰ、Ⅱ两类。Ⅰ、Ⅱ两类地下水空间分布见图3。结合图1，Ⅰ类主要分布于古黄河滩地及其以东的黄河故道沙丘沙垄地、原延封低洼平原等地貌区，简称为Ⅰ区：Ⅱ类主要分布于古黄河背河洼地及其以西的太行山前交接洼地、郇封岭岗地地貌区，简称为Ⅱ区。

丰、枯水期Ⅰ区、Ⅱ区地下水水化学特征见表1。从表1可以看出，Ⅰ区HC03-浓度较大，Ⅱ区SO2-4浓度较大，此外Ⅱ区K+、Na+、Ca2+、Cl-、N03-浓度以及总硬度和TDS明显高于Ⅰ区的，其中Ⅱ区Cl-、N03、SO2-4浓度分别超过《地下水水质标准》（DZ/T0290-2015）中的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类水标准，表明Ⅱ区水质可能受到一定程度的污染。

从变异系数来看，丰、枯水期Ⅱ区K+、Ca2+、Mg2+、SO2-4、HC03-、总硬度、TDS、pH值水化学成分的变异系数均较I区的大，表明Ⅱ区大部分水化学成分的空间分布差异较Ⅰ区的大，如丰、枯水期Ⅱ区SO2-4变异系数分别为1.040和0.660，均大于Ⅰ区的0.430和0.420，表明SO2-4浓度在Ⅱ区的空间分布差异性较Ⅰ区的大。

2.2 主成分分析

选择累计贡献率达85%以上的成分作为主成分，Ⅰ区丰、枯水期可分别提取出5个和4个主成分，Ⅱ区丰、枯水期均可提取3个主成分，见表2～表5。由于Ⅰ区丰水期成分矩阵中第四、第五主成分各变量的相关系数均小于第一、第二、第三主成分中对应的相关系数，因此在分析时将所有变量归于前三个主成分中，同理，Ⅰ区枯水期在分析时将所有变量归于前三个主成分中。

Ⅰ区、Ⅱ区丰、枯水期第一主成分都包括了Mg2+、Na+、Cl-、SO2-4、TDS及总硬度，表明研究区地下水水化学特征主要受地质条件控制。不过这些变量与第一主成分的相关系数各不相同，其中：丰水期Ⅰ区第一主成分中相关系数较大的为TDS、Mg2+、总硬度，丰水期Ⅱ区第一主成分中相关系数较大的为Mg2+、TDS、SO2-4、总硬度、Cl-，表明Ⅱ区丰水期地下水水质除受TDS、Mg2+、总硬度影响外，还受SO2-4、Cl-浓度的影响。枯水期Ⅰ区第一主成分中相关系数较大的为TDS、Cl-，枯水期Ⅱ区第一主成分中相关系数较大的为TDS、总硬度、Mg2+、SO2-4，表明枯水期除受TDS影响外，Ⅰ区受Cl-浓度影响较大，Ⅱ区受总硬度、Mg2+、SO2-4影响较大。综上分析，Ⅰ区丰、枯水期受TDS影响较大，Ⅱ区丰、枯水期受TDS和SO2-4影响较大。除上述指标外，Ⅰ区第一主成分还包括HC03-，HC03-主要来源于沉积岩与变质岩中碳酸盐的溶解，Ⅱ区第一主成分还包括pH值、Ca2+，表明Ⅱ区水化学特征受水环境酸碱状况影响较大。Ⅱ区枯水期第一主成分中除上述指标外还包括N03-，灌区中N03-主要来自于化肥农药的施用，这表明Ⅱ区枯水期水质可能受到一定程度的氮污染。

Ⅰ区、Ⅱ区丰、枯水期第二主成分有所不同，Ⅰ区第二主成分主要包括pH值、NO2-、Ca2+，其方差贡献率为20%左右：Ⅱ区第二主成分主要包括NO2-、NH4+、HC03-，其方差贡献率为20%左有。表明Ⅰ区受地质条件影响的同时还受水环境酸碱度及氮元素的影响，但其影响相对较弱，Ⅱ区仍受到氮元素及地质条件影响。

Ⅰ区丰、枯水期第三主成分主要包含K+，其方差贡献率为13%左有；Ⅱ区丰、枯水期第三主成分主要包含CODMn，其方差贡献率约为11%。K+主要来源于含钾岩类的溶解，因此Ⅰ区受地质条件影响CODMn为有机物污染指标，表明Ⅱ区可能受到一定程度的人为污染。

综合分析三种主成分及其贡献率发现：Ⅰ区受TDS、总硬度、Cl-、Mg2+、HC03、SO2-4、Na+浓度的影响较大，受pH值及Ca2+、N02-、K+浓度影响相对较小：Ⅱ区受TDS、Mg2+、总硬度、SO2-4、Ca2+、Cl-、Na+、N03-浓度和pH值影响较大，受N02-、NH4+、HC03-、CODMn浓度影响相对较小。表明Ⅰ区主要受地质条件影响，Ⅱ区除受地质条件影响外还受水环境酸碱状况的影响，并且Ⅱ区受到一定程度的人為污染。

3 结论

（1）研究区丰、枯水期地下水可分别划分为具有明显空间分布特征的Ⅰ、Ⅱ两个区域，Ⅰ区主要分布于古黄河滩地及其以东地区，Ⅱ区主要分布于古黄河背河洼地及其以西地区。

（2）Ⅰ区、Ⅱ区水化学特征明显不同。Ⅰ区HC03-浓度较高，Ⅱ区SO2-4浓度较高，Ⅱ区K+、Na+、Ca2+、Cl-、N03-的浓度以及总硬度和TDS高于Ⅰ区的，且Ⅱ区水化学成分空间分布差异较Ⅰ区的大。

（3）Ⅰ区地下水水化学特征主要受地质条件控制，受水环境酸碱度的影响相对较小：Ⅱ区水化学特征除受地质条件影响外，还受水环境酸碱状况的影响，并且明显受到人为污染的影响。