河北涉县东风湖泉域地下水化学特征分析

2020-02-22赵崇钦张志飞李晓彤陈显玉

河北地质大学学报 2020年6期

赵崇钦，张志飞，李晓彤，陈显玉，孟洋，康玮

1.河北地质大学 a.水资源与环境学院 b.地球科学学院，河北石家庄 050031；2.河北省地质环境监测院，河北邯郸 056001

岩溶水普遍分布于中国，总面积大概是344×104km2，其中最大的岩溶区分布于中国西南，北方主要分布在华北地台[1]。我国岩溶水总资源量约2 039×108m3/a，而北方岩溶水资源量为108.8×108m3/a大约占5.3%。虽然北方岩溶水占比小，但是多以埋深型为主，主要有集中程度高、水位埋深大、调节能力强三大特征[2-3]。但是随着时间推移，受人类、工业、气候影响，导致水资源匮乏，水质逐步恶化等问题，故对该泉域进行地下水化学特征分析，找到影响因素十分有意义[4-5]。

多元统计方法普遍应用于研究地下水化学特征，能够揭示不同水样间离子组分相似性，对于大样本的变量也可以很好地简化，找到其中主要变量，显示之间的关联[6-7]。相比于其他传统方法，多元统计有着自己独特优势，对于研究地下水水化学组分形成规律，已经取得不错的成果。本文将运用多元统计方法对研究区泉域水化学特征及演变规律进行详细分析。

社交网络分析方法是用于研究变量之间亲疏关系的一种分析方法，把每个节点视为一个变量，每个变量之间的联系用线连接起来[8]。社交网络分析普遍应用于多学科，但是用于研究地下水化学特征方面较少，其原理和多元统计中聚类分析类似，本文将用该方法对涉县东风湖泉域地下水离子组分相关性进行研究，探究该泉域水化学场变化规律。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

河北省邯郸市涉县东风湖泉域坐落于涉县与黎城县(山西省长治市东北部)毗邻地带，泉域主要分布在涉县范围内，占地面积644 km2。东风湖泉域气候类型为暖温带大陆性季风气候，降雨量主要集中在6—8月份，年均降雨量约578.7 mm，主要河流为清漳河，贯穿整个研究区。

研究区地势西北高、东南低，其泉域地貌在河流侵蚀、气候等因素作用下比较复杂多样，山峰连绵且层层堆叠，岩石高耸，悬崖峭壁危峰兀立，河谷盆地多，故有利于修建水库。该区内断裂聚集于东部，西北部少见断裂带，其中以涉县大断裂为主，该断裂北东走向，倾角为65°～80°，断层上部是古生界奥陶系灰岩，下部是古生界寒武系黄绿色页岩，具有张性特点。

区内出露地层由于长期上升剥蚀缺失严重，以古生界、奥陶系(O)为主[9]。寒武系(∈)主要分布在清漳河两岸，其岩性主要有页岩、泥灰岩等，总厚度大概为380 m，奥陶系下统(O1)在区内广泛出露，但奥陶系中统(O2)主要分布于中北部及盆地地区，其岩性主要有白云岩、灰岩、角砾岩等，其厚度大约为445 m。其补给区主要分布于西北部，由北向南径流受涉县断裂的阻水在茨村一带以泉形式排泄。主要含水岩组为碳酸岩类岩溶裂隙含水岩组，由寒武系和奥陶系构成，多分布于涉县向斜和山间盆地之中，富水性较好[10]。

1.2 数据收集

2019年6月对其研究区野外取样，从上游补给区到下游排泄区沿地下水径流方向共采集了14个岩溶水样，送往河北省地质环境监测院进行检测。检测分析项目有：PH、HCO3-、CO32-、Ca2+、Na+、K+、Mg2+、CL-、SO42-、TDS等等，本次采样地点图见图1。

图1 采样点分布图

1.3 研究方法

聚类分析(HCA)是把样本或变量根据其间的相似程度划分归类的统计方法[11]。其中又分为Q型聚类分析和R型聚类分析，一个针对样本，一个针对变量，本次将按照平方欧氏距离方法对涉县东风湖泉域地下水化学组分采取R型聚类分析[12]。

社会网络分析(SNA)是探究事物之间的相关系的集合，是许多结点与点之间的连线所构成的集合[13]。这个结点没有具体的表示，可以为人也可以为一个物体或者是一个变量，可以通过点之间的连线疏密发现之间的联系[14]。本次通过Ucinet软件对研究区水化学组分HCO3-、Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-七大离子以及TDS、总硬度、PH根据之间相关性进行社会网络分析。

因子分析(FA)主要特点就是把繁多复杂的样品、变量转变为由几个主要因子去表示总样本所表达的信息量，且这些选出的主因子之间互不影响[15-18]。按照分析目标的不一致，又分Q型与R型，其中Q型为分析样品之间联系，R型是分析变量间的联系[19]。本次将采用R型因子分析揭示影响泉域地下水化学特征的关键因素。

2 数据结果及分析

2.1 地下水化学特征

从表1可知，研究区地下水中阳离子以Ca2+为主，其次是Mg2+，阳离子均值含量为：Ca2+>Mg2+>Na+>K+，其中Ca2+和Mg2+均值分别为90.79 mg/L、24.07 mg/L，且两者的变异系数都很小，说明Ca2+、Mg2+很稳定，在空间分布上变化不大。阴离子以HCO3-为主，其次是SO42-，阴离子均值含量为：HCO3->SO42->CL-，其中HCO3-均值为263.05 mg/L，且变异系数很小，不容易受外界因素影响。故HCO3-、Ca2+、Mg2+为涉县东风湖泉域地下水主要阴、阳离子。K+、Na+、CL-的变异系数较大，变异系数在0.68～1.55之间，说明容易受外部条件影响、极其不稳定，在空间分布上变异性大，其含量是判断地下水是否发生盐岩溶滤作用的关键因素。TDS介于290～650 mg/L之间，由北向南递增，其中研究区北部补给区和中部山区地带水质的TDS值较小，在290～450 mg/L之间，在茨村排泄区一带TDS达到最大，在500～650 mg/L之间。PH值在7.43～7.98之间，表明在研究区范围内地下水呈弱碱性。

表1 地下水化学参数统计特征

图2 水化学类型图

由图2看出，HCO3-Ca·Mg为东风湖泉域主要水化学类型，岩溶地下水化学成分的形成作用主要是岩溶作用。工作区岩溶水含水介质为海相碳酸盐岩沉积地层，主要矿物成分为方解石、白云石、石膏等，因此岩溶裂隙地下水中主要化学成分为：HCO3-、Ca2+、Mg2+。故根据研究区补给区、径流区和排泄区地下水化学分布特征，以及在垂向上不同含水层组地下水化学的特征，地下水化学特征主要受补给条件较好、径流途径短、长期溶滤作用所决定，地下水的矿化度和水化学类型差别都不大，矿化度在290～650 mg/L之间，水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型或HCO3-Ca型。

2.2 聚类分析

用SPSS 22.0软件对研究区水化学组分HCO3-、Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-七大离子以及TDS、总硬度、PH进行R型聚类分析。依照图3，横坐标为组间距离0～25，纵坐标为水化学组指标变量，当距离为15时可分为两大类。

第I类：由Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-以及TDS、总硬度组成，按照距离5又可以分为两个小类i和ii，第i类是Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-以及TDS，说明这几个指标相关性好，其中Na++K+和CL-在距离小于5时又合为一类，表示Na++K+和CL-主要来自岩盐的溶滤，可能还有部分阳离子交换而来的，而Mg2+和SO42-主要是来自白云岩、石膏等含Mg2+和SO42-矿物的溶解，同时这些指标也影响着该区域TDS变化，故这些指标分在i小类中。第ii类是Ca2+和总硬度，说明Ca2+与总硬度关系密切，总硬度以(CaCO3)分级，<150 mL为软水、150～300 mL为微硬水、300～450 mL为硬水、>450 mL为极硬水。

第II类：当距离为10以上，由HCO3-、PH组成第II类，相关性较好，这两者主要是参与地下水中酸碱演化，受大气降水影响较大，故HCO3-、PH与别的离子指标分为两大类。

图3 水化学组分聚类分析树形图

2.3 社会网络分析

本次通过Ucinet软件对研究区地下水水化学组分HCO3-、Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-以及TDS、总硬度、PH进行社会网络分析，首先构造一个n*n矩阵：

根据地下水化学组分之间相关性进行二值化处理，把相关性紧密的化学组分赋值为1，其余赋值为0。把二值化处理后的矩阵通过Netdraw生成可视化社交网络图谱，见图4。

图4 地下水化学组分网络分析图谱

从图4可知，社交网络图谱把地下水化学组分分为两大类，一类以Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-以及TDS、总硬度为主，结点之间的连线表示两个元素之间的关联，Ca2+与SO42-、总硬度、TDS之间的连线，表明Ca2+与这三种元素有关联，Ca2+与SO42-大部分都是来自于含硫酸盐矿物，如石膏(CaSO4·2H2O)溶解，同时总硬度分级又取决于Ca2+、Mg2+含量，TDS与其他几类水化学组分都存在连接线，并且为中心结点，表明TDS值受这些离子含量影响，所包含的离子种类含量越大，TDS值也就越大。另一类则是PH、HCO3-，说明这两个结点之间相关性好，总体与上述聚类分析树形图分类一致，证明了聚类分析的准确性。

2.4 因子分析

本次运用SPSS 22.0对研究区水样点进行R型因子分析，根据KMO(kaiser - meyer - olkin)值0.806和Bartlett’s Test of Sphericity球形检验值0.00，表明适用于因子分析。得出地下水化学组分相关矩阵(表2)，选取两个主因子，累计方差贡献率为88.86%，代表了总体变量的88.86%(表3)。为了更进一步解释主因子对地下水化学成分的影响，使其影响因子高的更高，低的更低，按照最大方差法旋转，得到旋转成分矩阵(表4)。

从因子分析建立数学模型可知，主因子F1由K+、Na+、Mg2+、CL-、HCO3-、TDS这些指标组成，该方差贡献率是51.129%，其中K+、Na+、Mg2+、CL-与F1体现正相关，且因子载荷在0.69～0.92之间，表明地下水在径流途中主要发生了盐岩溶滤作用，溶解含水层中NaCl岩盐、碳酸盐等矿物，并且随着地下水中Ca2+、Mg2+含量增加，发生阳离子交换，Ca2+、Mg2+置换出岩盐矿物中的Na+，导致水中Na+、CL-富集，TDS值增大。F1和HCO3-表现负相关，表明酸碱演化、碳酸演化影响该区域地下化学特征，随着大气降水使其CO2和重碳酸根水解出H+含量减少，地下水缓慢呈现弱碱性。

主因子F2以Ca2+、SO42-、PH这些指标组成，方差贡献率是37.731%，其中Ca2+、SO42-、TDS与F2体现正相关，且因子载荷在0.78～0.96之间，表明了地下水主要发生了硫酸盐矿物的溶解作用，在涉县、河南店镇一带径流区水化学类型主要为HCO3-Ca，到了排泄地带茨村转变HCO3SO4-CaMg，主要由于径流区水动力强而到排泄区地势平缓水流滞缓，硫酸盐矿物如石膏(CaSO4·2H2O)水解后，在下游地带推积。F2则和PH表现出负相关，体现了补给区酸碱演化，大气降水入渗补给后，稀释地下水中CO2，使其该研究区水样PH值在7～8之间，为弱碱性。