基于多元统计方法的新疆巴里坤盆地地下水水化学特征及其影响因素分析

2021-12-22丁启振周金龙曾妍妍

水资源与水工程学报 2021年5期

丁启振，周金龙，曾妍妍，雷米，孙英

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052； 2.新疆水文水资源工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830052； 3.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052)

1 研究背景

地下水资源是水资源的重要表现形式，在西北干旱地区，地下水具有举足轻重的作用，往往是许多地区主要甚至唯一的可用水源[1]。在漫长的地质演化过程中，地下水与其流经的岩土体之间的水岩相互作用不断影响和改变着区域地下水环境[2]。因此，研究地下水水化学特征及其影响因素，可以更好地揭示地下水与环境间的相互影响[3]。近年来，国内外学者采用数理统计、稳定同位素[4-5]、Piper三线图[6]、Gibbs图[7]、矿物饱和指数[8]、离子比分析[9]、水文地球化学模拟[10]等方法，对新疆哈密盆地、柴窝堡盆地、吐-哈盆地、焉耆盆地、塔城盆地和准噶尔盆地的地下水水化学类型、分布特征、形成作用和影响因素展开研究，以探明水体起源、成因与相互转化关系，从而帮助人们重建水文地质史[11]。对于新疆盆地地下水水化学特征的研究，学者多采用传统的水化学特征分析方法，而涉及多元统计方法的研究成果少见，多元统计方法是一种广泛用于研究水质时空变化和污染源识别的有效工具[12]，可同时对多个变量进行分析研究。

巴里坤盆地位于新疆维吾尔自治区巴里坤哈萨克自治县境内，隶属哈密市。栾风娇等[13]于2011年在数理统计的基础上，运用离子比例系数、Gibbs图和Piper三线图等方法，首次针对巴-伊盆地开展了地下水水化学特征的研究；2011年，栾风娇等[14]以单因子评价方法为基础，运用综合评价方法评价了巴-伊盆地地下水水质现状。总的来看，目前针对巴里坤盆地地下水水化学特征方面的系统研究较少，且多为简单的双变量分析，忽略了变量间可能存在的相关性。因此本文在前人研究成果的基础上，重点运用多元统计方法对该地区地下水中的主要组分(离子组分和非离子组分)进行分析研究，以期为当地地下水资源的保护及可持续利用提供科学依据。

2 水样采集与研究方法

2.1 研究区概况

巴里坤盆地(43°20′～43°50′N，92°30′～93°40′E)是由巴里坤山、莫钦乌拉山和萨尔乔克西山所包围的小型地堑型盆地，呈西北走向，宽为20～30 km。地势呈西低东高的趋势，地貌形态包括南北高山区、西部低山区和中部平原区，巴里坤湖为海拔最低点[15]。巴里坤县属典型大陆性温带冷凉干旱气候，冷季严寒，暖季凉爽，干旱雨少，蒸发强烈。年平均降水量为230.5 mm，年蒸发量为1 622.0 mm，年平均气温为2.7 ℃，全年日照时数为3 170 h。区内主要河流为柳条河，发源于东山[16]。

盆地主要被第四系沉积物覆盖，厚度从北向南快速增厚，盆降中心位于盆地东侧；第四系沉积以洪积砾石为主，夹少量砂层[17]；赋存有第四系单一结构孔隙潜水和第四系多层结构孔隙潜水-承压水[18]。地下水埋深一般为2～100 m，埋深小于5 m的区域主要位于柳条河下游的巴里坤县至北部山前一带(图1)。盆地地下水主要接受南部冰山融雪水补给、山地基岩裂隙水补给、中部农田井灌回归水补给等；地下水径流方向和地形坡向基本一致，总体上由山前向盆地汇水中心汇聚[18]；地下水排泄主要通过潜水蒸发、人工开采(为地下水弱开采区)及泉水溢出等方式进行。区内有我国三大硫化碱生产基地之一的巴里坤湖，盛产芒硝和食盐，矿产资源丰富[19]。巴里坤盆地平原区概况见图1。

图1 巴里坤盆地平原区概况及地下水取样点分布

2.2 地下水水样采集与测定

在收集研究区水文地质资料的基础上，于2015年7-9月对巴里坤盆地平原区进行地下水水样采集，共采集12组水样，采样点分布见图1。每组水样取3个样本(采集现场空白样、空白加标样和平行样)。采样点控制面积为1 986 km2，布设密度为6.04 眼/103km2，完全符合《地下水监测规范》(SL 183—2005)内陆盆地平原区弱开采区地下水水质监测站的布设密度为0.4～0.8 眼/103km2的要求。

2.3 研究方法

2.3.1 因子分析因子分析(factor analysis)是利用数学降维的思想，以几个因子来描述多个指标或因素之间关系的一种统计方法[20-21]。因子分析针对不同的研究对象，分为R型因子分析和Q型因子分析[22]，前者与后者分别将变量和样本作为研究对象。本文选用R型因子分析方法。

2.3.2 聚类分析聚类分析(cluster analysis)是将变量或样品依据它们在性质上的亲疏及相似程度进行分类的方法[23]。聚类分析划分为R型聚类分析和Q型聚类分析[24]，前者与后者分别将变量和样本作为处理对象。本文对研究区地下水水样进行R型聚类分析时，选取的是平方欧式距离度量标准和离差平方和算法。

3 结果与分析

3.1 地下水水化学特征分析

变异系数(coefficient of variation，CV)是衡量数据间变异程度的一项指标[27]。由表1可知，所有指标的变异系数变化范围为0.3～1.8，说明空间变异性为中等以上。其中表现出强变异性(CV≥1)的指标包括Cl-、Na+、SO42-和TDS 4项，其余指标均表现为中等变异性(0.1

表1 巴里坤盆地地下水水样主要水化学指标统计结果

基于Grapher11.0软件绘制2015年巴里坤盆地地下水Piper三线图，如图2所示。由图2可知，地区内地下水水化学类型共7种，包括5种低矿化度的HCO3型和两种中等矿化度的SO4·Cl型，以HCO3·SO4-Ca·Na型(占总取样点的33.3%)和HCO3·SO4-Ca型(占总取样点的25.0%)为主。

图2 2015年巴里坤盆地地下水水化学Piper三线图

运用ArcGIS10.0 软件绘制2015年巴里坤盆地地下水水化学类型分区图，如图3所示。由图3可知，水化学类型沿地下水流向具有明显的分带特征。由于盆地东南部水系发育、基岩裂隙水充足、柳条河河水接受冰山融雪水的补给，地下水径流相对较快，一定程度上加强了对地下水含水层的补给、溶滤作用，自东南向西北水化学类型由HCO3型→SO4·Cl型→HCO3型→HCO3·SO4型过渡；在柳条河下游一带，地势相对平坦，南部山前地带水系相对不发育、石人子乡内石人子水库的修建使得柳条河的下游水量减少，因而地下水的补给、溶滤作用减弱，干旱指数自南向北迅速增大[28]，排泄方式逐渐以蒸发浓缩作用为主，导致地下水中盐分不断积累，此区域自南向北水化学类型大致由HCO3型水→SO4·Cl型水过渡。

图3 2015年巴里坤盆地地下水水化学类型分区图

3.2 因子分析

数据检验是进行因子分析的前期工作，而相关系数矩阵为检验的起点。相关系数矩阵不仅为进行因子分析提供前提，而且还可通过相关性分析来预测水中的离子是否为同一来源[29]，进一步为主因子的确定提供一定的理论依据。

以表2为出发点对研究区所采水样的9项化学指标进行Bartlett球形检验及KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验[30]。检验结果表明，Bartlett球形检验显著性水平小于0.010，KMO检验值为0.681。以上数据表明，数据之间相关性良好，因此可进一步做因子分析[22]。

表2 巴里坤盆地地下水水化学指标相关系数矩阵

在SPSS19.0软件的帮助下，可实现因子分析，并利用主成分分析法提取特征值。两个主因子(F1、F2)是以特征值大于1为原则进行选取得到的，其累计方差贡献率为91.042%，说明所取水样中91.042%的信息量能够得到反映。地下水水化学成分旋转因子荷载矩阵可由方差最大旋转法计算得到，计算结果如表3所示。

表3 巴里坤盆地地下水水化学成分旋转因子载荷矩阵

因子载荷大致可以划分为大于0.75(强度相关)、0.75～0.5(中度相关)和0.5～0.3(弱相关)3个等级[31]，本文选取因子载荷大于0.75的指标作为主因子的主要决定因素。

由表3可知：

(1)Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、TH、TDS为F1主因子的7个主要决定因素，其贡献率为76.17%。研究区内蒸发作用强且降水稀少，年蒸发量达1 622.0 mm，年平均降水量为230.5 mm，说明该地区内具备形成蒸发浓缩作用的先决条件。随着地下水的大量蒸发排泄，TDS值和TH值会不同程度的增大，析出部分溶解度较小的盐类，溶解度大的Cl-、SO42-、Na+离子得以保留。另外，产生Ca2+和Mg2+载荷分别为0.873和0.951的原因可能是析出有关碳酸盐的沉淀较少，与上述相关分析的结果一致。因此，F1代表的是蒸发浓缩作用。

3.3 聚类分析

由巴里坤盆地地下水水样R型聚类分析树状图(图4)可知，当类距为10时，所取水样被划分为A、B、C 3类： A类为主要受强烈蒸发浓缩作用的中等矿化度水；B类为在补给径流条件相对较好区域，以溶滤作用为主的低矿化度水；产生C类这种情况的原因可能是个别取样点中SO42-浓度值相比其他取样点过高，且该点主要位于盆地北部山前倾斜平原区。查阅由新疆化工设计研究院有限责任公司于2019年6月编制的《巴里坤县化工区工业废渣(硫化碱废渣)处置一期项目环评报告》可知，自20世纪60年代中期，硫化碱企业陆续在巴里坤湖周围建成，经过几十年的发展，大量的废渣(硫化碱、硫酸盐和亚硫酸盐等)堆放在巴里坤湖东北侧湖岸附近，间接补给地下水，这可能是导致周围取样点SO42-浓度增高的原因之一；另一个原因可能是该区域受到一部分洪水冲积影响，普遍认为早期溶滤作用将Cl-最先溶于水中并被水流带走，由于持续溶滤作用，大量的SO42-聚集到该区域。因此，将C类归为A类。通过与因子分析结果对比，得出两者结果基本一致的结论。

图4 2015年巴里坤盆地地下水水样R型聚类分析树状图

3.4 综合Gibbs图分析

2015年巴里坤盆地地下水Gibbs图见图5。

注：RWD 代表岩石风化区，APD 代表大气降水区，ECD 代表蒸发浓缩区

通过绘制巴里坤盆地地下水Gibbs图(图5)可发现，取样点均未落入大气降水区(atmospheric precipitation district, APD)控制区域内，说明大气降水作用不是地下水化学作用的主导因素，主要原因是巴里坤盆地属于干旱区，降水稀少所致；绝大多数取样点落入岩石风化区(rock weathening district, RWD)控制区域附近，这是由于在补给径流条件相对较好、蒸发相对弱的区域，会形成以溶滤作用为主导因素的低TDS水；个别取样点落入蒸发浓缩区(evaporation concentration district, ECD)控制区域，在地下水弱补给区、蒸发强烈和埋深较浅的区域会形成以蒸发浓缩作用为主导因素的高TDS水。与潘希哲等[32]采用2018年数据研究得出巴里坤山间盆地地下水水化学特征主要由溶滤作用控制的结论基本一致。

由此可知，通过运用因子分析、聚类分析以及Gibbs图3种方法可得到相同的结论。