北京東郊地下水化學(xué)成分及演化研究

段智隆，張永祥，白玉華，井　琦，高維春

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京　100124；2.水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100124)

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北京東郊地下水化學(xué)成分及演化研究

段智隆1,2，張永祥1,2，白玉華1,2，井琦1,2，高維春1,2

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京100124；2.水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124)

摘要：運(yùn)用R型聚類(lèi)分析法和Piper三線圖對(duì)2014年北京東郊地區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析該地區(qū)水文地球化學(xué)類(lèi)型特征。通過(guò)R型聚類(lèi)，將18種檢測(cè)指標(biāo)分為4類(lèi)。其中，第Ⅰ類(lèi)中TDS，總硬度，，Cl-以及電導(dǎo)率等對(duì)該地區(qū)水化學(xué)特征的影響最大；第Ⅱ類(lèi)中既包含影響地下水色度的Fe和Mn，又包含存在線性關(guān)系的NH3-N和CODMn；第Ⅲ類(lèi)、第Ⅳ類(lèi)為pH值和，對(duì)水質(zhì)的影響較弱。Piper三線圖分析結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)地下水沿流向發(fā)生水質(zhì)點(diǎn)位移現(xiàn)象，地下水類(lèi)型逐漸由Ca-Mg-HCO3和Ca-Mg-HCO3-SO4為主，變?yōu)镃a-Mg-Na-HCO3及Ca-Mg-Na-SO4-Cl，水質(zhì)情況發(fā)生惡化。但整體水質(zhì)情況仍良好。R型聚類(lèi)分析方法與Piper三線圖的有效結(jié)合，為地下水水質(zhì)分析提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水資源保護(hù)；水文地質(zhì)條件；R型聚類(lèi)分析；Piper三線圖；水質(zhì)評(píng)價(jià)

受地球化學(xué)環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)的共同影響，地下水水質(zhì)呈現(xiàn)出區(qū)域性分布和演化的特點(diǎn)，不同地區(qū)的地下水的化學(xué)組分決定著其水質(zhì)的差異，并且直接影響著地下水的利用率[1-2]。北京東郊地下水資源非常豐富，王一凡等[3]曾通過(guò)地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)該地區(qū)地下水環(huán)境進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。但由于該地區(qū)地下水化學(xué)組分的多樣性和復(fù)雜性，常規(guī)的水化學(xué)評(píng)價(jià)方法無(wú)法進(jìn)行全面分析[4-6]，因此，本研究運(yùn)用R型聚類(lèi)法識(shí)別影響水化學(xué)特征的因子并揭示各組分中隱藏的相互關(guān)系[7-8]，用Piper三線圖分析研究水化學(xué)組分的空間分布及演化過(guò)程，為地下水資源的利用和保護(hù)提供依據(jù)[9]。

1地下水水質(zhì)綜合分析

1.1R型聚類(lèi)法基本原理及步驟

R型聚類(lèi)法是對(duì)研究對(duì)象的觀察指標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)。設(shè)u={x1,x2,…,xn}為分類(lèi)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象由m個(gè)指標(biāo)xi={xi1,xi2,…,xim}(i=1,2,…,n)表征，進(jìn)而建立R型聚類(lèi)法。分析前，首先要篩選出對(duì)分類(lèi)起作用的變量，并對(duì)變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，防止由于分類(lèi)對(duì)象各指標(biāo)因單位與量級(jí)的不同導(dǎo)致距離計(jì)算結(jié)果受到嚴(yán)重影響。

本次研究采用標(biāo)準(zhǔn)差方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

(1)

其中：

(2)

(3)

進(jìn)行R型聚類(lèi)時(shí)，可采用相關(guān)系數(shù)法計(jì)算變量間的相似系數(shù)，以表示他們之間的親疏關(guān)系。

(4)

其中，i,j=1,2,…，m,|rij|?1。且|rij|越接近1表示xi與xj關(guān)系越密切；越接近0，表示關(guān)系越疏遠(yuǎn)[10]。

1.2Piper三線圖基本原理

2實(shí)例應(yīng)用

2.1研究區(qū)域的水文地質(zhì)概況

研究區(qū)域位于北京東南部沖洪積扇平原區(qū)，轄區(qū)輪廓呈南北略長(zhǎng)、東西稍窄的多邊形。地勢(shì)較為平緩，自西北向東南方向略有傾斜。沿地勢(shì)走向，區(qū)域內(nèi)地層以砂礫石與黏性土互層，漸變?yōu)橐责ば酝翞橹鞯貙?，黏性土層次由一層逐漸增多至數(shù)層，以至數(shù)十層[12](如圖1所示)。

圖1　北京東郊地區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.1　Hydrogeologic profile in Beijing eastern suburb area

多樣化的地質(zhì)使得含水層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研究區(qū)內(nèi)從單一潛水含水層發(fā)展到多層潛水-承壓含水層[13]，既包含潛水，也包含承壓水，含水層滲透性與富水性差異懸殊。該區(qū)域?qū)儆谫Y源型缺水地區(qū)[14]，地下水多屬重碳酸鈣、鎂型水，水流自西北流向東南。多年平均降雨量為639.4 mm，該區(qū)域地下水的主要補(bǔ)給源為大氣降水和上游含水層徑流。

2.2R型聚類(lèi)分析

為全面、系統(tǒng)地分析研究區(qū)域地下水水質(zhì)情況，選取2014年該區(qū)域范圍內(nèi)69眼地下水監(jiān)測(cè)井分別抽取潛水和承壓水原水(監(jiān)測(cè)井位置見(jiàn)圖2)。

水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。選取溶解性總固體(TDS)、總硬度、總堿度、Ca2+和Mg2+等18項(xiàng)代表性因子利用SPSS軟件進(jìn)行R型聚類(lèi)分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。各因子間對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2。

圖2　研究區(qū)域監(jiān)測(cè)井分布圖Fig.2　Distribution map of monitoring well in study area

水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)ρ(K+)/(mg·L-1)ρ(Ca2+)/(mg·L-1)ρ(Mg2+)/(mg·L-1)ρ(Fe)/(mg·L-1)ρ(Mn)/(mg·L-1)ρ(NO-3)/(mg·L-1)ρ(SO2-4)/(mg·L-1)ρ(Cl-)/(mg·L-1)ρ(NO-2)/(mg·L-1)最大值4.94168.0067.300.830.2126.40170.00198.000.06最小值0.2212.004.370.030.010.1516.407.630.00平均值1.4360.4228.560.150.034.1862.2249.160.00標(biāo)準(zhǔn)偏差0.7833.6315.100.170.055.7030.6744.050.01變異系數(shù)0.550.560.531.121.491.360.490.901.60水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)ρ(HCO-3)/(mg·L-1)ρ(NH3-N)/(mg·L-1)ρ(CODMn)/(mg·L-1)ρ(TDS)/(mg·L-1)ρ(總堿度)/(mg·L-1)ρ(總硬度)/(mg·L-1)電導(dǎo)率/(μS·cm-1)色度/度pH值最大值589.000.660.94957.00483.00581.001673.0020.008.20最小值179.000.020.34245.00162.0048.00420.005.007.20平均值293.420.100.51414.26241.72268.63730.865.437.78標(biāo)準(zhǔn)偏差73.440.160.14154.5859.22123.54282.972.210.23變異系數(shù)0.251.540.270.370.250.460.390.410.03

表2　地下水監(jiān)測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)(部分)相關(guān)系數(shù)表

注：***為在0.001水平上顯著相關(guān)：**為在0.01水平上顯著相關(guān)。

圖3　地下水監(jiān)測(cè)指標(biāo)R型聚類(lèi)樹(shù)狀圖Fig.3　R-type clustering dendrogram of 　　　groundwater quality indexes

從上述分類(lèi)結(jié)果可以看出，Ⅰ類(lèi)因子對(duì)研究區(qū)域內(nèi)地下水化學(xué)特征影響最大，是影響該地區(qū)水質(zhì)的主要因素。其中，TDS值是反映水質(zhì)最直接的指標(biāo)，其值的大小與其他各因子的相關(guān)性強(qiáng)；Ⅱ類(lèi)因子對(duì)水質(zhì)的影響稍弱；Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)因子的作用最小。

2.3Piper三線圖分析

研究區(qū)域地勢(shì)低平，第四系沖洪積物是主要含水層。整個(gè)研究區(qū)域存在西北高、東南低，由西北向東南緩慢下降的特點(diǎn)，地面平均坡降約為1/2 000。因此，地勢(shì)是影響潛水層地下水流向的關(guān)鍵因素。通過(guò)區(qū)域水文地質(zhì)條件研究，并結(jié)合地下水的流向，將研究區(qū)域分為4個(gè)區(qū)：西北區(qū)(1區(qū))、東北區(qū)(2區(qū))、西南區(qū)(3區(qū))及東南區(qū)(4區(qū))(見(jiàn)圖2)。利用Piper圖繪制出研究區(qū)域內(nèi)不同地理位置的水質(zhì)情況，并對(duì)區(qū)域內(nèi)地下水水質(zhì)演化過(guò)程進(jìn)行研究，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　全區(qū)地下水監(jiān)測(cè)指標(biāo)Piper三線圖Fig.4　Piper diagram of groundwater quality indexes

為了驗(yàn)證上述結(jié)論的正確性，計(jì)算各區(qū)TDS的質(zhì)量濃度平均值：1區(qū)409.0 mg/L，2區(qū)302.6 mg/L，3區(qū)561.5 mg/L，4區(qū)374.6 mg/L。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)總礦化度的變化并不滿足上述遷移規(guī)律。通過(guò)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1區(qū)及3區(qū)內(nèi)存在水質(zhì)較差地區(qū)(具體位置見(jiàn)圖2中a，b)。由于這兩個(gè)地區(qū)內(nèi)有工廠(印刷廠、供熱廠)、綜合養(yǎng)殖區(qū)及高爾夫球場(chǎng)等，工業(yè)污染的排放及化肥、農(nóng)藥的施用使得這兩個(gè)區(qū)域的TDS值遠(yuǎn)高于周?chē)渌貐^(qū)。忽略異常點(diǎn)后重新計(jì)算各區(qū)TDS的質(zhì)量濃度平均值：1區(qū)369.8 mg/L；2區(qū)302.6 mg/L；3區(qū)436.2 mg/L；4區(qū)374.6 mg/L。可看出，沿1區(qū)向3區(qū)、4區(qū)及2區(qū)向4區(qū)方向，TDS值均逐漸上升，水質(zhì)的變化均符合沿地下水流向(自西北向東南)總礦化度逐漸增大的趨勢(shì)。同時(shí)，全區(qū)內(nèi)地下水中TDS值均未超過(guò)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848—1993)中Ⅲ類(lèi)水的要求(≤1 000 mg/L)[2]，整體水質(zhì)情況良好。

通過(guò)分析可以看出，研究區(qū)域的地下水水化學(xué)類(lèi)型較為多變，但整體規(guī)律較為明顯。沿含水層內(nèi)地下水流向，逐漸由以Ca-Mg-HCO3，Ca-Mg-HCO3-SO4為主，變?yōu)镃a-Mg-Na-HCO3及Ca-Mg-Na-SO4-Cl類(lèi)型，并包括Ca-Mg-SO4，Ca-Na-SO4-Cl等類(lèi)型[17]，水化學(xué)類(lèi)型趨于復(fù)雜化，水質(zhì)情況也略有惡化。

3結(jié)論

R型聚類(lèi)分析與Piper三線圖的有效結(jié)合，既能快速找出影響地下水化學(xué)特征的主要因子，反映各因子間的相互關(guān)系，又能直觀表示出研究區(qū)域內(nèi)地下水化學(xué)組分的空間分布規(guī)律及演化過(guò)程。比傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法更清晰、更便捷，分析結(jié)果更符合實(shí)際情況，是一種應(yīng)用靈活、科學(xué)有效的分析方法，能夠?yàn)榈叵滤廴局卫硖峁┙梃b和支持。

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Study on chemical composition and evolution of the groundwater in eastern suburb of Beijing

DUAN Zhilong1,2, ZHANG Yongxiang1,2, BAI Yuhua1,2, JING Qi1,2, GAO Weichun1,2

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2.Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering Beijing Key Laboratory, Beijing 100124, China)

Abstract:R-type clustering method and the Piper diagram are used to evaluate the groundwater quality of eastern suburb of Beijing in 2014 to evaluate the hydrogeochemical characteristics. According to R-type clustering, eighteen water quality indexes are separated into four groups. The most influencing Group Ⅰ includes TDS, total hardness, ,Cl-, conductivity, and so on. Group Ⅱ includes Fe and Mn, which affect the chroma conditions of groundwater, and includes NH3-N and CODMn, which have a linear relationship. Group Ⅲ and Ⅳ, such as pH and , have the weakest influence. The Piper diagram shows the phenomenon of water quality point displacement along the direction of stream flow. The groundwater type changes from mainly including Ca-Mg-HCO3 and Ca-Mg-HCO3-SO4 facies to Ca-Mg-Na-HCO3 and Ca-Mg-Na-SO4-Cl facies, namely the water quality becomes deteriorated, but is still overall in good condition. Reasonable combination of the R-type clustering method and the Piper diagram provides a scientific basis for the groundwater quality analysis.

Keywords:water resources protection; hydrogeologic condition; R-type clustering method; Piper diagram; water quality evaluation

文章編號(hào)：1008-1534(2016)03-0218-06

收稿日期：2016-01-05;修回日期：2016-03-28；責(zé)任編輯：王海云

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAC12B00)

作者簡(jiǎn)介：段智隆(1990—)，男，山西晉中人，碩士研究生，主要從事水資源管理和污染控制模擬技術(shù)方面的研究。通訊作者：張永祥教授。 E-mail:yxzhang@bjut.edu.cn

中圖分類(lèi)號(hào)：X824

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03007

段智隆，張永祥，白玉華，等.北京東郊地下水化學(xué)成分及演化研究[J].河北工業(yè)科技,2016,33(3):218-223.

DUAN Zhilong, ZHANG Yongxiang, BAI Yuhua,et al.Study on chemical composition and evolution of the groundwater in eastern suburb of Beijing[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(3):218-223.