數理統計在環境水文地球化學研究中的應用

宋大禹

摘 要：環境水文地球化學主要的研究對象就是水文地球化學活動，在人們日常生活中會對地下水的化學成分形成有一定影響，甚至讓地下水出現變質現象，而環境水文地球化學研究主要就是對化學環境的變化進行研究和評價。而在環境水文地球化學研究中有效應用數理統計已經成為當前主要的技術手段之一，其能夠將地下水的化學反應充分表現出來，對水文化學數據做出相關分析。本文結合某地區地下水樣品化學分析的數據，采用樹立統計方法對該地區的環境水文地球化學信息進行分析，并結合自然地理、水文地質環境等因素對環境水文地球化學特征進行闡述，以供借鑒。

關鍵詞：樹立統計；研究；環境水文地球化學；分析

對于一個城市的開發來說，做好該地區環境水文地球化學的分析是非常重要的，也是城市發展的重要依據，而怎樣花費最小的財力，在最短的時間內完成該項工作，獲取有關該地區環境水文地球化學信息，是當前環境科學研究者重要的研究課題。本文主要以杭州某地區作為實例，采用數理統計方法對該地區所取得的先關化學分析數據進行分析，有效利用現代計算機技術，結合地質條件、自然地理以及水文地質等條件，研究環境水文化學相關數據。

1 地下水化學成分特征分析

在該地區中總共采集地下水樣品總計15個，為了和鄰近地區地下水中的化學成分作對比，在鄰近區域也采集了地下水樣品4個，然后做化學數據分析。從分析中得出，在該地區地下水化學成分中，主要的陽離子以鈉離子和鈣離子為主，而陰離子主要是碳酸氫根，水成分中礦化度比較高，和沉積層水中所含有的化學成分是一樣的。鄰近地區地下水中的化學成分，其中陽離子主要是鈣離子和鈉離子，而陰離子也是碳酸氫根。從兩個區域的地下水樣對比來看，該地區地下水中含有的陽離子和陰離子，以及鐵離子、錳離子、礦化度都要比鄰近地區高。從國家飲用水標準來看，該地區地下水中的鐵離子嚴重超標，高達5倍以上，而猛則超標12倍以上。出現這種現象的主要原因就是環境因素所導致的沉積物增多。

2 地下水化學分析統計

2.1 聚類分析

在聚類分析中，主要采用的是統計量系數，將變量分成四群。在第一群中，鈉離子和氯離子有明顯的關系，和該地區地下水流域情況一致，再將該地區地理環境因素考慮在其中，還有兩次海侵，該地區地下水中鈉離子和氯離子的含量比較高，和這有直接關系。同時，耗氧量、碳酸氫根離子和鈉離子、氟離子以及鉀離子有明顯關系，所以說地下水中的三個變量和海侵是有直接聯系的。在第二群中，地下水礦化度和鎂離子、鉀離子以及鈣離子都有關，在分析粘土樣品中的熒光差熱之后，證實該地區土質是鈣質蒙脫石粘土，和蒙脫石粘土質巖石中的化學成分相似。這也反映出地下水中所含有的陽離子成分的化學成分和含水粘性土本身化學成分關系密切。該地區地下水中含有硫酸根離子含量高，從地質資料中證實本地區沒有出現過硫酸鹽礦物，從而明確地下水化學成分會受到海水的影響，從地下水中的硫酸根離子和鎂離子得出，水中化學成分和海相成因中的沒硫酸鹽礦物溶解關系較大。在第三群中，能夠明確錳離子和銨根離子有直接關系，證實地下水中銨根離子是在地球化學作用下形成的。在第四群中，主要是鐵和硝酸離子組成，也進而說明該去地下水中二氧化碳離子和其他離子有明顯關系。

2.2 因子分析

通過聚類分析，我們己經初步了解了地下水中各離子之間的關系，為了深入研究控制地下水化學成分的主要因素，作者對同一批數據又進行了R型因子分析。R型因子分析是從各特征系數的相關矩陣出發，進行特征值分析，求出主因子載荷矩陣，為了達到最簡結構，經方差極大旋轉，得到方差極大因子解，數據是特征系數大于0.4給予保留，小于0.4的剔除。相關矩陣的前六個特征值累計百分比為89.70%，因此前六個主因子，可提取原始數據變化的89%以上的信息。

其中硝酸離子占主導，說明地下水中鐵的含量隨硝酸離子的增加而增加，與聚類分析中的第四群相吻合。通過聚類分析和因子分析，已了解了地下水中各離子之間的關系，以及各種離子組合對整個地下水化學組成的貢獻。

2.3 對應分析

為了更加合理地評價地下水及其成因，進一步了解樣品與各離子成分間的關系，再對同一批數據進行對應分析。計算的結果表明（表1），前三個特征值，占總方差的85.25%，說明前三個主因子是控制本區地下水化學成分形成的主要因素，因此前三個特征值，可以近似地代表整批個數據的變化。

3 本區鐵錳異常的成因

通過數理統計分析，比較清楚地知道了控制本區地下水化學成分的主要因素是含水粘性土本身的溶解溶濾作用，以及地史時期中的海水入侵，這就為本區地下水中鐵錳超標的原因提供了依據。根據前人的研究表明，進入巖石圈的鐵錳比例為50：1，而在河口、湖泊環境中鐵錳富集的比例要低一些，據統計，約有95%溶解鐵和24～25%的溶由此可以推測，地下水中和土壤中主要來自有機氮，不僅可以增加膠體的穩定性，同時也可與鐵離子形成有機結合物穩定地存在于地下水中。解錳在河口地區沉淀，分析本區的古地理環境，在沉積本區含水粘性土時，正處在河口、湖泊環境，因此便有大量的鐵錳沉淀下來。

結束語

采用數理統計方法來研究環境水文地球化學，能夠將地下水化學反應相關數據直接反應出來，通過本文的研究，能夠得到以下結論，該地區的地下水化學組成受到了水黏性土巖性控制，同時所表現出來的地下水地球化學特征也受到了地下水含水黏性土礦物的影響，特別是溶解溶濾作用，還有含水粘性土中所帶有的黏土礦物，其對地下水中的陽離子交換所產生的吸附作用結果。同時，還得出海侵對地下水化學成分也有較大的影響。、此外，該地區地下含水粘性土本身也會導致地下水中含有鐵錳離子，因為含水粘性土中含有豐富的有機質，所以才出現這種情況。總之，在將數理統計有效應用在環境水文地球化學中是可以的推廣應用的。

參考文獻

[1]楊木壯，吳濤，厲艷君.基于模糊綜合評判的廣州地下水特殊脆弱性評價[J].現代地質，2011（04）.

[2]黃平華，陳建生，寧超，韓素敏.焦作礦區地下水水化學特征及其地球化學模擬[J].現代地質，2010（02）.

[3]唐信英，羅磊，張虹嬌.西南地區酸雨時空分布特征研究[J].高原山地氣象研究，2009（02）.

[4]陳立，張發旺，程彥培，藺文靜，陳江，張琳.寧夏海原盆地地下水水化學特征及其演化規律[J].現代地質，2009（01）.

[5]李向全，侯新偉，周志超，劉玲霞.太原盆地地下水系統水化學特征及形成演化機制[J].現代地質，2009（01）.