人民勝利渠灌區地下水水化學特征研究

韓宇平 張冬青 劉中培

摘要：基于人民勝利渠灌區豐、枯水期各22組水樣，運用Q型聚類分析及主成分分析方法，研究了灌區地下水水化學時空分布特征及影響因素。結果表明：研究區豐、枯水期地下水空間分帶性明顯，可劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個區域，Ⅰ區主要分布于古黃河灘地及其以東地區，Ⅱ區主要分布于古黃河背河洼地及其以西地區；Ⅰ區陰離子以HC03為主，水化學組分空間分布差異相對較小，水化學特征主要受地質條件影響：Ⅱ區陰離子以s02-4為主，水化學組分空間分布差異相對較大，水化學特征除受地質條件影響外，受水環境酸堿狀況及人為污染影響較大。

關鍵詞：地下水水化學特征；聚類分析；主成分分析；空間變異；人民勝利渠灌區

中圖分類號：P641.3；P641.6

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.020

人民勝利渠灌區是新中國成立后在黃河下游興建的第一個大型引黃灌溉工程。近年來，隨著小浪底水庫的建成運用，人民勝利渠灌區引水口受閘底高程限制引水困難，而灌區工農業發展及城市化水平提高對水資源量有著越來越大的需求¨，因此地下水開采量逐漸增大，成為灌區主要水源之一。灌區地下水水化學特征及其影響因素研究，不僅有助于了解地下水水文地球化學的演化過程，而且可以為合理開發利用地下水資源以及防治地下水污染提供科學依據。

Q型聚類作為地下水水化學特征分析的一種分類方法，以其良好的分類效果被廣泛應用于水文地球化學研究中。CollinsK工等通過該方法劃分了普拉河下游盆地地區地下水的徑流補給區和排泄區；Mo-hamedEA等在干旱地區運用該方法對影響地下水水質的因素進行了分類和檢驗：王廣才等通過該方法判別礦井突水水源，建立了突水水源判別模型：盧穎等通過聚類空間分布圖劃分了水化學類型區，分析了盆地地下水補排區水化學類型的差異：王珺瑜等通過該方法分析了濟南泉域巖溶區地下水補排區的水化學分布特征及影響因素。已有研究為區域地下水水化學特征分析打下了良好的基礎，不過關于空間分類后不同區域豐、枯水期地下水水化學演變規律的研究相對較少。筆者以人民勝利渠灌區為研究對象，綜合運用Q型聚類分析及主成分分析方法，對人民勝利渠灌區地下水水化學特征、分布狀況進行研究，并對Q型聚類后不同類型區豐、枯季地下水水化學演變特征和影響因素進行了系統分析，以期為灌區地下水資源的合理開發利用和管理提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

人民勝利渠灌區位于河南省北部，東經113°31—114°25、北緯35°00—35°30，主要由黃河沖積平原和太行山前沖洪積扇兩部分組成，灌區面積1183km2。灌區地勢自西向東呈下降趨勢，根據地形條件可將灌區分為8個單元：原延封低洼平原、古黃河灘地、古黃河背河洼地、太行山前交接洼地、郇封嶺崗地、黃河故道沙丘沙壟地、黃河灘地、黃河背河洼地。灌區屬于暖溫帶大陸性季風氣候區，年均氣溫14.5℃，多年平均水面蒸發量1864.0mm，多年平均降水量581.2mm，年內降水量分配不均，6-9月降水量占全年降水量的70%～80%。

研究區地下水主要賦存于松散巖類孔隙及半膠結碎屑巖類孔隙裂隙中。根據含水層組的埋藏條件，可劃分為淺層含水組、中深層含水組和深層含水組。淺層含水層底板埋深80～130m，含水介質為上更新統與全新統的粗砂、中砂及細砂巖層，可見2～4層，單層厚8～80m，總厚度44～110m，由南向北含水層逐漸變薄，為研究區主要開采層。灌區地下水流向基本與地面坡降一致，由西南向東北流動。

1.2 數據來源

共布置22個地下水取樣點，見圖1。2016年豐、枯水期分別取樣，共計44個樣品。取樣采用加拿大Solinst公司生產的425型離散區間地下水采樣器，樣品采集后當天或次日送至河南省地質礦產勘查開發局第一地質環境調查院實驗室進行檢測，檢測指標共27項，本文主要分析K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Cl-、SO2-4、HC03-、N03-、NO2-、CODMn、pH、TDS和總硬度14項指標。其中，K+和Na+借助WFX-120A原子吸收分光光度計采用火焰發射光譜法測定，檢測下限分別為0.16、0.09mg/L；Ca2+、Mg2+和總硬度采用乙二胺四乙酸二鈉滴定法測定，檢測下限依次為4、3、10mg/L；Cl-采用銀量滴定法測定，檢測下限為3mg/L；SO2-4；—采用乙二胺四乙酸二鈉一鋇滴定法測定，檢測下限為10mg/L；HC03采用滴定法測定，檢測下限為5mg/L；NH4+；、N03和N02借助T9雙光速紫外可見分光光度計分別用納氏試劑比色法、紫外分光光度法、分光光度法測定，檢測下限分別為0.02、0.2、0.004mg/L；CODMn采用酸性高錳酸鹽氧化法測定，檢測下限為0.4mg/L；pH值在現場借助PHS-3C數字酸度計用玻璃電極法測定，其檢測下限為0；TDS（以CaCO3計）借助BSA124S電子天平用烘干法測定，其檢測下限為20mg/L。

1.3 研究方法

研究主要采用聚類分析和主成分分析方法，在SPSS19.0軟件中操作實現。在分析水化學空間分類時采用Q型聚類分析方法。聚類分析是一種用于分類觀察的半統計方法，聚類后同一類別的成員是彼此相似的，且區別于其他類。在具有有效的水文地球化學數據，但未建立清晰的水文地質模型的情況下，這種方法對于了解水化學特征的控制因素非常有用。聚類分析不僅可以對連續或分類變量進行聚類，而且可以提供豐富的距離計算方法和結果表示方法。Q型聚類分析以樣本為研究對象，以距離為統計量。以Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HC03等14項指標對豐、枯水期各22個水樣進行Q型聚類分析。首先，為避免樣品間距離受到參數量級差別的影響，采用Z-score法對數據進行標準化處理：然后，以歐氏距離構建相似性矩陣，采用離差平方和法對水樣進行歸類，得到豐水期和枯水期水樣聚類樹狀圖：最后，利用ArcGIS10.2軟件生成水化學樣品聚類空間分布圖。

在分析不同類型區水化學成分影響作用時采用主成分分析方法。主成分分析是一種降維處理方法，它將原有變量通過線性變換轉化為少數幾個相互獨立的變量，同時以較少的變量反映原有變量的絕大部分信息，是使用最多的因子分析方法之一。首先，對選取的指標進行標準化處理，以消除變量在數量級或量綱上的影響：然后，根據標準化后的數據求出相關性矩陣及特征根和特征向量：最后，確定主成分。

2 結果與討論

2.1 聚類分析

研究區豐水期和枯水期水樣聚類樹狀圖見圖2（其中橫坐標表示類間距離，縱坐標表示參與聚類的取樣點在聚類過程中對應的序號以及對應的取樣點），豐、枯水期水樣均可分為Ⅰ、Ⅱ兩類。Ⅰ、Ⅱ兩類地下水空間分布見圖3。結合圖1，Ⅰ類主要分布于古黃河灘地及其以東的黃河故道沙丘沙壟地、原延封低洼平原等地貌區，簡稱為Ⅰ區：Ⅱ類主要分布于古黃河背河洼地及其以西的太行山前交接洼地、郇封嶺崗地地貌區，簡稱為Ⅱ區。

豐、枯水期Ⅰ區、Ⅱ區地下水水化學特征見表1。從表1可以看出，Ⅰ區HC03-濃度較大，Ⅱ區SO2-4濃度較大，此外Ⅱ區K+、Na+、Ca2+、Cl-、N03-濃度以及總硬度和TDS明顯高于Ⅰ區的，其中Ⅱ區Cl-、N03、SO2-4濃度分別超過《地下水水質標準》（DZ/T0290-2015）中的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類水標準，表明Ⅱ區水質可能受到一定程度的污染。

從變異系數來看，豐、枯水期Ⅱ區K+、Ca2+、Mg2+、SO2-4、HC03-、總硬度、TDS、pH值水化學成分的變異系數均較I區的大，表明Ⅱ區大部分水化學成分的空間分布差異較Ⅰ區的大，如豐、枯水期Ⅱ區SO2-4變異系數分別為1.040和0.660，均大于Ⅰ區的0.430和0.420，表明SO2-4濃度在Ⅱ區的空間分布差異性較Ⅰ區的大。

2.2 主成分分析

選擇累計貢獻率達85%以上的成分作為主成分，Ⅰ區豐、枯水期可分別提取出5個和4個主成分，Ⅱ區豐、枯水期均可提取3個主成分，見表2～表5。由于Ⅰ區豐水期成分矩陣中第四、第五主成分各變量的相關系數均小于第一、第二、第三主成分中對應的相關系數，因此在分析時將所有變量歸于前三個主成分中，同理，Ⅰ區枯水期在分析時將所有變量歸于前三個主成分中。

Ⅰ區、Ⅱ區豐、枯水期第一主成分都包括了Mg2+、Na+、Cl-、SO2-4、TDS及總硬度，表明研究區地下水水化學特征主要受地質條件控制。不過這些變量與第一主成分的相關系數各不相同，其中：豐水期Ⅰ區第一主成分中相關系數較大的為TDS、Mg2+、總硬度，豐水期Ⅱ區第一主成分中相關系數較大的為Mg2+、TDS、SO2-4、總硬度、Cl-，表明Ⅱ區豐水期地下水水質除受TDS、Mg2+、總硬度影響外，還受SO2-4、Cl-濃度的影響。枯水期Ⅰ區第一主成分中相關系數較大的為TDS、Cl-，枯水期Ⅱ區第一主成分中相關系數較大的為TDS、總硬度、Mg2+、SO2-4，表明枯水期除受TDS影響外，Ⅰ區受Cl-濃度影響較大，Ⅱ區受總硬度、Mg2+、SO2-4影響較大。綜上分析，Ⅰ區豐、枯水期受TDS影響較大，Ⅱ區豐、枯水期受TDS和SO2-4影響較大。除上述指標外，Ⅰ區第一主成分還包括HC03-，HC03-主要來源于沉積巖與變質巖中碳酸鹽的溶解，Ⅱ區第一主成分還包括pH值、Ca2+，表明Ⅱ區水化學特征受水環境酸堿狀況影響較大。Ⅱ區枯水期第一主成分中除上述指標外還包括N03-，灌區中N03-主要來自于化肥農藥的施用，這表明Ⅱ區枯水期水質可能受到一定程度的氮污染。

Ⅰ區、Ⅱ區豐、枯水期第二主成分有所不同，Ⅰ區第二主成分主要包括pH值、NO2-、Ca2+，其方差貢獻率為20%左右：Ⅱ區第二主成分主要包括NO2-、NH4+、HC03-，其方差貢獻率為20%左有。表明Ⅰ區受地質條件影響的同時還受水環境酸堿度及氮元素的影響，但其影響相對較弱，Ⅱ區仍受到氮元素及地質條件影響。

Ⅰ區豐、枯水期第三主成分主要包含K+，其方差貢獻率為13%左有；Ⅱ區豐、枯水期第三主成分主要包含CODMn，其方差貢獻率約為11%。K+主要來源于含鉀巖類的溶解，因此Ⅰ區受地質條件影響CODMn為有機物污染指標，表明Ⅱ區可能受到一定程度的人為污染。

綜合分析三種主成分及其貢獻率發現：Ⅰ區受TDS、總硬度、Cl-、Mg2+、HC03、SO2-4、Na+濃度的影響較大，受pH值及Ca2+、N02-、K+濃度影響相對較小：Ⅱ區受TDS、Mg2+、總硬度、SO2-4、Ca2+、Cl-、Na+、N03-濃度和pH值影響較大，受N02-、NH4+、HC03-、CODMn濃度影響相對較小。表明Ⅰ區主要受地質條件影響，Ⅱ區除受地質條件影響外還受水環境酸堿狀況的影響，并且Ⅱ區受到一定程度的人為污染。

3 結論

（1）研究區豐、枯水期地下水可分別劃分為具有明顯空間分布特征的Ⅰ、Ⅱ兩個區域，Ⅰ區主要分布于古黃河灘地及其以東地區，Ⅱ區主要分布于古黃河背河洼地及其以西地區。

（2）Ⅰ區、Ⅱ區水化學特征明顯不同。Ⅰ區HC03-濃度較高，Ⅱ區SO2-4濃度較高，Ⅱ區K+、Na+、Ca2+、Cl-、N03-的濃度以及總硬度和TDS高于Ⅰ區的，且Ⅱ區水化學成分空間分布差異較Ⅰ區的大。

（3）Ⅰ區地下水水化學特征主要受地質條件控制，受水環境酸堿度的影響相對較小：Ⅱ區水化學特征除受地質條件影響外，還受水環境酸堿狀況的影響，并且明顯受到人為污染的影響。