羊昌河流域巖溶地下水水化學(xué)特征及影響因素分析

張 榮，王中美，周向陽(yáng)

(貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

在西南巖溶地區(qū)，貴州省是巖溶地貌分布面積最大、巖溶類型最齊全的省份，其獨(dú)特的地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌使其地下水系統(tǒng)具有復(fù)雜性和脆弱性等特點(diǎn)[1]。巖溶地區(qū)的落水洞、巖溶裂隙和豎井成為各種地表及大氣污染物直接進(jìn)入巖溶地下水系統(tǒng)的通道,地下水十分容易遭受污染。而巖溶地下水系統(tǒng)一旦遭到破壞,其恢復(fù)難度比非巖溶區(qū)更大[2]。

羊昌河是貴陽(yáng)市最重要的飲用水源地——紅楓湖的最大源流，梯級(jí)水電的開發(fā)[7]、生活污水的排放以及農(nóng)業(yè)化肥的濫用[8]，已經(jīng)嚴(yán)重影響了紅楓湖作為飲用水水源的水域功能。因此，本文以羊昌河流域巖溶地下水作為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用描述性分析、聚類分析和因子分析等多種多元統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)羊昌河流域巖溶地下水的水化學(xué)特征及其影響因素進(jìn)行研究，以對(duì)該地區(qū)地下水污染防治以及巖溶地下水資源保護(hù)和管理工作提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

羊昌河位于貴州省安順市東北部境內(nèi)，先后流經(jīng)安順西秀區(qū)、平壩區(qū)，而后匯入紅楓湖，其地理位置為東經(jīng)105°59′～106°22′、北緯26°9′～26°29′。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，春暖秋涼，夏熱冬寒，四季分明，年平均氣溫為15℃，降雨集中于4～9月份，年降水量介于1 200～1 400 mm之間。

受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來(lái)的地殼抬升及河流下切的影響，該地區(qū)在地貌上表現(xiàn)出獨(dú)特的丘原-峽谷二元結(jié)構(gòu)，褶皺、斷層發(fā)育，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，地貌類型主要為峰叢和峰林。由于受太平洋板塊和亞歐板塊的長(zhǎng)期擠壓，使得區(qū)內(nèi)北東-南西和南北向構(gòu)造發(fā)育，決定了該流域山脈和水系的基本走向[9]。

研究區(qū)主要地層巖性為：三疊系下統(tǒng)(T1)薄-中厚-厚層狀白云巖、石灰?guī)r；三疊系中統(tǒng)(T2)厚層塊狀白云巖、石灰?guī)r、砂頁(yè)巖互層；二疊系下統(tǒng)(P1)中-厚層石灰?guī)r，底部為砂頁(yè)巖及劣煤層；二疊系上統(tǒng)(P2)泥頁(yè)巖夾燧石灰?guī)r；石炭系(C)中-厚層石灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。

區(qū)內(nèi)地下水類型主要有碳酸鹽巖裂隙溶洞水、碳酸鹽巖與碎屑巖裂隙溶洞水、基巖裂隙水、松散巖類孔隙水，其中裂隙溶洞水含水層的出露面積達(dá)89%。

研究區(qū)存在以化工廠為代表的工礦企業(yè)，土地利用類型以農(nóng)業(yè)用地為主，由于施用的化肥不能被農(nóng)作物完全吸收，因此剩余部分會(huì)殘留在耕作層中；區(qū)內(nèi)村落大多依水而建，且人口居住分散，產(chǎn)生的生活污水大多直接排入河溝中。以上因素對(duì)該地區(qū)地下水環(huán)境產(chǎn)生了重要的影響。

2 水樣采集與研究方法

2. 1 水樣采集及分析測(cè)試

圖1 研究區(qū)地下水采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of groundwater sample points in the study area

2. 2 研究方法

聚類分析(HCA)是指將物理或抽象對(duì)象的集合分組為由類似的對(duì)象組成的多個(gè)類的分析過(guò)程。它是將相似程度較高的指標(biāo)聚合為一類，從而將所有指標(biāo)聚合在一起[10-11]。根據(jù)研究對(duì)象的不同，聚類分析分為Q型聚類(對(duì)樣品分類)和R型聚類(對(duì)變量分類)。在地下水水質(zhì)研究中常采用Q型聚類，本次研究使用組間聯(lián)接方法和平方歐式距離對(duì)地下水樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行Q型聚類分析[11]。

因子分析(FA)是從研究原始變量相關(guān)矩陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過(guò)降低變量維數(shù)的方法，將一些具有錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系的變量歸納為幾個(gè)綜合因子[12]。根據(jù)研究對(duì)象的不同，因子分析分為Q型(樣品間相互關(guān)系)因子分析和R型(變量間研究關(guān)系)因子分析。在地下水水化學(xué)研究中，常采用R型因子分析[13]，本次研究利用SPSS 24.0軟件對(duì)變量數(shù)據(jù)進(jìn)行R型因子分析。

3 研究結(jié)果與討論

3. 1 研究區(qū)地下水的水化學(xué)特征分析

對(duì)研究區(qū)28個(gè)地下水水樣的12項(xiàng)水化學(xué)成分常規(guī)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)地下水水樣的水化學(xué)成分常規(guī)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

注:除pH值無(wú)量綱外，其余指標(biāo)的單位均為mg/L。

根據(jù)研究區(qū)地下水水樣的水化學(xué)成分Piper三線圖(見圖2)，按舒卡列夫分類法，研究區(qū)有15個(gè)水樣點(diǎn)地下水的水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型水，占總水樣點(diǎn)的54%；其余13個(gè)水樣點(diǎn)為其他水化學(xué)類型，其中有6個(gè)水樣點(diǎn)地下水的水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型水，有4個(gè)水樣點(diǎn)地下水的水化學(xué)類型為HCO3-Ca型水，有3個(gè)水樣點(diǎn)地下水的水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca型水。

圖2 研究區(qū)地下水水樣的水化學(xué)成分Piper三線圖Fig.2 Piper three-line diagram of the hydrochemical composition of groundwater samples in the study area

變異系數(shù)(CV)可以反映樣本數(shù)據(jù)的離散程度，通常CV≤0.1為弱變異性，0.11，表明該流域巖溶地下水中K+和F-的分布不均勻且表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間變異性。K+的來(lái)源主要是硅酸鹽的溶解[15]，此外大氣降水、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和離子置換也是K+的重要來(lái)源[16]。F-主要源于含氟礦物的溶解，包括螢石、磷灰石、電氣石、云母和其他礦物巖石的風(fēng)化產(chǎn)物，此外人為污染也是F-的重要來(lái)源[17]。地下水pH值的CV<0.1，表明該流域巖溶地下水pH值的空間變異性較弱；而研究區(qū)地下水中其他離子均表現(xiàn)出中等變異性。由此可見，所取地下水水樣的離散性較好，可以進(jìn)行聚類分析。

3. 2 研究區(qū)地下水水化學(xué)類型的聚類分析

本文利用SPSS 24.0軟件，采用組間聯(lián)接方法和平方歐式距離對(duì)研究區(qū)地下水水化學(xué)成分各項(xiàng)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行Q型聚類分析，得到其聚類分析譜系圖，見圖3。

圖3 研究區(qū)地下水水樣聚類分析譜系圖Fig.3 Cluster analysis pedigree of groundwater samples in the study area

由圖3可見，當(dāng)類間距離<15時(shí)，分類效果較好，研究區(qū)地下水水樣可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類。

圖4為研究區(qū)地下水水樣聚類及水化學(xué)類型空間分布圖。

圖4 研究區(qū)地下水水樣聚類及水化學(xué)類型空間分布圖Fig.4 Clustering and spatial distribution of water chemistry types of groundwater samples in the study area

3.3 研究區(qū)地下水水化學(xué)成分各項(xiàng)指標(biāo)之間相關(guān)性的因子分析

作為多元統(tǒng)計(jì)方法的一種，因子分析的目的主要是將原始數(shù)據(jù)濃縮，將彼此可能存在相關(guān)性的變量轉(zhuǎn)換成幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo)。且因子分析不需要區(qū)內(nèi)污染源的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在缺少污染源成分譜的情況下仍可對(duì)地下水污染源進(jìn)行解析。

本文將研究區(qū)地下水水化學(xué)成分各項(xiàng)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，得出研究區(qū)地下水水化學(xué)成分12項(xiàng)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)矩陣(見表2)，并通過(guò)原始數(shù)據(jù)計(jì)算得出旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣的貢獻(xiàn)率、累計(jì)貢獻(xiàn)率(見表3)，再根據(jù)貢獻(xiàn)率選出4個(gè)主要因子，這四項(xiàng)因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率為77.918%，反映了總樣本77.918%的信息量。

表2 研究區(qū)地下水水化學(xué)成分各項(xiàng)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)矩陣

因子載荷按其對(duì)應(yīng)的載荷值可分為強(qiáng)、中、弱三類，其對(duì)應(yīng)的載荷值分別為>0.750、0.750～0.500、0.500～0.300[18]。研究區(qū)地下水水化學(xué)成分的旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣，見表3。

表3 研究區(qū)地下水水化學(xué)成分的旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣

由表3可以看出：

(2) 因子2以Mg2+為主，貢獻(xiàn)率為15.193%。與地下水中Ca2+來(lái)源相似，地下水中Mg2+主要源于白云巖的溶解。因此，該因子體現(xiàn)了該地區(qū)白云巖地層對(duì)地下水水化學(xué)類型的影響。

4 結(jié)論與建議

(1) 從研究區(qū)地下水水樣的水化學(xué)成分Piper三線圖可知，研究區(qū)地下水的水化學(xué)類型以HCO3-Ca·Mg型水為主，占總水樣點(diǎn)的54%，體現(xiàn)了白云巖對(duì)該地區(qū)地下水水化學(xué)類型的控制。通過(guò)對(duì)研究區(qū)地下水水化學(xué)成分各指標(biāo)變異系數(shù)的分析可知，除pH值外，其余指標(biāo)均具有良好的變異性。

(3) 研究區(qū)西北部為農(nóng)業(yè)區(qū)，油菜、水稻等農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程中施用的農(nóng)藥、化肥，加上工業(yè)廢水的大量排放，使得該地區(qū)地下水水質(zhì)存在較大的安全隱患，相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)予以高度重視。

本文僅以一次觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)地下水水化學(xué)特征及其影響因素進(jìn)行分析，由于地質(zhì)背景及人類活動(dòng)對(duì)地下水水化學(xué)成分的影響存在季節(jié)性差異，因此對(duì)該地區(qū)地下水水化學(xué)特征的季節(jié)性的研究仍需要加強(qiáng)。