河北涉縣東風(fēng)湖泉域地下水化學(xué)特征分析

趙崇欽，張志飛，李曉彤，陳顯玉，孟 洋，康 瑋

1.河北地質(zhì)大學(xué) a.水資源與環(huán)境學(xué)院 b.地球科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050031；2.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河北 邯鄲 056001

巖溶水普遍分布于中國，總面積大概是344×104km2，其中最大的巖溶區(qū)分布于中國西南，北方主要分布在華北地臺(tái)[1]。我國巖溶水總資源量約2 039×108m3/a，而北方巖溶水資源量為108.8×108m3/a大約占5.3%。雖然北方巖溶水占比小，但是多以埋深型為主，主要有集中程度高、水位埋深大、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)三大特征[2-3]。但是隨著時(shí)間推移，受人類、工業(yè)、氣候影響，導(dǎo)致水資源匱乏，水質(zhì)逐步惡化等問題，故對(duì)該泉域進(jìn)行地下水化學(xué)特征分析，找到影響因素十分有意義[4-5]。

多元統(tǒng)計(jì)方法普遍應(yīng)用于研究地下水化學(xué)特征，能夠揭示不同水樣間離子組分相似性，對(duì)于大樣本的變量也可以很好地簡化，找到其中主要變量，顯示之間的關(guān)聯(lián)[6-7]。相比于其他傳統(tǒng)方法，多元統(tǒng)計(jì)有著自己獨(dú)特優(yōu)勢，對(duì)于研究地下水水化學(xué)組分形成規(guī)律，已經(jīng)取得不錯(cuò)的成果。本文將運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)方法對(duì)研究區(qū)泉域水化學(xué)特征及演變規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析。

社交網(wǎng)絡(luò)分析方法是用于研究變量之間親疏關(guān)系的一種分析方法，把每個(gè)節(jié)點(diǎn)視為一個(gè)變量，每個(gè)變量之間的聯(lián)系用線連接起來[8]。社交網(wǎng)絡(luò)分析普遍應(yīng)用于多學(xué)科，但是用于研究地下水化學(xué)特征方面較少，其原理和多元統(tǒng)計(jì)中聚類分析類似，本文將用該方法對(duì)涉縣東風(fēng)湖泉域地下水離子組分相關(guān)性進(jìn)行研究，探究該泉域水化學(xué)場變化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省邯鄲市涉縣東風(fēng)湖泉域坐落于涉縣與黎城縣(山西省長治市東北部)毗鄰地帶，泉域主要分布在涉縣范圍內(nèi)，占地面積644 km2。東風(fēng)湖泉域氣候類型為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降雨量主要集中在6—8月份，年均降雨量約578.7 mm，主要河流為清漳河，貫穿整個(gè)研究區(qū)。

研究區(qū)地勢西北高、東南低，其泉域地貌在河流侵蝕、氣候等因素作用下比較復(fù)雜多樣，山峰連綿且層層堆疊，巖石高聳，懸崖峭壁危峰兀立，河谷盆地多，故有利于修建水庫。該區(qū)內(nèi)斷裂聚集于東部，西北部少見斷裂帶，其中以涉縣大斷裂為主，該斷裂北東走向，傾角為65°～80°，斷層上部是古生界奧陶系灰?guī)r，下部是古生界寒武系黃綠色頁巖，具有張性特點(diǎn)。

區(qū)內(nèi)出露地層由于長期上升剝蝕缺失嚴(yán)重，以古生界、奧陶系(O)為主[9]。寒武系(∈)主要分布在清漳河兩岸，其巖性主要有頁巖、泥灰?guī)r等，總厚度大概為380 m，奧陶系下統(tǒng)(O1)在區(qū)內(nèi)廣泛出露，但奧陶系中統(tǒng)(O2)主要分布于中北部及盆地地區(qū)，其巖性主要有白云巖、灰?guī)r、角礫巖等，其厚度大約為445 m。其補(bǔ)給區(qū)主要分布于西北部，由北向南徑流受涉縣斷裂的阻水在茨村一帶以泉形式排泄。主要含水巖組為碳酸巖類巖溶裂隙含水巖組，由寒武系和奧陶系構(gòu)成，多分布于涉縣向斜和山間盆地之中，富水性較好[10]。

1.2 數(shù)據(jù)收集

2019年6月對(duì)其研究區(qū)野外取樣，從上游補(bǔ)給區(qū)到下游排泄區(qū)沿地下水徑流方向共采集了14個(gè)巖溶水樣，送往河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院進(jìn)行檢測。檢測分析項(xiàng)目有：PH、HCO3-、CO32-、Ca2+、Na+、K+、Mg2+、CL-、SO42-、TDS等等，本次采樣地點(diǎn)圖見圖1。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

1.3 研究方法

聚類分析(HCA)是把樣本或變量根據(jù)其間的相似程度劃分歸類的統(tǒng)計(jì)方法[11]。其中又分為Q型聚類分析和R型聚類分析，一個(gè)針對(duì)樣本，一個(gè)針對(duì)變量，本次將按照平方歐氏距離方法對(duì)涉縣東風(fēng)湖泉域地下水化學(xué)組分采取R型聚類分析[12]。

社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析(SNA)是探究事物之間的相關(guān)系的集合，是許多結(jié)點(diǎn)與點(diǎn)之間的連線所構(gòu)成的集合[13]。這個(gè)結(jié)點(diǎn)沒有具體的表示，可以為人也可以為一個(gè)物體或者是一個(gè)變量，可以通過點(diǎn)之間的連線疏密發(fā)現(xiàn)之間的聯(lián)系[14]。本次通過Ucinet軟件對(duì)研究區(qū)水化學(xué)組分HCO3-、Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-七大離子以及TDS、總硬度、PH根據(jù)之間相關(guān)性進(jìn)行社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析。

因子分析(FA)主要特點(diǎn)就是把繁多復(fù)雜的樣品、變量轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓭讉€(gè)主要因子去表示總樣本所表達(dá)的信息量，且這些選出的主因子之間互不影響[15-18]。按照分析目標(biāo)的不一致，又分Q型與R型，其中Q型為分析樣品之間聯(lián)系，R型是分析變量間的聯(lián)系[19]。本次將采用R型因子分析揭示影響泉域地下水化學(xué)特征的關(guān)鍵因素。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

2.1 地下水化學(xué)特征

從表1可知，研究區(qū)地下水中陽離子以Ca2+為主，其次是Mg2+，陽離子均值含量為：Ca2+>Mg2+>Na+>K+，其中Ca2+和Mg2+均值分別為90.79 mg/L、24.07 mg/L，且兩者的變異系數(shù)都很小，說明Ca2+、Mg2+很穩(wěn)定，在空間分布上變化不大。陰離子以HCO3-為主，其次是SO42-，陰離子均值含量為：HCO3->SO42->CL-，其中HCO3-均值為263.05 mg/L，且變異系數(shù)很小，不容易受外界因素影響。故HCO3-、Ca2+、Mg2+為涉縣東風(fēng)湖泉域地下水主要陰、陽離子。K+、Na+、CL-的變異系數(shù)較大，變異系數(shù)在0.68～1.55之間，說明容易受外部條件影響、極其不穩(wěn)定，在空間分布上變異性大，其含量是判斷地下水是否發(fā)生鹽巖溶濾作用的關(guān)鍵因素。TDS介于290～650 mg/L之間，由北向南遞增，其中研究區(qū)北部補(bǔ)給區(qū)和中部山區(qū)地帶水質(zhì)的TDS值較小，在290～450 mg/L之間，在茨村排泄區(qū)一帶TDS達(dá)到最大，在500～650 mg/L之間。PH值在7.43～7.98之間，表明在研究區(qū)范圍內(nèi)地下水呈弱堿性。

表1 地下水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

圖2 水化學(xué)類型圖

由圖2看出，HCO3-Ca·Mg為東風(fēng)湖泉域主要水化學(xué)類型，巖溶地下水化學(xué)成分的形成作用主要是巖溶作用。工作區(qū)巖溶水含水介質(zhì)為海相碳酸鹽巖沉積地層，主要礦物成分為方解石、白云石、石膏等，因此巖溶裂隙地下水中主要化學(xué)成分為：HCO3-、Ca2+、Mg2+。故根據(jù)研究區(qū)補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)和排泄區(qū)地下水化學(xué)分布特征，以及在垂向上不同含水層組地下水化學(xué)的特征，地下水化學(xué)特征主要受補(bǔ)給條件較好、徑流途徑短、長期溶濾作用所決定，地下水的礦化度和水化學(xué)類型差別都不大，礦化度在290～650 mg/L之間，水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg型或HCO3-Ca型。

2.2 聚類分析

用SPSS 22.0軟件對(duì)研究區(qū)水化學(xué)組分HCO3-、Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-七大離子以及TDS、總硬度、PH進(jìn)行R型聚類分析。依照?qǐng)D3，橫坐標(biāo)為組間距離0～25，縱坐標(biāo)為水化學(xué)組指標(biāo)變量，當(dāng)距離為15時(shí)可分為兩大類。

第I類：由Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-以及TDS、總硬度組成，按照距離5又可以分為兩個(gè)小類i和ii，第i類是Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-以及TDS，說明這幾個(gè)指標(biāo)相關(guān)性好，其中Na++K+和CL-在距離小于5時(shí)又合為一類，表示Na++K+和CL-主要來自巖鹽的溶濾，可能還有部分陽離子交換而來的，而Mg2+和SO42-主要是來自白云巖、石膏等含Mg2+和SO42-礦物的溶解，同時(shí)這些指標(biāo)也影響著該區(qū)域TDS變化，故這些指標(biāo)分在i小類中。第ii類是Ca2+和總硬度，說明Ca2+與總硬度關(guān)系密切，總硬度以(CaCO3)分級(jí)，<150 mL為軟水、150～300 mL為微硬水、300～450 mL為硬水、>450 mL為極硬水。

第II類：當(dāng)距離為10以上，由HCO3-、PH組成第II類，相關(guān)性較好，這兩者主要是參與地下水中酸堿演化，受大氣降水影響較大，故HCO3-、PH與別的離子指標(biāo)分為兩大類。

圖3 水化學(xué)組分聚類分析樹形圖

2.3 社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析

本次通過Ucinet軟件對(duì)研究區(qū)地下水水化學(xué)組分HCO3-、Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-以及TDS、總硬度、PH進(jìn)行社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析，首先構(gòu)造一個(gè)n*n矩陣：

根據(jù)地下水化學(xué)組分之間相關(guān)性進(jìn)行二值化處理，把相關(guān)性緊密的化學(xué)組分賦值為1，其余賦值為0。把二值化處理后的矩陣通過Netdraw生成可視化社交網(wǎng)絡(luò)圖譜，見圖4。

圖4 地下水化學(xué)組分網(wǎng)絡(luò)分析圖譜

從圖4可知，社交網(wǎng)絡(luò)圖譜把地下水化學(xué)組分分為兩大類，一類以Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-以及TDS、總硬度為主，結(jié)點(diǎn)之間的連線表示兩個(gè)元素之間的關(guān)聯(lián)，Ca2+與SO42-、總硬度、TDS之間的連線，表明Ca2+與這三種元素有關(guān)聯(lián)，Ca2+與SO42-大部分都是來自于含硫酸鹽礦物，如石膏(CaSO4·2H2O)溶解，同時(shí)總硬度分級(jí)又取決于Ca2+、Mg2+含量，TDS與其他幾類水化學(xué)組分都存在連接線，并且為中心結(jié)點(diǎn)，表明TDS值受這些離子含量影響，所包含的離子種類含量越大，TDS值也就越大。另一類則是PH、HCO3-，說明這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間相關(guān)性好，總體與上述聚類分析樹形圖分類一致，證明了聚類分析的準(zhǔn)確性。

2.4 因子分析

本次運(yùn)用SPSS 22.0對(duì)研究區(qū)水樣點(diǎn)進(jìn)行R型因子分析，根據(jù)KMO(kaiser - meyer - olkin)值0.806和Bartlett’s Test of Sphericity球形檢驗(yàn)值0.00，表明適用于因子分析。得出地下水化學(xué)組分相關(guān)矩陣(表2)，選取兩個(gè)主因子，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為88.86%，代表了總體變量的88.86%(表3)。為了更進(jìn)一步解釋主因子對(duì)地下水化學(xué)成分的影響，使其影響因子高的更高，低的更低，按照最大方差法旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)成分矩陣(表4)。

從因子分析建立數(shù)學(xué)模型可知，主因子F1由K+、Na+、Mg2+、CL-、HCO3-、TDS這些指標(biāo)組成，該方差貢獻(xiàn)率是51.129%，其中K+、Na+、Mg2+、CL-與F1體現(xiàn)正相關(guān)，且因子載荷在0.69～0.92之間，表明地下水在徑流途中主要發(fā)生了鹽巖溶濾作用，溶解含水層中NaCl巖鹽、碳酸鹽等礦物，并且隨著地下水中Ca2+、Mg2+含量增加，發(fā)生陽離子交換，Ca2+、Mg2+置換出巖鹽礦物中的Na+，導(dǎo)致水中Na+、CL-富集，TDS值增大。F1和HCO3-表現(xiàn)負(fù)相關(guān)，表明酸堿演化、碳酸演化影響該區(qū)域地下化學(xué)特征，隨著大氣降水使其CO2和重碳酸根水解出H+含量減少，地下水緩慢呈現(xiàn)弱堿性。

主因子F2以Ca2+、SO42-、PH這些指標(biāo)組成，方差貢獻(xiàn)率是37.731%，其中Ca2+、SO42-、TDS與F2體現(xiàn)正相關(guān)，且因子載荷在0.78～0.96之間，表明了地下水主要發(fā)生了硫酸鹽礦物的溶解作用，在涉縣、河南店鎮(zhèn)一帶徑流區(qū)水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca，到了排泄地帶茨村轉(zhuǎn)變HCO3SO4-CaMg，主要由于徑流區(qū)水動(dòng)力強(qiáng)而到排泄區(qū)地勢平緩水流滯緩，硫酸鹽礦物如石膏(CaSO4·2H2O)水解后，在下游地帶推積。F2則和PH表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，體現(xiàn)了補(bǔ)給區(qū)酸堿演化，大氣降水入滲補(bǔ)給后，稀釋地下水中CO2，使其該研究區(qū)水樣PH值在7～8之間，為弱堿性。

表2 地下水化學(xué)組分相關(guān)系數(shù)矩陣

表3 相關(guān)矩陣特征值和累積方差貢獻(xiàn)率

表4 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

3 結(jié)論

(1)研究區(qū)水化學(xué)類型以HCO3型水為主，其含水介質(zhì)主要為海相碳酸鹽巖沉積地層，經(jīng)過溶濾作用使地下水中陽離子以Ca2+、Mg2+為主，且HCO3-、Ca2+、Mg2+變異系數(shù)很小，不容易受外界因素影響，水化學(xué)類型在空間分布規(guī)律上變化不大。

(2)通過聚類分析和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析找到地下水離子組分之間的相關(guān)性，泉域地下水離子組分為兩類，第I類主要表明了鹽巖溶濾與陽離子交換作用：由Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-以及TDS、總硬度組成，第II類主要是地下水中酸堿演化作用：由HCO3-、PH組成。

(3)通過R型因子分析，揭示了影響研究區(qū)水化學(xué)特征的主要因素。其水化學(xué)特征一方面以K+、Na+、Mg2+、CL-、HCO3-、TDS為主的鹽巖溶濾、陽離子交換以及酸堿演化作用所控制；另一方面以Ca2+、SO42-、PH為主硫酸鹽礦物溶解作用所影響。