样品采集与测试
2011年10月3日至11月27日在研究区进行了野外取样,共采取162组浅层地下水水样,取样位置见图1。对全部水样进行现场测试水温、pH和电导率,并在中国建筑材料工业地质勘查中心陕西测试研究所进行水质全分析。其中:Na+、K+采用火焰原子吸收分光光度法测试;Ca2+、Mg2+采用EDTA滴定法测试;SO42-、Cl-采用离子色谱法测定;HCO3-、CO32-采用酸碱滴定法测定。
研究方法与结果分析
面对大量的水化学分析数据,数理统计方法相对其他方法具有更为快捷地认识地下水水化学成分特征及演化规律的优势。因此本文选择数理统计方法中的描述性分析、相关性分析、主成分分析,利用SPSS软件,对地下水中的常量离子进行统计分析。
1.描述性分析
对研究区162件水样的水化学成分进行统计特征值分析(表1)。分析结果表明,(1)渭河以南阳离子以Ca2+为主,平均值由大到小排序为Ca2+>Na+>Mg2+,渭河以北阳离子以Na+为主,平均值由大到小排序为Na+>Mg2+>Ca2+,整个研究区内阴离子都是以HCO3-为主,平均值由大到小的排序为HCO3->SO42->Cl-;(2)渭河以北水化学参数的变异系数都较渭河以南大,表明渭河以北地下水的水化学性质在空间上变异性大。受地形地貌、含水层介质和人类活动等因素的影响较大,渭河以南地下水则受影响较少;(3)渭河以北和渭河以南地下水中的TDS平均值分别为1292.81mg/L和658.45mg/L,渭河以北是渭河以南的1.96倍,渭河以北TDS绝对含量较高;(4)地下水中HCO3-、Ca2+、Mg2+的变异系数相对较小,说明它们在地下水中的含量相对比较稳定。(5)地下水中Cl-、SO42-的变异系数比较大,说明它们在地下水中含量变化较大,是随着气候和人类活动变化的敏感性因子,是决定地下水盐化的主要变量。
2.相关性分析
相关分析是研究随机变量之间相关关系的一种统计方法,用于判断变量之间是否存在依存关系,并探讨具有依存关系变量的相关方向以及相关程度,揭示各个变量相似相异度及来源的一致性、差异性。当相关系数r>0时,呈正相关;r<0时,呈负相关;当|r|=1时,称为完全相关;当0.7<|r|<1时,称为高度线性相关或强线性相关;当0.4<|r|<0.7时,称为显著线性相关;0<|r|<0.4时,称为低度线性相关;当r=0时,完全不相关。各个变量相关性显著,说明具有相似的形成机制或相同的来源方式[13]。本文利用SPSS统计软件,计算关中盆地浅层地下水的Person相关系数,相关系数均通过显著性双尾检验,结果见表2。从表2可以看出,渭河以南地区Mg2+和HCO3-有很好的相关性,Na+、Ca2+和Cl-、SO42-,Mg2+和Cl-有显著的相关性;渭河以北地区Na+、Mg2+和Cl-、SO42-具有很好的相关性,Ca2+和HCO3-呈负相关关系。整个研究区地下水中总溶解性固体TDS与Mg2+、Cl-、SO42-之间相关性较高,而在渭河以南TDS与Ca2+,渭河以北TDS与Na+高度线性相关。表明在渭河以南地区主要以风化-溶滤的物理化学作用为主,渭河以北地区主要是以蒸发浓缩作用为主。
3.主成分分析
主成分分析是将大量的彼此之间可能存在相关关系的变量,转换成比较少的彼此之间不相关的综合指标的多元统计方法[10]。基本原理为利用降维的思想,将多个变量转化为少数几个综合变量(主成分),其中每个主成分都是原始变量的线性组合,各主成分之间互不相关,从而这些主成分能够反映变量的绝大部分信息,且所含的信息互不重叠[10]。应用到水化学成分特征及形成机理的研究时,可在原始大量水化学数据的基础上,将多个变量综合转变为少数几个因子,然后再对这几个因子变量进行解释,赋予它们真正的水文地质意义。本文通过对研究区162个水化学样本进行主成分分析,根据因子贡献率的百分比确定主因子个数(表3)。以便可以从本质上抓住影响地下水水化学成分形成特征及机理的主要作用与因素。本文利用统计软件SPSS计算关中盆地浅层地下水的因子贡献率、旋转后的因子载荷值,分析结果见表3-表5。在进行主成分分析的过程中,根据特征值累积方差贡献率,在渭河以南和以北地区选取的主因子个数为3和2,累积方差贡献率分别为86.338%和88.482%。由表3-表5可知,渭河以南第一主因子F1的方差贡献率为55.258%,主要是由Ca2+、Cl-、SO42-和Mg2+组成,反映了溶滤作用和镁盐溶解对地下水化学成分的影响。第二主因子F2的方差贡献率为17.261%,主要是由HCO3-和Mg2+组成,反映了碳酸盐和硅酸盐溶解对地下水成分的影响。第三主因子F3的方差贡献率为13.819%,主要是由Na+和SO42-组成,反映了蒸发盐溶滤作用对地下水化学成分的影响。渭河以北第一主因子F1的方差贡献率为69.479%,主要是由Ca2+、SO42-、Cl-、HCO3-组成,反映了碳酸盐、硅酸盐和蒸发盐溶解作用对地下水化学成分的影响。第二主因子F2的方差贡献率为19.003%,主要是Na+和Cl-组成,反映了蒸发浓缩作用对地下水化学成分的影响。
4.地下水化学特征的水文地球化学机理
由描述性分析可知,地下水中的Cl-、SO42-的含量受环境影响比较大,以蒸发浓缩作用影响为主,同时工农业生产、生活污水的排放也会引起Cl-、SO42-浓度升高;在渭河以北地区,地下水化学类型除受蒸发浓缩和人类活动影响外,渭北煤田水的补给,也会造成地下水中硫酸盐浓度的增加[14]。由相关性分析、主成分分析可知,渭河以南地区水文地球化学形成作用主要是以矿物溶解为主,渭河以北地区主要是以矿物溶解和蒸发作用为主。在渭河以南靠近秦岭山区,地下水还接受南部山区孔隙水的补给,加上本区含水层以砾岩为主,其中大量的方解石、白云石和硅酸盐等矿物的风化或水解使水中Ca2+含量不断累积增加。渭河以北山前洪积扇前缘及塬区,含水层以砂岩为主,黏土含量比较高,有利于地下水中Ca2+与黏土中的Na+发生阳离子交换,致使水中的Na+富集。地下水在入渗、径流过程中,从补给区至排泄区,水文地球化学作用主要是以溶滤为主,与含水层中的碳酸盐、硅酸盐和硫酸盐等相互作用,发生溶解[15]。
结论
(1)关中盆地浅层地下水中阴离子是以HCO3-为主,阳离子渭河以南以Ca2+为主,渭河以北以Na+为主。HCO3-、Ca2+、Mg2+在地下水中的含量相对比较稳定。(2)因浅层地下水埋深较浅,水循环路径比较短,水化学特性受环境因素影响较高。其中,Cl-、SO42-含量变化较大,是随环境因素变化的敏感性因子,是决定地下水盐化的主要变量。(3)渭河以南地区水文地球化学作用主要以风化-溶滤作用为主,渭河以北地区主要是以矿物溶解和蒸发浓缩作用为主。（本文图、表略）#p#分页标题#e#
本文作者：孙一博 王文科 段磊 张春潮 李慧 张倩 单位：长安大学 环境科学与工程学院