关中盆地浅层地下水水化学分布特征研究.pdf

第 11 卷 第 3 期 2013年 6月 南水北调与 水利科技 South 2to2North Water Transfers and Water Science 国家自然科学基金资助项目 41102150 作者简介 孙一博 19832 , 女, 河南商丘人, 博士研究生, 主要从事水资源方面的研究。E 2mail sunyb67 163. com 通讯作者 王文科 19632 , 男, 陕西岐山人, 教授, 博士, 主要从事水资源方面的研究。E 2mail 7649335381 qq. com doi10.3724/ SP.J.1201. 2013.03142 关中盆地浅层地下水水文地球化学分布规律研究 孙一博, 王文科, 段 磊, 张春潮, 李 慧, 张 倩 长安大学 环境科学与工程学院, 西安 710054 摘要 收集了关中盆地 162 个浅层地下水水化学分析数据, 采用描述性分析、 相关性分析和主成分分析等数理统计 方法, 对水化学成分的分布特征与形成作用进行研究。结果表明 研究区浅层地下水中阴离子以 HCO3-为主, 渭河 以南地下水中阳离子以 Ca2为主, 渭河以北以 Na为主, 在地下水中, HCO3 - 、 Ca2、 Mg2含量比较稳定, Cl-、 SO42-含量变化较大, 属于随环境变化的敏感因子。渭河南北地区地下水水化学场的形成作用有所差异, 南部地区 以风化- 溶滤作用为主, 北部地区以矿物溶解和蒸发浓缩作用为主。该成果可为区域水资源的可持续利用及环境 管理提供科学依据。 关键词 关中盆地; 浅层地下水; 水文地球化学; 数理统计分析; 分布规律 中图分类号 P641. 3 文献标识码 A 文章编号 167221683 201303 20142205 Hydrochemical Distribution Characteristics of Shallow Groundwater in Guanzhong Basin SUN Yi 2bo, WANG Wen2ke, DUAN Lei, ZHANG Chun2chao, LI Hui, ZHANG Qian School of Environmental Science and Engineering, Changcan University , Xican 710054, China Abstract The descriptive analysis, correlationanalysis, and principal component analysis were used to investigate the distribution charac 2 teristics and ation function of groundwater chemical components in the Guanzhong Basin based on 162 groundwater samples. The results showed that the dominant cation is HCO3-of the shallow groundwater in the study area, and the dominant anion is Ca2in the south of WeiRiver, and Nainthe north of WeiRiver. The concentrations of HCO3-, Ca2, and Mg2were stable while the concentra 2 tions of Cl-and SO42-varied significantly and were sensitive to the environmental factors. The ation functions of hydrochemical field were different between the north and south of Wei River with the weathering and leaching functions in the south of WeiRiver and the mineral dissolution and evaporation concentration functions in the north of Wei River. The results in this study can provide scientific references for the sustainable utilization of water resources and environmental management in this area. Key wordsGuanzhong Basin; shallow groungwater; hydrogeochemistry; mathematical statistics ; distribution laws 地下水化学成分的时空分布、 演变规律、 形成作用和控 制因素的研究, 是水文地球化学的基本研究任务[1]。通常采 用的研究方法有野外调查取样分析、 数理统计、 水文地球化 学模拟等三大类[2210]。而对于大量数据的区域性规律总结, 数理统计方法具有独特的优势。本文针对关中盆地区域, 遵 循突出重点区域原则, 采取水样 162 个, 运用描述性分析、 相 关性分析、 主成分分析等数理统计方法, 对浅层地下水水化 学成分特征及其形成作用进行了研究。 1 研究区概况 关中盆地位于陕西省中部, 西起宝鸡, 东至潼关, 南依秦 岭, 北靠北山, 是一个三面环山、 东西敞开的盆地。盆地东西 长约 360 km, 南北宽窄不等, 面积约 1. 9 104km2。地形自 山区向盆地中心呈阶梯状降落, 西部海拔 700 800 m, 东部 最低为 325 m。降水量由南向北递减, 年降雨量 530 1 000 mm, 蒸发量 1 000 1 200 mm。 关中盆地为新生代断陷盆地, 南侧以秦岭褶皱带为界, 北侧以北山为界, 东端受黄河排泄, 使地下水与汾河流域切 断联系, 成为一个独立的水文地质单元[11]。盆地内潜水主 要受控于 3 个含水岩组 冲积砂、 砂砾卵石层孔隙含水岩组; 洪积砂、 砂卵石、 亚黏土孔隙含水岩组; 风积黄土孔隙裂隙含 水岩组。由于地下水赋存、 补给、 径流、 排泄条件的差异, 关 142 水文地质与工程地质 中盆地可划分为三个天然的水文地质分区 渭河以南山前洪 积扇与黄土台塬水文地质区、 渭河冲积平原水文地质区和渭 河以北山前洪积扇与黄土台塬水文地质区[ 11212]。 2 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。 3 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 图 1 关中盆地地下水取样位置分布 Fig. 1 Distribution of groundwater samples in the Guanzhong Basin 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。 3. 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。 表 1 关中盆地地下水水化学成分统计特征值 T able 1 T he statistical characteristic values of hydrochemical components of the shallow groundwater in the Guanzhong Basin 项目 渭河以南 特征值/ mg L21 最小值最大值平均值标准差 变异系数 渭河以北 特征值/ mg L21 最小值最大值平均值标准差 变异系数 Na11. 69246. 7871. 8964. 240. 89415. 72 194. 99291. 89397. 231.361 Ca222. 4352. 35115. 571. 170. 6165. 46385. 3770. 0551. 40.734 Mg22. 29108. 3637. 2522. 690. 60913. 45533. 6678. 5778. 050.993 Cl-9. 28502. 3472. 4884. 891. 1717. 842 965. 35237. 06405. 491. 71 SO42-4. 761 040132. 24162. 891. 2323. 423 631347. 78553. 611.592 HCO3-171. 67841. 95431. 57136. 280. 316202. 321 140. 36548. 83197. 920.361 T DS2081 784658. 45351. 080. 5332789 6521 292. 811 411. 121.092 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- SO4 2- 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。由于渭河以南地区地形坡度大, 水循环 条件好, 水交替积极, 故水化学成分比较稳定, 而渭河以北地 区, 地势相对比较低平, 地下水径流缓慢, 水循环条件差, 水 化学成分比较复杂。因此, 渭河以北受地形地貌、 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 T DS 平均值分别 为 1 292. 81 mg/ L和 658. 45 mg/ L, 渭河以北是渭河以南的 1196 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。 3. 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 M g2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-、 SO4 2- 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. 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 143 孙一博等 关中盆地浅层地下水水文地球化学分布规律研究 水文地质与工程地质 表 2 关中盆地地下水水化学成分相关系数矩阵 T able 2 The correlation coefficient matrix of hydrochemical components of the shallow groundwater in the Guanzhong Basin 项目 渭河以南渭河以北 NaCa2Mg2Cl-SO42-HCO3-T DSNaCa2Mg2Cl-SO42-HCO3-TDS Na11 Ca20. 17510. 1211 Mg20. 3820. 52910. 8220. 3941 Cl20. 5020. 6950. 57310. 9350. 370. 9241 SO4220. 5420. 650. 4460. 36110. 9610. 3090. 8680. 9551 HCO320. 4710. 2990. 740. 3280. 19810. 58620. 1030. 5510. 4440. 4821 T DS0. 6740. 8130. 7350. 750. 8230. 55910. 9750. 3030. 9080. 9790. 9860. 5551 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。 表 3 关中盆地渭河以南地下水水化学成分的因子贡献率 T able 3 The factor contributions of hydrochemical components of the groundwater in the south of Wei River in the Guanzhong Basin 成份 初始特征值提取平方和载入旋转平方和载入 合计方差 累计 合计方差 累计 合计方差 累计 13. 31555. 25855. 2583. 31555. 25855. 2582. 24637. 43137. 431 21. 03617. 26172. 5191. 03617. 26172. 5192. 10535. 08872. 519 30. 82913. 81986. 3380. 82913. 81986. 3381. 37322. 87886. 338 40. 5859. 75196. 09 50. 2253. 75699. 846 60. 0090. 154100 表 4 关中盆地渭河以北地下水水化学成分的因子贡献率 T able 4 T he factor contributions of hydrochemical components of the groundwater in the north of Wei River in the Guanzhong Basin 成份 初始特征值提取平方和载入旋转平方和载入 合计方差 累计 合计方差 累计 合计方差 累计 14. 16969. 47969. 4794. 16969. 47969. 4794. 09968. 31368. 313 21. 1419. 00388. 4821.1419. 00388. 4821. 2120. 16988. 482 30. 518. 49496. 976 40. 1462. 43299. 408 50. 0320. 52799. 935 60. 0040. 065100 表 5 关中盆地地下水化学成分旋转后的因子载荷矩阵 Table 5 T he factor loading matrix of hydrochemical components after rotation of the shallow groundwater in the Guanzhong Basin 分析指标 渭河以南渭河以北 F1F2F3F1F2 Ca20. 9560. 1690. 0520. 967- 0. 029 SO42-0. 635- 0. 0320. 6480. 9510. 179 Cl-0. 7070. 3550. 2310. 9450. 256 HCO3-0. 0710. 9320. 2010. 920. 23 Mg20. 4690. 7910. 1410. 692- 0. 473 Na 0. 080. 330. 9140. 2050. 914 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 SO4 2- 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、 SO4 2- 、 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 144 第 11 卷 总第 66 期 南水北调与水利科技 2013年第 3期 水文地质与工程地质 映了蒸发浓缩作用对地下水化学成分的影响。 3. 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-、 SO4 2- 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-、 SO4 2- 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]。 其主要作用机理可以用如下化学反应来解释。 1 水解。 CaCO3 CO2 H2Oy Ca22HCO3 - 1 CaMg CO322CO22H2O y Ca2Mg2 4HCO3-2 CaSO4 2H2O y Ca2 SO42- 2H2O3 2NaAlSi3O8 钠长石 2H2CO3 9H2O y Al2Si2O5OH 4 高岭土 2HCO3- 2Na 4H2SiO42- 4 2KAlSi3O8 钾长石 11H2O y Al2Si2O5 OH4 高岭 土 2K 2OH- 4H4SiO45 4KMg3AlSi3O10 OH2 黑云母 28CO2 30H2O y 2Al2 Si2O5 OH4高岭土 8H4SiO4 4K 12Mg2 28HCO3-6 2 阳离子交换。 Ca2 水2Na岩石 y Ca2岩石 2Na 水 7 Mg2 水2Na岩石 y Mg2岩石 2Na 水 8 4 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。 参考文献References [ 1] 钱会, 马致远. 水文地球化学[ M] . 北京 地质出版社, 2005 1 2 2. 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