基于圖表及統(tǒng)計(jì)方法的水化學(xué)綜合分析

楊在文，李 曉，付 梅，王美芳

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

紅層是以陸相沉積為主的碎屑沉積巖層，巖性以砂、泥巖為主，其形成條件的獨(dú)特性，具有特殊的工程性質(zhì)。研究紅層工程區(qū)的水化學(xué)特征，可以加深對(duì)該區(qū)水文地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)，有助于擬建工程項(xiàng)目的實(shí)施。在水化學(xué)分析方法中，應(yīng)用有效的圖表及多元統(tǒng)計(jì)方法對(duì)具有相同特征的水化學(xué)分析樣進(jìn)行分類(lèi)，這是描述水化學(xué)特征的非常重要的方法［1］。本文結(jié)合某紅層研究區(qū)自然地理特征、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，應(yīng)用圖表及聚類(lèi)分析方法，綜合分析該區(qū)的水化學(xué)特征，對(duì)相似工程地區(qū)的水化學(xué)特征分析具有借鑒意義。

1 研究區(qū)自然地理概況

研究區(qū)位于四川省樂(lè)山市境內(nèi)，屬中亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年平均降水量為1 317.3 mm，降雨多集中在6～9月，年平均蒸發(fā)量 920.7 mm，多年平均氣溫 14.1℃ ～17.1℃。該區(qū)位于青衣江支流安順河左岸的一級(jí)階地上，安順河支流蓮花溝在階地東南面接入主流。研究區(qū)受北東向構(gòu)造體系控制，附近地形以構(gòu)造剝蝕地形為主。區(qū)內(nèi)以安順河為界，左岸地勢(shì)向河流逐漸降低，由中低山過(guò)渡到一級(jí)階地;右岸為中山地貌，巖壁較為陡峭。

2 研究區(qū)地質(zhì)條件

研究區(qū)出露地層包括第四系(Q4)及白堊系的夾關(guān)組(K2j)、灌口組(K2g)地層(圖1)。第四系以坡殘積層粉質(zhì)粘土為主，夾細(xì)砂和碎石，頂部有少量沖積物漂石、卵石，分布于安順河左岸緩坡，由南向北逐漸變厚。灌口組(K2g)主要為泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖互層，見(jiàn)少量溶蝕孔洞。夾關(guān)組(K2j)地層主要為鈣質(zhì)巨厚層狀細(xì)砂巖，夾粉砂巖。區(qū)內(nèi)為一向斜構(gòu)造，由西南向東北斜穿研究區(qū);該向斜褶曲寬闊，兩翼產(chǎn)狀大體對(duì)稱(chēng)，傾角均在5°～15°之間。

3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育松散巖類(lèi)孔隙水、淺層風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水及層間裂隙水。其中松散巖類(lèi)孔隙水主要發(fā)育于安順河級(jí)階地及坡腳處，淺層風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水在區(qū)內(nèi)廣布，層間裂隙水主要發(fā)育在構(gòu)造有利部位。安順河左岸地區(qū)在西南方向地勢(shì)較高處接受大氣降雨補(bǔ)給，形成淺層風(fēng)化裂隙水，另有部分下滲形成層間裂隙水，兩者皆向南岸河階地或安順河直接排泄;階地發(fā)育松散巖類(lèi)孔隙水一方面接受大氣降雨補(bǔ)給，同時(shí)接受裂隙水補(bǔ)給，其后向安順河排泄。河流右岸區(qū)域由于地形陡峭，接受大氣降雨補(bǔ)給后，多以面流方式向安順河直接排泄，部分形成網(wǎng)狀風(fēng)化裂隙水，隱伏向南岸河排泄。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖

4 水化學(xué)特征分析

4.1 水化學(xué)采樣及分析結(jié)果

本次在研究區(qū)共采樣12件，其中包括地表水樣3件、泉水樣1件及鉆孔水樣8件;采樣位置如圖2所示。所有水樣都進(jìn)行水化學(xué)簡(jiǎn)分析，相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 研究區(qū)水化學(xué)采樣位置圖

從水化學(xué)分析結(jié)果(表1)可知:區(qū)域地下水與地表水化學(xué)特征具有相似性。水化學(xué)pH值在7.58～8.32之間，屬弱堿性;礦化度在229～524 mg/L，為中低濃度淡水;水化學(xué)類(lèi)型為HCO3－Ca(Mg)型。水化學(xué)樣品各指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)表2。

表1 水化學(xué)簡(jiǎn)分析結(jié)果

從離子相關(guān)性表中可以看出:各指標(biāo)之間相關(guān)性較好的有 K+—SO42－、Ca2+—HCO3－—TDS兩組。前者相關(guān)性較好，有兩種可能:一是地層中含鉀礦物影響，二是受到農(nóng)業(yè)鉀肥的污染;后三者相近是由于紅層地區(qū)砂巖含石膏等碳酸鹽礦物且多為鈣質(zhì)膠結(jié);Ca2+及HCO3－為主要水化學(xué)離子。

4.2 水化學(xué)分類(lèi)分析

對(duì)不同的水化學(xué)點(diǎn)的水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類(lèi)，有助于深刻了解研究區(qū)的水化學(xué)特征。常用的方法包括圖表法及多元統(tǒng)計(jì)分析。圖表方法包括Piper三線圖、Durov圖、Collins條形圖及Schoeller圖等，統(tǒng)計(jì)分析方法包括分層聚類(lèi)、模糊綜合聚類(lèi)及主成分分析等。這里選用水化學(xué) Durov圖［2］及分層聚類(lèi)分析法［3，5］對(duì)研究區(qū)水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi);選用的指標(biāo)包括主要陰陽(yáng)離子。

Durov使用軟件 Aquachem3.7生成，結(jié)果如圖 3所示。分層聚類(lèi)分析使用 SPSS15.0分析軟件進(jìn)行，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)首先選取Z－Scores法進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化［4］，使得變量的影響權(quán)重相同;利用 Euclidean Distance定義各樣本間的距離，采用Ward’s方法對(duì)樣本進(jìn)行逐一歸類(lèi)［5］。結(jié)果以樹(shù)形譜系圖的形式表示，如圖4。

表2 水化學(xué)指標(biāo)相關(guān)矩陣

圖3 研究區(qū)水化學(xué)Durov圖

圖4 研究區(qū)水化學(xué)聚類(lèi)分析樹(shù)狀圖

從圖3中，可以看出所有水化學(xué)樣品陽(yáng)離子均以Ca2+為主，陰離子以 HCO3－為主，兩個(gè)地表水樣的硫酸根離子含量較高。從圖4中可知以距離18為界，水化學(xué)樣可以分為兩個(gè)大組，其中S03與ZK7為Ⅱ組，位置處于安順河右岸;其余樣品為Ⅰ組。第Ⅰ組水樣主要位于安順河左岸;除 Q02與ZK6極其相近外，其余相互距離都較遠(yuǎn);第Ⅰ組水樣可以進(jìn)一步分為四個(gè)小組，如圖4所示。

將圖3與圖4相對(duì)比，可以看出圖表方法可以提供可視的、容易理解的水樣化學(xué)組成信息;然而當(dāng)其被單獨(dú)使用時(shí)會(huì)受到嚴(yán)重的限制。在水化學(xué)特征相近的地區(qū)，聚類(lèi)分析結(jié)果比圖表分析結(jié)果可讀性更強(qiáng)。

基于上述分析結(jié)果，能夠看出:安順河河水與其他水樣水化學(xué)特征有一定差別，這與上游環(huán)境對(duì)河流水化學(xué)特征影響有關(guān);S03與ZK7受地形因素影響，徑流途徑較短，礦化度低，同時(shí)受地層因素影響，使兩者與安順河左岸水化學(xué)特征相差較大。水化學(xué)聚類(lèi)分析結(jié)果表明安順河左岸各鉆孔之間水化學(xué)特征有一定相關(guān)性;同時(shí)由于第四系地層成分具有復(fù)雜性，使各鉆孔水化學(xué)特征產(chǎn)生差別;泉水 Q02與 ZK6皆位于夾關(guān)組砂巖地層，巖性單一、徑流途徑短，使兩者水化學(xué)特征極其相近。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)研究區(qū)受到自然地理及地質(zhì)條件的控制，水化學(xué)特征具有共性，地表及地下水均為弱堿性淡水，水化學(xué)類(lèi)型為HCO3－Ca(Mg)型，Ca2+及 HCO3－為主要水化學(xué)離子。(2)在水化學(xué)特征較為相似的地區(qū)，聚類(lèi)分析結(jié)果比圖表分析結(jié)果具有更強(qiáng)的可讀性。

(3)安順河受到上游的影響，水化學(xué)特征與地下水相比有較大不同;安順河右岸水化學(xué)特征受地形控制，明顯區(qū)別于左岸;由于第四系成分的復(fù)雜性，左岸水化學(xué)特征相互之間也存在一定差別。

［1］C Güler，GD Thyne，JE McCray，KA Turner. Evaluation of graphical and multivariate statistical methods for classification of water chemistry data.Hydrogeology Journal(2002)10:455–474.

［2］孫亞喬，錢(qián)會(huì)等.基于矩形圖的天然水化學(xué)分類(lèi)和水化學(xué)規(guī)律研究［J］.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào).2007，29(1):75－76.

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