人民勝利渠灌區(qū)地下水水化學(xué)特征研究

韓宇平 張冬青 劉中培

摘要：基于人民勝利渠灌區(qū)豐、枯水期各22組水樣，運(yùn)用Q型聚類分析及主成分分析方法，研究了灌區(qū)地下水水化學(xué)時(shí)空分布特征及影響因素。結(jié)果表明：研究區(qū)豐、枯水期地下水空間分帶性明顯，可劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)區(qū)域，Ⅰ區(qū)主要分布于古黃河灘地及其以東地區(qū)，Ⅱ區(qū)主要分布于古黃河背河洼地及其以西地區(qū)；Ⅰ區(qū)陰離子以HC03為主，水化學(xué)組分空間分布差異相對較小，水化學(xué)特征主要受地質(zhì)條件影響：Ⅱ區(qū)陰離子以s02-4為主，水化學(xué)組分空間分布差異相對較大，水化學(xué)特征除受地質(zhì)條件影響外，受水環(huán)境酸堿狀況及人為污染影響較大。

關(guān)鍵詞：地下水水化學(xué)特征；聚類分析；主成分分析；空間變異；人民勝利渠灌區(qū)

中圖分類號：P641.3；P641.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.020

人民勝利渠灌區(qū)是新中國成立后在黃河下游興建的第一個(gè)大型引黃灌溉工程。近年來，隨著小浪底水庫的建成運(yùn)用，人民勝利渠灌區(qū)引水口受閘底高程限制引水困難，而灌區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展及城市化水平提高對水資源量有著越來越大的需求¨，因此地下水開采量逐漸增大，成為灌區(qū)主要水源之一。灌區(qū)地下水水化學(xué)特征及其影響因素研究，不僅有助于了解地下水水文地球化學(xué)的演化過程，而且可以為合理開發(fā)利用地下水資源以及防治地下水污染提供科學(xué)依據(jù)。

Q型聚類作為地下水水化學(xué)特征分析的一種分類方法，以其良好的分類效果被廣泛應(yīng)用于水文地球化學(xué)研究中。CollinsK工等通過該方法劃分了普拉河下游盆地地區(qū)地下水的徑流補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)；Mo-hamedEA等在干旱地區(qū)運(yùn)用該方法對影響地下水水質(zhì)的因素進(jìn)行了分類和檢驗(yàn)：王廣才等通過該方法判別礦井突水水源，建立了突水水源判別模型：盧穎等通過聚類空間分布圖劃分了水化學(xué)類型區(qū)，分析了盆地地下水補(bǔ)排區(qū)水化學(xué)類型的差異：王珺瑜等通過該方法分析了濟(jì)南泉域巖溶區(qū)地下水補(bǔ)排區(qū)的水化學(xué)分布特征及影響因素。已有研究為區(qū)域地下水水化學(xué)特征分析打下了良好的基礎(chǔ)，不過關(guān)于空間分類后不同區(qū)域豐、枯水期地下水水化學(xué)演變規(guī)律的研究相對較少。筆者以人民勝利渠灌區(qū)為研究對象，綜合運(yùn)用Q型聚類分析及主成分分析方法，對人民勝利渠灌區(qū)地下水水化學(xué)特征、分布狀況進(jìn)行研究，并對Q型聚類后不同類型區(qū)豐、枯季地下水水化學(xué)演變特征和影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析，以期為灌區(qū)地下水資源的合理開發(fā)利用和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

人民勝利渠灌區(qū)位于河南省北部，東經(jīng)113°31—114°25、北緯35°00—35°30，主要由黃河沖積平原和太行山前沖洪積扇兩部分組成，灌區(qū)面積1183km2。灌區(qū)地勢自西向東呈下降趨勢，根據(jù)地形條件可將灌區(qū)分為8個(gè)單元：原延封低洼平原、古黃河灘地、古黃河背河洼地、太行山前交接洼地、郇封嶺崗地、黃河故道沙丘沙壟地、黃河灘地、黃河背河洼地。灌區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫14.5℃，多年平均水面蒸發(fā)量1864.0mm，多年平均降水量581.2mm，年內(nèi)降水量分配不均，6-9月降水量占全年降水量的70%～80%。

研究區(qū)地下水主要賦存于松散巖類孔隙及半膠結(jié)碎屑巖類孔隙裂隙中。根據(jù)含水層組的埋藏條件，可劃分為淺層含水組、中深層含水組和深層含水組。淺層含水層底板埋深80～130m，含水介質(zhì)為上更新統(tǒng)與全新統(tǒng)的粗砂、中砂及細(xì)砂巖層，可見2～4層，單層厚8～80m，總厚度44～110m，由南向北含水層逐漸變薄，為研究區(qū)主要開采層。灌區(qū)地下水流向基本與地面坡降一致，由西南向東北流動(dòng)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

共布置22個(gè)地下水取樣點(diǎn)，見圖1。2016年豐、枯水期分別取樣，共計(jì)44個(gè)樣品。取樣采用加拿大Solinst公司生產(chǎn)的425型離散區(qū)間地下水采樣器，樣品采集后當(dāng)天或次日送至河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測，檢測指標(biāo)共27項(xiàng)，本文主要分析K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Cl-、SO2-4、HC03-、N03-、NO2-、CODMn、pH、TDS和總硬度14項(xiàng)指標(biāo)。其中，K+和Na+借助WFX-120A原子吸收分光光度計(jì)采用火焰發(fā)射光譜法測定，檢測下限分別為0.16、0.09mg/L；Ca2+、Mg2+和總硬度采用乙二胺四乙酸二鈉滴定法測定，檢測下限依次為4、3、10mg/L；Cl-采用銀量滴定法測定，檢測下限為3mg/L；SO2-4；—采用乙二胺四乙酸二鈉一鋇滴定法測定，檢測下限為10mg/L；HC03采用滴定法測定，檢測下限為5mg/L；NH4+；、N03和N02借助T9雙光速紫外可見分光光度計(jì)分別用納氏試劑比色法、紫外分光光度法、分光光度法測定，檢測下限分別為0.02、0.2、0.004mg/L；CODMn采用酸性高錳酸鹽氧化法測定，檢測下限為0.4mg/L；pH值在現(xiàn)場借助PHS-3C數(shù)字酸度計(jì)用玻璃電極法測定，其檢測下限為0；TDS（以CaCO3計(jì)）借助BSA124S電子天平用烘干法測定，其檢測下限為20mg/L。

1.3 研究方法

研究主要采用聚類分析和主成分分析方法，在SPSS19.0軟件中操作實(shí)現(xiàn)。在分析水化學(xué)空間分類時(shí)采用Q型聚類分析方法。聚類分析是一種用于分類觀察的半統(tǒng)計(jì)方法，聚類后同一類別的成員是彼此相似的，且區(qū)別于其他類。在具有有效的水文地球化學(xué)數(shù)據(jù)，但未建立清晰的水文地質(zhì)模型的情況下，這種方法對于了解水化學(xué)特征的控制因素非常有用。聚類分析不僅可以對連續(xù)或分類變量進(jìn)行聚類，而且可以提供豐富的距離計(jì)算方法和結(jié)果表示方法。Q型聚類分析以樣本為研究對象，以距離為統(tǒng)計(jì)量。以Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HC03等14項(xiàng)指標(biāo)對豐、枯水期各22個(gè)水樣進(jìn)行Q型聚類分析。首先，為避免樣品間距離受到參數(shù)量級差別的影響，采用Z-score法對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：然后，以歐氏距離構(gòu)建相似性矩陣，采用離差平方和法對水樣進(jìn)行歸類，得到豐水期和枯水期水樣聚類樹狀圖：最后，利用ArcGIS10.2軟件生成水化學(xué)樣品聚類空間分布圖。

在分析不同類型區(qū)水化學(xué)成分影響作用時(shí)采用主成分分析方法。主成分分析是一種降維處理方法，它將原有變量通過線性變換轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)相互獨(dú)立的變量，同時(shí)以較少的變量反映原有變量的絕大部分信息，是使用最多的因子分析方法之一。首先，對選取的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除變量在數(shù)量級或量綱上的影響：然后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)求出相關(guān)性矩陣及特征根和特征向量：最后，確定主成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚類分析

研究區(qū)豐水期和枯水期水樣聚類樹狀圖見圖2（其中橫坐標(biāo)表示類間距離，縱坐標(biāo)表示參與聚類的取樣點(diǎn)在聚類過程中對應(yīng)的序號以及對應(yīng)的取樣點(diǎn)），豐、枯水期水樣均可分為Ⅰ、Ⅱ兩類。Ⅰ、Ⅱ兩類地下水空間分布見圖3。結(jié)合圖1，Ⅰ類主要分布于古黃河灘地及其以東的黃河故道沙丘沙壟地、原延封低洼平原等地貌區(qū)，簡稱為Ⅰ區(qū)：Ⅱ類主要分布于古黃河背河洼地及其以西的太行山前交接洼地、郇封嶺崗地地貌區(qū)，簡稱為Ⅱ區(qū)。

豐、枯水期Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)地下水水化學(xué)特征見表1。從表1可以看出，Ⅰ區(qū)HC03-濃度較大，Ⅱ區(qū)SO2-4濃度較大，此外Ⅱ區(qū)K+、Na+、Ca2+、Cl-、N03-濃度以及總硬度和TDS明顯高于Ⅰ區(qū)的，其中Ⅱ區(qū)Cl-、N03、SO2-4濃度分別超過《地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（DZ/T0290-2015）中的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，表明Ⅱ區(qū)水質(zhì)可能受到一定程度的污染。

從變異系數(shù)來看，豐、枯水期Ⅱ區(qū)K+、Ca2+、Mg2+、SO2-4、HC03-、總硬度、TDS、pH值水化學(xué)成分的變異系數(shù)均較I區(qū)的大，表明Ⅱ區(qū)大部分水化學(xué)成分的空間分布差異較Ⅰ區(qū)的大，如豐、枯水期Ⅱ區(qū)SO2-4變異系數(shù)分別為1.040和0.660，均大于Ⅰ區(qū)的0.430和0.420，表明SO2-4濃度在Ⅱ區(qū)的空間分布差異性較Ⅰ區(qū)的大。

2.2 主成分分析

選擇累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)85%以上的成分作為主成分，Ⅰ區(qū)豐、枯水期可分別提取出5個(gè)和4個(gè)主成分，Ⅱ區(qū)豐、枯水期均可提取3個(gè)主成分，見表2～表5。由于Ⅰ區(qū)豐水期成分矩陣中第四、第五主成分各變量的相關(guān)系數(shù)均小于第一、第二、第三主成分中對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，因此在分析時(shí)將所有變量歸于前三個(gè)主成分中，同理，Ⅰ區(qū)枯水期在分析時(shí)將所有變量歸于前三個(gè)主成分中。

Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)豐、枯水期第一主成分都包括了Mg2+、Na+、Cl-、SO2-4、TDS及總硬度，表明研究區(qū)地下水水化學(xué)特征主要受地質(zhì)條件控制。不過這些變量與第一主成分的相關(guān)系數(shù)各不相同，其中：豐水期Ⅰ區(qū)第一主成分中相關(guān)系數(shù)較大的為TDS、Mg2+、總硬度，豐水期Ⅱ區(qū)第一主成分中相關(guān)系數(shù)較大的為Mg2+、TDS、SO2-4、總硬度、Cl-，表明Ⅱ區(qū)豐水期地下水水質(zhì)除受TDS、Mg2+、總硬度影響外，還受SO2-4、Cl-濃度的影響?？菟冖駞^(qū)第一主成分中相關(guān)系數(shù)較大的為TDS、Cl-，枯水期Ⅱ區(qū)第一主成分中相關(guān)系數(shù)較大的為TDS、總硬度、Mg2+、SO2-4，表明枯水期除受TDS影響外，Ⅰ區(qū)受Cl-濃度影響較大，Ⅱ區(qū)受總硬度、Mg2+、SO2-4影響較大。綜上分析，Ⅰ區(qū)豐、枯水期受TDS影響較大，Ⅱ區(qū)豐、枯水期受TDS和SO2-4影響較大。除上述指標(biāo)外，Ⅰ區(qū)第一主成分還包括HC03-，HC03-主要來源于沉積巖與變質(zhì)巖中碳酸鹽的溶解，Ⅱ區(qū)第一主成分還包括pH值、Ca2+，表明Ⅱ區(qū)水化學(xué)特征受水環(huán)境酸堿狀況影響較大。Ⅱ區(qū)枯水期第一主成分中除上述指標(biāo)外還包括N03-，灌區(qū)中N03-主要來自于化肥農(nóng)藥的施用，這表明Ⅱ區(qū)枯水期水質(zhì)可能受到一定程度的氮污染。

Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)豐、枯水期第二主成分有所不同，Ⅰ區(qū)第二主成分主要包括pH值、NO2-、Ca2+，其方差貢獻(xiàn)率為20%左右：Ⅱ區(qū)第二主成分主要包括NO2-、NH4+、HC03-，其方差貢獻(xiàn)率為20%左有。表明Ⅰ區(qū)受地質(zhì)條件影響的同時(shí)還受水環(huán)境酸堿度及氮元素的影響，但其影響相對較弱，Ⅱ區(qū)仍受到氮元素及地質(zhì)條件影響。

Ⅰ區(qū)豐、枯水期第三主成分主要包含K+，其方差貢獻(xiàn)率為13%左有；Ⅱ區(qū)豐、枯水期第三主成分主要包含CODMn，其方差貢獻(xiàn)率約為11%。K+主要來源于含鉀巖類的溶解，因此Ⅰ區(qū)受地質(zhì)條件影響CODMn為有機(jī)物污染指標(biāo)，表明Ⅱ區(qū)可能受到一定程度的人為污染。

綜合分析三種主成分及其貢獻(xiàn)率發(fā)現(xiàn)：Ⅰ區(qū)受TDS、總硬度、Cl-、Mg2+、HC03、SO2-4、Na+濃度的影響較大，受pH值及Ca2+、N02-、K+濃度影響相對較?。孩騾^(qū)受TDS、Mg2+、總硬度、SO2-4、Ca2+、Cl-、Na+、N03-濃度和pH值影響較大，受N02-、NH4+、HC03-、CODMn濃度影響相對較小。表明Ⅰ區(qū)主要受地質(zhì)條件影響，Ⅱ區(qū)除受地質(zhì)條件影響外還受水環(huán)境酸堿狀況的影響，并且Ⅱ區(qū)受到一定程度的人為污染。

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)豐、枯水期地下水可分別劃分為具有明顯空間分布特征的Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)區(qū)域，Ⅰ區(qū)主要分布于古黃河灘地及其以東地區(qū)，Ⅱ區(qū)主要分布于古黃河背河洼地及其以西地區(qū)。

（2）Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)水化學(xué)特征明顯不同。Ⅰ區(qū)HC03-濃度較高，Ⅱ區(qū)SO2-4濃度較高，Ⅱ區(qū)K+、Na+、Ca2+、Cl-、N03-的濃度以及總硬度和TDS高于Ⅰ區(qū)的，且Ⅱ區(qū)水化學(xué)成分空間分布差異較Ⅰ區(qū)的大。

（3）Ⅰ區(qū)地下水水化學(xué)特征主要受地質(zhì)條件控制，受水環(huán)境酸堿度的影響相對較?。孩騾^(qū)水化學(xué)特征除受地質(zhì)條件影響外，還受水環(huán)境酸堿狀況的影響，并且明顯受到人為污染的影響。