基于聚類分析與因子分析的西藏高原南部湖水水化學(xué)特征研究

郭 藝，甘甫平，閆柏琨，白 娟

(中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

湖泊作為水循環(huán)過程中重要組成部分，具有調(diào)節(jié)河川徑流和提供工農(nóng)業(yè)用水的功能，還為揭示環(huán)境演變提供了一種重要的手段[1-2]。湖泊水化學(xué)特征在一定程度上反映了湖泊所處的自然地理環(huán)境，其時(shí)空分布規(guī)律可揭示湖泊的演化過程，是水文水資源研究的重要內(nèi)容[3-4]。水化學(xué)特征研究主要通過水化學(xué)統(tǒng)計(jì)、圖解法、離子比例系數(shù)等傳統(tǒng)方法[5-7]開展。近幾十年來，多元統(tǒng)計(jì)方法廣泛應(yīng)用于水文地球化學(xué)研究，在水化學(xué)特征時(shí)空分布規(guī)律、水質(zhì)評(píng)價(jià)、污染源識(shí)別、影響因素識(shí)別等方面取得了較好的成果[8-10]。

青藏高原上分布著世界上海拔最高、數(shù)量最多、面積最大的湖泊群，主要以咸水湖和鹽湖為主。受環(huán)境惡劣、地形復(fù)雜和交通不便等因素限制，目前對(duì)青藏高原湖泊的研究大多數(shù)是利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)湖面及水位的變化[11-13]。針對(duì)青藏高原湖泊的水化學(xué)特征的研究主要圍繞在單個(gè)湖泊，如青海湖[14-15]、羊卓雍錯(cuò)[16]、納木錯(cuò)[17]等，幾乎沒有基于多元統(tǒng)計(jì)方法的高原湖泊水化學(xué)特征研究。因此，本研究在前人的研究基礎(chǔ)上，采集西藏高原27個(gè)湖泊水樣品，分析這些樣品的水化學(xué)特征及其水化學(xué)類型，并基于聚類分析和因子分析探討這些湖泊主要離子來源及其影響因素，為高原湖泊水文地球化學(xué)研究及其保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

青藏高原是世界面積最大的高原，該地區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，水系發(fā)育，是我國(guó)乃至整個(gè)亞洲眾多大河(長(zhǎng)江、黃河、雅魯藏布江及湄公河等)的發(fā)源地。西藏高原為青藏高原的主體，指昆侖山脈以南、喜馬拉雅山脈以北、西部為喀喇昆侖山脈、東部為橫斷山脈之間的區(qū)域，面積超過120×104km2，平均海拔高程4 000 m以上，是世界上海拔最高、分布范圍最大、隆起時(shí)間最晚的巨大高原，素有“世界屋脊”的美稱，號(hào)稱“世界第三極”。西藏高原地勢(shì)高，緯度偏低，由一系列巨大的山系、高原面、寬谷和湖盆組成，自然環(huán)境復(fù)雜，地形地貌多樣，基本上可分為極高山、高山、中山、低山、丘陵和平原等六種類型。

西藏高原氣候多變，具有顯著的高原氣候特征。受高原地形的影響，西藏高原氣候寒冷干燥，一年中有7個(gè)月平均氣溫在0 ℃以下，其中1月平均氣溫在-10 ℃以下，極端氣溫達(dá)-35 ℃，6～9月各地氣溫較高，最暖月溫度達(dá)12.1 ℃。降水量東西差別較大，從東南向西北逐漸減少，東部安多縣和那曲縣多年平均降水量達(dá)360 mm，中部改則縣年均降水量達(dá)180 mm，西部的獅泉河年均降水量只有75 mm。年蒸發(fā)量大于降水量。根據(jù)西藏地形地貌、水熱狀況和植被分布等自然環(huán)境的特征，西藏劃為三個(gè)主要?dú)夂騾^(qū)：藏北寒冷的干旱-半干旱高原季風(fēng)氣候區(qū)、藏南寒冷-溫暖的半干旱高山峽谷季風(fēng)氣候區(qū)和藏東溫暖半濕潤(rùn)的高山季風(fēng)氣候區(qū)。

西藏高原地表水系縱橫交錯(cuò)，十分發(fā)育。根據(jù)地表水系的流向和最終歸宿，可分為藏北高原內(nèi)流地表水系分布區(qū)、藏南河谷山地內(nèi)外流地表水系分布區(qū)和藏東高山峽谷外流地表水系分布區(qū)。西藏高原是我國(guó)湖泊最多的地區(qū)，湖泊總面積達(dá)23 800 km2，約占我國(guó)湖泊總面積的30%。按照水系和湖泊的分布特征，西藏湖泊可劃分為藏東南外流湖區(qū)、藏南外流-內(nèi)陸湖區(qū)、羌塘內(nèi)陸湖區(qū)[18]。

2 研究方法

本文水化學(xué)分析數(shù)據(jù)源于2021年8月采集的27組湖水樣品，采樣位置見圖1。取樣時(shí)，先用湖水沖洗300 mL的聚乙烯塑料樣品瓶3次，然后裝樣，之后密封低溫冷藏。所采集的樣品均在核工業(yè)分析中心分析測(cè)定。碳酸根(CO32-)和重碳酸根(HCO3-)采用酸堿指示劑滴定法測(cè)定(AT-510全自動(dòng)滴定分析儀)(DZ/T006449—1993)，F(xiàn)-、Cl-、SO42-、NO3-、使用ICS-1100離子色譜儀測(cè)定(DZ/T006451—1993)，Ca2+、K+、Mg2+、Na+使用883 Basic IC plus離子色譜儀測(cè)定(GB/T5750.6—2006)。所有水樣陰陽(yáng)離子平衡相對(duì)誤差小于3%，總?cè)芙庑怨腆w(TDS)含量利用各離子含量總和減去1/2的HCO3-含量計(jì)算。

圖1 西藏高原湖泊分布圖與湖泊采樣點(diǎn)位置圖Fig.1 Map of lake distribution and location of lake sampling points in Tibet Plateau

利用AqQA軟件繪制水化學(xué)Piper圖和Stiff圖；利用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，選用離差平方和(ward)算法和歐式距離，對(duì)水樣的pH、CO32-、HCO3-、F-、Cl-、SO42-、NO3-、Ca2+、K+、Mg2+、Na+、總堿度和TDS共13項(xiàng)化學(xué)組分進(jìn)行Q型聚類分組；利用SPSS軟件的因子分析法提取特征值大于1的主成份，為使各主因子的典型代表變量更加突出，便于解釋其實(shí)際意義，采用方差最大正交旋轉(zhuǎn)法對(duì)成分矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 湖水水化學(xué)特征

湖水水化學(xué)組成主要特征值如表1所示。湖水的pH值介于8.30～9.95，平均值為9.0，呈堿性，這可能與流域表層土壤都是堿性有關(guān)。受蒸發(fā)作用的影響，湖水的溶解性總固體(TDS)較高，介于238.50～122 605.90 mg/L，平均值為19 968.90 mg/L。從表1的變異系數(shù)看，西藏高原湖泊主要離子濃度具有較大的變異系數(shù)，反映湖泊水化學(xué)參數(shù)具有明顯的空間差異性。

表1 西藏高原湖水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

各湖泊水化學(xué)類型差異顯著，按照舒卡列夫分類，由圖2可知，8個(gè)湖水樣品的水化學(xué)類型為Na-SO4，6個(gè)湖水樣品的水化學(xué)類型為Mg-HCO3，5個(gè)湖水樣品的水化學(xué)類型為Na-HCO3，4個(gè)湖水樣品的水化學(xué)類型為Mg-SO4，3個(gè)湖水樣品的水化學(xué)類型為Na-Cl，還有1個(gè)湖水樣品的水化學(xué)類型為Na-CO3。

圖2 湖水樣品Piper圖Fig.2 Piper diagram of lake samples

3.2 聚類分析

為進(jìn)一步分析湖水水化學(xué)參數(shù)的空間分布特征，結(jié)合湖水水化學(xué)基本特征，采用Q型聚類分析，根據(jù)歐式距離15將研究區(qū)27組樣品分為2大類，第一類(A組)包括當(dāng)穹錯(cuò)和聶耳錯(cuò)的3個(gè)湖水樣品，其湖水樣品的TDS含量非常高，平均值為118 494.94 mg/L，由表2可知，除HCO3-外，該組樣品中所有離子的濃度均高于其他組；第二組(B組)由剩下的24個(gè)湖水樣品組成，其TDS變化較大，介于238.50～47 498.20 mg/L，平均值為7 653.15 mg/L。該組樣品根據(jù)歐式距離7可進(jìn)一步分為3個(gè)亞類，其中B1組由16個(gè)湖水樣品組成，該組樣品的TDS的平均值最小，為4 254.05 mg/L，該組樣品的Na+、K+、Ca2+、Cl-、NO3-、SO42-濃度的平均值均最??；B2組由6個(gè)湖水樣品組成，雖然該組樣品的平均TDS含量最高，但該組主要由4個(gè)TDS含量較低的湖水樣品和2個(gè)TDS含量較高的湖水樣品組成，因此該組進(jìn)一步分為B2-1(錯(cuò)愕、班公湖、恰規(guī)錯(cuò)、瑪旁雍錯(cuò))和B2-2(洞錯(cuò)和鹽湖)，其中B2-1組除Ca2+和NO3-外，其他離子濃度顯著低于其他組，B2-2組離子濃度與A組相似，不同之處在于B2-2組的樣品CO32-濃度顯著低于A組；B3組由巴木錯(cuò)和達(dá)則錯(cuò)2個(gè)湖水樣品組成。

表2 聚類分析結(jié)果水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值 (單位：mg/L)

為進(jìn)一步確定水化學(xué)組成特征，結(jié)合聚類分析分組結(jié)果，將各個(gè)分組樣品水化學(xué)組分做Stiff圖。由圖3可知，A組樣品中，Cl-為主要的陰離子，Na++K+為主要的陽(yáng)離子，水化學(xué)類型為Na-Cl；B1組樣品中，SO42-為主要的陰離子，Na++K+為主要陽(yáng)離子，水化學(xué)類型為Na-SO4；B2-1組樣品中，HCO3-+CO32-為主要的陰離子，Ca2+和Mg2+為主要陽(yáng)離子，水化學(xué)類型為Mg-CO3；B2-2組樣品中，Cl-為主要的陰離子，Na+為主要陽(yáng)離子，水化學(xué)類型為Na-Cl；B3組樣品中，HCO3-+CO32-為主要的陰離子，Na+為主要陽(yáng)離子，水化學(xué)類型為Na-CO3。湖泊一般經(jīng)歷從淡水湖到咸水湖再到鹽湖直至鹽湖結(jié)束的演化過程，其水化學(xué)類型也遵循一定的演化規(guī)律：碳酸鹽型-硫酸鈉型-硫酸鎂型-氯化物型。聚類分析的結(jié)果證明了青藏高原湖泊演化遵循從碳酸鹽型到硫酸鹽型再到氯化物型的正演化序列。

圖3 聚類分析樹狀圖以及Stiff圖Fig.3 Cluster analysis tree diagram and Stiff diagram

由圖1可知，湖泊水化學(xué)特征具有顯著的空間差異性。這種空間差異性主要受氣候條件的地帶性和湖泊補(bǔ)給來源的多樣性影響，一般來說，氯化物型湖泊多分布在長(zhǎng)期干旱區(qū)，硫酸鹽型湖泊分布在不同氣候帶的干旱區(qū)，碳酸鹽型湖泊分布范圍介于上述兩類之間[19]。有研究表明錯(cuò)鄂、色林錯(cuò)、恰規(guī)錯(cuò)、達(dá)則錯(cuò)、洞錯(cuò)屬青藏高原內(nèi)流區(qū)，湖水主要依靠地表徑流補(bǔ)給，而昂仁錯(cuò)屬雅魯藏布流域，受升溫的影響，補(bǔ)給湖泊的冰川融水量增加[20]。B1組的樣品的HCO3-所占比重大的原因則是湖泊受地下水補(bǔ)給時(shí)，地下水與空氣中的CO2反應(yīng)生成HCO3-。

3.3 淡水湖因子分析

5個(gè)淡水湖分別為恰規(guī)錯(cuò)(Z-39)、錯(cuò)愕(Z-42)、瑪旁雍錯(cuò)(Z-14)、班公湖(Z-16)和拉昂錯(cuò)(Z-12)，除拉昂錯(cuò)外，其他均屬于聚類分析結(jié)果的B2-1組。淡水湖陽(yáng)離子質(zhì)量濃度由大到小依次為：Na+、Mg2+、Ca2+、K+，陰離子的質(zhì)量濃度由大到小依次為：HCO3-、Cl-、CO32-、SO42-。在淡水湖中，HCO3-為主要陰離子，占陰離子總量的63.42%，Na+為主要的陽(yáng)離子，占陽(yáng)離子總量的55.97%。

淡水湖湖水樣品13項(xiàng)水化學(xué)指標(biāo)間的Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣如表3所示。除NO3-和Ca2+外，所有水化學(xué)指標(biāo)均與TDS具有強(qiáng)相關(guān)性，HCO3-和CO32-與Na+、K+、Mg2+具有強(qiáng)相關(guān)性，表明硅酸鹽和碳酸鹽礦物的溶解對(duì)淡水湖水化學(xué)特征具有顯著的影響；Na+與SO42-具有強(qiáng)相關(guān)性，表明芒硝等硫酸鹽礦物的溶解對(duì)淡水湖也具有影響；Ca2+與其他陽(yáng)離子、NO3-與其他陰離子之間具有顯著的負(fù)相關(guān)性。上述離子間的相關(guān)性說明對(duì)于淡水湖來說，礦物溶解對(duì)湖水水化學(xué)影響顯著，而人類活動(dòng)影響較小。

表3 淡水湖湖水各水化學(xué)組分的相關(guān)系數(shù)

對(duì)研究區(qū)5組水樣的物理化學(xué)指標(biāo)經(jīng)過KMO度量及Bartlett球型度檢驗(yàn)，進(jìn)行3次迭代后獲取了2個(gè)主因子，累積貢獻(xiàn)率達(dá)91.778%，能很好地反映原始數(shù)據(jù)的基本信息。旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣及主因子的方差貢獻(xiàn)率見表4。第一主因子的方差貢獻(xiàn)率為60.421%，其中pH、F-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、HCO3-、CO32-、總堿度的因子荷載較大，反映了碳酸鹽和硅酸鹽礦物溶解對(duì)湖水水化學(xué)特征的影響；第二主因子的方差貢獻(xiàn)率為31.357%，其中Cl-、SO42-的因子荷載較大，反映了硫酸鹽礦物和巖鹽溶解對(duì)湖水水化學(xué)的影響。

表4 湖水樣品化學(xué)成分的旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣

計(jì)算淡水湖樣品的因子得分可知，拉昂錯(cuò)的第一主因子得分較高，反映了其水化學(xué)特征主要受碳酸鹽礦物和硅酸鹽礦物溶解的影響，而班公湖第二主因子得分較高，反映了其水化學(xué)特征主要受硫酸鹽礦物和巖鹽溶解的影響，而其他三個(gè)湖泊則受兩個(gè)主因子的共同影響。

3.4 咸水湖因子分析

17個(gè)咸水湖樣品的陽(yáng)離子質(zhì)量濃度由大到小依次為：Na+、Mg2+、K+、Ca2+，陰離子的質(zhì)量濃度由大到小依次為：Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-。在咸水湖中，Cl-和SO42-為主要陰離子，占陰離子總量的29.78%和21.97%，Na占陽(yáng)離子的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，占陽(yáng)離子總量的81.56%。

咸水湖湖水樣品13項(xiàng)水化學(xué)指標(biāo)間的Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣如表5所示，Na+、K+、Ca2+、Cl-、SO42-、CO32-與TDS具有強(qiáng)相關(guān)；Na+、K+、Ca2+與CO32-和總堿度具有強(qiáng)相關(guān)，而與HCO3-的相關(guān)性不明顯，反映了碳酸鹽礦物的影響；所有陽(yáng)離子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+)與SO42-的相關(guān)性均較強(qiáng)，反映了硫酸鹽礦物的影響；Mg2+、Na+、K+與Cl-的相關(guān)性較強(qiáng)，反映了巖鹽礦物的影響；NO3-與所有離子的相關(guān)性均較低。上述離子間的相關(guān)性說明對(duì)于咸水湖來說，硫酸鹽礦物溶解以及蒸發(fā)鹽的溶解對(duì)咸水湖水化學(xué)影響顯著，而人類活動(dòng)影響較小。

表5 咸水湖湖水各水化學(xué)組分的相關(guān)系數(shù)

對(duì)研究區(qū)17組水樣的物理化學(xué)指標(biāo)經(jīng)過KMO度量及Bartlett球型度檢驗(yàn)，在進(jìn)行4次迭代后獲取了3個(gè)主因子，累積貢獻(xiàn)率達(dá)88.32%，能很好地反映原始數(shù)據(jù)的基本信息。旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣及主因子的方差貢獻(xiàn)率見表4。第一主因子的方差貢獻(xiàn)率為39.447%，其中pH、Ca2+、HCO3-、CO32-、總堿度的因子荷載較大，反映了碳酸巖礦物溶解對(duì)湖水水化學(xué)的影響；第二主因子的方差貢獻(xiàn)率為37.374%，其中Cl-、SO42-、Na+、K+、Mg2+的因子荷載較大，反映了硫酸鹽礦物和巖鹽的溶解對(duì)湖水水化學(xué)的影響。第三主因子的方差貢獻(xiàn)率為11.499%，其中F-、NO3-的因子荷載較大，反映了人類活動(dòng)對(duì)湖水水化學(xué)的影響。

計(jì)算咸水湖17個(gè)水樣的3個(gè)主因子的因子得分，由圖4可知，巴木錯(cuò)(Z-46)和達(dá)則錯(cuò)(Z-38)的第一主因子得分較高，表明其水化學(xué)特征主要受碳酸巖礦物溶解的影響；別若則錯(cuò)(Z-24)、色林錯(cuò)(Z-43)和當(dāng)惹雍措(Z-36、Z-34)的第二主因子得分較高，表明其水化學(xué)特征主要受硫酸鹽礦物和巖鹽溶解的影響；當(dāng)惹雍措(Z-36、Z-34)、拉昂錯(cuò)(Z-13)的第三主因子得分較高，表明其受人類活動(dòng)影響較強(qiáng)；其他咸水湖則受三個(gè)主因子的綜合影響。

圖4 淡水湖、咸水湖和鹽湖樣品主因子得分圖Fig.4 Factor scores of principal component analysis of lake water samples

3.5 鹽湖主成分分析

5個(gè)鹽湖分別為洞錯(cuò)(Z-30)、鹽湖(Z-23)、當(dāng)穹錯(cuò)(Z-33-1/2)和聶耳錯(cuò)(Z-22)，其水樣的陽(yáng)離子質(zhì)量濃度由大到小依次為：Na+、K+、Mg2+、Ca2+，陰離子的質(zhì)量濃度由大到小依次為：Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-、NO3-。Cl-和Na+占陰、陽(yáng)離子的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，分別占陰陽(yáng)離子總量的78.82%和85.70%。

鹽湖湖水樣品13項(xiàng)水化學(xué)指標(biāo)間的Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣如表6所示。Cl-、HCO3-、CO32-與TDS具有強(qiáng)相關(guān)性，HCO3-、CO32-和總堿度與SO42-具有強(qiáng)相關(guān)性，K+與Mg2+具有強(qiáng)相關(guān)性，且兩者與NO3-具有強(qiáng)相關(guān)性，SO42-與F-和Cl-具有強(qiáng)相關(guān)性。與淡水湖和咸水湖顯著區(qū)別的是，鹽湖的水化學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性表現(xiàn)為陰離子與陰離子具有強(qiáng)關(guān)系，陽(yáng)離子與陽(yáng)離子之間具有相關(guān)性，而陰陽(yáng)離子之間的相關(guān)性不明顯。

表6 鹽湖湖水各水化學(xué)組分的相關(guān)系數(shù)

對(duì)研究區(qū)5組水樣的物理化學(xué)指標(biāo)經(jīng)過KMO度量及Bartlett球型度檢驗(yàn)，進(jìn)行6次迭代后獲取3個(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率達(dá)96.531%，能很好地反映原始數(shù)據(jù)的基本信息。旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣及主因子的方差貢獻(xiàn)率見表4。第一主因子的方差貢獻(xiàn)率為53.6%，其中pH、F-、Cl-、NO3-、Na+、CO32-、總堿度的因子荷載較大，反映了巖鹽礦物及硅酸鹽礦物溶解對(duì)湖水水化學(xué)的影響。第二主因子的方差貢獻(xiàn)率為32.992%，其中SO42-、Mg2+、Ca2+、HCO3-的因子荷載較大，反映了硫酸鹽礦物和碳酸鹽礦物溶解對(duì)湖水水化學(xué)的影響。第三主因子的方差貢獻(xiàn)率為9.938%，僅K+的因子荷載較大，無較大意義。

計(jì)算鹽湖水樣對(duì)3個(gè)主因子的因子得分，由于第三個(gè)主因子的方差貢獻(xiàn)率相對(duì)于前兩個(gè)主因子較小，且僅對(duì)K+具有高荷載，因此本文不分析第三主因子的因子得分。由圖4可知，當(dāng)穹錯(cuò)的第一主因子得分較高，表明其主要受巖鹽礦物溶解的影響；聶耳錯(cuò)的第二主因子得分較高，表明其受硫酸鹽礦物和碳酸鹽礦物溶解的影響較為顯著；洞錯(cuò)和鹽湖則受兩個(gè)主因子的綜合影響。

4 結(jié)論

本文以青藏高原南部湖水為研究對(duì)象，分析了淡水湖、咸水湖和鹽湖三種類型湖水的主要化學(xué)組分特征，研究區(qū)湖水均呈堿性，湖水的溶解性總固體整體含量較高，水化學(xué)組分濃度變化范圍較大。無論哪種湖泊，湖水陽(yáng)離子中Na+都占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，淡水湖中Mg2+也具有優(yōu)勢(shì)，而咸水湖和鹽湖相較于淡水湖而言，Ca2+含量下降，K+含量上升；陰離子中，HCO3-在淡水湖中占主導(dǎo)地位，而Cl-在鹽湖中占主導(dǎo)地位。

因子分析提取了影響淡水湖水化學(xué)特征的2個(gè)主因子，分別揭示了碳酸鹽和硅酸鹽礦物溶解、硫酸鹽礦物和巖鹽溶解對(duì)淡水湖湖水水化學(xué)特征的影響；提取了影響咸水湖水化學(xué)特征的3個(gè)主因子，分別揭示了碳酸巖礦物溶解、硫酸鹽礦物和巖鹽的溶解以及人類活動(dòng)對(duì)咸水湖湖水水化學(xué)特征的影響；提取了影響鹽湖水化學(xué)特征的2個(gè)主因子，分別揭示了巖鹽礦物及硅酸鹽礦物溶解、硫酸鹽礦物和碳酸鹽礦物溶解對(duì)鹽湖湖水水化學(xué)的影響。

基于聚類分析探討了湖泊水化學(xué)特征的空間分布，結(jié)果顯示受氣候條件和補(bǔ)給條件的影響，青藏高原湖水水化學(xué)特征具有顯著的空間差異性，聚類分組的結(jié)果反映了湖泊演化過程。