基于多元統(tǒng)計(jì)方法的新疆巴里坤盆地地下水水化學(xué)特征及其影響因素分析

丁啟振， 周金龍， 曾妍妍， 雷 米， 孫 英

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830052； 3.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

地下水資源是水資源的重要表現(xiàn)形式，在西北干旱地區(qū)，地下水具有舉足輕重的作用，往往是許多地區(qū)主要甚至唯一的可用水源[1]。在漫長的地質(zhì)演化過程中，地下水與其流經(jīng)的巖土體之間的水巖相互作用不斷影響和改變著區(qū)域地下水環(huán)境[2]。因此，研究地下水水化學(xué)特征及其影響因素，可以更好地揭示地下水與環(huán)境間的相互影響[3]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、穩(wěn)定同位素[4-5]、Piper三線圖[6]、Gibbs圖[7]、礦物飽和指數(shù)[8]、離子比分析[9]、水文地球化學(xué)模擬[10]等方法，對(duì)新疆哈密盆地、柴窩堡盆地、吐-哈盆地、焉耆盆地、塔城盆地和準(zhǔn)噶爾盆地的地下水水化學(xué)類型、分布特征、形成作用和影響因素展開研究，以探明水體起源、成因與相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而幫助人們重建水文地質(zhì)史[11]。對(duì)于新疆盆地地下水水化學(xué)特征的研究，學(xué)者多采用傳統(tǒng)的水化學(xué)特征分析方法，而涉及多元統(tǒng)計(jì)方法的研究成果少見，多元統(tǒng)計(jì)方法是一種廣泛用于研究水質(zhì)時(shí)空變化和污染源識(shí)別的有效工具[12]，可同時(shí)對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行分析研究。

巴里坤盆地位于新疆維吾爾自治區(qū)巴里坤哈薩克自治縣境內(nèi)，隸屬哈密市。欒風(fēng)嬌等[13]于2011年在數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用離子比例系數(shù)、Gibbs圖和Piper三線圖等方法，首次針對(duì)巴-伊盆地開展了地下水水化學(xué)特征的研究；2011年，欒風(fēng)嬌等[14]以單因子評(píng)價(jià)方法為基礎(chǔ)，運(yùn)用綜合評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)了巴-伊盆地地下水水質(zhì)現(xiàn)狀?？偟膩砜?，目前針對(duì)巴里坤盆地地下水水化學(xué)特征方面的系統(tǒng)研究較少，且多為簡單的雙變量分析，忽略了變量間可能存在的相關(guān)性。因此本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)方法對(duì)該地區(qū)地下水中的主要組分(離子組分和非離子組分)進(jìn)行分析研究，以期為當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的保護(hù)及可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

2 水樣采集與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

巴里坤盆地(43°20′～43°50′N，92°30′～93°40′E)是由巴里坤山、莫?dú)J烏拉山和薩爾喬克西山所包圍的小型地塹型盆地，呈西北走向，寬為20～30 km。地勢(shì)呈西低東高的趨勢(shì)，地貌形態(tài)包括南北高山區(qū)、西部低山區(qū)和中部平原區(qū)，巴里坤湖為海拔最低點(diǎn)[15]。巴里坤縣屬典型大陸性溫帶冷涼干旱氣候，冷季嚴(yán)寒，暖季涼爽，干旱雨少，蒸發(fā)強(qiáng)烈。年平均降水量為230.5 mm，年蒸發(fā)量為1 622.0 mm，年平均氣溫為2.7 ℃，全年日照時(shí)數(shù)為3 170 h。區(qū)內(nèi)主要河流為柳條河，發(fā)源于東山[16]。

盆地主要被第四系沉積物覆蓋，厚度從北向南快速增厚，盆降中心位于盆地東側(cè)；第四系沉積以洪積礫石為主，夾少量砂層[17]；賦存有第四系單一結(jié)構(gòu)孔隙潛水和第四系多層結(jié)構(gòu)孔隙潛水-承壓水[18]。地下水埋深一般為2～100 m，埋深小于5 m的區(qū)域主要位于柳條河下游的巴里坤縣至北部山前一帶(圖1)。盆地地下水主要接受南部冰山融雪水補(bǔ)給、山地基巖裂隙水補(bǔ)給、中部農(nóng)田井灌回歸水補(bǔ)給等；地下水徑流方向和地形坡向基本一致，總體上由山前向盆地匯水中心匯聚[18]；地下水排泄主要通過潛水蒸發(fā)、人工開采(為地下水弱開采區(qū))及泉水溢出等方式進(jìn)行。區(qū)內(nèi)有我國三大硫化堿生產(chǎn)基地之一的巴里坤湖，盛產(chǎn)芒硝和食鹽，礦產(chǎn)資源豐富[19]。巴里坤盆地平原區(qū)概況見圖1。

圖1 巴里坤盆地平原區(qū)概況及地下水取樣點(diǎn)分布

2.2 地下水水樣采集與測定

在收集研究區(qū)水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，于2015年7-9月對(duì)巴里坤盆地平原區(qū)進(jìn)行地下水水樣采集，共采集12組水樣，采樣點(diǎn)分布見圖1。每組水樣取3個(gè)樣本(采集現(xiàn)場空白樣、空白加標(biāo)樣和平行樣)。采樣點(diǎn)控制面積為1 986 km2，布設(shè)密度為6.04 眼/103km2，完全符合《地下水監(jiān)測規(guī)范》(SL 183—2005)內(nèi)陸盆地平原區(qū)弱開采區(qū)地下水水質(zhì)監(jiān)測站的布設(shè)密度為0.4～0.8 眼/103km2的要求。

2.3 研究方法

2.3.1 因子分析 因子分析(factor analysis)是利用數(shù)學(xué)降維的思想，以幾個(gè)因子來描述多個(gè)指標(biāo)或因素之間關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)方法[20-21]。因子分析針對(duì)不同的研究對(duì)象，分為R型因子分析和Q型因子分析[22]，前者與后者分別將變量和樣本作為研究對(duì)象。本文選用R型因子分析方法。

2.3.2 聚類分析 聚類分析(cluster analysis)是將變量或樣品依據(jù)它們?cè)谛再|(zhì)上的親疏及相似程度進(jìn)行分類的方法[23]。聚類分析劃分為R型聚類分析和Q型聚類分析[24]，前者與后者分別將變量和樣本作為處理對(duì)象。本文對(duì)研究區(qū)地下水水樣進(jìn)行R型聚類分析時(shí)，選取的是平方歐式距離度量標(biāo)準(zhǔn)和離差平方和算法。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水水化學(xué)特征分析

變異系數(shù)(coefficient of variation，CV)是衡量數(shù)據(jù)間變異程度的一項(xiàng)指標(biāo)[27]。由表1可知，所有指標(biāo)的變異系數(shù)變化范圍為0.3～1.8，說明空間變異性為中等以上。其中表現(xiàn)出強(qiáng)變異性(CV≥1)的指標(biāo)包括Cl-、Na+、SO42-和TDS 4項(xiàng)，其余指標(biāo)均表現(xiàn)為中等變異性(0.1

表1 巴里坤盆地地下水水樣主要水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

基于Grapher11.0軟件繪制2015年巴里坤盆地地下水Piper三線圖，如圖2所示。由圖2可知，地區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)類型共7種，包括5種低礦化度的HCO3型和兩種中等礦化度的SO4·Cl型，以HCO3·SO4-Ca·Na型(占總?cè)狱c(diǎn)的33.3%)和HCO3·SO4-Ca型(占總?cè)狱c(diǎn)的25.0%)為主。

圖2 2015年巴里坤盆地地下水水化學(xué)Piper三線圖

運(yùn)用ArcGIS10.0 軟件繪制2015年巴里坤盆地地下水水化學(xué)類型分區(qū)圖，如圖3所示。由圖3可知，水化學(xué)類型沿地下水流向具有明顯的分帶特征。由于盆地東南部水系發(fā)育、基巖裂隙水充足、柳條河河水接受冰山融雪水的補(bǔ)給，地下水徑流相對(duì)較快，一定程度上加強(qiáng)了對(duì)地下水含水層的補(bǔ)給、溶濾作用，自東南向西北水化學(xué)類型由HCO3型→SO4·Cl型→HCO3型→HCO3·SO4型過渡；在柳條河下游一帶，地勢(shì)相對(duì)平坦，南部山前地帶水系相對(duì)不發(fā)育、石人子鄉(xiāng)內(nèi)石人子水庫的修建使得柳條河的下游水量減少，因而地下水的補(bǔ)給、溶濾作用減弱，干旱指數(shù)自南向北迅速增大[28]，排泄方式逐漸以蒸發(fā)濃縮作用為主，導(dǎo)致地下水中鹽分不斷積累，此區(qū)域自南向北水化學(xué)類型大致由HCO3型水→SO4·Cl型水過渡。

圖3 2015年巴里坤盆地地下水水化學(xué)類型分區(qū)圖

3.2 因子分析

數(shù)據(jù)檢驗(yàn)是進(jìn)行因子分析的前期工作，而相關(guān)系數(shù)矩陣為檢驗(yàn)的起點(diǎn)。相關(guān)系數(shù)矩陣不僅為進(jìn)行因子分析提供前提，而且還可通過相關(guān)性分析來預(yù)測水中的離子是否為同一來源[29]，進(jìn)一步為主因子的確定提供一定的理論依據(jù)。

以表2為出發(fā)點(diǎn)對(duì)研究區(qū)所采水樣的9項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行Bartlett球形檢驗(yàn)及KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗(yàn)[30]。檢驗(yàn)結(jié)果表明，Bartlett球形檢驗(yàn)顯著性水平小于0.010，KMO檢驗(yàn)值為0.681。以上數(shù)據(jù)表明，數(shù)據(jù)之間相關(guān)性良好，因此可進(jìn)一步做因子分析[22]。

表2 巴里坤盆地地下水水化學(xué)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

在SPSS19.0軟件的幫助下，可實(shí)現(xiàn)因子分析，并利用主成分分析法提取特征值。兩個(gè)主因子(F1、F2)是以特征值大于1為原則進(jìn)行選取得到的，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為91.042%，說明所取水樣中91.042%的信息量能夠得到反映。地下水水化學(xué)成分旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣可由方差最大旋轉(zhuǎn)法計(jì)算得到，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 巴里坤盆地地下水水化學(xué)成分旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

因子載荷大致可以劃分為大于0.75(強(qiáng)度相關(guān))、0.75～0.5(中度相關(guān))和0.5～0.3(弱相關(guān))3個(gè)等級(jí)[31]，本文選取因子載荷大于0.75的指標(biāo)作為主因子的主要決定因素。

由表3可知：

(1)Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、TH、TDS為F1主因子的7個(gè)主要決定因素，其貢獻(xiàn)率為76.17%。研究區(qū)內(nèi)蒸發(fā)作用強(qiáng)且降水稀少，年蒸發(fā)量達(dá)1 622.0 mm，年平均降水量為230.5 mm，說明該地區(qū)內(nèi)具備形成蒸發(fā)濃縮作用的先決條件。隨著地下水的大量蒸發(fā)排泄，TDS值和TH值會(huì)不同程度的增大，析出部分溶解度較小的鹽類，溶解度大的Cl-、SO42-、Na+離子得以保留。另外，產(chǎn)生Ca2+和Mg2+載荷分別為0.873和0.951的原因可能是析出有關(guān)碳酸鹽的沉淀較少，與上述相關(guān)分析的結(jié)果一致。因此，F(xiàn)1代表的是蒸發(fā)濃縮作用。

3.3 聚類分析

由巴里坤盆地地下水水樣R型聚類分析樹狀圖(圖4)可知，當(dāng)類距為10時(shí)，所取水樣被劃分為A、B、C 3類： A類為主要受強(qiáng)烈蒸發(fā)濃縮作用的中等礦化度水；B類為在補(bǔ)給徑流條件相對(duì)較好區(qū)域，以溶濾作用為主的低礦化度水；產(chǎn)生C類這種情況的原因可能是個(gè)別取樣點(diǎn)中SO42-濃度值相比其他取樣點(diǎn)過高，且該點(diǎn)主要位于盆地北部山前傾斜平原區(qū)。查閱由新疆化工設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司于2019年6月編制的《巴里坤縣化工區(qū)工業(yè)廢渣(硫化堿廢渣)處置一期項(xiàng)目環(huán)評(píng)報(bào)告》可知，自20世紀(jì)60年代中期，硫化堿企業(yè)陸續(xù)在巴里坤湖周圍建成，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，大量的廢渣(硫化堿、硫酸鹽和亞硫酸鹽等)堆放在巴里坤湖東北側(cè)湖岸附近，間接補(bǔ)給地下水，這可能是導(dǎo)致周圍取樣點(diǎn)SO42-濃度增高的原因之一；另一個(gè)原因可能是該區(qū)域受到一部分洪水沖積影響，普遍認(rèn)為早期溶濾作用將Cl-最先溶于水中并被水流帶走，由于持續(xù)溶濾作用，大量的SO42-聚集到該區(qū)域。因此，將C類歸為A類。通過與因子分析結(jié)果對(duì)比，得出兩者結(jié)果基本一致的結(jié)論。

圖4 2015年巴里坤盆地地下水水樣R型聚類分析樹狀圖

3.4 綜合Gibbs圖分析

2015年巴里坤盆地地下水Gibbs圖見圖5。

注：RWD 代表巖石風(fēng)化區(qū)，APD 代表大氣降水區(qū)，ECD 代表蒸發(fā)濃縮區(qū)

通過繪制巴里坤盆地地下水Gibbs圖(圖5)可發(fā)現(xiàn)，取樣點(diǎn)均未落入大氣降水區(qū)(atmospheric precipitation district, APD)控制區(qū)域內(nèi)，說明大氣降水作用不是地下水化學(xué)作用的主導(dǎo)因素，主要原因是巴里坤盆地屬于干旱區(qū)，降水稀少所致；絕大多數(shù)取樣點(diǎn)落入巖石風(fēng)化區(qū)(rock weathening district, RWD)控制區(qū)域附近，這是由于在補(bǔ)給徑流條件相對(duì)較好、蒸發(fā)相對(duì)弱的區(qū)域，會(huì)形成以溶濾作用為主導(dǎo)因素的低TDS水；個(gè)別取樣點(diǎn)落入蒸發(fā)濃縮區(qū)(evaporation concentration district, ECD)控制區(qū)域，在地下水弱補(bǔ)給區(qū)、蒸發(fā)強(qiáng)烈和埋深較淺的區(qū)域會(huì)形成以蒸發(fā)濃縮作用為主導(dǎo)因素的高TDS水。與潘希哲等[32]采用2018年數(shù)據(jù)研究得出巴里坤山間盆地地下水水化學(xué)特征主要由溶濾作用控制的結(jié)論基本一致。

由此可知，通過運(yùn)用因子分析、聚類分析以及Gibbs圖3種方法可得到相同的結(jié)論。

4 結(jié) 論

(1) 巴里坤盆地地下水水化學(xué)類型分帶特征明顯，且以低礦化度的HCO3型水為主；地下水以微硬水為主，各離子具有中等以上的空間變異性。

(3) 結(jié)合Gibbs圖綜合分析得出：溶濾作用是影響巴里坤盆地地下水水化學(xué)特征的主要因素。