北京通州區(qū)第四系地下水化學特征及其成因分析

王小松，李寶學，李 陽，姜 鑫，姜臣祥，高 健

北京通州區(qū)第四系地下水化學特征及其成因分析

王小松，李寶學*，李 陽，姜 鑫，姜臣祥，高 健

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

【】揭示通州區(qū)地下水化學特征及其影響因素。利用2018年在通州區(qū)采集的45件300 m深度的地下水水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，通過Piper三線圖、Gibbs圖、因子分析和聚類分析等多元統(tǒng)計分析方法，分析了第四系地下水水化學特征及其影響因素。通州區(qū)第四系地下水淺層水化學類型以HCO3-Ca.Mg型為主，深層地下水化學類型以HCO3-Na型為主。通過因子分析共提取了4個公因子，其累計方差占總方差的85.45%。因子1代表鹽度因子，反映了碳酸鹽、硅酸鹽礦物風化過程；因子2代表鐵錳污染因子，反映了富含鐵錳元素的礦物的風化作用；因子3代表農(nóng)業(yè)污染因子，反映了農(nóng)業(yè)活動對地下水的影響；因子4代表氟化物污染因子，反映了含氟礦物的風化及陽離子交換反應。農(nóng)業(yè)活動主要影響通州北部宋莊、永順一帶；而碳酸鹽、硅酸鹽礦物風化作用，含鐵錳元素礦物風化作用，含氟元素礦物風化作用及陽離子交換作用在通州全區(qū)普遍存在。

水化學；地下水；第四系地下水；通州；北京

0 引言

【研究意義】通州區(qū)是北京市城市副中心和京津冀一體化進程的樞紐，戰(zhàn)略地位十分重要。地下水作為通州區(qū)重要的供水水源，在城市供水安全保障中發(fā)揮著重要作用。隨著大規(guī)?；A設施的建設和城鎮(zhèn)化的推進，地下水安全受到嚴重威脅，進而可能會影響區(qū)域經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，研究通州區(qū)地下水的水化學特征及其影響因素，對合理開發(fā)和管理地下水資源意義重大。【研究進展】以往關于通州區(qū)第四系地下水化學特征已有較多研究。郭高軒等[1]分析了通州區(qū)淺、中、深3層地下水的水化學特征，并進行了地下水的分層質(zhì)量評價，認為淺層劣質(zhì)水主要受人類活動影響，深層劣質(zhì)水受人類活動和天然劣質(zhì)水的雙重影響。藍天杉等[2]分析了通州區(qū)潛水水化學特征，并利用模糊綜合評價法和內(nèi)梅羅指數(shù)法對潛水水質(zhì)進行了評價。劉永清[3]分析了通州區(qū)地下水中氟的空間分布規(guī)律，并分析了地下水中氟元素超標的原因。多元統(tǒng)計分析是一種分析客觀事物中多個變量（或多個因素）相互依賴的規(guī)律性統(tǒng)計分析方法，在農(nóng)學、工程、經(jīng)濟領域已得到了廣泛應用。近年來，許多學者應用多元統(tǒng)計分析并結(jié)合傳統(tǒng)水文地質(zhì)學、水文地球化學、GIS等方法研究區(qū)域地下水的水化學特征及其空間變化規(guī)律[4-9]，取得了良好的效果。

【切入點】目前，關于通州區(qū)地下水的研究大多集中于地下水的水化學特征時空變化[10]、水質(zhì)評價[11]及某些特殊離子組分的成因分析[12]，但在宏觀尺度上對第四系地下水的水化學成分的成因及影響因素研究不足?！緮M解決的關鍵問題】地下水的水化學特征的演化受氣溫、降水、地下水開采、水巖相互作用、人類活動等多種因素的共同影響，是一個緩慢且復雜的過程。僅利用傳統(tǒng)水文地質(zhì)學理論和方法無法洞察復雜的水化學演化過程。而多元統(tǒng)計方法可以在多個對象和指標互相關聯(lián)的情況下分析它們的統(tǒng)計規(guī)律，為更深入、全面地了解區(qū)域地下水的水化學特征及其成因提供了一種有效途徑。本文旨在利用因子分析和聚類分析等多元統(tǒng)計分析方法，結(jié)合Piper三線圖和Gibbs圖，分析通州區(qū)第四系地下水的水化學特征的統(tǒng)計規(guī)律及其影響因素，為通州區(qū)地下水資源的合理利用和管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

通州區(qū)位于北京市東南部，地理坐標為東經(jīng)116°32′—116°56′，北緯39°36′—40°02′，面積約為906 km2。通州區(qū)處于潮白河與永定河沖積平原的結(jié)合地帶，地勢平緩，自西北向東南傾斜，海拔最高點的高程為27.6 m，最低點的高程為8.2 m。通州區(qū)屬暖溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候，據(jù)通州區(qū)氣象站1973—2017年資料，該區(qū)多年平均氣溫為11.4 ℃，多年平均降水量為555 mm。

通州區(qū)第四系地層分布廣泛，由西向東逐漸增厚，張家灣一帶第四系厚度達到了600 m。含水層主要有多層砂層組成，巖性以中砂、細砂與粉砂為主，局部地區(qū)分布有砂礫石。區(qū)域地下水流向由北、西北流向東南方向。依據(jù)隔水層的相對厚度、巖性和開采利用情況，通州區(qū)地下水在垂向上可分為4個含水層。其中，第一含水層（底板埋深在40～50 m）和第二含水層（底板埋深在80～120 m）為淺層含水層，以細砂為主，其次為中砂和粗砂，局部地區(qū)含礫石；第三含水層（底板埋深在150～180 m）和第四含水層（底板埋深在300 m左右）以粗砂和砂礫石為主。淺層地下水以大氣降水補給為主，其次為側(cè)向徑流補給、河流入滲和灌溉回歸水補給，排泄方式以蒸發(fā)、農(nóng)業(yè)用水開采為主；深層地下水以側(cè)向徑流補給為主，其次為上層含水層的越流補給，排泄方式以工業(yè)用水和生活用水為主。

1.2 樣品采集與測試

2018年8月14—21日在通州區(qū)共采集第四系地下水樣品45件。通州區(qū)年內(nèi)最大降水量一般集中在7—8月，本次采集的地下水樣品均為豐水期的地下水。采樣深度主要分布在地表以下300 m以內(nèi)，包括淺層含水層22件，深層含水層23件。取樣點詳細分布情況見圖1，部分水樣來源于同一采樣點的不同含水層深度。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布

采集到的樣品送至專業(yè)水質(zhì)檢測機構(gòu)檢測，檢測項目主要包括pH值、電導率（EC）、耗氧量（CODMn）、溶解性總固體（TDS）、總硬度（TH）、總堿度（TA）、主要離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、NH4+、NO3-及F-）、微量金屬元素（Fe、Mn、Zn）。其中，pH值采用玻璃電極法測定，EC采用電導儀法測定，CODMn采用酸性高錳酸鉀滴定法測定，TDS采用蒸干稱量法測定。Ca2+、Mg2+和TH采用EDTA滴定法測定，HCO3-和TA采用酸堿指示劑滴定法測定，K+和Na+采用原子吸收光譜法測定，F(xiàn)-、SO42-、NO3-和Cl-采用離子色譜法測定，NH4+采用納氏試劑分光光度法測定。

1.3 研究方法

1.3.1 因子分析

因子分析（FA）是一種從原始變量中提取公共因子來解釋原始變量相關性的一種多元統(tǒng)計方法。以往許多研究者應用因子分析來解釋地下水化學組分的成因[13-14]。通過原始數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣提取因子載荷，并進行因子旋轉(zhuǎn)，可以確定水化學組分之間的相互聯(lián)系和共同起源[15]。因子載荷反映了公共因子與原始變量之間的相關性，因子載荷大于0.75時被視為高度相關，因子載荷在0.5～0.75之間時被視為中度相關，因子載荷小于0.5時被視為低度相關[16]。而某一具體樣本的因子得分反映了樣本受該因子的影響程度，因子得分越大表示樣本受該因子影響越大[17]。本研究利用主成分法提取水化學數(shù)據(jù)的因子載荷，并基于數(shù)據(jù)標準化后的相關性矩陣的特征值確定提取的公因子數(shù)量，利用最大方差法進行正交因子旋轉(zhuǎn)。

1.3.2 聚類分析

聚類分析是一種基于原始數(shù)據(jù)相似度進行分類的多元統(tǒng)計分析方法。為了分析水化學成分間的相關性及樣本之間的關聯(lián)性，本研究以平方歐氏距離作為相似度度量標準，使用Ward系統(tǒng)聚類法（HCA），分別對水化學數(shù)據(jù)的變量和樣本進行聚類分析。因子分析和聚類分析均使用SPSS軟件實現(xiàn)。在進行因子分析和聚類分析時，對原始水化學數(shù)據(jù)進行值標準化，以消除變量取值范圍和量綱的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 水化學特征

45個地下水樣品水化學指標的描述性統(tǒng)計分析結(jié)果見表1。其中，由于K+量很小，因此與Na+進行合并。pH值在6.98～8.46之間，且變異系數(shù)較小，反映地下水整體呈弱堿性且空間變化較小。除pH值外，其他水化學成分變異系數(shù)均較大，尤其是NH4+、Fe、NO3-、Mn、F-的變異系數(shù)分別達到了1.81、1.62、1.57、1.54、1.49。參考《地下水質(zhì)量標準》（GB/T14848—2017）中的III類標準，主要超標指標有Fe、Mn、TH、F、NH4+、TDS，超標率分別達到了76%、62%、27%、29%、13%、8%，此外還有少量樣品中的SO42-、Na+和CODMn存在超標現(xiàn)象。

表1 地下水的水化學參數(shù)統(tǒng)計

注pH值無量綱，的單位為μS/cm，其余參數(shù)的單位均為mg/L。

依據(jù)地下水主離子成分，繪制出了地下水水化學類型的piper三線圖（圖2）。地下水中的陰離子以HCO3-為主，SO42-、Cl-次之；陽離子以Na+為主，Ca2+、Mg2+次之。淺層地下水的水化學類型以HCO3-Ca.Mg型為主，深層地下水化學類型以HCO3-Na型為主。地下水中的陰離子以HCO3-為主，表明其化學成分主要來源于碳酸鹽礦物質(zhì)的風化，而低TDS表明其受蒸發(fā)作用較小。地下水中的Na+主要來源于巖鹽的溶解和含鈉元素的硅酸鹽礦物質(zhì)的風化。此外，陽離子交換作用也是改變地下水化學成分的常見因素。陽離子交換作用受巖土顆粒、交換陽離子的性質(zhì)、pH值和水中電解質(zhì)濃度等因素的影響。吸附劑顆粒越細，陽離子的離子價越高，pH值越大，電解質(zhì)濃度越高，吸附作用越強[18]。通州區(qū)第四系地層主要由多層砂層和黏土層組成，黏土層和細砂層可作為吸附劑，吸附地下水中的Ca2+、Mg2+，同時釋放Na+。因此，由淺層至深層，地下水的水化學類型由HCO3-Ca.Mg型逐漸過渡到HCO3-Na型。

Gibbs圖可以進一步識別出地下水的水化學演化的主要因素[19]。Gibbs圖把控制內(nèi)陸地區(qū)地下水的水化學過程分為蒸發(fā)作用、巖石風化作用和降水作用3種[20]。由圖3可知，研究區(qū)淺層地下水和深層地下水的TDS大部分在200～1 000 mg/L之間，Cl-/(Cl-+HCO3-) 在0～0.3之間，表明淺層地下水的水化學演化主要受巖石風化作用的影響。而大部分深層地下水的Na+/(Na++Ca2+)在0.5～1之間，大部分淺層地下水的Na+/(Na++Ca2+)小于0.5，表明地下水可能發(fā)生了陽離子交換作用。因此，通州區(qū)以HCO3-Ca.Mg型為主的淺層地下水主要受礦物風化作用，而以HCO3-Na型為主的深層地下水化學特征是礦物風化和陽離子交換作用共同形成的。

圖2 地下水水化學piper三線圖

圖3 地下水水化學Gibbs圖

2.2 水化學成分的成因分析

2.2.1 因子分析

在進行因子分析前，首先對原始數(shù)據(jù)進行KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）和Bartlett’s球狀檢驗，以檢驗數(shù)據(jù)是否適合進行因子分析。在做因子分析時，KMO統(tǒng)計量應在0.6以上（大于0.7效果比較好），Bartlett’s球狀檢驗的值小于0.01[21]。本次研究所用數(shù)據(jù)的KMO值達到了0.695，且Bartlett’s球狀檢驗的值小于0.01，因此數(shù)據(jù)適合做因子分析。基于主成分法提取公共因子，并按照特征值大于1的標準選擇公因子，利用最大方差法進行因子旋轉(zhuǎn)。表2為旋轉(zhuǎn)后的因子載荷和方差貢獻比。共提取了4個公因子，累計方差占總方差的85.45%。

因子1解釋了總方差的40.94%，且與TDS、EC、TA、HCO3-、SO42-、Mg2+、Cl-、K++Na+、TH有較強的相關性。這些都是地下水中的主離子或與主離子相關的指標。因此，因子1為鹽度因子，主要反映了碳酸鹽、硅酸鹽等主要礦物風化的過程。因子2解釋了總方差的18.69%，與Fe、Mn、Zn元素高度相關。地殼中有豐富的Fe、Mn元素；以往研究表明，地質(zhì)環(huán)境中Fe、Mn元素經(jīng)常同時出現(xiàn)，為同一地質(zhì)來源[22]。樣品中Fe、Mn元素普遍超出III類水標準，超標率在60%以上。因此，因子2可代表鐵錳污染因子，反映了富含鐵錳等金屬元素的礦物風化作用。因子3解釋了總方差的17.55%，且與NH4+、NO3-和CODMn有較強的相關性。CODMn一般反映地下水中有機物量，而地下水中NH4+、NO3-的超標一般與人類活動有關。依據(jù)2018年通州區(qū)地下水污染源調(diào)查結(jié)果，通州區(qū)的地下水污染以農(nóng)業(yè)面源污染為主，主要是農(nóng)業(yè)污水灌溉和農(nóng)業(yè)化肥的大量使用導致的。工業(yè)污染源相對較少，典型工業(yè)污染源均已遷移或停產(chǎn)。因此，因子3代表了農(nóng)業(yè)污染因子，反映了農(nóng)業(yè)活動對地下水的影響作用。因子4解釋了總方差的8.27%，與F-高度相關（因子載荷0.838），與pH值、K++Na+、Ca2+呈低度相關（因子載荷分別為0.450，0.455，-0.383）。地層中的螢石（主要成分是CaF2）是地下水中F-的主要來源，而因子載荷表明F-與Ca2+呈負相關，與Na+正相關?？梢?，地下水在流經(jīng)黏土層時發(fā)生了陽離子交換作用，Ca2+被黏土吸附而Na+被釋放到了地下水中，從而使CaF2的水解平衡被打破，化學反應向F-濃度增大的方向進行。因此，因子4代表了氟化物污染因子，反映了含氟礦物的風化及陽離子交換反應。

計算所有樣本的4個公因子的因子得分，并繪制空間分布氣泡圖（圖4）。按照：因子得分＜0、0＜因子得分＜1、因子得分＞1劃分為低、中、高3個等級。因子1、因子2和因子4的中、高得分在通州全區(qū)廣泛存在（其中，因子2高得分主要分布在通州北部和西部，因子4高得分主要分布在通州東部和南部），反映地下水普遍受碳酸鹽、硅酸鹽礦物風化、含鐵錳礦物風化、含氟礦物風化和陽離子交換作用的影響。因子3的中、高因子得分主要集中在通州北部，尤其是宋莊、永順一帶，反映了北部地區(qū)受農(nóng)業(yè)污染較強烈。

表2 因子荷載和方差

2.2.2 聚類分析

基于變量的R型系統(tǒng)聚類譜系見圖5。距離7代表的紅線可以將變量分為4類，第一類包括EC、TDS、SO42-、TA、HCO3-、Mg2+、Cl-、TH、K++Na+；第二類包括F-和pH值；第三類包括NH4+、CODMn、NO3-；第四類包括Fe、Mn、Ca2+、Zn?？偟膩碚f，R型系統(tǒng)聚類的結(jié)果與因子分析的結(jié)果基本一致。以4個公因子作為變量，基于樣本的Q型系統(tǒng)聚類譜系見圖6。距離15代表的紅線可以將所有樣本分為5類，分別統(tǒng)計這5個類別的樣本數(shù)量和因子得分平均值（表3）。

圖5 R型系統(tǒng)聚類譜系

圖6 Q型系統(tǒng)聚類譜系

表3 聚類因子平均得分統(tǒng)計

類別I主要受因子4控制，類別II主要受因子1和因子2控制，大部分樣本被歸為類別I（22個樣本）和類別II（13個樣本），說明大部分地下水化學成分主要受碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物風化，含鐵錳礦物風化，含氟礦物風化和陽離子交換作用的影響，這與因子得分的空間分布情況基本一致。類別IV包括T1、T11、T12、T13和T14共5個樣本，集中在通州北部的宋莊、永順一帶，主要受因子3控制，表明北部地區(qū)部分地下水受農(nóng)業(yè)污染的影響。類別III包括T37、T38、T39共3個樣本，主要受因子1和因子4的控制，類別V包含T7、T45共2個樣本，主要受因子2和因子4控制。類別III和類別V包含的樣本數(shù)量較少，主要代表某些異常樣本，與某些礦物元素的局部富集有關。

3 討論

本研究中，通過因子分析確定的因子2、因子3和因子4分別反映了鐵錳元素、氨氮和氟元素對地下水的污染。郭高軒等[1]曾利用通州區(qū)151個淺、中、深不同層位的地下水樣品進行了分層質(zhì)量評價，發(fā)現(xiàn)：由淺到深，均有地下水樣品超過了III類水標準，地下水超標組分主要為TDS、硬度、氨氮、氟化物和總鐵元素。本研究中的地下水樣品的水質(zhì)檢測結(jié)果及通過因子分析得出的結(jié)論與前人研究成果基本一致。藍天杉等[2]通過巖土礦物測試，并利用離子之間的比值關系分析了通州區(qū)潛水發(fā)生的水巖相互作用，結(jié)果表明，研究區(qū)存在大量的伊蒙脫礦物，水巖相互作用時常有鈣鈉交替吸附現(xiàn)象發(fā)生。本次研究通過Gibbs圖及因子分析方法，同樣發(fā)現(xiàn)了研究區(qū)地下水中出現(xiàn)了陽離子交替的吸附作用。劉永清[3]分析了北京市通州區(qū)第四系地下水中氟元素的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)氟離子濃度超標的地區(qū)主要分布在通州東部、南部及西部地區(qū)，且在垂直方向向上的濃度分布具有不同的表現(xiàn)形式，認為第四系地下水中氟濃度超標主要是由于原生性的氟濃度富集的地質(zhì)原因引起的。這與本次研究通過因子分析得出的氟離子的空間分布及成因等結(jié)論基本一致。通州區(qū)第四系地層沉積厚度較厚，依據(jù)含水層的分布特征，在垂向上由淺至深可以將含水層分為4層。由于本次研究取樣數(shù)量有限，不足以分層分析各含水層水化學指標在統(tǒng)計上的規(guī)律性及水化學成因。因此，未來的研究應針對4層含水層分別進行取樣分析，且每層含水層取樣數(shù)量上應有所保證，分析各層含水層水化學組分空間分布及其具體成因。

4 結(jié)論

通州區(qū)第四系淺層地下水以HCO3-Ca.Mg型為主，深層地下水以HCO3-Na型為主，主要由礦物風化作用和陽離子交換作用所形成。

因子分析共提取了4個公因子，累計方差占總方差的85.45%。因子1代表鹽度因子，反映了碳酸鹽、硅酸鹽礦物風化過程；因子2代表鐵錳污染因子，反映了富含鐵錳元素的礦物的風化作用；因子3代表農(nóng)業(yè)污染因子，反映了人類農(nóng)業(yè)活動對地下水的影響；因子4代表氟化物污染因子，反映了含氟礦物的風化及陽離子交換反應。因子空間得分顯示，因子1、因子2和因子4在通州區(qū)全區(qū)普遍存在，因子3主要分布在通州北部宋莊、永順一帶。

R聚類分析將指標分為4類，第一類包括EC、TDS、SO42-、TA、HCO3-、Mg2+、Cl-、TH、K++ Na+；第二類包括F-和pH值；第三類包括NH4+、CODMn、NO3-；第四類包括Fe、Mn、Ca2+、Zn。R型系統(tǒng)聚類的結(jié)果與因子分析的結(jié)果基本一致。Q型聚類分析表明，大部分樣品主要受因子1、因子2、因子4的影響，少部分樣品受因子3的影響，這與因子空間得分情況基本一致。

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Hydrochemistry of Groundwater in Quaternary Aquifers in Tongzhou of Beijing and the Underlying Determinants

WANG Xiaosong,LI Baoxue*,LI Yang,JIANG Xin,JIANG Chenxiang,GAO Jian
(Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering,Beijing 100048,China)

Groundwater in quaternary aquifers in Tongzhou of Beijing is a main water supply source to the region.Though it has been intensively studied over the past decades,there is a lack of understanding of its hydrochemistry and the underlying determinants.The purpose of this paper is to fill this knowledge gap.【Method】A total 45 water samples were collected from boreholes up to the depth of 300m; their biochemistry and the underlying determinants were analyzed using the piper diagram,Gibb’s diagram and cluster analysis.【Result】The shallow groundwater was HCO3-Ca.Mg type and the deep water was HCO3-Na type.Factor analysis extracted four common factors,and the cumulative variance accounted for 85.45% of the total variance.The results of cluster analysis were consistent with the factor analysis.Factor 1 represents salinity,associated with the weathering of carbonate and silicate minerals.Factor 2 represents pollution of iron and manganese,associated with the weathering of minerals rich in iron and manganese.Factor 3 represents agricultural pollution,associated with agricultural production and agronomic practices.Factor 4 represents fluoride,associated with the weathering of minerals rich in fluorine and cation exchange.Groundwater in the north of the region was affected mainly by agricultural production and agronomic practices.Overall,combined with cation exchange,the weathering of carbonate and silicate minerals,as well as minerals rich in iron,manganese and fluoride modulated the groundwater hydrochemistry in the studied region.

hydrochemistry; groundwater; quaternary aquifers; Tonhzhou; Beijing

2021-05-08

王小松（1982-），男。高級工程師，主要從事水文地質(zhì)及水化學方面的研究。E-mail: wangxiaosong6560@126.com

李寶學（1991-），男。工程師，主要從事水文地質(zhì)及水化學方面的研究。E-mail:libaoxue8@126.com

1672 - 3317（2022）03 - 0092 - 07

P641

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021190

王小松, 李寶學, 李陽, 等. 北京通州區(qū)第四系地下水化學特征及成因分析[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(3): 92-97, 104.

WANG Xiaosong, LI Baoxue, LI Yang, et al. Hydrochemistry of Groundwater in Quaternary Aquifers in Tongzhou of Beijing and the Underlying Determinants[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 92-97, 104.

責任編輯：韓 洋