車馬碧引水隧洞近場區(qū)水文地球化學(xué)特征及成因淺析

黃靜，肖先煊，許模，李兆峰

（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)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，成都 610059）

河流與地下水為全球水循環(huán)的重要組成部分，對人類生活生產(chǎn)活動發(fā)揮著至關(guān)重要的作用（解晨驥等，2012）。地下水是地球上分布廣泛、數(shù)量豐富的淡水資源，尤其是巖溶地下水，為1/4 的世界人口提供了水源，僅中國就有1 億多人口（Ghasemizadeh et al.，2012），但隨著人類科技和國民經(jīng)濟(jì)的不斷提升，對地下的探索不斷加深，我國現(xiàn)已有90%地下水資源受到了輕重不同的污染（張文平，2018）。

地下水水化學(xué)研究對研究水體水化學(xué)的演化過程及影響因素有著重要的意義，是水文地質(zhì)學(xué)與水文地球化學(xué)的重要研究內(nèi)容（王曉曦等，2014）。自然水體在循環(huán)過程中，會與周遭巖石、大氣、生物等進(jìn)行極其復(fù)雜的物質(zhì)和能量交換，所以水化學(xué)組分在一定程度上能夠反映自然水體的歷史演變過程（劉再華，1992；章光新等，2006；Lucaset et al.，2010）。此外，人類的工業(yè)活動、農(nóng)業(yè)活動及排放的城市生活廢水都會對水化學(xué)組分的形成演化產(chǎn)生影響（張軍以等，2014）。

如今，已有許多學(xué)者對地下水化學(xué)特征及離子組分來源進(jìn)行了研究。張春潮等（2021）利用三姑泉域巖溶地下水水化學(xué)測試數(shù)據(jù)對主要離子組分特征及水化學(xué)類型進(jìn)行分析研究；王忠亮等（2021）通過分析淶源北盆地地下水的氫氧穩(wěn)定同位素及氘盈余值特征，揭露了其地下水的補(bǔ)給來源及徑流途徑；唐金平等（2019）對巴中北部巖溶山區(qū)地下水化學(xué)特征及演化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其演化過程均受水-巖作用和陽離子交替吸附作用的控制；劉江濤等（2018）對沁河沖洪積扇淺層地下水的演化進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)巖石風(fēng)化溶解作用及蒸發(fā)作用對地下水離子組分產(chǎn)生了重要影響；Ji Liu 等（2020）通過分析平頂山煤田巖溶地下水水化學(xué)特征及演化過程發(fā)現(xiàn)其離子組分主要來自碳酸鹽巖、硅酸鹽礦物和石膏的溶解，陽離子交換及人類農(nóng)業(yè)、礦業(yè)等活動也對離子組分來源產(chǎn)生了影響;Wenping Mu 等（2021）對紅堿淖湖盆地地下水化學(xué)特征的研究認(rèn)為該流域下Ca2+、Mg2+和SO42-主要來自方解石、白云石、石膏等碳酸鹽巖的溶解，K++Na+主要來源于長石的溶解和陽離子交換作用;袁建飛等（2016）對畢節(jié)市北部巖溶地下水化學(xué)特征及成因的研究表明主要離子來源除了水-巖作用，人類活動的影響同樣重要，主要表現(xiàn)為人類采煤活動、農(nóng)業(yè)施肥及生活污水排放等。且現(xiàn)有的研究體系也較為成熟，方法主要有統(tǒng)計分析、piper 三線圖（張睿東等，2021）、Gibbs 模型圖（林聰業(yè)等，2021；鄭哲文等，2021）、PHREEQC（張敏等，2022）、氯堿指數(shù)（彭紅霞等，2021）、離子比例系數(shù)（王瑞和李瀟瀚，2021）、離子相關(guān)性分析及因子分析（楊芬等，2021）等，為研究地下水化學(xué)特征及成因機(jī)制提供思路。

車馬碧水庫引水隧洞于2017 年底開始施工，施工疏排水導(dǎo)致近場區(qū)地下水位快速下降，改變了區(qū)內(nèi)地下水流場，導(dǎo)致周邊井、泉、龍?zhí)陡珊?、河流斷流（周人杰等?016），持續(xù)地下水枯竭會引發(fā)馬龍區(qū)用水困難、水質(zhì)惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題，還會觸發(fā)地面塌陷、沉降等地質(zhì)災(zāi)害問題。因此，開展研究區(qū)水文地球化學(xué)特征及地下水成因機(jī)制的分析極為重要。本論文基于現(xiàn)場巖溶水文地質(zhì)調(diào)查、取樣和室內(nèi)測試，對離子組分及水化學(xué)形成過程進(jìn)行深入分析，為該區(qū)地下水環(huán)境及飲用水安全提供借鑒。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

馬龍區(qū)位于牛頭山古隆起的北側(cè)，烏蒙山脈南部，屬云貴高原的滇東北丘陵區(qū)，整體地勢東南高峻，中間山谷、丘陵，四周環(huán)山，河流縱橫，具有山多谷不深的特點(diǎn)。氣候?qū)俚途暩咴撅L(fēng)型氣候，冬春干旱，夏秋濕潤，年平均降雨量1 000 mm 以上，雨季為每年的6～8 月，日照充足，年平均日照超過1985小時，城區(qū)年均氣溫為13.4℃，蒸發(fā)強(qiáng)烈，相關(guān)研究表示，曲靖市為干旱頻發(fā)地區(qū)（龔艷冰等，2015）。研究區(qū)內(nèi)出露的地層有第四系、泥盆系、志留系和寒武系，巖溶水為研究區(qū)最主要的地下水類型（圖1）。碳酸鹽巖型巖溶水主要賦存于寒武系下統(tǒng)龍王廟組（∈1l）；碳酸鹽巖與碎屑巖互層型巖溶水賦存于志留系上統(tǒng)廟高組（S3m）和關(guān)底組（S3g1、S3g2）、寒武系中統(tǒng)雙龍?zhí)督M（∈2s）和陡坡寺組（∈2d）；裂隙水賦存于泥盆系下統(tǒng)西囤組（D1xt）和西山村組（D1x）、志留系上統(tǒng)玉龍寺組（S3y）、寒武系下統(tǒng)滄浪鋪組（∈1cw、∈1ch）；孔隙水賦存于第四系堆積物。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要有北東向和北西向兩組共9 條斷裂，其中北東向斷裂有四旗田-法戛大斷層、小白坡斷層、大瓦倉斷層、下營斷層、竹園斷層，北西向斷層有黃土坡斷層、土官寨斷層、高枧槽斷層、大龍?zhí)稊鄬印^(qū)內(nèi)地層分布破碎，多有小型巖溶泉出露。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)簡圖及采樣點(diǎn)分布圖

研究區(qū)內(nèi)裸露型巖溶區(qū)地下水主要接受大氣降水的直接補(bǔ)給，在覆蓋和埋藏區(qū)同時接受上覆第四系孔隙水就地補(bǔ)給，其余地區(qū)接受大氣降水入滲補(bǔ)給。地下水總體從四周向中部徑流，繼而匯聚進(jìn)入馬龍河水系排泄，同時也以泉的形式進(jìn)行集中排泄。研究區(qū)內(nèi)地下水水位埋深較淺，引水隧洞基本處在地下水位以下，隧洞施工對地下水存在較大影響（圖2）。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖（A-A’剖面）

2 水化學(xué)及同位素特征研究

本次研究涉及泉點(diǎn)、井點(diǎn)和支洞施工排水等地下水點(diǎn)及地表水點(diǎn)，共采集39 組水樣，選取其中33組進(jìn)行水化學(xué)測試，其中包括17 個泉水、4 個井水、4 個河溝水、1 個水庫水以及7 個引水隧洞支洞排水。同時，從水化學(xué)的33 組樣品中抽取22 組進(jìn)行氫氧同位素測定。泉水樣品中，除了SA103、SA107、SA110 和SB108 為裂隙水以外，其余均為巖溶水。采樣時間為2021 年9 月，樣品的采集和儲存遵循《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法水樣的采集與保存》（GB/T5750.2-2006）。采樣點(diǎn)位置如圖1。

2.1 水化學(xué)特征

將33 組水樣劃分為地下水、地表水及支洞施工排水三類，各類水樣測試結(jié)果見表1。由表可知，pH平均值為7.69，基本呈弱堿性，地下水樣與地表水樣的pH 值均值相差不大，支洞水樣的pH 值最大為10.1，均值為8.2，這與開挖支洞活動有關(guān)?？?cè)芙夤腆w（TDS）均值為398.71 mg/L，支洞水樣的含量最高，地表水次之，說明支洞抽水及地表水更容易受污染及蒸發(fā)濃縮作用。此外，所有水樣TDS 均值明顯高于世界均值100 mg/L，反映出研究區(qū)內(nèi)劇烈的水-巖作用，且總硬度最大值為561 mg/L，均為淡水。

表1 研究區(qū)水點(diǎn)水化學(xué)成分測試結(jié)果表

絕大部分水樣陽離子濃度關(guān)系為Ca2+＞Mg2+＞K++Na+，陰離子濃度關(guān)系為HCO3-＞SO42-＞Cl-。地表水的Cl-、K++Na+含量均值偏高，地下水中S01、S10、SA103、SA106 的Cl-、K++Na+含量明顯高于均值，可能是受人類耕植活動所使用的鉀肥、復(fù)合肥等通過入滲作用下滲到地下水的影響。

由表1 可知，在相似補(bǔ)徑排條件下，支洞水樣的SO42-含量與區(qū)內(nèi)地下水相比明顯偏高，但其余離子含量相差不大，這是由于研究區(qū)內(nèi)引水隧洞工程施工抽排地下水時，在隧洞軸線地區(qū)形成了新的排泄基準(zhǔn)面，地下水順層徑流并在此處排泄，導(dǎo)致周圍地區(qū)地下水水位下降，尤其是隧洞軸線以南地區(qū)，在此過程中，地下水受到污染，支洞水樣各離子濃度受到不同程度的影響。引水隧洞運(yùn)營后，支洞停止抽排地下水，周邊地區(qū)地下水水位回升并逐漸消除隧洞施工時所產(chǎn)生的影響，支洞抽水點(diǎn)的地下水SO42-含量與區(qū)內(nèi)其他水點(diǎn)的差異也逐漸恢復(fù)正常。

變異系數(shù)（Cv）可用來反映地下水化學(xué)組成影響因素的復(fù)雜程度，Cv≤0.1 為弱變異性，0.1＜Cv≤1為中變異性，Cv＞1 為強(qiáng)變異性。從表1 可以看出，地下水點(diǎn)和地表水點(diǎn)各參數(shù)中Cl-、SO42-為強(qiáng)變異性，反映了影響這兩個陰離子組成的因素較為復(fù)雜，可能受人類污染的影響較大，支洞水點(diǎn)各參數(shù)中pH 值為弱變異性，其余為中變異性。

2.1.1 主要離子相關(guān)性分析

利用SPSS 軟件對研究區(qū)內(nèi)水點(diǎn)中的主要離子進(jìn)行pearson 相關(guān)性分析，可判別其離子間的一致性和差異性，計算結(jié)果見表2。由表可知，研究區(qū)內(nèi)TDS與Ca2+、Mg2+、SO42-呈高等相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.928、0.841 和0.842，其次為Na++K+和Cl-，相關(guān)系數(shù)分別為0.567 和0.527，說明Ca2+、Mg2+、SO42-是TDS 形成的決定性因素，其次受Na++K+和Cl-的影響。Ca2+和Mg2+、Mg2+和HCO3-呈顯著的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.766 和0.443，且Ca2+和HCO3-的相關(guān)系數(shù)為0.203，說明它們來源相似，可能來源于研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖的溶解作用。Ca2+和SO42-的相關(guān)系數(shù)為0.885，表明這兩種離子可能均來源于石膏的溶解作用。此外，Na++K+和Cl-的相關(guān)系數(shù)0.959，具有極高的相關(guān)性，說明這兩者有可能具有相同的離子來源，可能受蒸發(fā)鹽巖的溶解作用控制。

表2 研究區(qū)內(nèi)水點(diǎn)主要離子相關(guān)性分析結(jié)果表

2.1.2 水化學(xué)類型

Piper 三線圖是用于判別地下水水化學(xué)類型及水化學(xué)成分演化的基本手段。利用軟件Aqua Chem 3.70 并根據(jù)所有水樣中主要離子的含量繪制Piper 三線圖，結(jié)果如圖3。陽離子圖中，大部分水點(diǎn)靠近Ca2+和Mg2+端元，這些離子是水溶解白云巖和灰?guī)r的結(jié)果。陰離子圖中，大部分地下水點(diǎn)靠近HCO3-端元，地表水點(diǎn)和支洞水點(diǎn)受人類活動的影響，落點(diǎn)較為分散。

圖3 研究區(qū)內(nèi)所采水樣Piper 三線圖

如表3 所示，研究區(qū)地下水點(diǎn)的主要化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg 型，占比為55%，主要出露在以白云巖、灰?guī)r為主的寒武系中統(tǒng)雙龍?zhí)督M（∈2s）、寒武系下統(tǒng)龍王廟組（∈1l）；其次為HCO3-Ca 型，占比為25%，主要出露在以灰?guī)r為主的志留系上統(tǒng)廟高組（S3m）、關(guān)底組第一段（S3g1）；HCO3-Ca·Na型、SO4·HCO3-Ca·Mg 型、HCO3·SO4-Ca·Mg 型、HCO3·SO4·Cl-Ca·Na·Mg 型各占5%。由此可知，地下水點(diǎn)的化學(xué)類型受下伏地層的巖性的影響較大。

表3 研究區(qū)地下水水化學(xué)類型統(tǒng)計表

表4 主成分分析因子分析荷載矩陣

地表水點(diǎn)的主要化學(xué)類型為HCO3-Ca 型，占比為40%；HCO3-Ca·Mg 型、SO4·Cl-Na·Ca 型、HCO3·Cl·SO4-Ca·Na·Mg 型各占20%。支洞水點(diǎn)的主要化學(xué)類型為SO4-Ca·Mg 型，占比為33.3%；HCO3-Ca·Mg 型、SO4·Cl-Ca 型、HCO3·SO4-Ca·Mg 型、SO4·HCO3-Ca·Mg 型各占16.7%，水化學(xué)類型受支洞施工的影響較大。

2.2 氫氧同位素結(jié)果分析

氫氧同位素是分析水體補(bǔ)給來源的有效手段。研究區(qū)內(nèi)地下水δD 值在-87.33‰～-66.39‰，δ18O值在-11.93‰～-8.67‰，平均值分別為-76.25‰和-10.4‰。氘盈余值（d-excess）用于反映大氣降水在蒸發(fā)-冷凝過程中的同位素分餾程度，計算公式為：d=δD-8δ18O。經(jīng)計算，區(qū)內(nèi)d 值在8.08‰～7.6‰，均值為6.96，均小于大氣降水的d 值，說明區(qū)內(nèi)地下水徑流途徑較長，速度較慢，在含水層中的滯留時間長，水-巖的氧同位素交換程度較高。依據(jù)研究區(qū)內(nèi)各水點(diǎn)的同位素測試結(jié)果，做δD-δ18O 關(guān)系圖（圖4）。

圖4 地下水樣δD-δ18O 關(guān)系圖

從圖中可以看出，研究區(qū)內(nèi)地下水點(diǎn)在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€（LMWL）附近，表明大氣降水是主要補(bǔ)給來源，但降水線的斜率和截距明顯小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，說明并不全是大氣降水直接補(bǔ)給，還有由儲存在巖溶裂隙、孔隙內(nèi)受水-巖-氣作用時間較長的大氣降水進(jìn)行補(bǔ)給，且受蒸發(fā)濃縮作用的影響程度不同。區(qū)內(nèi)水點(diǎn)大部分落在當(dāng)?shù)亟邓€的左下方，個別水點(diǎn)落在當(dāng)?shù)亟邓€的右上方，δD 和δ18O 富集，出現(xiàn)明顯的氧漂移現(xiàn)象，并離大氣降水線較遠(yuǎn)，說明其蒸發(fā)濃縮作用強(qiáng)烈。

3 形成機(jī)制分析

3.1 水-巖作用

Gibbs 模型圖能夠清楚地反映水體受蒸發(fā)、大氣降水和水巖作用控制的趨向性，這對分析水化學(xué)成因有著重要作用。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)所有水點(diǎn)的Gibbs 圖（圖5）可知，所有水點(diǎn)TDS 范圍為111～867mg/L，且Na+/（Na++Ca2+）和Cl-/（Cl-+HCO3-）的比值絕大多數(shù)小于0.5，說明水巖作用主導(dǎo)了水化學(xué)組分的形成，少部分地表水向蒸發(fā)結(jié)晶控制區(qū)延伸，受到了一定的蒸發(fā)控制作用。所有水點(diǎn)有向右部偏移至圖形外的趨勢，且TDS 與Cl-/（Cl-+HCO3-）的關(guān)系圖顯示支洞水點(diǎn)SB102 和地表水點(diǎn)SB109 落在控制區(qū)域外，說明該地區(qū)水體受到人類活動一定程度的影響。

圖5 研究區(qū)水樣Gibbs 圖

研究區(qū)水體Mg2+/Na+與Ca2+/Na+、HCO3-/Na+與Ca2+/Na+毫克當(dāng)量濃度比值關(guān)系可用來反映各巖體對水體內(nèi)溶質(zhì)的影響。由圖6 可知，絕大部分水點(diǎn)落在碳酸鹽巖與硅酸鹽巖風(fēng)化端元之間，但更偏向碳酸鹽巖端元，說明碳酸鹽巖溶解的控制作用大于硅酸鹽巖風(fēng)化的控制。支洞水點(diǎn)SB102 和地表水點(diǎn)SB109 內(nèi)水體受硅酸鹽巖風(fēng)化作用更明顯，在HCO3-/Na+與Ca2+/Na+毫克當(dāng)量濃度比值關(guān)系圖中，由于SB102 水體內(nèi)HCO3-離子含量極少，與SB109 的落點(diǎn)存在差距。

圖6 研究區(qū)水體Mg2+/Na+與Ca2+/Na+、HCO3-/Na+與Ca2+/Na+毫克當(dāng)量濃度比值圖

3.2 溶濾作用

通過PHREEQC 軟件計算出的礦物飽和指數(shù)（SI）可以反映出礦物的溶解和沉淀現(xiàn)象，計算結(jié)果見圖7。SI＞0 為溶解飽和狀態(tài)，SI＜0 為溶解未飽和狀態(tài)。由圖7 可知：①石膏、硬石膏、鹽巖的SI 值均小于0，說明這些礦物處于溶解未飽和狀態(tài)，會產(chǎn)生溶解現(xiàn)象；②地表水樣中方解石和白云石的SI 值均大于0；③地下水樣中有25%水點(diǎn)的方解石SI 值小于0、有30%水點(diǎn)的白云石SI 值小于0，其余水點(diǎn)的方解石和白云石SI 值均大于0，處于溶解飽和狀態(tài)。

圖7 研究區(qū)水體方解石、白云石、石膏、硬石膏、鹽巖與TDS 相關(guān)關(guān)系

巖溶含水層中方解石、白云石、石膏溶解時發(fā)生的反應(yīng)如下：

p·CaCO3+p?H2O+p?CO2=p?Ca2++2p?HCO3-

n·CaMg(CO3)2+m·Ca2+=m·Mg2++2mCaCO3↓

n·CaSO4·2H2O=n·Ca2++n·SO42-+2n·H2O

裂隙含水層中鈉長石、鉀長石溶解時發(fā)生的反應(yīng)如下：

2NaAlSi3O8（鈉長石）+2H2CO3+9H2O→Al2Si2O5(OH)4（高嶺石）+2Na++2HCO3-+4H2SiO4

2KAlSi3O8（鉀長石）+11H2O→Al2Si2O5(OH)4（高嶺石）+2K++2OH-+4H2SiO4

利用水體中主要離子之間的毫克當(dāng)量濃度比值關(guān)系也可以用來推斷各離子主要來源，具體見圖8。從圖8（a）中可以看出，水點(diǎn)基本位于1∶1 線上表明碳酸鹽巖與石膏的風(fēng)化溶解是Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-的主要來源，部分地表水和地下水水點(diǎn)位于1∶1 線稍下方，說明Ca2+、Mg2+不足以平衡HCO3-、SO42-的毫克當(dāng)量濃度，存在其他來源，考慮人類活動。圖8（b）顯示大部分水點(diǎn)位于1∶1 線稍下方，表明Na+、Cl-主要來源為鹽巖（NaCl）的溶解，但Cl-的毫克當(dāng)量濃度不足以平衡Na++K+，考慮硅酸鹽中鉀離子和鈉離子的溶解，同時由于陽離子交替吸附作用，隨著Ca2+、Mg2+濃度的減小，Na+和K+濃度會增加。地表水點(diǎn)SA117 和SB109 的水樣因取自農(nóng)田附近的溪溝，地下水點(diǎn)SA103 的水體也長期用于農(nóng)業(yè)灌溉，故離子毫克當(dāng)量濃度較高，落在圖的右上部分。圖8（c）顯示大部分位于1∶1 線上方，表明碳酸鹽巖的溶解占優(yōu)勢，部分支洞水點(diǎn)與地表水點(diǎn)由于其SO42-與Cl-毫克當(dāng)量濃度較高，落在1∶1 線下方，且偏離程度較高。綜合圖8（a）至圖8（c）分析，人類工農(nóng)業(yè)活動對地表水點(diǎn)及支洞水點(diǎn)的離子毫克當(dāng)量濃度存在一定程度的影響。

圖8 主要離子關(guān)系圖

Ca2+與Mg2+的毫克當(dāng)量關(guān)系常用來指示主要溶解的碳酸鹽礦物。從圖8（d）中可以看出少部分水點(diǎn)落在1∶1 附近，以白云石為主要溶解的碳酸鹽巖礦物，但大部分在2∶1 至3∶1 附近，表明方解石的溶解更加顯著。

3.3 陽離子交替吸附作用

水巖作用中的陽離子交替吸附活動也是影響水體離子組分的重要方式，可利用氯堿指數(shù)（chlor alkali index，CAI）來反映陽離子交替作用是否參與水化學(xué)演變過程當(dāng)氯堿指數(shù)即CAI-1（公式-1）和CAI-2（公式-2）為負(fù)數(shù)時，表示Ca2+與Mg2+和吸附于巖石表面的Na+和K+發(fā)生交替作用（公式-3），Na+和K+含量增加，Ca2+與Mg2+因發(fā)生沉淀導(dǎo)致其含量減少；當(dāng)氯堿指數(shù)為正數(shù)時，即發(fā)生逆向的陽離子交替吸附作用（公式-4），Ca2+與Mg2+含量增加。同時利用（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）與（Na++K+-Cl-）比值關(guān)系來反映陽離子交替作用是否明顯，若兩者呈負(fù)相關(guān)，且斜率約為-1，則表示陽離子交替吸附作用在水體形成過程中起到了重要的作用。

圖9（a）顯示，除SA117 和SB105 的氯堿指數(shù)為正值，進(jìn)行了反向的離子交換過程外，其余水點(diǎn)的氯堿指數(shù)均為負(fù)值，說明研究區(qū)內(nèi)水體主要發(fā)生Ca2+與Mg2+和Na+和K+進(jìn)行交換的活動，從而使得Na+和K+含量增大，Ca2+與Mg2+的含量減小。同時，圖9（b）顯示，絕大部分水點(diǎn)的Na++K+-Cl-大于0，并基本分布在斜率為-1.01 的趨勢線左右，極個別水點(diǎn)發(fā)生偏離，但偏離程度不高，可能受到外來物源的影響?？傮w上，陽離子交替吸附作用在陽離子形成演化過程中起到了重要的作用。

圖9 氯堿指數(shù)（CAI）統(tǒng)計圖（a）和（Na++K+-Cl-）與[（Ca2++Mg+）-（HCO3-+SO42-）]關(guān)系圖（b）

3.4 主成分分析和因子分析

利用SPSS 對主要離子成分進(jìn)行主成分分析和因子分析，選取特征值大于1 且累計貢獻(xiàn)率大于80.76%的2 個主要因子進(jìn)行分析。由于各因子的含義不夠明確，采用Varimax 最大正交旋轉(zhuǎn)法對其初始因子荷載矩陣進(jìn)行25 次的正交旋轉(zhuǎn)，使各因子荷載值向兩極端靠近，得到分類明確的因子，旋轉(zhuǎn)后的荷載矩陣見表3。因子1 的方差貢獻(xiàn)率為44.31%，與Ca2+、Mg2+、SO42-的相關(guān)性顯著，代表白云石、方解石、石膏等碳酸鹽巖的溶解；因子2的方差貢獻(xiàn)率為36.45%，與Na++K+、Cl-的相關(guān)性強(qiáng)，代表硅酸鹽（鈉長石、鉀長石等）及鹽巖礦物（如NaCl、KCl 等）的溶解。

不同巖性的溶解作用對各個變量的貢獻(xiàn)率可通過各因子荷載的平方除以方差來計算。碳酸鹽溶解對研究區(qū)內(nèi)Ca2+的方差貢獻(xiàn)率為96.3%，硅酸鹽和鹽巖溶解的占比很少，貢獻(xiàn)率為3.7%；Mg2+的方差貢獻(xiàn)者幾乎全是碳酸鹽的溶解，貢獻(xiàn)率為99.49%；SO42-的方差中，兩個因子均有參與貢獻(xiàn)，因子1 的貢獻(xiàn)率約為75.4%，因子2 約為24.75%；硅酸鹽和鹽巖對Na++K+的方差貢獻(xiàn)率為92.88%，碳酸鹽溶解較少，貢獻(xiàn)率為7.1%；硅酸鹽和鹽巖、碳酸鹽Cl-的方差與Na++K+的方差相似，貢獻(xiàn)率分別為93.96%和5.89%；碳酸鹽、硅酸鹽和鹽巖對HCO3-的方差貢獻(xiàn)率分別為35.76%和64.3%，由于碳酸鹽中的1/2 的HCO3-來源于大氣降水，剩下的17.88%為碳酸鹽本身含有的，而硅酸鹽的全部來源于大氣CO2，鹽巖基本不消耗大氣CO2，故水體中的HCO3-有82.12%來自大氣降水。通過以上分析可計算得出碳酸鹽對水體化學(xué)組分的貢獻(xiàn)率為44.44%，硅酸鹽和鹽巖的貢獻(xiàn)率為15.41%，大氣降水的貢獻(xiàn)率為40.17%。

事實(shí)上，用主成分分析和因子分析的方法對三大鹽類在水化學(xué)成分中貢獻(xiàn)率的定量分析還是存在一定誤差，主要體現(xiàn)在對各成分的提取率都未達(dá)到100%，提取出的2 個因子不能完全代表三大鹽類。此次定量分析更多是體現(xiàn)了三大鹽類對水化學(xué)成分貢獻(xiàn)程度的大小。

4 結(jié)論

根據(jù)以上對研究區(qū)地下水化學(xué)特征及成因的分析結(jié)果，得出如下認(rèn)識：

（1）研究區(qū)內(nèi)所有水樣pH 平均值為7.69，基本呈弱堿性；TDS 均值為398.71 mg/L，最大硬度為561 mg/L，均為淡水。陽離子濃度關(guān)系為Ca2+＞Mg2+＞K++Na+，陰離子濃度關(guān)系為HCO3-＞SO42-＞Cl-。Na++K+、Cl-、SO42-含量異常的水點(diǎn)受人類農(nóng)業(yè)活動及工業(yè)活動（隧洞施工）的影響較大，受污染程度較強(qiáng)。各離子參數(shù)中，地下水點(diǎn)和地表水點(diǎn)的Cl-、SO42-為強(qiáng)變異性，支洞水點(diǎn)的pH 值為弱變異性，其余為中變異性。研究區(qū)地下水點(diǎn)的主要化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg 型，占比為55%；其次為HCO3-Ca 型，占比為25%。地下水的化學(xué)類型與所處地層的巖性息息相關(guān)。地表水點(diǎn)的主要化學(xué)類型為HCO3-Ca 型，占比為40%。支洞水點(diǎn)的主要化學(xué)類型為SO4-Ca·Mg 型，占比為33.3%。分析氫氧同位素測試結(jié)果可知，大氣降水是研究區(qū)內(nèi)水體的主要補(bǔ)給來源。

（2）Gibbs 圖顯示，水巖作用在水化學(xué)組分中占主導(dǎo)地位，其次為蒸發(fā)作用。此外，人類活動對水化學(xué)組分也有一定程度上的影響。不同巖石端元圖顯示，碳酸鹽巖與硅酸鹽巖為參與水-巖作用的主要巖石。SI 值表示方解石和白云石基本處于飽和溶解狀態(tài)，會產(chǎn)生微量沉淀；石膏、硬石膏、鹽巖處于溶解未飽和狀態(tài)，會產(chǎn)生溶解現(xiàn)象。氯堿指數(shù)除個別水點(diǎn)為正值外其余均為負(fù)值，表明陽離子交替吸附作用在陽離子化學(xué)組分形成過程中起到了重要作用。

（3）研究區(qū)內(nèi)水體中的Ca2+、Mg2+、SO42-是TDS 形成的決定性因素。Na++K+和Cl-的相關(guān)系性強(qiáng)，主要來自鹽巖的溶解作用，部分Na++K+來源于硅酸鹽巖中鈉長石和鉀長石的溶解作用及陽離子交替吸附作用；Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-各離子間的相關(guān)系性較強(qiáng)，主要來源于碳酸鹽巖中方解石、白云石和石膏的溶解，方解石為主要溶解的碳酸鹽巖礦物。主成分分析和因子分析結(jié)果顯示，碳酸鹽、硅酸鹽和鹽巖、大氣降水對研究區(qū)內(nèi)水體的化學(xué)組分的貢獻(xiàn)率分別為44.44%、15.41%、40.17%。表明碳酸鹽與大氣降水在水化學(xué)成分的貢獻(xiàn)程度中占主導(dǎo)地位。

（4）研究區(qū)內(nèi)地下水主要受徑流的地層巖性中巖體溶解作用的控制，基本與取樣點(diǎn)下伏地層巖性相符。泉點(diǎn)水質(zhì)整體較好，受人類活動的影響較小，但地表水和支洞抽排水的水質(zhì)受到了人類活動的一定影響，水體利用前的凈化環(huán)節(jié)應(yīng)受到重視。