基于圖表及統計方法的水化學綜合分析

楊在文，李 曉，付 梅，王美芳

(成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

紅層是以陸相沉積為主的碎屑沉積巖層，巖性以砂、泥巖為主，其形成條件的獨特性，具有特殊的工程性質。研究紅層工程區的水化學特征，可以加深對該區水文地質條件的認識，有助于擬建工程項目的實施。在水化學分析方法中，應用有效的圖表及多元統計方法對具有相同特征的水化學分析樣進行分類，這是描述水化學特征的非常重要的方法［1］。本文結合某紅層研究區自然地理特征、地質及水文地質條件，應用圖表及聚類分析方法，綜合分析該區的水化學特征，對相似工程地區的水化學特征分析具有借鑒意義。

1 研究區自然地理概況

研究區位于四川省樂山市境內，屬中亞熱帶濕潤氣候區，多年平均降水量為1 317.3 mm，降雨多集中在6～9月，年平均蒸發量 920.7 mm，多年平均氣溫 14.1℃ ～17.1℃。該區位于青衣江支流安順河左岸的一級階地上，安順河支流蓮花溝在階地東南面接入主流。研究區受北東向構造體系控制，附近地形以構造剝蝕地形為主。區內以安順河為界，左岸地勢向河流逐漸降低，由中低山過渡到一級階地;右岸為中山地貌，巖壁較為陡峭。

2 研究區地質條件

研究區出露地層包括第四系(Q4)及白堊系的夾關組(K2j)、灌口組(K2g)地層(圖1)。第四系以坡殘積層粉質粘土為主，夾細砂和碎石，頂部有少量沖積物漂石、卵石，分布于安順河左岸緩坡，由南向北逐漸變厚。灌口組(K2g)主要為泥質粉砂巖與粉砂質泥巖互層，見少量溶蝕孔洞。夾關組(K2j)地層主要為鈣質巨厚層狀細砂巖，夾粉砂巖。區內為一向斜構造，由西南向東北斜穿研究區;該向斜褶曲寬闊，兩翼產狀大體對稱，傾角均在5°～15°之間。

3 水文地質條件

研究區內主要發育松散巖類孔隙水、淺層風化帶網狀裂隙水及層間裂隙水。其中松散巖類孔隙水主要發育于安順河級階地及坡腳處，淺層風化網狀裂隙水在區內廣布，層間裂隙水主要發育在構造有利部位。安順河左岸地區在西南方向地勢較高處接受大氣降雨補給，形成淺層風化裂隙水，另有部分下滲形成層間裂隙水，兩者皆向南岸河階地或安順河直接排泄;階地發育松散巖類孔隙水一方面接受大氣降雨補給，同時接受裂隙水補給，其后向安順河排泄。河流右岸區域由于地形陡峭，接受大氣降雨補給后，多以面流方式向安順河直接排泄，部分形成網狀風化裂隙水，隱伏向南岸河排泄。

圖1 研究區地質簡圖

4 水化學特征分析

4.1 水化學采樣及分析結果

本次在研究區共采樣12件，其中包括地表水樣3件、泉水樣1件及鉆孔水樣8件;采樣位置如圖2所示。所有水樣都進行水化學簡分析，相關分析結果見表1。

圖2 研究區水化學采樣位置圖

從水化學分析結果(表1)可知:區域地下水與地表水化學特征具有相似性。水化學pH值在7.58～8.32之間，屬弱堿性;礦化度在229～524 mg/L，為中低濃度淡水;水化學類型為HCO3－Ca(Mg)型。水化學樣品各指標之間的相關關系見表2。

表1 水化學簡分析結果

從離子相關性表中可以看出:各指標之間相關性較好的有 K+—SO42－、Ca2+—HCO3－—TDS兩組。前者相關性較好，有兩種可能:一是地層中含鉀礦物影響，二是受到農業鉀肥的污染;后三者相近是由于紅層地區砂巖含石膏等碳酸鹽礦物且多為鈣質膠結;Ca2+及HCO3－為主要水化學離子。

4.2 水化學分類分析

對不同的水化學點的水化學指標進行統計分類，有助于深刻了解研究區的水化學特征。常用的方法包括圖表法及多元統計分析。圖表方法包括Piper三線圖、Durov圖、Collins條形圖及Schoeller圖等，統計分析方法包括分層聚類、模糊綜合聚類及主成分分析等。這里選用水化學 Durov圖［2］及分層聚類分析法［3，5］對研究區水化學數據進行分類;選用的指標包括主要陰陽離子。

Durov使用軟件 Aquachem3.7生成，結果如圖 3所示。分層聚類分析使用 SPSS15.0分析軟件進行，根據相關經驗首先選取Z－Scores法進行數據標準化［4］，使得變量的影響權重相同;利用 Euclidean Distance定義各樣本間的距離，采用Ward’s方法對樣本進行逐一歸類［5］。結果以樹形譜系圖的形式表示，如圖4。

表2 水化學指標相關矩陣

圖3 研究區水化學Durov圖

圖4 研究區水化學聚類分析樹狀圖

從圖3中，可以看出所有水化學樣品陽離子均以Ca2+為主，陰離子以 HCO3－為主，兩個地表水樣的硫酸根離子含量較高。從圖4中可知以距離18為界，水化學樣可以分為兩個大組，其中S03與ZK7為Ⅱ組，位置處于安順河右岸;其余樣品為Ⅰ組。第Ⅰ組水樣主要位于安順河左岸;除 Q02與ZK6極其相近外，其余相互距離都較遠;第Ⅰ組水樣可以進一步分為四個小組，如圖4所示。

將圖3與圖4相對比，可以看出圖表方法可以提供可視的、容易理解的水樣化學組成信息;然而當其被單獨使用時會受到嚴重的限制。在水化學特征相近的地區，聚類分析結果比圖表分析結果可讀性更強。

基于上述分析結果，能夠看出:安順河河水與其他水樣水化學特征有一定差別，這與上游環境對河流水化學特征影響有關;S03與ZK7受地形因素影響，徑流途徑較短，礦化度低，同時受地層因素影響，使兩者與安順河左岸水化學特征相差較大。水化學聚類分析結果表明安順河左岸各鉆孔之間水化學特征有一定相關性;同時由于第四系地層成分具有復雜性，使各鉆孔水化學特征產生差別;泉水 Q02與 ZK6皆位于夾關組砂巖地層，巖性單一、徑流途徑短，使兩者水化學特征極其相近。

5 結語

(1)研究區受到自然地理及地質條件的控制，水化學特征具有共性，地表及地下水均為弱堿性淡水，水化學類型為HCO3－Ca(Mg)型，Ca2+及 HCO3－為主要水化學離子。(2)在水化學特征較為相似的地區，聚類分析結果比圖表分析結果具有更強的可讀性。

(3)安順河受到上游的影響，水化學特征與地下水相比有較大不同;安順河右岸水化學特征受地形控制，明顯區別于左岸;由于第四系成分的復雜性，左岸水化學特征相互之間也存在一定差別。

［1］C Güler，GD Thyne，JE McCray，KA Turner. Evaluation of graphical and multivariate statistical methods for classification of water chemistry data.Hydrogeology Journal(2002)10:455–474.

［2］孫亞喬，錢會等.基于矩形圖的天然水化學分類和水化學規律研究［J］.地球科學與環境學報.2007，29(1):75－76.

［3］于靜，賈疏源，呂端甫等.雅礱江某水電站壩址左岸江水水化學特征研究［J］. 礦物巖石.2004，(02):112－116.

［4］韓勝娟.SPSS聚類分析中數據無量綱化方法比較［J］.科技廣場.2008，(03):229 －231.

［5］秦松柏，歐陽正平，程天舜.分層聚類分析在水文地球化學分類中的應用［J］.地下水.2008，(01):22 －23.