河北涉縣東風湖泉域地下水化學特征分析

趙崇欽，張志飛，李曉彤，陳顯玉，孟 洋，康 瑋

1.河北地質大學 a.水資源與環境學院 b.地球科學學院，河北 石家莊 050031；2.河北省地質環境監測院，河北 邯鄲 056001

巖溶水普遍分布于中國，總面積大概是344×104km2，其中最大的巖溶區分布于中國西南，北方主要分布在華北地臺[1]。我國巖溶水總資源量約2 039×108m3/a，而北方巖溶水資源量為108.8×108m3/a大約占5.3%。雖然北方巖溶水占比小，但是多以埋深型為主，主要有集中程度高、水位埋深大、調節能力強三大特征[2-3]。但是隨著時間推移，受人類、工業、氣候影響，導致水資源匱乏，水質逐步惡化等問題，故對該泉域進行地下水化學特征分析，找到影響因素十分有意義[4-5]。

多元統計方法普遍應用于研究地下水化學特征，能夠揭示不同水樣間離子組分相似性，對于大樣本的變量也可以很好地簡化，找到其中主要變量，顯示之間的關聯[6-7]。相比于其他傳統方法，多元統計有著自己獨特優勢，對于研究地下水水化學組分形成規律，已經取得不錯的成果。本文將運用多元統計方法對研究區泉域水化學特征及演變規律進行詳細分析。

社交網絡分析方法是用于研究變量之間親疏關系的一種分析方法，把每個節點視為一個變量，每個變量之間的聯系用線連接起來[8]。社交網絡分析普遍應用于多學科，但是用于研究地下水化學特征方面較少，其原理和多元統計中聚類分析類似，本文將用該方法對涉縣東風湖泉域地下水離子組分相關性進行研究，探究該泉域水化學場變化規律。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

河北省邯鄲市涉縣東風湖泉域坐落于涉縣與黎城縣(山西省長治市東北部)毗鄰地帶，泉域主要分布在涉縣范圍內，占地面積644 km2。東風湖泉域氣候類型為暖溫帶大陸性季風氣候，降雨量主要集中在6—8月份，年均降雨量約578.7 mm，主要河流為清漳河，貫穿整個研究區。

研究區地勢西北高、東南低，其泉域地貌在河流侵蝕、氣候等因素作用下比較復雜多樣，山峰連綿且層層堆疊，巖石高聳，懸崖峭壁危峰兀立，河谷盆地多，故有利于修建水庫。該區內斷裂聚集于東部，西北部少見斷裂帶，其中以涉縣大斷裂為主，該斷裂北東走向，傾角為65°～80°，斷層上部是古生界奧陶系灰巖，下部是古生界寒武系黃綠色頁巖，具有張性特點。

區內出露地層由于長期上升剝蝕缺失嚴重，以古生界、奧陶系(O)為主[9]。寒武系(∈)主要分布在清漳河兩岸，其巖性主要有頁巖、泥灰巖等，總厚度大概為380 m，奧陶系下統(O1)在區內廣泛出露，但奧陶系中統(O2)主要分布于中北部及盆地地區，其巖性主要有白云巖、灰巖、角礫巖等，其厚度大約為445 m。其補給區主要分布于西北部，由北向南徑流受涉縣斷裂的阻水在茨村一帶以泉形式排泄。主要含水巖組為碳酸巖類巖溶裂隙含水巖組，由寒武系和奧陶系構成，多分布于涉縣向斜和山間盆地之中，富水性較好[10]。

1.2 數據收集

2019年6月對其研究區野外取樣，從上游補給區到下游排泄區沿地下水徑流方向共采集了14個巖溶水樣，送往河北省地質環境監測院進行檢測。檢測分析項目有：PH、HCO3-、CO32-、Ca2+、Na+、K+、Mg2+、CL-、SO42-、TDS等等，本次采樣地點圖見圖1。

圖1 采樣點分布圖

1.3 研究方法

聚類分析(HCA)是把樣本或變量根據其間的相似程度劃分歸類的統計方法[11]。其中又分為Q型聚類分析和R型聚類分析，一個針對樣本，一個針對變量，本次將按照平方歐氏距離方法對涉縣東風湖泉域地下水化學組分采取R型聚類分析[12]。

社會網絡分析(SNA)是探究事物之間的相關系的集合，是許多結點與點之間的連線所構成的集合[13]。這個結點沒有具體的表示，可以為人也可以為一個物體或者是一個變量，可以通過點之間的連線疏密發現之間的聯系[14]。本次通過Ucinet軟件對研究區水化學組分HCO3-、Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-七大離子以及TDS、總硬度、PH根據之間相關性進行社會網絡分析。

因子分析(FA)主要特點就是把繁多復雜的樣品、變量轉變為由幾個主要因子去表示總樣本所表達的信息量，且這些選出的主因子之間互不影響[15-18]。按照分析目標的不一致，又分Q型與R型，其中Q型為分析樣品之間聯系，R型是分析變量間的聯系[19]。本次將采用R型因子分析揭示影響泉域地下水化學特征的關鍵因素。

2 數據結果及分析

2.1 地下水化學特征

從表1可知，研究區地下水中陽離子以Ca2+為主，其次是Mg2+，陽離子均值含量為：Ca2+>Mg2+>Na+>K+，其中Ca2+和Mg2+均值分別為90.79 mg/L、24.07 mg/L，且兩者的變異系數都很小，說明Ca2+、Mg2+很穩定，在空間分布上變化不大。陰離子以HCO3-為主，其次是SO42-，陰離子均值含量為：HCO3->SO42->CL-，其中HCO3-均值為263.05 mg/L，且變異系數很小，不容易受外界因素影響。故HCO3-、Ca2+、Mg2+為涉縣東風湖泉域地下水主要陰、陽離子。K+、Na+、CL-的變異系數較大，變異系數在0.68～1.55之間，說明容易受外部條件影響、極其不穩定，在空間分布上變異性大，其含量是判斷地下水是否發生鹽巖溶濾作用的關鍵因素。TDS介于290～650 mg/L之間，由北向南遞增，其中研究區北部補給區和中部山區地帶水質的TDS值較小，在290～450 mg/L之間，在茨村排泄區一帶TDS達到最大，在500～650 mg/L之間。PH值在7.43～7.98之間，表明在研究區范圍內地下水呈弱堿性。

表1 地下水化學參數統計特征

圖2 水化學類型圖

由圖2看出，HCO3-Ca·Mg為東風湖泉域主要水化學類型，巖溶地下水化學成分的形成作用主要是巖溶作用。工作區巖溶水含水介質為海相碳酸鹽巖沉積地層，主要礦物成分為方解石、白云石、石膏等，因此巖溶裂隙地下水中主要化學成分為：HCO3-、Ca2+、Mg2+。故根據研究區補給區、徑流區和排泄區地下水化學分布特征，以及在垂向上不同含水層組地下水化學的特征，地下水化學特征主要受補給條件較好、徑流途徑短、長期溶濾作用所決定，地下水的礦化度和水化學類型差別都不大，礦化度在290～650 mg/L之間，水化學類型主要為HCO3-Ca·Mg型或HCO3-Ca型。

2.2 聚類分析

用SPSS 22.0軟件對研究區水化學組分HCO3-、Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-七大離子以及TDS、總硬度、PH進行R型聚類分析。依照圖3，橫坐標為組間距離0～25，縱坐標為水化學組指標變量，當距離為15時可分為兩大類。

第I類：由Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-以及TDS、總硬度組成，按照距離5又可以分為兩個小類i和ii，第i類是Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-以及TDS，說明這幾個指標相關性好，其中Na++K+和CL-在距離小于5時又合為一類，表示Na++K+和CL-主要來自巖鹽的溶濾，可能還有部分陽離子交換而來的，而Mg2+和SO42-主要是來自白云巖、石膏等含Mg2+和SO42-礦物的溶解，同時這些指標也影響著該區域TDS變化，故這些指標分在i小類中。第ii類是Ca2+和總硬度，說明Ca2+與總硬度關系密切，總硬度以(CaCO3)分級，<150 mL為軟水、150～300 mL為微硬水、300～450 mL為硬水、>450 mL為極硬水。

第II類：當距離為10以上，由HCO3-、PH組成第II類，相關性較好，這兩者主要是參與地下水中酸堿演化，受大氣降水影響較大，故HCO3-、PH與別的離子指標分為兩大類。

圖3 水化學組分聚類分析樹形圖

2.3 社會網絡分析

本次通過Ucinet軟件對研究區地下水水化學組分HCO3-、Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-以及TDS、總硬度、PH進行社會網絡分析，首先構造一個n*n矩陣：

根據地下水化學組分之間相關性進行二值化處理，把相關性緊密的化學組分賦值為1，其余賦值為0。把二值化處理后的矩陣通過Netdraw生成可視化社交網絡圖譜，見圖4。

圖4 地下水化學組分網絡分析圖譜

從圖4可知，社交網絡圖譜把地下水化學組分分為兩大類，一類以Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-以及TDS、總硬度為主，結點之間的連線表示兩個元素之間的關聯，Ca2+與SO42-、總硬度、TDS之間的連線，表明Ca2+與這三種元素有關聯，Ca2+與SO42-大部分都是來自于含硫酸鹽礦物，如石膏(CaSO4·2H2O)溶解，同時總硬度分級又取決于Ca2+、Mg2+含量，TDS與其他幾類水化學組分都存在連接線，并且為中心結點，表明TDS值受這些離子含量影響，所包含的離子種類含量越大，TDS值也就越大。另一類則是PH、HCO3-，說明這兩個結點之間相關性好，總體與上述聚類分析樹形圖分類一致，證明了聚類分析的準確性。

2.4 因子分析

本次運用SPSS 22.0對研究區水樣點進行R型因子分析，根據KMO(kaiser - meyer - olkin)值0.806和Bartlett’s Test of Sphericity球形檢驗值0.00，表明適用于因子分析。得出地下水化學組分相關矩陣(表2)，選取兩個主因子，累計方差貢獻率為88.86%，代表了總體變量的88.86%(表3)。為了更進一步解釋主因子對地下水化學成分的影響，使其影響因子高的更高，低的更低，按照最大方差法旋轉，得到旋轉成分矩陣(表4)。

從因子分析建立數學模型可知，主因子F1由K+、Na+、Mg2+、CL-、HCO3-、TDS這些指標組成，該方差貢獻率是51.129%，其中K+、Na+、Mg2+、CL-與F1體現正相關，且因子載荷在0.69～0.92之間，表明地下水在徑流途中主要發生了鹽巖溶濾作用，溶解含水層中NaCl巖鹽、碳酸鹽等礦物，并且隨著地下水中Ca2+、Mg2+含量增加，發生陽離子交換，Ca2+、Mg2+置換出巖鹽礦物中的Na+，導致水中Na+、CL-富集，TDS值增大。F1和HCO3-表現負相關，表明酸堿演化、碳酸演化影響該區域地下化學特征，隨著大氣降水使其CO2和重碳酸根水解出H+含量減少，地下水緩慢呈現弱堿性。

主因子F2以Ca2+、SO42-、PH這些指標組成，方差貢獻率是37.731%，其中Ca2+、SO42-、TDS與F2體現正相關，且因子載荷在0.78～0.96之間，表明了地下水主要發生了硫酸鹽礦物的溶解作用，在涉縣、河南店鎮一帶徑流區水化學類型主要為HCO3-Ca，到了排泄地帶茨村轉變HCO3SO4-CaMg，主要由于徑流區水動力強而到排泄區地勢平緩水流滯緩，硫酸鹽礦物如石膏(CaSO4·2H2O)水解后，在下游地帶推積。F2則和PH表現出負相關，體現了補給區酸堿演化，大氣降水入滲補給后，稀釋地下水中CO2，使其該研究區水樣PH值在7～8之間，為弱堿性。

表2 地下水化學組分相關系數矩陣

表3 相關矩陣特征值和累積方差貢獻率

表4 旋轉因子載荷矩陣

3 結論

(1)研究區水化學類型以HCO3型水為主，其含水介質主要為海相碳酸鹽巖沉積地層，經過溶濾作用使地下水中陽離子以Ca2+、Mg2+為主，且HCO3-、Ca2+、Mg2+變異系數很小，不容易受外界因素影響，水化學類型在空間分布規律上變化不大。

(2)通過聚類分析和社會網絡分析找到地下水離子組分之間的相關性，泉域地下水離子組分為兩類，第I類主要表明了鹽巖溶濾與陽離子交換作用：由Ca2+、Na++K+、Mg2+、CL-、SO42-以及TDS、總硬度組成，第II類主要是地下水中酸堿演化作用：由HCO3-、PH組成。

(3)通過R型因子分析，揭示了影響研究區水化學特征的主要因素。其水化學特征一方面以K+、Na+、Mg2+、CL-、HCO3-、TDS為主的鹽巖溶濾、陽離子交換以及酸堿演化作用所控制；另一方面以Ca2+、SO42-、PH為主硫酸鹽礦物溶解作用所影響。