樣品采集與測試

2011年10月3日至11月27日在研究區進行了野外取樣,共采取162組淺層地下水水樣,取樣位置見圖1。對全部水樣進行現場測試水溫、pH和電導率,并在中國建筑材料工業地質勘查中心陜西測試研究所進行水質全分析。其中:Na+、K+采用火焰原子吸收分光光度法測試;Ca2+、Mg2+采用EDTA滴定法測試;SO42-、Cl-采用離子色譜法測定;HCO3-、CO32-采用酸堿滴定法測定。

研究方法與結果分析

面對大量的水化學分析數據,數理統計方法相對其他方法具有更為快捷地認識地下水水化學成分特征及演化規律的優勢。因此本文選擇數理統計方法中的描述性分析、相關性分析、主成分分析,利用SPSS軟件,對地下水中的常量離子進行統計分析。

1.描述性分析

對研究區162件水樣的水化學成分進行統計特征值分析(表1)。分析結果表明,(1)渭河以南陽離子以Ca2+為主,平均值由大到小排序為Ca2+>Na+>Mg2+,渭河以北陽離子以Na+為主,平均值由大到小排序為Na+>Mg2+>Ca2+,整個研究區內陰離子都是以HCO3-為主,平均值由大到小的排序為HCO3->SO42->Cl-;(2)渭河以北水化學參數的變異系數都較渭河以南大,表明渭河以北地下水的水化學性質在空間上變異性大。受地形地貌、含水層介質和人類活動等因素的影響較大,渭河以南地下水則受影響較少;(3)渭河以北和渭河以南地下水中的TDS平均值分別為1292.81mg/L和658.45mg/L,渭河以北是渭河以南的1.96倍,渭河以北TDS絕對含量較高;(4)地下水中HCO3-、Ca2+、Mg2+的變異系數相對較小,說明它們在地下水中的含量相對比較穩定。(5)地下水中Cl-、SO42-的變異系數比較大,說明它們在地下水中含量變化較大,是隨著氣候和人類活動變化的敏感性因子,是決定地下水鹽化的主要變量。

2.相關性分析

相關分析是研究隨機變量之間相關關系的一種統計方法,用于判斷變量之間是否存在依存關系,并探討具有依存關系變量的相關方向以及相關程度,揭示各個變量相似相異度及來源的一致性、差異性。當相關系數r>0時,呈正相關;r<0時,呈負相關;當|r|=1時,稱為完全相關;當0.7<|r|<1時,稱為高度線性相關或強線性相關;當0.4<|r|<0.7時,稱為顯著線性相關;0<|r|<0.4時,稱為低度線性相關;當r=0時,完全不相關。各個變量相關性顯著,說明具有相似的形成機制或相同的來源方式[13]。本文利用SPSS統計軟件,計算關中盆地淺層地下水的Person相關系數,相關系數均通過顯著性雙尾檢驗,結果見表2。從表2可以看出,渭河以南地區Mg2+和HCO3-有很好的相關性,Na+、Ca2+和Cl-、SO42-,Mg2+和Cl-有顯著的相關性;渭河以北地區Na+、Mg2+和Cl-、SO42-具有很好的相關性,Ca2+和HCO3-呈負相關關系。整個研究區地下水中總溶解性固體TDS與Mg2+、Cl-、SO42-之間相關性較高,而在渭河以南TDS與Ca2+,渭河以北TDS與Na+高度線性相關。表明在渭河以南地區主要以風化-溶濾的物理化學作用為主,渭河以北地區主要是以蒸發濃縮作用為主。

3.主成分分析

主成分分析是將大量的彼此之間可能存在相關關系的變量,轉換成比較少的彼此之間不相關的綜合指標的多元統計方法[10]。基本原理為利用降維的思想,將多個變量轉化為少數幾個綜合變量(主成分),其中每個主成分都是原始變量的線性組合,各主成分之間互不相關,從而這些主成分能夠反映變量的絕大部分信息,且所含的信息互不重疊[10]。應用到水化學成分特征及形成機理的研究時,可在原始大量水化學數據的基礎上,將多個變量綜合轉變為少數幾個因子,然后再對這幾個因子變量進行解釋,賦予它們真正的水文地質意義。本文通過對研究區162個水化學樣本進行主成分分析,根據因子貢獻率的百分比確定主因子個數(表3)。以便可以從本質上抓住影響地下水水化學成分形成特征及機理的主要作用與因素。本文利用統計軟件SPSS計算關中盆地淺層地下水的因子貢獻率、旋轉后的因子載荷值,分析結果見表3-表5。在進行主成分分析的過程中,根據特征值累積方差貢獻率,在渭河以南和以北地區選取的主因子個數為3和2,累積方差貢獻率分別為86.338%和88.482%。由表3-表5可知,渭河以南第一主因子F1的方差貢獻率為55.258%,主要是由Ca2+、Cl-、SO42-和Mg2+組成,反映了溶濾作用和鎂鹽溶解對地下水化學成分的影響。第二主因子F2的方差貢獻率為17.261%,主要是由HCO3-和Mg2+組成,反映了碳酸鹽和硅酸鹽溶解對地下水成分的影響。第三主因子F3的方差貢獻率為13.819%,主要是由Na+和SO42-組成,反映了蒸發鹽溶濾作用對地下水化學成分的影響。渭河以北第一主因子F1的方差貢獻率為69.479%,主要是由Ca2+、SO42-、Cl-、HCO3-組成,反映了碳酸鹽、硅酸鹽和蒸發鹽溶解作用對地下水化學成分的影響。第二主因子F2的方差貢獻率為19.003%,主要是Na+和Cl-組成,反映了蒸發濃縮作用對地下水化學成分的影響。

4.地下水化學特征的水文地球化學機理

由描述性分析可知,地下水中的Cl-、SO42-的含量受環境影響比較大,以蒸發濃縮作用影響為主,同時工農業生產、生活污水的排放也會引起Cl-、SO42-濃度升高;在渭河以北地區,地下水化學類型除受蒸發濃縮和人類活動影響外,渭北煤田水的補給,也會造成地下水中硫酸鹽濃度的增加[14]。由相關性分析、主成分分析可知,渭河以南地區水文地球化學形成作用主要是以礦物溶解為主,渭河以北地區主要是以礦物溶解和蒸發作用為主。在渭河以南靠近秦嶺山區,地下水還接受南部山區孔隙水的補給,加上本區含水層以礫巖為主,其中大量的方解石、白云石和硅酸鹽等礦物的風化或水解使水中Ca2+含量不斷累積增加。渭河以北山前洪積扇前緣及塬區,含水層以砂巖為主,黏土含量比較高,有利于地下水中Ca2+與黏土中的Na+發生陽離子交換,致使水中的Na+富集。地下水在入滲、徑流過程中,從補給區至排泄區,水文地球化學作用主要是以溶濾為主,與含水層中的碳酸鹽、硅酸鹽和硫酸鹽等相互作用,發生溶解[15]。

結論

(1)關中盆地淺層地下水中陰離子是以HCO3-為主,陽離子渭河以南以Ca2+為主,渭河以北以Na+為主。HCO3-、Ca2+、Mg2+在地下水中的含量相對比較穩定。(2)因淺層地下水埋深較淺,水循環路徑比較短,水化學特性受環境因素影響較高。其中,Cl-、SO42-含量變化較大,是隨環境因素變化的敏感性因子,是決定地下水鹽化的主要變量。(3)渭河以南地區水文地球化學作用主要以風化-溶濾作用為主,渭河以北地區主要是以礦物溶解和蒸發濃縮作用為主。（本文圖、表略）