樣品采集與測試

2011年10月3日至11月27日在研究區(qū)進(jìn)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(jìn)行現(xiàn)場測試水溫、pH和電導(dǎo)率,并在中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西測試研究所進(jìn)行水質(zhì)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(jié)果分析

面對大量的水化學(xué)分析數(shù)據(jù),數(shù)理統(tǒng)計方法相對其他方法具有更為快捷地認(rèn)識地下水水化學(xué)成分特征及演化規(guī)律的優(yōu)勢。因此本文選擇數(shù)理統(tǒng)計方法中的描述性分析、相關(guān)性分析、主成分分析,利用SPSS軟件,對地下水中的常量離子進(jìn)行統(tǒng)計分析。

1.描述性分析

對研究區(qū)162件水樣的水化學(xué)成分進(jìn)行統(tǒng)計特征值分析(表1)。分析結(jié)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(qū)內(nèi)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(xué)參數(shù)的變異系數(shù)都較渭河以南大,表明渭河以北地下水的水化學(xué)性質(zhì)在空間上變異性大。受地形地貌、含水層介質(zhì)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(shù)相對較小,說明它們在地下水中的含量相對比較穩(wěn)定。(5)地下水中Cl-、SO42-的變異系數(shù)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(guān)性分析

相關(guān)分析是研究隨機(jī)變量之間相關(guān)關(guān)系的一種統(tǒng)計方法,用于判斷變量之間是否存在依存關(guān)系,并探討具有依存關(guān)系變量的相關(guān)方向以及相關(guān)程度,揭示各個變量相似相異度及來源的一致性、差異性。當(dāng)相關(guān)系數(shù)r>0時,呈正相關(guān);r<0時,呈負(fù)相關(guān);當(dāng)|r|=1時,稱為完全相關(guān);當(dāng)0.7<|r|<1時,稱為高度線性相關(guān)或強(qiáng)線性相關(guān);當(dāng)0.4<|r|<0.7時,稱為顯著線性相關(guān);0<|r|<0.4時,稱為低度線性相關(guān);當(dāng)r=0時,完全不相關(guān)。各個變量相關(guān)性顯著,說明具有相似的形成機(jī)制或相同的來源方式[13]。本文利用SPSS統(tǒng)計軟件,計算關(guān)中盆地淺層地下水的Person相關(guān)系數(shù),相關(guān)系數(shù)均通過顯著性雙尾檢驗,結(jié)果見表2。從表2可以看出,渭河以南地區(qū)Mg2+和HCO3-有很好的相關(guān)性,Na+、Ca2+和Cl-、SO42-,Mg2+和Cl-有顯著的相關(guān)性;渭河以北地區(qū)Na+、Mg2+和Cl-、SO42-具有很好的相關(guān)性,Ca2+和HCO3-呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。整個研究區(qū)地下水中總?cè)芙庑怨腆wTDS與Mg2+、Cl-、SO42-之間相關(guān)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(guān)。表明在渭河以南地區(qū)主要以風(fēng)化-溶濾的物理化學(xué)作用為主,渭河以北地區(qū)主要是以蒸發(fā)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(guān)關(guān)系的變量,轉(zhuǎn)換成比較少的彼此之間不相關(guān)的綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計方法[10]?；驹頌槔媒稻S的思想,將多個變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)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(guān),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(yīng)用到水化學(xué)成分特征及形成機(jī)理的研究時,可在原始大量水化學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,將多個變量綜合轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)幾個因子,然后再對這幾個因子變量進(jìn)行解釋,賦予它們真正的水文地質(zhì)意義。本文通過對研究區(qū)162個水化學(xué)樣本進(jìn)行主成分分析,根據(jù)因子貢獻(xiàn)率的百分比確定主因子個數(shù)(表3)。以便可以從本質(zhì)上抓住影響地下水水化學(xué)成分形成特征及機(jī)理的主要作用與因素。本文利用統(tǒng)計軟件SPSS計算關(guān)中盆地淺層地下水的因子貢獻(xiàn)率、旋轉(zhuǎn)后的因子載荷值,分析結(jié)果見表3-表5。在進(jìn)行主成分分析的過程中,根據(jù)特征值累積方差貢獻(xiàn)率,在渭河以南和以北地區(qū)選取的主因子個數(shù)為3和2,累積方差貢獻(xiàn)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(xiàn)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(xué)成分的影響。第二主因子F2的方差貢獻(xiàn)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(xiàn)率為13.819%,主要是由Na+和SO42-組成,反映了蒸發(fā)鹽溶濾作用對地下水化學(xué)成分的影響。渭河以北第一主因子F1的方差貢獻(xiàn)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(fā)鹽溶解作用對地下水化學(xué)成分的影響。第二主因子F2的方差貢獻(xiàn)率為19.003%,主要是Na+和Cl-組成,反映了蒸發(fā)濃縮作用對地下水化學(xué)成分的影響。

4.地下水化學(xué)特征的水文地球化學(xué)機(jī)理

由描述性分析可知,地下水中的Cl-、SO42-的含量受環(huán)境影響比較大,以蒸發(fā)濃縮作用影響為主,同時工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活污水的排放也會引起Cl-、SO42-濃度升高;在渭河以北地區(qū),地下水化學(xué)類型除受蒸發(fā)濃縮和人類活動影響外,渭北煤田水的補(bǔ)給,也會造成地下水中硫酸鹽濃度的增加[14]。由相關(guān)性分析、主成分分析可知,渭河以南地區(qū)水文地球化學(xué)形成作用主要是以礦物溶解為主,渭河以北地區(qū)主要是以礦物溶解和蒸發(fā)作用為主。在渭河以南靠近秦嶺山區(qū),地下水還接受南部山區(qū)孔隙水的補(bǔ)給,加上本區(qū)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(fēng)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(qū),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(fā)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(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū),水文地球化學(xué)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(fā)生溶解[15]。

結(jié)論

(1)關(guān)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(wěn)定。(2)因淺層地下水埋深較淺,水循環(huán)路徑比較短,水化學(xué)特性受環(huán)境因素影響較高。其中,Cl-、SO42-含量變化較大,是隨環(huán)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(qū)水文地球化學(xué)作用主要以風(fēng)化-溶濾作用為主,渭河以北地區(qū)主要是以礦物溶解和蒸發(fā)濃縮作用為主。（本文圖、表略）