關(guān)中盆地淺層地下水水文地球化學(xué)分布規(guī)律研究

關(guān)中盆地淺層地下水水文地球化學(xué)分布規(guī)律研究

摘要：收集了關(guān)中盆地162個(gè)淺層地下水水化學(xué)分析數(shù)據(jù)，采用描述性分析、相關(guān)性分析和主成分分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)水化學(xué)成分的分布特征與形成作用進(jìn)行研究。結(jié)果表明：研究區(qū)淺層地下水中陰離子以HCO3-為主，渭河以南地下水中陽(yáng)離子以Ca2+為主，渭河以北以Na+為主，在地下水中，HCO3-、Ca2+、Mg2+含量比較穩(wěn)定，Cl-、SO42-含量變化較大，屬于隨環(huán)境變化的敏感因子。渭河南北地區(qū)地下水水化學(xué)場(chǎng)的形成作用有所差異，南部地區(qū)以風(fēng)化-溶濾作用為主，北部地區(qū)以礦物溶解和蒸發(fā)濃縮作用為主。該成果可為區(qū)域水資源的可持續(xù)利用及環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：關(guān)中盆地；淺層地下水；水文地球化學(xué)；數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析；分布規(guī)律

中圖分類號(hào)：P641.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16721683（2013）03014205

地下水化學(xué)成分的時(shí)空分布、演變規(guī)律、形成作用和控制因素的研究，是水文地球化學(xué)的基本研究任務(wù)[1]。通常采用的研究方法有野外調(diào)查取樣分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、水文地球化學(xué)模擬等三大類[210]。而對(duì)于大量數(shù)據(jù)的區(qū)域性規(guī)律總結(jié)，數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)關(guān)中盆地區(qū)域，遵循突出重點(diǎn)區(qū)域原則，采取水樣162個(gè)，運(yùn)用描述性分析、相關(guān)性分析、主成分分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)淺層地下水水化學(xué)成分特征及其形成作用進(jìn)行了研究。

1研究區(qū)概況

關(guān)中盆地位于陜西省中部，西起寶雞，東至潼關(guān)，南依秦嶺，北靠北山，是一個(gè)三面環(huán)山、東西敞開(kāi)的盆地。盆地東西長(zhǎng)約360km，南北寬窄不等，面積約1.9×104km2。地形自山區(qū)向盆地中心呈階梯狀降落，西部海拔700～800m，東部最低為325m。降水量由南向北遞減，年降雨量530～1000mm，蒸發(fā)量1000～1200mm。

關(guān)中盆地為新生代斷陷盆地，南側(cè)以秦嶺褶皺帶為界，北側(cè)以北山為界，東端受黃河排泄，使地下水與汾河流域切斷聯(lián)系，成為一個(gè)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元[11]。盆地內(nèi)潛水主要受控于3個(gè)含水巖組：沖積砂、砂礫卵石層孔隙含水巖組；洪積砂、砂卵石、亞黏土孔隙含水巖組；風(fēng)積黃土孔隙裂隙含水巖組。由于地下水賦存、補(bǔ)給、徑流、排泄條件的差異，關(guān)中盆地可劃分為三個(gè)天然的水文地質(zhì)分區(qū)：渭河以南山前洪積扇與黃土臺(tái)塬水文地質(zhì)區(qū)、渭河沖積平原水文地質(zhì)區(qū)和渭河以北山前洪積扇與黃土臺(tái)塬水文地質(zhì)區(qū)[1112]。

2樣品采集與測(cè)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(jiàn)圖1。對(duì)全部水樣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試水溫、pH和電導(dǎo)率，并在中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西測(cè)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(cè)試；Ca2+、Mg2+采用EDTA滴定法測(cè)試；SO42-、Cl-采用離子色譜法測(cè)定；HCO3-、CO32-采用酸堿滴定法測(cè)定。

3研究方法與結(jié)果分析

面對(duì)大量的水化學(xué)分析數(shù)據(jù)，數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法相對(duì)其他方法具有更為快捷地認(rèn)識(shí)地下水水化學(xué)成分特征及演化規(guī)律的優(yōu)勢(shì)。因此本文選擇數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法中的描述性分析、相關(guān)

圖1關(guān)中盆地地下水取樣位置分布

Fig.1DistributionofgroundwatersamplesintheGuanzhongBasin

性分析、主成分分析，利用SPSS軟件，對(duì)地下水中的常量離子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.1描述性分析

對(duì)研究區(qū)162件水樣的水化學(xué)成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征值分析（表1）。表1關(guān)中盆地地下水水化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)特征值

3.2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(jì)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(gè)變量相似相異度及來(lái)源的一致性、差異性。當(dāng)相關(guān)系數(shù)r>0時(shí)，呈正相關(guān)；r<0時(shí)，呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)|r|=1時(shí)，稱為完全相關(guān)；當(dāng)0.7<|r|<1時(shí)，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(shí)，稱為顯著線性相關(guān)；0<|r|<0.4時(shí)，稱為低度線性相關(guān)；當(dāng)r=0時(shí)，完全不相關(guān)。各個(gè)變量相關(guān)性顯著，說(shuō)明具有相似的形成機(jī)制或相同的來(lái)源方式[13]。

本文利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，計(jì)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(guò)顯著性雙尾檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)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(gè)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。

3.3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(jì)方法[10]?；驹頌槔媒稻S的思想，將多個(gè)變量轉(zhuǎn)化表2關(guān)中盆地地下水水化學(xué)成分相關(guān)系數(shù)矩陣

3.4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(shí)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活污水的排放也會(huì)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(dòng)影響外，渭北煤田水的補(bǔ)給，也會(huì)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(yáng)離子交換，致使水中的Na+富集。地下水在入滲、徑流過(guò)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]。

其主要作用機(jī)理可以用如下化學(xué)反應(yīng)來(lái)解釋。

（1）水解。

CaCO3+CO2+H2O→Ca2++2HCO3-（1）

CaMg（CO3）2+2CO2+2H2O→Ca2++Mg2++4HCO3-（2）

CaSO4·2H2O→Ca2++SO42-+2H2O（3）

2NaAlSi3O8（鈉長(zhǎng)石）+2H2CO3+9H2O→

Al2Si2O5（OH）4（高嶺土）+2HCO3-+2Na++4H2SiO42-（4）

2KAlSi3O8（鉀長(zhǎng)石）+11H2O→Al2Si2O5（OH）4（高嶺土）+2K++2OH-+4H4SiO4（5）

4KMg3AlSi3O10（OH）2（黑云母）+28CO2+30H2O→2Al2（Si2O5）（OH）4（高嶺土）+8H4SiO4+4K++12Mg2++28HCO3-（6）

（2）陽(yáng)離子交換。

Ca2+（水）+2Na+（巖石）→Ca2+（巖石）+2Na+（水）（7）

Mg2+（水）+2Na+（巖石）→Mg2+（巖石）+2Na+（水）（8）4結(jié)論

（1）關(guān)中盆地淺層地下水中陰離子是以HCO3-為主，陽(yáng)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(duì)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。

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