數(shù)理統(tǒng)計在環(huán)境水文地球化學(xué)研究中的應(yīng)用

宋大禹

摘 要：環(huán)境水文地球化學(xué)主要的研究對象就是水文地球化學(xué)活動，在人們?nèi)粘Ｉ钪袝Φ叵滤幕瘜W(xué)成分形成有一定影響，甚至讓地下水出現(xiàn)變質(zhì)現(xiàn)象，而環(huán)境水文地球化學(xué)研究主要就是對化學(xué)環(huán)境的變化進(jìn)行研究和評價。而在環(huán)境水文地球化學(xué)研究中有效應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計已經(jīng)成為當(dāng)前主要的技術(shù)手段之一，其能夠?qū)⒌叵滤幕瘜W(xué)反應(yīng)充分表現(xiàn)出來，對水文化學(xué)數(shù)據(jù)做出相關(guān)分析。本文結(jié)合某地區(qū)地下水樣品化學(xué)分析的數(shù)據(jù)，采用樹立統(tǒng)計方法對該地區(qū)的環(huán)境水文地球化學(xué)信息進(jìn)行分析，并結(jié)合自然地理、水文地質(zhì)環(huán)境等因素對環(huán)境水文地球化學(xué)特征進(jìn)行闡述，以供借鑒。

關(guān)鍵詞：樹立統(tǒng)計；研究；環(huán)境水文地球化學(xué)；分析

對于一個城市的開發(fā)來說，做好該地區(qū)環(huán)境水文地球化學(xué)的分析是非常重要的，也是城市發(fā)展的重要依據(jù)，而怎樣花費(fèi)最小的財力，在最短的時間內(nèi)完成該項(xiàng)工作，獲取有關(guān)該地區(qū)環(huán)境水文地球化學(xué)信息，是當(dāng)前環(huán)境科學(xué)研究者重要的研究課題。本文主要以杭州某地區(qū)作為實(shí)例，采用數(shù)理統(tǒng)計方法對該地區(qū)所取得的先關(guān)化學(xué)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有效利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)，結(jié)合地質(zhì)條件、自然地理以及水文地質(zhì)等條件，研究環(huán)境水文化學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)。

1 地下水化學(xué)成分特征分析

在該地區(qū)中總共采集地下水樣品總計15個，為了和鄰近地區(qū)地下水中的化學(xué)成分作對比，在鄰近區(qū)域也采集了地下水樣品4個，然后做化學(xué)數(shù)據(jù)分析。從分析中得出，在該地區(qū)地下水化學(xué)成分中，主要的陽離子以鈉離子和鈣離子為主，而陰離子主要是碳酸氫根，水成分中礦化度比較高，和沉積層水中所含有的化學(xué)成分是一樣的。鄰近地區(qū)地下水中的化學(xué)成分，其中陽離子主要是鈣離子和鈉離子，而陰離子也是碳酸氫根。從兩個區(qū)域的地下水樣對比來看，該地區(qū)地下水中含有的陽離子和陰離子，以及鐵離子、錳離子、礦化度都要比鄰近地區(qū)高。從國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)來看，該地區(qū)地下水中的鐵離子嚴(yán)重超標(biāo)，高達(dá)5倍以上，而猛則超標(biāo)12倍以上。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因就是環(huán)境因素所導(dǎo)致的沉積物增多。

2 地下水化學(xué)分析統(tǒng)計

2.1 聚類分析

在聚類分析中，主要采用的是統(tǒng)計量系數(shù)，將變量分成四群。在第一群中，鈉離子和氯離子有明顯的關(guān)系，和該地區(qū)地下水流域情況一致，再將該地區(qū)地理環(huán)境因素考慮在其中，還有兩次海侵，該地區(qū)地下水中鈉離子和氯離子的含量比較高，和這有直接關(guān)系。同時，耗氧量、碳酸氫根離子和鈉離子、氟離子以及鉀離子有明顯關(guān)系，所以說地下水中的三個變量和海侵是有直接聯(lián)系的。在第二群中，地下水礦化度和鎂離子、鉀離子以及鈣離子都有關(guān)，在分析粘土樣品中的熒光差熱之后，證實(shí)該地區(qū)土質(zhì)是鈣質(zhì)蒙脫石粘土，和蒙脫石粘土質(zhì)巖石中的化學(xué)成分相似。這也反映出地下水中所含有的陽離子成分的化學(xué)成分和含水粘性土本身化學(xué)成分關(guān)系密切。該地區(qū)地下水中含有硫酸根離子含量高，從地質(zhì)資料中證實(shí)本地區(qū)沒有出現(xiàn)過硫酸鹽礦物，從而明確地下水化學(xué)成分會受到海水的影響，從地下水中的硫酸根離子和鎂離子得出，水中化學(xué)成分和海相成因中的沒硫酸鹽礦物溶解關(guān)系較大。在第三群中，能夠明確錳離子和銨根離子有直接關(guān)系，證實(shí)地下水中銨根離子是在地球化學(xué)作用下形成的。在第四群中，主要是鐵和硝酸離子組成，也進(jìn)而說明該去地下水中二氧化碳離子和其他離子有明顯關(guān)系。

2.2 因子分析

通過聚類分析，我們己經(jīng)初步了解了地下水中各離子之間的關(guān)系，為了深入研究控制地下水化學(xué)成分的主要因素，作者對同一批數(shù)據(jù)又進(jìn)行了R型因子分析。R型因子分析是從各特征系數(shù)的相關(guān)矩陣出發(fā)，進(jìn)行特征值分析，求出主因子載荷矩陣，為了達(dá)到最簡結(jié)構(gòu)，經(jīng)方差極大旋轉(zhuǎn)，得到方差極大因子解，數(shù)據(jù)是特征系數(shù)大于0.4給予保留，小于0.4的剔除。相關(guān)矩陣的前六個特征值累計百分比為89.70%，因此前六個主因子，可提取原始數(shù)據(jù)變化的89%以上的信息。

其中硝酸離子占主導(dǎo)，說明地下水中鐵的含量隨硝酸離子的增加而增加，與聚類分析中的第四群相吻合。通過聚類分析和因子分析，已了解了地下水中各離子之間的關(guān)系，以及各種離子組合對整個地下水化學(xué)組成的貢獻(xiàn)。

2.3 對應(yīng)分析

為了更加合理地評價地下水及其成因，進(jìn)一步了解樣品與各離子成分間的關(guān)系，再對同一批數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)分析。計算的結(jié)果表明（表1），前三個特征值，占總方差的85.25%，說明前三個主因子是控制本區(qū)地下水化學(xué)成分形成的主要因素，因此前三個特征值，可以近似地代表整批個數(shù)據(jù)的變化。

3 本區(qū)鐵錳異常的成因

通過數(shù)理統(tǒng)計分析，比較清楚地知道了控制本區(qū)地下水化學(xué)成分的主要因素是含水粘性土本身的溶解溶濾作用，以及地史時期中的海水入侵，這就為本區(qū)地下水中鐵錳超標(biāo)的原因提供了依據(jù)。根據(jù)前人的研究表明，進(jìn)入巖石圈的鐵錳比例為50：1，而在河口、湖泊環(huán)境中鐵錳富集的比例要低一些，據(jù)統(tǒng)計，約有95%溶解鐵和24～25%的溶由此可以推測，地下水中和土壤中主要來自有機(jī)氮，不僅可以增加膠體的穩(wěn)定性，同時也可與鐵離子形成有機(jī)結(jié)合物穩(wěn)定地存在于地下水中。解錳在河口地區(qū)沉淀，分析本區(qū)的古地理環(huán)境，在沉積本區(qū)含水粘性土?xí)r，正處在河口、湖泊環(huán)境，因此便有大量的鐵錳沉淀下來。

結(jié)束語

采用數(shù)理統(tǒng)計方法來研究環(huán)境水文地球化學(xué)，能夠?qū)⒌叵滤瘜W(xué)反應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)直接反應(yīng)出來，通過本文的研究，能夠得到以下結(jié)論，該地區(qū)的地下水化學(xué)組成受到了水黏性土巖性控制，同時所表現(xiàn)出來的地下水地球化學(xué)特征也受到了地下水含水黏性土礦物的影響，特別是溶解溶濾作用，還有含水粘性土中所帶有的黏土礦物，其對地下水中的陽離子交換所產(chǎn)生的吸附作用結(jié)果。同時，還得出海侵對地下水化學(xué)成分也有較大的影響。、此外，該地區(qū)地下含水粘性土本身也會導(dǎo)致地下水中含有鐵錳離子，因?yàn)楹承酝林泻胸S富的有機(jī)質(zhì)，所以才出現(xiàn)這種情況?？傊?，在將數(shù)理統(tǒng)計有效應(yīng)用在環(huán)境水文地球化學(xué)中是可以的推廣應(yīng)用的。

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