基于SPSS的廣西水庫地下水化學(xué)特征及其形成原因分析

劉國子　楊鳳根　許斌

摘要：利用多元統(tǒng)計(jì)分析軟件（SPSS）對(duì)廣西水庫地下水化學(xué)特征及其形成原因進(jìn)行了分析。通過相關(guān)分析、因子分析、聚類分析發(fā)現(xiàn)，地下水各個(gè)組分相關(guān)性較大，依存度較高。因子1、因子2、因子3中水化學(xué)類型分別為重碳酸-氯化物-鈣型水、硫酸-鎂鉀型水、硫酸-鉀鈉型水，這與舒卡列夫分類法基本一致。研究區(qū)內(nèi)巖溶作用（白云巖、石灰?guī)r、巖鹽溶解）、陽離子交換吸附及石膏的溶濾作用對(duì)地下水化學(xué)特征有一定的影響，地下水化學(xué)特征呈現(xiàn)明顯的時(shí)空差異性，不同地點(diǎn)地下水中優(yōu)勢(shì)組分有所不同。

關(guān)鍵詞：地下水化學(xué)特征;多元統(tǒng)計(jì)分析軟件（SPSS）;相關(guān)性分析;因子分析;聚類分析;廣西

中圖分類號(hào)：P641.3 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）05-0049-05

Abstract： The multi-statistical analysis software was used to analyze the chemical characteristics and formation causes of the groundwater in the reservoir area of Guangxi. Through correlation analysis， factor analysis and cluster analysis， it was found that the groundwater components were highly correlated and the dependence was high. The chemical types of water in factor 1， factor 2， and factor 3 were bicarbonate-chloride-calcium type water， sulfuric acid-magnesium potassium type water， and sulfuric acid-potassium sodium type water， which were basically consistent with the Shukalev classification. The karstification （dolomite， limestone， rock salt dissolution）， cation exchange adsorption and gypsum leaching of the study area had certain influence on the chemical characteristics of groundwater. The chemical characteristics of groundwater showed obvious spatial and temporal differences， and the dominant group of groundwater in different locations were different.

Key words： groundwater chemical characteristics; SPSS; correlation analysis; factor analysis; cluster analysis; Guangxi

世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人口數(shù)量的持續(xù)增加，使得人類社會(huì)對(duì)水資源的依賴和需求與日俱增[1-3]。這種依賴與需求導(dǎo)致人類社會(huì)對(duì)地表水和地下水的開采利用也不斷加快、加大，從而使得局部地區(qū)的地表水和地下水遭受到了不同程度的污染，給人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)與生活帶來了巨大的影響[4，5]。近年來，由人類行為引起的地下水化學(xué)特征及水質(zhì)的改變已成為較為突出的環(huán)境問題之一，因此查明水質(zhì)污染源對(duì)水資源的保護(hù)與開采至關(guān)重要，故進(jìn)行水化學(xué)特征分析是研究的基礎(chǔ)工作，可以為今后的水文地質(zhì)工作提供科學(xué)依據(jù)。

廣西壯族自治區(qū)巖溶體系較為完善，地下巖溶水資源十分豐富，地表水可以通過巖溶通道進(jìn)入地下水中，地下水化學(xué)特征及其形成原因受巖溶作用影響較大。本研究主要選取廣西3個(gè)水庫周邊地下水為對(duì)象，利用多元統(tǒng)計(jì)分析軟件（SPSS）對(duì)其地下水化學(xué)特征及其形成原因進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 ?研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)，主要場地選定為玉林市北流市清灣鎮(zhèn)的雙龍水庫、欽州市浦北縣福旺鎮(zhèn)的秋風(fēng)麓水庫和南寧市橫縣新福鎮(zhèn)的公凈水庫以及這些水庫的附近區(qū)域。雙龍水庫所在的玉林市巖溶發(fā)育極為顯著，其巖溶形態(tài)種類繁多，區(qū)域分布不均，包括溶洞、溶井、溶潭、溶溝、溶隙等。玉林盆地位于此境內(nèi)，其鉆孔遇洞率為40%左右，洞高平均為2.4 m，溶洞的大小為0.1～29.1 m，多數(shù)小于3.0 m，線巖溶率為4.3%。秋風(fēng)麓水庫在南華準(zhǔn)地臺(tái)的南端，位屬欽州市境內(nèi)，其地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，地層揭露比較完整。出露地層之下以古生界志留系最為發(fā)育，巖漿巖以酸性侵入巖為主，主要有花崗巖和流紋巖等，褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，并表現(xiàn)出明顯的分帶性，同時(shí)具備發(fā)生中等強(qiáng)度以上地震的條件。公凈水庫所在的南寧市坐落于南華準(zhǔn)地臺(tái)右江再生地槽之西的大明山隆起帶，從古生代至新生代時(shí)期，主要經(jīng)歷了3個(gè)大的構(gòu)造發(fā)展階段。研究區(qū)水文地質(zhì)條件很大程度上受到了地質(zhì)構(gòu)造的影響，地下水類型主要為孔隙水和基巖裂隙水兩種。其中孔隙水主要埋藏于山體的坡殘積層和溝谷的沖積層中，其補(bǔ)給源為降雨、地表水等，水體往下入滲，以徑流的方式向河流排泄，其水量受季節(jié)調(diào)控。而基巖裂隙水主要埋藏于巖體發(fā)育的裂隙中，其水量大小與巖石的構(gòu)造裂隙發(fā)育程度、張開程度及密集度有關(guān)，由地表水或土層孔隙滲入補(bǔ)給，主要向溝谷排泄。本研究所取的16組水樣的礦化度為24.24～81.21 mg/L，pH為6.76～10.04。根據(jù)舒卡列夫分類法，地下水類型為重碳酸-氯化物-鈣型水、硫酸-鎂鉀型水、硫酸-鉀鈉型水。

2 ?數(shù)據(jù)來源及研究方法

于2013年6月至2015年3月先后趕赴研究區(qū)，分別在雙龍水庫、秋風(fēng)麓水庫、公凈水庫等周邊區(qū)域進(jìn)行野外水樣采集工作，采樣周期為3個(gè)月，每次采樣量為2 L，并利用等離子體發(fā)射光譜儀ICP-Optima 7300V及離子色譜儀ICS-2000對(duì)水中常規(guī)離子進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行分析處理。

3 ?結(jié)果與分析

3.1 ?相關(guān)性分析

本次研究共取得16組水樣，測(cè)得各指標(biāo)詳情如表1所示。

事物的相關(guān)關(guān)系可以分為線性相關(guān)、非線性相關(guān)、完全相關(guān)和不相關(guān)。相關(guān)性分析是指對(duì)兩個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量兩個(gè)變量因素的相關(guān)密切程度，是一種研究事物之間相互依存關(guān)系的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。當(dāng)相關(guān)系數(shù)r=1時(shí)為完全正相關(guān)，r=-1時(shí)為完全負(fù)相關(guān)，|r|越趨近于1，代表其相關(guān)關(guān)系越密切[6-8]。為了分析研究區(qū)地下水化學(xué)特征及其形成原因，對(duì)地下水中9個(gè)指標(biāo)做相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，總礦化度（TDS）與重碳酸根離子、氯離子、硫酸根離子及鈣離子相關(guān)系數(shù)較大，分別達(dá)到0.919、0.841、0.750、0.731，而與鎂離子和鉀離子相關(guān)關(guān)系一般，系數(shù)較小，僅分別為0.480、0.574，表示此區(qū)域總礦化度的貢獻(xiàn)主要來自重碳酸根離子、氯離子、硫酸根離子及鈣離子。pH與各個(gè)指標(biāo)之間相關(guān)程度均較低，近似可認(rèn)為不存在相關(guān)性。重碳酸根離子與氯離子存在極顯著的正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.917，重碳酸根離子與鈣離子、硫酸根離子相關(guān)性也較大，其相關(guān)系數(shù)分別為0.550、0.625，說明該地區(qū)流水侵蝕較為嚴(yán)重，喀斯特現(xiàn)象普遍存在，可溶性礦物（方解石、巖鹽）遭受地下水流的化學(xué)溶蝕作用較強(qiáng)。

3.2 ?因子分析

因子分析是研究各組變量之間相關(guān)性或者研究相關(guān)矩陣內(nèi)在結(jié)構(gòu)的一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，它可以在原始數(shù)據(jù)缺失的情況下，用少數(shù)因子代替初始變量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)初始變量進(jìn)行分類的目標(biāo)。這種方法既可以大大縮減龐大數(shù)據(jù)分析的工作量，也能在不損失數(shù)據(jù)主要信息的前提下最大限度地提高結(jié)論的準(zhǔn)確性[9，10]。

選取的9項(xiàng)原始指標(biāo)作為因子分析的變量，抽取方法為主成分抽取，旋轉(zhuǎn)方法為最大方差法，通過SPSS計(jì)算輸出主成分初始特征值、方差貢獻(xiàn)率、累計(jì)方差貢獻(xiàn)率，繪制碎石圖、旋轉(zhuǎn)空間成分圖，并統(tǒng)計(jì)極大方差旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣。主成分個(gè)數(shù)選取的原則為當(dāng)有n個(gè)特征值大于1，則第n個(gè)之前所有主成分均可看作其主成分。而特征值小于1，說明其主成分對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)影響力度不大[11]。通過碎石圖（圖1）和表3可以發(fā)現(xiàn)，前3個(gè)主成分的特征值都大于1，且累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)80.982%，可以充分用來解釋大部分指標(biāo)，所以對(duì)其進(jìn)行了提取分析。

因子1的方差貢獻(xiàn)率最高，為48.496%，由表4可知，以重碳酸根離子、氯離子、鈣離子為主，該組可以表示的水化學(xué)類型為重碳酸-氯化物-鈣型水。結(jié)合相關(guān)性分析來看，重碳酸根離子、氯離子與鈣離子均存在一定的正相關(guān)，表明該地區(qū)巖溶作用較為強(qiáng)烈，易溶性巖石（碳酸鹽巖和巖鹽）容易受到流水侵蝕，其礦物組分富集到地下水中，使得3種離子濃度均上升。這說明礦物溶解對(duì)于地下水組分存在影響。因子2的方差貢獻(xiàn)率為20.377%，以硫酸根離子、鎂離子、鉀離子為主，其水化學(xué)類型可以表示為硫酸-鎂鉀型水。鎂離子相關(guān)系數(shù)明顯升高，可能是由于當(dāng)?shù)夭糠职自茙r溶解，鎂離子濃度也隨之升高。因子3的方差貢獻(xiàn)率為12.110%，以硫酸根離子、鉀離子、鈉離子為主?？紤]到鈉離子與硫酸根離子存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，鉀離子與硫酸根離子存在正相關(guān)關(guān)系，說明鈉離子與鉀離子存在交換吸附作用，導(dǎo)致其鈉離子濃度下降，鉀離子濃度上升，其水化學(xué)類型可以表示為硫酸-鉀鈉型水。由主成分空間投影圖（圖2）可以看出，TDS、HCO3-、Cl-、SO42-及Ca2+這4個(gè)指標(biāo)聚集在一起，反映了其相關(guān)關(guān)系較為密切。

從3個(gè)因子得分中，找出每個(gè)樣品所對(duì)應(yīng)的因子最高分，然后根據(jù)前面所總結(jié)的各個(gè)因子所屬的水化學(xué)類型加以分類，其分類結(jié)果如表5所示。

3.3 ?聚類分析

聚類分析是一種分類方法，可以依據(jù)數(shù)據(jù)特征，將相似度高的數(shù)據(jù)歸為一類，相似度低的數(shù)據(jù)歸為另一類，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的針對(duì)性分析[12]。

不同對(duì)象可采用不同類型的聚類分析，包括樣品聚類和變量聚類。聚類方法選擇Ward法，采用平方距離作為度量值，輸出圖形為樹狀譜系圖。

3.3.1 ?R型聚類分析 ?以地下水中常見離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-及TDS、pH 9個(gè)指標(biāo)作為R型聚類分析的變量。2個(gè)變量之間相似系數(shù)的絕對(duì)值越接近1，代表其相似性越大，聯(lián)系越緊密，反之，2個(gè)變量之間的相似系數(shù)的絕對(duì)值越接近于0，代表其相似性越小，聯(lián)系越疏遠(yuǎn)。

由圖3和表6可知，HCO3-和TDS相似系數(shù)為0.919，Cl-和HCO3-相似系數(shù)為0.879，SO42-和Cl-相似系數(shù)為0.691，略小于Mg2-和K+的相似系數(shù)，故可以將4個(gè)歸于第一類，說明4者相似程度較高，聯(lián)系較為緊密，最先聚為一類。Mg2+、K+、Ca2+聚為第二類;Na+和pH聚為第三類。以上結(jié)論大致可以得出此地區(qū)地下水類型，因?yàn)門DS最先與HCO3-、Cl-聚類，說明HCO3-、Cl-是優(yōu)勢(shì)陰離子，而陽離子中，Mg2+和K+的相似系數(shù)更大，優(yōu)勢(shì)較大，地下水類型為重碳酸型-氯化物-鉀鎂型水。

3.3.2 ?Q型聚類分析 ?選取了16個(gè)地下水樣本，其中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3- 7個(gè)指標(biāo)作為Q型聚類分析變量。通過Q型聚類分析樹狀圖（圖4）可知，16個(gè)地下水樣本大致可以分為4類，編號(hào)3、4、11、12、15為第Ⅰ類，編號(hào)5、8為第Ⅱ類，編號(hào)1、2、7、9、10、13、14、16為第Ⅲ類，編號(hào)6為第Ⅳ類。其中，第Ⅲ類在整個(gè)樣本中所占比例較大，為50%，可以考慮用第Ⅲ類為代表來分析此區(qū)域地下水的化學(xué)組成。該地區(qū)地下水化學(xué)主要類型為重碳酸型-氯化物-鉀鎂型水。這與R型聚類分析的結(jié)果一致，第Ⅰ類中硫酸根離子和鈣離子含量比較高，可能和當(dāng)?shù)氐叵滤锌扇苄粤蛩猁}（如石膏）溶解有關(guān)。而第Ⅱ類中，重碳酸根離子和鈣離子的濃度也相對(duì)較高，據(jù)此推測(cè)，取樣地區(qū)可能靠近巖溶地貌較為發(fā)育的地段，游離在水中的二氧化碳通過溶濾作用，溶解某些碳酸鹽礦物，導(dǎo)致地下水中鈣組分上升，這與因子分析得出的結(jié)論基本一致。

4 ?結(jié)論

SPSS作為一種多元統(tǒng)計(jì)分析軟件，其在研究地下水化學(xué)特征及其形成原因方面實(shí)用性較強(qiáng)，可以很好地反映該地區(qū)地下水組成特征，并為今后的水文地質(zhì)分析工作提供依據(jù)。

通過相關(guān)分析、因子分析、聚類分析發(fā)現(xiàn)，地下水各個(gè)組分相關(guān)性較大，依存度較高。因子1、因子2、因子3中水化學(xué)類型分別為重碳酸-氯化物-鈣型水、硫酸-鎂鉀型水、硫酸-鉀鈉型水，這與舒卡列夫的分類法基本一致。研究區(qū)內(nèi)巖溶作用（白云巖、石灰?guī)r、巖鹽溶解）、陽離子交換吸附及石膏的溶濾作用對(duì)地下水化學(xué)特征有一定的影響，地下水化學(xué)特征呈現(xiàn)明顯的時(shí)空差異性，不同地點(diǎn)地下水中優(yōu)勢(shì)成分有所不同。

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