河北省任丘市淺層地下水化學(xué)特征及形成機(jī)制

薛東青，謝明忠，李少虎，杜麗媛，劉詠康，李鵬

河北省煤田地質(zhì)局環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，石家莊，050091

內(nèi)容提要: 淺層地下水是任丘市重要的水資源之一，為研究其水化學(xué)特征及其形成機(jī)制，本文在實(shí)地調(diào)查取樣分析化驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以水文地球化學(xué)理論為指導(dǎo)，借助多元數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，從多個(gè)角度揭示了研究區(qū)淺層地下水的形成演化過程：① 通過離散分析，認(rèn)為研究區(qū)各主要離子變異系數(shù)較大，說(shuō)明研究區(qū)淺層地下水受人為影響明顯，水化學(xué)特征復(fù)雜。 ② 通過相關(guān)分析，認(rèn)為Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、以及S為研究區(qū)原始淺層地下水主要離子，而HC與N為外來(lái)離子且異源；③ 通過聚類分析，可將研究區(qū)淺層地下水分為A、B、C三類，其中A類處于Gibbs圖中巖石風(fēng)化端元，礦化度較低，為微咸水或淡水，含HC和N，受農(nóng)業(yè)灌溉水影響；B類處于Gibbs圖中巖石風(fēng)化端元向蒸發(fā)濃縮端元過渡，礦化度居中，為微咸水，N含量相對(duì)較高，受生活污水影響；C類地下水處于Gibbs圖中蒸發(fā)濃縮端元，礦化度較高，以咸水為主，與地表水體連通性差，接近原始淺層地下水化學(xué)類型。④ 通過主成分分析，認(rèn)為研究區(qū)原始地下水化學(xué)類型為S·Cl-—Na+型及S·Cl-—Na+·Ca2+型，受干旱環(huán)境下蒸發(fā)和海水入侵雙重影響。

任丘市位于河北省中部，隸屬滄州市管轄，西北與雄安新區(qū)隔白洋淀而望。近年來(lái)隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)水資源的需求量日趨增加，“資源性缺水”問題日益突出，研究區(qū)還曾因大量超采地下水而引起地下水水位持續(xù)下降以及地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重制約著社會(huì)發(fā)展。同時(shí)，人類活動(dòng)的加劇也增加了區(qū)分地下水化學(xué)所受自然因素和人類活動(dòng)因素影響的難度(張勇等，2019)。當(dāng)?shù)叵滤瘜W(xué)存在多個(gè)影響因素時(shí)，傳統(tǒng)的分析方法所起的作用越來(lái)越有限，基于多元數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，在大量水化學(xué)數(shù)據(jù)中提取有效信息，揭示水化學(xué)指標(biāo)之間的潛在聯(lián)系，有助于識(shí)別影響水化學(xué)特征的主要因素(李笑等，2020)。本文從水文地質(zhì)條件和水文地球化學(xué)理論(王大純等，1980；沈照理等，1993)出發(fā)，運(yùn)用多元數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，結(jié)合Piper三線圖和Gibbs圖，多方面揭示了該地區(qū)的地下水化學(xué)的分布特征和形成過程，以期為研究區(qū)淺層地下水開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

研究區(qū)地處太行山東麓山前平原和渤海西岸濱海平原之間的河流沖積平原與湖淀淤積的平原交錯(cuò)地帶，地勢(shì)自西南向東北緩斜；地貌按成因可劃分為沖積平原泛濫洼地小區(qū)、沖積平原古河道微高地小區(qū)和沖湖積平地小區(qū)；屬于暖溫帶亞濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，大陸性氣候顯著，年平均降雨量為557.4 mm，年雨量高度集中于7月中旬到8月下旬，降雨量可占全年總量的二分之一；地表水多呈自由漫流狀態(tài)，順地勢(shì)由西南向東北排泄，主要河道包括東部地區(qū)的古洋河、西部地區(qū)的小白河以及人工開挖的任文干渠等。

研究區(qū)地下水賦存于第四系松散巖類含水層中，根據(jù)各含水層之間的水力聯(lián)系和地下水動(dòng)態(tài)類型等特征，可將其自上而下劃分為四個(gè)含水層組，其中第Ⅰ含水組和第Ⅱ含水組上段為淺層地下水，第Ⅱ含水組中下段和第Ⅲ、Ⅳ含水組為深層地下水(表1)。研究區(qū)淺層地下水為潛水、潛水—微承壓水類型，底板埋深大致為40～65 m，主要為Qh及Qp3x上段，含水層巖性主要以粉砂、粉細(xì)砂為主，多呈雙層或多層含水結(jié)構(gòu)，一般無(wú)良好的隔水層，包氣帶巖性以粉質(zhì)黏土為主。

表1河北省任丘地區(qū)第四系含水組劃分表Table 1 Division table of Quaternaty aquifers in Renqiu area of Hebei Province

1 材料和方法

1.1 樣品采集與檢測(cè)

樣品檢測(cè)由河北省煤田地質(zhì)局新能源地質(zhì)隊(duì)能源礦產(chǎn)檢測(cè)中心完成，樣品采集工作嚴(yán)格按照檢測(cè)中心要求進(jìn)行。

1.2 異常指標(biāo)的剔除

1.2.1陰陽(yáng)離子平衡檢驗(yàn)

通常情況下，水溶液中的陰離子所帶電荷總和等于陽(yáng)離子所帶電荷總和，稱為電荷守恒定律。因此，可通過水溶液中陰陽(yáng)離子是否平衡來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)化驗(yàn)的可靠性，正負(fù)電荷平衡誤差采用下式計(jì)算：

(1)

式中E表示相對(duì)誤差，ma和mc為陰陽(yáng)離子的毫克當(dāng)量濃度(meq/L)(王攀等，2020)。相對(duì)誤差E越小說(shuō)明水溶液中陰陽(yáng)離子的正負(fù)電荷總數(shù)越接近，化驗(yàn)結(jié)果越準(zhǔn)確。

經(jīng)計(jì)算，所有樣品的離子誤差均小于1%，滿足分析要求。

1.2.2Grubbs檢驗(yàn)

Grubbs檢驗(yàn)是檢驗(yàn)異常值的一種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，該檢驗(yàn)方法使用了全部數(shù)據(jù)的的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值，檢驗(yàn)效果較好(朱嘉欣等，2018)。檢驗(yàn)原理為：若測(cè)得的數(shù)據(jù)為X1、X2、X3、…、Xn，則其Grubbs統(tǒng)計(jì)量Gn為

(2)

查Grubbs檢驗(yàn)的臨界值表值GP(n)，當(dāng)Gn>GP(n)，判定為異常值，否則為合理值。

對(duì)本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Grubbs檢驗(yàn)，顯著性水平取0.01。經(jīng)驗(yàn)證，共剔除3組異常數(shù)據(jù)，剩余46組數(shù)據(jù)。

可見，地下水環(huán)境在人類活動(dòng)影響較大的背景下，數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法可篩選出異常值，避免對(duì)后續(xù)分析工作產(chǎn)生誤導(dǎo)作用，從而得出一般性結(jié)論。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本文利用RockWare AqQa軟件繪制Piper三線圖，利用Excel進(jìn)行地下水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)和離散分析并繪制Gibbs圖，利用SPSS25軟件進(jìn)行相關(guān)分析、聚類分析以及主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 離散分析

變異系數(shù)是反映數(shù)據(jù)離散程度的統(tǒng)計(jì)量，地下水中人為輸入物質(zhì)通常具有空間離散度高的特征，故可將其作為人類活動(dòng)影響地下水環(huán)境的指示指標(biāo)之一。變異系數(shù)越大，則離散程度越高，說(shuō)明地下水化學(xué)組分的穩(wěn)定性越差，形成及演化過程復(fù)雜，人為影響因素越明顯，反之亦然(王寶春等，2017；王明君等，2019；鄭濤等，2020)。

圖1本次工作取樣點(diǎn)位置分布圖Fig. 1 Map of the study area showing the sampling locations

2.2 相關(guān)分析

表2 任丘地區(qū)淺層地下水化學(xué)主要離子質(zhì)量濃度、TDS(mg/L)及pH統(tǒng)計(jì)情況Table 2 Statistics of major ions, TDS(mg/L) and pH value in shallow groundwater in Renqiu area

表3 任丘地區(qū)淺層地下水化學(xué)主要離子質(zhì)量濃度、TDS之間相關(guān)關(guān)系矩陣Table 3 Correlation coefficients between major ions and TDS value in shallow groundwater in Renqiu area

2.3 聚類分析

圖2 任丘地區(qū)淺層地下水Piper三線圖Fig. 2 Piper diagram of the shallow groundwater in Renqiu area

圖3 任丘地區(qū)淺層地下水聚類分析譜系圖Fig. 3 Cluster analysis diagram of shallow groundwater in Renqiu area

2.4 主成分分析

主成分分析是一種通過降維技術(shù)把多個(gè)變量化為少數(shù)幾個(gè)主成分的統(tǒng)計(jì)方法(吳翊等，1995)，它可以對(duì)高維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維減少預(yù)測(cè)變量的個(gè)數(shù)。通過提取工作區(qū)淺層地下水中相關(guān)變量信息，可分析其主控因素。根據(jù)聚類分析結(jié)果，分別對(duì)A、B、C三類地下水進(jìn)行主成分分析。

圖4 任丘地區(qū)淺層地下水Gibbs圖Fig. 4 Gibbs diagram of shallow groundwater in Renqiu area

表4 任丘地區(qū)淺層地下水成分載荷矩陣表Table 4 Matrix of rotated factor loadings of shallow groundwater in Renqiu area

3 結(jié)論