利用GIS与数理统计分析晋江市浅层地下水化学特征及成因

黄耀裔，苏建云

(泉州师范学院资源与环境科学学院，福建 泉州 362000)

地下水作为水循环系统环境的一个组成部分以及淡水资源的重要来源之一，对生态、地表环境等具有维持功能，同时也是人类生活和工农业生产的主要水源，地下水作为应急水源也可以在一定程度上缓解水资源供需矛盾［1］.但在开采前先调查其各种化学组分含量和特征，可有助于了解水质情况，提高水资源可持续发展利用［2-6］.查阅国内外相关文献，对地下水的研究方法通常是在对地下水化学成分定量分析基础上分析其成因、机理等.近年来世界各国不同地区对地下水的大量研究成果表明对于数据采集量大的区域规律总结，数理统计法结合地理信息技术(GIS)是一种快速有效的手段［7-10］.数理统计法是以概率论为基础，运用统计学对数据进行分析、研究其规律性的一种方法.而地理信息系统是分析、处理和挖掘海量与地理空间位置相关的数据的一种通用的技术［11］.目前，GIS广泛应用于水资源方面的研究，但多主要应用于对水环境综合评价或者系统开发方面的研究，应用GIS的空间分析、地统计等功能对水地球化学方面的研究相对较少.在面对众多水样测试样品采用，数理统计较其它可迅速地认识地下水化学成分特性，结合GIS将分析结果可视化或者进一步通过GIS的空间叠置分析、地统计等功能进行二次分析其演化规律.

目前晋江市居民生活饮用水主要来源于市政自来水与地下井水，在农村地区则主要以用户自行打井为主，因此分析研究该区地下水的化学成分、空间分布、演变特征有助于了解地下水环境质量及与环境间的关系.根据地下水测试数据，利用SPSS统计软件对水中的物化指标、常量离子等进行描述统计、相关分析、因子分析等，统计分析其水地球化学成分特征及成因，再通过GIS可视化其水地球化学成分空间分布特征，进而揭示其形成过程与作用机理.为今后该市地下水资源的综合评价、合理开发利用，环境保护等具有重要的理论和实际意义.

1 研究区总体概况

1.1 自然地理及浅层地下水概况

晋江市(24°30'-24°54'N，118°24'-118°43'E)位于福建省泉州市的东南测，三面临海.研究区总面积为721.7 km2.地势西北部较高，东南部较低，由低山丘陵向台地、平原呈阶梯状逐渐下降过渡台地起伏和缓，顶部平坦，分布于丘陵的周围，位于从低山丘陵向平原过渡的阶梯状地带，平原主要分布沿海.根据气象局资料，气候属南亚热带湿润区，年均气温20～21℃，年均日照2130 h，年均降雨量911～1231mm.

境内地下水的赋存及分布规律主要受地层岩性、地质构造、地形地貌、气象水文、植被土壤、人为因素等多种因素控制.根据赋存条件、含水特征及富水程度，可划分为松散岩类空隙水、风化带碎屑岩类孔隙裂隙水和基岩裂缝水三大类型，主要以松散岩类孔隙水为主.松散岩类孔隙水主要包含第四系的海相砂层、冲洪积相砂层、砂砾石层孔隙水，主要赋存于具有良好存储空间、透水性好、沉积颗粒粗大、结构较松散的冲洪积相、海相砂层、砂砾石层中，地下水以泉的形式向沟谷排泄或以潜流形式补给松散岩类孔隙水;风化带碎屑岩类孔隙裂隙水分布在山前坡麓和波状起伏的红土台地，补给源主要以大气降水为主，基岩裂隙水的侧向补给为辅;基岩裂隙水包括风化带孔隙、裂隙水和一般造裂隙水，近台地和基岩接受风化带孔隙裂缝降水及基岩裂隙水的侧向补给，地下水径流缓慢，水位埋藏较浅，斜交于河流向下游或海域排泄.境内地下水主要存储于第四系以及燕山期的侵入花岗岩中，其中浅层地下水系统受控于低序次支流及季节性流水冲沟的局部侵蚀基准面，具就近补给、就近排泄的沟谷小流域短径流特征，受降水影响较大，多为低矿化度水.研究区采样分布图见图1.

1.2 社会经济概况

图1 研究区采样分布图

晋江市属于闽南厦漳泉经济区，近几年由于发挥优越其地理区位和侨乡优势，经济发展迅速，工业较发达.2012年地区生产总值达1200亿，规模以上工业产值达2500亿.据2010年的人口普查资料，晋江市目前常住人口为201.25万，由于工业较发达，劳动密集型产业居多，人口密集度较大.但近几年由于部分企业在生产中废水随意乱排使得该区浅层孔隙水和深层孔隙裂隙水受到不同程度的污染，而孔隙水和裂隙水是地下水主要的补给水源，给人体健康、农业发展、经济建设带来巨大影响.根据调查，目前晋江市地下水可以开采的量有3786.42×104m3，超采量达到1819.69×104m3，在一定程度导致地下水位下降，临海地区造成海水倒灌，影响水质.目前该市人均水资源占有量为400 m3，相当全国平均水平12%、福建省的8%，全市80%的农灌、工业和生活用水靠外引水.按照国际标准则属于绝对贫水区.

2 采样与测试

水样采集主要以能够基本了解和客观反映该区的地下水水质特征为原则，样点的布设依据地下水污染地质调查评价规范遍布整个研究区，并通过GPS定位空间分布(见图1).本次共采集丰水期水样点数60个，并在福建省地质矿产局泉州实验室测试，测试项目包含pH值、矿化度、总硬度、总碱度、电导率、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl－、SO42－、HCO3－、可溶性SiO2等，测试及质控过程符合地质矿产实验室测试质量管理(DZ0130-94)、地下水环境质量要求和检查办法(DZG20.08-88)以及《生活饮用水标准检验方法》(GB5750)的要求.

3 浅层地下水化学基本特征

3.1 水化学类型

由于地下水处于流动状态参与水文地球化学循环.地下水系统中含有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl－、SO42－、HCO3－等大组分离子含量多寡及组成可反映不同地下水水质特征.地下水派帕(Piper)三线图分类能把水质分析点绘制于图上，再根据分布情况划分水质类型及判断水的混合用，可反映地下水大量组分离子的综合信息［12］.据RockWare Aq.QA软件绘制的Piper三线图(见图2)得出:Na++K+占阳离子总量的40% ～90%，Ca2+占20% ～60%，Cl－占阴离子总量的20% ～90%，HCO3－占20% ～90%;SO42－占20% ～40%，表明该区水化学类型较为复杂，有HCO3－－K++Na+、HCO3－－ Ca2+、Cl－·HCO3－－K++Na+·Ca2+、Cl－－ K++Na+·Ca2+、Cl－－ Na+、HCO3－·Cl－－Na+、等，主要以 Cl－·HCO3－－K++Na+·Ca2+型为主［13］.

3.2 水化学成分统计分析

对境内水化学成分描述性统计特征值分析(见表1)，阳离子含量:Na++K+＞Ca2+＞Mg2+;主要以Na++K+和 Ca2+为主;阴离子含量:Cl－＞HCO－＞SO2－34＞SiO2，主要以 HCO3-和Cl－为主，阴阳离子含量随着矿化度的增减而随之增减.pH值、可溶性SiO2这几项指标变异系数相对较小，说明这些指标在浅层地下水中的处于相对稳定状态.从整体上来看浅层地下水矿化度、总硬度、总碱度、电导率、Na++K+、Ca2+、Mg2+、Cl－、SO42－、HCO3－的变异系数较大，也就是浅层地下水的离子浓度在空间上变化较大，其中矿化度、Na++K+、Ca2+、Cl－、SO42－绝对含量较大，是随环境因素变化的敏感因子.

图2 研究区浅层地下水piper图

3.3 水化学成分空间分布特征

借鉴GIS技术的数字地面模型(DTM)算法思想，利用GIS绘制出各水化学成分指标的等值线图，具体方法［14］:通过MapGIS系统的数字地形分析模块，通过离散数据网格化，以化学指标作为Z值生成Grid网格模型(网格内插方法采用距离幂函数反比加权网格化算法)，在Grid网格基础上按照指标范围区间的(Max-Min)/10为等值间距绘制出相应等值线图.

依数理统计的描述性统计、部分《地下水质量标准》［15］Ⅲ类水质标准(以人体健康基准值为依据)结合水化学成分等值线图分析含量空间分布特征，特征大致分成三大类.受篇幅限制，论文只给出矿化度、pH值和SiO2三种水化学因子等值图(见图3—图5)，其余通过文字描述，不逐一列出.

(1)根据矿化度、总硬度、电导率、Cl－、SO42-、Na++K+、Ca 2+、Mg2+这几个指标等值线图，发现这些指标空间分布特征相似.区内矿化度含量范6.50-1729.00mg/L，均值362.44mg/L，小于Ⅲ类水质占总的97%，整体上处于低矿化度水平.总硬度含量范围 18.00-469.00mg/L，均值 125.22mg/L，小于Ⅲ类水质.电导率值的含量范围为119.07-2383.80μm ho/cm，均值500.12μmho/cm.钠钾离子值的含量范围为 9.22-435.00mg/L，均值 72.41mg/L.钙离子值的含量范围为 4.09-141.00mg/L，均值34.44mg/L.镁离子值的含量范围为 0.00-44.65mg/L，均值9.85mg/L.硫酸根离子值的含量范围1.00-256.00mg/L 之间，均值 33.13mg/L.氯离子值的含量范围为 9.67-651.00mg/L，均值 95.43mg/L.根据等值线分布规特征图，这些指标含量较大的主要区域位于磁灶镇、陈埭镇——池店镇环泉州湾、安海镇——东石镇交界与南安市，其中安海镇——东石镇交界于南安市区域变化幅度大，其余区域变化幅度不明显.

图3 研究区TDS值等值线图

图4 研究区pH值等值线图

图5 研究区可溶性SiO2值等值线图

(2)根据pH值、HCO3－等值线特征图，空间分布特征相似:区内pH值的范围为4.05-7.46，均值为6.55.全区大部分区域pH值范围均在6.0以上，整体变化幅度不明显;碳酸氢根离子值的含量范围为3.11～286.00mg/L，均值94.01mg/L.根据特征图，含量较大主要分布于磁灶镇、内坑镇交界;安海镇——东石镇邻近南安市;永和镇与龙湖镇交界;陈埭镇——池店镇环泉州湾一带.

表1 研究区离子含量特征统计表

(3)可溶性SiO2:区内水中可溶性SiO2值的含量范围为6.00-56.00mg/L，均值26.91mg/L.根据可溶性SiO2等值线分布特征图，区内可溶性SiO2含量较大主要分布于安海镇——东石镇邻近南安市沿着围头湾连接到英林镇、金井镇至围头半岛环围头湾;龙湖镇的龙湖湖泊一带以及靠近深沪湾一带;磁灶镇、内坑镇交界;陈埭镇——池店镇环泉州湾一带，整体变化幅度较大.

3.4 水化学成分相关性关系

相关性分析是研究变量间是否存在依存关系、性质、程度的一种统计手法，用于揭示各指标间的相似相异性及来源的一致性和差异性，指标间的相关关系显著，说明具有相同的来源方式或者相似的形成机制.由表2 可知，矿化度与总硬度、总碱度、电导率、Na++K+、Ca2+、Mg2+、Cl－、HCO3－、SO42－在 0.01 水平下均显示出极显著正相关关系(相关系数均通过显著性双尾检验)，而与pH值、可溶性SiO2不存在相关关系，其中矿化度与电导率的相关系数达到0.97;矿化度与总碱度的相关系数达到0.58;矿化度与阳离子相关系数大小依次为:Na++K+(0.95)＞Mg2+(0.81)＞Ca2+(0.76);矿化度与阴离子相关系数大小依次为:Cl－(0.92)＞SO42－(0.89)＞ HCO3－(0.58)，说明矿化度与这些离子均存在高度显著性相关，从元素含量等值线空间分布特征图也可反映出了矿化度与电导率Cl－、SO42－、HCO3－、Na++K+、Ca2+、Mg2+的变化规律相似.此外Na++K+与Cl－到0.95的极显著相关;SO42－与Cl－达到0.84的极显著相关，根据描述性统计，Cl－SO42－变异系数均较大，而大气降水是区内浅层地下水的主要补给来源之一，区内酸雨类型主要为硫酸型的，降雨中SO42-浓度大于其他离子;总硬度与Ca2+达到0.92的极显著相关，与Mg2+达到0.79的极显著相关，而硬度通常是以Ca2+和Mg2+的综合来测定的;总碱度与HCO3－达到0.96的极显著相关，在大多数情况下，pH值处于6～8时，总碱度量是由HCO3－贡献的.表明应用数理统计的相关性分析水化学之间的来源方式和相似的形成机制是一种有效的手段.

4 浅层地下水化学成因分析

文献［16］从地球化学角度认为影响地下水化学成因的因素主要为:与原子、分子、离子等化学内部性质表现有关的因素以及与外部介质影响有关的因素.另一方面从水文地质角度认为按作用性质划分地下水成分形成因素的方法较合理.根据以上学者的观点，影响地下水化学成分形成的基本因素可分为:自然地理因素(地形、水系、气候、风化、土壤覆盖层性质、植被等);地质因素(构造、地貌等);水文地质因素;物理化学因素;物理因素(温度、压力等);生物因素(微生物等);人为因素(地表污水排放、地下水开采等).由于水文地球化学本身就是一个复杂的综合体，各种因素相互作用，不是受单一因素就可影响左右的.但是这些因素在不同的地域环境的影响有主次，直接或间接影响.

表2 研究区浅层地下水元素相关系数(n=60)

4.1 自然影响因素

岩石中某些组分进入水中的过程被称为溶滤作用，研究区地层岩性为火成岩——侵入岩，成分为二长花岗岩(主要由斜长石、钠长(NaAlSi3O8)、钾长石(KAlSi3O8)、石英和少量角闪石、黑云母、铁钛氧化物等组成).区内大气降水为偏酸性雨，土壤为酸性土壤，大气降水进入土壤系统中可以溶解NaCl、CaSO4等易溶解物质，还可溶解较难溶解CaSO4物质.据测试结果该区浅层地下水阳离子含量主要为Na++K+，说明该区地下水存在溶滤作用.

由于火成岩自身无吸附综合体，但其风化产物可以产生足够数量的交替阳离子，这与自然地理条件和岩石风化的阶段有关，其性质首先决定于母岩中的斜长石成分，当斜长石中的钠长石成分占主体，其风化产物含交替的钠.当斜长石中的钙长石成分占主体，其风化产物含交替的钙.说明侵入岩地下水存在阳离子交替吸附作用.

根据水中离子浓度以及该区岩土土样分析，在溶滤、阳离子交替吸附作用下列出该区离子可能发生的化学反应过程如下:

由于不同成因或条件下形成的地下水其某些比例系数在数值上有较明显差异，因此可用水中化学组分间含量比例也可研究某些水文地球化学问题.根据研究［5］如果地下水中的Na+和Cl－来源于岩盐的溶解，则γNa+/γCl-(meq/L)的比值接近1，若偏离1则说明Na+同时来源于偏铝硅酸盐的风化和溶解，存在阳离子交替吸附作用，从图6可以看出，境内γNa+/γCl－大部分处于1∶1平衡线下方，说明浅层地下水的Na+主要来源于岩盐和硅酸盐的风化溶解［17，18］.浅层地下水γNa+/γCl－比值偏离1∶1平衡线主要分布于境内金围头湾三角地带，深沪镇、龙湖镇环深沪湾、池店镇——陈埭镇环泉州湾一带，这些区域含水层岩性主要为第四系的海积层，由于海积层主要为粘土、淤泥、粉砂、细砂、淤泥质砂、夹泥炭、含海生贝壳，存在海水入侵现象，故Cl－含量高于Na+，并且海积层存在交替的Na+.吴吉春等通过大量实验研究证实了海水入侵过程中阳离子交替作用的存在，从中说明该区地下水存在阳离子交替吸附作用.若地下水系统中的主要反应是来自花岗岩、碳酸盐岩等的溶解，则水中的Ca2++Mg2+/(meq/L)的散点应该在1∶1平衡线附近，若发生离子交换吸附会偏离平衡线，从图7看出研究区的+Mg2+/HCO－3+的散点图部分样点在1∶1平衡线附近，说明地下水系统中的主要反应是花岗岩、碳酸盐岩的溶解，而部分地区偏离平衡线，存在离子交替反应作用明显.存在离子交替吸附的地区主要在境内的永和镇沿东至龙湖镇、深沪镇环深沪湾;磁灶镇与内坑镇交界;安海镇——东石镇邻近南安市.

图6 Na+与Cl－关系图

图7 Ca2++Mg2+与HCO3－+SO42－关系图

4.2 人为影响因素

根据相关资料显示，晋江市地下水出现超采现象，超采程度约为173%地下水过渡开采导致地下水水位下降，造成海水入侵.此外地表农业灌溉，工业生产污水、生活污水的排放，由于境内大部分地区处于第四系地层，由砂粘土、粗砂、细砂、砾卵石等组成，土层较松散，土壤孔隙度较大，因此地表水容易渗透进入浅层地下水中.

4.3 主成分分析浅层地下水化学成因

主成分分析可将大量可能存在相互关系的变量用少数几个变量来描述，并反映出大部分原始信息的一种多元统计方法［19］.在进行水化学成分和成因分析时，可将多因子变量基础上综合成少数几个主因子，分析指标间的相互关系和意义，并解释这些变量含义，赋予其水文地质意义，再从本质上抓住影响地下水水化学成分特征形成的主要作用与因素，研究其水文地球化学和水文地质含义.

浅层地下水中的离子及pH值、矿化度等的分布特征是在各种水化学成分共同作用下的结果，地下水中的矿化度与 Na++K+、Ca2+、Mg2+、Cl－、HCO3－、SO42－、可溶性SiO2等成分在各种作用下可形成差异较大的水化学成分特征.不同的水化学作用往往会形成差异性较大的水化学分布特征，通过主成分分析可以有效的识别出影响水化学形成的主因子，其中因子方差贡献率的大小可定量反映不同影响因素对各含水层水化学特征的影响程度［20］.利用SPSS软件计算出的因子贡献率、方差极大旋转因子载荷(见表3).提取特征值大于1的因子作为主因子，荷载值大于85%以上的作为因子荷载变量，根据规则提取前3个主因子(累计方差贡献率达88.036%).

第一主因子Y1的方差贡献率57.599%，主要由矿化度、总硬度、电导率、Cl－、SO42－、Na++K+、Ca2+、Mg2+组成(因子载荷大于0.7以上)，占整个水化学成因的主体，反映了火成岩——铝硅酸盐等岩盐成分被溶解、阳离子交替吸附和大气降水对水化学形成过程中的影响.其中矿化度主要包含地下水中大组分阳离子和阴离子的含量，故与此间存在关联;Ca2+、Mg2+主要来源为火成岩——铝硅酸盐中母岩中的斜长石成分中钙长石岩盐的溶解，水中Na+与Ca2+、Mg2+的交替吸附作用越大，水体的总硬度越大，Na++K+主要来源为火成岩——铝硅酸盐中母岩中的斜长石成分中钠长石、钾长石岩盐的溶解，硅酸盐(花岗岩)的溶解，阳离子交替吸附作用及部分海水入侵赋存与沉积岩中，火成岩——铝硅酸盐的风化产物以及部分海水入侵(海水中Na+占阳离子总量的84%);Cl－主要来源为海水入侵后赋存于第四系松散类空隙中的海盐水;SO42－来源为硫酸盐矿物的沉积岩溶解、大气降水或工业、生活污水的排放下渗.第二主因子Y2的方差贡献率是21.931%，主要由pH值和HCO3－组成(因子载荷大于0.8以上)，体现了水质与酸碱度之间的关系.表明了碳酸盐矿物溶解、多种沉积岩中碳酸盐胶结物溶解溶滤和现代火成岩风化产物对水化学成分的影响.水中pH值与HCO3－存在相互影响是由于CO2、HCO3－、CO32－三者之间在水体中存在平衡关系，pH值决定其谁占主导，根据O.A.阿列金的水中pH值与碳酸衍生物各种存在形式间的比例的关系表，在弱酸性、中性和碱性水中，HCO3－离子占主导地位，并且HCO3－离子在低矿化度和中矿化度水中占主导地位.因此区内部分地方地下水水化学类型以含有HCO3－类型为主.故Y2越大，浅层地下水的酸碱度对水质的影响越大.

第三主因子Y3方差贡献率是8.506%(因子载荷大于0.9以上)，主要由可溶性SiO2组成，可溶性SiO2主要来源于铝硅酸盐矿物的溶解，表明了铝硅酸盐矿物及高岭土溶解对浅层地下水水化学成分的影响.硅元素作为地壳中分布最广的元素，硅酸作为水的固定组分之一，虽然该区的岩体类型为铝硅酸盐，但是由于酸盐矿物的溶解度低，因此对该区浅层地下水组成和成因的贡献率不大.

通过因子载荷矩阵还可以获得3个主成分因子模型(以pH值为例，余下类同)和因子得分方程(以Y1为例，余下类同).

表3 研究区水化学成分的方差极大旋转因子载荷矩阵

因子得分方程为:Y1=－0.220pH+0.960矿化度+0.888总硬度+0.375总碱度+0.975电导率+0.940(Na++K+)+0.780Ca2++0.804Mg2++0.364HCO3－+0.935SO42－+0.975Cl—0.062SiO2

综上所述，影响该区浅层地下水水化学形成的最主要因子和归结为:主要是各种岩盐矿物溶解为主的溶滤作用以及阳离子交替吸附作用，过度开采地下水导致海水入侵，其中溶滤和阳离子交替吸附作用的贡献率较大，占主导因素;其次为是受工农业生产、生活污水排放等人类活动的影响.

5 结论

(1)根据数理统计法的描述性统计，晋江市浅层地下水中阳离子:Na++K+＞Ca2+＞Mg2+;以Na++K+和Ca2+这三种离子为主.阴离子含量:Cl－＞HCO3－＞SO42－＞SiO2，以 HCO3－和 Cl－为主.矿化度、Na++K+、Ca2+、Cl－、SO42－是随环境因素变化的敏感因子.(2)根据Piper三线图，晋江市浅层地下水水化学类型较为复杂，主要以Cl－·HCO3－—K++Na+·Ca2+型为主.(3)矿化度与总硬度、总碱度、电导率、Na++K+、Ca2+、Mg2+、Cl－、HCO3－、SO42－存在显著正相关.(4)利用GIS绘制浅层地下三大类水化学成分指标等值线图表达指标的空间分布特征.得出第一类主要位于磁灶镇、陈埭镇——池店镇环泉州湾、安海镇——东石镇交界与南安市，其中安海镇——东石镇交界于南安市;第二类主要分布于磁灶镇、内坑镇交界;安海镇——东石镇邻近南安市;永和镇与龙湖镇交界;陈埭镇——池店镇环泉州湾一带;第三类主要分布于安海镇——东石镇邻近南安市沿着围头湾连接到英林镇、金井镇至围头半岛环围头湾;龙湖镇的龙湖湖泊一带以及靠近深沪湾一带;磁灶镇、内坑镇交界;陈埭镇——池店镇环泉州湾一带.(5)通过对浅层地下水的主成分分析，得出形成的3个主成分因子以及每个因子的主要影响水质因子.分析得出该区浅层地下水水化学形成的主要影响因素是花岗岩中的斜长石、碳酸盐、硅酸盐等各种岩盐矿物溶解为主的溶滤作用以及阳离子交替吸附作用，其中溶滤和阳离子交替吸附作用的贡献率较大，过度开采地下水导致海水入侵;其次为是受工农业生产、生活污水排放等人类活动的影响.

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