数理统计在环境水文地球化学研究中的应用

宋大禹

摘 要：环境水文地球化学主要的研究对象就是水文地球化学活动，在人们日常生活中会对地下水的化学成分形成有一定影响，甚至让地下水出现变质现象，而环境水文地球化学研究主要就是对化学环境的变化进行研究和评价。而在环境水文地球化学研究中有效应用数理统计已经成为当前主要的技术手段之一，其能够将地下水的化学反应充分表现出来，对水文化学数据做出相关分析。本文结合某地区地下水样品化学分析的数据，采用树立统计方法对该地区的环境水文地球化学信息进行分析，并结合自然地理、水文地质环境等因素对环境水文地球化学特征进行阐述，以供借鉴。

关键词：树立统计；研究；环境水文地球化学；分析

对于一个城市的开发来说，做好该地区环境水文地球化学的分析是非常重要的，也是城市发展的重要依据，而怎样花费最小的财力，在最短的时间内完成该项工作，获取有关该地区环境水文地球化学信息，是当前环境科学研究者重要的研究课题。本文主要以杭州某地区作为实例，采用数理统计方法对该地区所取得的先关化学分析数据进行分析，有效利用现代计算机技术，结合地质条件、自然地理以及水文地质等条件，研究环境水文化学相关数据。

1 地下水化学成分特征分析

在该地区中总共采集地下水样品总计15个，为了和邻近地区地下水中的化学成分作对比，在邻近区域也采集了地下水样品4个，然后做化学数据分析。从分析中得出，在该地区地下水化学成分中，主要的阳离子以钠离子和钙离子为主，而阴离子主要是碳酸氢根，水成分中矿化度比较高，和沉积层水中所含有的化学成分是一样的。邻近地区地下水中的化学成分，其中阳离子主要是钙離子和钠离子，而阴离子也是碳酸氢根。从两个区域的地下水样对比来看，该地区地下水中含有的阳离子和阴离子，以及铁离子、锰离子、矿化度都要比邻近地区高。从国家饮用水标准来看，该地区地下水中的铁离子严重超标，高达5倍以上，而猛则超标12倍以上。出现这种现象的主要原因就是环境因素所导致的沉积物增多。

2 地下水化学分析统计

2.1 聚类分析

在聚类分析中，主要采用的是统计量系数，将变量分成四群。在第一群中，钠离子和氯离子有明显的关系，和该地区地下水流域情况一致，再将该地区地理环境因素考虑在其中，还有两次海侵，该地区地下水中钠离子和氯离子的含量比较高，和这有直接关系。同时，耗氧量、碳酸氢根离子和钠离子、氟离子以及钾离子有明显关系，所以说地下水中的三个变量和海侵是有直接联系的。在第二群中，地下水矿化度和镁离子、钾离子以及钙离子都有关，在分析粘土样品中的荧光差热之后，证实该地区土质是钙质蒙脱石粘土，和蒙脱石粘土质岩石中的化学成分相似。这也反映出地下水中所含有的阳离子成分的化学成分和含水粘性土本身化学成分关系密切。该地区地下水中含有硫酸根离子含量高，从地质资料中证实本地区没有出现过硫酸盐矿物，从而明确地下水化学成分会受到海水的影响，从地下水中的硫酸根离子和镁离子得出，水中化学成分和海相成因中的没硫酸盐矿物溶解关系较大。在第三群中，能够明确锰离子和铵根离子有直接关系，证实地下水中铵根离子是在地球化学作用下形成的。在第四群中，主要是铁和硝酸离子组成，也进而说明该去地下水中二氧化碳离子和其他离子有明显关系。

2.2 因子分析

通过聚类分析，我们己经初步了解了地下水中各离子之间的关系，为了深入研究控制地下水化学成分的主要因素，作者对同一批数据又进行了R型因子分析。R型因子分析是从各特征系数的相关矩阵出发，进行特征值分析，求出主因子载荷矩阵，为了达到最简结构，经方差极大旋转，得到方差极大因子解，数据是特征系数大于0.4给予保留，小于0.4的剔除。相关矩阵的前六个特征值累计百分比为89.70%，因此前六个主因子，可提取原始数据变化的89%以上的信息。

其中硝酸离子占主导，说明地下水中铁的含量随硝酸离子的增加而增加，与聚类分析中的第四群相吻合。通过聚类分析和因子分析，已了解了地下水中各离子之间的关系，以及各种离子组合对整个地下水化学组成的贡献。

2.3 对应分析

为了更加合理地评价地下水及其成因，进一步了解样品与各离子成分间的关系，再对同一批数据进行对应分析。计算的结果表明（表1），前三个特征值，占总方差的85.25%，说明前三个主因子是控制本区地下水化学成分形成的主要因素，因此前三个特征值，可以近似地代表整批个数据的变化。

3 本区铁锰异常的成因

通过数理统计分析，比较清楚地知道了控制本区地下水化学成分的主要因素是含水粘性土本身的溶解溶滤作用，以及地史时期中的海水入侵，这就为本区地下水中铁锰超标的原因提供了依据。根据前人的研究表明，进入岩石圈的铁锰比例为50：1，而在河口、湖泊环境中铁锰富集的比例要低一些，据统计，约有95%溶解铁和24～25%的溶由此可以推测，地下水中和土壤中主要来自有机氮，不仅可以增加胶体的稳定性，同时也可与铁离子形成有机结合物稳定地存在于地下水中。解锰在河口地区沉淀，分析本区的古地理环境，在沉积本区含水粘性土时，正处在河口、湖泊环境，因此便有大量的铁锰沉淀下来。

结束语

采用数理统计方法来研究环境水文地球化学，能够将地下水化学反应相关数据直接反应出来，通过本文的研究，能够得到以下结论，该地区的地下水化学组成受到了水黏性土岩性控制，同时所表现出来的地下水地球化学特征也受到了地下水含水黏性土矿物的影响，特别是溶解溶滤作用，还有含水粘性土中所带有的黏土矿物，其对地下水中的阳离子交换所产生的吸附作用结果。同时，还得出海侵对地下水化学成分也有较大的影响。、此外，该地区地下含水粘性土本身也会导致地下水中含有铁锰离子，因为含水粘性土中含有丰富的有机质，所以才出现这种情况。总之，在将数理统计有效应用在环境水文地球化学中是可以的推广应用的。

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