北京通州区第四系地下水化学特征及其成因分析

王小松，李宝学，李 阳，姜 鑫，姜臣祥，高 健

北京通州区第四系地下水化学特征及其成因分析

王小松，李宝学*，李 阳，姜 鑫，姜臣祥，高 健

（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

【】揭示通州区地下水化学特征及其影响因素。利用2018年在通州区采集的45件300 m深度的地下水水质检测数据，通过Piper三线图、Gibbs图、因子分析和聚类分析等多元统计分析方法，分析了第四系地下水水化学特征及其影响因素。通州区第四系地下水浅层水化学类型以HCO3-Ca.Mg型为主，深层地下水化学类型以HCO3-Na型为主。通过因子分析共提取了4个公因子，其累计方差占总方差的85.45%。因子1代表盐度因子，反映了碳酸盐、硅酸盐矿物风化过程；因子2代表铁锰污染因子，反映了富含铁锰元素的矿物的风化作用；因子3代表农业污染因子，反映了农业活动对地下水的影响；因子4代表氟化物污染因子，反映了含氟矿物的风化及阳离子交换反应。农业活动主要影响通州北部宋庄、永顺一带；而碳酸盐、硅酸盐矿物风化作用，含铁锰元素矿物风化作用，含氟元素矿物风化作用及阳离子交换作用在通州全区普遍存在。

水化学；地下水；第四系地下水；通州；北京

0 引言

【研究意义】通州区是北京市城市副中心和京津冀一体化进程的枢纽，战略地位十分重要。地下水作为通州区重要的供水水源，在城市供水安全保障中发挥着重要作用。随着大规模基础设施的建设和城镇化的推进，地下水安全受到严重威胁，进而可能会影响区域经济和社会的可持续发展。因此，研究通州区地下水的水化学特征及其影响因素，对合理开发和管理地下水资源意义重大。【研究进展】以往关于通州区第四系地下水化学特征已有较多研究。郭高轩等[1]分析了通州区浅、中、深3层地下水的水化学特征，并进行了地下水的分层质量评价，认为浅层劣质水主要受人类活动影响，深层劣质水受人类活动和天然劣质水的双重影响。蓝天杉等[2]分析了通州区潜水水化学特征，并利用模糊综合评价法和内梅罗指数法对潜水水质进行了评价。刘永清[3]分析了通州区地下水中氟的空间分布规律，并分析了地下水中氟元素超标的原因。多元统计分析是一种分析客观事物中多个变量（或多个因素）相互依赖的规律性统计分析方法，在农学、工程、经济领域已得到了广泛应用。近年来，许多学者应用多元统计分析并结合传统水文地质学、水文地球化学、GIS等方法研究区域地下水的水化学特征及其空间变化规律[4-9]，取得了良好的效果。

【切入点】目前，关于通州区地下水的研究大多集中于地下水的水化学特征时空变化[10]、水质评价[11]及某些特殊离子组分的成因分析[12]，但在宏观尺度上对第四系地下水的水化学成分的成因及影响因素研究不足。【拟解决的关键问题】地下水的水化学特征的演化受气温、降水、地下水开采、水岩相互作用、人类活动等多种因素的共同影响，是一个缓慢且复杂的过程。仅利用传统水文地质学理论和方法无法洞察复杂的水化学演化过程。而多元统计方法可以在多个对象和指标互相关联的情况下分析它们的统计规律，为更深入、全面地了解区域地下水的水化学特征及其成因提供了一种有效途径。本文旨在利用因子分析和聚类分析等多元统计分析方法，结合Piper三线图和Gibbs图，分析通州区第四系地下水的水化学特征的统计规律及其影响因素，为通州区地下水资源的合理利用和管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

通州区位于北京市东南部，地理坐标为东经116°32′—116°56′，北纬39°36′—40°02′，面积约为906 km2。通州区处于潮白河与永定河冲积平原的结合地带，地势平缓，自西北向东南倾斜，海拔最高点的高程为27.6 m，最低点的高程为8.2 m。通州区属暖温带半湿润、半干旱大陆性季风气候，据通州区气象站1973—2017年资料，该区多年平均气温为11.4 ℃，多年平均降水量为555 mm。

通州区第四系地层分布广泛，由西向东逐渐增厚，张家湾一带第四系厚度达到了600 m。含水层主要有多层砂层组成，岩性以中砂、细砂与粉砂为主，局部地区分布有砂砾石。区域地下水流向由北、西北流向东南方向。依据隔水层的相对厚度、岩性和开采利用情况，通州区地下水在垂向上可分为4个含水层。其中，第一含水层（底板埋深在40～50 m）和第二含水层（底板埋深在80～120 m）为浅层含水层，以细砂为主，其次为中砂和粗砂，局部地区含砾石；第三含水层（底板埋深在150～180 m）和第四含水层（底板埋深在300 m左右）以粗砂和砂砾石为主。浅层地下水以大气降水补给为主，其次为侧向径流补给、河流入渗和灌溉回归水补给，排泄方式以蒸发、农业用水开采为主；深层地下水以侧向径流补给为主，其次为上层含水层的越流补给，排泄方式以工业用水和生活用水为主。

1.2 样品采集与测试

2018年8月14—21日在通州区共采集第四系地下水样品45件。通州区年内最大降水量一般集中在7—8月，本次采集的地下水样品均为丰水期的地下水。采样深度主要分布在地表以下300 m以内，包括浅层含水层22件，深层含水层23件。取样点详细分布情况见图1，部分水样来源于同一采样点的不同含水层深度。

图1 研究区位置及采样点分布

采集到的样品送至专业水质检测机构检测，检测项目主要包括pH值、电导率（EC）、耗氧量（CODMn）、溶解性总固体（TDS）、总硬度（TH）、总碱度（TA）、主要离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、NH4+、NO3-及F-）、微量金属元素（Fe、Mn、Zn）。其中，pH值采用玻璃电极法测定，EC采用电导仪法测定，CODMn采用酸性高锰酸钾滴定法测定，TDS采用蒸干称量法测定。Ca2+、Mg2+和TH采用EDTA滴定法测定，HCO3-和TA采用酸碱指示剂滴定法测定，K+和Na+采用原子吸收光谱法测定，F-、SO42-、NO3-和Cl-采用离子色谱法测定，NH4+采用纳氏试剂分光光度法测定。

1.3 研究方法

1.3.1 因子分析

因子分析（FA）是一种从原始变量中提取公共因子来解释原始变量相关性的一种多元统计方法。以往许多研究者应用因子分析来解释地下水化学组分的成因[13-14]。通过原始数据协方差矩阵提取因子载荷，并进行因子旋转，可以确定水化学组分之间的相互联系和共同起源[15]。因子载荷反映了公共因子与原始变量之间的相关性，因子载荷大于0.75时被视为高度相关，因子载荷在0.5～0.75之间时被视为中度相关，因子载荷小于0.5时被视为低度相关[16]。而某一具体样本的因子得分反映了样本受该因子的影响程度，因子得分越大表示样本受该因子影响越大[17]。本研究利用主成分法提取水化学数据的因子载荷，并基于数据标准化后的相关性矩阵的特征值确定提取的公因子数量，利用最大方差法进行正交因子旋转。

1.3.2 聚类分析

聚类分析是一种基于原始数据相似度进行分类的多元统计分析方法。为了分析水化学成分间的相关性及样本之间的关联性，本研究以平方欧氏距离作为相似度度量标准，使用Ward系统聚类法（HCA），分别对水化学数据的变量和样本进行聚类分析。因子分析和聚类分析均使用SPSS软件实现。在进行因子分析和聚类分析时，对原始水化学数据进行值标准化，以消除变量取值范围和量纲的影响。

2 结果与分析

2.1 水化学特征

45个地下水样品水化学指标的描述性统计分析结果见表1。其中，由于K+量很小，因此与Na+进行合并。pH值在6.98～8.46之间，且变异系数较小，反映地下水整体呈弱碱性且空间变化较小。除pH值外，其他水化学成分变异系数均较大，尤其是NH4+、Fe、NO3-、Mn、F-的变异系数分别达到了1.81、1.62、1.57、1.54、1.49。参考《地下水质量标准》（GB/T14848—2017）中的III类标准，主要超标指标有Fe、Mn、TH、F、NH4+、TDS，超标率分别达到了76%、62%、27%、29%、13%、8%，此外还有少量样品中的SO42-、Na+和CODMn存在超标现象。

表1 地下水的水化学参数统计

注pH值无量纲，的单位为μS/cm，其余参数的单位均为mg/L。

依据地下水主离子成分，绘制出了地下水水化学类型的piper三线图（图2）。地下水中的阴离子以HCO3-为主，SO42-、Cl-次之；阳离子以Na+为主，Ca2+、Mg2+次之。浅层地下水的水化学类型以HCO3-Ca.Mg型为主，深层地下水化学类型以HCO3-Na型为主。地下水中的阴离子以HCO3-为主，表明其化学成分主要来源于碳酸盐矿物质的风化，而低TDS表明其受蒸发作用较小。地下水中的Na+主要来源于岩盐的溶解和含钠元素的硅酸盐矿物质的风化。此外，阳离子交换作用也是改变地下水化学成分的常见因素。阳离子交换作用受岩土颗粒、交换阳离子的性质、pH值和水中电解质浓度等因素的影响。吸附剂颗粒越细，阳离子的离子价越高，pH值越大，电解质浓度越高，吸附作用越强[18]。通州区第四系地层主要由多层砂层和黏土层组成，黏土层和细砂层可作为吸附剂，吸附地下水中的Ca2+、Mg2+，同时释放Na+。因此，由浅层至深层，地下水的水化学类型由HCO3-Ca.Mg型逐渐过渡到HCO3-Na型。

Gibbs图可以进一步识别出地下水的水化学演化的主要因素[19]。Gibbs图把控制内陆地区地下水的水化学过程分为蒸发作用、岩石风化作用和降水作用3种[20]。由图3可知，研究区浅层地下水和深层地下水的TDS大部分在200～1 000 mg/L之间，Cl-/(Cl-+HCO3-) 在0～0.3之间，表明浅层地下水的水化学演化主要受岩石风化作用的影响。而大部分深层地下水的Na+/(Na++Ca2+)在0.5～1之间，大部分浅层地下水的Na+/(Na++Ca2+)小于0.5，表明地下水可能发生了阳离子交换作用。因此，通州区以HCO3-Ca.Mg型为主的浅层地下水主要受矿物风化作用，而以HCO3-Na型为主的深层地下水化学特征是矿物风化和阳离子交换作用共同形成的。

图2 地下水水化学piper三线图

图3 地下水水化学Gibbs图

2.2 水化学成分的成因分析

2.2.1 因子分析

在进行因子分析前，首先对原始数据进行KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）和Bartlett’s球状检验，以检验数据是否适合进行因子分析。在做因子分析时，KMO统计量应在0.6以上（大于0.7效果比较好），Bartlett’s球状检验的值小于0.01[21]。本次研究所用数据的KMO值达到了0.695，且Bartlett’s球状检验的值小于0.01，因此数据适合做因子分析。基于主成分法提取公共因子，并按照特征值大于1的标准选择公因子，利用最大方差法进行因子旋转。表2为旋转后的因子载荷和方差贡献比。共提取了4个公因子，累计方差占总方差的85.45%。

因子1解释了总方差的40.94%，且与TDS、EC、TA、HCO3-、SO42-、Mg2+、Cl-、K++Na+、TH有较强的相关性。这些都是地下水中的主离子或与主离子相关的指标。因此，因子1为盐度因子，主要反映了碳酸盐、硅酸盐等主要矿物风化的过程。因子2解释了总方差的18.69%，与Fe、Mn、Zn元素高度相关。地壳中有丰富的Fe、Mn元素；以往研究表明，地质环境中Fe、Mn元素经常同时出现，为同一地质来源[22]。样品中Fe、Mn元素普遍超出III类水标准，超标率在60%以上。因此，因子2可代表铁锰污染因子，反映了富含铁锰等金属元素的矿物风化作用。因子3解释了总方差的17.55%，且与NH4+、NO3-和CODMn有较强的相关性。CODMn一般反映地下水中有机物量，而地下水中NH4+、NO3-的超标一般与人类活动有关。依据2018年通州区地下水污染源调查结果，通州区的地下水污染以农业面源污染为主，主要是农业污水灌溉和农业化肥的大量使用导致的。工业污染源相对较少，典型工业污染源均已迁移或停产。因此，因子3代表了农业污染因子，反映了农业活动对地下水的影响作用。因子4解释了总方差的8.27%，与F-高度相关（因子载荷0.838），与pH值、K++Na+、Ca2+呈低度相关（因子载荷分别为0.450，0.455，-0.383）。地层中的萤石（主要成分是CaF2）是地下水中F-的主要来源，而因子载荷表明F-与Ca2+呈负相关，与Na+正相关。可见，地下水在流经黏土层时发生了阳离子交换作用，Ca2+被黏土吸附而Na+被释放到了地下水中，从而使CaF2的水解平衡被打破，化学反应向F-浓度增大的方向进行。因此，因子4代表了氟化物污染因子，反映了含氟矿物的风化及阳离子交换反应。

计算所有样本的4个公因子的因子得分，并绘制空间分布气泡图（图4）。按照：因子得分＜0、0＜因子得分＜1、因子得分＞1划分为低、中、高3个等级。因子1、因子2和因子4的中、高得分在通州全区广泛存在（其中，因子2高得分主要分布在通州北部和西部，因子4高得分主要分布在通州东部和南部），反映地下水普遍受碳酸盐、硅酸盐矿物风化、含铁锰矿物风化、含氟矿物风化和阳离子交换作用的影响。因子3的中、高因子得分主要集中在通州北部，尤其是宋庄、永顺一带，反映了北部地区受农业污染较强烈。

表2 因子荷载和方差

2.2.2 聚类分析

基于变量的R型系统聚类谱系见图5。距离7代表的红线可以将变量分为4类，第一类包括EC、TDS、SO42-、TA、HCO3-、Mg2+、Cl-、TH、K++Na+；第二类包括F-和pH值；第三类包括NH4+、CODMn、NO3-；第四类包括Fe、Mn、Ca2+、Zn。总的来说，R型系统聚类的结果与因子分析的结果基本一致。以4个公因子作为变量，基于样本的Q型系统聚类谱系见图6。距离15代表的红线可以将所有样本分为5类，分别统计这5个类别的样本数量和因子得分平均值（表3）。

图5 R型系统聚类谱系

图6 Q型系统聚类谱系

表3 聚类因子平均得分统计

类别I主要受因子4控制，类别II主要受因子1和因子2控制，大部分样本被归为类别I（22个样本）和类别II（13个样本），说明大部分地下水化学成分主要受碳酸盐矿物、硅酸盐矿物风化，含铁锰矿物风化，含氟矿物风化和阳离子交换作用的影响，这与因子得分的空间分布情况基本一致。类别IV包括T1、T11、T12、T13和T14共5个样本，集中在通州北部的宋庄、永顺一带，主要受因子3控制，表明北部地区部分地下水受农业污染的影响。类别III包括T37、T38、T39共3个样本，主要受因子1和因子4的控制，类别V包含T7、T45共2个样本，主要受因子2和因子4控制。类别III和类别V包含的样本数量较少，主要代表某些异常样本，与某些矿物元素的局部富集有关。

3 讨论

本研究中，通过因子分析确定的因子2、因子3和因子4分别反映了铁锰元素、氨氮和氟元素对地下水的污染。郭高轩等[1]曾利用通州区151个浅、中、深不同层位的地下水样品进行了分层质量评价，发现：由浅到深，均有地下水样品超过了III类水标准，地下水超标组分主要为TDS、硬度、氨氮、氟化物和总铁元素。本研究中的地下水样品的水质检测结果及通过因子分析得出的结论与前人研究成果基本一致。蓝天杉等[2]通过岩土矿物测试，并利用离子之间的比值关系分析了通州区潜水发生的水岩相互作用，结果表明，研究区存在大量的伊蒙脱矿物，水岩相互作用时常有钙钠交替吸附现象发生。本次研究通过Gibbs图及因子分析方法，同样发现了研究区地下水中出现了阳离子交替的吸附作用。刘永清[3]分析了北京市通州区第四系地下水中氟元素的分布规律，发现氟离子浓度超标的地区主要分布在通州东部、南部及西部地区，且在垂直方向向上的浓度分布具有不同的表现形式，认为第四系地下水中氟浓度超标主要是由于原生性的氟浓度富集的地质原因引起的。这与本次研究通过因子分析得出的氟离子的空间分布及成因等结论基本一致。通州区第四系地层沉积厚度较厚，依据含水层的分布特征，在垂向上由浅至深可以将含水层分为4层。由于本次研究取样数量有限，不足以分层分析各含水层水化学指标在统计上的规律性及水化学成因。因此，未来的研究应针对4层含水层分别进行取样分析，且每层含水层取样数量上应有所保证，分析各层含水层水化学组分空间分布及其具体成因。

4 结论

通州区第四系浅层地下水以HCO3-Ca.Mg型为主，深层地下水以HCO3-Na型为主，主要由矿物风化作用和阳离子交换作用所形成。

因子分析共提取了4个公因子，累计方差占总方差的85.45%。因子1代表盐度因子，反映了碳酸盐、硅酸盐矿物风化过程；因子2代表铁锰污染因子，反映了富含铁锰元素的矿物的风化作用；因子3代表农业污染因子，反映了人类农业活动对地下水的影响；因子4代表氟化物污染因子，反映了含氟矿物的风化及阳离子交换反应。因子空间得分显示，因子1、因子2和因子4在通州区全区普遍存在，因子3主要分布在通州北部宋庄、永顺一带。

R聚类分析将指标分为4类，第一类包括EC、TDS、SO42-、TA、HCO3-、Mg2+、Cl-、TH、K++ Na+；第二类包括F-和pH值；第三类包括NH4+、CODMn、NO3-；第四类包括Fe、Mn、Ca2+、Zn。R型系统聚类的结果与因子分析的结果基本一致。Q型聚类分析表明，大部分样品主要受因子1、因子2、因子4的影响，少部分样品受因子3的影响，这与因子空间得分情况基本一致。

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Hydrochemistry of Groundwater in Quaternary Aquifers in Tongzhou of Beijing and the Underlying Determinants

WANG Xiaosong,LI Baoxue*,LI Yang,JIANG Xin,JIANG Chenxiang,GAO Jian
(Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering,Beijing 100048,China)

Groundwater in quaternary aquifers in Tongzhou of Beijing is a main water supply source to the region.Though it has been intensively studied over the past decades,there is a lack of understanding of its hydrochemistry and the underlying determinants.The purpose of this paper is to fill this knowledge gap.【Method】A total 45 water samples were collected from boreholes up to the depth of 300m; their biochemistry and the underlying determinants were analyzed using the piper diagram,Gibb’s diagram and cluster analysis.【Result】The shallow groundwater was HCO3-Ca.Mg type and the deep water was HCO3-Na type.Factor analysis extracted four common factors,and the cumulative variance accounted for 85.45% of the total variance.The results of cluster analysis were consistent with the factor analysis.Factor 1 represents salinity,associated with the weathering of carbonate and silicate minerals.Factor 2 represents pollution of iron and manganese,associated with the weathering of minerals rich in iron and manganese.Factor 3 represents agricultural pollution,associated with agricultural production and agronomic practices.Factor 4 represents fluoride,associated with the weathering of minerals rich in fluorine and cation exchange.Groundwater in the north of the region was affected mainly by agricultural production and agronomic practices.Overall,combined with cation exchange,the weathering of carbonate and silicate minerals,as well as minerals rich in iron,manganese and fluoride modulated the groundwater hydrochemistry in the studied region.

hydrochemistry; groundwater; quaternary aquifers; Tonhzhou; Beijing

2021-05-08

王小松（1982-），男。高级工程师，主要从事水文地质及水化学方面的研究。E-mail: wangxiaosong6560@126.com

李宝学（1991-），男。工程师，主要从事水文地质及水化学方面的研究。E-mail:libaoxue8@126.com

1672 - 3317（2022）03 - 0092 - 07

P641

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021190

王小松, 李宝学, 李阳, 等. 北京通州区第四系地下水化学特征及成因分析[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(3): 92-97, 104.

WANG Xiaosong, LI Baoxue, LI Yang, et al. Hydrochemistry of Groundwater in Quaternary Aquifers in Tongzhou of Beijing and the Underlying Determinants[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 92-97, 104.

责任编辑：韩 洋