段智隆，張永祥，白玉華，井　琦，高維春

(1.北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京　100124；2.水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點實驗室，北京　100124)

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北京東郊地下水化學成分及演化研究

段智隆1,2，張永祥1,2，白玉華1,2，井琦1,2，高維春1,2

(1.北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京100124；2.水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點實驗室，北京100124)

摘要：運用R型聚類分析法和Piper三線圖對2014年北京東郊地區(qū)地下水水質(zhì)進行評價，分析該地區(qū)水文地球化學類型特征。通過R型聚類，將18種檢測指標分為4類。其中，第Ⅰ類中TDS，總硬度，，Cl-以及電導(dǎo)率等對該地區(qū)水化學特征的影響最大；第Ⅱ類中既包含影響地下水色度的Fe和Mn，又包含存在線性關(guān)系的NH3-N和CODMn；第Ⅲ類、第Ⅳ類為pH值和，對水質(zhì)的影響較弱。Piper三線圖分析結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)地下水沿流向發(fā)生水質(zhì)點位移現(xiàn)象，地下水類型逐漸由Ca-Mg-HCO3和Ca-Mg-HCO3-SO4為主，變?yōu)镃a-Mg-Na-HCO3及Ca-Mg-Na-SO4-Cl，水質(zhì)情況發(fā)生惡化。但整體水質(zhì)情況仍良好。R型聚類分析方法與Piper三線圖的有效結(jié)合，為地下水水質(zhì)分析提供了科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水資源保護；水文地質(zhì)條件；R型聚類分析；Piper三線圖；水質(zhì)評價

受地球化學環(huán)境和人類活動的共同影響，地下水水質(zhì)呈現(xiàn)出區(qū)域性分布和演化的特點，不同地區(qū)的地下水的化學組分決定著其水質(zhì)的差異，并且直接影響著地下水的利用率[1-2]。北京東郊地下水資源非常豐富，王一凡等[3]曾通過地下水質(zhì)量綜合評價方法對該地區(qū)地下水環(huán)境進行了簡要分析。但由于該地區(qū)地下水化學組分的多樣性和復(fù)雜性，常規(guī)的水化學評價方法無法進行全面分析[4-6]，因此，本研究運用R型聚類法識別影響水化學特征的因子并揭示各組分中隱藏的相互關(guān)系[7-8]，用Piper三線圖分析研究水化學組分的空間分布及演化過程，為地下水資源的利用和保護提供依據(jù)[9]。

1地下水水質(zhì)綜合分析

1.1R型聚類法基本原理及步驟

R型聚類法是對研究對象的觀察指標進行分類。設(shè)u={x1,x2,…,xn}為分類對象，每個對象由m個指標xi={xi1,xi2,…,xim}(i=1,2,…,n)表征，進而建立R型聚類法。分析前，首先要篩選出對分類起作用的變量，并對變量進行標準化，防止由于分類對象各指標因單位與量級的不同導(dǎo)致距離計算結(jié)果受到嚴重影響。

本次研究采用標準差方法進行標準化。

(1)

其中：

(2)

(3)

進行R型聚類時，可采用相關(guān)系數(shù)法計算變量間的相似系數(shù)，以表示他們之間的親疏關(guān)系。

(4)

其中，i,j=1,2,…，m,|rij|?1。且|rij|越接近1表示xi與xj關(guān)系越密切；越接近0，表示關(guān)系越疏遠[10]。

1.2Piper三線圖基本原理

2實例應(yīng)用

2.1研究區(qū)域的水文地質(zhì)概況

研究區(qū)域位于北京東南部沖洪積扇平原區(qū)，轄區(qū)輪廓呈南北略長、東西稍窄的多邊形。地勢較為平緩，自西北向東南方向略有傾斜。沿地勢走向，區(qū)域內(nèi)地層以砂礫石與黏性土互層，漸變?yōu)橐责ば酝翞橹鞯貙?，黏性土層次由一層逐漸增多至數(shù)層，以至數(shù)十層[12](如圖1所示)。

圖1　北京東郊地區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.1　Hydrogeologic profile in Beijing eastern suburb area

多樣化的地質(zhì)使得含水層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研究區(qū)內(nèi)從單一潛水含水層發(fā)展到多層潛水-承壓含水層[13]，既包含潛水，也包含承壓水，含水層滲透性與富水性差異懸殊。該區(qū)域?qū)儆谫Y源型缺水地區(qū)[14]，地下水多屬重碳酸鈣、鎂型水，水流自西北流向東南。多年平均降雨量為639.4 mm，該區(qū)域地下水的主要補給源為大氣降水和上游含水層徑流。

2.2R型聚類分析

為全面、系統(tǒng)地分析研究區(qū)域地下水水質(zhì)情況，選取2014年該區(qū)域范圍內(nèi)69眼地下水監(jiān)測井分別抽取潛水和承壓水原水(監(jiān)測井位置見圖2)。

水質(zhì)分析結(jié)果見表1。選取溶解性總固體(TDS)、總硬度、總堿度、Ca2+和Mg2+等18項代表性因子利用SPSS軟件進行R型聚類分析，結(jié)果見圖3。各因子間對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)見表2。

圖2　研究區(qū)域監(jiān)測井分布圖Fig.2　Distribution map of monitoring well in study area

水質(zhì)監(jiān)測指標ρ(K+)/(mg·L-1)ρ(Ca2+)/(mg·L-1)ρ(Mg2+)/(mg·L-1)ρ(Fe)/(mg·L-1)ρ(Mn)/(mg·L-1)ρ(NO-3)/(mg·L-1)ρ(SO2-4)/(mg·L-1)ρ(Cl-)/(mg·L-1)ρ(NO-2)/(mg·L-1)最大值4.94168.0067.300.830.2126.40170.00198.000.06最小值0.2212.004.370.030.010.1516.407.630.00平均值1.4360.4228.560.150.034.1862.2249.160.00標準偏差0.7833.6315.100.170.055.7030.6744.050.01變異系數(shù)0.550.560.531.121.491.360.490.901.60水質(zhì)監(jiān)測指標ρ(HCO-3)/(mg·L-1)ρ(NH3-N)/(mg·L-1)ρ(CODMn)/(mg·L-1)ρ(TDS)/(mg·L-1)ρ(總堿度)/(mg·L-1)ρ(總硬度)/(mg·L-1)電導(dǎo)率/(μS·cm-1)色度/度pH值最大值589.000.660.94957.00483.00581.001673.0020.008.20最小值179.000.020.34245.00162.0048.00420.005.007.20平均值293.420.100.51414.26241.72268.63730.865.437.78標準偏差73.440.160.14154.5859.22123.54282.972.210.23變異系數(shù)0.251.540.270.370.250.460.390.410.03

表2　地下水監(jiān)測關(guān)鍵指標(部分)相關(guān)系數(shù)表

注：***為在0.001水平上顯著相關(guān)：**為在0.01水平上顯著相關(guān)。

圖3　地下水監(jiān)測指標R型聚類樹狀圖Fig.3　R-type clustering dendrogram of 　　　groundwater quality indexes

從上述分類結(jié)果可以看出，Ⅰ類因子對研究區(qū)域內(nèi)地下水化學特征影響最大，是影響該地區(qū)水質(zhì)的主要因素。其中，TDS值是反映水質(zhì)最直接的指標，其值的大小與其他各因子的相關(guān)性強；Ⅱ類因子對水質(zhì)的影響稍弱；Ⅲ類和Ⅳ類因子的作用最小。

2.3Piper三線圖分析

研究區(qū)域地勢低平，第四系沖洪積物是主要含水層。整個研究區(qū)域存在西北高、東南低，由西北向東南緩慢下降的特點，地面平均坡降約為1/2 000。因此，地勢是影響潛水層地下水流向的關(guān)鍵因素。通過區(qū)域水文地質(zhì)條件研究，并結(jié)合地下水的流向，將研究區(qū)域分為4個區(qū)：西北區(qū)(1區(qū))、東北區(qū)(2區(qū))、西南區(qū)(3區(qū))及東南區(qū)(4區(qū))(見圖2)。利用Piper圖繪制出研究區(qū)域內(nèi)不同地理位置的水質(zhì)情況，并對區(qū)域內(nèi)地下水水質(zhì)演化過程進行研究，結(jié)果見圖4。

圖4　全區(qū)地下水監(jiān)測指標Piper三線圖Fig.4　Piper diagram of groundwater quality indexes

為了驗證上述結(jié)論的正確性，計算各區(qū)TDS的質(zhì)量濃度平均值：1區(qū)409.0 mg/L，2區(qū)302.6 mg/L，3區(qū)561.5 mg/L，4區(qū)374.6 mg/L。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)總礦化度的變化并不滿足上述遷移規(guī)律。通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1區(qū)及3區(qū)內(nèi)存在水質(zhì)較差地區(qū)(具體位置見圖2中a，b)。由于這兩個地區(qū)內(nèi)有工廠(印刷廠、供熱廠)、綜合養(yǎng)殖區(qū)及高爾夫球場等，工業(yè)污染的排放及化肥、農(nóng)藥的施用使得這兩個區(qū)域的TDS值遠高于周圍其他地區(qū)。忽略異常點后重新計算各區(qū)TDS的質(zhì)量濃度平均值：1區(qū)369.8 mg/L；2區(qū)302.6 mg/L；3區(qū)436.2 mg/L；4區(qū)374.6 mg/L?？煽闯?，沿1區(qū)向3區(qū)、4區(qū)及2區(qū)向4區(qū)方向，TDS值均逐漸上升，水質(zhì)的變化均符合沿地下水流向(自西北向東南)總礦化度逐漸增大的趨勢。同時，全區(qū)內(nèi)地下水中TDS值均未超過地下水質(zhì)量標準(GB/T 14848—1993)中Ⅲ類水的要求(≤1 000 mg/L)[2]，整體水質(zhì)情況良好。

通過分析可以看出，研究區(qū)域的地下水水化學類型較為多變，但整體規(guī)律較為明顯。沿含水層內(nèi)地下水流向，逐漸由以Ca-Mg-HCO3，Ca-Mg-HCO3-SO4為主，變?yōu)镃a-Mg-Na-HCO3及Ca-Mg-Na-SO4-Cl類型，并包括Ca-Mg-SO4，Ca-Na-SO4-Cl等類型[17]，水化學類型趨于復(fù)雜化，水質(zhì)情況也略有惡化。

3結(jié)論

R型聚類分析與Piper三線圖的有效結(jié)合，既能快速找出影響地下水化學特征的主要因子，反映各因子間的相互關(guān)系，又能直觀表示出研究區(qū)域內(nèi)地下水化學組分的空間分布規(guī)律及演化過程。比傳統(tǒng)的評價方法更清晰、更便捷，分析結(jié)果更符合實際情況，是一種應(yīng)用靈活、科學有效的分析方法，能夠為地下水污染治理提供借鑒和支持。

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Study on chemical composition and evolution of the groundwater in eastern suburb of Beijing

DUAN Zhilong1,2, ZHANG Yongxiang1,2, BAI Yuhua1,2, JING Qi1,2, GAO Weichun1,2

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2.Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering Beijing Key Laboratory, Beijing 100124, China)

Abstract:R-type clustering method and the Piper diagram are used to evaluate the groundwater quality of eastern suburb of Beijing in 2014 to evaluate the hydrogeochemical characteristics. According to R-type clustering, eighteen water quality indexes are separated into four groups. The most influencing Group Ⅰ includes TDS, total hardness, ,Cl-, conductivity, and so on. Group Ⅱ includes Fe and Mn, which affect the chroma conditions of groundwater, and includes NH3-N and CODMn, which have a linear relationship. Group Ⅲ and Ⅳ, such as pH and , have the weakest influence. The Piper diagram shows the phenomenon of water quality point displacement along the direction of stream flow. The groundwater type changes from mainly including Ca-Mg-HCO3 and Ca-Mg-HCO3-SO4 facies to Ca-Mg-Na-HCO3 and Ca-Mg-Na-SO4-Cl facies, namely the water quality becomes deteriorated, but is still overall in good condition. Reasonable combination of the R-type clustering method and the Piper diagram provides a scientific basis for the groundwater quality analysis.

Keywords:water resources protection; hydrogeologic condition; R-type clustering method; Piper diagram; water quality evaluation

文章編號：1008-1534(2016)03-0218-06

收稿日期：2016-01-05;修回日期：2016-03-28；責任編輯：王海云

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2011BAC12B00)

作者簡介：段智隆(1990—)，男，山西晉中人，碩士研究生，主要從事水資源管理和污染控制模擬技術(shù)方面的研究。通訊作者：張永祥教授。 E-mail:yxzhang@bjut.edu.cn

中圖分類號：X824

文獻標志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03007

段智隆，張永祥，白玉華，等.北京東郊地下水化學成分及演化研究[J].河北工業(yè)科技,2016,33(3):218-223.

DUAN Zhilong, ZHANG Yongxiang, BAI Yuhua,et al.Study on chemical composition and evolution of the groundwater in eastern suburb of Beijing[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(3):218-223.