您的当前位置：首页毕节地区地下水水化学主成分空间分布特征研究

毕节地区地下水水化学主成分空间分布特征研究

来源：六九路网

2019年7月第41卷第4期地下水GroundwaterJul．，2019

Vol.41NO.4

高

岩

（贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳550025）

K+、Ca2+、Mg2+、HCO3－、SO42－、Cl－等水化要］采用多元统计法分析贵州毕节地区地下水水样中Na、

学成分的主成分，采用经验贝叶斯克里金插值法分析各主成分空间分布特征。分析结果可知：第一主成分包括

［摘

Ca2+、Mg2+、K+、HCO3－等离子，成分的形成以溶滤作用为主，呈从西向东、补给区到排泄区逐渐增强趋势；第二主成

SO42－等离子，其来源与矿产资源分布、人类活动及地下水浓缩作用有关，其值西部高，东部低，呈从西分包括Na、

－

K+等离子，向东减弱的趋势；第三主成分包括Cl、空间分布表现为北中部比较高，其来源与人类活动污染有关，毕

节地区地下水受人类活动影响轻微。

［关键词］地下水水化学；空间分布特征；毕节地区；主成分分析［中图分类号］P1．12［文献标识码］A［文章编号］1004－1184（2019）04－0001－04

SpatialDistributionＲesearchonPrincipal

ComponentsofGroundwaterHydrochemistryinBijie

GAO

Yan

（CollegeofＲesourceandEnvironmentalEngineering，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China）

Abstract：Principalcomponentanalysismethodwereusedtoanalysistheprincipalcomponent：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3

－

andCl－ofthegroundwaterhydrochemistryinBijie．Bayesian－Kriginginterpolationalgorithmmethodwereusedtoa-

Mg2+、K+andHCO3－，thecompo-nalysisthespatialdistributioncharacteristics．ThefirstprincipalcomponentincludeCa2+、

nentmainlycamefromdissolutionofcarbonaterocks．Thedistributiontendstoincreasegraduallyfromwesttoeastandre-chargezonetodischargezone．ThesecondprinciplecomponentincludesNa+、SO42－，themainsourceofitisrelatedtothedistributionofmineralresourcesandhumanactivitiesandgroundwaterconcentration，itsvalueishighinthewest，lowintheK+，itsspatialdistributionisrelativelyeast，tendtoweakenfromwesttoeast．ThethirdprincipalcomponentincludesCl－、

highintheNorthMidlands，anditssourceisrelatedtothepollutionofhumanactivities．GroundwaterhydrochemistryinBijieisslightlyaffectedbyhumanactivities．

Keywords：groundwaterhydrochemistry；spatialdistributioncharacteristics；Bijie；principalcomponentanalysis

人类对地下水的开发利用历史悠久，地下水资源是世界

上很多国家、地区必不可少的淡水资源。毕节地区位于贵州省西北部，大部分地区属易重度干旱区，少部分地区属易轻

［1］

度干旱区。区内地质构造复杂，地下水富集，开发利用地下水是解决干旱缺水问题的重要途径。地下水水化学成分

所处的地质地理环境和人类活动等影响表现受赋存的岩石、

出一定的特征和规律。研究毕节地区地下水的水化学成分

空间分布特征，揭示水化学形成环境，对评价毕节地区地下水环境现状、地下水的开发利用具有重要意义。

km2。毕节地区地处滇东高原向黔中山原丘陵过渡的倾斜地带，地势西高东低呈阶梯状下降。区内地质构造复杂，地质

史上地壳运动在区内形成垭都—紫云、纳雍—等深断裂构造。区内碳酸盐岩分布面积广泛，占全区面积的73．3%，岩溶发育强烈。碳酸盐岩岩溶水是毕节地区地下水的主要关岭组、三类型。碳酸盐岩岩溶水存在于三叠系松子坎组、

叠系下统茅草铺组、永宁镇组、茅口组和寒武系中上统娄山关群的灰岩、泥灰岩、白云岩、泥质白云岩的裂隙和岩溶介质

［3］

中，岩溶水补给面积大、分布广、水量丰富。目前有部分学者对毕节地区地下水水化学特征进行了研究。张世旭、王中美等研究了区内岩溶地下水水化学特征并对其进行了水质

毕节地区岩溶地下水主要水化学类型评价。研究结果表明，

［4］

为HCO3－CaMg型，主要分布在毕节地区的西部和南部。袁剑飞、邓国仕等研究了毕节地区北部的岩溶水水化学特

1研究区概况

贵州省毕节地区位于贵州省西北部，辖七星关区、大方、

黔西、金沙、织金、纳雍、威宁、赫章8个区、县和百里杜鹃风

［2］景名胜区、金海湖新区2个管委区。地理坐标为东经103°36．2'～106°43．3'，北纬26°21'～27°47'，面积为26853

研究结果表明地区北部地下水水化学类型主要为HCO3征，

［收稿日期］2019－03－01

［基金项目］贵州省科技计划联合基金项目（黔科合LH字［2017］7284号）；贵州省科技平台及人才团队计划项目（黔科

2017］02号）合平台人才［［作者简介］高岩（1974－），女，辽宁锦州人，讲师，研究方向：水文预报、岩溶地区地下水中污染物迁移。

第41卷第4期地下水2019年7月

－Ca型、HCO3·SO4－Ca型和HCO3－CaMg型［5］（见图1）。

选取的水化学得。遵循均匀分布原则总计选取21个样本，

2+2+++－2－

Mg、Na、K、HCO3、SO4、Cl－等7项样指标包括Ca、

本分布情况见图2，水分析结果见表1。

图1研究区地理位置图

2数据来源

地下水水质资料来源于2007－2011年为解决毕节地区

图2

Ca2+47．37122．8491．4348．06117．2191．8467．6788．9356．1362．78118．92103．9287．2668．6869．8594．71124．59125．67．2392．4510．0

Mg2+18．918．9927．439．28．066．2326．3928．130．2610．8415．3132．0148．581625．987．6665．19．8224．130．2734．18

农村饮用水问题在毕节地区各区县钻孔采取水样并分析取

表1

序号1234567101112131415161718192021

孔位

纳雍县龙场镇以扒村纳雍县沙包乡大寨村

阳长镇乐丰村赫章县妈姑镇江象冲

大街乡大街小海镇朱嘎村迤那镇合心村织金县八步镇集镇毕节市大新桥办事处小河村毕节市杨家湾镇杨家湾村毕节春堡镇裸依村毕节市清水铺镇东山村大方县黄泥塘镇黄泥塘村大方县八堡乡复兴村大方县鼎新乡五一村黔西县仁和乡朝阳村黔西县素朴镇驻地黔西县羊场乡双山村金沙县清池镇清桥村金沙县官田乡心合村金沙县茶园乡石钟村

东经105°14'56″105°23'17″105°11'33．6″104°33'35″104°14'06．0″104°06'56．9″103°52'47．8″105°48'18．6″105°16'24″104°57'42″105°08'38．6″105°33'26．18″105°43'49″105°35'41．42″105°26'49″106°04'02″106°20'05″106°00'16″105°56'58″106°39'26．2″106°26'39″

地下水样本采样分布图

mg/L

K+1．691．1210．591．450．530．4910．751．292．852．693．970．880．961．162．020．333．4712

Na+3．462．8461．144．383．514．04141．517．4322．746．923．720．310．576．140．634．673．4815．33

HCO3

－

地下水水化学指标数据

北纬26°51'15″26°51'05″26°37'45．2″26°57'23″27°06'48．9″26°56'26．2″27°04'10．1″26°49'00．5″27°20'08″27°10'16″27°13'29．5″27°40'8．06″27°03'06″27°27'1．26″26°58'26″27°08'52″27°00'41″26°50'34″27°41'36″27°23'27．4″27°27'46″

Cl－4．631．046．612．462．143．251．7．5．3810．985．3516．065．424．010．973．2．024．974．043．746．61

SO42－33．81243．7817218．9267．4336．0718．7112860．9396．82228．0399．5513．359．2719．1668．3266．913229．488070

188．83182．43187．38141．86297．65280．04312．05263．35252．2169．45212．79371．2．99275．84327．07242．38408．39272．19280．56331．63410．22

3．1

主成分分析法

表现出一定相关关系。本文采用组分或相互联系或相互排斥，

分析其成主成分分析法分析地下水的水化学成分相互联系，因，分析地下水水化学成分形成过程和形成环境。

本文采用主成分分析法对地下水水化学特征进行分析。

主成分分析法（prin－cipalcomponentsanalysis）是在保证信息对高维变量空间进行降维处理。地下水量损失最小的前提下，

的化学成分复杂，水质指标较多，近年来国内外很多研究者采用主成分分析法对水质进行分析评价。高卫东（2009）、钱程（2016）等采用主成分分析法对水质进行评价（6）－（10）。不同环境条件下地下水水化学特征有明显的差异。地下水的各

3．2毕节地区地下水水化学成分主成分分析

本文以SPSS软件为平台对毕节地区地下水水分析数据

进行主成分分析。首先需对水分析数据进行标准化处理并计算标准化数据的相关系数（见表2）。

按主成分各自能够承载原始变量的总信息即各主成分

提取了三个主成分，主的方差在全部方差中所占比重排序，

成分方差累积达到80．%。主成分特征值、方差百分比、累

第41卷第4期地下水2019年7月

积方差见表3，主成分离子载荷系数见表4。

表2各指标相关系数

指标Ca2+Mg2+K+Na+HCO3

－

Cl－

SO42－

Ca2+1．000Mg

0．1631．000K+0．1490．4

1．000

Na+0．188

－0．2310．2311．000

HCO3－

0．3210．6980．459－0．2901．000Cl－0．0160．0660．3100．4860．080

1．000

SO4

2－0．709

0．270

0．066

0．370

－0．1220．053

1．000

表3

主成分特征值、方差百分数和累计方差

主成分特征值方差百分比累积/%主成分12．35733．67833．67主成分21．88026．86160．539主成分3

1．400

20．005

80．4

表4

主成分载荷系数表

水化学指标

主成分1主成分2主成分3Ca2+0．6310．356－0．8Mg2+0．758－0．448－0．046K+0．693－0．0790．461Na+0．1820．8320．349HCO3－

0．707－0．50．056Cl－0．3290．3870．694SO42－

0．513

0．598

－0．528

主成分1的方差百分比为33．678，其中Ca2+

、

Mg2+、K+、HCO－3等离子的载荷贡献较大。主成分2的方差百分比26．861，其中Na+、SO2－4、离子具有较高的载荷贡献，同时

HCO－2+3、Mg离子具有较高的负载荷贡献。主成分3的方差百分比为20．005，

其中Cl－

、K+

离子有较高的载荷贡献，而SO2－

2+4、Ca离子具有较高的负载荷贡献。

地下水水化学主成分得分及分布特征

4．1

主成分得分

根据主成分载荷系数和主成分对应的特征值，求得主成

分中每个指标的得分系数，

计算水样主成分得分。4．2主成分分布特征及成因

本文采用经验贝叶斯克里金插值法对毕节地区地下水水

化学主成分的空间分布特征进行分析。经验贝叶斯克里金（EBK）是一种地统计插值方法，具有通过构造子集和模拟过程自动计算参数的特点。鲁民颉等比较DEM插值精度，经验贝叶斯插值法较径向基插值法、普通克里金插值法精度更高

［11］

。第一主成分以Ca2+

、

Mg2+、K+、HCO－3离子的载荷贡献较大。Ca

、Mg

2+、HCO－

3离子主要来源于地下水与碳酸盐

岩的水岩之间的溶滤作用。地下水的溶滤作用从补给区到

排泄区作用时间增长，水中的Ca2+

、

Mg2+、HCO－3离子随之增加。从毕节地区的地形、

地貌、水文分布特点来看，毕节东部为地下水补给区，西部为地下水的排泄区。第一主成分得

分空间分布东部高，西部低，反映了毕节地区地下水溶滤作

用的影响。K+

离子来源于肥料和硅酸盐的溶解。地下水成分的来源与降水对土壤溶滤作用有关（见图3）。

表5主成分得分系数表

水化学指标

主成分1主成分2主成分3Ca2+0．268．1－0．391Mg2+0．321－0．238－0．033K+0．294－0．0420．329Na+0．0770．4430．250HCO3－

0．300－0．3130．040Cl－0．1400．2060．496SO42－

0．217

0．318

－0．377

图3主成分1插值结果分布图

图4

主成分2插值结果分布图

第二主成分中Na+

离子、

SO2－4离子具有较高的载荷贡献度。地下水的中Na+

、

SO2－4离子可能来源于人类活动、采矿业的污染作用及石膏岩的膏溶作用。谭应机等在研究磷石膏堆场岩溶地下水中将Na+、SO2－、和NO－

43离子作为其

研究区域地下水第二主成分，认为其反映了人为作用的影

响

［12］

。从插值结果来看毕节地区地下水第二主成分得分西

部较东部高，总体呈由西向东递减。毕节地区有多种矿产，

铁矿主要集中在赫章县垭都—紫云深断裂西南侧地带，铅锌矿主要分布在赫章县，石膏主要产于毕节西部威宁县四方

井。上述矿产分布及开采可以导致地下水中Na+

离子、SO2－4离子具有较高的浓度。地下水的中Na+、SO2－4离子浓度也可以受地下水的浓缩作用影响。蒸发浓缩作用可以导

致Ca2+

、

Mg2+离子析出，SO2－4和Na+离子增加。周小平等在研究淮南新生界含水层中，

将Na+

、Cl－和SO2－4离子作为第一主成分并作为盐化指数，认为其反映地下水蒸发浓缩作

第41卷用

［13］

第4期地下水2019年7月

。毕节地区西部为山原地貌分布地区，地表切割较浅，

地下水分布较浅。东部地区地形切割较深，地下水分布深。

表6主成分得分表

序号1234567101112131415161718192021

孔位

纳雍县龙场镇以扒村纳雍县沙包乡大寨村

阳长镇乐丰村赫章县妈姑镇江象冲

大街乡大街村小海镇朱嘎村迤那镇合心村织金县八步镇集镇

毕节地区大新桥办事处小河村潘家冲组

毕节地区杨家湾镇杨家湾村毕节地区长春堡镇裸依村半坡组

毕节地区清水铺镇东山村大方县黄泥塘镇黄泥塘村大树脚组

大方县八堡乡复兴村大方县鼎新乡五一村黔西县仁和乡朝阳村苦草坪黔西县素朴镇驻地黔西县羊场乡双山村金沙县清池镇清桥村金沙县官田乡心合村后坝组

金沙县茶园乡石钟村

井号CK02CK01KH2011075CK43－1KH2011097KH2011090KH2011091

CK3CK36CK49－1CK55BJ02CK58CK6CK63CK12CK14CK76CK16CK13JS02

第二主成分得分分布显示为西部高东部低，反映了地下水浓缩作用影响逐渐减弱的过程（见图4）。

北纬26°51'15″26°51'05″26°37/45．2″26°57'23″27°06'48．9″26°56'26．2″27°04'10．1″26°49'00．5″27°20'08″27°10'16″27°13'29．5″27°40'8．06″27°03'06″27°27'1．26″26°58'26″27°08'52″27°00'41″26°50'34″27°41'36″27°23'27．4″27°27'46″

主成分1－0．981970．056669－0．03887－1．83495－0．16876－0．86179－0．0．238262－0．65139－0．56820．9400881．5222951．709823－0．88826－0．24－0．611562．226516－0．1520．1492940．1039161．024631

主成分2－0．296030．9041820．7962－0．279410．076066－0．10865－0．845920．978291－0．21．7357432．4631820．406977－1．60618－0．74973－1．214850．349038－0．721340．701914－0．69316－0．69255－0．005

主成分30．820041－2．07769－0．378240．11302－0．73616－0．37937－0．137510．3831170．13051．661510．1161731．7856311．232910．166979－0．29156－0．23827－1．8772－1．148131．0945－0．5150．304173

用的影响（见图5）。

5结语

（1）毕节地区地下水水化学成分中Ca2+、Mg2+、K+、HCO3－等离子在第一主成分具有较大贡献度，反映了天然地下水溶滤作用对地下水水化学成分的影响。毕节地区地下

从补给区到排泄区逐渐增强。水溶滤作用的影响由西向东，

（2）第二主成分中Na+、SO42－离子具有较高的载荷贡献

图5主成分3插值结果分布图

－

K+离子有较高的载荷，第三主成分中Cl离子、而

2+－+2－

SO4、Ca离子具有较高的负载荷。地下水中Cl、K离子可能来源于地下水溶滤作用和浓缩作用，也可能来源于土壤肥料溶滤作用。毕节地区地下水第三主成分得分分布反映

鸭和猪羊等牲为北中部比较高。毕节地区北部居民养殖鸡、

畜、生活废水排入河水和水沟中。当地有硫、铁、煤、锌、铜、

硅铁等20余种矿藏，有私采矿藏点在当地分布。袁健飞等在研究岩溶地下水水化学特征中发现毕节地区北部地下水

Cl－离子与区内生活污水和农业活动相关［5］。本文中Na、

从第三主成分在毕节地区分布情况来分析，认为毕节地区北

东南部及西部地区受人中部的地下水受人为活动影响较大，

为活动影响较小。第三主成分反映了土壤中污染物淋滤作

同时HCO3离子和Mg离子具有较高的负载荷。受人度，

类活动、采矿业的污染、石膏岩的膏溶作用，同时受地下水浓缩作用的影响，第二主成分得分西部较东部高，总体呈由西向东递减。

（3）第三主成分中Cl－、K+离子有较高的载荷，而

2+2－

SO4、Ca离子具有较高的负载荷，反映了养殖业、采矿等对地下水的影响。毕节地区北中部的地下水受人为活动影响较大，东南部及西部地区受人为活动影响较小。（4）毕节地区地下水化学成分及其分布特征反映了其地

矿产分布、蒸发浓下水水化学成分主要受天然的溶滤作用、

缩及人类活动等作用影响。地下水水化学成分受人类活动

影响较轻微。

（下转第19页）

－

第41卷第4期地下水2019年7月

层地下水及热水的成因主要形成于大气降水。

（2）克雷格降水直线分析

克雷格降水通常称之为H·Craigh降水直线，其直线方程为：

（1）δD=8δO+10

根据研究结果：如果测出的水中的δD和δO关系值处于降水直线附近，就意味着被测定水主要来源于大气降水。研究

TU）的有15个；氚值在3－20TU（9．7±1．0TU－14．9±1．3

TU）的有4个；表明研究区浅层地下水均是20年内形成的，“新水”（年龄小于10年）所占的比例为78%。

热水氚值＜1．0TU，表明热水形成年龄在20年以上，为年龄较老的地下水。

4结语

区内20个地下水样品的δD和δO关系值落在降水直线附近，说明上述20个采样点的地下水主要来源于大气降水。研

究区内δD、δO与H·Craigh降水直线关系如图1所示。综上所述，通过经验数值对比和克雷格降水直线分析，研究区地下水的补给来源主要是大气降水。

（1）研究区地层由老到新为前古生界、下古生界、上古生界、中生界和新生界；此外，按地球动力学特征分析盆地形成机制对张掖盆地进行划分，属张扭性盆地，有利地热运移和富集；最后，研究区及外围地下水类型为第四系松散岩类孔隙潜水，区域第四系潜水含水层富水性极好，而研究区潜水地下水水化学类型较为单一。

（2）地热田热储为新近系及白垩系砂岩、砂砾岩、含砾砂岩等，厚度为536m。新近系中新统间泉子段热水储集性能最好，经钾镁地热温标估算，热储温度60℃；盖层为新近系上新统疏勒河组泥岩、泥质砂岩层；热源来自地壳深部的热传导。

（3）研究区地热流体化学组分比较复杂，矿化度也比较大；此外，通过经验数值对比和克雷格降水直线分析，研究区

图1δD、δO与H·Craigh降水直线关系图

地下水的补给来源主要是大气降水；根据研究区地下水放射性同位素测定结果，研究区浅层地下水均是20年内形成的，“新水”（年龄小于10a）所占的比例为78%。

参考文献

［1］魏红军，李百祥．张掖—民乐盆地地质构造特征与张掖市地热

资源开发可行性分析［J］．甘肃地质．2007（4）：73－76．［2］董忠萍，熊友平．河西走廊地下热水资源应用前景分析［J］．水

电与新能源．2015（5）：16－19．

［3］程先锋，徐世光，张世涛．云南省安宁温泉地热地质特征及成

因模式［J］．水文地质工程地质．2008．35（5）：124－128．［4］王贵玲，刘志明，蔺文静．鄂尔多斯周缘地质构造对地热资源

形成的控制作用［J］．地质学报．2004．78（1）：44－51．

［5］胡静，涂良权，刘会平．河南省九龙山汤池温泉地热地质特征

及成因机制［J］．地质科技情报．2012（4）：86－90．

［6］董忠萍．河西走廊地下热水资源成因分析［J］．资源环境与工

程．2013．27（4）：455－460．境工程．2009．16（1）：28－30．

［7］杜军凯，傅尧等．模糊—主成分分析综合评价法在地下水水质评

3．2．2放射性同位素分析

环境同位素氚（T）作为氢的放射性同位素，半衰期为

12．43a，环境同位素在过去的50a里被广泛的应用于解决地下水年龄等相关问题。利用同位素氚测地下水年龄的方法于1969年首次由Tolstikhin和Kamenskiy提出，一般情况下，地下水中的氚值含量只受元素衰变规律的影响，不会与岩石介质发生交换，因此，氚元素存在于所有现代循环水中，它可以作为理想的示踪剂来研究入渗起源的现代地下水。国际原子能委员会同位素小组建议用氚法测定地下水的年龄时，采用下列模式估算：氚值小于3TU，地下水从补给源到采样点大约是20a以上；氚值为3－20TU时，年龄是10～20a；氚值大于20TU时，地下水是最近形成的。根据研究区地下水放射性同位素测定结果，研究区内19个浅层地下水中氚值大于20TU（19．9±1．3TU－40．0±2．5（上接第4页）

参考文献

［1］王明章．贵州省岩溶区地下水与地质环境［M］．北京：地质出版

社．2015：298－303．

［2］毕节网．毕节市概况［EB/OL］．http：//www．bijie．gov．

cn/sq/bjgk/274210．shtml．2018．10．11．

［3］毕节地区地方志编撰委员会．毕节地区志·地理志［M］．北京：

方志出版社．2004．1：160－169．

［4］张世旭，王中美，代天豪．毕节地区岩溶地下水水化学特征与水

质评价［J/OL］．长江科学院院报．http：//kns．cnki．net/kcms/de-tail/42．1171．tv．20180424．1813．014．html，2018，（04）．［5］袁建飞，邓国仕，等．毕节市北部岩溶地下水水化学特征及影响

因素的多元统计分析［J］．中国地质．2016．43（4）：1447－1456．

［6］高卫东．基于主成分分析的矿区地下水水质评价［J］．安全与环

櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈价中的应用［J］．中国环境监测．2015．31（4）：75－81．

［8］叶惠君，张瑞雪，等．基于主成分分析的岩溶水水化学组分及影

响因素研究—以贵州水城盆地为例［J］．中国岩溶．2017．36（2）：215－225．

［9］李连香，许迪，等．基于分层构权主成分分析的皖北地下水水质

评价研究［J］．资源科学．2015．37（1）：0061－0067．

［10］吕晔．外国科学家就“水质评价方法”的研究动态［J］．资源科

学．2015．37．

［11］鲁民颉，董有福．EBK算法中半变异函数模型对DEM插值精度

差异性研究［J］．测绘技术装备．2018．20（1）：22－24．［12］覃应机．磷石膏堆场渗漏对岩溶地下水环境影响研究［D］．贵

阳：贵州大学．2017．

［13］周小平，张春雷，等．淮南巨厚新生界多含水层组地下水系统特

征［J］．合肥工业大学学报．2016．39（12）：1693－1697．

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文