基于SPSS的岩溶地下水质变化及其影响因素——以重庆市金佛山表层岩溶地下水为例曹敏;沈立成;肖琼;邱述兰;王鹏【摘要】Epikarst springs which show large variations in water quality abound in the Jinfo Mountain, Chongqing. In order to find out the influence factors, an attempt was made to distinguish the natural and anthropogenic processes and factors responsible for groundwater quality. R-modc factor analysis was applied for the sets of chemical data, i.e. pH, γ, ρ(HCO3- ) , ρ(Ca2+), ρ(Mg2+), ρ(Na+), ρ(K+), ρ( SO42- ) , ρ( NO3- ) and ρ(CP ) in the karst springs at Jinfo Mountain. Groundwater samples were collected at 36 sites in January, 2009. Analytical results of these groundwater samples show the springs at Jinfo Mountain had variable chemical compositions. By applying the R-mode factor analysis of SPSS, four factors were obtained, which could help to explain the characteristics of groundwater quality and to identify the formation of hydrochemistry based on the performance of ions and their geochemical processes. The water-rock interaction in karst area is the common influence factor for SO4- , F - , K+ , Sr2+ and Ca2+ in groundwater. Concentrations of Mg2+ and HCO3- are highly related to soil. Precipitation should be responsible for concentrations of Na+ and Cl-. Anthropogenic activities contribute to elevation of NO3- in groundwater. The four factors can explain for 87. 58% of the formation of karst groundwater. The natural processes are the most important influence' factors for the formation of groundwater quality inthe springs of Jinfo Mountain, including 55.56% attributed to the processes of water-rock interaction. It means that factor analysis is useful in analysing water quality and illustrating its influence factors as well as in evaluation of water quality.%重庆金佛山地区岩溶泉水遍布,但是各个泉点的水质却有较大差异.利用地下水的化学性质,如pH,电导率Υ,HCO-3、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、SO42-、NO-3和Cl-等的质量浓度进行因子分析可以分辨出自然过程和人类因素对地下水的影响.2009年1月在重庆金佛山地区采集36个岩溶泉水样,分析结果表明:金佛山岩溶泉的水化学成分具有较大的空间变异.利用SPSS中因子分析方法,得到基于水中离子和地球化学过程解释的地下水水质特征及其形成的4个因子:水-岩作用是地下水中SO42-、F-、K+、Sr2+和Ca2+形成的共同因素,Mg2、HCO3-主要受土壤等因子影响,Na+、Cl-主要来源于大气降水,人类活动主要影响水中的NO-3.以上4种因子可以解释金佛山岩溶地下水水质形成的87.58％,其中水-岩作用可以解释55.56％,是影响金佛山地区岩溶水水质的最重要因素.【期刊名称】《湖南师范大学自然科学学报》【年(卷),期】2012(035)002【总页数】6页(P82-87)【关键词】地下水水质;岩溶泉;自然因素;人类活动;因子分析【作者】曹敏;沈立成;肖琼;邱述兰;王鹏【作者单位】西南大学地理科学学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,西南大学岩溶环境与石漠化治理研究所,中国北碚 400715;西南大学地理科学学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,西南大学岩溶环境与石漠化治理研究所,中国北碚400715;西南大学地理科学学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,西南大学岩溶环境与石漠化治理研究所,中国北碚 400715;西南大学地理科学学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,西南大学岩溶环境与石漠化治理研究所,中国北碚400715;西南大学地理科学学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,西南大学岩溶环境与石漠化治理研究所,中国北碚 400715【正文语种】中文【中图分类】P641.3地下水水质受水岩作用过程、大气和土壤输入以及人类活动等因素的共同影响[1-4]．我国西南岩溶地区岩溶水资源丰富，地下水，尤其是表层岩溶泉发育较多，表层岩溶带是南方岩溶水资源赋存运移的重要场所，也是当地群众生产生活的重要水源．由于岩溶地下水“水在楼上，土在楼下”的特殊性，容易受到人类活动影响，特别是防污能力较弱．因此，为了合理利用地下水，避免地下水受到人类活动的污染，必须掌握地下水动态及其影响因素．然而，区分地球化学过程等自然因素与土地利用等人类因素对地下水水质的影响十分困难，同时也是水文地质学、环境学等领域研究的热点和前沿领域[5]．因子分析是通过对地下水化学数据的分类、降维处理，提取主要的影响因子．并根据因子在各离子上的载荷来区分自然过程与人类活动等因素对地下水水质的影响以及影响程度[6]．SPSS起源于美国，是目前世界上最优秀的统计分析软件之一，广泛应用于各个领域．本文以重庆金佛山表层岩溶地下水为研究对象，根据水化学数据，利用因子分析方法探讨地下水水质的影响因素与影响强度，为岩溶区水资源的合理开发利用与保护提供科学依据．1.铁路；2.高速公路；3.公路；4.河流；5.山顶；6.研究区；7.二叠系地层；8.寒武系地层；9.志留系地层；10.泉点；11.保护区界线；12.地层界线；13.断层图1 金佛山泉水采样点分布示意图(修改自伍坤宇[9])1 研究区概况金佛山位于重庆南川市境内，是大娄山东段支脉的突异山峰，海拔1 400～2 251 m，属典型的岩溶地貌．地理坐标为北纬28°50′～29°20′，东经107°～107°20′，总面积1 300 km2，已知景区面积为441 km2，还有522 km2的保护地带，为国家级森林公园和国家级自然保护区．主峰风吹岭海拔2 251 m，为大娄山脉东北段的最高峰[7]．金佛山处在一宽缓向斜(北东-南西走向)的轴部，山势高峻、切割强烈．北坡陡峭，沟谷深切，南坡较为平缓．出露的地层主要为寒武系、奥陶系、志留系和二叠系，岩性主要为碳酸盐岩和砂页岩．二叠系灰岩产状平缓，无大的断裂构造带存在，但北东和北西两组构造裂隙发育，岩层次生透水性好．金佛山位于亚热带湿润季风气候区，山体上部多年平均气温为8.2 ℃,年均降雨量约1 434.5 mm,山体下部平均气温为16.6 ℃,年均降雨量约1 287 mm[8]．大气降水主要通过洼地或谷地底部落水洞渗入地下岩溶含水层．地下水多沿层面、层间节理以及灰岩与砂岩交界面运移，最后以地下河或岩溶泉的形式排出．2 数据来源与研究方法2009年1月在金佛山山顶及其西、南、北坡取得36个表层岩溶水水样(包含两个地表水样，其余为地下水样)、1个雪水样.取样点的空间分布见图1，大体有4个区域：金佛山山顶(古佛洞滴水、水房泉、小鲵泉、铁锈泉)，南坡(菜籽沟、大弯道、邓家铺子、头渡酒厂、胡家湾等)、西坡(东方红、金佛山泉、碧潭泉、碧潭河水、三角堰泉、大垭口等)和北坡(红岩嘴、顺龙桥、蓬莱林、三纹鱼养殖基地、知音山庄、龙溪山庄)．野外用硬度计和碱度计测试Ca2+和，用事先清洗过的聚苯乙烯瓶取60 mL水样经0.45 μm滤膜过滤(取样后，加入几滴体积比为1∶1的硝酸，以防止重金属离子沉淀或吸附瓶壁)用于测试金属离子浓度(ICP)；另用纯净水瓶取600 mL水样，带回实验室进行阴离子分析．实验室内采用多种分析方法：(1)加硝酸的水样在实验室用PerkinElmer Optima用2100 DV型ICP-OES测定K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Sr2+的质量浓度．(2)用UV-2450紫外可见分光光度计测定、质量浓度．(3)用滴定法测定Cl-质量浓度．各个数据的检测下限为0.05 mg/L.用Photoshop软件绘制泉点空间分布图，在Excel中进行数据编辑，因子分析采用SPSS13.0软件完成．3 结果分析3.1 水化学特征的空间变异从表1的变异系数(CV)可以看出，除了pH、溶氧量(DO)和ρ(Cl-)的变异系数较小外，其他离子质量浓度的变异系数都很大，特别是、Na+的质量浓度体现出明显的空间变异特征．pH值的大小在一定程度上反映岩溶作用的强弱，表层岩溶水pH值的变动范围为7.3～8.9．pH值反映了地下水中H+浓度，主要受水-岩作用过程、大气、土壤和人类活动的共同影响．在上述pH值变化范围内，pH值高表明岩溶作用弱，pH值低指示岩溶作用强．其变异系数为4.4%，表明存在一定的空间变异，但是不太明显，总体上反映了岩溶地区地下水的性质，即主要为弱碱性水．岩溶水电导率变动范围12.3～79.9 mS/m，变异系数为43.4%，表明存在较大的空间变异．电导率的大小与溶解的离子浓度成正相关，主要反映地下水中离子的浓度及受污染的情况[10]．溶氧量是研究水自净能力的一种依据．在20 ℃、100 kPa下，纯水里大约溶解氧9 mg/L．所有泉点中溶解氧质量浓度介于9.3～12.6 mg/L，变异系数8.9%，空间变异很小，表明金佛山地区溶解氧质量浓度处于正常水平，水质较好．地下水中质量浓度的变动范围为55.8～365.8 mg/L,变异系数较大(45.6%),表现出大的空间变异性．的主要来源是各种碳酸盐岩的溶解和土壤、大气中CO2的溶解．水中Ca2+的质量浓度为21～143 mg/L,变异系数为43.9%,空间变异较大．地下水中Ca2+一方面是来源于碳酸盐岩的溶解,另一方面则来源于农业污染[5]．Mg2+的质量浓度为1.0～46.2 mg/L,变异系数很大(99.8%),表现出明显的空间变异特征．Mg2+一方面是来源于碳酸盐岩的溶解,另一方面则来源于农业污染[4]以及大气的输入．一般岩溶水中的Ca2+和Mg2+、协同来源于碳酸盐岩的溶解，方程式如下：可见，地下水中的Ca2+、 Mg2+、等离子主要来源于碳酸盐岩风化．水中ρ(Cl-)的变异系数不大，为27.9%,空间变异性小．其主要来源可分为两大类,即无机来源和有机来源．无机来源主要是自然源,包括岩盐矿床和其他氯化物沉积物的溶解以及雨水中海盐、含HCl工业废气的溶解；有机来源主要是污染源,包括化肥的使用、生活和工农业废水、动物和人类排泄物等[11]．水中质量浓度为8.9～61.1 mg/L，变异系数48.5%，具有较大的空间变异性．主要来源是含硫酸盐矿物的溶解、含硫酸盐化肥的使用以及工业废气的排放等．质量浓度的变化范围为0～34.6 mg/L,变异系数115.73%,空间变异强烈．地下水中的主要来源于人为活动的输入,特别是农业中化肥的使用、生活废水、动物和人类排泄物等是其主要影响因素[11]．水中Na+的质量浓度为0.1～27.5 mg/L，变异系数达到160.6%，表现为强烈的空间变异．其来源包括含钠盐的海相沉积物和岩盐矿床的溶解、离子置换、生活废水、化肥以及大气降水[12]．K+的质量浓度为0.1～3.1 mg/L,变异系数71.6%,K+的来源主要是含钠岩石的溶解,此外,离子置换、化肥、生活废水以及大气降水也是K+的重要来源[12]．整个金佛山地区的K+质量浓度都比较低．水中Sr2+质量浓度在0.1～1.4 mg/L，变异系数76.2%，表明空间变异很大．Sr2+的来源主要是含锶岩石的溶解，同时也跟人类活动有关．表1 重庆金佛山表层岩溶水水质分析结果统计值γpHDOρ(H CO-3)ρ(Cl-)ρ(SO2-4)ρ(NO-3)ρ(F-)ρ(K+)ρ(Na+)ρ(Ca2+)ρ(Mg2+)ρ(Sr2+)/(mS·m-1)/(mg·L-1)/(mg·L-1)/(mg·L-1)/(mg·L-1)/(mg·L-1)/(mg·L-1)/(mg·L-1)/(mg·L-1)/(mg·L-1)/(mg·L-1)/(mg·L-1)样本数34343434363636363636353635最小值12.37.39.355.82.78.9000.10.1211.00.1最大值79.98.912.6365.812.762.134.60.63.127.414346.21.4平均值38.28.210.7143.18.629.36.20.21.02.95410.70.4标准差16.40.40.965.32.314.27.20.10.74.72310.60.3变异系数/%434.48.945.627.148.5115.768.471.6160.643.999.876.23.2 水化学特征的因子关系分析因子分析可以用来确定水质形成的影响因素与影响强度．因子分析前，对数据进行检验，除少数变量外，基本符合正态分布趋势．由于各变量单位相同，无须进行标准化．通过KMO和球形Bartlett进行因子分析的适用性检验．KMO统计量为0.778，大于0.7，说明各变量间信息的重叠程度比较高；球形检验拒绝各变量独立的假设，故因子分析的适用性检验通过．由SPSS软件计算各离子之间的相关关系,得到因子变量相关矩阵(见表2)．可知，与F-、K+、Sr2+都显著相关，F-与K+、Ca2+、Sr2+之间也显著相关，说明变量之间存在信息重叠，需要进行数据降维．表2 变量相关矩阵(部分) 单位：mg/Lρ(HCO-3)ρ(Cl-)ρ(SO2-4)ρ(NO-3)ρ(F-)ρ(K+)ρ(Na+)ρ(Ca2+)ρ(Mg2+)ρ(Sr2+)ρ(HCO-3)1.00 0.19 0.27 -0.20 0.22 0.19 0.23 0.52 0.51 0.22 ρ(Cl-)0.19 1.00 0.47 0.07 0.47 0.50 0.37 0.45 0.32 0.48 ρ(SO2-4)0.27 0.47 1.00 -0.11 0.99 0.93 0.13 0.86 0.62 0.97 ρ(NO-3)-0.20 0.07 -0.11 1.00 -0.14 0.01 0.16 -0.14 -0.20 -0.15 ρ(F-)0.22 0.47 0.99 -0.14 1.00 0.94 0.17 0.83 0.59 0.97 ρ(Sr2+)0.22 0.48 0.97 -0.15 0.97 0.93 0.19 0.83 0.62 1.00由表3可知，相关系数矩阵R得到特征值、方差贡献率和累积贡献率，可知第一因子的方差占所有因子方差的55.56%，前4个因子的对岩溶水质形成的累积方差贡献率达到87.85%(>85%)，因此金佛山岩溶水中的离子主要受到4种不同因素的影响．这4种因子分别代表水-岩作用、土壤等自然因子、大气降水与人类活动因子，本文将在后面予以解释．表3 公因子方差(部分)成分初始特征值方差旋转后特征值合计方差/%累积/%合计方差/%累积/%15.5655.5655.564.88248.82348.82321.3413.4168.971.47114.70963.53231 .1811.7780.741.41314.12677.65840.717.1187.861.0210.19887.855变量共同度表示各变量所含原始信息能被提取出的公因子所表示的程度．提出4个公因子后，可以计算各变量的共同度，如表4所示．除了ρ(Cl-)和ρ(Mg2+)的共同度为61.3%和71.3%之外，其余变量的共同度都在80%以上，因此这4个公因子对各离子来源具有较强的解释能力．表4 因子旋转矩阵与共同度单位：mg/L统计值ρ(SO2-4)ρ(F-)ρ(Sr2+)ρ(K+)ρ(Ca2+)ρ(HCO-3)ρ(Mg2+)ρ(Na+)ρ(Cl-)ρ(NO-3)初始值1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 提取值0.98 0.98 0.97 0.94 0.81 0.94 0.72 0.84 0.61 1.00 成分10.98 0.97 0.97 0.94 0.78 0.59 0.45 20.15 0.37 0.95 0.60 0.13 -0.12 30.12 0.14 0.22 0.24 0.17 0.90 0.64 0.11 4-0.11 0.98采用主成分法计算因子载荷矩阵A，根据因子载荷矩阵可以说明各因子在各变量上的载荷，由于初始因子载荷矩阵系数不是太明显，为了使因子载荷矩阵中的系数向0～1分化，对初始因子载荷矩阵进行方差最大旋转．由输出表4可以看出，第一公因子在ρ、ρ(F-)、ρ(K+)、ρ(Sr2+)和ρ(Ca2+)上具有较高载荷，主要为碳酸盐的溶解产物，来源于水-岩作用的离子，因此定义为水-岩作用因子．第二公因子在ρ和ρ(Mg2+)上具有较高载荷，因此定义为土壤等自然因子．第三公因子在ρ(Na+)和ρ(Cl-)上具有较高载荷，定义为大气降水因子．第四公因子在ρ上载荷高，因此定义为人类活动因子．这4个因子及其顺序能较好地说明岩溶水水质的影响因素，其影响程度依次减弱．为了进一步分析各个岩溶取水点的水质状况，采用回归方法求出因子得分函数矩阵如表5所示．由系数矩阵将4个公因子表示为10个指标的线性形式．因子得分函数为：F1=-0.169x1+0.18x2+0.235x3+0.041x4+0.237x5+0.217x6-0.153x7+0.115x8+0.071x9+0.229x10，F2=0.784x1-0.145x2-0.056x3+0.115x4-0.122x5-0.091x6-0.007x7+0.141x8+0.438x9-0.117x10，F3=0.019x1+0.492x2-0.097x3-0.106x4-0.05x5+0.013x6+0.758x7+0.048x8-0.227x9-0.03x10，F4=0.062x1-0.092x2+0.025x3+1.025x4-0.033x5+0.111x6-0.071x7-0.017x8+0.123x9-0.049x10.表5 因子得分系数矩阵单位：mg/L成分ρ(HCO-3)ρ(Cl-)ρ(SO2-4)ρ(NO-3)ρ(F-)ρ(K+)ρ(Na+)ρ(Ca2+)ρ(Mg2+)ρ(Sr2+)1-0.17 0.02 0.24 0.04 0.24 0.22 -0.15 0.12 0.07 0.23 20.78 -0.15 -0.06 0.12 -0.12 -0.09 -0.01 0.14 0.44 -0.12 30.02 0.49 -0.10 -0.11 -0.05 0.01 0.76 0.05 -0.23 -0.03 40.06 -0.09 0.03 1.03 -0.03 0.11 -0.07 -0.02 0.12 -0.054 讨论4.1 水-岩作用对岩溶水的影响从因子F1的得分值来看，从地表水到地下水，得分值逐渐增大，特别是深部来源(如金佛山温泉)的水中各种离子质量浓度都较高，反映了大气降水来源补给的地下水经过充分的水-岩作用后沿裂隙、断裂运移，并在地表出露[13]，意味着在因子F1上具有高载荷的离子受到水-岩作用时间长短等的控制．4.2 土壤等自然因子对岩溶水的影响F2因子的得分值表明：值较高的水样点(如蓬莱林、知音山庄和碧潭泉)基本都位于金佛山下土壤层较厚的地方．说明土壤等自然因素对金佛山岩溶水中和Mg2+具有决定性影响．土壤是一个巨大的碳库，全球土壤碳容量是森林的2～3倍．土壤中CO2含量超过大气的10倍，其溶于水，形成，成为地下水中的主要来源．4.3 大气降水对岩溶水中离子的影响因子F3的得分表现为地下水小于地表水，在马鞍山收费站和胡家湾最高，这两个点属于地表河流系统，说明岩溶地下水中的Na+、Cl-受到地表水体中溶质的影响．然而，由3.1的分析可知，金佛山地区的大部分岩溶地下水样品中Na+和Cl-并不高，基本与大气降水接近.可以认为其主要来自大气降水.4.4 人类活动对岩溶水的影响因子F4得分离人类活动中心越近，值越高．得分最高的大弯道和头度酒厂，受到人类农业活动和工业生产活动的影响，具有较高的质量浓度．而位于保护区深处的许多泉点在因子F4上的得分都较低，说明金佛山保护区内表层岩溶地下水受人类活动的影响不明显．人类生产活动对岩溶水中的质量浓度具有重要贡献．4.5 各因子的综合作用任何一个地方的岩溶水都不可能只受到一种因素的影响．因此水中的化学离子往往是多来源的．对于金佛山来说，其离子主要来源于水-岩作用、土壤输入、大气降水和人类活动，并在大范围内依此顺序影响逐渐减弱．这也说明金佛山岩溶水质受到人类活动的影响还比较小，水质状况总体上趋于自然背景值．对于个别点来说，一种或两种因子起着主导作用．5 结论(1)金佛山表层岩溶水水质受到水-岩作用过程和土壤、大气降水与人类活动的共同影响，4个因素可以解释岩溶水水质形成的87.58%，其中水-岩作用可以解释55.56%，是影响金佛山地区岩溶水水质的最重要因素．(2)水-岩作用是影响地下水中、Sr2+、Ca2+、K+等的最主要因素，但不是唯一因素．土壤是影响地下水中和Mg2+的主要因素，同时水-岩作用也是其重要影响因素．岩溶水中的Na+和Cl-主要来源于大气降水．人类农业活动和工业活动活动是金佛山表层岩溶水中的最主要来源．(3)岩溶水中化学离子的形成，是受自然过程与人类活动的综合影响．在金佛山自然保护区，影响水质形成的最重要因素还是自然过程．同时，随着人类活动的加剧，人类对水质的影响逐渐明显.对金佛山水质的动态监测是以后工作的重点．参考文献：[1] HELENA B, PARDO R, VEGA M, et al. Temporal evolution of groundwater composition in an alluvial (Pisuerga river, Spain) by principal component analysis[J]. Water Res, 2000, 34(3): 807-816.[2] ROWDEN R D, LIU H, LIBRA R D. Results from the Big Spring basin water quality monitoring and demonstration projects, IOWA, USA[J]. Hydrogeol J, 2001, 9(5): 487-497.[3] 蒋勇军, 袁道先, 谢世友,等. 典型岩溶农业区地下水水质与土地利用变化[J]. 地理科学, 2006, 16 (4): 405-414.[4] LIU Z, LI Q, SUN H, et al. Seasonal, diurnal and storm-scale hydrochemical variations of typical epikarst springs in subtropical karst areas of SW China: Soil CO2 and dilution effects[J]. J Hydrol, 2007, 337(1-2): 207-223.[5] NEGREL P, PETELET-GIRAUD E. Strontium isotopes as tracers of groundwater-induced floods: the Somme case study (France)[J]. J Hydrol, 2005, 305 (1): 99-119.[6] LIU C W, LIN K H, KUO Y M. Application of factor analysis in the assessment of ground water quality in a blackfoot disease area in Taiwan[J]. Sci Total Environ, 2003, 313(1-3): 77-89.[7] 王必浓, 王瑛. 国家重点风景名胜区——金佛山[M]. 成都: 四川科学技术出版社, 1990.[8] 曾昭华. 长江中下游地下水中化学元素的背景特征与形成[J]. 地质学报, 1996, 70(3): 262-269.[9] 伍坤宇, 王鹏, 沈立成,等. 金佛山地区地下水硝态氮污染时空变异性研究[J]. 环境科学, 2011, 32(11): 3247-3254.[10] 蒋勇军, 吴月霞, GROVES C, 等. 利用因子分析确定岩溶地下河系统水质的影响因素[J]. 水文地质工程地质, 2009(4): 1-7.[11] EDMUNDS W M, SHAND P, HART P, et al. The natural (baseline) quality of groundwater: a UK pilot study[J]. Sci Total Environ, 2003, 310 (1-3): 25-35.[12] CONRAD, J E, COLVIN C, SILILO O, et al. Assessment of the impact of agricultural practices on the quality of groundwater resources in South Africa[R]. Water Research Commission Report, 1999, 641/1/99.[13] 杨雷, 肖琼, 沈立成. 重庆市温塘峡背斜地下热水资源特征研究[J]. 湖南师范大学自然科学学报, 2011, 34(5): 86-91.。
