基于主成分聚类分析的地下水化学分类方法

根据新疆巴里坤县汉水泉地区20组承压水水样的K~+、Na~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)、SO_4~(2-)、C~l-和HCO_3~-等7个化学指标检测数据,采用舒卡列夫分类法进行地下水水化学类型分类。结果显示,部分同类型之间组分含量差异较大而不同类之间组分含量差异较小,分析认为是舒卡列夫分类法划分界限人为性太强导致的。因此,我们采用主成分聚类分析法代替舒卡列夫分类法,对水化学类型进行分类。本文借助SPSS软件进行主成分分析,提取2个主成分,将主成分得分作为指标进行聚类分析,最终将20组水样划分为6类。主成分聚类法通过消除变量之间的相关性使结果更加客观合理。     

江苏沛县水源地地下水化学特征及成因分析

以沛县水源地第Ⅲ承压含水层为研究对象,通过系统研究地下水化学组成,采用地下水水化学组分基本特征、舒卡列夫分类、Piper三线图、相关系数法探讨了区域地下水化学特征及其成因机制。结果表明,研究区地下水均为弱碱性微咸水,水化学类型主要为HCO_3-Na·Ca或HCO_3·SO_4-Na·Ca·Mg,含水层地下水化学类型主要受岩石风化作用影响,且沛县位于黄河冲积平原河间泛流地带,同时受鲁西南山区碳酸盐地下水补给、区域地下水径流不畅以及含水层中砂岩的溶释作用等多方面因素影响,导致含水层溶解性总固体(TDS)浓度偏高;氟化物偏高的主要原因是冲积平原形成的巨厚黏土、粉质黏土富含的氟化物以及区域偏干旱的气候条件和鲁西南冲积平原区的含有氟化物地下水的补给等。     

山东省日照沿海浅层地下水化学特征与成因探讨

日照地处山东省东南沿海,浅层地下水类型为第四系松散岩类孔隙水与基岩裂隙水。通过对日照市浅层地下水1984~1992年与2013年水化学资料进行分析对比,结果显示,从1980年以来,日常市浅层地下水水化学特征发生巨大变化,由HCO_3型或HCO_3·Cl型为主逐渐转化为NO_3~-、SO_4~(2-)型,出现NO_3-Ca·Na型水和NO_3·SO_4型水等更复杂类型地下水。且靠近沿海区域的地下水Cl-离子含量相对较高。分析认为,该特征形成原因是东南季风携带了海水气溶胶干降或随降水湿降所致。该区近年来硫酸盐及硝酸盐污染急剧加重,致使浅层地下水中的硫酸根含量剧增,使地下水水质受到严重污染,应引起足够重视。     

福建泉港区浅层地下水水化学特征及水质综合评价

福建泉港区作为现代化港口城市,研究浅层地下水化学特征,进行地下水水质综合评价有利于水资源可持续利用。对福建省泉港区浅层地下水水化学特征等指标进行统计分析,运用数理统计方法对浅层地下水水化学特征和水质进行综合评价分析可知,该区水中Na~+、K~+、Mg~(2+)、Cl~-、NO_2~-、NO_3~-指标变异系数大于100%,是受外界影响的敏感因子,TDS、总硬度、Ca~(2+)等其他指标CV%较小,受外界影响较小。根据Durov图,该区水化学类型以Cl~-·HCO_3~-+Na~+·Ca~(2+)型为主。最后参照《地下水质量标准》做水质综合评价,结果表明该区水质整体较差,处于(Ⅳ、Ⅴ类水平)占86.4%,超标因子主要为NO_3~-、NO_2~-及部分重金属为主,超标因子与该地区的石化工业污水排放、农业生产、生活污水乱排有关。     

典型华北型煤矿区主要充水含水层水文地球化学特征及控制因素

地下水形成、演化过程中控制因素不同所造成的水化学组分的差异性是矿井涌水水源识别的基础,为揭示矿井主要充水含水层水化学作用及控制因素,以位于太行山东麓的典型华北型煤矿区——鹤壁矿区为研究对象,采用统计分析、Piper三线图、Gibbs图、离子相关性分析与主成分分析法对矿区122个地下水水化学资料进行了分析研究。结果表明鹤壁矿区主要充水含水层中地下水的化学组分主要受岩石的风化作用控制。奥灰水主要水化学类型为HCO_3-Ca·Mg型,水中Ca~(2+)、Mg~(2+)主要来自碳酸盐岩(方解石和白云石)的溶解。二灰水主要水化学类型为HCO_3·SO_4-Ca·Mg型或SO_4·HCO_3-Ca·Mg型,其中Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-的主要来源于碳酸盐岩的溶解,SO_4~(2-)来自硫酸盐岩的溶解作用和黄铁矿的氧化作用。砂岩水主要水化学类型为HCO_3-Na型,Na~+、Cl~-与HCO_3~-主要来自盐岩的溶解和硅酸盐矿物的风化作用。八灰水既有HCO_3-Ca·Mg型和HCO_3·SO_4-Ca·Mg型,也有HCO_3-Na型,Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_~3-和SO_4~(2-)的来源与二灰水一致,Na~+和Cl~-可能来自盐岩的溶解作用以及砂岩水与八灰水的混合作用。     

广西防城区地下水水化学特征及离子来源分析

查明防城区地下水水化学特征及主要离子来源,对该地区地下水资源保护和开发利用具有重要意义。以防城区地下水为研究对象,通过分析水化学组分和氢氧同位素特征,研究地下水水化学特征,确定补给来源,识别其主要组分的物质来源。研究结果表明:研究区地下水水化学类型主要为HCO_3-Mg·Ca型、SO_4·Cl-Ca·Mg型和SO_4·Cl-Na型,阳离子以Ca~(2+)和Na~+为主,阴离子以HCO_3~-和SO_4~(2-)为主。同位素分析显示,研究区地下水以大气降水补给为主。Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-主要来源于碳酸盐岩的溶解,而高位养殖、农业活动、工业排污等导致地下水中SO_4~(2-)、Na~+、K~+、Cl~-、NO_3~-含量增加。     

阜阳颍东浅层地下水化学特征与空间分布规律研究

本研究在阜阳颍东区随机采取了30个浅层地下水水样进行水化学分析,使用统计分析方法和Piper图示法分析了地下水水化学类型和统计特征,采用克里格(Kriging)方法对地下水化学的空间分布进行插值,并分析了地下水化学的空间分布规律。结果显示,研究区浅层地下水pH值为7.84~8.83,平均值为8.23,属弱碱性水。SO_4~(2-)、K~+和NO_3~-的变异系数较大,对环境因素变化较为敏感,其他指标变异系数相对较小,在浅层地下水中相对较为稳定。工业区与居民区附近浅层地下水水质较接近,主要水化学类型为HCO_3-Ca和HCO_3-Ca+Mg型;农业区水化学类型主要为HCO_3-Na+K和HCO_3-Ca+Mg型。区内浅层地下水化学的空间分布规律并不完全与地下水径流一致,除了受地下水径流和岩石性质影响外,还受人类活动、土地利用类型和大气降水的补给条件等影响。     

珲春盆地地下水水化学特征分析

为查明珲春盆地地下水化学特征,对珲春盆地地下水进行了取样测试,对测试结果采用Aquchm、SPSS和MAPGIS等软件进行了水化学特征分析。结果表明珲春盆地地下水中TFe、Mn~(2+)和NO_3~-超标比较严重,总体珲春河南区比珲春河北区水质差。地下水化学类型以HCO_3-CaMg为主,部分地区为C1HCO_2、ClSO_4CO_3、SO_4C1HCO_3等型水。地下水中TDS、Ca~(2+)、Cl~-、Mg~(2+)、SO_4~(2-)和NO_3~-(以N记)相关性较高,地下水化学演化过程主要是溶滤作用。     

东天山北麓平原区地下水化学特征研究

通过分析东天山北麓平原区160组地下水化学样品检测结果,采用舒卡列夫分类法和Piper三线图解法,研究了地下水化学分带特征。南部山前冲洪积砾质平原地下水化学类型为HCO_3·SO_4型,中部细土平原逐渐向SO_4·HCO_3型过渡,北部沙漠区以SO_4·Cl型为主,地下水溢出带为Cl·SO_4型。根据水化学剖面分析地下水各组分含量在径流途经中的变化趋势,分析结果表明,沿地下水径流方向由南向北,地下水中的硫酸盐、氯化物和钠都呈现出逐渐增大的变化规律,导致了水中溶解性总固体逐渐增大,水质逐渐变差。     

毕节市北部岩溶地下水水文地球化学特征

我国西南地区赋存丰富的岩溶水资源,这些水资源是当地居民生产生活用水的主要来源。以贵州省毕节市北部海子街镇及其邻区岩溶地下水为研究对象,通过分析常规水化学组分和氢氧同位素,确定研究区岩溶水的补给特征,识别岩溶水主要组分的物质来源和判断发生的水岩相互作用过程。结果显示:研究区地下水水化学类型主要为HCO_3—Ca型、HCO_3·SO_4—Ca型和HCO_3—Ca·Mg型。阴离子以HCO_3~-和SO_4~(2-)为主,而阳离子以Ca~(2+)和Mg~(2+)为主,部分水样N_3O~-和SO2-4含量偏高。氢氧同位素分析显示,研究区地下水以当地大气降水补给为主。补给入渗的大气降水与碳酸盐岩、石膏和盐岩矿物发生反应致使岩溶水化学组分以HCO-3、SO_4~(2-)、Ca~(2+)和Mg~(2+)为主,而生活污水、农业药物和采矿活动导致地下水中NO_3~-和SO_4~(2-)含量增加。相应成果可为当地地下水资源的开发和管理提供科学依据。     

可变模糊理论与模糊粗糙集在地下水污染评估中的应用

传统的地下水污染评估方法需检测多项地下水化学变量,成本较高且无法考虑水质指标区间量值的影响。为此,笔者利用可变模糊理论对地下水污染进行综合评估,在此基础上通过模糊粗糙集理论挖掘关键变量,并利用生成的最小决策规则库对样品点的污染综合指数进行预测。将该方法应用于洛阳盆地,对其有效性进行验证,计算结果表明:As、Hg、Se、I、NH3-N对研究区地下水污染分类起控制作用。通过与实测的13种化学变量所计算的地下水污染综合指数相比,测试数据中7组样品的相对误差为0.104 0～0.172 5;剩余15组样品的相对误差为0.001 5～0.093 7,基本满足地下水污染评估的要求。可变模糊集与模糊粗糙集理论能够通过较少的化学变量对污染综合指数进行预测,从而降低地下水污染评估成本,为后续的地下水污染控制与修复提供可靠的数据来源。     

利用氮氧同位素研究桂林寨底地下河硝酸盐来源

工农业生产的迅速发展使地下水硝酸盐氮(NO3-—N)污染成为世界性的环境问题。地下水中硝酸盐的来源研究在水文地质结构特殊的西南岩溶地区就显得尤为重要。稳定氮同位素和氧同位素在地下水硝酸盐的来源示踪研究中有着广泛的应用。本研究选取岩溶地区典型地下河——广西桂林寨底地下河为研究对象,通过氮氧同位素数据,判断寨底地下河硝酸盐来源是以动物粪便为主的农家肥,为该区地下水的保护和利用提供科学依据。     

徐州东部废弃矿井地下水化学及其时空演化特征分析

矿区闭坑后,区域地下水动力条件的改变以及引起的地下水污染可能对环境影响较大。本文以徐州东部废弃矿井为 研究对象,在进行水文地质调查分析的基础上,采集地下水样,进行水化学分析,结果表明研究区内太原组灰岩含水层的 水化学类型具有明显分带性,从西北向东南由HCO3·SO4-Ca型、SO4-Ca·Mg型向HCO3·SO4-Ca·Mg型、HCO3-Ca·Mg型依次 过渡。矿井关闭后,地下水位抬升,水文地质条件发生改变,地下水水化学组分相应有所变化。对研究区水化学特征的演 化特点进行分析,发现地下水受阳离子交替吸附作用影响,呈现出Ca2+、Mg2+、SO42-增大,Na+、K+减小的趋势。     

阿拉善诺日公地区地下水系统水化学特征分析

阿拉善左旗诺日公是我国典型干旱区,地下水是该区主要的供水水源。水化学研究对地下水流动过程具有指示意义。以阿拉善诺日公地区地下水为研究对象进行水文地球化学特征分析,研究表明:从北部基岩隆起区到豪斯布尔都盆地中心,地下水水化学特征呈现一定的规律性,水化学类型由低矿化度的Na-HCO_3·Cl、Na-Cl·HCO_3型,逐渐过渡到盆地中心排泄区高矿化度的Na-SO_4·Cl、Na-Cl·SO_4型水,水质状况变差,由淡水逐步过渡到微咸水。区域地下水整体从西北向东南排泄,TDS的升高较好地指示了地下水的径流方向。蒸发作用是本区地下水化学构成的主控因素,同时溶滤作用、离子交换作用及人类活动对地下水化学成分也有影响。本研究为该地区水资源评价及优化配置提供了科学依据。     

The impact of human activities in the Malia coastal area (Crete) on groundwater quality

The evaluation of the long-term effects of seawater intrusion into the aquifers due to negative water balance and nitrate pollution of drinking-water quality due to human activities requires detailed knowledge of both the transport of the chemical constituents and the geochemical processes within aquifers. Hydrogeological and hydrochemical studies in the unconfined aquifer of Malia have provided the necessary data to define the areas at increased risk from these phenomena. The solution of the second Fick's low under given boundary conditions gave an estimate of the propagation of groundwater pollution by NO₃ ^–. Additionally, in order to simulate the ion concentration changes during a period, for example a period of positive water balance or refreshening, groundwater transport and cation exchange reactions were modelled using the code PHREEQM. Received: 25 July 1997 · Accepted: 4 November 1997     

Modeling freshening time and hydrochemical evolution of groundwater in coastal aquifers of Shenzhen,China

This work investigated the freshening time and hydrochemical evolution of coastal groundwater in two brackish aquifers in Shenzhen, China. One was the brackish aquifer that resulted from heavy pumping, and the other was the aquifer reclaimed from the coastal sea. Freshening time and hydrochemical evolution of brackish aquifers were quantitatively evaluated using PHREEQC 2.0, a one-dimensional reactive-transport model. Freshening time was shown to mainly depend on pore water velocity, while the chemical composition of groundwater was determined by the cation exchange capacity of the aquifer. It was shown that after heavy pumping ceased, the freshening time for the original coastal aquifer ranged from 20 to over 80 years. While for the coastal reclaimed aquifer, the freshening time was from 85 to 140 years, which depended on the hydraulic conductivity of the fill materials in the reclaimed site. During aquifer freshening, groundwater evolved from Na–Cl type to Ca–Mg–HCO₃ or Na–HCO₃ type. A sensitivity analysis showed that the freshening time was most sensitive to the pore water velocity in the aquifer, while the groundwater chemical composition was most sensitive to the values of cation exchange capacity of the aquifer. As for the dispersivity, it had almost no effect on the freshening time and the chemical composition of groundwater.     

基于水化学和氢氧同位素的兴隆县地下水演化过程研究

地下水的补给来源及其水-岩作用过程研究对于识别地下水水化学成分的形成机制、合理开发利用和地下水污染防治具有重要意义。为了了解兴隆县地区地下水水质及其水源涵养条件,为区域地下水污染防治和饮用水源安全提供支持,论文基于兴隆县地下水的水化学和氢氧稳定同位素（δD和δ18O）特征,综合利用Gibbs图解、主要离子比值和统计分析方法,深入讨论了兴隆县地下水的水化学特征、补给来源和水文地球化学演化过程。研究结果表明,兴隆县地下水呈弱碱性,主要为HCO₃—Ca·Mg型水,总溶解固体（TDS）变化范围为52.2~556.8 mg/L,平均值为238.0 mg/L;地下水主要来源于大气降水补给,蒸发作用对地下水水化学组分的影响较小;区域地下水的水化学组分主要受碳酸盐岩组成矿物白云石和方解石的溶解-沉淀过程的控制,受上覆铝硅酸盐矿物水解影响不大;区域东部和南部地下水Sr2+含量较高,推测碳酸盐岩下伏侵入岩及古老变质岩分布对Sr2+富集有一定影响;地表水和地下水水力联系密切,部分区域地下水受人类活动影响,造成地下水NO₃-含量超过饮用水卫生标准限值。     

衡水地区深层地下水水化学特征及其演化过程

衡水地区多年超采深层地下水,形成了以衡水市区为中心的区域地下水降落漏斗,改变了初始的水动力场和水化学场。运用聚类分析、Piper三线图、Gibbs图、氯碱指数、离子相关关系方法分析了该地区历史时期和现阶段深层地下水的水文地球化学特征及其演化规律,探讨了水化学组分的来源及形成机制。结果表明：该地区深层地下水水化学演化受到了较大的人类活动影响,根据Q型聚类分析将研究区划分为补给、径流、排泄3个水化学分区。20世纪70年代到现阶段,随降落漏斗产生发展,研究区形成了新的局部补径排关系,加强了地下水对围岩的溶滤作用,导致研究区水化学场发生了变化,径流区地下水水化学类型由Cl·HCO3-Na、HCO3·Cl-Na和SO4·Cl-Na转化为SO4·Cl-Na和Cl·SO4-Na,排泄区地下水水化学类型由Cl·HCO3-Na和Cl-Na转化为Cl-Na。Gibbs图和离子关系显示,研究区现阶段深层地下水在降落漏斗影响下,水化学组分主要受岩石风化、阳离子交替吸附和脱碳酸作用控制。     

安徽马鞍山市当涂地区地下水水化学特征及演化机制

【研究目的】 了解长江中下游平原地区地下水流系统并深入分析其地下水水化学特征及其演化机制。【研究方法】 综合马鞍山市当涂地区的水文地质条件、水动力场等,基于研究区水化学基本特征,运用多元统计分析、水化学图件、离子比值和反向水文地球化学模拟等方法对该地区浅层地下水水化学演化进行分析。【研究结果】 结果表明：（1）研究区地下水主要为低矿化度偏碱性水,地下水组分中阳离子以Ca²⁺和Mg²⁺为主,阴离子以HCO₃^-和SO₄^2-为主。（2）研究区地下水水化学类型主要可分为7类,其中松散岩类孔隙含水岩组和碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组的水化学类型主要为HCO₃^-Ca型、HCO₃^-Ca·Na型、HCO₃·Cl-Ca·Na型以及HCO₃^-Ca·Mg型;基岩类裂隙含水岩组的化学类型主要为HCO₃·SO₄-Ca·Mg型和SO₄·HCO₃^-Ca·Mg型。（3）研究区浅层地下水水样超标率为46%,总体水质较差,超标率较高的组分依次为Mn、高锰酸盐指数（COD_Mn）、硝酸盐（以N计）、Fe、As、氨氮（以N计）等。（4）研究区地下水的化学组分主要受到岩石风化作用的控制;此外,还存在Na-Ca的正向阳离子交替吸附作用。反向水文地球化学模拟结果进一步定量论证了水岩相互作用对本区浅层地下水组分的形成和演化起着主导作用。【结论】 研究区地下水主要为低矿化度偏碱性,主要可分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和基岩类裂隙水。主要离子比例和反向水文地球化学模拟揭示了本区浅层地下水化学组分主要是地下水溶滤方解石、白云石等碳酸盐矿物、石英、长石等硅酸盐矿物,高岭土等黏土矿物以及岩盐、石膏等达到过饱和之后形成的。     

FRFI model application in groundwater non-point source pollution evaluation: a case study in the Luoyang Basin of North Henan province, China

The traditional non-point source (NPS) pollution models mainly focus on the flow path of NPS pollutants and attenuation during the flow. Extensive data set preparation and complex results analysis for these models are the most common problems encountered by the model user. In this study a new model, fuzzy-rough sets and fuzzy inference (FRFI), was introduced to evaluate groundwater NPS pollution. The proposed model involves two steps: the algorithm of fuzzy-rough sets attribute reduction (FRSAR) was applied to yield minimal decision rules from the fuzzy information system (FIS); the fuzzy inference technique was then used to forecast a groundwater synthesis pollution index based on the minimal decision rules. This model was applied in the Luoyang Basin, examining NPS pollution factors and hydrochemical variables data to validate the effectiveness of this model. The results indicate that it is only required to collect five NPS pollution factors or three hydrochemical variables; the groundwater synthesis pollution index can be predicted using the FRFI model. The prediction error is restricted to 2.9–6.1 % and 0.8–1.6 %, respectively. Therefore, the costs of computation and monitoring can be decreased, and the user is not required to prepare massive model parameters for the FRFI model. According to analyze the correlation between NPS pollution factors and hydrochemical variables, prevention measures are provided for treatment of the endemic disease and eutrophication. The FRFI model can be suitable for groundwater NPS pollution evaluation systems.