【某地区水化学特征分析案例5900字】

3水化学特征某地区水化学特征分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u12585某地区水化学特征分析案例 .1.2相关性分析SPSS作为一种多元的统计分析软件，在研究地下水化学特征及其形成机制的方面的实用性较强，可以很好的反映出所研究地区的地下水组成的特征[34-35]。为了分析研究区地下水的化学特征及其形成原因，本文选取了地下水中10个重要的离子指标进行相关性分析，结果如表3-3所示。表3-3潜水含水层地下水离子相关性分析数据表pH值TDSCa2+Mg2+Na+K+Cl—SO42-HCO3-NO3-pH值1.000.390.410.430.280.160.360.330.100.41TDS1.000.950.870.950.660.910.910.490.61Ca2+1.000.840.870.630.900.860.550.49Mg2+1.000.680.660.960.630.300.74Na+1.000.620.760.970.510.45K+1.000.660.540.150.44Cl—1.000.670.430.61SO42-1.000.550.44HCO3-1.000.09NO3-1.00表3-4承压含水层地下水离子相关性分析数据表pH值TDSCa2+Mg2+Na+K+Cl—SO42-HCO3-NO3-pH值1.000.310.250.210.290.240.290.200.060.01TDS1.000.920.650.990.780.870.840.690.00Ca2+1.000.610.900.860.870.700.100.01Mg2+1.000.570.330.480.670.110.05Na+1.000.800.890.810.170.00K+1.000.950.360.050.01Cl—1.000.480.090.07SO42-1.000.310.07HCO3-1.000.17NO3-1.00从表3-3中可以看出：Na+、Cl-和SO42-的关联性比较高，这说明了地下水中的Na+、Cl—、SO42-可能的来源为岩盐和芒硝之类的岩石的溶解；Mg2+和Cl—的关联性高，说明了该地区农业大量使用化学肥料的行为影响了地下水的化学成分；Cl—和SO42-的相关系数呈中等水平，即可知地下水环境中存在污水排放引起地下水含盐量升高的可能性。在相关系数处于中等的各离子中，Na+、Mg2+和HCO3-之间的关系说明了硅酸盐风化作用在研究区地下水中的存在，在风化过程中也生成了钠镁重碳酸根离子；Ca2+、Mg2+和SO42-的相关度高也说明了研究区存在石膏或者其他硫酸盐岩的溶解[36]。从表3-4中可得到承压含水层中各离子相关性系数的高低，从表中可以得出以下结论Na+与Cl—和SO42-均存在着较高的相关性，表明地下水中的Na+、Cl—、SO42-可能的来源为岩盐和芒硝的溶解；因为承压含水层中的镁离子和氯离子、Mg2+和SO42-的相关性呈中等水平，说明该地区由于农业生产中的不合理使用化肥已经对地下水产生了一定程度的影响；Ca2+和SO42-以及Na+和Mg2+的相关性呈中等，表明在承压含水层中也存在一定量的石膏或者其他硫酸盐岩沉积物的溶解[37-39]。而硝酸根离子与其他离子的相关性都很低。上述特征均表明了研究区内有强烈的溶滤作用和蒸发浓缩作用发生，致使研究区内潜水含水层和承压含水层中的各离子的浓度增加而引起含水层中矿化度的增加[40-43]。1.1.3其他离子与TDS的关系利用离子摩尔数与总溶解离子摩尔数的比值同水样中TDS对比关系可以评估各离子组分对地下水中TDS的贡献率[44]（图3-1）。知道各个离子对地下水化学成分的贡献率之后，对进一步研究地下水化学的演化机制与形成研究都十分有意义。图3-1各离子组分对地下水中TDS的贡献率在潜水含水层中，Na+对TDS的贡献率在2.97%~30.26%，平均贡献率为16.62%；Ca2+对TDS的贡献率在0.32%~17.32%，平均贡献率为8.67%；Mg2+对TDS的贡献率在0.5%~10.74%，平均贡献率为5.62%；K+对TDS的贡献率在0.06%~1.48%，平均贡献率为0.77%；HCO3-对TDS的贡献率在0.57%~71.83%，平均贡献率为37.20%；SO42-对TDS的贡献率在0.78%~60.32%，平均贡献率为30.55%；NO3-对TDS的贡献率在0.01%~11.06%，平均贡献率为6.53%；Cl-对TDS的贡献率为0.63%~51.54%，平均贡献率为26.09%。由此可见研究区潜水含水层中对TDS贡献率较大的是Na+、HCO3-、SO42-和Cl-。在承压含水层中，Na+对TDS的贡献率在4.51%~45.13%，平均贡献率为18.03%；Ca2+对TDS的贡献率在1.27%~12.52%，平均贡献率为6.89%；Mg2+对TDS的贡献率在0.59%~10.11%，平均贡献率为5.35%；K+对TDS的贡献率在0.05%~0.37%，平均贡献率为0.21%；HCO3-对TDS的贡献率在1.07%~72.34%，平均贡献率为36.71%；SO42-对TDS的贡献率在2.67%~60.49%，平均贡献率为31.57%；NO3-对TDS的贡献率在0.01%~1.31%，平均贡献率为1.65%；Cl-对TDS的贡献率为1.04%~72.34%，平均贡献率为31.57%。由此可见研究区承压含水层中对TDS的贡献率较大的是HCO3-、SO42-、Cl-和Na+。图3-2离子浓度与TDS浓度相关性关系从图3-2中可以看出，TDS值的增大的时候，Ca2+和SO42-、Na+的浓度也逐渐增大，同时HCO3-等组分也和TDS有一定的正相关性，尤其是在潜水含水层中相关性较强。上述离子通常也是碳酸盐岩和硅铝酸盐的主要组成成分，所以初步认为碳酸盐岩和硅铝酸岩盐的风化溶解是研究区内地下水中主要组分的来源。1.2水化学特征分析1.2.1Piper三线图本节采用Piper图对水中主要离子组分的相对含量进行分析比较，来说明出地下水化学类型的演化过程。Piper是由一个菱形和两个等边三角形组成的，将地下水中的主要离子投射在图的一个部分，并以这个为根据来说明地下水在流动过程中所经历的化学反应和地下水演化的过程。菱形图中的不同部分表示着水化学类型的不同特征，三角形的不同部分表示地下水中各离子的相对含量[45-48]。图3-3研究区水样piper三线图从上图中我们可以看出，地下水中的这两种不同类型的水的个离子含量还是存在着很大的区别的，潜水含水层中钙镁离子的含量远远大于钠钾离子的含量，而承压水含水层中Na+和K+的含量远远大于Ca2+和Mg2+。Na+是研究区地下水中的数量最多阳离子，对于阴离子而言，潜水含水层中数量最多的阴离子为HCO3-，承压含水层中数量最多的为SO42-。从研究区地下水水化学三线图中还可以看出，研究区潜水含水层的主要水化学类型为Ca-HCO3型，其次为混合型以及少量的Ca-SO4型。承压含水层的主要化学类型为Na-Cl型，其次为混合型和Na-SO4型。1.2.2水岩作用岩石中的一些组分进入地下水中的过程叫做溶滤作用。天然水中可溶性离子主要来自于溶滤作用及部分大气降水。根据水文地球化学的有关知识，在不同条件下形成的地下水，某些离子的含量比例系数在数值上会有比较明显的差异。Gibbs图可以直观的阐述各类天然水化学组分、形成原因以及彼此之间的联系。Gibbs图在水化学分析领域应用广泛，主要用于定性说明自然界中蒸发浓缩作用、岩石风化及降水等过程对水体水化学性质的控制作用，运用Gibbs图解法可以分析地下水中离子的起源[49-52]。将研究区潜水含水层和承压含水层的数据点投射在Gibbs图上，由图可知，数据点主要分布于蒸发浓缩及岩石风化控制带，没有取样点处于大气降水控制带，表明该地区地下水组分受岩石风化和蒸发浓缩双重作用的影响，基本不受大气降水的影响[53-57]。图3-4Gibbs图经过Gibbs图可以初步判断，研究区数据点主要分布于蒸发浓缩及岩石风化控制带，没有取样点处于大气降水控制带，表明该地区地下水组分受岩石风化和蒸发浓缩双重作用的影响，基本不受大气降水的影响。无论是潜水还是承压水，大部分水样点都处于蒸发浓缩作用区域，说明研究区地下水离子组分主要受到蒸发浓缩作用的影响。通过以Na标准化的摩尔比反映非混合条件下水化学作用。在该模型中沿矩形对角线给出三个不同的端元，即碳酸盐溶解、硅酸盐风化、蒸发岩溶解三种不同水岩作用。样品所处的位置距离某个端元越接近，则表明此端元所代表的水化学过程在样品水化学特征的形成过程中占有主导地位；若样品处于两个端元区域之间，则表明地下水水化学特征是两个水化学共同作用的结果[58-59]，由图3-6可以看出，研究区大部分潜水的水样品与少部分承压水的水样品落在硅酸盐、碳酸盐端元区域，发生溶滤的矿物以方解石和硅铝酸盐风化产物为主；而大部分承压水的水样品和少部分潜水水样品落在硅酸盐和蒸发岩区域，说明发生溶滤作用的矿物主要是是氯化物、硫酸盐、硝酸盐以及硅酸盐风化产物为主。从图中可知地下水各含水层中的水样点分布都不均匀，说明其受到的风化溶解作用和过程复杂，可能和区内的人类的生活生产活动有关。图3-5Gaillardet水化学示意图1.2.3离子比例分析通过运用离子比例分析的方法可以直接反映各个采样点化学组分的时空特性和演变过程[60]。为进一步分析研究区各个地下水化学组份的来源的可能性以及地下水化学形成的机制，绘制Na+－Cl−、Ca2+－SO42-、Na+－SO42−、(Ca2++Mg2+)—(SO42−+HCO3−)的关系图。自然条件下，岩盐溶解是地下水中的Na+和Cl−的主要来源：Cl−通常来源于细粒沉积物中的岩盐，而地下水中的Na+的来源可能是岩盐溶解或者其他不同的化学作用[61-63]。图3-6Cl-与Na+的离子相关性关系图图3-6可知，图中大部分的取样点投射于y=x的上边，说明Na+在地下水中的含量比Cl−含量高一些，地下水中存在岩盐的溶解，但该反应并不是地下水中Na+存在的唯一因素，地下水中的阳离子交换反应也影响了含水层中的Na+含量；且有少部分取样点位于等值线下方，说明这些取样点所处的地区Cl−的含量大于Na+的含量，说明在这些地区Cl−的来源除了岩盐的溶解，还有可能受到人类活动因素的影响。石膏的溶解是地下水中Ca2+和SO42−主要来源，其反应方程式如下：图3-7SO42-与Ca2+的离子相关性关系图如图3-7所示，由于SO42−与Ca2+的来源之一是石膏的溶解且水样点大部分位于等值线之下，说明在含水层中SO42−有其他的来源，如芒硝的溶解、其他含硫矿物的溶解以及人类活动的影响。从图3-7中可以看出，有一小部分潜水取样点位于y=x这条线的上面，说明Ca2+的含量SO42−的含量大一些，这种情况表明潜水在径流路径中可能有方解石和白云石的沉淀，这种现象直接导致了地下水中的SO42−减少，并且潜水含水层中可能存在Na+与Ca2+的阳离子交替吸附作用，而造成钙离子的含量增多。承压水取样点也有少部分点位于等值线上侧，其可能原因与潜水相同[64-66]。图3-8SO42-及HCO3-与Ca2+及Mg2+的离子相关性关系图由图3-8得出，研究区大部分水样点（Ca2++Mg2+）与（SO42-+HCO3-）的比值大于1，Ca2++Mg2+在地下水中的含量大于SO42-+HCO3-的含量，表明地下水径流过程中主要的水岩作用为碳酸盐岩的溶解，如方解石、白云石等，且地下水中可能存在阳离子交替吸附作用[67-68]。图3-9SO42-与Na+的离子相关性关系图根据图3-9所示，采样点分布于y=x上下，绝大部分点位于趋势线以上，说明该区芒硝溶解作用并不是控制Na+和SO42−的唯一来源，Na+含量多于SO42−，说明硅酸盐风化对该地区的水化学形成有一定的贡献。有少量点分布于1:1等值线下侧，SO42−含量多于Na+含量，说明这些取样点存在的地区可能存在其他含硫矿物的溶解以及人类活动的影响。1.2.4阳离子交换作用地下水含水介质在一定条件下吸附地下水中某些阳离子同时将原来吸附的部分阳离子释放转化为地下水中组分的过程被称为阳离子交换作用。研究区地下水中Na+和Cl−的毫克当量浓度比值图显示地下水中Na+的含量要多余Cl−的含量，为了进一步验证多余的Na+来源，使用氯碱指数（CAI1、CAI2）来判断地下水化学作用中阳离子交换反应的情况[69-70]。图3-10研究区地下水氯碱指数分布图(3-1)(3-2)根据公式（3-1）和（3-2），当吸附在含水层介质表面的Na+与地下水中的Ca2+、Mg2+发生离子交换反应进入到地下水中时，CAI1<0，并且CAI2＜0；反之，当CAI1、CAI2全部大于0时，离子交换反应方向相反[71]。此外，氯碱指数的绝对值进一步揭示了离子交换反应的强弱，即氯碱指数绝对值越大，阳离子交换反应越强烈[72]。图中X轴为CAI1，Y轴为CAI2，（图3-9）研究区85.79%的水样点存在于坐标轴的第三象限，说明研究区中发生的阳离子交换反应主要是以地下水中的Ca2+、Mg2+交换吸附在含水层颗粒表面的Na+，使得Na+进入地下水中去。同时，研究区无论是潜水含水层还是承压含水层的取样点绝大多数为负值，地下水中的离子交换作用在承压含水层发生较多，推测研究区Na+的来源包括岩盐的溶解和离子交换两种方式，阳离子交换的具体反应过程如下：1.3本章小结综合统计学分析、三线图分析、相关性分析、水岩作用分析和离子比例分析的结果，可以得出以下结论：（1）统计分析研究区地表水、潜水含水层和承压含水层的地下水的pH、TDS可知，承压含水层中的地下水的pH和T