基于主成分分析的桦川—集贤—友谊地区地下水水质评价

何金宝, 刘洪博, 孔繁鹏, 毛永新, 赵建. 基于主成分分析的桦川—集贤—友谊地区地下水水质评价[J]. 中国地质调查, 2025, 12(2): 87-95. doi: 10.19388/j.zgdzdc.2024.161
引用本文: 何金宝, 刘洪博, 孔繁鹏, 毛永新, 赵建. 基于主成分分析的桦川—集贤—友谊地区地下水水质评价[J]. 中国地质调查, 2025, 12(2): 87-95. doi: 10.19388/j.zgdzdc.2024.161
HE Jinbao, LIU Hongbo, KONG Fanpeng, MAO Yongxin, ZHAO Jian. Groundwater quality evaluation in Huachuan-Jixian-Youyi area based on principal component analysis[J]. Geological Survey of China, 2025, 12(2): 87-95. doi: 10.19388/j.zgdzdc.2024.161
Citation: HE Jinbao, LIU Hongbo, KONG Fanpeng, MAO Yongxin, ZHAO Jian. Groundwater quality evaluation in Huachuan-Jixian-Youyi area based on principal component analysis[J]. Geological Survey of China, 2025, 12(2): 87-95. doi: 10.19388/j.zgdzdc.2024.161

基于主成分分析的桦川—集贤—友谊地区地下水水质评价

  • 基金项目:
    中国地质调查局“三江平原黑土区水-土壤-植被耦合机制研究(编号:QCJJ2022-30)”“高强度利用下黑土地地表基质养分元素变化规律及机理研究(编号:KC20220002)”及“三江平原宝清地区黑土地地表基质层调查(编号:DD20211588)”项目联合资助
详细信息
    作者简介: 何金宝(1992—),男,工程师,主要从事自然资源调查评价工作。Email:jinbao92@yeah.net
    通讯作者: 刘洪博(1991—),男,工程师,主要从事自然资源调查评价工作。Email:2274496829@qq.com
  • 中图分类号: P641.3;X824

Groundwater quality evaluation in Huachuan-Jixian-Youyi area based on principal component analysis

More Information
  • 三江平原桦川—集贤—友谊地区作为黑龙江省的关键粮食产区,其水资源状况直接关系到农业生产和生态安全。随着工农业的快速发展,水资源需求不断增加,导致研究区地下水位下降、水质恶化等一系列问题,厘清研究区地下水化学特征及影响因素,评估水体质量,对于保持农业稳定和可持续发展具有重要意义。通过野外采集地下水样,结合统计分析、Piper三线图、层次聚类分析、主成分分析、氯碱指数等方法对研究区地下水水化学特征及其成因进行分析,并对地下水水质进行评价。结果表明,钠吸附比(sodium adsorption ratio, SAR)、钠百分比(soluble sodium percentage, Na%)、残留碳酸钠(residual sodium carbonate, RSC)等均显示研究区的地下水灌溉适宜性较好。研究区地下水水化学类型主要为Ca2+-HCO3-型,局部为Ca2+-Cl-型。地下水化学组分主要受岩石风化作用控制,主要离子来源于岩盐和方解石、白云石等可溶性碳酸盐的溶解,同时氯碱指数表明阳离子交换作用也影响着地下水化学组分的形成。水质评价结果显示,桦川县、集贤县部分地区地下水水质较差,NO3-浓度超标,除受自然因素影响外,还与化肥农药的使用、矿山开采等人为活动有关。研究结果对于地下水资源的合理开发和治理具有一定的参考价值。

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  • 图 1  研究区水文地质及采样点分布

    Figure 1. 

    图 2  不同灌溉指数箱线图

    Figure 2. 

    图 3  研究区地下水的Pipier三线图

    Figure 3. 

    图 4  研究区地下水的Gibbs分布图和氯碱指数

    Figure 4. 

    图 5  研究区地下水理化参数相关系数矩阵

    Figure 5. 

    图 6  研究区水样点及水化学参数的树状聚类热图

    Figure 6. 

    表 1  地下水水化学参数统计分析

    Table 1.  Statistical analysis of groundwater hydrochemical parameters

    指标 最小值 最大值 均值 标准差 变异系数
    pH值 5.74 7.10 6.55 0.36 0.05
    Ca2+/(mg·L-1) 16.51 168.40 58.94 40.16 0.68
    K+/(mg·L-1) 0.67 11.02 2.08 2.55 1.22
    SO42-/(mg·L-1) 1.87 127.00 28.59 37.32 1.31
    Cl-/(mg·L-1) 2.49 78.50 23.16 26.97 1.16
    Mg2+/(mg·L-1) 5.30 37.70 15.30 9.36 0.61
    Na+/(mg·L-1) 9.86 86.67 26.17 20.34 0.78
    TDS/(mg·L-1) 128.00 910.00 323.40 207.39 0.64
    NO3-/(mg·L-1) 0.35 225.00 31.96 71.15 2.23
    fCO2/(mg·L-1) 22.30 129.73 55.41 27.99 0.51
    TH/(mg·L-1) 60.59 579.63 212.13 138.62 0.65
    HCO3-/(mg·L-1) 38.07 501.85 225.43 148.38 0.66
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    表 2  主成分结果及载荷矩阵

    Table 2.  Principal component results and load matrix

    指标 主成分F1 主成分F2 主成分F3
    Ca2+ 0.964 -0.158 -0.040
    K+ -0.123 -0.175 0.950
    SO42- 0.665 0.665 0.091
    Cl- 0.696 0.679 0.145
    Mg2+ 0.966 -0.074 0.016
    Na+ 0.892 -0.097 0.202
    TDS 0.994 -0.011 0.068
    NO3- 0.764 0.265 0.047
    fCO2 0.761 -0.09 -0.355
    TH 0.975 -0.137 -0.022
    HCO3- 0.621 0.721 -0.039
    pH值 -0.195 0.861 -0.062
    特征值 7.122 2.332 1.113
    方差贡献率/% 59.353 19.433 9.272
    累积贡献率/% 59.353 78.786 88.058
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    表 3  主成分得分系数矩阵及指标权重

    Table 3.  Principal component score coefficient matrix and index weight

    指标 主成分F1 主成分F2 主成分F3 综合得分系数F 权重
    Ca2+ 0.361 -0.104 -0.038 0.217 0.096
    K+ -0.046 -0.114 0.900 0.039 0.017
    SO42- 0.249 0.435 0.086 0.273 0.121
    Cl- 0.261 0.445 0.137 0.288 0.128
    Mg2+ 0.362 -0.049 0.015 0.235 0.104
    Na+ 0.334 -0.064 0.192 0.231 0.102
    TDS 0.372 -0.007 0.064 0.256 0.113
    NO3- 0.286 0.174 0.044 0.236 0.104
    fCO2 0.285 -0.059 -0.337 0.144 0.064
    TH 0.366 -0.090 -0.021 0.224 0.099
    HCO3- 0.233 -0.472 -0.037 0.049 0.022
    pH值 -0.073 0.564 -0.059 0.069 0.030
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    表 4  研究区水质分析结果

    Table 4.  Results of water quality analysis in the study area

    点位 Ca2+ K+ SO42- Cl- Mg2+ Na+ TDS NO3- fCO2 TH HCO3- pH值 综合得分 排名
    HCS01 0.848 0.987 0.985 0.990 0.955 0.964 0.925 1.000 0.849 0.875 0.679 1.000 0.936 2
    HCS02 0.681 0.800 1.000 1.000 0.694 0.898 0.776 1.000 0.547 0.677 0.388 1.000 0.823 9
    HCS03 0.994 0.887 0.846 0.933 0.993 0.947 1.000 1.000 0.736 0.992 0.903 0.605 0.932 3
    HCS04 0.795 0.863 0.192 0.099 0.639 0.908 0.772 0.989 0.736 0.747 1.000 0.001 0.619 13
    HCS05 0.834 0.001 0.892 0.831 0.784 0.681 0.799 0.972 1.000 0.815 0.567 1.000 0.824 8
    HCS06 1.000 0.959 0.806 0.801 1.000 0.931 0.990 0.996 0.717 1.000 0.955 0.421 0.905 4
    JXS01 0.509 0.962 0.960 0.962 0.664 0.929 0.712 1.000 0.925 0.553 0.261 1.000 0.802 10
    JXS02 0.930 1.000 0.975 0.919 0.970 0.942 0.963 1.000 0.717 0.938 0.784 1.000 0.938 1
    JXS03 0.909 0.857 0.733 0.722 0.906 0.754 0.887 0.999 0.981 0.899 0.784 1.000 0.857 6
    JXS04 0.893 0.990 0.854 0.762 0.871 1.000 0.895 0.770 0.868 0.877 0.925 0.711 0.861 5
    JXS05 0.001 0.981 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.196 0.001 0.001 0.090 0.947 0.068 15
    JXS06 0.429 0.943 0.686 0.091 0.306 0.677 0.377 0.010 0.736 0.395 0.761 0.961 0.427 14
    YYS01 0.545 0.877 0.913 0.891 0.370 0.431 0.559 1.000 0.415 0.494 0.001 1.000 0.647 12
    YYS02 0.756 0.947 0.985 0.998 0.617 0.873 0.824 0.969 0.736 0.708 0.470 1.000 0.840 7
    YYS03 0.675 0.903 0.972 0.923 0.599 0.880 0.772 1.000 0.415 0.650 0.373 1.000 0.788 11
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出版历程
收稿日期:  2024-03-11
修回日期:  2024-09-14
刊出日期:  2025-04-25

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