当前世界环境

介绍

水的质量和数量对任何供水计划都有影响。近年来，地下水数据应用了广泛的统计分析和解释，这是由于大量的物理和化学变量(Ali,2010;Sanchez-Martos et al.， 2001; Suk & Lee, 1999)。聚类和因子分析可以应用于几个实证调查领域来研究地下水质量(Ma, et al.， 2013)。它可以很好地理解地下水系统在空间和时间上的化学和物理性质(Hongmei,2009;Helsel & Hirsch, 1992; Hussain et al.， 2008)。

本研究的目的是运用多元统计分析方法估计约旦东北部的水种类。这一分析有助于水资源规划，并可为进一步评价该地区的水质提供依据。

研究取样面积、水质及统计分析

研究区域

研究区域位于约旦东北部，北纬32º12′和32º30′之间，东经36º12′和36º56′之间(图1)，包括马弗拉克地区东部和哈拉特沙姆地区的一部分。研究区域被玄武岩喷发覆盖，玄武岩喷发从北部的叙利亚蔓延到南部的沙特阿拉伯。这一地区位于约旦的半干旱地区，容易受到各种威胁，例如不断发展的城市地区和发展中的农业地区。研究区年降水量在100 ~ 150毫米之间，属于半荒漠地区。夏季气温可升至45摄氏度。气候干燥、大气粉尘和降水强度低影响降水水质，一般造成含盐量增加(Salameh 1996)。马弗拉克地区横跨约旦的两个地下水盆地;即Yarmouk盆地和AmmanZarqa盆地。总的来说，Yarmouk盆地的浅层地下水分布在B2/A7含水层。上覆的地质构造由泥灰岩层组成，形成向耶尔穆克河和约旦河倾斜角度越来越大的水层。 The recharge to the aquifer takes place in the highlands of Irbid and Ajlun and further to the northeast beyond Jordan’s territories (Salameh 1996). The AmmanZarqa basin has two main aquifers, namely the deep A4 and the shallow complex which consists of the B2/ A7 or A7 alone or B2/A7 together with wadi fills and basalts. This basin can be divided into two parts: the area northeast of Wadi Zarqa and the western part extending to the west of Wadi Zarqa. Overpumping is already taking place along Wadi Zarqa part of the basin, such as in the Khalidya and Dhuleil subareas (Water Authority 1989).

地层学

研究区出露岩石的年龄从白垩纪(阿季伦和贝尔卡群)到近代不等。岩石地层的演替和简要描述见表(1)。

表1:研究区地层柱

期		集团	约旦1:50.000地质填图项目(nra)			作品喻示
			形成		成员
第四纪			冲积矿床			A1
Terttary	上		玄武岩侵入			英航
	较低的		嗯Rijam Chert石灰岩		Nummulitic石灰石	B4
C R E T 一个 C O U 年代	U P P E R	B E 问 一个 G R O U P	Muwaqqar Chalk Marle			B3
			艾尔 哈萨 磷灰石		Qatrana 磷灰石	b	B2
					婆醯迦 磷灰石
					基斯·苏坦克 磷灰石
			Wadi 嗯 Ghudran		Mutaramil Coqunia	一个
					Dhiban粉笔	c	B1
					Tafila	b
					主义粉笔	一个
	米 我 D D l E	一个 J l U N G R O U P	河水是石灰石			A7
			Shueb形成	F / H / S UNDIFF	Wala石灰石	A5 6	A3-A6
			Hummar形成		Naqab石灰石	A4
			Fuhies形成		Karak石灰石	A3
			nautica或石灰石		D	A1-2
					C
	较低的	KURNUP 集团			B
					Wadi Juhira
			库纳普砂岩群			K

蓄水层

总体上，研究区含水层划分为3个主要复合体;深层砂岩含水层、安曼-瓦迪爵士含水层和上层含水层。根据Salameh(1996)的说法，深砂岩含水层在约旦南部形成了一个单元。在北部，厚厚的灰岩和泥灰岩逐渐将其分成两个含水层系统，这两个含水层系统在水力上仍然相互连接。古生代迪西群含水层是最古老的，只在约旦南部和沿着瓦迪阿拉巴死海裂谷生长。Kurnub和Zerqa组(侏罗纪-下白垩纪)也是约旦北部地区下方的砂岩含水层，位于Disi组含水层之上。沿采尔卡河流域露头。

图1:研究区域和采样点的位置。 点击此处查看图

安曼河Es-Sir含水层(A7)

该含水层系统由两层组成;Wadi Es-Sir (A7)和Amman (B2)被Um-Al Ghudran (B1)隔开，这在一些地方已经消失了。安曼地层和Wadi Es-Sir地层构成了高降雨量地区最重要和最广泛的含水层之一，大部分补给发生在这里。该含水层位于研究区的西部，部分研究井的水源来自该含水层。根据水务局(1989年)，B2/ A7地区的地下水通过三个来源补给耶尔穆克盆地。亚历伦山脉，那里有亚历伦圆顶;东北部沙漠盆地的底流流向乌姆埃苏拉布地区的研究区域，以及叙利亚境内的底流流向耶尔穆克河。

上层含水层

这主要包括两个系统;第一个是玄武岩含水层，从叙利亚Jabel Druz地区向南延伸到Azraq和Wadi Dhuliel地区。这是位于研究区东部的第二个主要含水层。第二类由第三纪和第四纪的沉积岩和冲积矿床组成。这些岩石形成局部的含水层，部分被玄武岩含水层覆盖，或被含水层与玄武岩隔开。补给直接进入这些含水层或从周围的含水层进行(水务局1989年)。

采样集合

本研究中使用的水化学数据包括从水务局2011年55口生产井的公开文件中提取的信息。分析的参数包括pH、总溶解固形物(TDS)、温度(T)、电导率(EC)、钙(Ca)、镁(Mg)、钠(Na)、钾(K)、氯化物(CI)、碳酸氢盐(HCO3)、硫酸盐(SO4)和硝酸盐(NO3)。水质参数值以mg/l为单位，pH、EC以µs/cm为单位。

统计分析

相关系数(R)

相关分析衡量所选自变量和因变量之间关系的密切程度。这种分析试图确定变量之间关系的性质。在本研究中，通过计算相关系数(R)来确定所分析水体数据中水质参数之间的相互关系。

表3约旦Mafraq地区水化学数据相关系数矩阵 按此查看表格

聚类分析

聚类分析是一系列技术的统称，这些技术通过将观察结果分配给不同的组来进行分类，因此每个组或多或少都是同质的，并且与其他组不同(Hussain et al.， 2008)。有两种类型的聚类分析:R和q模式。对不同水质变量进行r -模态分析。对水化学数据进行q模式聚类分析，根据水质对样品进行分组(Davis, 2002;Tabachnick & Fidell, 2006)。所有样本的水化学结果采用SPSS 15软件(SPSS 15, 2010)进行统计分析。

因子分析

因子分析是一种多元统计技术，可用于检查大量变量的潜在模式或关系，并将信息汇总到较小的一组因素或组件中，以达到预测目的(Davis, 2002)。主成分分析是最常用的因子分析方法。PCA被定义为一种正交线性变换，它将变量转换为一个新的坐标系，使得变量的任何投影的最大方差位于第一个坐标上(称为第一主成分)，第二个最大方差位于第二个坐标上，以此类推。PCA在理论上是给定数据最小二乘项的最优变换(Usunoff & Guzman,1989;布朗1998;Ceron et al.， 1999和Tabachnick & Fidell, 2006)。为了确定要提取的成分的数量，获得的数据被用作变量输入。在分析之前，数据被标准化，以产生所有变量的正态分布(Jayakumar & Siraz, 1997和Davis, 2002)。每个因子中原始变量的权重称为负载，每个因子与一个特定的变量相关联。共同性是衡量一组特定因素对变量方差的描述程度(Grande et al.， 2003)。

结果与讨论

分析的参数包括pH、EC、TC、Ca、Mg、Na、K、CI、HCO3、CO3、SO4和NO3。化学分析数据进行描述性统计检验，结果见表2。

研究区地下水样品pH值在7.24 ~ 8.18之间，为微碱性。电导率(EC)值为370 ~ 4890ìS/cm。主要阳离子的丰度顺序为Na > Ca> Mg > K，只有7%的样品超过了饮用水所需的Ca限值(75 Mg /L)。对于Mg, 15%的样品超过50mg /L的限量。主要阴离子Cl > HCO3 >SO4 > NO3的丰度和几乎22%的样品超过了理想的Cl限值(200毫克/升)，但硫酸盐浓度均低于健康指南(世卫组织，1993年)。而9%的样品超过NO3 (50 mg/L)。

相关系数通常用来衡量和建立两个变量之间的关系。它是一种简化的统计工具，用于显示一个变量对另一个变量的依赖程度。表3给出了十个变量的相关矩阵。EC值与TDS、Na、K、Ca、Mg、Cl、HCO3、SO4、NO3呈高度正相关。钙和镁呈极显著正相关(0.92)，表明二者来源相同。Cl和na之间也有很好的正相关(0.94)。

电导率(EC)与构成地下水主要阴离子和阳离子的氯化物、硫酸盐、钠、钾、钙、镁等正相关。TDS与氯化物、硫酸盐、钙、镁、钠、钾等呈正相关。主要交换离子Na-Ca呈正相关(0.86)，钠和镁呈强相关(0.82)，表明阳离子交换依赖性明显。氯化物与大多数阴离子和阳离子呈正相关。钙和氯化物之间存在良好的相关性(0.95)，表明水的总硬度。

表2:参数分布的基本统计参数。

变量	最低	最大	的意思是	标准偏差。
ECμS /厘米	370	4890	1046.85	764.93
TC	18	40.80	26.04	4.12
PH值	7.24	8.18	7.88	0.257
TDS	235	3210	672.76	499.38
Na mg / L	47	420	113.24	74.22
k mg / L	3.	24	7.36	4.356
Ca mg / L	10	272	37	45.89
Mg Mg / L	5	210	38.33	34.26
Cl mg / L	36	1335	181.69	224.11
HCO3 mg / L	49	362	141.63	54.97
SO4 mg / L	29	269	102.09	48.16
3号mg / L	5.80	165	34.55	30.67

表4:约旦Mafraq地区数据因子分析的特征值、累积特征值、方差百分比、累积方差百分比。

组件	初始特征值			平方负荷的提取和
	总计	方差百分比	累积%	总计	方差百分比	累积%
1	8.340	69.501	69.501	8.340	69.501	69.501
2	1.246	10.381	79.882	1.246	10.381	79.882
3.	0.743	6.192	86.074
4	0.618	5.151	91.224
5	0.440	3.664	94.889
6	0.302	2.514	97.402
7	0.176	1.463	98.865
8	0.068	0.569	99.434
9	0.056	0.467	99.901
10	0.009	0.075	99.976
11	0．002	0.019	99.995
12	0.001	0.005	100.000

表4给出了特征值、方差百分比、累积特征值和累积方差百分比之间相互关联的关系。结果表明，前两个因素解释了约79.8%的总方差。表5显示了两因素模型的vaimax旋转因子矩阵的加载情况。显然，第一个因素通常比第二个因素与变量的相关性更强。这是可以预料到的，因为这些因素是连续提取的，每一个因素都尽可能多地解释剩余的方差。

术语“强”、“中等”和“弱”适用于因子载荷，分别指Ã 0.75、0.75 - 0.5和0.5-0.3的绝对载荷值。因子1对EC、TDS、Na+、Ca+、Mg+2、Cl-、HCO-3、SO4 -2、NO3 -的正向负荷较强，对K+的负荷量适中，EC和TDS的负荷量均为0.995，对整体矿化起控制作用(表4)。Ca的负荷为0.960，其高负荷可能是由于其在地壳中含量丰富，也可能是长石、角闪石和辉石风化的副产物。硝酸盐负荷为0.884，可能与人为活动有关。钠的负荷量为0.942，可能来源于斜长石、雨水冲刷的大气粉尘以及阳离子交换过程的风化作用;镁的负荷量为0.944，可能来源于镁质矿物的风化作用。氯离子的负荷为0.982，可能来源于人为源，也可能来源于岩浆活动时期圈闭的水(幼年水)。

在阳离子中，钙的负荷量最高，其次是镁、钠和钾。负离子中，氯离子负载量最高，其次是硝酸盐、硫酸盐和碳酸氢盐，负载量分别为0.982、0.884、0.805和0.788。HCO3的高负荷与自然矿化有关。考虑到各离子的负载量顺序，该地区地下水可归类为以氯离子浓度高为特征的土碱性水，水组分的离子比为:(Ca+2 + Mg+2) Ã Na+， Cl - Ã HCO

表3:相关系数 约旦马弗拉克地区的变量。 点击这里查看表格

这一因素似乎与使用化肥后农业投入造成的污染有关。它代表了一种扩散形式的污染。硝态氮与钾的浓度呈显著正相关(r=0.580)，表明两者的共同来源可能与氮磷钾的施用有关。SO4和HCO3可能来自有机质的分解，SO4的来源也可能来自分布在该地区的石膏和硬石膏。这些来源也可能来自废物的分解。HCO3和SO4测量浓度的相关性也表明了这种潜在的关系(r=0.55)。pH的负负荷明显与有机分解引起的SO4和HCO3有关，SO4和HCO3的负负荷可以解释为SO4化学还原为H2 S而HCO3增加。因此，因子3可归因于硫酸盐还原。Wu和Weng(1988)认为，地下水中的SO4在有机物降解过程中可以被还原为H2 S。因此，环境的还原性越强，SO4的浓度越低，HCO3的浓度也随之增加(Wen and Qin, 2007)。 Factor 2 accounts for about 10.38% of the total variance. This factor indicated loadings with respect to pH (0.736) and TC (-0.789).

采用聚类分析方法对水化学数据进行分析。图2显示了12个描述符的q模式聚类分析树状图。其中NO3、K、Mg、Na为一组，可能是受富长石、云母风化作用的影响，也可能是受农业肥料的影响。第二簇以Cl和HCO3为主，但也含有低浓度的SO4。

EC与CI含量的高相关系数(表4)表明氯离子对盐度的贡献相对大于其他离子。注意到对于相同的EC值，Na浓度可能会有所不同。部分样品的高Na含量来源于玄武岩含水层中Ca-HCO3水与富钠沸石之间的阳离子交换过程。钠通常被释放到水中，而钙离子会被沸石固定。NO3含量高且浓度升高是由于灌溉返渗的影响。水通过土壤的渗透会使低盐度水中的Ca和Mg离子取代Na离子。钠是用于灌溉的地下水中的主要阳离子。

结论采用不同的多元统计方法对约旦马弗拉克地区地下水水质变化进行了评价。分析数据解释表明，EC值与TDS、K、Ca、Mg、Na、Cl、SO4、NO3和HCO3呈高度正相关。主成分分析结果表明，在双因子模型中，因子1占总方差的69.5%左右，对EC、TDS、Na+、Ca+、Mg+2、Cl-、HCO-3、SO4 -2、NO3 -有较高的负荷，对K+有中等的负荷，因子2占总方差的10.38%左右，对pH和TC有较大的负荷。其中NO3、K、Mg、Na为一类，可能是由于富长石和云母风化作用的结果，也可能是由于农业肥料的影响。第二簇以Cl和HCO3为主，但也含有低浓度的SO4。另外，硫酸钙型水可以由硬石膏或石膏的溶液产生。研究区内三个现代盆地的存在表明，埋藏的蒸发物可能解释了马弗拉克地区上盆地水体中部分矿化现象。Na +和C1-之间近乎完美的相关性表明，盆地中的地下水要么是通过岩盐溶液，要么是通过与浓氯化钠型水(如许多封闭盆地的深层水)混合而包含这些成分。在一些水样中观察到的适度高浓度的镁可能是由于矿物的化学风化作用和后来在方解石的溶解度被局部超过的地方以牺牲钙为代价的镁的浓度和一些碳酸钙

在含水层中沉淀。水中NO3 -的来源是使用肥料的农业活动。感谢:德意志研究集团(DFG)的资金支持。DFG通过亚琛工业大学研究中心。

表5:双因子模型的最大旋转因子的载荷，解释总方差的79.8%

变量	组件
	1	2
电子商务	0.995	0.043
TC	0.123	-0.789
TDS	0.995	0.045
PH值	-0.300	0.736
Na +	0.942	０．１０３
K +	0.734	0.075
Ca +	0.960	0.022
Cl -	0.982	0.090
Mg +	0.944	0.034
HCO3	0.788	-0.144
所以42	0.805	-0.100
没有3.-	0.884	0.147

采用聚类分析方法对水化学数据进行分析。12个描述符的q型聚类分析树突图如图2所示。变量聚为两大类，第一组显示了NO之间的相似性_3.K、Mg和Na为一组，代表了丰富的长石和云母风化的影响，除了农业肥料。第二个团簇是Cl和HCO_3.但也含有低浓度的SO₄(Triki et al.， 2014)。

图2:来自的12个变量的树状图 q模式的聚类分析。 点击此处查看图

EC与CI含量的高相关系数(表4)表明氯离子对盐度的贡献相对大于其他离子。注意到对于相同的EC值，Na浓度可能会有所不同。部分样品中Na含量高是由Ca-HCO之间的阳离子交换过程引起的_3.玄武岩含水层中的富水富钠沸石。钠通常被释放到水中，而钙离子会被沸石固定。高NO_3.含量及其浓度的上升是由于灌溉返渗的水的影响。水通过土壤的渗透会使低盐度水中的Ca和Mg离子取代Na离子。钠是用于灌溉的地下水中的主要阳离子。

结论

采用不同的多元统计方法对约旦马弗拉克地区地下水水质变化进行了评价。分析数据解释表明，EC值与TDS、K、Ca、Mg、Na、Cl、SO4、NO3和HCO3呈高度正相关。主成分分析结果表明，在双因子模型中，因子1占69.5%左右，对EC、TDS、Na的负荷较大⁺、钙⁺、镁^{+ 2}, Cl^-, HCO³,所以₄²,没有_3.^-K的负荷适中⁺因子2约占总方差的10.38%，并具有pH和TC的负荷。

变量聚为两大类，第一组显示了NO之间的相似性_3.K、Mg、Na为一组，这可能代表了丰富的长石和云母风化的影响，以及农业肥料的来源。第二个团簇是Cl和HCO_3.但也含有低浓度的SO₄。C1与^-和钠⁺表明盆地地下水中含有来自岩盐溶液或与浓氯化钠型水混合的成分(Dawdy,1967)_3.^-在水里是使用肥料的农业活动。

致谢

感谢德意志研究集团(DFG)的资金支持。DFG通过亚琛工业大学研究中心。

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