A study on the mixing proportion in groundwater samples by using Piper diagram and Phreeqc model

Piper (1944) diagram has been the basis for several important interpretations of the hydrogeochemical data. As seen in this diagram, most natural waters contain relatively few dissolved constituents, with cations (metals or bases) and anions (acid radicles) in chemical equilibrium with one another. Apart from the facies representation, the composition of the mixed sample can be identified in terms of the composition of the parental solution. To bring out this advantage of the Piper diagram, a study was conducted in the Kalpakkam region of Tamilnadu, South India. By taking the geology and water table into consideration, two sample locations were selected as parent solution and third one as the mixture sample. All three samples were analyzed for calcium (Ca), magnesium (Mg), sodium (Na), potassium (K), chloride (Cl), sulphate (SO4) and phosphate (PO4) by Ion Chromatograph (Metrohm IC 861). HCO3 was determined by volumetric titration. The Piper diagram shows that parent solutions clustered towards Na-Mg-Ca-HCO3-Cl and Na-HCO3 facies, and the mixing sample belongs to Na-Mg-HCO3 facies. Phreeqc interac-tive (Ver 2.8) along with the original composition of the mixture sample was used to correlate the mixing proportion identified by the Piper diagram.

基于Piper-层次聚类-灰色关联度的突水水源识别

快速准确地识别煤矿突水的来源对于煤矿安全开采十分重要,是煤矿防治水的基础工作。基于Piper三线图-层次聚类-灰色关联度的综合方法对甘肃省某煤矿的突水水源进行了识别。工作面井下排水、断层裂隙水和顶板砂岩裂隙水的水化学类型均为SO_(4)-K·Na型水,地表水水化学类型为SO_(4)·HCO_(3)-Ca型水。在Piper三线图中,井下排水与其他类型水在图中的距离较远,初步判断井下排水是来自多种水源的混合水。通过层次聚类分析得到煤层开采产生的井下排水与顶板砂岩裂隙水以及断层裂隙水的水质特征相对距离较近,特征类似。最后,采用灰色关联度判别模型进行判断,结果表明煤层顶板裂隙水以及断层裂隙水与井下排水的关联度较好。综合上述3种方法可知,工作面开采产生的井下排水主要来源于顶板砂岩水和断层裂隙水,与地表水的关系较小。推测可能是在开采过程中地层扰动导致的顶板水补给以及导水裂隙带导通孔隙水补给。因此,顶板含水层和导水裂隙带的研究与探查是该煤矿今后防治水工作的重点。

基于Piper-PCA-Fisher的矿井突出水源判别模型构建及应用

突水水源的高效准确判别是防治突水事故的关键,为提高矿井突水水源判别的可靠性,以临涣矿区水样数据为例,提出了一种基于Piper三线图、主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)与Fisher判别法的矿井突水水源判别模型。将6类化学离子实测浓度作为突水水源判别指标,通过确定评价集与4类水源中心的距离进行样本归类判别。研究结果表明:采用Piper三线图可剔除异常样本,最终确定以37组典型水样作为训练样本;利用主成分分析对判别指标进行降维,发现前3项主成分覆盖了原有指标信息的91.636%,能够有效表征样本水化学特征;利用Piper-PCA-Fisher判别模型回判37组训练样本并预测15组待测样本,回判准确率及预测正确率均为100%。Piper-PCA-Fisher判别模型可减弱指标间的关联度,在水样数据有限的情况下,可获得良好的判别效果。

Piper图解淮河流域江苏地区浅层地下水水质演化特征

在收集213份20世纪80年代浅层地下水水质资料和616组现状采集样品的基础上,利用不同时期水化学组成在区域Piper三线图上的集合发生的位移现象,揭示20多年来该区浅层水的内在变化规律,同时利用水化学类型图、统计数据加以佐证,最后探讨区域浅层水演化的原因。研究结果表明,通过Piper图示所表达的浅层地下水水质演化规律统计数据、绘制水化学类型分布图等方法相比较,分析更简洁、直观、通俗易懂。通过分析还发现,区内浅层地下水资源可以通过合理利用而改善水质,进而为人们提供理想的水源。

基于Piper图、灰色关联度和三维高密度电法的断层水源判别

为判别阳城煤矿3305工作面下平巷掘进遇到的FD53断层水的水源,进而决定巷道掘进是否可以直接穿过断层,在确定砂岩含水层、三灰含水层、奥灰含水层为FD53断层水可能水源的基础上,现场采集了断层及这3个含水层的水样进行常规化学成分水质检测。选取ρ(K^(+)+Na^(+))、ρ(Ca^(2+))、ρ(Mg^(2+))、ρ(HCO^(-)_(3))、ρ(Cl^(-))、ρ(SO^(2-)_(4))、pH、总溶解固体(total dissolved solids,TDS)作为水源识别化学指标,利用水化学特征Piper图排除了断层水水源为砂岩含水层的可能性;基于灰色关联模型,建立断层水和各含水层之间的灰色关联度,识别出断层水水源为三灰水;应用最新的三维高密度电法探测技术,获得了3个含水层在3305工作面的富水性分布特征,排除了断层水水源为奥灰水的可能性,并进一步判定断层水水源为三灰水。最终的判别结果表明,FD53断层水的水源为水量可控的三灰水,巷道掘进可以直接穿过断层。

基于Piper-PCA-MLP神经网络的矿井涌水水源识别方法研究

为了快速准确地识别矿井涌水水源,提出一种基于Piper-PCA-MLP的矿井涌水水源判别模型。以乌东煤矿为例,通过Piper三线图揭示了矿区不同地下水含水层的水化学特征,筛选了来自矿区不同涌水含水层的23个水样,获得了22个代表涌水含水层的典型水样。选用Na^(+)+K^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)、Cl^(-)、SO_(4)^(2-)、HCO_(3)^(-)、NO_(3)^(-)和TDS八种水化学指标作为判别指标,考虑到乌东煤矿含水层水质边界不明显和水化学组分差异性不大的特点,选择MLP神经网络作为模型识别的基础,为了解决MLP神经网络在面对高维数据时训练收敛较慢,建模时间较长等缺点,使用主成分分析算法对数据进行降维,提取三种主要指标作为判别因子。以22组水样数据中17组作为训练样本,5组作为测试样本建立PCA-MLP模型,为了凸显模型的可靠性和准确性,选取同一样本集对水样数据分别建立PCA-层次聚类模型、MLP、PCA-RBF模型,并对其判别结果进行分析比较。结果表明:经过PCA降维的MLP神经网络能够有效消除水样水化学指标间的相互影响,对第四系孔隙潜水,地表水判别正确率均为100%,对基岩裂隙孔隙水的判别正确率为92.3%,明显优于其它方法,可为矿井涌水水源的识别提供一种新方法。

基于Piper三线图的矿井水化学特征分析

基于鄂庄井田水文地质条件,对鄂庄矿井水的矿化度和主要特征离子含量的测定和分析,利用水化学组成随着时间推移会在Piper三线图上的集合发生位移的现象,对矿井水进行水化学特征分析,并划分井田各水源的主要水质类型。研究结果表明,利用Piper三线图能快速判别水源类型,为矿井水害的防治及综合利用提供指导。

钱塘江下游滨江地区地下水水化学特征与水质评价

为探究钱塘江下游滨江地区地下水水化学特征及水质情况,采用数理统计、Piper三线图、Gibbs图、单指标评价法、综合质量评价法和模糊综合评价法,对研究区的46组地下水水样测试数据进行分析。结果表明:研究区内潜水水化学类型主要为HCO_(3)-Na·Ca·Mg型和HCO_(3)·Cl-Na型,水化学成分受岩石风化作用影响显著,主要受到岩盐的溶解、离子交换作用、人类活动影响;承压水水化学类型主要为Cl-Na·Ca·Mg型和Cl-Na型,水化学成分主要受海水作用的影响;研究区内潜水水质总体较好,部分潜水受原生地质环境的污染;承压水污染主要受海侵影响,不宜饮用。研究结果对区内地下水的开发、利用和保护具有积极的指导意义。

拉月曲流域地表水水化学特征及其影响因素

为深入研究藏东南拉月曲流域地表水水化学特征及其影响因素,在研究区采集地表水样品25组、收集雨水样品2组。运用Piper三线图、Gibbs模型、Ca/Na和TDS对数关系模型及相关性分析等方法对测试结果进行分析。结果显示:23组样品中,4种阳离子Ca^(2+)、Mg^(2+)、Na^(+)、K^(+)的平均值分别为13.90、1.43、1.65和1.56 mg/L,5种阴离子HCO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)、Cl^(-)、F^(-)的平均值分别为27.57、14.88、2.92、5.40和0.24 mg/L,pH位于7.05~7.96,水体呈弱碱性。2组雨水样品中,4种阳离子Ca^(2+)、Mg^(2+)、Na^(+)、K^(+)的平均值分别为1.94、0.01、0.12和0.18 mg/L,5种阴离子HCO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)、Cl^(-)、F^(-)的平均值分别为0.10、4.38、2.48、5.26和0.00 mg/L,pH位于7.56~7.60,雨水样品的阴阳离子含量均明显低于23组地表水样品的平均值。来自地下深处的2组温泉水样除NO_(3)^(-)含量显示为0.00 mg/L以外,阴阳离子含量明显高于23组地表水样的平均值。水化学类型为HCO_(3)-Ca型或HCO_(3)-Ca·Mg型,TDS与Ca^(2+)和HCO_(3)^(-)的相关系数分别为0.930、0.924。控制因素以岩石风化溶解作用为主、大气降水作用为辅,阳离子交替吸附作用和蒸发浓缩作用均相当微弱,地表水水文地球化学演化仍然处于自然演化阶段,人类活动干扰因素可忽略不计。地表水主要离子受到硅酸盐岩、碳酸盐岩风化溶解作用控制较强,蒸发盐岩风化溶解作用控制较弱。

汉中盆地地下水水化学特征及其成因研究

为研究汉中盆地地下水的水化学特征及成因,在丰水期共采集56件潜水样品,综合运用数理统计、相关性分析、Piper三线图、Gibbs模型和离子比等方法,分析了汉中盆地地下水的水文地球化学特征、各化学参数的空间变化规律、主要离子的控制因素及来源。结果表明,汉中盆地地下水阳离子以Ca^(2+)为主,阴离子以HCO_(3)-为主。从离子空间变化规律上来看,K^(+)波动最为剧烈,且从中下游开始逐渐降低,Cl^(-)和Na^(+)变化规律一致,呈波动变化;HCO_(3)-、Ca^(2+)、Mg^(2+)以及SO_(4)^(2-)的从中上游至中下游含量逐步降低,至下游含量增加;TDS值为128.5~590 mg/L,平均值为282.67 mg/L,在中下游含量明显增加;pH平均值为7.17,为弱碱性,在中上游波动剧烈,至下游逐渐降低。地下水水化学类型以HCO_(3)-Ca和HCO_(3)-Ca·Mg型为主,受碳酸盐岩和硅酸盐岩的溶解共同控制,阳离子交替吸附作用较弱,Na^(+)和K^(+)主要来源于钾长石、钠长石等硅铝酸盐矿物的溶解和部分盐岩的风化溶解,Ca^(2+)除来自碳酸盐岩的溶解外,还有大量硅酸盐岩的溶解;方解石及少量白云石等碳酸盐岩的风化溶解对Mg^(2+)和HCO_(3)-贡献较大。查明汉中盆地地下水水化学特征及成因机制,可为汉中地区地下水饮水安全提供有力科学依据。

贵州省毕节市米底河地热特征及形成机理

研究地热资源形成机理及水化学特征可为资源综合利用与开发提供参考。通过采集贵州省毕节市米底河水样进行水化学特征分析,采用Piper三线图、地温温标法和音频大地电磁等手段对米底河地下热水水化学和形成机理进行了研究。研究表明,该地区受平寨穹窿构造影响穹窿内节理构造极其发育,利于深部热水向穹窿内承压相对低区域运移,形成褶皱穹起构造对流型地下热水资源;通过区域断层探测,推断该区域存在5条断层破碎带(或者裂隙),其中F4与F13断层产状较陡,向下延伸较浅;F9比较明显,倾向北西;F1走向近似南北向,倾向北西,延伸较深;F17与F18反映较为明显,但是延伸较浅,推断F1断层具有良好的控热性,是地下热水上涌的有利位置;在平寨穹窿边部环带接受大气降水入渗补给后径流至2500 m深度内获得围岩的加热,并在上覆寒武系碎屑岩隔水、保温盖层的作用下,于震旦系灯影组白云岩中形成深部承压热储;水化学特征分析得出地热水属低矿化度水,地热井水源中Na^(+)为主要阳离子,占45%左右,其次为Ca^(2+)与Mg^(2+),占49%左右。阴离子中HCO_(3)^(-)占主体,SO_(4)^(2-)占39%,Cl^(-)几乎没有,因此地下热水水化学类型为HCO_(3)^(-)·SO_(4)^(2-)-Na·Ca型;根据玉髓温标得出地热井地下热水热储温度为53.98℃,地温梯度为2.85℃/100m,地下热水循环深度在2500 m左右。研究结果对贵州毕节地区地热资源开发利用具有较好的指导意义。

煤矿区地表水与矿井水水力联系判断及水源识别方法研究

煤矿矿井水随意排放将对区域地表水体系造成污染,同时被动式的采空区积水通过导水裂隙也可能造成地表水体系污染风险,为保障矿山地质环境安全,在鄂尔多斯马泰壕煤矿开展开采沉陷区积水水源识别方法的研究,在开采沉陷区地表及煤矿水文孔采集大量水样充分分析了其化学特性。在此基础上采用Piper法、聚类法分析、灰色关联度法、主成分分析法和RBF神经网络法,对水源进行了识别与分析,研究表明地表积水与潜水具有一定的水力联系,但工作面涌水和采空区存水与沉陷区积水之间不存在水力联系。研究结果可为煤矿开采沉陷区水源识别分析过程提供依据,同时为煤矿区水污染防治与环境评估方法的研究提供思路与方法的借鉴。

典型垃圾填埋场地下水化学类型的分析研究

为了解填埋场对下水的影响,选择某正规垃圾填埋场作为研究对象,分别对3组历史背景数据和8组现状数据中K^(+)+Na^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)、SO4^(2-)、CO_(3)^(2-)、HCO_(3)^(-)、Cl^(-)、pH、TDS、NH4^(+)采用数理统计、AqQA软件绘制piper三线图及spss软件进行系统聚类分析,查明填埋场对地下水的影响。结果表明,地下水中各个化学组分变异系数在0.041~2.272之间,其中最高的为NH4^(+),SO4^(2-)和Cl^(-)次之,均大于1;随着填埋场的运行,地下水化学组分中阴离子主要由SO4^(2-)、HCO_(3)^(-)为主转变成Cl-、HCO_(3)^(-)为主,阳离子由Ca^(2+)、Mg^(2+)为主转变成Ca^(2+)、Na^(+)为主;分别对比分析历史数据与现状数据、填埋场上游数据和下游数据可见填埋场对地下水中Cl^(-)贡献较大。整体表现为距离填埋区或渗滤液处置区越近,Cl^(-)含量越高的现象,Ca^(2+)和HCO_(3)^(-)可能为地下水对含水层的溶滤作用造成。

中关铁矿地下水水化学特征简析

为了使中关铁矿的开采过程能够顺利进行,明确研究区地下水水化学特征及水力联系状况是非常重要的一环。选取研究区2021年39个地下水水样(分别于-170 m、-230 m、-245 m这3个水平工作面取样)进行水质检测,运用统计分析、Piper三线图等方法对研究区地下水水化学特征及成因进行分析。结果表明:由-170水平至-245水平,随采样深度的增加SO_(4)^(2-)浓度和TDS质变逐渐递增,随SO_(4)^(2-)离子浓度的增加HCO_(3)-的浓度逐渐减小,水化学类型由上至下从Ca·Mg-HCO_(3)向Mg·Ca-SO_(4)·HCO_(3)和Ca·Mg-SO_(4)演化。分析结果说明有部分区域奥陶系灰岩水从帷幕底部进入帷幕内,并与围岩发生了离子交换,因底部蚀变闪长岩基底为相对隔水层,所以该部分水流经闪长岩蚀变带,从帷幕外侧绕过帷幕体底部流经闪长岩蚀变带进入帷幕内侧。

济南泉域排泄区岩溶地下水水化学特征

文章通过分析研究济南泉域排泄区地下水水化学成分特征及形成过程,结合岩溶地下水的补径排条件,揭示了不同位置、不同深度循环的水质存在差异的原因。为保护泉水、优化泉域内地下水的开采方案提供了依据。

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。

鹤壁矿区奥陶系灰岩地下水水文地球化学特征及反向模拟

为探讨采矿活动对岩溶地下水水质的影响,以鹤壁矿区奥陶系灰岩地下水为研究对象,基于不同时期岩溶地下水水化学资料,采用Piper图结合离子组合比例分析法,分析矿区岩溶地下水主要组分的物质来源和水岩相互作用过程,并借助PHREEQC软件对其进行了反向水文地球化学模拟。结果表明:研究区岩溶水水化学类型主要为HCO_3-Ca·Mg型、HCO_3·SO_4-Ca·Mg型和SO_4·HCO_3-Ca·Mg型。主要水岩作用为碳酸盐岩、石膏和岩盐的溶解与阳离子交替吸附作用。煤矿区的岩溶水水质受采煤活动影响,水中SO_4^(2-)、Cl^-与TDS的含量较高,且采矿活动对水质的影响随时间增强。

基于水化学特征的模糊评判法分析突水水源

通过对工作面水质进行化验总结,运用AquaChem软件绘制Piper三线图,对7199工作面4个月的水质进行统计分析,结果表明:7199工作面突水水源中包含顶板砂岩水、分界砂岩水、第四系底含水和侏罗白垩水。为更准确地确定突水水源间的主次关系,以模糊数学为基础,结合矿井含水层水化学分析资料,利用模糊综合评判法建立了矿井突水水源判别模型,选取6种常规离子作为判别因子,最终得出7199工作面直接出水水源为顶板砂岩水和下石盒子组底界砂岩水,并存在第四系底含和侏罗白垩水的间接补给。

基于模糊聚类分析的莱州湾南岸地下水化学分布特征研究

针对莱州湾南岸咸水入侵区地下水质连续、渐变和边界模糊的特征,利用规格化变换对莱州湾南岸地下水化学组分数据进行标准化,采用夹角余弦法作为相似系数,用平方法计算传递闭包构造模糊等价矩阵进行模糊聚类分析,将莱州湾南岸地下水划分为3类并绘制其平面分区图。在此基础上,用探索性数据分析技术的箱线图分别识别各类地下水各组分的分位数、中位数、极值等数据分布情况,并结合Radial图绘制各类地下水各组分均值;利用基于CA舒卡列夫分类方法的Piper三线图识别了各类地下水的水化学类型;最后在相关分析基础上选取代表性指标绘制等值线图,结合模糊聚类分区探讨了分区各指标的空间结构特征及内在机理。综合上述分析,定义Ⅰ区为海水入侵重点治理区,Ⅱ区为海水入侵综合防范与整治区,Ⅲ区为卤水区。

基于特征离子的谢桥井田煤矿透水水源判别

矿井突(涌)水是采矿过程中最具威胁的灾害之一。能否准确快速地判别矿井突水水源,不仅是矿井水文地质工作的主要内容,而且是煤矿防治水工作的重要基础。以安徽淮南煤矿谢桥井田为例,在分析其主要含水层水文地质特征的基础上,利用Aqua Chem软件分别绘制出砂岩裂隙水和灰岩水的Piper三线图,经比较发现在Piper三线图中砂岩裂隙水和灰岩水分布区域存在明显差异,且砂岩裂隙水中次阴离子为HCO_3^-,而灰岩水中次阴离子为SO_4^(2-)。根据这一特点,选定SO_4^(2-)和HCO_3^-作为砂岩裂隙水和灰岩水的水源判别特征离子,通过对SO_4^(2-)/HCO_3^-比值分析比较发现:砂岩裂隙水中SO_4^(2-)/HCO_3^-比值小于0.55,正确回判率高达100%;灰岩水中SO_4^(2-)/HCO_3^-比值大于等于0.55,正确回判率高达91%。