古宋河地表水與沿岸淺層地下水相關(guān)分析

鄭華山 臧紅霞

(河南省商丘水文水資源勘測(cè)局,河南商丘 476000)

古宋河地表水與沿岸淺層地下水相關(guān)分析

鄭華山 臧紅霞

(河南省商丘水文水資源勘測(cè)局,河南商丘 476000)

根據(jù)古宋河沿河地帶所設(shè)兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面地下水污染濃度實(shí)測(cè)資料,采取漸進(jìn)錯(cuò)位相關(guān)分析法,分析古宋河地表水與地下水污染相關(guān)關(guān)系,可知河水與該處地下水中污染物傳播時(shí)間較長(zhǎng);依據(jù)水位觀測(cè)資料,分析知河道水位以大于1m水位差高與地下水位;通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)資料確定地下水滲透參數(shù),采用裘布衣公式計(jì)算河道地表水與地下水補(bǔ)排關(guān)系,得出右岸河水平均每天補(bǔ)給地下水3m3,該河地表水污染對(duì)地下水的影響很小;利用了MATLAB軟件編程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理,建立回歸方程;選取氯化物作為相關(guān)分析示例,結(jié)果顯示地下水的氯化物值與測(cè)井距離相關(guān)性最大,與時(shí)間和地表水的監(jiān)測(cè)值相關(guān)性很小,地表水與地下水之間的線性相關(guān)關(guān)系不明顯。

古宋河 地表水與地下水水質(zhì) 滲透系數(shù) 關(guān)系 相關(guān)分析

古宋河發(fā)源于民權(quán)縣黃河故道南測(cè)，流經(jīng)寧陵、商丘市梁園區(qū)、睢陽(yáng)區(qū)、在李口鄉(xiāng)大任樓村入大沙河，全長(zhǎng)73．2公里。流域面積412平方公里，是豫東平原區(qū)具有代表性的閘壩型河流，主要在睢陽(yáng)區(qū)老南關(guān)橋上游接納睢陽(yáng)區(qū)城市污水，是嚴(yán)重污染的典型河流之一。

豫東平原閘壩河流地表水與淺層地下水互補(bǔ)關(guān)系強(qiáng)，長(zhǎng)期處于重污染河流兩岸將有可能對(duì)淺層地下水造成污染，加上河道淤積，自凈能力低、多數(shù)河道已成為排污河道，河道的污染物在多孔介質(zhì)——土壤遷移擴(kuò)散，對(duì)沿河淺層地下水水質(zhì)造成一定程度的影響，故選擇古宋河及其濱河地帶沿河右岸200m范圍內(nèi)為研究對(duì)象，該區(qū)域遠(yuǎn)離其他水系，僅與古宋河水體關(guān)系密切，設(shè)置適當(dāng)觀測(cè)斷面，沿垂直于河流觀測(cè)斷面方向布設(shè)試驗(yàn)井，進(jìn)行試驗(yàn)，分析古宋河地表水與其沿岸淺層地下水的相關(guān)關(guān)系。

1 古宋河地表水與地下水污染相關(guān)分析

圖1 包公廟閘斷面氨氮濃度錯(cuò)位相關(guān)分析

從河流污染對(duì)地下水影響研究物理過(guò)程來(lái)看，在河水與地下水存在濃度差和水位差條件下，污染物通過(guò)土壤介質(zhì)在地下含水層中擴(kuò)散運(yùn)移，并沿程衰減。不斷變化的河道高濃度污染物是源，地下水污染物濃度沿程衰減是流，源和流之間必然相關(guān)，但是污染物在土壤含水層中運(yùn)移有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，如果簡(jiǎn)單地以同一個(gè)時(shí)間河水與某一處地下水污染物濃度資料系列做相關(guān)分析，就沒(méi)有把污染物運(yùn)移時(shí)間過(guò)程考慮進(jìn)去，這樣則不符合實(shí)際。為解決這一問(wèn)題，本項(xiàng)研究采取漸進(jìn)錯(cuò)位相關(guān)分析法，在古宋河濱河地帶選擇二個(gè)斷面:一號(hào)斷面位于老南關(guān)橋址處、二號(hào)斷面位于包公廟閘上游50m處，選擇氨氮和高錳酸鹽指數(shù)兩個(gè)項(xiàng)目分析地表水水質(zhì)與地下水水質(zhì)之間的關(guān)系，并選取地下水26組水質(zhì)資料按時(shí)間順序水平對(duì)齊排列，由河水第一次測(cè)得的資料對(duì)地下水第一次測(cè)得的資料得出第一個(gè)序列相關(guān)系數(shù)；舍去地下水第一次監(jiān)測(cè)資料和河水最后一次監(jiān)測(cè)資料，由河水第一次監(jiān)測(cè)資料對(duì)地下水第二次監(jiān)測(cè)資料得出第二個(gè)序列相關(guān)系數(shù)；依次舍去地下水資料序列前諸次，刪除河水資料序列后諸次，取中間序列不少于五組資料做相關(guān)分析，得出一組系列相關(guān)系數(shù)值，并從中選取最大的一個(gè)相關(guān)系數(shù)值作為河水與地下水相關(guān)關(guān)系，而最大相關(guān)系數(shù)所處的時(shí)段可認(rèn)為是河水與某處地下水地段污染物傳播時(shí)間。河水與地下水中氨氮濃度相關(guān)關(guān)系，這樣分析河水對(duì)地下水影響程度和范圍比較符合實(shí)際。第一斷面老南關(guān)、第二斷面包公廟閘河水氨氮傳播到第一口井的時(shí)間分別為:126天、77天，如圖1所示。圖2為河水與地下水高錳酸鹽指數(shù)相關(guān)關(guān)系，第一斷面老南關(guān)、第二斷面包公廟閘河水中高錳酸鹽指數(shù)傳播到第一口井的時(shí)間分別為:105天、70天。

圖2 包公廟閘高錳酸鹽指數(shù)錯(cuò)位相關(guān)分析

圖3 河水位與地下水位平均值關(guān)系

表1 古宋河各試驗(yàn)斷面滲透系數(shù)平均值表

Section name ⅠSection name ⅡSection name ⅢSection name K(m/d) 0．0033 0．0037 0．0035 k (m/d) 0．0035

表2 古宋河地下水補(bǔ)排水量計(jì)算成果表

Table 2 Gusonghe River groundwater recharge and discharge calculation results table

2 古宋河河道水位與淺層地下水位的關(guān)系分析

河道水位與淺層地下水位的關(guān)系是河水與淺層地下水補(bǔ)給方向的必要條件，也是河流污染對(duì)地下水影響的重要因素。這里有三種情況:一是地下水位長(zhǎng)期以較大的水位差高于河道水位，在這種情況下地下水向河道排泄，河流污染不會(huì)影響地下水水質(zhì)；二是地下水位長(zhǎng)期以較大的水位差低于河道水位，這種情況出現(xiàn)在長(zhǎng)期淤積造成河床抬高而形成所謂地上懸河地區(qū)。這種情況下 河流補(bǔ)充地下水，河流污染最容易造成地下水質(zhì)變化；三是河道水位與地下水位差很小，這種情況下河流與地下水互為緩慢補(bǔ)給和排泄，河流污染物質(zhì)在土壤飽水層中做緩慢擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而影響地下水。因此，檢驗(yàn)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)河道水位與淺層地下水位的關(guān)系是研究河流污染對(duì)淺層地下水影響的前提條件。

在古宋河濱河地帶選擇老南關(guān)橋(一號(hào)斷面)、包公廟閘位于上游50m處(二號(hào)斷面)作為兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，測(cè)出兩斷面在2009年8月1日至2010年5月26日這段時(shí)間序列里河道水位與地下水位資料。從資料可以看出河道水位隨著降雨變化明顯，地下水位則比較穩(wěn)定。大部分時(shí)段河水位高于地下水位1．2m，最大水位差不超過(guò)2m。各斷面河道水位與地下水位平均值關(guān)系。如圖3。分析得出在大部分時(shí)段里二個(gè)斷面的河道水位以大于1m水位差高與地下水位。

3 河道地表水與地下水補(bǔ)排關(guān)系分析

當(dāng)河道水位低于或高于地下水位時(shí)，河道地表水與地下水之間存在如下補(bǔ)排關(guān)系:當(dāng)河道水位低于地下水位時(shí)，地下水將以滲流排泄的形式補(bǔ)給河水；當(dāng)河道水位高于地下水位時(shí)，河道地表水將側(cè)滲補(bǔ)給地下水，如果河道水位大大高于地下水位，河底地表水還將垂直下滲補(bǔ)給地下水。

按照古宋河沿岸地下水觀測(cè)井分布情況，分析確定地下水的流向，根據(jù)兩岸地下水水位、河水位及地下水參數(shù)等，計(jì)算地下水的補(bǔ)排量。

3.1 計(jì)算公式的選擇

由于觀測(cè)井深度不超過(guò)15m，未揭露承壓含水層，只涉及淺層潛水含水層，故河道對(duì)地下水的補(bǔ)排水量采用裘布衣公式[1]計(jì)算:

Q河排＝10-4qLtsinΦ

式中，Q河排——單側(cè)河道地下水排泄量(萬(wàn)m3)；

q——單側(cè)河道垂直于地下水流向的單寬流量(m3/d·m)；

K——含水層滲透系數(shù)(m/d)；

h——地下水排入河道處含水層厚度(m)；

H——觀測(cè)孔含水層厚度(m)；

b——觀測(cè)孔至河道之間的距離(m)；

Φ——地下水流向與河道之間的夾角；

L——計(jì)算河段長(zhǎng)度(m)；

t——計(jì)算時(shí)間(d)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法測(cè)定河道底泥的滲透系數(shù)[2]

滲透系數(shù)K是綜合反映介質(zhì)滲透能力的一個(gè)指標(biāo)，其數(shù)值的正確確定對(duì)滲透計(jì)算有著非常重要的意義。影響滲透系數(shù)大小的主要因素為介質(zhì)顆粒的形狀、大小、排列方式和流體的粘滯性等，要建立計(jì)算滲透系數(shù)K的精確理論公式比較困難，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法測(cè)定河道底泥的滲透系數(shù)，選取3個(gè)斷面，其中老南關(guān)斷面命名為Ⅰ斷面，包公廟閘斷面為Ⅲ斷面，在此兩端面的大致中間位置選?、驍嗝妗y(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

測(cè)定結(jié)果顯示三個(gè)斷面的滲透系數(shù)都非常小，且相差甚微，平均值為0．0035m/d。該區(qū)淺層土樣為極細(xì)砂和粉土的混合物，其滲透系數(shù)也非常小。按照達(dá)西定律Q=KAI，當(dāng)滲透系數(shù)k非常小時(shí)，河流對(duì)地下水的補(bǔ)給也是非常小的。地下水流向與河道之間的夾角(Φ)采用年均地下水流向與河道之間的夾角，約為40～50°。

3.3 計(jì)算結(jié)果

由于古宋河上的包公廟閘常年關(guān)閉，遇有上游來(lái)水時(shí)從上游小分水閘分水，河道水位較高，河水位常年高于地下水水位。因此河水常年補(bǔ)給地下水。根據(jù)2009年8月1日至2010年5月26日的河水位、地下水水位及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的滲透系數(shù)進(jìn)行計(jì)算結(jié)果如見(jiàn)表2。

由計(jì)算結(jié)果知:古宋河常年不開(kāi)閘，河道水體不流動(dòng)有些污染物常年附著在河床上，致使河床下滲能力較弱，右岸河水平均每天補(bǔ)給地下水3m3/d。由于污染物的轉(zhuǎn)移必須依附于水的運(yùn)移，當(dāng)河流對(duì)地下水的補(bǔ)給非常小時(shí)，所能從河水中遷移至地下水的污染物質(zhì)也是非常少的，河流污染對(duì)地下水影響主要靠污染物在土壤飽和水中的分子擴(kuò)散和土壤的吸附作用而沿程衰減。因此，可以說(shuō)古宋河地表水污染對(duì)地下水的影響很小。

表3 地表水與地下水各元素回歸分析成果匯總表

Table 3 of surface water and groundwater elements regression analysis results summary

4 古宋河地表水與地下水回歸分析

線性回歸分析用了MATLAB軟件編程[3]進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，回歸方程:

Y=B*X1+C*X2+A

式中:Y——地下水相關(guān)濃度值；

X1——實(shí)測(cè)的地表水相關(guān)濃度值；

X2——測(cè)點(diǎn)距水面的水平距離，變化范圍(0-110m)。

斷面I為老南關(guān)斷面；

斷面II為紅旗二閘斷面。

根據(jù)2009年8月12日至2010年6月28日數(shù)據(jù)運(yùn)用MATLAB軟件編程，依據(jù)(1)復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為回歸平方和(SSR)除以殘差平方和(SST)的值，其值度量線性回歸模型與樣本觀察值的擬合優(yōu)度，其值越接近1，線性回歸模型與樣本觀察值擬合優(yōu)度越好。(2)顯著性概論P(yáng)越接近于0，線性回歸模型與樣本觀察值相關(guān)性差，根據(jù)上述原則進(jìn)行線性回歸分析，回歸分析結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)以上R2、P進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)地表水與地下水之間建立的線性回歸模型擬合優(yōu)度一般，R2的值80%都低于0．5，說(shuō)明地表水與地下水之間水質(zhì)關(guān)系存在著很弱的相關(guān)性。

5 殘差分析

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，選取氯化物作為相關(guān)分析示例，進(jìn)行時(shí)間性相關(guān)性分析，結(jié)果如下:

氯化物的時(shí)間性相關(guān)性分析

CI與距離的相關(guān)性分析

CI與地表水質(zhì)的相關(guān)性分析

CI與時(shí)間的相關(guān)性分析

以殘差為縱坐標(biāo)，以任何其他指定的量為橫坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖。當(dāng)描繪的點(diǎn)圍繞殘差等于0的直線附近上下隨機(jī)散布，說(shuō)明回歸直線對(duì)原觀測(cè)值的擬合情況良好。否則，說(shuō)明回歸直線對(duì)原觀測(cè)值的擬合不理想。根據(jù)實(shí)測(cè)值與回歸估計(jì)值做出殘差。從“殘差圖”可以直觀地看出殘差的絕對(duì)數(shù)值都比較大，所描繪的點(diǎn)都在以0為橫軸的直線上下隨機(jī)散布，變化幅度較大，回歸直線對(duì)各個(gè)觀測(cè)值的擬合情況較差。說(shuō)明地表水與地下水之間的線性相關(guān)關(guān)系不明顯。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)實(shí)測(cè)的K平均值為0．0035m/d，可知在該實(shí)測(cè)區(qū)域滲透系數(shù)很小，根據(jù)K值推算，從古宋河地表水滲透到側(cè)岸1年能有1．278米遠(yuǎn)，100年才能滲到127．8米，因此2個(gè)斷面的100米、102米斷面的地下水水質(zhì)值基本與地表水無(wú)關(guān)。(2)由于古宋河常年不開(kāi)閘，河道水體不流動(dòng)，有些污染物常年附著在河床上，致使河床形成了一種保護(hù)膜，右岸河水平均每天補(bǔ)給地下水3m3/d。由于污染物的轉(zhuǎn)移必須依附于水的運(yùn)移，當(dāng)河流對(duì)地下水的補(bǔ)給非常小時(shí)，所能從河水中遷移至地下水的污染物質(zhì)也非常少，河流污染對(duì)地下水影響主要靠污染物在土壤飽和水中的分子擴(kuò)散和土壤的吸附作用而沿程衰減。因此古宋河地表水污染對(duì)地下水的影響很小。(3)考慮到地表水入滲成為地下水有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，K值又小，因此監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沒(méi)有考慮時(shí)滯性，可能會(huì)為線性分析帶來(lái)誤差。(4)選取氯化物做與距離、地表水監(jiān)測(cè)值和時(shí)間的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)地下水的氯化物值與測(cè)井距離相關(guān)性最大，與時(shí)間和地表水的監(jiān)測(cè)值相關(guān)性很小，地下水的氯化物值是一個(gè)隨著井距增大而增大的遞增值。(5)通過(guò)這6個(gè)元素的回歸方程，發(fā)現(xiàn)地表水與地下水的相關(guān)性很差，地下水的監(jiān)測(cè)值都是在一個(gè)定值附近變化，而與地表水的監(jiān)測(cè)值和井距關(guān)系不大。

[1] 劉兆昌,李廣賀.供水水文地質(zhì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011年8月,85-95.

[2] 陳崇希,林敏.地下水動(dòng)力學(xué)[M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2009年8月,7-15.

[3] 朱旭籍,萬(wàn)新.MATLAB軟件與基礎(chǔ)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].西安交通大學(xué)出版社,2008年.

According to the Gusonghe River along the river two monitoring sections of groundwater pollution concentration data, adopt a gradual displacement correlation analysis, analysis of Gusonghe river surface water and groundwater pollution, the river water and ground water contamination spread the longer time; according to the water level observation data, analysis of river water level with more than 1m high water level and the underground water level difference through the in-situ permeability test data; determining the parameters of groundwater seepage, the Dupuit formula to calculate the river surface water and groundwater recharge and discharge relationship, the daily average of Right Bank of river recharge of groundwater 3m3, the river pollution of surface water to groundwater is very small; use MATLAB software for data analysis and processing, a regression equation is established; the chloride as correlation analysis, results showed that groundwater chloride maximum distance and correlation with logging, monitoring time and surface water correlation value is very small, the linear relationship between surface water and groundwater is not obvious.

gusonghe river；surface water and groundwater water quality；permeability coefficient；relationship；correlation analysis

鄭華山(1964—),男,河南省柘城縣人,高級(jí)工程師,本科,主要從事水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)和水資源保護(hù)方面的工作。