上海市域地下水環(huán)境氯離子含量的時空演化特征研究

王玉強

1.東華大學環(huán)境科學與工程學院,上海201620

2.華東政法大學基建處,上海201620

上海市域地下水環(huán)境氯離子含量的時空演化特征研究

王玉強1,2

1.東華大學環(huán)境科學與工程學院,上海201620

2.華東政法大學基建處,上海201620

鑒于氯離子在地下水中的分布很廣，因此，探究地下水環(huán)境氯離子含量時空動態(tài)演化規(guī)律具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，上海市地下水環(huán)境Cl-含量年際演化幅度比較大，且呈現(xiàn)規(guī)律性的二次曲線或三次曲線，各個含水層之間的變化呈顯著性差異。從其垂直方向分布看，氯離子平均含量由高到低依次為第二承壓含水層，第五承壓含水層，潛水含水層，第四承壓含水層和第三承壓含水層。

上海市;地下水環(huán)境;氯離子含量;時空動態(tài)演化

關于區(qū)域地下水環(huán)境演化規(guī)律的研究近年來逐漸成為水環(huán)境學科、水文地質學科和水文水資源學科研究的重點方向之一。在地下水環(huán)境中，氯離子分布很廣，含量從數(shù)毫克/升至數(shù)百克/升不等，是地下水中最穩(wěn)定的離子。同時因氯離子含量隨著礦化度變大而不斷增加，常被用來表征地下水的礦化程度，進而沿海地區(qū)地下水的氯離子含量亦被作為判斷海水入侵程度的指標之一。鑒于此，在沿海城市規(guī)劃中，有必要加強對地下水環(huán)境氯離子含量時空動態(tài)演化規(guī)律的探究。

綜觀相關文獻，薛禹群等[1]，寧淑清等[2]，姜嘉禮[3]，崔娜等[4]，以及郭占榮等[5]分別研究了沿海地區(qū)地下水中氯離子與海水入侵的關系，與地下水硬度指標的關系。王曉娟[6]，姜凌[7]，李貴娟[8]，馮娟[9]，以及魏征[10]等人分別較為系統(tǒng)地探討了銀川平原、內蒙古阿拉善腰壩綠洲、定邊縣周臺子地區(qū)、德州地區(qū)、新疆沙南水源地等國內不同地區(qū)地下水水化學成分（包括氯離子）的時空變異特征與演變規(guī)律。國際上Varol等[11]，Bajjali等[12]對不同國家的地下水過度開采及水質情況進行了研究。然而，關于上海地區(qū)的地下水環(huán)境方面的研究卻很少，尤其是關于地下水氯離子時空演化規(guī)律方面的探究更為罕見。因此，本文運用翔實的數(shù)據，嘗試對上海地區(qū)地下水環(huán)境氯離子在空間和時間尺度上的演化過程與趨勢進行探究，以揭示地下水水質演化情況，為合理開采地下水、改善地下水環(huán)境質量提供一定數(shù)據支持。

1 研究區(qū)基本概況

上海市地處東經120°52′至122°12′，北緯30°40′至31°53′之間，北界長江，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇和浙江兩省。在6340.5 km2的轄區(qū)總面積中，陸地面積6218.65 km2，長江口水域面積1107 km2，灘涂面積376 km2，海岸線長448.66 km。習慣上，將上海地下水劃分為一個潛水或微承壓含水層，五個承壓含水層（自上向下依次為Ⅰ-Ⅴ含水層），六個隔水層（滯水層）。

2 研究數(shù)據來源

本次研究數(shù)據主要為上海市潛水含水層及第Ⅱ～Ⅴ承壓含水層2001～2013年地下水總礦化度的原始數(shù)據，源于上海市規(guī)劃和土地資源管理局發(fā)布的《上海市2001年～2013年地質環(huán)境狀況公報》[13]。所運用的數(shù)據分析處理工具為SPSS17.0軟件。

3 結果與分析

3.1 地下水環(huán)境Cl-含量描述統(tǒng)計分析

根據表1和表2中的相關分析結果，本區(qū)域各個含水層Cl-含量與時間相關分析結果均不具有顯著性（P＞0.05），線性相關程度也較低（r＜0.5），但只有潛水含水層呈現(xiàn)正相關趨勢，其余均呈現(xiàn)負相關趨勢。對于不具有線性相關的情況應進一步探討其非線性關系。

表1 上海市地下水環(huán)境Cl-含量描述統(tǒng)計量Table 1 Descriptive statistics of Chloride Ion content in the groundwater environment of Shanghai City

表2 上海市地下水環(huán)境Cl-含量與演化時間相關分析Table2 Analysis of the correlation between the content of Chloride Ion in the groundwater environment of Shanghai City and the evolutionary time

圖1 地下水環(huán)境Cl-含量演化趨勢圖Fig.1 Evolutionary trend of Chloride Ion content in the groundwater environment

3.2 地下水環(huán)境Cl-含量的時間演化趨勢分析

3.2.1 潛水含水層Cl-含量時間演化曲線擬合模型構建

表3 潛水含水層Cl-含量演化模型匯總和參數(shù)估計值Table 3 Evolutionary model summary and parameter estimation of Chloride Ion content in the phreatic aquifer

圖2 潛水含水層Cl-含量演化趨勢圖Fig.2 Evolutionary trend of Chloride Ion content in the phreatic aquifer

根據圖2可知，潛水含水層Cl-含量與時間序列呈倒“U”型非線性二次曲線關系。根據表3可知，潛水含水層Cl-含量與演化時間序列變量的數(shù)學模型如下：

回歸模型構建：y=b0+b1t+b2t2

擬合曲線模型：y＝54.602＋11.87t-0.525t2

（公式中，y-潛水含水層Cl-含量；t-演化時間序列）

經F檢驗，該模型顯著性水平偏低（P=0.122），可以解釋34.4%的變異因素（R2＝0.344），還有66%左右的變異無法解釋。

3.2.2 第二承壓含水層Cl-含量時間演化曲線擬合模型構建

表4 第二承壓含水層Cl-含量演化模型匯總和參數(shù)估計值Table 4 Evolutionary model summary and parameter estimation of Chloride Ion content in the 2ndconfined aquifer

圖3 第二承壓含水層Cl-含量演化趨勢圖Fig.3 Evolutionary trend of Chloride Ion content in the 2ndconfined aquifer

根據圖3可知，第二承壓含水層Cl-含量與時間序列呈非線性三次曲線關系。根據表4可知，第二承壓含水層Cl-含量與演化時間序列變量的數(shù)學模型如下：

回歸模型構建：y=b0+b1t+b2t2+b3t3

擬合曲線模型：y＝1993.269-541.514t＋48.808t2-1.343t3

（公式中，y-第二承壓含水層Cl-含量；t-演化時間序列）

經F檢驗，該模型比較顯著（P＜0.05），可以解釋64.3%的變異因素（R2＝0.643），還有42%左右的變異無法解釋。

3.2.3 第三承壓含水層Cl-含量時間演化曲線擬合模型構建

表5 第三承壓含水層Cl-含量演化模型匯總和參數(shù)估計值Table 5 Evolutionary model summary and parameter estimation of Chloride Ion content in the 3rdconfined aquifer

圖4 第三承壓含水層Cl-含量演化趨勢圖Fig.4 Evolutionary trend of Chloride Ion content in the 3rdconfined aquifer

根據圖4可知，第三承壓含水層Cl-含量與時間序列呈非線性三次曲線關系。根據表5可知，第三承壓含水層Cl-含量與演化時間序列變量的數(shù)學模型如下：

回歸模型構建：y=b0+b1t+b2t2+b3t3

擬合曲線模型：y＝309.074-57.309t＋4.231t2-0.092t3

（公式中，y-第三承壓含水層Cl-含量；t-演化時間序列）

經F檢驗，該模型比較顯著（P＜0.05），可以解釋68.6%的變異因素（R2＝0.686），還有33%左右的變異無法解釋。

3.2.4 第四承壓含水層Cl-含量時間演化曲線擬合模型構建

表6 第四承壓含水層Cl-含量演化模型匯總和參數(shù)估計值Table 6 Evolutionary model summary and parameter estimation of Chloride Ion content in the 4thconfined aquifer

圖5 第四承壓含水層Cl-含量演化趨勢圖Fig.5 Evolutionary trend of Chloride Ion content in the 4thconfined aquifer

根據圖5可知，第四承壓含水層Cl-含量與時間序列呈“U”型非線性二次曲線關系。根據表6可知，第四承壓含水層Cl-含量與演化時間序列變量的數(shù)學模型如下：

回歸模型構建：y=b0+b1t+b2t2

擬合曲線模型：y＝183.265-16.549t＋0.765t2

（公式中，y-第四承壓含水層Cl-含量；t-演化時間序列）

經F檢驗，該模型顯著性水平很低（P＞0.05），只可以解釋6.5%的變異因素（R2＝0.065），還有94%左右的變異無法解釋。

3.2.5 第五承壓含水層Cl-含量時間演化曲線擬合模型構建

表7 第五承壓含水層Cl-含量演化模型匯總和參數(shù)估計值Table 7 Evolutionary model summary and parameter estimation of Chloride Ion content in the 5thconfined aquifer

圖6 第五承壓含水層Cl-含量演化趨勢圖Fig.6 Evolutionary trend of Chloride Ion content in the 5thconfined aquifer

根據圖6可知，第五承壓含水層Cl-含量與時間序列呈“U”型非線性二次曲線關系。根據表7可知，第五承壓含水層Cl-含量與演化時間序列變量的數(shù)學模型如下：

回歸模型構建：y=b0+b1t+b2t2

擬合曲線模型：y＝383.853-40.865t＋1.785t2

（公式中，y-第五承壓含水層Cl-含量；t-演化時間序列）

經F檢驗，該模型比較顯著（P＜0.05），可以解釋47.1%的變異因素（R2＝0.471），還有53%左右的變異無法解釋。

3.3 地下水環(huán)境Cl-含量的空間分布規(guī)律研究

上海市地下水各承壓含水層地下水Cl-垂直方向分帶分布情況詳見表8的描述統(tǒng)計分析和圖7的空間分布圖。

表8 上海市地下水環(huán)境Cl-含量的空間分布描述統(tǒng)計量Table8 Descriptive statistics of the spatial distribution of Chloride Ion content in the groundwater environment of Shanghai City

圖7 上海市地下水環(huán)境Cl-含量的空間分布Fig.7 Spatial distribution of Chloride Ion content in the groundwater environment of Shanghai City

4 結論

通過以上分析，可以得出以下結論：

（1）總體上看，上海市地下水環(huán)境Cl-含量年際演化的幅度比較大，呈現(xiàn)頗有規(guī)律性的二次曲線或三次曲線，且各含水層之間的變化規(guī)律有較顯著的差異，如潛水含水層和第四、第五承壓含水層的變化幅度相對較小。第二、第三承壓含水層的變化幅度較大。第二和第三承壓含水層Cl-含量與時間序列均呈復雜的非線性三次曲線關系；第五承壓含水層Cl-含量與時間序列呈“U”型非線性二次曲線關系，上述模型均比較顯著（P＜0.05）。其余含水層模型顯著性水平均較低（P＞0.05），統(tǒng)計學意義不明顯。由于Cl-可能來自海水或工農業(yè)廢水、生活污水，上述研究結果說明上海區(qū)域地下水環(huán)境同時受到海水入侵影響和人類活動干擾影響，而上述變化幅度波動也主要受海水入侵和人類活動干擾的交互影響作用。筆者分析，人類活動干擾的主要因素極有可能是地下水開采和人工回灌，這兩種方式均會將工農業(yè)中的含有Cl-的廢水帶入地下含水層中。

（2）從垂直方向分布角度來看，上海市地下水環(huán)境Cl-平均含量最高的是第二承壓含水層，其次是第五承壓含水層，再次是潛水含水層，此后是第四承壓含水層；最低的是第三承壓含水層，其含量平均值約占含量最高值的1/3。氯離子（Cl-）含量僅次于重碳酸根離子（HCO3-）含量且高出其它陰離子含量，這說明上海市地下水在一定程度上已經被海水入侵或者受到工農業(yè)廢水等人類活動因素破壞，其自然平衡狀態(tài)在一定程度上被打破。

（3）從環(huán)境規(guī)劃角度而言，有必要結合以上研究結果，針對上海市地下水環(huán)境受到海水入侵、工農業(yè)廢水影響的問題，制定相應政策與措施，嚴格地下水管理，以避免地下水中氯離子含量超過一定閾值，不僅影響水質量，也會導致建筑物和構筑物地下基礎部分鋼筋氧化膜受到破壞，產生腐蝕作用，影響城市生活安全。

[1]薛禹群,謝春紅,吳吉春.海水入侵研究[J].水文地質工程地質,1992,19(6):29-33

[2]寧淑清,王忠恕.金州沿海地區(qū)地下水硬度與氯離子相關關系探討[J].遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技,1998(5):49-51

[3]姜嘉禮.葫蘆島市濱海地區(qū)海水入侵研究[J].水文,2002,22(2):27-31

[4]崔娜,劉曉黎.對金州沿海地區(qū)地下水中氯離子與硬度相關關系的研究[J].環(huán)境科學與技術,2004(1):42-43

[5]郭占榮,黃奕普,蔡明剛,等.廈門島地下水中營養(yǎng)鹽含量及氯含量指標的確定[J].勘察科學技術,2004(3):47-50

[6]王曉娟.銀川平原地下水化學成分演化規(guī)律及其形成機制研究[D].西安:長安大學,2005

[7]姜凌.干旱區(qū)綠洲地下水水化學成分形成及演化機制研究[D].西安:長安大學,2009

[8]李貴娟.定邊縣周臺子地區(qū)地下水水化學演化規(guī)律研究[D].西安:西北大學,2010

[9]馮娟.開采條件下德州地區(qū)地下水水質演化研究[D].青島:中國海洋大學,2011

[10]魏征.沙南水源地地下水水位水質演化規(guī)律研究[D].烏魯木齊:新疆農業(yè)大學,2011

[11]Simge V,Davraz A.Evaluation of the groundwater quality with WQI(Water Quality Index)and multivariate analysis:a case study of the Tefenni plain(Burdur/Turkey).Environmental Earth Sciences,2015(4):1725-1744

[12]William B,Al-Hadidi K,Ismail Ma’mmon.Water quality and geochemistry evaluation of groundwater upstream and downstream of the Khirbet Al-Samra wastewater treatment plant/Jordan.Applied Water Science,2015(1):1-17

[13]上海市規(guī)劃和國土資源管理局.上海市2001～2013年地質環(huán)境狀況公報[EB/OL].(2015-2-23)[2015-10-26].http://www.shgtj.gov.cn/dzkc/

Study on the Temporal and Spatial Evolution Characteristics of Chloride Ion Content in the Groundwater Environment of Shanghai City

WANG Yu-qiang1,2
1.College of Environmental Science and Engineering/Donghua University,Shanghai201620,China
2.Infrastructure Department/East China University of Political Science and Law,Shanghai201620,China

There is a wide distribution of Chloride Ion in groundwater,so it is of great significance to probe into the temporal and spatial dynamic evolution of Chloride content in groundwater environment.The results showed there existed a relevantly great change in the annual content of Chloride Ion in the groundwater of Shanghai City,presenting a regular quadric curve or cubic curve.Furthermore,the change in each aquifer presented a significant difference.From the perspective of its vertical distribution,the average content of Chloride Ion from height to lowness in turn was the second confined aquifer,the fifth confined aquifer,the unconfined aquifer,the fourth and the third confined aquifer.

Shanghai City;groundwater environment;Chloride Ion content;temporal and spatial dynamic evolution

X523

:A

:1000-2324(2015)06-0892-06

2014-12-23

:2015-01-10

上海市重點學科建設項目(B604)

王玉強(1971-),男,博士,高級工程師,主要從事環(huán)境規(guī)劃和工程經濟管理與研究工作.E-mail:1375044408@qq.com