遼陽市城區(qū)地下水污染時空演化研究

陳 俊

(遼寧省撫順水文局，遼寧 撫順 113015)

遼陽市城區(qū)地下水污染時空演化研究

陳 俊

(遼寧省撫順水文局，遼寧 撫順 113015)

城市化發(fā)展對地下水溶質成分的變化會產生重要影響，導致地下水溶質的稀釋和運移能力大大降低,也會導致地下水中增加新的溶質。文章采用投影尋蹤地下水污染指數模型，對遼陽市城區(qū)地下水監(jiān)測井的歷史監(jiān)測數據進行分析，采用修正的局部多項式插值法，對當地歷史水源污染指數進行插值分析，最終得到該研究區(qū)的地下水污染時空演化圖。研究結果表明，遼陽市城區(qū)地下水污染指數較高，當地水污染在區(qū)域分布上呈現出輕—重—輕的階段性演變特征，由此證實了遼陽市城區(qū)地下水污染情況與人類社會生產實踐活動密切相關。

遼陽市；城區(qū)；地下水污染；時空演化；規(guī)律

隨著遼陽市經濟社會快速發(fā)展，城市化迅速推進，在一定程度改變了當地原有的地下水循環(huán)系統(tǒng)。因此，該城區(qū)地下水污染的時空演變規(guī)律已成為當地城區(qū)水資源管理及決策過程中需要重點注意的問題之一。通過對相關學者的研究資料進行總結梳理發(fā)現，在遼陽市城市化過程中，污染源分布情況及土地利用形態(tài)和污染物的排放等，與地下水實際類型和污染形態(tài)及污染物的排放密度等相關指標之間存在很大的關聯性。就國內而言，針對區(qū)域地下水污染情況進行研究的主要方法，一般分為內梅羅指數法以及綜合污染指數法和層析分析法、模糊綜合指數法、灰色聚類法等幾種[1]。但是，上述不同評價方法各自優(yōu)勢不同，盡管計算便捷，但未能有效對地下水污染指標的實際權重進行考慮分析。因此，在結果評價方面具有很強的主觀性?；诖?，文章著重采用投影尋蹤方法，對遼陽市城區(qū)地下水污染時空演化情況進行評價分析。由于這一分析評價方法能夠對不同污染源進行準確分類，且可簡單、直觀對不同指標權重進行計算分析，以此更為科學地展示了地下水污染時空演化的具體規(guī)律?；诖思夹g優(yōu)勢，這一評價方法被越來越多的學者應用到地下水水質評價中。

1 遼陽市城區(qū)區(qū)域概況

遼陽市城區(qū)位于遼寧省東部地區(qū)，是沈陽經濟區(qū)副中心城市，同時遼陽也是東北地區(qū)最早的城市之一。該地區(qū)的地理坐標為E122°35′-123°40′、N40°42′-41°36′。研究區(qū)實際占地面積為4743km2，遼陽市處于遼東低山丘陵與遼河平原的過渡區(qū)域。因此，地貌類型較為齊全，且地勢由高到低層次較為規(guī)整。這一地區(qū)獨特的氣候條件以及地貌條件、地質條件等，決定了遼陽地區(qū)屬于東北少有的優(yōu)質水富成水地區(qū)。據相關資料統(tǒng)計結果顯示，遼陽市境內長達10km以上的河流大約有29條，而長度大約5km以上的河流約有86條。因此，發(fā)達的水資源系統(tǒng)組成了渾河以及太子河兩大主要的水生態(tài)系統(tǒng)。

結合上述相關地質資料情況及水域資源情況，文章在研究過程中，設置的監(jiān)測井井深為5.0-25.0m，單井涌水量為100-3000m3/d。該地區(qū)地下水主要補給水源為大氣降水及灌溉入滲補給水源和周邊基巖裂隙水側向補給，另外該地區(qū)地下水循環(huán)系統(tǒng)的運行受當地天氣及地質情況和人類活動等諸多因素影響[2]。

2 遼陽市城區(qū)地下水污染時空演化研究資料來源與方法

文章在研究過程中，重點選取了遼陽市從1980-2009年水文監(jiān)測站點歷年來的連續(xù)監(jiān)測數據進行分析，同時為了保證篩選的數據具有科學性，文章在數據分析前對相關采樣水質進行了陰陽離子平衡性分析，結合水質采樣數據，文章主要針對不同采樣水質展開CaCO3(總硬度)測試以及PH值測試和NH4+測試及SO42-測試、N02-測試、NO3-測試、F-測試、COD測試等九大影響遼陽市城區(qū)地下水水質的不同指標進行了測試。因此，采樣數據時間跨度長，能夠較為真實、客觀反映遼陽市城區(qū)地下水污染時空演化的具體規(guī)律。

在實際分析研究過程中，文章主要采用投影尋蹤地下水污染指數分析法，構建遼陽市城區(qū)地下水污染指數模型。這一分析模型又稱PP模型，這一方法的主要研究思路，是采用某種組合投影將采集的相關高緯數據投影到低維空間中，然后在此基礎上，通過投影指標函數，衡量投影暴露遼陽市城區(qū)地下水污染時空變化的可能性[3]。與此同時，找尋出使該投影指標函數達到最優(yōu)的投影方向向量，再結合該投影向量對遼陽市城區(qū)地下水污染時空演化情況進行分析，這一方法分析結果較為可靠[4]。因此，當前已在我國其它地區(qū)地下水污染分析過程中得到廣泛應用。

3 遼陽市城區(qū)地下水污染時空演化規(guī)律分析

文章在分析過程中，在上述篩選的九大不同指標中將按照5級標準閥值，將數據經過處理生成50個不同的標準水樣，然后按照以下方法流程，對遼陽市城區(qū)地下水污染時空演化特征情況進行分析：

1)首先通過計算分析得到50個不同標準水樣的單因子污染指數；

2)經過線性投影，得到唯一的投影值；

3)構建科學的投影指標函數，并對其進行求解運算。具體而言，可將遼陽市城區(qū)地下水污染時空演化情況轉化為以下函數優(yōu)化問題：

(1)

在上述函數關系式中：投影值z(i)的標準差為為Sz；投影值z(i)的局部密度為Dz；且在該函數優(yōu)化過程中，若t≥0,則其函數值為1；若t<0,則該函數值為0。

在此基礎上，可經過運算求得50個不同水樣指標具體的水污染指數Z(i)，在分析過程中從現行水樣檢查標準GB/T14848-93中選定一標準水樣，然后假定該標準水樣值為50個不同水樣指標相對應等級水質的上限閥值，通過計算得到該水樣所對應的污染指數為2.64，然后將其設為遼陽市城區(qū)地下水污染指數的標準線，然后對50個水樣指標進行一一計算。

當z(i)>2.64時，表明遼陽市城區(qū)地下水已經受到嚴重污染；

當z(i)<2.64時，表明遼陽市城區(qū)地下水處于安全線以上。

因此，通過對計算結果進行分析，如果z(i)參數值越大，表明遼陽市城區(qū)地下水污染情況越嚴重，水質越差。

在此基礎上，文章為了保證這一假設分析更具可行性和科學性，又采用修正局部多項式分區(qū)插值，對分析結果進行修正，同時為了通過從遼陽市城區(qū)地下水污染情況中找到時空演化具體規(guī)律，文章結合采樣的水污染指數值進行空間插值分析。文章考慮到不同地區(qū)人類社會實踐活動不同，因此地下水溶質濃度分布也會呈現出不穩(wěn)定的變化規(guī)律[5]。另外，遼陽市城區(qū)地質情況較為復雜，因此地下水污染時空演化會呈現出一種非連續(xù)性特征。故采用三階多項式作為插值函數，能夠進一步圈定遼陽市城區(qū)地下水污染時空分布區(qū)域，這一插值法具有很強的數據處理能力，尤其是當數據分布情況差異較大時，采用插值法能夠對數據分布變化情況進行更好地描述[6]。因此，針對遼陽市城區(qū)地下水污染時空演化變化規(guī)律較大的特征，如果不對其進行插值修正，會使局部區(qū)域污染源的時空變化差異更大。因此，會導致最終的數據分析結果存在較大的誤差。

對此，文章按照上述方法的具體分析思路，隨機選取1980年、1985年以及1988年和1992年、1997年、2002年和2006年及2009年一共8a內歷史數據的水污染指數進行插值計算，并以Z=2.64作為此次分析的標準參數值，以此得到遼陽市城區(qū)地下水污染時空演化圖，具體如圖1所示：

圖1 遼陽市城區(qū)地下水污染指數時空分布以及時空演化圖示

4 遼陽市城區(qū)地下水污染時空演化特征分析

從上述8a內不同歷史數據所反映的地下水污染時空變化規(guī)律特征圖來看，遼陽市城區(qū)總體已經受到不同程度的污染[7]。從這一變化過程中可知，遼陽市隨著經濟社會快速發(fā)展，工業(yè)化和城市化也在迅速推進。因此，大部分區(qū)域的地下水污染指數都超過了2.64這一閥值，故地下水污染指數偏高。究其原因，主要由于遼陽市地下水在天然離子富集基礎上，又疊加了生活以及農業(yè)及工業(yè)化等相關污染[8]。因此，最終導致遼陽市地下水污染時空分布變化不均衡。另外，從上述圖示變化中可以看出，遼陽市城區(qū)地下水污染時空變化特征具有“輕—重—輕”的變化規(guī)律，這一時空演變規(guī)律也在一定程度上反映了遼陽市當前經濟社會發(fā)展逐漸經歷了“由粗放式發(fā)展”到“精細化發(fā)展”的變化轉型過程。尤其是1980-1997年早先這段時期內，遼陽市城區(qū)地下水污染指數遠遠超過2.64。因此，按照標準等級劃分，這一地區(qū)屬于重污染區(qū)域，主要由于這段時期內，遼陽市一直在大力發(fā)展工業(yè)生產，因此局部地區(qū)分布有多個大型的化工廠以及熱電廠，大量的粉煤堆積以及污染物排放，使遼陽市城區(qū)地下水遭受嚴重污染；逐漸發(fā)展到2006年以及2009年，隨著國家環(huán)保政策的不斷出臺及區(qū)域間生態(tài)環(huán)境保護力度不斷加強，遼陽市城區(qū)地下水污染時空變化分布較為分散。因此，地下水污染程度有所減輕，主要位于東南地區(qū)以及西北部地區(qū)一帶；逐漸到了后期，遼陽市工業(yè)城區(qū)進行現代化改造，因此拆除了大量的工業(yè)廠房，城區(qū)人們的生活環(huán)境得到大大改善。因此，過去的滲坑以及滲井等被填埋，生活污染垃圾也得到及時清理，地下水污染程度逐漸減弱[9]。

5 結 語

綜上所述，文章重點基于投影尋蹤地下水污染指數模型，科學對遼陽市城區(qū)地下水污染實際情況進行了分析。在此過程中，文章為了提高數據分析的科學性與完整性，在上述分析評價基礎上，采用修正的局部多項式插值法有效解決了遼陽市城區(qū)地下水污染時空演化模擬過程中，地下水污染局布變異增大以及地下水污染非連續(xù)性等相關問題。研究結果表明，遼陽市城區(qū)地下水污染時空演化的具體規(guī)律與當地人們社會生實踐活動密切相關。從整個研究區(qū)的實際污染情況來看，遼陽市城區(qū)各個片區(qū)的地下水都在不同程度上受到了一定的污染，從具體污染情況來看，該研究區(qū)地下水污染指數普遍偏高。文章通過進一步研究發(fā)現，該研究區(qū)重污染區(qū)主要污染源為生活污染以及工業(yè)污染和農業(yè)污染三種類型，在具體的時空演化過程中，逐漸呈現出“輕—重—輕”的變化規(guī)律。

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[2]陸垂裕.基于水循環(huán)模擬的干旱半干旱地區(qū)地下水補給評價[J].水利學報,2014,45(06):701-711.

[3]鹿海員.基于水資源優(yōu)化配置的地下水可開采量研究[J].水利學報,2013,44(10):1182-1188.

[4]周志芳,鄭虎,莊超.論地下水資源的永久性消耗量[J].水利學報,2014,45(12):1458-1463.

[5]徐映雪.銀川平原地下水流模擬與地下水資源評價[J].水文地質工程地質,2015,42(03):7-12.

[6]李學森.凌河流域水資源現狀及保護措施[J].水土保持應用技術，2015(03)：36-37.

[7]裘江海.河岸景觀設計理念初探[J].水利規(guī)劃與設計,2004(03):26-28.

[8]高素麗.遼河流域河道生態(tài)工程建設方案[J].水土保持應用技術，2011(06)：35-38.

[9]李學森.凌河流域水資源現狀及保護措施[J].水土保持應用技術，2015(03)：36-37.

Temporal and Spatial Evolution of Groundwater Pollution in Urban Area of Liaoyang City

CHEN Jun

(Fushun Hydrology Bureau，Fushun 113015，China)

Urban development of groundwater and solute change will not only pose a threat to groundwater circulation system of the original，but also change the original landform in the region，especially in the process of the city，due to a large number of human production and life practice. Therefore，the dilution and migration ability of groundwater solute is greatly reduced. In this process，the development of urbanization will increase new solutes to underground water. Based on this，this paper will use the index of groundwater pollution projection pursuit model，and the historical data of Liaoyang city from 1980 to 2105 groundwater monitoring wells were analyzed. In the process of analysis,the groundwater pollution in the study area is characterized by non continuity. Therefore，this paper uses the modified local polynomial interpolation method to analyze the local historical water pollution index，and finally get the spatial and temporal evolution of groundwater pollution in the study area. The results further show that the groundwater in Liaoyang city has been polluted by different degrees.Therefore，the water pollution index is higher，in addition，by means of groundwater pollution situation evolution analysis，found that the local water pollution distribution in the region showing the evolution characteristics of stage light heavy light，which confirmed the Liaoyang city groundwater pollution and human social practice activities are closely related.

Liaoyang city; urban area; groundwater pollution; temporal and spatial evolution; law

1007-7596(2016)12-0017-03

2016-11-21

陳俊(1981-)，男，江蘇泰縣人，工程師，研究方向為水文與水資源管理與水資源評價等。

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