上海市地下水的礦化度時(shí)空演化規(guī)律研究

王玉強(qiáng)，柳建設(shè)1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海2016202.華東政法大學(xué)基建處，上海201620

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上海市地下水的礦化度時(shí)空演化規(guī)律研究

王玉強(qiáng)1，2，柳建設(shè)1*
1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620
2.華東政法大學(xué)基建處，上海201620

摘要：本文采用SPSS17.0軟件分析了2001～2013年上海市地下水的礦化度，探討了潛水層及第Ⅱ～Ⅴ承壓含水層的礦化度時(shí)間演化趨勢(shì)和垂直分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：從時(shí)間演化總體趨勢(shì)來看，潛水含水層、第二承壓含水層和第四承壓含水層的礦化度呈增加趨勢(shì)，表明水質(zhì)趨向鹽化和惡化；其余各含水層礦化度呈降低趨勢(shì)，表明水質(zhì)趨向良性。從垂直方向分布情況來看，潛水含水層和第二、第五承壓含水層的礦化度高于其他含水層，同時(shí)第二承壓含水層的礦化度變化幅度顯著。

關(guān)鍵詞：上海市；地下水礦化度；時(shí)空演化；垂直分布

在現(xiàn)代城市的飛速發(fā)展過程中，城市建設(shè)對(duì)地下水的需求越來越大，而過量開采地下水、污染環(huán)境等人類活動(dòng)干擾和破壞了地下水環(huán)境原有的天然平衡狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致地下水質(zhì)不斷惡化、地下水環(huán)境污染愈益嚴(yán)重。業(yè)內(nèi)學(xué)者對(duì)水環(huán)境污染問題從不同層面進(jìn)行研究。其中，地下水礦化度問題對(duì)土壤鹽漬化格局有著直接影響，相關(guān)研究也較多。如王欣寶等[1]，蘇里坦等[2]，王水獻(xiàn)等[3]，馬興旺等[4]，孫月等[5]，胡濤等[6]以及呂曉立等[7]分別對(duì)河北地區(qū)、新疆三工河流域、開孔河流域、民勤、石羊河流域以及山東省武城縣、蘭州市地下水礦化度的時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究，并針對(duì)以上區(qū)域的地下水礦化度問題提出對(duì)策。通過相關(guān)文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，尚未有對(duì)上海地區(qū)地下水礦化度問題的專題研究，這與上海的經(jīng)濟(jì)龍頭地位不相適應(yīng)。因此，本文擬借助翔實(shí)的數(shù)據(jù)，對(duì)上海經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期（2001～2013）地下水礦化度的時(shí)間演化趨勢(shì)和垂直方向分帶分布規(guī)律進(jìn)行研究，以便為合理開發(fā)利用地下水資源提供一定思路和支撐。

1　研究區(qū)概況

上海市地處東經(jīng)120°52′至122°12′，北緯30°40′至31°53′之間，位于太平洋西岸，亞洲大陸東沿，中國(guó)南北海岸中心點(diǎn)，長(zhǎng)江和黃浦江入海匯合處。北界長(zhǎng)江，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇和浙江兩省。上海市現(xiàn)轄區(qū)總面積為6340.5 km2，其中陸地面積6218.65 km2，長(zhǎng)江口水域面積1107 km2，灘涂面積376 km2，海岸線長(zhǎng)448.66 km。上海地下水賦存條件和分布規(guī)律受控于區(qū)域地貌、地層巖性及厚度。習(xí)慣上，將地下水劃分為一個(gè)潛水或微承壓含水層，五個(gè)承壓含水層（自上向下依次為Ⅰ-Ⅴ含水層），六個(gè)隔水層（滯水層）。

2　研究數(shù)據(jù)來源

本次研究所用的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(jù)，均來自上海市規(guī)劃和土地資源管理局發(fā)布的2001～2013年《上海市地質(zhì)環(huán)境狀況公報(bào)》[8]。相關(guān)數(shù)據(jù)還包括上海市環(huán)境保護(hù)局發(fā)布的2000～2013年《上海市水環(huán)境保護(hù)情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)》[9]、上海市水務(wù)局發(fā)布的1998～2013年《上海市水資源公報(bào)》[10]。數(shù)據(jù)分析處理工具為SPSS17.0軟件。

3　結(jié)果與分析

3.1地下水礦化度的時(shí)間演化趨勢(shì)分析

3.1.1潛水含水層礦化度的時(shí)間演化趨勢(shì)根據(jù)圖1可知，潛水含水層礦化度與時(shí)間序列呈非線性三次曲線關(guān)系。根據(jù)表1可知，潛水含水層礦化度與演化時(shí)間序列變量的數(shù)學(xué)模型如下：

回歸模型構(gòu)建：y＝b0＋b1t＋b2t2＋b3t3

擬合曲線模型：y＝74.814＋212.325t-20.889t2＋0.638t3

（公式中，y——潛水含水層礦化度；t——演化時(shí)間序列）

經(jīng)F檢驗(yàn)，該模型具有一定的顯著性水平（P＝0.059），可以解釋54.5%的變異因素（R2＝0.545），還有45%左右的變異無法解釋。

表1　潛水含水層礦化度演化模型匯總和參數(shù)估計(jì)值Table 1 Summary of evolutionary models of the salinity in the unconfined aquifer and parameter estimation

圖1　潛水含水層礦化度時(shí)間演化趨勢(shì)圖（mg/L）Fig.1　The trend of spatial-temporal evolution of salinity in the unconfined aquifer（mg/L）

3.1.2第二承壓含水層礦化度的時(shí)間演化趨勢(shì)根據(jù)圖2可知，第二承壓含水層礦化度與時(shí)間序列呈“U”型非線性二次曲線關(guān)系。根據(jù)表2可知，第二承壓含水層礦化度與演化時(shí)間序列變量的數(shù)學(xué)模型如下：

回歸模型構(gòu)建：y＝b0＋b1t＋b2t2

擬合曲線模型：y＝1737.697-240.269t＋11.827t2

（公式中，y—第二承壓含水層礦化度；t—演化時(shí)間序列）

經(jīng)F檢驗(yàn)，該模型顯著性水平較高（P＜0.05），具有理想的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；可以解釋48.2%的變異因素（R2＝0.482），還有52%左右的變異無法解釋。

表2　第二承壓含水層礦化度演化模型匯總和參數(shù)估計(jì)值Table 2 Summary of evolutionary models of the salinity in the 2ndconfined aquifer and parameter estimation

圖2　第二承壓含水層礦化度時(shí)間演化趨勢(shì)圖（mg/L）Fig.2　The trend of spatial-temporal evolution of the salinity in the 2ndconfined aquifer（mg/L）

3.1.3第三承壓含水層礦化度的時(shí)間演化趨勢(shì)根據(jù)圖3可知，第三承壓含水層礦化度與時(shí)間序列呈非線性三次曲線關(guān)系。根據(jù)表3可知，第三承壓含水層礦化度與演化時(shí)間序列變量的數(shù)學(xué)模型如下：

回歸模型構(gòu)建：y＝b0＋b1t＋b2t2＋b3t3

擬合曲線模型：y＝1126.123-210.846t＋20.169t2-0.604t3

（公式中，y—第三承壓含水層礦化度；t—演化時(shí)間序列）

經(jīng)F檢驗(yàn)，該模型顯著性水平很高（P＝0.01），具有理想的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；可以解釋70.2%的變異因素（R2＝0.702），還有30%左右的變異無法解釋。

表3　第三承壓含水層礦化度演化模型匯總和參數(shù)估計(jì)值Table 3 Summary of evolutionary models of the salinity in the 3rdconfined aquifer and parameter estimation

圖3　第三承壓含水層礦化度時(shí)間演化趨勢(shì)圖（mg/L）Fig.3　The trend of spatial-temporal evolution of salinity in the 3rdconfined aquifer（mg/L）

3.1.4第四承壓含水層礦化度的時(shí)間演化趨勢(shì)根據(jù)圖4可知，第四承壓含水層礦化度與時(shí)間序列呈非線性三次曲線關(guān)系。根據(jù)表4可知，第四承壓含水層礦化度與演化時(shí)間序列變量的數(shù)學(xué)模型如下：

回歸模型構(gòu)建：y＝b0＋b1t＋b2t2＋b3t3

擬合曲線模型：y＝858.231-116.984t＋14.251t2-0.509t3

（公式中，y—第四承壓含水層礦化度；t—演化時(shí)間序列）

經(jīng)F檢驗(yàn)，該模型顯著性水平比較低（P＞0.05），統(tǒng)計(jì)學(xué)意義不明顯；可以解釋33%的變異因素（R2＝0.33），還有67%左右的變異無法解釋。

表4　第四承壓含水層礦化度演化模型匯總和參數(shù)估計(jì)值Table 4 Summary of evolutionary models of the salinity in the 4thconfined aquifer and parameter estimation

圖4　第四承壓含水層礦化度時(shí)間演化趨勢(shì)圖（mg/L）Fig.4　The trend of spatial-temporal evolution of salinity in the 4thconfined aquifer（mg/L）

3.1.5第五承壓含水層礦化度的時(shí)間演化趨勢(shì)根據(jù)圖5可知，第五承壓含水層礦化度與時(shí)間序列呈非線性三次曲線關(guān)系。根據(jù)表5可知，第五承壓含水層礦化度與演化時(shí)間序列變量的數(shù)學(xué)模型如下：

回歸模型構(gòu)建：y＝b0＋b1t＋b2t2＋b3t3

擬合曲線模型：y＝1337.797-196.493t＋18.656t2-0.598t3

（公式中，y—第五承壓含水層礦化度；t—演化時(shí)間序列）

經(jīng)F檢驗(yàn)，該模型顯著性水平較高（P＜0.05），具有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；并且可以解釋67.6%的變異因素（R2＝0.676），還有32%左右的變異無法解釋。

表5　第五承壓含水層礦化度演化模型匯總和參數(shù)估計(jì)值Table 5 Summary of evolutionary models of salinity in the 5thconfined aquifer and parameter estimation

圖5　第五承壓含水層礦化度時(shí)間演化趨勢(shì)圖（mg/L）Fig.5　The trend of spatial-temporal evolution of salinity in the 5thconfined aquifer（mg/L）

3.2地下水礦化度的空間分布分析

上海市地下水各承壓含水層地下水礦化度垂直方向分帶分布情況詳見表6和圖6。

表6　上海市各承壓含水層地下水礦化度空間分布描述統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics of the spatial distribution of the salinity in groundwater confined aquifers in Shanghai City

4　結(jié)論

以上研究結(jié)果表明，一方面，從時(shí)間演化總體趨勢(shì)來看，上海市潛水含水層、第二承壓含水層和第四承壓含水層的礦化度呈增加趨勢(shì)，表明水質(zhì)出現(xiàn)鹽化和惡化趨勢(shì)；其余各含水層礦化度呈降低趨勢(shì)，表明水質(zhì)趨向良性發(fā)展。具體來看，在上海市各個(gè)承壓含水層中，潛水含水層和第三、第五承壓含水層礦化度與時(shí)間序列呈復(fù)雜的非線性三次曲線關(guān)系，其中潛水含水層模型具有一定的顯著性水平（P＝0.059），第三、第五承壓含水層模型均比較顯著（P＜0.05）。第二承壓含水層礦化度與時(shí)間序列呈“U”型非線性二次曲線關(guān)系，模型顯著性水平較高（P＜0.05）。其余含水層模型顯著性水平均偏低（P＞0.05），統(tǒng)計(jì)學(xué)意義不明顯。另一方面，從垂直方向空間分布情況來看，上海市潛水含水層和第二、第五承壓含水層的地下水礦化度較高于其他幾個(gè)承壓含水層，同時(shí)第二承壓含水層的地下水礦化度變化幅度非常大。

筆者結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)與本研究結(jié)果，認(rèn)為上海市地下水礦化度分布出現(xiàn)以上時(shí)空變異規(guī)律的主要原因如下：一是由于對(duì)地下水超量開采，尤其是從早期的淺層含水層開采發(fā)展到現(xiàn)在的深層含水層開采；二是由于對(duì)地下含水層人工回灌，與開采量趨勢(shì)相同的是回灌量也從早期的淺層含水層回灌發(fā)展到現(xiàn)在的深層含水層回灌；三是由于海水入侵。上述原因中，尤其是前兩條原因，雖然在一定程度上緩解了上海地區(qū)地面沉降的速度，但卻極有可能給地下水環(huán)境帶來一定程度的負(fù)面影響。從礦化度在時(shí)間和空間尺度上的演化規(guī)律來看，與地下水實(shí)際開采量和回灌量的變動(dòng)趨勢(shì)非常接近，這說明人為因素確實(shí)對(duì)上海市地下水環(huán)境的天然平衡狀態(tài)產(chǎn)生了較大的干擾破壞作用。鑒于目前礦化度方面的研究基本上都是其它地區(qū)的[1-7]，罕見上海地區(qū)地下水礦化度的專題研究，而各個(gè)地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境、人文環(huán)境、水文環(huán)境等各有不同，研究結(jié)果之間可比性不強(qiáng)，因此，本研究主要應(yīng)用在上海環(huán)境規(guī)劃中。結(jié)合以上研究結(jié)果，我們建議，上海地區(qū)在制定控制地面沉降的政策和措施時(shí)，須充分考慮到對(duì)地下水環(huán)境的保護(hù)，使控制地面沉降與保護(hù)地下水環(huán)境質(zhì)量?jī)烧咧g達(dá)到適度平衡。

參考文獻(xiàn)

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A Study on the Spatial-temporal Evolution Law of the Salinity of Groundwater in Shanghai City

WANG Yu-qiang1，2，LIU Jian-she1*
1. College of Environmental Science and Engineering/Donghua University, Shanghai 201620，China
2. Infrastructure Department/East China University of Political Science and Law, Shanghai 201620，China

Abstract:This paper analyzed the salinity of groundwater in Shanghai City from 2001 to 2013 with SPSS17.0 software and explored the spatial-temporal evolution trend and vertical distribution law of salinity in the unconfined aquifer and from the second to the fifth confined aquifer. The results showed that in terms of time-space evolution trend，there was an increasing trend in the salinity in the unconfined aquifer，the second and the forth confined aquifer to indicate the salinization and deterioration of water. The salinity in other aquifers was decreasing to indicate the improvement of water. From the perspective of vertical distribution，the salinity in the unconfined aquifer，the second and the fifth aquifer were higher than others，meanwhile，there was a significant variation in the salinity of the second confined aquifer.

Keywords:Shanghai City；salinity in groundwater；spatial-temporal evolution；vertical distribution

*通訊作者：Author for correspondence. E-mail:liujianshe@dhu.edu.cn

作者簡(jiǎn)介:王玉強(qiáng)（1971-），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境規(guī)劃和工程經(jīng)濟(jì)管理與研究工作.E-mail:1375044408@qq.com

基金項(xiàng)目:上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（B604）

收稿日期:2014-12-20修回日期: 2015-04-20

中圖法分類號(hào)：X523

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-2324（2016）01-0124-05