錦州市地下水水質(zhì)現(xiàn)狀與變化趨勢研究

王巍巍

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

錦州市地下水水質(zhì)現(xiàn)狀與變化趨勢研究

王巍巍

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

本文結(jié)合采樣測試、多元線性回歸分析、以及G I S分析等技術(shù)對錦州市地下水的水質(zhì)現(xiàn)狀與變化趨勢進行了研究,結(jié)果顯示目前錦州市水質(zhì)情況良好,總體上北部山區(qū)優(yōu)于城市南部沿海地區(qū)。驗證了基于多元線性回歸分析的水質(zhì)評價模型在該區(qū)域地下水預測中的適用性,并使用該方法對未來10年內(nèi)的水質(zhì)變化情況進行了預測。得到了錦州市的水質(zhì)分布預測圖,為該市的合理水質(zhì)管理提供依據(jù)。

錦州市,地下水,水質(zhì),預測

地下水資源是城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活、灌溉以及工業(yè)用水的重要來源，但其水質(zhì)卻極易受到這些人類活動的影響。我國是地下水污染問題最嚴重的國家之一，有近一半的地區(qū)存在地下水水質(zhì)惡化問題，嚴重制約了這些地區(qū)的可持續(xù)性發(fā)展，因此對其進行防治已經(jīng)迫在眉睫。地下水水質(zhì)現(xiàn)狀與變化趨勢的研究是水質(zhì)惡化防治工作中的重要環(huán)節(jié)，是合理保護和開發(fā)地下水資源不可或缺的科學參考。目前較為常用的地下水水質(zhì)評價方法有模糊綜合評價法、灰色系統(tǒng)法、模型法、以及理論法4種。其中模糊綜合評價法的主要優(yōu)點是可以得到量化的地下水水質(zhì)指標，灰色系統(tǒng)法的一個優(yōu)點是可以得到直觀的地下水水質(zhì)分級結(jié)果，模型法的主要優(yōu)點是可以對地下水水質(zhì)進行計算與預測，而理論法的優(yōu)點是可以合理地分析各因素對水質(zhì)變化的影響。本文綜合以上評價方法的優(yōu)點并結(jié)合先進的G I S技術(shù)對錦州市的地下水水質(zhì)進行了分析與預測。首先對錦州市67個采樣點的地下水樣品進行測試，得到該地區(qū)的地下水組分統(tǒng)計特征;根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立多元線性回歸模型，驗證該模型適用性并用其計算了錦州市未來10年的地下水水質(zhì)變化情況;對數(shù)據(jù)結(jié)果進行量化，并確定水質(zhì)級別;最后，利用G I S技術(shù)繪制錦州市地下水水質(zhì)分布預測圖、提出相應的地下水水質(zhì)惡化防治建議。

1 地下水水質(zhì)現(xiàn)狀

研究區(qū)域是遼寧省錦州市，位于遼寧省西南部，是省內(nèi)第二大沿海城市，連接著我國的華北與東北地區(qū)，也是女兒河與小凌河的匯合處?？偯娣e10301km2，轄3個區(qū)、2個縣級市、2個縣及3個功能區(qū)。人口密度約為309.21人/km2，其中古塔區(qū)人口密度高達10271.39人/km2。屬于溫帶季風性氣候，平均氣溫約為 8.5℃，年降水量約為600m m。其地勢西北高，海拔達400m，而西南較低，低于20m。水資源相對豐富，但流量變化大、水土流失嚴重，且利用率不高。地表水對地下水的補給比較充足，但其水質(zhì)情況尚不清楚。

圖1 研究區(qū)域及地下水采樣位置

圖1中三角符號所表示的是地下水采樣點位置。共搜集67個采樣點的水樣，其中工業(yè)及人口密集區(qū)采樣密度相對較大，而在污染源相對稀疏的地區(qū)則適當調(diào)低取樣密度從而節(jié)約研究成本與時間。取樣點主要為現(xiàn)有水井或地下水取水處，其樣品中93%為淺層地下水，其余為其它水層。采用標準化的地下水水質(zhì)分析方法，依次進行采樣準備、抽水洗井、樣品采集和保存送驗4個步驟。檢測中心利用標準實驗法對樣品的物理化學特性進行測試，得到pH值(酸堿度)、TH(總硬度)、TDS (總?cè)芙夤腆w物)、Ca2+(鈣離子)、Mg2+(鎂離子)、N a+(鈉離子)、C l-(氯離子)、(硫酸根)、(碳酸氫根)等測試指標數(shù)據(jù)。

用MA T L A B編程對所得數(shù)據(jù)進行處理和計算，得到地下水樣品中各組分的統(tǒng)計特征。結(jié)果顯示，研究區(qū)域內(nèi)的總硬度在103～590m g/L之間，其中75%分布在306～535m g/L區(qū)間內(nèi)，平均值約為480m g/L，各數(shù)據(jù)值與平均值之間離散率不大?？?cè)芙夤腆w物在155～980m g/L之間，其中75%分布在217～652m g/L區(qū)間內(nèi)，平均值約為324m g/L。研究區(qū)域內(nèi)的平均pH值約為7.2，偏弱堿性。其它幾項重要測試指標的統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。由于數(shù)據(jù)覆蓋的區(qū)間為0～1000m g/L，范圍較大，因此圖形采用L o g式統(tǒng)計圖紙進行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。其中橫坐標表示測試指標，包含TH、TDS、Ca2+、Mg2+等最重要的幾項測試指標;縱坐標表示濃度，區(qū)間為0.1～1000m g/L，個別指標數(shù)據(jù)低于該區(qū)間的最小值，如(硝酸根)和F-(氟離子)的最小值皆為0m g/L，其影響幾乎可以忽略不計，因此該值不予表示;濃度條最高點代表濃度最大值，相應地，其最低點代表濃度最小值;條形框上下兩端所代表的是75%概率點，即75%的指標值在條形框所表示的區(qū)間，其中上端為概率區(qū)間高峰值，而下端為低峰值，框內(nèi)中線所表示的是中間值。中間值接近平均值，2者相差普遍低于5%，說明數(shù)據(jù)大體呈正態(tài)分布規(guī)律。

將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)與我國制定的《地下水質(zhì)量標準GB/T 14848》等規(guī)范與手冊進行比較，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)地下水水質(zhì)狀況良好，無明顯的污染情況出現(xiàn)。市區(qū)內(nèi)的飲用水源全部來自于地下水，而這些水源中的F-、Cl-、濃度不超標，因此自來水水質(zhì)符合飲用標準。水體中的C l-和的平均濃度分別約為12.9和 41m g/L，對輸水管道有輕微的腐蝕作用，但在可接受范圍內(nèi)。

圖2 主要測試指標及統(tǒng)計特性結(jié)果

2 地下水水質(zhì)變化趨勢

預測地下水水質(zhì)變化趨勢的基礎(chǔ)是建立合適的計算模型，而驗證模型適用性的基礎(chǔ)是量化水質(zhì)指標。本文將該量化指標定義為質(zhì)量指數(shù)，該指數(shù)主要由3個因素決定，分別為范圍Nf、頻率Np以及程度Nc。范圍因素指樣品中超標指標種類的數(shù)量，頻率因素指某指標超標的概率，而程度因素指某指標超過可接受范圍的大小。每一項因素無量綱化為0～100之間的指數(shù)值，最后將這3種指標整合得到綜合的指數(shù)值N。綜合指數(shù)值同樣介于0～100之間，它與以上3項因素的關(guān)系為:

計算模型主要是基于線性回歸分析法。首先選取各采樣點，對70%的采樣測試數(shù)據(jù)進行分析，利用式(1)得到地下水水質(zhì)指數(shù)。再用 SP SS軟件進行多元線性回歸分析，得到各采樣點的線性回歸方程。最后利用該系列方程對剩余30%采樣測試數(shù)據(jù)進行預測得到的地下水水質(zhì)指數(shù)，并與測試結(jié)果進行比較，如圖3所示。

圖3 計算與測試結(jié)果比較

圖3中橫坐標表示樣品測試值，縱坐標表示計算結(jié)果，其區(qū)間為80～100;中間的對角線為等值線，當散點距離該等值線較遠時，說明計算結(jié)果與實際測試結(jié)果相比較差，當散點坐落在在等值線左上側(cè)時說明計算結(jié)果偏高，而在右下側(cè)時則是偏低。由圖3可見，散點幾乎都比較接近等值線且相對均勻地分布在其兩側(cè)，說明計算結(jié)果可以很好地擬合測試結(jié)果。為更好地量化計算模型的精確度，計算測試數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)的均方根差值(R MSD值)。該值為0.762，而數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的最小值為80，因此可以認為該模型的最大誤差率在1%以下，完全滿足預測要求。

利用以上已經(jīng)建立并驗證的基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的數(shù)學模型分析各采樣點10年內(nèi)的水質(zhì)變化情況。將得到的地下水質(zhì)量指數(shù)進行分級，從而實現(xiàn)分析結(jié)果的語言化，提高地下水水質(zhì)管理的決策效率。具體的分級標準為:非常好(95～100)、優(yōu)(90～95)、良好(85～90)、一般(80～90)、差(低于80)。利用G I S技術(shù)結(jié)合插值法得到整個研究區(qū)域的地下水水質(zhì)分布地圖，其中G I S綜合分析平臺采用G ISArc Map軟件，而插值法主要采用克里金(Kriging)方法。圖4為錦州市2025年的地下水水質(zhì)分布情況預測圖?？紤]到未來錦州市的水質(zhì)管理將會有所加強，而本文采用的是現(xiàn)有的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等用水與排水數(shù)據(jù)，因此實際情況可能略好于此處預測情況。

圖4 錦州市地下水水質(zhì)分布預測(2025年)

結(jié)果顯示，在未來10年內(nèi)，錦州市水質(zhì)情況良好，總體上城市周邊及農(nóng)村地區(qū)水質(zhì)優(yōu)于城市地區(qū)，而北部山區(qū)地區(qū)優(yōu)于南部地區(qū)沿海地區(qū)。在這10年內(nèi)，如果不采取任何防治措施，雖然程度不大，但錦州市地下水水質(zhì)將持續(xù)惡化。結(jié)合多元線性回歸分析結(jié)果，得到各影響因子在各點水質(zhì)變化的貢獻率，從而對水質(zhì)變化的原因進行解釋。惡化程度比較明顯的地區(qū)為太和區(qū)、凌河區(qū)以及凌海市等地區(qū)，主要因為這些地區(qū)工業(yè)與人口相對密集，面臨的地下水水質(zhì)惡化壓力較大。東南部地區(qū)水質(zhì)惡化程度大于北部，主要有以下3點原因:①南部地區(qū)城市化程度相對較高，因此污染源也相對較多;②南部地勢比北部山區(qū)低，為水流的下游，因此污染物質(zhì)易于在南部區(qū)域聚集;③南部沿海地區(qū)取水量較大，出現(xiàn)一定的海水入侵現(xiàn)象，從而導致水質(zhì)的進一步惡化。與傳統(tǒng)觀點不同的是，地表水的污染對地下水水質(zhì)變化的影響程度并不大。影響錦州市地下水水質(zhì)變化與分布的主要因子按貢獻率由大到小排序為:工業(yè)、生活、地勢、農(nóng)業(yè)、海水。

根據(jù)以上分析結(jié)果與結(jié)論，提出錦州市地下水水質(zhì)管理的合理建議:①錦州市地下水水質(zhì)惡化的主要原因是工業(yè)與生活污水的排放，因此污水防治措施的重點是加強工業(yè)與生活污水的處理;②錦州市中部及南部地區(qū)水質(zhì)惡化壓力較大而北部水質(zhì)較好且惡化程度也較低，因此可以將中部及南部定義為重點治理區(qū)，而將北部地區(qū)定義為保護區(qū)，從而保證充足的優(yōu)質(zhì)水源;③農(nóng)業(yè)灌溉與海水入侵同樣對錦州市地下水水質(zhì)有一定影響，因此有必要大力推廣生態(tài)化肥的使用并深入研究海水入侵的防護與治理。

3 結(jié)語

地下水水質(zhì)的分析與預測是制定高效而有針對性的地下水管理措施的基礎(chǔ)。本文結(jié)合采樣測試、多元線性回歸、以及G I S分析等技術(shù)對錦州市地下水的水質(zhì)現(xiàn)狀與變化趨勢進行了研究，主要得到以下重要結(jié)論。

(1)目前錦州市地下水的水質(zhì)狀況總體良好，無明顯的污染情況，但若不采取有效的防治措施，則將不斷惡化。

(2)基于多元線性回歸的計算模型可以很精確地預測錦州市地下水水質(zhì)情況，可用于分析該市的地下水水質(zhì)變化趨勢。

(3)錦州市南部地區(qū)水質(zhì)惡化程度將大于北部，其中面臨地下水水質(zhì)惡化壓力最大的是太和區(qū)、凌河區(qū)以及凌海市等工業(yè)、人口相對密集的地區(qū)?？梢詫⒅胁考澳喜慷x為重點治理區(qū)，而將北部地區(qū)定義為地下水保護區(qū)，從而保證充足的優(yōu)質(zhì)水源。

(4)影響錦州市地下水水質(zhì)變化與分布的主要影響因子按貢獻率由大到小排序為:工業(yè)、生活、地勢、農(nóng)業(yè)、海水。因此錦州市污水防治措施的重點是加強工業(yè)與生活污水的處理，但也有必要大力推廣生態(tài)化肥的使用并深入研究海水入侵的防護與治理。

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表2 遙測與自計降水量數(shù)據(jù)對比分析

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A

1008-1305(2016)05-0059-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.022

2016-04-18

王巍巍(1983年—)，女，工程師。