Excel軟件在礦井水質(zhì)分析系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

摘 要：根據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，淮南礦業(yè)集團下屬本土13個煤礦每年至少送檢水樣330個，每個水樣化驗需要1個小時，數(shù)據(jù)處理30分鐘，330個水樣的數(shù)據(jù)處理至少需要165個小時，且過程復(fù)雜、計算量大、容易出錯，需反復(fù)驗算。針對這一問題，本文利用Excel強大的管理和計算功能，結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測分析的專業(yè)知識，研究并開發(fā)出礦井水質(zhì)分析系統(tǒng)的專用模板。該模板不僅具有對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的常規(guī)分析處理能力，而且對pH值、礦化度、總堿度、總硬度、暫時硬度、永久硬度、負硬度和水化學(xué)類型等8項指標(biāo)具有定量、定性評價的功能，并依據(jù)特征離子SO42-/HCO3-的比值不同對礦井出水水源進行快速判別。經(jīng)反復(fù)驗證，本系統(tǒng)計算結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠，可作為日常水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析的一種參考范本。

關(guān)鍵詞：Excel；水質(zhì)監(jiān)測；特征離子；水源判別

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.224

根據(jù)《謝橋煤礦水質(zhì)分析成果臺賬》統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：謝橋礦2011年送檢水樣49個，2012年送檢水樣11個，2013年送檢水樣31個，平均每年送檢水樣30個。據(jù)此類推，淮南礦業(yè)集團下屬本土13個煤礦每年至少送檢水樣330個。通常情況下，每個水樣化驗需要1個小時，數(shù)據(jù)處理30分鐘，330個水樣的數(shù)據(jù)處理至少需要165個小時，且過程復(fù)雜、計算量大、容易出錯，需反復(fù)驗算。

針對上述問題，本文利用Excel強大的管理和計算功能，結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測的專業(yè)知識，研究并開發(fā)出礦井水質(zhì)分析系統(tǒng)的專用模板。該模板不僅能夠?qū)λ|(zhì)檢測數(shù)據(jù)進行常規(guī)分析，而且對重要指標(biāo)能夠進行定量、定性評價，并且依據(jù)特征離子的濃度值對出水水源進行快速、準(zhǔn)確、自動判別。經(jīng)反復(fù)驗證，該系統(tǒng)計算結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠，可作為日常礦井水質(zhì)分析的一種參考范本。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水質(zhì)分析系統(tǒng)主要包括水樣基本信息、陰（陽）離子濃度轉(zhuǎn)換、監(jiān)測指標(biāo)評價及出水水源判別等四個模板。

1.1 水樣基本信息

水樣基本信息主要包括：水樣編號、取樣日期、取樣地點、取樣點坐標(biāo)、水溫以及取水層位等，通常情況下都要盡可能的將水樣基本信息填寫完整，以便后期查閱。

1.2 陰陽離子濃度轉(zhuǎn)換

礦井水質(zhì)監(jiān)測的陰、陽離子主要包括：鈉+鉀離子（Na++K+）、鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）、氯離子（Cl-）、硫酸根離子（SO42-）、碳酸氫根離子（HCO3-）、碳酸根離子（CO32-）等七大常規(guī)離子，此外，根據(jù)需要有時還會對鐵離子（Fe2+）、三價鐵離子（Fe3+）、銨根離子（NH+）、亞硝酸根離子（NO2-）、氫氧根離子（OH-）和硝酸根離子（NO3-）等進行監(jiān)測。

常規(guī)離子的毫克濃度（mg/L）通常是由水質(zhì)化驗實驗直接得到，當(dāng)量濃度（mgN/L）和當(dāng)量百分比（mgN%）可通過下列公式轉(zhuǎn)化得到：

2 水質(zhì)分析指標(biāo)評價

2.1 水質(zhì)分析指標(biāo)

目前，礦井水質(zhì)分析指標(biāo)主要有pH值、礦化度、總堿度、硬度、水化學(xué)類型等，其具體意義如下：

（1）pH值是表示地下水酸性或堿性程度的數(shù)值，由水質(zhì)化驗實驗直接得到。

（2）礦化度是地下水中離子、分子和各種化合物的總量，其計算公式為：

礦化度=（Na++K+）+Ca2++Mg2++Cl-+SO42-+1/2HCO3-+CO32-

（3）總堿度是水中含有能接收氫離子的離子總量，其關(guān)系式為：

總堿度= HCO3-+ CO32-+ OH-

（4）水的硬度是由Ca2+、Mg2+濃度決定的，又分為總硬度、暫時硬度、永久硬度和負硬度?？傆捕仁侵傅叵滤锌傆捕仁侵杆蠧a2+、Mg2+總量。暫時硬度是指將水加熱至沸騰，減少的這部分Ca2+、Mg2+的含量。永久硬度是指在水加熱至沸騰時也不發(fā)生沉淀的Ca2+、Mg2+的含量。負硬度是指水中與HCO3-相對應(yīng)的Ca2+、Mg2+的含量。上述4種硬度之間存在如下關(guān)系：

①總硬度= Ca2++Mg2+；

②永久硬度= 總硬度–暫時硬度；

③當(dāng)總堿度<總硬度時，負硬度=0，暫時硬度=總堿度；

④當(dāng)總堿度=總硬度時，負硬度=0，永久硬度=總堿度；

⑤當(dāng)總堿度>總硬度時，負硬度=總堿度-總硬度，永久硬度=0。

（5）水化學(xué)類型是指利用庫爾洛夫式表示地下水的類型，由當(dāng)量百分數(shù)大于20%的常規(guī)離子組成。

（6）目前，堿度、硬度常用的單位是毫克/升（mg/L）、毫克當(dāng)量/升（mgN/L）、德國度（?dH），其三者之間的關(guān)系是：1毫克當(dāng)量/升=2.8德國度=50毫克/升。

2.2 水質(zhì)分析指標(biāo)定量評價

在對水質(zhì)分析指標(biāo)定量評價之前，首先要根據(jù)上述指標(biāo)與離子含量、指標(biāo)與指標(biāo)之間的關(guān)系，在Excel中編制相應(yīng)程序，如圖1所示。

2.3 水質(zhì)分析指標(biāo)定性評價

水質(zhì)分析指標(biāo)模板不僅能夠?qū)λ|(zhì)化驗結(jié)果進行定量分析，而且能夠根據(jù)pH值、礦化度和總硬度的大小進行水質(zhì)分類，并依據(jù)國家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）對pH值和總硬度是否達標(biāo)（或超標(biāo)）進行定性評價。

根據(jù)地下水pH值的大小，可將地下水分為強酸性水（pH<5），弱酸性水（pH=5～7），中性水（pH=7），弱酸性水（pH=7～9），強堿性水（pH>9）。根據(jù)礦化度的大小可將地下水分為低礦化水（淡水，<1g/L），弱礦化水（微咸水，1g/L～3g/L），中等礦化水（半咸水，3g/L～10g/L），高礦化水（咸水，10g/L～50g/L），鹵水（>50g/L）。根據(jù)總硬度的大小可將地下水分為極軟水（<1.5mgN/L），軟水（1.5～3.0mgN/L），微硬水（3.0～6.0mgN/L），硬水（6.0～9.0mgN/L），極硬水（>9.0mgN/L）。 根據(jù)國家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）規(guī)定，生活飲用水中pH值和總硬度的指標(biāo)范圍為：6.5≤pH≤8.5，總硬度≤450mg/L。

根據(jù)上述定性評價標(biāo)準(zhǔn)，在K6單元格中輸入“=IF（J6>9，”強堿性水“，IF（J6>7，”弱堿性水“，IF（J6=7，”中性水“，IF（J6>=5，”弱酸性水“，”強酸性水“））））&”/“&IF（M6=1，”pH值達標(biāo)“，”pH值超標(biāo)“）”；在K7單元格中輸入“=IF（J7>=50000，”鹵水“，IF（J7>=10000，”高礦化水/咸水“，IF（J7>=3000，”中等礦化水/半咸水“，IF（J7>=1000，”弱礦化水/微咸水“，”低礦化水/淡水“））））”；在K11單元格中輸入“=IF（J12>9，”極硬水“，IF（J12>=6，”硬水“，IF（J12>=3，”微硬水“，IF（J12>=1.5，”軟水“，”極軟水“））））&”/“&IF（J11<=450，”總硬度達標(biāo)“，”總硬度超標(biāo)“）”；即完成了地下水水質(zhì)評價模板。

當(dāng)在D列中輸入相應(yīng)的離子毫克濃度時，J列會自動計算出各指標(biāo)數(shù)值，再通過K列輸入的上述關(guān)系式，進而對pH值、礦化度和總硬度作出定性評價。

3 出水水源判別

通過對謝橋礦自建井以來137組（其中松散層水12組，砂巖裂隙水69組，灰?guī)r水75組）水質(zhì)分析數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，SO42-/ HCO3-的比值可以作為判別謝橋礦砂巖裂隙水（除4煤底板砂巖裂隙水外）和灰?guī)r水的標(biāo)準(zhǔn)：即SO42-/ HCO3-的比值小于0.55為砂巖裂隙水，SO42-/ HCO3-的比值大于等于0.55為灰?guī)r水；謝橋礦4煤底板砂巖裂隙水中SO42-/ HCO3-的比值為0.59～1.66，與灰?guī)r水的比值相近，需結(jié)合出水點周邊水文地質(zhì)情況及地質(zhì)構(gòu)造情況進行綜合分析、判別。

利用這一規(guī)律，在I24單元格中輸入“=IF（D18/D19<0.55，”砂巖裂隙水“，”灰?guī)r水“）”，即可對該水樣快速進行水源判別。經(jīng)驗證，除11組4煤底板水外，其它58組砂巖裂隙水均滿足SO42-/ HCO3-的比值小于0.55；灰?guī)r水中有68組均滿足SO42-/ HCO3-的比值大于等于0.55，正確判別率高達91%。

4 結(jié)論

本文利用Excel強大的管理和計算功能，結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測分析的專業(yè)知識，研究并開發(fā)出礦井水質(zhì)分析系統(tǒng)的專用模板。該模板不僅具有對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的常規(guī)分析處理能力，而且對pH值、礦化度、總堿度、總硬度、暫時硬度、永久硬度、負硬度和水化學(xué)類型等8項指標(biāo)具有定量、定性評價的功能，并依據(jù)特征離子SO42-/ HCO3-的比值不同對礦井出水水源進行快速判別。經(jīng)反復(fù)驗證，本系統(tǒng)計算結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠，可作為日常水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析的一種參考范本。

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作者簡介：張磊（1984-），男，安徽天長人，碩士，工程師，研究方向：工程地質(zhì)。