大連市地下水變化趨勢(shì)及分布特征研究

孫大明

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

地下水與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)，尤其在我國(guó)北方很多農(nóng)村地區(qū)，地下水依然是居民生活飲用水的重要來(lái)源。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)水資源的需求也日益增加，進(jìn)而加大了地下水開(kāi)采力度，地下水超采導(dǎo)致水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題頻發(fā)[1-3]，如含水層地下水疏干、有毒有害污染物通過(guò)徑流污染淺層地下水、沿海地區(qū)因地下水超采導(dǎo)致海水入侵等[4-5]。這些問(wèn)題一方面使原本供水緊張的地區(qū)水資源更加短缺，另一方面也導(dǎo)致地下水水質(zhì)不斷惡化，危及居民飲水安全。因此，在地下水資源的開(kāi)發(fā)利用中水化學(xué)特征分析研究以及水質(zhì)變化趨勢(shì)分析受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。本文通過(guò)對(duì)大連市地下水化學(xué)特征分布進(jìn)行研究，以及運(yùn)用秩相關(guān)系數(shù)對(duì)地下水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行趨勢(shì)分析，為地下水資源保護(hù)、開(kāi)發(fā)利用提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法

分析評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)主要采用遼寧省水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心大連分中心長(zhǎng)系列的地下水監(jiān)測(cè)資料。分析污染物變化趨勢(shì)常用的方法為Daniel的趨勢(shì)檢驗(yàn)[6]，一般采用斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)分析進(jìn)行Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)，計(jì)算公式為

di=Xi-Yi

式中：n為時(shí)間序列數(shù)；Xi為周期1～n按濃度值從小到大排列的序號(hào)；Yi為按時(shí)間排列的序列。

將秩相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值與斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)中的臨界值進(jìn)行比較。當(dāng)|r|>Wp時(shí)，則表明變化趨勢(shì)有顯著意義；當(dāng)|r|>Wp時(shí)，則表明變化趨勢(shì)沒(méi)有顯著意義，說(shuō)明在評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)水質(zhì)變化穩(wěn)定或平穩(wěn)。

在地下水趨勢(shì)分析評(píng)價(jià)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較多時(shí)，傳統(tǒng)的計(jì)算方法就顯得復(fù)雜而煩瑣。如大連市地表水質(zhì)量監(jiān)測(cè)斷面多達(dá)58個(gè)，國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)井43處，如果對(duì)這些斷面的監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行多時(shí)段變化趨勢(shì)分析，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間成本。為了減輕工作量，提高工作效率，應(yīng)采用Visual FoxPro(VFP)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言對(duì)Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)進(jìn)行編程。

2 程序的設(shè)計(jì)

2.1 秩相關(guān)系數(shù)臨界值表

建立秩相關(guān)系數(shù)臨界值(Wp)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表(LJZ.DBF)，見(jiàn)表1。

表1 臨界值數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(LJZ.DBF)

2.2 樣本值表

建立秩相關(guān)系數(shù)多時(shí)段樣本值數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表(YBZ.DBF)，見(jiàn)表2。

表2 秩相關(guān)系數(shù)多時(shí)段樣本值數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(YBZ.DBF)

2.3 源程序

建立秩相關(guān)系數(shù)計(jì)算源程序ZXGXS.PRG。源程序由臨界值表數(shù)據(jù)庫(kù)(LJZ.DBF)和樣本值數(shù)據(jù)庫(kù)(YBZ.DBF)組成，需要輸入?yún)?shù)：樣本值個(gè)數(shù)(N)、顯著水平(α=0.05或0.01)。

2.4 運(yùn)行方法及水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

運(yùn)行程序時(shí)輸入2個(gè)參數(shù)時(shí)段個(gè)數(shù)(N)和顯著性水平(α)，如DO ZXGXS WITH 7，0.05，表示時(shí)段個(gè)數(shù)為7，顯著性水平采用0.05。選擇大連市地下水長(zhǎng)系列監(jiān)測(cè)資料，共16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，運(yùn)用編寫(xiě)的VFP程序進(jìn)行斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)計(jì)算，時(shí)段長(zhǎng)度為2012—2018年，顯著水平α=0.05，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 大連市16個(gè)地下水水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

大連市16個(gè)長(zhǎng)系列地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)站中，高錳酸鹽指數(shù)呈顯著上升趨勢(shì)的斷面有2個(gè)，占全市總數(shù)的12.50%，其余監(jiān)測(cè)站點(diǎn)無(wú)明顯變化趨勢(shì)；礦化度呈顯著上升趨勢(shì)的站點(diǎn)有1個(gè)，占全市總數(shù)的6.25%，呈顯著下降趨勢(shì)的站點(diǎn)有1個(gè)，占比為6.25%，無(wú)明顯變化趨勢(shì)的站點(diǎn)有14個(gè)，占比為87.50%；總硬度呈顯著上升趨勢(shì)和顯著下降趨勢(shì)站點(diǎn)各1個(gè)，各占6.25%，其余

站點(diǎn)無(wú)明顯變化趨勢(shì)；氯化物呈顯著下降趨勢(shì)的站點(diǎn)有1個(gè)，占比為6.25%，其余站點(diǎn)均無(wú)明顯變化趨勢(shì)；硝酸鹽氮呈顯著下降趨勢(shì)的站點(diǎn)有5個(gè)，占比為31.25%，其余站點(diǎn)均無(wú)明顯變化趨勢(shì)。

大連市16個(gè)地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)中，興民、付家、二十里、黃旗、蘇家、大王村、小黑石、雙臺(tái)溝、辛寨子和夏家河子水質(zhì)變化平穩(wěn)，參與分析的高錳酸鹽指數(shù)、礦化度、總硬度、氯化物、硝酸鹽氮5項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均無(wú)明顯變化趨勢(shì)；尹家、南鴉鸕嘴和黃泥川監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水質(zhì)變化較為平穩(wěn)，參與分析的5項(xiàng)指標(biāo)中，硝酸鹽氮呈顯著下降趨勢(shì)；四十里參與趨勢(shì)分析的5項(xiàng)指標(biāo)中，高錳酸鹽指數(shù)呈顯著上升趨勢(shì)，硝酸鹽氮呈顯著下降趨勢(shì)；東泥河水質(zhì)惡化趨勢(shì)明顯，參與分析的5項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)中，高錳酸鹽指數(shù)、礦化度、總硬度均呈顯著上升趨勢(shì)；北李屯監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水質(zhì)有明顯向好的趨勢(shì)轉(zhuǎn)變，5項(xiàng)分析指標(biāo)中，僅高錳酸鹽指數(shù)1項(xiàng)指標(biāo)變化平穩(wěn)，其余4項(xiàng)指標(biāo)均呈顯著下降趨勢(shì)。

3 地下水分布特征研究

礦化度能夠直接反映地下水中溶解性無(wú)機(jī)礦物質(zhì)的含量總和，總硬度通常代表水中鈣、鎂離子含量的總和，pH值反映的是水體酸堿程度[7]。這3項(xiàng)指標(biāo)是衡量地下水質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要參數(shù)，若地下水中的礦化度和總硬度過(guò)高、pH值超標(biāo)時(shí)，將會(huì)對(duì)人體的健康產(chǎn)生一定的影響[8]。因此，本文通過(guò)對(duì)大連市礦化度、總硬度和pH值3項(xiàng)指標(biāo)分布規(guī)律進(jìn)行研究，從整體上了解大連地區(qū)地下水水質(zhì)狀況。

3.1 礦化度分布

礦化度大于1g/L為高礦化度水，水的口感很差，不適宜長(zhǎng)期飲用；礦化度在2～3g/L之間為微咸水；大于3g/L為咸水，此類水不能飲用。根據(jù)大連市地下水井的礦化度實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，全市礦化度在125～2610mg/L之間。礦化度小于1g/L的地下水面積占全市總面積的93.95%；1～2g/L之間的面積為719.26km2，占全市總面積的5.72%；大于2g/L的面積為42.46km2，占全市總面積的0.33%；全市沒(méi)有大于3g/L的地下水區(qū)。其中，礦化度大于1g/L的區(qū)域主要集中在金普新區(qū)。按流域分析，大連市英那河、湖里河和莊河流域地下水水質(zhì)優(yōu)良，礦化度均小于300mg/L；碧流河水庫(kù)飲用水源地附近地下水水質(zhì)較好，礦化度在300～400mg/L之間，碧流河流域下游入?？诟浇亲犹贡O(jiān)測(cè)井礦化度較高，為1085mg/L；大沙河和復(fù)州河流域地下水水質(zhì)較好，礦化度在500～700mg/L之間。大連市整體地下水礦化度由西南地區(qū)的旅順向東北地區(qū)的莊河逐漸降低，礦化度分布情況見(jiàn)圖1。

圖1 大連市地下水礦化度分布情況(單位：mg/L)

3.2 總硬度分布

總硬度在150～300mg/L之間為中軟水，在300～500mg/L之間為硬水，大于500mg/L為很硬水。地下水總硬度在200～300mg/L之間比較適宜飲用，超過(guò)450mg/L則不適合飲用，并且不符合生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)大連市地下水井的總硬度實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，全市地下水總硬度在63.2～804.0mg/L之間；總硬度大于450.0mg/L的面積為1856.20km2，占全市總面積的14.80%。總硬度超標(biāo)的主要有3個(gè)區(qū)域，分別為碧流河入?？凇亲犹规?zhèn)—余糧河一帶，面積為106.60km2，占全市總面積的0.85%；普蘭店鐵西街道—瓦房店元臺(tái)鎮(zhèn)—炮臺(tái)—復(fù)州灣一帶，面積為695.60km2，占全市總面積的5.53%；甘井子營(yíng)城子街道—大連灣—金州一帶，面積為1054.00km2，占全市總面積的8.38%。按流域分析，大連市英那河、湖里河和莊河流域地下水水質(zhì)優(yōu)良，總硬度均小于150mg/L；碧流河流域飲用水源地地下水水質(zhì)較好，大部分地區(qū)總硬度在200～300mg/L之間，大于450mg/L的區(qū)域主要分布在入海口城子坦鎮(zhèn)，該鎮(zhèn)附近無(wú)飲用水取水口，對(duì)城鎮(zhèn)居民用水影響不大；大沙河流域地下水總體水質(zhì)較好，總硬度大于450mg/L的區(qū)域主要分布在元臺(tái)鎮(zhèn)，面積為97.60km2，占全市總面積的0.78%；復(fù)州河流域地下水水質(zhì)較好，無(wú)總硬度大于450mg/L區(qū)域。大連市地下水總硬度分布情況與礦化度相似，也是由西南地區(qū)向東北地區(qū)逐漸減小，總硬度分布情況見(jiàn)圖2。

圖2 大連市地下水總硬度分布情況(單位：mg/L)

3.3 pH值分布情況

pH值在6.5～8.0之間為中性水，在5.5～6.5之間為弱酸性水，在8.0～10.0之間為弱堿性水。一般情況下，pH值在6.5～8.5之間，不影響水的使用功能。

根據(jù)大連市39眼地下水井的pH值實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，全市地下水僅有1處監(jiān)測(cè)點(diǎn)位pH值在5.5～6.5之間，為弱酸性水，即隋家屯(2)監(jiān)測(cè)斷面，pH值為6.4；其余地下水pH值均在6.5～8.5之間，符合各類用水要求。大連市有5處地下水監(jiān)測(cè)井pH值在8.0～8.5之間，主要分布在碧流河流域碧流河水庫(kù)、大沙河流域劉大水庫(kù)以及英那河流域入海口附近。大連市地下水pH值分布情況見(jiàn)圖3。

圖3 大連市地下水pH值分布情況

4 結(jié) 語(yǔ)

為落實(shí)新時(shí)期中央水利工作方針、強(qiáng)化水資源管控、保障水安全，大連市按照第三次全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)要求，摸清了2000年以來(lái)地下水質(zhì)量分布情況及其變化趨勢(shì)。本文基于Visual FoxPro計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，采用斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)的方法，對(duì)大連市地下水趨勢(shì)變化情況進(jìn)行了分析，解決了對(duì)長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)變化分析時(shí)需要耗費(fèi)大量時(shí)間成本的問(wèn)題，極大地提高了工作效率。結(jié)果表明，大連市地下水主要以平穩(wěn)變化趨勢(shì)為主；地下水整體礦化度較低；pH值主要在6.5～8.5之間，符合各類用水要求。

通過(guò)對(duì)大連市地下水分布情況及趨勢(shì)變化進(jìn)行分析，及時(shí)掌握和分析評(píng)價(jià)地下水資源情勢(shì)新變化，為建立全面、系統(tǒng)、翔實(shí)的水資源基礎(chǔ)信息平臺(tái)提供了數(shù)據(jù)支撐，并在今后一個(gè)時(shí)期為形成較為規(guī)范化的滾動(dòng)調(diào)查評(píng)價(jià)機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。