锦州市地下水水质现状与变化趋势研究

王巍巍

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

锦州市地下水水质现状与变化趋势研究

王巍巍

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

本文结合采样测试、多元线性回归分析、以及G I S分析等技术对锦州市地下水的水质现状与变化趋势进行了研究,结果显示目前锦州市水质情况良好,总体上北部山区优于城市南部沿海地区。验证了基于多元线性回归分析的水质评价模型在该区域地下水预测中的适用性,并使用该方法对未来10年内的水质变化情况进行了预测。得到了锦州市的水质分布预测图,为该市的合理水质管理提供依据。

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地下水资源是城市及乡镇生活、灌溉以及工业用水的重要来源，但其水质却极易受到这些人类活动的影响。我国是地下水污染问题最严重的国家之一，有近一半的地区存在地下水水质恶化问题，严重制约了这些地区的可持续性发展，因此对其进行防治已经迫在眉睫。地下水水质现状与变化趋势的研究是水质恶化防治工作中的重要环节，是合理保护和开发地下水资源不可或缺的科学参考。目前较为常用的地下水水质评价方法有模糊综合评价法、灰色系统法、模型法、以及理论法4种。其中模糊综合评价法的主要优点是可以得到量化的地下水水质指标，灰色系统法的一个优点是可以得到直观的地下水水质分级结果，模型法的主要优点是可以对地下水水质进行计算与预测，而理论法的优点是可以合理地分析各因素对水质变化的影响。本文综合以上评价方法的优点并结合先进的G I S技术对锦州市的地下水水质进行了分析与预测。首先对锦州市67个采样点的地下水样品进行测试，得到该地区的地下水组分统计特征;根据统计数据建立多元线性回归模型，验证该模型适用性并用其计算了锦州市未来10年的地下水水质变化情况;对数据结果进行量化，并确定水质级别;最后，利用G I S技术绘制锦州市地下水水质分布预测图、提出相应的地下水水质恶化防治建议。

1 地下水水质现状

研究区域是辽宁省锦州市，位于辽宁省西南部，是省内第二大沿海城市，连接着我国的华北与东北地区，也是女儿河与小凌河的汇合处。总面积10301km2，辖3个区、2个县级市、2个县及3个功能区。人口密度约为309.21人/km2，其中古塔区人口密度高达10271.39人/km2。属于温带季风性气候，平均气温约为 8.5℃，年降水量约为600m m。其地势西北高，海拔达400m，而西南较低，低于20m。水资源相对丰富，但流量变化大、水土流失严重，且利用率不高。地表水对地下水的补给比较充足，但其水质情况尚不清楚。

图1 研究区域及地下水采样位置

图1中三角符号所表示的是地下水采样点位置。共搜集67个采样点的水样，其中工业及人口密集区采样密度相对较大，而在污染源相对稀疏的地区则适当调低取样密度从而节约研究成本与时间。取样点主要为现有水井或地下水取水处，其样品中93%为浅层地下水，其余为其它水层。采用标准化的地下水水质分析方法，依次进行采样准备、抽水洗井、样品采集和保存送验4个步骤。检测中心利用标准实验法对样品的物理化学特性进行测试，得到pH值(酸碱度)、TH(总硬度)、TDS (总溶解固体物)、Ca2+(钙离子)、Mg2+(镁离子)、N a+(钠离子)、C l-(氯离子)、(硫酸根)、(碳酸氢根)等测试指标数据。

用MA T L A B编程对所得数据进行处理和计算，得到地下水样品中各组分的统计特征。结果显示，研究区域内的总硬度在103～590m g/L之间，其中75%分布在306～535m g/L区间内，平均值约为480m g/L，各数据值与平均值之间离散率不大。总溶解固体物在155～980m g/L之间，其中75%分布在217～652m g/L区间内，平均值约为324m g/L。研究区域内的平均pH值约为7.2，偏弱碱性。其它几项重要测试指标的统计结果如图2所示。由于数据覆盖的区间为0～1000m g/L，范围较大，因此图形采用L o g式统计图纸进行数据呈现。其中横坐标表示测试指标，包含TH、TDS、Ca2+、Mg2+等最重要的几项测试指标;纵坐标表示浓度，区间为0.1～1000m g/L，个别指标数据低于该区间的最小值，如(硝酸根)和F-(氟离子)的最小值皆为0m g/L，其影响几乎可以忽略不计，因此该值不予表示;浓度条最高点代表浓度最大值，相应地，其最低点代表浓度最小值;条形框上下两端所代表的是75%概率点，即75%的指标值在条形框所表示的区间，其中上端为概率区间高峰值，而下端为低峰值，框内中线所表示的是中间值。中间值接近平均值，2者相差普遍低于5%，说明数据大体呈正态分布规律。

将统计的数据与我国制定的《地下水质量标准GB/T 14848》等规范与手册进行比较，发现研究区域内地下水水质状况良好，无明显的污染情况出现。市区内的饮用水源全部来自于地下水，而这些水源中的F-、Cl-、浓度不超标，因此自来水水质符合饮用标准。水体中的C l-和的平均浓度分别约为12.9和 41m g/L，对输水管道有轻微的腐蚀作用，但在可接受范围内。

图2 主要测试指标及统计特性结果

2 地下水水质变化趋势

预测地下水水质变化趋势的基础是建立合适的计算模型，而验证模型适用性的基础是量化水质指标。本文将该量化指标定义为质量指数，该指数主要由3个因素决定，分别为范围Nf、频率Np以及程度Nc。范围因素指样品中超标指标种类的数量，频率因素指某指标超标的概率，而程度因素指某指标超过可接受范围的大小。每一项因素无量纲化为0～100之间的指数值，最后将这3种指标整合得到综合的指数值N。综合指数值同样介于0～100之间，它与以上3项因素的关系为:

计算模型主要是基于线性回归分析法。首先选取各采样点，对70%的采样测试数据进行分析，利用式(1)得到地下水水质指数。再用 SP SS软件进行多元线性回归分析，得到各采样点的线性回归方程。最后利用该系列方程对剩余30%采样测试数据进行预测得到的地下水水质指数，并与测试结果进行比较，如图3所示。

图3 计算与测试结果比较

图3中横坐标表示样品测试值，纵坐标表示计算结果，其区间为80～100;中间的对角线为等值线，当散点距离该等值线较远时，说明计算结果与实际测试结果相比较差，当散点坐落在在等值线左上侧时说明计算结果偏高，而在右下侧时则是偏低。由图3可见，散点几乎都比较接近等值线且相对均匀地分布在其两侧，说明计算结果可以很好地拟合测试结果。为更好地量化计算模型的精确度，计算测试数据与计算数据的均方根差值(R MSD值)。该值为0.762，而数据系统中的最小值为80，因此可以认为该模型的最大误差率在1%以下，完全满足预测要求。

利用以上已经建立并验证的基于数据统计的数学模型分析各采样点10年内的水质变化情况。将得到的地下水质量指数进行分级，从而实现分析结果的语言化，提高地下水水质管理的决策效率。具体的分级标准为:非常好(95～100)、优(90～95)、良好(85～90)、一般(80～90)、差(低于80)。利用G I S技术结合插值法得到整个研究区域的地下水水质分布地图，其中G I S综合分析平台采用G ISArc Map软件，而插值法主要采用克里金(Kriging)方法。图4为锦州市2025年的地下水水质分布情况预测图。考虑到未来锦州市的水质管理将会有所加强，而本文采用的是现有的工业、农业、生活等用水与排水数据，因此实际情况可能略好于此处预测情况。

图4 锦州市地下水水质分布预测(2025年)

结果显示，在未来10年内，锦州市水质情况良好，总体上城市周边及农村地区水质优于城市地区，而北部山区地区优于南部地区沿海地区。在这10年内，如果不采取任何防治措施，虽然程度不大，但锦州市地下水水质将持续恶化。结合多元线性回归分析结果，得到各影响因子在各点水质变化的贡献率，从而对水质变化的原因进行解释。恶化程度比较明显的地区为太和区、凌河区以及凌海市等地区，主要因为这些地区工业与人口相对密集，面临的地下水水质恶化压力较大。东南部地区水质恶化程度大于北部，主要有以下3点原因:①南部地区城市化程度相对较高，因此污染源也相对较多;②南部地势比北部山区低，为水流的下游，因此污染物质易于在南部区域聚集;③南部沿海地区取水量较大，出现一定的海水入侵现象，从而导致水质的进一步恶化。与传统观点不同的是，地表水的污染对地下水水质变化的影响程度并不大。影响锦州市地下水水质变化与分布的主要因子按贡献率由大到小排序为:工业、生活、地势、农业、海水。

根据以上分析结果与结论，提出锦州市地下水水质管理的合理建议:①锦州市地下水水质恶化的主要原因是工业与生活污水的排放，因此污水防治措施的重点是加强工业与生活污水的处理;②锦州市中部及南部地区水质恶化压力较大而北部水质较好且恶化程度也较低，因此可以将中部及南部定义为重点治理区，而将北部地区定义为保护区，从而保证充足的优质水源;③农业灌溉与海水入侵同样对锦州市地下水水质有一定影响，因此有必要大力推广生态化肥的使用并深入研究海水入侵的防护与治理。

3 结语

地下水水质的分析与预测是制定高效而有针对性的地下水管理措施的基础。本文结合采样测试、多元线性回归、以及G I S分析等技术对锦州市地下水的水质现状与变化趋势进行了研究，主要得到以下重要结论。

(1)目前锦州市地下水的水质状况总体良好，无明显的污染情况，但若不采取有效的防治措施，则将不断恶化。

(2)基于多元线性回归的计算模型可以很精确地预测锦州市地下水水质情况，可用于分析该市的地下水水质变化趋势。

(3)锦州市南部地区水质恶化程度将大于北部，其中面临地下水水质恶化压力最大的是太和区、凌河区以及凌海市等工业、人口相对密集的地区。可以将中部及南部定义为重点治理区，而将北部地区定义为地下水保护区，从而保证充足的优质水源。

(4)影响锦州市地下水水质变化与分布的主要影响因子按贡献率由大到小排序为:工业、生活、地势、农业、海水。因此锦州市污水防治措施的重点是加强工业与生活污水的处理，但也有必要大力推广生态化肥的使用并深入研究海水入侵的防护与治理。

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表2 遥测与自计降水量数据对比分析

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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，工程师。