王 敏,孫 敏,曾 睿

(1.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院,四川 成都 610081;2.昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院,云南 昆明 650051)

·解析評價·

美國Surfer 8.0軟件在地下水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用

王 敏1,孫 敏1,曾 睿2

(1.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院,四川 成都 610081;2.昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院,云南 昆明 650051)

通過Surfer 8.0軟件在某地地下水環(huán)境評價中的應(yīng)用實例,重點闡述了其在淺層地下水污染物濃度空間分布圖繪制、地下水質(zhì)量分區(qū)圖繪制、地下水污染分區(qū)圖繪制、區(qū)域地下水污染趨勢分析、地下水污染原因分析等方面的應(yīng)用。

地下水;Surfer 8.0軟件;環(huán)境質(zhì)量評價

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,近年來地下水污染問題越來越多地引起人們的關(guān)注。科學(xué)準(zhǔn)確地表征與評價地下水污染狀況及變化趨勢,進(jìn)而為有效地保護(hù)和改善地下水環(huán)境質(zhì)量提供決策依據(jù),已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域的又一大熱點問題。而對于地下水污染物濃度及其空間分布的可視化表達(dá),則是地下水污染表征與評價的關(guān)鍵技術(shù)之一,也是目前地下水環(huán)境質(zhì)量研究的一個難點。傳統(tǒng)的地下水污染表征與評價是以地下水采樣點的實測結(jié)果進(jìn)行文字描述,并據(jù)此以點帶面地研究地下水污染物濃度及其空間分布特征。這種方法雖然能比較客觀地表明各采樣點的實際污染狀況,但其直觀性不夠,而且難以系統(tǒng)地反映整個區(qū)域的地下水環(huán)境質(zhì)量總體狀況。

地理信息系統(tǒng)(GIS)中的Surfer 8.0軟件具有強(qiáng)大的繪圖、插值和分析計算等功能,已廣泛應(yīng)用于礦業(yè)勘探、工程測繪、地質(zhì)調(diào)查、氣象預(yù)報等部門。將其基本原理和主要功能拓展到地下水污染表征與評價領(lǐng)域,一方面擴(kuò)大了Surfer 8.0的應(yīng)用范圍,另一方面,對探索新的地下水污染表征與評價方法也是一種有益嘗試。

1 Surfer 8.0及其基本功能

Surfer 8.0是美國 Golden公司自主研發(fā)的用于處理空間數(shù)據(jù)和制作等高線及三維地形立體圖的專用軟件。相比其家族的前期版本,Surfer 8.0增加了許多新的功能,特別是插值、制圖及對圖像的后期處理等[1]。

1.1 插值功能

Surfer 8.0提供了反距離加權(quán)插值法、Krig-ing插值法、最小曲率法、改進(jìn) Shepard插值法、自然鄰點插值法、最近鄰點插值法、多元回歸法、徑向基函數(shù)法、線性插值三角網(wǎng)法、移動平均法、局部多項式法和數(shù)據(jù)度量法等12種數(shù)值內(nèi)插方法,可以非常方便地對中、小離散數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理。

1.2 制圖功能

Surfer 8.0具有強(qiáng)大的繪圖能力,不僅能將離散數(shù)據(jù)經(jīng)過插值生成規(guī)則的格網(wǎng)數(shù)據(jù),而且還可將其轉(zhuǎn)換成豐富多彩的基面圖、數(shù)據(jù)點位圖、分類數(shù)據(jù)圖、等值線圖、地形地貌圖、趨勢圖、矢量圖以及三維表面圖,并在各種圖上很方便地標(biāo)注、修改和制作可視化圖件。

1.3 計算分析功能

Surfer 8.0能夠進(jìn)行數(shù)學(xué)運算,數(shù)據(jù)統(tǒng)計,數(shù)據(jù)點平滑、微分、積分、傅立葉變換等多種數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析。利用Surfer 8.0還可完成趨勢面和地形分析,以及體積、面積和剖面計算等三維空間數(shù)據(jù)的分析和處理,并與插值、制圖等功能組合,構(gòu)成一個高效實用的信息平臺。

1.4 變異函數(shù)建模

Surfer 8.0的變異函數(shù)建模子系統(tǒng)使其成為一個更加完整的數(shù)據(jù)分析工具。同時,Surfer 8.0也支持多達(dá)12種變異函數(shù)理論模型:包括指數(shù)、高斯、線性、對數(shù)、塊金效應(yīng)、冪函數(shù)、二次、推理二次、球狀和孔穴效應(yīng)、立方和五球形等[2]。

2 Surfer 8.0方法的應(yīng)用研究

2.1 某地區(qū)淺層地下水質(zhì)量概況

選擇某地區(qū)地下水環(huán)境作為研究對象。該地區(qū)地下水埋藏較淺,淺層地下水為居民主要的飲用水源。在調(diào)查該地區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量狀況時,共設(shè)置了35個淺層地下水監(jiān)測點,監(jiān)測點鉆井井深50 m,分別對5,15,30和50 m不同深度進(jìn)行分層采樣,對高錳酸鹽指數(shù)、石油類、鐵、錳、總硬度、氯化物、硫酸鹽、pH、氨氮、六價鉻等10項指標(biāo)進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明,地下水15～50 m深處,鐵、錳含量超出《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—93)的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值(以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù),主要適用于集中式生活飲用水水源及工、農(nóng)業(yè)用水),部分監(jiān)測點位(5～30 m)還存在石油類和氨氮的超標(biāo)現(xiàn)象。鐵和錳超標(biāo)估計主要與當(dāng)?shù)赝寥乐需F和錳背景值偏高有關(guān),而石油類和氨氮出現(xiàn)超標(biāo)說明該地區(qū)部分地下水已經(jīng)受到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排污的影響。

2.2 地下水污染物空間分布狀況

從事地下水污染表征與評價時,首先應(yīng)了解地下水中各污染物的空間分布。

借助Surfer 8.0的 Kriging插值法,在用AutoCAD制作的該地區(qū)地下水采樣點分布圖基礎(chǔ)上,以氯化物為例,繪制了地下水15 m深處氯化物濃度分布等值線圖(圖1)。

圖1 某地區(qū)地下水中氯化物濃度分布狀況

從圖1中可以明顯看出,該地區(qū)淺層15 m深地下水中氯化物濃度的空間地理分布呈現(xiàn)兩大特征:一是存在兩個氯化物高濃度區(qū),分別位于中部偏東和偏北位置;二是氯化物濃度大多低于150 mg/L,符合《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(G B/T 14848—93)中的II類標(biāo)準(zhǔn)值(主要反映地下水化學(xué)組分的天然背景含量,適用于各種用途),氯化物高濃度中心區(qū)存在氯化物超過II類標(biāo)準(zhǔn)值但低于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值(以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù),主要適用于集中式生活飲用水水源及工、農(nóng)業(yè)用水)的現(xiàn)象,需要引起重視。

2.3 地下水污染狀況分區(qū)

地下水污染狀況分區(qū)圖是地下水污染表征與評價結(jié)果可視化方法之一,它以地下水背景值作為參考,反映地下水實測值與背景值的變化狀況[3],具有簡明、清晰、直觀等特點。其制作方法如下:

(1)計算各采樣點的單項指標(biāo)污染指數(shù)

按下式計算各采樣點的單項指標(biāo)(污染物)污染指數(shù):

式中:I——某單項指標(biāo)(污染物)的污染指數(shù);C——某項污染物的實測濃度,mg/L;C0——某項污染物的背景值,mg/L。

(2)計算各采樣點的多項指標(biāo)綜合污染指數(shù)

按下式計算各采樣點的多項指標(biāo)(污染物)綜合污染指數(shù):

式中:PI——各采樣點的多項指標(biāo)(污染物)綜合污染指數(shù)——某單項指標(biāo)(污染物)的污染指數(shù)I的平均值;Imax——某單項指標(biāo)(污染物)的污染指數(shù)I的最大值;n——指標(biāo)項數(shù)。

(3)繪制地下水污染狀況分區(qū)圖

根據(jù)PI值的計算結(jié)果,按表1的分級指數(shù)劃分地下水污染級別。

表1 地下水污染分級指數(shù)

利用Surfer 8.0的 Kriging插值法生成某地區(qū)淺層地下水15 m深處PI值的等值線圖,再通過Surfer 8.0中“屬性”對話框?qū)I值的等值線圖進(jìn)行顏色填充,即可生成某地區(qū)淺層地下水污染狀況分區(qū)圖(圖2)。

圖2 某地區(qū)地下水污染分區(qū)狀況

圖2清晰地表明:該地區(qū)淺層地下水15 m深處環(huán)境存在3個相對嚴(yán)重污染區(qū),其總面積約占該地區(qū)總面積的40%。結(jié)合圖1的結(jié)果可以看出,綜合污染指數(shù)表征的嚴(yán)重污染區(qū)不一定與單項污染指數(shù)表征的高濃度區(qū)完全重疊。前者反映的是地下水環(huán)境質(zhì)量的總體狀況,而后者顯示的是地下水中某單項指標(biāo)的狀況。在考慮地下水污染防治對策措施時,既要區(qū)別對待,又需統(tǒng)籌兼顧。

2.4 地下水污染趨勢分析

地下水污染趨勢的分析預(yù)測比較復(fù)雜。目前國內(nèi)外對此開展了很多研究,大多是在實驗的基礎(chǔ)上建立地下水污染預(yù)測的數(shù)學(xué)模型,通過MATLAB等軟件求解并繪制地下水污染趨勢圖[4],而對區(qū)域地下水污染的分析預(yù)測則研究較少。其中一個主要原因是由于地下水污染機(jī)理錯綜復(fù)雜,涉及因素眾多,難以用單一的數(shù)學(xué)模型來準(zhǔn)確描述。本研究嘗試采用多維圖形的方法來分析預(yù)測地下水污染空間的變動趨勢。而趨勢面就是這樣一種數(shù)學(xué)曲面:它能夠集中地反映地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)在較大范圍空間的變化狀況,從而形象直觀地對某區(qū)域地下水污染趨勢進(jìn)行預(yù)測。

趨勢面模型分析是用空間坐標(biāo)進(jìn)行多項式回歸,從中估計出最佳的回歸模型。地下水污染趨勢面模型[5]是以采樣點的坐標(biāo)(X,Y)和污染指數(shù)(Z)數(shù)據(jù)為依據(jù),建立二元多項式模型方程進(jìn)行趨勢預(yù)測。由于地下水污染趨勢面模型涉及到復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算,一般需要依靠計算機(jī)軟件來完成。Surfer 8.0雖然沒有提供趨勢面分析的命令,但在不編寫任何程序代碼的前提下,通過綜合利用Surfer 8.0的數(shù)據(jù)多項式回歸插值方法也可以繪制地下水的污染趨勢圖。圖3即是利用Surfer 8.0的3次多項式回歸插值法繪制的某地區(qū)地下水污染趨勢圖。

圖3 某地區(qū)地下水污染變化趨勢預(yù)測

從圖3可以看出,該地區(qū)淺層地下水15 m深處污染變化的分布趨勢是重污染區(qū)將有可能逐步向中部發(fā)展。為此,應(yīng)從兩方面做好準(zhǔn)備:一是對可能受到污染影響的中部區(qū)塊強(qiáng)化地下水監(jiān)測,掌握其實際發(fā)展?fàn)顩r,建立預(yù)警機(jī)制;二是采取對策消除或減緩這種趨勢的蔓延,防止地下水污染范圍和程度的進(jìn)一步擴(kuò)大和加劇。

2.5 地下水污染關(guān)聯(lián)分析

Surfer 8.0具有的三維圖形堆疊功能為分析地下水污染的相關(guān)因素提供了很好的手段。在本研究中特將某地區(qū)工業(yè)污染源分布圖與不同深度的地下水中鐵濃度等值線圖進(jìn)行堆疊,制成三維疊圖(圖4),借以分析地下水中鐵濃度與當(dāng)?shù)毓I(yè)污染源分布狀況的相關(guān)性。

圖4 某地區(qū)地下水污染分布與地下水中鐵濃度的相關(guān)關(guān)系

從圖4可以看出,在地表深處5 m以上,基本上是工業(yè)污染源密度較大的地方,其地下水中鐵濃度相對較高,而5 m以下深處則相關(guān)性不明顯。這從側(cè)面說明工業(yè)污染源分布與部分地區(qū)淺層地下水污染有一定的相關(guān)性。由此可以進(jìn)一步分析研究地下水污染成因,從而為有針對性地采取地下水污染防治措施提供依據(jù)。

3 結(jié)語

地下水污染表征與評價由于涉及因素較多,通常難以通過較為簡便的方法獲得比較符合實際的結(jié)果。Surfer 8.0具有強(qiáng)大的繪圖、插值和分析計算等功能,為地下水污染表征與評價又提供了一種有效實用和簡單直觀的可視化方法,預(yù)計在地下水污染物空間分布狀況、地下水污染狀況分區(qū)、地下水污染趨勢分析、地下水污染關(guān)聯(lián)分析等方面將會得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。

[1]陸志波,陸雍森.Surfer 8.0在環(huán)境評價和規(guī)劃中的應(yīng)用[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2005,33(2):191-195.

[2]白世彪,王軍見,閭國年,等.Surfer軟件在水下地形三維可視化與分析中的應(yīng)用[J].海洋測繪,2004,24(5):51-53.

[3]張魁忠,于鴻珍.關(guān)于地下水污染現(xiàn)狀評價標(biāo)準(zhǔn)和方法選擇的探討[J].環(huán)境科技,1994,16(6):42-44.

[4]岳梅.淮南市區(qū)淺層地下水污染預(yù)測模型探討[J].地下水,2002,24(2):77-78.

[5]襲炯良,王旭波,鄭劍寧,等.應(yīng)用趨勢面模型分析傳染性疾病的地理分布趨勢[J].中華疾病控制雜志,2005,9(2):131-133.

Application of America Surfer8.0 on Evaluation of Groundwater Quality

WANG Min1,SUN Min1,ZENG Rui2

(1.Research Institute of Exploration and Development,SINOPEC Southwest Oil and Gas Company,Chengdu,Sichuan 610081,China;2.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming U-niversity of Science and Technology,Kunming,Yunnan 650051,China)

With the case study of application of surfer8.0 to evaluate the quality of groundwater environment for west Sichuan gas field,the applications of spatial map of pollution concentration distribution in shallow groundwater,groundwater quality partition map,pollution partition map,pollution trends and causes analysis were presented.

groundwater;software surfer 8.0;environment quality evaluation

X824

B

1674-6732(2011)-04-0030-05

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.04.009

2010-02-25;修改日期:2010-05-05

王敏(1979—),男,工程師,碩士,從事油氣田環(huán)境監(jiān)測與環(huán)?？萍佳邪l(fā)工作。