黃 丹， 劉再斌,2， 蔣勤明

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054； 3.冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司， 河北 邢臺 054000)

1 研究背景

礦井地下水是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的一個重要組成部分，其水質(zhì)狀況與當(dāng)?shù)鼐用裆罴暗V井生產(chǎn)息息相關(guān)，而且，在自然和人類活動的影響下，礦區(qū)含水層水質(zhì)參數(shù)也必然受到影響[1]。由于人口增加、工農(nóng)業(yè)污染、全球氣候變化、溫室氣體及臭氧層的消耗以及其他各種原因引起的水資源壓力增大，評估水質(zhì)參數(shù)的演變趨勢對地下水演化特征、合理利用水資源、識別礦井突水水源、井下器材的保護(hù)等都具有重要的理論和實際意義[2-3]。

在我國，王文科等[10]針對人類活動影響下的地下水與地表水的水質(zhì)演化的研究，對關(guān)中盆地地下水環(huán)境演化與可再生維持途徑進(jìn)行了研究，闡述了自然演化疊加人類活動所引起的水化學(xué)環(huán)境在不同時空尺度上的演變。劉冬青[11]利用非參數(shù)檢驗研究水質(zhì)變化趨勢，王小煥等[12]運用R/S法查明入、出庫水質(zhì)的未來變化趨勢。此類相關(guān)研究使得地下水水化學(xué)參數(shù)變化趨勢的研究方法不斷豐富。

本文在收集峰峰礦區(qū)新三礦實測水化學(xué)資料的基礎(chǔ)上，采用ITA法[13](Innovative Trend Analysis)對砂巖水、野青灰?guī)r水、山青灰?guī)r水、伏青灰?guī)r水、大青灰?guī)r水和奧陶灰?guī)r水的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析，并將該方法以定量的形式(ITA指數(shù)：D)應(yīng)用在水質(zhì)參數(shù)分析上，按照百分位數(shù)劃分為低、中、高以圖形的方式表示出來。然后，對MK檢驗以及ITA兩種分析法的結(jié)果進(jìn)行比較，得到最近8年的礦區(qū)含水層水質(zhì)參數(shù)變化特征和趨勢分析結(jié)果，為新三礦水資源保護(hù)合理利用提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

表1 水質(zhì)參數(shù)值統(tǒng)計概況

3 研究方法

3.1 MK檢驗法

Mann-Kendall檢驗法是被世界氣象組織承認(rèn)的廣泛應(yīng)用于非參數(shù)型趨勢檢測方法，其優(yōu)點是樣本可以不服從正態(tài)分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，一般用于水文、氣象和一些非正態(tài)分布的時間序列的趨勢分析及突變檢驗?；竟饺缦拢?/p>

(1)

(2)

式中：xi和xj為在時間i和j時的數(shù)據(jù)值，且j>i；n為序列長度，且n>10。

Var(S)=

(3)

(4)

在雙邊的趨勢檢驗中，在給定的α置信水平上，如果|Z|≥Z1-α/2，則原假設(shè)是不可接受的，即在α置信水平上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢[14]。文中采用三類顯著性水平：0.01，0.05和0.1。

3.2 ITA方法

相較于MK和SR檢驗法，ITA并不要求數(shù)據(jù)是獨立的或者是正態(tài)分布的，該方法把時間序列分為2～3個部分，并且每1個小部分按照升序排列。然后將1∶1這條線也置于同樣坐標(biāo)系內(nèi)，如果時間序列靠近這條線并且不超過10%的差，則認(rèn)為該序列無增減趨勢。若數(shù)據(jù)序列在1∶1這條線上方或下方，則認(rèn)為該序列呈上升或下降趨勢[15]。文中將每一個參數(shù)的數(shù)值根據(jù)百分位數(shù)分為低、中、高3部分，分別以40百分位數(shù)和60百分位數(shù)為界，并根據(jù)ITA指數(shù)D來表征趨勢增減性[16]，見公式(5)。當(dāng)數(shù)值變化范圍較小但變化趨勢對生產(chǎn)生活影響較大不能忽略時，該指數(shù)值不足以清楚顯示變化趨勢，這時可參考公式(6)。

(5)

(6)

4 水質(zhì)參數(shù)特征分析結(jié)果與討論

在做MK檢驗和ITA方法之前，首先采用箱線圖進(jìn)行探索性分析，它能反映數(shù)據(jù)的左或右偏態(tài)分布。箱線圖由最小值、最大值、中值、上四分位數(shù)、下四分位數(shù)、極值和異常值組成。

圖1(a～h)是不同水質(zhì)參數(shù)在砂巖水、野青灰?guī)r水、山青灰?guī)r水、伏青灰?guī)r水、大青灰?guī)r水和奧陶灰?guī)r水(簡寫為砂巖、野青、山青、伏青、大青、奧陶)的箱線圖，可以看出大多數(shù)的參數(shù)顯示或左或右的偏態(tài)，pH、COD、Na++K+、Cl-和SO42-出現(xiàn)個別異常值，基本位于最大值一側(cè)，各個含水層水質(zhì)參數(shù)變化較大。

各個含水層的MK趨勢檢驗結(jié)果見表2，包括每一個參數(shù)的Z值，并與90%、95%和99%的雙邊置信水平的臨界Z值進(jìn)行了比較，可以看出一些參數(shù)呈顯著的上升或下降趨勢，一些則無趨勢。

表2 各水質(zhì)參數(shù)在各含水層的MK趨勢檢驗結(jié)果統(tǒng)計表

注：***表示通過99%置信度檢驗； **表示通過95%置信度檢驗； *通過90%置信度檢驗。

圖2、3中的每一個圖表示將時間序列均分為兩部分，其中橫坐標(biāo)表示時間序列前半部分?jǐn)?shù)據(jù)即2009年上半年至2012年下半年統(tǒng)計的該水質(zhì)參數(shù)的濃度，縱坐標(biāo)表示時間序列后半部分?jǐn)?shù)據(jù)即2013年上半年至2016年下半年統(tǒng)計的該水質(zhì)參數(shù)的濃度；若時間序列長度為奇數(shù)則去掉最早的一個數(shù)據(jù)。通過表3及圖2、3可以看出，雖然根據(jù)MK檢驗法有些參數(shù)無趨勢，但是通過ITA方法可以看出明顯的上升或下降趨勢。對于砂巖含水層，Na++K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-兩種方法都顯示了相同的下降趨勢，pH均呈上升趨勢。

總的來說，兩種方法有顯著趨勢的參數(shù)個數(shù)一致，說明兩種方法有很好的一致性。若要準(zhǔn)確判斷地下水水質(zhì)參數(shù)變化趨勢，仍需增加水質(zhì)監(jiān)測點位和提高時間分辨率，基于月或日的數(shù)據(jù)可能會得到更有價值的信息。

表3 各水質(zhì)參數(shù)在各含水層的ITA指數(shù)統(tǒng)計表

圖1 8種水質(zhì)參數(shù)值在6個含水層的箱線圖

圖2 Na++K+含量ITA結(jié)果圖

5 結(jié) 論

(1)通過對新三礦含水層水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行趨勢分析得出隨著時間(2009-2016年)和含水層的不同，水質(zhì)參數(shù)亦發(fā)生變化。Ca2+是對含水層水質(zhì)變化最重要的參數(shù)之一，5/6的含水層均存在顯著趨勢，Mg2+同樣在多數(shù)含水層中為顯著下降趨勢，地下水的總硬度逐漸降低對新三礦的生產(chǎn)活動是一個非常重要的方面，并且其他參數(shù)與平均值相比大多在正常范圍內(nèi)。

圖含量ITA結(jié)果圖

(3)將定量化的ITA指數(shù)D應(yīng)用在水質(zhì)分析上，并針對不同變化范圍的時間序列采用不同的公式計算，結(jié)果顯示，與MK檢驗法相比計算結(jié)果基本一致。

(4)雖然一些參數(shù)通過MK方法沒有明顯的趨勢，但是借助于ITA可以通過圖形的方式觀測到一些隱性的次級趨勢。相比MK趨勢分析，ITA方法以圖像的方式更易于理解和計算，不需要一系列假設(shè)，它可以用更少的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析且允許數(shù)據(jù)有偏態(tài)，可以檢測趨勢變化中的低、中、高參數(shù)值不同階段的微趨勢，為水質(zhì)參數(shù)趨勢分析提供了更詳細(xì)的方法。