張建芝　孟鶴　張燕

關(guān)鍵詞：黃河沖洪積平原區(qū);趨勢(shì)面分析;地下水環(huán)境;最小二乘法

地下水資源是指賦存和運(yùn)移于巖層中的、其質(zhì)和量具有一定利用價(jià)值的地下水（陳夢(mèng)熊等，2002）。其在國民生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，是人們生活飲用水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的重要供水水源。根據(jù)《中國水資源公報(bào)》，近5年來，我國地下水供水量占全國供水總量15.4%～17.5%，其中淺層地下水為主要地下水供水水源，占比超過95%。

然而，近年來，隨著人類活動(dòng)的影響，地下水環(huán)境問題日益突出，地下水資源開發(fā)利用引發(fā)的地下水降落漏斗、地面沉降、生態(tài)景觀破壞及地下水污染問題不斷發(fā)生。根據(jù)《中國環(huán)境狀況公報(bào)》多年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從2010年開始，我國地下水水質(zhì)較差（Ⅳ類）和極差（Ⅴ類）等級(jí)的地下水已超過了前3種等級(jí)之和，水質(zhì)惡化趨勢(shì)明顯（唐國品等，2021）。

地下水環(huán)境呈現(xiàn)的各種問題也引發(fā)了業(yè)內(nèi)專家學(xué)者及各界人士的廣泛關(guān)注，在地下水環(huán)境演化規(guī)律、水質(zhì)評(píng)價(jià)及水質(zhì)預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行了大量的研究與討論。韓琳（2021）采用單因子和多因子兩種評(píng)價(jià)方法對(duì)濟(jì)南地區(qū)巖溶水進(jìn)行了污染程度評(píng)價(jià)，采用DRASTIC模型對(duì)濟(jì)南地區(qū)的防污程度進(jìn)行了分區(qū)，并給出了相應(yīng)的保護(hù)措施，為濟(jì)南地下水開采與保護(hù)提供可靠依據(jù);張中祥等（2018）采用地下水環(huán)境演化綜合指數(shù)法，對(duì)山東省地下水環(huán)境演化程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，劃分出優(yōu)向演化區(qū)、波動(dòng)平衡區(qū)、劣向演化區(qū)，是對(duì)近30年來人類工程活動(dòng)影響下，山東省地下水環(huán)境演化規(guī)律的系統(tǒng)總結(jié);唐賀（2020）采用改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)大連市瓦房店區(qū)域11處國家地下水監(jiān)測(cè)井水環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果較為準(zhǔn)確客觀;李培月（2014）以寧夏衛(wèi)寧平原為例，采用數(shù)值模擬法建立了研究區(qū)地下水流及水質(zhì)三維模型，預(yù)測(cè)了人類活動(dòng)對(duì)地下水環(huán)境的影響情況，并提出了相應(yīng)的地下水環(huán)境保護(hù)措施;劉月（2016）采用層次分析法和時(shí)間序列分析法綜合分析評(píng)價(jià)了山東省典型地下水源地水環(huán)境狀況，提出了改善山東省地下水源地水環(huán)境狀況的措施及建議。

以上成果的研究方法大多采用確定性評(píng)價(jià)模型，其評(píng)價(jià)結(jié)果較為直觀、確切，能較為精確明了地反映出研究區(qū)地下水環(huán)境特征。該類研究方法一般用于地下水環(huán)境研究程度較高的、水文地質(zhì)條件較為明確的地區(qū)，但此類方法對(duì)于地下水水位、水質(zhì)以及降水量等水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的需求較高。本文以濟(jì)南市濟(jì)陽區(qū)為例，依托于山東省1： 50000（濟(jì)陽幅）區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目開展，為進(jìn)一步查明研究區(qū)地下水環(huán)境現(xiàn)狀，采用趨勢(shì)面分析法對(duì)地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用其能夠提取區(qū)域性變化規(guī)律，突出局部異常的特點(diǎn)，圈定數(shù)據(jù)異常區(qū)或異常點(diǎn)，通過異常分析，揭示異常點(diǎn)成因及周邊地下水環(huán)境條件以及地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件及其演化特征等，為下一步地下水資源的開發(fā)利用及保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1研究方法

地學(xué)信息中一般包含反映區(qū)域性變化、反映局部性變化以及反映隨機(jī)性變化的三部分信息，趨勢(shì)面分析就是對(duì)數(shù)據(jù)中包含的三部分信息進(jìn)行分析，排除隨機(jī)干擾部分，提取區(qū)域性變化規(guī)律，突出局部異常（趙鵬大，2004）。趨勢(shì)面分析法是多元統(tǒng)計(jì)分析方法的一種，其特點(diǎn)是能處理多變量、多樣本的海量數(shù)據(jù)，能有效分析某一種屬性數(shù)據(jù)在空間上的分布規(guī)律與變化趨勢(shì)（王江萍等，2009），廣泛應(yīng)用于地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、礦產(chǎn)資源分布規(guī)律以及地下水化學(xué)組分分布規(guī)律研究等方面（董冬等，2020;張艷偉等，2015;張玲玲等，2014;李洪興等，2012）。

本文采用的研究方法為多項(xiàng)式趨勢(shì)面分析法，該方法的實(shí)施步驟大致分為建立多項(xiàng)式趨勢(shì)面方程、趨勢(shì)面方程擬合、擬合度及顯著性檢驗(yàn)、剩余分析4個(gè)部分。

1.1多項(xiàng)式趨勢(shì)面方程

采用多項(xiàng)式形式表達(dá)趨勢(shì)面，對(duì)于n次二維趨勢(shì)面，其數(shù)學(xué)方程表達(dá)式為：

為檢驗(yàn)趨勢(shì)的顯著性，對(duì)趨勢(shì)面進(jìn)行F檢驗(yàn)，根據(jù)公式（4）計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F=40.67。F遵循第一自由度為5，第二自由度為19的F分布，給定檢驗(yàn)水平0.05，查F分布表得，F(xiàn)_0.05（5，19）=2.74，則檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F= 40.67>F_0.05（5，19），故在0.05水平下，趨勢(shì)面所反映的變異性是顯著的。

2.3異常區(qū)圈定及影響因素

2.3.1異常區(qū)圈定

趨勢(shì)面確定后，需進(jìn)行剩余分析，圈定區(qū)域異常區(qū)。具體操作步驟：1）根據(jù)實(shí)測(cè)值和趨勢(shì)值求出各觀測(cè)點(diǎn)的偏差值（表1），利用Surfer作圖軟件（白世彪等，2012）制作Cl^-含量等值線圖及Cl^-含量偏差等值線圖（圖1、圖2）;2）根據(jù)公式（5）、公式（6）確定異常限值，經(jīng)計(jì)算研究區(qū)地下水Cl^-含量異常限值分別為：R⁺=23.57;R^-=-15.38;3）根據(jù)第2步中計(jì)算的異常限值，將地下水Cl^-含量偏差大于23.57 mg·L^-1和小于-15.38 mg.L^-1的區(qū)域均劃分為異常區(qū)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，落在正異常區(qū)的觀測(cè)點(diǎn)：Q4、Q17、Q20、Q21;落在負(fù)異常區(qū)的觀測(cè)點(diǎn)：Q7、Q9、Q14、Q15、Q16、Q24。

2.3.2影響因素分析

根據(jù)研究區(qū)Cl^-含量異常區(qū)劃分結(jié)果（圖2），結(jié)合實(shí)地調(diào)查，將地下水Cl^-含量異常影響因素大致分為水文地質(zhì)背景和人類活動(dòng)影響兩大類。其中人類活動(dòng)影響又分為水源地地下水開采、工業(yè)廢水排放、地表水補(bǔ)給、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活污水排放等幾個(gè)因素。異常區(qū)Cl^-含量受其中一個(gè)因素或多個(gè)因素的共同影響，各異常點(diǎn)受影響因素的影響情況見表2。

1）水文地質(zhì)背景

研究區(qū)地處黃河沖積平原區(qū)，地下水類型主要為松散巖類孔隙水，根據(jù)含水層的埋藏條件、含水介質(zhì)及水質(zhì)等特征，將地下水類型分為淺層孔隙水（潛水、微承壓水）、深層孔隙水（承壓水）和中層咸水（承壓水）。地下水的主要補(bǔ)給來源包括大氣降水入滲、黃河入滲、灌溉入滲以及地下水側(cè)向徑流等，排泄途徑為潛水蒸發(fā)、人工開采和河流側(cè)滲等。淺層孔隙水（50 m以淺）主要以淡水為主，位于區(qū)內(nèi)西南角東鹽場(chǎng)村附近的異常區(qū)為咸水出露區(qū)，地下水為大陸鹽化成因咸水。該區(qū)位于古河道之間的徑流滯緩區(qū)，埋深淺，地下水動(dòng)態(tài)為典型的氣象一蒸發(fā)型，徑流條件差，地下水循環(huán)交替強(qiáng)度較差，黏土礦物高，在溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用、離子吸附交換作用等水化學(xué)作用影響下，地下水中鹽分不斷積累形成咸水（張鳳娟，2015）。

2）人類活動(dòng)影響

①水源地開采。區(qū)內(nèi)分布溝楊水源地和曹家水源地，兩處水源地的開采層位均為淺層孔隙水，深度50m左右，常年開采使得水源地周邊形成一定程度的地下水降落漏斗，漏斗中心最大降深8m左右。水源地的開采改變了周邊地下水的補(bǔ)徑排條件，地下水位的下降激發(fā)了周邊地表水的入滲及地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給，進(jìn)而增強(qiáng)了地下水的混合作用、溶濾作用以及離子交換作用等水化學(xué)作用，從而引發(fā)地下水中Cl^-含量異常（呂路等，2017）。

②工業(yè)廢水排放。區(qū)內(nèi)工礦企業(yè)主要分布于北部濟(jì)陽城區(qū)及周邊，企業(yè)類型包括食品加工、化學(xué)肥料生產(chǎn)以及精細(xì)化工原料生產(chǎn)等，其生產(chǎn)廢水污染組分復(fù)雜，部分污水氯離子、硝酸根離子含量達(dá)1000mg·L^-1以上。企業(yè)生產(chǎn)廢水經(jīng)處理后，通過管道、溝渠等排至地表水系，地表水通過滲漏或以灌溉入滲的形式補(bǔ)給地下水，造成地下水水質(zhì)惡化，從而引發(fā)地下水化學(xué)組分異常。

③地表水補(bǔ)給。研究區(qū)地表水系發(fā)育，分布有黃河、牧馬河、垛石河、大寺干溝以及邢家渡引黃渠等眾多河流。地表水的補(bǔ)給抬升了周邊區(qū)域淺層地下水水位，潛水蒸發(fā)量隨地下水位埋深的減小而急劇增加，在蒸發(fā)濃縮作用、溶濾作用以及離子吸附交換作用等水化學(xué)作用影響下，地下水中鹽分不斷積累，導(dǎo)致地下水Cl^-含量異常。

④農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活污水排放。區(qū)內(nèi)村莊分布密集，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)劇烈。一方面，農(nóng)業(yè)耕植活動(dòng)中使用的化肥、農(nóng)藥通過雨水淋濾、灌溉回滲進(jìn)入地下水，造成地下水污染;另一方面，村莊生活污水無組織排放引發(fā)周邊地表水污染，地表水通過入滲、灌溉回滲補(bǔ)給地下水，導(dǎo)致地下水污染，從而引發(fā)地下水化學(xué)成分含量異常。

3結(jié)論與建議

3.1結(jié)論

1）本文采用趨勢(shì)面分析法，以地下水Cl^-含量為研究對(duì)象，建立了研究區(qū)地下水Cl^-含量二次趨勢(shì)面方程，通過剩余分析圈定了7處異常區(qū)，其中：正異常區(qū)共4處，區(qū)內(nèi)包含異常點(diǎn)4個(gè)，主要分布于研究區(qū)西南角東鹽場(chǎng)村、中部溝楊村、東部曹家村以及濟(jì)陽區(qū)城區(qū)北側(cè)附近;負(fù)異常區(qū)共3處，區(qū)內(nèi)包含異常點(diǎn)6個(gè)，主要分布于牧馬河及黃河兩側(cè)附近。經(jīng)收集資料分析及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，圈定的異常區(qū)基本能反映出研究區(qū)內(nèi)自然地質(zhì)條件異常和人類活動(dòng)影響等異常信息。

2）趨勢(shì)面分析法可通過擬合分析地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提取地下水水化學(xué)規(guī)律，突出異常成分。因此，該方法可為深入研究水文地質(zhì)條件和人類活動(dòng)對(duì)地下水水質(zhì)影響提供依據(jù)。

3.2建議

1）在進(jìn)行趨勢(shì)面方程擬合時(shí)，應(yīng)根據(jù)研究范圍選取合適的擬合點(diǎn)數(shù)量，防止擬合點(diǎn)數(shù)量偏少導(dǎo)致擬合方程失真，同時(shí)也避免擬合點(diǎn)數(shù)量過多導(dǎo)致過度擬合現(xiàn)象。

2）趨勢(shì)面分析法劃定地學(xué)信息異常區(qū)是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)原理進(jìn)行的，其劃定結(jié)果往往與研究區(qū)實(shí)際存在一定偏差，因此，在異常分析時(shí)應(yīng)注重以往資料的分析及實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證工作。