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源。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人們對水資源的需求也日益增加，進(jìn)而加大了地下水開采力度，地下水超采導(dǎo)致水生態(tài)環(huán)境問題頻發(fā)[1-3]，如含水層地下水疏干、有毒有害污染物通過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，在地下水資源的開發(fā)利用中水化學(xué)特征分析研究以及水質(zhì)變化趨勢分析受到人們越來越多的關(guān)注。本文通過對大連市地下水化學(xué)特征分布進(jìn)行研究，以及運(yùn)用秩相關(guān)系數(shù)對地下水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行趨勢分析，為地下水資源保護(hù)、開發(fā)利用提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

分析評價數(shù)據(jù)主要采用遼寧省水環(huán)境監(jiān)測中心大連分中心長系列的地下水監(jiān)測資料。分析污染物變化趨勢常用的方法為Daniel的趨勢檢驗[6]，一般采用斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)分析進(jìn)行Daniel趨勢檢驗，計算公式為

di=Xi-Yi

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

將秩相關(guān)系數(shù)的絕對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，則表明變化趨勢有顯著意義；當(dāng)|r|>Wp時，則表明變化趨勢沒有顯著意義，說明在評價時段內(nèi)水質(zhì)變化穩(wěn)定或平穩(wěn)。

在地下水趨勢分析評價過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)較多時，傳統(tǒng)的計算方法就顯得復(fù)雜而煩瑣。如大連市地表水質(zhì)量監(jiān)測斷面多達(dá)58個，國家地下水監(jiān)測井43處，如果對這些斷面的監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行多時段變化趨勢分析，需要耗費(fèi)大量的時間成本。為了減輕工作量，提高工作效率，應(yīng)采用Visual FoxPro(VFP)計算機(jī)語言對Daniel趨勢檢驗進(jìn)行編程。

2 程序的設(shè)計

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)多時段樣本值數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表(YBZ.DBF)，見表2。

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

2.3 源程序

建立秩相關(guān)系數(shù)計算源程序ZXGXS.PRG。源程序由臨界值表數(shù)據(jù)庫(LJZ.DBF)和樣本值數(shù)據(jù)庫(YBZ.DBF)組成，需要輸入?yún)?shù)：樣本值個數(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)測結(jié)果

運(yùn)行程序時輸入2個參數(shù)時段個數(shù)(N)和顯著性水平(α)，如DO ZXGXS WITH 7，0.05，表示時段個數(shù)為7，顯著性水平采用0.05。選擇大連市地下水長系列監(jiān)測資料，共16個監(jiān)測點(diǎn)，運(yùn)用編寫的VFP程序進(jìn)行斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)計算，時段長度為2012—2018年，顯著水平α=0.05，結(jié)果見表3。

表3 大連市16個地下水水質(zhì)變化趨勢分析

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

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

大連市16個地下水監(jiān)測站點(diǎn)中，興民、付家、二十里、黃旗、蘇家、大王村、小黑石、雙臺溝、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項監(jiān)測指標(biāo)均無明顯變化趨勢；尹家、南鴉鸕嘴和黃泥川監(jiān)測站點(diǎn)水質(zhì)變化較為平穩(wěn)，參與分析的5項指標(biāo)中，硝酸鹽氮呈顯著下降趨勢；四十里參與趨勢分析的5項指標(biāo)中，高錳酸鹽指數(shù)呈顯著上升趨勢，硝酸鹽氮呈顯著下降趨勢；東泥河水質(zhì)惡化趨勢明顯，參與分析的5項監(jiān)測指標(biāo)中，高錳酸鹽指數(shù)、礦化度、總硬度均呈顯著上升趨勢；北李屯監(jiān)測站點(diǎn)水質(zhì)有明顯向好的趨勢轉(zhuǎn)變，5項分析指標(biāo)中，僅高錳酸鹽指數(shù)1項指標(biāo)變化平穩(wěn)，其余4項指標(biāo)均呈顯著下降趨勢。

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項指標(biāo)是衡量地下水質(zhì)量優(yōu)劣的重要參數(shù)，若地下水中的礦化度和總硬度過高、pH值超標(biāo)時，將會對人體的健康產(chǎn)生一定的影響[8]。因此，本文通過對大連市礦化度、總硬度和pH值3項指標(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，碧流河流域下游入海口附近城子坦監(jiān)測井礦化度較高，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%?？傆捕瘸瑯?biāo)的主要有3個區(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—瓦房店元臺鎮(zhèn)—炮臺—復(fù)州灣一帶，面積為695.60km2，占全市總面積的5.53%；甘井子營城子街道—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?？诔亲犹规?zhèn)，該鎮(zhèn)附近無飲用水取水口，對城鎮(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)測結(jié)果，全市地下水僅有1處監(jiān)測點(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、大沙河流域劉大水庫以及英那河流域入?？诟浇４筮B市地下水pH值分布情況見圖3。

圖3 大連市地下水pH值分布情況

4 結(jié) 語

為落實(shí)新時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水資源調(diào)查評價要求，摸清了2000年以來地下水質(zhì)量分布情況及其變化趨勢。本文基于Visual FoxPro計算機(jī)語言，采用斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)的方法，對大連市地下水趨勢變化情況進(jìn)行了分析，解決了對長系列數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢變化分析時需要耗費(fèi)大量時間成本的問題，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。

通過對大連市地下水分布情況及趨勢變化進(jìn)行分析，及時掌握和分析評價地下水資源情勢新變化，為建立全面、系統(tǒng)、翔實(shí)的水資源基礎(chǔ)信息平臺提供了數(shù)據(jù)支撐，并在今后一個時期為形成較為規(guī)范化的滾動調(diào)查評價機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。