美国Surfer 8.0软件在地下水环境质量评价中的应用

王 敏,孙 敏,曾 睿

(1.中国石化西南油气分公司勘探开发研究院,四川 成都 610081;2.昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南 昆明 650051)

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美国Surfer 8.0软件在地下水环境质量评价中的应用

王 敏1,孙 敏1,曾 睿2

(1.中国石化西南油气分公司勘探开发研究院,四川 成都 610081;2.昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南 昆明 650051)

通过Surfer 8.0软件在某地地下水环境评价中的应用实例,重点阐述了其在浅层地下水污染物浓度空间分布图绘制、地下水质量分区图绘制、地下水污染分区图绘制、区域地下水污染趋势分析、地下水污染原因分析等方面的应用。

地下水;Surfer 8.0软件;环境质量评价

0 引言

随着中国经济的高速发展,近年来地下水污染问题越来越多地引起人们的关注。科学准确地表征与评价地下水污染状况及变化趋势,进而为有效地保护和改善地下水环境质量提供决策依据,已经成为环境科学与工程领域的又一大热点问题。而对于地下水污染物浓度及其空间分布的可视化表达,则是地下水污染表征与评价的关键技术之一,也是目前地下水环境质量研究的一个难点。传统的地下水污染表征与评价是以地下水采样点的实测结果进行文字描述,并据此以点带面地研究地下水污染物浓度及其空间分布特征。这种方法虽然能比较客观地表明各采样点的实际污染状况,但其直观性不够,而且难以系统地反映整个区域的地下水环境质量总体状况。

地理信息系统(GIS)中的Surfer 8.0软件具有强大的绘图、插值和分析计算等功能,已广泛应用于矿业勘探、工程测绘、地质调查、气象预报等部门。将其基本原理和主要功能拓展到地下水污染表征与评价领域,一方面扩大了Surfer 8.0的应用范围,另一方面,对探索新的地下水污染表征与评价方法也是一种有益尝试。

1 Surfer 8.0及其基本功能

Surfer 8.0是美国 Golden公司自主研发的用于处理空间数据和制作等高线及三维地形立体图的专用软件。相比其家族的前期版本,Surfer 8.0增加了许多新的功能,特别是插值、制图及对图像的后期处理等[1]。

1.1 插值功能

Surfer 8.0提供了反距离加权插值法、Krig-ing插值法、最小曲率法、改进 Shepard插值法、自然邻点插值法、最近邻点插值法、多元回归法、径向基函数法、线性插值三角网法、移动平均法、局部多项式法和数据度量法等12种数值内插方法,可以非常方便地对中、小离散数据进行插值处理。

1.2 制图功能

Surfer 8.0具有强大的绘图能力,不仅能将离散数据经过插值生成规则的格网数据,而且还可将其转换成丰富多彩的基面图、数据点位图、分类数据图、等值线图、地形地貌图、趋势图、矢量图以及三维表面图,并在各种图上很方便地标注、修改和制作可视化图件。

1.3 计算分析功能

Surfer 8.0能够进行数学运算,数据统计,数据点平滑、微分、积分、傅立叶变换等多种数据处理和数据分析。利用Surfer 8.0还可完成趋势面和地形分析,以及体积、面积和剖面计算等三维空间数据的分析和处理,并与插值、制图等功能组合,构成一个高效实用的信息平台。

1.4 变异函数建模

Surfer 8.0的变异函数建模子系统使其成为一个更加完整的数据分析工具。同时,Surfer 8.0也支持多达12种变异函数理论模型:包括指数、高斯、线性、对数、块金效应、幂函数、二次、推理二次、球状和孔穴效应、立方和五球形等[2]。

2 Surfer 8.0方法的应用研究

2.1 某地区浅层地下水质量概况

选择某地区地下水环境作为研究对象。该地区地下水埋藏较浅,浅层地下水为居民主要的饮用水源。在调查该地区地下水环境质量状况时,共设置了35个浅层地下水监测点,监测点钻井井深50 m,分别对5,15,30和50 m不同深度进行分层采样,对高锰酸盐指数、石油类、铁、锰、总硬度、氯化物、硫酸盐、pH、氨氮、六价铬等10项指标进行了检测。结果表明,地下水15～50 m深处,铁、锰含量超出《地下水环境质量标准》(GB/T 14848—93)的Ⅲ类标准值(以人体健康基准值为依据,主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水),部分监测点位(5～30 m)还存在石油类和氨氮的超标现象。铁和锰超标估计主要与当地土壤中铁和锰背景值偏高有关,而石油类和氨氮出现超标说明该地区部分地下水已经受到工农业生产排污的影响。

2.2 地下水污染物空间分布状况

从事地下水污染表征与评价时,首先应了解地下水中各污染物的空间分布。

借助Surfer 8.0的 Kriging插值法,在用AutoCAD制作的该地区地下水采样点分布图基础上,以氯化物为例,绘制了地下水15 m深处氯化物浓度分布等值线图(图1)。

图1 某地区地下水中氯化物浓度分布状况

从图1中可以明显看出,该地区浅层15 m深地下水中氯化物浓度的空间地理分布呈现两大特征:一是存在两个氯化物高浓度区,分别位于中部偏东和偏北位置;二是氯化物浓度大多低于150 mg/L,符合《地下水环境质量标准》(G B/T 14848—93)中的II类标准值(主要反映地下水化学组分的天然背景含量,适用于各种用途),氯化物高浓度中心区存在氯化物超过II类标准值但低于Ⅲ类标准值(以人体健康基准值为依据,主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水)的现象,需要引起重视。

2.3 地下水污染状况分区

地下水污染状况分区图是地下水污染表征与评价结果可视化方法之一,它以地下水背景值作为参考,反映地下水实测值与背景值的变化状况[3],具有简明、清晰、直观等特点。其制作方法如下:

(1)计算各采样点的单项指标污染指数

按下式计算各采样点的单项指标(污染物)污染指数:

式中:I——某单项指标(污染物)的污染指数;C——某项污染物的实测浓度,mg/L;C0——某项污染物的背景值,mg/L。

(2)计算各采样点的多项指标综合污染指数

按下式计算各采样点的多项指标(污染物)综合污染指数:

式中:PI——各采样点的多项指标(污染物)综合污染指数——某单项指标(污染物)的污染指数I的平均值;Imax——某单项指标(污染物)的污染指数I的最大值;n——指标项数。

(3)绘制地下水污染状况分区图

根据PI值的计算结果,按表1的分级指数划分地下水污染级别。

表1 地下水污染分级指数

利用Surfer 8.0的 Kriging插值法生成某地区浅层地下水15 m深处PI值的等值线图,再通过Surfer 8.0中“属性”对话框对PI值的等值线图进行颜色填充,即可生成某地区浅层地下水污染状况分区图(图2)。

图2 某地区地下水污染分区状况

图2清晰地表明:该地区浅层地下水15 m深处环境存在3个相对严重污染区,其总面积约占该地区总面积的40%。结合图1的结果可以看出,综合污染指数表征的严重污染区不一定与单项污染指数表征的高浓度区完全重叠。前者反映的是地下水环境质量的总体状况,而后者显示的是地下水中某单项指标的状况。在考虑地下水污染防治对策措施时,既要区别对待,又需统筹兼顾。

2.4 地下水污染趋势分析

地下水污染趋势的分析预测比较复杂。目前国内外对此开展了很多研究,大多是在实验的基础上建立地下水污染预测的数学模型,通过MATLAB等软件求解并绘制地下水污染趋势图[4],而对区域地下水污染的分析预测则研究较少。其中一个主要原因是由于地下水污染机理错综复杂,涉及因素众多,难以用单一的数学模型来准确描述。本研究尝试采用多维图形的方法来分析预测地下水污染空间的变动趋势。而趋势面就是这样一种数学曲面:它能够集中地反映地下水监测数据在较大范围空间的变化状况,从而形象直观地对某区域地下水污染趋势进行预测。

趋势面模型分析是用空间坐标进行多项式回归,从中估计出最佳的回归模型。地下水污染趋势面模型[5]是以采样点的坐标(X,Y)和污染指数(Z)数据为依据,建立二元多项式模型方程进行趋势预测。由于地下水污染趋势面模型涉及到复杂的数学运算,一般需要依靠计算机软件来完成。Surfer 8.0虽然没有提供趋势面分析的命令,但在不编写任何程序代码的前提下,通过综合利用Surfer 8.0的数据多项式回归插值方法也可以绘制地下水的污染趋势图。图3即是利用Surfer 8.0的3次多项式回归插值法绘制的某地区地下水污染趋势图。

图3 某地区地下水污染变化趋势预测

从图3可以看出,该地区浅层地下水15 m深处污染变化的分布趋势是重污染区将有可能逐步向中部发展。为此,应从两方面做好准备:一是对可能受到污染影响的中部区块强化地下水监测,掌握其实际发展状况,建立预警机制;二是采取对策消除或减缓这种趋势的蔓延,防止地下水污染范围和程度的进一步扩大和加剧。

2.5 地下水污染关联分析

Surfer 8.0具有的三维图形堆叠功能为分析地下水污染的相关因素提供了很好的手段。在本研究中特将某地区工业污染源分布图与不同深度的地下水中铁浓度等值线图进行堆叠,制成三维叠图(图4),借以分析地下水中铁浓度与当地工业污染源分布状况的相关性。

图4 某地区地下水污染分布与地下水中铁浓度的相关关系

从图4可以看出,在地表深处5 m以上,基本上是工业污染源密度较大的地方,其地下水中铁浓度相对较高,而5 m以下深处则相关性不明显。这从侧面说明工业污染源分布与部分地区浅层地下水污染有一定的相关性。由此可以进一步分析研究地下水污染成因,从而为有针对性地采取地下水污染防治措施提供依据。

3 结语

地下水污染表征与评价由于涉及因素较多,通常难以通过较为简便的方法获得比较符合实际的结果。Surfer 8.0具有强大的绘图、插值和分析计算等功能,为地下水污染表征与评价又提供了一种有效实用和简单直观的可视化方法,预计在地下水污染物空间分布状况、地下水污染状况分区、地下水污染趋势分析、地下水污染关联分析等方面将会得到越来越多的关注和应用。

[1]陆志波,陆雍森.Surfer 8.0在环境评价和规划中的应用[J].同济大学学报:自然科学版,2005,33(2):191-195.

[2]白世彪,王军见,闾国年,等.Surfer软件在水下地形三维可视化与分析中的应用[J].海洋测绘,2004,24(5):51-53.

[3]张魁忠,于鸿珍.关于地下水污染现状评价标准和方法选择的探讨[J].环境科技,1994,16(6):42-44.

[4]岳梅.淮南市区浅层地下水污染预测模型探讨[J].地下水,2002,24(2):77-78.

[5]袭炯良,王旭波,郑剑宁,等.应用趋势面模型分析传染性疾病的地理分布趋势[J].中华疾病控制杂志,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,工程师,硕士,从事油气田环境监测与环保科技研发工作。