上海市域地下水环境氯离子含量的时空演化特征研究

王玉强

1.东华大学环境科学与工程学院,上海201620

2.华东政法大学基建处,上海201620

上海市域地下水环境氯离子含量的时空演化特征研究

王玉强1,2

1.东华大学环境科学与工程学院,上海201620

2.华东政法大学基建处,上海201620

鉴于氯离子在地下水中的分布很广，因此，探究地下水环境氯离子含量时空动态演化规律具有重要意义。研究发现，上海市地下水环境Cl-含量年际演化幅度比较大，且呈现规律性的二次曲线或三次曲线，各个含水层之间的变化呈显著性差异。从其垂直方向分布看，氯离子平均含量由高到低依次为第二承压含水层，第五承压含水层，潜水含水层，第四承压含水层和第三承压含水层。

上海市;地下水环境;氯离子含量;时空动态演化

关于区域地下水环境演化规律的研究近年来逐渐成为水环境学科、水文地质学科和水文水资源学科研究的重点方向之一。在地下水环境中，氯离子分布很广，含量从数毫克/升至数百克/升不等，是地下水中最稳定的离子。同时因氯离子含量随着矿化度变大而不断增加，常被用来表征地下水的矿化程度，进而沿海地区地下水的氯离子含量亦被作为判断海水入侵程度的指标之一。鉴于此，在沿海城市规划中，有必要加强对地下水环境氯离子含量时空动态演化规律的探究。

综观相关文献，薛禹群等[1]，宁淑清等[2]，姜嘉礼[3]，崔娜等[4]，以及郭占荣等[5]分别研究了沿海地区地下水中氯离子与海水入侵的关系，与地下水硬度指标的关系。王晓娟[6]，姜凌[7]，李贵娟[8]，冯娟[9]，以及魏征[10]等人分别较为系统地探讨了银川平原、内蒙古阿拉善腰坝绿洲、定边县周台子地区、德州地区、新疆沙南水源地等国内不同地区地下水水化学成分（包括氯离子）的时空变异特征与演变规律。国际上Varol等[11]，Bajjali等[12]对不同国家的地下水过度开采及水质情况进行了研究。然而，关于上海地区的地下水环境方面的研究却很少，尤其是关于地下水氯离子时空演化规律方面的探究更为罕见。因此，本文运用翔实的数据，尝试对上海地区地下水环境氯离子在空间和时间尺度上的演化过程与趋势进行探究，以揭示地下水水质演化情况，为合理开采地下水、改善地下水环境质量提供一定数据支持。

1 研究区基本概况

上海市地处东经120°52′至122°12′，北纬30°40′至31°53′之间，北界长江，东濒东海，南临杭州湾，西接江苏和浙江两省。在6340.5 km2的辖区总面积中，陆地面积6218.65 km2，长江口水域面积1107 km2，滩涂面积376 km2，海岸线长448.66 km。习惯上，将上海地下水划分为一个潜水或微承压含水层，五个承压含水层（自上向下依次为Ⅰ-Ⅴ含水层），六个隔水层（滞水层）。

2 研究数据来源

本次研究数据主要为上海市潜水含水层及第Ⅱ～Ⅴ承压含水层2001～2013年地下水总矿化度的原始数据，源于上海市规划和土地资源管理局发布的《上海市2001年～2013年地质环境状况公报》[13]。所运用的数据分析处理工具为SPSS17.0软件。

3 结果与分析

3.1 地下水环境Cl-含量描述统计分析

根据表1和表2中的相关分析结果，本区域各个含水层Cl-含量与时间相关分析结果均不具有显著性（P＞0.05），线性相关程度也较低（r＜0.5），但只有潜水含水层呈现正相关趋势，其余均呈现负相关趋势。对于不具有线性相关的情况应进一步探讨其非线性关系。

表1 上海市地下水环境Cl-含量描述统计量Table 1 Descriptive statistics of Chloride Ion content in the groundwater environment of Shanghai City

表2 上海市地下水环境Cl-含量与演化时间相关分析Table2 Analysis of the correlation between the content of Chloride Ion in the groundwater environment of Shanghai City and the evolutionary time

图1 地下水环境Cl-含量演化趋势图Fig.1 Evolutionary trend of Chloride Ion content in the groundwater environment

3.2 地下水环境Cl-含量的时间演化趋势分析

3.2.1 潜水含水层Cl-含量时间演化曲线拟合模型构建

表3 潜水含水层Cl-含量演化模型汇总和参数估计值Table 3 Evolutionary model summary and parameter estimation of Chloride Ion content in the phreatic aquifer

图2 潜水含水层Cl-含量演化趋势图Fig.2 Evolutionary trend of Chloride Ion content in the phreatic aquifer

根据图2可知，潜水含水层Cl-含量与时间序列呈倒“U”型非线性二次曲线关系。根据表3可知，潜水含水层Cl-含量与演化时间序列变量的数学模型如下：

回归模型构建：y=b0+b1t+b2t2

拟合曲线模型：y＝54.602＋11.87t-0.525t2

（公式中，y-潜水含水层Cl-含量；t-演化时间序列）

经F检验，该模型显著性水平偏低（P=0.122），可以解释34.4%的变异因素（R2＝0.344），还有66%左右的变异无法解释。

3.2.2 第二承压含水层Cl-含量时间演化曲线拟合模型构建

表4 第二承压含水层Cl-含量演化模型汇总和参数估计值Table 4 Evolutionary model summary and parameter estimation of Chloride Ion content in the 2ndconfined aquifer

图3 第二承压含水层Cl-含量演化趋势图Fig.3 Evolutionary trend of Chloride Ion content in the 2ndconfined aquifer

根据图3可知，第二承压含水层Cl-含量与时间序列呈非线性三次曲线关系。根据表4可知，第二承压含水层Cl-含量与演化时间序列变量的数学模型如下：

回归模型构建：y=b0+b1t+b2t2+b3t3

拟合曲线模型：y＝1993.269-541.514t＋48.808t2-1.343t3

（公式中，y-第二承压含水层Cl-含量；t-演化时间序列）

经F检验，该模型比较显著（P＜0.05），可以解释64.3%的变异因素（R2＝0.643），还有42%左右的变异无法解释。

3.2.3 第三承压含水层Cl-含量时间演化曲线拟合模型构建

表5 第三承压含水层Cl-含量演化模型汇总和参数估计值Table 5 Evolutionary model summary and parameter estimation of Chloride Ion content in the 3rdconfined aquifer

图4 第三承压含水层Cl-含量演化趋势图Fig.4 Evolutionary trend of Chloride Ion content in the 3rdconfined aquifer

根据图4可知，第三承压含水层Cl-含量与时间序列呈非线性三次曲线关系。根据表5可知，第三承压含水层Cl-含量与演化时间序列变量的数学模型如下：

回归模型构建：y=b0+b1t+b2t2+b3t3

拟合曲线模型：y＝309.074-57.309t＋4.231t2-0.092t3

（公式中，y-第三承压含水层Cl-含量；t-演化时间序列）

经F检验，该模型比较显著（P＜0.05），可以解释68.6%的变异因素（R2＝0.686），还有33%左右的变异无法解释。

3.2.4 第四承压含水层Cl-含量时间演化曲线拟合模型构建

表6 第四承压含水层Cl-含量演化模型汇总和参数估计值Table 6 Evolutionary model summary and parameter estimation of Chloride Ion content in the 4thconfined aquifer

图5 第四承压含水层Cl-含量演化趋势图Fig.5 Evolutionary trend of Chloride Ion content in the 4thconfined aquifer

根据图5可知，第四承压含水层Cl-含量与时间序列呈“U”型非线性二次曲线关系。根据表6可知，第四承压含水层Cl-含量与演化时间序列变量的数学模型如下：

回归模型构建：y=b0+b1t+b2t2

拟合曲线模型：y＝183.265-16.549t＋0.765t2

（公式中，y-第四承压含水层Cl-含量；t-演化时间序列）

经F检验，该模型显著性水平很低（P＞0.05），只可以解释6.5%的变异因素（R2＝0.065），还有94%左右的变异无法解释。

3.2.5 第五承压含水层Cl-含量时间演化曲线拟合模型构建

表7 第五承压含水层Cl-含量演化模型汇总和参数估计值Table 7 Evolutionary model summary and parameter estimation of Chloride Ion content in the 5thconfined aquifer

图6 第五承压含水层Cl-含量演化趋势图Fig.6 Evolutionary trend of Chloride Ion content in the 5thconfined aquifer

根据图6可知，第五承压含水层Cl-含量与时间序列呈“U”型非线性二次曲线关系。根据表7可知，第五承压含水层Cl-含量与演化时间序列变量的数学模型如下：

回归模型构建：y=b0+b1t+b2t2

拟合曲线模型：y＝383.853-40.865t＋1.785t2

（公式中，y-第五承压含水层Cl-含量；t-演化时间序列）

经F检验，该模型比较显著（P＜0.05），可以解释47.1%的变异因素（R2＝0.471），还有53%左右的变异无法解释。

3.3 地下水环境Cl-含量的空间分布规律研究

上海市地下水各承压含水层地下水Cl-垂直方向分带分布情况详见表8的描述统计分析和图7的空间分布图。

表8 上海市地下水环境Cl-含量的空间分布描述统计量Table8 Descriptive statistics of the spatial distribution of Chloride Ion content in the groundwater environment of Shanghai City

图7 上海市地下水环境Cl-含量的空间分布Fig.7 Spatial distribution of Chloride Ion content in the groundwater environment of Shanghai City

4 结论

通过以上分析，可以得出以下结论：

（1）总体上看，上海市地下水环境Cl-含量年际演化的幅度比较大，呈现颇有规律性的二次曲线或三次曲线，且各含水层之间的变化规律有较显著的差异，如潜水含水层和第四、第五承压含水层的变化幅度相对较小。第二、第三承压含水层的变化幅度较大。第二和第三承压含水层Cl-含量与时间序列均呈复杂的非线性三次曲线关系；第五承压含水层Cl-含量与时间序列呈“U”型非线性二次曲线关系，上述模型均比较显著（P＜0.05）。其余含水层模型显著性水平均较低（P＞0.05），统计学意义不明显。由于Cl-可能来自海水或工农业废水、生活污水，上述研究结果说明上海区域地下水环境同时受到海水入侵影响和人类活动干扰影响，而上述变化幅度波动也主要受海水入侵和人类活动干扰的交互影响作用。笔者分析，人类活动干扰的主要因素极有可能是地下水开采和人工回灌，这两种方式均会将工农业中的含有Cl-的废水带入地下含水层中。

（2）从垂直方向分布角度来看，上海市地下水环境Cl-平均含量最高的是第二承压含水层，其次是第五承压含水层，再次是潜水含水层，此后是第四承压含水层；最低的是第三承压含水层，其含量平均值约占含量最高值的1/3。氯离子（Cl-）含量仅次于重碳酸根离子（HCO3-）含量且高出其它阴离子含量，这说明上海市地下水在一定程度上已经被海水入侵或者受到工农业废水等人类活动因素破坏，其自然平衡状态在一定程度上被打破。

（3）从环境规划角度而言，有必要结合以上研究结果，针对上海市地下水环境受到海水入侵、工农业废水影响的问题，制定相应政策与措施，严格地下水管理，以避免地下水中氯离子含量超过一定阈值，不仅影响水质量，也会导致建筑物和构筑物地下基础部分钢筋氧化膜受到破坏，产生腐蚀作用，影响城市生活安全。

[1]薛禹群,谢春红,吴吉春.海水入侵研究[J].水文地质工程地质,1992,19(6):29-33

[2]宁淑清,王忠恕.金州沿海地区地下水硬度与氯离子相关关系探讨[J].辽宁城乡环境科技,1998(5):49-51

[3]姜嘉礼.葫芦岛市滨海地区海水入侵研究[J].水文,2002,22(2):27-31

[4]崔娜,刘晓黎.对金州沿海地区地下水中氯离子与硬度相关关系的研究[J].环境科学与技术,2004(1):42-43

[5]郭占荣,黄奕普,蔡明刚,等.厦门岛地下水中营养盐含量及氯含量指标的确定[J].勘察科学技术,2004(3):47-50

[6]王晓娟.银川平原地下水化学成分演化规律及其形成机制研究[D].西安:长安大学,2005

[7]姜凌.干旱区绿洲地下水水化学成分形成及演化机制研究[D].西安:长安大学,2009

[8]李贵娟.定边县周台子地区地下水水化学演化规律研究[D].西安:西北大学,2010

[9]冯娟.开采条件下德州地区地下水水质演化研究[D].青岛:中国海洋大学,2011

[10]魏征.沙南水源地地下水水位水质演化规律研究[D].乌鲁木齐:新疆农业大学,2011

[11]Simge V,Davraz A.Evaluation of the groundwater quality with WQI(Water Quality Index)and multivariate analysis:a case study of the Tefenni plain(Burdur/Turkey).Environmental Earth Sciences,2015(4):1725-1744

[12]William B,Al-Hadidi K,Ismail Ma’mmon.Water quality and geochemistry evaluation of groundwater upstream and downstream of the Khirbet Al-Samra wastewater treatment plant/Jordan.Applied Water Science,2015(1):1-17

[13]上海市规划和国土资源管理局.上海市2001～2013年地质环境状况公报[EB/OL].(2015-2-23)[2015-10-26].http://www.shgtj.gov.cn/dzkc/

Study on the Temporal and Spatial Evolution Characteristics of Chloride Ion Content in the Groundwater Environment of Shanghai City

WANG Yu-qiang1,2
1.College of Environmental Science and Engineering/Donghua University,Shanghai201620,China
2.Infrastructure Department/East China University of Political Science and Law,Shanghai201620,China

There is a wide distribution of Chloride Ion in groundwater,so it is of great significance to probe into the temporal and spatial dynamic evolution of Chloride content in groundwater environment.The results showed there existed a relevantly great change in the annual content of Chloride Ion in the groundwater of Shanghai City,presenting a regular quadric curve or cubic curve.Furthermore,the change in each aquifer presented a significant difference.From the perspective of its vertical distribution,the average content of Chloride Ion from height to lowness in turn was the second confined aquifer,the fifth confined aquifer,the unconfined aquifer,the fourth and the third confined aquifer.

Shanghai City;groundwater environment;Chloride Ion content;temporal and spatial dynamic evolution

X523

:A

:1000-2324(2015)06-0892-06

2014-12-23

:2015-01-10

上海市重点学科建设项目(B604)

王玉强(1971-),男,博士,高级工程师,主要从事环境规划和工程经济管理与研究工作.E-mail:1375044408@qq.com