辽阳市城区地下水污染时空演化研究

陈 俊

(辽宁省抚顺水文局，辽宁 抚顺 113015)

辽阳市城区地下水污染时空演化研究

陈 俊

(辽宁省抚顺水文局，辽宁 抚顺 113015)

城市化发展对地下水溶质成分的变化会产生重要影响，导致地下水溶质的稀释和运移能力大大降低,也会导致地下水中增加新的溶质。文章采用投影寻踪地下水污染指数模型，对辽阳市城区地下水监测井的历史监测数据进行分析，采用修正的局部多项式插值法，对当地历史水源污染指数进行插值分析，最终得到该研究区的地下水污染时空演化图。研究结果表明，辽阳市城区地下水污染指数较高，当地水污染在区域分布上呈现出轻—重—轻的阶段性演变特征，由此证实了辽阳市城区地下水污染情况与人类社会生产实践活动密切相关。

辽阳市；城区；地下水污染；时空演化；规律

随着辽阳市经济社会快速发展，城市化迅速推进，在一定程度改变了当地原有的地下水循环系统。因此，该城区地下水污染的时空演变规律已成为当地城区水资源管理及决策过程中需要重点注意的问题之一。通过对相关学者的研究资料进行总结梳理发现，在辽阳市城市化过程中，污染源分布情况及土地利用形态和污染物的排放等，与地下水实际类型和污染形态及污染物的排放密度等相关指标之间存在很大的关联性。就国内而言，针对区域地下水污染情况进行研究的主要方法，一般分为内梅罗指数法以及综合污染指数法和层析分析法、模糊综合指数法、灰色聚类法等几种[1]。但是，上述不同评价方法各自优势不同，尽管计算便捷，但未能有效对地下水污染指标的实际权重进行考虑分析。因此，在结果评价方面具有很强的主观性。基于此，文章着重采用投影寻踪方法，对辽阳市城区地下水污染时空演化情况进行评价分析。由于这一分析评价方法能够对不同污染源进行准确分类，且可简单、直观对不同指标权重进行计算分析，以此更为科学地展示了地下水污染时空演化的具体规律。基于此技术优势，这一评价方法被越来越多的学者应用到地下水水质评价中。

1 辽阳市城区区域概况

辽阳市城区位于辽宁省东部地区，是沈阳经济区副中心城市，同时辽阳也是东北地区最早的城市之一。该地区的地理坐标为E122°35′-123°40′、N40°42′-41°36′。研究区实际占地面积为4743km2，辽阳市处于辽东低山丘陵与辽河平原的过渡区域。因此，地貌类型较为齐全，且地势由高到低层次较为规整。这一地区独特的气候条件以及地貌条件、地质条件等，决定了辽阳地区属于东北少有的优质水富成水地区。据相关资料统计结果显示，辽阳市境内长达10km以上的河流大约有29条，而长度大约5km以上的河流约有86条。因此，发达的水资源系统组成了浑河以及太子河两大主要的水生态系统。

结合上述相关地质资料情况及水域资源情况，文章在研究过程中，设置的监测井井深为5.0-25.0m，单井涌水量为100-3000m3/d。该地区地下水主要补给水源为大气降水及灌溉入渗补给水源和周边基岩裂隙水侧向补给，另外该地区地下水循环系统的运行受当地天气及地质情况和人类活动等诸多因素影响[2]。

2 辽阳市城区地下水污染时空演化研究资料来源与方法

文章在研究过程中，重点选取了辽阳市从1980-2009年水文监测站点历年来的连续监测数据进行分析，同时为了保证筛选的数据具有科学性，文章在数据分析前对相关采样水质进行了阴阳离子平衡性分析，结合水质采样数据，文章主要针对不同采样水质展开CaCO3(总硬度)测试以及PH值测试和NH4+测试及SO42-测试、N02-测试、NO3-测试、F-测试、COD测试等九大影响辽阳市城区地下水水质的不同指标进行了测试。因此，采样数据时间跨度长，能够较为真实、客观反映辽阳市城区地下水污染时空演化的具体规律。

在实际分析研究过程中，文章主要采用投影寻踪地下水污染指数分析法，构建辽阳市城区地下水污染指数模型。这一分析模型又称PP模型，这一方法的主要研究思路，是采用某种组合投影将采集的相关高纬数据投影到低维空间中，然后在此基础上，通过投影指标函数，衡量投影暴露辽阳市城区地下水污染时空变化的可能性[3]。与此同时，找寻出使该投影指标函数达到最优的投影方向向量，再结合该投影向量对辽阳市城区地下水污染时空演化情况进行分析，这一方法分析结果较为可靠[4]。因此，当前已在我国其它地区地下水污染分析过程中得到广泛应用。

3 辽阳市城区地下水污染时空演化规律分析

文章在分析过程中，在上述筛选的九大不同指标中将按照5级标准阀值，将数据经过处理生成50个不同的标准水样，然后按照以下方法流程，对辽阳市城区地下水污染时空演化特征情况进行分析：

1)首先通过计算分析得到50个不同标准水样的单因子污染指数；

2)经过线性投影，得到唯一的投影值；

3)构建科学的投影指标函数，并对其进行求解运算。具体而言，可将辽阳市城区地下水污染时空演化情况转化为以下函数优化问题：

(1)

在上述函数关系式中：投影值z(i)的标准差为为Sz；投影值z(i)的局部密度为Dz；且在该函数优化过程中，若t≥0,则其函数值为1；若t<0,则该函数值为0。

在此基础上，可经过运算求得50个不同水样指标具体的水污染指数Z(i)，在分析过程中从现行水样检查标准GB/T14848-93中选定一标准水样，然后假定该标准水样值为50个不同水样指标相对应等级水质的上限阀值，通过计算得到该水样所对应的污染指数为2.64，然后将其设为辽阳市城区地下水污染指数的标准线，然后对50个水样指标进行一一计算。

当z(i)>2.64时，表明辽阳市城区地下水已经受到严重污染；

当z(i)<2.64时，表明辽阳市城区地下水处于安全线以上。

因此，通过对计算结果进行分析，如果z(i)参数值越大，表明辽阳市城区地下水污染情况越严重，水质越差。

在此基础上，文章为了保证这一假设分析更具可行性和科学性，又采用修正局部多项式分区插值，对分析结果进行修正，同时为了通过从辽阳市城区地下水污染情况中找到时空演化具体规律，文章结合采样的水污染指数值进行空间插值分析。文章考虑到不同地区人类社会实践活动不同，因此地下水溶质浓度分布也会呈现出不稳定的变化规律[5]。另外，辽阳市城区地质情况较为复杂，因此地下水污染时空演化会呈现出一种非连续性特征。故采用三阶多项式作为插值函数，能够进一步圈定辽阳市城区地下水污染时空分布区域，这一插值法具有很强的数据处理能力，尤其是当数据分布情况差异较大时，采用插值法能够对数据分布变化情况进行更好地描述[6]。因此，针对辽阳市城区地下水污染时空演化变化规律较大的特征，如果不对其进行插值修正，会使局部区域污染源的时空变化差异更大。因此，会导致最终的数据分析结果存在较大的误差。

对此，文章按照上述方法的具体分析思路，随机选取1980年、1985年以及1988年和1992年、1997年、2002年和2006年及2009年一共8a内历史数据的水污染指数进行插值计算，并以Z=2.64作为此次分析的标准参数值，以此得到辽阳市城区地下水污染时空演化图，具体如图1所示：

图1 辽阳市城区地下水污染指数时空分布以及时空演化图示

4 辽阳市城区地下水污染时空演化特征分析

从上述8a内不同历史数据所反映的地下水污染时空变化规律特征图来看，辽阳市城区总体已经受到不同程度的污染[7]。从这一变化过程中可知，辽阳市随着经济社会快速发展，工业化和城市化也在迅速推进。因此，大部分区域的地下水污染指数都超过了2.64这一阀值，故地下水污染指数偏高。究其原因，主要由于辽阳市地下水在天然离子富集基础上，又叠加了生活以及农业及工业化等相关污染[8]。因此，最终导致辽阳市地下水污染时空分布变化不均衡。另外，从上述图示变化中可以看出，辽阳市城区地下水污染时空变化特征具有“轻—重—轻”的变化规律，这一时空演变规律也在一定程度上反映了辽阳市当前经济社会发展逐渐经历了“由粗放式发展”到“精细化发展”的变化转型过程。尤其是1980-1997年早先这段时期内，辽阳市城区地下水污染指数远远超过2.64。因此，按照标准等级划分，这一地区属于重污染区域，主要由于这段时期内，辽阳市一直在大力发展工业生产，因此局部地区分布有多个大型的化工厂以及热电厂，大量的粉煤堆积以及污染物排放，使辽阳市城区地下水遭受严重污染；逐渐发展到2006年以及2009年，随着国家环保政策的不断出台及区域间生态环境保护力度不断加强，辽阳市城区地下水污染时空变化分布较为分散。因此，地下水污染程度有所减轻，主要位于东南地区以及西北部地区一带；逐渐到了后期，辽阳市工业城区进行现代化改造，因此拆除了大量的工业厂房，城区人们的生活环境得到大大改善。因此，过去的渗坑以及渗井等被填埋，生活污染垃圾也得到及时清理，地下水污染程度逐渐减弱[9]。

5 结 语

综上所述，文章重点基于投影寻踪地下水污染指数模型，科学对辽阳市城区地下水污染实际情况进行了分析。在此过程中，文章为了提高数据分析的科学性与完整性，在上述分析评价基础上，采用修正的局部多项式插值法有效解决了辽阳市城区地下水污染时空演化模拟过程中，地下水污染局布变异增大以及地下水污染非连续性等相关问题。研究结果表明，辽阳市城区地下水污染时空演化的具体规律与当地人们社会生实践活动密切相关。从整个研究区的实际污染情况来看，辽阳市城区各个片区的地下水都在不同程度上受到了一定的污染，从具体污染情况来看，该研究区地下水污染指数普遍偏高。文章通过进一步研究发现，该研究区重污染区主要污染源为生活污染以及工业污染和农业污染三种类型，在具体的时空演化过程中，逐渐呈现出“轻—重—轻”的变化规律。

[1]FransRP，WoolleyKDR.Applicabilityandmethodologyofdeterminingsustainableyieldingroundwatersystems[J].Hy-drogeologyJournal,2005,(13):295-312.

[2]陆垂裕.基于水循环模拟的干旱半干旱地区地下水补给评价[J].水利学报,2014,45(06):701-711.

[3]鹿海员.基于水资源优化配置的地下水可开采量研究[J].水利学报,2013,44(10):1182-1188.

[4]周志芳,郑虎,庄超.论地下水资源的永久性消耗量[J].水利学报,2014,45(12):1458-1463.

[5]徐映雪.银川平原地下水流模拟与地下水资源评价[J].水文地质工程地质,2015,42(03):7-12.

[6]李学森.凌河流域水资源现状及保护措施[J].水土保持应用技术，2015(03)：36-37.

[7]裘江海.河岸景观设计理念初探[J].水利规划与设计,2004(03):26-28.

[8]高素丽.辽河流域河道生态工程建设方案[J].水土保持应用技术，2011(06)：35-38.

[9]李学森.凌河流域水资源现状及保护措施[J].水土保持应用技术，2015(03)：36-37.

Temporal and Spatial Evolution of Groundwater Pollution in Urban Area of Liaoyang City

CHEN Jun

(Fushun Hydrology Bureau，Fushun 113015，China)

Urban development of groundwater and solute change will not only pose a threat to groundwater circulation system of the original，but also change the original landform in the region，especially in the process of the city，due to a large number of human production and life practice. Therefore，the dilution and migration ability of groundwater solute is greatly reduced. In this process，the development of urbanization will increase new solutes to underground water. Based on this，this paper will use the index of groundwater pollution projection pursuit model，and the historical data of Liaoyang city from 1980 to 2105 groundwater monitoring wells were analyzed. In the process of analysis,the groundwater pollution in the study area is characterized by non continuity. Therefore，this paper uses the modified local polynomial interpolation method to analyze the local historical water pollution index，and finally get the spatial and temporal evolution of groundwater pollution in the study area. The results further show that the groundwater in Liaoyang city has been polluted by different degrees.Therefore，the water pollution index is higher，in addition，by means of groundwater pollution situation evolution analysis，found that the local water pollution distribution in the region showing the evolution characteristics of stage light heavy light，which confirmed the Liaoyang city groundwater pollution and human social practice activities are closely related.

Liaoyang city; urban area; groundwater pollution; temporal and spatial evolution; law

1007-7596(2016)12-0017-03

2016-11-21

陈俊(1981-)，男，江苏泰县人，工程师，研究方向为水文与水资源管理与水资源评价等。

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