大连市地下水变化趋势及分布特征研究

孙大明

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

地下水与人类生产生活密切相关，尤其在我国北方很多农村地区，地下水依然是居民生活饮用水的重要来源。随着我国经济社会的发展，人们对水资源的需求也日益增加，进而加大了地下水开采力度，地下水超采导致水生态环境问题频发[1-3]，如含水层地下水疏干、有毒有害污染物通过径流污染浅层地下水、沿海地区因地下水超采导致海水入侵等[4-5]。这些问题一方面使原本供水紧张的地区水资源更加短缺，另一方面也导致地下水水质不断恶化，危及居民饮水安全。因此，在地下水资源的开发利用中水化学特征分析研究以及水质变化趋势分析受到人们越来越多的关注。本文通过对大连市地下水化学特征分布进行研究，以及运用秩相关系数对地下水环境质量进行趋势分析，为地下水资源保护、开发利用提供决策依据。

1 数据来源与分析方法

分析评价数据主要采用辽宁省水环境监测中心大连分中心长系列的地下水监测资料。分析污染物变化趋势常用的方法为Daniel的趋势检验[6]，一般采用斯皮尔曼秩相关系数分析进行Daniel趋势检验，计算公式为

di=Xi-Yi

式中：n为时间序列数；Xi为周期1～n按浓度值从小到大排列的序号；Yi为按时间排列的序列。

将秩相关系数的绝对值与斯皮尔曼秩相关系数中的临界值进行比较。当|r|>Wp时，则表明变化趋势有显著意义；当|r|>Wp时，则表明变化趋势没有显著意义，说明在评价时段内水质变化稳定或平稳。

在地下水趋势分析评价过程中发现，当监测数据较多时，传统的计算方法就显得复杂而烦琐。如大连市地表水质量监测断面多达58个，国家地下水监测井43处，如果对这些断面的监测指标进行多时段变化趋势分析，需要耗费大量的时间成本。为了减轻工作量，提高工作效率，应采用Visual FoxPro(VFP)计算机语言对Daniel趋势检验进行编程。

2 程序的设计

2.1 秩相关系数临界值表

建立秩相关系数临界值(Wp)数据结构表(LJZ.DBF)，见表1。

表1 临界值数据结构(LJZ.DBF)

2.2 样本值表

建立秩相关系数多时段样本值数据结构表(YBZ.DBF)，见表2。

表2 秩相关系数多时段样本值数据结构(YBZ.DBF)

2.3 源程序

建立秩相关系数计算源程序ZXGXS.PRG。源程序由临界值表数据库(LJZ.DBF)和样本值数据库(YBZ.DBF)组成，需要输入参数：样本值个数(N)、显著水平(α=0.05或0.01)。

2.4 运行方法及水质监测结果

运行程序时输入2个参数时段个数(N)和显著性水平(α)，如DO ZXGXS WITH 7，0.05，表示时段个数为7，显著性水平采用0.05。选择大连市地下水长系列监测资料，共16个监测点，运用编写的VFP程序进行斯皮尔曼秩相关系数计算，时段长度为2012—2018年，显著水平α=0.05，结果见表3。

表3 大连市16个地下水水质变化趋势分析

大连市16个长系列地下水水质监测站中，高锰酸盐指数呈显著上升趋势的断面有2个，占全市总数的12.50%，其余监测站点无明显变化趋势；矿化度呈显著上升趋势的站点有1个，占全市总数的6.25%，呈显著下降趋势的站点有1个，占比为6.25%，无明显变化趋势的站点有14个，占比为87.50%；总硬度呈显著上升趋势和显著下降趋势站点各1个，各占6.25%，其余

站点无明显变化趋势；氯化物呈显著下降趋势的站点有1个，占比为6.25%，其余站点均无明显变化趋势；硝酸盐氮呈显著下降趋势的站点有5个，占比为31.25%，其余站点均无明显变化趋势。

大连市16个地下水监测站点中，兴民、付家、二十里、黄旗、苏家、大王村、小黑石、双台沟、辛寨子和夏家河子水质变化平稳，参与分析的高锰酸盐指数、矿化度、总硬度、氯化物、硝酸盐氮5项监测指标均无明显变化趋势；尹家、南鸦鸬嘴和黄泥川监测站点水质变化较为平稳，参与分析的5项指标中，硝酸盐氮呈显著下降趋势；四十里参与趋势分析的5项指标中，高锰酸盐指数呈显著上升趋势，硝酸盐氮呈显著下降趋势；东泥河水质恶化趋势明显，参与分析的5项监测指标中，高锰酸盐指数、矿化度、总硬度均呈显著上升趋势；北李屯监测站点水质有明显向好的趋势转变，5项分析指标中，仅高锰酸盐指数1项指标变化平稳，其余4项指标均呈显著下降趋势。

3 地下水分布特征研究

矿化度能够直接反映地下水中溶解性无机矿物质的含量总和，总硬度通常代表水中钙、镁离子含量的总和，pH值反映的是水体酸碱程度[7]。这3项指标是衡量地下水质量优劣的重要参数，若地下水中的矿化度和总硬度过高、pH值超标时，将会对人体的健康产生一定的影响[8]。因此，本文通过对大连市矿化度、总硬度和pH值3项指标分布规律进行研究，从整体上了解大连地区地下水水质状况。

3.1 矿化度分布

矿化度大于1g/L为高矿化度水，水的口感很差，不适宜长期饮用；矿化度在2～3g/L之间为微咸水；大于3g/L为咸水，此类水不能饮用。根据大连市地下水井的矿化度实际监测结果，全市矿化度在125～2610mg/L之间。矿化度小于1g/L的地下水面积占全市总面积的93.95%；1～2g/L之间的面积为719.26km2，占全市总面积的5.72%；大于2g/L的面积为42.46km2，占全市总面积的0.33%；全市没有大于3g/L的地下水区。其中，矿化度大于1g/L的区域主要集中在金普新区。按流域分析，大连市英那河、湖里河和庄河流域地下水水质优良，矿化度均小于300mg/L；碧流河水库饮用水源地附近地下水水质较好，矿化度在300～400mg/L之间，碧流河流域下游入海口附近城子坦监测井矿化度较高，为1085mg/L；大沙河和复州河流域地下水水质较好，矿化度在500～700mg/L之间。大连市整体地下水矿化度由西南地区的旅顺向东北地区的庄河逐渐降低，矿化度分布情况见图1。

图1 大连市地下水矿化度分布情况(单位：mg/L)

3.2 总硬度分布

总硬度在150～300mg/L之间为中软水，在300～500mg/L之间为硬水，大于500mg/L为很硬水。地下水总硬度在200～300mg/L之间比较适宜饮用，超过450mg/L则不适合饮用，并且不符合生活饮用水标准。

根据大连市地下水井的总硬度实际监测结果，全市地下水总硬度在63.2～804.0mg/L之间；总硬度大于450.0mg/L的面积为1856.20km2，占全市总面积的14.80%。总硬度超标的主要有3个区域，分别为碧流河入海口—城子坦镇—余粮河一带，面积为106.60km2，占全市总面积的0.85%；普兰店铁西街道—瓦房店元台镇—炮台—复州湾一带，面积为695.60km2，占全市总面积的5.53%；甘井子营城子街道—大连湾—金州一带，面积为1054.00km2，占全市总面积的8.38%。按流域分析，大连市英那河、湖里河和庄河流域地下水水质优良，总硬度均小于150mg/L；碧流河流域饮用水源地地下水水质较好，大部分地区总硬度在200～300mg/L之间，大于450mg/L的区域主要分布在入海口城子坦镇，该镇附近无饮用水取水口，对城镇居民用水影响不大；大沙河流域地下水总体水质较好，总硬度大于450mg/L的区域主要分布在元台镇，面积为97.60km2，占全市总面积的0.78%；复州河流域地下水水质较好，无总硬度大于450mg/L区域。大连市地下水总硬度分布情况与矿化度相似，也是由西南地区向东北地区逐渐减小，总硬度分布情况见图2。

图2 大连市地下水总硬度分布情况(单位：mg/L)

3.3 pH值分布情况

pH值在6.5～8.0之间为中性水，在5.5～6.5之间为弱酸性水，在8.0～10.0之间为弱碱性水。一般情况下，pH值在6.5～8.5之间，不影响水的使用功能。

根据大连市39眼地下水井的pH值实际监测结果，全市地下水仅有1处监测点位pH值在5.5～6.5之间，为弱酸性水，即隋家屯(2)监测断面，pH值为6.4；其余地下水pH值均在6.5～8.5之间，符合各类用水要求。大连市有5处地下水监测井pH值在8.0～8.5之间，主要分布在碧流河流域碧流河水库、大沙河流域刘大水库以及英那河流域入海口附近。大连市地下水pH值分布情况见图3。

图3 大连市地下水pH值分布情况

4 结 语

为落实新时期中央水利工作方针、强化水资源管控、保障水安全，大连市按照第三次全国水资源调查评价要求，摸清了2000年以来地下水质量分布情况及其变化趋势。本文基于Visual FoxPro计算机语言，采用斯皮尔曼秩相关系数的方法，对大连市地下水趋势变化情况进行了分析，解决了对长系列数据进行趋势变化分析时需要耗费大量时间成本的问题，极大地提高了工作效率。结果表明，大连市地下水主要以平稳变化趋势为主；地下水整体矿化度较低；pH值主要在6.5～8.5之间，符合各类用水要求。

通过对大连市地下水分布情况及趋势变化进行分析，及时掌握和分析评价地下水资源情势新变化，为建立全面、系统、翔实的水资源基础信息平台提供了数据支撑，并在今后一个时期为形成较为规范化的滚动调查评价机制奠定了基础。