大連市淺層地下水中氟的空間分布及其特征分析

劉勝男

(遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

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大連市淺層地下水中氟的空間分布及其特征分析

劉勝男

(遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

氟作為人體內(nèi)必不可少的一種化學(xué)元素，其在自然生態(tài)環(huán)境中廣泛存在。文章通過(guò)對(duì)遼寧省大連市某研究區(qū)淺層地下水中的氟離子空間變異性及分布特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明，該地區(qū)淺層地下水中氟離子含量嚴(yán)重超標(biāo)。經(jīng)測(cè)定，氟離子含量超標(biāo)率高達(dá)8.5%，且淺層地下水中的氟離子分布呈現(xiàn)出一定的變異性特征。這種變異性主要由研究區(qū)大尺度空間這一因素導(dǎo)致，但影響程度不明顯，少部分研究區(qū)域的氟離子含量及濃度超過(guò)國(guó)家技術(shù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，該研究區(qū)需針對(duì)氟濃度嚴(yán)重超標(biāo)的高氟區(qū)進(jìn)行合理控制。

大連市；淺層地下水；氟；空間分布；變異性

氟作為人體必需的一種元素，其具有一定的技術(shù)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。尤其是水質(zhì)中的氟，按照國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)和地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002) 中的相關(guān)技術(shù)規(guī)定，生活飲用水中氟的最佳含量為 0.5-1.0mg/L，如果水質(zhì)中氟的含量超過(guò)1.0 mg/L，則可認(rèn)定其為高氟水。一旦水質(zhì)中的氟元素超標(biāo)就會(huì)引起各種地方病。如果人類(lèi)不慎攝入，則會(huì)導(dǎo)致氟中毒。目前，這種現(xiàn)象在中國(guó)遼寧省普遍存在，經(jīng)調(diào)查這一問(wèn)題與當(dāng)?shù)厣铒嬘盟械姆睾看嬖诤艽蟮年P(guān)聯(lián)?；诖?，文章將針對(duì)大連市淺層地下水中氟的空間分布及其具體特征進(jìn)行研究，從而為該研究采取積極的控制措施提供建議。

1 研究區(qū)背景資料

大連別稱“濱城”，其位于中國(guó)遼寧省遼東半島最南端，地處環(huán)渤海之濱，背依東北腹地，與山東半島隔海相望。大連市境內(nèi)共有7個(gè)不同的農(nóng)區(qū)市縣，主要為中山市區(qū)、西崗區(qū)、沙河口區(qū)、甘井子區(qū)、旅順口區(qū)以及金州區(qū)和長(zhǎng)梅縣、瓦房店市、普蘭店區(qū)以及莊河市。大連作為京津地區(qū)的重要門(mén)戶，地理坐標(biāo)為E120°58'-123°31'，N38°43'-40°10'。大連市占地面積為12574km2，大連市丘陵較多、平原稀少[1]。人口數(shù)量目前達(dá)669.0432萬(wàn)人，市區(qū)極度缺水。該研究區(qū)氣候類(lèi)型屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，因此具有海洋性特征的氣候冬無(wú)嚴(yán)寒、夏無(wú)酷暑、四季分明，全年降雨量只有550-950mm，降雨大多集中于夏季，該地區(qū)地下水類(lèi)型分為淺層地下水及深層地下水兩種類(lèi)型。其中，淺層地下水含水層主要由半承壓水以及淺層潛水組成，而大連市全年淺層地下水實(shí)際補(bǔ)給量為7.12億m3,水資源總量總體呈現(xiàn)出“南少、北多”的特點(diǎn)。具體城市區(qū)域總體格局規(guī)劃如圖1所示。

圖1 大連市區(qū)域水資源綜合開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃圖

2 研究資料來(lái)源與分析

文章針對(duì)該研究區(qū)的區(qū)域地質(zhì)及水文和氣候等相關(guān)資料進(jìn)行分析，按照 1∶50000的《水文地質(zhì)調(diào)查規(guī)范》，在該研究區(qū)一共采集地下水水樣60個(gè)。所有水樣均來(lái)自大連市不同區(qū)域城市集中供水井及自民井和澆灌機(jī)井，數(shù)據(jù)采集時(shí)間段為2014年6月-2015年10月，采樣點(diǎn)分布呈隨機(jī)狀態(tài)。然后，將收集到的相關(guān)水樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)分析，主要數(shù)據(jù)檢測(cè)方法為離子色譜法[2]。

在采用離子色譜法對(duì)相關(guān)水樣進(jìn)行一一檢測(cè)后，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件SPSS 19.0，對(duì)該研究區(qū)不同地區(qū)地下水環(huán)境中所含的氟離子進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，然后在此分析基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法及數(shù)理研究方法，利用計(jì)算分析模型，對(duì)研究區(qū)氟離子的空間分布及相關(guān)特征進(jìn)行擬合研究。文章在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，采用的變異函數(shù)計(jì)算分析模型如下：

γ(h)=[1/2N(h)]∑[zi-zi+h]2

(1)

式中：數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)之間的間距為h；h的半方差函數(shù)值為γ；空間位置點(diǎn)i處指標(biāo)的實(shí)測(cè)值為zi；空間位置點(diǎn)i+h處指標(biāo)的實(shí)測(cè)值為zi+h。

3 大連市淺層地下水中氟的空間分布及其特征

3.1 大連市淺層地下水中氟的空間分布

文章通過(guò)對(duì)相關(guān)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，得到表1所示相關(guān)數(shù)據(jù)。從中可以看出，該研究區(qū)淺層地下水中氟元素的實(shí)際含量嚴(yán)重超標(biāo)，超標(biāo)率高達(dá)8.5%；而該研究區(qū)淺層地下水中氟元素的實(shí)際含量最大值及最小值和平均值分別為1.20mg/L、0.4mg/L和0.40mg/L。由于空間變異性能在一定程度上科學(xué)反映該研究區(qū)淺層地下水中氟元素的實(shí)際分布密集程度[3]。因此，由變異系數(shù)0.67可以看出，該地區(qū)淺層地下水中氟離子總體變異性較強(qiáng)，且通過(guò)地下水氟離子的偏態(tài)系數(shù)可以看出，該研究區(qū)地下水中氟離子總體空間分布呈現(xiàn)出一定的對(duì)稱性特征。

表1 大連市淺層地下水中氟的空間分布數(shù)據(jù)

3.2 大連市淺層地下水中氟離子含量的空間變異性

在上述數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上，本文采用地質(zhì)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)該研究區(qū)淺層地下水環(huán)境中的氟離子含量空間變異性進(jìn)行分析，剔除變異不顯著的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)篩選及轉(zhuǎn)化，從而得到表2所示的大連市淺層地下水氟離子空間半變異函數(shù)模型及參數(shù)：

表2 大連市淺層地下水氟離子空間半變異函數(shù)模型及參數(shù)

從上述數(shù)據(jù)可以看出，該研究區(qū)淺層地下水中氟離子含量的空間變異性符合正太分布趨勢(shì)[4]。文章在研究擬合過(guò)程中，通過(guò)在異性及向同性兩種不同條件下，對(duì)淺層地下水中氟離子的實(shí)際含量進(jìn)行變差函數(shù)計(jì)算分析，然后將最終計(jì)算結(jié)果與理論模型相結(jié)合。從中發(fā)現(xiàn)，各向同性高斯模型的殘差值較小，而其決定系數(shù)較大。在此分析過(guò)程中，由各向異性高斯模型可知，當(dāng)h分別無(wú)限趨近于0或無(wú)窮大時(shí)，γ(h)無(wú)限趨近于C0以及會(huì)在C0附近波動(dòng)。這一變化波動(dòng)過(guò)程并不明顯，因此由上述模型擬合結(jié)果可知，該研究區(qū)淺層地下水中氟元素的分布含量及分布濃度各向異特性不顯著，相反其具有一定的各向同性特征。

另外，文章在分析過(guò)程中，采用塊金常數(shù)與基臺(tái)值之比，對(duì)系統(tǒng)空間變量關(guān)系以及變異特性進(jìn)行科學(xué)描述。從上述數(shù)據(jù)結(jié)果中可以看出，各向同性高斯模型塊金常數(shù)C0與基臺(tái)值C0+C的比值=0.2603/1.4670=0.1782=17.82%<25%，而各向異性高斯模型塊金常數(shù)C0與基臺(tái)值C0+C的比值=0.2890/1.6032=18.02%<25%。

由此表明，該研究區(qū)淺層地下水中氟含量的分布具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性。在實(shí)際分析過(guò)程中，還可結(jié)合塊金常數(shù)與基臺(tái)值之比，對(duì)研究區(qū)主觀因素及客觀因素引起的氟離子含量變化趨勢(shì)進(jìn)行科學(xué)描述[5]。如果經(jīng)計(jì)算，C0與基臺(tái)值C0+C的比值>0.5，則由此表明該研究區(qū)主觀因素引起的氟離子含量變化占據(jù)主導(dǎo)地位；相反，如果在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，C0與基臺(tái)值C0+C的比值<0.5，則由此表明，該研究區(qū)客觀因素引起的氟離子含量變化占據(jù)主導(dǎo)地位。而文章通過(guò)上述計(jì)算發(fā)現(xiàn)，各向同性高斯模型塊金常數(shù)C0與基臺(tái)值C0+C的比值17.82%及各向異性高斯模型塊金常數(shù)C0與基臺(tái)值C0+C的比值18.02%均<50%。由此進(jìn)一步說(shuō)明，該研究區(qū)淺層地下水環(huán)境中氟含量的空間變異主要由研究區(qū)的地質(zhì)條件及地理地貌和氣候因素、人文環(huán)境等因素引起。

3.3 大連市淺層地下水中氟離子含量空間分布特征

在上述分析基礎(chǔ)上，文章又對(duì)大連市整個(gè)研究區(qū)淺層地下水中氟離子含量空間分布特征進(jìn)行了詳細(xì)描述，最終發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)地下水中氟離子濃度在0．5mg/L以下。在沙河口區(qū)、甘井子區(qū)、旅順口區(qū)及金州區(qū)和瓦房店區(qū)等居民住宅區(qū)，生活飲用水中的氟離子濃度介于0.5-1.0mg/L，而在中山市區(qū)及莊河市區(qū)等工業(yè)發(fā)達(dá)及人口密集區(qū)域，淺層地下水環(huán)境中的氟離子含量明顯超標(biāo)[6]。經(jīng)過(guò)科學(xué)測(cè)定，最終發(fā)現(xiàn)該地區(qū)氟離子含量超標(biāo)率高達(dá)8.5%，占整個(gè)市區(qū)面積的比重為1/3。因此，從大連市整個(gè)研究區(qū)的氟離子含量分布情況及空間變異特性來(lái)看，有3%的區(qū)域?qū)儆诟叻鷧^(qū)，有77%的區(qū)域?qū)儆诘头鷧^(qū)。除此之外，還有大約20%的區(qū)域?qū)儆趪?guó)家《中國(guó)飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)和地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002) 規(guī)定的氟標(biāo)準(zhǔn)區(qū)。

4 研究結(jié)果討論

由于人體中所含的氟元素有1/3來(lái)自于生活飲用水，因采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)研究方法對(duì)地下水環(huán)境中的離子空間變異性及分布特征進(jìn)行研究，能夠檢測(cè)水體中超標(biāo)的氟離子，從而對(duì)其控制和監(jiān)測(cè)提供依據(jù)[7]。因此，文章采用試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方法得到如下監(jiān)測(cè)結(jié)果：

1)通過(guò)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析法以及模型分析法，對(duì)大連市中山市區(qū)、西崗區(qū)、沙河口區(qū)、甘井子區(qū)、旅順口區(qū)以及金州區(qū)和長(zhǎng)梅縣、瓦房店市、普蘭店區(qū)以及莊河市等7個(gè)不同農(nóng)區(qū)市縣的城市集中供水井及自民井和澆灌機(jī)井相關(guān)水樣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最終發(fā)現(xiàn)，在60個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)水樣中，氟元素含量超標(biāo)率高達(dá)8.5%，實(shí)際含量最大、最小和平均值分別為1.20mg/L、0.4mg/L和0．40mg/L，變異系數(shù)為0.67。因此，該地區(qū)淺層地下水中的氟離子總體變異性較強(qiáng)。

2)通過(guò)研究地下水中氟離子的總體空間分布特征，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，各向同性高斯模型、各向異性高斯模型塊金常數(shù)C0與基臺(tái)值C0+C的比值17.82%、18.02%均<50%，說(shuō)明該研究區(qū)淺層地下水環(huán)境中氟含量的空間變異由地質(zhì)條件及地理地貌和氣候因素、人文環(huán)境等因素引起[8]。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，采用模型分析法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，能夠科學(xué)描述不同區(qū)域氟元素的實(shí)際含量及區(qū)域分布特征。文章在模型分析以及數(shù)據(jù)計(jì)算基礎(chǔ)上，對(duì)大連市整個(gè)研究區(qū)淺層地下水中氟離子含量空間分布特征進(jìn)行描述，發(fā)現(xiàn)氟離子濃度總體<0.5mg/L，而沙河口區(qū)、甘井子區(qū)、旅順口區(qū)以及金州區(qū)和瓦房店區(qū)等區(qū)，氟離子濃度在0.5-1.0mg/L，中山區(qū)及莊河市區(qū)淺層地下水中的氟離子超標(biāo)率達(dá)8.5%，占比1/3。因此，總體來(lái)看，大連市約有3%的區(qū)域?qū)儆诟叻鷧^(qū)，77%的區(qū)域?qū)儆诘头鷧^(qū)，20%的區(qū)域?qū)儆诜鷺?biāo)準(zhǔn)區(qū)。因此故該地區(qū)水資源管理部門(mén)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)高氟區(qū)的中山區(qū)及莊河市區(qū)水中氟離子進(jìn)行控制監(jiān)測(cè)，防止飲用水受到污染。

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Spacial Distribution and Characteristics of Fluorine in Shallow Groundwater in Dalian City

LIU Sheng-nan

(Liaoyang Hydrological Bureau Liaoning Province，Liaoyang 111000，China)

Fluorine exists widely in natural ecological environment as a kind of chemical element necessary to the human body.The paper analyzed the special variability and distribution characteristics of fluorinion in shallow groundwater of the study area of Dalian City in Liaoning Province，the results show that the contents of fluorinion in shallow groundwater exceeded seriously the limits of the area.The over limit rate of fluorinion has been 8.5% by measuring and a certain of variability has been appeared in distribution of fluorinion in shallow groundwater.This kind of variability was caused mainly by large scale space in study area，however，the effected degree was not obvious，the contents and concentration of fluorinion have exceeded the technological detection standard in a part of study area.Therefore，the study area should be reasonably controlled for the high fluoride concentration of fluoride concentration.

Dalian City; shallow groundwater; fluorine; special distribution; variability

1007-7596(2017)02-0010-03

2017-02-10

劉勝男(1983-)，女，遼寧遼陽(yáng)人，工程師，研究方向?yàn)樗乃Y源、水利信息化、水利工程管理等。

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