古宋河地表水與沿岸淺層地下水相關分析

鄭華山 臧紅霞

(河南省商丘水文水資源勘測局,河南商丘 476000)

古宋河地表水與沿岸淺層地下水相關分析

鄭華山 臧紅霞

(河南省商丘水文水資源勘測局,河南商丘 476000)

根據古宋河沿河地帶所設兩個監測斷面地下水污染濃度實測資料,采取漸進錯位相關分析法,分析古宋河地表水與地下水污染相關關系,可知河水與該處地下水中污染物傳播時間較長;依據水位觀測資料,分析知河道水位以大于1m水位差高與地下水位;通過現場滲透試驗資料確定地下水滲透參數,采用裘布衣公式計算河道地表水與地下水補排關系,得出右岸河水平均每天補給地下水3m3,該河地表水污染對地下水的影響很小;利用了MATLAB軟件編程進行數據分析和處理,建立回歸方程;選取氯化物作為相關分析示例,結果顯示地下水的氯化物值與測井距離相關性最大,與時間和地表水的監測值相關性很小,地表水與地下水之間的線性相關關系不明顯。

古宋河 地表水與地下水水質 滲透系數 關系 相關分析

古宋河發源于民權縣黃河故道南測，流經寧陵、商丘市梁園區、睢陽區、在李口鄉大任樓村入大沙河，全長73．2公里。流域面積412平方公里，是豫東平原區具有代表性的閘壩型河流，主要在睢陽區老南關橋上游接納睢陽區城市污水，是嚴重污染的典型河流之一。

豫東平原閘壩河流地表水與淺層地下水互補關系強，長期處于重污染河流兩岸將有可能對淺層地下水造成污染，加上河道淤積，自凈能力低、多數河道已成為排污河道，河道的污染物在多孔介質——土壤遷移擴散，對沿河淺層地下水水質造成一定程度的影響，故選擇古宋河及其濱河地帶沿河右岸200m范圍內為研究對象，該區域遠離其他水系，僅與古宋河水體關系密切，設置適當觀測斷面，沿垂直于河流觀測斷面方向布設試驗井，進行試驗，分析古宋河地表水與其沿岸淺層地下水的相關關系。

1 古宋河地表水與地下水污染相關分析

圖1 包公廟閘斷面氨氮濃度錯位相關分析

從河流污染對地下水影響研究物理過程來看，在河水與地下水存在濃度差和水位差條件下，污染物通過土壤介質在地下含水層中擴散運移，并沿程衰減。不斷變化的河道高濃度污染物是源，地下水污染物濃度沿程衰減是流，源和流之間必然相關，但是污染物在土壤含水層中運移有一個時間過程，如果簡單地以同一個時間河水與某一處地下水污染物濃度資料系列做相關分析，就沒有把污染物運移時間過程考慮進去，這樣則不符合實際。為解決這一問題，本項研究采取漸進錯位相關分析法，在古宋河濱河地帶選擇二個斷面:一號斷面位于老南關橋址處、二號斷面位于包公廟閘上游50m處，選擇氨氮和高錳酸鹽指數兩個項目分析地表水水質與地下水水質之間的關系，并選取地下水26組水質資料按時間順序水平對齊排列，由河水第一次測得的資料對地下水第一次測得的資料得出第一個序列相關系數；舍去地下水第一次監測資料和河水最后一次監測資料，由河水第一次監測資料對地下水第二次監測資料得出第二個序列相關系數；依次舍去地下水資料序列前諸次，刪除河水資料序列后諸次，取中間序列不少于五組資料做相關分析，得出一組系列相關系數值，并從中選取最大的一個相關系數值作為河水與地下水相關關系，而最大相關系數所處的時段可認為是河水與某處地下水地段污染物傳播時間。河水與地下水中氨氮濃度相關關系，這樣分析河水對地下水影響程度和范圍比較符合實際。第一斷面老南關、第二斷面包公廟閘河水氨氮傳播到第一口井的時間分別為:126天、77天，如圖1所示。圖2為河水與地下水高錳酸鹽指數相關關系，第一斷面老南關、第二斷面包公廟閘河水中高錳酸鹽指數傳播到第一口井的時間分別為:105天、70天。

圖2 包公廟閘高錳酸鹽指數錯位相關分析

圖3 河水位與地下水位平均值關系

表1 古宋河各試驗斷面滲透系數平均值表

Section name ⅠSection name ⅡSection name ⅢSection name K(m/d) 0．0033 0．0037 0．0035 k (m/d) 0．0035

表2 古宋河地下水補排水量計算成果表

Table 2 Gusonghe River groundwater recharge and discharge calculation results table

2 古宋河河道水位與淺層地下水位的關系分析

河道水位與淺層地下水位的關系是河水與淺層地下水補給方向的必要條件，也是河流污染對地下水影響的重要因素。這里有三種情況:一是地下水位長期以較大的水位差高于河道水位，在這種情況下地下水向河道排泄，河流污染不會影響地下水水質；二是地下水位長期以較大的水位差低于河道水位，這種情況出現在長期淤積造成河床抬高而形成所謂地上懸河地區。這種情況下 河流補充地下水，河流污染最容易造成地下水質變化；三是河道水位與地下水位差很小，這種情況下河流與地下水互為緩慢補給和排泄，河流污染物質在土壤飽水層中做緩慢擴散運動而影響地下水。因此，檢驗試驗區域內河道水位與淺層地下水位的關系是研究河流污染對淺層地下水影響的前提條件。

在古宋河濱河地帶選擇老南關橋(一號斷面)、包公廟閘位于上游50m處(二號斷面)作為兩個監測斷面，測出兩斷面在2009年8月1日至2010年5月26日這段時間序列里河道水位與地下水位資料。從資料可以看出河道水位隨著降雨變化明顯，地下水位則比較穩定。大部分時段河水位高于地下水位1．2m，最大水位差不超過2m。各斷面河道水位與地下水位平均值關系。如圖3。分析得出在大部分時段里二個斷面的河道水位以大于1m水位差高與地下水位。

3 河道地表水與地下水補排關系分析

當河道水位低于或高于地下水位時，河道地表水與地下水之間存在如下補排關系:當河道水位低于地下水位時，地下水將以滲流排泄的形式補給河水；當河道水位高于地下水位時，河道地表水將側滲補給地下水，如果河道水位大大高于地下水位，河底地表水還將垂直下滲補給地下水。

按照古宋河沿岸地下水觀測井分布情況，分析確定地下水的流向，根據兩岸地下水水位、河水位及地下水參數等，計算地下水的補排量。

3.1 計算公式的選擇

由于觀測井深度不超過15m，未揭露承壓含水層，只涉及淺層潛水含水層，故河道對地下水的補排水量采用裘布衣公式[1]計算:

Q河排＝10-4qLtsinΦ

式中，Q河排——單側河道地下水排泄量(萬m3)；

q——單側河道垂直于地下水流向的單寬流量(m3/d·m)；

K——含水層滲透系數(m/d)；

h——地下水排入河道處含水層厚度(m)；

H——觀測孔含水層厚度(m)；

b——觀測孔至河道之間的距離(m)；

Φ——地下水流向與河道之間的夾角；

L——計算河段長度(m)；

t——計算時間(d)。

3.2 現場試驗法測定河道底泥的滲透系數[2]

滲透系數K是綜合反映介質滲透能力的一個指標，其數值的正確確定對滲透計算有著非常重要的意義。影響滲透系數大小的主要因素為介質顆粒的形狀、大小、排列方式和流體的粘滯性等，要建立計算滲透系數K的精確理論公式比較困難，采用現場試驗法測定河道底泥的滲透系數，選取3個斷面，其中老南關斷面命名為Ⅰ斷面，包公廟閘斷面為Ⅲ斷面，在此兩端面的大致中間位置選取Ⅱ斷面。測定結果見表1。

測定結果顯示三個斷面的滲透系數都非常小，且相差甚微，平均值為0．0035m/d。該區淺層土樣為極細砂和粉土的混合物，其滲透系數也非常小。按照達西定律Q=KAI，當滲透系數k非常小時，河流對地下水的補給也是非常小的。地下水流向與河道之間的夾角(Φ)采用年均地下水流向與河道之間的夾角，約為40～50°。

3.3 計算結果

由于古宋河上的包公廟閘常年關閉，遇有上游來水時從上游小分水閘分水，河道水位較高，河水位常年高于地下水水位。因此河水常年補給地下水。根據2009年8月1日至2010年5月26日的河水位、地下水水位及現場測定的滲透系數進行計算結果如見表2。

由計算結果知:古宋河常年不開閘，河道水體不流動有些污染物常年附著在河床上，致使河床下滲能力較弱，右岸河水平均每天補給地下水3m3/d。由于污染物的轉移必須依附于水的運移，當河流對地下水的補給非常小時，所能從河水中遷移至地下水的污染物質也是非常少的，河流污染對地下水影響主要靠污染物在土壤飽和水中的分子擴散和土壤的吸附作用而沿程衰減。因此，可以說古宋河地表水污染對地下水的影響很小。

表3 地表水與地下水各元素回歸分析成果匯總表

Table 3 of surface water and groundwater elements regression analysis results summary

4 古宋河地表水與地下水回歸分析

線性回歸分析用了MATLAB軟件編程[3]進行數據分析和處理，回歸方程:

Y=B*X1+C*X2+A

式中:Y——地下水相關濃度值；

X1——實測的地表水相關濃度值；

X2——測點距水面的水平距離，變化范圍(0-110m)。

斷面I為老南關斷面；

斷面II為紅旗二閘斷面。

根據2009年8月12日至2010年6月28日數據運用MATLAB軟件編程，依據(1)復相關系數R2為回歸平方和(SSR)除以殘差平方和(SST)的值，其值度量線性回歸模型與樣本觀察值的擬合優度，其值越接近1，線性回歸模型與樣本觀察值擬合優度越好。(2)顯著性概論P越接近于0，線性回歸模型與樣本觀察值相關性差，根據上述原則進行線性回歸分析，回歸分析結果見表3。

根據以上R2、P進行判斷，發現地表水與地下水之間建立的線性回歸模型擬合優度一般，R2的值80%都低于0．5，說明地表水與地下水之間水質關系存在著很弱的相關性。

5 殘差分析

根據實測資料，選取氯化物作為相關分析示例，進行時間性相關性分析，結果如下:

氯化物的時間性相關性分析

CI與距離的相關性分析

CI與地表水質的相關性分析

CI與時間的相關性分析

以殘差為縱坐標，以任何其他指定的量為橫坐標繪制散點圖。當描繪的點圍繞殘差等于0的直線附近上下隨機散布，說明回歸直線對原觀測值的擬合情況良好。否則，說明回歸直線對原觀測值的擬合不理想。根據實測值與回歸估計值做出殘差。從“殘差圖”可以直觀地看出殘差的絕對數值都比較大，所描繪的點都在以0為橫軸的直線上下隨機散布，變化幅度較大，回歸直線對各個觀測值的擬合情況較差。說明地表水與地下水之間的線性相關關系不明顯。

6 結語

(1)根據實測的K平均值為0．0035m/d，可知在該實測區域滲透系數很小，根據K值推算，從古宋河地表水滲透到側岸1年能有1．278米遠，100年才能滲到127．8米，因此2個斷面的100米、102米斷面的地下水水質值基本與地表水無關。(2)由于古宋河常年不開閘，河道水體不流動，有些污染物常年附著在河床上，致使河床形成了一種保護膜，右岸河水平均每天補給地下水3m3/d。由于污染物的轉移必須依附于水的運移，當河流對地下水的補給非常小時，所能從河水中遷移至地下水的污染物質也非常少，河流污染對地下水影響主要靠污染物在土壤飽和水中的分子擴散和土壤的吸附作用而沿程衰減。因此古宋河地表水污染對地下水的影響很小。(3)考慮到地表水入滲成為地下水有一個時間過程，K值又小，因此監測的數據沒有考慮時滯性，可能會為線性分析帶來誤差。(4)選取氯化物做與距離、地表水監測值和時間的相關性分析，發現地下水的氯化物值與測井距離相關性最大，與時間和地表水的監測值相關性很小，地下水的氯化物值是一個隨著井距增大而增大的遞增值。(5)通過這6個元素的回歸方程，發現地表水與地下水的相關性很差，地下水的監測值都是在一個定值附近變化，而與地表水的監測值和井距關系不大。

[1] 劉兆昌,李廣賀.供水水文地質[M].北京:中國建筑工業出版社,2011年8月,85-95.

[2] 陳崇希,林敏.地下水動力學[M].武漢:中國地質大學出版社,2009年8月,7-15.

[3] 朱旭籍,萬新.MATLAB軟件與基礎數學實驗[M].西安交通大學出版社,2008年.

According to the Gusonghe River along the river two monitoring sections of groundwater pollution concentration data, adopt a gradual displacement correlation analysis, analysis of Gusonghe river surface water and groundwater pollution, the river water and ground water contamination spread the longer time; according to the water level observation data, analysis of river water level with more than 1m high water level and the underground water level difference through the in-situ permeability test data; determining the parameters of groundwater seepage, the Dupuit formula to calculate the river surface water and groundwater recharge and discharge relationship, the daily average of Right Bank of river recharge of groundwater 3m3, the river pollution of surface water to groundwater is very small; use MATLAB software for data analysis and processing, a regression equation is established; the chloride as correlation analysis, results showed that groundwater chloride maximum distance and correlation with logging, monitoring time and surface water correlation value is very small, the linear relationship between surface water and groundwater is not obvious.

gusonghe river；surface water and groundwater water quality；permeability coefficient；relationship；correlation analysis

鄭華山(1964—),男,河南省柘城縣人,高級工程師,本科,主要從事水質監測評價和水資源保護方面的工作。