上海市地下水的礦化度時空演化規律研究

王玉強，柳建設1.東華大學環境科學與工程學院，上海2016202.華東政法大學基建處，上海201620

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上海市地下水的礦化度時空演化規律研究

王玉強1，2，柳建設1*
1.東華大學環境科學與工程學院，上海201620
2.華東政法大學基建處，上海201620

摘要：本文采用SPSS17.0軟件分析了2001～2013年上海市地下水的礦化度，探討了潛水層及第Ⅱ～Ⅴ承壓含水層的礦化度時間演化趨勢和垂直分布規律。研究發現：從時間演化總體趨勢來看，潛水含水層、第二承壓含水層和第四承壓含水層的礦化度呈增加趨勢，表明水質趨向鹽化和惡化；其余各含水層礦化度呈降低趨勢，表明水質趨向良性。從垂直方向分布情況來看，潛水含水層和第二、第五承壓含水層的礦化度高于其他含水層，同時第二承壓含水層的礦化度變化幅度顯著。

關鍵詞：上海市；地下水礦化度；時空演化；垂直分布

在現代城市的飛速發展過程中，城市建設對地下水的需求越來越大，而過量開采地下水、污染環境等人類活動干擾和破壞了地下水環境原有的天然平衡狀態，進而導致地下水質不斷惡化、地下水環境污染愈益嚴重。業內學者對水環境污染問題從不同層面進行研究。其中，地下水礦化度問題對土壤鹽漬化格局有著直接影響，相關研究也較多。如王欣寶等[1]，蘇里坦等[2]，王水獻等[3]，馬興旺等[4]，孫月等[5]，胡濤等[6]以及呂曉立等[7]分別對河北地區、新疆三工河流域、開孔河流域、民勤、石羊河流域以及山東省武城縣、蘭州市地下水礦化度的時空分布特征進行了研究，并針對以上區域的地下水礦化度問題提出對策。通過相關文獻分析發現，尚未有對上海地區地下水礦化度問題的專題研究，這與上海的經濟龍頭地位不相適應。因此，本文擬借助翔實的數據，對上海經濟快速發展時期（2001～2013）地下水礦化度的時間演化趨勢和垂直方向分帶分布規律進行研究，以便為合理開發利用地下水資源提供一定思路和支撐。

1　研究區概況

上海市地處東經120°52′至122°12′，北緯30°40′至31°53′之間，位于太平洋西岸，亞洲大陸東沿，中國南北海岸中心點，長江和黃浦江入海匯合處。北界長江，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇和浙江兩省。上海市現轄區總面積為6340.5 km2，其中陸地面積6218.65 km2，長江口水域面積1107 km2，灘涂面積376 km2，海岸線長448.66 km。上海地下水賦存條件和分布規律受控于區域地貌、地層巖性及厚度。習慣上，將地下水劃分為一個潛水或微承壓含水層，五個承壓含水層（自上向下依次為Ⅰ-Ⅴ含水層），六個隔水層（滯水層）。

2　研究數據來源

本次研究所用的上海市潛水含水層及第Ⅱ～Ⅴ承壓含水層2001～2013年地下水總礦化度的原始數據，均來自上海市規劃和土地資源管理局發布的2001～2013年《上海市地質環境狀況公報》[8]。相關數據還包括上海市環境保護局發布的2000～2013年《上海市水環境保護情況統計數據》[9]、上海市水務局發布的1998～2013年《上海市水資源公報》[10]。數據分析處理工具為SPSS17.0軟件。

3　結果與分析

3.1地下水礦化度的時間演化趨勢分析

3.1.1潛水含水層礦化度的時間演化趨勢根據圖1可知，潛水含水層礦化度與時間序列呈非線性三次曲線關系。根據表1可知，潛水含水層礦化度與演化時間序列變量的數學模型如下：

回歸模型構建：y＝b0＋b1t＋b2t2＋b3t3

擬合曲線模型：y＝74.814＋212.325t-20.889t2＋0.638t3

（公式中，y——潛水含水層礦化度；t——演化時間序列）

經F檢驗，該模型具有一定的顯著性水平（P＝0.059），可以解釋54.5%的變異因素（R2＝0.545），還有45%左右的變異無法解釋。

表1　潛水含水層礦化度演化模型匯總和參數估計值Table 1 Summary of evolutionary models of the salinity in the unconfined aquifer and parameter estimation

圖1　潛水含水層礦化度時間演化趨勢圖（mg/L）Fig.1　The trend of spatial-temporal evolution of salinity in the unconfined aquifer（mg/L）

3.1.2第二承壓含水層礦化度的時間演化趨勢根據圖2可知，第二承壓含水層礦化度與時間序列呈“U”型非線性二次曲線關系。根據表2可知，第二承壓含水層礦化度與演化時間序列變量的數學模型如下：

回歸模型構建：y＝b0＋b1t＋b2t2

擬合曲線模型：y＝1737.697-240.269t＋11.827t2

（公式中，y—第二承壓含水層礦化度；t—演化時間序列）

經F檢驗，該模型顯著性水平較高（P＜0.05），具有理想的統計學意義；可以解釋48.2%的變異因素（R2＝0.482），還有52%左右的變異無法解釋。

表2　第二承壓含水層礦化度演化模型匯總和參數估計值Table 2 Summary of evolutionary models of the salinity in the 2ndconfined aquifer and parameter estimation

圖2　第二承壓含水層礦化度時間演化趨勢圖（mg/L）Fig.2　The trend of spatial-temporal evolution of the salinity in the 2ndconfined aquifer（mg/L）

3.1.3第三承壓含水層礦化度的時間演化趨勢根據圖3可知，第三承壓含水層礦化度與時間序列呈非線性三次曲線關系。根據表3可知，第三承壓含水層礦化度與演化時間序列變量的數學模型如下：

回歸模型構建：y＝b0＋b1t＋b2t2＋b3t3

擬合曲線模型：y＝1126.123-210.846t＋20.169t2-0.604t3

（公式中，y—第三承壓含水層礦化度；t—演化時間序列）

經F檢驗，該模型顯著性水平很高（P＝0.01），具有理想的統計學意義；可以解釋70.2%的變異因素（R2＝0.702），還有30%左右的變異無法解釋。

表3　第三承壓含水層礦化度演化模型匯總和參數估計值Table 3 Summary of evolutionary models of the salinity in the 3rdconfined aquifer and parameter estimation

圖3　第三承壓含水層礦化度時間演化趨勢圖（mg/L）Fig.3　The trend of spatial-temporal evolution of salinity in the 3rdconfined aquifer（mg/L）

3.1.4第四承壓含水層礦化度的時間演化趨勢根據圖4可知，第四承壓含水層礦化度與時間序列呈非線性三次曲線關系。根據表4可知，第四承壓含水層礦化度與演化時間序列變量的數學模型如下：

回歸模型構建：y＝b0＋b1t＋b2t2＋b3t3

擬合曲線模型：y＝858.231-116.984t＋14.251t2-0.509t3

（公式中，y—第四承壓含水層礦化度；t—演化時間序列）

經F檢驗，該模型顯著性水平比較低（P＞0.05），統計學意義不明顯；可以解釋33%的變異因素（R2＝0.33），還有67%左右的變異無法解釋。

表4　第四承壓含水層礦化度演化模型匯總和參數估計值Table 4 Summary of evolutionary models of the salinity in the 4thconfined aquifer and parameter estimation

圖4　第四承壓含水層礦化度時間演化趨勢圖（mg/L）Fig.4　The trend of spatial-temporal evolution of salinity in the 4thconfined aquifer（mg/L）

3.1.5第五承壓含水層礦化度的時間演化趨勢根據圖5可知，第五承壓含水層礦化度與時間序列呈非線性三次曲線關系。根據表5可知，第五承壓含水層礦化度與演化時間序列變量的數學模型如下：

回歸模型構建：y＝b0＋b1t＋b2t2＋b3t3

擬合曲線模型：y＝1337.797-196.493t＋18.656t2-0.598t3

（公式中，y—第五承壓含水層礦化度；t—演化時間序列）

經F檢驗，該模型顯著性水平較高（P＜0.05），具有明顯的統計學意義；并且可以解釋67.6%的變異因素（R2＝0.676），還有32%左右的變異無法解釋。

表5　第五承壓含水層礦化度演化模型匯總和參數估計值Table 5 Summary of evolutionary models of salinity in the 5thconfined aquifer and parameter estimation

圖5　第五承壓含水層礦化度時間演化趨勢圖（mg/L）Fig.5　The trend of spatial-temporal evolution of salinity in the 5thconfined aquifer（mg/L）

3.2地下水礦化度的空間分布分析

上海市地下水各承壓含水層地下水礦化度垂直方向分帶分布情況詳見表6和圖6。

表6　上海市各承壓含水層地下水礦化度空間分布描述統計Table 6 Statistics of the spatial distribution of the salinity in groundwater confined aquifers in Shanghai City

4　結論

以上研究結果表明，一方面，從時間演化總體趨勢來看，上海市潛水含水層、第二承壓含水層和第四承壓含水層的礦化度呈增加趨勢，表明水質出現鹽化和惡化趨勢；其余各含水層礦化度呈降低趨勢，表明水質趨向良性發展。具體來看，在上海市各個承壓含水層中，潛水含水層和第三、第五承壓含水層礦化度與時間序列呈復雜的非線性三次曲線關系，其中潛水含水層模型具有一定的顯著性水平（P＝0.059），第三、第五承壓含水層模型均比較顯著（P＜0.05）。第二承壓含水層礦化度與時間序列呈“U”型非線性二次曲線關系，模型顯著性水平較高（P＜0.05）。其余含水層模型顯著性水平均偏低（P＞0.05），統計學意義不明顯。另一方面，從垂直方向空間分布情況來看，上海市潛水含水層和第二、第五承壓含水層的地下水礦化度較高于其他幾個承壓含水層，同時第二承壓含水層的地下水礦化度變化幅度非常大。

筆者結合相關文獻與本研究結果，認為上海市地下水礦化度分布出現以上時空變異規律的主要原因如下：一是由于對地下水超量開采，尤其是從早期的淺層含水層開采發展到現在的深層含水層開采；二是由于對地下含水層人工回灌，與開采量趨勢相同的是回灌量也從早期的淺層含水層回灌發展到現在的深層含水層回灌；三是由于海水入侵。上述原因中，尤其是前兩條原因，雖然在一定程度上緩解了上海地區地面沉降的速度，但卻極有可能給地下水環境帶來一定程度的負面影響。從礦化度在時間和空間尺度上的演化規律來看，與地下水實際開采量和回灌量的變動趨勢非常接近，這說明人為因素確實對上海市地下水環境的天然平衡狀態產生了較大的干擾破壞作用。鑒于目前礦化度方面的研究基本上都是其它地區的[1-7]，罕見上海地區地下水礦化度的專題研究，而各個地區的地質環境、人文環境、水文環境等各有不同，研究結果之間可比性不強，因此，本研究主要應用在上海環境規劃中。結合以上研究結果，我們建議，上海地區在制定控制地面沉降的政策和措施時，須充分考慮到對地下水環境的保護，使控制地面沉降與保護地下水環境質量兩者之間達到適度平衡。

參考文獻

[1]王欣寶，尚琳群，李玉龍，等.環渤海河北地區地下水環境演化研究[J].地質調查與研究，2004（3）:149-156

[2]蘇里坦，宋郁東，張展翔，等.新疆三工河流域地下水礦化度的時空變異及其分形特征[J].地質科技情報，2005，24（1）::85-90

[3]王水獻，王云智，董新光，等.開孔河流域淺層地下水礦化度時空變異及特征分析[J].水土保持研究，2007，14（2）:293-296

[4]馬興旺，呂貽忠，李保國，等.綠洲土地利用影響下地下水礦化度時空變化模擬模型的構建[J].自然資源學報，2009，24（2）:268-275

[5]孫月，毛曉敏，楊秀英，等.西北灌區地下水礦化度變化及其對作物的影響[J].農業工程學報，2010，26（2）:103-108

[6]胡濤，高佩玲，孫曉俊，等.基于GIS的地下水礦化度分布特征研究[J].中國農村水利水電，2013（4）:32-35，39

[7]呂曉立，邵景力，劉景濤，等.蘭州市區地下水礦化度分布特征及成因分析[J].干旱區資源與環境，2013（7）:23-27

[8]上海市規劃和土地資源管理局.上海市2001年-2013年地質環境狀況公報[EB/OL].（2015-02-23）.http://www.shgtj.gov.cn/dzkc/

[9]上海市環境保護局.上海市水環境保護情況統計數據（2000-2013年）[EB/OL].（2015-02-28）.http://www.sepb.gov.cn/ hb/fa/cms/shhj/list_login.jsp？channelId＝2074

[10]上海市水務局（上海市海洋局）.上海市1998年-2013年水資源公報[EB/OL].（2015-02-23）.http://222.66.79.122/BMXX/default.htm

A Study on the Spatial-temporal Evolution Law of the Salinity of Groundwater in Shanghai City

WANG Yu-qiang1，2，LIU Jian-she1*
1. College of Environmental Science and Engineering/Donghua University, Shanghai 201620，China
2. Infrastructure Department/East China University of Political Science and Law, Shanghai 201620，China

Abstract:This paper analyzed the salinity of groundwater in Shanghai City from 2001 to 2013 with SPSS17.0 software and explored the spatial-temporal evolution trend and vertical distribution law of salinity in the unconfined aquifer and from the second to the fifth confined aquifer. The results showed that in terms of time-space evolution trend，there was an increasing trend in the salinity in the unconfined aquifer，the second and the forth confined aquifer to indicate the salinization and deterioration of water. The salinity in other aquifers was decreasing to indicate the improvement of water. From the perspective of vertical distribution，the salinity in the unconfined aquifer，the second and the fifth aquifer were higher than others，meanwhile，there was a significant variation in the salinity of the second confined aquifer.

Keywords:Shanghai City；salinity in groundwater；spatial-temporal evolution；vertical distribution

*通訊作者：Author for correspondence. E-mail:liujianshe@dhu.edu.cn

作者簡介:王玉強（1971-），男，博士，高級工程師，主要從事環境規劃和工程經濟管理與研究工作.E-mail:1375044408@qq.com

基金項目:上海市重點學科建設項目（B604）

收稿日期:2014-12-20修回日期: 2015-04-20

中圖法分類號：X523

文獻標識碼：A

文章編號：1000-2324（2016）01-0124-05