上海市地下水礦化度與水化學離子濃度間的耦合關系

王玉強，柳建設

(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)

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上海市地下水礦化度與水化學離子濃度間的耦合關系

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：為提升上海市地下水環境質量，探討了上海市經濟快速發展時期(2001—2013年)全市潛水含水層及第Ⅱ～Ⅴ承壓含水層地下水礦化度與,TFe,Mn2+濃度之間的耦合關系，發現各含水層地下水礦化度與不同離子濃度的空間分布之間具有一定規律性，不同含水層礦化度與不同種類離子濃度之間存在顯著正相關或者負相關.鑒于礦化度與各水化學離子之間的相互關系在一定程度上反映了地下水的成因，因此，礦化度是反映地下水環境質量演化趨勢的優良指標之一.

關鍵詞：上海市； 地下水礦化度； 水化學離子濃度； 耦合關系； 潛水含水層； 承壓含水層

在現代工業和農業的發展過程中，因過量開采地下水而產生的地下水環境污染、土壤鹽化、農業減產等問題日益嚴重.為了解地下水構成以及防治水污染，有必要深入研究地下水礦化度問題，因為礦化度能夠很好地反映出地下水化學組分的總體分布特征與演化趨勢[1].所謂地下水礦化度，即單位體積的地下水中化學組分含量的總和，單位一般為g/L，符號一般用M表示.根據礦化度大小，可將地下水劃分為淡水(礦化度0～1.000 g/L)、微咸水(礦化度1.000～3.000 g/L)、咸水(礦化度3.000～10.000 g/L)、鹽水(礦化度10.000～50.000 g/L)和鹵水(礦化度>50.000 g/L)共計5種類別.

目前地下水礦化度的相關研究主要涉及礦化度時空分布特征、礦化度與地下水質量問題等.如文獻[2-7]分別對新疆三工河流域、開孔河流域、甘肅省民勤縣、石羊河流域、山東省武城縣以及福建省晉江市地下水礦化度的時空分布特征進行了研究.文獻[8]建立了沙漠地區植被與地下水礦化度等指標體系之間耦合關系的模型，對沙漠地區植被生長所需要的地下水礦化度的閾值范圍進行測算.文獻[9]探討了福建省長樂—詔安地震斷裂帶閩南段的地下水礦化度與8種常規離子間的相關關系矩陣.文獻[10]研究了地中海地區地下水環境質量問題(如鹽化問題).根據文獻[11]的研究可知，地下水水質受其所處含水層沉寂環境及形成水體環境的化學性質的影響極大.文獻[12-13]則認為上海地區第四、五含水層處于下更新統，而由于承壓Ⅳ層上面有穩定的隔水層，幾乎全區的第三、四含水層之間均無水力聯系.通過分析上述文獻發現，關于上海市地下水礦化度問題的專題研究很少，這顯然難以滿足上海市“四個中心”建設發展的需要.因此，本文擬探討上海市經濟快速發展時期(2001—2013年)地下水總礦化度與常規水化學離子間的耦合關系，旨在為上海市提升地下水環境質量、科學開發利用地下水資源提供一定的理論支撐.

1研究區概況及研究數據來源

1.1研究區概況

上海市地處東經120°52′～122°12′，北緯30°40′～31°53′，位于太平洋西岸，亞洲大陸東沿，我國南北海岸中心點，長江和黃浦江入海匯合處.上海市現轄區總面積為6340.5 km2，其中，陸地面積為6218.65 km2，長江口水域面積為1107 km2，灘涂面積為376 km2，海岸線長為448.66km.

1.2研究數據來源

2結果分析與討論

2.1地下水環境礦化度描述統計

上海市地下水環境礦化度描述統計量如表1所示.從表1中可以看出，上海市地下水礦化度基本上都低于1 000 mg/L，屬于淡水區間，但是不同含水層的具體情況有較大差別.其中，礦化度均值最高的是潛水層，其次是承壓Ⅱ層，再次是承壓Ⅴ層，然后是承壓Ⅳ層，最低的是承壓Ⅲ層.礦化度年際標準差和標準誤差最大的都是承壓Ⅱ層，其值遠高于其他任一含水層，其次是承壓Ⅴ層，而其余各含水層的值都非常接近，同時也遠低于承壓Ⅱ層和Ⅴ層.

表1　上海市地下水環境礦化度描述統計量

2.2地下水各含水層總礦化度與常規水化學離子的耦合關系分析

表2　地下水各含水層總礦化度與該層水化學離子含量間相關系數矩陣分析

注：**表示在 0.01 水平(雙側)上顯著相關;*表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關.

2.2.1潛水層地下水礦化度與常規水化學離子的耦合關系分析

2.2.2承壓Ⅱ層地下水礦化度與常規水化學離子的耦合關系分析

相關程度分析：承壓Ⅱ層地下水礦化度與Na+、Mg2+、Cl-之間存在非常顯著的正向強相關關系(p<0.01，r>0.9)；與Ca2+之間存在非常顯著的高度正相關關系(p<0.01，r>0.8).這說明承壓Ⅱ層中Na+、Mg2+、Cl-、Ca2+濃度的空間分布特征與礦化度高值空間分布格局近于一致，而其余離子濃度的空間分布特征與礦化度偏差較大，相關性較弱.

2.2.3承壓Ⅲ層地下水礦化度與常規水化學離子的耦合關系分析

2.2.4承壓Ⅳ層地下水礦化度與常規水化學離子的耦合關系分析

2.2.5承壓Ⅴ層地下水礦化度與常規水化學離子的耦合關系分析

3結語

(2) 上海市范圍內承壓Ⅱ層地下水中Na+、Mg2+、Cl-、Ca2+的濃度空間分布特征與該層地下水總礦化度的高值空間分布格局比較接近，相關程度較高，其中，礦化度與Na+、Mg2+、Cl-之間更是存在非常顯著的正向強相關關系，相關系數均超過0.9. 一般情況下，只有在高礦化度的水中才會出現Na+、Mg2+、Cl-主導的現象，而承壓Ⅱ層的礦化度尚屬于淡水級別，這可能是因為上海市對承壓Ⅱ層的人工回灌用水含Na+、Mg2+、Cl-濃度較高，但具體原因尚需探究.

綜上所述可知，上海市地下不同含水層地下水的礦化度與各類離子濃度的空間分布呈現較高的相關程度，而究其原因，可能人工回灌地下水和海水入侵對上海區域的地下水環境產生了一定的影響，部分改變了其水的化學組分.這進一步說明礦化度與水化學離子之間的相互關系能夠在一定程度上反映地下水成因，可以作為反映地下水環境質量演化趨勢的優良指標之一，同時，也揭示了對地下水開采及回灌等人為因素可能在一定程度上改變了地下水環境的原始水動力條件和水質情況，須進一步加強對地下水環境演化情況的監測與研究.

參考文獻

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文章編號：1671-0444(2016)03-0432-05

收稿日期：2015-11-05

基金項目：上海市重點學科建設資助項目(B604)

作者簡介：王玉強(1971—)，男，山東臨沂人，高級工程師，博士研究生，研究方向為環境規劃和工程經濟.E-mail: 1375044408@qq.com 柳建設(聯系人)，男，教授，E-mail: liujianshe@dhu.edu.cn

中圖分類號：X 523

文獻標志碼：A

Coupling Relationship Between the Groundwater Mineralization Degree and Hydrochemistry Ion Concentration in Shanghai City

WANGYu-qiang1, 2,LIUJian-she1

(1. School 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:Based on the relevant data of 2001—2013 (the period of fast economic development) of Shanghai city, this study probed into the coupling relationship between the mineralization degree of the phreatic aquifer, the second, the third, the forth and the fifth confined aquifer, and the regular hydrochemistry ion(such as Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-, , , , , , TFe, Mn2+) concentration, so as to improve the quality of groundwater environment in Shanghai city. The results show there is regularity between the groundwater mineralization degree of each aquifer and the spatial distribution of the concentration of different ion. There is obvious positive and negative correlation between the mineralization degree of different confined aquifers and the concentration of different ion. Considering the fact that the relationship between the mineralization degree and each hydrochemistry ion reflects the cause of groundwater to a degree, the mineralization degree is one of the good indices in revealing the evolutionary trend of groundwater environmental quality.

Key words:Shanghai city; mineralization degree of the groundwater; hydrochemistry ion concentration; coupling relationship; phreatic aquifer; confined aquifer