大連市淺層地下水中氟的空間分布及其特征分析

劉勝男

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 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

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

氟作為人體內必不可少的一種化學元素，其在自然生態環境中廣泛存在。文章通過對遼寧省大連市某研究區淺層地下水中的氟離子空間變異性及分布特征進行分析，結果表明，該地區淺層地下水中氟離子含量嚴重超標。經測定，氟離子含量超標率高達8.5%，且淺層地下水中的氟離子分布呈現出一定的變異性特征。這種變異性主要由研究區大尺度空間這一因素導致，但影響程度不明顯，少部分研究區域的氟離子含量及濃度超過國家技術檢測標準。因此，該研究區需針對氟濃度嚴重超標的高氟區進行合理控制。

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，其具有一定的技術監測標準。尤其是水質中的氟，按照國家相關技術標準《中國飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)和地下水質量標準(GB 3838—2002) 中的相關技術規定，生活飲用水中氟的最佳含量為 0.5-1.0mg/L，如果水質中氟的含量超過1.0 mg/L，則可認定其為高氟水。一旦水質中的氟元素超標就會引起各種地方病。如果人類不慎攝入，則會導致氟中毒。目前，這種現象在中國遼寧省普遍存在，經調查這一問題與當地生活飲用水中的氟元素含量存在很大的關聯。基于此，文章將針對大連市淺層地下水中氟的空間分布及其具體特征進行研究，從而為該研究采取積極的控制措施提供建議。

1 研究區背景資料

大連別稱“濱城”，其位于中國遼寧省遼東半島最南端，地處環渤海之濱，背依東北腹地，與山東半島隔海相望。大連市境內共有7個不同的農區市縣，主要為中山市區、西崗區、沙河口區、甘井子區、旅順口區以及金州區和長梅縣、瓦房店市、普蘭店區以及莊河市。大連作為京津地區的重要門戶，地理坐標為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]。人口數量目前達669.0432萬人，市區極度缺水。該研究區氣候類型屬于暖溫帶大陸性季風氣候，因此具有海洋性特征的氣候冬無嚴寒、夏無酷暑、四季分明，全年降雨量只有550-950mm，降雨大多集中于夏季，該地區地下水類型分為淺層地下水及深層地下水兩種類型。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際補給量為7.12億m3,水資源總量總體呈現出“南少、北多”的特點。具體城市區域總體格局規劃如圖1所示。

圖1 大連市區域水資源綜合開發利用規劃圖

2 研究資料來源與分析

文章針對該研究區的區域地質及水文和氣候等相關資料進行分析，按照 1∶50000的《水文地質調查規范》，在該研究區一共采集地下水水樣60個。所有水樣均來自大連市不同區域城市集中供水井及自民井和澆灌機井，數據采集時間段為2014年6月-2015年10月，采樣點分布呈隨機狀態。然后，將收集到的相關水樣帶回實驗室進行檢測分析，主要數據檢測方法為離子色譜法[2]。

在采用離子色譜法對相關水樣進行一一檢測后，通過統計學分析軟件SPSS 19.0，對該研究區不同地區地下水環境中所含的氟離子進行分析統計，然后在此分析基礎上，采用地質統計學方法及數理研究方法，利用計算分析模型，對研究區氟離子的空間分布及相關特征進行擬合研究。文章在數據分析過程中，采用的變異函數計算分析模型如下：

γ(h)=[1/2N(h)]∑[zi-zi+h]2

(1)

式中：數據采樣點之間的間距為h；h的半方差函數值為γ；空間位置點i處指標的實測值為zi；空間位置點i+h處指標的實測值為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

文章通過對相關監測結果進行分析，得到表1所示相關數據。從中可以看出，該研究區淺層地下水中氟元素的實際含量嚴重超標，超標率高達8.5%；而該研究區淺層地下水中氟元素的實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反映該研究區淺層地下水中氟元素的實際分布密集程度[3]。因此，由變異系數0.67可以看出，該地區淺層地下水中氟離子總體變異性較強，且通過地下水氟離子的偏態系數可以看出，該研究區地下水中氟離子總體空間分布呈現出一定的對稱性特征。

表1 大連市淺層地下水中氟的空間分布數據

3.2 大連市淺層地下水中氟離子含量的空間變異性

在上述數據資料統計分析基礎上，本文采用地質學統計方法，對該研究區淺層地下水環境中的氟離子含量空間變異性進行分析，剔除變異不顯著的數據，然后經過數據篩選及轉化，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模型及參數：

表2 大連市淺層地下水氟離子空間半變異函數模型及參數

從上述數據可以看出，該研究區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[4]。文章在研究擬合過程中，通過在異性及向同性兩種不同條件下，對淺層地下水中氟離子的實際含量進行變差函數計算分析，然后將最終計算結果與理論模型相結合。從中發現，各向同性高斯模型的殘差值較小，而其決定系數較大。在此分析過程中，由各向異性高斯模型可知，當h分別無限趨近于0或無窮大時，γ(h)無限趨近于C0以及會在C0附近波動。這一變化波動過程并不明顯，因此由上述模型擬合結果可知，該研究區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，文章在分析過程中，采用塊金常數與基臺值之比，對系統空間變量關系以及變異特性進行科學描述。從上述數據結果中可以看出，各向同性高斯模型塊金常數C0與基臺值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C0與基臺值C0+C的比值=0.2890/1.6032=18.02%<25%。

由此表明，該研究區淺層地下水中氟含量的分布具有較強的空間相關性。在實際分析過程中，還可結合塊金常數與基臺值之比，對研究區主觀因素及客觀因素引起的氟離子含量變化趨勢進行科學描述[5]。如果經計算，C0與基臺值C0+C的比值>0.5，則由此表明該研究區主觀因素引起的氟離子含量變化占據主導地位；相反，如果在實際計算過程中，C0與基臺值C0+C的比值<0.5，則由此表明，該研究區客觀因素引起的氟離子含量變化占據主導地位。而文章通過上述計算發現，各向同性高斯模型塊金常數C0與基臺值C0+C的比值17.82%及各向異性高斯模型塊金常數C0與基臺值C0+C的比值18.02%均<50%。由此進一步說明，該研究區淺層地下水環境中氟含量的空間變異主要由研究區的地質條件及地理地貌和氣候因素、人文環境等因素引起。

3.3 大連市淺層地下水中氟離子含量空間分布特征

在上述分析基礎上，文章又對大連市整個研究區淺層地下水中氟離子含量空間分布特征進行了詳細描述，最終發現該研究區地下水中氟離子濃度在0．5mg/L以下。在沙河口區、甘井子區、旅順口區及金州區和瓦房店區等居民住宅區，生活飲用水中的氟離子濃度介于0.5-1.0mg/L，而在中山市區及莊河市區等工業發達及人口密集區域，淺層地下水環境中的氟離子含量明顯超標[6]。經過科學測定，最終發現該地區氟離子含量超標率高達8.5%，占整個市區面積的比重為1/3。因此，從大連市整個研究區的氟離子含量分布情況及空間變異特性來看，有3%的區域屬于高氟區，有77%的區域屬于低氟區。除此之外，還有大約20%的區域屬于國家《中國飲用水衛生標準》(GB5749-2006)和地下水質量標準(GB3838-2002) 規定的氟標準區。

4 研究結果討論

由于人體中所含的氟元素有1/3來自于生活飲用水，因采用地質統計學研究方法對地下水環境中的離子空間變異性及分布特征進行研究，能夠檢測水體中超標的氟離子，從而對其控制和監測提供依據[7]。因此，文章采用試驗監測方法得到如下監測結果：

1)通過采用統計學分析法以及模型分析法，對大連市中山市區、西崗區、沙河口區、甘井子區、旅順口區以及金州區和長梅縣、瓦房店市、普蘭店區以及莊河市等7個不同農區市縣的城市集中供水井及自民井和澆灌機井相關水樣進行監測，最終發現，在60個不同的標準水樣中，氟元素含量超標率高達8.5%，實際含量最大、最小和平均值分別為1.20mg/L、0.4mg/L和0．40mg/L，變異系數為0.67。因此，該地區淺層地下水中的氟離子總體變異性較強。

2)通過研究地下水中氟離子的總體空間分布特征，經計算發現，各向同性高斯模型、各向異性高斯模型塊金常數C0與基臺值C0+C的比值17.82%、18.02%均<50%，說明該研究區淺層地下水環境中氟含量的空間變異由地質條件及地理地貌和氣候因素、人文環境等因素引起[8]。

5 結 語

綜上所述，采用模型分析法對采樣數據進行計算，能夠科學描述不同區域氟元素的實際含量及區域分布特征。文章在模型分析以及數據計算基礎上，對大連市整個研究區淺層地下水中氟離子含量空間分布特征進行描述，發現氟離子濃度總體<0.5mg/L，而沙河口區、甘井子區、旅順口區以及金州區和瓦房店區等區，氟離子濃度在0.5-1.0mg/L，中山區及莊河市區淺層地下水中的氟離子超標率達8.5%，占比1/3。因此，總體來看，大連市約有3%的區域屬于高氟區，77%的區域屬于低氟區，20%的區域屬于氟標準區。因此故該地區水資源管理部門應該加強對高氟區的中山區及莊河市區水中氟離子進行控制監測，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，遼寧遼陽人，工程師，研究方向為水文水資源、水利信息化、水利工程管理等。

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