Excel軟件在礦井水質分析系統中的研究與應用

摘 要：根據統計發現，淮南礦業集團下屬本土13個煤礦每年至少送檢水樣330個，每個水樣化驗需要1個小時，數據處理30分鐘，330個水樣的數據處理至少需要165個小時，且過程復雜、計算量大、容易出錯，需反復驗算。針對這一問題，本文利用Excel強大的管理和計算功能，結合水質監測分析的專業知識，研究并開發出礦井水質分析系統的專用模板。該模板不僅具有對水質監測數據的常規分析處理能力，而且對pH值、礦化度、總堿度、總硬度、暫時硬度、永久硬度、負硬度和水化學類型等8項指標具有定量、定性評價的功能，并依據特征離子SO42-/HCO3-的比值不同對礦井出水水源進行快速判別。經反復驗證，本系統計算結果準確、穩定、可靠，可作為日常水質監測數據處理分析的一種參考范本。

關鍵詞：Excel；水質監測；特征離子；水源判別

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.224

根據《謝橋煤礦水質分析成果臺賬》統計發現：謝橋礦2011年送檢水樣49個，2012年送檢水樣11個，2013年送檢水樣31個，平均每年送檢水樣30個。據此類推，淮南礦業集團下屬本土13個煤礦每年至少送檢水樣330個。通常情況下，每個水樣化驗需要1個小時，數據處理30分鐘，330個水樣的數據處理至少需要165個小時，且過程復雜、計算量大、容易出錯，需反復驗算。

針對上述問題，本文利用Excel強大的管理和計算功能，結合水質監測的專業知識，研究并開發出礦井水質分析系統的專用模板。該模板不僅能夠對水質檢測數據進行常規分析，而且對重要指標能夠進行定量、定性評價，并且依據特征離子的濃度值對出水水源進行快速、準確、自動判別。經反復驗證，該系統計算結果準確、穩定、可靠，可作為日常礦井水質分析的一種參考范本。

1 系統結構

水質分析系統主要包括水樣基本信息、陰（陽）離子濃度轉換、監測指標評價及出水水源判別等四個模板。

1.1 水樣基本信息

水樣基本信息主要包括：水樣編號、取樣日期、取樣地點、取樣點坐標、水溫以及取水層位等，通常情況下都要盡可能的將水樣基本信息填寫完整，以便后期查閱。

1.2 陰陽離子濃度轉換

礦井水質監測的陰、陽離子主要包括：鈉+鉀離子（Na++K+）、鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）、氯離子（Cl-）、硫酸根離子（SO42-）、碳酸氫根離子（HCO3-）、碳酸根離子（CO32-）等七大常規離子，此外，根據需要有時還會對鐵離子（Fe2+）、三價鐵離子（Fe3+）、銨根離子（NH+）、亞硝酸根離子（NO2-）、氫氧根離子（OH-）和硝酸根離子（NO3-）等進行監測。

常規離子的毫克濃度（mg/L）通常是由水質化驗實驗直接得到，當量濃度（mgN/L）和當量百分比（mgN%）可通過下列公式轉化得到：

2 水質分析指標評價

2.1 水質分析指標

目前，礦井水質分析指標主要有pH值、礦化度、總堿度、硬度、水化學類型等，其具體意義如下：

（1）pH值是表示地下水酸性或堿性程度的數值，由水質化驗實驗直接得到。

（2）礦化度是地下水中離子、分子和各種化合物的總量，其計算公式為：

礦化度=（Na++K+）+Ca2++Mg2++Cl-+SO42-+1/2HCO3-+CO32-

（3）總堿度是水中含有能接收氫離子的離子總量，其關系式為：

總堿度= HCO3-+ CO32-+ OH-

（4）水的硬度是由Ca2+、Mg2+濃度決定的，又分為總硬度、暫時硬度、永久硬度和負硬度。總硬度是指地下水含有總硬度是指水中Ca2+、Mg2+總量。暫時硬度是指將水加熱至沸騰，減少的這部分Ca2+、Mg2+的含量。永久硬度是指在水加熱至沸騰時也不發生沉淀的Ca2+、Mg2+的含量。負硬度是指水中與HCO3-相對應的Ca2+、Mg2+的含量。上述4種硬度之間存在如下關系：

①總硬度= Ca2++Mg2+；

②永久硬度= 總硬度–暫時硬度；

③當總堿度<總硬度時，負硬度=0，暫時硬度=總堿度；

④當總堿度=總硬度時，負硬度=0，永久硬度=總堿度；

⑤當總堿度>總硬度時，負硬度=總堿度-總硬度，永久硬度=0。

（5）水化學類型是指利用庫爾洛夫式表示地下水的類型，由當量百分數大于20%的常規離子組成。

（6）目前，堿度、硬度常用的單位是毫克/升（mg/L）、毫克當量/升（mgN/L）、德國度（?dH），其三者之間的關系是：1毫克當量/升=2.8德國度=50毫克/升。

2.2 水質分析指標定量評價

在對水質分析指標定量評價之前，首先要根據上述指標與離子含量、指標與指標之間的關系，在Excel中編制相應程序，如圖1所示。

2.3 水質分析指標定性評價

水質分析指標模板不僅能夠對水質化驗結果進行定量分析，而且能夠根據pH值、礦化度和總硬度的大小進行水質分類，并依據國家《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）對pH值和總硬度是否達標（或超標）進行定性評價。

根據地下水pH值的大小，可將地下水分為強酸性水（pH<5），弱酸性水（pH=5～7），中性水（pH=7），弱酸性水（pH=7～9），強堿性水（pH>9）。根據礦化度的大小可將地下水分為低礦化水（淡水，<1g/L），弱礦化水（微咸水，1g/L～3g/L），中等礦化水（半咸水，3g/L～10g/L），高礦化水（咸水，10g/L～50g/L），鹵水（>50g/L）。根據總硬度的大小可將地下水分為極軟水（<1.5mgN/L），軟水（1.5～3.0mgN/L），微硬水（3.0～6.0mgN/L），硬水（6.0～9.0mgN/L），極硬水（>9.0mgN/L）。 根據國家《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）規定，生活飲用水中pH值和總硬度的指標范圍為：6.5≤pH≤8.5，總硬度≤450mg/L。

根據上述定性評價標準，在K6單元格中輸入“=IF（J6>9，”強堿性水“，IF（J6>7，”弱堿性水“，IF（J6=7，”中性水“，IF（J6>=5，”弱酸性水“，”強酸性水“））））&”/“&IF（M6=1，”pH值達標“，”pH值超標“）”；在K7單元格中輸入“=IF（J7>=50000，”鹵水“，IF（J7>=10000，”高礦化水/咸水“，IF（J7>=3000，”中等礦化水/半咸水“，IF（J7>=1000，”弱礦化水/微咸水“，”低礦化水/淡水“））））”；在K11單元格中輸入“=IF（J12>9，”極硬水“，IF（J12>=6，”硬水“，IF（J12>=3，”微硬水“，IF（J12>=1.5，”軟水“，”極軟水“））））&”/“&IF（J11<=450，”總硬度達標“，”總硬度超標“）”；即完成了地下水水質評價模板。

當在D列中輸入相應的離子毫克濃度時，J列會自動計算出各指標數值，再通過K列輸入的上述關系式，進而對pH值、礦化度和總硬度作出定性評價。

3 出水水源判別

通過對謝橋礦自建井以來137組（其中松散層水12組，砂巖裂隙水69組，灰巖水75組）水質分析數據分析發現，SO42-/ HCO3-的比值可以作為判別謝橋礦砂巖裂隙水（除4煤底板砂巖裂隙水外）和灰巖水的標準：即SO42-/ HCO3-的比值小于0.55為砂巖裂隙水，SO42-/ HCO3-的比值大于等于0.55為灰巖水；謝橋礦4煤底板砂巖裂隙水中SO42-/ HCO3-的比值為0.59～1.66，與灰巖水的比值相近，需結合出水點周邊水文地質情況及地質構造情況進行綜合分析、判別。

利用這一規律，在I24單元格中輸入“=IF（D18/D19<0.55，”砂巖裂隙水“，”灰巖水“）”，即可對該水樣快速進行水源判別。經驗證，除11組4煤底板水外，其它58組砂巖裂隙水均滿足SO42-/ HCO3-的比值小于0.55；灰巖水中有68組均滿足SO42-/ HCO3-的比值大于等于0.55，正確判別率高達91%。

4 結論

本文利用Excel強大的管理和計算功能，結合水質監測分析的專業知識，研究并開發出礦井水質分析系統的專用模板。該模板不僅具有對水質監測數據的常規分析處理能力，而且對pH值、礦化度、總堿度、總硬度、暫時硬度、永久硬度、負硬度和水化學類型等8項指標具有定量、定性評價的功能，并依據特征離子SO42-/ HCO3-的比值不同對礦井出水水源進行快速判別。經反復驗證，本系統計算結果準確、穩定、可靠，可作為日常水質監測數據處理分析的一種參考范本。

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作者簡介：張磊（1984-），男，安徽天長人，碩士，工程師，研究方向：工程地質。