上海市地下水的矿化度时空演化规律研究

王玉强，柳建设1.东华大学环境科学与工程学院，上海2016202.华东政法大学基建处，上海201620



上海市地下水的矿化度时空演化规律研究

王玉强1，2，柳建设1*
1.东华大学环境科学与工程学院，上海201620
2.华东政法大学基建处，上海201620

摘要：本文采用SPSS17.0软件分析了2001～2013年上海市地下水的矿化度，探讨了潜水层及第Ⅱ～Ⅴ承压含水层的矿化度时间演化趋势和垂直分布规律。研究发现：从时间演化总体趋势来看，潜水含水层、第二承压含水层和第四承压含水层的矿化度呈增加趋势，表明水质趋向盐化和恶化；其余各含水层矿化度呈降低趋势，表明水质趋向良性。从垂直方向分布情况来看，潜水含水层和第二、第五承压含水层的矿化度高于其他含水层，同时第二承压含水层的矿化度变化幅度显著。

关键词：上海市；地下水矿化度；时空演化；垂直分布

在现代城市的飞速发展过程中，城市建设对地下水的需求越来越大，而过量开采地下水、污染环境等人类活动干扰和破坏了地下水环境原有的天然平衡状态，进而导致地下水质不断恶化、地下水环境污染愈益严重。业内学者对水环境污染问题从不同层面进行研究。其中，地下水矿化度问题对土壤盐渍化格局有着直接影响，相关研究也较多。如王欣宝等[1]，苏里坦等[2]，王水献等[3]，马兴旺等[4]，孙月等[5]，胡涛等[6]以及吕晓立等[7]分别对河北地区、新疆三工河流域、开孔河流域、民勤、石羊河流域以及山东省武城县、兰州市地下水矿化度的时空分布特征进行了研究，并针对以上区域的地下水矿化度问题提出对策。通过相关文献分析发现，尚未有对上海地区地下水矿化度问题的专题研究，这与上海的经济龙头地位不相适应。因此，本文拟借助翔实的数据，对上海经济快速发展时期（2001～2013）地下水矿化度的时间演化趋势和垂直方向分带分布规律进行研究，以便为合理开发利用地下水资源提供一定思路和支撑。

1　研究区概况

上海市地处东经120°52′至122°12′，北纬30°40′至31°53′之间，位于太平洋西岸，亚洲大陆东沿，中国南北海岸中心点，长江和黄浦江入海汇合处。北界长江，东濒东海，南临杭州湾，西接江苏和浙江两省。上海市现辖区总面积为6340.5 km2，其中陆地面积6218.65 km2，长江口水域面积1107 km2，滩涂面积376 km2，海岸线长448.66 km。上海地下水赋存条件和分布规律受控于区域地貌、地层岩性及厚度。习惯上，将地下水划分为一个潜水或微承压含水层，五个承压含水层（自上向下依次为Ⅰ-Ⅴ含水层），六个隔水层（滞水层）。

2　研究数据来源

本次研究所用的上海市潜水含水层及第Ⅱ～Ⅴ承压含水层2001～2013年地下水总矿化度的原始数据，均来自上海市规划和土地资源管理局发布的2001～2013年《上海市地质环境状况公报》[8]。相关数据还包括上海市环境保护局发布的2000～2013年《上海市水环境保护情况统计数据》[9]、上海市水务局发布的1998～2013年《上海市水资源公报》[10]。数据分析处理工具为SPSS17.0软件。

3　结果与分析

3.1地下水矿化度的时间演化趋势分析

3.1.1潜水含水层矿化度的时间演化趋势根据图1可知，潜水含水层矿化度与时间序列呈非线性三次曲线关系。根据表1可知，潜水含水层矿化度与演化时间序列变量的数学模型如下：

回归模型构建：y＝b0＋b1t＋b2t2＋b3t3

拟合曲线模型：y＝74.814＋212.325t-20.889t2＋0.638t3

（公式中，y——潜水含水层矿化度；t——演化时间序列）

经F检验，该模型具有一定的显著性水平（P＝0.059），可以解释54.5%的变异因素（R2＝0.545），还有45%左右的变异无法解释。

表1　潜水含水层矿化度演化模型汇总和参数估计值Table 1 Summary of evolutionary models of the salinity in the unconfined aquifer and parameter estimation

图1　潜水含水层矿化度时间演化趋势图（mg/L）Fig.1　The trend of spatial-temporal evolution of salinity in the unconfined aquifer（mg/L）

3.1.2第二承压含水层矿化度的时间演化趋势根据图2可知，第二承压含水层矿化度与时间序列呈“U”型非线性二次曲线关系。根据表2可知，第二承压含水层矿化度与演化时间序列变量的数学模型如下：

回归模型构建：y＝b0＋b1t＋b2t2

拟合曲线模型：y＝1737.697-240.269t＋11.827t2

（公式中，y—第二承压含水层矿化度；t—演化时间序列）

经F检验，该模型显著性水平较高（P＜0.05），具有理想的统计学意义；可以解释48.2%的变异因素（R2＝0.482），还有52%左右的变异无法解释。

表2　第二承压含水层矿化度演化模型汇总和参数估计值Table 2 Summary of evolutionary models of the salinity in the 2ndconfined aquifer and parameter estimation

图2　第二承压含水层矿化度时间演化趋势图（mg/L）Fig.2　The trend of spatial-temporal evolution of the salinity in the 2ndconfined aquifer（mg/L）

3.1.3第三承压含水层矿化度的时间演化趋势根据图3可知，第三承压含水层矿化度与时间序列呈非线性三次曲线关系。根据表3可知，第三承压含水层矿化度与演化时间序列变量的数学模型如下：

回归模型构建：y＝b0＋b1t＋b2t2＋b3t3

拟合曲线模型：y＝1126.123-210.846t＋20.169t2-0.604t3

（公式中，y—第三承压含水层矿化度；t—演化时间序列）

经F检验，该模型显著性水平很高（P＝0.01），具有理想的统计学意义；可以解释70.2%的变异因素（R2＝0.702），还有30%左右的变异无法解释。

表3　第三承压含水层矿化度演化模型汇总和参数估计值Table 3 Summary of evolutionary models of the salinity in the 3rdconfined aquifer and parameter estimation

图3　第三承压含水层矿化度时间演化趋势图（mg/L）Fig.3　The trend of spatial-temporal evolution of salinity in the 3rdconfined aquifer（mg/L）

3.1.4第四承压含水层矿化度的时间演化趋势根据图4可知，第四承压含水层矿化度与时间序列呈非线性三次曲线关系。根据表4可知，第四承压含水层矿化度与演化时间序列变量的数学模型如下：

回归模型构建：y＝b0＋b1t＋b2t2＋b3t3

拟合曲线模型：y＝858.231-116.984t＋14.251t2-0.509t3

（公式中，y—第四承压含水层矿化度；t—演化时间序列）

经F检验，该模型显著性水平比较低（P＞0.05），统计学意义不明显；可以解释33%的变异因素（R2＝0.33），还有67%左右的变异无法解释。

表4　第四承压含水层矿化度演化模型汇总和参数估计值Table 4 Summary of evolutionary models of the salinity in the 4thconfined aquifer and parameter estimation

图4　第四承压含水层矿化度时间演化趋势图（mg/L）Fig.4　The trend of spatial-temporal evolution of salinity in the 4thconfined aquifer（mg/L）

3.1.5第五承压含水层矿化度的时间演化趋势根据图5可知，第五承压含水层矿化度与时间序列呈非线性三次曲线关系。根据表5可知，第五承压含水层矿化度与演化时间序列变量的数学模型如下：

回归模型构建：y＝b0＋b1t＋b2t2＋b3t3

拟合曲线模型：y＝1337.797-196.493t＋18.656t2-0.598t3

（公式中，y—第五承压含水层矿化度；t—演化时间序列）

经F检验，该模型显著性水平较高（P＜0.05），具有明显的统计学意义；并且可以解释67.6%的变异因素（R2＝0.676），还有32%左右的变异无法解释。

表5　第五承压含水层矿化度演化模型汇总和参数估计值Table 5 Summary of evolutionary models of salinity in the 5thconfined aquifer and parameter estimation

图5　第五承压含水层矿化度时间演化趋势图（mg/L）Fig.5　The trend of spatial-temporal evolution of salinity in the 5thconfined aquifer（mg/L）

3.2地下水矿化度的空间分布分析

上海市地下水各承压含水层地下水矿化度垂直方向分带分布情况详见表6和图6。

表6　上海市各承压含水层地下水矿化度空间分布描述统计Table 6 Statistics of the spatial distribution of the salinity in groundwater confined aquifers in Shanghai City

4　结论

以上研究结果表明，一方面，从时间演化总体趋势来看，上海市潜水含水层、第二承压含水层和第四承压含水层的矿化度呈增加趋势，表明水质出现盐化和恶化趋势；其余各含水层矿化度呈降低趋势，表明水质趋向良性发展。具体来看，在上海市各个承压含水层中，潜水含水层和第三、第五承压含水层矿化度与时间序列呈复杂的非线性三次曲线关系，其中潜水含水层模型具有一定的显著性水平（P＝0.059），第三、第五承压含水层模型均比较显著（P＜0.05）。第二承压含水层矿化度与时间序列呈“U”型非线性二次曲线关系，模型显著性水平较高（P＜0.05）。其余含水层模型显著性水平均偏低（P＞0.05），统计学意义不明显。另一方面，从垂直方向空间分布情况来看，上海市潜水含水层和第二、第五承压含水层的地下水矿化度较高于其他几个承压含水层，同时第二承压含水层的地下水矿化度变化幅度非常大。

笔者结合相关文献与本研究结果，认为上海市地下水矿化度分布出现以上时空变异规律的主要原因如下：一是由于对地下水超量开采，尤其是从早期的浅层含水层开采发展到现在的深层含水层开采；二是由于对地下含水层人工回灌，与开采量趋势相同的是回灌量也从早期的浅层含水层回灌发展到现在的深层含水层回灌；三是由于海水入侵。上述原因中，尤其是前两条原因，虽然在一定程度上缓解了上海地区地面沉降的速度，但却极有可能给地下水环境带来一定程度的负面影响。从矿化度在时间和空间尺度上的演化规律来看，与地下水实际开采量和回灌量的变动趋势非常接近，这说明人为因素确实对上海市地下水环境的天然平衡状态产生了较大的干扰破坏作用。鉴于目前矿化度方面的研究基本上都是其它地区的[1-7]，罕见上海地区地下水矿化度的专题研究，而各个地区的地质环境、人文环境、水文环境等各有不同，研究结果之间可比性不强，因此，本研究主要应用在上海环境规划中。结合以上研究结果，我们建议，上海地区在制定控制地面沉降的政策和措施时，须充分考虑到对地下水环境的保护，使控制地面沉降与保护地下水环境质量两者之间达到适度平衡。

参考文献

[1]王欣宝，尚琳群，李玉龙，等.环渤海河北地区地下水环境演化研究[J].地质调查与研究，2004（3）:149-156

[2]苏里坦，宋郁东，张展翔，等.新疆三工河流域地下水矿化度的时空变异及其分形特征[J].地质科技情报，2005，24（1）::85-90

[3]王水献，王云智，董新光，等.开孔河流域浅层地下水矿化度时空变异及特征分析[J].水土保持研究，2007，14（2）:293-296

[4]马兴旺，吕贻忠，李保国，等.绿洲土地利用影响下地下水矿化度时空变化模拟模型的构建[J].自然资源学报，2009，24（2）:268-275

[5]孙月，毛晓敏，杨秀英，等.西北灌区地下水矿化度变化及其对作物的影响[J].农业工程学报，2010，26（2）:103-108

[6]胡涛，高佩玲，孙晓俊，等.基于GIS的地下水矿化度分布特征研究[J].中国农村水利水电，2013（4）:32-35，39

[7]吕晓立，邵景力，刘景涛，等.兰州市区地下水矿化度分布特征及成因分析[J].干旱区资源与环境，2013（7）:23-27

[8]上海市规划和土地资源管理局.上海市2001年-2013年地质环境状况公报[EB/OL].（2015-02-23）.http://www.shgtj.gov.cn/dzkc/

[9]上海市环境保护局.上海市水环境保护情况统计数据（2000-2013年）[EB/OL].（2015-02-28）.http://www.sepb.gov.cn/ hb/fa/cms/shhj/list_login.jsp？channelId＝2074

[10]上海市水务局（上海市海洋局）.上海市1998年-2013年水资源公报[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

*通讯作者：Author for correspondence. E-mail:liujianshe@dhu.edu.cn

作者简介:王玉强（1971-），男，博士，高级工程师，主要从事环境规划和工程经济管理与研究工作.E-mail:1375044408@qq.com

基金项目:上海市重点学科建设项目（B604）

收稿日期:2014-12-20修回日期: 2015-04-20

中图法分类号：X523

文献标识码：A

文章编号：1000-2324（2016）01-0124-05