大连市浅层地下水中氟的空间分布及其特征分析

刘胜男

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)



大连市浅层地下水中氟的空间分布及其特征分析

刘胜男

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

氟作为人体内必不可少的一种化学元素，其在自然生态环境中广泛存在。文章通过对辽宁省大连市某研究区浅层地下水中的氟离子空间变异性及分布特征进行分析，结果表明，该地区浅层地下水中氟离子含量严重超标。经测定，氟离子含量超标率高达8.5%，且浅层地下水中的氟离子分布呈现出一定的变异性特征。这种变异性主要由研究区大尺度空间这一因素导致，但影响程度不明显，少部分研究区域的氟离子含量及浓度超过国家技术检测标准。因此，该研究区需针对氟浓度严重超标的高氟区进行合理控制。

大连市；浅层地下水；氟；空间分布；变异性

氟作为人体必需的一种元素，其具有一定的技术监测标准。尤其是水质中的氟，按照国家相关技术标准《中国饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)和地下水质量标准(GB 3838—2002) 中的相关技术规定，生活饮用水中氟的最佳含量为 0.5-1.0mg/L，如果水质中氟的含量超过1.0 mg/L，则可认定其为高氟水。一旦水质中的氟元素超标就会引起各种地方病。如果人类不慎摄入，则会导致氟中毒。目前，这种现象在中国辽宁省普遍存在，经调查这一问题与当地生活饮用水中的氟元素含量存在很大的关联。基于此，文章将针对大连市浅层地下水中氟的空间分布及其具体特征进行研究，从而为该研究采取积极的控制措施提供建议。

1 研究区背景资料

大连别称“滨城”，其位于中国辽宁省辽东半岛最南端，地处环渤海之滨，背依东北腹地，与山东半岛隔海相望。大连市境内共有7个不同的农区市县，主要为中山市区、西岗区、沙河口区、甘井子区、旅顺口区以及金州区和长梅县、瓦房店市、普兰店区以及庄河市。大连作为京津地区的重要门户，地理坐标为E120°58'-123°31'，N38°43'-40°10'。大连市占地面积为12574km2，大连市丘陵较多、平原稀少[1]。人口数量目前达669.0432万人，市区极度缺水。该研究区气候类型属于暖温带大陆性季风气候，因此具有海洋性特征的气候冬无严寒、夏无酷暑、四季分明，全年降雨量只有550-950mm，降雨大多集中于夏季，该地区地下水类型分为浅层地下水及深层地下水两种类型。其中，浅层地下水含水层主要由半承压水以及浅层潜水组成，而大连市全年浅层地下水实际补给量为7.12亿m3,水资源总量总体呈现出“南少、北多”的特点。具体城市区域总体格局规划如图1所示。

图1 大连市区域水资源综合开发利用规划图

2 研究资料来源与分析

文章针对该研究区的区域地质及水文和气候等相关资料进行分析，按照 1∶50000的《水文地质调查规范》，在该研究区一共采集地下水水样60个。所有水样均来自大连市不同区域城市集中供水井及自民井和浇灌机井，数据采集时间段为2014年6月-2015年10月，采样点分布呈随机状态。然后，将收集到的相关水样带回实验室进行检测分析，主要数据检测方法为离子色谱法[2]。

在采用离子色谱法对相关水样进行一一检测后，通过统计学分析软件SPSS 19.0，对该研究区不同地区地下水环境中所含的氟离子进行分析统计，然后在此分析基础上，采用地质统计学方法及数理研究方法，利用计算分析模型，对研究区氟离子的空间分布及相关特征进行拟合研究。文章在数据分析过程中，采用的变异函数计算分析模型如下：

γ(h)=[1/2N(h)]∑[zi-zi+h]2

(1)

式中：数据采样点之间的间距为h；h的半方差函数值为γ；空间位置点i处指标的实测值为zi；空间位置点i+h处指标的实测值为zi+h。

3 大连市浅层地下水中氟的空间分布及其特征

3.1 大连市浅层地下水中氟的空间分布

文章通过对相关监测结果进行分析，得到表1所示相关数据。从中可以看出，该研究区浅层地下水中氟元素的实际含量严重超标，超标率高达8.5%；而该研究区浅层地下水中氟元素的实际含量最大值及最小值和平均值分别为1.20mg/L、0.4mg/L和0.40mg/L。由于空间变异性能在一定程度上科学反映该研究区浅层地下水中氟元素的实际分布密集程度[3]。因此，由变异系数0.67可以看出，该地区浅层地下水中氟离子总体变异性较强，且通过地下水氟离子的偏态系数可以看出，该研究区地下水中氟离子总体空间分布呈现出一定的对称性特征。

表1 大连市浅层地下水中氟的空间分布数据

3.2 大连市浅层地下水中氟离子含量的空间变异性

在上述数据资料统计分析基础上，本文采用地质学统计方法，对该研究区浅层地下水环境中的氟离子含量空间变异性进行分析，剔除变异不显著的数据，然后经过数据筛选及转化，从而得到表2所示的大连市浅层地下水氟离子空间半变异函数模型及参数：

表2 大连市浅层地下水氟离子空间半变异函数模型及参数

从上述数据可以看出，该研究区浅层地下水中氟离子含量的空间变异性符合正太分布趋势[4]。文章在研究拟合过程中，通过在异性及向同性两种不同条件下，对浅层地下水中氟离子的实际含量进行变差函数计算分析，然后将最终计算结果与理论模型相结合。从中发现，各向同性高斯模型的残差值较小，而其决定系数较大。在此分析过程中，由各向异性高斯模型可知，当h分别无限趋近于0或无穷大时，γ(h)无限趋近于C0以及会在C0附近波动。这一变化波动过程并不明显，因此由上述模型拟合结果可知，该研究区浅层地下水中氟元素的分布含量及分布浓度各向异特性不显著，相反其具有一定的各向同性特征。

另外，文章在分析过程中，采用块金常数与基台值之比，对系统空间变量关系以及变异特性进行科学描述。从上述数据结果中可以看出，各向同性高斯模型块金常数C0与基台值C0+C的比值=0.2603/1.4670=0.1782=17.82%<25%，而各向异性高斯模型块金常数C0与基台值C0+C的比值=0.2890/1.6032=18.02%<25%。

由此表明，该研究区浅层地下水中氟含量的分布具有较强的空间相关性。在实际分析过程中，还可结合块金常数与基台值之比，对研究区主观因素及客观因素引起的氟离子含量变化趋势进行科学描述[5]。如果经计算，C0与基台值C0+C的比值>0.5，则由此表明该研究区主观因素引起的氟离子含量变化占据主导地位；相反，如果在实际计算过程中，C0与基台值C0+C的比值<0.5，则由此表明，该研究区客观因素引起的氟离子含量变化占据主导地位。而文章通过上述计算发现，各向同性高斯模型块金常数C0与基台值C0+C的比值17.82%及各向异性高斯模型块金常数C0与基台值C0+C的比值18.02%均<50%。由此进一步说明，该研究区浅层地下水环境中氟含量的空间变异主要由研究区的地质条件及地理地貌和气候因素、人文环境等因素引起。

3.3 大连市浅层地下水中氟离子含量空间分布特征

在上述分析基础上，文章又对大连市整个研究区浅层地下水中氟离子含量空间分布特征进行了详细描述，最终发现该研究区地下水中氟离子浓度在0．5mg/L以下。在沙河口区、甘井子区、旅顺口区及金州区和瓦房店区等居民住宅区，生活饮用水中的氟离子浓度介于0.5-1.0mg/L，而在中山市区及庄河市区等工业发达及人口密集区域，浅层地下水环境中的氟离子含量明显超标[6]。经过科学测定，最终发现该地区氟离子含量超标率高达8.5%，占整个市区面积的比重为1/3。因此，从大连市整个研究区的氟离子含量分布情况及空间变异特性来看，有3%的区域属于高氟区，有77%的区域属于低氟区。除此之外，还有大约20%的区域属于国家《中国饮用水卫生标准》(GB5749-2006)和地下水质量标准(GB3838-2002) 规定的氟标准区。

4 研究结果讨论

由于人体中所含的氟元素有1/3来自于生活饮用水，因采用地质统计学研究方法对地下水环境中的离子空间变异性及分布特征进行研究，能够检测水体中超标的氟离子，从而对其控制和监测提供依据[7]。因此，文章采用试验监测方法得到如下监测结果：

1)通过采用统计学分析法以及模型分析法，对大连市中山市区、西岗区、沙河口区、甘井子区、旅顺口区以及金州区和长梅县、瓦房店市、普兰店区以及庄河市等7个不同农区市县的城市集中供水井及自民井和浇灌机井相关水样进行监测，最终发现，在60个不同的标准水样中，氟元素含量超标率高达8.5%，实际含量最大、最小和平均值分别为1.20mg/L、0.4mg/L和0．40mg/L，变异系数为0.67。因此，该地区浅层地下水中的氟离子总体变异性较强。

2)通过研究地下水中氟离子的总体空间分布特征，经计算发现，各向同性高斯模型、各向异性高斯模型块金常数C0与基台值C0+C的比值17.82%、18.02%均<50%，说明该研究区浅层地下水环境中氟含量的空间变异由地质条件及地理地貌和气候因素、人文环境等因素引起[8]。

5 结 语

综上所述，采用模型分析法对采样数据进行计算，能够科学描述不同区域氟元素的实际含量及区域分布特征。文章在模型分析以及数据计算基础上，对大连市整个研究区浅层地下水中氟离子含量空间分布特征进行描述，发现氟离子浓度总体<0.5mg/L，而沙河口区、甘井子区、旅顺口区以及金州区和瓦房店区等区，氟离子浓度在0.5-1.0mg/L，中山区及庄河市区浅层地下水中的氟离子超标率达8.5%，占比1/3。因此，总体来看，大连市约有3%的区域属于高氟区，77%的区域属于低氟区，20%的区域属于氟标准区。因此故该地区水资源管理部门应该加强对高氟区的中山区及庄河市区水中氟离子进行控制监测，防止饮用水受到污染。

[1]李学森.凌河流域水资源现状及保护措施[J].水土保持应用技术，2015(03)：36-37.

[2]高素丽.辽阳市水资源开发利用和管理保护对策[J].水土保持应用技术，2011(04)：45-47.

[3]白洁娜.基于T-S模型的神经网络在节水灌溉技术选择中的应用[J].水利技术监督,2016(01):40-42.

[4]宋小波,蔡新,杨杰.基于改进AHP法的水闸安全性模糊综合评价[J].水电能源科学,2013(02):174-176，137.

[5]夏云林.农田水利节水灌溉技术浅析[J].水利规划与设计,2015(09):45-47.

[6]李军,蒋世琼.基于改进AHP法的道路选线风险评估研究[J].安全与环境学报,2013(01):246-249.

[7]王春素.高效节水灌溉措施及效益评价[J].水利技术监督,2014(04):50-52.

[8]宋岩,刘群昌,江培福.基于改进AHP模糊物元模型的农业用水效率评价[J].人民长江,2013(22):30-33.

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

刘胜男(1983-)，女，辽宁辽阳人，工程师，研究方向为水文水资源、水利信息化、水利工程管理等。

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