基于EXCEL的地下水水质检测结果准确度检验

段江飞

（中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘查院，河北 邯郸 056004）

EXCEL是一款性能很强的电子表格软件，可以进行很多复杂的数据处理和运算。根据地下水水化学平衡的基本原理，可借助EXCEL公式计算分析功能，对地下水水质检测结果基本测试数据的准确度进行检验。

对水质测试数据的检验通过质控样对比分析、平行双样测试、加标回收分析、实验室间比对、人员比对等方式，以上检验方法只能针对一个水质项目的数据进行检查，根据水化学平衡的原理，地下水水质各主要项目之间存在一些化学平衡[1-4]，根据这种化学平衡可通过EXCEL来检验水质测试数据的准确度。

1 基本原理

自然条件下，地下水中的各种阴、阳离子处于一种相互联系、相互制约的平衡状态之中，任何一种平衡因素的变化，都必然会使原有的平衡发生改变，从而达到一种新的平衡。在对地下水进行水质测试的工作中，利用水化学平衡原理可以及时发现较大的分析误差和失误，控制和核对数据的正确性，弥补其他检验方法检验的单一性和检验效率低的缺点。

通常情况下，自然条件下的地下水全分析和简分析均包含以下常见项目：阳离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+）、阴离子和其他指标（pH值、电导率、溶解性总固体、游离CO2）。上述阴、阳离子基本可以代表天然地下水中主要溶质组成，并能通过上述主要离子准确判定地下水的水化学类型，计算地下水的硬度、碱度、酸度等指标，分析地下水的基本特征，因此，一般认为，以上检测项目可作为天然地下水的基本水质指标。

根据水化学平衡原理，以上地下水基本水质指标存在以下化学平衡：

（1）阴阳离子化学平衡

天然地下水中的阴阳离子电荷总数是相等的，即阴离子当量浓度总和等于阳离子当量浓度总和，但由于分析测定存在一定的误差，加之地下水中可能存在其他微量离子成分，因此在测试结果中，阴阳离子当量浓度总和往往不相等，但阴阳离子当量浓度总和的差值应在一定的允许范围内，参考相关标准[5]，其最大允许误差应控制在±10%之内，计算公式如下：

（2）溶解性总固体与离子总量化学平衡

溶解性总固体是水溶液中溶解的无机矿物质成分的总量，通常在实验室利用蒸干的方法测定。而溶解性总固体计算值等于阴、阳离子总量之和再加上（60/122）的碳酸氢盐含量。理论上讲，根据化学平衡关系，溶解性总固体测定值等于溶解性总固体计算值，但由于分析测定存在一定的误差，参考相关标准[5]，其最大允许误差应控制在±10%之内，计算公式如下：

（3）溶解性总固体与电导率化学平衡

地下水的电导率是表示地下水溶液传导电流的能力，地下水可溶性离子越多，电阻就越小，电导率就越大。对于某一特定的水样，其电导率与溶解性总固体之间存在一定的关系[6]。参考相关标准[5]，电导率与溶解性总固体之间最大允许误差应控制在0.55～0.70之内，计算公式如下：

（4）电导率与阴离子或阳离子化学平衡

根据水溶液电化学平衡基本原理，地下水的电导率与阴离子或阳离子存在一种化学平衡关系，国内研究人员证实电导率与阴离子总数关联性非常好[7]。参考相关标准[5]，电导率与阴离子或阳离子化学平衡之间最大允许误差应控制在±10%之内，计算公式如下：

（5）钙镁等金属与总硬度（CaCO3）化学平衡

地下水的总硬度主要是描述钙离子和镁离子的含量，在实验室测试中，常用乙二胺四乙酸二钠滴定法进行测定。根据水化学平衡原理，可用计算的方法计算出地下水总硬度数值，计算方法为：总硬度计算值（mg/L）=（Ca2+/20＋Mg2+/12＋Fe3+/18.6＋Mn2+/27.5）×50。因此，可以根据总硬度的计算值和测定值进行对比，参考相关标准[5]，其最大允许误差应控制在±10%之内，计算公式如下：

（6）pH值与游离CO2、HCO3-和CO32-化学平衡

pH值与游离CO2、HCO3-和CO32-化学平衡关系如下：

① 当含有游离CO2和HCO3-，不含有机酸时：pH=6.37＋lg[水中HCO3-含量（mmol/L）]-lgC[水中游离CO2含量（mmol/L）]；② 当含有HCO3-和CO32-离 子 时：pH=10.25-lg[水 中HCO3-含 量（mmol/L）]＋lg[水中CO32-含 量（mmol/L）]。在实验室实际测得的pH值与计算结果的误差应小于±0.2[2]，计算公式如下：

2 基于EXCEL的地下水水质检测结果检验方法

2.1 水质检测结果表格设计

以委托给中国煤炭地质总局水文地质局岩土测试中心检测的武安市矿山镇北山底村水源井地下水水质检测结果为例，将水质阴、阳离子测试数据分两大列统计于如图1的EXCEL表格中，阳离子数据范围为A1：D11，阴离子数据范围为E1：H11，数据列从左至右分别为：分析项目（B）、离子毫克浓度[ρ（BZ+）]，离子毫克当量浓度和离子毫克当量百分数以上，B表示化合物离子，Z表示离子的化合价。阴阳离子数据下方为合计数据，其他指标数据（pH值、溶解性总固体、游离CO2等）列在A12：D16位置。

2.2 对水质检测结果准确度检验的公式设计

根据前文所述的地下水化学平衡6个基本原理，在EXCEL中表达出来，形成如图1的A18：G24位置水质平衡检验表格。根据公式（1）～公式（6），将六种水化学平衡的检验值表达在F19：F24的位置，将检验值与G19：G24位置的评价标准值进行对比，如果检验值在评价标准范围之内，则该水质检测结果准确度较高，符合水质分析质量控制的要求。

对表1的地下水水质检测结果的准确度检验进行公式设计，根据阴阳离子化学平衡原理的公式1，在EXCEL中的F19区域设计计算公式：=(G11-C11)/(G11+C11)×100%，得出阴阳离子当量浓度总和偏差的检验值为1.65%，检验值小于评价标准的10%，说明该水质检测结果的阴阳离子化学平衡基本成立。

图1 基于EXCEL的检验水质测试数据准确度的示意图

平衡检验2中，溶解性总固体与离子总量平衡误差在F20区域设计计算公式：=[(B11+F11-F6×62/122)-B14]/B14×100%，计算出的误差检验值在±10%之内；平衡检验3中，溶解性总固体与电导率平衡误差在F21区域设计计算公式：=B14/D15，计算出的误差检验值应在0.55～0.70之间；平衡检验4中，电导率与阴离子或阳离子化学平衡在F22区域设计计算公式： =[(C11×100)/D15-1]×100%或=[(G11×100)/D15-1]×100%，计算出的误差检验值在±10%之内；平衡检验5中，钙镁等金属与总硬度（CaCO3）平衡误差在F23区域设计计算公式：={[(C6+C7)×100.087/2]/B15-1}×100%，计算出的误差检验值在±10%之内；平衡检验6中，当含有游离CO2和HCO32-，不含有机酸时的pH值误差在F24区域设计计算公式：={[6.37+LOG10(G6)-LOG10(B16/44.01)]/D14-1}×100%，计算出的误差检验值小于±0.2。

以上，对水质测试结果通过6种水化学平衡关系进行检验，检验误差值均在评价标准之内，便可以认为该地下水水质测试结果较为准确和可靠。

3 结论

基于EXCEL的地下水水质检测结果准确度检验，运用水化学平衡的原理，通过EXCEL便可以简便的评价出水质测试数据的准确度和可靠性，对以往水质测试数据的检验的方法进行了有效的补充，且该方法简便易操作，实用性很强，为实验室测试人员和相关工程技术人员对检验地下水水质测试数据的准确度和可靠性提供了极大的便利。