地下水溶解性總固體與電導(dǎo)率的相關(guān)性研究

張 娟 郝達(dá)平 陳小菊 張新星

地下水溶解性總固體與電導(dǎo)率的相關(guān)性研究

張 娟 郝達(dá)平 陳小菊 張新星

地下水資源質(zhì)量良好，變化穩(wěn)定，隨著城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口增加，地下水已成為重要的供水水源組成部分。地下水中溶解性總固體是表征地下水水資源質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，是指地下水中所含溶解物質(zhì)的總量，包括不易揮發(fā)的可溶性鹽類、有機(jī)物等。當(dāng)?shù)叵滤腥芙庑钥偣腆w含量較高時(shí)，飲用時(shí)有苦咸的味道，對腸胃有明顯的刺激作用，此外，還會造成管道損壞、易產(chǎn)生鍋爐水垢等不利影響。通過查閱大量文獻(xiàn)資料，關(guān)于溶解性總固體稱量法、電極法監(jiān)測方法研究報(bào)道較多，而關(guān)于溶解性總固體與電導(dǎo)率的相關(guān)性研究較少。筆者通過建立地下水溶解性總固體與電導(dǎo)率關(guān)系模型，對地下水中溶解性總固體含量進(jìn)行預(yù)測并驗(yàn)證，效果較好，此研究成果對地下水資源開發(fā)利用、質(zhì)量監(jiān)測與評價(jià)具有積極意義。

一、研究區(qū)概況

淮安市地處黃淮平原和江淮平原，地勢較為平坦，位于北緯32°43′00″～34°06′00″，東經(jīng)118°12′00″～119°36′30″之間，海拔10～12m，面積10072km2。全市年平均氣溫為14.1～14.8℃，基本呈南高北低狀；全市年無霜期一般為210～225d，北方較短南方較長；全市各地年降水量多年平均為906～1007mm，降水分布特征是南部多于北部，東部多于西部；全市年平均風(fēng)速為2.9～3.6m/s，以偏東風(fēng)和西南風(fēng)為主。

根據(jù)《2015年淮安市水資源公報(bào)》，2015年淮安市地下水資源量16.332 億m3，地下水供水量0.659億m3，地下水資源貯量豐富。可開發(fā)利用的含水層分布于第四系松散層，按照地下水賦存條件及水力特征，將其劃分為潛水含水層組、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層組。潛水含水層組水位埋深0.5～5m，水化學(xué)類型一般為重碳酸鈣鎂型或重碳酸鈣鈉型，水質(zhì)較差，礦化度為500～2000mg/L，總硬度為50～1000mg/L。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層組，水位埋深2.0～12.7m，水化學(xué)類型一般為重碳酸鈣鎂型，水質(zhì)較好，礦化度為200～1000mg/L，總硬度為50～500mg/L。

二、溶解性總固體與電導(dǎo)率的關(guān)系及數(shù)學(xué)建模

1.溶解性總固體與電導(dǎo)率的關(guān)系

電導(dǎo)率是指溶液傳導(dǎo)電流的能力，可推測出水中離子成分的總濃度。根據(jù)砂巖電阻率定律阿爾奇公式，影響地下水電導(dǎo)率的因素有地層電導(dǎo)率、巖石孔隙度、地層含水飽和度等。將其轉(zhuǎn)換得到電導(dǎo)率與溶解性總固體的關(guān)系如下：

式中：Kw為地下水電導(dǎo)率（us/cm）；Kt為地層電導(dǎo)率（us/cm）；a為常數(shù)；Φ為孔隙度變量；m為孔隙度；s為含水飽和度；n為飽和度指數(shù)。在沖積平原地區(qū)，一般地下含水層巖性較為均勻，孔隙度變化很小，Φ、m可視為常數(shù)；當(dāng)巖層完全浸沒在水中處于飽和狀態(tài)時(shí)，s、n亦可視為常數(shù)。

式中：C溶為溶解性總固體（mg/L）；β、γ為常數(shù)；t為溫度（℃）。

通過Kw、Kt、C溶之間關(guān)系轉(zhuǎn)換，建立數(shù)學(xué)模型：y=ax+b，式中：x為區(qū)域一系列電導(dǎo)率值xi；y為相對應(yīng)的溶解性總固體值yi；a、b為待定系數(shù)。

利用pearson相關(guān)系數(shù)r檢驗(yàn)Kw、C溶線性相關(guān)程度，如相關(guān)系數(shù)r越大，表示兩者相關(guān)程度越高，建立的模型精確性越高。

2.溶解性總固體與電導(dǎo)率數(shù)學(xué)建模

根據(jù)2015年淮安市地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用上述方法進(jìn)行數(shù)值建模，電導(dǎo)率值與溶解性總固體值擬合結(jié)果見（圖1），數(shù)學(xué)模型為：

圖1 電導(dǎo)率與溶解性總固體關(guān)系圖

得出電導(dǎo)率與溶解性總固體的相關(guān)系數(shù)r=0.92，相關(guān)程度較高。

根據(jù)《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ/T206-2005）、《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-93），以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)，適用于集中式生活飲用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水，評價(jià)指標(biāo)中溶解性總固體限值均為1000mg/L。根據(jù)（4）式計(jì)算出，當(dāng)電導(dǎo)率Kw小于1393us/cm時(shí)，地下水中溶解性總固體C溶含量小于1000mg/L。

三、模型驗(yàn)證

為檢驗(yàn)松散巖類孔隙水溶解性總固體與電導(dǎo)率參數(shù)之間關(guān)系，利用淮安市潛水含水層組、承壓含水層組水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證關(guān)系模型建立的可靠性（表1、表2）。

從表1、表2中可以看出，根據(jù)（4）式利用電導(dǎo)率Kw預(yù)測溶解性總固體C溶，潛水含水層組、承壓含水層組預(yù)測值與實(shí)測值相對誤差范圍均在10%以內(nèi)，平均相對誤差分別為7.2%、5.1%，說明建立的關(guān)系模型預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確。

表1 潛水含水層組電導(dǎo)率預(yù)測溶解性總固體數(shù)據(jù)表

表2 承壓含水層組電導(dǎo)率預(yù)測溶解性總固體數(shù)據(jù)表

四、結(jié)論

通過對淮安市平原地區(qū)松散巖類孔隙水溶解性總固體與電導(dǎo)率進(jìn)行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)?shù)叵滤妼?dǎo)率小于1393us/cm時(shí)，水中溶解性總固體C溶小于1000 mg/L，基本符合集中式飲用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水對水中溶解性總固體指標(biāo)含量的要求。

（2）利用建立的關(guān)系模型對淮安市地下水溶解性總固體含量進(jìn)行預(yù)測，潛水含水層組、承壓含水層組水中溶解性總固體預(yù)測值與實(shí)測值相對誤差均小于10%，預(yù)測效果較好。

（3）根據(jù)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法、感官性狀和物理指標(biāo)》（GB/T5750.4-2006）溶解性總固體監(jiān)測方法為操作繁瑣的稱重法，而電導(dǎo)率監(jiān)測方法是較為簡便、快速的電極法，可通過測定地下水中電導(dǎo)率，結(jié)合區(qū)域特征，建立溶解性總固體與電導(dǎo)率關(guān)系模型，快速預(yù)測地下水中溶解性總固體含量，為尋找優(yōu)質(zhì)的地下水源及水資源高效開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)■

（作者單位：江蘇省水文水資源勘測局淮安分局 223005）