地下水環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)中常用統(tǒng)計(jì)指標(biāo)及其指示意義

楊艷娥　蓋文紅

摘 要：本文梳理了地下水指標(biāo)、組分、濃度等基本概念，闡述了地下水化學(xué)指標(biāo)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)意義及在相關(guān)計(jì)算與評(píng)價(jià)中的作用。回顧了地下水環(huán)境領(lǐng)域的技術(shù)規(guī)程和規(guī)范，重點(diǎn)分析對(duì)比DZ/T 0290-2015《地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 14848-2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。以某山間盆地為例，論述了地下水環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)中常用統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的計(jì)算分析過程，以期為我國地下水環(huán)境保護(hù)與污染防治提供相關(guān)借鑒。

關(guān)鍵詞：地下水環(huán)境;調(diào)查;評(píng)價(jià);統(tǒng)計(jì)指標(biāo);指示

Abstract： In this paper， the basic concepts such as groundwater index， component and concentration are summarized， the significance of mathematical statistics of groundwater chemical index and its role in related calculation and evaluation are expounded， and the relevant technical regulations and specifications are reviewed. The comparison and analysis of DZ/T 0290-2015 "groundwater quality standard" and GB/T 14848-2017 "groundwater quality standard" are focused. A basin is taken as an example to illustrate the calculation process of statistical indicators commonly used in groundwater environment investigation and evaluation， so as to provide reference for groundwater environmental protection and pollution prevention and control in China.

Keywords：? groundwater environment; investigation; evaluation; statistical index; indication

0 前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，地下水環(huán)境越來越受到重視（劉偉江等，2015;張新鈺等，2011a;梁亦欣等，2007;邢麗娜，2020），特別是對(duì)于以地下水作為供水水源的絕大多數(shù)北方城市，地下水環(huán)境的好壞直接影響著當(dāng)?shù)氐墓┧踩榇耍瑸榍袑?shí)保護(hù)地下水環(huán)境、防治地下水污染，不同精度，不同目的的地下水監(jiān)測網(wǎng)相繼建成。如由水利部和原國土資源部聯(lián)合建設(shè)歷時(shí)達(dá)11年之久的“國家級(jí)地下水監(jiān)測工程”總投資達(dá)22億元，該項(xiàng)目根據(jù)水文地質(zhì)條件，將全國劃分為16個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)，包括1個(gè)國家級(jí)地下水監(jiān)測中心、7個(gè)流域監(jiān)測中心、63個(gè)省級(jí)監(jiān)測中心，共建設(shè)地下水監(jiān)測站點(diǎn)20401個(gè)，監(jiān)控面積達(dá)到350萬km2，密度約5.83個(gè)/1000 km2（崔霖峰，2015;吳愛民，2006;井柳新等，2013;張永雙等，2017）。按照流域，這些監(jiān)測點(diǎn)分布在不同的地貌單元。按照行政管轄，監(jiān)測點(diǎn)位于不同的省市。近年來，隨著生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)，地下水環(huán)境的監(jiān)測與考核也逐步納入到了對(duì)各省市、各地區(qū)的考核之中。地下水環(huán)境不同于大氣環(huán)境、地表水環(huán)境，其因隱蔽性、不易察覺性、不可逆性往往具有潛在的巨大危害。因此，實(shí)施定時(shí)定期的監(jiān)測報(bào)告制度就成為了監(jiān)管地下水環(huán)境變化的有效手段。有效而明確的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)可以直觀明了的反應(yīng)一個(gè)地區(qū)的地下水現(xiàn)狀和變化情況。故此，有必要對(duì)常用的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行梳理，以期為更好的服務(wù)于地下水環(huán)境監(jiān)測和監(jiān)管服務(wù)。

本文梳理了地下水環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)中常用到的基本概念，回顧了相關(guān)的技術(shù)規(guī)程和規(guī)范，重點(diǎn)對(duì)

DZ/T 0290—2015《地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 14848—2017

《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》數(shù)理統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行了說明，對(duì)它們在相關(guān)計(jì)算與評(píng)價(jià)中的作用進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。最后以某盆地為例說明了地下水環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)中常用的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的計(jì)算過程，以期為我國地下水環(huán)境保護(hù)與污染防治提供相關(guān)借鑒。

1 基本概念——地下水指標(biāo)、組分、濃度

在實(shí)際中，很多人容易將地下水指標(biāo)、組分和濃度混在一起，甚至混為一談，這是極不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹５叵滤笜?biāo)是指能夠反映地下水質(zhì)量狀況的參數(shù)，通常稱為地下水測試指標(biāo)，往往分為常規(guī)指標(biāo)和非常規(guī)指標(biāo)。常規(guī)指標(biāo)一般包括感官性狀及一般化學(xué)指標(biāo)、微生物指標(biāo)、常見的毒理學(xué)指標(biāo)和放射性指標(biāo)。而非常規(guī)指標(biāo)，顧名思義，是那些不怎么常規(guī)不經(jīng)常使用，如果不是為了專門目的不需要測試的指標(biāo)，它們是對(duì)常規(guī)指標(biāo)的拓展和補(bǔ)充，包括比較少見的無機(jī)指標(biāo)和有機(jī)毒理學(xué)指標(biāo)。地下水的組分，事實(shí)上，不是一個(gè)很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋磉_(dá)。組分原意指混合物（包括溶液）中的各個(gè)成分，往往以“地下水化學(xué)組分”來表征，其特指地下水這一混合溶液中各個(gè)組成部分。濃度，是分析化學(xué)中的一個(gè)名詞，是指某物質(zhì)在總量中所占的分量。最常用的濃度為物質(zhì)的量濃度，是以單位體積的溶液中所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量表示的濃度。在實(shí)際中，往往指單位體積內(nèi)某指標(biāo)的含量多少。質(zhì)量濃度一般用于地下水中各水化學(xué)組分表征，是指單位體積溶液中某組分的質(zhì)量，也有如酒類表示中用到了體積百分濃度。

可以看出，地下水指標(biāo)是更為規(guī)范的說法，它不僅包含了那些常規(guī)的離子組分，更包括了諸如溫度、色、嗅、味以及電導(dǎo)率、pH等指標(biāo)。在通常的地下水調(diào)查和研究文獻(xiàn)中，常常有混用的現(xiàn)象。筆者建議，應(yīng)當(dāng)在實(shí)際的應(yīng)用中，規(guī)范使用如“地下水測試指標(biāo)”“地下水化學(xué)組分”“地下水離子濃度（文冬光等，2016）。

2 地下水環(huán)境領(lǐng)域常用的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

地下水領(lǐng)域常用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)有很多，從采樣、檢測到評(píng)價(jià)等均作了比較細(xì)致的規(guī)定。常用的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)見表1。2015年10月26日，國土資源部正式批準(zhǔn)發(fā)布了DZ/T 0290—2015《地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，并于2016年1月1日起實(shí)施。需要說明的是，該標(biāo)準(zhǔn)的前身與基礎(chǔ)是1993年12月頒布1994年10月1日實(shí)施的GB/T 14848-93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（常稱為93標(biāo)準(zhǔn)）。93標(biāo)準(zhǔn)是我國第一部地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，由國土資源部的前身地礦部提出，當(dāng)時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)提出時(shí)，正值我國改革開放經(jīng)過10多年的高速發(fā)展，資源消耗型的粗放發(fā)展帶來了環(huán)境污染的加劇，因此該標(biāo)準(zhǔn)給出了39項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值，僅包括六六六和滴滴涕兩種農(nóng)藥指標(biāo)，其目的是防止和控制地下水污染。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和轉(zhuǎn)型，越來越多的有機(jī)污染物在地下水中被檢出和被報(bào)道，因此93標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足調(diào)查、監(jiān)測、評(píng)價(jià)工作的需要。2005年，中國地調(diào)局編制《地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》，歷時(shí)11年開展了全國范圍內(nèi)的水質(zhì)大調(diào)查，在此項(xiàng)成果基礎(chǔ)上，結(jié)合大量數(shù)據(jù)，將地下水指標(biāo)增加了54項(xiàng)，總計(jì)93項(xiàng)，調(diào)整了20項(xiàng)指標(biāo)的分類限值。2017年10月14日，GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》頒布，于2018年5月1日起實(shí)施。可以看出，國土資源部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DZ/T 0290—2015與國標(biāo)GB/T 14848—2017頒布時(shí)間僅相隔不到3年，國家對(duì)地下水環(huán)境的重視可見一斑。

3 常用的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)及意義

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)某一地區(qū)的地下水環(huán)境，水文地質(zhì)工作者往往需要采集不同類型的水樣。單一的水樣點(diǎn)不能全面評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)的水環(huán)境優(yōu)劣（張新鈺等，2011b;鮑新華等，2011;何繼山等，2018;邢會(huì)等，2019）。比如對(duì)于包含第四系孔隙水、裂隙水和巖溶水的地區(qū)，往往每一種類型都要采集，并重點(diǎn)對(duì)開采層位的供水井進(jìn)行采樣。又比如，為了更為立體的掌握第四系地下水的狀況，經(jīng)常需要對(duì)潛水、第一承壓含水層、第二承壓含水層三者全部進(jìn)行采樣。為了掌握地表水與地下水的補(bǔ)給和排泄關(guān)系，往往需要采集地表河水或者湖水、淺井與深井等水樣。采集的水樣被統(tǒng)一編號(hào)，送往試驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室人員按照測試的目的開展測試。測試的結(jié)果可以第一時(shí)間反饋給委托測試的專業(yè)人員，提供可靠及時(shí)的地下水水化學(xué)信息。

在很多時(shí)候，地下水環(huán)境研究往往需要二次采樣甚至三次以上連續(xù)監(jiān)測，以進(jìn)一步獲取研究場地內(nèi)的水化學(xué)信息。二次采樣的布點(diǎn)的時(shí)空分布，將更加有針對(duì)性。在這個(gè)“往復(fù)”的過程中，往往需要用到一些基本的統(tǒng)計(jì)量來表征這些地下水水化學(xué)信息，詳見表2。

需要特別指出的是，表2中的統(tǒng)計(jì)在很多時(shí)候需要以某種規(guī)則進(jìn)行，從而才能獲取有價(jià)值的信息。比如，在一批水樣中，有淺層、中層和深層的樣品，實(shí)際中則必須按照深度來分別統(tǒng)計(jì)同一類別深度的水樣數(shù)值。再比如，不能將第四系、裂隙水和巖溶水的水樣混在一起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，也不能把那些不屬于同一水文地質(zhì)單元的水樣一同統(tǒng)計(jì)（紀(jì)軼群等，2011;郭高軒等，2010）。

通常，研究者們除了按照某種規(guī)則的進(jìn)行水化學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)之外，往往還需要判斷趨勢。比如，需要判斷電導(dǎo)率隨著深度的變化，溶解性總固體與硬度的之間的相關(guān)關(guān)系，鈉離子與氯離子的比值，其余指標(biāo)與pH的關(guān)系等（郭高軒，2012）。通過相關(guān)關(guān)系的分析，并結(jié)合地下水含水層的結(jié)構(gòu)、組成以及周邊補(bǔ)給、徑流、排泄條件以及附近環(huán)境地質(zhì)狀況，從而分析地下水化學(xué)要素的變化原因，甚至開展污染溯源等相關(guān)研究。

4 實(shí)例研究

為研究某山間盆地第四系地下水水化學(xué)特征，共布設(shè)采樣點(diǎn)52個(gè)，其中淺層地下水樣12個(gè)，主要采自潛水及承壓水分布區(qū)，含水層底板埋深小于50 m的淺層具有微承壓性質(zhì)的含水層組;中層水樣29個(gè)，主要采自承壓水區(qū)，含水層組底界深度80～120 m，局部地區(qū)以基巖作為底界;深層地下水樣11個(gè)采自承壓水區(qū)，含水層組底板埋深150～180 m，局部地區(qū)以基巖作為底界。測試有機(jī)組分44項(xiàng)，無機(jī)組分49項(xiàng)（本文僅涉及無機(jī)組分評(píng)價(jià)），所有樣品在現(xiàn)場測試了pH、溶解氧、電導(dǎo)率等。按照所屬的水文地質(zhì)單元不同，進(jìn)行了分區(qū)統(tǒng)計(jì)，見表3。

圖1 為某盆地地下水水樣的電導(dǎo)率與深度的關(guān)系曲線圖。從深度上來看，隨著深度的增大，電導(dǎo)率有明顯的降低的趨勢。以上游水樣為例，電導(dǎo)率的分布從350～840 us/cm，伴隨著深度的增大，電導(dǎo)率有減小的趨勢。到了中游地區(qū)，既有大氣降水和河道滲漏補(bǔ)給，又有部分農(nóng)業(yè)灌溉的補(bǔ)給，地下水的補(bǔ)給來源更加復(fù)雜。從深度上看，同樣是淺層水樣，下游的淺層水樣的EC值更大一些，越向下游，越靠近人類活動(dòng)聚集區(qū)，這與其遭受人類活動(dòng)影響具有明顯的一致性。

此外，為了利用不同位置的采樣點(diǎn)獲取的數(shù)值信息繪制不同深度的濃度場，往往需要空間插值。插值方法的選擇正確與否直接關(guān)系到地下水化學(xué)場的刻畫精度。如圖2所示，左側(cè)Ca2+指標(biāo)的直方圖，很明顯可以看出，其基本符合正態(tài)分布，適宜選用Kriging（克里金）插值方法，而其NO3分布很明顯符合偏態(tài)分布，則比較適宜選擇IDW反距離加權(quán)平均）插值模型。

5 結(jié)論

（1）地下水環(huán)境的監(jiān)測、調(diào)查和評(píng)價(jià)已經(jīng)成為國家行動(dòng)，已經(jīng)把評(píng)價(jià)地下水作為資源、生態(tài)指示要素的重要支撐。

（2）采取科學(xué)有效的監(jiān)測和評(píng)價(jià)方法可以快速、準(zhǔn)確并盡可能全面的獲取地下水環(huán)境的動(dòng)態(tài)信息已經(jīng)成為國家、各級(jí)政府和行業(yè)機(jī)構(gòu)地下水環(huán)境管控的日常工作。

（3）采用符合規(guī)范的工作流程，對(duì)地下水環(huán)境的分析指標(biāo)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)最大最小值、方差、超標(biāo)率等信息，建立動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫以揭示地下水環(huán)境的變化;同時(shí)也是有效保護(hù)資源、實(shí)現(xiàn)生態(tài)良好條件下支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要;還是實(shí)現(xiàn)部門聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)共享，達(dá)到最大程度有效保護(hù)地下水環(huán)境、開發(fā)利用地下水資源的重要手段。

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