基于GIS的民勤绿洲地下水质时空演变特征及其综合评价

发布时间：2019-11-05 22:49

【摘要】：水是生命之源，水资源不仅是人类不可或缺的自然资源，也是生物赖以生存的环境资源。地下水资源是水资源的重要组成部分，在保障我国城乡居民用水，支持社会经济发展和维持生态平衡等方面发挥了至关重要的作用，特别是在地表水贫乏的干旱地区和干旱半干旱地区，地下水资源的作用更加不可替代。随着社会的发展，工业的进步，地表水资源污染在不断加剧，在此情形下地下水对于居民用水、经济发展及生态平衡的作用更为重要。近年来，由于不合理地开发利用地下水资源导致生态环境恶化问题日益严重，为了保证和促进区域可持续发展，关于地下水的研究已成为水资源研究领域的一大热点，摸清地下水化学要素的时空演变规律以及准确合理地判定地下水的水质级别是制定合理有效的地下水开发利用，保护治理方案的基本前提和有效依据。民勤位于河西走廊东北部，石羊河流域下游，是典型的干旱气候，由于水资源严重短缺和不合理的地下水开发利用，导致地下水位急剧下降，水质恶化，土壤沙漠化，沙尘暴增多、植被退化、生态脆弱等一系列严重的生态环境问题，给人民的生存环境、社会经济发展带来了严重影响。本文以民勤绿洲为研究区，依据1983~2008年地下水化学监测资料，应用piperTLn软件分析了地下水水化学类型，获得代表年水化学特性及演变规律；通过对各化学成分的统计特性分析确定了地下水中的主要离子；通过绘制主要化学要素的随时间变化过程线分析了其年内、年际演变特征；采用IDW空间插值法获得主要水化学要素空间分布规律；应用支持向量机和T-S模糊神经网络法，基于Matlab软件编程对研究区地下水质进行综合评价，以ArcGIS为平台，采用IDW空间插值法获得水质级别的空间分布规律，以及各级水质所占比例。论文的主要研究内容和主要结论如下：（1）研究区地下水化学指标的演变特征：①应用piperTLn软件分析知民勤绿洲地下水的主要的水化学类型为SO_4~(2-)-Cl~--Na~+-Ca~(2+)、SO_4~(2-)-HCO_3~--Na~+-Ca~(2+)型水，兼有部分SO_4~(2-)-Cl~--Na~+-Ca~(2+)-Mg~(2+)、 SO_4~(2-)-HCO_3~--Na~+-Ca~(2+)-Mg~(2+)型水。且有从SO_4~(2-)-Cl~--Na~+向SO_4~(2-)-HCO_3~--Ca~(2+)型水转化的趋势。②研究区地下水呈弱碱性，阴离子含量最多的是SO_4~(2-)，其次是Cl~-、HCO_3~-、NO_2~-，含量最低的是F~-；阳离子中Na~+含量最多，其次依次是Ca~(2+)、Mg~(2+)。从1983年到2008年，Na~+、K~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)、Cl~-、SO_4~(2-)、HCO_3~-等的含量较稳定，NO_2~-、F~-、NO_3~-的含量增加较为明显。③研究区地下水中HCO_3~-、Cl~-、SO_4~(2-)、Ca~(2+)、Mg~(2+)、Na~+、总硬度等主要水化学要素随季节交替、降水、温度、蒸发等自然要素变化，从2月到11月，一般都经历先增加后减小的过程，5月到8月间达到最高值。④Cl~-、SO_4~(2-)、Ca~(2+)、Mg~(2+)等主要化学要素的年际变化波动明显，，显著增加的是1984年、1995年和1998年，显著下降的主要是2006年和2008年。⑤Cl~-、SO_4~(2-)、Ca~(2+)、Mg~(2+)、矿化度等主要水化学要素在空间上整体呈现出由南向北增加的趋势。（2）地下水质的综合评价：选取SO_4~(2-)、Cl~-、矿化度、总硬度、pH五个水质评价指标，利用SVM和T-S模糊神经网络两种模型对研究区地下水质综合评价，结果基本一致。在108、113、117、118、131、141、147、149、154号井两种模型评价结果80%以上同为Ⅴ类水，在142、147、170、175号井两种模型评价结果都有随时间改善趋势，且两种评价结果都显示民勤绿洲南部的水质优于北部，只有少数样本两种模型的评价结果存在相邻级别的差异，存在差异的点T-S模型评价水质等级优于SVM。分析知两种模型都能有效地应用于地下水水质综合评价，具有一定的适用性和推广性。（3）水质等级空间分析：民勤绿洲地下水水质整体较差，大部分地区是Ⅳ、Ⅴ类水，且Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类水多分布在南部，北部基本为Ⅴ类水，空间上呈现出“南优北劣”的趋势；渠系附近区域由于地表水渗漏补给，水质较好，为Ⅱ、Ⅲ类水，向渠系两侧延伸水质较差，为Ⅳ、Ⅴ类水，渠系尾端以北区域多为Ⅴ类水；各级水质比例统计显示民勤绿洲IV、Ⅴ类水的比例从1983年的71%降到2008年的58%；Ⅰ类水比例从0升到4%，结合水质等级IDW插值图可知水质改善主要在民勤绿洲南部区域，北部水质仍较差，无改善趋势。（4）提出了合理开发地下水资源，改善水质的部分建议，包括节约用水，计划性关闭部分机井，改善排污制度，加强地表水地下水统一规划，完善供水配套设备以及加强生态环境建设等。
【图文】：

分布图,民勤绿洲,观测井,区域图

第二章研究区概况2.1 自然地理概况2.1.1 地理位置民勤县地处甘肃省河西走廊东北部的石羊河流域下游，东经101°49′41″~104°12′10″、北纬 38°3′45″~39°27′37″之间。南依武威，东北、西北分别与内蒙古的左、右旗相接、西毗镍都金昌，是镶嵌在古丝绸之路要道上的一颗绿色宝石。东西长 206km，南北宽156km，总面积 1.59 万 km2，辖 5 镇 18 乡。民勤绿洲及观测井的位置见图 2-1。

三线图,弱酸,强酸,碱土金属离子

图 3-1 Piper 三线图Fig3-1 Piper schematic diagramPiper 三线图解分区见图 3-2。各区特性如下：1 区碱土金属离子超过碱金属离子；2 区碱金属离子大于碱土金属离子；3 区弱酸根超过强酸根；4 区强酸大于弱酸；5 区碳酸盐硬度超过 50%；6 区非碳酸盐硬度超过 50%；7 区碱及强酸为主；8 区碱土及弱酸为主；9 区任一对阴阳离子含量均不超过 50%毫克当量百分数。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P208;X824;P641

【参考文献】