Excel软件在矿井水质分析系统中的研究与应用

2024.07.21

摘要：根据统计发现，淮南矿业集团下属本土13个煤矿每年至少送检水样330个，每个水样化验需要1个小时，数据处理30分钟，330个水样的数据处理至少需要165个小时，且过程复杂、计算量大、容易出错，需反复验算。针对这一问题，本文利用Excel强大的管理和计算功能，结合水质监测分析的专业知识，研究并开发出矿井水质分析系统的专用模板。该模板不仅具有对水质监测数据的常规分析处理能力，而且对pH值、矿化度、总碱度、总硬度、暂时硬度、永久硬度、负硬度和水化学类型等8项指标具有定量、定性评价的功能，并依据特征离子SO42-/HCO3-的比值不同对矿井出水水源进行快速判别。经反复验证，本系统计算结果准确、稳定、可靠，可作为日常水质监测数据处理分析的一种参考范本。

关键词：Excel；水质监测；特征离子；水源判别

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.224

根据《谢桥煤矿水质分析成果台账》统计发现：谢桥矿2011年送检水样49个，2012年送检水样11个，2013年送检水样31个，平均每年送检水样30个。据此类推，淮南矿业集团下属本土13个煤矿每年至少送检水样330个。通常情况下，每个水样化验需要1个小时，数据处理30分钟，330个水样的数据处理至少需要165个小时，且过程复杂、计算量大、容易出错，需反复验算。

针对上述问题，本文利用Excel强大的管理和计算功能，结合水质监测的专业知识，研究并开发出矿井水质分析系统的专用模板。该模板不仅能够对水质检测数据进行常规分析，而且对重要指标能够进行定量、定性评价，并且依据特征离子的浓度值对出水水源进行快速、准确、自动判别。经反复验证，该系统计算结果准确、稳定、可靠，可作为日常矿井水质分析的一种参考范本。

1 系统结构

水质分析系统主要包括水样基本信息、阴（阳）离子浓度转换、监测指标评价及出水水源判别等四个模板。

1.1 水样基本信息

水样基本信息主要包括：水样编号、取样日期、取样地点、取样点坐标、水温以及取水层位等，通常情况下都要尽可能的将水样基本信息填写完整，以便后期查阅。

1.2 阴阳离子浓度转换

矿井水质监测的阴、阳离子主要包括：钠+钾离子（Na++K+）、钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）、氯离子（Cl-）、硫酸根离子（SO42-）、碳酸氢根离子（HCO3-）、碳酸根离子（CO32-）等七大常规离子，此外，根据需要有时还会对铁离子（Fe2+）、三价铁离子（Fe3+）、铵根离子（NH+）、亚硝酸根离子（NO2-）、氢氧根离子（OH-）和硝酸根离子（NO3-）等进行监测。

常规离子的毫克浓度（mg/L）通常是由水质化验实验直接得到，当量浓度（mgN/L）和当量百分比（mgN%）可通过下列公式转化得到：

2 水质分析指标评价

2.1 水质分析指标

目前，矿井水质分析指标主要有pH值、矿化度、总碱度、硬度、水化学类型等，其具体意义如下：

（1）pH值是表示地下水酸性或碱性程度的数值，由水质化验实验直接得到。

（2）矿化度是地下水中离子、分子和各种化合物的总量，其计算公式为：

矿化度=（Na++K+）+Ca2++Mg2++Cl-+SO42-+1/2HCO3-+CO32-

（3）总碱度是水中含有能接收氢离子的离子总量，其关系式为：

总碱度= HCO3-+ CO32-+ OH-

（4）水的硬度是由Ca2+、Mg2+浓度决定的，又分为总硬度、暂时硬度、永久硬度和负硬度。总硬度是指地下水含有总硬度是指水中Ca2+、Mg2+总量。暂时硬度是指将水加热至沸腾，减少的这部分Ca2+、Mg2+的含量。永久硬度是指在水加热至沸腾时也不发生沉淀的Ca2+、Mg2+的含量。负硬度是指水中与HCO3-相对应的Ca2+、Mg2+的含量。上述4种硬度之间存在如下关系：

①总硬度= Ca2++Mg2+；

②永久硬度= 总硬度–暂时硬度；

③当总碱度<总硬度时，负硬度=0，暂时硬度=总碱度；

④当总碱度=总硬度时，负硬度=0，永久硬度=总碱度；

⑤当总碱度>总硬度时，负硬度=总碱度-总硬度，永久硬度=0。

（5）水化学类型是指利用库尔洛夫式表示地下水的类型，由当量百分数大于20%的常规离子組成。

（6）目前，碱度、硬度常用的单位是毫克/升（mg/L）、毫克当量/升（mgN/L）、德国度（?dH），其三者之间的关系是：1毫克当量/升=2.8德国度=50毫克/升。

2.2 水质分析指标定量评价

在对水质分析指标定量评价之前，首先要根据上述指标与离子含量、指标与指标之间的关系，在Excel中编制相应程序，如图1所示。

2.3 水质分析指标定性评价

水质分析指标模板不仅能够对水质化验结果进行定量分析，而且能够根据pH值、矿化度和总硬度的大小进行水质分类，并依据国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）对pH值和总硬度是否达标（或超标）进行定性评价。

根据地下水pH值的大小，可将地下水分为强酸性水（pH<5），弱酸性水（pH=5～7），中性水（pH=7），弱酸性水（pH=7～9），强碱性水（pH>9）。根据矿化度的大小可将地下水分为低矿化水（淡水，<1g/L），弱矿化水（微咸水，1g/L～3g/L），中等矿化水（半咸水，3g/L～10g/L），高矿化水（咸水，10g/L～50g/L），卤水（>50g/L）。根据总硬度的大小可将地下水分为极软水（<1.5mgN/L），软水（1.5～3.0mgN/L），微硬水（3.0～6.0mgN/L），硬水（6.0～9.0mgN/L），极硬水（>9.0mgN/L）。根据国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）规定，生活饮用水中pH值和总硬度的指标范围为：6.5≤pH≤8.5，总硬度≤450mg/L。

根据上述定性评价标准，在K6单元格中输入“=IF（J6>9，”强碱性水“，IF（J6>7，”弱碱性水“，IF（J6=7，”中性水“，IF（J6>=5，”弱酸性水“，”强酸性水“））））&”/“&IF（M6=1，”pH值达标“，”pH值超标“）”；在K7单元格中输入“=IF（J7>=50000，”卤水“，IF（J7>=10000，”高矿化水/咸水“，IF（J7>=3000，”中等矿化水/半咸水“，IF（J7>=1000，”弱矿化水/微咸水“，”低矿化水/淡水“））））”；在K11单元格中输入“=IF（J12>9，”极硬水“，IF（J12>=6，”硬水“，IF（J12>=3，”微硬水“，IF（J12>=1.5，”软水“，”极软水“））））&”/“&IF（J11<=450，”总硬度达标“，”总硬度超标“）”；即完成了地下水水质评价模板。

当在D列中输入相应的离子毫克浓度时，J列会自动计算出各指标数值，再通过K列输入的上述关系式，进而对pH值、矿化度和总硬度作出定性评价。

3 出水水源判别

通过对谢桥矿自建井以来137组（其中松散层水12组，砂岩裂隙水69组，灰岩水75组）水质分析数据分析发现，SO42-/ HCO3-的比值可以作为判别谢桥矿砂岩裂隙水（除4煤底板砂岩裂隙水外）和灰岩水的标准：即SO42-/ HCO3-的比值小于0.55为砂岩裂隙水，SO42-/ HCO3-的比值大于等于0.55为灰岩水；谢桥矿4煤底板砂岩裂隙水中SO42-/ HCO3-的比值为0.59～1.66，与灰岩水的比值相近，需结合出水点周边水文地质情况及地质构造情况进行综合分析、判别。

利用这一规律，在I24单元格中输入“=IF（D18/D19<0.55，”砂岩裂隙水“，”灰岩水“）”，即可对该水样快速进行水源判别。经验证，除11组4煤底板水外，其它58组砂岩裂隙水均满足SO42-/ HCO3-的比值小于0.55；灰岩水中有68组均满足SO42-/ HCO3-的比值大于等于0.55，正确判别率高达91%。

4 结论

本文利用Excel强大的管理和计算功能，结合水质监测分析的专业知识，研究并开发出矿井水质分析系统的专用模板。该模板不仅具有对水质监测数据的常规分析处理能力，而且对pH值、矿化度、总碱度、总硬度、暂时硬度、永久硬度、负硬度和水化学类型等8项指标具有定量、定性评价的功能，并依据特征离子SO42-/ HCO3-的比值不同对矿井出水水源进行快速判别。经反复验证，本系统计算结果准确、稳定、可靠，可作为日常水质监测数据处理分析的一种参考范本。

参考文献：

[1]李燕，孙亚军，徐智敏等.影响矿井安全的多含水层矿井涌水构成分析[J].采矿与安全工程学报，2010，27（03）：433-437.

[2]李明山，禹云雷，路风光.姚桥煤矿矿井突水水源模糊綜合评判模型[J].勘查科学技术，2001（03）：16-21.

[3]张瑞钢，钱家忠，马雷等.可拓识别方法在矿井突水水源判别中的应用[J].煤炭学报，2009，34（01）：33-38.

[4]岳梅.判断矿井突水水源灰色系统关联分析的应用[J].煤炭科学技术，2002，30（04）：37-39.

[5]桂和荣，许光泉，宋晓梅.桃园煤矿矿井充水条件及充水水源识别[J].淮南职业技术学院学报，2003，3（09）：85-87.

[6]赵益晨，郭国强.双柳煤矿充水含水层水化学特征及涌水水源识别技术[J].地下水，2012，34（01）：48-50.

[7]成春奇，葛晓光，王登榜.百善矿区水文地球化学特征及其在矿井涌出水来源判别中的应用[J].淮南矿业学院学报，1994，14（01）：25-32.

作者简介：张磊（1984-），男，安徽天长人，硕士，工程师，研究方向：工程地质。