焉耆盆地綠洲區承壓水硝態氮含量空間變異研究

魏光輝， 汪昌樹， 楊鵬年

(1.新疆塔里木河流域管理局， 新疆 庫爾勒 841000； 2.新疆農業大學 水利與土木工程學院， 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

隨著經濟社會的快速發展，人類逐漸忽視對環境的保護，各種環境污染問題日益凸顯，尤其是地下水環境問題[1-4]。伴隨著人口的增長，糧食需求量的增加，農業集約化程度(如作物種植、灌溉排水、施肥噴藥等)不斷提高，區域地下水環境質量問題愈演愈烈。近30年來，硝態氮為進入地下水系統最頻繁的污染物，也成為全球分布最廣的地下水污染物[5]。魏光輝等[6]根據新疆博斯騰湖1997-2010年主要水環境質量指標數據，采用改進灰色關聯分析法與趨勢分析法分析了水質與硝態氮變化情況，發現博斯騰湖水質與硝態氮含量呈變好趨勢；牛世偉等[7]以遼河流域典型種植區為研究區域，對其地下水硝態氮含量進行分析，研究表明不同典型種植區地下水硝態氮含量差異明顯；王喜峰等[8]以海河流域平原區為例，以硝態氮為研究指標，分析區域地下水污染的時空情勢，研究表明研究區污染嚴重，重金屬及硝、氮為主要污染物；龐會從等[9]根據2009-2014年河北平原淺層地下水硝態氮監測數據，分析河北平原淺層地下水污染狀況，并利用氮氧雙同位素的方法對地下水中硝態氮的來源進行了示蹤；劉白楊等[10]以湖南省長沙縣金井流域為例，于2013-2014年春夏秋冬四季隨機采集流域內120口飲用水井水體樣品，研究了景觀格局對地下水硝態氮濃度的影響；王慶鎖等[11]采集了巢湖流域地下水樣品，分析其硝態氮含量，表明研究區地下水硝酸鹽污染比較嚴重，不同土地利用類型的地下水硝態氮含量以村莊、菜地及旱地居多。

截至目前，國內外關于新疆焉耆盆地綠洲潛水硝態氮的研究鮮見報道[12]。鑒于此，本文以該研究區為例，基于地統計學原理，開展變化環境下的綠洲區承壓水硝態氮空間變化研究，以期為開展農業面源污染治理和防治地下水硝態氮污染提供參考借鑒。

2 研究區概況

焉耆盆地位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內，行政區劃包括和靜縣、焉耆縣、和碩縣、博湖4縣及新疆生產建設兵團第二師8個農牧團場。盆地內部主要由2部分組成——綠洲區與湖泊濕地區(也稱為博斯騰湖大、小湖區)，如圖1所示。焉耆盆地是巴音郭楞蒙古自治州的重要特色農業種植基地。

圖1 研究區地理位置

3 研究方法

本研究的計算公式參照王政權[13]的研究，設Z(x)為區域化變量，x為空間位置向量，點x+h處的半變異函數記為γ(h)，則[14]：

(1)

即：

(2)

對任意的h有：

E[Z(x+h)]=E[Z(x)]

(3)

因此，公式(1)可改寫為：

(4)

當變異函數與位置x無關時，γ(x，h)可改寫為γ(h)，即：

(5)

實際工作中，變異函數中的球狀模型應用較為廣泛，表達式如下[15]：

(6)

式中：塊金值C0、基臺值C0+C與變程a的具體含義詳見文獻[16]。

4 結果分析

分別對綠洲區97眼農田灌溉井、39眼飲用水井進行硝態氮分布特征分析。

4.1 農田灌溉水硝態氮空間分布特征

97眼農田灌溉井硝態氮含量分布特征見表1。

表1 灌溉井硝態氮含量分布特征

注：符號*為對數轉換后的值。

由表1可知，經轉換后的硝態氮數據偏度-0.77，峰度4.23，服從對數正態分布。

對數據進行趨勢分析(見圖2)，可知，東西向(X軸)擬合線為平穩的一階趨勢，南北向(Y軸)正交平面最佳擬合線呈倒"U"型，存在明顯趨勢效應，可選用二階曲線擬合。

采用球狀模型進行變異函數參數計算(結果見表2)。由表2可知，地下水硝態氮塊金值C0、基臺值C0+C及變程a分別為0.52、0.45、0.198，塊金效應值C0/(C0+C)為1.16，各向異性比為21.07。

表2 半方差函數參數

圖3為灌溉水硝態氮空間分布。由圖3可知，其分布呈明顯的區域性，各縣均分布有大面積的Ⅱ類水質。這主要是灌區內氮肥的常年低效利用和不合理的地下水開發利用(將地下水用于高效節水農業)造成的。

圖2 灌溉井水硝態氮含量趨勢分析

圖3 綠洲區灌溉井水硝態氮空間分布

4.2 飲用水硝態氮空間分布特征

承壓水中的39眼飲用水井硝態氮含量分布特征見表3。

表3 飲用水硝態氮含量分布特征

注：符號*為對數轉換后的值。

由表3可知，經對數轉換后的數據偏度為-0.74，峰度為3.16，服從對數正態分布。

對飲用水硝態氮數據進行趨勢分析(見圖4)，可知，采樣點在東西向(X軸)趨勢線呈“U”型，南北向(Y軸)存在一階趨勢，選用球狀模型得到半變異函數參數(見表4)。

采用球狀模型進行變異函數參數計算(結果見表4)。可知，地下水硝態氮塊金值C0、基臺值C0+C及變程a分別為0.26、0、1.58，各向異性比為1.00。

表4 球狀模型參數

圖5為飲用水硝態氮空間分布。由圖5可知，研究區水質良好，受人為因素干擾較小。

圖4 綠洲區飲用水硝態氮量趨勢分析圖

圖5 綠洲區飲用水硝態氮空間分布

4.3 硝態氮量總體空間分布特征

對研究區136個承壓水硝態氮樣本進行統計分析(見表5)。經對數轉換，樣本偏度為-0.63，峰度為4.1，服從對數正態分布。

表5 硝態氮總體分布特征

注：符號*為對數轉換后的值。

對所有承壓水硝態氮含量數據進行趨勢分析(見圖6)。由圖6可以看出，趨勢分析旋轉一定角度后，采樣點在兩個方向趨勢線均近似于一階上升的趨勢，將數據對數轉換后進行插值，半方差函數球狀模型參數計算結果見表6。

圖6 綠洲區承壓水硝態氮量趨勢分析

表6 球狀模型參數

圖7為承壓水硝態氮插值分布。大部分地區分布著Ⅰ類水質，部分區域分布有Ⅱ類水質。總體而言，研究區承壓水水質較好，適于灌溉與飲用。承壓水空間分布近似于灌溉水，在136個數據樣本中，灌溉水有97個，占71.3%，對空間插值的結果有明顯影響。

圖7 承壓水硝態氮插值分布

5 結 論

本文以新疆焉耆盆地綠洲區為例，利用地統計學原理，從農田灌溉水、飲用水兩個方面對承壓水中硝態氮的空間分布情況進行了分析，得到如下結論：

(1)農田灌溉水硝態氮服從對數正態分布，其塊金效應值為1.16，空間相關性較弱，且結構性較小，各向異性比為21.07，變程為0.198 km。

(2)飲用水硝態氮經對數轉換后，偏度為-0.74，峰度為3.16，服從對數正態分布；其各向異性比為1，塊金值為0.26，變程為1.58 km。

(3)研究區承壓水硝態氮經對數轉換后，偏度為-0.63，峰度為4.1，服從對數正態分布；其塊金效應值為0.53，具有中等空間相關性，各向異性比為1.62，變程為0.138 km。

(4)研究區大部分地區地下水為Ⅰ類水質，部分區域為Ⅱ類水質，總體而言，承壓水水質較好，適于灌溉與飲用。