基于數理統計與GIS的淺層地下水“三氮”分布特征研究

李斌，黃耀裔，駱小風，陳文成

(泉州師范學院 資源與環境科學學院,福建 泉州 362000)

基于數理統計與GIS的淺層地下水“三氮”分布特征研究

李斌，黃耀裔*，駱小風，陳文成

(泉州師范學院 資源與環境科學學院,福建 泉州 362000)

數理統計；GIS；三氮；地統計；淺層地下水

福建省晉江市隸屬于廈漳泉閩南經濟區，由于其地理區位較優越，經濟發展迅速，工業較發達.根據《晉江年鑒》統計結果，2013年全年工業總產值達3358.17億元，規模以上工業產值達2961.08億元.全市常住人口為233萬，由于企業類型主要以勞動密集型產業居多，故外來人口眾多，人口密集度較大.結合實地調查結果發現其淺層地下水仍是本地居民生活飲用水水源之一，即使在市政供水管網覆蓋到的地區，淺井水依然是本地村鎮、外來至本地務工人員的主要生活飲用水源.因此對淺層地下水中“三氮”含量的調查尤為重要，不僅可以了解其地下水質量現狀，也可為有關部門在今后的保護、評價和分析等提供實際參考.

1 研究區簡況

福建省晉江市(24°30′44′′-24°54′21′′N，118°24′56′′-118°43′10′′E)主要位于福建省泉州市的東南沿海，東瀕臺灣海峽，西和南安市接壤，南與金門縣隔海相望，北同鯉城區、豐澤區毗鄰，東北與石獅市相連，總行政區劃面積為721.7 km2.地勢西北部較高，東南部較低，由低山丘陵向臺地、平原呈階梯狀逐漸下降過渡臺地起伏和緩，頂部平坦，分布于丘陵的周圍，位于從低山丘陵向平原過渡的階梯狀地帶，平原主要分布于沿海.土壤類型主要以紅壤為主，地層主要以第四系地層為主.根據氣象局資料，氣候屬南亞熱帶濕潤區，年均氣溫20-21℃，年均日照2130 h，年均降雨量911—1231 mm.境內地下水資源的賦存、分布、補給、徑流、排泄等受地形地貌、水文地質、大氣降水、植被覆蓋等綜合影響[8].

但近幾年由于部分企業在生產中廢水隨意亂排，各種含氮肥料的過度施用等使得該區淺層孔隙水和深層孔隙裂隙水受到不同程度的氮污染，而孔隙水和裂隙水是地下水主要的補給水源，給人體健康、農業發展、經濟建設帶來巨大影響.

2 地下水樣采集與測試

2.1 地下水采樣

淺層地下水水樣點采集主要以能夠基本反映該區的水質特征為原則，采樣點的設置依據地下水污染地質調查評價規范的要求，主要涵蓋至晉江市的紫帽鎮、陳埭鎮、池店鎮、磁灶鎮、青陽街道、梅嶺街道、西園街道、新塘街道、靈源街道、羅山街道、內坑鎮、深滬鎮、英林鎮、永和鎮、安海鎮、東石鎮與金井鎮共計19個鎮(街道)，采集時并通過定位獲取60份采樣點水樣的空間分布(見圖1).

圖1 淺層地下水采樣分布圖

2.2 水樣測試指標與方法

3 基于數理統計的“三氮”分析

表1 晉江市淺層地下水“三氮”等指標的數描述性統計

項目pH值NH+4-N/(mg/L)NO-2-N/(mg/L)NO-3-N/(mg/L)耗氧量/(mg/L)Max7．460．160．30545．182．75Min4．050．000．000．230．29Avg6．5580．0250．01546．850．808Std-57．33%698．5%45．82%-CV%-111．3%324．8%87．16%-

表2 地下水中不同硝酸鹽含量范圍統計表

NO-3-N含量范圍/(mg/L)樣點個數比例/(%)0～223．32～41525．04～61118．36～81118．38～10915．010以上1218．3

圖2 晉江市鎮區含量 圖3 晉江市鎮區含量

圖4 晉江市鎮區-N含量

圖5 “三氮”三維分布圖

進一步通過Grapher10軟件繪制出其表面數據圖，可以從三維空間反映其含量的空間分布規律(X軸表示為經度、Y軸表示為維度、Z軸表示為“三氮”的含量值)，如圖5所示，在一定程度反映其含量變化情況，但不足之處是無法結合(如行政區劃、等值線等其它環境要素)進行綜合分析，難于進一步進行空間分布規律的表達與綜合分析.

4 基于GIS的“三氮”空間分布

圖空間分布圖 圖空間分布圖

數理統計雖然就有能在眾多的數據中找出其隱含的規律來，但是對于具有空間位置特征的水環境數據，在分析其空間規律方面存在不足，而GIS與地統計技術恰好可以彌補其不足之處.地統計技術(Geostatistics)作為空間統計學的一個分支學科，在對空間預測方面具有獨特的優勢，可以用來研究在空間上既有隨機性又有結構性的環境要素.由于地統計學可在有限的離散數據基礎上無偏最優預測(或模擬)連續的空間分布，且得到預測的不確定性估計，因此廣泛應用于地質土壤、水、農業、氣象、生態等環境領域[ 10，11]

依據地統計理論，通過GIS技術實現“三氮”的空間分析差值圖.在對比分析Kring泛克立格法、距離冪函數反比加權法、比稠密數據中值選取法、稠密數據高斯距離權法后，發現其距離冪函數反比加權法精度最高.距離冪函數反比加權法[12]主要是通過設定空間待插點為P(xp，yp，zp)，P點鄰域內有已知散亂點Qi(xi，yi，zi；i=1，2，…，n).待插點的屬性值是待插點鄰域內已知散亂點屬性值的加權平均，權的大小和待插點及鄰域內散亂點之間的距離與K(0≤K≤2，K一般取2次方的倒數)有關，其公式表達為：

(1)

圖-N空間分布圖

5 結 語

[1]羅澤嬌，靳孟貴．地下水三氮污染研究進展[J]．水文地質工程地質，2002(4)：65-69．

[2]沈麗峰．臨汾市堯都區地下水中“三氮”污染現狀及對策[J]．地下水，2008，30(2)：62-65．

[3]葉許春，張世濤，宋學良．昆明盆地淺層地下水氮的分布及污染機理[J]．水土保持學報，2007，21(4)：185-189．

[4]許可，陳鴻漢．地下水中三氮污染物遷移轉化規律研究進展[J]．中國人口·資源與環境，2011，21(12)：421-424．

[5]梁索原，曹玉，赤澤宏平．磁縣食管癌高發區農村飲水中“三氮”含量的調查研究[J]．中華腫瘤防治雜志，2012,19(9)：649-652．

[6]廖資生，林學鈺．松嫩盆地的地下水化學特征及水質變化規律[J]．地球科學—中國地質大學學報，2004，29(1)： 96-102．

[8]黃耀裔，陳文成，蘇建云．福建省晉江市淺層地下水地球化學特征及環境質量評價[J]．重慶師范大學學報(自然科學版)，2015，32(2)：145-152．

[9] 陳建耀，王亞，張洪波，等．地下水硝酸鹽污染研究綜述[J]．地理科學進展，2006，25 ( 1) ：25．

[10]SchlesingerWH，RaikesJA，HartleyAE，etal．OntheSpatialpatternofsoilnutrientsindesertecosystems[J]．Ecology， 1996 ，77 (2)：364-374．

[11]GoovaertsP．Geostatisticalapproachesforincorporatingelevationintothespatialinterpolationofrainfall[J].JournalofHydrology，2000，228(1-2)：113 -129．

[12]劉蕾．MapGIS軟件網格化效果比較[J]．地質找礦論，2014，29(3)：454-457．

[13]黃耀裔，蘇建云．利用GIS與數理統計分析晉江市淺層地下水化學特征及成因[J]．吉林師范大學學報(自然科學版) ，2014，35(2)：145-152．

[14]黃耀裔，楊琳珩，陳文成．修正的灰色聚類關聯法對晉江市淺層地下水質量綜合評價[J]．福建師范大學學報(自然科學版)，2015，31(1)：79-86．

[責任編輯：徐明忠]

Shallow groundwater "three nitrogen" distribution research based on mathematical statistics and GIS

LI Bin,HUANG Yaoyi*,LUO Xiaofeng，CHEN Wencheng

(School of Resources and Environmental Science, Quanzhou Normal University, Quanzhou 362000, China)

mathematical statistics; GIS; three nitrogen; geostatistics; shallow groundwater

2015-07-27

國家級創新實驗項目(201510399004)；泉州市科技局項目(2015Z139)

李斌(1993-)，男，云南昆明市人，泉州師范學院資源與環境科學學院本科生，主要從事水資源污染與防治的研究.

黃耀裔(1983-)，男，福建晉江市人，泉州師范學院實驗師,碩士，主要從事環境信息系統應用與環境污染防治的研究.

P641.3

A

1672-3600(2015)12-0062-06