魏光辉， 汪昌树， 杨鹏年

(1.新疆塔里木河流域管理局， 新疆 库尔勒 841000； 2.新疆农业大学 水利与土木工程学院， 乌鲁木齐 830052)

1 研究背景

随着经济社会的快速发展，人类逐渐忽视对环境的保护，各种环境污染问题日益凸显，尤其是地下水环境问题[1-4]。伴随着人口的增长，粮食需求量的增加，农业集约化程度(如作物种植、灌溉排水、施肥喷药等)不断提高，区域地下水环境质量问题愈演愈烈。近30年来，硝态氮为进入地下水系统最频繁的污染物，也成为全球分布最广的地下水污染物[5]。魏光辉等[6]根据新疆博斯腾湖1997-2010年主要水环境质量指标数据，采用改进灰色关联分析法与趋势分析法分析了水质与硝态氮变化情况，发现博斯腾湖水质与硝态氮含量呈变好趋势；牛世伟等[7]以辽河流域典型种植区为研究区域，对其地下水硝态氮含量进行分析，研究表明不同典型种植区地下水硝态氮含量差异明显；王喜峰等[8]以海河流域平原区为例，以硝态氮为研究指标，分析区域地下水污染的时空情势，研究表明研究区污染严重，重金属及硝、氮为主要污染物；庞会从等[9]根据2009-2014年河北平原浅层地下水硝态氮监测数据，分析河北平原浅层地下水污染状况，并利用氮氧双同位素的方法对地下水中硝态氮的来源进行了示踪；刘白杨等[10]以湖南省长沙县金井流域为例，于2013-2014年春夏秋冬四季随机采集流域内120口饮用水井水体样品，研究了景观格局对地下水硝态氮浓度的影响；王庆锁等[11]采集了巢湖流域地下水样品，分析其硝态氮含量，表明研究区地下水硝酸盐污染比较严重，不同土地利用类型的地下水硝态氮含量以村庄、菜地及旱地居多。

截至目前，国内外关于新疆焉耆盆地绿洲潜水硝态氮的研究鲜见报道[12]。鉴于此，本文以该研究区为例，基于地统计学原理，开展变化环境下的绿洲区承压水硝态氮空间变化研究，以期为开展农业面源污染治理和防治地下水硝态氮污染提供参考借鉴。

2 研究区概况

焉耆盆地位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境内，行政区划包括和静县、焉耆县、和硕县、博湖4县及新疆生产建设兵团第二师8个农牧团场。盆地内部主要由2部分组成——绿洲区与湖泊湿地区(也称为博斯腾湖大、小湖区)，如图1所示。焉耆盆地是巴音郭楞蒙古自治州的重要特色农业种植基地。

图1 研究区地理位置

3 研究方法

本研究的计算公式参照王政权[13]的研究，设Z(x)为区域化变量，x为空间位置向量，点x+h处的半变异函数记为γ(h)，则[14]：

(1)

即：

(2)

对任意的h有：

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

(3)

因此，公式(1)可改写为：

(4)

当变异函数与位置x无关时，γ(x，h)可改写为γ(h)，即：

(5)

实际工作中，变异函数中的球状模型应用较为广泛，表达式如下[15]：

(6)

式中：块金值C0、基台值C0+C与变程a的具体含义详见文献[16]。

4 结果分析

分别对绿洲区97眼农田灌溉井、39眼饮用水井进行硝态氮分布特征分析。

4.1 农田灌溉水硝态氮空间分布特征

97眼农田灌溉井硝态氮含量分布特征见表1。

表1 灌溉井硝态氮含量分布特征

注：符号*为对数转换后的值。

由表1可知，经转换后的硝态氮数据偏度-0.77，峰度4.23，服从对数正态分布。

对数据进行趋势分析(见图2)，可知，东西向(X轴)拟合线为平稳的一阶趋势，南北向(Y轴)正交平面最佳拟合线呈倒"U"型，存在明显趋势效应，可选用二阶曲线拟合。

采用球状模型进行变异函数参数计算(结果见表2)。由表2可知，地下水硝态氮块金值C0、基台值C0+C及变程a分别为0.52、0.45、0.198，块金效应值C0/(C0+C)为1.16，各向异性比为21.07。

表2 半方差函数参数

图3为灌溉水硝态氮空间分布。由图3可知，其分布呈明显的区域性，各县均分布有大面积的Ⅱ类水质。这主要是灌区内氮肥的常年低效利用和不合理的地下水开发利用(将地下水用于高效节水农业)造成的。

图2 灌溉井水硝态氮含量趋势分析

图3 绿洲区灌溉井水硝态氮空间分布

4.2 饮用水硝态氮空间分布特征

承压水中的39眼饮用水井硝态氮含量分布特征见表3。

表3 饮用水硝态氮含量分布特征

注：符号*为对数转换后的值。

由表3可知，经对数转换后的数据偏度为-0.74，峰度为3.16，服从对数正态分布。

对饮用水硝态氮数据进行趋势分析(见图4)，可知，采样点在东西向(X轴)趋势线呈“U”型，南北向(Y轴)存在一阶趋势，选用球状模型得到半变异函数参数(见表4)。

采用球状模型进行变异函数参数计算(结果见表4)。可知，地下水硝态氮块金值C0、基台值C0+C及变程a分别为0.26、0、1.58，各向异性比为1.00。

表4 球状模型参数

图5为饮用水硝态氮空间分布。由图5可知，研究区水质良好，受人为因素干扰较小。

图4 绿洲区饮用水硝态氮量趋势分析图

图5 绿洲区饮用水硝态氮空间分布

4.3 硝态氮量总体空间分布特征

对研究区136个承压水硝态氮样本进行统计分析(见表5)。经对数转换，样本偏度为-0.63，峰度为4.1，服从对数正态分布。

表5 硝态氮总体分布特征

注：符号*为对数转换后的值。

对所有承压水硝态氮含量数据进行趋势分析(见图6)。由图6可以看出，趋势分析旋转一定角度后，采样点在两个方向趋势线均近似于一阶上升的趋势，将数据对数转换后进行插值，半方差函数球状模型参数计算结果见表6。

图6 绿洲区承压水硝态氮量趋势分析

表6 球状模型参数

图7为承压水硝态氮插值分布。大部分地区分布着Ⅰ类水质，部分区域分布有Ⅱ类水质。总体而言，研究区承压水水质较好，适于灌溉与饮用。承压水空间分布近似于灌溉水，在136个数据样本中，灌溉水有97个，占71.3%，对空间插值的结果有明显影响。

图7 承压水硝态氮插值分布

5 结 论

本文以新疆焉耆盆地绿洲区为例，利用地统计学原理，从农田灌溉水、饮用水两个方面对承压水中硝态氮的空间分布情况进行了分析，得到如下结论：

(1)农田灌溉水硝态氮服从对数正态分布，其块金效应值为1.16，空间相关性较弱，且结构性较小，各向异性比为21.07，变程为0.198 km。

(2)饮用水硝态氮经对数转换后，偏度为-0.74，峰度为3.16，服从对数正态分布；其各向异性比为1，块金值为0.26，变程为1.58 km。

(3)研究区承压水硝态氮经对数转换后，偏度为-0.63，峰度为4.1，服从对数正态分布；其块金效应值为0.53，具有中等空间相关性，各向异性比为1.62，变程为0.138 km。

(4)研究区大部分地区地下水为Ⅰ类水质，部分区域为Ⅱ类水质，总体而言，承压水水质较好，适于灌溉与饮用。