遵義市巖溶地下水環(huán)境的空間信息統(tǒng)計(jì)組合分析

葉永青，王中美

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽550003)

遵義市巖溶地下水環(huán)境的空間信息統(tǒng)計(jì)組合分析

葉永青，王中美

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽550003)

應(yīng)用空間信息統(tǒng)計(jì)分析理論與方法來分析遵義市巖溶地下水環(huán)境，對遵義市城區(qū)巖溶地下水中的硫酸鹽(SO42－)、氨氮(NH4+)、亞硝酸鹽(NO2－)、硝酸鹽(NO3－)等離子作克里格(Kriging)估值等值線圖，并根據(jù)等值線圖對4種離子的空間分布特征及范圍、空間變化規(guī)律進(jìn)行分析評價(jià)。

水環(huán)境;空間信息統(tǒng)計(jì);分析

近年來，由于遵義市城市化和工業(yè)化進(jìn)程以及國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染帶來地下水水質(zhì)的嚴(yán)重污染，已經(jīng)成為一種環(huán)境公害而使城市供水面臨嚴(yán)重的威脅。而遵義市碳酸鹽巖分布廣泛，巖溶發(fā)育，復(fù)雜的巖溶環(huán)境是研究地下水污染分布特征的最大難點(diǎn)。空間信息統(tǒng)計(jì)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為主要工具，研究在空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性的自然現(xiàn)象的科學(xué)［1］。它能夠獲得水環(huán)境評價(jià)中空間分布參數(shù)空間變化的結(jié)構(gòu)性信息及空間最優(yōu)估計(jì)值，使得對水環(huán)境評價(jià)中各種參數(shù)空間分布不確定性的分析與評價(jià)趨于合理。因此，本文利用空間信息統(tǒng)計(jì)學(xué)理論及其方法，對遵義市巖溶地下水環(huán)境進(jìn)行綜合評價(jià)。

1 空間信息統(tǒng)計(jì)模型

對水環(huán)境評價(jià)參數(shù)的空間變異性進(jìn)行客觀分析是建立正確的環(huán)境污染物空間分布預(yù)測模型的基礎(chǔ)。為了能從隨機(jī)性與確定性相結(jié)合的角度對水環(huán)境評價(jià)參數(shù)空間變化的不確定性進(jìn)行分析，可將空間分布參數(shù)隨機(jī)性的表征變量視為區(qū)域化變量。由于在水環(huán)境評價(jià)區(qū)內(nèi)任意一點(diǎn)上都不可能同時(shí)獲得一系列評價(jià)參數(shù)的樣本值，這就給各種評價(jià)參數(shù)空間分布隨機(jī)性與結(jié)構(gòu)性的定量分析造成了困難［2］。因此，要求給出必要的數(shù)學(xué)假設(shè)。據(jù)該基本假設(shè)條件，可以獲得環(huán)境評價(jià)中分布參數(shù)隨機(jī)性與結(jié)構(gòu)性空間變異模擬的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型。

1.1 空間信息統(tǒng)計(jì)的評價(jià)模型

用于水環(huán)境評價(jià)參數(shù)空間變異性分析的模型應(yīng)有助于提取水環(huán)境評價(jià)中空間分布參數(shù)的結(jié)構(gòu)性信息，并能較切合實(shí)際地揭示各種評價(jià)參數(shù)的空間相關(guān)性以及隨機(jī)性與結(jié)構(gòu)性在空間相關(guān)范圍內(nèi)的相互轉(zhuǎn)化、協(xié)同之關(guān)系。在實(shí)際工作中通常要對離散的變異函數(shù)數(shù)據(jù)配以相應(yīng)的理論模型，以便定量刻畫水環(huán)境評價(jià)參數(shù)的空間變異性，常用的理論模型為球狀模型［3－4］:

式中:c0，c，a為反映水環(huán)境評價(jià)參數(shù)空間變化規(guī)律的3個(gè)參數(shù)，分別稱為塊金常數(shù)、拱高、變程。為變異函數(shù)［5］;為區(qū)域化變量信息值的間隔距離，以下令變程(a)定量地表示了各種評價(jià)參數(shù)在空間不同方向上自相關(guān)的平均影響范圍［6］?；_值(C0+C)是在考慮環(huán)境評價(jià)參數(shù)空間值點(diǎn)相對位置的基礎(chǔ)上對其相對離散程度的一種定量描述，是空間分布參數(shù)隨機(jī)變化與結(jié)構(gòu)變化的極限值。塊金常數(shù)(C0)反映的是一種隨機(jī)變化成分，它一方面提供觀測尺度上各評價(jià)參數(shù)空間分布數(shù)值的非連續(xù)性變化和試驗(yàn)量測誤差的信息，另一方面也提供小于觀測尺度時(shí)空間分布參數(shù)結(jié)構(gòu)性與隨機(jī)性的整體變化信息。

2 巖溶水環(huán)境的空間變化規(guī)律

2.1 研究區(qū)概況與樣品采集

2.1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選取遵義市監(jiān)測區(qū)的一部分地區(qū)，包括遵義市市區(qū)、紅花崗區(qū)及遵義縣開發(fā)區(qū)部分地區(qū)。整個(gè)監(jiān)測區(qū)所在地理位置為東經(jīng) 106°39′11″～107°0′36″，北緯 27°24′47″～ 27°53′32″，包括遵義市和遵義縣部分地區(qū)。面積約727.8 km2。地勢西北高東南低，構(gòu)成有西北往東南傾斜的斜地。標(biāo)高790～1 722 m。監(jiān)測區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多雨濕潤。監(jiān)測區(qū)內(nèi)出露的地層，從震旦系至第四系，除缺失志留系中上統(tǒng)、泥盆系、石炭系、侏羅紀(jì)上統(tǒng)白堊系、第三系外，其余均有分布。其中碳酸鹽巖分布較廣，占全區(qū)總面積的57%。因此，監(jiān)測區(qū)巖溶地下水較發(fā)育。

2.1.2 樣品采集

研究區(qū)布設(shè)地下水水質(zhì)檢測點(diǎn)30個(gè)，具體分布見圖1。在豐水期(7月)和枯水期(3月)分別取樣做水質(zhì)分析。

2.2 評價(jià)因子的空間變化規(guī)律

巖溶地下水水質(zhì)分析項(xiàng)目較多，在這選擇4種易造成巖溶地下水污染的離子(硫酸鹽、氨氮、硝酸鹽和亞硝酸鹽)進(jìn)行水環(huán)境變化分析。數(shù)據(jù)來源于貴州省環(huán)境監(jiān)測院，采用研究區(qū)內(nèi)一年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析豐水期和枯水期地下水4種離子的空間變化，對巖溶地下水環(huán)境的空間變化規(guī)律進(jìn)行分析。

采用空間信息統(tǒng)計(jì)法分別作出硫酸鹽(SO42－)、氨氮(NH4+)、亞硝酸鹽(NO2－)、硝酸鹽(NO3－)、枯、豐季 Kriging估值等值線圖。并對每一種評價(jià)因子的分布特征及范圍、空間變化規(guī)律進(jìn)行分析評價(jià)。

2.2.1 硫酸鹽

監(jiān)測區(qū)內(nèi)30個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都有硫酸根濃度值，從Kriging估值等值線圖2和3可以看出，硫酸鹽異常帶總體上呈東西、北南方向展布。

豐水期:豐季硫酸鹽(SO42－)高濃度異常區(qū)出現(xiàn)在紅花崗區(qū)南宮山和巷口鎮(zhèn)一帶。最高濃度達(dá)336 mg/L，在紅花崗區(qū)附近的18號監(jiān)測點(diǎn)測得。受到污染的地表水補(bǔ)給地下水可能是造成硫酸根濃度異常的原因，因?yàn)?8號監(jiān)測點(diǎn)附近含水層所處地層為三疊系上統(tǒng)二橋組，巖性為鈣質(zhì)石英砂巖，含石膏較重，致使地下水硫酸根含量偏高。且附近有油庫和玻璃廠，工業(yè)廢水的排放也可能導(dǎo)致地下水硫酸根濃度異常。

枯水期:枯季硫酸鹽(SO42－)高濃度異常區(qū)出現(xiàn)在紅花崗區(qū)南宮山一帶。最高濃度為424 mg/L，與豐水季節(jié)相比，枯水季節(jié)的硫酸根濃度偏高，造成硫酸根濃度偏高的原因可能是降雨和人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。一方面枯水期降雨明顯減少，地表水對地下水補(bǔ)給減少，硫酸根離子濃度稀釋作用減弱，濃度明顯升高;另一方面枯水期正值農(nóng)業(yè)活動(dòng)期，大量化肥的使用致使地下水硫酸根濃度升高。

圖1 豐水期硫酸根離子濃度估值等值線圖

圖2 枯水期硫酸根離子濃度估值等值線圖

2.2.2 氨氮

研究區(qū)內(nèi)30個(gè)取樣點(diǎn)，有9個(gè)點(diǎn)檢測出銨根離子濃度。由銨根離子豐、枯季Kriging估值等值線圖可看出，銨根離子濃度異常區(qū)總體上分布在遵義市的南面和北面。

豐水期:銨根離子高濃度異常區(qū)總體上出現(xiàn)在遵義市遵義縣北部一帶，最高濃度值為4.33 mg/L，在5號監(jiān)測點(diǎn)測出。主要是由農(nóng)業(yè)污染及生活污染引起的。

枯水期:銨根離子高濃度異常區(qū)出現(xiàn)在遵義市紅花崗區(qū)南面和忠莊鎮(zhèn)、南宮山一帶，最高濃度值為1.28 mg/L，在監(jiān)測點(diǎn)29處檢測出。總體來說枯水期的銨根離子濃度要比豐水期的要高，異常分布區(qū)要廣，銨根離子濃度異?？赡苁怯捎诮涤旰腿祟惢顒?dòng)引起的。

圖3 豐水期氨氮濃度估值等值線圖

圖4 枯水期氨氮濃度估值等值線圖

2.2.3 硝酸鹽

研究區(qū)內(nèi)30個(gè)取樣點(diǎn)有29個(gè)點(diǎn)檢測出硝酸根離子。由硝酸根離子豐、枯季Kriging估值等值線圖可看出，硝酸根離子濃度異常區(qū)總體上分布在遵義市的南面和北面。

豐水期:硝酸根離子高濃度異常區(qū)總體上出現(xiàn)在遵義市南面和北面，硝酸根離子在研究區(qū)內(nèi)分布較廣，幾乎覆蓋整個(gè)區(qū)域，其最高濃度值為48.0 mg/L，在29號監(jiān)測點(diǎn)檢測出。硝酸根離子濃度異常主要是由于生活污染源引起的。

枯水期:枯水期硝酸根離子高濃度異常區(qū)分布在遵義市忠莊和南宮山一帶。最高濃度值為64.0 mg/L，在12號監(jiān)測點(diǎn)檢測出，主要是由于降雨和生活污染源引起的。

2.2.4 亞硝酸鹽

研究區(qū)內(nèi)30個(gè)取樣點(diǎn)，有14個(gè)點(diǎn)檢測出亞硝酸根離子濃度。由亞硝酸根離子豐、枯季Kriging估值等值線圖可看出，亞硝酸根離子濃度異常區(qū)總體上分布在遵義市的南部地區(qū)。

豐水期:亞硝酸根離子高濃度異常區(qū)分布在遵義市南宮山西北一帶，最高濃度值達(dá)0.36 mg/L，在11號監(jiān)測點(diǎn)檢測出。主要原因是由于農(nóng)業(yè)化肥的使用、工業(yè)三廢的排放及生活污水等污染源引起的。

圖5 豐水期硝酸根離子濃度估值等值線圖

圖6 枯水期硝酸根離子濃度估值等值線圖

枯水期:亞硝酸根離子高濃度異常區(qū)與豐季分布一致，主要分布在南宮山一帶。最高濃度值為6.5 mg/L，在17號監(jiān)測點(diǎn)檢測出。亞硝酸根離子枯季濃度高于豐季濃度，主要是由于降雨和人類活動(dòng)引起的。

3 巖溶水空間信息統(tǒng)計(jì)組合分析

依據(jù)上面評價(jià)因子的空間分布特征分析可知:污染源主要有硫酸鹽(SO42－)氨氮(NH4+)、亞硝酸鹽(NO2－)、硝酸鹽(NO3－)、氯化物(Cl－)等，四種污染源的空間分布特征及變化趨勢相似，將其進(jìn)行組合，由組合分析圖分析四種污染物變化特征。

圖7 豐水期亞硝酸根離子濃度估值等值線圖

圖8 枯水期亞硝酸根離子濃度估值等值線圖

豐水期:四種污染離子濃度異常區(qū)在研究區(qū)內(nèi)分布相似，在某些區(qū)域重疊。主要分布在遵義市北部的高橋鎮(zhèn)和南部的忠莊鎮(zhèn)及南宮山一帶。其分布特點(diǎn)是:(1)分布范圍較廣，研究區(qū)內(nèi)基本上均有分布;(2)變化梯度大、高濃度值集中，污染離子高濃度區(qū)集中分布在高橋鎮(zhèn)西北側(cè)和忠莊鎮(zhèn)及南宮山一帶，且離子濃度變化梯度較大。

枯水期:四種污染離子濃度異常區(qū)分布和豐水期相似，主要分布在遵義市北部的高橋鎮(zhèn)和南部的忠莊鎮(zhèn)及南宮山一帶。其分布特點(diǎn)是:(1)分布范圍較豐水期要小，主要分布在農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁的高橋鎮(zhèn)和忠莊鎮(zhèn)級南宮山一帶，遵義市市區(qū)濃度值較低;(2)四種污染離子濃度異常區(qū)分布都比較集中，濃度值變化梯度較大。

據(jù)上分析可知:硫酸鹽、氨氮、硝酸鹽和亞硝酸鹽這四種污染物主要分布在農(nóng)業(yè)種植區(qū)，由此可知這四種污染物是由農(nóng)業(yè)污染所致。

圖9 四項(xiàng)農(nóng)業(yè)污染離子豐水期濃度估值等值線圖

圖10 四項(xiàng)農(nóng)業(yè)污染離子枯水期濃度估值等值線圖

4 結(jié)語

自然界含水介質(zhì)的各項(xiàng)異性和取樣、測試中的失真以及試驗(yàn)誤差造成了地下水環(huán)境評價(jià)空間分布參數(shù)的不確定性。這種空間分布上的不確定性具有隨機(jī)性與結(jié)構(gòu)性的特殊性質(zhì)。本文通過變異函數(shù)理論模型，綜合變異指標(biāo)以及各種空間最優(yōu)估計(jì)進(jìn)行空間信息統(tǒng)計(jì)分析，能夠?qū)Φ叵滤h(huán)境評價(jià)參數(shù)空間分布的不確定性作出比經(jīng)典統(tǒng)計(jì)更為合理的評價(jià)。

遵義市城區(qū)巖溶地下水水質(zhì)總體水平較好。污染異常區(qū)主要分布于遵義市北部的高橋鎮(zhèn)和南部的忠莊鎮(zhèn)及南宮山一帶。主要為農(nóng)業(yè)污染，總體呈現(xiàn)豐水期比枯水期污染范圍更廣，枯水期比豐水期污染程度高的特點(diǎn)。

［1］王仁鐸，胡光道.線性地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)［M］.北京:地質(zhì)出版社.1989.

［2］劉國東，丁晶.水環(huán)境中不確定性方法的研究現(xiàn)狀與展望［J］.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展.1996.

［3］張征同，劉淑春.水環(huán)境評價(jià)中分布參數(shù)隨機(jī)性的空間統(tǒng)計(jì)分析.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào).1999.

［4］儒爾奈耳AG.尤日布雷格茨 CHJ.侯景儒，黃競先等譯.礦業(yè)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué).北京:冶金工業(yè)出版社.1982.

［5］王仁鐸，胡光道.線性地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué).北京:地質(zhì)出版社.1989.

［6］張征，鞠碩華，韓守江等.水環(huán)境評價(jià)參數(shù)空間變異模擬數(shù)學(xué)原理與方法.工程勘察.2002.

Karst Groundwater Spatial Information Statistics and Combination Analysis in Zunyi

YE Yong－qing ，WANG Zhong－mei
(College of Resources and Environmental Engineering，GuiZHou University，Guiyang 550003，Guizhou)

The article is based on the spatial information statistic analysis theory and method to analyze the karst groundwater environment in Zunyi.Make the Creager(Kriging)estimate value isogram of sulfate(SO42－)，ammonia nitrogen(NH4+)，nitrite(NO2－)，nitrate(NO3－)plasma which contained in the karst groundwater of Zunyi urban area.According to the isograms，it analyzes and evaluate the four kind of ion′s spatial distribution characteristics，the scope and the spatial variation rule.

Water environmental;spatial information statistics and analysis

S275.9

A

1004－1184(2012)03－0143－04

2011－05－25

貴州大學(xué)自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(2009072)

葉永青(1986－)，男，江西九江人，在讀碩士研究生，主攻方向:地球化學(xué)。