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利用多变量指标克里格评价周水河冲积扇含水层地下水水质

摘要：这项工作试图在周水河冲积扇为灌溉定位清洁安全的地下水。采用多指标Kriging(MVIK)评价台湾地区灌溉水质标准的多种水化学参数。地下水中的许多水化学参数被划分为三大类：盐度/钠危害、氮危害以及重金属危害。根据MVIK估计的不同概率，划分了地下水灌溉安全和潜在危险区。这些分类的概率结果提供了一个机会来探讨这些危险的空间不确定性，并帮助政府行政人员制定了一项与地下水资源的开发和管理有关的健全的政策。分析结果表明，中央远扇和中扇含水层是提供清洁、安全的地下水灌溉的最佳场所，深层含水层(深度超过200 m)有比浅层含水层更清洁和安全的地下水灌溉区域。北部和南部含水层具有多重危害，限制了地下水的灌溉用途。 虽然近扇含水层是地下水补给区，但高氮含量严重影响了环境，不适合灌溉使用。版权所有：2008年约翰·威利有限公司

关键词：多变量指标克里格；灌溉；地下水水质；不确定性；危害；

1 引言

台湾西部许多地区的水资源有限，尤其是周水河冲积扇(图1)。

由于地表水不足，周水河冲积扇的许多居民提取地下水用于灌溉、水产养殖和家庭需求，特别是在旱季。近年来，各地区相继建立了许多大型钢铁厂和石油厂，导致水资源急剧恶化。为了解决这一问题，台湾政府试图在邻近的山区修建水库。然而，由于水库遗址位于生态保护区，因此尚未建造水库。因此，为了满足对水的越来越大的需求，地下水被认为是该区域地表水的替代物。

农业，如稻田和旱田，是这个地区常见的土地用途（张和刘，2005）。在台湾，农业约占水资源总量的70%(徐光裕，2000年)。因此，农业利用水资源在规划地下水开发中起着非常重要的作用。然而，地下水中含有许多天然离子，可能受到人类活动的污染，严重影响了地下水的灌溉利用。此外，过量的离子灌溉水也会对环境产生影响。例如，地下水中最常见的离子是氯化物(Cl)和钠(NAC)，特别是在沿海地区。当使用高浓度氯和钠的水灌溉时，许多植物会中毒，并且生长迟缓，导致产量下降(Karaivazoglou和Papakosta，2005年；Grieve等人，2006年)。砷经常出现在周水河冲积扇含水层中(张等人，2006年；刘等人，2006年；王等人，2007年)。用于灌溉的高含量地下水不仅对作物有毒，而且对粮食作物中的生物积累造成严重威胁(Huq和Naidu，2005年)。 此外，在周水河冲积扇的氧化含水层和还原含水层中，地下水的硝态氮和铵态氮污染严重(张和刘，2005)。虽然氮化合物促进植物生长，但高氮水平的灌溉水会造成某些作物的质量问题和某些蔬菜的过度营养生长(Bauder等人，2007年)。此外，当过量的氮化合物在灌溉后渗入地下水和地表水时，氮污染的饮用水会对人类健康产生不利影响(Karaman等人，2005年)。长期接触硝酸盐氮浓度超过0.23毫克每升及1.48毫克每升的饮用水分别与胃癌和儿童期糖尿病的发病率增加有关（杨等人，1998）。因此，在考虑地下水灌溉用途时，水质是一个关键因素。

地下水水质参数的空间分布通常是不均匀的，随深度和位置的变化而变化。然而，由于时间和成本的限制，现场调查中只能分析一小部分现场数据。用稀疏的测量数据所作的预测通常会受到相当大的不确定性的影响。地质统计学被广泛地应用于模拟具有不确定性的野外数据的空间变异性和分布。指示克立格（IK）是一种常用的非参数地质统计学方法，对变量的分布不作任何假设，数据的0 - 1指标转换使预测器对异常值十分敏感。在未采样的位置，IK估计的值表示它不超过特定阈值的概率。指示克里格法经常被用于估计重金属对土壤的污染。例如，Juang和Lee(1998年)、Castrignanoet等人(2000年)、Van Meirvenne和Goo Vaerts(2001年)采用IK来估计农田中重金属的概率分布，并划定危险区域。刘等人(2004年)和Goovaerts等人(2005年)利用IK对地下水中的As污染进行了评价，并绘制了含水层污染程度图。

地下水水质标准通常规定各种水化学参数。在台湾，灌溉用水质量标准还包括30个水化学参数(http：//www.coa.gov.tw/files/web/articles files/8655/1087.doc)。因此，应采用多变量方法对灌溉用地下水质量进行评估。Smith等人(1993年)，Oyedele等人(1996年)、Halvorson等人(1996年)以及Diodato和Ceccarelli(2004年)采用多变量指标克里格(MVIK)综合几个土壤化学参数来评价土壤质量。MVIK还可用于评价灌溉的地下水质量，如本研究所述。

这项工作的目的是在周水河冲积扇含水层中利用MVIK定位干净和安全的地下水，以便灌溉。大量水化学地下水水质参数主要分为三大类：盐/钠危害、氮危害和重金属危害。根据MVIK估计的各种概率对潜在的危险范围和安全范围进行了分类。研究结果将有助于台湾政府在水资源有限的地区制定完善的地下水开发与管理规划。

2 研究区

2.1 水文地质学

周水河冲积扇位于台湾西海岸，西临台湾海峡，北临吴河，东临大流山、八瓜山，南临北港河(图1)。冲积扇面积约2500平方公里，主要分为近扇、中扇和远扇三部分。该冲积扇底层的松散沉积物含丰富的地下水，属晚第四纪。近端扇是含水层补给的主要区域。长期平均地下水抽水及再分配 1970年至1990年分别为1.33和1.02亿立方米(刘，2004年)。这些统计数字表明，大量地下水从沿海含水层中透支，造成海水侵入和地面沉降 (中央地质调查,1999;刘等,2003)。然而，该地区的地下水位在1995后略有上升(刘，2004年)。

为评价冲积扇水文地质特征，对1992~1998年的地下地质进行了钻探和地层分析。建立了地下水监测网，包括71个水文地质调查局和185个不同含水层的地下水监测井(台湾糖业公司，1997年)。大多数调查站有五个监测井, 它们位于不同的含水层中。一个站的井数取决于含水层的数量。地下水文地质分析到深度大约 300 m在远扇区和中扇区划分了风扇矿床成八个重叠的序列, 包括四个海洋序列和四个非海洋序列,(中央地质勘测, 1999)。非海洋序列, 具有粗泥沙, 从中砂到高渗透率的砾石, 被认为是含水层, 而海洋序列, 从粘土到细砂, 从黏土到低渗透率细沙, 都被视为水(刘等, 2006) (图 2)。近扇地层是一个含水层。水族馆主要分布在远侧扇形和中扇形区域，但不在近扇区。这四个含水层自上而下被称为“含水层1”、“含水层2”、“含水层3”和“含水层4”。含水层1、2、3和4的深度范围为19至66米、47至148米、122-243米和200-317米。

2.2 地下水水质调查与灌溉水质标准

1999年，对周水河冲积扇185个监测井进行了地下水水质全面调查，对31个水文化学参数进行了分析(台湾糖公司，1999年)。然而在1999年之后，对地下水质量进行了几次不完全的调查，只侧重于某些井的高度污染水化学参数，在1999–2004期间表现出相当一致的时间模式。这项工作采用了1999年调查的地下水水质综合数据进行评估。对温度、溶解氧、电位 (Eh)、pH 值和电导率 (EC) 进行原位测量, 并在实验室中测量剩余水质参数。地下水调查中的13个水化学参数与台湾灌溉水质标准有关，超过某些水井的标准。13个水化学参数为EC、Cl-、SO42-、Ca2 、Mg2 、NA 、碱度(ALK)、NO3--N、NO2--N、NH4 -N、Fe，Mn和As。事实上，钠吸附比(SAR)和残留碳酸钠(RSC)已被列入灌溉水质标准，而不是Ca2 、Mg2 、NA 和 ALK。SAR和RSC的定义如下(Kumar和Chawla，2002年)：

CNa ,CCa2 ,CMg2 ,CCO32-,CHCO32-,CAlk和COH-在离子上集中为Na ,Ca2 ,Mg2 ,CO32-,HCO3-,Alk(作为CaCO3)和OH-,特别是在L-1中。

当地下水的pH值在6到8范围内，C_OH值相对于C_CO和C_HCO3之和小(索耶和麦卡蒂，1978年)。等式(2)中的C_OH小于10-3mmol L-1可以被忽略。一般采用SAR和RSC来评价土壤结构的稳定性，以及在灌溉水质量方面使用的局限性。高SAR和RSC的灌溉水对植物具有很高的钠危害(Kumar和Chawla，2002年)。另外，对于灌溉水质标准，NO3--N、NO2--N和NH4 -N之和为总氮(N)。

表一列出了在地下水中测量的13个水化学参数的最大值、中位数和最小值。统计结果表明，大多数水化学参数是分布广泛且呈现一些极端数据。用Kolmogorov-Smirnov测试来识别它们的分布，说明它们大多是非参数分布。表一还报告了13个水化学参数的灌溉标准并且威尔斯参数数据超出了每个参数的标准。威尔斯超过标准最少是SO的13，最多是Mn的91。为了简化水化学参数的评估，利用三大危害来表征灌溉用地下水的质量--盐度/钠危害(EC、Cl、SO、SAR和RSC)、氮危害(全N)和重金属危害(Fe、Mn和As)。

3 地质统计方法

3.1 方差分析

用一个实验的变异函数来量化变量的空间变异性，用一个理论拟合的方法进行了拟合。

模型h是一个球、指数或高斯模型，并确定了拟合模型的三个参数：核效应、基座和范围。变异函数可以用不同的方式计算来检测空间变异性中的任何各向异性。各向异性模型通常包括几何各向异性和纬向各向异性(Deutsch，2002年)。

虽然远扇和中扇含水层之间没有联系，但由于不同深度含水层中相似的水文地质构造和氧化还原条件，本研究假设含水层之间的水化学参数在蓄水层中呈垂直空间相关性。 (陈和刘，2003年；蒋和刘，2005年；王等人，2007年)。此外，在研究区域内，水平方向的尺度与垂直方向的尺度有很大不同：在水平方向上，地下水监测井之间的最小距离超过3km；而在垂直方向上作为集中测量的两个测站之间的最大距离小于0.3千米。因此, 这项工作使用了三维(3D)空间配对战略, 以确定在不同的站 (I型)相同海拔的水井的实验方差, 在不同海拔的井在不同的站 (II型)和不同的同一个车站 (III 型) 的水井 (图 3) (张等, 2006)。前两种类型（I和II）定义为一个横向大规模搜索对。第三型（III型）被定义为一个垂直小 搜索对。纬向各向异性，垂直变率，垂直于几何各向异性，水平变率。金块效应是一种常见的变异。Deutsch(2002)详细介绍了小尺度垂直纬向变率和大尺度水平几何变率的三维各向异性变率。这项工作紧随其后的是Deutsch(2002)的分析程序

3.2 多变量指示器克里格

指标克里格是一种非参数地质统计方法，用于估计属性值在给定位置不大于特定阈值zk的概率(Goovaerts，1997)。在IK（指标克里格）中，空间变量组被转换为具有二进制分布的指示变量，如下所示：

1, 如果Z(u)lt;=zk

Ik（u;zk） 0, 其他 （3）

对于MVIK，多变量积分乘以指标变量的几种化学参数和定义如下（史米斯等人，1993）：

I（u;z_irri） I_k（u;z_k） （4）

其中z_irri是灌溉水质标准，m是乘以指标变量数。

以n个数据为条件的I（U；Zrri）的期望值可以表示为

E[Iu;z_irriPr ob [Zu F(u;z_irri|(n)) （5）

其中F(u;z_irri|(n))是Zult;=z_irri的条件累积分布函数。指标克里格是一种基于估值器的估计技术，定义为

I;zirri) （zirri）I（uj;zirri） (6)

其中，I（uj；Zirri）表示在测量地点的指示值，uj，j=1，2，...，n和j是I（uj;zirri）的加权因子，用于估计I;zirri)。这项工作使用了 gamv 和 kt3d 代码在GSLIB中(Deutsch和Journel，1998) 分别执行实验性变异函数和IK。

4 结果和讨论

4.1 多变量积分

在本研究中，盐度/钠危害有五个水化学参数，氮危害包含一个水化学参数，重金属危害包括三个水化学参数。因此，对于盐度/钠害、氮害和重金属危害，方程(4)中的m值分别为5、1和3。结果分析表明，盐度/钠危害、氮危害和重金属危害分别发生在61、29和107井(表一)。重金属危害是评价地下水水质的最关键因素。特别是在锰方面。图4显示了不同含水层中的危害的空间数据。灰色标记表示一个危险的存在，黑色标记表示存在一个以上的危险而开放的标志表示没有危险。因为含水层中水化学参数的空间分布与水文地质构造和氧化还原条件有(陈和刘, 2003;张和刘, 2005;王等, 2007)，水平方向水化学参数的空间变化比垂直方向更显著。此外, 含水层1中的危险比深海含水层的危害更为严重。

4.2 多变量积分的变异函数分析

利用20m的滞后时间，分析了三种灾害的多变量积分小尺度垂直变化特征。

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