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采用地理信息系统来评估埃尔海拉特深层含水层的地下水的水质指数

摘要：在世界各地地下水作为人们的饮用水，尤其是农村地区所需的最重要的自然资源。但是地下水资源不仅没能被最佳地使用，并且地下水的质量评估指数持续下降。 在Enfidha的东北部城市突尼斯，埃尔海拉特的分水岭，从地理北纬40.07°一直延伸到北纬40.36°，从东经8.56度到东经9.02度。在该区域中，埃尔海拉特含水层作为最重要的地下水及含水系统，主要被用于饮用和灌溉。在突尼斯，由于水源稀少，水的用途大于水的数量，所以有必要在埃尔海拉特深含水层对地下水的质量进行了评估，来判断其是否达到适合饮用的要求。

为此，已经尝试了一次，以便确定地下水质量参数的空间分布，并确定最优质的研究区域地方内的饮用情况：（1）物理化学参数的综合分析（2）利用地理信息系统（3）水质指标的计算。目前世界卫生组织（WHO）以标准的指导值在饮用水和公共卫生的理化结果对地下水质进行比较。根据盆地的总体评价，几乎所有的分析中的参数都超过了世界卫生组织所期望的限值。利用GIS的插值技术，加权（IDW）普通反距离的方法，用来获得地下水水质参数的空间分布，并建立与轮廓3.2a的ARCVIEW，pH值，TDS，EC，TH，氯，HCO，SO4,3NO3，钙，镁，钠，钾的空间分布图。研究区地下水质量模式的空间分析表明，继起西北到东南的TDS值增加为海拉特含水层流动方向的大势所趋。 TH的空间分布图显示，大部分地下水样品处在很低的级别上。水质指数是用来评估供人食用的地下水的适用性。从水质指数评估中，超过82％的水样属于很差的级别中，这表明从东南埃尔海拉特含水层的地下水是不适合饮用的。

关键词：地理信息系统 ；空间分析； 水质指标； 埃尔海拉特含水层； 突尼斯

背景介绍

地下水资源在本质上是动态的灌溉活动，受到工业化和城市化的扩张等因素影响，因此，监测和保护这一重要的资源是必不可少的。水的质量是在它的物理，化学和生物参数的定义。确定的质量是其用于各种目的，例如农业，娱乐和工业用途等，饮用水使用前至关重要。在突尼斯，地下水的质量，因为家庭和灌溉需求的高品质的水已经收到特别关注。截至目前，地下水的评估是基于实验室的调查，但卫星技术和地理信息系统（GIS）的出现使得它很容易整合各种数据库。GIS可用于开发水资源问题的解决方案，水质评价，确定水的供应，防止洪水，是了解自然环境和在本地或区域范围内水资源管理的强大工具。埃尔海拉特的深层含水层位于突尼斯背的东方侧翼，朝Saouef的向斜东延伸（图1）。

图1 研究区域的本地化地图

此区域受半干旱气候的影响，冬季（1月）和夏季（8月）的日平均气温分别为11℃和28°C，年平均总降水量为353毫米。该瓦迪海拉特地形是由哈利法和十字架埃尔海拉特的冲积形成的平原，后者具有63Kmsup2;的表面积和包含在两个不同的区，在SATOUR和尚拉尔加-fedjet埃尔汉玛，由液压窗台（Ain Garci的窗台）的一个重要及含水系统（图2）：Ain Garci上游和Enfidha的城市下游。Ain Garci的区域对应一个冲积矩阵提出下溢含水层（卵石，砾石，砂），或多或少碎屑和粘土的厚度达到100米。

图2 通过埃尔海拉特的含水层纵切（门萨等，1996）

另外，这些冲积层的延伸由陶粒砂的存在往往是有限的。在上游冲积含水层的底层对应Vindobonian的泥灰岩，但是，在下游，其特征通常在于粘土和砂岩。中位区提出了含水层（0-25米）的厚度较弱，相应的泥灰质底层的较厚。 Enfidha城市的区域深含水层被包含在砂和砾石下面。这个地平线的基质是由Vindobonian的泥灰岩构成。含水层的洪水的主要来源是通过瓦迪海拉特的河床的渗透作用。由于雨水的渗透作用，Mio-Pliocene的水溢出构成南部的北麓，顺便向含水层补给，1999年建成的厄尔海拉特水坝，促成了与它们相关联的含水层的天然补给。研究区的地下水流是朝着Sebkhat Assa Djiriba和地中海的（图3）。

图3 研究区的测压地图

测压图显示，最高的轮廓线在研究区的西北部，而最低的轮廓线接近东南部。这个含水层的自然放电来自地中海和Sebkhat Assa Djiriba。在1986 - 2004年的期间，埃尔海拉特的深层含水层被钻孔利用开发，而且每年都在不断的增加，从1986年的2.75毫米/年上升到2004年的3.98Mm /年，这一含水层的水被不同的经济活动部门（农业和工业）不均衡地使用。虽然，饮用水是主要的供应，但它是突尼斯的萨赫勒地区的一部分，从Enfidha地区拥有半干旱气候，极不规则的降雨，这使得地下水资源相当脆弱。这个地区的主要困难在降水水资源的管理，特别是在过去几十年中，已经从地下水的稀缺让人们生活痛苦。这一令人震惊的情况，有必要在本研究评价地下水水质设计在Enfidha的区域适宜的水管理计划。

对于任何城市，地下水水质图是饮用和潜在的环境健康问题的一种预防指示。

在这项研究中，作者的目标是通过传统的水质分析和地理信息系统（GIS）的集成方法，了解埃尔海拉特深层含水层地下水的质量来产生一个水质指数地图。

材料和方法

化学分析：水样在2007年2月17日拍摄的钻孔萨尔瓦多海拉特深蓄水层和代表对整个含水层（图4）均匀的空间分布收集。

图4 地下水样的定位

有问题的水样中清洁聚乙烯瓶收集。在取样时，瓶子均与地下水彻底冲洗两到三倍被采样。在孔井和手动泵的情况下，水样品抽为10万后收集。这是为了去除储存在井地下水进行。原位测量包括电导率（EC），TDS，pH值并使用便携式字段药盒按世界卫生组织的建议[8]测定，因为这些参数一起存储时间改变其温度。水样到实验室的保存和运输按标准方法。利用0.45mu;m的微孔滤纸收集被带到实验室，过滤的样品中，用硝酸（超纯Merck）上进行阳离子分析和HBO酸化用作硝酸盐分析防腐剂[10]。对于阴离子分析，这些样品贮存在4℃以下。化学分析（CL，所以，HCO，NO，钙，镁，钠，钾）在地球化学与环境地质学的科学突尼斯系实验室完成。氯化物给药要么用标准滴定法或莫尔的方法进行。水碱度主要归因于碳酸氢盐的存在（HCO），因为大部分的水样品的pH范围4.5和8.3之间。碳酸氢盐是通过电位滴定法测定。硫酸盐浓度通过使用氯化钡一个重力仪法进行测定。硝酸盐比色法法测定。原子吸收光谱法被用来测量钙，镁，钠和钾的浓度。所有水质参数毫克/ 1中均有表达，除了EC和pH值。化学分析的准确性通过计算离子平衡误差验证。这些错误一般是在10％左右。每个参数进行比较，以该参数的要求标准限值规定了由WHO [8,10和11]饮用水和公共卫生目的规定的饮用水。

GIS分析：在ERDAS和ARCVIEW GIS 3.2的帮助下研究地形地床。城市的纸质地图有一个1：50000比例尺和数字化了的UTM应用利用ERDAS IMAGINE软件屏幕上的数字化方法的坐标系。全球定位系统用于映射每一取样钻孔的位置;最后，分析了各参数的结果被添加到关注钻孔。空间分析时，ArcGIS 3.2的扩展模块，用来找出地下水质量参数[12]的时空行为。对硬度，pH值和离子浓度的各种专题层prepar通过使用反距离权重（IDW）的空间插值技术。此轮廓方法已在本研究中被用于描绘水污染物或组分的区位分布。此方法使用一定义或用于估计输出网格单元值的选择的一组采样点。它决定使用一组采样点的线性加权组合单元值;并且，它控制已知点时基于从输出点的距离的内插的值，从而产生一个表面网格中的意义以及专题等值线[13]。 pH值地下水质量分类地图，TH，EC，TDS，氯，SO，HCO，NO，钙，镁，钠，钾从专题图层，根据世界卫生组织的饮用水标准，已为埃尔海拉特深蓄水层创建。

水质指标评价（WQI）：这些过去几年中，水质指数（WQI）很是用来确定地下水饮用[14-20]的适用性。水质指数（WQI）是交流的整体质量相关的信息非常有用的工具。

饮用水的目的，标准也被认为是水质指数的计算作为WHO推荐的[11]。所提出的方法概括在图5中所示的流程图。

图5 Flow-chart方法的流程图

结果与讨论

地下水水质空间分析：了解地下水水质很重要，这是决定其是否适合饮用或使用的主要评判标准。物理和化学参数的统计包括，如最小值，最大值，平均值和标准偏差，报告在表1中被选定- 以下的水质量参数和制备它们各自的地图，即pH值，乳油，总溶解固体，TH，氯， 一氧化硫，一氧化氮，钠，钙，镁，钾。以上统计均利用GIS的点数据空间分析的方法。

表1

通常情况下，pH值对消费者没有直接影响。但它是最重要的操作水质参数，在7.0-8.5的范围内是最合适的pH值，在给定的pH值允许的最大限额饮用水是9.2mg/ L。pH值在地下水中的值不同的收集从7.21至9.64，趋于平均值8.18。这表明了研究区的地下水主要是碱性的。 pH值浓度的空间分布示于图6a。据表明，大多数的样品的最大允许限度内显示的pH值，除了三个样本（F6，F8和F11）其余的pH值超过此限制。低pH浓度发生在含水层的西北部和东部的部分。电导率（EC）的水在25℃下是由于各种溶解的盐的存在。电导率的变化很大，在25℃下653和5,120mu;S/厘米之间的范围内用平均值3,056mu;S/厘米（表1）。欧共体饮用水中的最大限制在25°C 下规定为1,500mu;S/平方厘米，相对于EC的解释水质显示，超过90％的研究区地下水在不良的饮用水范围。在水中的TDS只剩残留的重量时，水样已被蒸干[26]表示。 TDS是无机盐（主要是钙，镁，钾，钠，碳酸氢盐，氯化物和硫酸盐）和少量的有机物质被溶解在水中的化合物。在水的TDS浓度在不同地质区域相当大的变化，由于在矿物中的溶解度差异。 TDS的量的范围在261 mg /L ~2,048 mg /L之间，平均为1222 mg /L。根据世界卫生组织的标准，样品超过指标的23.52％，是允许的限度，但一些水用于饮用的目的仍有点不合适。如图6C所示，TDS含量从西北到东南继海拉特地下水流向的总趋势增加。水的硬度主要是由阳离子（如钙和镁）和阴离子（如碳酸盐，碳酸氢盐，氯化物和硫酸盐）的水的存在而产生的，。硬度高于200 mg /L的水可能会导致在分配系统中形成水垢，引用150 mg /L ~300 mg /L及以上的高硬度的水可能会导致心脏疾病和肾脏问题，超过300毫克/升的地下水是更加难以饮用的。在我们的研究中，总硬度（TH）在14.74mg / L~1191mg / L之间，平均为544所有单位mg / L按CaCO（表1）的范围内。 TH的空间分布图（图6D）显示，大部分地下水样品（76.47％）的处在很低的级别。

图6 pH、 EC、TDS和TH的空间分布

在埃尔海拉特含水层主要阴离子的丰度按以下顺序：SO - gt;氯离子gt; HCOgt; NO。埃尔海拉特深含水层的特征是硫酸高离子含量，这是主要的阴离子，58.3mg/L和1833mg /L之间的浓度范围与782.1mg / L（表1）的平均值。硫酸的浓度，研究区地下水的空间分布图7A所示。此地图显示，只有两个样品是在最大值200mg/L的允许极限之内。第二个最主要的阴离子是在六个地点（图7.B），值为600mg/L。氯化氯与浓度范围为117.3 mg /L至1137mg /L，平均值为525.4mg / L（表1）。研究区地下水中氯离子浓度超过六个地点（图7.B）为600mg / L的最大允许极限。无论氯化物和硫酸根离子（以及总溶解固体量），一般从西北方增加至东南方向在研究区域，都会受到水力梯度的影响。 （：25.6 mg /L ~268.4 mg /L范围）（表1）相比之下，氯和硫酸根离子浓度的碳酸氢根离子浓度相对较低。据美国公共卫生服务指南，只有23.52％的深部含水层收集的地下水是在允许的极限范围（图7​​C）之内。硝酸盐是有机氮的需氧稳定的最终产物，也是含氮材料的转化率的产物，这种现象发生在受污染的水。地下水样品硝酸盐浓度从0.01mg/L变化到31.29mg/L，平均值为9.6mg/L（表1）。在所研究的含水层中，硝酸浓度低于允许限度（45毫克/升）。

图7 硫酸盐、氯化物、碳酸氢盐浓度的空间分布

在埃尔海拉特含水层的主要阳离子趋势是Nagt;钙gt;镁gt; K。钠是在埃尔海拉特含水层的主要阳离子，124.7mg/L~ 1019mg /L之间的浓度范围。根据世界卫生组织的指引，允许的最大上限是200毫克/升。在研究领域，几乎所有的地下水样品钠离子的含量（图8a）超过最大允许极限。钙是第二个最主要的阳离子。其浓度范围0.3mg/L~265.8mg / L，平均值为94.43mg / L（表1）。钙离子分布（图8b），是允许的最大范围之内，除了一个样本（F10）其余均显示钙浓度超过此限制。相比，这些钠和钙的镁离子浓度一般较低，它也落在3.4mg/L~164.7mg / L的范围内，平均值为 77mg /L。大多数样品显示都超出了最大允许限度范围内，除了一个镁的含量（F14）。 Ca和Mg的高浓度是致使水的硬度增加的重要因素。在调查的区域，钾含量的范围从6.38mg/L至18.06mg / L,用10.36mg / L的平均值（表1），并且，发现所有样品均具有可允许的限度内钾的值，除了三个样品（F8，F11和F16）（图8c）。

图8 钠、钙、钾的浓度的空间分布

估计水质指标的映射：为了计算水质指数，

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