新西兰内陆水化学的综合评估与分类

《Heliyon》：Integrated assessment and classification of inland water chemistry in New Zealand

本研究于2023年11月采集新西兰南北岛33个地表水和地下水样本，结合Piper-trilinear、Stiff、Gibbs和USSL diagrams及自组织地图（SOM）分析其水化学特性。结果显示，65.6%样本为碱土碳酸盐型，适合灌溉；7个样本显示硝酸盐污染，2个样本钠离子过高。该方法有效整合不同图表和神经网络，为内陆水资源管理提供新工具，适用于依赖内陆水的地区。

　　### 水资源的化学特性及其对农业和环境管理的影响

水资源的化学特性对于生态和环境管理至关重要，尤其是在农业和畜牧业高度依赖的国家如新西兰。随着气候变化的加剧，农业对灌溉用水的需求也在不断上升，而近年来畜牧业的快速发展则导致了水体污染问题，尤其是动物废弃物对水质的影响。因此，研究新西兰内陆水体的化学特性，不仅有助于评估水资源的适宜性，还能为可持续的水资源管理提供科学依据。本研究通过采集33个地点的水样，结合多种传统方法与神经网络技术，探讨了水体化学成分的空间分布及其对灌溉的影响。

### 新西兰的水资源概况与环境背景

新西兰作为一个水资源丰富的国家，其水体分布具有显著的地域差异。该国的地理环境复杂，从南岛的温带气候到北岛的亚热带气候，以及高山地区的极端气候条件，都对水资源的形成和变化产生了重要影响。新西兰的河流系统大多短小，且因沿海地形导致水体与海洋之间存在一定的相互作用。此外，新西兰的水资源在不同地区存在显著的不均衡分布，一些地区因降水量较少而面临干旱风险，而另一些地区则因降水过多而易发生洪涝灾害。这种水资源的不均衡性，使得水体的化学特性在不同地区表现出较大的差异。

新西兰的水资源管理面临多重挑战，包括农业活动带来的污染、土地利用变化对水体质量的影响，以及气候变化对水资源供应的潜在威胁。为了应对这些问题，新西兰政府和科研机构建立了多个监测项目，如国家地下水监测计划（NGMP）和国家河流水质监测网络（NRWQN）。这些项目通过长期的数据积累，揭示了农业活动在水体污染中的重要作用。然而，现有的监测方法主要关注于一般的水质参数，缺乏对农业灌溉用水适宜性的深入分析。因此，开发一种综合的评估方法，能够更准确地判断不同水体是否适合用于灌溉，成为当前水资源管理研究的重要方向。

### 水体化学分析方法及其应用

本研究采用多种水体化学分析方法，包括Piper三线图、Stiff图谱和Gibbs图，以揭示水体的化学成分及其来源。Piper三线图是一种常用的水化学分类工具，能够根据主要离子的浓度将水体划分为不同的类型。根据分析结果，大多数水样（65.6%）被归类为碱土碳酸盐型，表明这些水体主要受到碳酸盐矿物的影响。其余的水样则被分为碱性非碳酸盐型（21.9%）、碱性碳酸盐型（6.3%）和碱土非碳酸盐型（6.3%）。这些分类结果反映了新西兰不同地区水体化学成分的多样性。

Stiff图谱则用于展示水体中主要离子的相对浓度，结果显示，大多数水样属于Ca-HCO??和Na-HCO??类型，表明这些水体主要受到碳酸盐矿物和土壤中钠离子的影响。而在沿海地区，部分水样则显示出Na-Cl型，这可能是由于海盐的影响。这些图谱分析结果为理解水体化学成分的来源提供了重要线索。

Gibbs图则进一步揭示了水体化学成分的形成机制。根据该图，大多数水样位于降水主导与岩石风化主导区域之间，表明水体的化学特性主要受到降水和岩石风化作用的影响。同时，人为活动如农业施肥和灌溉回流也对水体中的钠和氯离子浓度产生影响，进而影响总溶解固体（TDS）的含量。这些分析结果为水体化学过程提供了全面的视角。

### 灌溉用水适宜性评估

为了评估水体是否适合用于灌溉，本研究还应用了美国盐度实验室（USSL）图。该图通过盐度（EC）和钠危害（SAR）两个指标对水体进行分类，以判断其对作物生长的影响。大多数水样被归类为C1-S1类，表明其盐度和钠危害都较低，适合用于灌溉。然而，也有部分水样被归类为C2-S1类和C3-S1类，这些水样具有中等至较高的盐度危害，但钠危害较低，可能在排水条件良好的土壤中仍可用于灌溉。此外，仅有一处水样被归类为C4-S4类，表明其盐度和钠危害都极高，不适合用于灌溉。

### 自组织映射（SOM）在水体分类中的应用

为了进一步分析水体化学特性，本研究采用了自组织映射（SOM）方法。SOM是一种基于神经网络的非监督学习技术，能够将高维数据映射到低维空间，从而揭示水体化学特性中的复杂模式。通过SOM分析，水样被分为四个主要类别：南岛地表水、北岛下游水、硝酸盐污染地下水和钠影响的高离子强度地下水。这些分类结果表明，不同地区的水体在化学特性上存在显著差异，且某些特定区域的水体可能受到农业活动或海盐的影响。

SOM的分析结果还揭示了水样中各离子浓度的空间分布特征。例如，氟离子（F?）和碳酸氢根离子（HCO??）在某些节点中表现出较高的浓度，而钠离子（Na?）和钾离子（K?）则在另一些节点中较为集中。这些特征与水体的形成过程和环境因素密切相关。此外，钙离子（Ca2?）和硫酸根离子（SO?2?）的分布模式也显示出一定的规律性，表明这些离子可能受到地热活动或工业污染的影响。

### 研究结果与讨论

本研究的分析结果表明，新西兰的内陆水体化学特性具有显著的空间异质性。大多数水样表现出碱土碳酸盐型的特征，这可能与该国的地质构造和岩石风化作用有关。然而，也有一些水样显示出较高的硝酸盐浓度，这可能与农业活动密切相关。此外，某些水样受到海盐的影响，表现出较高的钠和氯离子浓度，这可能是由于沿海地区的水体与海洋之间的相互作用。

SOM分析的结果进一步表明，水体的化学特性在不同区域存在显著差异。例如，南岛的水样主要属于Ca-HCO??型，而北岛的水样则更多地表现为Na-HCO??型。这种差异可能与地理环境、气候条件以及土地利用方式有关。此外，某些水样由于受到海盐影响，表现出较高的离子强度和电导率，这可能对灌溉用水的适宜性产生不利影响。

### 结论与未来展望

本研究的结果表明，新西兰的内陆水体化学特性具有显著的多样性，且受到多种自然和人为因素的影响。通过综合使用Piper三线图、Stiff图谱、Gibbs图和USSL图，结合SOM技术，可以更全面地评估水体的化学特性及其对灌溉的适宜性。这些分析结果为新西兰的水资源管理提供了重要的科学依据，同时也为其他依赖内陆水体的国家和地区提供了可借鉴的方法。

尽管本研究仅基于一次性的水样采集，但结果表明，即使在数据有限的情况下，也可以通过综合方法进行有效的水体分类和评估。未来的研究可以进一步扩大采样范围，增加采样频率，以更全面地了解水体化学特性的变化趋势。此外，随着气候变化的加剧，水资源管理需要更加注重可持续性，通过改进灌溉技术和管理措施，减少农业活动对水体的负面影响，确保水资源的长期可用性。