基于GIS的伊朗中部地区地下水用于农业灌溉适宜性评估

《Journal of Hydro-environment Research》：GIS-based assessment of groundwater suitability for agricultural irrigation in central Iran

本研究通过多指标和GIS技术评估了伊朗伊??罕地区1995-2024年地下水灌溉适宜性，分析412口井、306条坎儿井及108处泉水的理化参数，发现水质持续恶化，井水电导率和总硬度最高，泉水可溶性钠含量最高，灌溉适宜性分类普遍为严重和高限制，为可持续管理提供依据。

　　

阿夫辛·埃布拉希米（Afshin Ebrahimi）| 法兹赫·贾内萨里（Faezeh Jannesary）| 库尼-伊·安德鲁·林（Kun-Yi Andrew Lin）| 马利赫·莫阿泽尼（Malihe Moazeni）

伊朗伊斯法罕医科大学健康学院环境健康工程系

摘要

地下水是干旱和半干旱地区重要的灌溉水源。本研究使用多种标准水质指数和基于GIS的灌溉水质指数（IWQI），评估了1995年至2024年间伊朗伊斯法罕地区不同地下水来源的水质趋势及其灌溉适用性。共分析了412口井、306条坎儿井（Qanats）和108处泉水用于农业灌溉的情况。此外，还通过GIS中的插值和叠加技术，以十年为间隔应用了IWQI进行评估。结果显示，井水的电导率（EC）平均值为6033.3 μS/cm，总硬度（TH）为1153.3 mg/L，而残留碳酸氢钠（RSBC）的数值最低，为-13.8。相比之下，泉水的可溶性钠百分比（SSP）最高，达到44.6%。研究期间，灌溉适用性水平出现波动，整体水质呈下降趋势。根据IWQI的分类，所有研究年份的地下水都属于严重限制或高度限制灌溉使用的类别。IWQI的分类为地下水质量提供了清晰的空间可视化，为可持续的地下水管理和作物选择提供了有价值的决策支持工具。

引言

地下水在农业中的使用具有重要意义，其质量受土壤成分、气候变化、季节变化和人类活动等多种因素的影响。据估计，全球约70%的地下水用于农业用途，尤其是在干旱和半干旱地区。地下水在灌溉中起着关键作用，直接影响作物产量和粮食安全。然而，不合理的地下水利用及其对水质的影响可能会降低灌溉效率和作物产量（Hossain等人，2020年；Mukherjee等人，2022年；Qureshi和Ghavami，2024年）。农业活动可能导致这些重要自然资源的退化，使其不再适合农业使用。如果灌溉用水利用不当，有害物质可能会进入土壤，改变其物理化学性质并降低土壤肥力（Liu等人，2021年；Zahedi等人，2017年）。

已开发出多种方法来确定不同地理区域的适宜地下水质量标准（Zahedi等人，2017年）。水中常见的溶解离子包括钙（Ca²⁺）、镁（Mg²⁺）、钠（Na⁺）、钾（K⁺）、硫酸盐（SO₄^2?）、氯化物（Cl^?）、碳酸盐（CO₃^2–）和碳酸氢盐（HCO₃^–）。这些离子的比例和浓度用于评估水是否适合灌溉用途（Batarseh等人，2021年；Zahedi，2017年）。用于农业的水质根据其对作物产量和质量的影响进行评估（Zahedi，2017年），同时也影响土壤的物理化学性质。农业用水的盐度、碱度和渗透性也与水质密切相关（Abdel-Fattah等人，2020年）。主要的水质污染物包括阳离子、阴离子、有机盐、重金属和微量污染物（Hossain等人，2020年）。目前已有许多水质指数被广泛用于评估灌溉适用性，其中最常用的包括电导率（EC，Richards，1954年；Wilcox，1955年）、渗透率指数（PI，Doneen，1964年）、凯利指数或比率（KI或KR，Kelley，1963年）、钠吸附比（SAR，Richards，1954年）、可溶性钠百分比（Na%，Wilcox，1948年；Wilcox，1955年）、残留碳酸钠（RSC，Richards，1954年；Wilcox，1955年）、总溶解固体（TDS，Richards，1954年；Durfor和Becker，1964年；Sawyer和McCarty，1967年）、SSP（Todd和Mays，2004年）、镁吸附比或危害比（MAR或MH，Raghunath，1987年）、潜在盐度（PS，Doneen，1954年；Doneen，1964年）、RSBC（Barik和Pattanayak，2019年）以及镁/钙比率（MR，Michael，2009年）。这些指数为相关公共机构和部门制定地下水管理计划提供了宝贵的定性评估。然而，IWQI是一种综合评估农业灌溉用水质量的方法，它将多个水质参数整合为一个数值表达，比单独分析各个离子更为可靠（Meireles等人，2010年）。许多专家认为该指数是评估灌溉水质及其对土壤性质和农业生产力影响的重要工具（Abdel-Fattah等人，2020年；Batarseh等人，2021年；Qureshi和Ghavami，2024年）。IWQI的推导涉及参数选择、转换、权重分配和聚合等多种数学和统计技术（Adebayo等人，2021年；Amiri等人，2014年；Brindha和Kavitha，2015年）。

地理信息系统（GIS）已成为存储、处理和报告空间数据的宝贵工具，可应用于工程、农业/水文学和环境等多个领域（Jasrotia等人，2019年）。GIS技术的应用有助于展示分布模式并理解整个流域内水质参数的变化情况。确定性和统计插值技术的应用可以估算未知点的数值，并生成用于分析空间分布的经验数据集。通过利用空间数据，可以评估和管理地下水质量的变异性。多项研究表明，空间技术在准确评估和表征地下水质量以及监测其退化方面非常有效（El Baba等人，2020年；Gharbi等人，2019年；Kawo和Karuppannan，2018年）。这些地图有助于展示各研究区域的地下水质量分布情况，从而优化农业灌溉的水资源管理和作物选择。近年来，许多科学家评估了各种空间插值技术在预测地下水质量参数方面的精度和可靠性（Adebayo等人，2021年；Ghazaryan等人，2020年；Hossain等人，2020年）。

由于年平均降雨量低于全球平均水平三分之一，伊朗面临严重的水资源短缺问题。在干旱和半干旱地区，地下水是家庭、工业和农业等各领域的主要水源。过度依赖地下水加上严重的干旱导致水资源数量和质量下降，这对伊朗政府构成了严峻挑战（Amiri等人，2021年；Esmaeili和Moore，2012年；Zahedi，2017年）。伊斯法罕地区的地下水对饮用水供应、农业活动和工业运营至关重要。然而，由于近年来降水量长期偏低和过度抽取，该地区的地下水数量和质量急剧下降，进一步开发含水层已变得不可持续。本研究尝试使用多种灌溉水质指数和基于GIS的IWQI，评估1995年至2024年间伊朗伊斯法罕省不同水源（包括井、坎儿井和泉水）的地下水质量。

研究区域描述

伊朗中部地区（伊斯法罕）位于北纬30°43至34°27度、东经49°38至55°32度之间。研究区域涵盖107,018平方公里的沙漠地带。2016年，伊斯法罕省的人口为5,121,000人。该省气候多变，东部和中部地区属于干旱气候，而西部地区则为半湿润气候。东部、西部和中部地区的年平均降雨量分别为……（数据缺失）

地下水质量

本研究通过评估多种物理化学参数（pH值、电导率（EC）、钾离子（K⁺）、钠离子（Na⁺）、钙离子（Ca²⁺）、镁离子（Mg²⁺）、氯离子（Cl^?）、碳酸氢根离子（HCO₃^–）、硫酸根离子（SO₄^2–）和总溶解固体（TDS）以及灌溉水质指数（如SAR、Na%、TH、SSP、RSBC、PI、KR、MAR、RSC、PC和MR），来评估地下水是否适合灌溉。尽管该评估主要关注常见的阴离子和阳离子，但未涉及重金属、硝酸盐和铵等关键农业污染物。

结论

本研究评估了伊朗伊斯法罕省不同水源（井、坎儿井和泉水）的地下水是否适合农业灌溉。分析结果表明，TDS、钙离子（Ca²⁺）和碳酸氢根离子（HCO₃^–的浓度较高，表明这些水源需要经过处理才能用于灌溉。此外，还使用了……（数据缺失）来评估地下水的灌溉适用性。

CRediT作者贡献声明

阿夫辛·埃布拉希米（Afshin Ebrahimi）： 写作、审稿与编辑、项目监督、方法论设计、数据收集与分析。 法兹赫·贾内萨里（Faezeh Jannesary）： 写作、审稿与编辑。 库尼-伊·安德鲁·林（Kun-Yi Andrew Lin）： 写作、审稿与编辑。 马利赫·莫阿泽尼（Malihe Moazeni）： 写作、审稿与编辑、初稿撰写、软件应用、方法论设计、数据收集与分析、正式分析及概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢 本研究得到了伊斯法罕医科大学研究办公室的支持（项目编号：1401267和1403246）。研究还获得了该校医学伦理委员会的批准（批准编号：IR.MUI.RESEARCH.REC.1401.061和IR.MUI.DHMT.REC.1403.187）。同时，作者感谢伊斯法罕地区水务公司的支持和合作。