آلودگی آب­های زیرزمینی در ارتباط با فعالیت­های کشاورزی و توسعه شهری یکی از مسایل مهم در مدیریت این منابع با ارزش می­باشد. روش­های زمین‌آمار و GIS می­تواند ابزاری قوی در تولید اطلاعات مکانی و تعیین راهکارهای مدیریتی مناسب باشد. در این مطالعه با مقایسه روش­های زمین­آمار سری کریجینگ و کوکریجینگ،  مناسب‌ترین روش تهیه نقشه تغییرات مکانی میزان نیترات و فسفات آب­های زیرزمینی با تأکید بر مصارف آشامیدنی تعیین گردید. منطقه مورد مطالعه در این پژوهش، حوزه آبخیز قره‌سو واقع در غرب استان گلستان می‌باشد. ارزیابی صحت نتایج حاصله و تعیین مناسب‌ترین روش درون‌یابی نیز با استفاده از معیار اعتبارسنجی متقابل و با استفاده از معیارهای خطاگیری ریشه مربعات میانگین خطا (RMSE)، انحراف استاندارد عمومی (GSD) و شاخص میانگین خطای مطلق (MAE) انجام پذیرفت. مقایسه روش‌ها نشان­دهنده بالا­بودن توان روش کوکریجینگ با استفاده از متغیر کمکی، در برآورد میزان نیترات و فسفات می­باشد. در مرحله بعد با استفاده از رگرسیون چندگانه خطی، عوامل مؤثر بر کاهش کیفیت آب شناسایی گردیدند. براساس نتایج مدل­سازی با رگرسیون چندگانه خطی، متغیرهای مستقل ارتفاع، خاک، فاصله از زمین­های کشاورزی، زمین­شناسی، کاربری اراضی، تراکم جمعیت و میزان مصرف کود ازته در سطح 99 درصد تأثیر معنی­دار داشتند. فاصله از مناطق مسکونی، سطح آب زیرزمینی و فاصله از جاده در سطح 95 درصد نیز رابطه معنی­دار با پراکنش نیترات داشته­اند. در مورد فسفات، متغیرهای مستقل فاصله از جنگل، زمین­شناسی و تراکم جمعیت، در سطح 99 درصد و متغیر مستقل رابطه بین تراکم سطح زیرکشت و میزان مصرف کود فسفاته در سطح 95 درصد، رابطه معنی­دار با پراکنش فسفات در حوزه آبخیز قره­سو داشته­اند. نتایج آنالیز حساسیت مدل با استفاده از ضریب تبیین نیز مؤید همین مطالب است. تهیه نقشه تغییرات مکانی پارامترهای کیفیت آب می­تواند در برنامه‌ریزی و تصمیم­گیری­های آینده مدیران مفید واقع شود.