بررسی روند تغییرات پارامترهای شیمیایی کیفیت آب رودخانه تجن با استفاده از تحلیل مؤلفه‌اصلی و نرم افزار Aqua Chem

فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 48، بهار 98

بررسی روند تغییرات پارامترهای شیمیایی کیفیت آب رودخانه تجن با استفاده از تحلیل مؤلفه‌اصلی و نرم افزار Aqua Chem

سمیرا رهنما ^{[1] *}

samira.rahnama1369@gmail.com

نسرین سیاری [2]

چکیده

رودخانه‌ها از مهم‌ترین منابع آبی هستند که نقش مهمی در تأمین آب مورد نیاز فعالیت‎های مختلف نظیر کشاورزی، صنعت و شرب دارند، لذا حفاظت و استفاده بهینه از منابع آبی یکی از اصول توسعه پایدار هر کشور محسوب می‌گردد. در این پژوهش، داده‎های کیفی           آب رودخانه تجن که یکی از مهم‌‏ترین منابع آبی استان مازندران به شمار می‏آید، طی سال‏های 1382 تا 1392 در دو ایستگاه کردخیل و سلیمان تنگه مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت. جهت بررسی ساختار همبستگی و ارتباط میان متغیرها از تحلیل فاکتور اصلی بر مبنای روش آنالیز مؤلفه­های اصلی (PCA) و برای ارزیابی کیفیت آب و روند تغییرات پارامتر‏های کیفی آب رودخانه از نمودارهای پایپر و شولر استفاده شد. بر اساس نتایج حاصل از PCA مشخص شد که برای کنترل کیفیت آب رودخانه، در ایستگاه کردخیل در 6 ماه اول سال    به جز pH و در 6 ماه دوم سال به جز (SO₄^2-، Q و pH) تمامی پارامترها در اولویت قرار دارند. در ایستگاه سلیمان تنگه در 6 ماه اول سال پارامترهای (EC، TDS، K⁺،^-HCO₃ و Ca²⁺) و در 6 ماه دوم سال پارامترهای (TDS، Cl^-، Na⁺ و SAR) در اولویت قرار دارند. با توجه به نمودار پایپر تیپ کیفی شیمیایی آب رودخانه تجن در ایستگاه کردخیل و سلیمان تنگه از نوع بی‌کربنات- منیزیم-کلسیم می‌باشد. هم‏چنین بر اساس نتایج حاصل از دیاگرام شولر مشخص شد که آب این رودخانه در هر دو ایستگاه دارای کیفیت خوب بوده و برای شرب مناسب می‎باشد.

کلمات کلیدی: پاپیر، رودخانه تجن، شولر، کیفیت آب، PCA.

Survey and Trends of Chemical Water Quality Parameters of Tajan River Water Quality Using Principal Component Analysis and Aqua Chem Software

Samira Rahnama ^[3]*(Corresponding Author)

samira.rahnama1369@gmail.com

Nasrin Sayari [4]

Abstract

Rivers are the most important water resources that play an important role in providing the water needed for various activities such as agriculture, industry and drinking, so the conservation and optimal use of water resources is one of the principles of sustainable development in each country. In this research, water quality data of Tajan River, one of the most important water resources of Mazandaran province, was studied during two years from 2003 to 2013 in two stations of of Kordkheil and Soleyman Tangeh. To study of the correlation between variables, the Principal Component Analysis (PCA) and to investigate the water quality and the water qualitative parameters variation Piper and Schoeller diagram were used.Based on the results of the PCA, it was determined that for controlling river water quality, at the Kordkheil station in the first 6 months of the year except for pH and in the 6 months of the second year except for (SO₄^2-, Q and pH), all parameters were prioritized. At the Soleyman Tangeh station, parameters (EC, TDS, K⁺, HCO₃^- and Ca²⁺) in the first six months of the year and the parameters (TDS, Cl^-, Na⁺ and SAR) in the second 6 months of the year are the priorities. According to the Piper diagram, the chemical type of Tajan River water at Kordkheil and Soleyman Tangeh stations is Bicarbonate-Magnesium-Calcium. Also, based on the results of the Schuler diagram, it was found that the river water is good at both stations and is suitable for drinking.

Key Words: Piper, Tajan River, Schoeller, Water Quality, PCA.

مقدمه

امروزه آب به عنوان یکی از عوامل بهبود و رشد اقتصادی جوامع به­شمار می‌آید، لذا حفاظت و استفاده بهینه از منابع آب از اصول توسعه پایدار هر کشور می‌باشند. آب‌های سطحی جاری یا رودخانه‎ها از مهم‎ترین منابعی آب هستند که نقش مهمی در تأمین آب مورد نیاز فعالیت‎های مختلف نظیر کشاورزی، صنعت و شرب دارند. اساس بسیاری از برنامه‏ریزی‏های منابع آب در کشورها پتانسیل بالقوه منابع آب‏های سطحی می‏باشد.

آگاهی از کیفیت منابع آب یکی از نیازمندی‎های مهم در برنامه‎ریزی و توسعه منابع آب و حفاظت و کنترل آن‎ها می‎باشد.

یکی از مهم‎ترین عواملی که همواره کیفیت آب رودخانه را تهدید می‎کند، تخلیه پساب‎های تصفیه نشده مراکز شهری، صنعتی و کشاورزی در آن‎ها می‎باشد. تخلیه انواع مختلف آلاینده‎های کشاورزی، صنعتی و پساب‎های شهری به رودخانه‎ها باعث شده که در حال حاضر رودخانه‎ها به عنوان یکی از کانون‎های بحرانی از نقطه نظر آلودگی‌ها مطرح باشند. هم‌چنین می‎توان بیان نمود که کاربری‌های شهری و کشاورزی برکیفیت آب رودخانه تأثیر به‌سزایی دارند، به طوری که در حوضه‌هایی با کاربری کشاورزی و شهری بالا، نسبت به حوضه­هایی که این کاربری در آن‌ها کم‌تر است؛ میزان اسیدیته (pH) و شوری بالاتر است (1).

کیفیت آب‌های سطحی در مناطق مختلف به دلیل تنوع سازند‌ها و ساختار‌های زمین‌شناسی و عوامل هیدروژئولوژیکی متفاوت می‌باشند، به همین منظور، شناخت و بررسی کیفیت منابع آب در مدیریت و استفاده بهینه از آن از اهمیت بالایی برخوردار است. با توجه به اهمیت موضوع تاکنون مطالعات متعددی در راستای بررسی کیفیت منابع آب و روند پارامترهای کیفی آب صورت گرفته که در ادامه به ذکر برخی از آن‎ها پرداخته شده است.

کاشفی‎اصل و همکاران (2) به مدت 6 ماه از ابتدای تیر ماه تا پایان آذر سال 1383 با بررسی و مدیریت کیفیت آب رودخانه جاجرود نشان دادند که غلظت املاح و آلودگی رودخانه در طی سال‎های متوالی افزایش یافته است.

آن‎ها هم‎چنین منبع آلودگی فاضلاب خانگی و زراعی را نیز در این منطقه مشخص نمودند. نخعی و همکاران (3) کیفیت آب رودخانه و سرشاخه‏های کارون در استان چهارمحال بختیاری را با استفاده از استانداردهای کنترل کیفیت آب نظیر دیاگرام ویلکاکس و شولر مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج آن‏ها نشان داد که کیفیت ­آب جهت مصارف شرب و کشاورزی مناسب و تیپ آب در هر ایستگاه بی‏کربنات کلسیم است. سلیمانی ساردو و همکاران (4) کیفیت آب و روند تغییرات پارامترهای کیفی آب رودخانه چم‏انجیر خرم آباد توسط روش‏های گرافیکی از قبیل نمودارهای ویلکاکس، شولر و پایپر را مورد ارزیابی و بررسی قرار دادند. آن‌ها نشان دادند که بر اساس نمودار پایپر تیپ کیفی آب کلسیمی منیزیمی و براساس دیاگرام شولر تمام نمونه‏های مربوط به آب رودخانه چم‏انجیر در دسته خوب و قابل قبول از نظر شرب قرار داشته و مانعی از نظر شرب ندارند. هم چنین نمودار ویلکاکس نشان داد که اکثر نمونه‎ها در کلاس کمی شور قرار گرفته و برای کشاورزی تقریباً مناسب می‎باشند.

فرید گیگلو و همکاران (5) کیفیت آب رودخانه زرین‎گل استان گلستان را با استفاده از نمودارهای پایپر، شولر، ویلکاکس، دروو، گیبس و استیف طی سال‎های آماری 1377 تا 1386 مورد بررسی قرار دادند. نتایج آن‎ها نشان داد که آب رودخانه زرین‎گل جزو به تیپ آب‎های شورمزه بوده و یون‌های کلسیم و منیزیم نیز نقش مهمی در تعیین تیپ آب رودخانه دارند. آن‌ها هم چنین نشان دادند که آب این رودخانه از نظر شرب در حد متوسط به پایین و در کلاس C₃S₁ قرار داشته و برای آبیاری زمین‎هایی با خاک درشت بافت و با زهکشی خوب مناسب می‎باشد.

در مطالعات بونیلا و متئو (6) که در مورد بررسی متغیرهای مکانی و زمانی پارامترهای کیفی آب رودخانه آلبر واقع در اسپانیا در طول 2 سال متوالی صورت گرفت، نشان داده شد که کلسیم، کلرید سولفات و قلیایی در جهت پایین رودخانه افزایش می‎یابد که این تغییر غلظت به مکان و فصول مختلف بستگی داشته و در تابستان به علت افزایش جمعیت در ساختمان‎های مسکونی و تفریح‎گاه‎ها غلظت مواد شیمیایی بالا می‎رود. بویسیگلو (7) روند تغییرات کلرید، نیترات، سدیم، سولفات و مجموع مواد محلول را به مدت 6 سال در هفت ایستگاه در آبخیز تاهتالی ترکیه با استفاده از آزمون ناپارمتری من-کندال و تخمین گر شیب سن مورد بررسی قرار داد. نتایج حاکی از کاهش غلظت اکثر عناصر مذکور در آب این رودخانه بود. کافمن و بهدن (8) کیفیت آب 30 رودخانه آمریکا را در بازه زمانی سال‌های 2005-1970 میلادی مورد تجزیه و تحلیل قرار داده و با استفاده از آزمون من-کندال فرضی نشان دادند که کیفیت آب در 69 % ایستگاه‎ها ثابت باقی مانده یا بهبود پیدا کرده است.

بهاردواج (9) در بررسی کیفیت آب رودخانه کتی گانداگ هند با استفاده از PCA، فاکتورهایی از قبیل درجه شیب، ضعف زهکشی، تبادل یونی و آلودگی‎های خانگی را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. نتایج این مطالعه نشان داد که در بعضی مناطق، به‌دلیل افزایش قلیاییت، آب سخت شده و برای استفاده‎های شرب و آبیاری مناسب نمی‎باشد. فان و همکاران (10) آنالیزهای آماری CA و PCA را برای مشخص کردن خصوصیات آب و ارزیابی الگوی مکانی کیفیت آب استفاده کردند. PCA به ترتیب 25/85 و 25/89 درصد کل واریانس کل داده‎های شمال و غرب رودخانه را نشان دادند. ژانگ و همکاران (11) در بررسی کیفیت آب رودخانه ویه در منطقه شانکسی چین با استفاده از روش‎های آماری چند متغیره نشان دادند که پارامترهای آمونیاک و اکسیژن خواهی بیوشیمیایی جدی‎ترین منابع آلوده‎کننده رودخانه می‎باشند.

جانبازی و گرجی عربی (12) کیفیت آب رودخانه کسیلیان در استان مازندران را بر اساس پارامترهای فیزیکی و شیمیایی و هیدرولوژیکی مورد بررسی و ارزیابی قرار دادند. نتایج آن‎ها در طول دوره مطالعاتی 2010-2009 و 4 فصل نمونه برداری نشان داد که به طور متوسط میزان اکسیژن محلول برابر با 25/7، pH برابر با 7/7، نیترات در محدوده 07/1-51/0 و آمونیوم در محدوده 7/0-04/0 می‎باشد، که همه آن‎ها در محدوده نرمال بوده و هم‎چنین کیفیت آب رودخانه براساس فاکتورهای فیزیکی و شیمیایی در تمامی ایستگاه‎ها با شرایط عالی ارزیابی شد.

میکلانک و همکاران (13) با استفاده از آزمون من-کندال و آزمون شیب سن به ارزیابی رودخانه بلا در اسلواکی پرداختند. نتایج آن‎ها بهبود کیفیت آب این رودخانه در طی دوره 20 ساله (2010-1991) و روند رو به کاهشی در میزان نیترات، آمونیاک و کل فسفر، غلظت سولفات و کلرید را نشان داد.

ارین و همکاران (14) در بررسی کیفیت آب منطقه بانو پاکستان با استفاده از روش‎های آماری چند متغیره نشان دادند که پارامترهای هدایت الکتریکی (EC) و کل مواد جامد محلول (TDS) از مقدار مجاز سازمان بهداشت جهانی (WHO) بالاتر بوده که این محدودیت ممکن است وضعیت بهداشت ساکنین این منطقه را تحت تأثیر قرار دهد. ایشتیاق و همکاران (15) با استفاده از PCA و تحلیل خوشه‎ای (CA) کیفیت آب دریاچه آنچار کشمیر هند را در طی 4 فصل و برای 13 پارامتر کیفی مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. نتایج آن‎ها نشان داد که روش PCA به استخراج و شناسایی عوامل تغییر کیفیت آب در فصول مختلف دریاچه کمک می‎کند که عمدتا مربوط به فاضلاب‎های خانگی، رواناب کشاورزی و تنوع فصلی می‎باشد. متأسفانه امروزه به علت وجود منابع آلوده کننده آب، از کیفیت آب رودخانه‎ها کاسته شده، به این علت باید قبل از استفاده از آب در مصارف مختلف کیفیت آن مورد بررسی قرار گیرد. با توجه به این که در اطراف رودخانه تجن منابع آلاینده نقطه‎ای و غیر نقطه‎ای متعددی وجود دارد از جمله ورود فاضلاب‎های روستایی و رواناب شهری که پساب خروجی آن‎ها اکثراً بدون انجام فرآیند تصفیه می‎باشد و از طرف دیگر رودخانه تجن در تولید انواع محصولات کشاورزی، دامی و شیلات استان نقش مهمی ایفا می‎نماید. از این رو ضروری است تا مطالعات دقیقی در مورد کیفیت آب و عوامل آلوده کننده آن در این منطقه صورت گرفته و از اقداماتی که سلامت منابع آبی را به خطر می‏اندازند، جلوگیری به عمل آید. در این پژوهش بنا بر اهمیت بررسی متغیرهای مختلف کیفی رودخانه تجن و نقش آن‏ها در تغییر کیفیت آب، از روش چند متغیره آنالیز مولفه‏های اصلی (PCA)[5] استفاده و با روش‏های ترسیمی به ارزیابی کیفیت شیمیایی آب رودخانه (1392-1382) پرداخته شد تا از این طریق تمهیدات لازم در زمینه مدیریت بهینه منابع آب صورت پذیرد.

روش بررسی

حوزه آبخیز تجن در دامنه شمالی البرز مرکزی در استان مازندران واقع شده است.این رودخانه از ارتفاعات البرز سرچشمه گرفته و پس از گذر از بخش‌های کوهپایه‌ای و پهنه ساحلی و با دریافت آب سفید رود و چندین سر شاخه کوچک به دریاچه خزر می‌ریزد (شکل1). وسعت این حوزه آبریز 22/4147 کیلومتر مربع، حداکثر ارتفاع 3728 متر، حداقل ارتفاع 26- متر و طول رودخانه اصلی 57/151 کیلومتر می‌باشد. تخلیه پساب خانگی و کشاورزی خصوصاً در اطراف شهر ساری، تبدیل جنگل به زمین کشاورزی و گودبرداری جنگلی برای استخراج گچ و آهک از جمله مسایلی است که بر روی کیفیت آب رودخانه تجن تأثیر گذار می‌باشند (16).

شکل1- نمای کلی رودخانه تجن

در این پژوهش به منظور بررسی کیفیت آب رودخانه تجن از داده‌های کیفی ایستگاه‎های کردخیل و سلیمان تنگه به ترتیب به مساحت‎های 57/4026 و 25/1248 کیلومترمربع استفاده شد. داده‎های مورد بررسی در این پژوهش هدایت الکتریکی (EC)، کل مواد جامد محلول (TDS)، کلر (Cl^-)، سدیم (Na⁺)، پتاسیم (K⁺)، نسبت جذب سدیم (SAR)، بی کربنات (HCO₃^-)، کلسیم (Ca²⁺)، منیزیم (Mg²⁺)، سولفات (SO₄^2-)، دبی(Q) و اسیدیته (pH) بودند. داده‎های مورد بررسی این دو ایستگاه از اداره آب منطقه‎ای استان مازندران دریافت و از داده‎های مربوط به سال‎های آماری 1392-1382 جهت آنالیز و بررسی کیفیت آب رودخانه در محل این دو ایستگاه استفاده شد (شکل2).

به منظور بررسی فاکتورهای مؤثر در کیفیت آب، از تحلیل فاکتور اصلی بر مبنای روش آنالیز مؤلفه­های اصلی (PCA) موجود در نرم افزار SPSS و هم چنین نمودارهای شولر[6] و پایپر[7] در نرم افزار Aqua Chem استفاده و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. هم‌چنین جهت بررسی قابلیت شرب آب­رودخانه از نمودار نیمه لگاریتمی شولر و برای تعیین تیپ (رخساره هیدروشیمی) آب از نمودار پایپر استفاده شد. براساس نمودار پایپر هشت رخساره شیمیایی قابل تشخیص است:

بی‌کربنات-منیزیم-کلسیم (Ca-Mg-HCO₃)، بی‌کربنات-سدیم (Na-HCO₃)، کلر-بی‌کربنات-منیزیم-کلسیم (Ca-Mg-HCO₃-Cl)، کلر-بی‌کربنات-سدیم (Na-HCO₃-Cl)، بی‌کربنات-کلر-منیزیم-سدیم (Na-Mg-Cl-HCO₃)، بی‎کربنات-کلر-سدیم (Na-Cl-HCO₃)، کلر-منیزیم-کلسیم(Ca-Mg-Cl) و کلر-سدیم (Na-Cl).

دیاگرام پایپر براساس موقعیت مکانی برخی کاتیون‎ها و آنیون‎های اصلی نظیر Na⁺، K⁺، Mg²⁺، Ca²⁺، SO₄^2-، Cl^-، CO₃^2- و HCO₃^- نیز برای تعیین تیپ و رخساره آب استفاده می‎شود ( 17، 18). تیپ آب براساس اولویت‎های غلظتی یکی از آنیون‎های آب تعیین می‎شود، که سه تیپ اصلی بی‎کربناته، سولفاته و کلره وجود دارد. هم‎چنین رخساره آب را می‎توان براساس اولویت‎های غلظتی یکی از کاتیون‎های آب تعیین نمود که دارای سه رخساره اصلی کلسیک، منیزیک و سدیک می‎باشد.

تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA)

PCA یکی از تکنیک‏های چند متغیره آماری است و در مواردی که حجم داده‏ها زیاد باشد، می‏توان به عنوان راهکاری مناسب برای کاهش تعداد ورودی‏ها از آن استفاده نمود، به گونه‏ای که این تعداد ورودی قادرند تغییرات جامعه را به خوبی توصیف نمایند (19، 20). آنالیز مؤلفه‏های اصلی (PCA) روش تقسیم یک ماتریس تشابه به یک مجموعه محورها یا مؤلفه‏های متعامد (عمودی) است که هر کدام از این محورها یک PC نامیده می‏شود. این روش مؤلفه‏ها را وزن‏دهی کرده و برای هر کدام یک مقدار ویژه بیان می‏کند، مقدار ویژه هر محور برابر واریانس محاسبه شده برای آن محور است. تحلیل مؤلفه‏های اصلی یک تبدیل خطی متعامد است که داده را به دستگاه مختصات جدید می‎برد، به طوری که بزرگ‎ترین واریانس داده بر روی اولین محور مختصات، دومین بزرگ‎ترین واریانس بر روی دومین محور مختصات قرار می‎گیرد و همین‎طور برای بقیه. تحلیل مؤلفه‎های اصلی می‎تواند برای کاهش ابعاد داده مورد استفاده قرار بگیرد، به این ترتیب مؤلفه‎هایی از مجموعه داده که بیش‎ترین تأثیر را در واریانس دارند حفظ می‎کند. با استفاده از PCA متغیرهای اولیه به مؤلفه‎های جدید که ترکیب خطی از آن‎ها هستند، تبدیل می‎شوند (21). در این روش هر مؤلفه اصلی می‎تواند با دنباله‎ای به صورت رابطه 1 مشخص شود (22؛ 23).

که در آن، Z_i معرف مؤلفه موردنظر، a_ij ضرایب مربوط     به متغیرهای اولیه و X_i نیز متغیرهای اولیه می‎باشند. ضرایب مربوط به متغیرهای اولیه از حل معادله 2 به‎دست می‎آید   (22، 23).

که در آن، I ماتریس واحد، R ماتریس همبستگی بین متغیرهای اولیه و  نیز مقادیر ویژه می‏باشند. از مقادیر ویژه، بردارهای ویژه به دست می‏آیند. در PCA مقادیر ویژه ماتریس تشابه براساس روند نزولی استخراج می‏شود، به طوری که محورهای متناظر PCA به   طور متوالی مقادیر تغییرات را از بزرگ‏ترین تا کوچک‏ترین در ماتریس نشان می‏دهند. این آنالیز به عنوان یک تکنیک برای مواردی از جمله کاهش متغیرها، روندهای دوره‏ای داده‏ها، کیفیت آب و فاکتورهای مؤثر در آن و نیز استخراج پارامترهای مهم در آلودگی استفاده می‏شود.

یافته‏ها

آنالیز مؤلفه‏های اصلی (PCA) در اولویت بندی اهمیت        
هر یک از پارامترها در آلودگی نقش مثبتی ایفا می‏کند، به طوری که پارامترهای مهم تر را در مؤلفه اول و پارامترهای کم اهمیت را در مؤلفه‏های بعدی قرار می‏دهد. بر اساس شکل 3 و جدول1، PCA در ایستگاه کردخیل، 12 مؤلفه معرفی شد که مؤلفه‏های اول و دوم مؤلفه‏های اصلی بوده و در 6 ماه اول سال، در مجموع 57/77 % تغییرات ویژه نشان می‎دهد که مؤلفه اول 64/66 % تغییرات که شامل همه پارامترها به‎غیر از (pH) و در این مؤلفه دو پارامتر EC و TDS دارای بیش‌ترین بار عاملی  می‎باشند (برابر 989/0) و به عنوان پارامترهای اصلی این مؤلفه انتخاب شد. مؤلفه دوم 93/10 % تغییرات که شامل (pH) می‎باشد که می‎توان آن را مهم‎ترین پارامتر این مؤلفه نامید. در 6 ماه دوم سال، در مجموع 54/81 % تغییرات ویژه را بیان می‎کنند. مؤلفه اول 67/72% تغییرات را نشان می‎دهد که شامل پارامترهای (EC، TDS، Cl^-، Na⁺، K⁺، SAR، ^-HCO₃، Ca²⁺ و Mg²⁺) و پارامتر EC با بار عاملی 97/0 به عنوان پارامتر اصلی این مؤلفه انتخاب شد. مؤلفه دوم 87/9% تغییرات را نشان می‎دهد که شامل(SO₄^2-، Q و pH) است و  پارامتر SO₄^2- به دلیل داشتن بیش‎ترین بار عاملی (687/0)   به عنوان پارامتر اصلی این مؤلفه انتخاب شد.

با توجه به شکل 4 و جدول 1، در ایستگاه سلیمان تنگه،      12 مؤلفه معرفی شد که 4 مؤلفه اول آن مؤلفه اصلی بوده و در 6 ماه اول سال، در مجموع 50/81 % تغییرات ویژه را نشان می‌دهد که مؤلفه اول 00/38 % تغییرات و شامل پارامترهای (EC، TDS، K⁺، HCO₃^- و Ca²⁺) می‌باشد و EC با بار عاملی 968/0 به عنوان پارامتر اصلی این مؤلفه انتخاب شد. مؤلفه دوم 21/20 % تغییرات را نشان می‌دهد و شامل پارامترهای (Cl^-، Na⁺ و SAR) می‎باشد و پارامتر اصلی این مؤلفهNa⁺  با بار عاملی 955/0 انتخاب شد. مؤلفه سوم 16/13 % تغییرات را نشان می‌دهد و شامل پارامترهای (SO₄^2-، Q و pH) می‎باشد و pH با بار عاملی 716/0 به عنوان پارامتر اصلی شناخته شد. مؤلفه چهارم 13/10 % تغییرات را نشان می‌دهد و شامل پارامتر (Mg²⁺) با بار عاملی 821/0می‌باشد و می‌توان آن را به عنوان پارامتر اصلی این مؤلفه شناخت. هم‎چنین در6ماه دوم سال، در مجموع 59/80 % تغییرات ویژه را نشان می‎دهد که مؤلفه اول 64/29 % تغییرات را نشان می‎دهد و شامل پارامترهای (TDS، Cl^-، Na⁺ و SAR) می‎باشد و می‎توان Na⁺ را با بار عاملی 963/0 به عنوان پارامتر اصلی انتخاب نمود. مؤلفه دوم 74/20 % تغییرات را نشان می‎دهد و شامل پارامترهای (EC، K⁺ و Ca²⁺) می‎باشد، که پارامترهای (K⁺ و Ca²⁺) بار بار عاملی 838/0 به عنوان پارامترهای اصلی این مؤلفه انتخاب شد. مؤلفه سوم 53/18 % تغییرات را نشان می‎دهد و شامل پارامترهای (HCO₃^-، SO₄^2- و pH) می‎باشد و pH دارای بیش‎ترین بار عاملی است (800/0) و به عنوان پارامتر اصلی انتخاب شد و مؤلفه چهارم 68/11 % تغییرات را نشان می‎دهد و شامل پارامترهای (Mg²⁺ و Q) می‎باشد و منیزیم با بار عاملی 945/0 به عنوان پارامتر اصلی این مؤلفه انتخاب شد. به طور کلی در این مطالعه، مهم‎ترین پارامترهای کیفیت آب که توسط PCA تعیین شدند، در ایستگاه کردخیل در 6 ماه اول سال EC، TDS و pH و در 6 ماه دوم سال  EC و SO₄^2- و در ایستگاه سلیمان تنگه در 6 ماه اول سال EC، Na⁺، Mg²⁺ و pH و در 6 ماه دوم سال Na⁺، K⁺، Ca²⁺، Mg²⁺ و pH بود.

با توجه به نتایج مندرج در جدول 1 اولین مؤلفه برای هر کدام از ایستگاه‌ها در 6 ماه اول و دوم سال با معادلات (3 تا 6)
مشخص می‌شوند.

جدول1- ضرایب هر پارامتر (بردارهای ویژه) جهت تعیین مؤلفه‌ها

با استفاده از نمودار پایپر تیپ و وضعیت شیمیایی آب مشخص شد. در این نمودار درصد آنیون‌ها و کاتیون‌ها در میدان مثلثی و موقعیت ترکیبی آن‎ها در میدان لوزی شکل پیاده می‌شود (17). در این طبقه‎بندی، آب‎ها براساس کاتیون‎ها به سه رخساره منیزیک، کلسیک و سدیک و نیز بر پایه آنیون‎ها به سه تیپ بی کربناته، سولفاته و کلره تقسیم بندی می‎شوند (24). براساس نمودار پایپر در شکل 5 تیپ کیفی شیمیایی   آب رودخانه تجن در ایستگاه کردخیل و سلیمان تنگه از نوع بی‌کربنات-منیزیم-کلسیم (Ca-Mg- HCO₃) و سختی آب رودخانه از نوع موقتی می‎باشد. نتایج مطالعات موسوی و همکاران (25) نشان داد که کیفیت آب رودخانه تجن در گروه بی‌کربنات-کلسیم-منیزیم (Ca-Mg- HCO₃) قرار دارد، که با این نتایج مطابقت دارد.

نمودار شولر نموداری نیمه لگاریتمی است که نتایج شیمیایی آب را به صورت خطوط شکسته نشان داده و برای بررسی کیفیت آب از لحاظ مصارف آشامیدنی به کار می‌رود (17). با توجه به دیاگرام شولر ارایه شده در شکل 6، آب رودخانه تجن در ایستگاه کردخیل و سلیمان تنگه دارای کیفیت خوب بوده و برای شرب مناسب می‌باشد.

نتیجه گیری

کمیت و کیفیت آب، یکی از پایه‌های اصلی توسعه پایدار به شمار می‌روند. از طرفی رودخانه‌ها نیز به عنوان یکی از منابع اصلی و قابل دسترس تأمین کننده نیازهای جوامع بشری مطرح بوده که علاوه بر کمیت آب، کیفیت آب آن‌ها نیز جزء پارامترهای مهم تعیین کننده محسوب می‌شوند.

بررسی کیفیت شیمیایی آب رودخانه تجن در دو ایستگاه کردخیل و سلیمان تنگه نشان می‌دهد که مهم‌ترین پارامترهای کیفیت آب در ایستگاه کردخیل در 6 ماه اول سال EC، TDS و pH و در 6 ماه دوم سال EC و SO₄^2- و در ایستگاه  سلیمان تنگه در 6 ماه اول سال EC، Na⁺، Mg²⁺ و pH و  در 6 ماه دوم سال Na⁺، K⁺، Ca²⁺، Mg²⁺ و pH بوده است. هم‌چنین با توجه به نمودار پایپر تیپ کیفی شیمیایی آب رودخانه تجن در ایستگاه کردخیل و سلیمان تنگه از نوع بی‌کربنات-منیزیم-کلسیم (Ca-Mg-HCO₃) و سختی آب از نوع موقتی می‌باشد. بر اساس دیاگرام شولر مشخص شد که  آب رودخانه تجن در ایستگاه کردخیل و سلیمان تنگه دارای کیفیت خوب بوده و برای شرب مناسب می‎باشد.

بنابراین با توجه به نتایج به دست آمده توصیه می‎شود از یافته‎های حاضر جهت بهبود پایش رودخانه تجن واقع در  استان مازندران استفاده گردد و به جای برداشت پارامترها با اطلاعات مشابه، از سایر پارامترها کیفیت آب که قادرند ابعاد کیفی دیگری را به نمایش بگذراند (مانند پارامترهای بیولوژیکی کیفیت آب)، استفاده گردد. علاوه بر این می‎توان گفت استفاده از تحلیل های چند متغیره آماری، قادر است حجم گسترده‎ای از داده‎ها را به طور هم‌زمان پردازش نماید و به عنوان یک راهکار کمی، در مدیریت کیفیت آب رودخانه‎های استان مازندران مطرح گردد.

منابع

1. Chessman, B., Townsend, S., 2010. Differing Effects of Catchment Land use on Water Chemistry Explain Contrasting Behaviour of a Diatom Index in Tropical Northern and Temperate Southern Australia. Ecological Indicators, Vol. 10, Iss. 3, pp. 620-626.
2. کاشفی‎الاصل، مرتضی و همکاران، »لزوم مدیریت کیفیت رودخانه جاجرود»، فصلنامه علوم و تکنولوژی محیط زیست، 1388، دوره 11، شماره 2، صص 119-129.
3. نخعی، محمد و همکاران، »ارزیابی کیفی آب رودخانه و سرشاخه‎های کارون در استان چهارمحال بختیاری»، فصلنامه زمین شناسی ایران، 1390، سال 5، شماره 20، صص 59-72.
4. سلیمانی ساردو، مجتبی و همکاران، »آنالیز و روندیابی پارامترهای کیفیت شیمیایی آب (مطالعه موردی: رودخانه چم انجیر لرستان)»، فصلنامه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب، 1392، شماره 12، سال 3، صص 95-106.
5. فرید گیگلو، بهنام و همکاران، »بررسی تغییرات کیفیت آب رودخانه زرین‎گل استان گلستان»، مجله پژوهش‎های حفاظت آب و خاک، 1392، جلد 20، شماره 1، صص 77-95.
6. Bonilla, L., Mateo, P., 2004. Spatial and Temporal Change in Water Quality in a Spanish River. Journal Water Quality, Vol. 11, pp. 45-59.
7. Boyciouglu, H., 2008. Investigation of Temporal Trends in Hydrochemical Quality of Surface Water in Western Turkey. Bull, Environ, Contam, Toxial, Vol. 80, pp. 469-477.
8. Kauffman, G.J., Behden, A.C., 2010. Water Quality Trends (1970-2005) along Delaware Streams in the Delaware and Chesapeake Bay Watersheds. USA, Water Air Soil Pollut, Vol. 208, pp. 345- 375.
9. Bhardwaj, V., Singh, D.S., Singh, A.K., 2010. Water quality of the Chhoti Gandak River using principal component analysis, Ganga Plain, India. Journal of Earth System Science, Vol. 119, pp. 117-127.
10. Fan, X., Cui, B., Zhao, H., Zhang, Z., Zhang, H., 2010. Assessment of river water quality in Pearl River Delta using multivariate statistical techniques. Procedia Environmental Sciences. Vol. 2, pp. 1220-1234.
11. Zhang, Z.M., Wang, X.Y., Zhang, Y., Nan, Z., Shen, B.G., 2012. The Over Polluted Water Quality Assessment of Weihe River Based on Kernel Density Estimation. Procedia Environmental Sciences, Vol. 13, pp. 1271-128.
12. Janbazi, A., Gorjian Arabi, M.H., 2013. Investigation of Water Quality in KesilIian River Based on the Physical, Chemical and Hydrological Parameters. Journal of Wetland Ecobiology, Vol. 5, Iss. 16, pp. 63-74.
13. Miklanek, P., Martincova, M., Dosa, M., Pekarova, P., 2013. Long Term Trend of Water Quality in the Bela river. Die Bodenkultur, Vol. 64, Iss. 3-4, pp. 73-78.
14. Arain, M.B., Ullahb, I., Niazb, A., Shaha, N., Shahb, F., Hussaina, Z., Tariqc, M., Afridid, H.I., Baigd, J.A., Kazid, T.G., 2015. Evaluation of Water Quality Parameters in Drinking Water of District Bannu, Pakistan: Multivariate Study. Sustainability of Water Quality and Ecology, Vol. 3, Iss. 4, pp. 114-123.
15. Ishtiyaq, N., Anisa, K., Abdul, H., 2017. Evaluation of seasonal variability in surface water quality of Shallow Valley Lake, Kashmir, India, using multivariate statistical techniques. Pollution, Vol. 3, Iss, 3, pp. 349-362.
16. لویزه، ف، »بررسی منشا و میزان تمرکز آلاینده­های فلزی سنگین در حوضه آبریز رودخانه های تالار، تجن، نکارود»- بیست و یکمین گردهمایی علوم زمین شناسی سازمان زمین شناسی کشور، 1384، ایران.
17. صداقت، محمود، »زمین و منابع آب (آب‎های زیرزمینی) »، انتشارات دانشگاه پیام نور، 1388، 287 ص.
18. Piper, A.M., 1944. A graphic procedure in the geochemical interpretation of water analysis. Trans. American Geophysical Union. 25 (6): 914-928.
19. Noori, R., Abdoli, M.A., Jalili Ghazizade, M., Samieifard, R., 2009. Comparison of Neural Network and Principal Component-Regression Analysis to Predict the Solid Waste Generation in Tehran. Iran Journal Public Health, Vol. 38, Iss. 1, pp. 74-84.
20. Noori, R., Khakpour, A., Omidvar, B., Farokhnia, A., 2010. Comparison of ANN and Principal Component Analysis-Multivariate Linear Regression Models for Predicting the River Flow Based on Developed Discrepancy Ratio Statistic. Expert Systems with Applications, Vol. 37, Iss. 8, pp. 5856-62.
21. Saavedra, J., Cordova, A., Galvez, L., Quezada, C., Navarro, R., 2013. Principal component analysis as an exploration tool for kinetic modeling of food quality: a case study of a dried apple cluster snack. Journal of Food Engineering, Vol. 119, pp. 229-235.
22. Manly, B.F.J., 1986. Multivariate Statistical Methods: A Primer. 3rd ed. London: Chapman & Hall.
23. Noori, R., Karbassi, A., Kahkpour, A., Shahbazbegian, M., Mohammadi, H., Vesali-Naseh, M., 2012. Chemometric Analysis of Surface Water Quality Data: Case Study of the Gorganrud River Basin, Iran. Environ Model Assess, Vol. 17, pp. 411–420
24. زارع گاریزی، آ، بردی شیخ، ا، سعدالدین، ا، سلیمان ماهینی، ع، »ارزیابی کیفیت شیمیایی آب‎های سطحی و بررسی تغییرات فصلی آن»، همایش ملی مدیریت بحران آب، اسفند 1388، دانشگاه آزاد اسلامی واحد مرودشت، ایران.
25. موسوی، ر. س، میر گلوی بیات، ر، معروفی، ص، زارع ابیانه، ح، »ارزیابی کیفیت آب و تیپ هیدروشیمیایی رودخانه‎های نکا، تجن و سفیدرود از نظر شرب و کشاورزی»، همایش ملی بحران آب در کشاورزی و منابع طبیعی، آبان 1388، ایران.