بررسی کیفیت آب‌های زیرزمینی با استفاده از شاخص کیفیت آب‏های زیر زمینی GQI)و (GISدر دشت جغتای ، شمال شرق ایران

فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 35، زمستان 94

بررسی کیفیت آب­های زیرزمینی با استفاده از شاخص کیفیت آب‏های زیر زمینی          GQI)و (GISدر دشت جغتای ، شمال شرق ایران

حجت اله جغتایی[1]

رحیم دبیری[2]^*

r.dabiri@mshdiau.ac.ir

محمد الیاس مسلم پور[3]

مجید اطاری[4]

رضا شریفیان عطار[5]

چکیده

ارزیابی کیفیت آب و شناسایی عوامل آلاینده و نقاط آلوده در مناطقی که از منابع آب های زیرزمینی برای مصارف شرب استفاده می‏شود بسیار با اهمیت است. در این مقاله  به بررسی کیفیت آب‏های زیر زمینی در دشت جغتای با استفاده از شاخص  GQI می پردازیم.   شاخص GQI ابزار مناسبی برای تبدیل داده‏های کیفی متفاوت به داده‏های ساده و قابل فهم  می باشد. بدین منظور غلظت آنیون‏ها و کاتیون‏های اصلی آب شامل Na+, K+, Mg+2,Ca+2,So4-2, Cl- و  میزان TDSمورد بررسی قرار گرفت. بر اساس میزان پارامترهای   اندازه گیری شده، نقشه پهنه بندی کیفیت آب‏های زیرزمینی منطقه جغتای تهیه و شاخص کیفیت آب‏های زیرزمینی(GQI) در محیط GIS تعیین گردید. مقدار شاخصGQI در منطقه مورد مطالعه بین 3/81 تا1/88  تغییر کرده و در محدوده قابل قبول واقع می‏شود. بررسی‏های شاخص GQI  نشان می‏دهد که کیفیت آب در بخش‏های شمالی دشت جغتای با توجه به طی مسافت و عبور از سازندهای مختلف دارای کیفیت پایین‏تری می باشد.

کلمات کلیدی: کیفیت آب، شاخص GQI، نمودار شولر، دشت جغتای.

مقدمه

یکی از عوامل مهم در پایداری توسعه یک منطقه، فراهم بودن منابع آب کافی و مناسب برای مصارف مختلف می‏باشد که علاوه بر کمیت، وضع کیفی آن نیز از اهمیت ویژه‏ای برخوردار است. امروزه خصوصیات کیفی آب از مولفه‏هایی است که ضرورت لحاظ آن در برنامه‏ریزی‏های   مربوط به مدیریت منابع آب و همچنین ارزیابی سلامت حوضه‏های آبخیز و ایجاد تغییرات مدیریتی در آن کاملا احساس شده، لیکن این مهم کم‏تر مورد توجه قرار گرفته است (1و2). عوامل طبیعی و انسانی در هر منطقه سبب تغییرات فیزیکی، شیمیایی، میکروبی و بیولوژیکی در کیفیت منابع آب می‏شود. بنابراین علم کیفیت آب به عنوان یک موضوع مهم برای مهندسین و دانشمندان برای سال‏های آتی               باقی خواهد ماند (3). محققان زیادی در این راستا و در مناطق مختلف کیفیت آب را مورد ارزیابی قرار داده‏اند بعضی با بررسی خواص فیزیکوشیمیایی آب و میزان آنیون‏ها و کاتیون‏ها،    بعضی با بررسی میزان عناصر سنگین و تعدادی ویژگی‏های میکروبی آب را مورد بررسی قرار داده‏اند (4، 5 ، 6).     روش‏های مختلفی برای بررسی ویژگی‏های فیزیکی، شیمیایی، میکروبی و بیولوژیکی آب ارایه شده است . در این میان شاخص کیفیت آب زیر زمینی  (GQI) از طرف Babiker  و همکاران برای بررسی کیفیت آبخوانNasuno در کشور ژاپن             به کار گرفته شد (7) . در این شاخص با استفاده از           سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS)، چندین متغیر موثر در کیفیت آب زیرزمینی (Na+, K+, Mg+2,Ca+2,So4-2,  (Cl-, HCO3- با یکدیگر تلفیق می شوند و امکان پهنه‏بندی و تهیه نقشه کیفیت آب زیرزمینی خواهد بود. در این مقاله سعی می‏شود با بررسی خصوصیات فیزیکوشیمیایی آب و   میزان آنیون‏ها و کاتیون‏های اصلی آب، و مقایسه آن‏ها با استاندارد سازمان بهداشت جهانی، کیفیت آب منطقه   بررسی شده و نقشه پهنه بندی کیفیت آب برای منطقه مورد مطالعه ترسیم گردد.

زمین شناسی منطقه مورد مطالعه بخشی از زون افیولیتی سبزوار و در محدوده ای به مختصات 36o 34'  تا36o43' شمالی و  57o00' تا 57o05' شرقی واقع است (شکل1). افیولیت های سبزوار، بخشی از نوار افیولیتی حلقوی،        احاطه کننده میکروپلیت ایران مرکزی ( افیولیت های درونی) هستند (8). سنگ‏های موجود در منطقه را می‏توان به دو گروه افیولیتی و غیرافیولیتی تقسیم بندی کرد. سری افیولیتی بیش‏تر شامل هارزبورژیت ، دونیت های سرپانتینی شده ، گابرو و دیاباز می باشند. واحدهای غیر افیولیتی شامل برخی سنگ‏های آتشفشانی _ رسوبی با ترکیب آندزیتی _ داسیتی   با سن ترشیری، و سنگ‏های اسیدی از جنس کنگلومرا و توف و واحدهای کربناته با سن کرتاسه فوقانی می باشد (9).         این منطقه شامل تعداد زیادى از کانسارهاى کرومیت لایه‏اى، عدسی و مدادى شکل با ابعاد متفاوت در سنگ‏هاى فوق بازی سرپانتینى شده (بیشتر هارزبورگیت سرپانتینى شده) مى‏باشند(10).

شکل1- نقشه ساده شده زمین شناسی منطقه مورد مطالعه برگرفته از نقشه 1:100000جغتای به همراه نقاط نمونه برداری

مواد و روش ها

به منظور ارزیابی خواص فیزیکو شیمیایی آب، تعداد 6 نمونه آب از منابع آب منطقه مورد مطالعه            در اردیبهشت ماه 1393 نمونه برداری گردید. پارامترهایی از قبیل دما، هدایت الکتریکی و اسیدیته آب در محل نمونه برداری اندازه گیری گردید. نمونه آب  توسط ظروف پلی اتیلن 250 میلی لیتری برداشت گردید که pH آن‏ها توسط اسید نیتریک به کم‏تر از 2 رسانده شد. جهت آنالیز عناصر سنگین(به روش ICP_OES) و آنالیز آنیون‏ها و کاتیون‏های اصلی به روش‏های تیتراسیون و طیف سنجی

نمونه‏ها، به آزمایشگاه مرکز تحقیقات فرآوری مواد معدنی کرج ارسال شد.

در نهایت نتایج به دست آمده توسط نرم افزارهای Excel 2010, وAquachem  مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.

برای تعیین کیفیت آب به روش GQI و تهیه نقشه پهنه‏بندی کیفیت، از پارامترهای شیمیایی کلسیم، منیزیم، سدیم، کلر، سولفات و مقدار کل مواد جامد محلول   استفاده می­گردد. همچنین عناصر فوق را با استاندارد سازمان بهداشت جهانی مورد مقایسه قرار گرفت. نقشه‏های رستری و پهنه‏بندی منطقه نیز با استفاده از روش درون­یابی در محیط GIS ، تهیه گردید .

جدول1- تعدادی از خواص فیزیکو شیمیایی، و میزان آنیون ها وکاتیون ها در نمونه های آب

بحث و نتیجه­گیری

بررسی پارامترهای فیزیکی نمونه‏های آب ( جدول1) بیان‏گر آن است که این نمونه ها به لحاظ pH  در محدوده 9/7 تا8/8  قرار می‏گیرند. میزان مواد محلول درنمونه‏های      برداشت شده از 374 تا 709  میلی‏گرم بر لیتر  متغیر می باشد که به لحاظ استاندارد سازمان بهداشت جهانی در محدوده مجاز ( به جز نمونه W2 ( می باشند. بیش‏ترین میزان TDS مربوط به نمونه W2 می باشد. گمان می رود بالا بودن مقادیر         مواد محلول در این نمونه ناشی از وجود واحدهای آهکی        در مجاورت واحد‏های افیولیتی در آن ناحیه باشد. بر اساس اندازه‏گیری، میزان سختی کل (TH)  نمونه ها در محدوده 186 تا 416 میلی گرم بر لیتر کربنات کلسیم هستند. میزان هدایت الکتریکی (EC) نیز در نمونه ها از 496 تا 1031 میکروزیمنس بر سانتی متر در تغییر است. با اندازه گیری مقادیر EC که رابطه مستقیمی با مقدار مجموع نمک‏های محلول در آب دارد می توان به طور نسبی آلودگی معدنی    

(غیر آلی) آب را مشخص ساخت. مقادیر EC بالا معمولا          به شوری بالا و محتوای کانیایی محل برداشت نمونه نسبت داده می شود (11). نمونه W2 شاهد خوبی برای این مطلب است چرا که این نمونه هم از نظر EC,TDS و شوری بالاترین مقدار را در بین نمونه‏ها داراست. گمان می‏رود واحدهای آهکی    باعث بالا رفتن میزان این پارامتر در نمونه مذکور شده‏اند.   میزان قلیاییت در نمونه‏ها از 108 تا 1182 میلی گرم بر لیتر در تغییر است. در نمونه W3 هرچند میزان قلیاییت آب بالاتر از سایر نمونه‏‏هاست، اما با توجه به مقادیر مجاز سختی و pH آّب، کیفیت آب مناسب می باشد.

با اندازه گیری متغیرهای فیزیکوشیمیایی (PH,EC,TDS,TH، دما ، شوری) و غلظت کاتیون ها و آنیون‏های اصلی آب، می‏توان گونه چیره عنصر آلاینده مورد نظر محلول در آب و کیفیت آب از نظر آشامیدن و آبیاری را تعیین نمود (4). برای این منظور از نمودار شولر استفاده شده است( شکل2). طبق نمودار شولر(شکل2- ب) نمونه‏ها به لحاظ برخی آنیون‏ها و کاتیون‏ها با استاندارد WHO  مقایسه شده‏اند. این مقایسه نشان می‏دهد، کیفیت نمونه‏های آب از نظر آنیون‏ها و کاتیون‏های مورد بررسی در حد مطلوب می‏باشد. نمونه W1 که از نزدیکی معدن کرومیت روستای گفت برداشت گردیده است، از نظر یون منیزیم تا حدی بالاتر است. مقادیر بالای منیزیم در این نمونه را می توان به اثیر سنگ‏های اولترامافیکی و معدن‏کاری منتسب دانست.

شکل2- کیفیت نمونه‏های آب( دیاگرام شولر)

به‏منظور تعیین کیفیت آب از شاخص GQI و   نقشه پهنه‏بندی آن استفاده می‏گردد. برای تهیه نقشه پهنه‏بندی، بایستی در محیط GIS نقاط           نمونه‏برداری مشخص گردد. سپس داده‏های پارامترهای کلسیم، منیزیم، سدیم، کلر، سولفات و مقدار کل         مواد جامد محلول وارد محیط GIS می‏گردد. حال        داده‏های نقطه‏ای میانگین ریاضی شش پارامتر شیمیایی مذکور  در محیط GIS ، توسط ابزار IDW درون‏یابی کرده و نقشه‏های رستری آن تهیه می‏گردد. برای آن‏که نقشه‏های فوق دارای معیار مشترک شوند با استفاده از رابطه زیر غلظت هر پیکسل با استاندارد WHO ارتباط می‏دهیم.

با انجام این کار، شش نقشه جدید با ارزش پیکسل بین 1 و 1- تهیه می‏گردد. برای آن‏که ارزش پیکسل‏ها بین 1 تا 10 طبقه‏بندی گردد با استفاده از رابطه زیر در محیط GIS نقشه‏های رتبه‏بندی جدیدی تهیه می‏گردد (7).

                       
در نقشه‏های جدید عدد 1بیان‏گر کیفیت خوب و به سمت عدد 10 از کیفیت کاسته می‏شود. برای تعیین کلی کیفیت آب، از طریق رابطه زیر ، نقشه پهنه بندی GQI ترسیم می‏گردد.

در رابطه فوق r رتبه هر پیکسل و w وزن نسبی هر یک از پارامترها می‏باشد. برای محاسبه GQI از پارامترهای مختلف میانگین وزنی گرفته می‏شود (12).  وزن نسبی هر پارامتر از رابطه زیر بدست می‏آید.

بر اساس نقشه‏های پهنه‏بندی برای هر یک از متغیرهای کلسیم، منیزیم، سدیم، کلر، سولفات و      مقدار کل مواد جامد محلول( شکل3) می‏توان گفت که میزان آنیون‏های سولفات و کلر و کاتیون سدیم در آب‏های قسمت‏های شمالی منطقه مورد مطالعه بیش‏تر است و میزان کاتیون‏های کلسیم و منیزیم در آب های قسمت‏های جنوبی بیش‏تر است. بیش‏ترین میزان منیزیم مربوط به نمونه آب برداشت شده از نزدیکی معدن کرومیت گفت است و بیش‏ترین میزان کلسیم مربوط به نمونه‏ای است که واحدهای آهکی و افیولیتی در محل برداشت آن قرار دارند. بیش‏ترین میزان مواد محلول آب نیز مربوط به همین ناحیه می‏باشد.

بر اساس محاسبات انجام شده، مقدار شاخص کیفی GQI در منطقه مورد مطالعه برای نمونه‏ها  از81 تا 89 متغیر بوده است. با توجه به جدول کیفیت آب بر اساس  GQI (جدول 2)، آب‏های زیرزمینی منطقه مورد مطالعه از نظر استانداردهای آب آشامیدنی در رده کیفیت قابل قبول         قرار می‏گیرند. نقشه پهنه‏بندی کیفیت آب منطقه             مورد مطالعه (شکل4) نشان می‎دهد که کیفیت آب         در قسمت‏های جنوبی مورد مطالعه بالاتر می‏باشد          در تحقیقات اخیر جغتایی و همکاران، با بررسی آلودگی آب از نظر فلزات سنگین نیز مشخص گردید که هر چه     به قسمت‏های شمالی منطقه  مورد مطالعه  نزدیک می‏شویم این آلودگی بیش‏تر می‏شود. که این مطلب       با توجه به وجود شیب منطقه ( از جنوب به شمال) تایید می‏گردد (13).

شکل3- نقشهپهنه بندیمتغیرهای کلسیم،منیزیم، سدیم،کلر،سولفات و مقدارکلموادجامدمحلول

جدول 2- کیفیت آب بر اساس GQI  برگرفته از (7) Bibaker et al, 2007

شکل4- نقشه پهنه بندی کیفیت آب برا اساس شاخص  GQI

با مقایسه با استاندارد WHO کیفیت نمونه‏های آب از نظر همه آنیون‏ها و کاتیون‏های اصلی مطابق نمودار شولر، مطلوب می‏باشد. نمونه‏های نزدیک به معدن از لحاظ منیزیم غنی شدگی و نمونه‏های نزدیک به واحدهای آهکی، میزان کلسیم بالاتری دارند. با محاسبه        شاخص کیفیت آب‏های زیرزمینی (GQI) مشخص می‏گردد که نمونه‏های برداشت شده آب در محدوده قابل‏قبول قرار می‏گیرند. همچنین با بررسی نقشه پهنه‏بندی این شاخص می‏توان گفت که کیفیت   نمونه‏های آب بخش‏های جنوبی منطقه، کیفیت بالاتری دارند.

منابع

1. Khadam, I.M., Kaluarachchi, J.J., Water quality modeling under hydrologic variability and parameteruncertainty using erosion-scaled export coefficients. Journal of Hydrology, 2006, 330: 354-367.

2. Osborne, L.L., Wiley, M.J., Empirical relationships between land use/cover and stream water qualityin an agricultural watershed. Journal of Environmental Management, 1988, 2: 9-27.

3. آورند ، ر. علیپور، ش. نصراصفهانی، م.ج.، بررسی کیفیت آب رودخانه کارون در تصفیه خانه شماره 2 اهواز، اولین همایش بهره برداری بهینه از منابع آب استان لرستان، شهریوز 1387.

4. یعقوب پور، ع، رحیم سوری، ی، وشهریاری،م،1388، ژئوشیمی زیست محیطی محدوده معدنی آغ دره- تکاب، یافتن منشا عناصر آلاینده آرسنیک، آنتیموان و جیوه و بررسی تاثیر فعالیت معدن کاری و صنایع معدنی در ایجاد آلودگی منابع آب،رسوبات و خاک منطقه. گزارش نهایی طرح پژوهشی، سازمان حفاظت محیط زیست.

5. زارع گاریزی،آ، شیخ،ا، سعدالدین،ا،و سلمان،ع،1388، ارزیابی کیفیت شیمیایی آب های سطحی و بررسی تغییرات فصلی آن، همایش ملی مدیریت بحران آب، دانشگاه آزاد اسلامی واحد مرودشت، اسفند1388.

6. سلیمانی،س،رمحمودی،م، قاسم زاده،ف و سیاره،ع،1391، بررسی تغییرات کیفی منابع آب باختر کوهسرخ با استفاده از شاخصGQI در محیط GIS،فصلنامه علوم زمین، سال بیست و سوم، شماره89، صفحه175تا182.

7. Babiker, I. S., Mohamed, M. A. A., Hiyama, T. (2007) Assessing groundwater quality using GIS, Water Resources Management, 21,699–715.

8. درویش زاده ،ع. 1371،  زمین شناسی ایران ، انتشارات ندا.

9. وطن پور، ح.ر. خاکزاد، ا. قادری، م ،1388، کاربرد عناصر گروه پلاتین ( PGE ) در اکتشاف و ارزیابی اقتصادی درکانسارهای کرومیت کمربند افیولیتی سبزوار ، فصلنامه علمی علوم زمین شماره 71.

10. وطن پور، ح.ر.  آفتابی، ع ،1377، بررسی مهمترین انواع بافت و ساخت کانسارهای کرومیت منطقه گفت و فرومد سبزوار، فصلنامه علمی علوم زمین شماره 23-24.

11. Garg, V. K., Suthar, S., Singh, S., Sheoran, A., Meenakshi, G., & Jain, S., 2009- Drinking water quality in villages of southwestern Haryana, India: assessing human health risks associated with hydrochemistry, Environmental Geology, 58: 1329-1340.

12. Hiyama, T., 2010- Evaluation of groundwater vulnerability (and susta inability). 20th UNESCO. IHP training course.

13. جغتایی،ح، دبیری،ر و مسلم پور،م،1394، بررسی تاثیر واحدهای سنگی افیولیتی بر کیفیت منابع آب دشت جغتای،(شمالغرب سبزوار)، ششمین همایش ملی زمین شناسی محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اسلامشهر، اردیبهشت 1394.