تعیین منابع آلایندة شیمیایی آب زیرزمینی دشت جنوبی اراک به روش‌های شاخص آلودگی و هندسة فراکتال

دربارة ترکیب شیمیایی آب‌های زیرزمینی پژوهش‌های مختلفی صورت گرفته است؛ ازجمله مونجرزی و همکاران^[1]، 2011؛ قدیمی و قمی^[2]، 2012a و قدیمی و همکاران^[3]، 2015 این موضوع را بررسی کرده‌اند.

در بررسی‌های مختلف به اثبات رسیده سنگ‌های حوضة بالادست در ترکیب شیمیایی آب‌های زیرزمینی نقش اساسی داشته‌اند؛ ازجمله در بررسی‌های تانجانگ و همکاران^[4]، 2019؛ پان و همکاران^[5]، 2017 و وانگ و همکاران^[6]، 2013.

همچنین ارزیابی استاندارد آب‌های زیرزمینی در مقایسه با آب شرب، موضوع پژوهش بسیاری از پژوهشگران و سازمان‌ها بوده است؛ مانند ترابیان و شهاوی^[7]، 2017 و استاندارد بین‌المللی آب^[8]، 2017.

پژوهش‌های مختلفی نیز درزمینة ارزیابی شاخص‌های آلودگی صورت گرفته است؛ جلالی^[9]، 2009؛ قدیمی، 2015؛ نصرآبادی^[10]، 2015؛ رضا و سینق^[11]، 2010 و هاکنسون^[12]، 1980 این مسئله را ارزیابی کرده‌اند.

ازجمله پژوهش‌های فراکتالی دربارة مرزهای آلودگی، پژوهش‌های داتا و همکاران^[13]، 2016؛ قدیمی و همکاران، 2015؛ کومار و دوآ^[14]، 2009 و پیونته و همکاران^[15]، 2001 است.

روش‌شناسی پژوهش

نمونه‌برداری و تجزیة شیمیایی

تعداد 47 حلقه چاه آب شرب از دشت اراک انتخاب (شکل 1) و از هر چاه 250 میلی‌لیتر آب در ظرف‌های پلی‌اتیلن گردآوری و به آزمایشگاه شرکت آب و فاضلاب شهری استان مرکزی برای تجزیة شیمیایی انتقال داده شد. برای همة نمونه‌ها، هدایت الکتریکی (EC) در صحرا اندازه‌گیری و به کمک دستگاهWTW Universal Conductivity Meter Multi Line P₄ set تعیین شد. سپس غلظت ترکیباتی چون Ca، Mg، K، Na، Cl، SO₄، F، NO₃ و PO₄ به روش کروماتوگرافی، HCO₃ به روش تیتراسیون و عناصر سنگین از قبیل Cu، Zn، As، Ni، Co و Pb به روش اسپکتروفتومتر جذب اتمی (Perkin–Elmer Analyst 700) مشخص شد.

شاخص‌های سنجش کمی و کیفی آلودگی آب

درجة آلودگی (C_d): شاخص درجة آلودگی^[16] آثار ترکیبی چند متغیر را بر کیفیت آب شرب نشان می‌دهد (Backman et al., 1997: 55). این شاخص با توجه به روابط 1 و 2 محاسبه می‌شود.

در این روابط ، و  به ترتیب مؤلفه‌های آلودگی، غلظت عنصر و مقدار استاندارد غلظت عنصر را بیان می‌دارد. درجة کمی و کیفی شاخص آلودگی؛ شامل: C_d< 1 کم، C_d=1-3 متوسط وC_d> 3 زیاد (Nasrabadi, 2015: 385).

شاخص آلودگی فلزات سنگین (HPI): شاخص فلزات سنگین^[17] برای امتیاز مجموع فلزات سنگین در آب استفاده می‌شود. در محاسبة HPI، محاسبة وزن‌های مؤلفة iام و کیفیت هریک از فلزات سنگین براساس شاخص هاکنسون Zn= 1، Pb= Cu= Ni= 5، As= 10 است (Hakanson, 1980: 975). کیفیت هر فلز با استفاده از رابطة 3 امتیازدهی می‌شود. در این رابطه، Q_i زیرشاخص‌های مؤلفة iام، W_i ارزش مؤلفه‌ها، M_i غلظت هر فلز و S_i حد مجاز مؤلفه‌ها یا میزان استاندارد آن عنصر را بیان می‌کند (Reza & singh, 2010: 785).

درنهایت شاخص آلودگی فلزات سنگین با استفاده از رابطة 4 محاسبه می‌شود. بر این اساس، رتبة هر نمونه آب ازنظر کیفی عبارت است از: 120> رتبة کم، 120-240 رتبة متوسط و 240< رتبة زیاد.

شاخص کیفیت آب (WQI): شاخص کیفیت آب^[18] با استفاده از رابطة 5 محاسبه می‌شود که در آن W، ضریب وزنی است و q_n نیز از رابطة 6 به دست می‌آید.

V_actual مقادیر اندازه‌گیری‌شدة کیفیت آب، V_ideal مقدار ایده‌آل مؤلفه‌های کیفی (در 7 PH= برابر صفر) و V_standard مقدار استاندارد مؤلفه‌های کیفی است که برای آب غیرقابل شرب 91-100، برای آب بسیار بد 71-90، برای آب بد 51-70، برای آب خوب 26-50 و برای آب عالی 0-25 است (Kumar & Dua, 2009: 49).

روش فراکتال

در برداشت‌های هیدروژئوشیمیایی، توزیع فراوانی داده‌ها به علت چولگی زیاد بیشتر لوگ نرمال است و مقادیر بزرگ تابع، توزیع آلودگی‌ها را تشکیل می‌دهد. این مقادیر که از بقیة مقادیر امکان تفکیک دارد، مناطق دارای آلودگی هیدروژئوشیمیایی را مشخص می‌کند. روش‌های آماری متفاوتی برای جداسازی آلودگی از مقادیر طبیعی وجود دارد؛ اما روش‌های فراکتالی به‌مثابة روش‌هایی کارآمد برای جدایش دقیق مرزهای آلودگی بسیار مناسب است (Datta et al., 2016: 2435). یکی از کاربردهای عمدة هندسة فراکتال در تخمین حد آستانه و درنتیجه جداسازی جامعة آلوده از زمینه براساس اختلاف بعد فراکتال آنهاست. الگوریتم‌های مختلفی برای محاسبة بعد فراکتال الگوهای هیدروژئوشیمیایی وجود دارد و الگوریتم غلظت- مساحت، متداول‌ترین آنهاست. در روش غلظت- مساحت، رابطة بین خطوط هم‌غلظت و مساحت از رابطة 7 به دست می‌آید.

در آن (µ≥X_o) Aمساحت تجمعی محصورشده با خطوط هم‌غلظتی است که غلظت آنها بزرگ‌تر و مساوی Xاست و حد آستانه‌ای در نمودار تمام‌لگاریتمی غلظت- مساحت به دست می‌آید.
a مؤلفة مرتبط با بعد خط هم‌غلظت است. چنانچه.A(ρ) مساحت مقادیر غلظت بزرگ‌تر از ρ در یک نقشة منحنی میزان از داده‌های خاص باشد، بنابراین A(ρ) باید یک توزیع افزایشی از ρ باشد. اگر ϑ نمایندة مقادیر آستانه‌ای باشد، روابط 8 و 9 بر داده‌ها حاکم است.

چنانچه نمودار ( ) درمقابل) r در مختصات تمام‌لگاریتمی) خطی باشد، داده‌ها متعلق به یک جامعه و توزیع فراکتالی ساده خواهد بود. در صورتی که نمودار از چند بخش خطوط مستقیم تشکیل شده باشد، توزیع مولتی‌فراکتالی است و نقاط شکست بین بخش‌های خطوط راست، حد آستانه‌ای هستند که جوامع را جدا می‌کنند (Ghadimi et al., 2015: 77).

پلیگون‌های تیسن

پلیگون‌های تیسن با عنوان پلیگون‌های دیریکلت^[19] یا ورونی^[20] در اصل نوعی طبقه‌بندی فضایی نقشه براساس اختصاص هر نقطه به نزدیک‌ترین نقطة داده‌ای است. چنانچه نقاط داده‌ای در سلول‌های با فاصلة منظم قرار داشته باشند، پلیگون‌های حاصل نیز منظم خواهند بود و بالعکس. پلیگون‌های تیسن غالباً برای تبدیل سریع داده‌های نقطه‌ای به ناحیه‌ای در سامانة اطلاعات جغرافیایی استفاده می‌شوند. مزیت مهم پلیگون‌های تیسن، سادگی و آسانی تبدیل داده‌های کیفی مانند کاربری به نقشة ناحیه‌ای است (Mohamed & AlmasPoor, 2003: 125). با توجه به روش انتخابی غلظت - مساحت برای انجام فراکتال، نمودار تیسن داده‌های چاه‌های آب دشت جنوبی اراک به شرح شکل (1) است.

شکل 1. پلیگون‌های تیسن بر داده‌های چاههای آب دشت جنوبی اراک

موقعیت محدودة پژوهش

منطقة پژوهش در استان مرکزی و شهر اراک با جمعیتی بیش از 400000 نفر شاغل در صنعت، با ارتفاع متوسط 1900 متر، بارندگی سالیانة 280 میلی‌متر، درجه‌حرارت متوسط 18 سانتی‌گراد در اقلیم نیمه‌خشک واقع شده است. آبخوان اراک متشکل از رسوبات ریز تا متوسط‌دانه و با سن پلیئستوسن به‌صورت فروافتادگی بین کوه‌های آشتیان در شمال و کوه‌های اراک در جنوب و بر پی‌سنگ آهکی کرتاسه قرار گرفته است (شکل 2). سنگ‌های ارتفاعات تغذیه‌کنندة دشت جنوبی اراک شامل شیل و ماسه‌سنگ ژوراسیک، اسلیت‌های آهکی، سنگ‌های آهکی و دولومیتی کرتاسه است. آبخوان جنوبی اراک با دو دشت امان‌آباد و دشت اراک با دو رودخانة امان‌آباد و قره‌کهریز تغذیه می‌شود (جوادی شریف، 1396: 47). تالاب میقان در شمال آبرفت جنوبی اراک با مساحت 110 کیلومترمربع آب شور دارد. روی دشت جنوبی اراک چاه‌های زیادی به عمق
70 تا 150 متر حفر شده است که برای تأمین آب شرب و کشاورزی استفاده می‌شوند. اراک به‌منزلة چهارمین قطب صنعت کشور شهرک‌های صنعتی متفاوتی دارد که یکی از این شهرک‌های صنعتی در آبرفت جنوبی اراک واقع شده است.

شکل 2. موقعیت جغرافیایی چاه‌ها و زمین‌شناسی آبخوان اراک

یافته‌های پژوهش

ترکیب شیمیایی آب

جدول (1)، خلاصة آمار و مقدار استاندارد هریک از ترکیبات شیمیایی را با توجه به استاندارد ایران (Torabian & shahavi 2017: 3) و استاندارد WHO (WHO, 2017: 631) برای آب شرب نشان می‌دهد. استاندارد غلظت ترکیبات شیمیایی در ایران تقریباً مشابه با استاندارد WHO است. میانگین غلظت ترکیباتی چون F، Ni، Cu، Zn، As، Pb، Na، Ca، Mg، PO₄، HCO₃، SO₄ و Cl از حد استاندارد شرب کمتر است. ضمناً برای ترکیباتی چون Co و K، استانداردی تعریف نشده است. همچنین استاندارد بعضی ترکیبات در ایران (Ni) و بعضی در WHO (HCO₃) تعریف شده است. بررسی غلظت حداکثر بعضی ترکیبات ازجمله NO₃، Na، Ca، Mg، PO₄، HCO₃، SO₄ و Cl حاکی از زیادبودن نسبت به استاندارد ایران و استاندارد WHO است. غلظت NO₃ در 26 درصد، Na در 5 درصد، Ca در 3 درصد،
Mg در 18 درصد، PO₄ در 7 درصد، HCO₃ در
31 درصد، SO₄ در 5 درصد و Cl در 9 درصد از نمونه‌ها بیش از استاندارد آب شرب ایران است. لازم به توضیح است همة منابع آبی ازنظر فلزات سنگین (Ni، Cu، Zn، As، Pb) در حد استاندارد ایران هستند.

بررسی تیپ آب به روش نمودار پایپر نشان داد
52 درصد از آب‌ها تیپ Ca-HCO₃، 26 درصد تیپ Ca-Cl، 2 درصد تیپ Na-HCO₃ و 20 درصد تیپ Na-Cl دارند (شکل 3). همچنین بیشتر آب‌ها براساس نمودار شولر در وضعیت خوب تا قابل قبول قرار دارند (شکل 4). لازم به توضیح است تیپ آب‌های شرب کلسیم و بی‌کربنات (Ca-HCO₃) غالب در دشت جنوبی اراک از ارتفاعات آهکی کرتاسه در جنوب اراک سرچشمه گرفته است (شکل 1)؛ (Ghadimi & Ghomi, 2012a: 14). تیپ Na-Cl مربوط به آب‌هایی بوده که منشأ آنها، آب شور ناشی از تالاب میقان است که در شمال دشت اراک و دشت امان‌آباد قرار دارد (شکل 1). تیپ Ca-Cl مربوط به چاه‌هایی است که در منطقة مخلوط آب شیرین و آب شور قرار دارد (Ghadimi & Ghomi, 2012a: 14).

جدول 1. غلظت ترکیبات شیمیایی منابع آب زیرزمینی دشت جنوبی اراک

شکل 3. نمودار پایپر به‌منظور تعیین تیپ آب برای چاه‌های دشت جنوبی اراک

شکل 4. نمودار شولر به‌منظور تعیین وضعیت شرب‌بودن آب برای چاه‌های دشت جنوبی اراک

شاخص‌های آلودگی آب‌ها

شاخص درجة آلودگی (C_d): شاخص درجة آلودگی در 22درصد از چاههای منطقه (چاه‌های 1، 19، 20، 22، 23، 25، 27، 29، 35 و 46) متوسط است و بقیة چاه‌ها (78درصد) در ردة کم قرار دارند. با توجه به شکل 5 الف چاه‌هایی که در محدودة دشت اراک واقع شده‌اند، عمدتاً درجة آلودگی کم، اما بیشتر چاه‌های دشت امان‌آباد در جنوب شرق اراک درجة آلودگی متوسط دارند. شاخص آلودگی فلزات سنگین (HPI) اثر فلزات سنگین را بر سلامت انسان نشان می‌دهد. میزان شاخص آلودگی با استفاده از عناصر Pb، Zn، Cu، Ni و As نشان داد 30 درصد از چاه‌های منطقه در کلاس کم (چاه‌های 2، 6، 9، 11، 28، 30، 31، 33، 37، 38، 39، 40، 43 و 46) و
70 درصد در کلاس متوسط قرار دارند (شکل 5 ب). شاخص کیفی WQI آب با توجه به غلظت NO3، Cl، Na، Ca، Mg، SO₄ و میزان مواد جامد محلول در آب (TDS) نشان داد 4 درصد نمونه‌ها شاخص کیفی عالی، 59 درصد خوب، 33 درصد بد و 4 درصد بسیار بد هستند. آب با کیفیت عالی در درة بالادست آبرفت دشت اراک و چاه‌های با کیفیت خوب در آبرفت اراک و آبرفت امان‌آباد واقع شده‌اند (شکل 5 ج). این بررسی نشان داد بیشتر چاه‌های با کیفیت عالی و خوب، کم‌عمق (کمتر از 100 متر) و چاه‌های با کیفیت بد از نوع عمیق (عمق بیش از 100 متر) هستند. لازم به توضیح است وجود لایه‌های شور در عمق بیش از 100 متر کیفیت بد آب چاه‌های مدنظر را فراهم کرده است (Ghadimi et al., 2016: 100).

شکل 5. شاخص‌های آلودگی آب داده‌های چاه‌های آب دشت جنوبی اراک

الف- شاخص درجة آلودگی، ب- شاخص آلودگی فلزات سنگین و ج- شاخص کیفیت آب

تعیین آستانة آلودگی‌ها

برای تعیین آستانة آلودگی (مرز طبیعی و آلودگی ترکیبات شیمیایی) از نقطة شکست روش فراکتالی استفاده شد (شکل 6).با توجه به شکل (6) بدیهی است نخستین نقطة شکست خط، آستانة آلودگی و حد زمینه و آلودگی را چه ازنظر طبیعی و چه ازنظر انسانی نشان می‌دهد. آلودگی‌های طبیعی ناشی از وجود سنگ‌های منشا، غلظت عناصر شیمیایی را افزایش می‌دهد. از سویی، خطوط مختلف شکستگی درجة آلودگی از کم، متوسط تا زیاد را بیان می‌دارد (شکل 6 و جدول 2)؛ (جوادی شریف، 1396: 47).

ترکیباتی نظیر Ca، Mg و HCO₃حاکی از وجود سنگ‌های آهکی و دولومیتی است (Ghadimi et al., 2016: 100). لازم به توضیح است بخش جنوبی دشت اراک را آهک‌های کرتاسه تشکیل می‌دهند که از جنس اسلیت آهکی، آهک مارنی و دولومیت‌اند (Ghadimi & Ghomi, 2012a: 14; 2012b: 203). به همین ترتیب، آلودگی زیاد ترکیباتی چون F، Na، K، SO₄و Cl به لایه‌های شوری برمی‌گردد که از تالاب میقان اراک حاصل شده‌اند (Ghadimi & Ghomi, 2012a: 14). زیادبودن ترکیباتی چون عناصر سنگین (Co، Ni، Cu، Zn، Pb و As) و همچنین NO₃ ناشی از فعالیت‌های انسانی است (Ghadimi et al., 2016: 100).

نتایج آلودگی‌های حاصل در دو منطقة جنوب شرقی شهر اراک و دشت امان‌آباد امکان بررسی دارد. بیشترین تراکم از مساحت آلودگی‌ها در جنوب شرقی شهر اراک مربوط به ترکیبات Pb، Cl، Cu، Mg، Ca، Na، Zn، SO₄و K است (اشکال 7 تا 10)؛ در حالی که آلودگی ترکیباتی چون Co، F، HCO₃، NO₃،Ni و PO4، خاص شمال شرق شهر اراک است. به بیانی غلظت ترکیباتی چون F، NO₃، Ni، Co و HCO₃ عمدتاً در چاه‌های بخش غربی منطقه (دشت اراک) زیاد است (Ghadimi et al., 2016: 100). ترکیباتی چون Cl، SO₄، Ca، Na و Mg روند مشابهی دارد و بیشترین غلظت آنها مربوط به چاه‌های نیمة جنوب شرقی منطقه (دشت امان‌آباد) است. بررسی توزیع فلزات سنگین نشان داد روند عناصری چون Cu، Zn، As و Pb مشابه و عمدتاً محدود به چاه‌های بخش جنوبی دشت اراک و چاه‌های دشت امان‌آباد است (شکل 8). از آنجایی که دفن زبالة شهر اراک در بالادست دشت امان‌آباد و شهرک صنعتی اراک و همچنین فاضلاب شهر اراک در بالادست دشت اراک انجام می‌شود، بنابراین فلزات سنگین از کانون‌های آلودگی نام‌برده‌اند (Ghadimi, 2015: 77). عناصری چون Co و Ni عمدتاً در چاه‌های نیمه‌شمالی دشت اراک تمرکز خاصی ندارند.

جدول 2. حد زمینه و آلودگی ترکیبات مختلف شیمیایی براساس هندسة فراکتال (جوادی شریف، 1396: 47)

شکل 6. نمونة نمودار تمام لگاریتمی غلظت - مساحت فراکتالی Cu

شکل 7. نقشة آلودگیحاصل از مدل غلظت - مساحت فراکتالی ترکیباتی چون F، NO₃، Ni و Co

شکل 8. نقشة آلودگیحاصل از مدل غلظت- مساحت فراکتالی ترکیباتی چون Zn، Cu، As و Pb

شکل 9. نقشة آلودگی حاصل از مدل غلظت - مساحت فراکتالی ترکیباتی چون K، Na، Ca و Mg

شکل 10. نقشة آلودگی حاصل از مدل غلظت - مساحت فراکتالی ترکیباتی چون HCO₃، PO₄، Cl و SO₄

برای ارزیابی تأثیر انواع ترکیبات شیمیایی، نمودار خوشه‌ای نشان داد (شکل 11) در خوشة الف مربوط به دشت امان‌آباد، مهم‌ترین ترکیبات شیمیایی Cl، SO₄، Na و هدایت الکتریکی است که میانگین غلظت Cl، SO₄، Na به ترتیب 251، 142 و 126 میلی‌گرم در لیتر و در دشت اراک (خوشة ب) 57، 63 و 42 میلی‌گرم در لیتر است. همچنین مقدار هدایت الکتریکی در دشت امان‌آباد 1290 و در دشت اراک 704 میکروزایمنس بر سانتی‌متر است. از سویی، مقدار HCO₃ در دشت اراک (226 میلی‌گرم در لیتر) بیشتر از دشت امان‌آباد است (150 میلی‌گرم در لیتر)؛ بنابراین چاه‌های دشت اراک که 60 درصد (28 حلقه) چاه‌ها را تشکیل می‌دهند نسبت به چاه‌های دشت امان‌آباد کیفیت بهتری دارند.

شکل 11. نمودار خوشه‌ای چاه‌های اراک در دو دشت اراک و امان‌آباد

نمودار Cl در مقابل Na نشان می‌دهد چاه‌های دشت امان‌آباد (خوشة الف) به دلیل نفوذ آب شور عمدتاً در اطراف خط 1:1 هستند و همچنین به سمت Cl کشیده شده‌اند (شکل 12). پراکندگی چاه‌های آب دشت اراک به سمت منطقة هوازدگی حاکی از اهمیت HCO₃ درنتیجة هوازدگی کانی‌های کربناته است (Ghadimi & Ghomi, 2012b: 203). به علاوه هوازدگی کانی‌های کربناته سبب شده است آب‌های دشت اراک از تیپ Ca–HCO₃ باشند.

در نمودار Na-HCO₃ در مقابل Na-Ca بیشتر نمونه‌های دشت امان‌آباد در محدودة هوازدگی و دو نمونه در محدودة انحلال کانی‌های تبخیری قرار دارند (شکل 13). در دشت اراک بیشتر نمونه‌ها در محدودة هوازدگی ازجمله کربنات‌ها قرار دارند. نمودارهای گیبس با توجه به اثر متقابل مواد جامد کل (TDS) و Na-K-Ca برای ارتباط ترکیب شیمیایی با ویژگی‌های سنگ‌شناختی آبخوان، محدوده‌هایی از قبیل رسوب‌گذاری، تبخیر و هوازدگی را نشان می‌دهد (Gibbs, 1970: 1088).

در چاه‌های دشت امان‌آباد، بعضی نمونه‌ها در منطقة تبخیر و بعضی دیگر در منطقة هوازدگی قرار می‌گیرند (شکل 14)؛ بنابراین علاوه بر فرایندهای هوازدگی شیمیایی، نفوذ آب از خاک‌های زیرسطحی نیز فرایندهای هیدروژئوشیمیایی را در منطقه کنترل می‌کنند (Jalali, 2009: 1479). نمودار گیبس برای نمونه‌های دشت اراک حاکی از وجود فرایند هیدروژئوشیمیایی هوازدگی است.

شکل 12. نمودار Na-Cl، تعیین‌کنندة ترکیبات شیمیایی غالب

شکل 13. نمودار HCO₃/Na در مقابل Ca/Na، تعیین‌کنندة ترکیبات شیمیایی غالب

شکل 14. نمودار TDS در مقابل Na+K/Na+k+Ca (نمودار گیبس)