بخشی از مقاله
بررسی عوامل مؤثر بر هیدروژئوشیمی آبخوان زاهدان با استفاده از روشهاي تحلیل عاملی، نمایههاي اشباع و نمودارهاي ترکیبی
چکیده
آبخوان زاهدان در شمال حوضه آبریز زاهدان قرار دارد. بررسی کیفی منابع آب زیرزمینی این آبخوان به دلیل تأمین بخشی از آب شرب، کشاورزي و صنعتی این شهر ضروري است. بهمنظور اجراي برنامه پایش منابع آب زیرزمینی و بررسی فرآیندهاي کنترلکننده و تعین منشأ کاتیونها و آنیون هـاي آب زیرزمینی این آبخوان، از 26 حلقه چاه بهرهبرداري نمونهبرداري شد. سدیم، کلر و سولفات به ترتیب کاتیون و آنیونهاي غالب بوده و تیپ آب سدیم -کلروره و سدیم -سولفاته تیپ هاي غالب آب زیرزمینی این آبخوان هستند. تحلیل عاملی نتایج نمونهها نشان میدهد که دو عامـل اصـلی طبیعـی و انسانی در مهرماه به ترتیب 65/25و 18/5 درصد و در بهمنماه به ترتیب 58/82 و 15/56 درصدتغییرات کیفی آب زیرزمینی را کنترل میکند. عامل اول که مرتبط با فرآیندهاي طبیعی تبادل یونی و انحلال اسـت، بـا یـونهـايCa2+ ،Mg2+،Na+،-Cl،K+ و-SO42 ارتبـاط داشـته و عامـل دوم کـه بـا یون هاي-No3 و Ca2+ ارتباط دارد، به فعالیت انسانی بستگی دارد. در نمونههاي مهرماه شاخصهاي اشباع کانیهاي کلسیت، ژیپس و دولومیت حالت تحت اشباع داشته و در بهمنماه شاخصهاي کلسیت و دولومیت به ترتیب در بیش از 60 و 90 درصد نمونهها حالت اشباع داشته ولی شاخص ژیپس در تمامی نمونه ها حالت تحت اشباع دارد. اشباع نبودن آب زیرزمینی آبخوان زاهدان نشاندهنده کافی نبودن زمان ماندگاري آب در آبخوان براي انحـلال کانیها میباشد. با توجه به عدم احداث شبکه جمعآوري فاضلاب در شهر زاهدان و دفع پساب توسط چاههاي جذبی یونهاي SO4-2 و No3- در بیش از 70 درصد نمونههاي آبزیرزمینی منشأ غیرطبیعی (نفوذ فاضلاب) دارند.
واژههاي کلیدي: هیدروژئوشیمی، آبخوان زاهدان، تحلیل عاملی، نمودارهاي ترکیبی، نمایههاي اشباع
مقدمه
عوامل متعددي ازجمله زمین شناسی، فرآیند هوازدگی (شیمیایی)، شرایط هیدروژئولوژیکی، اختلاط آب هـا، شـرایط جـوي و تبخیـر در فراوانی و غلظت یون ها در منابع آب (سـطحی و زیرسـطحی) مـؤثر هستند .(19) با استفاده از تجزیه و تحلیل غلظت آنیونها و کاتیونها، نمودارهاي ترکیبی، مدلهاي کیفی، نمایههاي اشباع مختلف و فاکتور عاملی 4 که نوعی روش آمـاري چنـدمتغیره اسـت، مـیتـوان عوامـل کنترلکننده کیفیت آبهاي زیرزمینی را شناسایی کرد.
روش تحلیل عاملی براي بررسی پدیدههاي زیستمحیطی بهطور وسیعی مورد استفاده قرار گرفتـه اسـت .(30) اسـتفاده از ایـن روش، گروهبندي نمونههاي آب در گروههاي مستقل بر اساس خصوصـیات شیمیایی آنها را ممکن میسازد ( .(25 بررسی تحقیقـات انجـامشـده نشان میدهد که این روش براي مطالعه و دسـتهبنـدي فرآینـدهاي هیدروژئوشیمیایی بهطور موفقیتآمیزي مورد استفاده قرار گرفته است.
کلوتیر و همکاران (28) روش تحلیل عاملی را براي بررسی روند تکامل هیدروژئوشیمیایی آب هاي زیرزمینی آبخوان سازندي Bases-Laurextides در کبک کانادا با استفاده از دادههاي نمونـههـاي آب مورد استفاده قرار دادند. بلخاري و همکاران 25) و (26 با اسـتفاده از این روش خصوصیات هیدروژئوشـیمی آبخـوان AinAzel در شـمال الجزایر و روابط واکنشی بین آبهاي زیرزمینی و سنگهاي منطقه را بررسی کردند. چـن و همکـاران (27) روش تحلیـل عـاملی را بـراي ارزیابی فراوانی عناصر کمیاب آبهاي زیرزمینـی در منطقـه سـاحلی Shenzhen چین مورداستفاده قـرار داده و نشـان دادنـد کـه عناصـر W,MO,AS,Cr,V و U با شرایط اکسیداسیونی آب زیرزمینی منطقه ارتباط مثبت داشته و با استفاده از تحلیل عاملی مهمترین عامل مؤثر بر کیفیت آبخوان را اکسیداسیون تعیین کردند. محمـدي و همکـاران (21) با استفاده از روش تحلیل عاملی، هیدروژئوشیمی آبخوان ساحلی آبدان – دیر را بررسی نموده و سه فرآیند اصلی تبخیر، نفوذ آبهاي آهکـی و آبهـاي برگشــتی کشـاورزي را بـهعنــوان عوامـل اصــلی کنترلکننده کیفیت آبخوان معرفی کردند.
علاوه بر این روش تحلیل عاملی در دشتهاي سرچاهان توسـط غیومیان و همکاران (15)، قروه توسط زراعی و همکاران (8 ) و خوي توسط جلالی و اصغري مقدم ( 2)، معـدن گـل گهـر توسـط حسـینی سبزوار و همکاران ( (3 و منابع آب شهر گرگان توسط قره محمـدلو و همکاران ( (18 براي بررسی هیدروژئوشیمیایی مورد استفاده قرار گرفته و کـارایی خــود را بــهخــوبی نشـان داده اســت. رضــایی (6) عوامــل کنترل کننده شوري آبخوان آبرفتی دشـت منـد اسـتان بوشـهر را بـا استفاده از روش تحلیل عاملی و نمودارهاي ترکیبی مورد بررسی قرار داد و نتیجه گرفت که سه عامل انحلال کانیهاي سولفاته سازندهاي گروه فارس، انحلال هالیت گنبد نمکی شرق دشت، نفوذ آب دریـا و انحلال گازکربنیک در آب نفوذي آبخوان مهم تـرین عوامـل کنتـرل کیفیت بوده و سهم هر یک بـه ترتیـب 40، 28 و 15 درصـد اسـت. همچنین از نسبت هاي یونی و نمودارهـاي ترکیبـی مختلـف توسـط محمدزاده و همکاران 4)و (20، فاریابی و همکاران (17) و رضایی (7) براي شناخت فرآیندهاي هیدروژئوشیمیایی اسـتفاده شـده و کـارایی آنها براي تعیین منشأ عناصر و فرآیندهاي مؤثر بر آبخوان اثباتشده است. در این تحقیق نیز هیدروژئوشیمی آبخوان زاهدان بـا اسـتفاده از روش تحلیل عاملی، نسبتهاي یونی، نمودارهاي ترکیبی و نمایههاي اشباع با هدف تعیین عوامل مؤثر در کیفیت آبخوان مورد بررسی قرار گرفته است.
موقعیت و زمینشناسی منطقه مورد مطالعه
حوضه آبریز زاهدان با مساحت 2261کیلومترمربع در شرق ایـران و شمال استان سیستان و بلوچستان قـرار دارد .ایـن حوضـه اقلیمـی خشک داشته و متوسط بارندگی 48 ساله 45-1344) تـا (90-1389 آن بر اساس آمار ایستگاه سینوپتیک زاهدان حدود 78 میلیمتر اسـت و تابستان گرم و زمستان سرد و خشک دارد .(15)
از نظر زمینشناسـی ایـن محـدوده قسـمتی از واحـد تکتـونیکی نهبندان- خاش است که از سه واحد سنگی فلیشهاي قدیمی، تـوده گرانودیوریتی و فلیشها و آبرفتهاي جوان تشکیل شده است. دشت زاهدان فروافتادگی کوچک محصور بین ارتفاعات است که مسیلهاي زیارت و گوربند از غرب، حاجی آباد از جنوب غرب و کلات رزاق زاده از جنوب وارد آن شده و پس از پیمـودن دشـت از شـمال شـرقی آن خارج می شوند . متوسط ارتفاع دشت زاهدان حدود 1400 متر و شـیب عمومی دشت از سمت غرب و جنوب غرب به سمت شـرق و شـمال شرق است .(13)
آبخوان زاهدان با مسـاحت 133کیلومترمربـع در بخـش شـمالی دشت واقع شده و سنگ کف آنتوپوگرافی ناهمواري دارد. بررسی نقشهضخامت آبرفت آبخوان نشان می دهد که در دشـت تعـدادي گـودي پرشده توسط آبرفت وجود دارد. در مقاطع ژئوفیزیک گسلهـایی کـه سنگ کف را تحت تأثیر قرار داده باشند، شناسایی نشده اسـت .(10) مهم ترین این گودي ها در جنـوب غـرب شـهر قـرار دارد کـه بیشـتر چاه هاي آب شرب شهر زاهدان در آن حفر شده و یکی از ضخیمترین بخش هاي آبخوان با ضخامت حدود 70 متر است. بخشش مــــالی این گودي به ارتفاعات منفرد غرب شهر و شمال غرب آن به گـودي دورین که یکی از ورودي هاي آب سـطحی بـه آبخـوان اسـت خـتم می شود. ضخامت رسوبات در این بخش حـدود 50 متـر و در جنـوب شرقی دشت حدود 60 متر میباشد .(15)
سنگ کف آبخوان در شمال غرب از فلیشهاي قدیمی، در نواحی غربی و جنوب غربی از گرانیت و در جنوب، شرق و جنـوب شـرق از فلیشهاي جوان و رسوبات نئوژن تشکیل شده است . جهـت جریـان آب زیرزمینی در آبخوان از غرب به شرق و در مناطق جنوبی به سمت شمال بوده و درنهایت از شمال شرق آبخوان خارج می شود و کیفیت آب زیرزمینی از ارتفاعات غربی به سمت شرقشدیداً، کاهش مییابد
.(15)
بررسی وضعیت بهرهبرداري از منابع آب زیرزمینی آبخوان زاهدان نشان می دهد که بر اساس آخرین آماربرداري سالانه (1388) در این آبخوان 67/8 میلیون مترمکعب آبزیرزمینی برداشت میشود که سهم مصارف کشاورزي، شرب و صنعت به ترتیب8/22، 0/37و 0/8 میلیون مترمکعب است. لازم به ذکر است که سالانه 25 میلیـون مترمکعـب آب سطحی از چاه نیمه هاي زابل براي تأمین آب شرب شـهر منتقـل میشود.
در مطالعه صورت گرفته در سال 1380 توسط خزاعی و همکاران (30) از 41 حلقه چاه نمونهبرداري شده و اثرات فعالیـتهـاي انسـانی به ویژه دفع پساب توسط چاهـهاي جـذبی بـر کیفیـت آب زیرزمینـی بررسی شده است . در این بررسی مشخص شد که هـدایت الکتریکـی در برخی نقـاط آبخـوان در طـی 25سـال 1355 ) تـا (1380، 7500 میکرومهوس بر سانتی متر افزایش یافته و غلظت نیترات در چاهـهاي مرکز شهر به بیش از 240میلیگرم برلیتر رسیده است.
بررسی روند تغییرات نقشههاي هدایت الکتریکی، باقیمانده خشک (TDS) و کلر این آبخوان نشان می دهد که میزان هدایت الکتریکی، باقیمانده خشک و کلر در غرب آبخوان حداقل بوده و در جهت حرکت آب زیرزمینی به سمت شرقشدیداً افزایش مییابد بهطوريکه هدایت الکتریکی از 1500 به بیش از 13500 میکرومهـوس بـر سـانتیمتـر، باقیمانده خشک املاح محلول از650 تا بیش از 6000میلیگرم بر لیتر و غلظت کلر از 130 تا بیش از 2800میلی گرم بر لیتر میرسد. علـت کاهش شدید کیفیت آب زیرزمینی را میتوان وجود رسوبات تبخیري و کاهش دهنده کیفیت در رسوبات تشکیلدهنده آبخوان در نظر گرفت.(15)
مواد و روشها
بــهمنظــور انجــام پــایش کیفــی آبخــوان زاهــدان در مهرمــاه و بهمن ماه1391 از 26 حلقه چاه نمونـه بـرداري شـده و در آزمایشـگاه مهندسین مشاور خاك آزما نگین آنالیز شده است. موقعیـت چاهـهاي نمونه برداري در شکل 1 ارائه شـده اسـت ( .(14 پارامترهـاي هـدایت الکتریکی (EC)، درجه حـرارت (T) و PH در هنگـام نمونـهبـرداري اندازهگیري شد و سایر پارامترهاي کیفی با استفاده از روشهاي ذکـر شده در جدول1 ارائه شده است . محاسبه درصد خطاي موازنـه یـونی اختلاف کاتیون ها و آنیونها بر حسب میلیاکـیوالان گـرم بـر لیتـر نشان میدهد که خطاي انجـام آزمـایش در تمـام نمونـههـا در حـد استاندارد تعیین شده براي صحت دادهها است. لازم به ذکر است کـه بهجز نمونه چاه شماره 16 مربوط به نمونهبرداري بهمنماه که خطاي انجام آزمایش آن بین 5 تا 10 درصد است، خطـاي انجـام آزمـایش سایر نمونههاکمتر از 5 درصد است (جدول .(2
براي شناسایی عوامل حاکم بر تغییرات کیفیـت آب زیرزمینـی و روابط بین متغیرهـا از روش تحلیـل عـاملی، نمودارهـاي ترکیبـی و نمایههاي اشباع اسـتفاده شـده و بـراي ترسـیم نقشـه و نمودارهـاي ترکیبی، انجام تحلیل عاملی، محاسبه نمایههاي اشباع کـانی هـا بـه ترتیـــــب از نـــــرمافزارهـــــاي Arc GIS9.3، Excel 2007،SPSS13وPHREEQC-Ver.2.18 استفاده شده است.
نتایج و بحث
نتایج حاصل از آنالیز نمونه هاي برداشت شده آبخـوان زاهـدان و میانگین پارامترها در دو دوره مهرماه و بهمنماه در جدول 2 ارائه شده است 11) و .( 12 بررسی نتایج آنالیز نمونههاي دو مرحله نمونهبرداري نشان میدهدکه تقریباً تمامی نمونهها (بهجز نمونه مربوط به نیروگاه گاز) خیلی شور بوده، حداکثر، حداقل و میانگین هدایت الکتریکی آب زیرزمینــی در مهرمــاه 1359، 12620 و 6887 میکرومهــوس بــر سانتی متـر و در بهمـن مـاه2141، 12771 و 7026 میکرومهـوس بـر سانتی متر است. همچنین حداقل و حداکثر غلظـت باقیمانـده خشـک املاح محلول (TDS) در مهرماه 652 و 6890 میلیگرم بر لیتـر و در بهمنماه 982 و 7080میلیگرم بر لیتراست.
در هر دو دوره نمونه هاي آبزیرزمینی آبخوان از نظـر تیـپ در 3 گروه بی کربناته، سولفاته و کلروره قرار میگیرند. در جدول3 نوع تیپ و فراوانی آن ها ارائه شده است. تیـپ آب در ایـن آبخـوان در جهـت جریان آب زیرزمینی از کربناته سدیک در بخش غربـی بـه سـولفاته سدیک در بخش غربی و مرکزي و در نهایت کلروره سدیک در بخش شرقی تغییر میکند.
با توجه به نتایج آنالیز نمونههاي آب زیرزمینی (جدول (2، کاتیون غالب در هر دو دوره Na+ و آنیون غالب در نمونههاي مهرماه در 40 درصد نمونهها-Clو در 56 درصد SO42- و در نمونههاي بهمنماه در 64 درصد نمونههـا-Clو در 32 درصـد-SO42 اسـت. تیـپ غالـب آب زیرزمینی کلرور سدیک بوده ولی در بخش مهمـی از آبخـوان تیـپ سولفات سـدیک و در بخـش کـوچکی از آن تیـپ کربناتـه سـدیک گسترش دارد.
تحلیل عاملی
انجام تحلیل عاملی داراي سه مرحله تهیه ماتریس همبستگی از تمام متغیرها، استخراج عاملها و تفسیر نتایج است. با انجـام آزمـون 1KMO بر روي دادهها (جدول (4 می توان از مناسـب بـودن دادههـا براي انجام تحلیل عاملی اطمینان حاصل کرد . درصـورتی کـه مقـدار KMOکم تر از 0/5 باشد، دادهها براي تحلیل عاملی مناسب نبـوده و اگر مقدار آن بین 0/5 تا 0/69 باشد، می تـوان بـا احتیـاط از تحلیـل عاملی استفاده نمود و اگر بیش از 0/7 باشد، همبستگی موجـود بـین داده ها براي تحلیـل عـاملی مناسـب بـوده و تحلیـل عـاملی بـراي تجزیه وتحلیل دادهها قابل اسـتفاده اسـت .(9) بررسـی مقـدار KMO محاسبه شده براي داده هاي آبخوان زاهدان (جدول (5 نشان می دهد که این ضریب براي دادههاي مهر، بهمن و کل داده به ترتیب 0/69، 0/70 و 0/71 است، لذا از تحلیل عاملی براي تجزیـه و تحلیـل ایـن داده ها می توان استفاده نمود. آزمون بارتلت انجامشده نیز فرض یکـه بودن ماتریس ضرایب همبستگی دادهها را نشان میدهد. با رد فرض یکه بودن ماتریس، همبسته بودن دادهها تأیید شده و صحت دادههـا براي تحلیل عاملی نیز تأیید میشود.
با توجه به پیچیده بودن بررسی و شناخت عوامل مؤثر بر کیفیت آب هاي زیرزمینی دشت زاهدان، جهت تشـخیص سـهم هـر یـک از عوامل از روش تحلیل عاملی 4) و (23 استفاده و جـدول همبسـتگی متغیرها (کاتیونها و آنیونها، (TDS تهیه شده است. بررسی ماتریس همبستگی داده ها (جداول –6الـف و ب) کـه بـا اسـتفاده از ضـریب همبستگی پیرسون محاسبه شدهاند، نیز نشان میدهد کـه در هـر دو دوره بین یـون هـايCa2+، Mg2+،Na+، Cl،K+،SO4+ ،-No3 و TDS همبستگی بالایی وجود داشته و تحلیـل عـاملی را بـر اسـاس آنهـا میتوان انجام داد.
بررسی محاسبات تعیین عاملهاي مؤثر با استفاده از روش تعیین مقدار ویژه دادههاي آبخوان زاهدان (جدول (7 نشان میدهـد کـه در هر دو داده مهرماه و بهمنماه دو عامل اصلی مؤثر بر کیفیت آبخوان وجود دارد. تحلیل عاملی بر اساس دادههاي مهرماه آبخـوان زاهـدان نشان میدهد که 2 عامل اصلی، 83/3 درصد از تغییـرات کیفـی آب زیرزمینــی را کنتــرل مــیکننــد. عامــل اول کــه بــا یــونهــاي Ca2+Mg2+،Na+، Cl- ،K+، SO4+ ارتباط دارد، 65/25 درصد تغییرات کیفی آب زیرزمینی را کنترل کرده و به عوامل طبیعی (تبادل یـونی، انحلال کانیها و ...) بستگی دارد.
عامل دوم که با یـون No3- وCa2+ مـرتبط اسـت، حـدود 18/5 درصد تغییرات کیفی را کنترل کرده و با توجه به گسـترش شـهر در بخش اعظم آبخـوان (حـدود 70 کیلومترمربـع از سـطح آبخـوان در محـدوده شـهري قـرار دارد) و عـدم تکمیـل و بهـرهبـرداري شــبکه جمع آوري فاضلاب در آن، انتقال 25میلیون مترمکعب آب سطحی از چاه نیمههاي زابل براي شرب شهر و توسعه کم کشـاورزي بـر روي آبخوان (با مصرف سالانه 8 میلیون مترمکعب آبزیرزمینی براي آبیاري اراضی کشاورزي کهعمدتاً در بخش غربی دشت قرار دارند)، میتوان آن را ناشی از فعالیت انسانی دانست.
بررسی تحلیل عاملی انجام شده بر روي داده هاي بهمن ماه نشان میدهد که در این دوره نیز 2 عامل اصـلی، 74/37 درصـد تغییـرات کیفی آبخوان را کنترل مـی کننـد. عامـل اول کـه ماننـد عامـل اول اطلاعــات مهرمــاه بــا یــونهــايCa2+،Mg2+،Na+ ، Cl-،K+و-SO42 همبستگی بالایی دارد 58/82 درصد تغییرات کیفی آبخوان را کنترل میکند . عامل دوم نیز با یون هاي-No3 وCa2+ ارتباط داشته و حـدود 15/56 درصد تغییرات کیفی را در برمیگیرد و با فعالیت انسانی ارتباط دارد. با توجه به اینکه نمونههاي مهرماه در فصل خشک و نمونههاي بهمن ماه در فصل تر برداشته شدهاند، دلیل افزایش درصد عامل اول و کاهش درصد عامل دوم در بهمنماه نسبت به مهرماه را نفوذ آبهاي سطحی و رواناب در سطح حوضه و افزایش تغذیـه عمـودي و افقـی میتوان در نظر گرفت. در ادامه هریک از عوامل محیطـی و انسـانی مؤثر بر کیفیت آبخوان بهتفصیل مورد بررسی قرار گرفته است.
