دانلود مقاله ارزیابی کیفیت آب زیرزمینی بر اساس انتروپی وزندار شاخص کیفیت آب

بخشی از مقاله

مقدمه

در دهههای گذشته با افزایش جمعیت و گسترش صنایع، تقاضای استفاده از منابع آبی سطحی و زیرزمینی بسیار زیاد شده است. سلامت و بهداشت زندگی انسان در ارتباط نزدیک با کیفیت آب زیرزمینی به عنوان مهمترین منبع تأمین آب مصرفی در بسیاری از نقاط دنیا می باشد. کیفیت آب زیرزمینی به دلیل عوامل مختلفی همچون ورود فاضلاب شهری، روستایی و صنعتی، ورود کودهای شیمیایی، نشت از مخازن و خطوط انتقال نفت، محلهای دفن زباله در معرض کاهش و تخریب قرار میگیرد. با افزایش شهرنشینی و توسعه شهرها شاهد افزایش برداشت از منابع آب زیرزمینی و دفع نامناسب زبالههای تولیدی از این مناطق و همچنین افزایش تولید واحدهای صنعتی به منظور تأمین کالاها و مواد مورد نیاز بوده و همین امر موجب تولید و نشت آلودگی از این مناطق به میزان فراوان میشود.

امروزه روشهای گوناگونی برای ارزیابی کیفیت آب مورد استفاده قرار امروزه روشهای گوناگونی برای ارزیابی کیفیت آب مورد استفاده قرار میگیرد که از آن جمله میتوان به روشهای فازی، درجه عضویت، تحلیل عاملی، مدلسازی خاکستری و پردازش سلسه مراتبی تحلیلی اشاره کرد. با این وجود، این روش ها قابلیت توصیف دقیق مواد آلوده کننده آب را ندارند و نمیتوان توضیح داد که پارامترهای انتخابی جهت ارزیابی کیفیت آب زیرزمینی در منطقه مورد نظر

مناسب هستند یا خیر .( Jian-Hua 2011,et al)

روش شاخص کیفی آب (WQI) مکانیسمی است که در آن برای سطح مشخص کیفیت آب زیرزمینی از یک بیان عددی استفاده میکند. امروزه این روش با توجه به قابلیت بالای آن در بیان و توصیف کامل اطلاعات کیفی آب و همچنین بکارگیری پارامترهای مهم و تأثیرگذار در ارزیابی و مدیریت کیفیت آب زیرزمینی در بسیاری از نقاط جهان مورد توجه و استفاده قرار میگیرد ( Simoes et al, .(2008 در این زمینه مطالعات متعددی صورت گرفته که در ادامه به ذکر برخی از آن ها پرداخته شده است. پراواسیسواران و همکاران با بررسی کیفیت آب زیرزمینی منطقه Hosur در چندین نقطه و بهرهگیری از 14 پارامتر هیدروشیمیایی به تحلیل کیفیت آب زیرزمینی پرداخته و تعیین کردند که نمونههای مورد بررسی قابلیت استفاده مستقیم برای مصارف شرب را ندارد .(perajankar et al,2008)

در مطالعهای که راجانکار و همکاران در آن به تحلیل کیفیت آب زیرزمینی Maharashtra هند در 22 نقطه و در دو فصل تر و خشک پرداختند، نتایج بررسیها براساس شاخص کیفی آب (WQI) تغییرات محسوس کیفیت آب زیرزمینی را نشان داد .(perajankar et al,2008) رضا و سینگ با ارزیابی وضعیت کیفیت آب زیرزمینی منطقه Orissa پرداخته و اعلام کردند که بر اساس WQI ، آب زیرزمینی این ناحیه تأثیرپذیری زیادی از غلظت املاح محلول (فلوئور، نیترات، کلسیم و منیزیم) دارد .(Reza and Singh, 2010) در مطالعه ای که

31

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته

ایشاکو در سال 2011 به منظور ارزیابی کیفیت آب زیرزمینی منطقه Jimeta-Yola در شمال شرق نیجریه انجام داد، شاخص WQI نشان داد که در فصل خشک نسبت به فصل تر دارای مقدار شاخص کمتری است و این نشان از کیفیت بهتر منابع آبی دارد .(Ishaku, 2011)

علیرغم استفاده گسترده از شاخص کیفیت آب (WQI)، در طی محاسبات WQIوزن هر پارامتر معمولاً بصورت تجربی و توسط کارشناس تعیین میشود و به این طریق بسیاری از اطلاعات ارزشمند کیفیت آب زیرزمینی بدون استفاده قرار میگیرد. در این مطالعه از رابطه بهینه شده WQI که در آن از وزن انتروپی استفاده شده است (IWQI) بهره گرفته شده است. در همین زمینه نیز میتوان به مطالعات متعددی اشاره کرد. در مطالعهای که پی یو و همکاران در منطقه Pengyang در شمال غربی چین انجام دادند، ارزیابی کیفیت آب زیرزمینی با استفاده از انتروپی وزندار شاخص کیفیت آب (EWQI) نتایجی قابل اعتماد و مناسبی در اختیار قرار داد ( .( Pei-Yue et al,2010 جیان هوا و همکاران با استفاده از EWQI به تحلیل وضعیت کیفیت آب زیرزمینی منطقه Jingyan در شمال غربی چین پرداختند و نشان دادند که نمونههای مورد بررسی دارای کیفیت مناسبی برای شرب می باشند .(jian- hua et al, 2011)

مواد و روشها

در این مطالعه از 59 نمونه آب زیرزمینی تهیه شده از دشت زنجان در سال 1388 برای تحلیلهای کیفی استفاده شده است. نمونههای مورد نظر از نقاط مختلف دشت و مناطقی همچون چاههای عمیق کشاورزی و شرب، چاههای کم عمق روستایی، چاههای موجود در اماکن صنعتی و تفریحی و چاههای حفر شده در نزدیکی منابع آلودگی مانند تخلیه فاضلاب شهری و روستایی تهیه شد. در این مطالعه از 12 پارامتر کیفی جهت ارزیابی وضعیت کیفیت آب زیرزمینی برای مصرف شرب استفاده شد که شامل کلسیم((Ca، سدیم((Na، پتاسیم((K، منیزیم((Mg، نیترات((NO3، کروم((Cr، روی((Zn، هدایت الکتریکی((EC، کل مواد جامد محلول((TDS، اسیدیته((pH، اکسیژن محلول((DO و میزان اکسیژن بیوشیمیایی مورد نیاز (BOD) میباشد.

در مرحله نخست مطالعه، استفاده از تحلیل عاملی، تحلیل خصوصیات آماری پارامترهای هیدروشیمیایی و همچنین بررسی موقعیت زمینشناسی منطقه نمونه برداری میتواند بدرستی سهم هر یک از پارامترها را در تغییرات کیفی نمونههای تهیه شده نشان دهد.

پس از بررسیهای مقدماتی، با بهرهگیری از روش بهبود یافته شاخص کیفیت آب زیرزمینی با استفاده از انتروپی وزن دار IWQI) یا (EWQI به تحلیل کیفیت آب زیرزمینی در دشت زنجان پرداخته شده است.

مفهوم انتروپی نخستین بار در سال 1948 توسط شانون ارائه شد و برای بیان عدم قطعیت یک رخداد تصادفی یا مقدار بار اطلاعاتی یک پارامتر مورد استفاده قرار میگیرد ( .( Guey-Shin et al,2011

انتروپی شانون میزان عدم قطعیت دادههای پیش بینی شده از یک رخداد احتمالی را نشان میدهد. از نظر ریاضیاتی، رابطهای عکس بین میزان دادهها و احتمال رخداد یک امر وجود دارد. اگر رخداد یک امر به صورت دقیق پیش بینی شود میزان احتمال آن بالا خواهد بود و بالعکس، انتروپی شانون کوچک خواهد بود. بنابراین، اطلاعات و عدم قطعیت به عنوان دو مولفه که اطلاعات بدست آمده را

×بهار 92، شماره 7

تشریح میکنند به صورت اندازهگیری غیر مستقیم از مقدار عدم قطعیت کاهش یافته بدست میآیند.

امروزه رشتههای مختلف اکولوژی، هیدرولوژی و کیفیت منابع آب از تئوری انتروپی استفاده میکنند Kawachi et al,2001) ،;2001Ozkul et al

.(Ulanowicz, 2001;2000 انتروپی شانون به صورت زیر قابل تعریف است: فرض کنید تعداد n داده ممکن به صورت X x 1, x 2 ,..., x n  با احتمالات p(x1) ، p(x2) و p(xn)... در دسترس باشد. فرض اساسی انتروپی بر میزان داده ها استوار است، H(X)، که یک مقدار واقعی غیر صفر، جمعپذیر و یک تابع پیوسته با احتمال p است. بنابراین، انتروپی H(X) به صورت زیر تعریف میشود:

n
H (X )  pi . log 2 pi
i 1

که pi میزان احتمال xi میباشد ( .( Guey-Shin et al,2011

همانطور که پیش از این ذکر شد، در این مطالعه از اندیس بهینه شده WQI برای ارزیابی منابع آبی در این دشت استفاده شد. برای محاسبه EWQI باید سه مرحله را دنبال کرد. در مرحله نخست باید وزن انتروپی هر پارامتر را محاسبه کرد.

مراحل محاسبه انتروپی، وزن انتروپی و EWQI به صورت زیر میباشد:

اگر فرض کنیم m نمونه آب (i=1,2,..,m) و از هر نمونه نیز n پارامتر (M 1'2'…'Q) برای ارزیابی کیفی مورد استفاده قرار میگیرد، براساس دادههای مشاهداتی ماتریس مقادیر ویژه X به صورت زیر خواهد بود:

. x 1n  x 12 x11
 . x x x  X 
2n  22 21 

.  . . . 
 x m 2 
(2) . x mn  xm1

در ادامه باید آماده سازی دادهها را به منظور کاهش تأثیر ایجاد شده توسط اختلاف واحد پارامترهای کیفی مختلف و همچنین اختلاف کیفیت نمونهها انجام داد. بر اساس خصوصیات هر شاخص میتوان میتوان 4 نوع و حالت را از هم تفکیک کرد که شامل نوع کارایی ، نوع هزینهای، نوع ثابت شده و نوع بازهای میباشد. برای نوع کارایی، تابع نرمال سازی به صورت زیر خواهد بود:

ij )min ij  ( x x  y ij
(3) (x ij )max  (x ij ) min

و این در حال است که برای نوع هزینهای، تابع نرمالسازی دادهها به صورت رابطه زیر است:
ij ij )max  x ( x  y ij
(4) (x ij )max  (x ij ) min

پس از نرمالسازی دادههای خام، ماتریس استاندارد دادهها به صورت زیر خواهد بود:

32

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته

. y 1n  y 12 y11
 . y y y  Y 
2n  22 21 

.  . . . 
 y m 2 
(5) . y mn  ym1

در ادامه باید نسبت مقدار شاخص مربوط به پارامتر j در نمونه i را بر اساس معادله زیر محاسبه کرد:

m
(6) / y ij yij Pij
i 1

انتروپی اطلاعات نیز به صورت رابطه زیر بیان میشود:

m 1
PijlnPij e j 
(7) ln m
i 1

هر چه مقدار انتروپی کمتر باشد تأثیر پارامتر j بیشتر خواهد بود. پس از محاسبه میزان انتروپی باید وزن انتروپی ( j ) هر پارامتر((j را با استفاده از رابطه زیر بدست آورد:

1e j  j

n
(1ej)
(8) j 1

مرحله دوم محاسبه میزان EWQI، تعیین معیار رتبهبندی کیفی((qj برای هر پارامتر می باشد که این مقدار نیز با استفاده از رابطه زیر محاسبه میشود:

×بهار 92، شماره 7

100 j C  q j

(9) j S

که در این رابطه، Cj غلظت هر پارامتر شیمیایی در هر نمونه به mg/l و Sj غلظت همان پارامتر بر اساس استاندارد مشخص (در این مطالعه، سازمان بهداشت جهانی ((WHO) برای مصرف شرب به mg/l میباشد. در این رابطه اگر پارامتر j در آب موجود نباشد، qj برابر صفر خواهد بود. همچنین، اگر مقدار این پارامتر برابر مقدار مجاز باشد، qj برابر100 خواهد بود.باید توجه کرد که میزان تغییرات pH کوچک بوده و همین نیز موجب میشود مقدار معیار رتبه بندی کیفی برای این پارامتر بسیار کوچک باشد. بر طبق استاندارد WHO میزان تغییرات مجاز pH بین 6/5 تا 9/2 میباشد بنابراین برای محاسبه معیار رتبهبندی کیفی pH از رابطه زیر استفاده میشود:

100 SI C pH  q pH
(10) SI S pH

که در این رابطه qpH معیار رتبه بندی کیفی pH، CpH مقدار pH مشاهداتی، SpH بیشترین مقدار pH مجاز (بر اساس WHO برابر (9/2 و SI نیز مقدار ایدهآل pH میباشد.

مرحله پایانی در محاسبه EWQI ضرب مقدار وزن انتروپی و معیار رتبهبندی کیفی هر پارامتر در هم و جمع تمامی این مقادیر با هم می باشد یعنی ( Jian-Hua :( et al, 2011

n
EW QI  j q j
(11) j 1

بر اساس EWQI میتوان آب زیرزمینی را از نظر کیفیت شرب در 5 رده بسیار خوب، خوب، متوسط، بد و بسیار بد قرار داد (جدول .( Pei-Yue et al,2010 )(1

جدول.1 رده بندی کیفی آب شرب بر اساس EWQI

EWQI رتبه کیفیت آب
کمتر از 50 1 بسیار خوب
50 تا 100 2 خوب
100 تا 150 3 متوسط
150 تا 200 4 بد
بیشتر از 200 5 بسیار بد

33

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته

منطقه مورد مطالعه

محدوده مورد مطالعه (شکل(1 بخشی از دشت زنجان و در محدوده طول جغرافیایی 48o00' تا 48o 30' و عرض جغرافیایی 36o 30' تا 37o 00' میباشد.

شکل.1 زمین شناسی منطقه مورد مطالعه و موقعیت نمونههای ارزیابی شده

این منطقه دارای میانگین بارندگی 323 میلیمتر در سال بوده و دارای حداکثر دمای مطلق 40 و حداقل -29/6 درجه سانتیگراد میباشد. در این دشت رودخانه زنجانرود از جنوب شرقی دشت به سمت شمال غرب در جریان است و نهایتاً به قزل اوزن متصل میشود. دشت زنجان به صورت فلات مرتفعی است که کوههای طارم را از رشته کوههای طویل و باریک سلطانیه جدا میکند. در این ناحیه رسوبات تبخیری از جنس مارن و رس سیلتی گچدار قهوهای و زرد همراه با لایههای ماسهای مربوط به دوره پلیوسن و به ضخامت 200 متر قابل رویت است. رسوبات عهد حاضر به شکل پادگانههای آبرفتی متشکل از گراول، ماسه و رس با تراکم پایین در سطح دشت و در امتداد زنجانرود گسترش یافته است. بر اساس مطالعات ژئوفیزیکی حداکثر ضخامت آبرفت در این دشت بیش از 150 متر میباشد. سنگ کف در قسمت شمالغربی عمدتاً از جنس کنگلومرا و آندزیت بوده و در بخش مرکزی و نواحی شرقی از رسوبات دانه ریز سیلتی و رسی و در حاشیه دشت از جنس سازندهای اطراف است (کوهستان نجفی و همکاران، .(1379 نقشه زمینشناسی و موقعیت نمونههای مورد بررسی در(شکل(1 نمایش داده شده است.

34

×بهار 92، شماره 7

بحث و نتیجهگیری

پیش از محاسبه مقدار EWQI برای هر نمونه، ابتدا به بررسی آماری پارامترهای مورد نظر پرداخته شده است. در (جدول (2 خصوصیات آماری 59 نمونه استفاده شده به همراه استاندارد WHO برای آب شرب ارائه شده است.

جدول .2 خلاصه آماری به همراه استاندارد WHO برای هر پارامتر

کمینه بیشینه میانگین انحراف معیار WHO(1998)
Ca 1/16 907/05 91/78 118/68 75
Na 0/02 218/12 61/98 63/72 200
K 0/5 32/43 6/33 7/25 200
Mg 3/53 145/26 28/68 30/82 50
NO3 9 148 53/11 32/92 40 تا 70
Cr 0 124 2/27 16/12 0/05
Zn 0/89 4/11 2/51 0/91 3
EC 207 2970 812/67 532/19 500
TDS 156 1952 473/98 328/52 500
pH 7/01 8/75 7/70 0/33 6/5 تا 9/2
DO 0/2 10/2 5/64 1/68 5
BOD 0 70 7/1 13/93 2

همانطوری که از (جدول (2 مشخص است، مقدار میانگین Ca، Cr، EC، DO و BOD بالاتر از مقدار مجاز استاندارد WHO برای آب شرب می باشد. که با توجه به ساختارهای زمین شناسی و قابلیت انحلال رسوبات کربناته میتوان چنین انتظاری داشت که غلظت این یون در آب زیرزمینی افزایش یابد. افزایش مقدار EC و دارا بودن میانگین بالاتر از استاندارد WHO میتواند ناشی از رسوبات تبخیری فراوانی باشد که در سطح دشت و در عمقهای مختلف آبرفتهای این منطقه رویت می شود. بالا بودن مقدار فلز سنگین کروم نیز با توجه به فعالیت واحدهای صنعتی در این ناحیه میتواند قابل توجیه باشد. با توجه به اینکه نمونههای مورد بررسی در این مطالعه از مناطق شهری و روستایی و همچنین نزدیک بسیاری از واحدهای صنعتی و کشاورزی تهیه شدهاند، افزایش و یا به تعبیری دیگر نوسانات زیاد پارامترهای کیفی همچون DO و BOD را میتوان انتظار داشت. در همین رابطه نیز قرارگیری میانگین pH و NO3 در محدوده مجاز تعیین شده توسط استاندارد WHO و همچنین قرارگیری میانگین سایر پارامترها کمتر از مقدار مجاز میتواند این امکان را فراهم آورد که بیش از نیمی از نمونههای مورد نظر را در رده کیفی مناسب قرار گیرد.