نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• سعید چوپانی ¹
• پیمان رضائی ²
• محمدرضا غریب رضا ³

¹ دانشجوی دکتری رسوب شناسی و سنگ شناسی رسوبی، دانشکده علوم، دانشگاه هرمزگان

² دانشیار گروه زمین شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس، ایران

³ دانشیار،گروه تحقیقات مهندسی رودخانه و سواحل، پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران

چکیده

مقدمه
رودخانه­‌ها، سامانه­‌های بسیار تغییر­پذیر و یکی از مهمترین اکوسیستم­‌های آبی هستند که نقش مهمی در زندگی بشر و سایر موجودات زنده دارند و به سادگی تحت ­تاثیر آلودگی قرار می‌­گیرند. به­‌طور کلى، غلظت فلزات سنگین در رسوبات چندین برابر بدنه‌­هاى آبى است و فلزات سنگین در طى فرایندهاى طبیعى، تخریب و تجزیه نمی‌­شوند. بنابراین، فلزات سنگین می­‌توانند در رسوبات ذخیره شده و به مدت طولانى در آن باقى بمانند. به همین دلیل، رسوبات سطحى یکى از مخازن اصلى فلزات سنگین و سایر آلاینده­‌ها محسوب می­‌شوند. رودخانه کارون نیز از این آلودگی­‌ها مصون نمانده است و پساب­‌های بسیاری از صنایع فلزی، پتروشیمی و نفت، سلولزی و غذایی، فاضلاب­‌های خانگی، بیمارستانی و کشاورزی به این محیط آبی تخلیه می­‌شود. از سویی، این رودخانه تامین کننده آب برای این صنایع و منبع آب آشامیدنی برای شهرستان­‌هایی مانند اهواز، خرمشهر و آبادان است. ماهی­‌های این رودخانه بزرگ، یکی از منابع اصلی تغذیه مردم منطقه هستند که در نتیجه حضور آلاینده‌­ها به­‌خصوص عناصر بالقوه سمناک در کارون، می­‌تواند باعث آلودگی رسوب، آب و مواد غذایی شوند و چرخه حیات این رودخانه بزرگ را مورد آسیب قرار دهند. با توجه به گستردگی کمی و تنوع فعالیت‌­های انسانی در دشت خوزستان و ورود انواع پساب­‌ها و فاضلاب­‌ها به رودخانه کارون، بررسی آلودگی­‌ها، آلاینده­‌ها و سطوح مخاطرات ضرورتی اجتناب­‌ناپذیر است. لذا، این پژوهش با هدف تعیین میزان غنی­‌شدگی عناصر، تعیین خطر اکولوژیکی و مخاطره آمیز بودن آلودگی­‌ها در مقایسه با استانداردهای کیفیت رسوبات در رودخانه کارون در بازه ویس تا ابتدای شهر اهواز با استفاده از داده‌­های ژئوشیمیایی و تحلیل‌­های آماری انجام شده است.

مواد و روش‌­ها
به­‌منظور ارزیابی آلودگی رسوبات بستر رودخانه کارون، تعداد 22 نمونه با یک دستگاه شناور (قایق) از عمق صفر تا 10 سانتی­‌متری و بر مبنای روش­‌های رایج در زمین­‌شناسی رسوبی از رسوبات ریزدانه برداشت شد. سپس نمونه­‌ها در آزمایشگاه آب و خاک پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، برای آزمون دانه‌­بندی و تعیین غلظت عناصر فلزی سمی آماده­‌سازی شدند. در نهایت، به­‌منظور بررسی وضعیت آلودگی رسوبات، غلظت­‌های به‌دست آمده با مقادیر استاندارد شاخص کیفیت رسوب (ISQGs)، سطح اثر شدید (SEL)، سطح اثرات احتمالی (PEL) و مقادیر پایه جهانی مقایسه شد.

نتایج و بحث
بر اساس نتایج به‌دست آمده از دانه‌بندی، رسوبات بستر رودخانه در بیشتر ایستگاه‌‎ها دارای بافت دانه­ ریز و از نوع گل، ماسه گلی و گل ماسه‌_­ای و به‌طور میانگین، دارای 0.62 درصد ماده آلی هستند. نتایج سطح آلودگی نیز نشان داد که غلظت عناصر سمی آرسنیک (As)، نیکل (Ni) و کروم (Cr)، دارای مقادیری فراتر از مقادیر استاندارد ISQGs و PEL هستند. بر اساس مقایسه بین معیارهای کیفیت رسوب با استانداردها، رودخانه کارون در بازه مورد مطالعه دارای رسوباتی پاک از منظر عناصر Cd و Pb است. نتایج محاسبه عامل غنی­‌شدگی نشان داد که عنصر Zn، غنی‌­شدگی متوسط تا قابل توجه دارد. غنی­‌شدگی Cu، Ni و Cr در محدوده آلودگی متوسط قرار داشت. شبه فلز As، در محدوده غنی­‌شدگی کم تا متوسط و دو عنصر Cd و Pb، دارای غنی‌­شدگی کم هستند. میانگین غنی­‌شدگی عناصر به‌­ترتیب Zn>Ni>Cu>Cr>As>Pb>Cd است. بر اساس طبقه­‌بندی ژانگ و لیو، Cr، Ni، Zn، Cu و As، دارای منشا انسان‌­زاد و Pb و Cd منشا زمین­‌زاد دارند. در انتها، نتایج به‌دست آمده از شاخص خطر نشان داد که مقادیر شاخص خطر برای همه نمونه‌­ها در محدوده خطر کم (RI<150) قرار دارد. بررسی و تحلیل آماری بر روی نمونه‌­ها نشان داد که ارتباط معنی‌­دار مثبتی میانCr ، Ni، Cu و AS با رس وجود دارد. پس ذرات رس حامل اصلی عناصر Cr، Ni، Cu و As هستند. ضریب همبستگی بالا بین عناصر نشان از منبع مشترک، وابستگی متقابل و رفتار یکسان در طول حمل و نقل دارد.

نتیجه‌گیری
پژوهش حاضر منجر به شناخت کافی از وضعیت ژئوشیمیایی و هرگونه تغییر از شرایط طبیعی و آشکارسازی غنی‌شدگی موضعی و موضوعی سطح آلودگی­‌ها برای آبزیان و بهره­‌برداران به‌­ویژه حوزه کشاورزی و چرخه غذایی در رودخانه کارون در بازه ویس تا شهر اهواز شده است. نتایج عامل غنی­‌شدگی، آلودگی کم تا زیاد را برای عناصر انتخابی نشان دادند. مقادیر خطر بالقوه اکولوژیکی کلیه عناصر انتخابی به­‌جز As در نمونه 21، در محدوده خطر کم قرار دارند و AS در نمونه شماره 21 ( ساحل شرقی کیان پارس) در محدوده خطر متوسط قرار دارد. مقادیر شاخص خطر برای همه نمونه‌­ها در محدوده خطر کم قرار دارد. بر اساس مقایسه معیارهای کیفیت رسوب با استانداردها، رودخانه کارون دارای رسوباتی پاک از منظر عناصر Cd و Pb در بازه مورد مطالعه است. به‌طوری‌ که 100 درصد نمونه‌­ها غلظتی کمتر از ISQG دارند. میانگین غلظت شبه فلز سمی As، زیر کمینه سطح آلودگی ISQG است. Cr با 27 درصد و Ni با 100 درصد، دارای غلظتی فراتر از سطح آلودگی PEL و کلیه مقادیر به‌دست آمده برای عناصر Cr و Ni دارای غلظتی فراتر از غلظت کمینه سطح آلودگی ISQG است. بدین ترتیب، احتمال بروز مسمومیت برای آبزیان و بهره‌­برداری آب به‌وسیله عناصر سمی Ni و Cr وجود دارد. مقایسه غلظت عناصر با استاندارد­ها نشان داد که در ایستگاه­‌های شماره هفت (زیردست پرورش ماهی شیبان)، 21 (ساحل شرقی کیان پارس) و 10 (فاضلاب کورش)، عناصر Cr و Ni دارای غلظتی فراتر از سطح آلودگی PEL داشته و As  بیشتر از حداقل سطح ISQG بوده است و آلوده­‌ترین ایستگاه­‌ها در بازه مورد مطالعه هستند. به‌طوری ‌که در ایستگاه شماره هفت، حداکثر غنی­‌شدگی Cr و As هم اتفاق افتاده است. تحلیل خوشه‌­بندی عناصر نشان داد که مواد آلی حامل اصلی عنصر Cu و Zn و ذرات رس، حامل اصلی عناصر Ni و Cr هستند. همچنین، در مورد عناصر Cu و As نیز ذرات رس نقش اصلی را ایفا می­‌کنند. اما فلز سمی Pb، هیچ­گونه رابطه معنی‌داری با عناصر دیگر و همچنین مواد آلی و ذرات رس نشان نداده است. در نتیجه عنصر Pb دارای منشا متفاوتی نسبت به عناصر Cu، Zn، Cr، Ni و As است. نتایج تحلیل مولفه اصلی، ضمن تایید ضریب همبستگی و تحلیل‌ خوشه‌ای، در تایید عامل غنی‌­شدگی نشان داد که Cu، Zn، Cr، Ni و As منشا انسان­‌زاد دارند و عناصر Pb و Cd دارای منشا زمین­‌زاد هستند. این مطالعه سهم مهمی در تعیین منشا، آلودگی و خطر اکولوژیکی عناصر بالقوه سمناک دارد و می‌­تواند در شناخت منابع آلاینده و کنترل آلاینده‌­ها کمک کند.

کلیدواژه‌ها

• تحلیل مولفه اصلی
• خوشه‌بندی
• غنی‌شدگی
• فلزات سمی
• کیفیت رسوب

عنوان مقاله [English]

Geochemical data analysis and evaluation of ecological risk index of potentially toxic elements in surface sediments of Karun River, Vays to Ahvaz

نویسندگان [English]

• Saeed Choopani ¹
• payman rezaee ²
• Mohammad reza Gharibreza ³

¹ PhD Student, Department of Geology, University of Hormozgan, Bandar Abbas, Iran

² Associate Professor Department of Geology, University of Hormozgan , Bandar Abbas, Iran

³ Assoc. Professor, Research Department of River and Coastal Engineering, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Tehran

چکیده [English]

Extended abstract
Introduction
Rivers are highly variable systems and one of the most important water ecosystems that play an important role in the life of humans and other living beings and are easily affected by pollution. (Maanan et al., 2015). The concentration of heavy metals in sediments is generally several times that of water bodies, and heavy metals are not destroyed and decomposed during natural processes, therefore, heavy metals can be stored in sediments and remain there for a long time. For this reason, surface sediments are one of the main reservoirs of heavy metals and other pollutants (Islam et al., 2016). The Karoun River is not immune from these pollutions and many wastes from metal, petrochemical and oil, cellulose and food industries, domestic and hospital sewage and agriculture are discharged into this water environment. On the other hand, this river supplies water for these industries and is a source of drinking water for cities such as Ahvaz, Khorramshahr and Abadan. The fishes of this great river are one of the main sources of nutrition for the people of the region, as a result of the presence of pollutants, especially potentially fertilizing elements in Karoun, it can cause pollution of sediment, water and food and affect the life cycle of this great river. damage (Rastmanesh et al. 2015). Considering the quantitative extent and diversity of human activities in the Khuzestan plain and the entry of all kinds of effluents and sewage into the Karoun River, investigating the pollution, pollutants and risk levels is an inevitable necessity. Therefore, this research aims to determine the level of enrichment of elements, to determine the ecological risk and dangerousness of pollution in comparison with the quality standards of sediments in the Karoun river in the Weis basin to the beginning of Ahvaz city using geochemical data and statistical analysis. It was done by XLSTAT2018 software.
 
Materials and methods
In order to evaluate the pollution of the sediments of the Karoun River bed, 22 samples were taken with a boat from a depth of 0-10 cm and based on common methods in sedimentary geology Tucker (1988) and Arzani (1997) of sediments was harvested. Then, the samples were prepared in the water and soil laboratory of the Soil Conservation and Watershed Research Institute for the granulation test and determination of the concentration of toxic metal elements. In order to investigate the state of sediment pollution, the obtained concentrations have been compared with the standard values of ISQGs, severe effect level (SEL), probable effect level (PEL) and global base values.
 
Results and discussion
According to the results obtained from the grading, the sediments of the river bed in most of the stations have a granular texture and are of the type of mud, silty sand and sandy mud. These sediments have an average of 0.62% organic matter in terms of organic matter. The results of the pollution level also showed that the concentration of toxic elements As, Cr and Ni have values beyond the standard values of ISQGs and PEL. Based on the comparison between sediment quality criteria and standards, Karun River in the studied area has clean sediments from the point of view of Cd and Pb elements. The results of calculation of enrichment factor showed that Zn element has moderate to significant enrichment. The enrichment of Cu, Ni and Cr was in the range of moderate pollution. The semi-metal As is in the range of low to medium enrichment and the two elements Cd and Pb have low enrichment. The average enrichment of elements is Zn>Ni>Cu>Cr>As>Pb>Cd. Finally, the results obtained from the risk index showed that the values of the risk index for all samples are in the low risk range (RI<150). The statistical analysis of the samples showed that there is a significant positive relationship between Cr, Ni, Cu and AS with clay. So clay particles are the main carriers of Cr, Ni, Cu and AS elements. A high correlation coefficient between elements indicates a common source, mutual dependence, and the same behavior during transportation.
 
Conclusion
The current research leads to sufficient understanding of the geochemical situation and any change from natural conditions and revealing the local and thematic enrichment of pollution levels for aquatic animals and users, especially in the field of agriculture and food cycle in the Karun River in the Vays basin to the city of Ahvaz. has been The results of the enrichment factor showed low to high pollution for selected elements. The potential ecological risk values of all selected elements except As in sample 21 are in the low risk range, and AS in sample number 21  is in the medium risk range . The risk index values for all samples are in the low risk range . Based on the comparison of sediment quality criteria with the standards, Karoun River has clean sediments from the point of view of Cd and Pb elements in the studied period. So that 100 percent of the samples have a concentration lower than ISQG. Cr with 27% and Ni with 100% has a concentration beyond the PEL pollution level and all the values obtained for Cr and Ni elements have a concentration beyond the minimum concentration of the ISQG pollution level. In this way, there is a possibility of poisoning for aquatic animals and water exploitation by the toxic elements Ni and Cr. Comparing the concentration of elements with the standards showed that in stations number seven (subordinate to Mahi Shiban), 21 (east coast of KianPars) and 10 (Kouresh sewage), Cr and Ni elements have concentrations beyond the PEL pollution level and more As. It is from the minimum level of ISQG and the most polluted stations are in the study period. So, the maximum enrichment of Cr and As has also happened in station number seven. Element clustering analysis showed that organic materials are the main carriers of Cu and Zn elements and clay particles are the main carriers of Ni and Cr elements. Also, in the case of Cu and As elements, clay particles play the main role. But the toxic metal Pb has not shown any significant relationship with other elements as well as organic materials and clay particles. So Pb element has a different origin than Cu, Zn, Cr, Ni and As elements. The results of principal component analysis, while confirming the correlation coefficient and cluster analysis, showed that Cu, Zn, Cr, Ni, and As are of anthropogenic origin, and Pb and Cd are of terrestrial origin. This study has an important contribution in determining the origin, pollution and ecological risk of potential fertilizing elements and can help in identifying pollutant sources and pollutant control.

کلیدواژه‌ها [English]

• Clustering analysis
• Erichement factor
• Principal component analysis
• Sediment quality
• Toxic elements