تعیین ایستگاه‌ها و پارامترهای مهم فیزیکوشیمیایی سنجش کیفیت آب سطحی حوضه گرگانرود با روش‌های آماری چند متغیره

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه منابع طبیعی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعیدانشگاه محقق اردبیلی

2 دانشجوی دکتری علوم و مهندسی آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران

3 کارشناس ارشد شرکت آب منطقه‌ای گلستان، ایران

4 هیأت علمی مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی بوشهر، ایران

چکیده

آگاهی از کیفیت منابع آب یکی از نیازمندی‌های مهم در برنامه‌ریزی و توسعه منابع آب و حفاظت و کنترل آن‌هاست. هدف پژوهش حاضر تعیین ایستگاه‌ها و پارامترهای فیزیکوشیمیایی مهم در برآورد تغییرات کیفیت آب سطحی در حوضه گرگانرود واقع در استان گلستان است. در این پژوهش از روش‌های آماری چند متغیره شامل تحلیل خوشه‌ای، تحلیل مؤلفه‌های اصلی و تحلیل عامل‌ها استفاده شده است. آمار 19 ایستگاه پایش در یک دوره زمانی 23 ساله (1397-1375) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. سپس 11 پارامتر کیفیت آب شامل سدیم، کلسیم، پتاسیم، منیزیم، سولفات، کلر، بی‌کربنات، pH، هدایت الکتریکی، مجموع املاح محلول و سختی کل ارزیابی شدند. در تحلیل مؤلفه‌های اصلی، مقادیر ویژه در سه مؤلفه اول در مجموع 47/95 درصد واریانس کل داده‌ها را توجیه می‌نماید. در مؤلفه اول ایستگاه‌های تقی‌آباد، شیرآباد و نوده نقش کم‌تری در توجیه تغییرات سالانه پارامترهای کیفیت آب حوضه گرگانرود دارند. با توجه به بهبود ضریب تبیین معادلات رگرسیونی و با حذف ایستگاه‌هایی با اهمیت کم‌تر می‌توان گفت که بهبود کارایی شبکه پایش با کاهش تعدادی از ایستگاه‌ها (از 19 به 16) و هم‌چنین کاهش هزینه‌های ثبت داده‌ها و افزایش ارزش اطلاعاتی آن‌ها امکان‌پذیر است. هم‌چنین در تحلیل عاملی 98/97 درصد واریانس جامعه توسط سه مؤلفه اول پارامترها به‌دست آمد که در میان آن‌ها سختی کل (989/0) و هدایت الکتریکی (987/0) دارای بیش‌ترین بار عاملی در مؤلفه اول و pH (984/0) و بی‌کربنات (475/0) در مؤلفه دوم در تغییرات کیفیت منابع آب سطحی منطقه مورد مطالعه اهمیت بیش‌تری دارند. بنابراین تعیین عامل‌های مهم و مؤثر در کیفیت آب می‌توان در اتخاذ تصمیم‌های بهتر و اقتصادی‌تر در مدیریت و طراحی شبکه‌های پایش کیفیت آب به مدیران کمک نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Determining the Important stations and Physicochemical Parameters of Surface water Quality Measurement in Gorgan-Rud Basin (Iran) Using Multivariate Statistical Techniques

نویسندگان [English]

  • Raoof Mostafazadeh 1
  • Khadijeh Haji 2
  • Hassan Azarmdel 3
  • Akbar Ghasemi 4
1 Department of Natural Resources, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili
2 Ph.D. Student of Watershed Management Engineering, Faculty of Natural Resources, Tarbiat Modares University, Noor, Iran
3 Master of Science, Golestan Regional Water Company
4 Expert in Agriculture and Natural Resources Research Center, Booshehr Province, Iran
چکیده [English]

This study focuses on evaluating the effectiveness of surface water quality monitoring network and identify monitoring stations and water quality parameters, which are important in assessing annual variations of water quality in Gorgan-Rud Basin, Golestan Province. Cluster analysis (CA) was used to sort cases (monitoring points) into groups. Principal component analysis (PCA) and factor analysis (FA) techniques were applied for these objectives. In this study water quality data of nineteen water quality monitoring stations over a 23-year time period (1996-2018), were analysed. Principal component analysis has determined a reduced number of three principal components that explain over 95.47 % of the data set variance. Results indicated that three monitoring stations (Taghi-Abad, Shir-Abad, and Nodeh) were identified as less important in explaining the annual variance of the water quality parameters. Based on the coefficient of determination improvements of regression relations, concluded that removing of the less important stations (from 19 to 16) can help the cost effectiveness and meaningful data collection of the monitoring network in the study domain. In addition, results revealed more important water quality parameters. Results shows that total hardness and EC are most important parameters at first component and in the second component, pH and HCO3 are appropriate for assessing variations of water quality in the Gorgan-Rud Basin. The clustering procedure highlighted two different groups in which the sampling sites have similar characteristics.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cluster Analysis
  • Gauging Stations
  • Gorgan-Rud River
  • Principal Component Analysis
  • Water Quality Monitoring

مراجع

ادهمی، م.، م. ذبیحی، س. زارع‌نقده و ر. مصطفی‌زاده. 1396. انتخاب بهترین تکنیک خوشه‌بندی سلسله مراتبی بر مبنای تحلیل مؤلفه‌های اصلی در برآورد رسوب معلق. پژوهش‌های فرسایش محیطی، دوره 6، شماره 4، ص 67-47.
آذرم‌دل، ح.، ر. مصطفی‌زاده و ا. قاسمی. 1389. ارزیابی شبکه ایستگاه‌های سنجش کیفیت آب سطحی رودخانه گرگانرود استان گلستان. علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، سال 4، شماره 10، ص 61-57.
آسیابی‌هیر.، ر.، ر. مصطفی‌زاده، م. رئوف و ا. اسمعلی‌عوری. 1398. ارزیابی پایداری منابع آب سطحی در حوزه‌های آبخیز استان اردبیل. مهندسی و مدیریت آبخیز، جلد 11، شماره 4، ص 998-984.
خروشی، س.، ر. مصطفی‌زاده، ا. اسمعلی‌عوری و م. رئوف. 1395. ارزیابی تغییرات زمانی و مکانی شاخص سلامت هیدرولوژیک رودخانه در حوزه‌های آبخیز استان اردبیل. اکوهیدرولوژی، دوره 4، شماره 2، ص 393-379.
خلیفه، س. و ع. خوش‌نظر. 1397. بررسی کیفیت رودخانه زرینه‌رود با استفاده از شاخص استاندارد کیفیت منابع آب سطحی ایران. علوم و مهندسی آب و فاضلاب، سال 3، شماره 1، ص 34-22.
روحانی، ح.، ا. زکی، م. کاشانی و ا. فتح‌آبادی. 1394. ارزیابی پایداری تغییرات کیفیت شیمیایی آب سطحی در رودخانه گرگانرود. اکوهیدرولوژی، دوره 2، شماره 2، ص 140-129.
سبزواری، ی.، ع.ح. نصرالهی، و ح.ا. یونسی. 1399. بررسی تغییرات زمانی مکانی کیفیت منابع آب زیرزمینی دشت بروجرد-دورود. مهندسی آبیاری و آب ایران، سال 11، شماره 41، ص 176-150.
ستاری، م.ت.، م.ع. نایب‌زاد و ر.ع. نجف‌آبادی. 1393. پیش‌بینی کیفیت آب‌های سطحی با استفاده از روش درخت تصمیم. مهندسی آبیاری و آب، سال 4، شماره 15، ص 88-76.
سعادت فومنی، م.، ب. سرکمری و ف. عزیزآبادی. 1393. ارزیابی ایستگاه‌ها و پارامترهای کیفی رودخانه سفیدرود با استفاده از آنالیز مؤلفه‌های اصلی. فصلنامه فن‌آوری‌های نوین در مهندسی محیط‌زیست و منابع تجدیدپذیر، دوره 1، شماره 2، ص 19-9.
شمعانیان، غ.، م. رقیمی و ا. یخکشی. 1385. هیدروژئوشیمی آب‌های زیرزمینی دشت گرگان: راهکاری برای حساسیت‌سنجی آلودگی آب‌های زیرزمینی. علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، دوره 13، شماره 4، ص 10-1.
عسگری، ا.، ر. مصطفی‌زاده و خ. حاجی. 1398. تحلیل نقاط تغییر در سری زمانی دبی برخی ایستگاه‌های هیدرومتری استان گلستان. علوم و تکنولوژی محیط‌زیست، دوره 21، شماره 5، ص 93-81.
فاطمی، ز. و آ. احمدی. 1395. استفاده از روش‌های چند متغیره آماری برای ارزیابی مکانی و زمانی متغیرهای کیفیت آب‌های سطحی، مطالعه موردی: رودخانه کرخه. نهمین کنگره ملی مهندسی عمران، 21 و 22 اردیبهشت‌ماه 1395، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران. ص 9-1.
فریادی، س.، ک. شاهدی و م. نباتپور. 1391. مطالعه پارامترهای کیفیت آب رودخانه تجن با استفاده از تکنیک‌های آماری چند متغیره. پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز، دوره 3، شماره 6، ص 92-75.
قادری، ف.، ا. بابانژاد و س.ص. حسینی کریمی. 1397. استفاده ترکیبی از پارامترهای کیفی در آبخوان و آبریز دشت موسیان به‌منظور تشخیص تأثیرپذیری کیفی آبخوان از جریان‌های سطحی. مهندسی آبیاری و آب، سال 9، شماره 33، ص 166-151.
قلی‌زاده، م. و م. علی‌نژاد. 1397. بررسی تغییرات مکانی برخی از پارامترهای مؤثر بر کیفیت آب رودخانه زرین‌گل در استان گلستان. فصلنامه علوم محیطی، دوره 16، شماره 1، ص 126-111.
کاظم‌زاده، م. و آ. ملکیان. 1396. تجزیه و تحلیل پارامترهای کیفیت آب سطحی با استفاده از روش‌های آماری چند متغیره (مطالعه موردی: حوزه آبخیز آجی‌چای). مرتع و آبخیزداری، منابع طبیعی ایران، دوره 7، شماره 2، ص 478-465.
مصطفی‌زاده، ر. و و.ب. شیخ. 1390. ارزیابی تراکم شبکه باران‌سنجی استان گلستان با استفاده از روش همبستگی مکانی. پژوهش‌های آبخیزداری (پژوهش و سازندگی)، دوره 24، شماره 93، ص 87-79.
موسوی سردشتی، س.ع.، ک. سلیمانی، ف. شکریان و س.ح. روشان. 1399. بررسی روند تغییرات زمانی و مکانی پارامترهای کیفیت آب زیرزمینی با استفاده از روش‌های زمین آمار (مطالعه موردی: دشت لردگان، استان چهارمحال و بختیاری). مهندسی آبیاری و آب ایران، سال 10، شماره 39، ص 276-262.
نوری، ز. و آ. ملکیان. 1395. بررسی تأثیر عوامل مؤثر بر کیفیت آب رودخانه‌های سیمره و کشکان در استان‌های ایلام و لرستان. محیط‌زیست طبیعی، منابع طبیعی ایران، دوره 69، شماره 2، ص 564-549.
نیسی، ل. و پ. تیشه‌زن. 1397. ارزیابی کیفیت آب رودخانه دز با استفاده از روش‌های آماری چند متغیره. مهندسی آبیاری و آب، سال 9، شماره 33، ص 150-139.
یزدان‌خواه س. ١٣٨٧. اهمیت نسبی متغیرهای هواشناسی در برآورد تبخیر-تعرق مرجع در اقلیم‌های مختلف. پایان‌نامه کارشناسـی ارشـد آبیاری و زهکشی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، ١١٠ ص.
Bouchelouche D., H. Sefiane, I. Saal, M. Hafiane and A. Arab. 2021. Application of multivariate statistical analysis in the assessment of surface water quality in the hydrographic network of Mazafran Wadi, Algeria. Recent Advances in Environmental Science from the Euro-Mediterranean and Surrounding Regions (2nd Edition). EMCEI 2019. 1925-1929.
Boyacioglu, H., H. Boyacioglu and O. Gunduz. 2005. Application of factor analysis in the assessment of surface water quality in Buyuk Menderes river basin. Journal of European Water, 10: 43-49.
Dalal, S.G., P.V. Shirodkar, T.J. Jagtap, B.J. Naik and G.S. Rao. 2009. Evaluation of significant sources influencing the variation of water quality of Kandla creek, Gulf of Katchchh, using PCA. Journal of Environmental Monitoring Assessment, 163(1-4): 49-56.
Jehan Sh., I. Ullah, S. Khan, S. Muhammad, S.A. Khattak and T. Khan. 2020. Evaluation of the Swat river, northern Pakistan, water quality usingmultivariate statistical techniques and water quality index (WQI) model. Environmental Science and Pollution Research, 27: 38545-38558.
Jeihouni, M., A. Toomanian, S.K. Alavipanah, S. Hamzeh and P. Pilesjö. 2018. Long term groundwater balance and water quality monitoring in the eastern plains of Urmia Lake, Iran: A novel GIS based low cost approach. Journal of African Earth Sciences, 147: 11-9.
Kowalkowski, T., R. Zbytniewski, J. Szpejna and B. Buszewski. 2006. Application of chemometrics in river water classification. Journal of Water Research, 40: 744-752.
McNeil, V.H., M.E. Malcolm Cox and M. Preda. 2005. Assessment of chemical water types and their spatial variation using multi-stage cluster analysis, Queensland, Australia. Journal of Hydrology, 10: 181-200.
Ouyang, Y. 2005. Evaluation of river water quality monitoring stations by principal component analysis. Journal of Water Research, 39: 2621-2635.
Ruzdjak, A.M. and D. Ruzdjak. 2015. Evaluation of river water quality variations using multivariate statistical techniques. Environmental Monitoring and Assessment, 187(4): 215.
Shrestha, S. and F. Kazama. 2007. Assessment of surface water quality using multivariate statistical techniques: A case study of the Fuji river basin, Japan. Environmental Modelling & Software. 22: 464-475.
Singh, K.P., A. Malik and S. Sinham. 2005. Water quality assessment and apportionment of pollution sources of Gomti river (India) using multivariate statistical techniques-a case study. Analytica Chimica Acta, 538: 355-374.
Singh, K.P., A. Malik, D. Mohan and S. Sinha. 2004. Multivariate statistical techniques for the evaluation of spatial and temporal variations in water quality of Gomti river (India)- a case study. Water Research, 38: 3980-3992.
Singh, K.R., A.P. Goswami, A.S. Kalamdhad and B. Kumar. 2019. Assessment of surface water quality of Pagladia, Beki and Kolong river (Assam, India) using multivariate statistical techniques. International Journal of River Basin Management, DOI: 10.1080/15715124.2019.1566236.
Singh, K.R., A.P. Goswami, A.S. Kalamdhad and B. Kumar. 2020. Surface water quality and health risk assessment of Kameng river (Assam, India). Water Practice and Technology, DOI: 10.2166/wpt.2020.090.
Smith, L. 2002. A tutorial on Principal Components Analysis. 1-27.
Sojka, M., M. Siepak, A. Zioła, M. Frankowski, S. Murat-Błażejewska and J. Siepak. 2007. Application of multivariate statistical techniques to evaluation of water quality in the Mała Wełna river (Western Poland). Journal of Environmental Monitoring Assessment, 147: 159-170.
Strobl, R.O., P.D. Robillard, R.D. Shannon, R.L. Day and A.J. McDonnel. 2006. A water quality monitoring network design methodology for the selection of critical sampling points, Part 1. Journal of Environmental Monitoring and Assessment, 112: 137-158.
Uddin, M.G., S. Nash and A.I. Olbert. 2021. A review of water quality index models and their use for assessing surface water quality. Ecological Indicators, 122: 1470-160.
Wu, Zh., Zh. Che, Y. Wang, J. Dong and M. Wu. 2015. Identification of surface water quality along the coast of Sanya, South China Sea. PLoS One, 10(4): e0123515.
Xiao, J., L. Wang, L. Deng and Z. Jin. 2019. Characteristics, sources, water quality and health risk assessment of trace elements in river waterand well water in the Chinese Loess Plateau. Science of the Total Environment, 650: 2004-2012.
Yan, Ch.A., W. Zhang, Zh. Zhang, Y. Liu, C. Deng and N. Nie. 2015. Assessment of water quality and identification of polluted risky regions based on field observations & GIS in the Honghe river watershed, China. PLoS One, 10(3): e0119130.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار