معرفی شاخص جدید کیفیت منابع آب سطحی جهت مصارف شرب با استفاده از روش‌های چندمتغیره آماری (مطالعه موردی: رودخانه سفیدرود)

آب و خاک

مقاله 2، دوره 36، شماره 4 - شماره پیاپی 84، مهر و آبان 1401، صفحه 439-458   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.2022.77413.1177

نویسندگان

مهدی محمدی قلعه نی^{* 1}؛ حمید کاردان مقدم²

¹گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و محیط زیست، دانشگاه اراک، اراک، ایران.

²موسسه تحقیقات آب، وزارت نیرو، تهران، ایران.

چکیده

هدف از تحقیق حاضر توسعه و معرفی یک شاخص جدید کیفیت آب شرب (SDWQI)، با استفاده از پارامترهای کیفی اندازه‌گیری شده در ایستگاه‌های هیدرومتری رودخانه سفیدرود است. به این منظور 12 پارامتر کیفی ماهانه‌ شامل کل مواد جامد محلول (TDS)، هدایت الکتریکی (EC)، سختی کل (TH)، اسیدیته (pH)، کلر (Cl^-)، سولفات (SO₄^-2)، کربنات (CO₃^-2)، بی‌کربنات (HCO₃^-)، منیزیم (Mg²⁺)، سدیم (Na⁺)، کلسیم (Ca²⁺) و پتاسیم (K⁺) طی دوره آماری 1366-99 در ایستگاه‌های هیدرومتری رودبار و آستانه واقع در رودخانه سفیدرود استفاده شده است. پس از پردازش‌های اولیه روی داده‌ها مانند تحلیل همبستگی پارامترها، از روش‌های چندمتغیره آماری مانند خوشه‌بندی و تجزیه به مؤلفه‌های اصلی (PCA) به منظور انتخاب و وزن‌دهی پارامترهای کیفیت آب با استفاده از بسته‌های “cluster” و “factoextra” در نرم‌افزار R 4.1.1 برای توسعه شاخص جدید کیفیت آب استفاده شده است. نتایج شاخص جدید توسعه داده شده با شاخص کیفیت آب شرب سازمان بهداشت جهانی (WHO) و دسته‌بندی کیفیت آب شرب شولر مقایسه شده است. وزن‌دهی پارامترها با استفاده از روش PCA حاکی از اختصاص بیشترین و کمترین وزن به ترتیب به پارامترهای TDS و K⁺ و برابر 163/0 و 031/0 می‌باشد. همچنین نتایج حاکی از پوشش 3/59 و 6/67 درصدی مولفه‌های اصلی اول و دوم از واریانس تغییرات کل پارامترهای کیفیت آب مورد بررسی به ترتیب در ایستگاه‌های رودبار و آستانه می‌باشد. نتایج دسته‌بندی کیفیت آب بیانگر قرار گرفتن به ترتیب (5/40، 4/16 و 7/23 درصد) و (1/90، 1/73 و 3/57 درصد) داده‌های ایستگاه‌های رودبار و آستانه در رده‌ی خوب و عالی جهت مصارف شرب بر اساس دسته‌بندی شولر، شاخص WHO و شاخص جدید می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

ایستگاه هیدرومتری؛ پارامترهای کیفیت آب؛ خوشه‌بندی؛ رودخانه سفیدرود؛ شاخص کیفیت آب

مراجع

1. Abbasi, T., & Abbasi, S.A. (2012). Water quality indices. Elsevier.
2. Adimalla, N., & Venkatayogi, S. (2018). Geochemical characterization and evaluation of groundwater suitability for domestic and agricultural utility in semi-arid region of Basara, Telangana State, South India. Applied Water Science 8(1): 1-14. https://doi.org/10.1007/s13201-018-0682-1.
3. Babanezhad, E., Qaderi, F., & Ziri, M.S. (2018). Spatial modeling of groundwater quality based on using Schoeller diagram in GIS base: a case study of Khorramabad, Iran. Environmental Earth Sciences 77(9): 1-12. https://doi.org/10.1007/s12665-018-7541-0.
4. Brown, R.M., McClelland, N.I., Deininger, R.A., & Tozer, R.G. (1970). A water quality index-do we dare. Water and Sewage Works 117(10).
5. Casillas-García, L.F., de Anda, J., Yebra-Montes, C., Shear, H., Díaz-Vázquez, D., & Gradilla-Hernández, M.S. (2021). Development of a specific water quality index for the protection of aquatic life of a highly polluted urban river. Ecological Indicators 129: 107899. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2021.107899.
6. Cotruvo, J.A. (2017). WHO guidelines for drinking water quality: first addendum to the fourth edition. Journal‐American Water Works Association 109(7): 44-51. https://doi.org/10.5942/jawwa.2017.109.0087.
7. Dadolahi‐Sohrab, A., Arjomand, F., & Fadaei‐Nasab, M. (2012). Water quality index as a simple indicator of watersheds pollution in southwestern part of Iran. Water and Environment Journal 26(4): 445-454. https://doi.org/10.1111/j.1747-6593.2011.00303.x.
8. Dao, V., Urban, W., & Hazra, S.B. (2020). Introducing the modification of Canadian water quality index. Groundwater for Sustainable Development 11: 100457. https://doi.org/10.1016/j.gsd.2020.100457.
9. Darapu, S.S.K., Sudhakar, B., Krishna K.S.R., Rao, P.V., & Sekhar, M.C. (2011). Determining water quality index for the evaluation of water quality of river Godavari. International Journal of Environmental Research and Application 1: 174-18.
10. Dunnette, D.A. (1979). A geographically variable water quality index used in Oregon. Journal of Water Pollution Control Federation 53-61.
11. Grubbs, F.E. (1950). Sample criteria for testing outlying observations. The Annals of Mathematical Statistics 27-58.
12. Horton, R.K. (1965). An index number system for rating water quality. Journal of the Water Pollution Control Federation 37(3): 300-306.
13. Hoseinzadeh, E., Khorsandi, H., Wei, C., & Alipour, M. (2015). Evaluation of Aydughmush river water quality using the national sanitation foundation water quality index (NSFWQI), river pollution index (RPI), and forestry water quality index (FWQI). Desalination and Water Treatment 54(11): 2994-3002. https://doi.org/10.1080/19443994.2014.913206.
14. Jesuraja, K., Selvam, S., & Murugan, R. (2021). GIS-based assessment of groundwater quality index (DWQI and AWQI) in Tiruchendur Coastal City, Southern Tamil Nadu, India. Environmental Earth Sciences 80(7): 1-17. https://doi.org/10.1007/s12665-021-09542-5.
15. Kannel, P.R., Lee, S., Lee, Y.S., Kanel, S.R., & Khan, S.P. (2007). Application of water quality indices and dissolved oxygen as indicators for river water classification and urban impact assessment. Environmental monitoring and assessment 132(1): 93-110. https://doi.org/10.1007/s10661-006-9505-1.
16. Kumar, S., & Sangeetha, B. (2020). Assessment of ground water quality in Madurai city by using geospatial techniques. Groundwater for Sustainable Development 10: 100297. https://doi.org/10.1016/j.gsd.2019.100297.
17. Liou, S.M., Lo, S.L., & Wang, S.H. (2004). A generalized water quality index for Taiwan. Environmental Monitoring and Assessment 96(1): 35-52. https://doi.org/10.1023/B:EMAS.0000031715.83752.a1.
18. Lobato, T.C., Hauser-Davis, R.A., Oliveira, T.F., Silveira, A.M., Silva, H.A.N., Tavares, M.R.M., & Saraiva, A.C.F. (2015). Construction of a novel water quality index and quality indicator for reservoir water quality evaluation: A case study in the Amazon region. Journal of Hydrology 522: 674-683. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.01.021.
19. Ma, Z., Li, H., Ye, Z., Wen, J., Hu, Y., & Liu, Y. (2020). Application of modified water quality index (WQI) in the assessment of coastal water quality in main aquaculture areas of Dalian, China. Marine Pollution Bulletin 157: 111285. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2020.111285.
20. Medeiros, A.C., Faial, K.R.F., Faial, K.D.C.F., da Silva Lopes, I.D., de Oliveira Lima, M., Guimarães, R.M., & Mendonça, N.M. (2017). Quality index of the surface water of Amazonian rivers in industrial areas in Pará, Brazil. Marine Pollution Bulletin 123(1-2): 156-164. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2017.09.002.
21. Misaghi, F., Delgosha, F., Razzaghmanesh, M., & Myers, B. (2017). Introducing a water quality index for assessing water for irrigation purposes: A case study of the Ghezel Ozan River. Science of the Total Environment 589: 107-116. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.02.226.
22. Naubi, I., Zardari, N.H., Shirazi, S.M., Ibrahim, N.F.B., & Baloo, L. (2016). Effectiveness of Water Quality Index for Monitoring Malaysian River Water Quality. Polish Journal of Environmental Studies 25(1): 231–239. https://doi.org/10.15244/pjoes/60109.
23. Neary, B., Cash, K., Hebert, S., Khan, H., Saffran, K., Swain, L., & Williamson, D. (2001). Canadian Water quality guidelines for the protection of the aquatic life, CCME water quality index 1.0. Technical Report Canadian Council of Ministers of the Environment.
24. Rai, R.K., Upadhyay, A., Ojha, C.S.P., & Singh, V.P. (2011). The Yamuna river basin: water resources and environment (Vol. 66). Springer Science and Business Media.
25. Sarkar, C., & Abbasi, S.A. (2006). Qualidex – A New Software for Generating Water Quality Indice. Environmental Monitoring and Assessment 119: 201–231. https://doi.org/10.1007/s10661-005-9023-6.
26. Schoeller, H. (1965). Qualitative evaluation of groundwater resources. Methods and techniques of groundwater investigations and development, UNESCO 5483.
27. Schoeller, H. (1967). Geochemistry of groundwater—an international guide for research and practice, Chap. 15: 1–18.
28. Stoner, J.D. (1978). Water-quality indices for specific water uses. Department of the Interior Geological Survey.
29. Sutadian, A.D., Muttil, N., Yilmaz, A.G., & Perera, B.J.C. (2016). Development of river water quality indices—a review. Environmental Monitoring and Assessment 188(1): 1-29. https://doi.org/10.1007/s10661-015-5050-0.
30. Sutadian, A.D., Muttil, N., Yilmaz, A.G., & Perera, B.J.C. (2017). Using the Analytic Hierarchy Process to identify parameter weights for developing a water quality index. Ecological Indicators 75: 220-233. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2016.12.043.
31. Tiwari, A.K., Singh, A.K., & Mahato, M.K. (2018). Assessment of groundwater quality of Pratapgarh district in India for suitability of drinking purpose using water quality index (WQI) and GIS technique. Sustainable Water Resources Management 4(3): 601-616. https://doi.org/10.1007/s40899-017-0144-1.
32. Uddin, M.G., Nash, S., & Olbert, A.I. (2021). A review of water quality index models and their use for assessing surface water quality. Ecological Indicators122: 107218. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2020.107218.
33. Varol, S., & Davraz, A. (2015). Evaluation of the groundwater quality with WQI (Water Quality Index) and multivariate analysis: a case study of the Tefenni plain (Burdur/Turkey). Environmental Earth Sciences 73(4): 1725-1744. https://doi.org/10.1007/s12665-014-3531-z.
34. Vasanthavigar, M., Srinivasamoorthy, K., Vijayaragavan, K., Rajiv Ganthi, R., Chidambaram, S., Anandhan, P., & Vasudevan, S. (2010). Application of water quality index for groundwater quality assessment: Thirumanimuttar sub-basin, Tamilnadu, India. Environmental Monitoring and Assessment 171(1): 595-609. https://doi.org/10.1007/s10661-009-1302-1.
35. Verma, P., Singh, P.K., Sinha, R.R., & Tiwari, A.K. (2020). Assessment of groundwater quality status by using water quality index (WQI) and geographic information system (GIS) approaches: a case study of the Bokaro district, India. Applied Water Science 10(1): 1-16. https://doi.org/10.1007/s13201-019-1088-4.
36. Yadav, K.K., Gupta, N., Kumar, V., Sharma, S., & Arya, S. (2015). Water quality assessment of Pahuj River using water quality index at Unnao Balaji, MP, India. International Journal of Sciences: Basic and Applied Research 19(1): 241-250.