تحلیل همبستگی کانونی به منظور تعیین ارتباط بین پراسنجه‌های کیفی آب و فلزهای سنگین در نمونه‌های آب شرب (شهرستان رامیان: استان گلستان)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی گروه علوم محیط زیست

2 عضو هیات علمی و مدیر گروه علوم محیط زیست

3 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد علوم محیط زیست

چکیده

چکیده:
سابقه و هدف: آلودگی آب توسط آلاینده‌های شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی در تمام دنیا به‌عنوان یکی از مشکل‌های مدیریت منابع آب درنظر گرفته می‌شود. یک موضوع مهم در پایش کیفیت منبع‌های آب تشخیص، تفکیک و منبع‌یابی پراسنجه‌های آلاینده فیزیکی و شیمیایی و وابستگی بین آن‌ها است. استفاده از روش‌های آماری برای تحلیل داده‌های بدست آمده از پایش کیفی آب می‌تواند برای رسیدن به این هدف مفید باشد. فلزهای سنگین به سبب تجزیه‌ناپذیری و ویژیگی تجمع پذیری مهم‌ترین آلاینده در منابع آبی هستند. فلزهای سنگین از منابع انسان‌زاد و طبیعی وارد منابع آبی می‌شوند.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق از روش‌های آماری چندمتغیره برای ارزیابی کیفیت آب شرب استفاده شده است. از "تحلیل مؤلفه‌های اصلی" در نمایان ساختن ویژگی‌های اصلی آب و از "تحلیل آماری همبستگی کانونی" برای پیداکردن وابستگی بین پراسنجه‌های کیفی و فلزهای سنگین استفاده شد. نمونه‌برداری از منابع آب زیرزمینی شهرستان رامیان در استان گلستان (23 منبع آب شرب روستایی) در سال 1390 انجام گرفت. پراسنجه‌های مورد استفاده در این مطالعه شامل: دما، هدایت الکتریکی، پی‌اچ، آمونیاک، فلوراید، سولفات، نیترات، نیتریت، فسفات، بی‌کربنات و فلزهای سنگین روی، کادمیم، سرب، مس، نیکل و کبالت می‌باشند. مقدار فلزهای سنگین در نمونه‌های آب به روش ولتامتری در آزمایشگاه تحقیقاتی علوم محیط زیست دانشگاه زنجان اندازه‌گیری شد. دما، هدایت الکتریکی در محل نمونه‌برداری به‌وسیله دستگاه قابل حمل اندازه‌گیری شد.
یافته‌ها: نتایج حاصل از تحلیل مؤلفه‌های اصلی، شش مؤلفه‌ را مشخص کرد که 67/79% واریانس کل را به خود اختصاص می‌دهند و بیانگر ویژگی‌های کیفی تاثیرگذار آب هستند. در تحلیل همبستگی کانونی نیز سه دسته‌ی کانونی با داشتن ضریب‌های همبستگی 973/0، 795/0 و 624/0 نشان دهنده وجود وابستگی بالایی بین متغیرهای مورد بررسی بودند. بنابراین از دسته "متغیرهای پیش‌بینی کننده" ویژگی‌های هدایت الکتریکی، بی‌کربنات، نیتریت، پی‌اچ، نیترات و فسفات و از دسته "متغیرهای پاسخ" فلزهای روی، کبالت، کادمیم و نیکل بیش‌ترین اهمیت را در بین سایر متغیرهای مورد بررسی برای ارزیابی کیفیت آب شرب در منطقه مورد مطالعه دارا می باشند.
نتیجه‌گیری: نتایج حاصل از تحلیل همبستگی کانونی نشان داد که بین دو گروه متغیرهای کیفی و فلزی مورد بررسی وابستگی معنی‌داری وجود دارد که ممکن است بتوان با توجه به پراسنجه‌های انتخاب شده به فعالیت‌های انسانی به‌ویژه فعالیت‌های کشاورزی در منطقه نسبت داد. اطلاعات به‌دست آمده می‌تواند برای بهینه‌سازی برنامه پایش و مدیریت کیفیت آب مورد استفاده قرار گیرد. با اندازه‌گیری پراسنجه‌های وابسته نیازی به اندازه‌گیری تمام ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آب وجود ندارد.
کلمات کلیدی: کیفیت آب، تحلیل مؤلفه‌های اصلی، آنالیز چند متغیره، همبستگی کانونی

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Canonical correlation analysis to determine the relationship between water quality parameters and heavy metals in water samples (Ramian City-Golestan Province)

نویسنده [English]

  • Abbasali Zamani 1
1 Head of the Department of Environmental Science
چکیده [English]

Canonical correlation analysis to determine the relationship between water quality parameters and heavy metals in water samples (Ramian City-Golestan Province)

Abstract
Background and Objectives: Water is essential for all forms of life and its pollution is generally considered more critical than soil or air. Distinguishing and correlating among physical and chemical parameters and finding source of water contamination are major issues in monitoring water quality. Application of statistical methods in water quality monitoring can be useful to achieve this goal. Heavy metals are important water pollutants especially due to their bioaccumulation nature and toxicity. Anthropogenic and natural sources are the main entrance ways of heavy metals into water.
Materials and Methods: Water quality assessment with multivariate statistical methods is the main objective of this study. Statistical Principal Component Analysis (PCA) method was used to determine the major water quality parameters and Canonical Correlation Analysis (CCA) was employed to find the relationship between water quality parameters and heavy metal contents. Water samples from twenty three wells in Ramiyan district (Golestan province) were collected in 2012. Water quality parameters, such as; temperature (T), electrical conductivity (EC), pH, Ammonia (NH3), Fluoride (F-), Sulfate (SO42-), Nitrate (NO3-), Nitrite (NO2-), Phosphate (PO43-), Bicarbonate (HCO3-) and heavy metal contents including Zn, Cd, Pb, Cu, Ni and Co were used in this research. Heavy metal contents in water samples were determined by voltammetry method in Environmental Science Research Laboratory of University of Zanjan. Temperature, electrical conductivity in the samples was measured by a portable device in sampling sites.
Results: Principle Component Analysis identified six factors explaining 79.67% of total variance affecting water quality in the studied area. CCA also identified three canonic classes with correlation coefficients; 0.973, 0.795 and 0.624, respectively, suggesting that predictor variables (EC, HCO3-, NO2-, NO3-, pH & PO43-) and response variables (Zn, Co, Cd & Ni), were highly scored among all parameters in water quality assessment.
Conclusion: The results of canonical correlation analysis also show a significant correlation between the two categories of variables. The studied metals can be selected based on the main human activities in the area (agricultural activities in this region). The information obtained can be used to improve water quality monitoring and management program. By measuring relevant parameters, there is no need to measure all the physical and chemical properties of water, reducing considerable coasts of water analysis.
Keywords: Water quality, Principle component analysis, Multivariate analysis, Canonical correlation analysis

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water quality
  • principle component analysis
  • Multivariate analysis
  • Canonical correlation analysis