كاربرد روش فركتال در تعيين مقادير پايه فلزات سمي به‌منظور محاسبه شاخص‌ عامل آلودگي در رسوبات آبراهه‌اي منطقه الشتر

Using fractal method in determining the background of toxic metals pollution in order to calculate the index of contamination factor in stream sediments of Aleshtar area

رسوبات مي­‌توانند نمايانه­‌هاي حساسي براي پايش آلاينده‌­ها در محيط­‌هاي آبي باشند. بنابراين، شناخت ساز و كارهاي انباشت و توزيع ژئوشيميايي فلزات سنگين در سامانه­‌هاي آبزي و فراهم‌­سازي اطلاعات اوليه براي قضاوت ريسك­‌هاي سلامت محيطي، بررسي فضايي غلظت فلزات در رسوبات و مقايسه آن‌­ها با مقادير پايه­‌هاي غير آلوده از اهميت بسزايي برخوردار مي­‌باشد. يكي از روش­‌هاي مرسوم ارزيابي آلودگي خاك و رسوب استفاده از شاخص عامل آلودگي (CF) است. محاسبه اين شاخص نيازمند تعيين پس زمينه عناصر مورد بررسي است. براي اين منظور، به­‌طور معمول از روش‌­هاي آماري مبتني بر ميانگين و انحراف معيار داده‌­ها استفاده مي­‌شود. با توجه به چوله بودن توزيع بيشتر داده­‌هاي ژئوشيميايي، استفاده از اين روش پارامتريك را با محدوديت مواجه مي­‌سازد، لذا، استفاده از روش‌­هاي مقاوم به داده‌­هاي پرت به­‌عنوان رويكردي جايگزين مي‌­تواند مطرح شود. در يكي دو دهه اخير، روش فركتال نيز براي جداسازي جوامع در داده­‌هاي مربوط به بسياري از رشته‌­هاي علوم زميني به­‌كار گرفته شده است. به­‌منظور ارزيابي كاربرد اين دو روش در شاخص CF، 771 نمونه رسوب آبراهه‌­اي حاوي شش عنصر فلزي As، Cr، Cu، Ni، Pb و Zn در منطقه­‌اي به وسعت برگه نقشه زمين­‌شناسي يكصد هزارم الشتر (واقع در شمال شهر خرم­آباد) برداشت شد. سپس، با هر دو روش (روش آماري مقاوم به داده­‌هاي پرت و روش فركتالي) پس‌زمينه عناصر تعيين و در نهايت، شاخص CF محاسبه شد. اين شاخص مبتني بر روش آماري به‌ترتيب براي عناصر آرسنيك، كرم، مس، نيكل، سرب و روي 7.5، 0.8، 5.1، 0.5، 4.7 و 9.2 درصد نمونه­‌هاي مورد بررسي را در سطح متوسط ارزيابي كرده است. شاخص CF مبتني بر روش فركتال براي عناصر مذكور به‌ترتيب 39، 28.9، 88.6، 39.4، 45.7 و 73.4 درصد در سطح متوسط است و براي عناصر مس، سرب و روي سه، 0.1 و 4.3 درصد در سطح قابل ملاحظه ارزيابي كرده است. نتايج به‌­دست آمده نشان مي­‌دهد كه استفاده از روش­‌هاي آماري در تعيين پس‌زمينه عناصر با وجود انتخاب روش آماري متناسب با توزيع داده‌­ها، حساسيت شاخص CF را كاهش داده، در جداسازي طبقات آلودگي، كارايي شاخص را پائين ­آورده است، در حالي‌­كه استفاده از روش فركتال به ­علت در نظر گرفتن بعد فضايي (مساحت) در جداسازي جوامع مختلف پس‌زمينه از آنومالي تفكيك طبقات آلودگي به‌­وسيله شاخص CF را قوت بخشيده، در نتيجه برآوردهاي آلودگي منطقه­‌اي را بهبود مي­‌بخشد.

Sediments can be sensitive indicators for monitoring contaminants in aquatic environments. Therefore, understanding the mechanisms of accumulation and geochemical distribution of heavy metals in aquatic systems and providing basic information for judging environmental health risks, spatial study of metal concentrations in sediments and their comparison with non-contaminated bases is of great importance. One of the common methods of soil pollution assessment is the use of pollution factor index (CF). The calculation of this index requires determining the background of the elements under study. For this purpose, statistical methods based on mean and standard deviation of data are commonly used. Due to the skuwness of the distribution of geochemical data, the use of this parametric method is limited, so the use of methods resistant to outlier data can be proposed as an alternative approach. In the last two decades, the fractal method has been used to separate communities in data related to many disciplines of earth sciences. In order to evaluate the two mentioned methods, 770 samples of waterway sediments containing six metal elements of As, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn were collected in an area that is located in the north of Khorramabad. The background of the elements was determined by both methods (statistical method resistant to outlier data and fractal method) and finally the CF index was calculated. This index based on statistical methods assessed at the intermediate level for arsenic, chromium, copper, nickel, lead and zinc 7.5, 0.8, 5.5, 0.5, 4.7 and 9.2 percent, respectively. For the mentioned elements based on fractal method, the medium level of contamination were 39%, 28.9%, 88.6%, 39.4%, 45.7%, 73.4% of the total sample, respectively. In addition, with the second method, 3% (copper), 0.1% (lead) and 4.3% (zinc) of the number of samples have been evaluated at a considerable level. The results showed that the use of statistical methods in determining the background of the elements, despite the selection of a statistical method appropriate to the distribution of data, has reduced the sensitivity of the pollution index and reduced the efficiency of the index in the separation of pollution classes. While the use of fractal method due to considering the spatial dimension (area) in separating different background communities from anomalies leads to better efficiency of CF index and thus improves regional pollution estimates.