تهيه نقشه آلودگي كلي خاك به فلزات سنگين با استفاده از راهكار امتيازهاي محدوديتي

Mapping the overall soil pollution by heavy metals using limitation scores

سابقه و هدف: همگام با رشد روزافزون صنعت و فناوري، ورود آلاينده هاي زيست محيطي و در صدر آن ها فلزات سنگين به خاك ها، موجب نگراني هاي رو به رشد جامعه جهاني پيرامون خطرات احتمالي آلودگي منابع خاك شده است. نظر به تعدد منشاهاي ورود فلزات سنگين آلاينده به خاك، اين عناصر خطرناك اغلب همراه با هم در محيط خاك يافت مي شوند و در نتيجه، ارزيابي صحيح خطر آلودگي هاي زيست محيطي، مستلزم توجه هم زمان به تمامي آلاينده هاي موجود است. در پژوهش حاضر به منظور ارائه تصويري از آلودگي كلي خاك در منطقه شهرك صنعتي تخصصي روي زنجان، از راهكار امتيازهاي محدوديتي براي تلفيق نقشه هاي تك عنصري فلزات سنگين استفاده شد. مواد و روش ها: براي انجام اين پژوهش، 85 نمونه خاك سطحي (صفر تا 20 سانتي متر) در قالب يك الگوي شبكه اي منظم برداشت و غلظت كل فلزات روي، سرب و كادميم در آن ها با استفاده از دستگاه جذب اتمي اندازه گيري شد. به منظور بررسي الگوي پراكنش مكاني عناصر مختلف، اقدام به درون يابي مقادير اين عناصر با استفاده از تخمين گر كريجينگ معمولي در محيط نرم افزاري ArcGIS 10.1 شد. براي انعكاس خطر آلايندگي عناصر موردبررسي، ابتدا مقادير غلظت كل عناصر اندازه گيري شده، بر اساس حدود مجاز و خطرساز هر يك از عناصر به كمك يك معادله نمايي به امتياز محدوديتي تبديل شدند. سپس، مجموع امتيازهاي محدوديتي عناصر در نقاط مشاهده اي محاسبه شد و با منظور داشتن آن به عنوان يك متغير محيطي، مقادير اين شاخص در فضاي نمونه برداري برآورد و در نهايت، پهنه بندي گرديد. يافته ها: بررسي الگوي پراكنش مكاني غلظت كل فلزات سنگين نشان داد كه پهنه هاي خاكي داراي بيشترين غلظت هر سه فلز سنگين روي، سرب و كادميم در قسمت هاي شمال غربي منطقه، يعني در اراضي مجاور شهرك تخصصي روي مشاهده مي شوند و با افزايش فاصله از اين نواحي، شدت آلودگي به تدريج كاهش مي يابد. به نظر مي رسد كه فعاليت هاي صنعتي انجام گرفته در شهرك تخصصي روي، عامل اصلي كنترل توزيع مكاني عناصر روي، سرب و كادميم در خاك هاي منطقه هستند. با وجود بالاتر بودن مقادير اندازه گيري شده و تخميني براي غلظت كل عنصر روي در مقايسه با عناصر سرب و كادميم، بر اساس استانداردهاي ملي كشور، مقادير اين عنصر در هيچ كجاي منطقه موردمطالعه از حد خطرساز اين عنصر فراتر نبود؛ حال آن كه در بخش قابل ملاحظه اي از خاك هاي منطقه، غلظت عناصر سرب و كادميم از حد مجاز و حتي در بخش هاي اطراف شهرك تخصصي روي، از حد خطرساز نيز تجاوز نمود. بررسي الگوي تغييرات مكاني امتيازهاي محدوديتي تجمعي فلزات سنگين نشان داد كه پهنه هاي داراي بيشترين مقادير اين شاخص در اراضي مجاور شهرك تخصصي روي مشاهده مي شوند. در نتيجه مي توان گفت كه شهرك صنعتي روي نه تنها توزيع مكاني عناصر آلاينده در منطقه را كنترل مي كند، بلكه عامل اصلي فراتر رفتن غلظت عناصر از حدود مجاز و گاهي خطرساز، در بخش هاي مشخصي از منطقه و تنزل كيفيت اراضي در اين بخش ها است. نتيجه گيري: به طوركلي، فعاليت هاي صنعتي مربوط به فرآوري فلز روي، موجب ورود هم زمان چندين فلز سنگين به خاك هاي اطراف و كاهش كيفيت اراضي منطقه شده است. وقوع مقادير تخميني غلظت فلزات آلاينده مختلف در دامنه هاي متفاوتي از مقادير و عدم يكساني حدود آستانه آلايندگي اين عناصر، موجب بروز مشكلاتي در درك خطر آلودگي خاك در منطقه از طريق نقشه هاي تك عنصري گرديد. استفاده از راهكار امتيازدهي محدوديتي به دليل استاندارد بودن امتيازهاي منسوب به هر متغير و قابليت جمع پذيري، راهكاري سودمند براي انعكاس هم زمان اثرات چندين آلاينده بر كيفيت خاك است

Background and objectives: Considering progressive growth of industry and technology, the accumulation of environmental contaminants, especially heavy metals (HMs) in the soil is of increasing worldwide concern about the probable soil pollution risks. Due to the multiplicity of the HMs’ sources, these serious elements are usually found along with each other in the soil. Therefore, the precise evaluation of the environmental pollution risks needs all of the existing pollutants to be concomitantly assessed. Representing overall soil pollution in the Zanjan Zinc Specialized Industrial Town (briefly Zinc Town) in this study, single-element maps of heavy metals were incorporated using cumulative limitation scores (LS). Materials and methods: In the present study, 85 topsoil samples (0-20 cm) using a regular grid sampling pattern were collected and total contents of Zn, Pb and Cd were measured for each soil sample using atomic absorption spectroscopy. Assessing the spatial structure of studied elements, their contents were interpolated using ordinary kriging method in ArcGIS 10.1 software. Assessing the pollution risk of studied elements, the total concentration of heavy metals is first transformed to LSs using the exponential transfer function determined by using two threshold values: permissible concentration and seriously polluted soil. Calculated cumulative LSs for studied elements were considered as an environmental variable and its values were interpolated and classified. Results: Mapping the total concentration of Zn, Pb and Cd revealed that elevated soil HMs concentrations were mostly found in the northwest of studied area, i.e. lands located surrounding the Zinc Town. Increasing the distance from the industrial source of pollution, pollution intensity decreased gradually. It seems that Zinc Town is the main factor which controls the spatial distribution of Zn, Pb and Cd in the studied soils. Although the observed and estimated values for the total concentration of Zn were higher than Pb and Cd, its values did not exceed its maximum permissible value in Iranian soils; whereas the total concentration of Pb and Cd in sizeable parts of the studied area exceeded their national maximum permissible concentration and in some parts of the area located around the Zinc Town, exceeded than the seriously pollution threshold value. Mapping the spatial distribution of LSs showed that elevated soil LSs were mostly found in the lands located surrounding the Zinc Town. Therefore, it can be concluded that Zinc Town not only controls the spatial distribution of pollutant elements in the area, but also is the main factor which causes the HMs concentration to be exceeded than their maximum permissible or even seriously pollution threshold values in some parts of the studied area and finally, lower the land quality in these areas. Conclusion: Totally, industrial activities related to Zn production caused to simultaneous entrance of several heavy metals to the adjacent soils and lead to degradation of the lands in studied area. The interpolated heavy metal values were observed in the very different range for each specific element, as different threshold values. These caused some difficulties to perceive the soil pollution risk just by single-element maps of heavy metals. Since the limitation scores are standardized and can be summed for different variables, this technique is capable to represent the contemporaneous effects of several pollutants on the soil quality.