پهنه‌بندی مقدار فلزات سنگین در خاک‌های سطحی اطراف کارخانه سیمان کردستان

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه علوم محیط زیست، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.

2 کارشناس ارشد، گروه علوم محیط زیست، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.

3 استاد، گروه علوم محیط زیست، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.

چکیده

زمینه و هدف: صنعت سیمان از مهم‌ترین کارخانه‌های تولیدی و تأثیرگذار در شکوفایی اقتصادی کشور است. این صنعت می‌تواند باعث ورود فلزات سنگین به محیط ‌زیست شود. مطالعه حاضر با هدف بررسی و تعیین منبع‌ احتمالی فلزات سنگین شامل کروم، منگنز، آهن، کبالت، نیکل، مس، کادمیوم، آرسنیک و روی در خاک‌های سطحی اطراف کارخانه سیمان کردستان به کمک زمین ‌آمار چند متغیره انجام شد.
مواد و روش­ ها: به منظور رسیدن به هدف پژوهش، 88 نمونه خاک از اطراف کارخانه در شعاع‌های 500، 1000، 2000 و 3000 متری و از دو عمق 15-0 و cm 30-15 خاک سطحی انتخاب شد. سپس با استفاده از روش­ زمین­ آمار چند متغیره، به بررسی چگونگی توزیع فلزات سنگین و دلیل پراکنش آن­ها در منطقه مورد مطالعه پرداخته شد.
یافته ­ها: بر اساس نتایج تحلیل آماری داده‌های به‌دست آمده از آنالیز خاک، سه مؤلفه اصلی با بیش از 90 درصد واریانس کل در بین فلزات سنگین مورد مطالعه آشکار گردید. مدل‌های دایره‌ای، کروی، نمایی و گوسی به روش‌های کریجینگ ساده، کوکریجینگ معمولی، کوکریجینگ عام و ساده برای پهنه‌بندی پراکندگی مقدار فلزهای مورد مطالعه در محیط نرم‌افزار  ArcGIS 10.2به عنوان مدل­های بهینه شناسایی شدند. صحت نقشه‌های تهیه شده با استفاده از روش‌های میانگین انحراف خطا، خطای قدر مطلق میانگین و ضریب همبستگی مورد ارزیابی قرار گرفت.
نتیجه­ گیری: پهنه‌بندی مقدار فلزات سنگین نشان می‌دهد که میانگین مقدار فلزهای کادمیوم، آرسنیک، سرب و مس در نمونه‌های خاک اطراف کارخانه بیش‌تر از میانگین استاندارد جهانی است. هم‌چنین می‌توان گفت که ساختار زمین‌شناسی منطقه بیش‌ترین نقش را در آلودگی خاک دارد، با این حال فعالیت‌های انسانی و به‌ویژه کارخانه سیمان کردستان نیز در افزایش آلودگی ‌تأثیر داشته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Mapping the heavy metals proportions in surface soils of the closed Kurdistan cement factory zone

نویسندگان [English]

  • Abbas Ali Zamani 1
  • Elham Ahmadpour 2
  • Abdolhosein Zanganeh 3
  • Younes Khosravi 1
1 Assistant Professor, Department of Environmental Science, Faculty of Science, University of Zanjan, Zanjan, Iran.
2 M.S.c .Department of Environmental Science, Faculty of Science, University of Zanjan, Zanjan, Iran.
3 Professor, Department of Environmental Science, Faculty of Science, University of Zanjan, Zanjan, Iran.
چکیده [English]

Background & objective: Cement manufacturing is the most important and influential industry in the economic prosperity of the country. However, this can be an entrance source for heavy metals to environment. The main objectives of the present study were to identify the spatial variability and main sources of heavy metals including Cr, Mn, Ni, Co, Cu, Cd, As and Zn in surface soils of the closed Kurdistan cement factory zone by conducting multivariate geostatistical analysis assisted with ArcGIS 10.2 tool. Multivariate geostatistics was used to survey the spatial distribution of studied heavy metals and their reasons in the studied area.
Materials & Methods: In the present study, 88 samples of surface soils were collected in radiuses of 500, 1000, 2000 and 3000 m from the center of the cement factory from two depths of 0–15 and 15-30 cm. Results: According to the gained results, three principal factors were appeared with more than 90% of the total variance through multivariate statistical analysis for heavy metals. For mapping the distribution of the heavy metals amounts, four different models including circular, spherical, exponential and Gaussian with methods of simple Kriging, ordinary Kriging, universal and simple Co-Kriging were identified as the optimum models using  ArcGIS 10.2.. The accoracy of the methods were evaluated using coefficient determination, mean absolute error, mean bias error and root mean square error.
Conclusion: Heavy metals mapping confirmed that the levels of Cd, As, Pb and Cu in surface soils closed to the factory are higher than global average amount. Also, it can be mentioned that geological structure of the area plays most important role in  soil pollution. However, anthropogenic activities, particularly cement plant are considered as  another effective factor on soil pollution in the studied area. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Multivariate geostatistical
  • Heavy metals
  • Soil pollution
  • Kurdistan Cement Factory
1.  Abbasi, J. and M. Salari. Environmental pollution of cement factories. the 5th Mining Engineering Conference. 2008; 1-10. ( Persian)

2. Yazdaninejhad F, Torabi  H, Davatgar N. Mapping of Available Fe, Zn, Cu and Mn in Soils of Southern Tehran Lands by Geostatistical and GIS Techniques. Iranian Journal of Soil and Water Research. 2014;44(4):383-95. ( Persian)

3.  Hasani Pak A. Geostatics. University of Tehran Press,Tehran. 1998. ( Persian)

4.  Mohammdai J. Pedometeri,. Pelk Publication. 2007. ( Persian)

5.  Hajrasuliha S. Accumulation and toxicity of chloride in bean plants. Plant and Soil. 1980;55(1):133-8. ( Persian)

6.  Robinson T, Metternicht G. Testing the performance of spatial interpolation techniques for mapping soil properties. Computers and electronics in agriculture. 2006;50(2):97-108.

7.  Gu Y-G, Wang Z-H, Lu S-H, Jiang S-J, Mu D-H, Shu Y-H. Multivariate statistical and GIS-based approach to identify source of anthropogenic impacts on metallic elements in sediments from the mid Guangdong coasts, China. Environmental pollution. 2012;163:248-55.

8.  Li X, Feng L. Multivariate and geostatistical analyzes of metals in urban soil of Weinan industrial areas, Northwest of China. Atmospheric Environment. 2012;47:58-65.

9.  Gu YG, Li QS, Fang JH, He BY, Fu HB, Tong ZJ. Identification of heavy metal sources in the reclaimed farmland soils of the pearl river estuary in China using a multivariate geostatistical approach. Ecotoxicology and environmental safety. 2014;105:7-12.

10. Zhao K, Fu W, Ye Z, Zhang C. Contamination and spatial variation of heavy metals in the soil-rice system in Nanxun County, Southeastern China. International journal of environmental research and public health, 2015 Jan 28;12(2):1577-94.

11.        Azimzadeh B, khademi H. Zoning lead concentration in surface soils of Mazandaran province using experimental data and satellite. The 6th National Conference of Environmental Engineering, 2013 Nov 17-21,Tehran University, Faculty of Environment. ( Persian)

12. Behnam V, gholamalizade ahangar A, Bameri A. Assessment of Geostatistcal methods for estimating the soil salinity, (Case study: Zabol to Zahedan route), Second National Conference on agricultural sustainable development and healthy environment, 2013 Sep. 12, Hamandishan Zist Farda Company, Hamadan. ( Persian)

13. Charkhabi A, Rahimi G, Maroufi S, Mousavi F. Survey of spatial distribution of Pb and soil salinity in paddy fields in Esfahan, the 6th National Conference of Environmental Engineering, 2012 Nov. 17-21, Tehran, Tehran University, Faculty of Environment. ( Persian)

14. Azarbeyg T. Mapping lead and cadmium contamination using geostatistics technology (Case study: part of Sirjan Plain), The first national conference on sustainable management of soil resources and environment, 2014 Sep 10-11, Shahid Bahonar University of Kerman. ( Persian)

15.Zamani A, Yaftian MR, Parizanganeh A, Statistical evaluation of topsoil heavy metal pollution around a lead and zinc production plant in Zanjan province, Iran. Caspian J. Env. Sci. 2015;13(4):349-61.

16.        Madani H. Principles of Geostatistics 1999, University of Amirkabr press. (in Persian). ( Persian)

17.Webster R, Oliver MA. Characterizing spatial processes: the covariance and variogram. Geostatistics for Environmental Scientists, Second Edition. 2007:47-76.

18. Deutsch C, Lewis R, editors. Advances in the practical implementation of indicator geostatistics. Proceedings of the 23rd APCOM symposium, Tucson, AZ, April; 1992

19. Asakereh H. Spatial Modeling of Annual Precipitation in Iran. Geography and Development. 2013;10(29):15-30. ( Persian)

20. Alvares CA, Stape JL, Sentelhas PC, de Moraes Gonçalves JL. Modeling monthly mean air temperature for Brazil. Theoretical and applied climatology. 2013 Aug 1;113(3-4):407-27.

21. Chappell A, Renzullo LJ, Raupach TH, Haylock M. Evaluating geostatistical methods of blending satellite and gauge data to estimate near real-time daily rainfall for Australia. Journal of hydrology. 2013;493:105-14.

22. Sekabira K, Oryem Origa H, Basamba T A, Mutumba G, Kakudidi E, Assessment of heavy metal pollution in the urban stream sediment and its tributaries, International Journal of  Environmental Science and  Technoligy. 2010; 7 (3): 435-446.

23. Mirzaei R and Y Seifi. Comparison of Spatial Interpolation Methods to Mapp Heavy Metals Concentrations in Surface Soil of Aran-O-Bidgol City. Journal of Environmental Science and Technology Available Online from 15 May 2016. (Persian).

24. Dadsetan A, Mehrzad, J, Determination of Origin and metal contamination indices of soil and water resources and its effects on the immune system of animals, South of Bijar, Kurdistan, 30th symposium of Geo Sciences, 2012. (Persian)