ارزیابی آلودگی به عناصر سمی و سنگین خاک های اطراف نیروگاه حرارتی شازند به روش تحلیل آماری و زمین آماری

نوع مقاله: مستخرج از پایان نامه

نویسندگان

1 دانشیار گروه رسوب شناسی، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران *(مسوول مکاتبات)

2 دانشجوی دکترای مهندسی اکتشاف معدن، دانشگاه صنعتی امیرکبیر. مربی آموزشی، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اراک

3 دانش آموخته کارشناسی ارشد

4 دانش آموخته کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اراک.

10.22034/jest.2019.9068

چکیده

چکیده
زمینه و هدف:توسعه شگرف علم و فناوری در دنیای امروز موجبات رفاه و آسایش در زندگی امروز را فراهم آورده است. اما همین توسعه یافتگی با ایجاد آلودگی در محیط زیست باعث بروز مشکلات عدیده ای برای انسان و سایر موجودات زنده شده است. فلزات سنگین به دلیل غیر قابل تجزیه بودن و اثرات فیزیولوژیکی آنها بر موجودات زنده و انسان حتی در غلظت های کم حائز اهمیت شناخته شده اند، که از جمله این عناصر می توان به سرب، روی، مس، کبالت، کروم و کادمیوم اشاره کرد که توسط فعالیت های صنعتی به خاک اضافه می شوند.
روش بررسی:در این مطالعه سعی شده با استفاده از روش های دقیق ژئوشیمی زیست محیطی، روش های آماری و نیز زمین آمار، پراکنش فلزات سنگین و سمی در خاک مورد بررسی، تجزیه و تحلیل قرار گیرد. نیروگاه حرارتی شازند با قرارگیری در جوار شهرهای اراک، مهاجران و شازند و نیز قرارگیری صنایع پالایشگاهی و پتروشیمی در جوار آن از اهمیت ویژه ای در ایجاد آلودگی در این مناطق برخوردار است.
یافته ها:این بررسی نشان داد از بین عناصرPb، Zn، Cr، Cd، Co و Cu ، خاک های منطقه تنها از نظر Cdآلودگی نشان می دهند.
نتیجه گیری:از آنجا که Cd در مازوت ایران (مورد مصرف در نیرو گاه ها)به طور طبیعی بالاست، بخشی از این آلودگی به دود انتقال یافته توسط باد و تجمع آن در خاک منطقه است .ضمن اینکه جهت باد نیز هم جهت با توزیع آلودگی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و یکم، شماره شش، شهریورماه 98

                                        

 

ارزیابی آلودگی به عناصر سمی و سنگین خاک های اطراف نیروگاه حرارتی شازند  به روش تحلیل آماری و زمین آماری

 

فریدون قدیمی[1] *

drghadimi@yahoo.com

محمد قمی[2]

 الهه محمدی ولی کندی[3]

 

تاریخ دریافت:16/3/94

تاریخ پذیرش:21/6/94

 

چکیده

زمینه و هدف: توسعه شگرف علم و فناوری در دنیای امروز موجبات رفاه و آسایش را در زندگی فراهم آورده است. اما همین توسعه یافتگی با ایجاد آلودگی در محیط زیست باعث بروز مشکلات عدیده ای برای انسان و سایر موجودات زنده شده است. فلزات سنگین به دلیل غیر قابل تجزیه بودن و اثرات فیزیولوژیکی آن ها بر موجودات زنده و انسان حتی در غلظت های کم حایز اهمیت شناخته شده اند که از جمله این عناصر می توان به سرب، روی، مس، کبالت، کروم و کادمیوم اشاره کرد که توسط فعالیت های صنعتی به خاک اضافه می­شوند.

روش بررسی: در این مطالعه سعی شده با استفاده از روش های دقیق ژئوشیمی زیست محیطی، روش های آماری و نیز زمین آمار، پراکنش فلزات سنگین و سمی در خاک مورد بررسی، تجزیه و تحلیل قرار گیرد. نیروگاه حرارتی شازند با قرارگیری در جوار شهرهای اراک، مهاجران و شازند و نیز قرارگیری صنایع پالایشگاهی و پتروشیمی در جوار آن از اهمیت ویژه ای در ایجاد آلودگی در این مناطق برخوردار است.

یافته ها: این بررسی نشان داد از بین عناصرPb، Zn، Cr، Cd، Co و Cu ، خاک های منطقه تنها از نظر Cdآلودگی نشان می دهند.

بحث و نتیجه گیری: از آن جا که Cd در مازوت ایران (مورد مصرف در نیروگاه­ها) به طور طبیعی بالاست، بخشی از این آلودگی به دود انتقال یافته و توسط باد، باعث تجمع آن در خاک منطقه شده است؛ ضمن این که جهت باد نیز هم جهت با توزیع آلودگی است.

واژه­های کلیدی: فلزات سنگین، نیروگاه حرارتی شازند، آلودگی زیست محیطی

 

 

 

J. Env. Sci. Tech., Vol 21, No.5,July, 2019

 

 

 

 

 


Evaluation of Soil Contamination to Heavy Metals around the Shazand Power Plants Using Statistical and Geo Statistical Analysis

 

Fereydoon Ghadimi [4]*

drghadimi@yahoo.com

Mohammad Ghomi  [5]

Elaheh mohammadiVali Kandi[6]

 

Admission Date:September 12, 2015

 

Date Received: June 6, 2015

 

Abstract

Background and Purpose: Development in sciences are influenced by the wys of comfort in living today. But, the development has provided high problems such as environmental pollution. Heavy metals are the most important elements that contaminated environment and are poisonous for human as well. These elements such as Pb, Zn, Cr, Cd, Co and Cu are produced by industrial activities.

Method: This paper attempts to apply geochemical methods such as statistical and geostatistical method for evaluation of distribution heavy metals in soils. Thermal power plant of Shazand in the close of Mohajaran of Arak city is the center of elemental pollution accompanied with refinery and petrochemical in this area.

Findings: This study is determined that among the elements such as Pb, Zn, Cr, Cd, Co and Cu, only Cd is contaminants element.

Discussion and Conclusion: The amount of Cd is high in fuel raw of Iran and Shazand power plant uses this fuel. Therefore, Cd has increased in the extruded smok and has transferred by wind and has deposited in the soil.

                         

Keywords: Heavy metal, Shazand power plant, environmental pollution.

 

 

 

مقدمه


در نیروگاه­های با سوخت سنگین به خصوص نیروگاه­هایی که از مازوت با درصد گوگرد بالا استفاده می‌‌کنند،‌ سطوح محفظه احتراق بویلر و دودکش بعلت تماس مستقیم محصولات احتراق همواره پوشیده از رسوبات ترکیبات مختلف است. با توجه به کیفیت سوخت مصرفی در این نیروگاه­ها اغلب رسوبات دوده، ترکیبات وانادیم، نیکل و ترکیبات گوگرددار در سطوح این مناطق یافت می‌شود. در اثر سوزندان مواد نفتی  مانند مازوت در این نیروگاه­ها، مقادیر زیادی از عناصر سمی وارد اتمسفر شده که می توانند بر روی نباتات و خاک نشسته و اثرات سوء خود را اعمال نمایند و موجب آلودگی خاک به عناصری چون منگنز، نیکل، روی، آرسنیک، کامیم، سرب، جیوه و غیره شوند. اثرات زیان بار تجمع فلزات سنگین در خاک بر روی موجودات زنده ثابت شده است و بارها موجب حوادث زیست محیطی شده اند. .بعضی از مهم ترین این اثرات شامل اختلال فعالیت های بیولوژیک خاک و اثرات سمی روی گیاه و سپس انسان است(1).

بحث آلایندگی نیروگاه حرارتی شازند به عنوان یکی از مسایل مهم اجتماعی در استان مرکزی مطرح می باشد. البته با توجه به قرارگیری این نیروگاه در جوار صنایع آلاینده دیگری چون کارخانجات تولید آسفالت، کارخانه تولید رنگ، پالایشگاه و پتروشیمی، تنها منشأ آلودگی منطقه به شمار نمی رود. اما از نظر اجتماعی یکی از مهم ترین منابع آلاینده به محسوب می­شود. از سوی دیگر فلزات سنگین یکی از عوامل ایجاد بیماری­های صعب العلاج مانند انواع سرطان ها می باشند که با ورود به خاک و سپس آب های زیرزمینی به طور مستقیم با غیر­مستقیم وارد بدن انسان شده و باعث بیماری خواهند شد. با توجه به وجود مزارع کشاورزی و باغات تولید میوه و سبزیجات، احتمال تسریع در ورود این آلودگی ها به بدن انسان و سایر جانداران بیشتر است.متأسفانه با توجه به تداوم سوزاندن حجم عظیمی مازوت در نیروگاه حرارتی شازند، روزانه بیش از 450 تن انواع آلاینده­های گوگردی، ترکیبات آلی، فلزات سنگین و غیره وارد محیط شده که سبب ایجاد تاثیرات بسیار مخرب و زیان باری در محصولات تولیدی اراضی کشاورزی، سبزی­کاری­ها و صیفی­کاری­های عمده حاشیه منطقه خواهد شد. بدیهی است که در صورت عدم توجه به پیامدهای زیست محیطی آلایندگی نیروگاه و پتروشیمی بر تولیدات کشاورزی مناطق اطراف، صدمات جبران ناپذیری نیز به سلامت شهروندان وارد خواهد شد(1).

در شمال منطقه صنعتی شازند جنب نیروگاه حرارتی شازند، آلودگی سرب، کادمیوم و کبالت مورد مطالعه قرار گرفته و نتیجه این تحقیق در مقایسه با استانداردهای جهانی نشان داده که کبالت کمترین و کادمیوم و سرب بیشترین غلظت آلاینده­ها را شامل می شود و  منشاء عناصر حاصل صنایعی چون نیروگاه، پالایشگاه و پتروشیمی و نیز حمل و نقل جاده­ای و ریلی است (2). در تحقیقی که در شهر اصفهان و با هدف بررسی اثر کاربری اراضی شهری، کشاورزی و صنعتی بر میزان غلظت روی،کادمیوم، نیکل، سرب، مس و تهیه نقشه پتانسیل آلودگی خاک صورت گرفت، نشان داد که توزیع این عناصر در مناطق صنعتی به علت فعالیت صنایع ذوب فلز، مجموعه صنایع زیر دستی ذوب آهن ومحل های دپو ضایعات وآهن قراضه ها می­باشد. میزان سرب و کادمیوم ناچیز و سایر فلزات نیز در حد مجاز گزارش شده است(3). در اطراف نیروگاه های با سوخت زغال سنگ،غنی شدگی As، Cd، Co، Cr، Cu، Fe، Hg، Ni، Ti و Zn مشاهده می شود. مواد این واحدهای صنعتی غنی از Cd، Fe، Ni و Zn می باشند. غنی شدگی خاک وابسته به الگوی وزش باد و محتوای مواد زغال به ویژه برای جیوه می­باشند(4). عمده این فلزات سنگین بر رشد و تکثیر و فعالیت­های میکروارگانیسم های خاک اثر نامطلوب داشته و می توانند به طور انتخابی بر سایر ارگانیسم­ها اثر گذارند(5، 6). افزایش غلظت فلزات سنگین به ویژه در شهرک های صنعتی به فراوان مشاهده می شود. در ترکیه، در منطقه صنعتی گبزه افزایش غلظت فلزات سنگین هم به علت فعالیت­های صنعتی و هم به علت حمل و نقل و فعالیت­های نیروگاهی رخ داده است. لذا افزایش غلظت عناصری چون Hg، Pb و Cu در خاک های سطحی به طور مستقیم تحت تأثیر فعالیت­های نیروگاهی می­باشد (7). در تحقیقات مشابهی که در اسپانیا انجام گرفته، افزایش غلظت عناصر Ni، Bi، Cd و Pb به فعالیت های نیروگاهی نسبت داده شده است (8، 9). در فرانسه نیز در 5 منطقه صنعتی فلزات سنگینی چون Cu، Pb، Zn، Sb و As در نمونه های خاک ،مورد مطالعه قرار گرفته و به روش­های آماری چند متغیره مشخص شد که فعالیت­های صنعتی سبب افزایش این عناصر در خاک شده است(10).

هدف از انجام تحقیق، بررسی و تعیین آلاینده های زیست محیطی نیروگاه­های حرارتی تولید برق شازند در خاک می­باشد. نیروگاه­های سوخت فسیلی به علت وجود پتانسیل آلاینده­های سمی مانند کادمیوم و فلزات سنگین چون کروم، کبالت، مس، سرب و روی در سوخت و احتمال انتقال آن ها در ذرات معلق موجود در دود خروجی، باعث آلودگی محیط زیست می گردند. از سویی دیگر با توجه به قرارگیری نیروگاه حرارتی شازند در نزدیکی شهرهای شازند، مهاجران و اراک و نیز روستاهای پرجمعیت و قرار گیری آن در مسیر باد غالب به سمت شهر اراک، به عنوان یکی از آلاینده های احتمالی مهم این منطقه مطرح می گردد.

2-موقعیت منطقه مطالعه

  منطقه مورد مطالعه از زیر حوزه های حوزه آبخیز قره چای می­باشد که در حدود 17 کیلو متری شهر اراک  و در مسیر اراک به همدان و یا بروجرد قرار گرفته است. بلندترین نقطه ارتفاعی آن 2430  متر وپایین ترین نقطه آن 1920 متر از سطح آب های آزاد قرار دارد.نیروگاه شازنددرکیلومتر 25 جاده اراک – شازند و در شرق پالایش­گاه اراک و در مجاورت راه آهن سراسری تهران–جنوب درزمینی به مساحت 240 هکتار و در ارتفاع 1900 متری ازسطح دریا قرار دارد(شکل1). نیروگاه دارای 4 واحد بخاری با قدرت اسمی هر واحد  325 مگاوات می­باشد. سوخت اصلی نیروگاه گاز طبیعی و مازوت می­باشد که ازخط گاز سراسری و پالایش­گاه اراک تأمین می­شود.آب نیروگاه نیز از منابع آب زیرزمینی دشت شازند و به وسیله چاه­های اطراف و داخل نیروگاه تأمین می گردد(1).

 

 

شکل 1- موقعیت منطقه مورد مطالعه در استان مرکزی 

Figure1. Location map of study area in the Markazi province.

 

روش بررسی

با توجه به جهت وزش باد، محل قرارگیری نیروگاه حرارتی شازند و صنایع نفتی دیگر و نیز مکان قرارگیری خطوط حمل و نقل جاده­ای و ریلی، محدوده برای نمونه برداری انتخاب گردید(شکل2). پس از تعیین محل نقاط نمونه برداری از خاک (به کمک نرم افزار ArcGIS) در محدوده های مشخص شده، 50 نمونه از خاک سطحی(به عمق 5-15 سانتی متری) در مهر سال 1391 برداشت گردید. فاصله تقریبی نمونه ها در راستای شرقی- غربی 475 متر و در راستای شمالی جنوبی حدود 225 متر می باشد(شکل2). برداشت نمونه خاک هر نقطه، از اضلاع و مرکز مربعی به ضلع تقریبی یک تا دو متر انجام گرفت. نمونه های خاک برداشته شده بعد از عبور از سرند های 80، 120 و 200 مش، در بسته های 20 گرمی جهت آنالیز و تعیین میزان عناصرPb، Zn، Cr، Cd، Co ،Cuو Fe به آزمایشگاه ارسال گردید. آنالیز به روش اسپکتروفتومتری اتمی صورت پذیرفت.بعد از نمونه برداری از خاک و انجام آنالیز، تحلیل و بررسی ها ی تعیین منشأ آلودگی توسط نرم افزار آماری Statistica به روش های ماتریس همبستگی(Correlation coefficient)، آنالیز عاملی (Factor analysis) و آنالیز خوشه­ای(Cluster analysis) صورت گرفت. پهنه بندی آلودگی ها با استفاده از نرم افزار زمین آماری GS+ و با استفاده از  روش کریگینگ برای عناصر سنگین انجام گردید.

 

 

 

شکل2- موقعیت نمونه ها در تصویر ماهواره ای

Figure 2. Location map of samples in the satellite portrait.


یافته ها

 

4-1-توصیف آماری

برای تحلیل های آماری از بسته نرم افزاریStatistica استفاده شد. برای شروع تحلیل آماری، بررسی نرمال بودن داده­ها الزامی می­باشد. لذا دو پارامتر چولگی و کشیدگی برای هر عنصر بررسی گردید. در این تحقیق، Pb و  Coنزدیک به نرمال بوده و سایر داده ها یعنیCr، Cd، Cu، و Zn به صورت لاگ نرمال می باشند.آمار توصیفی و هم­چنین مقادیر مرجع (متوسط ​​پوسته زمین) از فلزات مورد مطالعه در جدول (1) ارایه شده است(11). بسیاری از عناصر دارای طیف گسترده­ای از تغییرات می­باشند. برای مثال مقدار غلظت عنصر سرب از 07/0تا 66/0 میلی گرم در کیلوگرم با میانه21/0میلی گرم در کیلوگرم متغیرمی باشد.به نحو مشابهی نیز اطلاعات آماری برای Co، Cd، Zn، Cr و Cu در جدول (1) ارایه شده است.

 

 

جدول 1- نتایج آنالیز نمونه های خاک و نتایج آمار توصیفی(واحد به میلی گرم در کیلو گرم)

Table1. Statistical descriptive of soil data (mg/kg).

Fe

Cu

Zn

Cr

Cd

Pb

Co

پارامتر های آماری

16674

34/1

22/1

21/6

0/1

07/0

05/0

حداقل

16692

71/1

34/1

71/6

01/3

21/0

17/0

متوسط

16717

55/2

62/1

89/7

68/7

65/0

45/0

حداکثر

4/9

30/0

10/0

42/0

04/1

14/0

10/0

انحراف استاندارد

49/0

73/0

79/0

71/0

40/1

01/1

77/0

چولگی

01/0-

19/0-

26/0

19/0-

74/6

62/0

14/0-

کشیدگی

17066

13

47

92

7/0

17

17

میانگین پوسته زمین

 

 


عامل غنی شدگی (Enrichment factor)

عامل غنی شدگی مطابق رابطه (1) محاسبه گردید. در این رابطه EF عامل غنی شدگی ، Cn و Bnغلظت عنصر مورد نظر و غلظت آهن و CrefوBref  غلظت استاندارد عنصر مورد نظر و غلظت آهن استاندارد می­باشد. فلز آهن به عنوان عنصر استاندارد استفاده شده است. عناصر Co، Pb، Cr، Zn و Cu با عامل غنی شدگی کمتر از 2، تهی شدگی و عنصر کادمیوم با عامل غنی شدگی 5-2 دارای غنی شدگی ملایم و در برخی نقاط با عامل غنی شدگی در بازه 20-5 غنی شدگی بالا را نشان می دهد (شکل 3).

 

رابطه (1)

 

 

 

شکل 3- نمودار جعبه ای نمایش عامل غنی شدگی در خاک

Figure 3. Box diagram of Enrichment Factor in soils.

 

شاخص انباشتگی زمین شناسی (Igeo)

شاخص انباشتگی زمین شناسی از رابطه (2) محاسبه گردید. در این رابطهIgeo  شاخص انباشتگی زمین شناسی، Cn غلظت عنصر مورد نظر و Bn  غلظت استاندار همان عنصر است. شاخص انباشتگی زمین شناسی به هفت دسته تقسیم می شود که شامل (Igeo≤0) غیر آلوده، (0< Igeo<1)غیر آلوده تا آلودگی ملایم، (1< Igeo<2)با آلودگی ملایم، (2< Igeo<3) آلودگی ملایم تا زیاد، (3< Igeo<4) آلودگی زیاد، (4< Igeo<5)  آلودگی زیاد تا شدیداً آلوده و (5≤ Igeo)شدیداً آلوده می باشد. عنصر Co با قرارگیری در بازه کوچک­تر از صفر تا حدود 5/2، در برخی نقاط غیر آلوده تا آلودگی زیاد دارد(شکل4). Pb نیز با قرارگیری در بازه کوچک­تر از صفر تا حدود 3، در برخی نقاط غیر آلوده تا آلودگی زیاد می باشد. شاخص انباشتگی زمین شناسی Cd در بازه کمتر از صفر تا حدود 2 است کهً غیر آلوده تا آلودگی ملایم ایجاد نموده است. عناصر Cr و Zn با دارا بودن شاخص بزرگ­تر از 5 در تمام نقاط، شدیداً آلوده می­باشند. Cu نیز با شاخص 5/3 تا 5/4 آلودگی زیاد تا شدید در منطقه ایجاد کرده است.

رابطه (2)

 

 

 

شکل 4- نمودار جعبه ای شاخص انباشتگی زمین شناسی فلزات در خاک

Figure 4. Box diagram of Igeo in soils.

 

 

ماتریس همبستگی پیرسون


براساس پارامترهای آماری از عناصر، برخی از عناصر ضریب چولگی و کشیدگی بالا نشان داده  که با تبدیل لگاریتمی آن­ها که نرمال نبوده نرمال گردیدند و در تحلیل­های آماری مورد استفاده قرار گرفتند. تجزیه و تحلیل همبستگی برای عناصر مورد مطالعه در نمونه های خاک برای تعیین روابط چند عنصر  و مشخص کردن انواع منشاء آلودگی قابل توجه است. در سطح اعتماد01/0P ≤، ارتباط معنی دار و همبستگی قوی بین عناصر Co، Cr، Zn و Cu وجود دارد(ضریب همبستگی بالای 8/0) (جدول2). همبستگی قوی این عناصر حاکی از یک منشاء واحد است.لازم به توضیح است ماتریس همبستگی می تواند انواع منشاء را مشخص کند اما نمی تواند در خصوص طبیعی بودن منشاء (منشاء ژئوژنیک یا لیتوژنیک) و منشاء غیر طبیعی (آنتروپوژنیک) یا عامل انسانی بحث نماید. از طرفی همبستگی عنصر Cd با سایر عناصر بسیار ضعیف (ضریب همبستگی کمتر از 2/0)و همبستگی عنصر Pb با عناصر Co، Cr، Zn و Cu عموما متوسط (بین 4/0 تا 6/0) است. لذا Pb می تواند تقریبا هم منشاء با عناصر Co، Cr، Zn و Cu باشد. اما Cd منشاء متفاوتی با سایر عناصر نشان می دهد که ممکن است حاکی از منشاء انسانی و ناشی از فعالیت های نیروگاه شازند باشد.                


جدول2- ماتریس همبستگی  پیرسون عناصردر نمونه های خاک(p01/0)

Table 2. Pearson correlation matrix of heavy metals in soil data.

متغیرها

Co

Pb

Log Cd

LogCr

Log Zn

Log Cu

Co

00/1

 

 

 

 

 

Pb

45/0

00/1

 

 

 

 

Log Cd

10/0

07/0

00/1

 

 

 

Log Cr

98/0

43/0

08/0

00/1

 

 

Log Zn

98/0

43/0

06/0

96/0

00/1

 

Log Cu

98/0

42/0

08/0

98/0

97/0

00/1

 


آنالیز عاملی (Factor analysis)

آنالیز عاملی با کاهش تعداد متغیرها، ساده سازی داده ها و در نتیجه تسهیل تجسم ارتباط معنی داری متغیرهای آلوده کننده را انجام می دهد(13،14،15). با توجه به بردار ماتریس پنهان یک، در آنالیز عاملی، حداکثر سه عامل به دست آمد(جدول3). مقادیر بالاتر از 7/0 از هر متغیر تأثیر به سزایی در هر یک از عوامل دارند. در عامل اول فلزات Co، Cr، Zn و Cu،در عامل دوم عنصر Cd و در عامل سوم فلز Pb نسبت به سایر فلزات دارای تأثیر پذیری بیشتری بوده و حاکی سه منشاء برای آلودگی است(15). فلزات Co، Cr، Zn و Cu با هم دارای منشاء واحدی بوده و فلز Cd و Pb نیز هریک دارای منشاء جداگانه ای هستند(شکل (5)).


 


جدول 3- عوامل منتج شده از مطالعات آنالیز عاملی داده های اولیه

Table3: Factors in factor analysis of soil data.

عامل سه

عامل دو

عامل یک

متغیر ها

09/0-

02/0-

99/0-

Co

83/0

08/0

54/0-

Pb

08/0-

98/0

12/0-

Log Cd

11/0-

04/0-

98/0-

Log Cr

10/0-

05/0-

98/0-

Log Zn

13/0-

04/0-

98/0-

Log Cu


 

شکل 5- آنالیز عاملی درفضای سه بعدی که سه منشاء از فلزات را نشان می دهد.

Figure 5. Factor analysis in three dimension show three source of heavy metals.

 


آنالیز خوشه ای (Cluster analysis)

در تایید آنالیز عاملی جهت مشخص کردن آلودگی، آنالیز خوشه ای نیز انجام گردید(شکل6).در مورد داده های اولیه، ارتباط میان عناصر Cu و Co نزدیک تر بوده و سپس به ترتیب این عناصر با Cr و Zn در یک دسته قرار می گیرند(گروه سوم). ارتباط عناصر Pb و Cd با سایر عناصر بسیار کم است، لذا در گروه­های منشایی جداگانه قرار می گیرند(گروه دوم و گروه سوم)(15). نتایج گروه بندی سه­گانه آنالیز خوشه ای منطبق بر نتایج آنالیز عاملی بوده که حاکی از سه منشاء است.

 


 

شکل 6- نمودار خوشه ای برای 6 متغیر

Figure 6. Cluster diagram of six variables.


زمین آمار

برای تعیین غلظت عناصر مورد مطالعه در تمام منطقه و نیز پهنه بندی پراکندگی عناصر در خاک از زمین آمار استفاده شد.روش زمین آماری مورد استفاده در این مطالعه، روش کریگینگ معمولی می باشد. برای استفاده از این روش، محاسبه و ترسیم نمودارهای سمی واریوگرام الزامی است(15). برای مطالعات زمین آماری در این مطالعه از بسته نرم افزاری GS+ استفاده شده است.مدل سمی واریوگرام مناسب برای برازش داده های مورد مطالعه مدل کروی می باشد. با توجه به این­که بر اساس استاندارد پوسته زمین در جدول (1) و هم­چنین عامل غنی شدگی و سایر شاخص­ها مشخص گردیدکه تنها عنصر آلوده در خاک اطراف نیروگاه شازند اراکCd  می باشد، لذا تنها نمودار سطحی سمی واریوگرام داده های اولیه این عنصر به صورت  دو بعدی و سه بعدی در این مقاله مورد تحلیل قرارگرفت(اشکال 7 و 8). فلز Cd در مرکز، واریانس شدیدی از خود نشان داده و در حواشی افزایش نامحسوسی دارد، ضمنا این  افزایش تا حاشیه به طور یکنواخت ادامه می­یابد.


 


 

شکل 7-نمودار سمی واریوگرام دو بعدی لگاریتم Cd

Figure7. Semi-variogram of LogCd in two dimensions.

 

شکل 8-نمودار سمی واریوگرام سه بعدی لگاریتم Cd

Figure 8. Semi-variogram of LogCd in three dimensions.

 


بعد از محاسبه سمی واریوگرام ،با استفاده از تخمین­گر کریگینگ، نقشه پراکندگی غلظتCd  به صورت دوبعدی و سه بعدی در بسته نرم افزاری GS+ ترسیم گردید.به همین منظور در روش بلوکی، بلوک های 2×2 متر مکعبی انتخاب گردید. در شکل­های مورد نظر ، Cd به سمت نیروگاه که در حاشیه جنوب غربی نقشه قراردارد، حاکی از غلظت بالای این عنصر است(اشکال 9 و 10). غلظت Cd در خاک به علل مختلفی افزایش می یابد. وجود غلظت های بالای طبیعی این فلز در خاک، به دلیل استفاده از کودهای فسفات در کشاورزی است که مقادیر Cd در آن بالاست. همچنین وجود Cd در نفت خام و استفاده آن توسط صنایع نفتی، نیروگاهی، پتروشیمی در منطقه یکی دیگر از علل افزایش بیش از حد غلظت این عنصر در خاک منطقه مورد مطالعه می باشد. قرارگیری کارخانه تولید آسفالت، کارخانجات تولید رنگ و مواد شیمیایی و نیز Cd موجود در باطری های زباله های شهری و صنعتی همگی موجب ایجاد آلودگی خاک منطقه شده است. عامل غنی شدگی این فلز نیز حاکی از غنی شدگی Cd در خاک است. سایر عناصر با توجه به پایین بودن آنها نسبت به مقدار استاندارد پوسته و نیز با توجه به عامل غنی شدگی پایین جزء عناصر آلوده کننده محسوب نمی شوند.

 


 

شکل 9- نقشه دو بعدی کریگینگ پراکندگیCdدر منطقه مورد مطالعه

Figure 9. Kriking map of Cd distribution in two dimensions.

 

 

شکل 10- نقشه سه بعدی کریگینگ پراکندگیCd در منطقه مورد مطالعه

Figure 10. Kriking map of Cd distribution in three dimensions.

 


بحث و نتیجه گیری

عناصر Co، Pb، Cr، Zn و Cu با عامل غنی شدگی کمتر از 2، تهی شدگی و عنصر کادمیوم با عامل غنی شدگی 5-2 دارای غنی شدگی ملایم و در برخی نقاط با عامل غنی شدگی در بازه 20-5 غنی شدگی بالا را نشان می دهد. اما در مورد شاخص انباشتگی زمین شناسی مشاهده می شود که Cr، Zn و Cu در محیط ایجاد آلودگی با نسبت های ملایم تا شدید قرار می گیرد که این نتیجه با نتایج عامل غنی شدگی و هم­چنین مقایسه آن با استاندارد پوسته زمین در تناقض بوده و در نتیجه گیری نهایی دخالت داده نشد. درجه آلودگی منطقه مورد بررسی تحت تأثیر مقدار عنصر Cd بوده و تغییرات شاخص آلودگی سایر عناصر بسیار ناچیز می باشد. بررسی های آماری از جمله ماتریس همبستگی نشان داد که ضریب همبستگی عناصری چون Co، Cr، Zn و Cu نسبت به هم بالا بوده، اما همبستگی عناصر اخیر با Pb متوسط و با Cd بسیار ضعیف است.لذا می توان سه منشاء برای عناصر مورد مطالعه در نظر گرفت. عناصری چون Co، Cr، Zn و  Cu دارای منشاء واحد و عناصر Pb و Cd نیز هرکدام منشاء جداگانه ای دارند. در بحث آنالیز عاملی ،عامل اول فلزات Co، Cr، Zn و Cu، عامل دوم عنصرCd و عامل سوم فلزPb را نشان داد که حاکی از سه منشاء برای عناصر در منطقه است. نتایج آنالیز خوشه ای نیز مؤید نتایج آنالیز عاملی و ماتریس همبستگی است. با توجه به این­که در تعیین منشاء عناصر، سه روش ماتریس همبستگی، آنالیز عاملی و آنالیز خوشه ای یک­دیگر را تایید می کنند، لذا می­توان نتیجه گرفت که کلیه عناصر مورد مطالعه نمی­توانند یک منشاء واحد یا طبیعی داشته باشند. طبعا فرآیندهای دیگری نیز در خاک منطقه رخ داده است که سبب شدهPb  و Cd خود را از زمینه عناصر Co، Cr، Zn و Cu تفکیک نمایند(9). عامل اخیر می­تواند ناشی از فرآیندهای غیر طبیعی و به عبارتی فعالیت های انسانی باشد. با توجه به اینکه صنایع بزرگی چون نیروگاه حرارتی شازند، پالایش­گاه و پتروشیمی شازند و نیز صنایع خرد دیگری در منطقه وجود دارند، باید در افزایش عناصر Pb و خصوصا Cd در خاک های منطقه نقش داشته باشند. به همین منظور نقشه پراکندگی عنصر سرب مورد توجه قرارگرفت. پراکندگی Cd نشان داد که عمده توزیع این عنصر مربوط به خاک های حواشی صنایع بزرگ از جمله نیروگاه حرارتی شازند است.از دیگر علل افزایش این فلز در خاک می توان به استفاده از کودهای فسفات در کشاورزی اشاره کرد که مقادیر Cd در آن بالا می باشد، (3). با توجه به نقشه کریگینگ، آلودگی فلز Cd عمدتا در بخش جنوب غربی و نزدیک به نیروگاه و صنایع مجاور تمایل دارد. از آن­جا که Cd در مازوت ایران به طور طبیعی بالاست، بخشی از این آلودگی به دود انتقال یافته و توسط باد، باعث تجمع آن در خاک منطقه شده است؛ ضمن این که جهت باد نیز هم جهت با توزیع آلودگی است. غلظت سایر عناصر در خاک منطقه مورد مطالعه بسیار کمتر از زمینه ژئوشیمیایی بوده و در خاک منطقه آلودگی ایجاد نکرده است و توزیع و منشاء آن­ها عوامل طبیعی (عامل لیتوژنیک یا ژئوژنیک) از جمله سنگ منشاء  با ترکیب اسلیت های آهکی و سنگ آهک متبلور دانه ریز و فرایند های موثر بر آن­هاست.

نیروگاه شازند محل تبدیل انرژی سوخت (شیمیایی) به انرژی الکتریکی است. اساس کار نیروگاه های حرارتی بر تبدیل انرژی حرارتی حاصل از سوخت ذغال‌سنگ، نفت، مازوت، گازوییل، گاز یا انرژی حرارتی ناشی از فعل و  انفعالات هسته‌ای به انرژی الکتریکی قرار دارد. با توجه به افزایش میزان سرانه تولید انرژی برق و افزایش جمعیت، نیاز به انرژی الکتریکی افزایش یافته که 90 درصد آن با سوزاندن سوخت­های فسیلی ازجمله مازوت به دست خواهد آمد. در اثر سوزاندن مازوت در نیروگاه­ها ازجمله نیروگاه شازند، علاوه برگازهای مختلف، عناصر سنگینی ایجاد می شود که با تجمع در خاک منجر به آلودگی آن می شوند(8). این بررسی نشان داد در نیروگاه شازند نظیر نیروگاه­های دیگر چون سوخت فسیلی آن مازوت است، بدیهی است در اثر سوخت مازوت عناصر سنگین ایجاد شده که در جهت باد در خاک های منطقه توزیع شده است. اما به دلیل جوان بودن فعالیت­های نیروگاه شازند، غنی سازی عناصر مورد نظر طبق بررسی به عمل آمده  غیر از عنصر Cd کم می­باشد. این بررسی نشان داد سه منشاء برای عناصر موجود در خاک منطقه قابل پیش بینی است. کادمیم  به دلیل غنی شدگی در اکثر نمونه های منطقه دارای منشاء آنتروپوژنیک (فعالیت­های انسان ساخت از جمله نیروگاه حرارتی با سوخت فسیلی) بوده و به نظر می­رسد با توجه به پراکندگی آن در اطراف نیروگاه شازند، ناشی از فعالیت­های نیروگاه باشد. سرب که در یک گروه و عناصرZn، Co، Cu و Cr در گروه دیگری قرار می گیرند، عمدتا دارای غنی سازی ضعیفی بوده و در شرایط حاضر آلودگی نشان نمی­دهند. به عبارتی دو گروه اخیر دارای منشاء طبیعی هستند و غلظت آن­ها کمتر از مقدار استاندارد پیش بینی شده پوسته زمین است. لازم به توضیح است چون مازوت دارای عناصرمختلف می باشد لذا این انتظار می رود در آینده با ادامه فعالیت و مصرف سوخت مازوت، شاهد آلودگی خاک باشیم. بنابراین، نیروگاه شازند می­تواند با تخلیه آلاینده‌های گازی، ذرات و پساب ها، باعث آلودگی در محل خود شود، لذا باید پیش بینی های لازم جهت جلوگیری و یا کاهش اثرات آلودگی صورت گیرد. لازم به توضیح است، آلودگی به عناصر سنگین در خاک نیروگاه­هایی درترکیه و اسپانیا که عمر طولانی از آن­ها می­گذرد بالا بوده(8،9) و این می­تواند الگویی برای ما باشد که با تغییر نوع سوخت در نیروگاه شازند بتوانیم از آلودگی خاک در آینده ممانعت به عمل آوریم.

    

Reference

  1. Faizi, A.A., Mansori, M.,2006. Quality and quantity determination of environmental pollution in Shazand power plant, Power Technology Development Center,20th Intenational Electricity Conference. (In Persion)
  2. Moradi Araghi, H., 2012.Using of statistica and GIS in determination of aried soil pollution, MSc thesis, Arak Islamic Azad University, Faculty of Natural Resources. In Persion
  3. Khosravi Dehkordi, A., 1999. Spatial distribution of heavy metal in industrial, urban and agricultural soils of Esfahan, MSc thesis in environment, Industrial University of Esfahan. (In Persion)
  4. Klein, D. H., Russell, P., 1973.Heavy Metals: Fallout Around a Power Plant, Environmental Science and Technology, Vol. 7, pp.357-358
  5. Sollitto, D., Romic, M., Castrignanò, A., Romic, D., Bakic, H., 2010.Assessing heavy metal contamination in soils of the Zagreb region (Northwest Croatia) using multivariate geostatistics-Catena, Vol. 80, pp. 182–194
  6. Christoforidis, A., Stamatis, N., 2009.Heavy metal contamination in street dust and roadside soil along the major nationalroad in Kavala's region, Greece-Geoderma, Vol.151, pp. 257–263
  7. Yaylalı-Abanuz, G., 2011.Heavy metal contamination of surface soil around Gebze industrial area, Turkey, Microchemical Journal, pp. 82-92    
  8. Soriano, A., Pallarés, S., Pardo, F., Vicente, A.B., Sanfeliu, T., Bech, J.,2012. Deposition of heavy metals from particulate settleable matter in soils of an industrialised area, Journal of Geochemical Exploration, Vol.113, pp. 36–44
  9. Guill´en, M. T., Delgado, J., Albanese, S., Nieto, J. M., Lima, A., De Vivo, B., 2012.Heavy metals fractionation and multivariate statistical techniques to evaluatethe environmental risk in soils of Huelva Township (SW Iberian Peninsula), Journal of Geochemical Exploration, Vol.119-120, pages.32-43
  10. Testiati, E., Parinet, J., Massiani, C., Laffont-Schwob, I. Rabier, J., Pfeifer, H. R., Lenobled, V., Masotti, V., Prudent, P., 2013.Trace metal and metalloid contamination levels in soils and in two native plantspecies of a former industrial site: Evaluation of the phytostabilization potential, Journal of Hazardous Materials, Vol.248– 249, pp. 131– 141
  11. Zandieh, F., Shayesteh Far, M.R., Rahimi Pour, G.R., 2012. Principle component analysis of closed geochemical data (case study of mineral area of Aijo, 31it Earth science conference. (In Persion)
  12. Pekey, H., Dogan, G., 2004. Application of positive matrix factorisation for the source apportionment of heavymetals in sediments: A comparison with a previous factor analysis study, Microchemical Journal, pp. 233-237
  13. Romero, A., González, I., Fernández, I.M., Galán, E., 2013.Evaluation of trace element contamination changes in soils using a newnormalization factorApplication to the Guadiamar soils (SW Spain) affected by a mine spill in 1998, Journal of Geochemical Exploration, Vol.124, pp. 29–39
  14. Kim, E., Hopke, P.K., Edgerton, E.S., 2004. Improving source identification of Atlanta aerosolusing temperature resolved carbon fractions in positivematrix factorization, Atmosphere Environment, pp. 3349–3362
  15. Mohamadi Vali Kandi, E., 2011. Evalution of heavy metal environmental geochemistry in soils of Shazand thermal power plant, MSc thesis, Arak university of Technology, Faculty of Mining Department. (In Persion) 

 

 

 

 

 

 

 

 



1- دانشیار گروه رسوب شناسی، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران *(مسوول مکاتبات)

2- دانشجوی دکترای مهندسی اکتشاف معدن، دانشگاه صنعتی امیرکبیر. مربی آموزشی، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اراک

3- دانش آموخته کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اراک.

1- Associate Professor Dept. of Sedimentology School of Mining Engineering, Arak University of Technology, Arak, Iran. *(Corresponding Authours)

2- PhD Student in mining explotation engineering, Amirkabir University of Technology. Instructor, Faculty of Mining Engineering, Arak University of Technology.

3- Master of Science in Mining Engineering, Arak University of Technology

 

  1. Faizi, A.A., Mansori, M.,2006. Quality and quantity determination of environmental pollution in Shazand power plant, Power Technology Development Center,20th Intenational Electricity Conference. (In Persion)
  2. Moradi Araghi, H., 2012.Using of statistica and GIS in determination of aried soil pollution, MSc thesis, Arak Islamic Azad University, Faculty of Natural Resources. In Persion
  3. Khosravi Dehkordi, A., 1999. Spatial distribution of heavy metal in industrial, urban and agricultural soils of Esfahan, MSc thesis in environment, Industrial University of Esfahan. (In Persion)
  4. Klein, D. H., Russell, P., 1973.Heavy Metals: Fallout Around a Power Plant, Environmental Science and Technology, Vol. 7, pp.357-358
  5. Sollitto, D., Romic, M., Castrignanò, A., Romic, D., Bakic, H., 2010.Assessing heavy metal contamination in soils of the Zagreb region (Northwest Croatia) using multivariate geostatistics-Catena, Vol. 80, pp. 182–194
  6. Christoforidis, A., Stamatis, N., 2009.Heavy metal contamination in street dust and roadside soil along the major nationalroad in Kavala's region, Greece-Geoderma, Vol.151, pp. 257–263
  7. Yaylalı-Abanuz, G., 2011.Heavy metal contamination of surface soil around Gebze industrial area, Turkey, Microchemical Journal, pp. 82-92    
  8. Soriano, A., Pallarés, S., Pardo, F., Vicente, A.B., Sanfeliu, T., Bech, J.,2012. Deposition of heavy metals from particulate settleable matter in soils of an industrialised area, Journal of Geochemical Exploration, Vol.113, pp. 36–44
  9. Guill´en, M. T., Delgado, J., Albanese, S., Nieto, J. M., Lima, A., De Vivo, B., 2012.Heavy metals fractionation and multivariate statistical techniques to evaluatethe environmental risk in soils of Huelva Township (SW Iberian Peninsula), Journal of Geochemical Exploration, Vol.119-120, pages.32-43
  10. Testiati, E., Parinet, J., Massiani, C., Laffont-Schwob, I. Rabier, J., Pfeifer, H. R., Lenobled, V., Masotti, V., Prudent, P., 2013.Trace metal and metalloid contamination levels in soils and in two native plantspecies of a former industrial site: Evaluation of the phytostabilization potential, Journal of Hazardous Materials, Vol.248– 249, pp. 131– 141
  11. Zandieh, F., Shayesteh Far, M.R., Rahimi Pour, G.R., 2012. Principle component analysis of closed geochemical data (case study of mineral area of Aijo, 31it Earth science conference. (In Persion)
  12. Pekey, H., Dogan, G., 2004. Application of positive matrix factorisation for the source apportionment of heavymetals in sediments: A comparison with a previous factor analysis study, Microchemical Journal, pp. 233-237
  13. Romero, A., González, I., Fernández, I.M., Galán, E., 2013.Evaluation of trace element contamination changes in soils using a newnormalization factorApplication to the Guadiamar soils (SW Spain) affected by a mine spill in 1998, Journal of Geochemical Exploration, Vol.124, pp. 29–39
  14. Kim, E., Hopke, P.K., Edgerton, E.S., 2004. Improving source identification of Atlanta aerosolusing temperature resolved carbon fractions in positivematrix factorization, Atmosphere Environment, pp. 3349–3362
  15. Mohamadi Vali Kandi, E., 2011. Evalution of heavy metal environmental geochemistry in soils of Shazand thermal power plant, MSc thesis, Arak university of Technology, Faculty of Mining Department. (In Persion)