DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-67988-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39160193
تاريخ النشر: 2024-08-19
المؤلف: Pankaj Bakshe وآخرون
الموضوع الرئيسي: المياه الجوفية وكيمياء النظائر
نظرة عامة
تبحث الدراسة في التركيب الجيوكيميائي للمياه الجوفية في منطقة غاتس الغربية الحساسة بيئيًا في كيرالا، الهند، مع التركيز على تأثير العلاقات بين الأيونات وعوامل كيميائية وفيزيائية متنوعة. تكشف تحليل عمليات التجوية ومؤشرات الأيونات أن المياه الجوفية تتراوح من اللينة إلى الصلبة للغاية وتظهر طيف pH من الحمضي إلى القلوي، مع غنى ملحوظ بالمنغنيز (Mn) والحديد (Fe). تشير تقييمات مؤشر جودة المياه (WQI) إلى أن 7% من العينات غير صالحة للشرب بسبب تلوث Fe/Mn، خاصة في المنطقة الجنوبية الشرقية. الأنواع المائية السائدة التي تم تحديدها هي بيكربونات الكالسيوم (CaHCO₃) وكلوريد الكالسيوم والمغنيسيوم (CaMgCl)، مع اقتراح النمذجة الجيوكيميائية أن عمليات التجوية من السيليكات والكربونات، وتبادل الكاتيونات، وعمليات الأيون العكسي تؤثر بشكل كبير على كيمياء المياه الجوفية.
تسلط نتائج الدراسة الضوء على أنه بينما يتم تصنيف الغالبية (68%) من عينات المياه الجوفية على أنها ممتازة إلى جيدة للشرب، فإن جزءًا كبيرًا يتجاوز حدود معايير المكتب الهندي (BIS) للحديد والمنغنيز. تشير التحليلات إلى أن تجوية المعادن هي المحرك الرئيسي لكيمياء المياه، مع هيمنة المعادن القلوية الأرضية على المعادن القلوية في معظم العينات. تكشف تحليل المجموعات الهرمية (HCA) وتحليل المكونات الرئيسية (PCA) عن تجميعات متميزة تتعلق بأنماط التمعدن والتأثيرات البشرية، خاصة من مصادر النترات والبوتاسيوم. تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين العمليات الطبيعية والأنشطة البشرية التي تؤثر على جودة المياه الجوفية، داعية إلى استراتيجيات إدارة شاملة لحماية هذه المورد الحيوي في منطقة حساسة بيئيًا.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام طرق إحصائية متعددة المتغيرات لتحليل العمليات الجيوكيميائية وتحديد مصادر المكونات المذابة في عينات المياه. شملت المنهجية تحليل الارتباط لبيرسون وتحليل المجموعات الهرمية الذي تم إجراؤه باستخدام Origin Pro 2022، بينما تم إجراء تحليل العوامل باستخدام IBM SPSS الإصدار 26، مع استخدام تحليل المكونات الرئيسية (PCA) مع تدوير فاريمكس وتطبيع كايسر. حددت PCA ثلاثة مكونات رئيسية بناءً على القيم الذاتية التي تزيد عن واحد، والتي تم تصورها في رسم بياني ثلاثي الأبعاد لتعزيز تفسير البيانات الجيوكيميائية.
لتجميع مواقع أخذ العينات التي تظهر خصائص هيدروكيميائية مشابهة، تم تنفيذ تحليل المجموعات الهرمية، ممثلة كخريطة حرارية قطبية، باستخدام المسافة الإقليدية المربعة وتقنية وارد. قبل PCA وتحليل المجموعات الهرمية، تم توحيد مجموعة بيانات جودة المياه وتحويلها إلى درجات z لتقليل التحيز الناتج عن العوامل الفردية. تم قياس الارتباط بين المتغيرات باستخدام معامل الارتباط لبيرسون (r)، وتم إدارة الإحصائيات الوصفية باستخدام Microsoft Excel 2016. تؤكد المنهجية على نهج صارم لفهم التفاعلات المعقدة داخل الأنظمة الهيدروكيميائية.
نتائج
تشير نتائج التحليل الإحصائي الوصفي لجودة المياه الجوفية إلى نطاق pH من 3.06 إلى 8.35، بمتوسط 7.08، مما يصنف العينات إلى مجموعات حمضية (12%، N = 7)، محايدة (44%، N = 25)، وقلوية (44%، N = 25). من الجدير بالذكر أن العينات S6 وS16 وS43 وS47 وS48 أظهرت حموضة عالية، على الأرجح بسبب هطول الأمطار الغزيرة وظروف منسوب المياه المنخفضة السائدة في المنطقة. تراوحت الموصلية الكهربائية (EC) من 50 إلى 970 μS/cm، بمتوسط 266 μS/cm، مع 67% من العينات تظهر EC < 250 μS/cm. تراوحت المواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS) المحسوبة من EC من 32 إلى 621 ملغ/لتر، مع 46% من العينات تحت 100 ملغ/لتر، مما يُعزى إلى تأثيرات الغسل الناتجة عن هطول الأمطار الموسمية. كشف تصنيف الصلابة الكلية (TH) أن 34 عينة تم تصنيفها على أنها لينة (TH < 60 ملغ/لتر)، بينما كانت الأخرى صلبة بشكل معتدل (N = 13)، صلبة (N = 5)، وصعبة جدًا (N = 5). كما أبرز التحليل الانحرافات المعيارية الكبيرة في EC وTDS وTH، مما يشير إلى تأثيرات جيوكيميائية متنوعة على المياه الجوفية. لوحظت تركيزات مرتفعة من الحديد (Fe) والمنغنيز (Mn)، حيث تراوحت مستويات Fe من < 0.05 ملغ/لتر إلى 2.83 ملغ/لتر (متوسط 0.32 ملغ/لتر)، وMn من < 0.02 ملغ/لتر إلى 6.05 ملغ/لتر (متوسط 0.27 ملغ/لتر). تجاوز عدد كبير من العينات الحدود المقبولة للحديد والمنغنيز وفقًا لإرشادات BIS، مما يشير إلى مخاوف محتملة لجودة مياه الشرب.
مناقشة
تركز الدراسة على الخصائص الهيدروكيميائية لجبال غاتس الغربية في كيرالا، الهند، التي تغطي مساحة 25,261 كيلومتر مربع. هذه المنطقة، المعروفة بتنوعها البيولوجي الغني وزراعة المحاصيل الزراعية الكبيرة، تواجه تحديات بيئية مثل الانهيارات الأرضية وتدهور جودة المياه بسبب الممارسات غير المستدامة. تم تحليل عينات المياه الجوفية التي تم جمعها خلال موسم ما قبل الأمطار لمجموعة متنوعة من المعلمات الكيميائية، مما يكشف عن مؤشر جودة المياه (WQI) يتراوح من 14 إلى 621، مع تصنيف 42% من العينات على أنها ذات جودة جيدة. تشير التوزيعات المكانية لـ WQI إلى أن حوالي نصف منطقة الدراسة تقع ضمن فئة الجودة الممتازة إلى الجيدة، بينما يُعتبر جزء أصغر غير مناسب للشرب.
حدد تحليل الفئات الهيدروكيميائية الأيونات السائدة في المياه الجوفية على أنها Na⁺ وCa²⁺ وMg²⁺، مع توضيح مخطط تشادها لثلاث فئات رئيسية: CaHCO₃ وCaMgCl وNaCl. تعتبر تجوية المعادن، وخاصة من السيليكات، هي العملية الرئيسية التي تؤثر على كيمياء المياه الجوفية، كما يتضح من مخططات غيبس وتفاعلات تبادل الأيونات. استخدمت الدراسة أيضًا تحليلات إحصائية متعددة المتغيرات، مما يكشف عن ارتباطات كبيرة بين مختلف المعلمات ويسلط الضوء على التأثيرات البشرية على مستويات النترات والبوتاسيوم. حدد تحليل المكونات الرئيسية (PCA) تجوية المعادن كمصدر رئيسي للمكونات الكيميائية، حيث تمثل 50.2% من التباين، بينما ساهمت الأنشطة البشرية في زيادة مستويات النترات. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية ممارسات الإدارة المستدامة للحفاظ على جودة المياه في هذه المنطقة الحساسة بيئيًا.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-67988-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39160193
Publication Date: 2024-08-19
Author(s): Pankaj Bakshe et al.
Primary Topic: Groundwater and Isotope Geochemistry
Overview
The research investigates the geochemical composition of groundwater in the eco-sensitive Western Ghats region of Kerala, India, emphasizing the influence of inter-ionic relationships and various chemical and physical factors. Analysis of weathering and ionic indices reveals that groundwater ranges from soft to extremely hard and exhibits a pH spectrum from acidic to alkaline, with notable enrichments of manganese (Mn) and iron (Fe). Water Quality Index (WQI) assessments indicate that 7% of samples are unfit for drinking due to Fe/Mn contamination, particularly in the southeastern area. The predominant water types identified are calcium bicarbonate (CaHCO₃) and calcium magnesium chloride (CaMgCl), with geochemical modeling suggesting that silicate and carbonate weathering, cation exchange, and reverse ion processes significantly influence aquifer chemistry.
The study’s findings highlight that while the majority (68%) of groundwater samples are classified as excellent to good for drinking, a substantial portion exceeds the Bureau of Indian Standards (BIS) limits for Fe and Mn. The analysis indicates that mineral weathering is a primary driver of water chemistry, with alkaline earth metals predominating over alkali metals in most samples. Hierarchical cluster analysis (HCA) and principal component analysis (PCA) reveal distinct groupings related to mineralization patterns and anthropogenic influences, particularly from nitrate and potassium sources. The results underscore the intricate interplay between natural processes and human activities affecting groundwater quality, advocating for comprehensive management strategies to protect this vital resource in an ecologically sensitive area.
Methods
In this study, multivariate statistical methods were employed to analyze geochemical processes and identify sources of dissolved constituents in water samples. The methodology included Pearson correlation analysis and hierarchical cluster analysis conducted using Origin Pro 2022, while factor analysis was performed with IBM SPSS version 26, utilizing principal component analysis (PCA) with Varimax rotation and Kaiser Normalization. The PCA identified three main components based on eigenvalues greater than one, which were visualized in a three-dimensional box plot to enhance the interpretation of geochemical data.
To group sampling locations exhibiting similar hydrogeochemical characteristics, hierarchical cluster analysis was executed, represented as a polar heat map, employing squared Euclidean distance and Ward’s technique. Prior to PCA and hierarchical cluster analysis, the water quality dataset was standardized and converted into z-scores to mitigate bias from individual factors. The correlation among variables was quantified using Pearson’s correlation coefficient (r), and descriptive statistics were managed using Microsoft Excel 2016. The methodology underscores a rigorous approach to understanding the complex interactions within hydrogeochemical systems.
Results
The results of the descriptive statistical analysis of groundwater quality indicate a pH range from 3.06 to 8.35, with an average of 7.08, categorizing the samples into acidic (12%, N = 7), neutral (44%, N = 25), and alkaline (44%, N = 25) groups. Notably, samples S6, S16, S43, S47, and S48 exhibited high acidity, likely due to significant rainfall and low water table conditions prevalent in the region. The electrical conductivity (EC) varied from 50 to 970 μS/cm, averaging 266 μS/cm, with 67% of samples showing EC < 250 μS/cm. Total dissolved solids (TDS) calculated from EC ranged from 32 to 621 mg/L, with 46% of samples below 100 mg/L, attributed to the flushing effects of monsoonal rainfall. The classification of total hardness (TH) revealed that 34 samples were categorized as soft (TH < 60 mg/L), while others were moderately hard (N = 13), hard (N = 5), and very hard (N = 5). The analysis also highlighted significant standard deviations in EC, TDS, and TH, suggesting diverse geochemical influences on the aquifer. Elevated concentrations of iron (Fe) and manganese (Mn) were observed, with Fe levels ranging from < 0.05 mg/L to 2.83 mg/L (average 0.32 mg/L), and Mn from < 0.02 mg/L to 6.05 mg/L (average 0.27 mg/L). A substantial number of samples exceeded the acceptable limits for Fe and Mn as per BIS guidelines, indicating potential concerns for drinking water quality.
Discussion
The study focuses on the hydrogeochemical characteristics of the Western Ghats in Kerala, India, covering an area of 25,261 square kilometers. This region, known for its rich biodiversity and significant agricultural plantations, faces environmental challenges such as landslides and water quality degradation due to unsustainable practices. Groundwater samples collected during the premonsoon season were analyzed for various chemical parameters, revealing a Water Quality Index (WQI) ranging from 14 to 621, with 42% of samples classified as good quality. The spatial distribution of WQI indicates that approximately half of the study area falls within the excellent to good quality category, while a smaller proportion is deemed unsuitable for drinking.
The hydrochemical facies analysis identified dominant ions in groundwater as Na⁺, Ca²⁺, and Mg²⁺, with the Chadha diagram illustrating three main facies: CaHCO₃, CaMgCl, and NaCl. Mineral weathering, particularly from silicates, is the primary process influencing groundwater chemistry, as indicated by Gibbs plots and ion exchange reactions. The study also employed multivariate statistical analyses, revealing significant correlations among various parameters and highlighting anthropogenic influences on nitrate and potassium levels. Principal Component Analysis (PCA) identified mineral weathering as the main source of chemical constituents, accounting for 50.2% of the variance, while anthropogenic activities contributed to elevated nitrate levels. Overall, the findings underscore the importance of sustainable management practices to preserve water quality in this ecologically sensitive region.