DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38103-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41629432
تاريخ النشر: 2026-02-02
المؤلف: Joanna Jaskuła وآخرون
الموضوع الرئيسي: المعادن الثقيلة في البيئة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير المعلمات الهيدروليكية على تركيز وتوزيع المعادن الثقيلة (HMs) في الرواسب من خزان ستاري مياستو ذو المرحلتين. باستخدام تقنيات نظم المعلومات الجغرافية، ونظام النمذجة الهيدروديناميكية IBER 2D، والتحليلات الإحصائية، قامت الدراسة بتحليل 30 عينة من الرواسب السطحية. كشفت النتائج أن التركيزات الوسيطة للمعادن الثقيلة اتبعت الترتيب Zn > Pb > Cu > Cr > Ni > Cd، مع ملاحظة أعلى التركيزات في قسم ما قبل السد. ومن الجدير بالذكر أن Zn و Pb و Cd شكلت أكبر المخاطر البيئية، وكانت تركيزاتها مرتبطة بشكل كبير مع كسور الرواسب والمسافة من المدخل. أظهرت المعلمات الهيدروليكية، مثل القطر الحرج، ورقم فورد، والسرعة، تأثيرًا سلبيًا على تركيزات Cu و Zn، بينما كانت التفريغ المحدد مرتبطًا إيجابيًا بمستويات Cu.
تخلص الدراسة إلى أن البناء ذو المرحلتين للخزان يحد بشكل فعال من توزيع الرواسب المكاني وي controls تلوث المعادن الثقيلة. على الرغم من إزالة الرواسب في منطقة ما قبل السد، ظلت تركيزات المعادن الثقيلة قابلة للمقارنة أو أعلى من تلك الموجودة في الخزان الرئيسي، مما يشير إلى أن منطقة ما قبل السد تلعب دورًا حاسمًا في تقليل سرعة التدفق وتسهيل ترسيب HMs. تؤكد النتائج على الحاجة إلى مزيد من البحث في دور المعلمات الهيدروليكية في تركيزات HMs، حيث إنها حاسمة لتقييم مستويات التلوث، والمخاطر البيئية، وفعالية استراتيجيات إدارة موارد المياه في خزان ستاري مياستو.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الحاجة الملحة لإدارة المياه المستدامة في ضوء تغير المناخ، مع التأكيد على دور الخزانات في وظائف تشغيلية متنوعة مثل الري، والسيطرة على الفيضانات، والترفيه. ومع ذلك، يرتبط بناء السدود بتأثيرات سلبية كبيرة، بما في ذلك التغيرات في الأنظمة الهيدرولوجية وتلوث المسطحات المائية بالعناصر الخطرة، وخاصة المعادن الثقيلة (HMs). تشكل هذه الملوثات مخاطر خطيرة على النظم البيئية المائية وصحة الإنسان، مما يستلزم فهمًا شاملاً لمصادرها وسلوكها في بيئات الرواسب.
تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثير المعلمات الهيدروليكية على تركيزات HMs وترسيب الرواسب في نظام خزان ذو مرحلتين، وتحديدًا خزان ستاري مياستو في بولندا. تسعى الدراسة إلى التوسع بما يتجاوز التحليلات التقليدية التي تركز فقط على سرعة التدفق من خلال دمج معلمات هيدروليكية إضافية مثل إجهاد القص في القاع، والقطر الحرج، ورقم فورد. تهدف هذه المقاربة الشاملة إلى توضيح الآليات التي تحكم نقل الرواسب وتراكم HMs، وبالتالي تحسين تحديد المناطق المعرضة للتلوث وتعزيز فهم ديناميات تلوث الرواسب. علاوة على ذلك، يتم استخدام دمج نظم المعلومات الجغرافية (GIS) والنمذجة الهيدروليكية لتقييم مستويات التلوث، والتوزيع المكاني، والآثار البيئية لتراكم الرواسب، مما يسهم في استراتيجيات إدارة موارد المياه الأكثر فعالية.
طرق
في هذه الدراسة، تضمنت الطرق الإحصائية المستخدمة لتحليل تركيزات المعادن الثقيلة (HMs)، وتحديدًا الكادميوم (Cd)، والكروم (Cr)، والنحاس (Cu)، والنيكل (Ni)، والرصاص (Pb)، والزنك (Zn)، اختبار شابيرو-ويلك لعينة واحدة لتقييم طبيعة التوزيعات. نظرًا لأن HMs التي تم تحليلها لم تتوافق مع توزيع طبيعي، تم استخدام طرق غير معلمية لمزيد من التحليل. تم إجراء اختبار مان-ويتني U لمقارنة التركيزات الوسيطة للمعادن الثقيلة في عينات الرواسب المجمعة من مناطق ما قبل السد والمناطق الرئيسية.
بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام معامل ارتباط رانك سبيرمان لتقييم العلاقات بين تركيزات المعادن الثقيلة المختلفة. لاستكشاف المزيد من التشابهات والاختلافات بين مواقع أخذ العينات بناءً على تركيزات HMs، تم إجراء تحليل العنقود (CA) باستخدام طريقة وارد، مع المسافة الإقليدية المربعة كمقياس للتشابه. قدمت هذه الطرق مجتمعة إطارًا إحصائيًا شاملاً لفهم توزيع وترابط المعادن الثقيلة في عينات الرواسب.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط واضح بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. ومن الجدير بالذكر أن النتائج تظهر أن التدخل أو العلاج المطبق يؤدي إلى تحسين قابل للقياس في النتائج المستهدفة، كما يتضح من أحجام التأثير والقيم p المبلغ عنها.
علاوة على ذلك، تكشف التحليلات عن أنماط محددة تشير إلى الآليات الأساسية التي تحرك التأثيرات الملحوظة. تسهم هذه النتائج في الجسم المعرفي القائم من خلال توفير دعم تجريبي للنماذج النظرية التي تم اقتراحها سابقًا في الأدبيات. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية مساهمات الدراسة في هذا المجال وتقترح سبلًا للبحث المستقبلي لاستكشاف آثار هذه النتائج بشكل أعمق.
مناقشة
يحتوي خزان ستاري مياستو، الواقع على نهر بوا في بولندا، على منطقة تجمع تبلغ 324.27 كم²، تتميز بشكل أساسي بالأراضي الزراعية. تم بناء الخزان في عام 2006، ويتميز بتصميم ذو مرحلتين يتضمن منطقة ما قبل السد ومنطقة رئيسية، ويؤدي وظائف متعددة تشمل الحماية من الفيضانات والترفيه. تشير الدراسات الحديثة إلى أن الرواسب في الخزان تتأثر بشكل كبير بالمعادن الثقيلة، حيث تتبع التركيزات الترتيب Zn > Cu > Ni > Pb > Cr > Cd. ومن الجدير بالذكر أن التركيزات المتوسطة لهذه المعادن كانت أعلى في منطقة ما قبل السد مقارنة بالخزان الرئيسي، مما يشير إلى تلوث مستمر من جريان المياه الزراعية والمناطق الحضرية.
أظهرت النمذجة الهيدروليكية التي أجريت باستخدام برنامج IBER أن ديناميات التدفق تلعب دورًا حاسمًا في نقل الرواسب وتوزيع المعادن الثقيلة داخل الخزان. تسهل المناطق ذات سرعة التدفق المنخفضة في منطقة ما قبل السد تراكم الرواسب الدقيقة التي ترتبط بالمعادن الثقيلة، بينما تعزز السرعات الأعلى بالقرب من مناطق المدخل والمخرج إعادة تعليق الرواسب. استخدمت الدراسة مؤشرات كيميائية جيوكيميائية متنوعة، بما في ذلك مؤشر التراكم الجيولوجي (Igeo) ومؤشر تحميل التلوث (PLI)، لتقييم مستويات تلوث الرواسب. أشارت النتائج إلى أنه بينما أظهرت معظم العينات عدم وجود تلوث كبير، فإن بعض المناطق، وخاصة بالقرب من الطريق السريع، أظهرت تركيزات مرتفعة من المعادن الثقيلة ومخاطر بيئية. تؤكد النتائج على أهمية المراقبة المستمرة واستراتيجيات الإدارة للتخفيف من تراكم المعادن الثقيلة في خزان ستاري مياستو.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38103-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41629432
Publication Date: 2026-02-02
Author(s): Joanna Jaskuła et al.
Primary Topic: Heavy metals in environment
Overview
This study investigates the influence of hydraulic parameters on the concentration and spatial distribution of heavy metals (HMs) in sediments from the Stare Miasto two-stage reservoir. Utilizing GIS techniques, the IBER 2D hydrodynamic modeling system, and statistical analyses, the research analyzed 30 surface sediment samples. The findings revealed that the median concentrations of heavy metals followed the order Zn > Pb > Cu > Cr > Ni > Cd, with the highest concentrations observed in the pre-dam section. Notably, Zn, Pb, and Cd posed the greatest ecological risks, and their concentrations were significantly correlated with sediment fractions and distance from the inflow. Hydraulic parameters, such as critical diameter, Froude number, and velocity, were shown to negatively influence Cu and Zn concentrations, while specific discharge positively correlated with Cu levels.
The study concludes that the two-stage construction of the reservoir effectively limits sediment spatial distribution and controls heavy metal pollution. Despite sediment removal in the pre-dam zone, heavy metal concentrations remained comparable or higher than in the main reservoir, indicating that the pre-dam zone plays a crucial role in reducing flow velocity and facilitating the deposition of HMs. The results underscore the need for further research into the role of hydraulic parameters in HM concentrations, as they are critical for assessing contamination levels, ecological risks, and the efficacy of water resource management strategies in the Stare Miasto reservoir.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the urgent need for sustainable water management in light of climate change, emphasizing the role of reservoirs in various operational functions such as irrigation, flood control, and recreation. However, the construction of dams is associated with significant negative impacts, including alterations to hydrological regimes and the contamination of water bodies with hazardous elements, particularly heavy metals (HMs). These contaminants pose serious risks to aquatic ecosystems and human health, necessitating a thorough understanding of their sources and behavior in sediment environments.
The study aims to investigate the influence of hydraulic parameters on HM concentrations and sediment deposition in a two-stage reservoir system, specifically the Stare Miasto reservoir in Poland. It seeks to extend beyond traditional analyses that focus solely on flow velocity by incorporating additional hydraulic parameters such as bed shear stress, critical diameter, and Froude number. This comprehensive approach aims to elucidate the mechanisms governing sediment transport and HM accumulation, thereby improving the identification of contamination-prone areas and enhancing the understanding of sediment-associated pollution dynamics. Furthermore, the integration of Geographic Information Systems (GIS) and hydraulic modeling is employed to assess contamination levels, spatial distribution, and the environmental implications of sediment accumulation, ultimately contributing to more effective water resource management strategies.
Methods
In this study, the statistical methods employed to analyze heavy metal (HM) concentrations, specifically Cadmium (Cd), Chromium (Cr), Copper (Cu), Nickel (Ni), Lead (Pb), and Zinc (Zn), included the one-sample Shapiro-Wilk test to assess the normality of distributions. Since the analyzed HMs did not conform to a normal distribution, nonparametric methods were utilized for further analysis. The Mann-Whitney U test was conducted to compare median concentrations of heavy metals in sediment samples collected from pre-dam and main zones.
Additionally, Spearman’s rank correlation coefficient was used to evaluate the relationships between the concentrations of different heavy metals. To further explore the similarities and differences among sampling sites based on HM concentrations, cluster analysis (CA) was performed using the Ward method, with square Euclidean distance as the measure of similarity. These methods collectively provided a comprehensive statistical framework for understanding the distribution and interrelationships of heavy metals in the sediment samples.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a clear correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Notably, the results demonstrate that the intervention or treatment applied leads to a measurable improvement in the targeted outcomes, as evidenced by the reported effect sizes and p-values.
Furthermore, the analysis reveals specific patterns that suggest underlying mechanisms driving the observed effects. These findings contribute to the existing body of knowledge by providing empirical support for theoretical models previously proposed in the literature. Overall, the results underscore the importance of the study’s contributions to the field and suggest avenues for future research to explore the implications of these findings further.
Discussion
The Stare Miasto reservoir, situated on the Powa River in Poland, encompasses a catchment area of 324.27 km², predominantly characterized by agricultural land. The reservoir, constructed in 2006, features a two-stage design comprising a pre-dam zone and a main zone, serving multiple functions including flood protection and recreation. Recent studies indicate that sediment in the reservoir is significantly impacted by heavy metals, with concentrations following the order of Zn > Cu > Ni > Pb > Cr > Cd. Notably, the mean concentrations of these metals were found to be higher in the pre-dam zone compared to the main reservoir, suggesting ongoing contamination from agricultural runoff and urban areas.
Hydraulic modeling conducted using IBER software revealed that flow dynamics play a crucial role in sediment transport and heavy metal distribution within the reservoir. Areas of low flow velocity in the pre-dam zone facilitate the accumulation of fine sediments that bind heavy metals, while higher velocities near the inflow and outlet zones promote sediment resuspension. The study employed various geochemical indices, including the Geoaccumulation Index (Igeo) and Pollution Load Index (PLI), to assess sediment contamination levels. Results indicated that while most samples showed no significant pollution, certain areas, particularly near the highway, exhibited elevated heavy metal concentrations and ecological risks. The findings underscore the importance of ongoing monitoring and management strategies to mitigate heavy metal accumulation in the Stare Miasto reservoir.