Χαρτογράφηση εδαφικών ρυπάνσεων Cu και Pb, με συνδυασμό γεωχημείας, τοπογραφίας και ψηφιακής τηλεπισκόπησης στον ποταμό Le’an, Κίνα
Από RemoteSensing Wiki
Πρότυπος τίτλος: Mapping of Cu and Pb Contaminations in Soil Using Combined Geochemistry, Topography, and Remote Sensing: A Case Study in the Le’an River Floodplain, China
Συγγραφείς: Yiyun Chen, Yaolin Liu, Yanfang Liu, Aiwen Lin, Xuesong Kong, Dianfeng Liu, Xiran Li, Yang Zhang, Yin Gao, Dun Wang
Link: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3386593/
Πίνακας περιεχομένων |
Εισαγωγή
Τα βαρέα μέταλλα όταν υφίστανται σε υψηλές συγκεντρώσεις στο έδαφος, είτε λόγω φυσικών παραγόντων είτε εξαιτίας ανθρωπογενών παρεμβάσεων, είναι ιδιαίτερα επιβλαβή για το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία, τόσο άμεσα όσο και έμμεσα. Για το λόγο αυτό, η χαρτογράφηση της κατανομής και η απεικόνιση τυχόν εδαφικών ρυπάνσεων σε μια περιοχή είναι πολύ σημαντική ειδικά όταν πρόκειται για περιοχές εξόρυξης. Η χαρτογράφηση δίνει τη δυνατότητα καλύτερου προσδιορισμού της εδαφικής ρύπανσης και συγχρόνως καλύτερη κατανόηση των τρόπων μεταφοράς και εγκατάστασης / απορρόφησης των εδαφικών ρύπων από και προς το έδαφος. Για τη διαδικασία της χαρτογράφησης εδαφικών ρυπάνσεων με βαρέα μέταλλα, οι δύο σημαντικότεροι παράγοντες που λαμβάνονται υπόψη είναι (α) η χρήση γης και (β) η τοπογραφία μια περιοχής. Όσον αφορά τη χρήση γης, οι διαφορετικές χρήσεις καθορίζουν το είδος και τον τύπο μιας ενδεχόμενης έκθεσης στο έδαφος αλλά και των κινδύνων που μπορεί να ελλοχεύουν. Αυτό είναι εφικτό με τη χρήση χαρτών χρήσης γης ή εναλλακτικά σε περίπτωση απουσίας τέτοιων χαρτών με τη χρήση ψηφιακών τηλεπισκοπικών απεικονίσεων. Από την άλλη, η τοπογραφία είναι υψίστης σημασίας καθώς καθορίζει τις διαδρομές ροής του νερού. Αυτό ισχύει ακόμη περισσότερο για τη χαρτογράφηση εδαφικών ρυπάνσεων με βαρέα μέταλλα σε ορεινές περιοχές όπου υφίστανται διεργασίες εξόρυξης, και αυτό γιατί τα ορυχεία δύνανται να ξεπλυθούν από τα υδάτινα κατακρημνίσματα και ρεύματα, με αποτέλεσμα να προκαλέσουν σοβαρά προβλήματα.
Σκοπός εργασίας
Ο σκοπός της συγκεκριμένης έρευνας ήταν η χαρτογράφηση της χωρικής κατανομής εδαφικών ρυπάνσεων χαλκού και μόλυβδου στην ανώτερη στρωμάτωση εδάφους κατά μήκος του ποταμού Le’an αλλά και των παραποτάμων του. Αυτό επιτεύχθηκε με τη χρήση:
- Ολικών συγκεντρώσεων χαλκού και μόλυβδου στο έδαφος
- Δεδομένων ψηφιακού μοντέλου εδάφους (Digital Elevation Model – DEM) DEM
- Ψηφιακών τηλεπισκοπικών απεικονίσεων
- Ερμηνευμένων δεδομένων χρήσεων γης,
σε συνδυασμό με γεωγραφική ανάλυση αλλά και οριοθέτηση των λεκανών απορροής. Συγχρόνως, προσδιορίστηκαν οι πηγές και η μεταφορά των ρυπάνσεων, αλλά και οι περιοχές με υψηλό κίνδυνο ρύπανσης.
Υλικά και μέθοδοι
Περιοχή μελέτης
Η περιοχή μελέτης καλύπτει τον ποταμό Le’an και την κάλυψη του στην επαρχία Jiangxi στην Κίνα, η οποία απεικονίζεται γεωγραφικά στην Εικόνα 1.
Δειγματοληψία
Συνολικά συλλέχθηκαν 71 δείγματα εδάφους από την περιοχή κάλυψης του ποταμού Le’an σε βάθος 0-15 cm, εκ των οποίων 53 από αυτά (75 %) συλλέχθηκαν στις μεσαίες και ανώτερες δυνητικές στάθμες του ποταμού, όπου βρίσκονται το ορυχείο χαλκού Dexing και η εγκατάσταση εξαγωγής μόλυβδου-ψευδαργύρου Yinshan. Τα σημεία δειγματοληψίας καταγραφήκαν με τη χρήση GPS (Global Positioning System) με σφάλμα θέσης μικρότερο από 10 m (παρουσιάζονται στην Εικόνα 1).
Προκατεργασία
Πριν από τη χρήση των εδαφικών δειγμάτων για εργαστηριακή ανάλυση, προηγήθηκε προκατεργασία αυτών η οποία περιλάμβανε αεροξήρανση στους 20-25 oC για δύο ημέρες, ήπιο άλεσμα για τη διάσπαση των μεγάλων εδαφικών συσσωματωμάτων, κοσκίνισμα στα 0.2 mm, ομογενοποίηση των δειγμάτων και τελικώς δημιουργία ομοιόμορφων pellet διαμέτρου 45 mm από 40 g εδάφους για το κάθε δείγμα.
Εργαστηριακή ανάλυση
Για τον υπολογισμό των ολικών συγκεντρώσεων χαλκού και μόλυβδου στα υπό εξέταση εδαφικά δείγματα χρησιμοποιήθηκε φασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων X με διασπορά μήκους κύματος [wavelength-dispersive X-ray fluorescence (XRF) spectroscopy] XRF technology στα προαναφερθέντα pellet. Ο λόγος που προτιμήθηκε η φασματοσκοπία XRF έναντι του κλασικού συνδυασμού χημικών αναλύσεων και φασματοσκοπίας ατομικής απορρόφησης (AAS – Atomic Absorption Spectroscopy) AAS είναι για την αποφυγή δημιουργίας χημικών καταλοίπων αλλά και το γεγονός ότι επιτρέπει τον ταυτόχρονο υπολογισμό διάφορων μετάλλων. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στην Εικόνα 4.
Στατιστικές αναλύσεις
Στα πλαίσια αυτής της μελέτης υιοθετήθηκαν στατιστικές αναλύσεις, περιλαμβανομένων περιγραφικών στατιστικών, ιστογραμμάτων, διαγραμμάτων πιθανότητας, Q-Q διαγραμμάτων Q-Q plots (normal quantile-quantile plots) και τη δοκιμή ομαλότητας Lilliefors Lilliefors test, το σύνολο των οποίων έγιναν σε περιβάλλον Matlab.
- Τα περιγραφικά στατιστικά χρησιμοποιήθηκαν για το σχολιασμό των κύριων χαρακτηριστικών των ολικών συγκεντρώσεων χαλκού και μόλυβδου για το κάθε εδαφικό δείγμα.
- Τα ιστογράμματα χρησιμοποιήθηκαν για την οπτική απεικόνιση των δεδομένων κατανομής των ολικών συγκεντρώσεων χαλκού και μόλυβδου.
- Τα διαγράμματα πιθανότητας και Q-Q χρησιμοποιήθηκαν για τη γραφική εκτίμηση της ομαλότητας των δεδομένων των ολικών συγκεντρώσεων χαλκού και μόλυβδου.
- Η δοκιμή ομαλότητας Lilliefors χρησιμοποιήθηκε για τη δοκιμή της μηδενικής υπόθεσης ότι τα δεδομένα προέρχονται από έναν κανονικά κατανεμημένο πληθυσμό, όταν η μηδενική υπόθεση δεν προσδιορίζει τον τύπο της κανονικής κατανομής.
Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στην Εικόνα 5.
Οριοθέτηση λεκανών απορροής
Οι λεκάνες απορροής των δύο κύριων παραποτάμων του ποταμού Le’an (Jishui, Dawu) παράχθηκαν με τη χρήση δεδομένων που προέκυψαν από το ψηφιακό μοντέλο εδάφους της περιοχής (GDEM), χρησιμοποιώντας την εργαλειοθήκη υδρολογίας του ArcGIS. Συγκεκριμένα, για το σχηματισμό των λεκανών απορροής, αφού εντοπίστηκαν και συμπληρώθηκαν οι περιοχές εσωτερικών αποστραγγίσεων, παράχθηκαν οι χάρτες (α) κατεύθυνσης ροής των υδάτων και (β) συσσώρευσης των υδάτων (βλ. Εικόνες 8 και 9), ενώ ως σημεία εξόδου ή ροής των υδάτων χρησιμοποιήθηκαν σημεία κατάντη των δύο παραποτάμων και κοντά στα σημεία δειγματοληψίας.
Διάγραμμα ροής για την περάτωση της μελέτης
Το διάγραμμα ροής για την παραγωγή των τελικών χαρτών των ολικών συγκεντρώσεων χαλκού και μόλυβδου στην ανώτερη στρωμάτωση του εδάφους για την περιοχή μελέτης παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.
Διαδικασίες διαγράμματος ροής και τρόπος επίτευξης
- Σχηματισμός ψηφιδωτού μοντέλου της περιοχής μελέτης → Μέσω χρήσης δύο εικόνων ALOS AVNIR-2 (Advanced Visible and Near-Infrared Radiometer type 2) σε επίπεδο 1Β2 στις οποίες είχε προηγηθεί ραδιομετρική και γεωμετρική διόρθωση (βλ. Εικόνα 3).
- Σχηματισμός χάρτη χρήσης γης της περιοχής μελέτης → Μέσω χρήσης εικόνας RGB πραγματικών χρωμάτων, με το κόκκινο να αντιστοιχεί στο κανάλι 3 με εύρος 0.61-0.69 μm, το πράσινο στο κανάλι 2 με εύρος 0.52-0.60 μm και το μπλε στο κανάλι 1 με εύρος 0.42-0.50 μm, η οποία προέκυψε από το συνδυασμό των εικόνων ALOS. Συνολικά, προέκυψαν οι εξής 3 κύριες χρήσεις γης: (1) αγροτική/γεωργική, (2) ανθρωπογενής και (3) εξόρυξης, ενώ συγχρόνως προσδιορίστηκε και η κάλυψη της περιοχής από ποτάμια.
- Σχεδιασμός εκτάσεων εδαφικής ζώνης των πλημμυρικών περιοχών → Μέσω χρήσης ζωνών buffer των ποταμών, οι οποίες προέκυψαν από την κάλυψη της περιοχής από ποτάμια, που προηγήθηκε στο προηγούμενο βήμα.
- Δημιουργία τρισδιάστατου μοντέλου εδάφους και αναλύσεων συσσώρευσης ροής υδάτων → Μέσω χρήσης του ASTER GDEM (Global Digital Elevation Map) – ψηφιακού μοντέλου εδάφους της περιοχής μελέτης.
- Αντίστροφη σταθμική παρεμβολή (IDWI – Inverse Distance Weighted Interpolation) IDWI → Μέσω χρήσης των ολικών συγκεντρώσεων χαλκού και μόλυβδου στα σημεία δειγματοληψίας. Η συγκεκριμένη διαδικασία πραγματοποιήθηκε, καθώς επιτρέπει πρόχειρη εκτίμηση των εδαφικών περιεχομένων βαρέων μετάλλων σε περιοχές, όπου δεν έχει προηγηθεί μέτρηση.
- Δημιουργία δισδιάστατου χάρτη → Μέσω χρήσης (α) της συνολικής εικόνας ALOS, (β) των επιμέρους χαρτών χρήσης γης που δημιουργήθηκαν, (γ) των ολικών συγκεντρώσεων χαλκού και μόλυβδου στα πλημμυρικά εδάφη του ποταμού Le’an και των παραποτάμων του και (δ) διάφορων GIS δεδομένων (π.χ. διοικητικά όρια, τοποθεσία πόλεων).
Οι παραπάνω διαδικασίες εκτελέσθηκαν σε περιβάλλον ArcGIS.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Αποτελέσματα αναλύσεων (εργαστηριακών, στατιστικών)
Τα αποτελέσματα των αναλύσεων περιγράφονται και απεικονίζονται στην Εικόνα 4 και στην Εικόνα 5.
Χαρτογράφηση εδαφικού περιεχομένου χαλκού και μόλυβδου
Με βάση τα παραπάνω, προέκυψαν τελικώς δύο σειρές χαρτών, οι οποίοι δείχνουν το πρότυπο χωρικής κατανομής των συνολικών εδαφικών συγκεντρώσεων χαλκού (Εικόνα 6) και μόλυβδου (Εικόνα 7) κατά μήκος του ποταμού Le’an, το χρώμα των οποίων κυμαίνεται από μπλε για χαμηλές ολικές συγκεντρώσεις έως και κόκκινο για υψηλές ολικές συγκεντρώσεις. Επιπλέον, στους παραγόμενους χάρτες απεικονίζονται τα σημεία δειγματοληψίας, οι πόλεις που υπάρχουν στην περιοχή μελέτης αλλά και οι επιμέρους χρήσεις γης. Συγκεκριμένα, οι ανθρωπογενείς περιοχές εμφανίζονται με γκρι χρώμα, οι αγροτικές περιοχές με πράσινο χρώμα και οι περιοχές εξόρυξης με πορτοκαλί χρώμα.
Ανάλυση περιοχών δειγματοληψίας
Χαλκός
Στην Εικόνα 6 παρουσιάζεται η χωρική κατανομή του χαλκού για την περιοχή μελέτης, όπου σημαντικές περιοχές έχουν επισημανθεί με κόκκινα περιγράμματα. Συγκεκριμένα:
- Στην περιοχή 1 βρέθηκαν υψηλές ολικές συγκεντρώσεις χαλκού (μέγιστη τα 2262 mg/kg), πράγμα που αποδόθηκε στην πιθανότητα ότι η ταχύτητα του ποταμού στο σημείο αυτό να ήταν χαμηλή με αποτέλεσμα τα πλούσια σε χαλκό ιζήματα να κατατέθηκαν στην περιοχή, χωρίς όμως αυτό να είναι απόλυτο (απαιτείται περαιτέρω έρευνα). Η περιοχή 1 πρόκειται για αγροτική περιοχή και άρα ο κίνδυνος μεταφοράς χαλκού και άλλων βαρέων μετάλλων προς τον άνθρωπο διαμέσου της τροφικής αλυσίδας είναι μεγάλος.
- Στην περιοχή 2 βρέθηκε μέση τιμή ολικών συγκεντρώσεων χαλκού περίπου 800 mg/kg (τιμή ιδιαίτερα υψηλή). Τα ευρήματα αποδόθηκαν κυρίως στις εξορυκτικές δραστηριότητες της περιοχής (πορτοκαλί χρώμα) αλλά και στο γεγονός ύπαρξης επιβαρυμένης ατμοσφαιρικής σκόνης από άλλες βιομηχανικές δραστηριότητες και την οδική κίνηση των οχημάτων. Για την περιοχή 2 απαιτείται έλεγχος των σωματιδιακών ρύπων και προστασία για την αποφυγή εισπνοής σκόνης.
- Στην περιοχή 3, τα ευρήματα για τις ολικές συγκεντρώσεις χαλκού έδωσαν υψηλά αλλά όχι τόσο ανησυχητικά αποτελέσματα και αποδόθηκαν στα κατάλοιπα εξορυκτικών δραστηριοτήτων, οι οποίες μπορεί να εμπλούτιζαν τα νερά των ποταμών με χαλκό, ο οποίος τελικά κατακαθόταν στα εδάφη της περιοχής.
- Στην περιοχή 4, ισχύουν τα ίδια όπως και στην περιοχή 3. (Τα ευρήματα αποδόθηκαν στα κατάλοιπα εξορυκτικών δραστηριοτήτων)
Κύριος υπαίτιος θεωρήθηκε το ορυχείο χαλκού Dexing.
Μόλυβδος
Σε γενικές γραμμές, τα εδαφικά δείγματα που συλλέχθηκαν και αναλύθηκαν εργαστηριακά έδωσαν σχετικά υψηλές ολικές συγκεντρώσεις μόλυβδου, με παρόμοια χωρική κατανομή με την περίπτωση του χαλκού. Στην Εικόνα 7 παρουσιάζεται η χωρική κατανομή του μόλυβδου για την περιοχή μελέτης, όπου οι σημαντικότερες επιβαρυμένες περιοχές έχουν επισημανθεί με κόκκινα περιγράμματα. Στην περίπτωση του μόλυβδου κύριος υπαίτιος θεωρήθηκε η μονάδα εγκατάστασης εξαγωγής μόλυβδου και ψευδαργύρου Yinshan.
Λεκάνες απορροής και συσχετισμός
Στις Εικόνες 8 (χαλκός) και 9 (μόλυβδος) παρουσιάζεται η χωρική συσχέτιση των λεκανών απορροής της περιοχής μελέτης με τις περιοχές όπου υφίστανται εξορυκτικές δραστηριότητες αλλά και με το εδαφικό περιεχόμενο χαλκού και μόλυβδου.
Συμπεράσματα
Η περάτωση της συγκεκριμένης έρευνας / μελέτης είχε σαν απώτερο στόχο να προσπαθήσει να προωθήσει την κατανόηση της εξαιρετικής σημασίας της τοπογραφίας αλλά και της κάλυψης και χρήσης γης όσον αφορά τις εδαφικές ρυπάνσεις σε περιοχές εξόρυξης και των κατάντη περιοχών. Με την ενσωμάτωση και χρήση εργαστηριακών δεδομένων ολικών συγκεντρώσεων, ψηφιακών τηλεπισκοπικών απεικονίσεων, τοπογραφικών δεδομένων, δευτερογενών βοηθητικών δεδομένων και γεωγραφικών αναλύσεων χαρτογραφήθηκε η χωρική κατανομή χαλκού και μόλυβδου στην περιοχή μελέτης (ποταμός Le’an και παραπόταμοι). Επιπλέον, με τη δημιουργία και την ανάλυση τρισδιάστατων χαρτών της περιοχής εντοπίστηκαν οι πιθανές πηγές των εδαφικών ρυπάνσεων χαλκού και μόλυβδου, αλλά και οι πιθανές διαδρομές μεταφοράς αυτών, δεδομένα που επαληθεύτηκαν με το σχηματισμό των χαρτών συσχετισμού λεκανών απορροής, εξορυκτικών περιοχών και εδαφικών περιεχομένων χαλκού και μόλυβδου στα σημεία δειγματοληψίας. Τέλος, ο ρόλος της τοπογραφίας και της ροής των υδάτινων ρευμάτων στη μεταφορά χαλκού και μόλυβδου κατά μήκος των ποταμών απεικονίστηκαν γραφικά από όπου και προέκυψε πως η ροή που δημιουργείται από τις βροχοπτώσεις είναι μάλλον και ο κύριος φορέας των μεταλλικών ρύπων. Σε κάθε περίπτωση απαιτείται περαιτέρω έρευνα για την εξακρίβωση των αποτελεσμάτων.
