Document Type : Research Paper

Authors

1 Associate professor of geography and rural and urban planning, Faculty of social sciences, University of Mohaghegh Ardabili, Iran

2 Instructor, Department of geography and rural and urban planning, Faculty of social sciences, University of Mohaghegh Ardabili, Iran

Abstract

Extended Abstract
Introduction
Assessments of water quality have recently developed and now include surface and groundwater pollution issues. Permanent changes occurring in the quality of groundwater, especially those affecting drinking water and salinization of water sources, are considered to be a serious threat to rural development. Unfortunately, many people lack enough knowledge about the importance of groundwater and the harmful effects of environmental pollution on these valuable resources. The present study has investigated the quality of potable groundwater in the rural parts of central Ardabil County using multi-criteria decision-making models and geostatistical analysis in GIS environment. Parameters such as EC, PH, SO4-, Cl-, Na and TH (in terms of CaCo3) have been used to create an overall picture of the quality of potable groundwater resources in Ardabil County based on which related zoning map was developed in geographic information system. The kriging interpolation method was also used to obtain the spatial distribution of the parameters and the simple additive weighting method was used to weigh and rank the layers. According to the final map of water quality, approximately 36% of the central Ardabil County (around 88 square kilometers, mainly in the southern part of the study area) has access to optimal quality of drinking water. On the other hand, low quality of drinking water is observed in the northern and northeastern parts which cover 46% of the study area (112 square kilometers). Moreover, a direct relationship is observed between the population density and the density of deep and semi-deep wells and the decrease in the quality of water.            
Materials and Methods
The present study has applied library research and field study methods. Rstudio and Arc GIS 10 software were also used to perform related analyses.
Study Area
Case study area includes 243 square kilometers of the central Ardabil County consisting of three cities and nineteen villages as illustrated in Figure 1.
The following methods were used in this research:
1- Direct rating
2- Kriging interpolation
3- Standardization method
4- Simple weighing method
5- Fuzzification of the final data
The following parameters have also been used to assess the quality of drinking water:
1- Electrical conductivity (EC)
2- Chlorine level (Cl-)
3-The amount of sulfate (SO4+)
4- The amount of nitrate (Na)
5- Total water hardness (TH)
6- Water acidity level (PH)
Results & Discussion
Groundwater chemical quality is primarily assessed using parameters such as changes in the amount of dissolved salts, and limitations on various uses of water especially water used for drinking. Table 1 shows different types of conventional kriging methods selected through the method test for the parameters. These can be obtained using the mutual evaluation method and RMS error. Factors affecting the quality of drinking water are then ranked and weighted according to the expert opinions. The final quality map is thus prepared. Layers are then standardized in accordance with data description and the results are presented in Table 1. It also exhibits maximum permissible and desirable level of non-toxic chemicals in drinking water in accordance with the Iranian Standards and Industrial Research Institute (ISIRI) and the World Health Organization (WHO) standard, along with the maximum permissible level of mineral substances in drinking water. Semivariograms used for kriging interpolation are also presented. Table 2 shows the RMS and RMSE errors as well as the average standard error of the water quality parameters in the study area. The interpolated primary layers are presented in Figure 3. The final map prepared for the quality of potable water in the study area indicates that the quality of groundwater in the northern part and a little section of the central part (46% or 112 square kilometers of the study area) is unfavorable. This includes 8 villages of the County. 6 villages have access to drinking water with semi-optimal quality and 5 villages are located in the optimal area of water quality. Accordingly, the quality of potable groundwater decreases drastically as we move towards the northern and northeastern parts of the study area, and the lowest quality of groundwater is observed in the most northerly part of the study area (covering 46% of the study area). Figure 4 shows the density of deep and semi-deep wells, the amount of annual harvest from rivers in the central part of Ardabil (in thousand cubic meters per year), the population density and industrial areas in this region. A direct relationship is therefore observed between population density, the density of existing wells, the level of water extraction from rivers and the sharp drop in the quality of groundwater. According to the reports prepared by Ardabil Regional Water Company, around 32 million cubic meters of water is annually needed to meet the drinking requirements of urban and rural uses, which can seriously damage the quality of underground water in the area.
Conclusion
According to the final map of groundwater quality, only 36% of the study area (88 square kilometers) has access to drinking water with favorable quality which can be a great concern for planners and managers. Finally, it is suggested to use geostatistical methods and geographic information system as a useful tool to assess the quality of underground water. These methods can gradually replace the old methods and thus prepare more accurate statistics, increase the efficiency of water-related projects, and reduce their cost.

Keywords

Main Subjects

1- آسیابی‌هیر، مصطفی‌زاده، رئوف، اسمعلی‌عوری؛ رقیه، رئوف، مجید، اباذر (1398). ارزیابی پایداری منابع آب سطحی در حوضه‌های آبخیز استان اردبیل. مهندسی و مدیریت آبخیز، 11(4)، 984-998. doi: 10.22092/ijwmse.2018.109649.1277
2- ابراهیمی، امین، هاشمی، فولادی‌فرد، وحیددستجردی؛ اصغر، محمد، حسن، رضا، مرضیه (1389).  بررسی کیفیت شیمیایی آب زیرزمینی منطقه سجاد شهرستان زرین شهر، مجله تحقیقات نظام سلامت، 926 - 918 .
3- اسفندیاری، قربانی فیل‌آبادی، نصیری خیاوی، مصطفی‌زاده؛ فریبا، راضیه، علی، رئوف (1398). مقایسه عملکرد روش‌های جبری و زمین‌آمار در تعیین تغییرات مکانی کیفیت آب زیرزمینی دشت بروجن. مخاطرات محیط طبیعی، 8(20)، 115-130. doi: 10.22111/jneh.2018.22500.1335
4- بی‌نام (1395). داده‌های مربوط به کیفیت آب زیرزمینی چاه‌های پیزومتری. شرکت آب منطقه‌ای اردبیل.
5- پوران، راغفر، قاسمی، بزازان؛ رقیه، حسین، عبدالرسول، فاطمه (1396). محاسبه ارزش اقتصادی آب مجازی با رویکرد حداکثر‌سازی بهره‌وری آب آبیاری. فصلنامه مطالعات اقتصادی کاربردی ایران، 6(21)، 189-212. doi: 10.22084/aes.2017.1803
6- پوربایرامیان، اسپهبد؛ سهیلا، محمدرضا (1391). ارزیابی تغییرات کیفی آبخانه دشت اردبیل با نگرشی ویژه بر تأثیر کاهش پتانسیل آب زیرزمینی بر شوری، فصلنامه زمین، سال هفتم، شماره 24. 45-27.
7- پیران قرنی‌نمین، جاوید، قدوسی؛ سمانه، امیر حسین، جمال (1397). بررسی تأثیر سازندهای زمین‌شناسی برروی کیفیت منابع آب زیرزمینی (مطالعه موردی: دشت اردبیل). فصلنامه علوم و تکنولوژی محیط زیست، 20(3)، 1-10. doi: 10.22034/jest.2018.13250
8- جعفرزاده، رستم‌زاده، نیک‌جو، اسدی؛ جعفر، هاشم،  محمدرضا، اسماعیل (1396). ارزیابی پتانسیل منابع آب دشت اردبیل با استفاده از فرایند تحلیل شبکه‌ای فازی (FANP) در محیط GIS. نشریه علمی جغرافیا و برنامه‌ریزی، 21(61)، 145-164. doi: 2-10
9- جعفری، سید عباس (1385). ارزش و هزینه کامل آب : مطالعه موردی سد علویان. تحقیقات منابع آب ایران، 2(3)، 1-12.
10- چهاراهی، رشچی؛ ذبیح‌الله، ژاله (1390). تسلط بر GIS با ArcGIS. انتشارات کیان رایانه سبز. چاپ اول.
11- حسنعلی‌پور، مصطفی‌زاده، اسمعلی‌عوری، احمدی، ایمانی؛ یوسف، رئوف، اباذر، محمد، رسول (1401). ارزیابی اثرات توسعه شهری اردبیل بر کمیّت و کیفیت آب‌های سطحی و زیرزمینی دشت اردبیل. مطالعات علوم محیط زیست، 7(3)، 5374-5385. doi: 10.22034/jess.2022.343220.1792
12- خسروی، حیدری علمدارلو، نسب‌پور؛ حسن،  اسماعیل، سحر (1396). مطالعه تغییرات زمانی و مکانی کیفیت آب زیرزمینی دشت یزد- اردکان با استفاده از شاخص GQI. فصلنامه علمی- پژوهشی اطلاعات جغرافیایی « سپهر»، 26(104)، 35-44. doi: 10.22131/sepehr.2018.30516
13- دانشور وثوقی، دین پژوه؛ فرزاد، یعقوب (1391). بررسی روند تغییرات کیفی آب زیرزمینی دشت اردبیل با استفاده از روش اسپیرمن. نشریه محیط شناسی. سال 38 . شماره 4 . 29-44.
14- رحیمی، بشارت، وردی‌نژاد؛ مینا، سینا، وحیدرضا (1395). ارزیابی کیفیت منابع آب زیرزمینی آبخوان اردبیل برای مصارف شرب و کشاورزی. محیط زیست و مهندسی آب، 2(4)، 360-375.
15- رستم‌زاده، نیکجو، اسدی، جعفرزاده؛ هاشم، محمدرضا، اسماعیل، جعفر (1394). توان‌سنجی تغییرات کیفیت آب زیرزمینی قابل شرب در پهنه‌های جمعیتی دشت اردبیل با استفاده از ترکیب مدل‌های زمین آماری و تصمیم‌گیری چندمعیاری در محیط GIS. هیدروژئومورفولوژی، 2(3)، 43-60.
16- سازمان ملی استاندارد ایران (1391). ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آب آشامیدنی. 15.
17- سالنامه آماری (1395). نتایج تفصیلی سرشماری عمومی نفوس و مسکن 1390،1385، 1395. استانداری اردبیل ( معاونت برنامه ریزی- دفتر آمار و اطلاعات و GIS).
18- شعبانی، محمد (1388). بررسی تغییرات کیفی آب‏های زیرزمینی دشت ارسنجان. فصلنامه جغرافیای طبیعی، سال اول، شماره 3، 12 ص.
19- عبیداوی، هوشمند فیروزآبادی؛ زینب، فاطمه (1400). بررسی توزیع مکانی شاخص کیفیت آب مبتنی بر استانداردهای سازمان بهداشت جهانی با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی (مطالعه موردی: آب‌های زیرزمینی فیروزآباد). انسان و محیط زیست، انتشار آنلاین.
20- عساکره، حسین (1387). کاربرد روش کریجینگ در میان یابی بارش، مطالعه موردی: میان یابی بارش. فصلنامه جغرافیا و توسعه. 12. 25-42.
21- غضنفری، رضایی؛ محمد، مهدی (1385). مقدمه‌ای بر نظریه مجموعه‌های فازی، انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران.
22- کرد، اصغری مقدم، نخعی؛ مهدی، اصغر، محمد. (1394). نشریه محیط شناسی. دوره 41. شماره 1 . 67-79.
23- مالچوفسکی، یاچک. (1390). سامانه اطلاعات جغرافیایی و تحلیل تصمیم چندمعیاری. اکبر پرهیزگار؛ عطا غفاری گیلانده، چاپ دوم، انتشارات سمت.
24- محمدیاری، اقدر، بصیری؛ فاطمه، حسین، رضا (1396). پهنه‌بندی کیفیت آب زیرزمینی از لحاظ شرب با استفاده از روش‌های زمین آمار - مطالعه موردی: مناطق خشک مهران و دهلران. فصلنامه علمی- پژوهشی اطلاعات جغرافیایی « سپهر»، 26(101)، 199-208. doi: 10.22131/sepehr.2017.25737
25- مهری، مصطفی‌زاده، اسمعلی عوری، قربانی؛ سونیا، رئوف، اباذر،  اردوان (1396). تغییرات زمانی و مکانی شاخص جریان پایه در رودخانه‌های استان اردبیل. فیزیک زمین و فضا، 43(3)، 623-634. doi: 10.22059/jesphys.2017.60293
26- نخعی، ودیعتی؛ محمد، میثم (1391). ارزیابی کیفیت آب شرب دشت درگز با استفاده از روش تحلیل سلسله مراتبی در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی. پژوهش آب ایران، 6(2)، 115-121.
27- وجدانی، حبیب (1381). چالش عمده پیشروی ناپایداری آب - مطالعه موردی استان همدان، مجله آب و محیط زیست، 53 : 12 - 16 .
28-Belton،V and Gear،T. (1997). On the meaning of relative importance. Journal of MultiCriteria Decision Analysis.6 (6); 335-338.
29- Choubin, B., Rahmati, O., Soleimani, F., Alilou, H., Moradi, E., & Alamdari, N. (2019). Regional groundwater potential analysis using classification and regression trees. In Spatial modeling in GIS and R for earth and environmental sciences (pp. 485-498). Elsevier.
30- Gaus، I; Kinniburgh، D.G; Talbot، J.C; and Webster، R. (2003). Geostatistical analysis of arsenic concentration in groundwater in Bangladesh using disjunctive kriging، J of Environmental Geology. 44: 939-948.
31- Jager، N. (1990). Hydrogeology and Groundwater simulation، Lewis Publishers.
32- Jingyi، Z. and Hall، M. J. (2004). Regional flood frequency analysis for the Gan-Ming River basin in China. Journal of Hydrology 296:98–117.
33- Khan، Q.، Liaqat، M. U.، & Mohamed، M. M. (2021). A comparative assessment of modeling groundwater vulnerability using DRASTIC method from GIS and a novel classification method using machine learning classifiers. Geocarto International، 1–19. doi:10.1080/10106049.2021.19238
34- Naimi, B., & Araújo, M. B. (2016). sdm: a reproducible and extensible R platform for species distribution modelling. Ecography, 39(4), 368-375.
35- Nas Bilgehan، Ali Berktay.(2010). Groundwater quality mapping in urban groundwater using GIS. Environ Monit Assess 160:215–227.
36- Pourghasemi, H. R., Pradhan, B., & Gokceoglu, C. (2012). Application of fuzzy logic and analytical hierarchy process (AHP) to landslide susceptibility mapping at Haraz watershed, Iran. Natural hazards, 63, 965-996.
37- Rahmati, O., Samani, A. N., Mahmoodi, N., & Mahdavi, M. (2015). Assessment of the contribution of N-fertilizers to nitrate pollution of groundwater in western Iran (Case Study: Ghorveh–Dehgelan Aquifer). Water quality, exposure and health, 7, 143-151.
38- Ulibarri. C.A.، Wellman. K.F. (1997). Natural Resource Valuation: A Primer on Concepts and Techniques.
39- Zhang، Q.، Xu، P.، Chen، J.، Qian، H.، Qu، W.، & Liu، R. (2021). Evaluation of groundwater quality using an integrated approach of set pair analysis and variable fuzzy improved model with binary semantic analysis: A case study in Jiaokou Irrigation District، east of Guanzhong Basin، China. Science of The Total Environment، 767، 145247. doi:10.1016/j.scitotenv.2021.145247