شناسایی منشأ و سهم نسبی نیترات در آبخوان شرقی کابل با استفاده از نمایانگر‌های ایزوتوپی و مدل BSIMM

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه زمین شناسی معدنی و آب، دانشکده علوم زمین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران گروه زمین شناسی مهندسی و هیدروژئولوژی، دانشکده زمین شناسی و معادن، دانشگاه پولی‌تکنیک کابل، کابل، افغانستان

2 گروه زمین شناسی معدنی و آب، دانشکده علوم زمین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف: در چند دهه اخیر آلودگی منابع آب به نیترات به یک مسئله محیط زیستی جهانی تبدیل شده است که اغلب ناشی از فعالیت‌های شهری و کشاورزی است. در دو دهه گذشته کابل پایتخت افغانستان شهرنشینی سریع تجربه کرده است. این شهرنشینی سریع باعث کاهش ذخیره آب زیرزمینی دشت کابل و آلودگی آب زیرزمینی به نیترات شده است. در دشت کابل، آب زیرزمینی تنها منبع تأمین آب آشامیدنی ساکنان این شهر است. هدف این پژوهش تعیین منشأهای مختلف آلاینده نیترات، بررسی فرآیند‌های تحول نیتروژن و تخمین سهم نسبی منابع مختلف آلاینده نیترات در آب زیرزمینی دشت شرقی کابل می‌باشد.
مواد و روش‌ها: در مهر ماه ۱۳۹۹، ۱۸ نمونه آب زیرزمینی از آبخوان دشت شرقی کابل برداشت شد. پارامترهای صحرایی مانند هدایت الکتریکی، pH، اکسیژن محلول و دما در محل‌های نمونه‌برداری توسط دستگاه پرتابل اندازه‌گیری شد. نمونه‌های جمع‌آوری شده جهت سنجش نیترات و نیتریت در مدت کمتر از شش ساعت به آزمایشگاه شرکت ‌‌‌‌‌Green Tech منتقل و در همان روز غلظت یون‌های نیترات و نیتریت سنجش شد. نمونه‌های جمع‌آوری شده جهت سنجش یون‌های اصلی به آزمایشگاه مرکزی شرکت آب منطقه استان تهران ایران منتقل شد. نمونه‌های نیترات جهت سنجش ایزوتوپی در آزمایشگاه موسسه UFZ (Helmholtz Center for Environmental Research) در کشور آلمان منتقل و در آنجا سنجش‌‌های ایزوتوپی با استفاده از روش ‌‌bacterial denitrifier انجام شد. سهم نسبی منابع بالقوه نیترات با استفاده از مدل اختلاط ایزوتوپی پایدار بیزی تعیین گردید.
نتایج و بحث: شهر کابل فاقد سیستم جمع‌آوری فاضلاب مرکزی است. دفع فاضلاب بیشتر از طریق چاه‌های سپتیک و جذبی صورت می‌گیرد. غلظت نیترات آب زیرزمینی از ۴ تا ۴/۱۲۰ میلی‌گرم بر لیتر با مقدار میانگین ۲۱ میلی‌گرم بر لیتر تغییر می‌کند. مقادیرδ15N- NO3̄ از ۸/۴ پرمیل تا ۸/۲۰ پرمیل و مقادیر δ18O-NO3̄ از ۷/۰ پرمیل تا ۶/۱۸ پرمیل تغییر می‌کند. برای تعیین منابع اصلی نیترات از نمودار ترکیبی δ18O-NO3̄ در مقابل δ15N- NO3̄ استفاده شده است. با توجه به قرار گرفتن بخش عمده نمونه‌های در محدوده فاضلاب انسانی و کود‌های حیوانی، بنابراین فاضلاب شهری نقش عمده در افزایش غلظت نیترات آب زیرزمینی دشت کابل دارد. از آنجاییکه کلر یک یون پایدار است و تحت تأثیر عوامل محیطی قرار نمی‌گیرد، از نمودار نسبت مولار NO3̄/Cl‾ در مقابل Cl‾ جهت شناسایی منابع بالقوه نیترات در آبخوان دشت کابل استفاده شده است. این نمودار نشان می‌دهد که فاضلاب شهری منبع اصلی نیترات در این آبخوان می‌باشد. غلظت‌ بالای اکسیژن محلول و نیترات نمونه‌های آب زیرزمینی بیانگر شرایط اکسیدی حاکم در آبخوان و عدم رخداد نیترات‌زدایی است. نتایج ایزوتوپی پایدار بیزی نیز نشان می‌دهد که فاضلاب شهری نقش اصلی در آلودگی آب زیرزمینی به نیترات دارد. بنابراین شهرنشینی سریع و افزایش جمعیت در دشت کابل در دو دهه اخیر سبب آلودگی آب زیرزمینی به نیترات شده است. عدم قطعیت در برآورد منابع نیترات به صورت کمی با استفاده از شاخص عدم قطعیت (UI90) ارزیابی شده است. نتایج این مطالعه عدم قطعیت نسبتاً بالایی را برای سهم منابع نیترات، بویژه فاضلاب و کود حیوانی (۴۹/۰) و نیتروژن آلی خاک (۴۴/۰) نشان می‌دهند.
نتیجه‌گیری: فاضلاب انسانی و حیوانی، نیتروژن آلی خاک و کود‌های شیمیایی منابع بالقوه نیترات در دشت کابل می‌باشند. مدل اختلاط ایزوتوپی پایدار بیزی نشان داد که فاضلاب انسانی و حیوانی (۵/۶۹ درصد) منبع اصلی آلودگی نیترات در آبخوان هستند. نتایج نشان داد که نیترات‌زایی عمده‌ترین فرآیند بیوژئوشیمی تحول نیتروژن در آبخوان دشت کابل است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Identifying the Origin and Proportional Contribution of Nitrate in the Eastern Kabul Aquifer Using Isotopic Indicators and the BSIMM Model

نویسندگان [English]

  • Abdulhalim Zaryab 1
  • Hamid Reza Nassery 2
  • Farshad Alijani 2
1 Department of Minerals and Groundwater Resources, Faculty of Earth Sciences, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran Department of Engineering Geology and Hydrogeology, Faculty of Geology and Mines, Kabul Polytechnic University, Kabul, Afghanistan
2 Department of Minerals and Groundwater Resources, Faculty of Earth Sciences, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Introduction: In the past few decades, nitrate contamination in water resources has become a global environmental problem often caused by urban and agricultural activities. In the past two decades, the capital of Afghanistan, Kabul has experienced rapid urbanization. This rapid urbanization has caused groundwater storage depletion and contamination of nitrate in the Kabul Plain. In the Kabul Plain, groundwater is the only source of drinking water for Kabul city residents. This study aims to determine the different sources of nitrate pollution, investigate the nitrogen transformation processes, and estimate the proportional contribution of various sources of nitrate pollution in groundwater of the Eastern Kabul Plain.
Material and Methods: Eighteen groundwater samples were collected from the Eastern Kabul Plain aquifer in November 2020. In-situ parameters such as electrical conductivity (EC), pH, dissolved oxygen (DO), and temperature were measured in the sampling sites. The collected samples for analysis of nitrate and nitrate were transported to the Green Tech Laboratory in less than six hours, and the concentrations of mentioned ions were measured on the same day. The collected samples for analysis of major ions were transported to the Regional Water Organization Laboratory of Tehran, Iran. Nitrate samples for isotopic analysis were shipped to the UFZ laboratory in Germany, where isotopic measurements were carried out using the bacterial denitrifier method. The proportional contribution of nitrate sources was determined using the BSIMM model.
Results and Discussion: Kabul city does not have a central sewage collection system, and sewage is disposed of mostly through septic and absorption wells. The groundwater nitrate concentration varied from 4 mg/L to 120.4 mg/L with an average value of 21 mg/L. The values ​​of δ15N-NO3̄ varied from 4.8 ‰ to 20.8 ‰ and the values ​​of δ18O-NO3̄ varied from 0.7 ‰ to 18.6 ‰. The composition diagram of δ18O-NO3̄ and δ15N-NO3̄ was employed to determine the main sources of nitrate in the aquifer. Considering that most of the samples are plotted on sewage and manure area, therefore, urban sewage plays a major role in increasing the concentration of nitrate in the groundwater of Eastern Kabul Plain. Since chloride is a conservative ion and is not affected by environmental factors, the diagram of NO3̄/Cl‾ molar ratio versus Cl‾ was used to identify potential sources of nitrate in the Kabul Plain aquifer. The plot indicated that urban sewage is the primary source of nitrate in the aquifer. The high concentration of dissolved oxygen and nitrate in the groundwater samples indicated the dominance of aerobic conditions in the aquifer and the absence of denitrification. Sewage plays a major role in nitrate pollution of groundwater. Therefore, the rapid urbanization and population growth in the Kabul Plain in the past two decades have caused groundwater nitrate pollution. The uncertainty in nitrate sources estimation has been quantitatively assessed using the uncertainty index (UI90). The results of this study display a relatively high uncertainty for the contribution of nitrate sources, particularly sewage and manure (0.49) and soil organic nitrogen (0.44).
Conclusion: Sewage and manure, soil organic nitrogen, and chemical fertilizers are potential sources of nitrate in the Kabul Plain. The Bayesian stable isotope mixing model showed that sewage and manure (69.5%) are the main sources of nitrate pollution in the aquifer. The results indicated that nitrification is the main biogeochemical nitrogen transformation process in the Kabul Plain.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nitrate pollution
  • Dual nitrate isotopes
  • Biogeochemical processes
  • BSIMM
  • Kabul aquifer

مراجع

Alley, W.M., 1993. Regional Ground-Water Quality. Van Nostrand Reinhold, New York.
APHA/AWWA/WEF, 2017. Standard Methods for the examination of water and wastewater. 23rd edition. America Public Health Association, American Water Works Association and Water Environment Federation, Washington, DC.
Bohannon, R.G., 2010b. Geologic and topographic maps of the Kabul South 30¢×60¢ quadrangle, Afghanistan: U.S. Geological Survey Scientific Investigation Map 3137, 34 p. pamphlet, 2 map sheets, scale 1: 100,000. http://pubs.usgs.gov/sim/3137. 
Casciotti, K.L., Sigman, D.M., Hastings, M.G., Böhlke, J.K. and Hilkert, A. 2002. Measurement of the oxygen isotopic composition of nitrate seawater and freshwater using the denitrifier method. Analytical Chemistry, 74(19), 4905-4912. https://doi.org/10.1021/ac020113w.
Fewtrell, L., 2002. Drinking-water nitrate, methemoglobinemia, and global burden of disease: a discussion. Environmental Health Perspectives, 112(14), 1371-1374.
Grimmeisen, F., Lehmann, M.F., Liesch, T., Goeppert, N., Klinger, J., Zopfi, J. and Goldscheider, J. 2017.  Isotopic constraints on water source mixing, network leakage and contamination in an urban groundwater system. Science of the Total Environment, 1;583: 202-213. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2017.01.054.
Han, D., Cao, G., McCallum, J., Song, X., 2015. Residence times of groundwater and nitrate transport in coastal aquifer systems: daweijia area, northern China. Science of the Total Environmental, 538: 539-554. http://dx.doi.10.1016/j.scitotenv.2015.08.036.
Hao, Z., Zhang, X., Gao, Y., Xu, Z., Yang, F., Wen, X. and Wang, Y., 2018. Nitrogen source track and associated isotopic dynamic characteristic in a complex ecosystem; A case study of a subtropical watershed, China. Environmental Pollution, 236, 177-187.
Herms, I., Jodár, J., Soler, A., Lambán L.J., Custodio, E., Nûñez, J.A., Arnó, G., Parcerisa, D. and Jorge-Sánchez J. 2021. Identification of natural and anthropogenic geochemical processes determining the groundwater quality in Port del Comte High Mountain karst aquifer (SE, Pyrenees). Water, 13, 2891. https://doi.org/10.3390/w13202891.
JICA and Sanyu Consultants Inc., 2011. The study on groundwater resources potential in Kabul Basin in the Islamic Republic of Afghanistan.
Kendall, C., Elliott, E.M. and Wankel, S.D., 2007. Tracing anthropogenic inputs of nitrogen to ecosystems. Stale Isotopes in Ecology and Environmental Science, 375-449.
Khodaei, K., Mohammadzadeh, H., Nassery, H.R., Shahsavari, A.A., 2013. Determining the source of nitrate in the Dezful-Andimeshk aquifer using isotopes of 15N and 18O. The First National Conference on the use of stable isotopes, May 2013, Ferdowsi University of Mashhad. (In Persian).
Landell Mills, 2020. Regional groundwater model, TA 8969. AFG: Kabul Managed Aquifer Recharge Project preparation.
Minet, E.P., Goodhue, R., Meier-Augenstein, W., Kalin, R.M., Fenton, O., Richards, K.G. and Coxon, C.E., 2017. Combining stable isotopes with contamination indicators: a method for improved investigation of nitrate sources and dynamics in aquifers with mixed nitrogen inputs. Water Research. 124, 85-96. https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.07.041.
Moore, J.W. and Semmens, B.X., 2008. Incorporating uncertainty and prior information into stable isotope mixing models. Ecology Letters, 11, 470-480. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2008.01163.x.
Nejatijahromi, Z., Nassery, H.R., Hosono, T., Nakhaei, M., Alijani, F. and Okumura, A., 2019. Groundwater nitrate contamination in an area using urban wastewaters for agricultural irrigation under arid climate condition, southeast of Tehran, Iran. Agricultural Water Management, 221, 397–414. DOI: 10.1016/j.agwat.2019.04.015.
Nejatijahromi, Z., Nassery, H.R., Nakhaei, M., Alijani, F., 2020. Estimate proportional contributions of multiple nitrate sources in groundwater of varamin plain using a Bayesian isotope Mixing Model. Journal of Water and Wastewater, 31(1), 25-38. Doi: 10.22093/wwj.2019.170201.2821 (In Persian with English abstract).
Paiman, Z. and Noori, A.R., 2019. Evaluation of wastewater collection and disposal in Kabul city and its environmental impacts. Modern Environmental Science and Engineering, 5(5): 451-458. DOI: 10.15341/mese(2333-2581)/05.05.2019/012.
Panno, S.V., Hackley, K.C., Kelly, W.R., and Hwang, H.H., 2006. Isotopic evidence of nitrate sources and denitrification in the Mississippi River, Illinois. Journal of Environmental Quality, 35(2), 495-504.
Parnell, A.C., Phillips, D.L., Bearhop, S., Semmens, B.X., Ward, E.J., Moore, J.W., Jackson, A.L., Grey, J., Kelly, D.J. and Inger, D.J., 2013. Bayesian stable isotope mixing models. Environmetrics 24(6), 387-399. https://doi.org/10.1002/env.2221. 
Parnell, A.C., and Inger, R., 2016. SIMMR: A stable isotope mixing model. R Package version 0.4.1.
Parnell, A.C., Inger, R., Bearhop, S. and Jackson, A.L., 2010. Source partitioning using stable isotopes: with too much variation. PloS ONE 5 (3), e9672. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0009672.
Pastén-Zapata, E., Ledesma-Ruiz, R., Harter, T., Ramirez, A.I. and Mahlknecht, J., 2014. Assessment of sources and fate of nitrate in shallow groundwater of an agricultural area by using a multi-tracer approach. Science of the Total Environment, 470 (471), 855–864. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.10.043.
Rogers, K.M., Raaij, RVD, Phillips, A., Stewart, M., 2023. A national isotope survey to define the sources of nitrate contamination in New Zealand freshwaters. Journal of Hydrology 617, 129131. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129131.
Schullehner, J., Hansen, B., Thygesen, M., Pedersen, C.B., Sigsgaard, T., 2018. Nitrate in drinking water and colorectal cancer risk. A nationwide population-based cohort study. International Journal of Cancer, 143 (1), 73-79.
Sigman, D.M., Casciotti, K.L., Andreani, M., Barford, C., Galanter, M. and Böhlke, J.K., 2001. A bacterial method for the nitrogen isotopic analysis of nitrate in seawater and freshwater. Analytical Chemistry, 73(17), 4145-4153. https://doi.org/10.1021/ac10088e. 
Shroder, J. and Ahmadzai, S.J., 2016. Transboundary Water Resources in Afghanistan: Climate Change and Land-Use Implications. Elsevier Inc.
Su, C., Zhang, F., Cui, X., Cheng, Z., Zhang, Z., 2020. Source characterization of nitrate in groundwater using hydro-geochemical and multivariate statistical analysis in the Muling-Xingkai Plain, Northeast China. https://doi.org/10/1007s10661-020-08347-6.
Torres-Martínez, J.A., Mora, A., Knappett, P.S.K., Ornelas-Soto, N. and Mahlknecht, J., 2020. Tracking nitrate and sulfate sources in groundwater of an urbanized valley using a multi-tracer approach combined with a Bayesian isotope mixing model. Water Research, 182, 115962, DOI: 10.1016/j.watres.2020.115962.  
Torres-Mrtínez J. A., Mora, A., Mahlknecht, J., Kaown, D. and Barceló, D., 2021. Determining nitrate and sulfate pollution sources and transformations in a coastal aquifer impacted by seawater intrusion-A multi-isotopic approach combined with self-organized maps and a Bayesian mixing model. Journal of Hazardous Materials, 417, 126103. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126103.
Wheeler, D.C., Nolan, B.T., Flory, A.R., DellwValle, C.T., Ward, M.H., 2015. Modeling groundwater nitrate concentrations in private wells in Iowa. Science of the Total Environment 536, 481-488. http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.07.080.
WHO, 2017. Guideline for Drinking-Water Quality: Fourth Edition Incorporating the Frist Addendum, fourth ed. Geneva. https://doi.org/10.1016/S1462-0758(00)00006-6.
Wong, W.W., Pottage, J., Warry, F.Y., Reich. P., Roberts, K.L., Grace, M.R. and Cook, P.L.M., 2018. Stable isotopes of nitrate reveal different nitrogen processing mechanisms in streams across use gradient during wet and dry periods. Biogeosciences. 15(13), 3953-3965.
Wu, H., Dong, Y., Gao., L., Song, X., Liu, F., Peng, X. and Zhang, G.-L., 2020. Identifying nitrate sources in surface water, regolith and groundwater in a subtropical red soil Critical Zone by using dual isotopes. CATENA. 198, 104994.
Xue, D., Bottle, J., Baets, B., Accoe, F., Nestler, A., Taylor, P., Cleemput, O., Berglund, M. and Boeckx, P., 2009. Present limitations and future prospects of stable isotopes methods for nitrate source identification in surface and groundwater. Water Research, 43, 1159-1170.
Xue, D., Baets, B.D., Cleemput, O.V., Hennessy, C., Berglund, M. and Boecks, P., 2012. Use of a Bayesian isotope mixing model to estimate proportional contributions of multiple nitrate sources in surface water. Environmental Pollution, 161, 43-49. DOI: 10.1016/j.envpol.2011.09.033.
Zaryab, A., Nassery, H.R. and Alijani, F., 2021a. Identifying sources of groundwater salinity and major hydrogeochemical processes in the lower Kabul Basin aquifer, Afghanistan. Environmental. Science.: Process Impacts 23, 1589–1599. https://doi.org/10.1039/D1EM00262G.
Zaryab, A., Nassery, H.R. and Alijani, F. 2021b. The effects of urbanization on the groundwater system of the Kabul shallow aquifers, Afghanistan. Hydrogeology Journal. https://doi.org/10.1007/s10040-021-02445-6.
Zaryab A., Nassery, H.R., Knoeller, K., Alijani, F. and Minet, E. 2022. Determining nitrate pollution sources in the Kabul Plain aquifer (Afghanistan) using stable isotopes and Bayesian stable isotope mixing model. Science of the Total Environment, 823, 153749.
Zaryab, A., Farahmand, A., Nassery, HR., Alijani, F., Ali, S., Jamal, MZ., 2023. Hydrogeochemical and isotopic evolution of groundwater in shallow and deep aquifers of the Kabul Plain, Afghanistan. Environmental Geochemistry and Health. https://doi.org/10.1007/s10653-023-01734-1.
فصلنامه علوم محیطی
دوره 22، شماره 4
1403
صفحه 557-570

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار