Υδρογεωχημική έρευνα - προέλευση ιόντων και βαρέων μετάλλων στα υπόγεια νερά της ανατολικής Λήμνου = Hydrogeochemical investigation of the possible sources of ions and heavy metal pollution in groundwater in Eastern Limnos Island, Greece

Περίληψη

Σκοπός της μελέτης είναι να εντοπιστούν οι σημαντικότεροι παράγοντες που ελέγχουν τη γεωχημεία των υπόγειων υδάτων και να προσδιοριστεί η χωρική κατανομή των ρύπων στην περιοχή έρευνας της Λήμνου και συγκεκριμένα στο ανατολικό τμήμα της. Για τον λόγο αυτό εφαρμόστηκε η πολυμεταβλητή στατιστική ανάλυση, συμπεριλαμβανομένης της παραγοντικής ανάλυσης και της ιεραρχικής ομαδοποίησης, σε συνδυασμό με τη γεωστατιστική μοντελοποίηση σε 45 δείγματα υπόγειου νερού για δύο δειγματοληπτικές περιόδους (Μάιο και Οκτώβριο του 2001), που σχετίζονται με την υγρή περίοδο και την ξηρή περίοδο αντίστοιχα. Τα δείγματα του υπόγειου νερού συλλέχθηκαν κατά το έτος 2001 και αναλύθηκαν από το ΕΘ.Ι.ΑΓ.Ε με σκοπό την κατανομή των φυσικοχημικών παραμέτρων pH, EC, Ca, Mg, Na, K, HCO3, Cl, SO4, NO3, NO2, NH4 και PO4 καθώς επίσης και των ιχνοστοιχείων Mn, Zn, Fe, Cu, Cd, Co, Cr, Ni, Pb και B, έτσι ώστε να εκτιμηθεί ο πιθανώς βαθμός ρύπανσης. Η περιοχή έρευνας περιλαμβάνει πολλές καλλιεργούμενες εκτάσεις και συγκροτείται από ηφαιστειο-ιζηματογενή πετρώματα. Διακρίνονται 3 υδροφόρες ζώνες όπου αναπτύσσονται οι υπό πίεση ηφαιστειακοί υδροφορείς πάνω στον αδιαπέρατο φλύσχη. Η βόρεια και κεντρική ζώνη εμφανίζουν φαινόμενα υφαλμύρισης λόγω των αυξημένων υδροληπτικών και αρδευτικών αναγκών, ενώ στη νότια ζώνη παρατηρείται μια υψηλού δυναμικού υδροφορία. Η ανατολική Λήμνος επιβαρύνεται από έναν μεγάλο αριθμό πηγών ρύπανσης (κτηνοτροφικές μονάδες, λιπάσματα, αστικά-βιομηχανικά λύματα, ΧΑΔΑ, στρατόπεδα), οι οποίες επιβαρύνουν το υπόγειο νερό σε νιτρικά, νιτρώδη, αμμωνιακά και φωσφορικά ιόντα. Κυρίως η ευρύτερη κεντρική περιοχή του Ρωμανού έχει υποστεί έντονη υφαλμύριση και επιβάρυνση από ανθρωπογενείς ρύπους, ενώ στο υπόλοιπο τμήμα επικρατεί η αποσάθρωση και διάλυση των πυριτικών και ανθρακικών ορυκτών η οποία εμπλουτίζει τη σύσταση του υπόγειου νερού στα ιόντα Κ, Na, Ca, Mg, HCO3 και SO4. Από την παραγοντική ανάλυση και την ανάλυση σε ομάδες στα δεδομένα, προέκυψαν 4 παράγοντες που περιγράφουν την εξέλιξη των υπόγειων υδάτων. Οι παράγοντες αυτοί σχετίζονται κυρίως με την αλληλεπίδραση των πετρωμάτων με το υπόγειο νερό, με τη διείσδυση της θάλασσας και με τις αγροτικές-ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Ωστόσο, η κύρια υδροχημική διεργασία είναι η ιοντοανταλλαγή, λόγω της αλληλεπίδρασης θάλασσας-υδροφορέα, και η αντίστροφη ιοντοανταλλαγή, λόγω της αλληλεπίδρασης των πετρωμάτων με το νερό. Το νερό και στις δύο περιόδους χαρακτηρίζεται ως "πολύ σκληρό" και η κατανομή των ιόντων είναι η ακόλουθη: Na>Ca>Mg>K και Cl>HCO3>SO4>NO3. Οι κύριοι τύποι του νερού είναι δύο, ο Ca-(Mg)-Cl-(SO4) μεικτός τύπος που οφείλεται στη διάλυση και αλληλεπίδραση των πετρωμάτων με το υπόγειο νερό, και ο Νa-(K)-Cl-(SO4) τύπος λόγω της αλληλεπίδρασης του υδροφορέα με το θαλασσινό νερό. Από τους ιοντικούς λόγους συμπεραίνουμε ότι στην περιοχή επικρατούν υδροφορείς πλούσιων σε πυριτικά ορυκτά και ηφαιστειακά πετρώματα. Από την ανάλυση των βαρέων μέταλλων προέκυψε το συμπέρασμα ότι τα μέταλλα Mn, Pb και Fe απαντώνται σε υψηλές συγκεντρώσεις σχεδόν σε όλα τα δείγματα κυρίως κατά την ξηρή περίοδο. Η παρουσία τους οφείλεται στα υδροθερμικά εξαλλοιωμένα μαγματικά πετρώματα. Οι υψηλές συγκεντρώσεις μόνο κατά την ξηρή περίοδο (Οκτώβριος) σχετίζονται με τη χαμηλή στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα. Τα υπόλοιπα μέταλλα (Νi, Cr, Co) απαντώνται κυρίως στην κεντρική περιοχή του Ρωμανού λόγω ανθρωπογενών δραστηριοτήτων (βιομηχανικές μονάδες, λιπάσματα, αστικά λύματα, πεδία βολής).

The purpose of this study is to identify the factors that control the geochemical processes regulating groundwater geochemistry and to determine the spatial distribution of pollutants in Limnos Island and specifically the eastern fringe. Therefore, multivariate statistical techniques involving, factor analysis and hierarchical cluster analysis, were performed with the geostatistical modeling on 45 groundwater samples for two sample periods (May and October 2001), which are related with the wet and dry period respectively. The groundwater samples were collected during 2011 and analyzed for determination of the physicochemical parameters pH, EC, Ca, Mg, Na, K, HCO3, Cl, SO4, NO3, NO2, NH4 and PO4, as well as the trace metals Zn, Fe, Cu, Cd, Co, Cr, Ni, Pb and B, in order to evaluate the possible pollution levels. The study area consists of volcano-sedimentary rocks and includes several agricultural expansions. It is divided into three confined volcanic aquifers overlying the impermeable flysch. The north and central zone showed groundwater salinization due to overexploitation of the aquifers for drinking and irrigation water supplies, while in the south zone there is a high water-supply potential aquifer. Eastern Limnos, is burdened by a large number of pollution sources (livestock farms, fertilizers, urban-industrial effluents, illegal landfills, military camps) that borne the groundwater by nitrates, nitrites, ammonium and phosphates. Especially the broader area of Romanou, at the central part of the island, has been affected by seawater intrusion in the sediments and there are significant human impacts on groundwater. The rest part of the studied area is influenced by the silicate and carbonate minerals weathering and dissolution which is the dominant hydrochemical process that contributes to enrichments of K, Na, Ca, Mg, HCO3 and SO4 of the groundwater. Factor analysis and cluster analysis revealed 4 factors explaining the evolution of groundwater hydrochemistry. The varifactors are obtained by factor analysis indicate that the parameters responsible for groundwater quality variations are mainly related to groundwater-rock interaction (particularly weathering of silicate minerals), seawater intrusion, and anthropogenic sources (particularly agricultural activities). However, the dominant hydrochemical process is ion exchange due to seawater-aquifer material interaction, and reverse ion exchange due to water-rock interaction. Interpretation of analytical data showed that the water in both sampling periods is characterized as "very hard", and the abundance of the major ions is as follows: Na>Ca>Mg>K and Cl>HCO3>SO4>NO3. The water quality is classified into two main types, the Ca-(Mg)-Cl-(SO4) mixed type due to groundwater-rock interaction, and the Na-(K)-Cl-(SO4) due to seawater intrusion. Ion ratio analysis represents aquifers enriched in silica minerals and volcanic rocks. From the analysis of heavy metals it is concluded that Mn, Pb and Fe are found in almost all samples in high concentrations during the dry period. Their presence is due to the hydrothermally altered volcanic. These high concentrations were observed only during the dry season (October), probably due to the low level of the water table. The rest of the metals (Ni, Co, Cr) occur mainly in the Romanou area and they could be linked to anthropogenic sources (industrial leakage, fertilizers, municipal sewage, shooting fields).