Assessment of water and sediment quality in Mustafakemalpaşa Stream, using statistical techniques and geographical information system analysis

Abstract

Mustafakemalpaşa çayı, Emet ve Orhaneli derelerinin Kütahya'nın Gediz ilçesinde bulunan Çamandar Köyü'nde birleşmesinden oluşur ve Uluabat Gölü'ne dökülür. Emet deresi yaklaşık 180 km uzunluğundadır ve Şahhane dağından doğmaktadır. Orhaneli deresi ise yaklaşık 115 km uzunluğundadır ve Murat dağından doğmaktadır. Bölgenin jeolojisine ek olarak, bor, krom, kömür, gümüş, demir, bakır, manganez ve mermer madenciliğinin, bölgedeki su ve sediment kalitesinin bozulmasına neden olduğu düşünülmektedir. Bu çalışma kapsamında; Mart, Temmuz ve Ekim 2017'de bölgeden su ve sediment örnekleri toplanmıştır. Ayrıca Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü'nden (DSİ) hidrolojik ve su kalitesi verileri alınmıştır. Çalışmada, genel su kalitesi durumunu değerlendirmek için su kalitesi indeksi modeli (WQI) uygulanmış ve sonuçların görselleştirilmesine yardımcı olmak için coğrafi bilgi sistemleri (GIS) kullanılmıştır. Sediment kirliliği, kirlilik faktörü (KF), zenginleştirme faktörü (EF), jeo-birikim indeksi (Igeo), Muhtemel Etki Konsantrasyonları (PEC) metotları ile değerlendirilmiştir. Eşik Etkileri Seviyesi (TEL) metodu ise ekolojik risklerin incelenmesi amacıyla sediment kalitesi kılavuzu olarakkullanılmıştır. Ayrıca, çalışma alanı için temel kirletici kaynaklarını tespit etmek amacıyla Pearson Korelasyon Matrisi (PCM), Temel Bileşen Analizi (PCA) ve Hiyerarşik Küme Analizi (HCA) teknikleri de kullanılmıştır. Sonuçlar değerlendirildiğinde, üç izleme periyodu için WQI'lerde anlamlı bir farklılık görülmemiştir (p <0.05). Bölgedeki başlıca kirleticiler arsenik ve bor iken, DO (çözünmüş oksijen) seviyeleri genellikle kentsel yerleşim alanlarında Dünya Sağlık Örgütü'nin (WHO) sınır değerlerinden daha düşüktür. Sediment örneklerinde en fazla kirliliğe B, Cr, Ni, Zn ve As elementlerinin sebap olduğu görülmüştür. As, Cd ve Ni konsantrasyon değerleri sırasıyla 17 mg / kg, 3,53 mg/kg ve 36 mg/kg olarak ölçülmüş ve PEC değerlerini aşmıştır. Sedimentlerdeki ağır metal kaynaklarını termik santraller ve katı atık sahaları oluşmaktadır. Ayrıca Pb, Zn ve Cu için sülfid cevheri minerallerinin ayrışması, Ni için kentsel sanayi atıkları ve madencilik atıkları kaynak olarak gösterilebilir. Cr, As, Cd ve B kirliliği doğal oluşumlara atfedilse de, nehir sedimentindeki varlıkları madencilikle hızlandırılmıştır. İki derede kötüleşen su kalitesi iyileştirilmediği takdirde hem insan sağlığını hem de su yaşamını olumsuz yönde etkileyebilir.Mustafakemalpaşa stream emerges from confluence of Emet and Orhaneli streams in Gediz district of Kütahya at Çamandar Village and discharges into Lake Uluabat. Emet stream is about 180 km long and originates from the Şahhane mountain whereas Orhaneli stream is about 115km long and originates from Murat mountain. Mining of boron, chromium, coal, silver, iron, copper, manganese and marble cutting operations, in addition to the regions's geology have for long been linked to deteriorating quality of water and sediment in the region. During this study, water and sediment samples were collected in March, July and October 2017 and analysed in situ and in the lab. More hydrological and water quality data was acquired from General Directorate of State Hydraulic Works (DSI). Water quality index model (WQI) was applied to rate the geneneral water quality status and geographical information systems (GIS) was used to aid the visualization of results. Sediments pollution level were assessed using contamination factor (CF), enrichment factor (EF), geo-accumulation index (Igeo), Probable Effect Concentrations (PEC) and the Threshold Effects Level (TEL) were used as the Sediment quality guidelines to examine the ecological risk. Also, Pearson Correlation Matrix (PCM), Principal Component Analysis (PCA) and Hierarchical Cluster Analysis (HCA) were used to identify the main sources of pollutants for the study area. The results showed no significant differences in the WQIs for the three-monitoring periods (p< 0.05). Arsenic and boron were the main contaminants in region, while DO (dissolved oxygen) levels were generally lower than the world health organization (WHO) guideline in urban settlement areas. Extreme sediment contamination was revealed by B, Cr, Ni, Zn and As. The As, Cd and Ni levels exceeded their respective PECs of 17 mg/kg, 3.53 mg/kg and 36 mg/kg, respectively. The sources of heavy metals in the sediments were attributed to fly ashes of coal-powered plants, urban waste leachate and weathering of sulfide ore minerals for Pb, Zn and Cu; urban-industrial wastes and mining wastes for Ni. Although Cr, As, Cd and B were ascribed to natural occurrence, their presences in river sediment is accelerated by mining. The deteriorating water quality in the two streams, if not addressed may adversely affect both human health and aquatic life.