Evaluation of Lake Uluabat (Bursa) Surface Water Quality Using Multivariate Statistical Methods

Year 2023, Volume: 19 Issue: 4, 341 - 357, 01.12.2023

Ceren Özlem Kesmez Nurhayat Dalkıran

https://doi.org/10.22392/actaquatr.1267921

Abstract

To investigate the impact of pollutants that pose a threat to aquatic ecosystems in Uluabat Lake, a RAMSAR area, a number of physicochemical variables, heavy metals, and toxic elements were evaluated in water samples collected from five stations in the summer of 2017, fall 2018, spring 2019 and winter 2020. According to the results of the Explanatory Factor Analysis, it was determined that mining activities in the Uluabat Lake basin and the geological structure of the basin are the most important factors affecting the water quality of the lake. Some of the heavy metals and toxic elements such as Al, As, B, Fe, and Mn explained the 30.54% of the total variance and created a positive factor load on the first axis. In the third and fourth factor loadings, the effects of eutrophication and nutrient loadings in water quality of the lake were determined. The total variance of the four factor loadings was determined as 85.47%. According to the results of the Kruskal-Wallis analysis, 19 out of 31 physicochemical variables differed by years, while only PO4-P showed significant differences by stations. Cluster analysis significantly explained the differences of all physicochemical variables for both by stations and years. According to this analysis, the most polluted site in Uluabat Lake was determined as Akçalar region and the most different season was winter. According to the Regulation on Surface Water Quality, Al, As, B, and Fe were found to be above the maximum environmental quality standards. According to irrigation water criteria, B was found to be above the maximum permissible concentration. When the lake water was evaluated according to Carlson Trophic State Index, it was found to be hyper-eutrophic in accordance with the total amounts of nitrogen and phosphorus and eutrophic in accordance with the concentrations of chlorophyll-a.

Keywords

Lake Uluabat, water quality, trophic state, toxic metals, explanatory factor analysis

Project Number

DDP-(F2018-10)

Uluabat Gölü (Bursa) Yüzey Suyu Kalitesinin Çok Değişkenli İstatistiksel Yöntemler ile Değerlendirilmesi

Abstract

Sucul ekosistemler için tehdit oluşturan kirleticilerin bir RAMSAR alanı olan Uluabat Gölü’ndeki etkisini araştırmak amacıyla 2017 yaz, 2018 sonbahar, 2019 ilkbahar ve 2020 kış dönemleri olmak üzere beş istasyondan alınan su örneklerinde bazı fizikokimyasal değişkenler, ağır metaller ve toksik elementler değerlendirilmiştir. Açıklayıcı faktör analizi sonuçlarına göre Uluabat Gölü havzasında yapılan madencilik faaliyetlerinin ve havzanın jeolojik yapısının gölün su kalitesini etkileyen en önemli faktör olduğu tespit edilmiştir. Al, As, B, Fe ve Mn gibi bazı ağır metal ve toksik elementlerin toplam varyansın %30,54’ünü açıklayarak I. eksende pozitif faktör yükü oluşturmuştur. Üçüncü ve dördüncü faktör yüklerinde ise ötrofikasyon ve besin tuzu yüklerinin göl su kalitesine olan etkileri tespit edilmiştir. Faktör analizi sonucunda belirlenen dört faktör yükünün toplam varyansı %85,47 olmuştur. Kruskal-Wallis analizi sonuçlarına göre 31 fizikokimyasal değişkenden 19’u yıllara göre farklılık gösterirken, istasyonlara göre sadece PO4-P’nin anlamlı farklılık gösterdiği tespit edilmiştir. Cluster analizi tüm fizikokimyasal değişkenlerin istasyonlara ve yıllara göre farklılığını belirgin olarak açıklamıştır. Bu analize göre Uluabat Gölü’nde en kirli nokta Akçalar bölgesi olarak belirlenirken en farklı mevsim kış olmuştur. Yerüstü Su Kalitesi Yönetmeliği’ne göre Al, As, B ve Fe’nin maksimum çevresel kalite standardı üzerinde olduğu tespit edilmiştir. Sulama suyu kriterlerine göre ise B, izin verilen maksimum konsantrasyon üzerinde bulunmuştur. Carlson Trofik Seviye İndeksi’ne göre göl suyu değerlendirildiğinde ise, toplam azot ve toplam fosfor’a göre hiperötrofik, klorofil-a değerine göre ise ötrofik karakterde olduğu tespit edilmiştir.

Keywords

Uluabat Gölü, Su Kalitesi, Açıklayıcı Faktör Analizi, Trofik seviye, Toksik metaller

Supporting Institution

BURSA ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ BİRİMİ

Project Number

DDP-(F2018-10)

Thanks

Bu çalışmayı DDP-(F2018-10) numarasıyla destekleyen Bursa Uludağ Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi’ne teşekkürlerimizi sunarız.

References

• AATTUT, (2010). Atıksu arıtma tesisleri teknik usuller tebliği. Çevre ve Orman Bakanlığı. Resmi Gazete, Tarih 20.03.2010, Sayı 27527.
• Abdul, K. S. M., Jayasinghe, S. S., Chandana, E. P., Jayasumana, C., & De Silva, P. M. C. (2015). Arsenic and human health effects: A review. Environmental Toxicology and Pharmacology, 40(3), 828-846. https://doi.org/10.1016/j.etap.2015.09.016
• Akdeniz, S., Karaer, F., Katip, A., & Aksoy, E. (2011). A GIS-based method for shallow lake eutrophication assessment. Journal of Biological and Environmental Sciences, 5(15).
• Akgün, Ü. (2022). Bursa İlinde Toprak-Su Kirliliği ve Çözüm Önerileri [Yüksek lisans tezi, Bursa Uludağ Üniversitesi].
• Aksoy, E., & Özsoy, G. (2002). Investigation of multi-temporal land use/coverand shoreline changes of the Uluabat Lake ramsar site using RS and GIS. International Conference on Sustainable Land Use and Management, 318-325.
• APHA, (1998). Standard methods for the examination of water and wastewater (20th ed.). Washington, DC:American Public Health Association.
• Arslan, N. (2013). Invisible face of boron pollution in fluvial ecosystem: the level in the tissues of sentinel and nectonic organisms. Ambio, 42(6), 715-723.
• Barlas, N., Akbulut, N., & Aydoğan, M. (2005). Assessment of heavy metal residues in the sediment and water samples of Uluabat Lake, Turkey. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 74(2), 286-293.
• Bartlett, M. (1950). Tests of significance in factor analysis. British Journal of Psychology, 3, 77-85.
• Bebek, M. T. (2001). Ulubat gölü ve gölü besleyen su kaynaklarında ağır metal kirliliğinin araştırılması [Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi].
• Bulut, C., Atay, R., Uysal, K., Köse, E., & Çınar, Ş. (2010). Uluabat Gölü yüzey suyu kalitesinin değerlendirilmesi. Aquatic Sciences and Engineering, 25(1), 9-18.
• Carlson, R. (1977). A trophic state index for lakes. Limnology and Oceanography, 22(2), 361-369. https://doi.org/10.4319/lo.1977.22.2.0361
• Cattell, R. B. (1966). The scree test for the number of factors. Multivariate Behavioral Research, 1(2), 245-276. https://doi.org/10.1207/s15327906mbr0102_10
• Cerny, B. A., & Kaiser, H. F. (1977). A study of a measure of sampling adequacy for factor-analytic correlation matrices. Multivariate Behavioral Research, 12(1), 43-47. https://doi.org/10.1207/s15327906mbr1201_3
• Çelenli, A. (2000). Uluabat Gölü çevre jeokimyası [Doktora tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi].
• Çiçek, A., Tokatlı, C., Emiroğlu, Ö., Köşe, E., Bakurt, S., & Sülün, Ş. (2013). Macro and micro element concentrations in water, sedimentand commercial fishes of Çatören Dam (Eskişehir). Journal of Research in Ecology, 2(2), 91-99.
• Çolak, M., Gemici, Ü., & Tarcan, G. (2003). The effects of colemanite deposits on the arsenic concentrations of soil and ground water in Igdeköy-Emet, Kütahya, Turkey. Water, Air, and Soil Pollution, 149, 127-143.
• Çöl, M., Çöl, C., Soran, A., Sayli, B. S., & Oztürk, S. (1999). Arsenic-related Bowen's disease, palmar keratosis, and skin cancer. Environmental Health Perspectives, 107(8), 687-689. https://doi.org/10.1289/ehp.107-1566498
• Dalkıran, N., Karacaoğlu, D., Dere, Ş., Şentürk, E., & Torunoğlu, T. (2006). Factors affecting the current status of a eutrophic shallow lake (Lake Uluabat, Turkey): Relationships between water physical and chemical variables. Chemistry and Ecology, 22(4), 279-298. https://doi.org/10.1080/02757540600856229
• Dalkıran, N. (2015). Uluabat Gölü Ramsar alanı ve biyolojik özellikleri [Konferans sunumu]. Karacabey Sempozyumu, Bursa, Türkiye. https://www.researchgate.net/publication/329962646
• Dalkıran, N., Karacaoğlu, D., Taş, D., Karabayırlı, G., Atak, S., Koşucu, T. A., Akay, E. (2020). Mustafakemalpaşa Çayı’nın (Bursa) su kalitesinin faktör analizi kullanılarak değerlendirilmesi. Acta Aquatica Turcica, 16(1), 124-137. https://doi.org/10.22392/actaquatr.610888
• Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü. (1982). Apolyont Gölü ve yan kolları projesi kirlilik gözlem çalışmaları. Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü, I. Bölge Müdürlüğü. 55s
• Dziuban, C. D., & Shirkey, E. C. (1974). When is a correlation matrix appropriate for factor analysis? Some decision rules. Psychological Bulletin, 81(6), 358. http://dx.doi.org/10.1037/h0036316
• Elmacı, A., Teksoy, A., Topaç, O., Özengin, N., Kurtoğlu, N., & Başkaya, H. (2007). Assessment of heavy metals in Lake Uluabat, Turkey. African Journal of Biotechnology, 19(6), 2236-2244. https://doi.org/10.5897/AJB2007.000-2351
• Elmacı, A., Özengin, N., Teksoy, A., Topaç Ş., Topac, F.O., & Baskaya, H. (2009). Evaluation of trophic state of lake Uluabat, Turkey. Journal of Environmental Biology, 30(5), 757-760.
• Elmacı, A., Teksoy, A., Topaç, F., Özengin, N., & Başkaya, H. (2010). Uluabat Gölü fizikokimyasal özelliklerinin yönetmelikler çerçevesinde değerlendirilmesi. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 15(1), 149.
• Field, A. (2013). Discovering statistics using IBM SPSS statistics. SAGE Publications. 4th Edition.
• Filik Iscen, C., Emiroglu, Ö., Ilhan, S., Arslan, N., Yilmaz, V., & Ahiska, S. (2008). Application of multivariate statistical techniques in the assessment of surface water quality in Uluabat Lake, Turkey. Environmental Monitoring and Assessment, 144(1-3), 269-276.
• Guibaud, G., & Gauthier, C. (2003). Study of aluminium concentration and speciation of surface water in four catchments in the Limousin region (France). Journal of Inorganic Biochemistry, 97(1), 16-25. https://doi.org/10.1016/S0162-0134(03)00254-X
• Hacısalihoğlu, S., & Karaer, F. (2016). Relationships of heavy metals in water and surface sediment with different chemical fractions in Lake Uluabat, Turkey. Polish Journal of Environmental Studies, 25(5), 1937–1946. https://doi.org/10.15244/pjoes/62908
• Hacısalihoğlu, S., & Karaer, F. (2018). Evaluation of water quality in eutrophic shallow lakes: case study on lake Uluabat, Turkey. International Journal of Agriculture Environment and Food Sciences, 2(1), 18-28. https://doi.org/10.31015/jaefs.18004
• Hacısalihoğlu, S., & Karaer, F. (2020). Uluabat Gölü noktasal kirletici kaynaklar ve kirlilik yükleri. Doğal Afetler Çevre Dergisi, 6(2): 258-267.
• Helvacı, C. (1984). Occurrence of rare borate minerals: Veatchite-A, tunellite, teruggite and cahnite in the Emet borate deposits, Turkey. Mineralium Deposita, 19(3), 217-226.
• Helvacı, C. (2015). Geological features of neogene basins hosting borate deposits: An overview of deposits and future forecast, Turkey. Maden Tetkik ve Arama Dergisi, 151, 169-215. https://doi.org/10.19111/bmre.05207
• İleri, S. (2010). Uluabat gölü su ve sediment kalitesinin fiziko-kimyasal parametreler açısından değerlendirilmesi ve Coğrafi Bilgi Sistemi ortamında analizlenmesi [Doktora tezi, Bursa Uludağ Universitesi].
• İleri, S., Karaer, F., Katip, A., & Onur, S. (2014). Sığ göllerde su kalitesi değerlendirmesi, Uluabat Gölü Örneği. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 19(1), 47-57. https://doi.org/10.17482/uujfe.58132
• Kaiser, H.F. (1970). A second generation little jiffy. Psychometrika, 35(4), 401-415. https://doi.org/10.1007/BF02291817
• Kaiser, H.F. (1974). An index of factorial simplicity. Psychometrika, 39, 31-36. https://doi.org/10.1007/BF02291575
• Kaiser, H. F., & Rice, J. (1974). Little jiffy, mark IV. Educational and Psychological Measurement, 34(1), 111- 117. http://dx.doi.org/10.1177/001316447403400115
• Karacaoğlu, D., Dere, Ş., & Dalkıran, N. (2004). A taxonomic study on the phytoplankton of Lake Uluabat (Bursa). Turkish Journal of Botany , 28(5), 473-485. https://journals.tubitak.gov.tr/botany/vol28/iss5/2
• Karacaoğlu, D. (2006). Emet Çayı'nın epipelik diyatomeleri ve bentik omurgasızlarının ilişkilendirilmesi ile kirlilik düzeyinin saptanması [Doktora tezi, Bursa Uludağ Üniversitesi].
• Katip, A., & Karaer, F. (2011). Uluabat Gölü su kalitesinin Türk mevzuatına ve uluslararası kriterlere göre değerlendirilmesi. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 16(2), 25-34.
• Katip, A., Karaer, F., Başkaya, H. S., Ileri, S., & Sarmaşik, S. (2012). Fraction distribution and risk assessment of heavy metals and trace elements in sediments of Lake Uluabat. Environmental Monitoring and Assessment, 184, 5399-5413.
• Katip, A., Karaer, F., İLERİ, S., & Sarmaşık, S. (2013). Uluabat Gölü’nde iz metallerin askıda katı madde ile su arasındaki dağılımının araştırılması. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 28(4).
• Katip, A., Ileri, S., Karaer, F., & Onur, S. (2015). Determination of the trophic state of Lake Uluabat (Bursa-Turkey). Ekoloji, 24(97), 24-35. https://doi.org/10.5053/ekoloji.2015.06
• KÇŞİDİM, (2021). Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı, Kütahya İli 2021 Çevre Durum Raporu.
• Kratzer, C., & Brezonik, P. (1981). A carlson-type trophic state index for nitrogen in Florida Lakes. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 17(4), 713-715. https://doi.org/10.1111/j.1752-1688.1981.tb01282.x
• Omwene, P. I., Öncel, M. S., Çelen, M., & Kobya, M. (2019). Influence of arsenic and boron on the water quality index in mining stressed catchments of Emet and Orhaneli streams (Turkey). Environmental Monitoring and Assessment, 191(4), 1-16. https://doi.org/10.1007/s10661-019-7337-z
• Oygür, V., & Erler, A. (1999). Jasperoid tipi epitermal cevherleşmeye batı Anadolu’dan bir örnek: Değirmenciler antimuan cevherleşmesi (Simav, Kütahya). Maden Tetkik ve Arama Dergisi, 121, 97-113.
• Özgenç, İ. (1993). Ovacık (Tavşanlı-Kütahya) fluorît yatağının jeolojisi ve oluşumu. Jeoloji Mühendisliği, 43, 5-14.
• Pett, M., Lackey, N., & Sullivan, J. (2003). Making Sense of Factor Analysis: The use of factor analysis for instrument development in health care research. California: Sage Publications Inc.
• Rand, G. M., & Petrocelli, S. R. (1985). Fundamentals of aquatic toxicology: methods and applications. FMC Corp., Princeton, NJ.
• Semiz, G. D. (2014). Sulama suyu açısından bor içeriğinin değerlendirilmesi: Uluabat Gölünü besleyen Orhaneli, Emet ve Mustafakemalpaşa Çayları. Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi, 11(1), 98-105.
• Şengörür, B. & İsa, D. (2001). Sakarya Nehri’ne ait su kalite gözlemlerinin faktör analizi. Turk J Engin Environ Sci, 25, 415-425.
• Tokatlı, C., Köse, E., Çiçek, A., Emiroğlu, Ö., Arslan, N., & Dayıoğlu, H. (2012). Lead accumulations in biotic and abiotic components of Emet Stream (Uluabat Lake Basin, Turkey). Pakistan Journal of Zoology, 44(6), 1587-1592.
• Tokatlı, C., Arslan, N., Çiçek, A., Kose, E., Emiroglu, O., & Dayioglu, H. (2013). Effect of silver on aquatic ecosystems of Emet Stream Basin, Turkey. Pakistan Journal of Zoology, 45(2).
• Tokatlı, C., Çiçek, A., Emiroğlu, Ö., Arslan, N., Köse, E., & Dayioğlu, H. (2014). Statistical approaches to evaluate the aquatic ecosystem qualities of a significant mining area: Emet stream basin (Turkey). Environmental Earth Sciences, 71, 2185-2197.
• Tokatlı, C., Köse, E., Arslan, N., Emiroğlu, Ö., Çiçek, A., & Dayıoğlu, H. (2016). Ecosystem quality assessment of an aquatic habitat in a globally important boron reserve: Emet Stream Basin (Turkey). International Journal of Environment and Pollution, 59(2-4), 116-141.
• Varol, M., Gökot, B., Bekleyen, A., & Şen, B. (2012). Water quality assessment and apportionment of pollution sources of Tigris River (Turkey) using multivariate statistical techniques a case study. River Research and Applications, 28(9), 1428-1438.
• Varol, M., Karakaya, G., & Alpaslan, K. (2022). Water quality assessment of the Karasu River (Turkey) using various indices, multivariate statistics and APCS-MLR model. Chemosphere, 308, 136415.
• Yılmaz, F., Ozodemir, N., Demirak, A., & Tuna, A. (2007). Heavy metal level in two fish species Leuscius cephalus and Lepomis gibbosus. Food Chemistry, 100(2), 830-835. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2005.09.020
• YSKY, (2012). Yerüstü su kalitesi yönetmeliği. Resmi Gazete, Tarihi: 30.11.2012, Sayı: 28483.
• Yurtseven, I., & Randhir, T. O. (2020). Multivariate assessment of spatial and temporal variations in irrigation water quality in Lake Uluabat watershed of Turkey. Environmental Monitoring and Assessment, 192(12), 1-29. https://doi.org/10.1007/s10661-020-08723-2
• Zünbülgil, B. (2015). Uluabat Gölü sulakalan bölgesi epifitik diyatomeleri ile su kalitesi arasındaki ilişkiler [Yüksek lisans tezi, Bursa Uludağ Üniversitesi].