نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشیار، گروه جغرافیا، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران
2 دانشجوی دکتری، گروه جغرافیا، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران
چکیده
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Karst masses have great importance in water supply of settlements and agricultural lands in arid and semi-dry areas. The most the mountains in Kermanshah province consist of carbonate formations, that Parâw - Bisetoon mountain masses in Zagros structural zone (thrust) are one of the most important karst masses. Karst landforms such as dolines, uvulas, and karst caves in this mountain mass are created due to affecting factors in the karst development such as the carbonate formations, tectonic, climatic and geomorphological conditions. The purpose of the present study is to zonate the development of surface karst in Parâw - Bisetoon mountain mass using Entropy model. This study used seven factors of geology, elevation, slope, aspect, rainfall, temperature and distance from the fault as independent variables and sinkholes factor as the dependent variable. The results of this study indicate that 39% of this area is categorized as the high and very high karst development. The accuracy of the model using the sinkholes layer indicates that 98% the sinkholes of region are in these two areas. Also there are a large number of karst springs (Saraw) around the mountain that shows the development of karst in the area.
کلیدواژه‌ها [English]
مقدمه
زندگی 20% تا 25% از جمعیت جهان تا حد زیادی یا به‌طور کامل به منابع آب زیرزمینی حاصل از کارست وابسته است (Ford, Williams, 1989: 1). توسعة اقتصادی و اجتماعی مناطق نیز به قابلیت دسترسی به آب باکیفیت بستگی دارد و به همین دلیل در دهه‌های اخیر تقاضا برای آب‌های کارستی در سراسر جهان بیشتر شده است (Polemio, 2009: 1462). در ایران حدود 11درصد از سطح زمین را سازندهای کارستی می‌پوشانند (افراسیابیان، 1377: 34). پراکندگی توده‌های کارستی در سطح کشور باعث شکل‌گیری لندفرم‌های ژئومورفولوژی متنوعی همانند دولین، پولیه، غار، اووالا، لاپیه، دره خشک و چشمه‌ها در آنها شده است که به علت کم‌آبی در بیشتر مناطق، وجود چشمه‌های کارستی با دبی زیاد در تأمین منابع آب روستاها و شهرهای حاشیة توده‌های کارستی اهمیت زیادی دارد (بهنیافر، 1388: 122).
توسعة کارست درنتیجة شرایط آب‌وهوایی، ژئومورفولوژیکی، زمین‌شناسی، نیروهای تکتونیک و فرسایش است که در مدت‌زمانی طولانی پدیده‌ها و مناظر کارستی را با ویژگی‌های خاص و منحصربه‌فرد شکل داده است (Karimi, 2012: 1)؛ درنتیجه محیط‌های کارستی پیچیده و به‌شدت آسیب‌پذیرند و بهره‌برداری از آب‌های کارستی و حفاظت از آنها مهم است؛ زیرا نقش مهمی در تأمین آب سکونتگاه‌ها و زمین‌های کشاورزی و بنابراین نیاز به مدیریت براساس مطالعات جامع چندرشته‌ای دارد (Kovacs, 2003: 8).
پیشینة پژوهش
یکی از مهم‌ترین اقدامات برای مدیریت و حفاظت از منابع آب کارست، تهیة نقشه‌های پهنه‌بندی توسعه و تحول کارست است که با استفاده از روش‌ها و مدل‌های مختلفی انجام می‌شود؛ ازجملة این پژوهش‌هاست:
لاملاس و همکاران[1](2008) از مدل رگرسیون لجستیک به‌منظور بررسی احتمال وقوع و تشکیل فروچاله‌های کارستی استفاده کرده‌اند.
یه و همکاران[2] (2009) از نرم‌افزارهای سنجش‌ازدور و سیستم اطلاعات جغرافیایی برای ارزیابی نواحی تغذیة آب زیرزمینی استفاده کرده‌اند و عامل سنگ‌شناسی را مؤثرترین عامل در تغذیة آب زیرزمینی می‌دانند.
هارتمن و همکاران[3] (2014) در مقاله‌ای اهمیت منابع آب کارستی و مدل‌های استفاده‌شده برای مطالعة این منابع را بررسی کرده‌اند و معتقدند در مناطق کارستی به علت پیچیدگی سیستم‌های کارستی، باید از تکنیک‌ها و روش‌های خاصی استفاده شود که براساس اطلاعات و داده‌های مناطق کارستی به دست آمده‌اند.
میشرا و همکاران[4] (2010) با استفاده از روش‌های چندمعیاره آبخوان‌ها را بررسی و نقشة مناطق مناسب تغذیة آبخوان‌ها را مشخص کرده‌اند.
ملکی و همکاران (1388) از روش‌های تحلیل سلسله‌مراتبی (تحلیل کارشناسی)، تراکم سطح، ارزش اطلاعاتی، وزن متغیرها و روش تجربی به‌منظور پهنه‌بندی تحول کارست در استان کرمانشاه بهره برده‌اند و به این نتیجه رسیده‌اند روش ارزش اطلاعاتی بیشترین انطباق را با شاخص انتخاب‌شده (چاله‌های بسته) در منطقه دارد.
جعفربیگلو و همکاران (1390) با استفاده از DEM مورفوتکتونیکی فروچاله‌های کارستی تودة پرآو - بیستون را تحلیل کرده‌اند و به این نتیجه رسیده‌اند فروچاله‌ها در امتداد درزه‌ها و گسل‌های کششی ناحیه قرار گرفته‌اند.
قربانی و اونق (1391) مدل رگرسیون خطی چندمتغیره را به‌منظور پهنه‌بندی تحول و حساسیت به آلودگی کارست در تودة کارستی شاهو به کار برده‌اند و از لایة اطلاعاتی فروچاله‌های منطقه به‌منزلة متغیر وابسته استفاده کرده‌اند. هم‌خوانی زیاد نقشه‌ها و نتایج به‌دست‌آمده با واقعیت منطقة مطالعاتی گویای کارایی و قابلیت اعتماد به این مدل است.
عباسی و همکاران (1393) پهنه‌بندی تحول کارست را در طاقدیس نوا با بهره‌گیری از مدل آنتروپی انجام داده‌اند که دقت‌سنجی مدل با استفاده از چاله‌های بسته نشان‌دهندة کارایی مطلوب مدل است.
مقصودی و همکاران (1394) با استفاده از گامای فازی، شدت انحلال سنگ‌های کربناته را در حوزة سیف‌آباد لاغر پهنه‌بندی کرده‌اند و گامای 0.4 را برای پهنه‌بندی شدت انحلال مناسب می‌دانند.
هدف پژوهش
بخش عمدة ارتفاعات استان کرمانشاه از سازندهای کربناتی تشکیل شده است که شرایط مناسبی برای بهره‌برداری بهینه از منابع آب کارستی دارند (ملکی، 1388: 271). تودة کارستی پرآو- بیستون با توجه به موقعیت زمین‌شناسی، شرایط اقلیمی و ویژگی‌های ژئومورفولوژیکی شرایط مناسبی درزمینة منابع آب کارستی دارد. هدف این پژوهش، بررسی و شناخت عوامل تأثیرگذار بر توسعة ژئومورفولوژی کارست و پهنه‌بندی توسعة کارست در تودة کارستی پرآو - بیستون است که برای این کار از مدل آنتروپی[5] استفاده شده است.
روش پژوهش
در این پژوهش از نقشه‌های توپوگرافی 1:50000، زمین‌شناسی 1:100000، خاک و کاربری اراضی 1:250000، عکس‌های هوایی 1:55000 و تصاویر ماهواره‌ای لندست، آمار دما و بارش ایستگاه‌های هواشناسی منطقه به‌منزلة داده‌های پژوهش استفاده شده است.
به‌منظور تجزیه‌وتحلیل داده‌ها و تهیة نقشه‌های مورد نیاز نیز از نرم‌افزارهای Excel و سیستم اطلاعات جغرافیایی[6] استفاده شده است. فروچاله‌های منطقه با استفاده از روش Fillsink، نقشه‌های توپوگرافی و تصاویر ماهواره‌ای شناسایی شدند و با بهره‌گیری از مطالعات میدانی نتایج آنها دقت‌سنجی شد. عوامل مؤثر بر شکل‌گیری و توسعة کارست سطحی که براساس منابع مرتبط و ویژگی‌های منطقة مطالعاتی شناسایی شده‌اند، شامل لیتولوژی، طبقات ارتفاعی، شیب، جهت شیب، بارش، دما و فاصله از گسل است. با بررسی فروچاله‌های منطقه و ویژگی آنها به هرکدام از لایه‌ها وزن کارشناسی اختصاص داده (جدول 1) و سپس ماتریس آنتروپی برای آنها تشکیل شد (جدول 2). پس از آن نقشة هفت عامل مؤثر به‌صورت رستر در وزن کل هفت عامل به‌دست‌آمده با مدل آنتروپی ضرب و درنهایت پس از جمع هفت نقشة یادشده با ابزار Raster Calculator نقشة نهایی ترسیم شد.
مدل آنتروپی
آنتروپی، رفتار توزیع انرژی است (Luna et al, 1963: 1). به هرگونه توزیع احتمالی آنتروپی گفته می‌شود (Cover et al, 1991: 1). آنتروپی در تمام سیستم‌های زنده و غیرزنده وجود دارد؛ به بیان دیگر آنتروپی انرژی آزاد برای انجام کار دارد که با کاهش انرژی افزایش می‌یابد (Baily et al, 1990: 1). شاخص آنتروپی میزان بی‌نظمی را در محیط نشان می‌دهد (Bednarik et al, 2010: 167). فرایند کار با مدل آنتروپی به شرح زیر است:
رابطة 1 درواقع کلیدی‌ترین رابطه در این مدل است.
|
رابطة 1 |
= -k ln |
در رابطة بالا ارزش آنتروپی و ماتریس تصمیم‌گیری است.
|
رابطة 2 |
در این رابطه ارزش یا همان امتیاز اختصاص داده‌شده به هر لایه است.
|
رابطة 3 |
در اینجا K، ضریبی ثابت و m، تعداد دولین‌های موجود در منطقه است.
پس از به‌دست‌آمدن مقدار ، می‌باید مقدار نیز با رابطة زیر (رابطة 4) محاسبه شود.
|
رابطة 4 |
=1- |
درجة انحراف عدم اطمینان است. در پایان برای محاسبة وزن نهایی تمام عوامل از رابطة 5 استفاده می‌شود.
|
رابطة 5 |
= |
رابطة 6 برای تهیة نقشة نهایی است.
|
رابطة 6 |
x = |
ضریب توسعة کارست، وزن نهایی تمام عوامل و وزن هرکدام از عوامل است (Zongji et al, 2010: 1336).
منطقة پژوهش
منطقة پژوهش، تودة آهکی پرآو - بیستون، در شمال شهر کرمانشاه واقع شده و از لحاظ هیدرولوژیکی بخشی از حوضة آبریز رودخانة قره‌سو و گاماسیاب است. این تودة کوهستانی بخشی از زون زاگرس رورانده (زاگرس شکسته) است و روند آن همانند زاگرس، شمال غربی ـ جنوب شرقی است. بلندترین قلة منطقه، کوه پرآو با 3385 متر ارتفاع و کمترین ارتفاع منطقه، دشت‌های اطراف با 1287 متر ارتفاع است.
مساحت منطقه حدود 860 کیلومترمربع است که بین عرض‌های جغرافیایی ˊ21 ˚34 تا ˊ43 ˚34 شمالی و طول‌های جغرافیایی ˊ53 ˚46 تا ˊ27 ˚47 شرقی واقع شده است.
آب‌وهوای منطقه معتدل مدیترانه‌ای است و ازنظر بارشی براساس تقسیم‌بندی علیجانی (1376) جزو منطقة بارشی کردستان محسوب می‌شود و بیش از 70% بارش منطقه در فصل سرد سال و قسمت عمده‌ای از آن به‌صورت برف است.
ازنظر زمین‌شناسی کوهستان بیستون، توده‌ای آهکی و متعلق به دوران دوم زمین‌شناسی است و سنگ‌های آن از تریاس تا کرتاسة بالا را شامل می‌شود که در انتهای کرتاسه روی زاگرس چین‌خورده رانده شده‌اند.
از ویژگی‌های بارز این آهک، حالت توده‌ای آن است که به‌ندرت لایه‌بندی در آن دیده می‌شود. به علت قرارگیری در زون ساختمانی زاگرس شکسته (رورانده)، شکستگی‌هایی به موازات تراست زاگرس به وجود آمده است که در امتداد این شکستگی‌ها، چشمه‌های فراوان با دبی تقریباً زیاد وجود دارد (ملکی، 1380: 94). گسل‌های اصلی شمال غربی - جنوب شرقی در جهت طولی تودة آهکی بیستون کشیده شده است؛ به طوری که حاشیة این تودة کوهستانی در محل اتصال به دشت‌های اطراف، به‌صورت دیواره‌های تند و خشن دیده می‌شود.
شکل 1. موقعیت جغرافیایی منطقة پژوهش
یافته‌های پژوهش
طبقه‌بندی معیارهای مؤثر بر توسعة کارست و وزن‌دهی به آنها براساس مطالعات میدانی و تصاویر رقومی منطقه انجام شد (جدول 1). پس از استخراج فروچاله‌های منطقه و ترسیم نقشه‌های عوامل مؤثر، اطلاعات تمام فروچاله‌ها به دست آمد و با استفاده از همپوشانی فروچاله‌ها و نقشه‌های عوامل مؤثر، ماتریس آنتروپی تشکیل شد (جدول 1).
شکل 2. نقشة عوامل مؤثر بر توسعة کارست
جدول 1. طبقه‌بندی و میزان امتیاز اختصاص‌یافته به هریک از عوامل هفت‌گانه
|
امتیاز |
فاصله از گسل کیلومتر |
امتیاز |
دما |
امتیاز |
بارش |
امتیاز |
جهت شیب |
امتیاز |
شیب |
امتیاز |
طبقات ارتفاعی |
امتیاز |
سازند زمین‌شناسی |
|
9 |
500-0 |
9 |
5> |
9 |
900-950 |
9 |
شمال |
9 |
5-0 |
9 |
2787-2487 |
9 |
آهک پلاژیک بیستون |
|
7 |
1000-500 |
8 |
6-5 |
9 |
850-900 |
6 |
جنوب |
8 |
10-5 |
9 |
2487-2187 |
9 |
آهک توده‌ای |
|
5 |
2000-1000 |
7 |
7-6 |
8 |
800-850 |
7 |
شرق |
6 |
15-10 |
8 |
3087-2787 |
6 |
آهک دانه‌ریز |
|
3 |
3000-2000 |
6 |
8-7 |
7 |
750-800 |
4 |
غرب |
3 |
20-15 |
7 |
3359-3087 |
2 |
رادیولاریت و آهک مارنی |
|
1 |
3000< |
4 |
9-8 |
6 |
700-750 |
|
|
2 |
30-20 |
5 |
2187-1887 |
1 |
سازند قم |
|
|
|
2 |
10-9 |
5 |
650-700 |
|
|
1 |
50-30 |
2 |
1887-1587 |
1 |
آبرفت |
|
|
|
1 |
11-10 |
4 |
600-650 |
|
|
1 |
> 50 |
1 |
1587-1287 |
|
|
|
|
|
1 |
12-11 |
3 |
550-600 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
12< |
2 |
500-550 |
|
|
|
|
|
|
|
|
جدول 2. ماتریس آنتروپی برای پارامترهای هفت‌گانه
|
دما |
فاصله از گسل (متر) |
سازند زمین‌شناسی |
ارتفاع متوسط (پدیدۀ هوایی) |
جهت شیب |
شیب (درجه) |
بارش |
شمارة فروچاله |
|
5> |
500- 0 |
آهک بیستون |
2787-2487 |
شمال |
10- 5 |
750- 800 |
1 |
|
8-7 |
1000-500 |
آهک بیستون |
2187-1887 |
جنوب |
5-0 |
700-750 |
2 |
|
6-5 |
1000-500 |
آهک بیستون |
2487-2187 |
شمال |
5-0 |
750-800 |
3 |
|
... |
... |
... |
... |
... |
... |
... |
... |
|
6-5 |
1000-500 |
آهک بیستون |
2787-2487 |
شرق |
0-5 |
700-750 |
52 |
درنهایت با استفاده از روابط یادشده مقدار برای معیارهای زمین‌شناسی، طبقات ارتفاعی، شیب، جهت شیب، بارش، دما و فاصله از گسل به قرار زیر است:
|
Ej=[1, 0.9641, 0.9861, 0.9629, 0.9789, 0.9570, 0.9848] |
|
رابطة 1 |
درجة عدم اطمینان معیارها نیز محاسبه شد.
|
Vij = [0, 0.035889, 0.013894, 0.037013, 0.021012, 0.042919, 0.015168] |
|
رابطة 2 |
سرانجام برای اوزان (Wj) شاخص‌های موجود را خواهیم داشت:
|
Wj = [0, 0.216336, 0.083751, 0.223113, 0.126658, 0.258709, 0.091433] |
|
رابطة 3 |
درنهایت مدل ناحیه‌ای توسعة کارست با استفاده از رابطة زیر به دست آمد:
|
Hi = 0×G+ 0.216336×E+ 0.083751×S+ 0.223113×A+ 0.126658×R+ 0.258709×T+ 0.091433×F |
|
رابطة 4 |
در آن H میزان تحول کارست در منطقه،
G سنگ‌شناسی، E ارتفاع، S شیب، A جهت شیب،
R بارش،T دما و فاصله از گسل است.
نقشة پهنه‌بندی توسعة کارست براساس رابطة Hi با ضرب وزن هر معیار در نقشة رستری مربوط به خود و جمع آنها، ترسیم و درنهایت نقشة پهنه‌بندی در چهار کلاس کارست با توسعة کم، متوسط و زیاد و بسیار زیاد طبقه‌بندی شد (نقشة 8). با قراردادن موقعیت فروچاله‌های منطقه روی این نقشه مشخص شد از 52 فروچالة منطقه، 41 فروچاله در پهنه با توسعة بسیار زیاد، 10 فروچاله در پهنه با توسعة زیاد و 1 فروچاله در پهنه با توسعة متوسط کارست قرار گرفته است (شکل 3). پهنه با توسعة متوسط کارست با %31 از وسعت منطقه بیشترین مساحت تودة کوهستانی و پهنة با توسعة بسیار زیاد با %14 کمترین مساحت تودة کارستی را به خود اختصاص داده است (جدول 4). پهنة با توسعة کم کارست در حاشیة تودة کوهستانی قرار و ارتفاع و بارش کم و دمای زیاد و فاصلة بیشتر نسبت به گسل‌های منطقه دارد. پهنه‌های با توسعة کارست زیاد و بسیار زیاد در رأس تودة کارستی قرار و ویژگی‌هایی همانند بیشترین میزان بارش، دمای کمتر نسبت به سایر پهنه‌ها، شیب کم، جهت شیب شمالی و شرقی و همچنین گسل‌های زیاد دارد.
در جدول (3) میزان تأثیر هریک از عوامل در توسعة کارست در منطقه مشخص شده است که نشان‌دهندة تأثیر زیاد عوامل دما، جهت شیب و ارتفاع در تحول کارست در منطقه است. عامل سنگ‌شناسی به علت قرارگرفتن تمام فروچاله‌ها در آهک بیستون و تنوع‌نداشتن این عامل، در این مدل بی‌تأثیر در نظر گرفته شده است.
یکی از نشانه‌های توسعة کارست در منطقة مطالعه‌شده، وجود چشمه‌های کارستی پرآب و متعدد در اطراف تودة کوهستانی پرآو - بیستون است که در منطقه به آنها «سرآو» می‌گویند. ازجملة این چشمه‌ها سرآوهای طاق بستان، بیستون، برناج، خضر الیاس و ... هستند که آب لازم را برای سکونتگاه‌های اطراف تأمین کرده‌اند و نقش مهمی در شکل‌گیری آنها داشته‌اند (شکل 3).
شکل 3. نقشة پهنه‌بندی توسعة کارست سطحی
جدول 3. میزان تأثیر هریک از عوامل هفت‌گانه در تحول کارست در منطقة پژوهش
|
عامل |
فاصله از گسل |
دما |
بارش |
جهت شیب |
شیب |
ارتفاع |
سنگ‌شناسی |
|
درصد تأثیر |
9% |
26% |
13% |
22% |
8% |
22% |
0 |
جدول 4. مساحت و درصد پهنه‌های کارستی تودة کوهستانی پرآو- بیستون
|
درصد فروچالة موجود در هر پهنه |
تعداد فروچاله |
درصد مساحت |
مساحت |
منطقه |
|
79% |
41 |
14% |
122.6 |
کارست با توسعة بسیار زیاد |
|
19% |
10 |
25% |
215.84 |
کارست با توسعة زیاد |
|
2% |
1 |
31% |
261.99 |
کارست با توسعة متوسط |
|
0 |
0 |
30% |
258.96 |
کارست با توسعة کم |
|
100% |
52 |
100 |
859.39 |
مجموع |
نتیجه‌گیری
نقشة پهنه‌بندی توسعة کارست تودة کوهستانی پرآو - بیستون با بهره‌گیری از مدل آنتروپی ترسیم و در چهار کلاس کارست با توسعة کم، متوسط و زیاد و بسیار زیاد طبقه‌بندی شده است. براساس نقشة به‌دست‌آمده، مناطق با توسعة بسیار زیاد، کارست 14% منطقه، یعنی مساحتی حدود 122.6 کیلومترمربع از منطقه را شامل می‌شود. گسترش لندفرم‌های کارستی در این منطقه بسیار زیاد است و 79% فروچاله‌های منطقه در پهنة با توسعة بسیار زیاد قرار گرفته است. از عوامل مؤثر در توسعة کارستی این پهنه، وجود گسل‌های زیاد، شیب بین 0 تا 5 درجه، جهت شمالی و شرقی بیشتر پهنه، دمای کم و بارش زیاد عمدتاً به‌صورت برف است. پهنة با توسعة کارست کم که 30% از منطقة پژوهش را شامل می‌شود، در ارتفاعات کم منطقه قرار گرفته است که بارش کمتر، دمای بیشتر، شیب زیاد و فاصله از گسل بیشتری دارد.
دقت‌سنجی نقشة پهنه‌بندی منطقه با قراردادن نقشة فروچاله‌های کارستی روی آن، نشان‌دهندة کارایی مطلوب مدل آنتروپی در منطقه است؛ به طوری که 98% فروچاله‌های منطقه در دو طبقه با توسعة بسیار زیاد و زیاد واقع شده‌اند. میزان تأثیرگذاری معیارها، نشان‌دهندة تأثیر بیشتر دما، جهت شیب و ارتفاع در توسعة کارست است و معیار زمین‌شناسی به این علت که تمام فروچاله‌ها در محدودة آهک بیستون تشکیل شده‌اند، در این مدل بدون تأثیر در نظر گرفته شده است.
پهنه‌های توسعه‌یافتة کارستی تأثیر زیادی در جذب نزولات جوی و تغذیة آبخوان‌های منطقه داشته‌اند و این آبخوان‌ها نقش مهمی در شکل‌گیری و گسترش سکونتگاه‌ها در منطقة پژوهش دارند. از سوی دیگر در نواحی کارستی بیشتر بارش از طریق فروچاله‌های منطقه و سیستم غارهای کارستی منطقه نفوذ می‌کند و به همین دلیل آسیب‌پذیری زیادی دارند؛ بنابراین لازم است سازمان‌های مربوطه به‌منظور مدیریت منابع آب و همچنین پیشگیری از آلودگی آب‌های زیرزمینی، اقداماتی همانند جلوگیری از تخریب مراتع و جلوگیری از ورود مواد آلاینده در این مناطق انجام دهند.
)
