Document Type : Research Paper
Authors
1 Associate Professor of Geomorphology, Faculty of Agriculture and Natural Resources of Darab, Shiraz University, Iran
2 Assistant Professor of Geomorphology, Department of Geography, Shiraz University, Iran
Abstract
Keywords
مقدمه
مناطق کارستی به مناطق مشخصی اطلاق میشوند که با انحلال سنگ بستر و توسعة شبکة زهکشی زیرزمینی گسترش و اساساً با سنگ آهک ارتباط مییابند (Waltham et al., 2005: 1). درواقع کارست، اصطلاح بهکاررفته برای توصیف سبکی خاص از چشماندازها شامل غارها و سیستمهای آب زیرزمینی است که بهویژه در سنگهای انحلالی مانند سنگ آهک، مرمر، نمک و گچ به وجود میآید (Ford & Wiliamz, 2013: 1). ایجاد و توسعة ژئومورفولوژی کارست باعث شکلگیری سیستم کارستی و تشکیل آبخوانهای کارستی میشود.
شناخت ویژگیهای پهنههای کارستی و بررسی آنها از دیدگاه کاربردی اهمیت ویژهای دارد. سرزمینهای کارستی 20 درصد سطح قارههای عاری از یخ را فراگرفتهاند و آب آشامیدنی 25 درصد از جمعیت جهان را بهطور جزئی یا کامل تأمین میکنند. منابع اقتصادی کارست، اهمیت سرزمینهای کارستی در کشاورزی و تأمین منابع صنایعی همچون سیمان و منابع قرضه، تنوع زیستی و داشتن عوامل اقلیمی دیرینه ازجمله مسائلی هستند که هر کدام بهتنهایی یا با هم، کارست را برای مطالعات تخصصی با اهمیت میسازند. در این میان، تحولات ژئومورفولوژی و ساختارهای کارستی به مهندسان منابع آب، هیدروژئولوژیستها و برنامهریزان برای ایجاد سازههای مطمئن و تأمین آب سالم و بهداشتی یاری میرساند. فهم تحول کارست از منظر دیرین اقلیمی و نیز تحولات تکتونیکی کواترنر حائز اهمیت است. در پیدایش اشکال کارست منطقة پژوهش، ساختمان زمینشناسی، شرایط سنگشناسی، تکتونیکی و اقلیم حاکم بر منطقه نقش داشتهاند (ثروتی و ابراهیمی، 1395: 152).
آبخوانهای کارستی، مخازن زیرزمینی ناهمگنی هستند که آب در شبکههای مرتبط به هم شکافها، مغارهها و مجاری درون آنها جمعآوری میشود. سطح ایستابی در این آبخوانها، سطحی پیوسته نیست و شیب منطقهای و محلی دارد. بهطور کلی تمامی آبخوانها به طرف سطح اساس فرسایشی تمایل و شیب دارد و به این ترتیب آب از جمعکنندههای متأثر از سطح اساس زهکشی میشود. زهکشی آبخوانها بهطور محلی از راه نزدیکترین مجرای زیرزمینی با بیشترین ظرفیت صورت میگیرد. این جریان با کمیت خود، سطح اساس فرسایش را بازتاب میدهد. آبخوانهای کارستی در ازای پدیدههای دینامیکی عملکننده نسبت به زمان و مکان توسعه و موقعیت هندسی آنها بهسرعت تغییر مییابد. بارزترین نتیجة کارستیشدن، مورفولوژی خاصی است که مناطق کارستی را از نواحی دیگر غیرکارستی کاملاً متمایز میسازد. شکلهای کارست و تکامل تدریجی آنها، نتیجة مستقیم عمل انحلال آب در محیطهای کربناتة انحلالپذیر است (Milanovic, 1981: 242). جریان آب و ساختارهای تکتونیکی از مهمترین عوامل کارستیشدن سنگهای انحلالپذیرند (قبادی، 1386: 45). واژة کارست رابطة مستقیمی با سنگهای کربناته بهویژه بیشتر با سنگهای آهکی و دولومیتی دارد. هرچند فرایند کارستیشدن در سازندهای گچی، ژیپس و نمک نیز روی میدهد (Milanovic, 1981: 184).
پیشینة پژوهش
مدلسازی مناطق تغذیه در آبخوانهای کارستی، موضوعی جدید است که شبان و همکاران[1] (2004)، هوگز و همکاران[2] (2006) و رادولوویچ[3] (2012) با پیشرفت GIS و RS به آن توجه کردند. پیش از این مطالعات، پژوهشهای انجامشده درزمینة تغذیة آبخوانهای کارستی در حیطة مباحث هیدرودینامیکی و تعیین نوع تغذیه و جریان بوده است و بر ویژگیهای منطقة انتقالی آبخوان تأکید داشتهاند. پژوهشهای مانجین[4] (1984)، ساوتر[5] (1992)، توچ و ساوتر[6] (1998)، جوکیک و دنیک[7] (2008)، بور و همکاران[8] (2005)، جیر و همکاران[9] (2008)، جانزا[10] (2010) و مارتینز و آندرو[11] (2010)، ازجملة این پژوهشهاست.
مقصودی و همکاران (1388) تحولات کارستی چشمههای اصلی منطقة پرآو بیستون را در مقایسه با چشمههای دیگر واقع در زون زاگرس چینخورده براساس عوامل هیدروژئولوژیکی بررسی کردند. هیدروگراف چشمهها در تودة پرآو بیستون متأثر از توسعة کارستی بهوجودآمده، نوسانها و پیچیدگیهای بیشتری را نشان میدهد و تغذیه بهصورت کانالیزه رخ میدهد. از سوی دیگر میزان ضریب خشکیدگی چشمهها، ضریب آلفا و حجم ذخیرة دینامیکی چشمههای اطراف پرآو بیستون در مقایسه با دیگر چشمهها بر توسعة کارست در منطقه دلالت دارد و تغذیة مجرایی و کانالیزة چشمهها را نشان میدهد.
شجاع و محمدی (1389) اثر میزان و مقدار بارندگی را بر چشمة کارستی پیرغار روی شکل هیدروگراف و مشخصات هیدروژئولوژیکی آن بررسی کردند. نتایج نشان داد مقدار بارش بر شکل هیدروگراف، دبی پایه، دبی پیشینه و ضرایب فرود تأثیر میگذارد؛ بهطوری که با تغییر مقدار بارش ممکن است بخشهای جدیدی از سیستم کارست در سفره فعال شود.
شکری (1390) توسعة کارست را در حوضة آبگیر چشمهعلی دامغان با تلفیق مطالعات هیدروژئولوژی RS و GIS مطالعه کرد. نتایج نشان میدهد بیشترین درصد مساحت تشکیلدهندة حوضة آبگیر چشمه همراه با توسعة متوسط کارست بوده و تجزیه و تحلیل هیدروگراف و منحنی فرود چشمه و برآورد حجم جریان پایه و سریع نشاندهندة حاکمبودن جریان افشان کاذب موجود در منطقه است. تغییرات هیدروگراف و پاسخ چشمه به بارندگیها حاکی از وجود دستکم یک یا چند مجرای بزرگ و بررسی هیدروگراف و کموگراف نیز، مؤید توسعة متوسط تا زیاد مجاری زهکشی درونی آبخوان است.
طاحونی (1374) اشکال کارست را در منطقة دشت ارژن و کازرون بهمنظور تخمین حجم آبهای زیرزمینی و همچنین جنبههای مختلف جغرافیایی طبیعی، زمینشناسی و ژئوهیدرولوژی را بررسی کرد. در این پژوهش کارست منطقه نیز با درنظرگرفتن عوامل ژئومورفولوژیکی و زمینشناسی طبقهبندی شد.
کوتا و همکاران[12] (2012) ویژگیهای هیدروشیمیایی و هیدرودینامیکی را در آبخوان بررسی کردند. یافتههای پژوهش نشان داد پاسخ هیدروشیمیایی و هیدرودینامیکی در آبخوانهای کارستی به شرایط جریان در این آبخوانها بستگی دارد.
همچنین مرادی و همکاران[13] (2016) نقشة مناطق مستعد کارست را با استفاده از روش فازی و مدل تحلیل سلسلهمراتبی تهیه کردند. نتایج نشان داد روش فازی با دقت بسیار زیاد مناطق کارستی را شناسایی میکند.
با توجه به اهمیتی که مطالعة کارستها و شناسایی آنها در حوضههای آبخیز دارد، در مطالعة حاضر مناطق دارای پتانسیل کارستیشدن غرب استان فارس با استفاده از روش فازی و تحلیل سلسلهمراتبی (AHP) بررسی شدند.
روششناسی پژوهش
روش فازی
روش فازی، روشی نسبتاً جدید برای تهیة لایههای مختلف اطلاعاتی است. این روش را نخستینبار زاده[14] (1965) بهمثابة روشی جدید برای طبقهبندی ارائه کرد. زاده با تعریف تابع عضویت، هریک از اشیا یا پدیدههای موجود در زمین را در بازهای از 0 تا 1 تعریف کرد. تابع عضویت مقدار فازیبودن یک مجموعة فازی را مشخص میکند و درواقع به تابعی گویند که میزان درجة عضویت المانهای مختلف را به یک مجموعه نشان میدهد ( 2007: 68‚Sanchez). تابع عضویت در مدل فازی بهصورت معادلة 1 تعریف میشود (Mc Bratney & Odeh, 1997: 94):
|
(1) |
، تابع عضویتی است که درجة عضویت x را در مجموعة A تعریف میکند. مقداری که این توابع اتخاذ میکنند، بین 0 تا 1 است.
در این مطالعه با توجه به وجود انواع توابع عضویت، از تابع عضویت ذوزنقهای یکطرفه براساس فرمول زیر استفاده شد؛ بهطوری که برای مؤلفههای زمینشناسی، ارتفاع، بارندگی و دما، معادلة 2 و برای مؤلفههای فاصله از گسل، فاصله از رودخانه و شیب، معادلة 3 به کار رفت. در این معادله a و b، حدود بحرانی هریک از مؤلفههاست که در جدول (1) تعریف شدهاند:
|
(2) |
|
|
(3) |
جدول 1. اهمیت هریک از مؤلفهها بهمنظور تعیین مناطق کارستی (Yagoub‚ 2015: 12)
|
مناسب |
نامناسب |
مؤلفه |
|
حساسیت زیاد |
حساسیت کم |
زمینشناسی |
|
بیش از 1500 متر |
کمتر از 500 متر |
فاصله از رودخانه |
|
بیش از 2000 متر |
کمتر از 1000 متر |
فاصله از گسل |
|
بیش از 35درصد |
کمتر از 5درصد |
شیب |
|
بیش از 1000 میلیمتر |
کمتر از 700 میلیمتر |
بارندگی |
|
بیش از 2500 متر |
کمتر از 1000 متر |
ارتفاع |
|
کمتر از 10 درجه |
بیش از 20 درجه |
دما |
روش فرایند تحلیل سلسلهمراتبی [15](AHP)
مؤلفة وزن، مؤلفة مهمی برای ارتباطدادن عوامل بهکاررفته در تهیة نقشة مناطق کارستی است. به دلیل اینکه هریک از ویژگیها تأثیر متفاوتی بر کارست دارند، به کمک روش AHP وزندهی صورت گرفت. AHP، روشی است که وزندهی به مؤلفهها را آسان میکند. AHP بر مقایسة جفتی هریک از مؤلفهها تکیه دارد. هریک از عوامل براساس درجة اهمیتی که برای تعیین کارستیبودن منطقه دارند، در محدودهای از 1 تا 9 قرار میگیرند (جدول 2)؛ (Saaty & Vargas, 2001: 17).
جدول 2. مقیاس بنیادی برای مقایسة زوجی
(Saaty & Vargas, 2001: 17)
|
توضیحات |
ارزش توصیفی |
ارزش عددی |
|
اهمیت برابر |
1 |
1 |
|
- |
ضعیف |
2 |
|
یک عامل نسبت به دیگری کمی ارجح است |
تقریباً متوسط |
3 |
|
- |
متوسط |
4 |
|
یک عامل نسبت به دیگری ارجح است |
اهمیت بیشتر نسبت به دیگری |
5 |
|
- |
قوی |
6 |
|
یک عنصر نسبت به دیگری اهمیت بیشتری دارد |
بسیار قوی |
7 |
|
- |
بسیار بسیار قوی |
8 |
|
یک عنصر نسبت به دیگری اهمیت بسیار بیشتری دارد |
کاملاً ارجح |
9 |
|
وقتی مؤلفة i با j مقایسه میشود و یکی از ارزشهای بالا را دارد، مؤلفة j ارزشی متقابل با ارزش i دارد |
عمل متقابل (دوطرفه) |
|
به بیان دیگر به کمک ماتریس مقایسة زوجی برمبنای معادلات 4 و 5، ارزش و اهمیت هر معیار نسبت به دیگر معیارها مشخص میشود.
|
aij= aik · akj |
(4) |
|
a ij= 1/ a ji |
(5) |
i، j و k، مقادیر مربوط به ماتریس بررسیشده است.
با توجه به فرمول 4 و 5 با مقایسة دوبهدوی هریک از مؤلفههای مؤثر بر تعیین مناطق مستعد کارست، اعدادی بین 1 تا 9 برای آنها در نظر گرفته میشود که با تشکیل ماتریس مقایسة زوجی درنهایت برای هریک از مؤلفهها ارزشی بین 0 تا 1 انتخاب میشود.
درنهایت بهمنظور آمادهسازی نقشة مناطق کارستی، معادلة زیر به کار میرود. برمبنای این معادله، وزنهای تعریفشده برای هریک از مؤلفهها در نقشههای فازی تهیهشده ضرب میشود تا نقشههای مناطق کارستی منطقة پژوهش تهیه شود.
|
(6) |
|
|
(7) |
با توجه به فرمول بالا مشخص میشود وزن مربوط به هریک از مؤلفهها در محدودة 0 تا 1 و مجموع وزنهایی برابر با 1 است.
روش فازی و AHP در این مطالعه بهطور خلاصه در شکل (1) نشان داده میشود.
شکل 1. مراحل روش فازی و AHP بهمنظور تعیین مناطق کارستی
با توجه به شکل (5)، در این مدل نخست دادههای ورودی مؤثر بر تعیین مناطق کارستی مشخص و سپس با استفاده از روش فازی هریک از این نقشهها در یک بازة 0 تا 1 با استفاده از توابع فازی تهیه شد. در ادامه بهمنظور تهیة نقشة مناطق کارستی با توجه به درجة اهمیت هریک از مؤلفهها، وزن بین 0 تا 1 انتخاب و درنهایت با همپوشانی عوامل و درنظرگرفتن وزن مربوط نقشههایی تهیه شد.
منطقة پژوهش
منطقة پژوهش در غرب استان فارس، جنوب شهرستان کازرون در مرز بین استان فارس و بوشهر در طول جغرافیایی 51:12 تا 51:44 شرقی و عرض جغرافیایی 29:10 تا 29:36 شمالی واقع شده است (شکل 2). ازنظر آبوهوایی، این منطقه براساس طبقهبندی کوپن[16] آبوهوایی نیمهخشک و خشک دارد که در تابستان زیر استیلای پرفشار جنب حاره، آبوهوایی بسیار گرم و در زمستان در اثر ورود بادهای غربی بارندگی دارد. گرمترین ماه منطقه، تیرماه و سردترین آن، دیماه است. ازنظر بارندگی بیشترین بارش منطقه در فصل زمستان روی میدهد و تابستان بدون بارش است و اقلیمی خشک دارد. بهطور کلی منطقة پژوهش آبوهوایی مدیترانهای دارد؛ بدین صورت که تابستانهای آن خشک و زمستانهای آن تقریباً مرطوب است.
این منطقه از نظر ژئومورفولوژیکی در واحد ژئومورفولوژیکی زاگرس فارس قرار دارد که در بین یک ناودیس وسیع و طویل واقع شده است. جهت و روند این ناودیس بهصورت شمال غرب - جنوب شرق است. ارتفاع متوسط منطقه حدود 800 متر و پراکندگی ناهمواریها در سطح منطقه بدین صورت است که مرتفعترین ارتفاعات در بخش شمال شرقی و غربی منطقه قرار دارد و هرچه به سمت مرکز میرویم، از ارتفاع ناهمواریها کاسته میشود. منطقة پژوهش که شامل یک دشت ناودیسی بین کوهی است، ازنظر اشکال ژئومورفولوژیکی تنوع خاصی دارد؛ بدین صورت که در آن هم اشکال کارستی و هم آبراههای به چشم میخورد. ازجمله اشکال ژئومورفولوژیکی منطقة پژوهش ناودیس معلق، طاقدیس فرسایشیافته، مخروطافکنههای آبرفتی، درههای رودخانهای، دشت سر، اشکال متنوع کارستی ازجمله دولین، لاپیه و درههای آهکی است. بهطور کلی منطقة پژوهش ازنظر ژئومورفولوژیکی شامل یک ناودیس کشیده است که با یک شیب ملایم در بین ارتفاعاتی در شمال و جنوب محصور شده است. این دشت ازنظر زمینشناسی چندین سازند غالب را در درون خود جای داده است؛ بدین صورت که ارتفاعات منطقه از آهک ضخیم آسماری تشکیل شدهاند که از شمال تا شرق و حتی جنوب منطقه گسترش دارد. دامنة کوهپایهها و کف دشت از سازند میشان تشکیل شده که شامل مارهای خاکستری و دگرسانشده به همراه شیل است. یکی دیگر از سازندهای غالب منطقه، سازند آغاجاری است که در طاقدیسهای کمارتفاع منطقه رخنمون یافته است و روی آن سازند کنگلومرای بختیاری قرار دارد. گستردهترین سازند منطقه، آبرفتهای کواترنری هستند که بهصورت لایهای نازک، سطح دشت اصلی منطقه را پوشاندهاند.
شکل 2. موقعیت منطقة پژوهش
یافتههای پژوهش
بهمنظور تعیین مناطق مستعد کارستی از نقشههای زمینشناسی، فاصله از گسل، بارندگی، ارتفاع، دما، فاصله از رودخانه و شیب زمین بهمثابة دادههای ورودی استفاده شد. با توجه به نقشة فاصله از گسل مشخص میشود بیشتر مناطق پژوهش در فاصلة بیشتر از 4000 متر از گسل واقع شدهاند. همچنین بیشترین ارتفاعات منطقه در شرق، غرب و جنوب منطقة پژوهش قرار دارد. بارندگی در مناطق غربی همچنین بیش از بقیة مناطق است. مناطق مستعد فرسایش ازنظر زمینشناسی بیشتر در شرق و غرب نسبت به مرکز قرار دارند. ازنظر شیب بیشتر منطقه شیب بسیار کمی دارد. نقشة بارندگی منطقه نیز نشان میدهد مناطق واقع در شمال شرق دمای بیشتری نسبت به سایر مناطق دارند (شکل 3).
|
||
شکل 3. نقشههای پهنهبندی مؤلفههای مؤثر بر مناطق کارستی
با استفاده از مطالعات مرادی و همکاران (2016) برمبنای جدول (1)، قوانین فازی برای هریک از مؤلفهها تعریف شد. بهطوری که با درنظرگرفتن محدودة مجاز هریک از مؤلفهها و اختصاصدادن عدد صفر به مقادیر نامناسب و عدد 1 به مقادیر مجاز و بین آنها، محدودهای بین صفر تا یک در نظر گرفته شد (شکل 4).
شکل 4. نقشة فازی هریک از مؤلفههای مؤثر بر تعیین مناطق کارستی
درنهایت با استفاده از روش AHP و ماتریس مقایسة زوجی، براساس درجة اهمیتی که هریک از مؤلفهها برای تعیین مناطق کارستی دارند، وزن هریک از آنها تعیین شد. بهمنظور بررسی درجة اهمیت این عناصر از مطالعات مرادی و همکاران (2016) کمک گرفته شد. نتایج حاصل از مقایسة زوجی هریک از این مؤلفهها نشان داد با توجه به میزان ناسازگاری 01/0 وضعیت زمینشناسی، بیشترین اهمیت (وزن 297/0) و شیب، کمترین اهمیت (وزن 045/0) را در تعیین مناطق کارستی منطقة مدنظر دارند (جدول 3).
جدول 3. ماتریس مقایسة زوجی مؤلفههای مؤثر بر تعیین مناطق مستعد کارست
|
وزنها |
شیب |
فاصله از رودخانه |
دما |
ارتفاع |
بارندگی |
فاصله از گسل |
زمینشناسی |
|
|
297/0 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
زمینشناسی |
|
231/0 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
|
فاصله از گسل |
|
167/0 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
|
|
بارندگی |
|
116/0 |
4 |
3 |
2 |
1 |
|
|
|
ارتفاع |
|
082/0 |
3 |
2 |
1 |
|
|
|
|
دما |
|
059/0 |
2 |
1 |
|
|
|
|
|
فاصله از رودخانه |
|
045/0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
شیب |
با توجه به شکل (5) مشخص میشود در بخشهایی از جنوب شرق و شمال غرب منطقة پژوهش (رنگهای تیره) احتمال وجود مناطق کارستی بیش از مناطق مرکزی است. بهمنظور تعیین صحت مدل، نمونههایی از مناطقی مطالعه شدند که احتمال وجود کارست در آنها بیشتر است. بازدیدهای میدانی از منطقه نشان داد در طول و عرض جغرافیایی
51 درجه و 35 دقیقه و 29 درجه و 20 دقیقه کارست وجود دارد؛ بنابراین مدل در پیشبینی مناطق کارستی دقت زیادی دارد و از آن برای پیشبینی دیگر مناطق کارستی در مناطق دیگر استفاده میشود.
شکل 5. نقشههای مناطق کارستی با استفاده از روش فازی
با توجه به اینکه روش فازی و مدل تحلیل سلسلهمراتبی (AHP) برای تعیین مناطق کارستی دقت زیادی دارند، این مدل برای تعیین مناطق کارستی در سایر مناطق استفاده میشود. درواقع با استفاده از مدلهای با دقت زیاد، مناطق کارستی بهطور دقیق مشخص میشوند. استفاده از محیط GIS به شناسایی مناطق کارستی بهطور مکانی کمک میکند
(Waikar & Nilawar‚ 2014: 12168).
ملکی و همکاران (1395) با استفاده از روش فازی و مدل تحلیل سلسلهمراتبی در محیط GIS، مناطق مناسب کارستی کوه خورین کرمانشاه را تعیین کردند. نتایج این مطالعه نشان داد دامنههای جنوبی کوه خورین آب مناسبی ازنظر کیفیت و کمیت دارد. درواقع به علت همگنکردن دادهها با استفاده از روش فازی (Rather & Andrabi‚ 2012: 224) و وزندهی به لایهها با توجه به اهمیتی که دارند با بهرهگیری از مدل تحلیل سلسلهمراتبی (عادلی و همکاران، 1391: 25) در محیط GIS، مناطق کارستی با دقت زیاد تعیین میشود.
نتیجهگیری
یکی از دلایل اهمیتیافتن مناطق کارستی، منابع آبی مهم آن است. بهطور کلی آبخوانهای کارستی سه منطقة تغذیه، انتقال و تخلیه دارند. مناطق تغذیه بهمثابة تأمینکنندههای ورودی آبخوان، نقشی اساسی در چرخة هیدرولوژیکی آبخوانهای کارستی دارند. با توجه به یکساننبودن ژئومورفولوژی کارست سطحی و لندفرمها، نوع و چگونگی تغذیه در آبخوانهای کارستی متفاوت است؛ بنابراین تعیین مناطق کارستی با داشتن منابع غنی ازنظر شرایط زمینشناسی، ژئومورفولوژی و اقلیم حاکم بر آنها مهم به نظر میرسد. با توجه به اهمیت موضوع در این مطالعه مناطق کارستی بدون حضور در منطقه پیشبینی و تعیین شد. برای این منظور به کمک روش فازی، نقشههای فازی لایههای مؤثر بر پیشبینی کارست تعیین شد. سپس با استفاده از روش AHP، وزندهی به لایهها انجام و نقشههای کارست منطقة مدنظر تهیه شد. نتایج نشان داد روش فازی دقت زیادی در تعیین مناطق کارستی دارد که این امر با نتیجة مطالعات مرادی و همکاران (2016) یکسان است. همچنین نتایج حاکی است نقشة زمینشناسی (جنس سازند) بیشترین اهمیت را در پیشبینی مناطق کارستی و شیب کمترین تأثیر را در شناسایی مناطق کارستی دارد. به کمک مناطق کارستی امکان پیشبینی ذخایر آب بهویژه آب شیرین منطقه نیز وجود دارد که در مناطق خشک و نیمهخشک بسیار مهم است.
)
