ارائه مدل جدید DEFLOGIC جهت پتانسیل یابی آب های زیرزمینی کارستی در محیط GIS

مقدمه :

رخداد آب زیرزمینی قابل استحصال در نواحی کارستی به سیستم های درزه و شکستگی و مجاری انحلالی محدود می گردد. جهت اکتشاف اولیه مناطق دارای پتانسیل زیاد آب زیرزمینی در اینگونه نواحی می بایست از نمایانگرهای سطحی و پارامترهای موثر بر کارست شدگی استفاده نمود. امروزه استخراج لایه های اطلاعاتی مورد نیاز، تشکیل پایگاه اطلاعاتی، تجزیه و تحلیل مکانی داده ها، و تلفیق اطلاعات با استفاده مزدوج از فنون سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) صورت می گیرد. تلفیق فنون سنجش از دور و GIS توانسته است به عنوان ابزاری موثر در مطالعات آب زیرزمینی به کار رود )رنگزن و آبشیرینی.۱۳۸۳؛  Krushnamurthy. ۱۹۹۶و همکاران؛ (Gustafsson. ۱۹۹۳. در مطالعات هیدروژئولوژی، عمدتاً تفسیر بصری تصاویر ماهواره ای و عکس های هوایی صورت می گیرد. به هر حال، در کاربرد سنجش از دور برای هیدرولوژی آب های زیرزمینی می بایست داده های ماهواره ای با اطلاعات جانبی قابل دسترس در محیط GIS تلفیق شوند. کاربرد GIS شامل تحلیل و تلفیق حجم عظیمی از داده های چند موضوعی، به صورت مکانی و غیر مکانی، در یک سیمای زمین مرجع یکسان می باشد (Shahid & Nath. ۲۰۰۰). تفسیر داده های ماهواره ای همراه با اطلاعات واقعی زمینی امکان تشخیص و ترسیم عوارض مختلف زمین شناسی، ساختاری، ژئومورفیک، و خصوصیات هیدرولیکی آنها را فراهم می نماید، که این عوارض می توانند به طور مستقیم یا غیر مستقیم به عنوان نمایانگرهای وجود آب زیرزمینی در نظر گرفته شوندJayaram.۱۹۹۷) &  .(Ravindran

  هرچند که محققین فنون سنجش از دور و GIS را جهت تلفیق لایه های مختلف برای اکتشاف آب زیرزمینی در نواحی کارستی مورد استفاده قرار داده اند  ( رنگزن و آبشیرینی. ۱۳۸۳؛ Richards.۱۹۹۶ و همکاران؛ Teeuw.۱۹۹۹؛ (Degnan & Clarck, ۲۰۰۲، با این حال تا کنون سیستم مدون و جامعی جهت ارزیابی پتانسیل آب زیرزمینی در مناطق کارستی ارایه نشده است. در این تحقیق مدل جدیدی با هشت لایه اطلاعاتی موثر بر هیدروژئولوژی کارست (DEFLOGIC) جهت اکتشاف نواحی با پتانسیل زیاد آب زیرزمینی در تاقدیس گورپی طراحی شده و با داده های چاه های اکتشافی مورد واسنجی قرار گرفته است. مهمترین ویژگی سیستم DEFLOGIC استفاده از دو لایه اطلاعاتی فاصله از محل تخلیه و رقوم تراز ارتفاعی سطح تماس آهک با سازندهای مجاور می باشد.

    منطقه مورد مطالعه، تاقدیس گورپى واقع در شمال استان خوزستان مى باشد. تاقدیس گورپى در ۴۹ درجه و ۶ دقیقه تا ۴۹ درجه و ۳۰ دقیقه طول جغرافیایى و ۳۲ درجه و ۶ دقیقه تا ۳۲ درجه و ۳۰ دقیقه عرض جغرافیایى واقع گردیده است. منطقه مورد مطالعه بخشی از زون زاگرس چین‌خورده به شمار می‌رود. زمین‌شناسی ساختمانی منطقه متأثر از امتداد فرورانش دزفول می‌باشد. تاقدیس گورپی در ادامه تاقدیس پابده به سمت شمال‌غرب واقع گردیده است. دماغه شمال‌غربى تاقدیس پابده و دماغه جنوب‌شرقی تاقدیس گورپی در مجاورت یکدیگر قرار گرفته و همدیگر را پوشش داده‌اند. تاقدیس گورپى یک تاقدیس نامتقارن دو سو مایل مى‌باشد که عمدتاً از سازندهاى آهکی تشکیل شده است. قدیمی‌ترین سازند محدوده مورد مطالعه، یعنى سازند ایلام - سروک در هسته تاقدیس گورپی تشکیل کوه آرپناه، کوه سی‌په، و علامت‌کوه را داده است. محور تاقدیس که با امتداد کلی شمال‌غربی ـ جنوب‌شرقی از سازند ایلام - سروک عبور می‌نماید، در بعضى موارد تحت تأثیر عملکرد گسل‌های مایل به طور موضعی جابجا شده است. تاقدیس گورپی به لحاظ تکتونیکی شدیداً گسل خورده، خردشده و درزه و شکافدار است. خردشدگی و گسل‌خوردگی در سازند ایلام ـ سروک در هسته تاقدیس، بسیار بیشتر از سازند آسماری که در یال‌ها واقع گردیده، مى‌باشد. از نظر چینه شناسی سازند ایلام - سروک قدیمی ترین سازند منطقه مورد مطالعه است، که بر روی آن به ترتیب سازند شیلی – آهکی پابده، سازند دولومیتی شهبازان، سازند مارنی- آهکی گورپی، و سازند آهکی آسماری قرار گرفته است (شکل ۱).

◊◊◊◊◊◊◊

بحث :

هدف اصلی در این تحقیق یافتن مناطقی با پتانسیل بالای آب زیر زمینی در تاقدیس گورپی می باشد که بتوان آن مناطق را جهت انجام عملیات ژئوفیزیکی و در نهایت حفر چاه معرفی نمود. بدین منظور با توجه به شرایط خاص هیدروژئولوژی کارست در منطقه مورد مطالعه و با اعمال قضاوت کارشناسی، هشت عامل اصلی مورد تحلیل مکانی واقع گردیده است. مدل پیشنهادی با توجه به نمایه های موثر در آن DEFLOGIC نامیده شده است که به صورت زیر محاسبه می گردد:

(۱)                  DEFLOGIC= [DwDr+ EwEr+ FwFr+ LwLr+ OwOr+ IwIr+ CwCr]* Gr 

که D فاصله از محل تخلیه، E اختلاف ارتفاع با محل های تخلیه، F تراکم برخورد شکستگی ها، L تراکم طول شکستگی، O شیب توپوگرافى، I اثر فاصله از شکستگی، C فاصله از محل برخورد شکستگی ها، G لیتولوژی (با طبقه بندی صفر و یک)، r نرخ  نرمالیزه شده  هر کلاس از  یک نقشه معیار، و w وزن می باشند. در مدل DEFLOGIC هر نمایه دارای یک وزن ثابت می باشد، که بیانگر اثر نسبی پارامترها به یکدیگر است. نرخ نمایه ها نیز متغیر می باشد، لذا این اجازه را به کاربر می دهد که با توجه به شرایط منطقه این فرمول را ویژه سازی کند.

    عامل لیتولوژی به علت تاثیر گذاری شدید نوع سازند (سنگ) بر نفوذ آب و قابلیت متفاوت حفظ آب در سازندهای مختلف و همچنین امکان حفاری مد نظر قرار گرفته است. به علت اینکه سازندهای گورپی و پابده تقریباً فاقد پتانسیل آب زیر زمینی هستند و بخش آهکی امام حسن نیز درصد خیلی کمی از تاقدیس گورپی را پوشانده و علاوه بر آن پتانسیل قابل توجهی نیز در ذخیره آب زیر زمینی ندارد؛ این سازندها بدون تاثیر در نظر گرفته شده اند. بقیه مناطق نیز به جز آهک های ایلام سروک و آسماری کنار گذاشته شده اند.

    فاصله از محل های تخلیه به عنوان نمایه شدت کارست شدگی در نظر گرفته شده است. به طور کلی محل های تخلیه به عنوان موقعیت های خروج آب از آبخوان، یعنی مکان هایی که به احتمال زیاد جریان به سمت آنها متمرکز است، محسوب می شوند. لذا احتمال حضور آب زیرزمینی کارستی در مجاورت محل های تخلیه بیشتر است.

    با توجه به شرایط خاص توپوگرافی تاقدیس پشت نهنگی گورپی و وجود اختلاف ارتفاع زیاد (از ۴۸۹ متر تا ۲۳۰۴ متر)، نمایه اختلاف تراز توپوگرافی با محل تخلیه به عنوان نمایانگر عمق احتمالی برخورد به آب زیرزمینی در مدل اعمال شده است.

    نمایه شیب، در اکثر مطالعاتی که در زمینه اکتشاف منابع آب کارست صورت گرفته، به طور معکوس با پتانسیل آب زیرزمینی اعمال شده است Srivastava, ۲۰۰۶) و همکاران؛ Israil, ۲۰۰۶ و همکاران). اما با بررسی های انجام شده در تاقدیس گورپی استنباط گردیده است که شیب های بیشتر، تاثیر مثبت در پتانسیل آب زیر زمینی کارست دارند، زیرا لایه های پر شیب بیشتر تکتونیزه شده اند و در نتیجه شدت کارست شدگی در آنها زیادتر است. علاوه بر این هر چه شیب بیشتر باشد، ضخامت لایه های آهکی در جهت عمودی نیز  بیشتر خواهد بود، بنابراین می توان بیان نمود در مناطقی که شیب بیشتر است، احتمالاً ضخامت آهک و عمق برخورد به سنگ کف مارنی نیز بیشتر می باشد.

     گسل ها و درزه و شکاف ها از یک طرف باعث انتقال آب به درون آبخوان آهکی می شوند و از طرف دیگر خود باعث افزایش نرخ انحلال و توسعه کارست و در نتیجه زیاد شدن تخلخل شکستگی (Fracture porosity) می گردند.  بر این اساس، عموماً چاه هایی که در مناطق خرد شده حفر می شوند دارای قابلیت آبدهی خوبى می­باشند. در مدل پیشنهادی حاضر، طول و محل شکستگی ها به صورت دو نمایه تراکمی و دو نمایه فاصله ای در نظر گرفته شده اند.

     در این تحقیق پایگاه داده ای به صورت نقشه های معیار (Criterion maps) تعریف گردیده است. نقشه معیار نشان دهنده میزان وابستگی یک ویژگی نسبت به هدف مورد نظر می باشد. تولید نقشه های معیار بر پایه GIS شامل ورود داده های جغرافیایی (کسب اطلاعات تغییر فرمت، زمین مرجع نمودن، منظم کردن، و ثبت داده های مربوط)، ذخیره سازی تغییرات، تجزیه تحلیل، و خروجی می باشد. لایه زمین شناسی (لیتولوژی) با استفاده از نقشه های زمین شناسی ۱۰۰۰۰۰/۱ شرکت ملی نفت ایران و تصویرETM  ماهواره ۷ LANDSAT در نرم افزارArc GIS  تهیه گردید. لایه فاصله از محل های تخلیه با داشتن مختصات محل های تخلیه و استفاده از تابع Distance  که ا ز توابع مربوط به تحلیل مکانی داده ها می باشد به دست آمده است. جهت تهیه لایه اختلاف ارتفاع با محل های تخلیه، ابتدا مدل ارتفاعی رقومی منطقه در نرم افزار  ArcInfoبه روش  Splineساخته شد، سپس با توجه به میانگین ارتفاع محل های تخلیه، اختلاف تراز با آنها محاسبه شده است. نقشه شیب نیز با استفاده از مدل ارتفاع رقومی منطقه تهیه گردیده است. چهار لایه ساختاری با استفاده از نقشه شکستگی های منطقه ایجاد شدند. نقشه شکستگی ها از پردازش تصویر باند PAN ماهواره IRS (۲۵ سپتامر ۲۰۰۵) به دست آمد. در این راستا از فیلتر Medium جهت حذف ناهنجاری و از فیلتر های High pass ، Sobel و Directional، جهت استخراج شکستگی ها استفاده شد. در نهایت، با استفاده از توابع تحلیلی GIS لایه های فاصله از شکستگی ها، فاصله از برخورد شکستگی ها، تراکم طول شکستگی ها، و تراکم برخورد شکستگی با اندازۀ پیکسلی ۵۰ متر تهیه گردید.

    به منظور تبدیل نقشه های واقعی به نقشه های معیار، با توجه نحوه تاثیر هر نمایه با استفاده از تابع تحلیلی Reclassification نقشه ها طبقه بندی شدند. در راستای نرمال سازی نقشه های معیار، هر لایه بر حسب اهمیت در پتانسیل آب زیرزمینی به طبقاتی بین  صفر تا ۹ رتبه بندی گردید. نحوه دسته بندی لایه ها به همراه رتبه های اختصاص یافته به هر کلاس از نمایه، در جدول ۱ ارائه شده است. نقشه های معیار  تهیه شده برای چهار لایه اصلی مدل در شکل ۲ نشان داده شده است. با توجه به اینکه میزان تاثیر هر نمایه در پتانسیل آب زیر زمینی متفاوت می باشد، بنابر این یکی از مراحل مهم پیش از تلفیق نقشه های معیار، تعیین اهمیت نسبی هر یک از نمایه های موثر و اختصاص وزن به هر کدام از آنها می باشد. در این تحقیق وزن دهی به نمایه های تاثیر به روش Rating انجام شده است. روش هایRating   نیاز به یک تصمیم گیرنده برای تخمین وزن بر اساس یک مقیاس از پیش تعیین شده دارند (Malczewski, ۱۹۹۹). بدین منظور در ابتدا وزن ها توسط قضاوت کارشناسی تعیین شده و سپس با توجه به داده های چهار چاه مشاهده ای و یک چاه بهره برداری که دارای آبدهی مناسبی می باشد و نیز عملیات ژئوفیزیکی انجام شده در بخش محدودی از تاقدیس، واسنجی وزن ها صورت گرفته است. بر این اساس اعتبار مدل پیشنهادی برای تاقدیس گورپی با استفاده از داده های چاه های اکتشافی آهکی که پتانسیل آب زیرزمینی واقعی را منعکس می نمایند، مورد ارزیابی قرار گرفته است. مدل واسنجی شده نهایی با وزن ۵ برای فاصله از محل تخلیه، وزن ۴ برای تراکم برخورد شکستگی ها، وزن ۳ برای اختلاف ارتفاع با محل تخلیه و فاصله از شکستگی و برخورد شکستگی ها، وزن ۲ برای تراکم طول شکستگی ها، و وزن ۱ برای شیب حاصل شده است.

جدول ۱ – طبقه بندی و نرمال سازی مربوط به پارامترهای مختلف سیستم DEFLOGIC

کلید واژه ها: سایر موارد