پهنه‌بندی فرونشست زمین در حوضه‌ی آبخیز قره‌چای همدان

طبق آخرین بررسی سازمان هواشناسی در سال 1394، استان همدان از لحاظ کمبود بارش در بین 31 استان کشور رتبه­ی 24 را دارا می­باشد. دشت­های رزن- قهاوند، کبودرآهنگ، همدان- بهار که در مناطق مرکزی و شرقی استان همدان واقع شده­اند، فاقد رشته کوه­های قابل توجهی بوده و نمی­توانند از سیستم­های بارش­زای وارده به منطقه، بارش مناسبی دریافت نمایند. مخازن آب زیرزمینی این دشت­ها در رسوبات آبرفتی کواترنر که ما حصل فرسایش ارتفاعات حاشیه دشت هستند، تشکیل گردیده­اند. افزایش روزافزون برداشت از منابع آب زیرزمینی منطقه، علی­الخصوص از حوضه­هایی که با رسوبات تحکیم نیافته آبرفتی یا نهشته­های کم­عمق دریایی انباشته شده­اند منجر به فرونشست سطح زمین گردیده است (محبوبی اردکانی، 1384). مطالعات متنوعی در منطقه صورت گرفته است، که به علت کمبود منابع مالی، تحقیقات صورت گرفته کاملاً دقیق و یا مستند نبوده است و بین محققان اختلاف نظر وجود دارد. فرونشست در منطقه یکی از مسائلی است که بدون توجه به خصوصیات و ویژگی­های ژئومورفولوژی توسعه خواهد یافت و تغییرات مورفومتری شبکه­ی زهکشی یکی از عواملی است که در بروز فرونشست منطقه تأثیری مستقیم داشته و سایر عوامل طبیعی و انسانی در منطقه را تحت تأثیر خود قرار داده است. آبراهه­ها (جهت جریان، تراکم، نوع و شکل) در رابطه با وضعیت سنگ و ناهمواری منطقه انواع مختلفی پیدا می­کند و شیب منطقه به عنوان عاملی مؤثر می­تواند در شکل­گیری الگوهای زهکشی و یا مقدار فرسایش و تولید رسوب مؤثر باشد (احمدی، 1378: 126). تغییرات اقلیمی نیز یکی از عوامل تشدیدکننده در تغییرات مورفومتری شـبکه­ی زهکشی، افزایش حفر چاه­های غیـرمجاز و بروز فـرونشست منطقه در سال­های اخیر بوده است. نشست زمین در فونیکس، لاس و گاس، هوستون و کالیفرنیا، نیگاتا در شمال ژاپن و ایراکی در نیوزیلند خساراتی به­ بار آورده است (بوتکین و کلر[1]، 1386: 399-390). هیو و همکاران (2004) در شانگهای چین؛ اری[2] (2011) درشهر ایراپوات و مکزیکو، رامیرو و همکاران[3] (2012) نیز در این زمینه مطالعاتی داشته­اند. همچنین پروژه­ای تحقیقاتی در شهرگانده درکشور استرالیا، توسط کی و همکاران[4] (2012)، تغییرات سطح آب را در ارتباط با اثرات پدیده فرونشست مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قراردادند. در ایران مطالعه پدیده­ی فرونشست به سبب فراگیری فضایی آن مورد توجه طیف وسیعی از محققان قرار گرفته است. برای نمونه در سال­های اخیر کشاورز بخشایش و همکاران (1393) سطح تراز آب زیرزمینی و خصوصیات ژئوتکنیکی خاک را عامل اصلی فرونشست تهران اعلام کردند. علیاری (1384) با مطالعه­ی فروچاله­های همدان، عامل اصلی تشکیل این فروچاله­ها را افت شدید آب دانسته است. همچنین سعادتی (1384) معتقد است، پراکندگی گودال­های فرونشینی موجود در منطقه اتفاقی نیست و با محل گسل­های تعیین شده همخوانی داشته و از روند آنها تبعیت می­کند. دادستان و همکاران (1384) معتقدند که فروچاله­های منطقه را می­توان عمدتاً از دو نوع فروچاله­های طبیعی (مانند فروچاله­های همه کسی) و فروچاله­هائی که فعالیت­های انسان در شکل­گیری آنها مؤثرتر بوده­اند (مانند فروچاله­های کردآباد و فامنین) برشمرد. ولیزاده و همکاران (1384) معتقد هستند که عمده فروچاله­های منطقه­ی مورد مطالعه در محدوده­هایی از دشت که از سنگ بستر آهکی تشکیل شده­اند و آبیاری زمین زراعی به روش غرقابی صورت می­گیرد رخ داده­اند. آنها با بررسی مورد به مورد حجم آب برداشت شده از چاه­های منطقه که از گزارش مهندسان مشاور زمیران به دست آورده­اند به این نتیجه رسیده­اند که همبستگی و ارتباط مستقیمی از نظر میزان برداشت، میزان افت و تعداد فروچاله­ها در قسمت­های مختلف دشت­های شمالی همدان وجود ندارد. هر چند تحقیقات متعددی در زمینه­ی عوامل بروز فروچاله­ها صورت گرفته است اما پژوهشی با موضوع تأثیر مورفومتری شبکه­ی زهکشی بر پدیده­ی فرونشست صورت نگرفته است. در این پژوهش  بررسی و تأثیر ویژگی­های مورفومتری شبکه­های زهکشی بر پهنه­بندی مناطق فرونشست در منطقه از اهداف اصلی این مقاله است.

موقعیت منطقه­ی مورد مطالعه

حوضه­ی آبخیز رودخانه­ی قره­چای که بیش از 76%  آن در استان همدان واقع شده است، دارای مختصات جغرافیایی ¢13 °48 تا ¢29 °49 طول شرقی و ¢12 °34 تا ¢44 °35 عرض شمالی می­باشد (شکل 1).

شکل (1) موقعیت جغرافیایی حوضه­ی قره­چای در استان همدان

دشت­های همدان- بهار، کبودرآهنگ و رزن- قهاوند با مختصات بین َ30 و ْ48 تا َ00 و ْ49 طول خاورى و َ00 و ْ35 تا َ15 و ْ35 عرض شمالی در مسیر این رودخانه قرار دارند. مهم­ترین سرشاخه­های قره­چای در استان همدان قرار دارد، که در شـکل (1) نشان داده شـده و مسیر آن عمدتاً توسـط شرایط مورفولوژی و زمین­شناسی منطقه کنترل شده است. کمترین ارتفاع منطقه (1619 متر) در دشت­های کبودر آهنگ و رزن- قهاوند و بیشترین ارتفاع در جنوب استان (قله الوند- 3580 متر) واقع شده است (خدابخشی، 1392: 74).

مواد و روش

در این پژوهش، روش انجام تحقیق، توصیفی- تحلیلی و با استفاده از مطالعات کتابخانه­ای، نقشه­های توپوگرافی1:50000، نقشه­های زمین­شناسی 1:100000، تـصاویر ماهواره­ای Google Earth و بـا اسـتفاده از نـرم­افزار ArcGis، Spss و Microsoft Excle Excel انجام شده است. ویژگی­های شبکه­ی زهکشی و لیتولوژی، شیب و طبقات ارتفاعی، تعیین موقعیت چاه و مناطق بروز فرونشست، از طریق نقشه­­های ذکر شده در بالا و DEM30 متری منطقه با کمک نرم­افزار ArcGis ترسیم و توسط سایر نرم­افزار تجزیه و تحلیل گردید. در این راستا به منظور ارزیابی حجم رواناب و تعیین صحت آن با استفاده از روش­های جاستین و کتاین، بهترین روش جهت برآورد سالانه انتخاب گردید. در روش جاستین که  به بررسی رابطه بین میزان بارنـدگی و رواناب سالانه­ی حوضه­ها در شـرایط مختلف آب و هوایی می­پردازد، نتایج آن  به صورت فرمول زیر که تابع سه پارامتر بارندگی، دما و شیب حوضه می‌باشد ارائه شد: 

در رابطه­ی (1) K: ضریب جاستین که به قابلیت پتانسیل آبی، خصوصیات زمین‌شناسی و فیزیولوژی بستگی دارد. R: رواناب سالانه به سانتی­متر، P: بارندگی متوسط سالانه به سانتی­متر، T: دمای متوسط سالانه به سانتی­گراد، A: مساحت حوضه بر حسب کیلومتر مربع،:DH  اختلاف ارتفاع حوضه بر حسب کیلومتر، S: شیب حوضه است. با توجه به اینکه کلیه­ی پارامترها برای تمام زیرحوضه‌های منطقه­ی مورد مطالعه قابل محاسبه می‌باشد. در روش فوق ابتدا مقدار K با توجه به آمار مشاهده‌ای دبی در ایستگاه­های هیدرومتری و پارامترهای دما و بارندگی آن محاسبه و مقدار ضریب و حجم رواناب برای هر زیرحوضه محاسبه گردید. در روش کتاین، با مشخص بودن متوسط بارندگی و دمای سالانه در ارتفاعات و دشت، ارتفاع رواناب از رابطه­ی (2) محاسبه شد.

رابطه­ی (2)     

در رابطه­ی (2)، P بارندگی بر حسب متر، T درجه حرارت بر حسب سانتی­گراد، R رواناب سالانه بر حسب متر و D کمبود جریان سالانه بر حسب متر می­باشد. در نهایت از داده­های سیستم شبکه، لیتولوژی، عمق سطح ایستایی، کاربری اراضی و نقشه­ی شیب منطقه استفاده شده است. درون هر لایه بر حسب میزان تأثیر هر فاکتور بر وقوع فروچاله امتیازدهی گردید. بدین ترتیب که، بیشترین امتیاز بیانگر تأثیر بیشتر آن فاکتور در ایجاد خطر است. در نهایت به هر لایه بر حسب میزان تأثیر آنها بر وقوع فروچاله­ها، ضریب مناسب تعلق گرفت (جدول 4). و با همپوشانی این لایه­ها، نقشه پهنه­بندی فروچاله­های منطقه به دست آمده است (شکل8).

ویژگی­های زمین­شناسی و ژئومورفولوژی منطقه

در ارتفاعات منطقه­ی مورد مطالعه اکثر سنگ­های رخنمون یافته، آذرین و دگرگونی می­باشد. سنگ­های دگرگونی موجود در این منطقه به مزوزوئیک تعلق دارند و سنگ­های آذرین نیز که حاصل فاز کوهزایی لارامید هستند متعلق به کرتاسه پایانی تا پالئوسن زیرین می­باشد. سنگ­های قبل از ژوراسیک نیز شامل شیست، پاراگنیس، فیلیت، ماسه سنگ و توف­های دگرگونی شده می­باشند (سپاهی گرو، 1378). در بین رسوبات واحدهای کواترنری پادگانه­های آبرفتی و مخروط افکنه، نهشته­های آبرفتی و پادگانه­های مسطح و رسوبات بستر رودخانه (آبرفت عهد حاضر) و در رسوبات ژوراسیک قدیمی­ترین واحدهای لیتولوژیک منطقه و در رسوبات کرتاسه زیرین که از دیدگاه ژئومورفولوژی، ارتفاعات را تشکیل داده و ستیغ­ساز می­باشد جای دارد (سازمان زمین­شناسی، 1379). نهشته­هاى رخنمون شده در دشت­ها مورد مطالعه (کبودرآهنگ-فامنین) نیز به ترتیب قدمت، عبارتند از: -شیل­ها و شیست­هاى سازند شمشک با سن ژوراسیک- آهک­هاى اربیتولین­دار کرتاسه -آهک­هاى مطبق و توده­اى سازند قم با سن میوسن- رسوبات آبرفتى مربوط به عهد حاضر. همچنین وجود یک گسل مدفون احتمالی با امتداد SE-NW به طول حدود 25 کیلومتر همراه با یک زون خردشده ناشی از حرکات تکتونیکی، مرز بارزی بین سنگ بستر آهکی مارنی و مارنی را عمدتاً در قسمت میانی دشت­ها نشان می­دهد (شکل2). که زمینه­ساز گسترش سیستم درز و شکاف­ها و ارتباط آن با حفرات و معابر عمقی در توده سنگ پی را فراهم نموده است (سپاهی گرو، 1378).

شکل (2) موقعیت لیتولوژی و تکتونیکی حوضه­ی قره­چای در استان همدان

بحث و نتایج

تغییر ناهمسان در ارتفاع و شیب رودخانه و آبراهه­ها، افزایش تراکم آنها و فاصله­گیری از رودخانه­ها و به تبعیت از آن، اختلال در بهره­برداری از منابع آب زیرزمینی، کاهش بـرگشت­ناپذیر تـمام یا بخشی از مخازن آب زیـرزمینی، کاهـش میزان نفوذپذیری سطحی، بهره­برداری از حریم رودخانه به نفع اراضی کشاورزی، گسترش پهنه­های بیابانی و تغییر توپوگرافی و توسعه دشت سیلابی هر کدام به نوعی در بروز نشست زمین در منطقه نقش دارند.

شکل (3) تیپ اراضی زیرحوضه­ی قره­چای

با توجه به شکل (3) شبکه­ی زهکشی منطقه به شکل شاخه­ی درختی (دندریتی) می­باشد. در ارتفاعات پایین منطقه­ی واریزه­های بادبزنی بیشترین مساحت را در بهادربیک و آبرفت­های بادبزنی بیشترین مساحت را در بین زیرحوضه­ها به کوشک آباد، زهتران و خمیگان به خود اختصاص داده­اند.

شکل (4) نمایش طول آبراهه با توجه به سازند سست و سخت برخی زیرحوضه­ها منطقه

در شکل (4) نوع لیتولوژی منطقه با توجه به مساحت آن در برابر فرسایش مقاومت­های گوناگونی از خود نشان می­دهند. بیشترین درصد سازندهای حساس به فرسایش در زیرحوضه­های خمیگان، زهتران و کوشک­آباد مشاهده می­شود که در افزایش تراکم آبراهه­های منطقه و بروز فرونشست تأثیرگذار می­باشد.

رواناب

ضریب ذخیره دشت به طور متوسط 3تا5 درصد محاسبه شده است (سازمان تماب، 1378). عمق سفره­های آب زیرزمینی کم و تا 120  متر می­باشد. در سطح دشت­ها به ویژه مواقع کم آبی و خشکی رودخانه­ها و مسیل­ها، به عنوان عاملی درجهت تخلیه منابع آب آبخوان عمل می­نماید که در خروجی دشت­ها (کوشک آباد، بهادربیک، صالح آباد) از شدیدترین حالت برخوردار می­باشد. جهت تخمین آورد سالانه منطقه از دو روش کتاین (Ktayn) و جاستین (Justin) استفاده شده است (علیزاده، 1384: 525). در روش کتاین با مشخص بودن متوسط بارندگی و دمای سالانه در ارتفاعات و دشت، ارتفاع رواناب از رابطه­ی زیر محاسبه و نتایج در جدول (1) ارائه گردیده است.

جدول (1) برآورد متوسط آبدهی سالانه در دشت و ارتفاعات از روش کتاین در حوضه­ی قره­چای

در روش جاستین ارتفاع بر حسب متر وA مساحت بر حسب متر­مربع می­باشد. مطابق این روش رواناب در محدوده­ی قره­چای به شرح ذیل می­باشد(جدول 2).

جدول (2) برآورد رواناب سالانه به روش جاستین در زیرحوضه­های قره­چای

مقایسه­ی رواناب محاسباتی از روش جاستین و کوتاین در مقایسه با میزان رواناب منطقه نشان داد که هر دو روش میزان رواناب حوضه را کمتر از میزان واقعی برآورد کرده­اند و نتایج روش جاستین نسبت به روش کتاین، به دلیل استفاده از خصوصیات فیزیوگرافی و اقلیمی محدوده جهت محاسبه­ی میزان رواناب در دشت و ارتفاعات، مناسب­تر بوده و در تفکیک رواناب کوه و دشت مورد استفاده قرار گرفته است.

ـ تراکم آبراهه­ها و افت آب زیرزمینی

در شکل (5) بیشترین طول آبراهه به اراضی سست و دشت­های منطقه و کمترین طول آبراهه در ارتفاعات به سازند سخت سولان و تقسیم آب تعلق دارد. عمده تمرکز آبراهه­ها در منطقه همه کسی یکی از مناطق مستعد فروچاله می­باشد.

شکل (5) شبکه­ی زهکشی و موقعیت چاه­های منطقه

با توجه به شکل (5) و جدول (3)، اکثر فروچاله­های منطقه که افت آب زیرزمینی در وقوع آنها موثر است، در دشت آبرفتی کبودرآهنگ و فامنین و بسیاری از فروچاله­ها که افت آب­های زیر زمینی در آن­ها تأثیر بسیار کمتری داشته است در سنگ آهک­های الیگومیوسن (کارست برهنه) همه کسی بوقوع پیوسته­اند. تمامى ذخیره­ی آب­هاى زیرزمینى این دشت­ها مربوط به نفوذ حاصل از ریزش­هاى جوى است. افزایش تراکم آبراهه­ها و دوری از منابع آب­های سطحی یکی از عوامل افزایش حجم برداشت از چاه­ها و افت در این مناطق است.

جدول (3) منابع دسترسی به آب زیرحوضه­ی قره­چای (سالنامه آماری استان همدان، 1394)

ـ فاصله از رود

عامل نزدیک به رودخانه به عنوان عامل مزاحم در ایجاد فروچاله شناسائی گردید و با فاصله گرفتن از رود امتیاز بیشتری به زمین های منطقه تعلق گرفت. جدول (4).

ـ لیتولوژی

اکثر فروچاله­ها که افت آب زیرزمینی در آن مؤثر بوده در دشت­های آبرفتی و فروچاله­هایی که افت آب زیرزمینی در آن تأثیر کمی داشته در سنگ آهک­های الیگومیوسن (کارست برهنه) بوقوع پیوسته است. شکل­های (2و 5).

ـ توپوگرافی

عمده­ی فروچاله­ها در مناطق کبودرآهنگ و قهاوند به دلیل شیب کم آن می­باشد (شکل6). در زیرحوضه­هایی مانند یلفان، به علت شیب زیاد و سختی سازند و حجم رواناب، آب­های سطحی فرصت نفوذ ندارند شکل (4).

شکل (6) درجه­ی شیب زیرحوضه­ی قره­چای

تأثیر تکتونیک بر الگوی زهکشی  و فروچاله­های منطقه

بسیاری از دره­های منشعب از توده­های پلوتونیک، گسلی هستند. بخشی از رودهای یلفان و سولان در امتداد گسل­ها جریان دارند، اما منجر به ایجاد نشست در زمین نبوده­اند، اما گسل همه کسی با راستای W64N یکی از دلایل بروز فروچاله در امتداد آن می­باشد (شکل­های 2و 5).

ـ ضخامت رسوبات

با توجه به نوع سازند در جدول (1)، قرار گرفتن رسوبات آبرفتی تا حداکثر 150 متر در مرحله رسوبگذاری رود، به عنوان پوشش سنگ بستر آهکی کارستیک، یکی از عوامل بنیادی، شرایط تسریع در ایجاد فروچاله­ها در منطقه است (پرویزی، 1384).

ـ کاربری اراضی

طبق بررسی­های به عمل آمده از مطالعات سازمان جهاد کشاورزی استان مرکزی،

شکل (7) مساحت و درصد انواع کاربری اراضی در حوضه­ی قره­چای در همدان (سالنامه­ی آماری استان همدان: 1394)

در شـکل (7)، عمـده فروچاله­های منطقه در زمین­های کـشاورزی دشـت­های کبودرآهنگ، فامنین و بهار و به خصوص زمین­هایـی که بـه روش غرقابی آبـیاری می­شوند بوقوع پیوسته­اند. در جدول (4) به منظور انجام پهنه­بندی از لایه­ی شبکه­ی زهکشی، لیتولوژی، سطح آب زیرزمینی، شیب و کاربری اراضی استفاده شد.

جدول (4) لایه­ها، امتیازات پارامترهای هر لایه و ضریب تأثیر لایه­

طبق جدول (4)، در درون هر لایه بر حسب میزان تأثیر آن بر وقوع فروچاله­ها امتیازدهی گردیده است. بدین ترتیب که امتیاز بالای هر فاکتور، بیانگر تأثیر بیشتر آن فاکتور در ایجاد نشست زمین است. در نهایت به هر کدام از لایه­ها بر حسب میزان تأثیر آنها بر وقوع فرونشست ضریب مناسب تعلق گرفت.

شکل (8) پهنه­بندی خطرفروچاله­های زیرحوضه­ی قره­چای

با بررسی نقشه­ی خطر فروچاله­های منطقه­ی مورد مطالعه در شکل (8) و جدول (5)، به سادگی می­توان دریافت که عمده­ی مساحت دشت همدان بهار برای وقوع فروچاله، مستعد می­باشد.

جدول (5) تعداد فروچاله­های رخ داده در کلاسه­های خطر

نتیجه­گیری

بررسی­های انجام شده در پژوهش حاضر نشان می­دهد که شبکه­ی زهکشی و تغییرات در داده­های مورفومتری آن در طی زمان، از ارتفاعات به سوی دشت یکی از بخش­های اصلی تأثیرگذار در وقوع فروچاله­های منطقه می­باشد و تغییرات اقلیمی به عنوان یک عامل تشدید­کننده در این امر تأثیر بسزایی دارد. تغییر در حجم رواناب­ها نسبت به منبع تغذیه، افزایش تراکم آبراهه و فاصله­گیری از رودخانه­ها، در دشت­های منطقه، از عوامل مهم ایجاد اختلال در بهره­برداری از منابع آب و به تبع آن گسترش پهنه­های بیابانی،  توسعه­ی دشت­های سیلابی و بروز فرونشست در منطقه می­باشد و اگر چه به عقیده برخی پژوهشگران عمده فروچاله­های منطقه­ی مورد مطالعه در محدوده­هائی از دشت، که از سنگ بستر آهکی تشکیل شده­اند و آبیاری زمین زراعی به روش غرقابی صورت می­گیرد (روستای همه­کسی)، رخ داده است (ولیزاده و همکاران، 1384) و یا محل تشکیل فروچاله­ها بر محل تلاقی مخروط افت چاه­ها واقع گردیده است (دادستان،1384). اما این نکته قابل توجه است که، با توجه به نقشه­ی (8) و اطلاعات به دست آمده از جدول (4) و مشاهده روند تغییرات داده­های مورفومتری شبکه­ی آب­ها می­توان دریافت که نوع  لیتولوژی، توپوگرافی،کاربری اراضی و افت آب زیرزمینی منطقه به تبعیت از تغییرات داده­های مورفومتری شبکه­ی زهکشی در طی زمان دچار تغییر و تحول گشته و در تشدید فرونشست منطقه تأثیرگذار بوده است و این عوامل به تنهایی نمی­توانند نقش اصلی را در منطقه ایفاء نمایند. شبکه­های زهکشی ماهیتی مستقل و تأثیرگذار در منطقه داشته است اما پیوندی خاص با نوع لیتولوژی، توپوگرافی و برداشت مازاد آب­های زیرزمینی برقرار کرده، به طوری که تغییر در رفتار شبکه­ی زهکشی و داده­های مورفومتری آن را می­توان در ارتباط با این عوامل بیان کرد. تغییرات شبکه­ی زهکشی در مقیاس زمانی و مکانی عمده مساحت دشت­های منطقه، خصوصاً (روستاهای بابان، جهان­آباد، همه­کسی، کردآباد) را برای وقوع فروچاله مستعد و با بحران کم آبی این وسعت گسترده­تر و  دشت­های همدان و بهار را نیز بعد کبودرآهنگ، فامنین و قهاوند با شدت بیشتری درگیر خواهند کرد و ضروری است که نسبت به اجرای عملیات پیشگیری، از جمله کنترل نحوه­ی بهره­برداری از آب در نواحی بحرانی اقدامات لازم صورت پذیرد.