پتانسیل یابی منابع آب زیرزمینی با استفاده از روش تحلیل سلسله مراتبی "AHP" (مطالعه موردی: حوضه آباده ـ اقلید فارس)

مقدمه

آب­های زیرزمینی 4 درصد از مجموعه آبهایی را که فعالانه در سیکل هیدرولوژی دخالت دارند، شامل می­شوند (علیزاده، 1388: 24). این منابع بعد از یـخچالها و پهنه­های یخی، بزرگ‌ترین ذخیره آب شیرین به‌حساب می­آیند (صداقت، 1387: 7) و با حجمی معادل 37 میلیارد کیلومترمکعب (22 درصد آب­های شیرین جهان) حدود 97 درصد آب شیرین مصرفی جهان را تأمین می­کنند (فوستر، 1998). آبهای زیرزمینی در بسیاری از کشورهای واقع در نواحی خشک و نیمه‌خشک بیش از 80 درصد منابع آبی مورد استفاده را تشکیل می­دهند (صداقت، 1387: 25). آب زیرزمینی از یک­سو به­دلیل شیرین بودن، ترکیبات ثابت شیمیایی، دمای ثابت، ضریب آلودگی کمتر و سطح اطمینان بیشتر یک منبع قابل ‌اتکا به‌ویژه در مناطق خشک و نیمه‌خشک محسوب می­شود و از سوی دیگر با تأثیر بر توان اکولوژیک سرزمین یک پدیده مهم و مؤثر در توسعه اقتصادی، تنوع اکولوژیکی و سلامت جامعه به‌حساب می­آید (مادان و همکاران، 2008). کشور ایران با شرایط اقلیمی خشک و نیمه‌خشک و میانگین بارش سالانه حدود 250 میلی‌متر یکی از کم­آب­ترین کشورهای جهان محسوب می­شود (مسعودیان و کاویانی، 1386: 82). ایران با مشخصات هیدرولوژیکی مانند حجم نزولات جوی 413، تبخیر و تعرق 296 و حجم آب قابل‌ دسترس 117 میلیارد مترمکعب، سرانه آب تجدیدشونده جهانی 1900 مترمکعب (در حالی که متوسط آب تجدیدشونده جهانی7600 مترمکعب است)، مصرف 4/3 میلیارد مترمکعب که حدود 65 درصد آن از آب­های زیرزمینی تأمین می­گردد، با شرایط سخت در زمینه تأمین آب روبه­روست، به ‌ویژه این که هم‌اکنون از 630 دشت کـشور 220 دشت ازنظر حفاظتی در رده دشت­های ممنوعه قرار دارند (سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی، 1383). طبق این ارقام بازنگری در مدیریت و استراتژی منابع آب در برنامه‌ریزی‌های توسعه اقتصادی و اجتماعی کشور امری اجتناب‌ناپذیر و جدی است. این مهم طی سالیان اخیر از طریق بازنگری در قوانین بهره‌برداری، عملیات عمرانی مانند انتقال آب بین حوضه‌ای، آبخوان‌داری، تغذیه مصنوعی و مجموعه عملیات حفاظت آب ‌و خاک در این برنامه­ها پیگیری شده است.

حوضه آباده - اقلید یکی از زیرحوضه‌های کویر ابرقو - سیرجان است و در استان فارس واقع ‌شده است. 35% از استان فارس را دشت­ها و 65% از آن را ارتفاعات در برگرفته است. این استان 170 دشت دارد که از آنها 64 دشت ممنوعه و 7 دشت ممنوعه بحرانی هستند. 78% از منابع آب فارس از طریق آب‌های زیرزمینی تأمین می­شود. تعداد چاه‌های عمیق 31020 حلقه، تعداد چاه نیمه­عمیق 53205 حلقه، تعداد قنات 1487 رشته و تعداد چشمه 2233 رشته می­باشد که میزان تخلیه سالانه از این منابع 4/7977 میلیون مترمکعب بوده است. افت آب زیرزمینی در بیشتر مساحت منطقه بیش از 5 متر بوده است که این میزان برای حوضه آباده - اقلید بین 1 تا 3 متر است (شرکت آب منطقه­ای فارس، 1390). بنابراین شناسایی منابع آب زیرزمینی، شناختن مناطق با پتانسیل بالا و اصلاح شیوه برداشت از این منابع از ضروریات منطقه به شمار می­رود.دراین پژوهش برای شناسایی و تعیین مناطق آبی جهت بهره‌برداری از منابع آب زیرزمینی در حوضه آبریز آباده - اقلید از روش سلسله­مراتبی و تکنیک GIS استفاده‌شده است. تحلیل سلسله مراتبی (AHP) روشی است که امکان تصمیم‌گیری صحیح با حضور معیارهای کیفی و کمی را فراهم می­کند (مؤسسه تحقیق در عملیات بهین گسترگیتی، 1388). مطالعات متعددی در زمینه­های مختلف با استفاده از روش سلسله مراتبی صورت گرفته است که می­توان به موارد زیر اشاره کرد: پناهنده و همکاران (1388) مکان‌یابی دفن پسماند شهری در سمنان و فتائی و آل­شیخ (1388) مکان‌یابی مواد زائد جامد شهری در شهر گیوی را مطالعه کرده­اند. خیرخواه زرکش و همکاران (1387) به مکان­یابی سدهای زیرزمینی در دامنه شمالی کوه کرکس و علیجانی و همکاران (1386) به پهنه­بندی خطر زمین‌لغزش در دامنه­های شمالی شاه جهان و حوضه آبخیز اسطخری شیروان پرداخته­اند. سرور (1383) مکان­یابی توسعه آتی شهری در شهر میاندوآب را بررسی کرده است. احمدی و همکاران (1382) به پهنه‌بندی خطر حرکت­های توده­ای در حوضه آبخیز گرمی چای پرداختند؛ محمدخان (1380) پهنه‌بندی خطر حرکت­های توده­ای برای حوضه آبخیز طالقان را مطالعه کرد؛ حسن­زاده (1379) عمل پـهنه­بندی خطر زمین‌لغزش در حوضه آبخیز شلمان رود را انجام داد. در زمینه مکان­یابی آب‌های زیرزمینی نیز می­توان به پژوهش­هایی اشاره کرد از جمله این که رحیمی (1390) پتانسیل‌یابی منابع آب زیرزمینی دشت شهرکرد را و سیف (1390) پتانسیل­یابی منابع آب زیرزمینی حوضهه آبریز سیرجان را انجام دادند و رنگزن و همکاران (1383) در دشت لالی و آبشیرینی و همکاران (1387) در زمینه پتانسیل‌یابی منابع آب زیرزمینی به کمک GIS کار کردند. مطالعاتی نیز نظیر تحقیقات فاروق (1992) (2000) (2006) در کشورهای مصر، عمان و امارات متحده عربی با استفاده از تکنیک­های سنجش‌ از دور و تحقیقات کوثر (1364- 1376) در گربایگان استان فارس و همچنین مطالعات متعددی توسط معاونت آبخیزداری وزارت جهاد کشاورزی در زمینه تغذیه مصنوعی و آبخوان­داری در همین راستا صورت گرفته است. این پژوهش سعی دارد تا با استفاده از آنالیز پارامترهای مؤثر زمین‌شناسی، توپولوژی، هیدرولوژی و اقلیمی از طریق روش تحلیل سلسله­مراتبی (AHP) و تهیه لایه­های رستری آن، وزن­دهی و ترکیب لایه­ها در محیط نرم‌افزار ArcGIS مناطق دارای بیشترین آب زیرزمینی را شناسایی، تعیین، معرفی و پهنه‌بندی کند.حوضه آبریز آباده - اقلید در محدوده عرضهای جغرافیایی 30 درجه و 45 دقیقه تا 31 درجه و 30 دقیقه شمالی و طولهای جغرافیایی 52 درجه و 10 دقیقه تا 53 درجه و 5 دقیقه شرقی گسترده شده است. حداکثر ارتفاع حوضه 3771 متر در ارتفاعات  جنوب غربی و حداقل آن 1740 متر در نقطه خروجی حوضه در شرق و متوسط ارتفاع آن 2700 متر است. کل حوضه 2871 کیلومترمربع وسعت دارد. شکل 1 موقعیت جغرافیایی حوضه آبریز آباده - اقلید را نشان می­دهد.

شکل (1) موقعیت حوضه آباده – اقلید در استان فارس

مواد و روش

به‌منظور پتانسیل­یابی منابع آب زیرزمینی در حوضه آباده - اقلید آمار و اطلاعات اقلیمی از ایستگاه‌های سینوپتیک آباده و اقلید (1977-2010) و اطلاعات زمین­شناسی و توپولوژی و هیدرولوژی از نقشه­های رقومی زمین­شناسی با مقیاس 100000 : 1 و نقشه توپوگرافی با مقیاس 50000 : 1 حوضه موردمطالعه به­دست آمد.

• ·      روش تهیه لایه­های اطلاعاتی موردنیاز جهت تهیه نقشه پتانسیل­یابی منطقه مورد مطالعه

ـ تهیه لایه­های اطلاعاتی توپولوژی شامل طبقات ارتفاعی، شیب و جهت شیب از مدل رقومی ارتفاعی (DEM) منطقه در محیط GIS.

ـ تهیه لایـه­های اطلاعاتی زمین‌شـناسی شـامل لیتولوژی، تراکم گسل و فاصله از گـسل از نقشه رقومی زمین­شناسی حوضه در محیط GIS.

ـ تهیه لایه هیدرولوژی شامل تراکم آبراهه و فاصله از آبراهه از نقشه توپوگرافی و DEM حوضه در محیط GIS.

ـ تهیه لایه­های اطلاعاتی اقلیمی شامل بارش و دما از طریق Inverse Distance Weighted در محیط GIS.

• ·      روش وزن­دهی

بعد از تهیه کلیه لایه­هایی که در پتانسیل­یابی منابع آب زیرزمینی مؤثر بودند، با توجه به درجه اهمیت و مقدار تأثیر هر یک از عناصر، آنها را به روش AHP وزن­دهی کردیم، بعد از وزن­دهی لایه­ها، برای این که کلی× لایه­ها باهم جمع شوند، لایه‌های وکتوری را به رستری تبدیل نمودیم و این عملیات را با ابزارهای SpatialAnalysis، 3DAnalyst و RasterCalculator در محیط ArcGIS انجام دادیم. در آخر نقشه­ پتانسیل آبهای زیرزمینی تولید شد که مراحل آن به شرح زیر است:

مرحله اول: تهیه لایه­های رقومی مورد نیاز که برای این کار از SpatialAnalysis، 3DAnalyst و RasterCalculator و برای تهیه لایه­های زمین­شناسی و توپولوژی و هیدرولوژی و از دستور InterpolatetoRaster و روش InverseDistanceWeighted در قسمت SpatialAnalysis جهت تهیه لایه­های مربوط به اقلیم و دما استفاده کردیم.

مرحله دوم: وزن دادن به هر یک از لایه­ها، بیشترین وزن به لایه­ای تعلق‌گرفته است که بیشترین نقش را در پتانسیل­یابی منابع آب زیرزمینی حوضه مورد مطالعه داشته (ال.ال.سی، 1998: 175). معیار وزن­دهی هر یک از عناصر موجود در هر لایه و همچنین معیار وزن­دهی هر واحد اطلاعاتی موجود در آن لایه بر اساس میزان نقشی است که در داخل آن لایه، و در تأثیر در پتانسیل­یابی منابع آب زیرزمینی داشته است (لوپز و زینک، 1991: 161).

مرحله سوم: ترکیب لایه­ها از طریق RasterCalculator در قسمت SpatialAnalysis ؛ در این مرحله نقشه نهایی با پنج گروه مناطق: با پتانسیل بالا، با پتانسیل خوب، با پتانسیل متوسط، با پتانسیل کم و بدون پتانسیل آبهای زیرزمینی تولید شد.

• ·      پتانسیل­یابی منابع آب زیرزمینی

در این قسمت مدل مفهومی برای تصمیم‌گیری در پتانسیل­یابی منابع آب زیرزمینی با استفاده از AHP در محیط نرم‌افزاری GIS ارائه می­شود. فرآیند تصمیم‌گیری در چهار سطح به­شرح زیر انجام پذیرفت:

سطح اول: هدف کلی سلسله‌مراتب در بالاترین سطح قرار دارد. در این­جا هدف اصلی تهیه نقشه پتانسیل­یابی منابع آب زیرزمینی است.

سطح دوم: این سطح معیارها را در برگرفته و شامل عوامل مؤثر در ایجاد آب­های زیرزمینی نظیر عوامل زمین­شناسی، اقلیم­شناسی، توپولوژیکی و هیدرولوژیکی است.

سطح سوم: این سطح زیر معیارها را در برگرفته، شامل پارامترهای سنگ­شناسی، تراکم گسل و فاصله از گسل، بارش، دما، طبقات ارتفاعی، شیب و جهت شیب، تراکم و فاصله از شبکه زه­کشی است.

سطح چهارم: در این سطح برای مقایسه­ از پنج طبقه پتانسیل بالا، پتانسیل خوب، پتانسیل متوسط، پتانسیل کم و بدون پتانسیل استفاده‌شده است.

شکل (2) ساختار سلسله­مراتبی پتانسیل­یابی منابع آب (سیف،1390)

• ·      وزن­دهی به عوامل مؤثر

در فرایند تحلیل سلسله­مراتبی بیشترین وزن به لایه­ای تعلق می­گیرد که بیشترین تأثیر را در تعیین هدف دارد؛ به‌عبارت‌دیگر معیار وزن­دهی به هر واحد اطلاعاتی نیز براساس میزان نقشی است که در داخل آن لایه ایفا می­کند (لوپز و زینک، 1991: 161) (جدول 1). چون هدف این پژوهش پی­جویی منابع آب زیرزمینی در حوضه آباده- اقلید فارس است، پارامترهای تأثیرگذار در نفوذپذیری خاک و تغذیه سفره­های آب زیرزمینی می­تواند به‌عنوان مهم­ترین عوامل برای رسیدن به هدف نهایی در نظر گرفته شود. بنابراین برای مؤلفه­های سنگ­شناسی، هیدرولوژی و اقلیمی با توجه به اهمیت آنها در نفوذپذیری خاک و تغذیه سفره­های آب زیرزمینی، باید بالاترین ارجحیت و وزن­دهی را در نظر گرفت. وزن­دهی به سایر عوامل به نسبت کاهش تأثیرشان در نفوذپذیری کم­تر می­شود. به‌عبارت‌دیگر مؤثرترین عامل در تغذیه منابع آب از بیشترین وزن برخوردار خواهد بود.

جدول (1) وزندهی به عوامل براساس ارجحیت به‌صورت مقایسه زوجی

منبع: قدسی­پور، 1387

• ·      محاسبه وزن نهایی

برای محاسبه وزن نهایی هریک از عوامل مؤثر در پتانسیل­یابی منابع آب زیرزمینی مراحل زیر صورت گرفت:

ـ لایه گسل: (لایه تراکم گسل * 0627/0) + (لایه فاصله از گسل * 026/0)

ـ لایه سنگ­شناسی: (زمین با نفوذپذیری زیاد * 1450/0) + (زمین با نفوذپذیری متوسط * 0406/0) + (زمین با نفوذپذیری کم * 0144/0)

ـ لایه زمین­شناسی: لایه گسل + لایه سنگ‌شناسی

ـ لایه اقلیم: (لایه دما * 1064/0) + (لایه بارش * 2532/0)

ـ لایه توپولوژی: (لایه شیب * 0344/0) + (لایه جهت شیب * 0460/0) + (لایه ارتفاع * 0325/0)

ـ لایه هیدرولوژی: (لایه تراکم آبراهه * 1645/0) + (لایه فاصله از آبراهه * 0742/0)

ـ لایه پتانسیل: (لایه اقلیم * 1177/0) + (لایه هیدرولوژی * 2388/0) + (لایه توپولوژی * 0525/0) + (لایه زمین­شناسی * 5910/0)

یافته­های تحقیق

پس از مشخص شدن عوامل مؤثر بر پتانسیل­ منابع آب زیرزمینی حوضه آباده - اقلید و وزن­دهی به هریک از معیارها و زیرمعیارها، سرانجام محاسبه وزن نسبی آنها بر اساس روش تحلیل سلسله­مراتبی صورت گرفت و سپس در محیط ArcGIS لایه رستری هر یک از عوامل بر بردار وزنشان ضرب شد و در نهایت لایه پتانسیل منابع آب زیرزمینی حوضه آباده - اقلید از طریق حاصل جمع لایه­های نهایی عوامل زمین­شناسی، توپولوژی، هیدرولوژی و اقلیمی تهیه شد (شکل­های 3 تا 7).

شکل(3) نقشه­های عامل زمین‌شناسی

شکل(4) نقشه­های عامل توپولوژی

شکل(7) نقشه پتانسیل منابع آب زیرزمینی حوضه آباده - اقلید فارس

نتیجه‌گیری

با توجه به یافته­های تحقیق می­توان گفت که کاربرد روش تحلیل سلسله­مراتبی در برنامه­ریزی محیطی اهمیت بسزایی دارد و به برنامه­ریزان کمک می­کند تا یک مسأله پیچیده طبیعی را به‌صورت ساختار سلسله مراتبی تبدیل کنند و سپس با سرعت و دقت کافی به حل آن بپردازند. استفاده از این روش، علم برنامه‌ریزی محیطی را به‌صورت کاربردی‌تر و موفق‌تر از همیشه در برنامه‌ریزی و مدیریت بحران مطرح می­سازد. در نتیجه استفاده و بهره‌گیری از این روش در مدیریت محیط به ژئومورفولوژیست­ها و دیگر برنامه­ریزان محیطی توصیه می­شود. با توجه به نقشه پتانسیل به‌دست‌آمده، بر اساس چهار عامل مؤثر بر پتانسیل‌یابی منابع آب زیرزمینی حوضه آباده - اقلید در قالب لایه­های مختلف اطلاعاتی می­توان پهنه­های پتانسیلی مختلف را در حوضه آباده -  اقلید مشاهده کرد. در این میان پهنه­های پتانسیل بالا و خوب بیشتر منطبق بر تراس­های آبرفتی و مخروط افکنه­ها است. پهنه­های بدون پتانسیل و کم پتانسیل یکی منطبق بر حداکثر ارتفاعات به دلیل شیب زیاد و دیگری منطبق بر مناطق دارای جنس مارنی و شیلی به علت نفوذپذیری خیلی کم و تبخیر بالا است. دیگر پهنه­های پتانسیلی در حدفاصل بین این دو منطقه گسترده شده­اند. بیشترین مساحت حوضه مربوط به مناطق دارای پتانسیل خوب و متوسط است که بیشترین مناطق با پتانسیل بالا و خوب در نواحی جنوب و جنوب شرق حوضه نسبت به استان فارس و همچنین مقداری هم در شمال غربی حوضه قرار دارند و مناطق بدون پتانسیل و کم پتانسیل مربوط به نواحی کوهستانی جنوب غرب و شمال غرب حوضه و نواحی مرکزی و شمالی حوضه به دلیل جنس زمین و نفوذناپذیری و نوع ساختمان و توپولوژی آنها است.