پایان نامه مکان یابی تغذیه مصنوعی آب های زیرزمینی با مقایسه نگرش آبخیزداری ، آبیاری و زمین شناسی

پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی منابع طبیعی – آبخیزداری

چکیده

منابع آب زیر زمینی بعد از یخچال­ها و پهنه­های یخی، بزرگ­ترین ذخیره آب شیرین زمین را تشکیل می­دهند و یکی از منابع مهم تأمین آب شیرین موردنیاز انسان هستند. ازآنجاکه در اکثر نقاط کشور بارش­ها اغلب ناچیز و گاه به­صورت سیلاب­های مخرب ظاهر می­شوند، می­توان از عملیات تغذیه مصنوعی آب­های زیرزمینی به‌عنوان یک راهکار مناسب جهت استفاده بهینه از سیلاب­ها و پایداری سفره­های آب زیرزمینی استفاده کرد. تعیین مناطق مناسب برای تغذیه مصنوعی از اهمیت بسیاری برخوردار است که لازم است با دقت کافی انجام شود. به علت وجود پارامترهای متعدد مؤثر در مکان­یابی و نیاز به بررسی توأم معیارهای ارزیابی‌شده و تغییرات مداوم آن‌ها، سامانه اطلاعات جغرافیایی ابزاری کارا برای مدیریت و به­کارگیری داده­های مکانی در این زمینه است. در این تحقیق برای مکان­یابی مناطق مناسب تغذیه مصنوعی آب­های زیرزمینی در دشت خوی در شمال غربی ایران از فاکتورهای شیب، کیفیت آب، عمق آب زیرزمینی و واحدهای زمین­شناسی استفاده‌شده است. نقشه­های فوق در محیط GIS و با اعمال روش آنالیز سلسله مراتبی تلفیق شدند. در این مطالعه به‌منظور مقایسات زوجی معیارها و زیر معیارهای مؤثر بر تغذیه مصنوعی با تهیه پرسشنامه از دیدگاه­های کارشناسان آبخیزداری، آبیاری و زمین­شناسی به ترتیب به تعداد 16، 13 و 12 استفاده و نتایج هرکدام به­طور جداگانه­ای موردبررسی قرار گرفتند. همچنین نقشه کاربری اراضی منطقه نیز از تصاویر ماهواره­ای لندست 8 به­منظور اعمال محدودیت کاربری موجود در منطقه استخراج گردید و پس از روی‌هم گذاری لایه نهایی با بافر 50 و 100 متری برای آبراهه­های پر آب با رتبه 3 و 4 نتایج حاصل از تحقیق نشان داد که بر اساس هرکدام از دیدگاه­های کارشناسی آبخیزداری، آبیاری و زمین­شناسی به ترتیب حدود 00/48، 11/38 و 76/7 هکتار که شامل 39، 81 و 14 پلی گون می­شود در منطقه دشت خوی برای تغذیه مصنوعی مناسب است.

واژه­های کلیدی: دشت خوی، مکان­ یابی، تغذیه مصنوعی، فرایند تحلیل سلسله مراتبی، آبخیزداری، آبیاری، زمین­ شناسی.

فصل اول: مقدمه

همزمان با افزایش جمعیت نیاز به آب سالم و قابل شرب روند صعودی داشته و از سویی منابع آب سطحی نیز با مسئله آلودگی و تغییرات حجمی در طول زمان روبرو هستند، درنتیجه نگاه برنامه­ریزان به‌سوی منابع آب­های زیرزمینی که منابع حیاتی آب در مناطق خشک و نیمه‌خشک محسوب می­شوند، سوق یافته است. منابع آب زیرزمینی بعد از یخچال­ها و پهنه­های یخی، بزرگ­ترین ذخیره آب شیرین زمین را تشکیل می­دهند و یکی از منابع مهم تأمین آب شیرین انسان هستند (Freeze & Cherry, 1979). لزوم شناخت و بهره­برداری بهینه از آب­های زیرزمینی ازآنجا ناشی می­شود که این منابع 99% از کل آب­های شیرین قابل‌دسترس را تشکیل می­دهند (کوثر، 1364). علاوه بر این در بسیاری از کشورهای واقع در نواحی خشک و نیمه‌خشک بیش از 80% منابع آب مورداستفاده را تشکیل می­دهند (صداقت، 1372).

در سال­های اخیر با افزایش روزافزون جمعیت، توسعه صنعت، رشد شهرنشینی و به‌تبع آن افزایش تقاضا به مواد غذایی، بهره­برداری از منابع آب چندین برابر بیشتر از گذشته است به‌طوری‌که میزان بهره­کشی و مصرف آب­های زیرزمینی بیشتر از میزان تغذیه این منابع شده است، به‌عبارت‌دیگر ورودی سیستم آب زیرزمینی از خروجی آن کمتر شده و سیستم با بیلان منفی دارای پس‌خوراند مثبت و در حال اضمحلال است؛ بنابراین شناسایی و تعیین مناسب­ترین مکان جهت این مهم از اهمیت به سزایی برخوردار است. مدیریت منابع آب مجموعه­ای از اقدامات متعدد مدیریتی است که باهدف بهره­برداری بهینه از منابع آب و کاهش خسارت اقتصادی، اجتماعی و زیست‌محیطی صورت می­گیرد.

کشور ایران به دلیل موقعیت خاص جغرافیایی و ناهمواری­های بسیار پراکنده و شرایط اقلیمی و وضعیت ریزش­های جوی، از مناطق خشک و نیمه‌خشک جهان به شمار می­رود. ولی همین مقدار بارندگی نیز پراکنش زمانی و مکانی مناسبی ندارد. به‌طوری‌که یک‌سوم بارندگی در بیش از نیمی از کشور (در کویر مرکزی) و یک‌سوم در سطحی حدود 10% از مساحت کل کشور و یک‌سوم بقیه در سایر نقاط نازل می­شود (اصغر پور، 1383). بدین لحاظ محدودیت منابع آب از دیرباز موردتوجه ایرانیان بوده است. با توجه به اینکه آب­های زیرزمینی 99% از کل آب شیرین قابل‌استفاده را تشکیل می­دهند (اکبرپور، 1388) و از طرفی هم بسیاری از مناطق کشورمان ازنظر اقلیم جزو اقلیم خشک می­باشند، بخش بزرگی از تأمین آب خود را از منابع زیرزمینی تأمین می­کنند. تخلیه آب زیرزمینی و عدم جایگزین شدن آب این منابع یکی از بزرگ‌ترین مشکلاتی است که جوامع بشری مخصوصاً کشورمان با آن روبرو است.

یکی از شیوه­های برطرف نمودن چالش­های مرتبط با تراز منفی آب­های زیرزمینی، مطالعه و اجرای پروژه­های تغذیه مصنوعی در حوزه­هایی است که از این بابت با مشکل مواجه شده­اند. تغذیه مصنوعی آبخوان­ها یکی از روش­هایی است که می­تواند بخشی از آب خارج‌شده از زیرزمین را جایگزین نماید. تغذیه مصنوعی عبارت است از اضافه شدن آب به منابع آب زیرزمینی (سلطانی و عابدی، 1389) و یا واردکردن آب به یک سازند نفوذپذیر باهدف تغذیه سفره آب زیرزمینی و به‌منظور استفاده مجدد از آن با رژیم و کیفیتی متفاوت که به‌وسیله ایجاد تأسیسات اضافی یا تغییراتی در شرایط طبیعی منطقه ایجاد می­شود (حبیبی و همکاران، 1391). منظور از این تعریف اضافه شدن هر آبی به آبخوان بدون در نظر گرفتن اصل و منشأ آن است.

به‌منظور مدل‌سازی و مدیریت منابع آب، تعیین تغذیه خالص آب زیرزمینی امری ضروری به شمار می­رود. استفاده از آب­های زیرزمینی برای گسترش مناطق شهری، صنعتی و کشاورزی به‌خصوص در مناطق خشک و نیمه‌خشک، اهمیت زیادی دارد (Xu & Beekman, 2003؛ De Vries & Simmers, 2002). تغذیه آب­های زیرزمینی به‌عنوان قسمت مهمی از چرخه هیدرولوژی محسوب می­شود. تغذیه می­تواند به‌صورت مستقیم با پخش آب در گودال­های وسیع و هدایت آب در چاه­های تزریق یا به‌صورت غیرمستقیم از فعالیت­های انسان مانند آبیاری اراضی صورت گیرد. استفاده از مدل­های کامپیوتری و ریاضی، مدیریت منابع آب زیرزمین و سطحی و انتقال آلودگی به منابع آب زیرزمینی مستلزم فهم و درک درست از مفهوم تغذیه است (Neff et al., 2006).

 مسائل تصمیم‌گیری مدیریت منابع آب به دلیل وجود معیارها، شاخص­های متعدد تصمیم­گیری، مسائل پیچیده­ای هستند. برای دستیابی به یک هدف مشخص راه‌حل‌های متعددی وجود دارد که هریک ارجحیت­های متفاوتی را برای مسائل مختلف همچون زیست‌محیطی، اجتماعی، سیاسی و سازمانی تأمین می­نمایند. این الزامات طبعاً موجب استفاده از روش­های تصمیم­گیری چندمعیاره (MCDM[1]) می­شود که هدف آن انتخاب بهترین جواب از بین راه‌حل‌های مختلف است.

روش فرآیند تحلیل سلسله مراتبی (AHP[2]) به­عنوان فن تصمیم­گیری چندمعیاره (سیستم تصمیم‌یار) در زمینه­های مکان­یابی کاربرد فراوانی دارد. با توجه به مشکلات مربوط به فرآیند تصمیم­گیری بر اساس معیارهای چندگانه می­توان گفت که فرآیند تصمیم­گیری، ساده نبوده و به علت عدم وجود استاندارد از سرعت و دقت تصمیم­گیری به مقدار زیادی کاسته می­شود. این امر باعث می­شود که فرآیند تصمیم­گیری به مقدار زیادی به فرد تصمیم‌گیرنده بستگی داشته باشد. برای رفع این مشکل و یا حداقل کردن آثار جانبی آن، روش­های تصمیم­گیری چندمعیاره (MCDM) طراحی‌شده‌اند. فرایند تحلیل سلسله مراتبی (AHP) یکی از جامع­ترین سامانه‌های طراحی‌شده برای تصمیم­گیری است. این فن امکان فرموله کردن مسئله را به‌صورت سلسله مراتبی فراهم می­کند و همچنین امکان در نظر گرفتن معیارهای مختلف کمی و کیفی را در مسئله دارد. در این روش، گزینه­های مختلف را در تصمیم­گیری دخالت داده و امکان تحلیل حساسیت روی معیارها و زیرمعیارها وجود دارد. همچنین برمبنای مقایسه زوجی استوار بوده و همین موضوع باعث تسهیل در قضاوت و محاسبات می­شود. در این روش می­توان میزان سازگاری و ناسازگاری تصمیم را محاسبه کرد که از مزایای انحصاری این فن در بین روش‌های مختلف تصمیم­گیری چندمعیاره می­باشد. فرایند تحلیل به‌گونه‌ای طراحی‌شده که با ذهن و طبیعت بشری مطابقت دارد (قدسی پور، 1389).

تغذیه مصنوعی به چندین روش می­تواند صورت بگیرد، در تقسیم­بندی که توسط اسکانلون[3] و همکاران در سال 2002 برای کمی کردن تغذیه انجام شد، تغذیه به‌صورت مطالعات سطحی، مطالعات نواحی اشباع و مطالعات مناطق غیراشباع طبقه­بندی شد (Xu & Beekman, 2003؛ Scanlon et al., 2002)، همچنین بلدچی و همکاران (1389) روش­های تغذیه مصنوعی را به سه روش سطحی (استخرهای مخصوص، فارر، بستر رودخانه، پخش سیلاب، آبیاری یخ آب، دگار، تورکینست، سد زیرزمینی و پیتینگ)، تغذیه به‌وسیله چاه و تغذیه القایی یا تغذیه به وسیله پایین آوردن سطح آب زیرزمینی تقسیم­بندی کرده­اند. بهره­برداری هرچه بهتر از منابع آب مستلزم تعیین محل مناسب برای اجرای طرح­های تغذیه مصنوعی است. برای مکان­یابی پروژه­های تغذیه مصنوعی باید مطالعات خاصی انجام گیرد. این مطالعات شامل مطالعات توپوگرافی، هیدرولوژی، هیدروژئولوژی، زمین‌شناسی، اقتصادی- اجتماعی و پوشش گیاهی می­باشد.

مهم‌ترین مسئله در توسعه و احداث پروژه­های تغذیه مصنوعی پیچیدگی تعیین مکان مناسب آن می­باشد. پارامترهای زیادی شامل: شیب، نفوذپذیری، جنس سازند، زمین‌شناسی، ضخامت آبرفت، ژئومورفولوژی، هدایت الکتریکی، فاصله از چاه و پوشش گیاهی در مکان­یابی دخیل می­باشند. بررسی و تعیین این عوامل در عرصه با استفاده از روش­های سنتی بسیار پرهزینه بوده و نیاز به‌صرف وقت و زمان زیادی دارد. به عنوان نمونه در تحقیقی رامشت و عرب عامری (1390) به پهنه­بندی حوضه آبخیز شاهرود- بسطام از نظر تغذیه مصنوعی آبخوان­های زیرزمینی پرداختند. بدین منظور در این مطالعه عوامل بارندگی، طبقات ارتفاعی، تراکم مسکونی، تراکم آبراهه، رخساره­های ارضی، مساحت و شیب به منظور پهنه­بندی مورد استفاده قرار گرفتند. استفاده از قابلیت بالای سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS[4]) در آنالیز داده­های مکانی به ویژه درروی هم اندازی تعداد بالای لایه اطلاعاتی کمک بسزایی در انتخاب بهترین مکان جهت احداث پروژه تغذیه مصنوعی می­باشد (برنوس و همکاران، 1388).

می­توان برخی از این عوامل را در قالب نقشه و داده­های مکانی در محیط GIS تهیه کرد. با داشتن نقشه یا لایه­های رقومی فاکتورهای مختلف، می­توان با استفاده از روش تحلیل سلسه مراتبی (AHP)، مدل‌سازی مکان­های مناسب تغذیه مصنوعی آب­های زیرزمینی را در محیط GIS با دقت و صحت قابل قبولی تهیه کرد. نقشه­های مکان­یابی تغذیه مصنوعی آب­های زیرزمین بر اساس روش تحلیل سلسه مراتبی (AHP)، به عنوان یک ابزار مطمئن و قوی در مدیریت و احداث پروژه­های تغذیه مصنوعی سفره­های آب­های زیرزمینی مورد استفاده قرار می­گیرد. هدف از انجام این پژوهش، تهیه نقشه و مکان­یابی مناطق مناسب برای احداث پروژه­های تغذیه مصنوعی سفره­های آب­های زیرزمینی از دیدگاه­های مختلف آبخیزداری، زمین­شناسی و آبیاری و بررسی میزان کارایی روش مذکور به­ویژه فرآیند تحلیل سلسله مراتبی در ایران و استان آذربایجان غربی به‌عنوان یک ضرورت اجتناب‌ناپذیر برای تصمیم­گیران و برنامه­ریزان در سطوح بالا می­باشد.

فرضیه­های تحقیق:

پس از مطالعه ادبیات تحقیق و تعریف مسئله و لزوم مکان‌یابی تغذیه مصنوعی آب­های زیرزمینی با مقایسه نگرش­های مختلف آبخیزداری، آبیاری و زمین­شناسی و به‌کارگیری فرآیند تحلیل سلسله مراتبی (AHP) در تهیه نقشه­های مربوطه، فرضیه­های این مطالعه به صورت زیر بیان می­شوند:

1- توانایی سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS) در مکان­یابی به­ویژه درروی هم اندازی تعداد بالای لایه­های اطلاعاتی بسیار بالاست.

2- نتایج مکان­یابی با توجه به نظرات کارشناسان هر گروه متفاوت از یکدیگر است.

3- مدل AHP توانایی خوبی برای مکان­یابی تغذیه مصنوعی دارد.

اهداف تحقیق

تدارک یک روش نوین با استفاده از دیدگاه­های کارشناسی مختلف که در برگیرنده فرایند تحلیل سلسله مراتبی و سامانه اطلاعات جغرافیایی برای مکان­یابی مناطق مناسب تغذیه مصنوعی آب­های زیرزمینی می­باشند و مقایسه نقشه­های مکان­یابی احداث پروژه­های تغذیه مصنوعی سفره­های آب زیرزمینی از دیدگاه کارشناسان گروه­های آبخیزداری، زمین‌شناسی و آبیاری با استفاده از به‌کارگیری روش AHP هدف اصلی تحقیق می­باشد.

همچنین ارائه یک روش مناسب برای مکان­یابی احداث پروژه­های تغذیه مصنوعی به­منظور تغذیه آب­های زیرزمینی و پهنه­بندی بهترین مناطق جهت تغذیه مصنوعی دشت خوی دیگر هدف مطالعه حاضر می­باشد.

Abstract:

Groundwater supplies after glaciers and ice zones, constitute the largest reserve of fresh water, and one of the important sources of fresh water needed by humans. Since precipitation in most parts of the Iran are often insignificant and sometimes occur as a destructive floods, Artificial recharge of the groundwater can be used as a mechanism for optimize use of floods and stability of groundwater aquifers. Selection of suitable sites for artificial recharge is very important and needs to be carried out accurately. Due to presence of various and effective spatial parameters in selection of suitable sites for artificial recharge and a need to review the evaluated factors in relation of one to the other, as well as their changes, GIS is a useful system to be employed for spatial data management. In this study it is attempted to select suitable sites for groundwater recharge through recharge basins in Khoy plain in northwest of Iran, using GIS. For site selection, the information items, slope, water quality, depth of groundwater and geology units were investigated and integrated in GIS using Analytical Hierarchy Process (AHP). In this study for paired comparison of criteria and subcriteria different opinions of watershed management, geology and irrigation experts were used. Also, satellite images of Landsat 8 were used to prepare the LULC map for restrict the type of LULC and after overlaying of final layer with 50 and 100 meter buffer for waterful streams with a garde of 3 and 4, The results indicated that based on each watershed management, geology and irrigation experts opinions about 48.00, 38.11 and 7.76 hectare that its including 39, 81 and 14 polygon, respectively, in Khoy plain are suitable for artificial recharge.

Key word: Khoy Plain, Site Selection, Artificial Recharge, Analytical Hierarchy Process, Watershed management, Irrigation, Geology.