بخشی از مقاله
بررسی آسیب پذیری کیفیت آب زیرزمینی با استفاده از GIS و مدل دراستیک اصلاح شده (مطالعه موردی: شبکه آبیاری قزوین)
چکیده:
پاک سازی آلودگی آبهای زیرزمینی هزینه زیادی دارد و در بسیاری از موارد بسیار مشکل است. از این رو لازم است از روش های مناسب برای پیشگیری از آلوده شدن آنها استفاده شود. یکی از راههای عملی برای جلوگیری از آلودگی آبهای زیرزمینی، شناسایی مناطق آسیب پذیر آبخوان و مدیریت کاربری اراضی است. در پژوهش حاضر آسیب پذیری آبخوان دشت قزوین در برابر آلودگی، به کمک مدل دراستیک و نرم افزار GIS ارزیابی شده است. مدل دراستیک مدل هفت پارامتری است که خصوصیات هیدروژئولوژیکی موثر بر آلودگی آبهای زیرزمینی، شامل عمق سطح ایستابی، تغذیه خالص آبخوان، محیط آبخوان، محیط خاک، توپوگرافی، منطقه غیراشباع و هدایت هیدرولیکی را مورد بررسی قرار میدهد و با ترکیب این پارامترها در محیط GIS مناطق مستعد آلودگی آبخوان را مشخص میکند. در تحقیق حاضر از نقشه کاربری اراضی بعنوان پارامتر هشتم جهت کسب نتایج کاربردی استفاده شده است. نتایج نشان داد که 66 درصد از مساحت منطقه مورد مطالعه دارای پتانسیل آسیب پذیری متوسط و 34 درصد دارای پتانسیل آسیب پذیری زیاد میباشد. با تحلیل حساسیت به روش حذف پارامتر، میزان تأثیرگذاری هرکدام از پارامترهای موثر در آلوده سازی آبخوان مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج تحلیل ها نشان داد که مهمترین پارامتر تأثیرگذار بر شاخص آسیب پذیری در این منطقه، پارامتر محیط منطقه غیر اشباع است. همچنین جهت صحت سنجی تحقیق و نتایج، از انداره گیری میزان نیترات در آب های زیر زمینی دشت قزوین استفاده شد، نتایج آزمایش نشان داد پهنه بندی آسیب پذیری بدست آمده از مدل دراستیک با توزیع نیترات در آب زیرزمینی دشت قزوین از همخوانی خوبی برخوردار است.
کلمات کلیدی: آسیب پذیری آب زیرزمینی، آنالیز حساسیت، مدل DRASTIC ، GIS، دشت قزوین
1
.2 مقدمه
پاک سازی آلودگی آبهای زیرزمینی هزینه زیادی دارد و در بسیاری از موارد بسیار مشکل است. از این رو لازم است از روش های مناسب برای پیشگیری از آلوده شدن آنها استفاده شود. یکی از راههای عملی برای جلوگیری از آلودگی آبهای زیرزمینی، شناسایی مناطق آسیب پذیر آبخوان و مدیریت کاربری اراضی است. در پژوهش حاضر آسیب پذیری آبخوان دشت قزوین در برابر آلودگی، به کمک مدل دراستیک و نرم افزار GIS ارزیابی شده است. مدل دراستیک مدل هفت پارامتری است که خصوصیات هیدروژئولوژیکی موثر بر آلودگی آبهای زیرزمینی، شامل عمق سطح ایستابی، تغذیه خالص آبخوان، محیط آبخوان، محیط خاک، توپوگرافی، منطقه غیراشباع و هدایت هیدرولیکی را مورد بررسی قرار میدهد و با ترکیب این پارامترها در محیط GIS مناطق مستعد آلودگی آبخوان را مشخص میکند. در این مقاله از نقشه کاربری اراضی بعنوان پارامتر هشتم جهت کسب نتایج کاربردی استفاده شده است.
3. مواد و روش ها
به دلیل اینکه مدلهای ارائه شده منابع آب زیرزمینی در گذشته اکثرا کمی بوده لذا اخیرا بررسی کیفی آب زیرزمینی از
اهمیت بالایی برخوردار شده است. مدلهای کیفی کاربردهای مختلفی داشته و در زمینههای مختلفی استفاده می شوند. مدلهای کیفی که در زمینه بررسی وضعیت آسیب پذیری آب زیرزمینی استفاده میشوند، مقدار آلودگی را ارائه نمیکنند، بلکه نقاط مختلف را به لحاظ خطر آلودگی نسبت به یکدیگر ارزیابی میکنند. اولین پروژه نیمه اتوماتیک با استفاده از مفهوم دراستیک و تکنیک GIS در دانشگاه Kanasas توسط Merchant، Whittemore، Whistler ، McElwee و Wood در سال 1986 انجام شده است. Atiquar Rahman درسال 2007 به کمک مدل دراستیک در محیط GIS به برررسی آسیب پذیری آبخوانهای کم عمق در هند پرداخت و میزان حساسیت هر یک از پارامترهای مورد استفاده در مدل دراستیک را مورد ارزیابی قرار داد. به خاطر ماهیت فازی مدل دراستیک، اکثر کارهایی که توسط محققین نظیر Dixon جهت ارزیابی آسیب پذیری انجام شده است ارزیابی آسیب پذیری به کمک منطق فازی بوده است.
.4 شرح روش دراستیک (DRASTIC)
سازمان حفاظت محیط زیست ایالات متحده آمریکا1 روش استانداردی را تحت عنوان روش دراستیک جهت ارزیابی آسیب پذیری آب زیر زمینی ارائه نمود که بر اساس آن پارامترهای مختلف هیدروژئولوژی که هر یک در انتقال آلودگی تاثیر گذارند با یک ضریب وزنی و یک ضریب ارزش با یکدیگر جمع شده و درنهایت نقشه آسیب پذیری را ارائه میدهند
.دراستیک متداولترین روش جهت ارزیابی حساسیت آبخوان می باشد هرچند که هدف آن پیش بینی وقوع آلودگی در آب زیرزمینی نمی باشد، البته برخی از کاربردهای دراستیک جهت پیش بینی آسیب پذیری آب زیرزمینی نسبت به آلودگیها موفق و برخی ناموفق بوده اند. درحال حاضر روش دراستیک به عنوان یک سیستم استاندارد برای ارزیابی پتانسیل آلودگی مورد استفاده قرار می گیرد. این مدل در بسیاری از کشورها مورد استفاده قرار می گیرد زیرا اطلاعات مورد نیاز این مدل به
2
آسانی می تواند از نهادهای دولتی و یا نیمه دولتی بدست آید.اخیرا جهت تهیه نقشه آسیب پذیری دراستیک دادههای مربوط به پارامترهای مختلف به محیط نرم افزار ARCGIS داده می شود ودر این محیط دادههای مختلف پردازش شده و پس از طی مراحلی نقشه آسیب پذیری ارائه می شود. مدل GIS -DRASTIC بوسیله برهم نهی لایههای دادهای هیدروژئولوژیکی به زمین مرجع کردن، یکپارچگی وآنالیز مکانی داده ها می پردازد.
. 5 پارامترهای روش دراستیک
دراستیک مخفف کلمات هفتگانه زیر می باشد:
-1 عمق آب زیرزمینی: (D) 1 عمقی که آلودگی باید طی کند تا به سطح ایستابی برسد به عمق سطح معروف میباشد. هر چه سطح آب عمیق تر باشد موجب میشود که زمان حرکت و ماندگاری آلودگی افزایش یابد. و به این ترتیب ظرفیت میرایی2 با افزایش عمق سطح ایستابی افزایش می یابد. لایههای با تراوایی کم موجب ایجاد محدودیت در حرکت آلوده گی به سمت آبخوان میشوند. در آبخوآنهای تحت فشار این پارامتر به صورت عمق تا بالای سطح آبخوان در نظر گرفته میشود. در آبخوآنهای نیمه تحت فشار با توجه به شرایط آبخوان و ویژگی های آن به صورت تحت فشار و یا به صورت آزاد فرض میشود.
-2 تغذیه خالص:(R)3عبارت است از میزان آبی که از طریق زون غیراشباع خاک و توسط عوامل مختلفی نظیر بارش به آب زیرمینی می رسد. آب نفوذی یک عامل اصلی جهت انتقال آلودگی از محیط غیر اشباع به ناحیه اشباع می باشد و حامل آلودگیهای جامد و مایع می باشد که به سطح آب زیرزمینی منتقل شده و باعث افزایش کمی وافت کیفی آب می شود. تغذیه موجب میشود که آلودگی به صورت عمودی انتقال یافته، به سطح ایستابی برسد و به صورت افقی در آبخوان منتشر شود به طورکلی هرچه تغذیه بیشتر باشد پتانسیل آلودگی آب زیرزمینی بیشتر است. به منظور تهیه نقشه ارزش گذاری شده تغذیه خالص آبخوان دشت قزوین، از رابطه زیر (پیسکوپو4، (2001 استفاده شد.
(1) تغذیه = شیب (درصد) + فاکتور بارش + فاکتور نفوذپذیری خاک. -3 محیط آبخوان(A)5 :همانطور که از اسم این پارامتر مشخص است، محیط آبخوان به ساختار زمین در قسمت اشباع آبخوان گفته میشود. این پارامتر به نوع ترکیب ودانه بندی خاک بستگی دارد. از آنجایی که مواد تشکیل دهنده آبخوان بر طول مسیر و جهت جریان آب تاثیر دارد لذا با افزایش طول مسیر، زمان لازم برای انجام فرآیندهای میرایی (نظیر جذب، واکنشهای شیمیایی و پراکنش)افزایش مییابد. محیط آبخوان و مواد تشکیل دهنده آن تعیین کننده طول و چگونگی روند مسیر سیستم جریان آب زیرزمینی در سفره میباشد. طول مسیر در تعیین زمان لازم برای فرآیند های میرایی نظیر جذب، واکنش های شیمیایی و پراکنش از اهمیت قابل توجهی برخوردار است. محیط آبخوان همچنین بر مقدار سطح موثر موادی که با آلوده کننده در تماس هستند، موثر میباشد. گونگیچ روند مسیر که شدیداً از درز و شکاف، تخلخل و باز شدگی های
3
پیوسته تأثیر پذیر است، مسیرهای مناسبی را برای آب زیرزمینی فراهم می سازند به طور کلی ترکیب دانههای درشت و بازشدگیهایی نظیر درز و شکاف درمحیط آبخوان باعث انتقال سریع آلاینده و در نتیجه افزایش پتانسیل آلودگی می شود. از اینرو هر چقدر محیط آبخوان ریزدانه تر باشد افت آلودگی بیشتر خواهد بود.
-4 محیط خاک:(S)1 منظور از محیط خاک ناحیه بالایی زمین میباشد که به طور متوسط عمقی در حدود 6 فوت یا کمتر را تحت پوشش قرار میدهد. خاک و بافت آن اثر قابل توجهی بر مقدار آب نشت کرده به زمین دارد. به طور کلی آلودگی به طور وسیعی از نوع و مقدار رس موجود در خاک متاثر می باشد که امکان تورم یا متراکم شدن دارد بنابراین هرچه رس موجود در خاک کمتر متراکم و متورم شود و اندازه دانههای خاک کوچکتر باشد، تراوایی نسبی خاک کاهش مییابد و از اینرو احتمال رسیدن آلودگی به سطح آب زیرزمینی کمتر خواهد بود. محیط خاک برحسب رده بندی بافتی آن مشخص می-گردد و بر اساس آن امتیاز بندی میشود.
-5 توپوگرافی:(T)2 منظور از توپوگرافی شیب سطح زمین است. شیب سطح زمین در کنترل حرکت آلودگی و یا نگهداری آن بر روی سطح زمین تاثیر دارد. لذا در سطح با شیب زیاد امکان آلودگی آبخوان کمتر می باشد ودر سطوح کم شیب و افقی زمان ماندگاری آلودگی بیشتر بوده ، لذا میزان نفوذ آلودگی بیشترخواهد بود.
-6 تاثیر ناحیه غیر اشباع:(I)3محیط غیر اشباع در تعریف دراستیک به محدوده بالای خط ایستابی آب زیرزمینی اطلاق میشودکه همه خلل وفرج آن با آب پر نشده است. در واقع در این محیط علاوه بر آب دو فاز جامد وهوا نیز وجود دارد. بافت محیط غیراشباع زمان حرکت آلودگی از بین آنرا تعیین میکند. در آبخوانهای سطحی، ارزش گذاری محیط غیر اشباع تقریبا همان ارزش گذاری محیط آبخوان را دارا میباشد. ناحیه غیر اشباع خاک تاثیر زیادی بر نرخ نفوذ، طول مسیر و چگونگی حرکت آلاینده داشته و آنرا کنترل مینماید از اینرو بر زمان لازم جهت میرایی و افت آلودگی تاثیر گذار است.
-7 ضریب هدایت هیدرولیکی:(C)4هدایت هیدرولیکی به قابلیت هدایت آب توسط مواد تشکیل دهنده آبخوان گفته میشود که عمدتا توسط تخلخل مواد تشکیل دهنده آبخوان کنترل میشود.این پارامتر از غیرقابل اعتمادترین پارامترها بوده و میزان انتشار وانتقال آلودگی در ناحیه اشباع تا حد زیادی به این پارامتر بستگی دارد. این مفهوم باید با مفهوم محیط آبخوان به خوبی تفکیک شود زیرا ممکن است محیط آبخوان تا حد زیادی نفوذ ناپذیر باشد ولی شامل شکافهای بزرگ باشد.
-8 شاخص دراستیک اصلاح شده :(Modified DRASTIC) در این شاخص که پارامتر کاربری اراضی((L به صورت پارامتر هشتم مدل DRASTIC بکار میرود. مانند دیگر پارامتر ها وزن و رتبه خاصی میگیرد. بخاطر تأثیر پارامتر کاربری اراضی بر روی حداکثر نفوذ آلودگی فاکتور وزنی 5 برای این پارامتر در نظر گرفته شده است. در توسعه اراضی کشاورزی تغذیه مداوم با هرز آب آبیاری و دیگر آبهای آبیاری موجب تغییر تشکیلات و پیکر بندی خاک زیرسطحی میشود که منجر به بالا رفتن هدایت هیدرولیکی و در نتیجه نفوذ بیشتر برخی آلودگی ها به آب زیرزمینی میشود. این شاخص
4
نشان میدهد که مناطقی که دارای دوره طولانی مدت فعالیت های استفاده از زمین هستند، پتانسیل آسیب پذیری بالاتری دارند.
.6 طریقه بدست آوردن شاخص آسیب پذیری دراستیک
در روش دراستیک به هر پارامتر یک نرخ و یک وزن بر حسب اهمیت پارامتر اختصاص داده می شود واز اینرو شاخص درستیک بر اساس وزن دهی به مجموع هفت پارامتر به صورت زیر محاسبه می شود.
که در رابطه فوق DI شاخص دراستیک1 ، D،R،A،S،T،I وC پارامترهای هفت گانه ، r نرخ ارزش (رتبه) و w وزنی است که به هر پارامتر تخصیص داده می شود. در نهایت فاکتور وزنی پارامتر کاربری اراضی و رتبه مربوطه در یکدیگر ضرب شده و به شاخص DRASTIC اضافه میشود. شاخص CD(I) مطابق رابطه زیر بوجود می آید:
دسته بندی شاخص دراستیک مطابق با جدول 1 میباشد.
.7 وزن دهی و ارزش گذاری پارامترها در روش دراستیک
وزن دهی عددی بر مبنای تکنیک دلفی پایه گذاری شده است که در سراسر جهان استفاده می شود. این تکنیک به صورت تجربی وتحقیقی در نواحی مورد نظر جهت ارزیابی سطوح ریسک مورد استفاده قرار می گیرد بر اساس این تکنیک وزن بیشتر بیان کننده پتانسیل آلودگی بیشتر می باشد.Aller و همکارانش در سال 1987 طی انجام تحقیقاتی وزنهای 1 تا 5 را برای پارامترهای هفت گانه روش دراستیک ارائه کردند. از طرف دیگر Aller وهمکارانش به منظور ارزش گذاری یک پارامتر با توجه به خصوصیات مختلف این پارامتر ، رتبه ای درنظر گرفته اند که این ارزش گذاری براساس منطق بولین انجام میشود این نرخ ها نیز از عدد 1 تا 10 متغیرند . وزنها ونرخ های مربوط به هر پارامتر درجداول زیر2 نشان داده شده است.
موقعیت جغرافیایی و پارامترهای محدوده مطالعاتی قزوین
منطقه مورد مطالعه ، آبخوان دشت قزوین (کد(4106، از نظر تقسیمات کشوری بخشی از استان قزوین را شامل میشود که در فاصله حدود 150 کیلومتری شمال غربی تهران قرار گرفته است. راه دسترسی از طریق اتوبان تهران ـ کرج ـ قزوین و همچنین جاده قدیم تهران ـ قزوین از طریق شهرهای کرج ، هشتگرد و آبیک میباشد. این منطقه بین سلسله جبال البرز در شمال و کوههایی در جنوب آن با مختصات جغرافیایی 14"،'10،49° تا 06"،'41،50° طول شرقی و 43"،'19،35° تا 49"،'30،36° عرض شمالی واقع می باشد. حداکثر طول تقریبی حدود 100 کیلومتر از شرق به غرب و حداقل عرض تقریبی حدود 90 کیلومتر از شمال به جنوب امتداد دارد. بیشینه ارتفاع حوزه برابر 2971 متر ، کمینه آن برابر 1100 متر و متوسط ارتفاع آن برابر 1250 متر است.
