بررسی تغییرات کاربری اراضی و ارتباط آن با سطح آب‌های زیرزمینی (مطالعه موردی: دشت اردبیل)

سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی

مقاله 5، دوره 12، شماره 1 - شماره پیاپی 42، فروردین 1400، صفحه 86-106   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/girs.2021.675971

نویسندگان

صیاد اصغری سراسکانرود^{* 1}؛ احسان قلعه²؛ الهامه عبادی²

¹دانشیارگروه جغرافیای طبیعی، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

²دانشجوی دکتری ژئومورفولوژی، گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

پیشینه و هدف آب ­های زیرزمینی مهم­ترین منبع آب شیرین جهان هستند. آب آشامیدنی دو میلیارد نفر مستقیماً از آب های زیرزمینی تأمین می شود و برای آبیاری بزرگ ­ترین بخش تهیه غذا در جهان استفاده می شود. برداشت بی­رویه مخازن آب زیرزمینی موجب گردیده که میزان تغذیه آبخوان جواب­گوی برداشت نبوده و سطح آب زیرزمینی افت نماید. افت سطح آب زیرزمینی مشکلاتی همچون خشک شدن چاه‌های آب، کاهش دبی رودخانه و آب دریاچه ­ها، تنزیل کیفیت آب، افزایش هزینه پمپاژ و استحصال آب و نشست زمین را به دنبال دارد. آگاهی از تغییرات تراز آب به منظور شناخت از وضعیت سفره‌های آب زیرزمینی و مدیریت بهینه آن ضرورت دارد. با ارزیابی نوسان سطح آب زیرزمینی می‌توان از آن در مدیریت منابع آب استفاده نمود.  یکی از کاربردهای عمده سنجش از دور کشف و تعیین تغییرات کاربری‌های اراضی است. با استفاده از سنجش از دور، امکان بررسی و شناسایی پدیده‌های مختلفی وجود دارد. هدف از این تحقیق بررسی تأثیر کاربری های مختلف بر روی سطح تراز آب‌های زیرزمینی با استفاده از روش­های زمین آماری درونیابی و همچنین روش طبقه بندی شیءگرا برای استخراج نقشه کاربری اراضی می­باشد.
مواد و روش ­ها دشت اردبیل یک دشت میان کوهی که در شمال غرب ایران و در شرق فلات آذربایجان جای گرفته است. این دشت به وسعت 990 کیلومترمربع در بین ارتفاعات بلند اطرافش محصور شده است و از لحاظ تقسیمات سیاسی شامل قسمت‌هایی از شهرستان­ های اردبیل و نمین می ­شود. داده‌های مورد استفاده در این تحقیق شامل، تصویر ماهواره لندست 8 که از سنجنده OLI به منظور استخراج نقشه کاربری اراضی برای سال 1394 و همچنین از تصویر سنجنده TM لندست 5 به ‌منظور تهیه نقشه کاربری اراضی برای سال 1366 استفاده شد. در این پژوهش از داده ­های عمق آب زیرزمینی 43 حلقه چاه پیزومتر در سطح دشت اردبیل استفاده شد. مراحل انجام تحقیق بدین ترتیب بود که پس از آماده ­سازی آمار چاه ­های پیزومتری جهت برطرف کردن نواقص موجود در داده­ های مطالعاتی از روش بازسازی داده‌ها استفاده گردید. روش بازسازی استفاده شده که صرفاً برای برطرف کردن نواقص در داده‌ها از روش میانیابی در نرم‌افزار Neural Power (بر مبنای شبکه عصبی مصنوعی)، انجام گرفت. جهت نرمال سازی داده­ ها از تبدیل‌های لگاریتمی در نرم ­افزار SPSS  استفاده  شد، و از نرم‌افزار⁺GS  برای تحلیل­ های زمین آماری استفاده شد. به منظور تصحیحات جوی و رادیومتریکی از نرم‌افزار ENVI و جهت استخراج نقشه­  لایه ­ها از نرم‌افزار ArcGIS استفاده شد.
نتایج و بحث بیشترین مساحت در سال 1366 متعلق به کلاس کشاورزی آبی با 51840 هکتار مساحت می‌باشد. دومین مساحت مربوط به کلاس کشاورزی دیم می‌باشد که با 48790 هکتار بیشترین مساحت را دارا می‌باشد. کمترین مساحت نیز متعلق به کاربری آب با 88.65 هکتار است. با نگاهی به کاربری‌های سال 1394 نتایج به دست آمده تفاوت‌های معنی ­داری را نشان داد، به صورتی که کاربری کشاورزی آبی با 10.17 هکتار افزایش نسبت به سال 1366 افزایش معنی داری را داشته است. بعد از استخراج نقشه تغییرات کاربری اراضی به منظور انتخاب بهترین مدل درون­یابی از بین مدل­ های مختلف، تمامی مدل ­ها مورد ارزیابی قرار گرفتند و تنها مدل­ هایی انتخاب شدند که دارای دقت بیشتری نسبت به سایر مدل­ ها بودند. بیشترین میانگین تراز آب در سال 1366 برای کاربری کشاورزی آبی ثبت شده است و کمترین میانگین تراز آب نیز برای محدوده جنگل ثبت شده است. باملاحظه نقشه کاربری اراضی و نقشه تراز آب زیرزمینی سال 1394 نیز، تحلیل فوق ثابت می‌شود و همانطور که مشخص می‌باشد بیشترین میانگین تراز آب در این سال نیز متعلق به کاربری کشاورزی آبی با 20.17 متر می‌باشد و کمترین میانگین تراز آب ثبت‌شده نیز مربوط به کاربری جنگل با 11.45 متر می‌باشد. که کاربری آب نسبت به سال 1366 دارای کاهش تراز سطح آب بوده است که این کاهش تراز آب باعث کاهش سطح آب سدها شده است و همچنین باعث کاهش حجم آب رودخانه‌ها بوده و حتی باعث خشک شدن چندین مورد از این رودخانه‌ها گردیده است. بعد از کاربری آب، از جمله کاربری‌های جالب ‌توجه که لازم به تحلیل و علت­جویی آن می‌باشد، کاربری کشاورزی آبی است. این کاربری در سال 1366 بیشترین افت تراز را دارا بوده است و در سال 1394 نیز با بیشترین افت تراز آب مواجه شده است. علت آن را می‌توان در عامل برداشت بیش از حد از آب‌های زیرزمینی برای محصولاتی آبی که نیاز بیشتری به آبیاری دارند، دانست. باتوجه به اینکه محصولات دیمی محدوده مورد مطالعه اغلب گندم بوده و نیازی به آب ندارند یا نیاز کمتری دارند ولی میزان تراز آب زیرزمینی سال 1394 نسبت به سال 1366 با افت قابل‌توجهی همراه بوده است. کاربری مرتع نیز در سال 1394 نسبت به سال 1366 افت چشمگیری داشته که این امر نشان‌دهنده وضعیت بحرانی آب‌های زیرزمینی و استفاده بیش از حد از این منابع می­ باشد.
نتیجه­ گیری در این پژوهش به منظور طبقه ‌بندی و سپس بررسی تغییرات در بازه زمانی مشخص اقدام به طبقه ‌بندی تصاویر از روش طبقه ‌بندی شیءگرا در نرم‌افزار eCognition و خروجی‌ها در نرم‌افزار ArcGIS استخراج شد. ارزیابی صحت طبقه‌بندی برای سال 1394 از دقت بسیار بالایی برخوردار می‌باشد به طوری که صحت کلی و ضریب کاپای استخراج‌شده در بالاترین سطح ممکن یعنی صحت کلی 100 درصد و ضریب کاپای 0.99 و برای سال 1366 نیز با دقت کمتر استخراج شد و صحت کلی برای سال 1366، 98 درصد و ضریب کاپای 0.95 انجام شد. بعد از استخراج نقشه تغییرات کاربری اراضی به منظور انتخاب بهترین مدل درون­یابی از بین مدل ­های مختلف، تمامی مدل­ ها مورد ارزیابی قرار گرفتند که با توجه به مقادیر ME و RMSE روش کریجینگ از دقت بالاتری نسبت به سایر روش­ ها برخوردار است که از بین حالت­های مختلف روش کریجینگ نیز مدل گوسی دارای بیشترین دقت می ­باشد. طبق نتایج به دست آمده بیشترین کاربری تغییریافته در این محدوده، کاربری مرتع به کشاورزی آبی و کشاورزی دیم بوده است. این تغییر نشان می‌دهد که افزایش کاربری کشاورزی آبی و کشاورزی دیم در این محدوده با کاهش کاربری مرتع همراه بوده است که نشان‌دهنده تخریب مراتع است. طبق نقشه تراز آب زیرزمینی، بیشترین میانگین تراز آب در سال 1366 برای کاربری کشاورزی آبی ثبت شده است و کمترین میانگین تراز آب نیز برای محدوده جنگل ثبت شده است. همچنین، بیشترین میانگین تراز آب در سال 1394 نیز متعلق به کاربری کشاورزی آبی با 20.17 متر می‌باشد و کمترین میانگین تراز آب ثبت‌ شده نیز مربوط به کاربری جنگل با 11.45 متر می‌باشد. از جمله کاربری‌های جالب‌توجه که لازم به تحلیل و علت­جویی آن می‌باشد، کاربری کشاورزی آبی است. این کاربری در سال 1366 بیشترین افت تراز را دارا بوده است و در سال 1394 نیز با بیشترین افت تراز آب مواجه شده است. علت آن را می‌توان در عامل برداشت بیش از حد از آب‌های زیرزمینی برای محصولاتی آبی که نیاز بیشتری به آبیاری دارند، دانست. در مجموع تمامی کاربری ­ها در سال 1394 نسبت به سال 1366 با کاهش میزان تراز آب مواجه بوده­ اند. در نتیجه تغییرات رخ داده موجب استفاده بیشتر کشاورزان از منابع آب زیرزمینی شده که افت سطح آب زیرزمینی را طیدوره 28 ساله در منطقه مورد مطالعه را به دنبال داشته است. این استفاده بیش از حد مجاز به اندازه ای بوده که در طی دوره مذکور9.4 متراز سطح تراز میانگین دشت کاسته شده است.
 
http://dorl.net/dor/20.1001.1.26767082.1400.12.1.5.6

کلیدواژه‌ها

آب‌های زیرزمینی؛ کاربری اراضی؛ روش های زمین آمار؛ طبقه بندی شیءگرا

مراجع

Abdullah AYM, Masrur A, Adnan MSG, Baky MAA, Hassan QK, Dewan A. 2019. Spatio-Temporal Patterns of Land Use/Land Cover Change in the Heterogeneous Coastal Region of Bangladesh between 1990 and 2017. Remote Sensing, 11(7): 790. doi:https://doi.org/10.3390/rs11070790.

Abijith D, Subbarayan S, Leelambar S, Jesudasan Jacinth J, Thiyagarajan S, Parthasarathy KSS. 2020. GIS-based multi-criteria analysis for identification of potential groundwater recharge zones - a case study from Ponnaniyaru watershed, Tamil Nadu, India. HydroResearch, 3: 1-14. doi:https://doi.org/10.1016/j.hydres.2020.02.002.

Adhikari RK, Mohanasundaram S, Sangam S. 2020. Impacts of land-use changes on the groundwater recharge in the Ho Chi Minh city, Vietnam. Environmental Research, 185: 109440. doi:https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.109440.

Albhaisi M, Brendonck L, Batelaan O. 2013. Predicted impacts of land use change on groundwater recharge of the upper Berg catchment, South Africa. Water SA, 39(2): 211-220. doi:https://doi.org/10.4314/wsa.v39i2.4.

Asghari Saraskanrood S, DolatShahi z. 2018. Investigating the amounts of solutes and chemical elements found in the sources Drinking water in Khorramabad city. Journal of Applied researches in Geographical Sciences, 18(50): 141-154. doi:https://doi.org/10.29252/jgs.18.50.141. (In Persian).

Chowdhury A. 2016. Assessment of spatial groundwater level variations using geo-statistics and GIS in Haringhata Block, Nadia District, West Bengal. International Journal of Research in Engineering and Technology, 5(5): 276-280.

Dams J, Woldeamlak S, Batelaan O. 2007. Forecasting land-use change and its impact on the groundwater system of the Kleine Nete catchment, Belgium. Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 4(6): 4265-4295.

Di Piazza A, Lo Conti F, Noto L, Viola F, La Loggia G. 2011. Comparative analysis of different techniques for spatial interpolation of rainfall data to create a serially complete monthly time series of precipitation for Sicily, Italy. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 13(3): 396-408. doi:https://doi.org/10.1016/j.jag.2011.01.005.

Esfandyary F, Gharachorlu M, Ebadi E. 2018. Assessment and estimation the spatial variation of groundwater level by various interpolation methods in Sarab plain. Geography and Development Iranian Journal, 16(51): 65-80. doi:https://doi.org/10.22111/gdij.2018.3860. (In Persian).

Güler C, Mehmet Ali K, Reşit Nabi K. 2013. Assessment of groundwater vulnerability to nonpoint source pollution in a Mediterranean coastal zone (Mersin, Turkey) under conflicting land use practices. Ocean & Coastal Management, 71: 141-152. doi:https://doi.org/10.1016/j.ocecoaman.2012.10.010.

Güner S, Tüfekçioğlu A, Gülenay S, Küçük M. 2010. Land-use type and slope position effects on soil respiration in black locust plantations in Artvin, Turkey. African Journal of Agricultural Research, 5(8): 719-731. doi:https://hdl.handle.net/11494/542.

Johnson B, Tateishi R, Kobayashi T. 2012. Remote sensing of fractional green vegetation cover using spatially-interpolated endmembers. Remote Sensing, 4(9): 2619-2634. doi:https://doi.org/10.3390/rs4092619.

Jones D, Norm J, James G, Jim N. 2015. A cloud-based MODFLOW service for aquifer management decision support. Computers & Geosciences, 78: 81-87. doi:https://doi.org/10.1016/j.cageo.2015.02.014.

Kachhwala T. 1985. Temporal monitoring of forest land for change detection and forest cover mapping through satellite remote sensing. In: Proceedings of the 6th Asian Conference on Remote Sensing. Hyderabad, 1985. 21-26 November pp 77-83.

Khazaz L, Oulidi HJ, El Moutaki S, Ghafiri A. 2015. Comparing and Evaluating Probabilistic and Deterministic Spatial Interpolation Methods for Groundwater Level of Haouz in Morocco. Journal of Geographic Information System, 7(06): 631. doi:https://doi.org/10.4236/jgis.2015.76051.

Kumar P, Dasgupta R, Johnson BA, Saraswat C, Basu M, Kefi M, Mishra BK. 2019. Effect of land use changes on water quality in an ephemeral coastal plain: Khambhat City, Gujarat, India. Water, 11(4): 724. doi:https://doi.org/10.3390/w11040724.

Lamichhane S, Narendra Man S. 2019. Alteration of groundwater recharge areas due to land use/cover change in Kathmandu Valley, Nepal. Journal of Hydrology: Regional Studies, 26: 100635. doi:https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2019.100635.

Lu D, Weng Q. 2007. A survey of image classification methods and techniques for improving classification performance. International Journal of Remote Sensing, 28(5): 823-870. doi:https://doi.org/10.1080/01431160600746456.

Owuor SO, Butterbach-Bahl K, Guzha AC, Rufino MC, Pelster DE, Díaz-Pinés E, Breuer L. 2016. Groundwater recharge rates and surface runoff response to land use and land cover changes in semi-arid environments. Ecological Processes, 5(1): 16. doi:10.1186/s13717-016-0060-6.

Pijanowski CB, Daniel GB, Bradley AS, Gaurav AM. 2002. Using neural networks and GIS to forecast land use changes: a Land Transformation Model. Computers, Environment and Urban Systems, 26(6): 553-575. doi:https://doi.org/10.1016/S0198-9715(01)00015-1.

Piri H, Bameri A. 2014. Investigating the quantity variation trend of ground water table using geostatistics and GIS (Case study: Sirjan Plain). Journal of RS and GIS for Natural Resources, 5(1): 29-44. (In Persian).

Rai SC, Kumari P. 2012. Assessment of groundwater contamination from land-use/cover change in rural-urban fringe of national capital territory of Delhi (India). Scientific Annals of" Alexandru Ioan Cuza" University of Iasi-Geography series, 58(1): 31-46. https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:0168-ssoar-319594.

Ranjan P, Gupta AD, Kazama S, Sawamoto M. 2007. Assessment of aquifer-land use composite vulnerability in Walawe River Basin, Sri Lanka. Asian Journal of Water, Environment and Pollution, 4(2): 1-10.

Robertson W, Russeland B, Cherry J. 1996. Attenuationn of Nitrate in Acquitted Sediments of Southern Ontario. Journal of Hydrology, 180: 267-281.

Rogan J, Chen D. 2004. Remote sensing technology for mapping and monitoring land-cover and land-use change. Progress in Planning, 61(4): 301-325.

Thomas A, John T. 2006. Modelling of recharge and pollutant fluxes to urban groundwaters. Science of The Total Environment, 360(1): 158-179. doi:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2005.08.050.

Zhang Z, Li A, Lei G, Bian J, Wu B. 2014. Change detection of remote sensing images based on multi-scale segmentation and decision tree algorithm over mountainous area: a case study in Panxi region, Sichuan province. Acta Ecologica Sinica, 34(24): 7222-7232.