تخمین سطح سفره‌های آب‌ زیرزمینی متأثر از تغییرات کاربری اراضی با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای GRACE

مقدمه

آب‌های زیرزمینی نقشی حیاتی در منابع آبی و اکوسیستم و زندگی بشر دارند (Suciu et al., 2020: 2). سالانه در سطح جهانی حدود ۹۸۲ میلیارد مترمکعب آب زیرزمینی برداشت و ۷۰ درصد آن برای کشاورزی استفاده می‌شود (Gleeson et al., 2016: 1). در سطح جهانی، دسترسی به آب شیرین همراه با افزایش فشار جمعیت، تغییر کاربری زمین، رشد صنعتی و شهرنشینی کاهش می‌یابد (Garg et al. 2020: 1). افت سطح سفره‌های آب زیرزمینی مشکلاتی نظیر خشکسالی، کاهش کیفیت آب، افزایش هزینة پمپاژ و استحصال آب را به دنبال دارد. علاوه بر مشکلات گفته‌شده، خطر فرونشست که حرکت قائم یا نشست تدریجی یا فرورفتن ناگهانی سطح زمین است، بسیاری از دشت‌های ایران را تهدید می‌کند (تورانی و همکاران، 1395: 117؛ اصغری و همکاران، 1399: 2). در این میان کاربری اراضی، یکی از مهم‌ترین رویدادهایی است که به سبب آن انسان موجب تغییرات محیط‌زیست می‌شود و یکی از مهم‌ترین منابع طبیعی که با تغییر کاربری اراضی به‌شدت آسیب می‌بیند، منابع آبی و آب‌های زیرزمینی است (رفیع شریف‌آباد و همکاران، 1395: 190).

امروزه با توجه به‌ هزینة زیاد احداث چاههای پیزومتری، آگاهی از روند تغییرات سطح سفره‌های آب زیرزمینی از طریق تکنولوژی سنجش از دور انجام می‌شود. ماهواره‌های ثقل‌سنجی، انقلابی درزمینة بررسی و تخمین جریان‌های زیرزمینی محسوب می‌شود (فتح‌الله‌زاده و همکاران، 1395: 2). در این راستا داده‌های ماهوارة GRACE^[1] با به‌کارگیری دو ماهوارة مشابه و مجزا، ابزاری قدرتمند و با ارزش برای نظارت بر تغییرات سطح آب‌های زیرزمینی با استفاده از دستیابی به تغییرات میدان ثقل زمین و به‌دنبال آن تغییر فاصلة بین ماهواره‌ها محسوب می‌شود که در اثر تغییر سطح آب‌ها ایجاد می‌شود (اشرف‌زادة افشار و همکاران، ۱۳۹۴: 75). درحقیقت سرعت این دو ماهواره با تغییر جاذبة زمین افزایش یا کاهش می‌یابد (Koelling et al., 2020:1).

در مطالعه‌ای دل‌آرام و همکاران (۱۳۸۶) توانایی داده‌های ماهوارة GRACE را در تعیین سطح آب‌های زیرزمینی ایران بررسی کرده‌اند. نتایج این پژوهش نشان داد مقایسة اولیة داده‌های GRACE و اندازه‌گیری چاههای پیزومتری در ایران بیانگر پتانسیل زیاد داده‌های یادشده در تعیین تغییرات فصلی آب‌های زیرزمینی است.

رفیع شریف‌آباد و همکاران (۱۳۹۵) مطالعه‌ای دربارة تأثیر روند تغییرات کاربری اراضی بر کیفیت آب زیرزمینی دشت یزد- اردکان انجام دادند. در این مطالعه برای رسیدن به اهداف پژوهش از داده‌های آب‌های زیرزمینی و همچنین تصاویر ماهواره‌ای لندست استفاده شده است. نتایج این پژوهش نشان داد بخش‌های جنوب منطقه بهترین کیفیت آب را برای مصارف کشاورزی دارند و با گذشت زمان از کیفیت آب کاسته و میزان آلودگی در قسمت شمالی و شرقی بیشتر شده است.

در مطالعه‌ای دیگر فرجی و همکاران (۱۳۹۶) داده‌های ماهوارة GRACE را در برآورد تغییرات سطح آب زیرزمینی در استان قزوین ارزیابی کردند. این پژوهشگران برای بررسی روند تغییرات سطح آب‌های زیرزمینی به‌دست‌آمده از ماهوارة GRACE از داده‌های بارش و رواناب‌های سطحی و زیرسطحی، رطوبت خاک تا عمق 200 سانتی‌متر و آب معادل برف از مدل ^[2]GLDAS استفاده کرده‌اند. نتایج این پژوهش نشان داد ماهوارة GRACE، روند تغییرات ذخیرة آب را بهتر از مدل GLDAS نشان داده است.

انتظاری و همکاران (1396) در مطالعه‌ای تغییرات آب‌های زیرزمینی را با استفاده از ماهوارة GRACE بررسی کردند. نتایج این پژوهش نشان داد با استفاده از ماهوارة GRACE می‌توان تغییرات آب‌های زیرزمینی را به‌خوبی برآورد کرد.

اقبالیان و بهمنی (1399) در مطالعه‌ای با عنوان «بررسی تغییرات مکانی و زمانی معیارهای کیفی آب زیرزمینی دشت همدان» برای رسیدن به اهداف پژوهش، داده‌های کیفی آب زیرزمینی دشت همدان- بهار را در یک بازة زمانی 10ساله استخراج کردند و برای پهنه‌بندی تغییرات مکانی و زمانی معیارهای کیفی از روش‌های زمین‌آمار ازجمله کریجینگ معمولی و روش میـان‌یـابی معکـوس فاصـله (IDW)^[3] با نرم‌افزار ARCGIS9.3 استفاده کردند. نتایج این پژوهش عملکرد متفاوت روش‌های مختلف آماری را برای متغیرهای مختلف نشان داد؛ برای نمونه بهترین روش پهنه‌بندی برای متغیر شوری (EC) روش عکس فاصله IDW، برای متغیر باقی‌ماندة خشک (TDS) تابع شعاعی (RBF)، برای متغیر بی‌کربنات (HCO₃) روش کریچینگ از روش‌های زمین‌آمار و سپس روش تخمین‌گر موضعی از روش های معین و... معرفی شده است.

خسروی و همکاران (1399) مطالعاتی دربارة بررسی تغییرات پهنه‌های آبی با استفاده از شاخص‌های آبی و Google earth engine انجام داده‌اند. نتایج این پژوهش نشان داد شاخص‌های آب نظیر ^[4]AWE_nsh و  AWE_shو سامانةGoogle earth engine، ابزاری مفید برای شناسایی روند افزایشی و کاهشی سطح آب تالاب‌ها هستند.

غفاری و همکاران (۱۳۹۸) در پژوهشی اثر تغییر کاربری اراضی را بر سطح آب زیرزمینی در دشت‌های اصفهان-برخوار، نجف‌آباد و چادگان بررسی کردند. نتایج حاصل از این پژوهش افت سطح آب‌های زیرزمینی را در دشت‌های مطالعه‌شده متأثر از تغییر کاربری اراضی نشان داد.

صفاییان و همکاران (1399) در پژوهشی تأثیر افزایش غلظت گاز دی‌اکسیدکربن را بر ذخیرة کل آب ایران بررسی کردند. در این پژوهش برای رسیدن به اهداف پژوهش از داده‌های ماهواره‌ای GRACE و ماهوارة مشاهده‌کنندة گازهای گلخانه‌ای (GOSAT)^[5] استفاده شد. نتایج این پژوهش همبستگی کانونی رابطه‌ای بین گازهای گلخانه‌ای دی‌اکسیدکربن را با تغییرات ذخیرة کل آب نشان داد.

جمالی‌زاده و همکاران (1399) در مطالعه‌ای با عنوان «پیش‌بینی نوسانات سطح آب زیرزمینی با استفاده از مدل‌های سری زمانی و^[6]GMS» به اهمیت آب‌های زیرزمینی اشاره و نوسانات سطح سفره‌ها را در بازة زمانی 1382 تا 1395 در دشت رفسنجان بررسی کردند. آنها به کاهش چشمگیر سطح آب‌ها در پایان دورة آماری پی بردند. این پژوهشگران براساس نتایج خود تا سال 1402، افت سالانة یک متری سطح سفره‌های زیرزمینی را پیش‌بینی کردند.

در مطالعه‌ای نارانی و همکاران^[7] (2017) تأثیر تغییرات کاربری اراضی را بر کیفیت آب‌های زیرزمینی در منطقه‌ای در مالزی ارزیابی و غلظت نیترات را شاخص مناسبی برای بررسی این مسئله بیان کردند. آنها دلیل اصلی تغییرات اکوسیستم را تبدیل جنگل‌ها و زمین‌های چمن به زمین زراعی و شهر دانستند.

ونگ و همکاران^[8] (2019) در مطالعه‌ای پایداری آب‌های زیرزمینی را در منطقه‌ای خشک در شمال شرقی چین با استفاده از داده‌های GRACE ارزیابی کردند. آنها به برداشت آب‌های زیرزمینی در چند دهة اخیر به‌ویژه در مناطق خشک به دلیل کمبود آب‌های سطحی و افزایش آبادی و شهرنشینی اشاره و کمترین میزان پایداری آب را در بخش مرکزی و شرقی منطقه شناسایی کردند.

در پژوهشی ین و همکاران^[9] (2020) ذخایر آبی را در منطقة شمالی چین با استفاده از شبیه‌سازی دادة GRACE به مدل CABLEE^[10] اندازه‌گیری کردند. آنها این منطقه را یک قطب مهم تولیدی محصولات کشاورزی معرفی و به کاهش شدید منابع آبی زیرزمینی به دلیل اقلیم خشک و فعالیت‌های فشردة انسانی در این منطقه اشاره کردند. آنها در این مطالعه داده‌های GRACE را در شناسایی ذخایر آب‌های زیرزمینی مؤثر دانستند.

سوسی و همکاران^[11] (2020) در مطالعه‌ای آب‌های زیرزمینی را در منطقه‌ای در ایتالیا بررسی کردند. این پژوهشگران فعالیت کشاورزی و محصولات محافظت‌کنندة گیاهان را از عوامل مهم آلودگی آب‌های زیرزمینی به‌ویژه در مناطقی شیب‌دار عنوان کردند.

گارگ و همکاران^[12] (2020) در مطالعه‌ای رابطة بین تغییرات کاربری اراضی و آب‌های زیرزمینی را در منطقه‌ای در شمال هند بین سال‌های ۱۹۷۲ تا ۲۰۱۱ بررسی کردند. آنها به وجود ناهماهنگی بین استفاده و تأمین منابع آب زیرزمینی پی برده و دلیل خالی‌شدن آب‌های زیرزمینی و کاهش ۳۳درصدی آن را تغییرات کاربری اراضی از زمین‌های چمن به کاشت اکالیپتوس و برداشت‌های بی‌رویه از آب‌های زیرزمینی بیان کردند.

نتایج حاصل از پژوهش پژوهشگران دربارة روند تغییرات سطح سفره‌های آب زیرزمینی و افزایش برداشت از سطح این سفره‌ها نشان‌دهندة اهمیت مطالعه در این زمینه بوده و استفاده از ابزارهای جدید مانند ماهوارة ثقل‌سنج GRACE در این زمینه بسیار حائز اهمیت است. با توجه به روند کاهشی سطح آب‌های زیرزمینی شمال غرب کشور و مجاورت حوضة خیاو با منطقة کوهستانی سبلان به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین تأمین‌کننده‌های منابع آبی شمال غرب کشور و همچنین نتایج حاصل از پژوهش‌های صورت‌گرفته دربارة رابطة تغییرات کاربری اراضی و افزایش میزان بهره‌برداری از منابع آب‌های زیرزمینی و افت سطح ایستابی و تغییر کیفیت آب سفره‌ها، بررسی آب‌های زیرزمینی منطقة خیاو و تأثیر تغییرات کاربری اراضی بر محیط‌زیست به‌ویژه آب‌های زیرزمینی در این منطقه ضروری است و می‌تواند آگاهی‌های لازم را در اختیار کارشناسان و برنامه‌ریزان برای شناخت، مدیریت و ارزیابی مناسب و پایدار منابع آبی قرار دهد؛ بنابراین هدف از این مطالعه، بررسی سطح سفره‌‌های آب زیرزمینی شمال غرب کشور در بازة زمانی ۱۴ساله با استفاده از داده‌های ماهوارة ثقل‌سنج GRACE در سامانة Earth engine Google است؛ همچنین بررسی وضعیت آب‌های زیرزمینی منطقة خیاو با به‌کارگیری اطلاعات چاههای پیزومتری و سنجندة GRACE و بررسی تأثیر تغییرات کاربری اراضی بر تغییرات سطح این سفره‌ها، از دیگر اهداف این مطالعه است. استخراج داده‌های سه مرکز اطلاعاتی ^[13]CSR-^[14]GFZ-^[15]JPL به‌طور همزمان در سامانة Google earth engine در مدت‌زمانی کوتاه را می‌توان نوآوری پژوهش حاضر دانست.

روش‌شناسی پژوهش

منطقة پژوهش

شمال غرب کشور با مساحتی حدود 126420 کیلومترمربع شامل استان‌های اردبیل، آذربایجان شرقی، آذربایجان غربی و زنجان است که حدود 7.7 درصد از مساحت کل کشور را به خود اختصاص داده است. متوسط ارتفاع این منطقه 1830 متر از سطح دریا و بلندترین ارتفاع منطقه بیش از 4500 متر بالاتر از سطح دریاست (عساکره و همکاران، 1390: 150). حوضة خیاو چای واقع در استان اردبیل و از زیرشاخه‌های رودخانة قره‌سوست و ازنظر مختصات جغرافیایی در ضلع شرقی مشکین‌شهر از توابع استان اردبیل در موقعیت جغرافیایی به مختصات ۴۷ درجه و ۳۸ دقیقه و ۱۲ ثانیه تا ۴۷ درجه و ۴۸ دقیقه و ۱ ثانیه طول شرقی و ۳۸ درجه و ۱۲ دقیقه و ۹ ثانیه تا ۳۸ درجه و ۲۴ دقیقه و ۱۶ ثانیه عرض شمالی قرار دارد. ارتفاع این حوضه از سطح دریا ۲۳۶۸ متر است که از جنوب به شمال کاهش می‌یابد. رودخانة اصلی این حوضه «خیاو چای» نام دارد که از ارتفاعات سبلان سرچشمه می‌گیرد و سرتاسر درة موئیل را طی می‌کند و به رودخانة قره‌سو از زیرحوضه‌های رودخانة ارس می‌ریزد (قنواتی و همکاران، 1394: 124). شکل ۱ موقعیت جغرافیایی منطقة مطالعه‌شده و همچنین موقعیت چا‌ههای پیزومتری را نشان می‌دهد.

شکل 1. موقعیت جغرافیایی منطقة مطالعه‌شده و چاههای پیزومتری

Figure 1. Geographical location of the study area and piezometric wells

داده‌های ماهواره‌ای

در پژوهش حاضر از داده‌های ماهوارة ثقل‌سنج GRACE با استفاده از سامانة Google Earth Engine برای استخراج نوسانات سطح آب‌های زیرزمینی در منطقة شمال غرب کشور در بازة زمانی ۱۳۸۱- ۱۳۹۵ استفاده شده است. سامانة پردازشی تحت وب Google Earth Engine بستری مناسب را برای تجزیه و تحلیل‌ علمی و دسترسی به داده‌های مکانی و بارگذاری داده‌های رستری با فرمت TIF و وکتوری با فرمت SHP فراهم می‌کند و ابزاری قدرتمند در مباحث سنجش از دور است (https://earthengine.google.com). با مشاهدة روند نزولی سطح سفره‌ها در منطقة شمال غرب با انتخاب منطقة خیاو و اخذ اطلاعات از چاههای پیزومتری این منطقه و اطلاعات سنجندة GRACE، تصاویر ماهواره‌ای سنجندة ^[16]OLI لندست ۸ سال 1395 و سنجندة TM^[17] لندست ۵ مربوط به سال 1381، برای استخراج نقشه‌های کاربری اراضی منطقة خیاو دانلود و اخذ شد. تصاویر اخذشده پس از حصول اطمینان از نبود خطاهای رایج عمل تصحیح اتمسفری با استفاده از مدل FLAASH در نرم‌افزار ENVI 5.3 انجام و قسمتی از تصویر براساس منطقة مورد مطالعه برش داده شد تا برای طبقه‌بندی آماده شود. جدول ۱ مشخصات تصاویر اخذشده را نشان می‌دهد.

جدول ۱. اطلاعات تصاویر ماهوارة لندست ۵ و ۸

Table 1. Landsat 5 and 8 satellite image information

ماهوارة GRACE

ماهوارة ثقل‌سنج گریس فرصت مناسبی را برای پایش ذخایر آب‌های زیرزمینی^[18](GWS) در مقیاس بزرگ فراهم کرده و دیدگاه جدیدی در هیدرولوژی ارائه داده است (Tapley et al., 2004: 121). این سنجنده فقط ماهوارة سنجش از دوری است که از امواج الکترومغناطیسی استفاده نمی‌کند، بلکه با تغییرات میدان گرانشی زمین، تغییرات سفرة زیرزمینی یعنی بالاآمدگی یا پایین‌رفتگی را به‌صورت نسبی تخمین می‌زند و خلاصة اطلاعات را از طریق سه محصول GFZ،JPL، CSR ارائه می‌دهد. گرانش دو مزیت اساسی دارد؛ اول اینکه اتصال بین جاذبه و جرم، مستقیم و مستقل از لیتولوژی است و نیازی به کالیبراسیون ندارد و دوم اینکه ویژگی فاصله اجازة نفوذ و ثبت ذخایر جرمی سیستم‌های آب زیرزمینی را در اعماق زمین می‌دهد. درواقع GARCE امکان پایش تغییرات ذخایر آب‌های زیرزمینی سیستم‌های طبیعی و مهندسی را فراهم می‌کند (Rodell et al., 2009: 999; Famigliettie et al., 2011: 2; Huang et al., 2012: 4). سیستم GRACE شامل دو ماهواره در مسیری به ارتفاع تقریبی 450 کیلومتر و فاصلة 200کیلومتری از یکدیگر است. اندازه‌گیری فاصلة بین ماهواره‌ها در سطح میکرومتر اجازة تشخیص ضخامت آب معادل ^[19](WTE) تا یک سانتی‌متر را در منطقه‌ای در مقیاس ارتفاع سیستم، یعنی با قطر چند صد کیلومتر می‌دهد. داده‌های GRACE به چهار دسته داده تقسیم می‌شوند؛ سطح صفر که داده‌های خام دریافت‌شده از ماهواره است، سطح ۱ A- که شامل طول کالیبره‌شده و تصحیح‌شده بین دو ماهواره و داده‌های^[20]GPS است، ۱ B- و سطح ۲ که شامل مدار دقیق ماهواره، تخمین‌هایی از ضرایب هارمونیک کروی میدان ثقل زمین و پروفیل‌های تأخیر و حالت انکسار اتمسفری است (فتح‌الله‌زاده و همکاران، 1394: 2). داده‌های سطح 1 GRACE باید پردازش و به تغییرات جرم و تغییرات ذخایر آبی (داده‌های سطح 3) برای استفاده در کاربردهای هیدرولوژی تبدیل شود. متداول‌ترین استراتژی‌های پردازشی، تبدیل سیگنال به ضرایب هارمونیک کروی است. سه مرکز GFZ،JPL  و CSR به‌عنوان بخشی از سیستم زمینی GRACE داده‌های سطح 2 شامل ضرایب هارمونیک کروی گرانش را تولید می‌کنند (https://grace.jpl.nasa.gov/data/monthly-mass-grids/). سهم آب زیرزمینی می‌تواند با کم‌کردن سایر عوامل از کل ذخایر آبی (TWSΔ) با GRACE اندازه‌گیری شود (Castellazzi et al., 2016: 2) (رابطة 1).

• 1) ΔGWS=ΔTWS-(ΔSWS+ΔSMS+ΔSIS)

SWSΔ: ذخایر آب‌های سطح، SMSΔ: ذخایر آبی موجود در بخش غیراشباع خاک، SISΔ: ذخایر آب یخ و برف

قدرت تفکیک ماهوارة GRACE

گریس قدرت تفکیک گرانشی را ارائه می‌دهد و به جرم و تغییرات ذخایر در مقیاس بزرگ حساس است (Castellazz et al., 2016: 2). پژوهشگران مختلف در مطالعاتی سعی کرده‌اند حداقل مساحت مناسب منطقة مطالعه‌شده را در ارتباط با داده‌های گریس مطرح کنند که به ابهاماتی منجر شده است (Vishwakarma et al., 2018: 2)؛ برای نمونه نویسندگانی ازجمله لونگیوورنج و همکاران^[21] (2020) داده‌های حاصل از گریس را برای حوضه‌هایی با حداقل 200 هزار کیلومترمربع و با حساسیت 10 میلی‌متر (برای مثال (2 km³ مناسب دانسته‌اند و براساس مطالعات برخی نویسندگان ازجمله بارینسام و همکاران^[22] (2010) و سیو و همکاران^[23] (2012) مقیاس‌های صدهزار کیلومترمربع نیز با اعمال تغییراتی می‌تواند مناسب باشد؛ توراین و همکاران^[24] (2015) نیز به مساحت 52 هزار کیلومترمربعی حوضة دریاچة ارومیه اشاره کرده و این مقدار مساحت را برای مطالعات GRACE مناسب دانسته‌اند. با این حال در مطالعاتی نیز قابل بازیابی بودن اطلاعات برای مناطق کوچک مطرح شده است (Castellazzi et al., 2016: 4 به نقل از Longuevergne et al., 2010 و Tourian et al., 2016).

در مطالعة حاضر از مجموعه‌داده‌های مربوط به خشکی (LAND) موجود در محصول ماهانة ماهوارة GRACE (GRACE Monthly Mass Grides-Land) که اطلاعات گرانشی در ارتباط با تغییر سفره‌های آب زیرزمینی برحسب سانتی‌متر از سال 2002 تا 2017 در آن موجود است، در بازة زمانی ۱۳۸۱- ۱۳۹۵ استفاده شده است. تغییرات ماهانة مشاهده‌شده در گرانش ناشی از تغییرات ماهانة جرم است که می‌تواند ناشی از تغییرات ذخیرة آب در مخازن هیدرولوژیکی، جابه‌جایی تودة یخ اقیانوس و... باشد. تغییرات جرم را می‌توان در یک لایة بسیار نازک از تغییرات ضخامت آب در نزدیکی سطح زمین فرض کرد که برحسب سانتی‌متر ضخامت آب معادل اندازه‌گیری می‌شود. البته در مواردی که تغییرات گرانشی ناشی از تغییرات خود زمین است، مانند زلزله‌های بزرگ، استفاده از واحد آب معادل درست نیست. پس از اجرای دستورات لازم در سامانة Google earth engine حدود 155 تصویر درنتیجة اجرای پردازش گریس براساس محصولات مراکز تحقیقاتی GFZ، JPL، CSR فراخوانی شدند. در ادامه با بررسی اطلاعات 8 چاه پیزومتری منطقة خیاو مشکین‌شهر و مشاهدة افت سطح سفره‌های آب زیرزمینی با توجه به مشاهدات سنجندة GRACE در ارتباط با افت سطح سفره‌های شمال غرب کشور، این منطقه برای بررسی تغییرات کاربری اراضی و تأثیر آن بر میزان افت سطح سفره‌ها بررسی شد.

طبقه‌بندی با استفاده از تکنیک شی‌گرا

در مطالعة حاضر از تکنیک شی‌گرا برای استخراج طبقات کاربری اراضی در ۷ کلاس (کشاورزی آبی، کشاورزی دیمی، مرتع، مناطق مسکونی، باغ، پوشش برفی و پوشش آبی) در محیط نرم‌افزاری eCognition استفاده شده است. تکنیک شی‌گرا یکی از روش‌های رایج برای طبقه‌بندی تصاویر است که علاوه بر اطلاعات طیفی از پارامترهایی همچون بافت، شکل، رنگ و... در طبقه‌بندی استفاده می‌کند (ابراهیمی و همکاران، 1397: 141). قطعه‌بندی، بخش مهمی از تکنیک شیء‌گرا است. پس از انجام طبقه‌بندی، مقادیر صحت کلی^[25] و ضریب کاپا^[26] با انتخاب تعدادی پیکسل نمونه و مقایسه با نتایج طبقه‌بندی به‌منظور ارزیابی کمی صحت طبقه‌بندی، در نرم‌افزار ENVI 5.3 به‌صورت ماتریس خطا استخراج شد.

روش میان‌یابی معکوس فاصله

مدل IDW ، یکی از معمول‌ترین روش‌های میـان‌یابی نقاط پراکنده در فضاست که اساس آن بـرمبنـای این فرضیه است که در یک سطح میان‌یابی، اثـر یـک پارامتر بر نقاط اطرافش یکسان نیست و هرچه فاصله از مبدأ افزایش یابد، اثر کمتر خواهد شد (انصاری و داوودی، 1386: 102). همچنین روش IDW نسبت به روش‌های معمول دیگر مانند کرجینگ، توانایی مدیریت پارامترهایی با توزیع غیرنرمال را دارد (Yang et al., 2020: 4). در این روش فاصلة هر نقطه یا پیکسل با پیکسل مجاور سنجیده و سـپس برحسب مقـدار فاصله به آن سلول، ارزش یا ضریب وزن داده می‌شود و درنهایت ارزش سلول مرکزی ماتریس با جمع ارزش‌های نقاط همسایه و میانگین وزنی آنها به دست می‌آید (انصافی مقدم و رفیعی، 1388: 283). الگوریتم این روش به‌صورت زیر است:

• 2)

X: ارزش برآوردشده از روش درون‌یابی، Zi: ارزش نقاط موجود (نقاط یا پیکسل‌های همسایه)، Di: فاصله بین X و هر نقطة موجود

داده‌های بارشی تهیه‌شده از ماهوارة TRMM^[27]

ماهوارة TRMM محصول مشترک کشورهای ژاپن و آمریکاست و با هدف اندازه‌گیری بارندگی در سطح اقیانوس‌ها و دریاها و برای مطالعة بارش‌های حاره‌ای به‌ویژه در مناطق فاقد اطلاعات آماری ثبت‌شده در 27 نوامبر سال 1997 با قدرت تفکیک 0.25 درجه در مدار استوا قرار گرفت. محصولات بارشی TRMM طیف متنوعی از نقشه‌های ساعتی تا ماهانه را دارند (جعفری و همکاران، 1394: 6؛ رسولی و همکاران، 1395: 203). در این پژوهش از محصول ماهانة 3B43 این ماهواره استفاده شده است که میزان بارش ماهانه را برحسب واحد میلی‌متر بر ساعت در یک رستر با توان تفکیک مکانی 0.25 در 0.25 درجه محاسبه می‌کند. ابزارهای اصلی کاوشگر TRMM عبارت‌اند از: تصویربردار ماکروویو^[28] TRMM، رادار بارشی^[29] و سیستم رادیومتر سنجش مادون قرمز^[30] (Kummerow et al., 1998: 809). هرچند لازم است پیش از به‌کارگیری دادة TRMM، داده‌های شبکه‌ای این پایگاه ماهواره‌ای درمقابل داده‌های ایستگاههای کشور صحت‌سنجی شوند، با توجه به اینکه دسترسی به‌روز به داده‌های بارشی ایستگاههای سینوپتیک کشور همیشه امکان‌پذیر نیست، می‌توان از داده‌های این پایگاه به شرط مطابقت با واقعیت در بررسی روند کلی بارش ایران در شرایطی استفاده کرد که داده‌های زمینی بهنگام دردسترس نیست (مسعودیان و همکاران، 1393: 21). در مطالعة حاضر برای بررسی صحت داده‌های بارش TRMM از اطلاعات بارشی ایستگاه سینوپتیک واقع در منطقة مطالعه استفاده شده است.

نتایج و بحث

به‌منظور بررسی تغییرات سطح آب‌های زیرزمینی از داده‌های ماهوارة ثقل‌سنج GRACE در سامانة پردازشی Google Earth engine استفاده و در حداقل زمان نتایج قابل قبول و منطقی از سه مرکز CSR-GFZ-JPL اطلاعاتی حاصل شد. در سامانة Google Earth engine با نوشتن کدهای لازم ضرایب هارمونیک (داده‌های سطح 2) ماهوارة GRACE برای دسترسی به اطلاعات وضعیت سفره‌های آب زیرزمینی هر سه مرکز اطلاعاتی CSR-GFZ-JPL در ارتباط با حوضة شمال غرب کشور استخراج شد و با توجه به روند نزولی سطح سفره‌های حوضة بزرگ شمال غرب و اطلاعات کسب‌شده از 8 حلقه چاه پیزومتری مرتبط با حوضة خیاو چای مشکین‌شهر، نشانه‌هایی از روند نزولی سطح سفره‌ها در این حوضه نیز مشاهده شد. موقعیت چاههای بررسی‌شده در شکل 1 قابل مشاهده است؛ بنابراین فقط با یک بار اجرای دستورکارهای لازم می‌توان اطلاعات مدنظر را دربارة منطقة مطالعه به‌صورت همزمان از سه مرکز اطلاعاتی کسب کرد؛ فقط کافی است شیپ فایل منطقه تغییر یابد که با استفاده از سامانة پردازشی Google Earth Engine این امکان فراهم شده است.

شکل 2 و 3 پیکسل‌هایی را شامل می‌شود که پوشش حوضة شمال غرب کشور و افت سطح آب‌های زیرزمینی را از سال 1381 تا 1395 با سنجندة گریس نشان می‌دهد؛ همان‌طور که از شکل مشخص است، 16 پیکسل با مساحت تقریباً 9640 کیلومترمربع که 6 پیکسل به‌صورت کامل هستند، منطقة شمال غرب را پوشش داده‌اند؛ همچنین ابعاد هر پیکسل 86 در 110 کیلومترمربع تخمین زده شد. شکل 4 نمودارهای مربوط به تغییرات سفره‌های آب زیرزمینی تهیه‌شده از سه مرکز اطلاعاتی CSR-GFZ-JPL را در بازة زمانی ۱۴ساله مربوط به کل منطقة شمال غرب کشور نشان می‌دهد.

با توجه به شکل 4 که نتایج مشابه و مستقل سه محصول ماهوارة GRACE را نمایش می‌دهد، تغییرات آب‌های زیرزمینی در منطقه روند کاهشی و افت 33 سانتی‌متری را در بازة زمانی مطالعه‌شده نشان داده‌اند. شکل‌های 2 و 3 نیز تأییدکنندة همین موضوع هستند. همان‌طور که از نمودار مشخص است، در سال 1381 سطح سفره‌های آب زیرزمینی حدود ۷ سانتی‌متر بوده و از سال 1381 تا سال 1385 سطح سفره‌های آب‌ زیرزمینی روند افزایشی تا حدود ۱۲ سانتی‌متر داشته، ولی از سال 1381 به بعد روند کاملاً کاهشی است و در سال 1395 سطح سفره‌ها به ۲۴- سانتی‌متر رسیده است. البته این روند کاهشی به حالت سینوسی است؛ یعنی در ماههای بارشی و در ماههایی که استفادة کمتری از آب‌های زیرزمینی می‌شود، تراز سفره‌های آب بیشتر می‌شود و در ماههایی که برداشت زیاد است، تراز به کمترین حد خود می‌رسد. نتایج حاصل دقت و سرعت زیاد ماهوارة GRACE را در برآورد نوسانات سطح سفره‌های زیرزمینی نشان می‌دهد. به‌طوری‌که یین و همکاران^[31] (2020)، فتح‌الله‌زاده و همکاران (1394)، افشار و همکاران (1394)، کولینگ و همکاران^[32] (2020) به قابلیت سنجندة GRACE در بررسی سفره‌های آب زیرزمینی اشاره کرده‌اند. در ادامه، پهنه‌بندی داده‌های چاههای پیزومتری منطقة خیاو مشکین‌شهر با استفاده از روش درون‌یابی IDW صورت گرفت (شکل‌های 5 و 6)؛ به طوری که یانگ و همکاران^[33] (2020) به نقل از هیلدر و همکاران^[34] (2020) نقاط نمونه‌برداری‌نشده را در روش IDW، بیشتر شبیه به مقادیر نقاط نمونه‌برداری‌شدة نزدیک‌تر معرفی کرده‌اند و نقاط مشاهده‌ای نزدیک را در تغییر کیفیت آب مؤثر دانسته‌اند؛ بنابراین روش IDW را در این دسته از مطالعات نتیجه‌بخش عنوان کرده‌اند. طی بازة زمانی مطالعه‌شده عمق چاههای منطقه افزایش یافته است. میزان سطح آب زیرزمینی عموماً در ماه اول سال سطح بالایی دارد و طی زمان از میزان حجم آب کم شده است.

شکل 4. تغییرات سفره‌های آب زیرزمینی (به سانتی‌متر)، منطقة شمال غرب از سال 1381 تا 1395، به‌دست‌آمده از سه محصول GRACE

Figure 4. Groundwater aquifer changes (in centimeters) in the northwest region from 2002 to 2016 obtained from three GRACE products

با توجه به شکل‌های 5 و 6 بیشترین اختلاف سطح ایستابی در مناطقی با رنگ بنفش و صورتی پررنگ دیده می‌شود. دلیل این امر را می‌توان نوع کاربری‌های منطقه و جهت جریان آب‌های زیرزمینی از مناطق مرتفع به سمت مناطق پست‌تر با توجه به شیب، ضخامت، رسوبات موجود و ساختار مورفولوژیکی بستر دانست. درحقیقت هرچه از مناطق صورتی‌رنگ دور می‌شویم، بر عمق چا‌هها افزوده می‌شود؛ درواقع اختلاف سطح ایستابی در مناطق مختلف حوضه نشان‌دهندة اختلاف پتانسیل در منطقه و میزان برداشت‌ها از سطح سفره‌ها با توجه به نوع کاربری‌هاست و جهت جریان از قسمت‌های جنوبی حوضه (نزدیک کوهستان سبلان) با پتانسیل زیاد به سمت قسمت‌های شمالی حوضه با پتانسیل کم است؛ به طوری که علیزاده (1398) در کتاب اصول هیدرولوژی کاربردی وجود اختلاف پتانسیل در منطقه را دلیل اصلی جریان سفره‌های زیرزمینی مطرح و جهت جریان را از مناطق مرتفع به سمت مناطق پست عنوان کرده است. تحلیل‌های صورت‌گرفته با مطالعة سوسی و همکاران (2020) نیز مطابقت دارد.

داده‌های به‌دست‌آمده از سه مرکز ماهوارة ثقل‌سنج گریس نیز با داده‌های چاههای پیزومتری همخوانی دارد و افزایش عمق سطح آب‌ها را در بازة زمانی مطالعه‌شده نشان می‌دهد. شکل 7 نیز نمودار میله‌ای مربوط به اطلاعات چاههای پیزومتری را نمایش می‌دهد. شکل 8 نمودار مرتبط با میزان تغییرات بارش در بازة زمانی 1381- 1395 را با استفاده از پایگاه دادة زمینی و پایگاه دادة ماهواره‌ای TRMM نشان می‌دهد. میزان افت سفره‌‌های آب‌ زیرزمینی با استفاده از داده‌های TRMM و ایستگاه زمینی به ترتیب 51 و 25 میلی‌متر تخمین زده شده است. هرچند برآورد داده‌های TRMM مقادیر بارش بیشتری را در مقایسه با دادة زمینی به‌ویژه در ماههای سرد و مناطق کوهستانی نشان می‌دهد، با وجود این نتایج حاصل از اعمال تابع رگرسیون بین داده‌های بارش زمینی و TRMM، مقادیر صفر و 5.810 را به ترتیب برای متغیرهای SIG و آمارة t نشان داده است؛ بنابراین انطباق نسبی بین داده‌های زمینی و TRMM مشاهده می‌شود. نتایج حاصل در این زمینه با مطالعة مسعودیان و همکاران (1393) و جعفری و همکاران (1394) مطابقت دارد؛ به طوری که این پژوهشگران نیز به همبستگی بین داده‌های ماهواره‌ای TRMM و داده‌های زمینی اشاره و میزان همبستگی را در مناطق کوهستانی و فصول سرد کم و در فصول کم‌بارش زیاد معرفی کرده‌اند؛ در هر صورت داده‌های ماهواره‌ایTRMM  را هم در شرایط کم‌بارش و هم در شرایط پربارش قابل اطمینان معرفی کرده‌اند. عسگری و همکاران (1387) نیز اختلاف دقت مکانی بین داده‌ها را دلیلی بر عدم انطباق کافی بین دادة زمینی و دادة ماهواره‌ای دانسته‌اند؛ به‌ویژه اینکه به اختلاف و کم‌بودن دقت مکانی داده‌های بارش زمینی در مناطق مختلف اشاره کرده‌اند.

شکل 7. سطح ایستابی چاههای پیزومتری مطالعه‌شده در سال‌های 1381 و 1395

Figure 7. Water level of piezometric wells studied in 2002 and 2016

شکل 8. نمودار حاصل از بررسی نوسانات بارشی در بازة زمانی 1381 تا 1395

Figure 8. Diagram obtained from the study of precipitation fluctuations in the period 2002 to 2016

در ادامه با قطعه‌بندی چندمقیاسه از طریق تجزیه‌وتحلیل نتایج قطعه‌بندی در مقیاس‌های مختلف و با در نظر گرفتن اندازة مقیاس 8 برای تصویر ۲۰۰۲ و مقیاس ۷۰ برای تصویر ۲۰۱۶ با مقادیر نرمی ۲۲ و ۲۳ و پارامتر فشردگی به ترتیب ۰/۴ و ۰/۶، تکنیک شی‌گرا در منطقة خیاو مشکین‌شهر برای استخراج نقشه‌های کاربری اراضی پیاده‌سازی شد. شکل‌های 9 و 10، نقشه‌های طبقات کاربری اراضی حاصل از طبقه‌بندی را نمایش می‌دهند.

صحت کلی و ضریب کاپای حاصل از صحت‌سنجی نتایج طبقه‌بندی برای سال ۱۳۹۵ به ترتیب ۹۷% و ۹۶% و برای سال ۱۳۸۱ مقادیر این ضرایب ۹۳% و ۹۰% به دست آمده است. نمودار ستونی مساحت کاربری‌های اراضی در سال‌های مطالعه‌شده در شکل 11 ارائه شده است.

شکل 11. مساحت کاربری اراضی با استفاده از روش شی‌گرا در منطقة مطالعه‌شده

Figure 11. Land use area using object-oriented method in the study area

همان‌طور که از شکل مشخص است، بیشترین مساحت در سال‌های 81 و 95 به کاربری مرتع با مقدار ۱۸۶ کیلومترمربع مربوط است. سپس کاربری کشاورزی دیمی در سال 95 بیشترین مساحت را به خود اختصاص داده و در همین سال برخلاف کشاورزی دیمی، کشاورزی آبی کاهش مساحت داشته است. بررسی کاربری مناطق مسکونی نشان داد این کاربری از سال 81 تا 95 افزایش 5 کیلومترمربعی داشته است؛ همچنین مساحت کاربری‌های باغ و پوشش آبی در سال 95 نسبت به سال 81 به‌طور محسوسی کاهش یافته است؛ به طوری که پوشش باغی از 98/2 کیلومترمربع به 88/1 کیلومترمربع و پوشش آبی از 99/1 کیلومترمربع به 40/0 کیلومترمربع کاهش یافته است. شکل 12 نقشة تغییرات کاربری اراضی را نشان می‌دهد.

شکل 12. نقشة تغییرات کاربری اراضی منطقة مطالعه‌شده

Figure 12. Map of land use changes in the study area

مساحت کاربری‌های تغییریافته در جدول 2 ارائه شده است. با توجه به جدول 2، کاربری کشاورزی دیمی به آبی و کاربری کشاورزی آبی به دیمی و کاربری مرتع به کشاورزی دیمی و کاربری کشاورزی دیمی به مسکونی بیشترین تغییر را داشته‌اند که تغییر مرتع به کشاورزی دیمی و همچنین کشاورزی دیمی به مسکونی از دلایل مهم برداشت زیاد از آب‌های زیرزمینی و باعث کاهش سطح سفره‌های زیرزمینی است. از موارد گفته‌شده می‌توان استنباط کرد که تغییرات کاربری اراضی علاوه بر تحت تأثیر قراردادن کمیت آب‌های زیرزمینی، می‌تواند مشکلات احتمالی نظیر پدیدة فرونشست را به دنبال داشته باشد؛ همچنین کیفیت آب‌های زیرزمینی را به‌شدت تحت تأثیر قرار می‌دهد که برای جامعة انسانی خطرناک است.

 نارانی و همکاران^[35] (2017) و زینالی و همکاران (1394) در مطالعات خود افت کیفیت آب‌های زیرزمینی را تحت تأثیر کاربری کشاورزی و مسکونی و افزایش برداشت از سطح سفره‌ها می‌دانند. سلمنس و همکاران^[36] (2020) نیز نفوذ فاضلاب تصفیه‌نشده به سفره‌های زیرزمینی را تحت تأثیر تغییرات کاربری اراضی، مشکل بزرگی دربرابر دسترسی انسان به آب شیرین مطرح کرده‌اند؛ به طوری که برخی پژوهشگران افت کیفیت آب‌های زیرزمینی را تحت تأثیر کاربری کشاورزی و مسکونی و افزایش برداشت از سطح سفره‌ها می‌دانند (زینالی و همکاران، 1394: 183؛ Narany et al., 2017: 850). همچنین نتایج به‌دست‌آمده در رابطه با تأثیر تغییرات کاربری اراضی بر کمیت سطح سفره‌های زیرزمینی با مطالعات غفاری و همکاران (1398)، اصغری و همکاران (1399) و گارگ و همکاران (2020) مطابقت دارد؛ به طوری که این پژوهشگران نیز از بین رفتن کاربری مراتع و افزایش ساخت‌وساز و مناطق مسکونی و افزایش زمین‌های کشاورزی را دلیلی بر فشار بر سطح سفره‌های زیرزمینی و عامل کاهندة سطح این سفره‌ها معرفی کرده‌اند.

جدول 2. مساحت کاربری‌های تغییریافته

Table 2. Area of modified applications

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

با توجه به اهمیت سفره‌های آب زیرزمینی در زندگی بشر که بر توسعة اقتصادی و تنوع اکولوژیکی تأثیرگذار است، در این مطالعه وضعیت سفره‌ها با استفاده از ماهوارة ثقل‌سنج GRACE بررسی شد. GRACE به دلیل قابلیت دسترسی آسان و سهولت استفاده و حصول نتایج قابل قبول در مطالعات هیدرولوژیکی، در میان پژوهشگران محبوبیت زیادی دارد. بررسی داده‌های سه پروداکت CSR، GFZ و JPL ماهوارة ثقل‌سنج GRACE در محیط Google earth engine حاکی از افت 33سانتی‌متری سطح سفره‌های آب زیرزمینی در حوضة شمال غرب کشور است که هر سه محصول تقریباً به نتایج یکسانی دست یافته‌اند. البته از سال ۲۰۰۶ به بعد افت سفره‌ها شدت بیشتری یافته و در سال ۲۰۱۰ این روند کاهشی نسبتاً متوقف شده و از آن به بعد روند نزولی ادامه یافته است. با مشاهدة روند نزولی سطح سفره‌های آب زیرزمینی در حوضة شمال غرب کشور و مشاهدة همین روند در حوضة خیاو چای مشکین‌شهر با استفاده از اطلاعات چاههای پیزومتری و سنجندة GRACE در بازة زمانی مطالعه‌شده، وضعیت تغییر کاربری اراضی به‌عنوان عامل مهم در رابطه با افت سطح سفره‌های آب زیرزمینی در این منطقه بررسی شد. با توجه به اینکه برداشت‌ها از منابع زیرزمینی بیشتر از منابع صورت می‌گیرد و بیشترین میزان این برداشت‌ها هم برای مصارف کشاورزی و ساخت‌وساز استفاده می‌شود، بررسی نقشة تغییرات کاربری اراضی، افزایش کاربری‌های کشاورزی، مسکونی و کاهش کاربری مرتع را نشان داده است. همگام با این تغییرات، از سال ۱۳۸۱ تا ۱۳۹۵ کاهش سطح آب زیرزمینی در کاربری‌های یادشده شدت بیشتری یافته است. با توجه به نتایج پژوهش حاضر فعالیت‌های انسانی و برداشت‌های بی‌رویه، جزو عمده‌ترین عوامل تغییردهندة سطح سفره‌های آب زیرزمینی است. به‌طورکلی می‌توان نتیجه گرفت که در منطقة مطالعه‌شده ارتباط متقابلی بین نوع کاربری و تغییر ارتفاع آب زیرزمینی وجود داشته است. اطلاعات بارشی ماهانة به‌دست‌آمده از پایگاه اینترنتی TRMM و دادة ایستگاه زمینی نیز به ترتیب کاهش 51 و 25 میلی‌متری بارش را در بازة زمانی مطالعه‌شده در حوضة خیاو مشکین‌شهر نشان داده که هر دو داده به‌صورت هماهنگ روند کاهشی بارش را در بازة زمانی مطالعه‌شده نشان می‌دهند و این مسئله را در افت کلی سطح سفره‌ها نمی‌توان نادیده گرفت.

همچنین از نتایج دیگر این پژوهش می‌توان به قابلیت سامانة ‌پردازشی تحت وب Google Earth Engine اشاره کرد که بدون نیاز به عملیات سنگین پردازشی و نرم‌افزار ویژه‌ای قادر است اطلاعات ارزشمندی در اختیار کاربران قرار دهد و با استفاده از کدنویسی و بدون نیاز به دانلود می‌توان تصاویر مختلف را فراخوانی کرد و روی آنها عملیات لازم را انجام داد که داده‌های اخذشده با سنجندة GRACE نیز از این قاعده مستثنا نیست؛ بنابراین این اطلاعات به‌ویژه در مناطقی که داده‌های دردسترس کمیاب است، می‌تواند بسیار ارزشمند باشد.

بررسی نقشه‌های تغییرات کاربری اراضی و رابطة آن با سطح سفره‌های آب زیرزمینی می‌تواند برای توسعة استراتژی‌های پایدار منابع آب‌های زمینی و زیرزمینی در آینده مفید باشد. پیشنهاد می‌شود در پژوهش‌های آتی بازه‌های زمانی متفاوت در مناطق و سال‌های مختلف با اقلیم متفاوت ازنظر داده‌های بارشی و GRACE بررسی شود.

تشکر و قدردانی

این مقاله با حمایت مالی دانشگاه محقق اردبیلی انجام گرفته است. بدین وسیله از معاونت پژوهشی دانشگاه محقق اردبیلی تشکر و قدردانی می‌شود.

[1]. Gravity Recovery and Climate Experiment

[2]. Global Land Data Assimilation System

[3]. Inverse Distance Weighting

[4]. Automated Water Extraction Index no shadow

[5]. Greenhouse Gases observing satellite

[6]. Ground Water Modeling System

[7]. Narany

[8]. Wang

[9]. Yin

[10]. Community Atmosphere-Biosphere Land Exchange

[11]. Suciu et al.

[12]. Garg et al.

[13]. Center for space research

[14]. Geo Forschungs Zentrum Potsdam

[15]. Jet Propulsion Laboratory

[16]. Operational Land Imager

[17] Thematic Mapper

[18]. Groundwater storage

[19]. water thickness equivalen

[20]. Global Positioning System

[21]. Longuevergne

[22]. Bruinsma

[23]. Save

[24]. Tourian

[25]. Overall Accuracy

[26]. Kappa coefficient

[27]. The Tropical Rainfall Measuring Mission

[28]. Microwave Imager (TMI)

[29]. precipitation radar (PR)

[30]. Visible and Infrared Radiometer System (VIRS)

[31]. Yin et al.

[32]. Koelling et al.

[33]. Yang et al.

[34]. Haldar et al.

[35]. Narany et al.

[36]. Celemens et al.