فصلنامه علمی- پژوهشی اطلاعات جغرافیایی « سپهر»

فصلنامه علمی- پژوهشی اطلاعات جغرافیایی « سپهر»

ارزیابی پتانسیل آب زیرزمینی با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی و مدل‌های عامل چندگانه تأثیرگذار و فازی - مطالعه موردی: بخشی از حوضه آبخیز کبار- فردو واقع در استان قم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
استادیار، گروه کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران
چکیده
در سال‌های اخیر، رشد جمعیت، افزایش سطح اراضی فاریاب و توسعه اقتصادی، موجب افزایش تقاضا برای آب‌های زیرزمینی در سراسر جهان شده است. در نتیجه، شناسایی مناطق بالقوه ی دارای آب زیرزمینی و تعیین مناطق تغذیه آن با استفاده از فناوری‌های دقیق به‌منظور کاهش افت و همچنین برنامه‌ریزی و نظارت بر سیستم منابع آب زیرزمینی ضروری است. در این تحقیق هدف آن است که روش‌های  عامل چند‌گانه تأثیرگذار و فازی برای تعیین پتانسیل آب زیرزمینی در بخشی از حوضه آبخیز کبار- فردو واقع در استان قم مورد مقایسه قرار گیرد. به‌این‌منظور، شش عامل شیب، بارندگی سالانه، فاصله از رودخانه، زمین‌شناسی، خاکشناسی و کاربری اراضی مد نظر قرار گرفتند و روش‌های فازی و عامل چندگانه تأثیر‌گذار (MIF) با استفاده از آنها اجرا شده است. در روش عامل چندگانه تأثیر‌گذار عامل فاصله از آبراهه دارای کم‌ترین وزن (8.33%) و عامل زمین‌شناسی دارای بیش‌ترین وزن است (25%) و عوامل بارش، شیب، خاک‌شناسی، کاربری اراضی به‌ترتیب دارای وزن‌های 20.83 %، 16.67% ، 16.67% و 12.5% هستند. سپس نقشه پتانسیل آب زیرزمینی از طریق هم‌پوشانی در ArcGIS تهیه شده و منطقه مورد مطالعه به چهار طبقه پتانسیل خیلی کم، کم، متوسط و زیاد طبقه‌بندی شده است که به ترتیب 5.16، 19.69 ، 32.06 و 43.09 درصد از مساحت منطقه را شامل می‌شود. در روش فازی نیز لایه‌های موضوعی بر اساس تابع خطی به فازی تبدیل شده و هم‌پوشانی لایه‌ها با استفاده از تابع گاما صورت پذیرفته که در نقشه نهایی طبقات خیلی کم، کم، متوسط و زیاد 25.61، 18.02، 41.40 و14.97 درصد از منطقه را در برمی‌گیرند. به‌منظور ارزیابی مدل‌ها، از آمار نقاط مشاهداتی استفاده و در نهایت صحت مدل‌های عامل چندگانه تأثیرگذار و فازی به ترتیب 71.42 و 78.57 درصد محاسبه شده که به‌نظر می‌رسد مقادیر قابل قبولی هستند. نتایج این تحقیق می‌تواند برای اجرای طرح‌های تغذیه مصنوعی در راستای مدیریت پایدار منابع آب زیرزمینی منطقه مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

The evaluation of groundwater potential using geographic information system and multi- influencing factor and fuzzy models - Case study: A part of Kebar-Fordo watershed in Qom Province

نویسنده English

Elham Forootan
Assistant professor, Department of agriculture, Payame Noor University, Tehran, Iran
چکیده English

Extended Abstract
Introduction. In recent years, the population growth, the increase in irrigated land and economic development have caused the increase in the demand for groundwater resources all over the world. In arid and semi-arid regions where surface water does not have a significant amount due to low rainfall and high evapotranspiration, people lives mainly depend on groundwater. As a result, it is necessary to identify the groundwater potential areas and determine its recharge areas using accurate technologies. So, the aim of this research is to compare the method of multi- influencing factors with the fuzzy method for determining the potential of groundwater in a part of Kebar-Fordo watershed, Qom city, Iran.
Materials & Methods. For this purpose, a part of Kebar-Fordo watershed located in Qom province was selected. Six factors layer, viz. slope, annual rainfall, distance from river, geology, soil, and landuse were considered and classified based on groundwater potential susceptibility in different scales. Multi-influencing factor method can determine the groundwater potential of the region by assigning appropriate weight to different effective factors. In this approach, the layers were combined in Arc-GIS after determining the weight of the layers. In the fuzzy method, the layers of six factors were converted to fuzzy based on the linear function, and then the layers were incorporated using the gamma function. Finally, the statistics of observation points and accuracy index were used in order to evaluate the models,
Results & Discussion. The slope map represents that most part of the studied area (78.56%) has a "0-1" class while "1-3", "3-9" and "9-25" slope classes could be observed in 19.97, 1.29 and 0.18% of the total area, respectively. The soil texture has a significant effect on the infiltration and percolation of the surface water movement towards the groundwater. Therefore, in this research, the soil factor has been investigated as one of the input factors to the models. Soils with high permeability are more suitable for groundwater recharge and vice versa. The soil texture of the area consists of sandy loam, loam, sandy clay loam, and clay loam textures, which cover 3.73, 90.72, 0.23, and 5.32% of the total area, respectively, with a rank of four to one  for groundwater potential. In this study, geology map showed that Qft2 formation has the largest area (88.98%) and Plc formation is in the second rank (4.9%). Qft1, Qs.d and Mur units have an area of 2.22, 2.12 and 1.10% and the smallest area belongs to OMq formation (0.68%). Also, different types of land use in the study area were agriculture, garden, rangeland, bareland, and resendential area. The land use map showed that the largest area of this area was ariculture landuse (77.18%), while garden and rangeland covered 0.07 and 6.5% of the total area, respectively. Bareland and residential area comprise 2.94%, 13.31% of the total area, respectively. Among the different landuses, agriculture and residential area have the highest and lowest ranks in groundwater recharge. The rainfall map was categorized with four classes. The classes of 140-156, 156-168, 168-182, and 182-203 mm layers include 14.15, 48.92, 21.84 and 15.09% of the total area with the rank of one to four for groundwater recharge, respectively. The map of distance from the stream was divided into four categories: "0-659", "659-1480", "1480-2675" and "2675-4939" meters, which comprise 46.33%, 34.15%, 15.72% and 3.8% of the total area, respectively. In the method of multi influencing factor, the distance from the stream (8.33%) and the geological factor (25%) were the lowest and highest weights. In this regard, the factors of rainfall, slope, soil, landuse have 20.83%, 16.67%, 16.67% and 12.5% weights, respectively. Then, the groundwater potential map was prepared through overlaying in ArcGIS and the studied area was classified into suitable and unsuitable classes. The suitable class covers 75.15% of the studied area and the unsuitable class covers 24.85% of the total area. In the fuzzy method, the unsuitable class comprises 43.63% and suitable class covers 56.37% of the area. In order to evaluate the models, the statistics of the observation points were applied which the accuracy of the multi- influencing factor and fuzzy models was calculated as 71.42 and 78.57%, respectively.
Conclusion. Preparation of groundwater potential map is necessary to adopt management measures of rainfall storage and groundwater recharge in arid and semi-arid regions and it can be used for sustainable management of groundwater resources. The findings of this research revealed both model's accuracy in the studied area.

کلیدواژه‌ها English

Multi- Influencing Factor (MIF)
Fuzzy
Zoning
Groundwater
Arid and semi- arid climate
1- اداره منابع طبیعی و آبخیزداری استان قم . 1389. گزارش زمین‌شناسی حوضه آبخیز پردیسان، قم، ایران. 133ص.
2- بهرامی، فروتن؛ حسینعلی، الهام،1397. روش‌ها و فناوری‌های اندازه گیری رطوبت خاک و ذخایر آب زیرزمینی، چاپ اول، تهران، انتشارات جهاد دانشگاهی.
3- پوراکبری، کلانتری، مصلح، عقدکی؛ سجاد، نصرالله، آرش، یاسر،1399. پتانسیل یابی منابع آب کارستی با استفاده از RS،GIS و AHP، مطالعه موردی: تاقدیس‌های لیلی و کی نو در شمال شرق خوزستان. مهندسی منابع آب، دوره 13، شماره 45، صص. 99-112.
4- تراپی‌پوده، یونسی، یوسفی، ارشیا، یاراحمدی؛ حسن، حجت‌الله، حسین، آزاده، یزدان،1400. پتانسیل‌یابی منابع آب زیرزمینی منطقة لنجانات اصفهان با استفاده از مدل وزن شواهد، مدل‌سازی و مدیریت آب و خاک، دوره 1، شماره 3، صص 25-37.
5- جعفرزاده، ویس کرمی؛ مریم، ایرج،1401. ارزیابی کارایی مدل‌های فردی و ترکیبی در شناسایی پهنه‌های مستعد نفوذپذیری (حوضه آبخیز ماربره- استان لرستان)، مدل‌سازی و مدیریت آب و خاک، دوره 2، شماره 2، صص 69-86.
6- رنجبری، واقعی، بیگدلی؛ محمدرضا، رمضان، بهناز، 1399. تهیه نقشه پتانسیل منابع آب زیرزمینی در سازندهای سخت با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور، مطالعه موردی:کوهستان شمال غرب شاهرود، علوم و فنون نقشه‌برداری، دوره 10، شماره 1، صص.159-181.
7- فتاحی؛ محمدمهدی.1388. بررسی عوامل مؤثر در تخریب اراضی دشت مسیله قم، پنجمین همایش علوم و مهندسی آبخیزداری ایران. دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان.
8- قدرتی؛ مهران.1393. آموزش کاربردی Arc-GIS 10.2 با تأکید بر مسائل مهندسی آب و محیط زیست، چاپ اول، تهران، انتشارات سیمای دانش.
9- کریمی، مسگری؛ مینا، محمد سعدی.1401. استخراج عملکرد محل از محتواهای متنی کاربرتولید با استفاده از روش‌های یادگیری ماشین، اطلاعات جغرافیایی سپهر، دوره 31، شماره 124، صص. 7-19.
10- مرادی‌زاده، شیرانی؛ مسیح، کورش.1398. اولویت‌بندی و ارزیابی نقشه پتانسیل منابع آب زیرزمینی در استان اصفهان، علوم آب و خاک، جلد23، شماره 4، صص. 427-411.
11- میرزاپور، حقی‌زاده؛ حافظ، علی؛1395. پتانسیل‌یابی آب‌های زیرزمینی حوضه آبخیز مادیان رود لرستان با استفاده از تجزیه و تحلیل شاخص هم‌پوشانی وزنی (WIOA)، هیدروژئولوژی، دوره یک، شماره2، صص 83-98.
12- نسرین‌نژاد، رنگزن، کلانتری، صابری؛ نعمت‌اله، کاظم، نصراله، عظیم.1393. پهنه‌بندی پتانسیل سیل‌خیزی حوضه آبریز باغان با استفاده از روش تحلیل سلسله مراتبی فازی (FAHP)، سنجش از دور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی، دوره 5، شماره 4،صص 15-34.
13- Acharya, T., & Nag, S. K. (2013). Study of groundwater prospects of the crystalline rocks in Purulia District, West Bengal, India using remote sensing data. Earth Resources, 1(2), 54–59.
14- Adeyeye, O.A.; Ikpokonte, E.A.; Arabi, S.A. GIS‐Based Groundwater Potential Mapping within Dengi Area, North Central Nigeria. The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Science 2018, https://doi:10.1016/j.ejrs.2018.04.003.
15- Ahmad, I., Dar, M.A., Teka, A.H., Teshome, M., Andualem, T.G., Tehsome, A., Shafi, T., 2020. GIS and fuzzy logic techniques-based demarcation of groundwater potential zones: a case study from Jemma River basin, Ethiopia. Journal of African Earth Sciences,103860.
16- Alrawi, I., Chen, J., & Othman, A. A. (2022). Groundwater Potential Zone Mapping: Integration of Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA) and GIS Techniques for the Al-Qalamoun Region in Syria. ISPRS International Journal of Geo-Information, 11(12), 603.
17- Arefin, R., 2020. Groundwater potential zone identification at Plio-Pleistocene elevated tract, Bangladesh: AHP-GIS and remote sensing approach. Groundwater for Sustainable Development 10, 100340.
18- Bui  DT, Hoang  ND, Martínez-Álvarez F, Ngo  PTT, Hoa PV, Pham TD, Samui  P, Costache R (2020) A novel deep learning neural network approach for predicting flash flood susceptibility: a case study at a high frequency tropical storm area. Science Total Environment 701, 134413.
19- Chaudhry, M.A.; Kumar, A.K.; Alam, K. Mapping of groundwater potential zones using the fuzzy analytic hierarchy process and geospatial technique. Geocarto International 2021, 36, 2323–2344.
20- Costache R, Bui DT (2020) Identification of areas prone to flash flood phenomena using multiple-criteria decision-making, bivariate statistics, machine learning and their ensembles. Science Total Environment 712:136492.
21- Echogdali, F. Z., Boutaleb, S., Kpan, R. B., Ouchchen, M., Bendarma, A., El Ayady, H., & Abioui, M. (2022). Application of fuzzy logic and fractal modeling approach for groundwater potential mapping in semi-arid Akka basin, Southeast Morocco. Sustainability, 14(16), 10205.
22- Etikala, B.; Golla, V.; Li, P.; Renati, S. Deciphering groundwater potential zones using MIF technique and GIS: A study from Tirupati area, Chittoor District, Andhra Pradesh, India. HydroResearch 2019, 1, 1–7.
23- Fagbohun, B. J. (2018). Integrating GIS and multi-influencing factor technique for delineation of potential groundwater recharge zones in parts of Ilesha schist belt, southwestern Nigeria. Environmental earth sciences, 77(3), 69.
24- Falah F, Ghorbani Nejad S, Rahmati O, Daneshfar M, Zeinivand H (2017) Applicability of generalized additive model in groundwater potential modelling and comparison its performance by bivariate statistical methods.” Geocarto international 32, no. 10 (2017): 1069-1089.
25- Fildes SG, Bruce D, Clark IF, Raimondo T, Keane R, Batelaan O (2022) Integrating spatially explicit sensitivity and uncertainty analysis in a multi-criteria decision analysis-based groundwater potential zone model. Journal of Hydrology, 610, 127837.
26- Hasanuzzaman M, Mandal MH, Hasnine M, Shit PK (2022) Groundwater potential mapping using multi-criteria decision, bivariate statistic and machine learning algorithms: evidence from Chota Nagpur Plateau, India. Applied Water Science, 12(4), 1-16.
27- Kainz W (2007) Fuzzy logic and GIS. Vienna: University of Vienna.
28- Kumari, S., Poddar, A., Kumar, N., & Shankar, V. (2022). Delineation of groundwater recharge potential zones using the modeling based on remote sensing, GIS and MIF techniques: a study of Hamirpur District, Himachal Pradesh, India. Modeling Earth Systems and Environment, 8(2), 1759-1770.
29- Magesh N.S, Chandrasekar N, Soundranayagam J.P (2012) Delineation of groundwater potential zones in Theni district, Tamil Nadu, using remote sensing, GIS and MIF techniques. Geoscience frontiers, 3(2):189-196.
30- Nhamo, L., Ebrahim, G.Y., Mabhaudhi, T., Mpandeli, S., Magombeyi, M., Chitakira, M., Magidi, J., Sibanda, M., 2020. An assessment of groundwater use in irrigated agriculture using multi-spectral remote sensing. Parts A/B/C 115 102810 Physics and Chemistry of the Earth.
31- Patra, S., Mishra, P., Mahapatra, S.C., 2018. Delineation of groundwater potential zone for sustainable development: a case study from Ganga Alluvial Plain covering Hooghly district of India using remote sensing, geographic information system and analytic hierarchy process. Journal of Cleaner Production. 172, 2485–2502.
32- Rahmati, O., Pourghasemi, H. R., & Melesse, A. M. (2016). Application of GIS-based data driven random forest and maximum entropy models for groundwater potential mapping: a case study at Mehran Region, Iran. Catena, 137, 360-372.
33- Rane NL, Jayaraj GK (2022) Comparison of multi-influence factor, weight of evidence and frequency ratio techniques to evaluate groundwater potential zones of basaltic aquifer systems. Environment, Development and Sustainability, 24(2), 2315-2344.
34- Selvam, G., Banukumar, K., Srinivasan, D., Selvakumar, R., & Alaguraja, P. (2012). Identification of ground water potential zone in hard rock terrain—A case study from parts of Manapparai block Tamilnadu using remote sensing and GIS techniques. International Journal of Advanced Remote Sensing &GIS, 1(1), 8–18.
35- Senapati, U., & Das, T. K. (2022). GIS-based comparative assessment of groundwater potential zone using MIF and AHP techniques in Cooch Behar district, West Bengal. Applied Water Science, 12(3), 43.
36- Shao, Z., Huq, M. E., Cai, B., Altan, O., & Li, Y. (2020). Integrated remote sensing and GIS approach using Fuzzy-AHP to delineate and identify groundwater potential zones in semi-arid Shanxi Province, China. Environmental Modelling & Software, 134, 104868.
37- Singha, S., Das, P., & Singha, S. S. (2021). A fuzzy geospatial approach for delineation of groundwater potential zones in Raipur district, India. Groundwater for Sustainable Development, 12, 100529.
38- Sresto, M.A.; Siddika, S.; Haque, N.; Saroar, M. Application of fuzzy analytic hierarchy process and geospatial technology to identify groundwater potential zones in north-west region of Bangladesh. Environ. Chall. 2021, 5, 100214.
39- Thapa R, Gupta S, Guin S, Kaur H (2017) Assessment of groundwater potential zones using multi-influencing factor (MIF) and GIS: a case study from Birbhum district, West Bengal. Applied Water Science, 7(7): 4117-4131.
40- Zadeh L.A (1965) Fuzzy sets. Inform Control. 8: 338–353.