ارزیابی آسیب‌پذیری کیفی آبخوان دشت مشهد با استفاده از تلفیق مدل های SINTACS و GODS

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مخاطرات ژئومورفولوژی دانشگاه خوارزمی تهران

2 استاد گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم جغرافیایی، دانشگاه خوارزمی.

3 دانشیار گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم جغرافیایی، دانشگاه خوارزمی.

10.22034/gmpj.2023.400250.1440

چکیده

در حال حاضر آبخوان دشت مشهد به علت شرایط خاص خود و وجود واحدهای صنعتی و فعالیت‌های کشاورزی و شهرها و شهرک‌های متعدد از مناطق بحرانی و آسیب‌پذیر می باشد. هدف از این پژوهش، ارزیابی آسیب‌پذیری آبخوان دشت مشهد به جهت پایش کیفی و مدیریت منابع آب زیرزمینی و جلوگیری از آلودگی‌های آتی آن است. داده‌ها و لایه‌های اطلاعاتی جهت استفاده در مدل‌های SINTACS و GODS از شرکت آب منطقه‌ای خراسان رضوی تهیه گردید. در مدل SINTACS از هفت پارامتر و در مدل GODS از چهار پارامتر هیدروژئولوژیکی استفاده ‌شده و پس از وزن دهی و رتبه‌بندی و تلفیق لایه‌ها در محیط نرم‌افزار ArcGIS، نقشه آسیب‌پذیری آبخوان دشت مشهد به دست آمد. نتایج حاصله از مدل SINTACS نشان می‌دهد که محدوده مطالعاتی در پنج پهنه با آسیب‌پذیری خیلی کم(44/0%)، کم(57/25%)، متوسط(58/28%)، زیاد (79/2%)، خیلی زیاد(61/42%) قرار می‌گیرد. همچنین بر اساس نتایج مدل GODS محدوده مطالعاتی در پنج پهنه با آسیب‌پذیری خیلی کم(93/0%)، کم(11/31%)، متوسط(45/11%)، زیاد (56/1%) و خیلی زیاد (95/54%) قرار می گیرد. مقایسه نتایج مدل‌ها نشان می دهد که به‌طورکلی میزان آسیب‌پذیری آبخوان از سمت جنوب شرق به سمت شمال غرب محدوده افزایش می‌یابد. صحت سنجی نقشه های تهیه شده با استفاده از روش آماری و محاسبه ضریب همبستگی بین نقشه‌های آسیب‌پذیری و لایه TDS در محیط نرم‌افزار TerrSet انجام شد. ضریب همبستگی برای مدل SINTACS و GODS به ترتیب 91/0 و 85/0 بدست آمد که این نتایج نشان دهنده دقت بالای هر دو مدل در پهنه‌بندی آسیب‌پذیری آبخوان دشت مشهد می باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Assessing the qualitative vulnerability of the Mashhad plain aquifer using the combination of SINTACS and GODS models

نویسندگان [English]

  • Vajihe Gholizade 1
  • amir saffari 2
  • Ali Ahmadabadi 3
  • Amir Karam 3
1 Ph.D. student of Geomorphological Hazards, Kharazmi University, Tehran
2 Faculty member of Geomorphology Department of Kharazmi University
3 Ph.D. student of Geomorphological Hazards, Kharazmi University, Tehran
چکیده [English]

Extended Abstract



Introduction

The increase in human activities in recent decades, the increase in population, the development of agriculture and industries has caused a sharp increase in water consumption and, as a result, the quantitative and qualitative reduction of underground water resources and created a vulnerable environment, and exposed underground water as a natural resource to industrial and agricultural pollutants. At present, a significant part of the country's water consumption is provided by underground water sources, which are mainly open aquifers and have higher vulnerability. Assessing the vulnerability and pollution of the aquifer is necessary for the management, development and allocation of land use, how to monitor the quality, prevention and protection of groundwater pollution. During the vulnerability assessment process, attention is paid to transfer and flow models in saturated and unsaturated areas, and the effect of physical processes of water movement and the path related to pollution transfer, feeding and penetration depth in pollution transfer are simulated and the distribution of sensitive or vulnerable areas is evaluated.

The area studied in this research, Mashhad plain aquifer, is quantitatively in a critical prohibited situation, and qualitatively, it has faced serious challenges. Therefore, the general purpose of this research is to identify and analyze the qualitative vulnerability of the Mashhad plain aquifer, which causes the potential of vulnerability to pollution to be determined more accurately.



Methodology

An open aquifer is spread throughout the Mashhad plain, which is not the same in terms of discharge. The Mashhad plain aquifer with an area of 2700 square kilometers is located in the geographical coordinates of 58°29' to 59°56' east longitude and 35°58' to 37°03' north latitude in the catchment area of the Kashafroud river. The main drain of this region is the Kashafroud river, which flows from the northwest to the southeast in the Mashhad plain. Various formations from the first to the Quaternary period can be seen in this area.

In this research, the vulnerability assessment of the aquifer was done with SINTACS and GODS models, and the ArcGIS environment was used to analyze the parameters and prepare the vulnerability map.

The SINTACS model includes seven hydrogeological parameters, which are: (S) groundwater depth, (I) net nutrition, (N) effect of unsaturated zone, (T) soil type, (A) aquifer environment, (C) hydraulic conductivity, (SV) topography (slope), (w) weight and (r) related rank to each of the parameters. A relative weight is assigned to each of the parameters, which indicates the relative impact of each characteristic on the transfer of pollution in groundwater. In this method, the vulnerability index is obtained according to equation 1:

equation (1): SINTACS Index=S_Or S_Ow+I_r I_w+N_r N_w+T_r T_w+A_r A_w+C_r C_w+S_Vr S_Vw ∑_i^7▒〖I_SINTACS=P_i×W_i 〗



In the GODS method, four parameters of: (G) aquifer type, (O) Characteristics of unsaturated zone, (D) depth of underground water and (S) type of surface soil texture are used. The GODS vulnerability index is obtained from the product of the parameters and based on equation 2:

equation (2): I_v=G×O×D×S



Results and Discussion

To prepare the vulnerability map of the aquifer, the layers of each model were combined in the ArcGIS and the final map was obtained. Then the area of each floor was calculated. According to the SINTACS model, the Mashhad plain aquifer is divided into five zones with very low vulnerability (0.44%), low (25.57%), moderate (28.58%), high (2.79%), very high (42.61%). Also, based on the results of the GODS model, the study area is divided into five zones with very low vulnerability (0.93%), low (31.11%), moderate (11.45%), high (1.56%) and very high (54.95%).

The validation results of the vulnerability maps showed that both SINTACS and GODS models are highly accurate in zoning the vulnerability of the Mashhad plain aquifer, so that the correlation coefficient of the vulnerability maps with the qualitative index of TDS is (0.91) in the SINTACS model and (0.85) in the GODS model.



Conclusion

In both models, the largest area of the Mashhad plain aquifer in terms of vulnerability is located in the zone with very high risk, while the smallest area is located in the zone of very low vulnerability and then in the zone of medium vulnerability. In general, the vulnerability of the Mashhad plsin aquifer increases from the southeast to the northwest, and then the vulnerability decreases from the central areas of the range to the extreme northwest.

The reason for this can be attributed to the direction of the underground water flow, which is from east to west, as well as the high water table in these areas. Also, clearly, areas with medium, high and very high vulnerability are compatible with the uses of water agriculture, gardens, population and industrial centers. In terms of the type of sediments in the aquifer environment, sandy and sandy ranges show moderate to high vulnerability due to higher permeability, While there is the lowest level of vulnerability in clay and silty areas. The results of the current research can be used in environmental assessments and analysis of various pollutions and can be used as a basis for management decisions.



Keywords: Vulnerability, Mashhad Plain aquifer, SINTACS, GODS

کلیدواژه‌ها [English]

  • Vulnerability
  • Mashhad Plain aquifer
  • SINTACS
  • GODS
آقارضی آشتیانی، م.، رحمتی، س ه.، خلج امیر حسینی، ی.، فریدونی، ف، و بالدرره، و.، 1398. تعیین علل تغییر کیفیت آب زیرزمینی با روش های ایزوتوپی و شیمیایی در آبخوان شبستر – صوفیان، نشریه آب و فاضلاب، دوره 30، شماره 3، صص 98-87.
احمدی، ج.، آخوندی، ل.، عباسی، ه.، خاشعی سیوکی، ع، و علیمددی، م.،1392. تعیین آسیب پذیری آبخوان با استفاده از مدل دراستیک و اعمال آنالیز حساسیت تک پارامتری و حذف (مطالعه موردی: دشت سلفچگان-نی زار)، نشریه پژوهش های حفاظت آب و خاک، جلد 20، شماره سوم، صص 27-1.
اصغری مقدم، ا، و برزگر، ر.، 1393. بررسی منشا ناهنجاری غلظت نیترات و آسیب پذیری منابع آب زیرزمینی دشت تبریز با استفاده از روش های AVI و GOD نشریه دانش آب و خاک، جلد 24، شماره 4، صص 27-11.
اصغری مقدم، ا.، قره خانی، م.، ندیری، ع، و گرد، م.، 1396. ارزیابی آسیب پذیری ذاتی آبخوان دشت اردبیل با استفاده از روش های DRASTIC، SINTACS، SI، نشریه علمی-پژوهشی جغرافیا و برنامه ریزی، سال 21، شماره 61، صص 74-57.
افتخاری، م.، اکبری، م، و قزل سوفلو، ع.، 1398. ارزیابی آسیب پذیری کیفی آبخوان دشت بیرجند به روش SINTACS ، محیط زیست طبیعی، منابع طبیعی ایران، دوره ٧٢، شماره ٣، صص 294-279.
اکبری، م.، جرگه، م ر، و مدنی، س ح.، 1388. بررسی افت سطح آب های زیرزمینی با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) (مطالعه موردی: آبخوان دشت مشهد)، پژوهش های حفاظت آب و خاک (علوم کشاورزی و منابع طبیعی)، دوره 16، شماره 4، صص 78-63.
امیراحمدی، ا.، آب باریکی، ز.، و ابراهیمی، م.، 1390. ارزیابی آسیب پذیری آبخوان دشت داورزن به روش دراستیک با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS)، مطالعات جغرافیای مناطق خشک، شماره 6، صص 66-51.
برزگر، ر، و اصغری مقدم، ا.، 1393. بررسی منشاء ناهنجاری غلظت نیترات و آسیب پذیری منابع آب زیرزمینی دشت تبریز با استفاده از روش های AVI وGOD ، نشریه دانش آب و خاک، جلد24، شماره4، صص 27-11.
حسین زاده، م.، افراسیاب، پ.، خاشعی سیوکی، ع.، رمضانی، ی، و دلبری، م.، 1395. بررسی تأثیر کاربری اراضی بر آسیب پذیری آبخوان با استفاده از روش دراستیک و ANP (مطالعه موردی: دشت مشهد)، چهارمین همایش ملی کاربرد فناوریهای نوین در علوم مهندسی دانشگاه تربت حیدریه.
خدائی، ک.، شهسواری، ع ا، و اعتباری، ب.، 1385. ارزیابی آسیب پذیری آبخوان دشت جوین به روش های DRASTIC و GODS، زمین شناسی ایران، سال دوم، شماره 4، صص 87-73.
رضائی توابع، ک.، حیدری، ا، و سیاح پور، م ج.، 1401. بررسی تراز آب زیرزمینی و شبیه سازی سناریوهای پیش بینی در حوضه آبریز پریشان، پژوهش های ژئومورفولوژی کمی، سال یازدهم، شماره 2، صص 228-210.
سیف، ع.، جعفری اقدم، م، و جهانفر، ع.، 1393. ارزیابی و تهیه نقشه آسیب پذیری آبخوان های کارستی با استفاده از مدل COP (مطالعه موردی: آبخوان کارستی کلین، استان کرمانشاه)، پژوهش های ژئومورفولوژی کمی، سال سوم، شماره 3، 79-65.
فعال، ف.، غفوری، ح ر، و اشرفی، س م.، 1400. کاربرد تغذیه سطحی آبخوان در اصلاح روش GALDIT برای ارزیابی خطر پیشروی آب شور در آبخوان قم، نشریه آب و فاضلاب، دوره 32، شماره 3، صص112-94.
فعال اقدم، ر.، ندیری، ع، و نوین پور، ا ع.، 1396. ارزیابی آسیب پذیری آبخوان دشت بیلوردی بر مبنای ترکیب روش های DRASTIC و SINTACS، پژوهش های ژئومورفولوژی کمی، سال ششم، شماره 3، صص 150-135.
لشگری پور، غ.، غفوری، م.، سویزی، ز، و پیوندی، ز.، 1384. افت سطح آب زیر زمینی و نشست زمین در دشت مشهد، نهمین همایش انجمن زمین شناسی ایران، تهران.
مردان، ح ا، و یارقلی، ب.، 1399. پهنه بندی آسیب پذیری آبخوان دشت آبرفتی اردبیل با استفاده از تلفیق سامانه اطلاعات جغرافیایی و مدل دراستیک، علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره 22، شماره 6.
ملکی، ا.، باقری، س.، شکری، س، و مطاعی، س.، 1398. ارزیابی آسیب پذیری آبخوان های کارستی دشت کرمانشاه و توده بیستون – پرآو با استفاده از مدل COP، نشریه تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، سال نوزدهم، شماره 52، صص 154-129.
نخستین روحی، م.، رضائی مقدم، م ح، و رحیم پور، ت.، 1396. پهنه بندی آسیب پذیری آب های زیرزمینی با استفاده از مدل DRASTIC و SI در محیط GIS (مطالعه موردی دشت عجب شیر)، نشریه اکوهیدرولوژی، دوره 4، شماره 2، صص 599-587.
نخعی، م.، امیری، و، و رحیمی شهر بابکی، م.، 1392. ارزیابی آلودگی و آنالیز حساسیت آب زیرزمینی در آبخوان خاتون آباد با استفاده از مدل دراستیک مبتنی بر GIS نشریه زمین شناسی کاربردی پیشرفته، دوره 3، شماره 8، صص10-.1
ندیری، ع.، اکبری، ا،. نوین پور، ا ع، و قره خانی، م.، 1398. ارزیابی آسیب پذیری آبخوان دشت خوی با استفاده از روش ترکیبی، مدیریت آب و آبیاری، دوره 9، شماره 2، صص 262-251.
نوین پور، ا ع، و خضری، م.، 1398. ارزیابی آسیب پذیری ذاتی آبخوان دشت میاندوآب نسبت به آلودگی بر مبنای مدل های AVI ,DRASTIC, GODS ,DRASTIC واسنجی شده، اکوهیدرولوژی، دوره 6، شماره ،2 صص 463-447.
Abu-Bakr, H. A. E. A. (2020). Groundwater vulnerability assessment in different types of aquifers. Agricultural Water Management, (240): 106275.
Ahmadi, A., Aberoumand, M. (2009). Vulnerability of Khash-Plain Aquifer, Eastern Iran, to Pollution Using Geographic Information System (GIS). Journal of Geotechnical Geology, 5(1), 1-11(In Persian).
Alizadeh, A. (2011). Principles of applied Hydrology. 33nd edition, Mashhad, Imam Reza University Press (In Persian).
Aller, L., Bennet, T., Lehr, J.H., Petty, R.J and Hackett, G. (1987). DRASTIC: A Standardized System for Evaluating Ground Water Pollution Potential Using Hydrogeologic Settings, EPA/600/2-87/035, U.S. Environmental Protection Agency. Ada, Oklahoma, PP: 19-25.
Almasri, M.N., & Kaluarachchi, J.J. (2005). Modular neural networks to predict the nitrate distribution in ground water using the on-ground nitrogen loading and recharge data. Environmental Molelling& Software. (22), 851- 871.
Almasri, M. (2008). Assessment of Intrinsic Vulnerability to Contamination for Gaza Coastal Aquifer. Palestine, Journal of Environmental Management. (88), 577-593.
Aneesh T., DaNair, A,. M, Prasad, K. R & Srinivas, R. (2022). Groundwater vulnerability assessment of an urban coastal phreatic aquifer in India using GIS-based DRASTIC model, Groundwater for Sustainable Development, 100810.
Bordbar, M., Neshat, A & Javadi, S. (2019). A new hybrid framework for optimization and modification of groundwater vulnerability in coastal aquifer, Environmental Science and Pollution Research. 26(21), 21808-21827.
Bouwer, H. (1978). Groundwater Hydrology. McGraw-Hill Company. New York. 480
Brahim, F.B., Kanfir, H., & Bouri, S. (2012). Groundwater Vulnerability and Risk mapping of the Northern sfax Aquifer, Tunisia", Arabian Journal for Science and Engineering, 37.5, 140-142.
Brand, F.S,. & Jax, K. (2007). Focusing the Meaning(s) of Resilience: Resilience as a Descriptive Concept and a Boundary Object. Ecology and Society. (12), 23.
Chilton, P.J., Vlugman, A. & Foster, S. (1990). A groundwater pollution risk assessment for public water supply sources in Barbados, American Water Resources Association International Conference on Tropical Hydrology and Caribbean Water resources, San Juan de Puerto Rico, 279-289.
Civita, M. (1990). Legenda unificata per le Carte della vulnerabilita dei corpi idrici sotterranei/Unified legend for the aquifer pollution vulnerability Maps, Studi sulla Vulnerabilita degli Acqiferi, Pitagora Edite, Bologna.
Civita, M. (1994). Vulnerability maps of aquifers subjected to pollution: theory and practice. Pitagora Editrice, Bologna, p325.
Folke, C. (2006). “Resilience: the emergence of a perspective for social-ecological systems analyses”, Global Environmental Change.16(3), 253–267.
Foster SSD, (1987). Fundamental concepts in aquifer vulnerability, pollution risk and protection strategy. international conference Noordwijk aan Zee. 1-30 April, Netherlands. Pp. 69-86.
Gallopín, Gilberto C. (2006). Linkages between vulnerability, resilience, and adaptive capacity, Global Environmental Change.16(16), 293-303.
Kim, YJ., Hamm S.Y. (1999). Assessment of the potential for groundwater contamination using the DRASTIC/EGIS technique, Cheongju area, South Korea. Hydrogeology Journal,17.2, 227-235.
Mohammadi, Z., Zare, M & Sharifzade, B. (2012). Delineation of groundwater salinization in a coastal aquifer, Bousheher, South of Iran. Environmental Earth Sciences. 67(5), 1473-1484.
Naseri, H., & Sareminejad, F. (2011). Comparison of the Evaluation of Aquifer Vulnerability by DRASTIC and Fuzzy Logic Models Case Study: Golgir Plain of Masjed Soleyman. Journal of Physical Geography,11(4),17-34. (In Persian).
Niknam, R., Mohammadi, K. & Majd, Vahid. Johari. (2007). “Groundwater Vulnerability Evaluation of Tehran-Karaj Aquifer Using DRASTIC Method and Fuzzy Logic”, Iran Water Resources Research. 2, 39-47.
Ozler, M. H. (2003). Hydrochemistry and salt-water intrusion in the Van aquifer, east Turkey. Environmental Geology, 43(7), 759-775.
Paez, G., (1990), Evaluacion de la vulnerabilidad a la contaminacion de las agues subterraneas en el Valle del Cauca, InformeEjecutivo, Corporeginal del Valle del Cauca, Cauca, Colombia, 352(3), 95-120.
Pisciotta, A., Cusimano, G., Favara, R. (2015). Groundwater nitrate risk assessment using intrinsic vulnerability methods: A comparative study of environmental impact by intensive farming in the Mediterranean region of Sicily, Italy. Journal of Geochemical Exploration,156, 89-100.
Piscopo, G. (2001). Groundwater vulnerability map, explanatory notes, Castlereagh Catchment, NSW, Department of Land and Water Conservation, Australia.
Plymale, CL., & Angle, MP. (2002). Groundwater Pollution Potential of Fulton County. Ohio. Ohio Department of Natural Resources Division of Water. Water Resources Section. Groundwater Pollution Potential, Report (45).
Rahman, A. (2008).  A GIS based DRASTIC model for assessing groundwater vulnerability in shallow aquifer in Aligarh. India. Applied geography. 28(1), 32-53.
Samadi, J. (2015). Assessment of Kashan Aquifer-Land Use Composite Vulnerability Impact on Groundwater Pollution Using DRASTIC Method and Degradation Model. IranWater Resources Research. 11(1), 13-21. (in Persian).
Stigter, T. Y., Ribeiro, L., & Dill, A. M. M. (2006). Evaluation of an intrinsic and a specific vulnerability assessment method in comparison with groundwater salinisation and nitrate contamination levels in two agricultural regions in the south of Portugal. Hydrogeology journal. 14(1), 79-99.
Thapinta, A., & Hudak, P. (2003). Use of geographic information systems for assessing groundwater pollution potential by pesticides in Central Thailand. Environmental International. 29, 87-93.
Todd, P.K. (1980). Ground water, Hydrology. Kluwer Academic Publisher. p400.
Turner et al. 2003. A framework for vulnerability analysis in sustainability science, Proc. Nat. Acad. Sci, 100(14), 8074-8079.
Voudouris, K., Nazakis. N., Polemio, M., & Kareklas. K. (2010). Assessment of intrinsic vulnerability using the DRASTIC model and GIS in the Kiti aquifer. Cyprus. European Water. 30,13-24.