پهنه ‏بندی خطر شکل‏ گیری فروچاله‏ های گچی در سازند گچساران با استفاده از مدل فازی مطالعة موردی: دشت جابر بدره ایلام

نوع مقاله : مقاله کامل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری ژئومورفولوژی دانشگاه اصفهان

2 دانشیار گروه جغرافیای طبیعی دانشگاه اصفهان

3 استاد گروه کشاورزی دانشگاه ایلام

چکیده

سازندهای دارای لایة گچی زمینه‏ ساز تشکیل اشکال کارستی گچی است. دشت جابر، در شمال غربی استان ایلام، در واحد زاگرس چین‏ خورده واقع ‏شده است. سازند گچساران به ‏سبب شرایطی که در گذشته پشت سر گذاشته عمدتاً در ناودیس‏ ها قرار دارد. وجود پدیده ‏های کارستی گچی به شکل فروچاله در این دشت، می‏ تواند تأثیر بسیار مخربی بر جاده‏ ها و تأسیساتی که در مجاورت این لایه‏ ها قرار دارند بگذارد. در این پژوهش نقشة پهنه‏ بندی تکامل کارست با استفاده از مدل فازی تهیه ‏شده که جهت تهیة این نقشه از ده عامل محیطی شامل شیب، وجه شیب، زمین ‏شناسی، فاصله از خط کنیک، نقاط تمرکز جریان دامنه‏ ای، فاصله از رودخانه، طبقات ارتفاعی، کاربری اراضی، پارامتر اقلیم با استفاده از روش دمارتن، و شاخص پوشش گیاهی استفاده‏ شده است. نتایج این پژوهش نشان داد ۹/۳۶ درصد منطقة موردمطالعه در محدودة ریسک بالا، 49 درصد در محدودة ریسک متوسط، و ۱/۱۴ درصد در محدودة ریسک پایین قرار دارد. بازدیدهای میدانی نشان می‏ دهد مهم‏ترین عوامل مؤثر در تکامل کارست این منطقه شیب و محل تلاقی خطوط آبراهه‏ ها در دامنه با لایه‏ های گچ خالص ضخیم‏ لایه است و محل تلاقی لایه‏ های گچ در مجاورت خط کنیک یکی از عوامل زمینه ‏ساز و مهم در جهت شکل‏ گیری این فروچاله ‏ها محسوب می‏‏ شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Zoning of risk of creating Gypsum Sinkholes using Fuzzy model Case study: Jabber Badre plain, Ilam

نویسندگان [English]

  • Hamideh Gholamhaydari 1
  • Mozhgan Entezari 2
  • Haji Karimi 3
1 Ph.D. candidate of geomorphology, university of Isfahan, Isfahan, IRAN
2 Associate Professor in Department of Physical Geography, university of Isfahan, IRAN
3 Professor in Agriculture Faculty, Ilam University, IRAN
چکیده [English]

The existence of formations that encompass gypsum layers provides the basis for the generation of gypsum karst forms. The thickness and quality of gypsum layers affect the generation of these forms. Jaber plain is located in the northwest of Ilam, Ilam Province within the Zagros folded belt. Given the existence of Gachsaran formation in this plain, gypsum karstic phenomena may have a highly destructive impact on roads, facilities, agricultural lands, villages and residential units in the plain, among which karstic sinkholes are the most important ones. Despite the issues described above, the phenomenon is unfortunately less addressed and investigated. In this study, it is attempted to prepare a karst development zoning map using a fuzzy model. Ten environmental factors are employed as independent variables to prepare the map, namely dip, dip face, geology, distance from the conic line, concentration points of hillslope streams, distance from river, elevation, land use, climate map and vegetation (normalized difference vegetation index (NDVI)). The results of this research suggest that 36.9% of the study area is located in high-risk zone, 49% of the study area is located in medium-risk zone and 14.1% of the study area is located in low-risk zone. According to the field surveys and investigations into the zoning map, the dip and location of intersection of stream lines and gypsum layers on the hillslope are introduced as the main factors affecting the karst development in the area.
Introduction
The word ''karst'' refers to a set of geological processes and phenomena resulting from the dissolution of soluble rocks. The decomposition and destruction of the structure in these rocks form a unique hydrological regime which results in the formation of specific landforms (Ministry of Energy, TAMAB, 1994). The effective and necessary factors for the creation and development of karst are divided into three groups: physical, chemical and hydrogeological factors. The water penetrates into the fissures of soluble rocks, such as calcium carbonate, causes the development of fissures, and creates karstic forms (Mull et al., 1988). Despite the widespread occurrence (Klimchouk et al., 1996) and relevant importance in terms of function (risks, effects, and sources), gypsum karst has attracted less interest. The features of gypsum karsts can be the source of many problems such as the subsidence and sudden formation of sinkholes. Therefore, it is very important to identify and study the gypsum karsts for the construction and retention of various structures, especially the hydraulic ones, and also for the sustainable water management.

Method
This is an applied-development research based on the field and library methods. For this purpose, the dip, dip direction, vegetation, land use, geology, climate, distance from river, flow concentration points of hillslope streams, and distance from the conic line were used to prepare the layers. Also, the field studies were carried out to prepare and identify the dispersion map of sinkholes.
In this study, the fuzzy model was used to provide the zoning map for the evolution of karst. Fuzzy logic replaces and largely completes the conventional methods for the design and modeling of a system which requires advanced and relatively complex mathematics using the verbal values and conditions or, in other words, the expert knowledge, aiming to streamline the system design (Salami, 2010: 20). The degree of membership accepts the values between zero and one or these two limits (Van Alphen and Stoorvogel, 2000: 1710). In the rough set theory, if we consider a set, each member of the reference set is either in the set or not, and the following function can be defined for a given set A (Equation 1) (Momeni, 2010: 197).
█(μ_A (x)={█(1 ,If x∈A@0 ,If x∉A)┤#(1) )
This function assigns 1 to each member of set A and 0 to each member outside set A.
After delineating the plain boundary using the 1:50000 topographic map and determining the geological formations using the 1:100000 geological map and also preparing a vegetation map using the Landsat8 images, the maps of dip, dip face and elevation are also extracted from the DEM of area by the ARCMAP software. Finally, a score was assigned to each of the layers by examining a number of sinkholes in the area which were identified after the field studies using Google Earth software. From this map, 9 effective factors in the form of raster were multiplied by these scores, and finally, after collecting 9 maps by Raster Calculator tool, the final map was obtained.

Results and discussion
Gypsum sinkholes have attracted a little interest from researchers, although they can have a huge impact on facilities and roads. In this research, it was tried to identify the factors greatly contributing to the formation of gypsum sinkholes so that they could be effective in planning and managing the structures and in the effects this phenomenon can have on them. The placement of the Gachsaran formation in the synclines, due to its plastic nature, makes it practically possible to place gypsum karstic forms at lower elevations. The proximity and placement of river bed on Gachsaran formation causes the gypsum layers of this formation to be placed adjacent to the river flow, which facilitates the formation of sinkholes. Another important factor in the formation of sinkholes in this study area is the placement of gypsum layers adjacent to the conic line, which causes the hillslope water flow from the rainfall in the range of the conic line to easily perform the dissolution process. Also, the field visits carried out in the region indicate the formation of these forms in the stream lines in the hillslopes of the Gachsaran formation, which is the intersection point of the concentrated hillslope flow with the formation gypsum layer in the formation point of these sinkholes. It should be noted that the horizontal dip of the gypsum layer can cause the gypsum to be isolated by the marl, making the formation of the sinkholes in the hillslope impossible.

Conclusion
The factors such as low dip, geology of area, low elevation and intersection of streams with gypsum layers of the Gachsaran formation in the hillslopes have had the greatest effect on the formation of these phenomena. The results from the zoning map for the evolution of gypsum karst show that out of total 1114.1 square kilometers of Jaber plain, 36.9% is located in a high-risk zone, containing 85% of the sinkholes, and 49% in the low-risk zone, containing 15% of the sinkholes, and 14.1% of the study area is in the medium-risk zone.

کلیدواژه‌ها [English]

  • zoning
  • Jaber plain
  • sinkhole
  • Gypsum Karst
  • fuzzy model
  • بهنیافر، ا. و قنبرزاده، ه. (1394).ژئومورفولوژی کارست، مشهد: نگاران سبز.
  • تصویر ماهواره‏ایLand sat (2018)، USGS-NASA.
  • حیدری، ز.؛ قدیمی، م.؛ رضایی عارفی، م. و حیدری، ز. (1399)، شناخت عوامل مؤثر بر پراکندگی و وقوع فروچالهها با استفاده از شاخصهای کمی مورفومتریک، مطالعة موردی (دشت کرمانشاه)، پژوهش‏های ژئومورفولوژی کمی، س ۹، ش 2، صص 215-226.
  • زنگنه اسدی، م. و ناعمی‏تبار، م. (1399). پهنهبندی توسعة کارست سطحی در حوضة آبریز فخر داوود (دامنة جنوبی بینالود)، جغرافیا و روابط انسانی، دورة 3، ش
  • سازمان زمین‏شناسی کشور، نقشة زمینشناسی مقیاس1:100000 . شیت شمارة
  • شرکت مهندسی مهاب قدس (1381). طرح سد و نیروگاه سیمره (مطالعات مرحلة دوم)، گزارش زمین‏شناسی مهندسی، صفحه
  • صفاری، ا. و قنواتی، ع. (1394). ارزیابی مخاطرات شکل‏گیری فروچاله‏ها در مناطق کارست گچی (مطالعة موردی: منطقة گلگیر، شمال شرق خوزستان)، کنگرة بین‏المللی تخصصی علوم و زمین، دورة
  • صفاری، ا.؛ کیانی، ط. و زنگنه‌تبار، س. (1398). بررسی عوامل مؤثر در توسعهیافتگی و پهنهبندی کارست کوهستان خورین با استفاده از منطق فازی، نشریة تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، س ۱۹، ش 55، صص 23-36.
  • صفاری، ا.؛ موسی‏وند، ج. و افتخاری، م. (1390). تحلیل توسعة کاربری‏های شهری در مناطق لغزشی با استفاده از تلفیق مدل‏های تصمیم‏گیری چندمعیاره (مطالعة موردی: حوضة رود دره)، نشریة تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، ج 19، ش 22، صص 85-107.
  • صفاری، ا.؛ قنواتی، ع.؛ علیجانی، ف. و محمدی، ز. (1395). مروری بر خصوصیات لندفرم‏های کارستی در لایههای گچی، پژوهش‏های ژئومورفولوژی کمی، صص ۱۷39-.
  • علمی‏زاده، ه. (1391). تحلیل مورفولوژی و شیب در ارتباط با فرسایش (نمونة موردی حوضة نچی)، سپهر، دورة ۲۰، ش ۶۰، صص 79-83.
  • قبادی، م.؛ ساعدی، ب.؛ مهدی آبادی، ن. و احمدزاده، ج. (1395). معرفی پدیده‏های ژئومورفولوژی کارست تودة آهکی بیستون- پرآو، هشتمین همایش انجمن زمین‏شناسی مهندسی و محیط زیست ایران، 17 و 18 شهریور 1392، دانشگاه فردوسی مشهد، صص 184- 199.
  • قربانی، م.؛ محمودی، ف.؛ یمانی، م. و مقیمی، ا. (1388)، نقش تغییرات اقلیمی کواترنر در تحول ژئومورفولوژیکی فروچاله‏های کارستی، مطالعة موردی: ناهمواری‏های شاهو، غرب ایران، پژوهش‏های جغرافیای طبیعی، ش 74، صص 1-16.
  • کریمی، ح. (1390). بررسی سازوکار تشکیل فروچالههای دشت جابر در جنوب شرق استان ایلام، زمین‏شناسی کاربردی پیشرفته، دورة 1، ش 2، صص 125-139.
  • کریمی، ح.؛ گرایی، پ. و توکلی، م. (1391). پهنه‏بندی خطر وقوع فروچاله با استفاده از رگرسیون چندمتغیره، مطالعة موردی: فروچاله‏های ریزشی، مجلة زمین‏شناسی کاربردی پیشرفته، ش 6، صص 53-62.
  • محمدیان، م.؛ لشکری‏پور، غ.؛ غفوری، م. و قبادی، م.ح. (1394). انحلال‏پذیری سنگهای گچی سازند گچساران و اثرات زیستمحیطی آن در شرق استان خوزستان، دورة 13، ش 3، صص 11-
  • مقصودی، م.؛ کریمی، ح.؛ صفری، آ. و چهارراهی، ذ. (1388). بررسی توسعة کارست در تودة پرآو و بیستون با استفاده از ضریب فورد، زمان مرگ چشمه‏ها و تحلیل نتایج ایزوتوپی و شیمیایی، پژوهش‏های جغرافیای طبیعی، ش 69، صص 51-65.
  • مکرم، م. و نگهبان، س. (1398). بررسی و شناسایی مناطق دارای پتانسیل کارستی شدن با استفاده از روش فازی و مدل تحلیل سلسله‏مراتبی، جغرافیا و برنامه‏ریزی محیطی، س 30، شمارة پیاپی 74، ش 2، صص 121-134.
  • موسوی، ق. و صادقیان، ر. (1395). بررسی منطق فازی و کاربرد آن در مسائل پیچیده، ماهنامة پژوهش ملل، دورة ۲، ش 15، صص 76-89.
  • مؤمنی، م. (1389). مباحث نوین در تحقیق در عملیات، تهران: انتشارات مؤلف.

وزارت نیرو (تماب) (1373). فرهنگ چندزبانة واژههای کارست، سازمان تحقیقات منابع آب.

Behniafar, A, Ghanbarzade, H, (2015), Geomorphology of karst.

 

  • Carter, M.W. and Laporte, G. (1998). Recent developments in practical course timetabling, The practice and theory of automated timetabling (Part II), Toronto, Canada, Lecture notes in computer science 1408, Springer-Verlag, 3-19.
  • Cooper, A.H. and Gutiérrez, F. (2013). Dealing with gypsum karst problems: hazards, environmental issues, and planning. In: Shroder, J. (Editor in Chief), Frumkin, A. (Ed.), Treatise on Geomorphology. Academic Press, San Diego, CA, Karst Geomorphology, V 6, PP. 451-462.

Cooper, H. (2006). Anthony, Gypsum dissolution geohazards at Ripon, North Yorkshire, UK, IAEG2006 Field Trip Guide Ripon.

Elmizade, H. (2012). Morphological and slope analysis in relation to erosion (Case Study of the Nachi Basin), Sepehr, Volume 20, Issue 80, Winter 2012, PP 79-83.

  • Entezari, M. and Aghaeipour, Y. (2018). Zonation of Karst development using Entropy Model (Case study: Paraw – Bistoon mountain masses). Journal of Geography and Environmental Planning, Vol, 29, No. 2, Ser No. (70).
  • Ford, D. C. and Williams, S. (1989). Karst geomorphology and hydrology 1989. Springer Netherlands,1-601, ISBN 978-94-011-7780-1.

PP 2020).adi, M, Naemitabar, M,,earch, Geological Survey of the country, geological map of scale 1: 100000.

Land sat image 2018.

Ghorbani, M., Mahmoudi, F, Yamani, M., Moghimi, A.(2010). The role of quaternary climate changes in geomorphologic evolution of sinkhoes, case study: Shaho roughnesses, west of Iran. Natural Geography Research, No. 74, Winter 2010. PP 16-16.

Ghobadi, M, H, Sa'edi, B, Mehdi Abadi, N, Ahmadzadeh, J. (2013) Introduction of Karst geomorphological phenomena of Bisotun - Prao Calcareum. Eighth Iranian Engineering and Environmental Geology Congress. September 17th and 18th, 2013, Ferdowsi University of Mashhad.

Heidari, Z, Ghadimi, M, Rezaei , M, Heidari, Z. (2020). Identification and analysis of karst sinkholes with emphasis on the morphometric characteristics Indicators Case Study (Kermanshah Region), Quantitive Geomorphological Research, Volume 9, Issue 2 - Serial Number 34, Autumn 2020, PP 215-226.

 

Karimi, h. (2011). Investigating the mechanism of formind of sinkholes in Jaber Plain in the south east of Ilam province, Advanced Applied Geology, Volume 1, Issue 2, Winter 90, PP. 125-139 .

Karimi, H, Geraee, P, Tavakkoli, M. (2011). Zoning the risk of forming sinkholes with multivariate regression, case study: Collaps Sinkholes. Advanced Geology Journal 1391, Winter 91, No. 6 .

  • Guo, Sh.; Yan, CH.; Yu, L.; Liu, Y.; Zhou, Y. and Shi, X. (2020). Characteristics, Controlling Factors, and Formation of Shallow Buried Karst in Eastern China: A Case Study in the Wuxi Metro Areas, Jiangsu Province, Environmental and Engineering Geoscience, 26(2): 257-
  • Haibat, A. and Choi, J. (2019). Risk Prediction of Sinkhole Occurrence for Different Subsurface Soil Profiles due to Leakage from Underground Sewer and Water Pipelines, Sustainability 2020, 12, 310.

Klimchouk, Alexander (1996). THE lypology of Gypsum karst according to its geological and geomorphological evolution, lnt. J. Speleol, 25(3-4).

Ministry of Energy (Tamab). (1994). Multilingual Culture of Karstic Words, Water Resources Research Organization .

Moradi, S. Kalantari, N. Charachi, A. (2016). Karstification Potential mapping in northeast of Khuzestan province, Iran, using Fuzzy logic and analytical hierarchy process (AHP) technique.2016 Geopersia 6 (2), PP. 265-282.

Mokarram, M, Negahban, S, Investigating and Identifying Areas with Potential Karsticization using the Fuzzy Method and Analytical Hierarchy Process Model, 2019, Journal of Geography and Environmental Planning, Vol 30, No. 2, Ser No. (74).

Momeni, M., New Issues in Operations Research, 2010.

  • Moradi, S.; Kalantari, N. and Charachi, A. (2016). Karstification Potential mapping in northeast of Khuzestan province, Iran, using logic and analytical hierarchy process (AHP) technique, Geopersia, 6(2): 265-282.
  • Mull, D. S.; Neilsen, D. M. and Quinlan, J. F. (1988). Application of dye – tracing techniques for determine solute transport characteristics of Groundwater in karst terrains. United States Environmental Protection Agency.

Mohammadian, M, Ghafori, M, Ghobadi, M. (2015). A Study of the Gypsum Solubility of the Gachsaran Formation in East of Khuzestan Province and its Environmental Impacts, Enviromental sciences, Volume 13, Issue 3, Autumn 2015, PP 11-24.

Moosavi, GH, Sadeghian, 2015, Investigation of fuzzy logic and its application in complex problems, Research of nations, No 15 PP 76-89.

Maghsoudi, M, Karimi, H, Safari, F, Chaharrahi, Z. (2009). Investigation of karst development in Pravo-Biston massif using landing coefficients, spring death time and isotopic and chemical analysis, Physical Geography Research, No 69, PP 51-65.

Rajabi, M.; Hejazi, A. and Almasi GH (2017). Zonation of Superficial Karst Development Using Fazzy logic method (Case study: Shirez Karstic masses). Science Arena publications, 1(1):50-59.

Saffari, A, Kiani, T, Zngenetabar, S. (2019). Investigating the Factors Affecting the Development and Zoning of Khorini Mountain KarstUsing fuzzy logic, Geosciences Research Journal, Nineteenth Year, No. 55, Winter 8.

Saffari, A, Ghanavati, E, Alijani, F, Mohammadi, Z. (2016). Overview of  karst landforms  in the gypsum layers, 2016, Quantitive Geomorphological Reaserch, Volum 4, Issue 4 – Serial number 4, Spring. 

Saffari, A, Moosivand, J, Eftekhari, M. (2011). Analysis of urban land use development in landslide areas using integration, Case study : Darre rood basin, Journal of Applied Research in Geographical Sciences, Volume 19, Number 22, Fall 1, PP 85-107.

Saffari, A, Ghanavati, E. (2015). Assessing the risks of sinkholes formation in gypsum karst areas (Case study: Golgir area, northeast of Khuzestan province), International Specialized Congress of Science and Earth, Volume 34.

  • Van Alphen, B. J. and Stoorvogel, J. J. (2000). A functional approach to soil characterization in support of precision agriculture. Soil Science Society of America Journal, 64(5): 1706-1713.
  • White, W. B. (1989). Geomorphology and Hydrology of karst, oxford university press. Quinlan, j, Groundwater monitoring in karst terrains, EPA. 600/ x.

William, P. and Ford, D. (2007). Karst hydrogeology and geomorphology, John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England, 1-578.

Yamani, M, Shamsipoor, A, Jaafari Aghdam, M, Bagheri Seyed Shokri, S. (2013). Investigating the Factors Influencing the Development and Zonation of Karel Basin of Chole Basin Using Fuzzy Logic and AHP. Kermanshah Province. Journal of Earth Sciences, 2008, No. 88, PP. 57 to 66.

Zanganeasadi, M, Naemitabar, M. (2020). Zoning of surface karst development in Fakhr Davood catchment (southern slope of Binalood), Geography and Human Relations Volume 3 Autumn 1399 No. 10, PP 230-212.