بررسی عوامل مؤثر بر تکامل فروچاله‌های کارستیک در سازند گچساران با استفاده از مدل فازی نمونة پژوهش: دشت مارون کهگیلویه و بویراحمد

مقدمه

مناطق کارستی به مناطقی اطلاق می‌شود که با انحلال سنگ‌بستر و توسعة شبکة زهکشی زیرزمینی گسترش و ارتباط می‌یابد (Waltham et al., 2005: 1). عوامل مؤثر و لازم برای ایجاد و توسعة کارست به سه دستة فیزیکی، شیمیایی و وضعیت هیدروژئولوژیکی تقسیم می‌شوند. آب داخل درزها و شکاف‌های سنگ‌های قابل انحلال مانند کربنات کلسیم نفوذ می‌کند و موجب توسعة درزها و شکاف‌ها می‌شود و اشکال کارستی را پدید می‌آورد (Mull et al., 1988). سازندهای تبخیری که بسیاری از آنها حاوی واحدهای گچی نازک هستند، 8 درصد از سطح زمین را پوشانده و زیربنای حدود 25 درصد از سطح قاره‌ای زمین را تشکیل داده‌اند (Ford and Williams, 2007: 15).

باید دانست که میان ژئومورفولوژی کارست و تکامل آن ارتباط نزدیکی وجود دارد؛ به طوری که فراوانی و گسترش پدیده‌های مورفولوژی کارست نشان‌دهندة گسترش کارست در ناحیه است (کریمی، 1390: 2)؛ به بیان دیگر وجود و نبود هریک از اشکال کارستی در یک منطقه، راهنمایی برای شناخت بهتر و بیشتر سیستم کارستی منطقه است (قبادی و همکاران، 1392: 300). کارست گچی با وجود رخداد گسترده و اهمیت آن ازلحاظ کاربردی (مخاطرات، آثار و منابع) کمتر مورد توجه قرار گرفته است (Klimchouk et al., 1996: 50). عوارض کارست گچی منشأ مشکلات و مسائل متعددی مانند فرونشست و شکل‌گیری ناگهانی فروچاله‌هاست و شناسایی و مطالعة آنها برای احداث و نگهداری سازه‌های مختلف به‌ویژه سازه‌های هیدرولیکی و همچنین مدیریت پایدار آب مهم است (Cooper and Gutiérrez, 2013: 1). با توجه به مسائل متعددی که در برخورد با کارست‌های گچی بـا آنهـا روبـه­رو هسـتیم، چنین مناطقی برای برنامه‌ریزی محلی و ملی، اقدامات با هدف کاهش خطرات، استفاده از منابع و درنتیجه توسعة ایمـن کارست گچی مفیدند؛ بدین منظور نخست بایستی چشم‌اندازها و لندفرم‌های گچی را شناخت؛ بر این اساس نخستین مرحلـه در مطالعة مناطق کارست گچی ژئومورفولوژی است (صفاری و همکاران، 1395: 18).

پیشینة پژوهش

مدل‌های متعددی ازجمله مدل سلسله‌مراتبی AHP، Fuzzy، رگرسیون خطی چندمتغیره و آنتروپی تاکنون درزمینة پهنه‌بندی ریسک تشکیل کارست استفاده شده‌اند و نتایج متعددی به دست آمده است. در ادامه به تعدادی از مطالعاتی اشاره شده که تاکنون دربارة پدیدة لندفرم‌های کارستی انجام شده است.

در پژوهش کریمی و همکاران (1391) در محدودة جابر در استان ایلام، عمدة فروچاله‌های گچی شکل‌گرفته از نوع ریزشی تشخیص داده و عوامل شکل‌گیری آنها شیب توپوگرافی، نوع سازند زمین‌شناسی، عمق آب زیرزمینی و فاصله از خط کنیک معرفی شده است.

محمدیان و همکاران (1394) پس از بررسی انحلال‌پذیری سنگ‌های گچی (ژیپس) سازند گچساران و آثار زیست‌محیطی آن در شرق خوزستان، فراوانی ساختارها (درزه‌ها و گسل‌ها) و عملکرد آب زیرزمینی را از عوامل اصلی تشکیل کارست در منطقه می‌دانند؛ همچنین درنتیجة انحلال سنگ‌های ژیپسی، میزان TDS و میزان یون‌های سولفات در آب‌های سطحی و زیرزمینی باعث کاهش کیفیت آب، و انحلال سریع سنگ‌ها باعث ایجاد فرونشست در منطقه شده است.

رجبی و همکاران[1] (2017) با استفاده از مدل فازی، تودة کارستی شیرز را بررسی کرده‌اند. آنها با استفاده از لایه‌های زمین‌شناسی، طبقات ارتفاعی، فاصله از گسل، شیب، وجه شیب، بارش، دما، فاصله از گسل و پوشش گیاهی، با ارزیابی شرایط هیدرولوژیک و ژئومورفولوژیک، نقشة مناطق دارای پتانسیل توسعة کارست را تهیه کرده‌اند.

مرادی و همکاران[2] (2016) نقشة پتانسیل تحول و تکامل کارست را با استفاده از مدل‌های فازی و AHP در شمال خوزستان تهیه کرده‌اند. آنها عامل تکتونیک را مؤثرترین عامل در تکامل کارست این منطقه دانسته‌اند.

انتظاری و آقایی‌پور[3] (2018) در یک مطالعه دربارة تودة پراو و بیستون با استفاده از مدل آنتروپی و بررسی پدیده‌های کارستی مانند سینک هول‌ها، اووالاها و غارها و همچنین شرایط هیدرولوژیک و ژئومورفولوژیک، 39 درصد تودة مطالعه‌شده را دارای پتانسیل زیاد و بسیار زیاد تکامل کارستی دانسته‌اند؛ همچنین وجود تعداد زیاد چشمه‌های کارستی نشان‌دهندة تحول زیاد کارست در این منطقه است.

هاندون چو و همکاران[4] (2017) مقاله‌ای با عنوان «ارزیابی آسیب‌پذیری آبخوان‌های کارستی ناشی از ورود آب به داخل کانال‌های کارستی با استفاده از مدل فازی» انجام دادند. نتایج به‌دست‌آمده از مدل فازی با بازدیدهای میدانی و نتایج حاصل از آن منطبق است.

آرزومند و همکاران[5] (2015) در مقاله‌ای با عنوان «ارزیابی آسیب‌پذیری آبخوان با کمک مدل فازی؛ مطالعة موردی: دشت کوچ اصفهان آستانه» وزن پارامترها را به کمک ضریب لاندا به فازی تبدیل کردند؛ وزن پارامترهای کمی با توابع عضویت و وزن پارامترهای کیفی با توابع گسسته به فازی تبدیل شدند و درنهایت پهنه‌بندی انجام شد.

دوناتلا کانیانی و همکاران[6] (2015) در مقاله‌ای با عنوان «طبقه‌بندی سلسله‌مراتبی خطر آلودگی آب زیرزمینی سایت‌های آلوده‌کننده با استفاده از منطق فازی؛ مطالعة موردی: منطقة باسیکیکاتای[7] ایتالیا» میزان تأثیرگذاری آلاینده‌های انسانی را بر منابع زیرزمینی آب بررسی کردند.

زمانی و همکاران (1396) پس از تهیة نقشة پهنه‌بندی پتانسیل وجود حفره‌های کارستی در واحدهای کربناتة استان مازندران، با استفاده از داده‌های آب ورودی به تونل، برای تونل‌های حفرشده و پراکندگی چشمه‌ها اعتبار نقشة تهیه‌شده را سنجیدند.

مددی و همتی (1394) با استفاده از پارامترهای زمین‌شناسی، فاصله از درز و شکاف، توپوگرافی، شیب، بارش و دما در محیط GIS با مدل فازی، نقشة پهنه‌بندی قابلیت کارست‌زایی منطقة نمک‌آبرود را تهیه کرده‌اند.

مکرم و نگهبان (1398) با استفاده از مدل فازی و سلسله‌مراتبی، مناطق دارای پتانسیل کارستی‌شدن را در جنوب شهرستان کازرون شناسایی کرده‌اند. در این مطالعه برای تعیین مستعدترین مناطق کارستی از نقشه‌های زمین‌شناسی، فاصله از گسل، بارش، ارتفاع، دما، فاصله از رودخانه و شیب استفاده شده است. براساس نتایج به‌دست‌آمده، عوامل لیتولوژیک، اقلیم و مورفولوژیک، مهم‌ترین عوامل تعیین‌کننده در میزان کارست‌زایی در این منطقه محسوب می‌شوند.

هیبت و چاو[8] (2019) فروچاله‌ها را یکی از تهدیدهای مهم تأسیسات شهری می‌دانند؛ در این زمینه نشت لوله‌های زیرزمینی مناطق مسکونی، یکی از عواملی است که به‌راحتی فروچاله‌ها را در این مناطق گسترش می‌دهد.

در پژوهش شولان ژو و همکاران[9] (2020) دربارة فروچاله‌های گچی این نتیجه حاصل شده که مهم‌ترین عوامل مؤثر بر شکل‌گیری کارست گچی، توپوگرافی، تکتونیک، سطح آب زیرزمینی و فعالیت‌های انسانی است.

حیدری و همکاران (1399) در بررسی فروچاله‌های آهکی دشت کرمانشاه، پارامترهایی مانند تغییرات در سیستم درز و شکاف، میزان بارش، دما، شیب و توپوگرافی را عوامل مؤثر بر گسترش و توسعة کارست سطحی می‌دانند؛ براساس نظر نویسندگان این پژوهش، عامل شیب زیاد، عاملی محدودکننده در توسعة کارست است.

در پژوهش حاضر با توجه به اینکه سازندهای گچی و پدیده‌های کارستی مرتبط با آنها تأثیر بسیار زیادی بر پایداری سازه‌های مهم ازجمله جاده‌ها و تأسیسات دارند و با در نظر گرفتن اینکه سرعت تشکیل این پدیده‌ها بسیار زیاد است، این منطقة مطالعاتی با استفاده از مدل فازی بررسی و پس از بازدیدهای میدانی مدل یادشده نیز صحت‌سنجی شد.

محدودة پژوهش

دشت مارون واقع در حوضة مارون در بخش چین‌خوردة سادة رشته‌کوه زاگرس در استان کهگیلویه و بویراحمد در عرض 31 درجه و 19 دقیقه تا 31 درجه و 22 دقیقه و طول 51 درجه و 12 دقیقه تا 51 درجه و 17 دقیقه و در نقشة زمین‌شناسی 1:100000 بهبهان قرار دارد (شکل 1). این منطقه در مرز غربی استان خوزستان با استان کهگیلویه و بویراحمد واقع است. حوضة مارون بسته به ارتفاع، اقلیم متفاوتی دارد؛ با توجه به سیستم تقسیم‌بندی آب‌وهوا در سیستم کوپن سه نوع اقلیم مدیترانه‌ای سرد، نیمه‌گرمسیری و نیمه‌خشک با تابستان خشک قابل‌ تشخیص است. محدودة تپه ماهوری بررسی‌شده در این منطقه، آب‌وهوایی نیمه‌گرمسیری دارد. دشت مارون در محدودة زاگرس چین‌خورده قرار گرفته و سازندهای گچساران، آسماری، بختیاری، گورپی، میشان، سروک، پابده و رسوبات کواترنری ازجمله واحدهای لیتولوژیک است که در این منطقه جای گرفته‌اند.

شکل- 1 نقشة موقعیت محدودة پژوهش در کشور و استان

روش‌شناسی پژوهش

در نخستین مرحله از منطقة مطالعه‌شده بازدید و در ادامه نقشة پهنه‌بندی ریسک فروچاله با مدل فازی تهیه شد. در مدل فازی هر پارامتر همزمان در مجموعه‌های مختلف، اما با درجات متفاوت عضویت دارد. درجات عضویت مقادیر بین صفر و یک یا خود این دو حد را می‌پذیرد (Van Alphen and Stoorvogel, 2000: 1710). در نظریة مجموعه‌های دقیق، اگر یک مجموعه را در نظر بگیریم، هر عضو مجموعة مرجع یا در مجموعه هست یا نیست و می‌توان برای هر مجموعة A، تابع زیر را تعریف کرد (رابطة 1)، (مؤمنی، 1389: 197):

این تابع به هر عضو مجموعة A، عدد یک و به هر عضو خارج از مجموعة A، عدد صفر را نسبت می‌دهد. روش فازی با پنج عملگر که هریک نحوة عمل خاصی دارند، در محیط نرم‌افزار ArcGIS قابل ‌اجراست (Carter, 1996: 270). اجتماع فازی[10]، اشتراک فازی[11]، ضرب فازی[12]، جمع فازی[13]و گاما[14]. عملگر گاما نقش تعدیلی در نتیجة جمع و ضرب فازی دارد و حساسیت خیلی زیاد عملگر ضرب فازی و حساسیت خیلی کم عملگر جمع فازی را تعدیل و به واقعیت نزدیک‌تر می‌کند. مقدار گاما با قضاوت کارشناسی مبتنی بر نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل داده‌های مشاهده‌شده یا تجربیات موجود دربارة موضوع بررسی‌شده تعیین یا با آزمون سعی و خطا در تطبیق با شواهد واقعی می‌شود؛ از این رو عملگر گاما موجب دستیابی به خروجی‌هایی شده است که مناسب‌ترین مقادیر γ را در تطبیق با واقعیت‌ها و در مقایسه با خروجی‌های حاصل از به‌کارگیری سایر عملگرها مشخص می‌کند. این عملگر برحسب حاصل‌ضرب جبری فازی و حاصل‌جمع جبری فازی براساس رابطة 2 تعریف می‌شود:

در این رابطه ، لایة حاصل از گامای فازی و γ، پارامتر تعیین‌شده در محدودة صفر و یک است. زمانی که γ را برابر 1 قرار دهیم، ترکیبی که اعمال می‌شود، همان جمع جبری فازی و زمانی که γ برابر صفر باشد، ترکیب برابر با ضرب جبری فازی است. مقدار در نظر گرفته شده برای γ، مقادیری در خروجی ایجاد می‌کند که با اثر افزایشی جمع جبری و اثر کاهشی ضرب جبری فازی سازگاری دارد (Carter, 1996: 280)

به‌منظور توسعة کارست سطحی مراحل زیر به ترتیب انجام شد:

1. منطقة مدنظر پیمایش و موقعیت، شرایط تشکیل و مشخصات ظاهری 58 فروچاله برداشت شد.
2. پارامترهای فاصله از رودخانه، طبقات ارتفاعی، شیب، جهت شیب، فاصله از خط کنیک، اقلیم، فاصله از خطوط جریان در دامنه‌ها، زمین‌شناسی، پوشش گیاهی و کاربری اراضی به‌مثابة عوامل اصلی شکل‌گیری فروچاله‌ها انتخاب شد.
3. تابع عضویت لایه‌های وکتور براساس نوع رابطة هر پارامتر با پدیدة کارست‌زایی تعیین شد (گفتنی است تابع عضویت تعریف‌شده برای لایه‌های رستری به‌صورت کارشناسی و برمبنای نظر نگارندگان براساس آن چیزی است که در عملیات میدانی مشاهده شده است). هریک از پارامترهای مؤثر انتخابی به‌منزلة یک مجموعة فازی با تابع عضویتی بیان شد که این تابع عضویت درجة تعلق اعضای مجموعه را با یک عدد حقیقی بین [1،0] نشان می‌دهد؛ بنابراین تک‌تک لایه‌ها با توجه به هدف مدنظر براساس توابع عضویت فازی‌سازی شدند.
4. همة پارامترها با توجه به ماهیت رستری آنها با استفاده از توابع موجود در نسخة 10.3 نرم‌افزار ArcGIS یا کدنویسی در تحلیلگر Raster Calculator فازی‌سازی شدند.
5. درنهایت بنا بر میزان اهمیت هر لایه نسبت به سایر لایه‌ها با استفاده از نرم‌افزار EXPERT CHOICE، ضریبی برای هر لایه در نظر گرفته شد و لایه‌های یادشده در این ضرایب ضرب شدند.
6. از بین پنج عملگر فازی، عملگر گاما 0.8 به‌مثابة بهترین ضریب تلفیق روی‌هم‌گذاری شناخته و نقشة پهنه‌بندی خطر توسعة فروچاله‌ها تهیه و درنهایت با استفاده از روش شکستگی‌های طبیعی در سه کلاس ریسک زیاد، ریسک متوسط و ریسک کم طبقه‌بندی شد. در ادامه تابع عضویت این لایه‌ها معرفی شد.

در این پژوهش از اطلاعات دما و بارش همة ایستگاههای سینوپتیک مجاور منطقة مطالعاتی، نقشة زمین‌شناسی 100000/1 شیت کبیرکوه، تصویر ماهواره‌ای لندست 2018، نقشة توپوگرافی 50000/ 1 با عنوان بهبهان، نقشة کاربری اراضی و DEM ده متر محدودة مطالعه‌شده به‌مثابة داده‌های پژوهش استفاده ‌شده است. به‌منظور تجزیه و تحلیل داده‌ها و تهیة نقشه‌های مورد نیاز از نرم‌افزارهای Excel و GIS[15] و ENVI استفاده شده است.

نمودار- 1: ساختار کلی پژوهش

یافته‌های پژوهش

در بازدید میدانی انجام‌شده در مساحتی حدود 160000 مترمربع تعداد 61 فروچاله با متوسط قطر کوچک 21 متر و متوسط قطر بزرگ 25 متر برداشت و میزان مساحت این 61 فروچاله، 40166 مترمربع محاسبه شد؛ درنهایت پس از محاسبات انجام‌شده، مشخص شد حدود 25 درصد از مساحت کل منطقة پیمایش‌شده را فروچاله دربرگرفته است. کمترین ارتفاع کل محدودة مطالعاتی، 350 متر از سطح دریا و بیشترین آن، 1300 متر از سطح دریاست و فروچاله‌های برداشت‌شده در این ناحیه در ارتفاع 750 تا 800 متر قرار گرفته‌اند. شیب این منطقه حداقل 0 درجه و حداکثر 75 درجه دارد و موقعیت فروچاله‌ها نشان می‌دهد این پدیده در محدودة شیب زیر 11 درجه ایجاد شده است. باید توجه داشت برای شکل‌گیری فروچاله‌های گچی، علاوه بر ملایم و مناسب بودن شیب توپوگرافی منطقه، شیب رخنمون‌های گچی نیز بسیار مهم و مؤثر است. ویژگی مورفولوژیکی فروچاله‌های کشیدة این ناحیة مطالعاتی، نسبت قطر کوچک به قطر بزرگ آنهاست که این نسبت 1 به 3 اندازه‌گیری شد. می‌توان گفت این نسبت تابع ستبری لایه‌های گچی است. فرم عمومی این فروچاله‌ها قیفی‌شکل و براساس نظر فورد و ویلیامز^[16] (1989) مکانیزم شکل‌گیری فروچاله‌های با شیب زیاد در دیواره و مساحت کمتر در دهانه ریزشی است؛ بنابراین می‌توان گفت این فروچاله‌ها محصول همزمانی فرایند انحلال و ریزش گچ‌های سست‌شده هستند. اشکال 2 تا 11، نقشه‌های تهیه‌شده براساس پارامترهای فاصله از رودخانه، طبقات ارتفاعی، شیب، جهت شیب، فاصله از خط کنیک، اقلیم، نقاط تمرکز جریان در دامنه‌ها، زمین‌شناسی، NDVI و کاربری اراضی‌اند.

شکل- 2: نقشة وجه شیب

شکل- 3: نقشة شیب

شکل- 4: نقشة فاصله از خط کنیک

شکل- 5: نقشة زمین‌شناسی

شکل- 6: نقشة طبقات ارتفاعی

شکل- 7: نقشة فاصله از رودخانه

شکل- 8: نقشة اقلیم

شکل- 9: نقشة کاربری اراضی

شکل- 10: نقشة NDVI

شکل- 11: نقشة فاصله از خطوط جریان

زمین‌شناسی

فروچاله‌ها درواقع در سازندها و لایه‌های قابل انحلالی ازجمله آهک، گچ و نمک شکل می‌گیرند. در این مطالعه محدوده‌ای بررسی شده که سازند گچساران بخش عمده‌ای از آن را زیر پوشش قرار داده است. نقشة زمین‌شناسی در این پژوهش از نقشة 1:100000 بهبهان استخراج شده است. با توجه به این مسئله که فروچاله‌های مطالعه‌شده صرفاً در لایه‌های گچی موجود در سازند گچساران شکل می‌گیرند، امتیاز کمی به سازندهایی همچون پابده و گورپی، شامل لایه‌های مارنی، تعلق می‌گیرد؛ بنابراین تنها سازند گچساران بیشترین امتیاز را به خود اختصاص داده و به سایر سازندها امتیاز صفر داده‌ شده است.

دما و بارش (اقلیم)

با توجه به اهمیت دما و میزان بارش، با استفاده از آمار 20سالة بارش و دمای محدودة مطالعه‌شده و براساس روش دمارتون^[17] (1962) نقشة اقلیم تهیه شد و براساس آن منطقه در دو محدودة خشک و نیمه‌خشک قرار گرفت. طبقه‌بندی اقلیمی دمارتون براساس عناصر دما و بارندگی پایه‌گذاری شده، ولی بین حرارت و مقدار رطوبت رابطة تجربی زیر را برقرار کرده است:

در این رابطه I ضریب خشکی، T متوسط درجه‌حرارت سالانه به سلسیوس و P متوسط بارندگی سالانه به میلی‌متر است؛ بر این اساس 6 نوع اقلیم مشخص شده است.

جدول- 1: طبقه‌بندی اقلیمی دمارتون (1962)

طبقات ارتفاعی

طبقه‌بندی ارتفاع در مطالعات مربوط به پدیده‌های کارست گچی با طبقه‌بندی ارتفاع در پهنه‌بندی پدیده‌های کارستی آهکی بسیار متفاوت است. قرارگیری سازندهای آهکی در ستیغ ارتفاعات به‌واسطة خصوصیات فیزیکی آن و قرارگیری سازند انعطاف‌پذیر گچساران در ناودیس‌ها این مسئله را تأیید می‌کند. طبقه‌بندی ارتفاع در مطالعات مربوط به پدیده‌های کارست گچی با طبقه‌بندی ارتفاع در پهنه‌بندی پدیده‌های کارستی آهکی متفاوت است. فرسایش‌پذیری کم سازندهای آهکی آسماری نسبت به سازند گچساران سبب شده است پس از رخداد فاز کوه‌زایی و به سبب آن، ایجاد چین‌خوردگی، لایه‌های سازند گچساران از روی بخشی از آهک آسماری شکل‌دهندة طاقدیس فرسایش یابد و بخشی از گچساران باقی بماند که در ناودیس‌ها قرار دارد و کمتر در معرض فرسایش قرار گرفته است؛ بنابراین امتیازدهی به طبقات ارتفاعی در مطالعات گچی دقیقاً برعکس طبقه‌بندی در مطالعات آهکی است و هرچه طبقات ارتفاعی به کف ناودیس نزدیک‌تر می‌شود، امتیاز بیشتری را به خود اختصاص می‌دهد؛ همچنین این عامل، جهت رواناب‌ها و میزان تراکم شبکة زهکشی را کنترل می‌کند و در میزان رطوبت خاک و شیب دامنه‌ها نیز تأثیر دارد.

ارتفاع منطقة پژوهش، دامنه‌ای از 470 تا 1670 متر را شامل می‌شود. براساس عضویت فازی محاسبه‌شده از تلفیق طبقات این عامل با پهنه‌های کارستی منطقه، پایین‌ترین طبقة ارتفاعی 470 تا 700 متر بیشترین تابع فازی (عدد 1) را دارد و از ارتفاع 880 متر به بالا پهنة کارستی یا پدیدة کارستی وجود ندارد و عضویت فازی این محدوده 0.1 به دست آمد.

شکل- 12: نیمرخ زمین‌شناسی دشت مارون (منبع: نقشة زمین‌شناسی 1:100000 بهبهان)

فاصله از خط کنیک

قرارگیری لایه‌های گچی سازند گچساران در مجاورت خط کنیک سبب می‌شود در نقاط تلاقی این لایه‌ها و جریان‌های متمرکز دامنه‌ای که در زمان بارندگی و سیلاب‌ها شکل می‌گیرند، پتانسیل تشکیل فروچاله‌ها افزایش یابد. در دشت جابر واقع در شمال شرقی شهر ایلام، یکی از عوامل مهم تشکیل فروچاله‌ها، همین عامل بوده است (کریمی و همکاران، 1391: 58).

شیب

شیب و مورفولوژی دامنه‌ها تأثیر زیادی بر فرایند شکل‌گیری فروچاله‌ها دارد. برای بررسی این عامل با در نظر گرفتن این مسئله که مناطق دارای شیب کم فرصت نفوذ آب را در زمین افزایش می‌دهند و هرچه زمان بیشتری آب در مجاورت لایه‌های گچی قرار گیرد، فرایند انحلال بیشتر و سریع‌تر انجام می‌شود و درنتیجه کاهش شیب به تشکیل فروچاله‌ها کمک می‌کند، به هر بخشی از دشت که کمترین میزان شیب را دارد، امتیاز بیشتری داده شده است. با بررسی‌های انجام‌شده، بیشترین مقدار عضویت فازی به طبقة شیب 0 تا 10 درجه اختصاص داده شد و کمترین مقدار امتیاز به مناطق با حداکثر شیب یعنی دامنة بین 80 تا 90 درجه تعلق دارد. البته باید به این نکته اشاره کرد که در شیب‌های بالای 30 درجه، عضویت فازی پهنه‌ها کاهش می‌یابد؛ این موضوع نشان می‌دهد در شیب‌های بالاتر از 30 درجه، شرایط برای شکل‌گیری فروچاله‌ها نامساعد می‌شود.

جهت شیب

براساس پژوهش‌هایی که تاکنون دربارة جهات شیب انجام شده است، از دامنة شمالی با عنوان جهت سایه‌گیر و از دامنة جنوبی با عنوان دامنة آفتاب‌گیر یاد می‌شود؛ بنابراین با توجه به اینکه دما، تبخیر و تعرق در دامنه‌های شمالی نسبت به دامنة جنوبی کمتر است، این دامنه‌ها از پوشش گیاهی متراکم‌تر و رطوبت بیشتری برخوردارند (علمی‌زاده، 1391: 81)؛ بنابراین در این پژوهش به جهت شمال و شمال غرب بیشترین امتیاز داده شده است؛ زیرا پتانسیل شکل‌گیری فروچاله در این مناطق بیشتر است.

کاربری اراضی

با بررسی نقشة کاربری اراضی براساس میزان تأثیرگذاری هر منطقه بر فرایند کارست‌زایی، بیشترین و کمترین میزان امتیاز برای هر منطقه در نظر گرفته شده است؛ بر همین اساس جنگل‌های دارای تراکم زیاد به این سبب که توانایی نگهداشتن رطوبت بیشتری را دارند، امتیاز 1 را به خود اختصاص داده‌اند و به ترتیب با کمترشدن میزان تراکم پوشش گیاهی این میزان امتیاز به حداقل یعنی 0.1 رسیده است. زمین‌های کشاورزی با کشت دیم و باغ، کمترین میزان امتیاز را به خود اختصاص داده‌اند.

پوشش گیاهی

پوشش گیاهی این محدودة مطالعاتی با استفاده از تصویر ماهواره‌ای Landsat و تابع NDVI در محیط نرم‌افزار ENVI استخراج شده است. این محدودة مطالعاتی به دو بخش پوشش گیاهی نیمه‌متراکم و فاقد پوشش گیاهی تقسیم شده است. هرچه پوشش گیاهی متراکم‌تر باشد، امتیاز بیشتری به لایه داده می‌شود؛ زیرا با افزایش تراکم پوشش گیاهی، حفظ رطوبت که عامل اصلی انحلال است، آسان می‌شود.

فاصله از رودخانه

انطباق آبرفت‌های رودخانه‌ای و سازند گچساران این مسئله را مطرح می‌کند که حضور گچ‌های سازند گچساران در قسمت زیرین آبرفت‌ها و مجاورت آنها با آب رودخانه‌ها، باعث انحلال گچ می‌شود و درنهایت ریزش آبرفت‌های رودخانه‌ای، نوع فروچالة رمبشی (collapse sinkhole) را ایجاد می‌کند؛ بنابراین نقشة فاصله از رودخانه نیز از پارامترهای بررسی‌شده بوده و هرچه فاصله از بستر رودخانه کمتر می‌شود، امتیاز بیشتری را به خود اختصاص داده است. در طبقه‌بندی 500متری فاکتور فاصله از رودخانه، کمترین میزان طبقه‌بندی (0 تا 500 متر) و عمدة این منطقه شامل بستر رودخانه امتیاز 1 دارد و هرچه فاصله بیشتر شود، این امتیاز کمتر می‌شود؛ زیرا به سبب فاصله از بستر رودخانه و بیشترشدن ارتفاع از میزان مجاورت آب‌های جاری سطحی و همچنین زیرسطحی با لایه‌های گچی کاسته شده و محدودة 3000 تا 3500 متر فاصله از بستر رودخانه امتیاز صفر را به خود اختصاص داده است.

فاصله از خطوط جریان

برای انجام این مطالعه، درمجموع از پنج منطقة دارای فروچاله‌های گچی با مشخصات ارتفاعی و اقلیمی بازدید شد. یکی از مکان‌هایی که عموماً این فروچاله‌ها در آن قرار گرفته‌اند، در مسیر آبراهه‌ها در دامنه‌های گچی سازند گچساران است. بازدیدهای میدانی انجام‌شده در منطقة مطالعاتی مارون گویای این مطلب است که بیشتر فروچاله‌های شکل‌گرفته در این ناحیه در مسیر آبراهه‌هاست؛ بنابراین برای کمی‌کردن این پارامتر، نقشة آبراهه‌های محدودة مطالعاتی که با سازند گچساران همپوشانی دارند، استخراج و درنهایت نقشة فاصله از خطوط آبراهه با فاصلة 50 متر تهیه شد. شکل 13، نمونه‌ای از فروچاله‌های منطقه است که در مسیر آبراهه قرار دارند.

شکل- 13: فروچاله‌های دامنه‌ای تشکیل‌شده در مسیر آبراهه- دشت مارون

با بررسی فروچاله‌های برداشت‌شده در دامنة تپه‌ماهورهای دشت مارون، حداکثر قطر بزرگ این فروچاله‌ها که موازی با جهت جریان است، 50 متر و قطر کوچک آن که عمود بر جهت جریان قرار دارد، 20 متر است. با استناد به ابعاد مشاهده‌شده در بازدیدهای میدانی، فاصلة 50متری از خطوط جریان امتیاز 1 دارد و برای مناطق خارج از این محدوده حداقل امتیاز، یعنی 0.5 در نظر گرفته شده است؛ درواقع تلاقی خطوط جریان با لایه‌های گچی از بالادست شرایط را برای شکل‌گیری فروچاله‌ها مهیا می‌کند. انحلال لایه‌های گچ از بالادست این خطوط جریان به‌مرور زمان به‌صورت زیرسطحی نیز انحلال ایجاد می‌کند و گسترش تونل‌های زیرزمینی و انحلال سطحی به‌صورت همزمان فروچاله‌های کشیده و دارای پونورهای متعدد را شکل می‌دهد.

شکل‌های 14 تا 23، نقشة پارامترهای استفاده‌شده در مدل فازی هستند که براساس مدل و میزان تأثیرگذاری آنها بر تشکیل فروچاله‌ها امتیازدهی شده‌اند.

شکل- 14: نقشة اقلیم مدل فازی

شکل- 15: نقشة طبقات ارتفاعی مدل فازی

شکل- 16: نقشة زمین‌شناسی مدل فازی

شکل- 17: نقشة خط کنیک مدل فازی

شکل- 18: نقشة پوشش گیاهی در مدل فازی

شکل- 19: نقشة کاربری اراضی در مدل فازی

شکل- 20: نقشة شیب در مدل فازی

شکل- 21: نقشة وجه شیب در مدل فازی

شکل- 22: نقشة فاصله از رود در مدل فازی

شکل- 23: نقشة فاصله از خطوط جریان دامنه‌ها در مدل فازی

درنهایت با استفاده از فاکتورهای بیان‌شده و در چهارچوب مدل فازی در محیط GIS، نقشة پهنه‌بندی تشکیل فروچاله‌های گچی در دشت مارون تهیه و برای اثبات میزان کارایی این نقشه، مکان تعداد 58 فروچالة برداشت‌شده در بازدید میدانی روی نقشه مشخص شد. مدل استفاده‌شده دقت کافی را داشته است؛ زیرا 95 درصد از فروچاله‌های برداشت‌شده در بازدید میدانی در منطقة با ریسک زیاد قرار گرفته است (شکل 24).

شکل- 24: نقشة استخراج‌شده در مدل فازی

بحث

براساس مشاهدات و بررسی‌های انجام‌شده، مهم‌ترین عوامل مؤثر در شکل‌گیری فروچاله‌های این منطقه به ترتیب طبقه‌بندی ارتفاعی، شیب مناسب، قرارگیری لایه‌های ستبر گچ در مسیر آبراهه‌ها، کاربری اراضی، پوشش گیاهی و جهت شیب است. قرارگیری سازند گچساران در ناودیس‌ها سبب می‌شود مناطق نزدیک به کف ناودیس‌ها به‌لحاظ امتیازبندی ارزش بیشتری داشته باشند. در این مناطق هرچه میزان شیب کمتر باشد، شرایط برای شکل‌گیری فروچاله‌ها مناسب‌تر است. جریان‌های متمرکزی که از بالادست به سمت پایین‌دست حرکت می‌کنند، در مسیر آبراهه‌ها لایه‌های گچ را دچار انحلال می‌کنند و علاوه بر انحلال سطحی در صورتی که درز و شکافی در مسیر خود داشته باشند، انحلال زیرسطحی را نیز ایجاد خواهند کرد. تلفیق انحلال سطحی و زیرسطحی، فروچاله‌های کشیده‌ای در مسیر آبراهه‌ها ایجاد می‌کند که حاصل فرایند ریزش و انحلال خواهد بود. حال اگر پوشش گیاهی متراکم باشد، میزان رطوبت منطقه حفظ و انحلال نیز آسان می‌شود.

نوع فعالیت‌های انسانی نیز عامل مؤثری در تشکیل فروچاله‌ها محسوب می‌شود. فعالیت‌هایی مانند کشاورزی سنتی و آبیاری این مناطق، انحلال زیرسطحی را تسریع می‌کند و در کنار عوامل طبیعی، این تحول سریع‌تر شکل می‌گیرد. جهات شیبی که کمتر در معرض نور مستقیم خورشید قرار دارند و همچنین وجود پوشش گیاهی در این دامنه‌ها سبب می‌شود آب ناشی از بارش فرصت نفوذ بیشتری پیدا کند و از تشکیل رواناب جلوگیری شود؛ بنابراین دامنه‌های سایه‌گیر مانند جهت شمال، بیشترین پتانسیل شکل‌گیری فروچاله را دارند.

مطالب بیان‌شده همگی در گرو شرایط اقلیمی قرار دارند؛ به این معنی که اگر تمامی شرایط برای شکل‌گیری فروچاله‌ها مهیا باشد، اما شرایط اقلیمی و میزان بارش مناسب نباشد، فروچاله‌ای شکل نخواهد گرفت.

نتیجه‌گیری

فروچاله‌های گچی با وجود تأثیر بسیار زیاد بر تأسیسات و جاده‌ها کمتر توجه پژوهشگران را جلب کرده‌اند. در این پژوهش سعی شده است تأثیرگذارترین عوامل بر شکل‌گیری فروچاله‌های گچی شناسایی شوند تا در برنامه‌ریزی و مدیریت سازه‌ها و تأثیراتی که این پدیده بر آنها دارد، سودمند واقع شوند.

قرارگیری سازند گچساران در ناودیس‌ها عملاً محل قرارگیری اشکال کارستی گچی را در ارتفاعات پایین‌تر ممکن ساخته است؛ بر همین اساس پایین‌ترین طبقة ارتفاعی 470 تا 700 متر، بالاترین تابع فازی (عدد 1) را دارد و از ارتفاع 880 متر به بالا، پهنة کارستی یا پدیدة کارستی وجود ندارد و عضویت فازی این محدوده 0.1 به دست آمد. مجاورت و قرارگیری بستر رودخانه‌ها روی سازند گچساران سبب می‌شود لایه‌های گچی این سازند در مجاورت جریان سطحی آب رودخانه قرار گیرد و شکل‌گیری فروچاله‌ها آسان شود؛ به همین سبب کمترین میزان فاصله از بستر رودخانه که 0 تا 500 متر را شامل می‌شود، امتیاز 1 دارد و هرچه فاصله بیشتر شود، این امتیاز کمتر می‌شود؛ بنابراین محدودة 3000 تا 3500 متر فاصله از بستر رودخانه امتیاز 0.1 را به خود اختصاص داده است.

یکی دیگر از عوامل مهم شکل‌گیری فروچاله‌ها در محدودة مطالعاتی، قرارگیری لایه‌های گچی در مجاورت خط کنیک است که سبب می‌شود جریان آب دامنه‌ای ناشی از بارندگی در محدودة خط کنیک فرایند انحلال را به‌راحتی انجام دهد. فاصلة 50متری از خطوط کنیک امتیاز 1 دارند. بازدیدهای میدانی انجام‌شده در منطقه گویای شکل‌گیری این اشکال در مسیر آبراهه‌ها در دامنه‌های سازند گچساران است. با توجه به اینکه بیشتر فروچاله‌های مشاهده‌شده در دشت مارون تابع آبراهه‌اند و در مسیر آبراهه قرار دارند، شکل عمومی فروچاله‌ها کشیده است و بیشتر آنها چندین پونور دارند. فاصلة زیر 50 متر از خطوط آبراهه امتیاز 1 دارد.

پهلوانی‌زاده و همکاران (1396) در بررسی حوضة آبریز سد مخزنی جرة استان خوزستان، دو پهنة کارستی با پتانسیل متوسط و زیاد و همچنین یک افق کارست زیرسطحی و یک گسل امتدادلغز را شناسایی کرده‌اند که نقش فعالیت‌های تکتونیکی در ایجاد مناطق کارستی و لغزشی درون مخزن را نشان می‌دهد. برخلاف مطالعة یادشده، در این مطالعه عوامل شیب کم، زمین‌شناسی منطقه، طبقات ارتفاعی پایین و محل تلاقی آبراهه‌ها با لایه‌های گچی سازند گچساران در دامنه‌ها، بیشترین تأثیر را در شکل‌گیری فروچاله‌ها داشته‌اند. نتیجة به‌دست‌آمده در نقشة پهنه‌بندی تحول و تکامل کارست گچی نشان می‌دهد از مجموع 7/402 کیلومترمربع محدودة دشت مارون، میزان 2/11 درصد در پهنة ریسک زیاد قرار گرفته که 95 درصد فروچاله‌ها را در خود جای‌ داده است؛ 5/18 درصد در پهنة ریسک متوسط قرار گرفته که 5 درصد فرو‌چاله‌ها را دربرگرفته است و 1/15 درصد منطقه در پهنة ریسک کم قرار گرفته است. گفتنی است 2/55 درصد از این چهار گوشه بر سازندهای پابده و گورپی، بختیاری، آسماری و میشان منطبق بوده است؛ بنابراین ریسک شکل‌گیری فروچاله‌های گچی در این سازندها صفر درصد و غیرممکن است. در بررسی نهایی این منطقة مطالعاتی، مهم‌ترین و تأثیرگذارترین عوامل مؤثر در تشکیل فروچاله‌ها در این منطقه، شیب و قرارگیری لایه‌های گچ در مجاورت خطوط آبراهه است.