بررسی تغییرات زیست محیطی اطراف دریاچه حوض سلطان قم با استفاده از داده‌های هواشناسی و روش‌های سنجش از دور

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و یک، شماره سه، خرداد ماه 98

بررسی تغییرات زیست محیطی اطراف دریاچه حوض سلطان قم با استفاده از داده­های هواشناسی و  روش­های سنجش از دور

الهام فروتن[1] ^*

eliforootan@yahoo.com

مرضیه علی­خواه اصل[2]

چکیده

زمینه و هدف: بررسی تغییرات زیست محیطی برای حفظ و استفاده بهینه منابع طبیعی امری ضروری است. به­این منظور از مطالعات صحرایی و نمونه­برداری  منطقه­ای استفاده می­شود که نیازمند صرف وقت و هزینه‌های گزاف است.

روش بررسی: در این تحقیق تغییرات میزان بارش، دما و سطح ایستابی  در منطقه مورد بررسی قرار گرفت و میزان تبخیر و تعرق با استفاده از رابطه بلانی کریدل در ماه مورد نظر محاسبه گردید. سپس از شاخص آب  MNDWI و شاخص گیاهیNDVI که از روش­های سنجش از دور می‌باشند به­منظور بررسی تغییرات زیست محیطی منطقه استفاده شد. منطقه مورد مطالعه اطراف دریاچه حوض سلطان قم در حاشیه بزرگراه تهران قم می‌باشد که با استفاده از تصاویر ماه اردیبهشت ماهواره­ای لندست سنجنده­ی ETM سال 2002 وOLI سال2013 مورد بررسی قرار گرفته است.

یافته­ها: استفاده از شاخص MNDWI در سال 2002 مساحت دریاچه را  857/7835هکتار و در سال 2013 مساحت را 062/6265 هکتار برآورد نموده است که این نتایج بیان­گر کاهش مساحت دریاچه در سال 2013 می­باشد . استفاده از شاخص NDVI نیز بیان می­دارد که پوشش گیاهی منطقه در سال 2002،  33/65هکتار و در سال 2013، 61/2942هکتار بوده که مبین افزایش مساحت پوشش گیاهی می­باشد. از طرفی بررسی میزان بارش، دما، تبخیر و تعرق پتانسیل  و سطح آب زیرزمینی  بیان­گر روند کاهنده میزان بارش و افت سطح ایستابی در منطقه و افزایش دما و تبخیر و تعرق در ماه مورد نظر می­باشد.

بحث و نتیجه گیری: نتایج تحقیق بیان می­دارد در سال 2013 برخی مناطق اطراف دریاچه به علت افت سطح ایستابی حالت غرقابی نداشته و شرایط رویش برای گیاهان بیش­تری فراهم شده و در برخی نقاط نیز کشت صورت پذیرفته است. افزایش پوشش گیاهی در منطقه و متعاقبا افزایش میزان تبخیر و تعرق، افت سطح آب زیرزمینی و روند نزولی سیر بارش در منطقه کاهش مساحت دریاچه در بازه زمانی مورد مطالعه را که با روش سنجش از دور نیز مشخص شده تایید می نماید.

واژه­های کلیدی: دریاچه حوض سلطان، قم، سطح ایستابی،MNDWI ، NDVI

Investigation of Environmental Changes around Hoze-Soltan Lake Using Meteorological Data and Remote Sensing techniques

Elham Forootan [3] *

eliforootan@yahoo.com

Alikhah Asl Marzieh [4]

Abstract

Background and Objective: Investigation of environmental changes is a necessity for maintenance and optimized utilization of natural resources. For this purpose, field measurements and region sampling, which are time-consuming and expensive, are implemented.

Method: In this study, precipitation, temperature and water level variations were investigated in the study area and evapotranspiration rates were calculated using Blanney-Criddle method. Moreover, remote sensing techniques such as Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and water index, MNDWI, were used to investigate the environmental changes. The study area is located around Hoze Soltan Salt Lake beside Tehran-Qom highway. The Landsat ETM satellite images of 2002 and OLI of 2013 in May were prepared to be used in this study.

Findings: Using MNDWI, the Hoze-Soltan Lake area were estimated as 7835.857 and 6265.062 hectare in 2002 and 2013, respectively, indicating the reduction of lake area in 2013. NDVI index revealed that vegetation cover increased from 65.33 hectare in 2002 to 2942.61 hectare in 2013. Moreover; investigation of rainfall volume, temperature, evapotranspiration and water level using the available data revealed a declining trend of rainfall volume and water level and an increasing trend of temperature and evapotranspiration in the region.

Discussion and Conclusion: The results of this study indicated that some parts of the region around Hoze-Soltan lake were not inundated in 2013 because of the decreased water level. This has provided a good growth condition for more plants and for cultivation in some parts. The increase of vegetation covers and consequently the increase of evapotranspiration along with water level withdraw and precipitation declining trend emphasize the reduction of lake area during the study period as presented by the remote sensing techniques. 

Keywords: Hoze-Soltan lake, Qom, Water level, MNDWI, NDVI

مقدمه

آب و خاک و متعاقب آن پوشش گیاهی که به­منظور تامین غذا، تولید علوفه، تولید اکسیژن و پاک­سازی هوا، تولید سوخت و ایجاد مناطق تفرج­گاهی و به­ویژه در مناطق خشک ونیمه خشک به جهت کنترل فرسایش آبی و بادی خاک دارای اهمیت فراوان می­باشد، از عوامل موثر در تشکیل زیست بوم­ها و اکوسیستم­های مختلف می­باشند. خشک­سالی­های اخیر و بحران آب در کشور ما منجر به کاهش میزان پوشش گیاهی و مساحت تشکیلات آبی در برخی نقاط شده است که آگاهی از میزان تغییرات پوشش گیاهی و مساحت تشکیلات آبی و بررسی تغییرات آن­ها، به منظور حفظ، توسعه و استفاده  بهینه از آن­ها و هم­چنین بررسی اثرات مختلف­شان بر محیط زیست امری ضروری است. از آن­جایی که بررسی­های میدانی برای شناخت خصوصیات پوشش گیاهی و تشکیلات آبی به طور مستمر و نیز مطالعه­ی تغییرات پوشش گیاهی و مساحت تشکیلات آبی در طولانی مدت، نیازمند صرف وقت و هزینه های گزاف است لذا استفاده از روش­های دقیق که دارای هزینه کم­تری می­باشند مد نظر قرار گرفته است. در سال 1972  با ارسال ماهواره لندست 1 ارزیابی زمین از طریق فضا آغاز شد و تصاویر ماهواره­ای به دست آمد. تصاویر سنجش از دور دارای سهولت در دسترسی بوده و با هزینه کمی اطلاعات مورد نیاز را در اختیار محققان قرار می­دهند، لذا یکی از کاربردهای اصلی سنجش از دور، شناخت الگوی پراکنش پوشش گیاهی و تشکیلات آبی بر روی زمین و ارزیابی آن در طی دوره های زمانی می­باشد. روش­های مختلفی برای پردازش تصاویر وجود دارد که یکی از مهم­ترین آن­ها آنالیز و بهبود طیفی می باشد که بر مبنای بررسی و پردازش انعکاس عوارض مختلف در طول موج های مختلف شکل گرفته است. از جمله آنالیزهای مرتبط در این زمینه می توان به اندکس­های مختلف در خصوص برآورد تاج پوشش هم­چون NDVI، SAVI،TNDVI و ...اشاره نمود(1). سپهری و فتحی  69 شاخص گیاهی را توسط داده­های سنجنده­ی TM لندست 5 به منظور برآورد درصد پوشش گیاهی مراتع حفاظت شده ی جهان نما-گرگان، به­کار بردند. آن­ها داده­های میدانی را بر اساس انحراف معیار طبقه بندی نمودند و سپس شاخص گیاهی مناسب را برای هر طبقه تعیین کردند(2). خواجه الدین برای تعیین تاج پوشش گیاهی منطقه­ی جازموریان، داده­های حاصل از سنجنده ی MSS لندست را به­کار برد و یک سری از شاخص­های گیاهی را محاسبه نمود که بر اساس نتایج به­دست آمده، به جز شاخص­های NDVI و ND6، سایر شاخص های گیاهی به­کار رفته با درصد پوشش گیاهی رابطه داشتند(3). علوی پناه و رفیعی تغییرپذیری طیفی پدیده های مختلف (پوشش گیاهی و آب) را با استفاده از داده­های سنجنده­ی TM مورد بررسی قرار دادند و قابلیت 41 شاخص گیاهی شامل شاخص­های انعکاسی و حرارتی را در تفکیک پدیده­های مختلف پوشش­های گیاهی مشخص نمودند. آن­ها در انتهای کار خود نتیجه گرفتند که اگر چه نقش شاخص­های گیاهی حاصل از دو باند قرمز و مادون قرمز نزدیک در مطالعات پوشش گیاهی غیر قابل انکار است ولی استفاده از دیگر ترکیب­های باندی نیز می­تواند در مطالعات پوشش مورد استفاده قرار گیرد، به خصوص باند حرارتی به دلیل ماهیت متفاوتی که با باندهای انعکاسی دارد می­تواند مکمل اطلاعات حاصل از باندهای انعکاسی باشد(4). تراهی و چاندرای  روشی را برای نقشه نمودن و پایش کردن تغییرات پوشش زمین با استفاده از داده­های چند طیفی TMو ASTER در منطقه زاگرس ایران بین سال­های 1990،1998،2006 ایجاد نمودند(5). هم­چنین چاندراپرم شاخص­های پوشش گیاهی هم­چونSAVI, TNDVI, NDVI را ارزیابی نمود و نتایج تحقیق وی تایید نمود که NDVI بهترین نتیجه ودقت را برای ارزیابی پوشش گیاهی دارا می باشد(6). در سال2013  در تحقیقی از شاخص­های WI و SI وNDVI برای بررسی تغییرات مساحت دریاچه و شوری خاک و پوشش گیاهی منطقه استفاده شد(7). در تحقیق دیگری شاخص­های مختلف آب برای بررسی و مقایسه دقت آن­ها در دریاچه ارومیه مورد استفاده قرار گرفت. نتایج این مطالعه نشان داد که شاخص MNDWI  بیش­تر از نتایج WI به نتایج طبقه بندی نظارت شده شباهت دارد. از سویی در تحقیق دیگری از شاخص MNDWI برای بررسی تغییرات منابع آب سطحی استفاده شد(8). تحقیق مشابه برای مقایسه شاخص­های تشکیلات آبی نشان داد که  NDWI بهتر از شاخص­های MNDWI و AWEI می باشد(9).

هدف از انجام این تحقیق آن است که از شاخص NDVIو شاخص آبMNDWI برای بررسی تغییرات پوشش گیاهی منطقه اطراف دریاچه حوض سلطان قم و مساحت دریاچه استفاده شود و با استفاده از برخی داده­های ایستگاه هواشناسی،  تغییرات برخی مولفه­های تاثیرگذار بر آب ورودی به دریاچه مورد بررسی قرار گیرد.

شاخصNDVI  [5] روس و همکاران(9): شاخص نرمال شده اختلاف پوشش گیاهی می­باشد که در تفکیک مناطق پوشش گیاهی ضعیف از خاک­های لخت و نیز تعیین میزان نسبی پوشش گیاهی دارای کاربری موثر می­باشد و رابطه آن به صورت زیر می­باشد:

IR= مادون قرمز و  R= قرمز می­باشد.

 به منظور محاسبه مساحت دریاچه از شاخص­ MNDWI استفاده شد که به شرح زیر می­باشد(10):

که در آن  MIRمادون قرمز میانی و Green باند سبز می­باشد.

مواد و روش­ها

دریاچه نمک حوض سلطان در موقعیت جغرافیایی 50 درجه و  56 دقیقه شرقی و 34 درجه و 59 دقیقه شمالی در 40 کیلومتری شمال شهرستان قم و 85 کیلومتری جنوب تهران و در حاشیه بزرگراه تهران قم قرار دارد. این دریاچه که به دریاچه ساوه قم ودریاچه شاهی هم معروف است، درمواقع بارندگی وذوب برف­های ارتفاعات اطراف چون بر میزان آب ورودی افزوده می­شود، وسعت آن زیاد ودر غیر از این ایام وسعت آن کاهش می­یابد . بدین ترتیب سطح آب دریاچه پیوسته درنوسان است.

شکل1- موقعیت منطقه مطالعاتی در کشور

Figure1. The study area situation in country

در این تحقیق از تصاویر ماه می(اردیبهشت) سنجنده هایETM+ سال 2002 و OLI سال 2013  استفاده شد. از آن­جایی که منطقه مورد مطالعه دارای ناهمواری کمی می­باشد، روش معادلات چند جمله­ای درجه اول به­کار گرفته شد و از آن­جایی که روش نزدیک­ترین همسایه نسبت به روش های دیگر مقادیر DN را کمتر تغییر می­دهد از این روش برای بازنویسی درجه روشنایی پیکسل­ها استفاده گردید. پس از طی مراحل مذکور شاخص NDVI بر روی تصاویر اجرا شده و محاسبه مساحت پوشش گیاهی در بین عرض­های جغرافیایی     تا       و طول­های جغرافیایی     تا     در نرم افزار  ARC-GIS انجام پذیرفت. سپس از شاخص MNDWI   برای محاسبه مساحت دریاچه در سال 2002 و 2013 استفاده شد. هم­چنین در این تحقیق از آمار بارش و دمای ایستگاه کوشک نصرت که در موقعیت جغرافیایی ″56′53º50 شرقی و ″28′05º35 قرار دارد و آمار برداری از آن از سال 2006 موجود می باشد استفاده شد. در مورد دما بازسازی آماری با استفاده از ایستگاه­های اطراف صورت پذیرفت و میزان تبخیر و تعرق با استفاده از معادله بلانی کریدل محاسبه گردید و در مورد بارش بازسازی با استفاده از ایستگاه معرف و ضریب همبستگی مد نظر قرار گرفت. به منظور بررسی تغییرات سطح آب زیرزمینی نیز اندازه­گیری­های انجام شده در نزدیک­ترین چاه­های پیزومتری مورد استفاده قرار گرفت.

یافته­ها

نتایج استفاده از شاخص NDVI در اشکال (2) و ( 3) مساحت آن در جدول (1) قابل مشاهده می­باشد و نتایج استفاده از شاخص MNDWI در اشکال (4)و (5) و مساحت آن در جدول (2) آورده شده است. استفاده از شاخص MNDWI در سال 2002 مساحت دریاچه را  857/7835هکتار و در سال 2013 مساحت را 062/6265 هکتار برآورد نموده است که این نتایج بیان­گر کاهش مساحت دریاچه در سال 2013 می­باشد . استفاده از شاخص NDVI نیز بیان می­دارد که پوشش گیاهی منطقه در سال 2002،  33/65هکتار  و در سال 2013، 61/2942هکتار بوده که مبین افزایش مساحت پوشش گیاهی می­باشد.

جدول1- مساحت پوشش گیاهی در سال­های 2002 و 2013

Table1. Vegetation area in 2002 and 2013

جدول 2- مساحت دریاچه در سال­های 2002 و 2013

Table2. Lake area in 2002 and 2013

هم­چنین به منظور بررسی آمار ایستگاه هواشناسی منطقه، بازسازی آمار ایستگاه کوشک نصرت درسال 2002 تا 2006 با استفاده از روش ایستگاه معرف و روش همبستگی با سایر ایستگاه­ها(ایستگاه قم، کهک،سلفچگان) انجام پذیرفت. در روش ایستگاه معرف میانگین هم­زمان سه ایستگاه مذکور از سال 2006 تا 2013 گرفته شد و با میانگین بارش ایستگاه کوشک نصرت مورد مقایسه قرار گرفت که متاسفانه مقادیر میانگین بارش هیچ یک از ایستگاه­ها در محدوده ده درصد تغییرات میانگین بارش ایستگاه کوشک نصرت نبود(جدول3) از سویی به علت پایین بودن ضریب همبستگی با سایر ایستگاه­ها آمار هیچ یک از ایستگاه­های اطراف قابلیت استفاده برای بازسازی آمار ایستگاه کوشک نصرت را نداشت، لذا فقط تغییرات میزان بارش ماه مورد نظر در طول دوره آماربرداری شده مورد بررسی قرار گرفت.

جدول 3- میانگین هم­زمان بارش(سال 2006 تا 2013) ایستگاه­های دارای آمار استان قم

Table 3. simultaneous rainfall average (2006 to 2013) in Qom province stations with statistic data

شکل6- تغییرات میزان بارش ماه اردیبهشت در ایستگاه کوشک نصرت

Figure 6. The rainfall volume variations of Ordibehesht month in Kooshk Nosrat station

همچنین تغییرات سطح آب زیرزمینی در نزدیک­ترین ایستگاه به دریاچه حوض سلطان قم در سال­هایی که آمار آن موجود بوده در شکل (7) نشان داده شده است و تغییرات میزان دما و تبخیر و تعرق روزانه در ماه اردیبهشت  در اشکال (8) و (9) آورده شده است.

شکل7- تغییرات عمق آب زیرزمینی

Figure 7. Water table variations

شکل8-تغییرات میزان تبخیر و تعرق پتانسیل ماه اردیبهشت

Figure 8. Potential evapotranspiration variations in Ordibehesht month

شکل9- تغییرات میزان دما در ماه اردیبهشت

Figure 9. The temperature variations in Ordibehesht month

بحث و نتیجه گیری

سنجش از دور و فناوری سیستم اطلاعات جغرافیایی از جمله تکنولوژی­های برتر و کارآمد در بررسی تغییرات محیطی و مدیریت منابع هستند که اطلاعات به روز را برای اهداف مدیریتی فراهم می­آورند. تصاویر سنجش از دور با تفکیک مکانی بالا در علوم زیست محیطی کاربرد بسیاری دارد. داده­های ماهواره­ای دارای کاربرد وسیعی در امور کشاورزی و منابع طبیعی در زمینه­ی اوضاع کمی و کیفی محصولات کشاورزی، تشخیص برخی انواع محصولات، شناسایی درختان، برآورد سطح زیر کشت، رشد و نمو محصولات و تولید، آفات و امراض می­باشند. مطالعه­ی جنگل ها و مراتع و تفکیک آن­ها بر اساس تراکم، گونه های جنگلی و مرتعی، تعیین تنش های شوری، کم آبی، شناسایی هالوفیت­ها و تهیه­ی نقشه­های کاربری اراضی، از دیگر کاربردهای داده های ماهواره ای است(1). دریاچه حوض سلطان یکی از جاذبه­های گردش­گری و طبیعی استان قم است که نوع خاصی از میگوی آب­های شور، (آرتمیا) را به صورت اختصاصی حفاظت می­کند. این میگو  از ارزش بیولوژیک و ژنتیکی بسیار مهمی برخوردار بوده و ثبت شده به نام دریاچه حوض سلطان است. وجود انواع دیاتوم­ها (جلبک­های تک سلولی) به عنوان اولین تولید­کنندگان غذا در اکوسیستم­های آبی در آب­های شور منطقه قابل تامل است. این گونه جلبک­ها در صورت تولید انبوه می­توانند در تعلیف دام مورد استفاده قرار گیرند. هم­چنین وجود انواع پرندگان بومی و مهاجر (تنوع پرندگان با وجود شرایط اقلیمی چشم­گیر است)، حضور برخی خزندگان و پستانداران در اکوسیستم منطقه و  نوع گیاهان منطقه که دارای خواص دارویی و مواد موثره می­باشند بیان­گر اهمیت توجه و حفاظت زیست محیطی دریاچه و مناطق اطراف آن می­باشد(11).  لذا در تحقیقی توان اکولوژیک دریاچه حوض سلطان به منظور استحصال نمک مورد بررسی قرار گرفته است (12). در این تحقیق نیز از شاخص NDVI و شاخص آب MNDWI به منظور بررسی تغییرات پوشش گیاهی اطراف دریاچه و مساحت دریاچه استفاده گردید. پردازش تصاویر در سال­های 2002 و 2013 بیان­گر آن است که پوشش گیاهی منطقه در سال 2013 نسبت به سال 2002 افزایش و مساحت دریاچه کاهش داشته است. لذا آمار بارش، دما و عمق آب زیرزمینی در نزدیک­ترین ایستگاه موجود مورد بررسی قرار گرفت. بررسی تغییرات میزان بارش و سطح آب زیرزمینی با استفاده از آمار موجود بیان­کننده روند کاهنده میزان بارش و نیز افت سطح ایستابی در منطقه بوده و بررسی تغییرات دما و تبخیر وتعرق نشان دهنده افزایش دما و تبخیر و تعرق در منطقه می­باشد که از دلایل کاهش مساحت دریاچه حوض سلطان است. هم­چنین از آن­جایی که در مناطق اطراف دریاچه حوض سلطان قم سطح ایستابی نزدیک سطح زمین می باشد لذا در اردیبهشت ماه سال 2002 که مساحت دریاچه بیش­تر بوده است، در مکان­های بیش­تری شرایط غرقابی حاکم بوده و امکان رویش پوشش گیاهی کم­تری وجود داشته است. در سال 2013  افت سطح آب زیرزمینی در منطقه بیش­تر شده و شرایط عبور و مرور هوا به درون خاک فراهم شده است. لذا برخی مناطق اطراف دریاچه حالت غرقابی نداشته و شرایط رویش برای گیاهان بیش­تری فراهم شده و در برخی نقاط کشت نیز صورت پذیرفته است. نتایج این تحقیق که از مقایسه دو تصویر مربوط به ماه اردیبهشت و با فاصله زمانی 11 سال و با استفاده از آمار منطقه به دست آمده است، بیان­گر اهمیت پایش مداوم مساحت دریاچه حوض سلطان به­منظور حفظ اکوسیستم آبی و محیط زیست موجودات ساکن در منطقه می­باشد که باید در برنامه­های مدیریتی مد نظر قرارگیرد.

تشکر و قدردانی

بدین وسیله از دانشگاه پیام نور مرکز قم که انجام این تحقیق را  مورد حمایت مالی قرار داده­اند تشکر و قدردانی می­شود.

Reference

1. Alavi Panah. Sayed Kazem,2004. Application of Remote Sensing in Earth Sciences (Soil Science). Tehran University Press.

2. Sepehri. Adel and Fathi. Mohammad Reza, 2008, Application of Landsat TM Satellite Data in Estimating Soybean Dry Crop in Protected Rangelands of Jahanaman, Journal of Agricultural Science and Natural Resources, Vol. 8, No. 1.
3. Khaje Din. Seyed Jamaloddin, 1996, Use of satellite data of MSS- 5 Landsat in studying plant communities and determination of saline lands in Jazmurian region, Second National Conference on Desertification and Different Methods of Desertification, Kerman.
4. Alavi Panah. Sayed Kazem and Rafiei Imam, Amar, 2004, Comparison of vegetative indices based on each thermal band with indices derived from reflection band in ground source studies, geomechanical congress.
5. Torahi, A.A., Chand Rai, S. Land Cover Classification and Forest Change Analysis, Using Satellite Imagery-A Case Study in Dehdez Area of Zagros Mountain in Iran, Journal of Geographic Information System, 3,1-11. 2011 .
6. Prem Chandra,J. Performance evaluation of vegetation indices using remotely sensed data, International Journal  Of  Geomatics And Geosciences, Vol.2, N.1. 2011 . 
7. Ahmed  M, Al-Khafaji  A. Assessment Environmental Changes in Al-Habbaniya Lake and Surrounding Areas in the Central Part of Iraq, Journal of Natural Sciences Research, Vol.3, No.4, 8-15. 2013.
8. Rokni,K., Ahmad.A., Selamat.A., Hazini.Sh. Water Feature Extraction and Change Detection Using Multitemporal Landsat Imagery. 6, 4173-4189pp. 2014. doi:10.3390/rs6054173
9. Rouse, J. W., Hass, R. H., Schell, J. A and Deering, D. W. Monitoring vegetation systems in the great plains with the ERTS, Proceeding, third ERTS symposium Vol. 1. Pp. 48-62. 1973
10. Xu, H. Modification of normalised difference water index (NDWI) to enhance open water features in remotely sensed imagery. Int. J. Remote Sens. 27, 3025–3033.2006.
11. Mehdi Nia Mojtaba, 2010, Introduction of Tourism Area of Lake Hoze- Soltan Qom. http://www.mehrmg.ir
12. Kakayi Kazem, 2007, Estimation of Ecological Capacity of Lake Hoze- Soltan (for extraction of salt from the lake), Master thesis, Department of Environmental Management, Islamic Azad University, 90Pp.

.