فهرست نشریات علمی دسترسی آزاد ایران

مقدمه فرونشست زمین یک پدیده زمین‌شناسی است که موجب پایین رفتن آرام و افقی سطح زمین می‌شود (Hu et al, 2009). پدیده فرونشست ناشی از عوامل طبیعی و غیرطبیعی است. عوامل طبیعی شامل حرکات زمین‌ساختی، انحلال سنگ‌های آهکی، وجود فروچاله‌های کارستی، تخلیه ماگما، اکسیداسیون خاک‌های آلی و تراکم طبیعی خاک است که در مقیاس زمانی طولانی ظاهر می‌شوند، در حالی که عوامل غیرطبیعی عمدتا ناشی از فعالیت‌های بشر می‌باشند (Poland, 1984). این عوامل همچون افت شدید و غیر قابل برگشت سطح آب زیرزمینی، استخراج نفت و گاز، در فاصله زمانی کوتاه‌تری ایجاد می‌شوند. با برداشت آب زیرزمینی که با زهکشی آب منافذ همراه است، فشار آب منفذی کاهش می‌یابد. این عمل بدان معنی است که تنش ناشی از وزن مواد بالایی به صورت تدریجی از آب منفذی به ساختار دانه‌ها انتقال می‌یابد. از جهت دیگر، وزن موثر رسوبات در منطقه غیر اشباع  زمانی که نیروی غوطه‌وری آب منفذی از بین می‌رود، افزایش می‌یابد. بنابراین برای جبران این افزایش فشار ممکن است ساختار دانه‌ها برای تعدیل این موقعیت تنشی جدید تغییر کند. تخلخل موجود در رسوبات برای تحمل این فشار اضافی، کاهش می‌یابد. این کاهش تخلخل با کاهش حجم رسوبات همراه است که نمود سطحی آن به صورت فرونشست است (Bouwer, 1977). برای اندازه‌گیری فرونشست زمین از روش‌های مختلفی مانند ترازیابی دقیق،  GPSو به‌ویژه تکنیک‌های سنجش از دور استفاده می‌شود. در این میان، تداخل‌سنجی راداری با استفاده از رادار با دریچه مصنوعی (InSAR) یکی از روش‌هایی است که در دو دهه اخیر تحول بزرگی در مطالعات مرتبط با تغییر شکل پوسته زمین ایجاد کرده است (Gabriel et al, 1989). با اینکه تداخل‌سنجی راداری اغلب به‌عنوان یک فناوری نوین در پایش دگرریختی‌های سطح زمین شناخته می‌شود، اما پتانسیل کامل این روش هنوز به‌طور دقیق از سوی مجامع علمی مشخص نشده و نتایج حاصل از آن در مواردی متعدد و پیچیده است (Ferretti et al, 2007) تکنیک تداخل­سنجی راداری به دلیل داشتن ویژگی­هایی چون قدرت تفکیک مکانی و زمانی مناسب و هم­چنین پوشش زمینی پیوسته به عنوان یکی از بهترین روش­های سنجش از دور در بررسی تغییرات سطحی زمین شناخته شده است (Rott and Nagler, 2014). در حال حاضر این روش به عنوان کارآمدترین روش­ها برای اندازه­گیری تغییرات سطح زمین با دقت و قدرت تفکیک مکانی بسیار بالا به شمار می­رود (Mohammadimanesh et al, 2018). در کشور ایران به دلیل خشکسالی‌های فراوان، به ویژه در شرق و مرکز آن، بهره‌برداری بی­رویه از آب‌های زیرزمینی افزایش یافته و پدیده فرونشست در بسیاری از دشت‌ها رخ داده ­است. شفیعی و همکاران (Shafiei et al, 2020) در یک بازه زمانی 12ساله به بررسی فرونشست آبخوان دشت نور آباد پرداختند. نتایج نشان دهنده افت سطح آب زیرزمینی به میزان22 متر در بخش­های شرقی، جنوبی و مرکزی آبخوان است. نقشه­های حاصل از فرونشست نشان دهنده فرونشست 16 سانتی­متری در بازه زمانی 4 ساله می­باشد. عابدینی و همکاران (Abedini et al, 2022) در بازه زمانی 2015 تا 2020 به بررسی فرونشست دشت ماهیدشت استان کرمانشاه به روش تکنیک تداخل سنجی راداری پرداختند. میزان افت سطح آب زیرزمینی در این بازه 28/2 است که پیامد آن سبب ایجاد فرونشست 15 سانتی­متری شده است. مهرابی و همکاران (Mehrabi et al, 2023) با استفاده از تکنیک پیکسل­های کوهرنس (CPT) فرونشست دشت جیرفت را مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان دهنده افزایش نرخ نشست به طور فزاینده است به طوری­که طی سال 2014 تا 2022 میزان فرونشست از 11 سانتی­متر به 13 سانتی­متر در سال رسیده است. علاوه بر برداشت بی­رویه از آبخوان فرونشست تحت تاثیر گسل سبزواران نیز قرار دارد. رجبی و همکاران (Rajabi et al, 2024) میزان فرونشست دشت کرمانشاه را در یک بازه زمانی 4 سال از سال 2017 تا 2021 با روش تداخل­سنجی تفاضلی تعیین کردند. پیش­بینی فرونشست در این پژوهش با استفاده از عوامل موثر و روش تحلیل سلسله مراتبی انجام شده­ است و انطباق مناطق دارای بیشینه فرونشست به دست آمده و مناطق با احتمال فرونشست زیاد در نقشه پیش­بینی فرونشست نشان داده شده­ است. تعیین میزان و چگونگی فرونشست در ارزیابی، کنترل و مدیریت خسارات ناشی از آن بسیار مهم است. برای پایش و اندازه­گیری نرخ فرونشست در دشت نیشابور در فاصله زمانی 1366 تا 1398 روش‌های مختلفی از قبیل سیستم موقعیت‌یابی جهانی (GPS)، ترازیابی (Spirit level) و روش تداخل­سنجی راداری با دریچه مصنوعی (SAR) توسط پژوهشگران مورد استفاده قرار گرفته است. مواد و روش­ها در این پژوهش، به­منظور تعیین ارتباط بین افت سطح آب زیرزمینی و پدیده فرونشست زمین در دشت نیشابور، ابتدا شرایط زمین‌شناسی و اقلیمی گستره مطالعه شد. سپس اطلاعات مربوط به 54 حلقه چاه مشاهده‌ای در یک دوره 30 ساله آبی (1366 تا 1396) جمع‌آوری و هیدروگراف مربوط به آن‌ها تهیه شد. برای بررسی فرونشست دشت نیشابور از تصاویر ماهواره Sentinel-1A(S-1A) برای بازه­های زمانی 10/2014 تا 10/2018 استفاده شده است. برای پردازش تصاویر راداری از نرم­افزار GMTSAR و از مدل ارتفاع رقومی ماهواره راداری ناسا (SRTM) با قدرت تفکیک 90 متر برای حذف اثر توپوگرافی در طی فرآیند تداخل­سنجی استفاده شده است. در زمان پردازش تصاویر ماهواره Sentinel-1A، دو شرط خط مبنای مکانی کمتر از 125 متر و خط مبنای زمانی کمتر از 75 روز برای تهیه تداخل­نگارها در نظر گرفته شده است پس از تهیه تداخل­نگارها و به منظور رفتارسنجی جابجایی سطح زمین در زمان، از تحلیل سری زمانی داده­های تداخل­سنجی راداری استفاده شده که با استفاده از روش کمترین مربعات تداخل­نگارها وارون شده و تغییر شکل در زمان­های دریافت تصاویر محاسبه شده است. همچنین خطای مداری مربوط به عدم دقت در اندازه­گیری طول خط مبنای مکانی که فاز تداخل­نگارها را تحت­تاثیر قرار می­دهد در طی فرآیند مسطح­سازی، حذف شده است در نهایت با استفاده از کدنویسی در نرم­افزار Matlab و تمامی تداخل­نگارهای تهیه شده نرخ متوسط فرونشست در جهت قائم تهیه شده است. به دلیل اینکه تصاویر از لحاظ زمانی پیوستگی ندارند، نقشه نرخ متوسط فرونشست برای دو بازه زمانی 29/10/2014 تا 24/4/2016 و بازه زمانی 22/05/2016 تا 03/10/2018 تهیه شده است (سازمان زمین‌شناسی و اکتشافات معدنی کشور، 1399). در گام بعد نقشه‌های فرونشست دشت نیشابور حاصل از پردازش تصاویر ماهواره­ای Sentinel 1-A مورد استفاده قرار گرفت و با مقایسه موقعیت پهنه‌های نشست با نقشه هم‌افت سطح آب زیرزمینی، میزان ارتباط بین این دو پارامتر بررسی و شواهد و پیامدهای ناشی از این پدیده در گستره مورد مطالعه گردآوری شد. نتایج و بحث با توجه به هیدروگراف چاه‌های مشاهده‌ای، نوسان‌های سطح آب زیرزمینی در چاه‌های مشاهده‌ای را می­توان در قالب سه گروه  A، B و C دسته‌بندی کرد: - در چاه‌های مشاهده‌ای گروه  Aسطح آب زیرزمینی در طول زمان نوسان خاصی نداشته و یا نوسان آن بسیار کم بوده‌ است. این گروه از چاه‌ها در گستره شمال غرب دشت واقع شده­اند و تغذیه سطحی و زیرزمینی بسیار مناسبی دریافت می‌کنند (شکل 2 ب)، به­طوری ­که با وجود برداشت قابل توجه از آب زیرزمینی در گستره آن‌ها، افت چندانی نشان نمی­دهند. - در چاه­های مشاهده‌ای گروه B  به ­دلیل برداشت بیش از حد از آبخوان در گستره آن‌ها، سطح آب زیر زمینی دچار افت دائم و سیر افت یکنواخت بوده ‌است. چاه مشاهده‌ای جنوب حسین آباد جنگل معرف این گروه از چاه‌ها است. - در چاه‌های مشاهده‌ای گروه C سطح آب زیرزمینی دارای نوسان کاهشی سینوسی بوده ‌است، بدین معنی که سطح آب آن‌ها دارای افت بوده ولی در طول فصل مرطوب در نتیجه افزایش میزان تغذیه و کاهش برداشت دچار بالا آمدگی شده ‌است. در طول دوره خشک با افزایش میزان برداشت مجدداً سطح آب دچار افت ­شده و افت به‌ وجود آمده بسیار بیشتر از میزان بالاآمدگی در طول دوره مرطوب بوده ‌است. بنابراین سطح آب در هر سال آبی نسبت به سال قبل افت بیشتری داشته ‌است. بررسی نقشه‌های فرونشست دشت نیشابور نشان می‌دهد که بیشترین نرخ فرونشست در دوره زمانی (06/1393 تا 01/1395)،  4/15 سانتی‌متر بر سال و در بازه زمانی (02/1395 تا 10/1397)، 8/14 سانتی‌متر بر سال بوده ‌است. در دشت نیشابور چهار گستره با نرخ بالای فرونشست (بیشتر از 9 سانتی‌متر بر سال) وجود دارد. - گستره بحرانی شمال شرق دشت: این گستره بحرانی در شرق شهر نیشابور واقع شده است و حداکثر نرخ فرونشست دشت (8/14 سانتی‌متر بر سال) در آن قرار دارد. در این گستره، جاده اصلی و خط آهن سراسری مشهد- تهران و همچنین بخش عمده صنایع دشت نیشابور قرار دارند. - گستره بحرانی مرکزی: این گستره در غرب و جنوب غرب شهر نیشابور واقع شده و حداکثر نرخ فرونشست دشت در آن 12 سانتی‌متر بر سال است. در این گستره نیز جاده اصلی و خط آهن سراسری مشهد- تهران واقع شده‌ است و بخش عمده کشاورزی دشت نیشابور در این گستره صورت می‌گیرد.  - گستره بحرانی غربی: این گستره در غرب دشت نیشابور واقع شده و حداکثر نرخ فرونشست دشت در آن 12 سانتی‌متر بر سال است. در این گستره نیز جاده اصلی و خط آهن سراسری مشهد- تهران واقع شده ‌است و قدیمی‌ترین آثار شکاف‌های ناشی از فرونشست در دشت نیشابور- روستای بازوبند در این گستره قراردارد. - گستره بحرانی جنوبی: این گستره در جنوب و جنوب شرق دشت نیشابور واقع شده و حداکثر نرخ فرونشست در آن 12 سانتی‌متر بر سال است. در این بخش از دشت نیز کشاورزی به صورت گسترده صورت می‌گیرد. در دشت نیشابور بهره‌برداری گسترده از منابع آب زیرزمینی در طی 50 سال گذشته باعث افت شدید سطح آب زیرزمینی شده ‌است. بررسی انطباق منحنی‌های هم افت 30 ساله دشت نیشابور و نقشه­ فرونشست تهیه شده دو ساله 1397-1395 نشان می‌دهد که تقریبا در بخش بزرگی از دشت میزان افت 30 ساله بیش از 20 متر بوده ‌است و گستره‌های فرونشست چهارگانه منطبق بر مناطقی است که افت سطح آب­زیرزمینی در آن­ها بیش از 30 متر است. از مهم‌ترین پیامد­های فرونشست در گستره دشت نیشابور می‌توان به شکاف‌های طولی ممتد، شکاف‌های منقطع، حفره‌های مدور، چاله‌های وسیع و فروچاله‌ها اشاره‌کرد. شکاف‌های طولی ممتد در بخش‌های زیادی از حاشیه دشت نیشابور مشاهده می‌شوند که از بهم پیوستن شکاف‌های منقطع و دارای یک امتداد مشخص به­ وجود می‌آیند. شکاف‌های منقطع که در مرحله ابتدایی ایجاد شکاف‌های طولی ممتد هستند، پس از بارش باران و وقوع سیلاب شکاف‌های طولی ممتد را به ­وجود می‌آورند (Rokni et al, 2016). حفرات مدور حاصل فرونشینی طبقات زیرین می‌باشند و در بخش‌هایی از حاشیه دشت دیده می‌شوند. علاوه بر این، نشست زمین شکاف‌های بزرگ کششی ایجاد کرده ‌است که طول برخی از آن‌ها به چندین کیلومتر و عمق آن‌ها به بیش از 10 متر می‌رسد. این شکاف‌ها که به آهستگی و در مواردی به­طور ناگهانی گسترش می‌یابند، گاهی ترمیم­ناپذیر و مخرب هستند و خسارت‌های عمده‌ای بر تاسیسات سطحی شامل خطوط نفت و گاز، جاده‌ها، خطوط راه­آهن و بناها وارد می‌کنند. نتیجه­گیری در دشت نیشابور چهار گستره بحرانی شمال شرق، بحرانی مرکزی، بحرانی غربی و بحرانی جنوبی با نرخ بالای فرونشست (بیش از 9 سانتی­متر بر سال) وجود دارد. بیشترین میزان فرونشست در شرق شهر نیشابور با حداکثر نرخ فرونشست دشت (8/14 سانتی‌متر بر سال) رخ داده ‌است که جاده اصلی، خط آهن سراسری مشهد-تهران و بخش عمده صنایع دشت نیشابور در این گستره قرار دارند. در سه گستره بحرانی دیگر حداکثر نرخ فرونشست 12 سانتی‌متر بر سال است. نمودارهای میزان افت سطح آب زیرزمینی و نرخ فرونشست سطح دشت نشان می‌دهد که افت سطح آب زیرزمینی بر نشست زمین تاثیر به‌سزایی دارد. در بخش بزرگی از دشت نیشابور میزان افت 30 ساله بیش از 20 متر بوده ‌است و پهنه‌های فرونشست چهارگانه منطبق بر بخش‌هایی از دشت است که افت سطح آب­زیرزمینی در آن‌ها بیش از 30 متر بوده‌ است. دستاورد­های حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد که برداشت آب بیش از توان بازیابی آبخوان یکی از علت‌های اصلی فرونشست در سطح دشت است. بنابراین توجه ویژه به مدیریت منابع آب زیرزمینی ضروری می‌باشد. پیامدهای ناشی از پدیده فرونشست در گستره دشت ایجاد شکاف‌های طولی ممتد و منقطع، حفره‌های مدور و چاله‌های وسیع بوده‌اند. گسترش این ترک‌ها تا جاده اصلی، خط راه آهن سراسری و خطوط انتقال نفت و گاز ممکن است خطرهای گوناگونی را در پی داشته‌باشد.