ایران - مشهد مقدس
اداره کل زمین شناسی و اکتشافات معدنی منطقه شمال شرق
پروژه منتخب
اداره‌کل زمین‌شناسی و اکتشافات معدنی منطقه شمال‌شرق، بر پایه برنامه‌ریزی علمی و عملیاتی و با تکیه بر توان تخصصی کارشناسان، پروژه‌های متعددی را در حوزه زمین‌شناسی و اکتشافات معدنی به انجام رسانده یا در دست اجرا دارد. با هدف انتقال تجربه، مستندسازی فعالیت‌های تخصصی و معرفی نتایج تلاش همکاران، در هر شماره از فصلنامه، یک یا چند پروژه شاخص و منتخب معرفی می‌شود.
پایش فرونشست زمین در استان خراسان رضوی با استفاده از روش‌های سنجش از دور و تداخل‌سنجی راداری
توسط: فهیمه صالحی
مقدمه
فرونشست زمین یکی از مهم‌ترین مخاطرات زمین شناختی است که به‌صورت کاهش تدریجی یا ناگهانی ارتفاع سطح زمین در اثر فرآیندهای طبیعی و انسانی رخ می‌دهد. این پدیده می‌تواند ناشی از عوامل مختلفی همچون برداشت از منابع آب زیرزمینی، فعالیت‌های معدنی، استخراج سیالات زیرسطحی، تراکم طبیعی رسوبات و بارگذاری سطحی باشد. در دشت‌های خشک و نیمه‌خشک، برداشت بیش از ظرفیت تجدیدپذیر آبخوان‌ها یکی از مهم‌ترین عوامل ایجاد و گسترش فرونشست به شمار می‌رود. کاهش فشار آب منفذی در اثر افت سطح آب زیرزمینی، به‌ویژه در لایه‌های ریزدانه و تراکم‌پذیر، موجب افزایش تنش مؤثر و تراکم لایه‌های زیرسطحی شده و در نهایت کاهش ارتفاع سطح زمین را به دنبال دارد. در بسیاری از موارد، این تراکم به‌صورت برگشت‌ناپذیر رخ داده و فرونشست ایجادشده ماندگار خواهد بود.
فرونشست زمین علاوه بر پیامدهای ژئومورفولوژیکی، می‌تواند موجب آسیب به زیرساخت‌های شهری و روستایی، راه‌ها، خطوط انتقال، تأسیسات و منابع آب شود. از این‌رو، شناسایی و پایش مستمر این پدیده از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. استان خراسان رضوی به دلیل شرایط اقلیمی خشک و نیمه‌خشک، وابستگی بخش قابل توجهی از فعالیت‌های کشاورزی و سکونتگاهی به منابع آب زیرزمینی و وجود دشت‌های گسترده آبرفتی، از مناطق مهم در زمینه مطالعه فرونشست زمین محسوب می‌شود. بر اساس بررسی‌های انجام‌شده، از مجموع 45 دشت موجود در استان، 17 دشت با پدیده فرونشست مواجه هستند.
در این مطالعه، با هدف شناسایی و پایش پهنه‌های فرونشستی استان خراسان رضوی، از داده‌های ماهواره‌ای راداری و روش تداخل‌سنجی راداری استفاده شده و وضعیت مکانی و نرخ فرونشست در محدوده‌های مطالعاتی مورد بررسی قرار گرفته است. تمرکز اصلی این مطالعه بر فرونشست مرتبط با برداشت از منابع آب زیرزمینی در آبخوان‌های استان است.
روش‌های سنجش‌ازدوری و پردازش ماهواره‌ای جهت مطالعه فرونشست زمین
یکی از روش‌هایی که برای مطالعه پدیده فرونشست به کار می‌رود، استفاده از روش‌های سنجش‌ازدوری و پردازش تصاویر ماهواره‌های راداری است. فناوری تداخل‌سنجی راداری (InSAR) یکی از کارآمدترین و اقتصادی‌ترین روش‌ها برای برآورد جابجایی‌های سطح زمین می‌باشد. این روش قادر خواهد بود با قدرت تفکیک بالا و پوشش وسیع، تغییر شکل در زمان و مکان را اندازه‌گیری کند. در این روش از ضرب یک تصویر SAR مختلط در مزدوج مختلط تصویر دوم اینترفروگرام (Interferogram) تولید می‌گردد. اینترفروگرام تصویری است که از اختلاف فاز دو تصویر به دست آمده در دو زمان مختلف، که از نظر هندسی به طور دقیق بر روی‌هم منطبق شده‌اند، حاصل می‌شود. اختلاف فاز یک اینترفروگرام شامل پنج مؤلفه است که در رابطه زیر آمده است.
ϕint = ϕflat + ϕtopo + ϕmov + ϕatmos +ϕnoise
در این رابطه ϕflat مؤلفه زمین مسطح یا فاز مربوط به انحنای زمین می‌باشد. ϕtopo فاز توپوگرافی است. ϕatmos مؤلفه فازی است که در اثر ناپایداری‌های اتمسفری ایجادشده است. ϕnoise فازی است که در اثر منابع ایجادکننده نویز به وجود آمده است. پس از حذف چهار عاملی که اشاره شد، ϕmov مؤلفه فازی است که در اثر جابجایی سطح زمین در فاصله زمانی بین دو تصویر SAR ایجادشده است برآورد می‌شود که گویای اختلاف فاصله عارضه تا سنجنده در دو زمان تصویربرداری است. به کمک مقدار اختلاف فاز می‌توان میزان جابجایی سطح زمین تا کسری از سانتی‌متر را استخراج کرد. در شکل 1 نمای شماتیک از چگونگی ساخت یک اینترفروگرام و برآورد جابجایی زمین با استفاده از روش تداخل‌سنجی راداری نمایش داده شده است. به‌منظور بررسی تغییرات فرونشست در طول زمان، از یک مجموعه اینترفروگرام استفاده می‌شود که برای برآورد فاز تجمعی آن‌ها و آنالیز سری زمانی مربوط به نرخ جابجایی در طول مدت‌زمان برداشت تصاویر، اینترفروگرامها با همدیگر تجمیع می‌گردند که در نهایت رفتار فرونشست به صورت پیوسته در زمان پایش می‌شود.
شکل 1- نمای شماتیک از چگونگی ساخت یک اینترفروگرام و برآورد جابجایی زمین با استفاده از روش تداخل‌سنجی راداری
در این مطالعه، تصاویر ماهواره‌ای راداری مربوط به سال‌های 2023 و 2024 مورد پردازش قرار گرفتند و با استفاده از تحلیل تداخل‌سنجی و سری زمانی، نرخ متوسط سالانه فرونشست و وسعت پهنه‌های درگیر در محدوده‌های مطالعاتی استان خراسان رضوی استخراج شد. نتایج حاصل به‌منظور شناسایی محدوده‌های بحرانی و مقایسه وضعیت دشت‌های مختلف مورد استفاده قرار گرفت.
وضعیت فرونشست در استان خراسان رضوی
نتایج پردازش تصاویر راداری نشان می‌دهد که فرونشست زمین در بخش‌هایی از دشت‌های استان خراسان رضوی از نظر نرخ و وسعت مکانی قابل توجه است. از میان 45 دشت موجود در استان، 17 دشت با فرونشست قابل اندازه‌گیری مواجه بوده و هفت محدوده شامل دشت‌های مشهد، نیشابور، کاشمر، جوین، بردسکن، فریمان–تربت‌جام و رخ به‌عنوان محدوده‌های بحرانی شناسایی شدند. در شکل 2 پهنه‌های پرخطر فرونشست در استان خراسان رضوی نشان داده شده است.
شکل 2- محدوده‌های بحرانی فرونشست زمین در استان خراسان رضوی
از نظر نرخ فرونشست، دشت مشهد با حداکثر نرخ سالانه 158 میلی‌متر در سال، دشت نیشابور با 137 میلی‌متر در سال و دشت رخ با 125 میلی‌متر در سال، بیشترین مقادیر نرخ فرونشست را در میان محدوده‌های مورد بررسی نشان می‌دهند. از نظر وسعت نیز دشت‌های مشهد، نیشابور، فریمان–تربت‌جام، کاشمر و بردسکن دارای پهنه‌های گسترده‌تری از فرونشست هستند؛ به‌گونه‌ای که در برخی از این دشت‌ها بیش از نیمی از مساحت آبخوان درگیر فرونشست شده است.
در دشت کاشمر، حدود 73 درصد از مساحت آبخوان با وسعت تقریبی 600 کیلومتر مربع درگیر فرونشست گزارش شده است که بر این اساس، وسعت پهنه فرونشستی حدود 438 کیلومتر مربع برآورد می‌شود.
دشت مشهد نیز از نظر نرخ و وسعت فرونشست دارای شرایط قابل توجهی است. از مجموع 2511 کیلومتر مربع مساحت آبخوان این دشت، حدود 1323 کیلومتر مربع، معادل 53 درصد، درگیر فرونشست بوده است. همچنین حدود 90 کیلومتر مربع از آبخوان دشت مشهد دارای نرخ فرونشست بیش از 90 میلی‌متر در سال است که معادل حدود 5/3 درصد از مساحت آبخوان می‌شود.
بررسی همزمان نرخ و وسعت پهنه‌های فرونشستی، امکان ارزیابی جامع‌تر وضعیت فرونشست در دشت‌های بحرانی استان را فراهم می‌کند؛ به‌گونه‌ای که پهنه‌هایی با نرخ بالای فرونشست و همچنین پهنه‌هایی با نرخ کمتر اما گستره مکانی وسیع، قابل شناسایی و مقایسه خواهند بود.
در شکل شماره 3، نمودار مقایسه‌ای وضعیت فرونشست دشت‌های بحرانی استان بر اساس نرخ و وسعت پهنه فرونشستی ارائه شده است. نتایج این مقایسه نشان می‌دهد که شدت و اهمیت فرونشست در دشت‌های مختلف تنها تابع نرخ بیشینه جابه‌جایی نبوده و گستره مکانی پهنه درگیر نیز از عوامل مهم در ارزیابی وضعیت فرونشست به شمار می‌رود.
بر این اساس، نتایج پایش ماهواره‌ای می‌تواند مبنایی برای شناسایی و اولویت‌بندی دشت‌های بحرانی و برنامه‌ریزی مطالعات تکمیلی و پایش‌های دوره‌ای قرار گیرد. همچنین، تلفیق این نتایج با داده‌های سطح آب زیرزمینی و اطلاعات زمین‌شناسی و هیدروژئولوژیکی، امکان تحلیل دقیق‌تر ارتباط میان تغییرات آبخوان و الگوی مکانی و زمانی فرونشست را فراهم می‌کند.
شکل 3- نمودار وضعیت فرونشست دشت‌های بحرانی استان بر اساس نرخ و وسعت پهنه فرونشست
