تحلیل فضایی فرونشست دشت جیرفت با استفاده از تکنیک پیکسل‌های کوهرنس (CPT)

مقدمه

پدیدۀ فرونشست یکی از مشکلات روزافزون و اساسی در بیشتر جوامع انسانی است که اغلب در اثر فعالیت‌های بشر رخ می‌دهد. فرونشست نشان‌دهندۀ فرورفتگی سطح زمین براثر فعالیت‌های انسانی نظیر برداشت بی‌رویه از آب‌های زیرزمینی و معدنکاری و عوامل گوناگون طبیعی مانند تکتونیک، تحکیم خاک و فرایند انحلال است. استفادۀ بی‌رویه از آب در مصارف کشاورزی و صنعتی درنتیجۀ رشد روزافزون جمعیت به ایجاد اثرات نامطلوب کمی و کیفی در منابع آب منجر شده است. علاوه بر این، افزایش استفاده از آب‌هاى زیرزمینى به‌ویژه در حوضه‌هایى که با نهشته‌هاى آبرفتى، دریاچه‌اى تحکیم نیافته یا دریایى کم عمق انباشته گشته‌اند، باعث ایجاد فرونشست می‌شود. بهره‌برداری بیش‌ازحد از آب زیرزمینی در بسیاری از دشت‌های ایران، به رخداد فرونشست در آنها منجر شده است (یاراحمدی، 1395؛ جعفری و همکاران، 2016: 833). برای چندین دهه، آب‌های زیرزمینی به‌طور گسترده در سفره‌های زیرزمینی برای اهداف خانگی، کشاورزی و صنعتی بهره‌برداری شده‌اند. این امر نیاز به تغذیۀ مصنوعی بعدی برای متعادل‌کردن کاهش آب زیرزمینی و کنترل فرونشست زمین دارد (Aggarwal et al., 2021: 178). بهره‌برداری طولانی‌‌مدت از آب‌های زیرزمینی و تغذیه مجدد در سفره‌های زیرزمینی محدود، فشار پیزومتریک و منفذی را در سفره‌های زیرزمینی تغییر می‌دهد. طبق اصل تنش مؤثر، سیستم‌های آبخوان به دلیل این تغییرات متراکم و به فرونشست زمین منجر می‌شوند (Castellazzi et al., 2016: 103; Hu et al., 2019 )؛ بنابراین درک فرونشست زمین، فرایند تراکم ناشی از بهره‌برداری و تغذیۀ آب‌های زیرزمینی ضروری است. استحصال یا تغذیۀ مجدد آب‌های زیرزمینی به‌ترتیب باعث فرونشست یا بالا‌آمدن زمین می‌شود و این امر آسیب چشمگیری به ساختمان‌ها، زیرساخت‌ها و ظرفیت ذخیرۀ آب سفره‌ها وارد می‎کند (Hu et al., 2019)

شناخت گسترۀ فضایی و اندازه‌گیری هرچه دقیق‌تر میزان فرونشست، اولین گام در جهت مطالعۀ این پدیده دانسته می‌شود؛ بنابراین با شناخت مشخصات مکانی و رفتار زمانی این پدیده، مدل منطقه‌ای آن ارائه و توسعه داده و از این طریق راهکارهایی عملی و اساسی در راستای کاهش خسارات مرتبط با آن و جلوگیری از روند آتی اتخاذ می‌شود. برای محاسبۀ فرونشست زمین روش‌های مختلف غیر ژئودیتیکی و ژئودیتیکی وجود دارند. استفاده ازGPS ، توتال استیشن و لیزر اسکنر ازجمله روش‌های ژئودیتکی محسوب می‌شوند. با وجود اینکه این روش‌ها، اندازه‌گیری‌های دقیق و پیوسته‌ای را باعث می‌شوند، هیچ‌کدام قابلیت تعیین وسعت و الگوی فضایی پدیدۀ فرونشست را ندارند (Liu et al., 2021: 17). از طرف دیگر، اغلب انجام‌دادن هرکدام از این روش‌ها به‌ویژه برای مناطق وسیع بسیار پرهزینه و زمان‌بر خواهد بود؛ درنتیجه وجود چنین محدودیت‌هایی همواره از چالش‌های اساسی استفاده از این روش‌ها محسوب می‌شود. با ظهور سنجنده‌های راداری در دهۀ 1990 و توسعۀ سریع آن، افقی بسیار امیدوارکننده و تازه پیش روی محققان علوم زمین قرار گرفت (یاراحمدی، 1395). استفاده از روش اینترفرومتری راداری در سال‌های اخیر به‌عنوان ابزاری کارآمد برای پایش جابجایی‌های ناشی از پدیده‌های مختلفی نظیر آتشفشان، فرونشست، زلزله و زمین لغزش و غیره موردتوجه محققان علوم زمین قرار گرفته است (Liu et al., 2021: 17; Ghazifard et al., 2017: 778). از مزایای این روش در مقایسه با روش پیشین، به امکان محاسبۀ جابجایی‌ها با دقت سانتی‌متر و پایین‌تر، پوشش مکانی پیوسته و وسیع و قابلیت فعالیت در هر شرایط آب‌و‌هوایی اشاره می‌شود.

تاکنون پژوهش‌های مختلفی، به‌صورت کیفی، ارتباط بین افت سطح آب زیرزمینی و وقوع پدیدۀ فرونشست را مشخص کرده‌اند (شریفی ‌کیا، 1391: 34؛ صالحی و همکاران، 1392: 47؛ شفیعی و همکاران، 1400: 159؛ Masoumi et al., 2021: 17; Liu et al 2017)؛ اما مطالعات کمی این ارتباط را به‌صورت کمّی آزمایش کرده‌اند. بهنیافر و همکاران (1389: 131) عوامل مؤثر بر فرونشست دشت مشهد و پیامدهای ژئومورفیک آن را بررسی کردند. براساس نتایج این پژوهش، اگرچه گروهی از عوامل در ایجاد این پدیده مؤثر بوده‌اند، مهم‌ترین آنها به‌خصوص در دشت مشهد، برداشت بی‌رویه از سفرۀ آب زیرزمینی و نفوذنکردن آب برگشتی شرب، صنعت و کشاورزی به این دشت بوده است. شریفی کیا (1391: 34) با استفاده از تصاویر راداری، فرونشست زمین را در دشت نوق-بهرمان در استان کرمان بررسی کردند. نتایج نشان‌دهندۀ آن بود که این منطقه سالانه به‌طور متوسط 30 سانتی‌متر فرونشست دارد. رکنی و همکاران (1395: 65) پژوهشی با عنوان بررسی فرونشست زمین، چشم‌اندازها و تحولات ژئومورفولوژی ناشی از آن در دشت‌های تراکمی مطالعۀ موردی: دشت نیشابور انجام دادند. در این پژوهش با توجه به افت سطح آب‌های زیرزمینی که حاصل آن نشست زمین و ایجاد شکاف در بخش‌های مختلف این دشت بوده، تغییرات ژئومورفولوژیکی دشت و شکاف‌ها و ترک‌های حاصل از فرونشست زمین بررسی شده است. رنجبر و جعفری (1395: 23) با بررسی عوامل مؤثر در فرونشست زمین دشت اشتهارد به این نتیجه رسیدند که برداشت بی‌رویه از منابع آب زیرزمینی و وجود سازندهای تبخیری در این منطقه از مؤثرترین عوامل فرونشست زمین است. محمدخان و همکاران در سال 1398 تأثیر افت آب‌های زیرزمینی را بر میزان فرونشست با استفاده از تصاویر راداری سنتینل- 1 محدودۀ دشت قروه ارزیابی کردند. نتایج حاصل از بررسی وضعیت آب‌های زیرزمینی دشت قروه نشان‌دهندۀ افزایش میزان بهره‌برداری از منابع آب زیرزمینی و درنتیجه افت سطح آب در این دشت است که بیشترین میزان افت سطح آب در مناطق شرقی دشت قروه صورت گرفته است. نظم فر و شیرزادگرجان در سال 1401 دشت مشگین استان اردبیل را مورد پایش فرونشست قرار داده‌اند. نتایج حاصل نشان‌دهندۀ آن است که دلیل اصلی فرونشست دشت، برداشت بی‌رویه از منابع آب زیرزمینی بوده است و بیشینۀ نرخ فرونشست به 35 سانتی‌متر در سال نیز می‌رسد.

ماتئوس[1] و همکاران (2017)، فرونشست زمین را در محدودۀ وگا گرانادا، اسپانیا با استفاده از داده‌های راداری سنتینل-1 بین سال‌های 2015 تا 2016 مورد پایش قرار داده‌اند. نتایج تحقیق نشان‌دهندۀ آن است که بیشترین میزان فرونشست زمین مربوط به یک دورۀ طولانی و خشک در منطقه بوده است. وانگ[2] و همکاران (2017)، مقدار فرونشست زمین را در منطقه گوانگژو چین 8 میلی‌متر در سال برآورد کرده‌اند که ارتباط مستقیم با برداشت بی‌رویۀ آب‌های زیرزمینی دارد. ﻣﻘﺼﻮدی[3] و همکاران (2018)، در دو بازه‌ی زﻣﺎﻧﯽ 2007 ﺗﺎ 2009 و 2015 ﺗﺎ 2016 نرخ ﻓﺮوﻧﺸﺴﺖ منطقۀ ﺟﺎوا را در اﻧﺪوﻧﺰی طبق داده‌های سنتینل-1 6/4 میلی‌متر در سال گزارش کرده است. جینی[4] و همکاران (2019) وجود ارتباط را بین برداشت بی‌رویۀ منابع آب و فرونشست زمین در درۀ سان جویکین کالیفرنیا بررسی و تأیید می‌کنند. سیان[5] و همکاران (2019)، با استفاده از تداخل سنجی پراکندگی دائمی و تصاویر سنتینل -1، تصاویر(COSMO-SkyMed) و تصاویر (TerraSAR-X)، فرونشست زمین را در مناطق ساحلی آفریقا بررسی کردند. فیاسچی[6] و همکاران (2019) جابجایی زمین را با استفاده از روش پیکسل‌های کوهرنس و روش پراکنش‌کننده‌های دائمی، در مناطق معتدل اقیانوسی جمهوری ایرلند مطالعه کردند. پولیشیک فیلیپاک[7] و همکاران (2021)، بیشترین فرونشست تجمعی ناشی از استخراج معدن را در یکی از معادن قدیمی کشور لهستان با استفاده از ترکیب دو روش تداخل سنجی تفاضلی (DinSAR) و پراکنشگرهای پایدار (PSI) بررسی کردند. براساس نتیجۀ به‌دست‌آمده بیشترین نشست عمودی زمین به‌طور تجمعی در منطقۀ موردمطالعه 1 متر به‌طور سالانه بوده است. ال کمالی[8] و همکاران (2021)، تحلیل فضایی فرونشست زمین را در منطقۀ ریماه، امارات متحدۀ عربی بررسی کردند. نتایج این تحقیق نشان‌دهندۀ آن است که سرعت فرونشست در این محدوده 40 میلی‌متر در سال است که به علت افت 12 متری سطح آب‌های زیرزمینی رخ داده است.

پژوهش‌های نامبرده اغلب مسئلۀ فرونشست را تنها از یک منظر و آن هم برداشت بی‌رویۀ منابع آبی بررسی کرده‌اند؛ در حالی که پژوهش حاضر درصدد است تا عوامل مختلف و متفاوت مؤثر را در امر فرونشست تحلیل و ارتباط احتمالی این عوامل را بررسی کند؛ همچنین استفاده از تکنیک پیکسل‌های کوهرنس در راستای هدف مدنظر یکی دیگر از وجوه متمایز این پژوهش را تشکیل می‌دهد.

ضرورت انجام این پژوهش این‌گونه بیان می‌شود که در دورۀ بیست‌سالۀ اخیر، وقوع فرونشست و همچنین فروچاله‌ها به‌عنوان یکی از نگرانی‌های جدی در دشت جیرفت مطرح شده است (ندیری و همکاران، 1395: 115). دشت جیرفت طی سالیان اخیر به‌طور جدی با بحران خشک‌سالی و کاهش سطح آب زیرزمینی مواجه بوده است (رضایی و همکاران، 1394: 116). به‌علاوه، به نظر می‌رسد که در آینده نیز با توجه به تغییرات اقلیمی و با فرض ادامه‌یافتن شرایط موجود در بهره‌برداری از منابع آبی، کاهش سطح آّب‌های زیرزمینی در این منطقه به‌طور چشمگیری ادامه خواهد یافت (شادفر و همکاران، 1394: 101). درواقع تغییرات الگوی کشاورزی، کاهش بارندگی و بروز خشک‌سالی‌های پیوسته به استفادۀ بدون برنامه و غیراصولی از منابع آب زیرزمینی و افت سطح آب‌های زیرزمینی در حوزۀ آبریز دشت جیرفت منجر شده و شرایط را برای وقوع و گسترش فرونشست زمین فراهم آورده است؛ بنابراین بررسی و پایش فرونشست به‌عنوان روشی کارآمد در شناسایی و نمایش وضعیت منطقه ازنظر خطر وقوع فرونشست زمین برای برنامه‌ریزان و مدیران مطرح شده است و امکان طرح‌ریزی و اجرای برنامه‌های پیشگیری مناسب را میسر می‌کند؛ درنتیجه هدف این پژوهش، تحلیل فضایی فرونشست دشت جیرفت و ارزیابی اثرات برداشت بی‌رویۀ آب زیرزمینی بر فرونشست زمین و توسعۀ گسل‌هاست. در راستای اینهدف، 73تصویرسنتینل 1 مربوط به دورۀ زمانی سال‌های 2014-2021 با استفاده از تکنیکCPTپردازش شد.

محدودۀ موردمطالعه

دشت جیرفت با مساحت 4943 کیلومترمربع میان طول‌های جغرافیایی 57 درجه و 20 دقیقه تا 58 درجه و 17 دقیقۀ شرقی و عرض‌های جغرافیایی 28 درجه و 11 دقیقه تا 29 درجۀ شمالی در جنوب ایران و در استان کرمان قرار دارد. ارتفاع دشت جیرفت از سطح دریا 550 تا 800 متر متغیر است. این منطقه ازنظر آب‌و‌هوایی جزو مناطق نیمه خشک به شمار می‌آید و متوسط بارندگی سالانۀ آن در یک دورۀ درازمدت چهل‌ساله 170 میلی‌متر است. سفرۀ آب‌های زیرزمینی دشت جیرفت بین دو لایۀ محکم از گل پوشیده شده است و سفره‌ای تحت فشار را تشکیل می‌دهد که منبع تأمین آب آنها به‌طور تقریبی از ارتفاعات جیرفت و کوه‌های رابر، بافت و جبالبارز است. دشت جیرفت با افت سالانۀ سطح آب زیرزمینی به میزان 1 متر و کسری حجم مخزن متوسط سالانه 25 میلیون متر مکعب از سال 1383 توسط وزارت نیرو در اجرای مقررات مربوطه جزء دشت‌های ممنوعه اعلام شده و به دلیل تداوم روند افت و بهبودنیافتن سطح آب زیرزمینی جزء دشت‌های بحرانی است (شرکت سهامی آب و منطقه‌ای شهرستان جیرفت، 1400)

شکل (1) نقشۀ موقعیت منطقۀ موردمطالعه (منبع نگارندگان، 1401)

Figure (1) Location of the study area

روش‌شناسی پژوهش

داده‌های مورداستفاده

در این پژوهش از 73 تصویر سنجندۀ Sentinel 1، ماهوارۀ Soyuz سازمان فضایی اروپا با فرمت SLC از نوع مد IWS با پلاریزاسیون VV، مربوط به تاریخ‌های 12/04/2014 و 21/09/2021. این داده‌ها به تصاویر تک منظر تبدیل شده‌اند و اطلاعات آنها به هیچ عنوان مخدوش نشده است؛ همچنین مدل ارتفاع رقومی 30 متری SRTM برای منطقۀ موردمطالعه استفاده شد. جدول (1) نشان‌دهندۀ مشخصات داده‌های مورداستفاده در این پژوهش است. به‌منظور ارزیابی منابع آب زیرزمینی دشت تعداد 40 نمونه آب از چاه‌های منطقه موردمطالعه جمع‌آوری شد که موقعیت چاه‌های نمونه‌برداری در شکل (1) ارائه شده است.

جدول (1) مشخصات تصاویر سنتینل 1 مورداستفادۀ در تحقیق (منبع نگارندگان، 1401)

Table (1) The list of Sentinel 1 images used in the research

دشت جیرفت به لحاظ قرارگرفتن در زون ساختاری ایران مرکزی، به لحاظ تکتونیکی پهنه‌ای فعال است؛ درنتیجه گسل‌های فعال زیادی نیز در منطقه وجود دارد (رشیدی و همکاران، 1396). به‌منظور تعیین ارتباط بین فرونشست با گسل‌ها، نقشۀ گسل‌های محدودۀ موردمطالعه تهیه شد (شکل 2)؛ همان‌طور که در شکل (2) مشاهده می‌شود، سه گسل مهم سبزواران، جبال بارز و دلفارد محدودۀ موردمطالعه را تحت‌تأثیر قرار داده‌اند. برای آماده‌سازی و انجام تجزیه‌وتحلیل‌های نهایی از نرم‌افزار‌های SNAP،StaMPS  و ArcGIS 10.3 استفاده شد.

شکل (2) موقعیت گسل‌های منطقه (منبع نگارندگان، 1401)

Figure (2) The location of region faults

تکنیک پیکسل‌های منسجم  (CPT)

ابتدا الگوریتم تکنیک پیکسل‌های منسجم (CPT) در دانشگاه کاتالونیا به‌عنوان تکنیکی پیشرفته DInSAR برای استخراج حرکت خطی و غیرخطی از مجموعه‌ای از تداخل‌نگارهای تفاضلی و تصاویر با کوهرنسی بالا توسعه داده شد (Blanco-Sánchez et al., 2008: 1167; Duque et al., 2017: 7; Navarro-Hernández et al., 2020). اینترفروگرام تفاضلی یک تداخل نگاشت معمولی است که فاز توپوگرافی آن حذف شده است. این بخش با استفاده از اطلاعات مداری و DEM خارجی محاسبه می‌شود. فاز تداخلی واقعی یک پیکسل منفرد نه‌تنها شامل تغییر شکل بین زمان‌های دریافت دو تصویر SAR بوده، بلکه حاوی مؤلفه‌های دیگری است که اطلاعات مختلفی را پنهان می‌کند. هدف از این الگوریتم، جداسازی فاز جابه‌جایی از بقیۀ فاز‌ها در مجموعۀ تداخل‌نگارهاست. عبارت زیر نشان‌دهندۀ تمام مؤلفه‌های فاز تداخل سنجی است (Blanco-Sánchez et al. 2008):

رابطۀ (1)

که در آن  فاز تداخل‌سنجی در یک پیکسل است،  طول موج،  خطوط پایه زمانی و مکانی هستند،   نرخ خطی تغییر شکل،  تغییر شکل غیرخطی،  فاصلۀ سنسور،  زاویۀ فرود محلی،  خطای DEM ،  مربوط به فاز اتمسفر و  نویز است.

رویکرد روش  CPTدر چهار بخش اصلی خلاصه می‌شود. اولین مورد، شامل بهینه‌سازی انتخاب تداخل‌نگارها با در نظرگرفتن خطوط پایۀ زمانی و مکانی مناسب برای به حداکثر رساندن تشخیص پیکسل‌ها، بهینه‌سازی استخراج خطای تغییر شکل و DEM و کاهش میزان داده‌ها برای پردازش است. مرحلۀ دوم، انتخاب پیکسل‌هایی است که کیفیت فاز کافی و مطلوبی دارند. مرحلۀ سوم، تخمین فاز تغییر شکل است. برای این هدف، الگوریتم، نرخ خطی تغییر شکل و خطای DEM را از طریق تنظیم و اعمال مدلی خطی بر روی داده‌ها در نظر می‌گیرد. آخرین مرحلۀ تخمین فاز غیرخطی تغییر شکل است. هنگامی که فاز خطی تغییر شکل و خطای DEM محاسبه و سهم آنها از تداخل‌نگارها حذف شد، CPT  از رفتار متفاوت پدیده‌های جوی و فاز غیرخطی تغییر شکل برای جداسازی سهم آنها از فاز اصلی استفاده می‌کند. در این مرحله، ترکیبی از فیلترهای زمانی و مکانی برای استخراج فاز اتمسفر از فاز غیرخطی تغییر شکل، اعمال می‌شود (Duque et al, 2017: 7). از آنجایی که در این روش مرحلۀ تخمین فاز تغییر شکل بعد از انتخاب پیکسل‌های با کوهرنسی زیاد انجام و پیکسل‌های موردبررسی محدود می‌شود، دقت کار بیشتر از روش‌های معمول در تداخل‌سنجی است و این امر باعث می‌شود که در این پژوهش از این روش استفاده شود.

روش انجام کار

اولین مرحلۀ پردازش CPT، تولید تداخل‌نگارهای تفاضلی است. ابتدا تصاویر به‌صورت دو به دو هم‌مرجع شده و تداخل‌‌نگارها از بین مواردی انتخاب می‌شوند که دارای خطوط مبنا مکانی کوچک‌تر از 100 متر و خطوط پایه زمانی کوچک‌تر از 365 باشند. بر این اساس 72 تداخل نگاشت تولید شد. همراه با تداخل‌نگارهای مختلف، نقشه‌های کوهرنسی مرتبط با آنها نیز تولید می‌شوند. میزان کوهرنسی تخمین‌گر خوبی برای کیفیت فاز است و در مرحلۀ انتخاب پیکسل از آن استفاده می‌شود. مقادیرکوهرنسی از 0، فاز به‌طور کامل غیرهمبسته یا نویز خالص تا 1، فاز منسجم یا بدون نویز، متغیر است.

در مرحلۀ دوم برای به دست آوردن سری‌های زمانی تغییر شکل که شامل مؤلفه‌‌های خطی و غیرخطی و خطای DEM می‌شود، تداخل‌نگارهای تفاضلی پردازش می‌شوند. همۀ پیکسل‌های تصویر به دلیل نبودِ همبستگی برای پردازش مناسب نیستند. میان معیارهای مختلف انتخاب پیکسل، از معیار مبتنی بر کوهرنسی استفاده شد؛ بنابراین تمام پیکسل‌های با میانگین مقدار کوهرنسی زیر 6/0 کنار گذاشته شدند. شکل (3) نشان‌دهندۀ نقشۀ کوهرنسی ایجادشده توسط CPT برای دشت جیرفت است که در آن روشن‌ترین مناطق، کوهرنس‌ترین مناطق هستند که بر روی زمین‌های بایر، مناطق کوهستانی و مرتفع و مناطق مسکونی انطباق دارند؛ زیرا این پدیده‌ها در طول زمان نشان‌دهندۀ تغییر بسیار کمی هستند. از سوی دیگر، تاریک‌ترین مناطق مربوط به کشاورزی است. آنها کمترین مقدار همدوسی را دارند؛ زیرا پوشش گیاهی در طول زمان ثابت نمی‌ماند و باعث ایجاد عدم همبستگی زمانی در فاز تداخل‌سنجی می‌شود.

شکل (3) نقشه کوهرنسی متوسط منطقه موردمطالعه مربوط به سال‌های 2014 تا 2021 (منبع نگارندگان، 1401)

Figure (3) The average coherence map of the study area for the years 2014 to 2021

یافته‌های پژوهش و تجزیه‌وتحلیل آنها

شکل (4) نشان‌دهندۀ مقادیر جابه‌جایی‌های رخ‌داده در امتداد خط دید ماهواره درنتیجۀ انجام پردازش داده‌های سنتینل 1 از تاریخ 12 آوریل 2014 تا 21 سپتامبر 2021 است. تعداد کل پیکسل‌های محاسبه‌شده از مجموعه داده‌های سنتینل 1 با تکنیک CPT به 2571 رسید. محاسبات انجام‌شده نشان‌دهندۀ نرخ تغییر شکل زیادی با سرعت حداکثر ​​تا 13- سانتی‌متر در سال در جهت دید ماهواره از سال 2014 تا 2021 در نواحی مرکز و بخش‌های جنوبی دشت جیرفت است. مقادیر مثبت نشان‌دهندۀ آن است که سطح در حال بالاآمدن است. بیشتر این ارزش‌ها در کوه‌های اطراف دشت قرار دارند. حرکت ممکن است مربوط به عوامل تکتونیکی و فرایند ایزوستازی باشد. در مقابل، مقادیر منفی نشان‌دهندۀ فرونشست است که اغلب متمرکز بر نواحی مرکزی و جنوبی دشت قرار دارد؛ همان‌طور که در شکل (4) مشاهده می‌شود، جابه‌جایی در راستای دید ماهواره نقاط از 3+ میلی‌متر تا 13- میلی‌متر متغیر است. جابه‌جایی‌های رخ‌داده در جهت دید ماهواره است. به‌طوری که اعداد مثبت نشان‌دهندۀ نزدیک‌شدن سطح به ماهواره و بالاآمدگی و اعداد منفی نشان‌دهندۀ فاصله‌گرفتن سطح از ماهواره و فروافتادگی است. نقاط قرمزرنگ واقع در محدودۀ موردمطالعه در طول یک سال دچار بیش از 11 تا 13 میلی‌متر فرونشست شده‌اند. علاوه بر آن، نتایج به‌دست‌آمده نشان‌دهندۀ روند فزایندۀ گسترش محدودۀ فرونشست طی گذشت زمان در دشت جیرفت است. به‌طوری که از سال 2014 تا 2022 وسعت مناطق درگیر با پدیدۀ فرونشست از530 کیلومترمربع در سال 2014 به 580 کیلومترمربع در سال 2022 رسیده و جهت گسترش نیز در از نواحی جنوبی دشت به‌سمت مناطق شمالی است؛ همچنین علاوه بر وسعت نرخ فرونشست نیز طی بازۀ زمانی مطالعاتی افزایش یافته است. به‌طوری که از نرخ 11 سانتی‌متر در سال 2014 به 13 سانتی‌متر در سال 2022 رسیده است.

شکل (4) نقشۀ جابه‌جایی منطقۀ موردمطالعه مربوط به دورۀ زمانی a: 2014- 2016  b: 2016- 2018 c: 2020-2018 d: 2022-2020 (منبع نگارندگان، 1401)

Figure (4) The displacement map of the study area related to the period a: 2014-2016 b: 2016-2018 c: 2020-2018 d: 2022-2020

اعتبارسنجی

اعتبارسنجی روش کار براساس اندازه‌گیری‌های دقیق مشاهدات GPS واقع در شهر عنبرآباد انجام شد که متعلق به مرکز ملی نقشه‌برداری ایران است. اندازه‌گیری GPS این نقطه از سال 2020 تا 2021 با استفاده از گیرندۀ  Leica GX 1220  انجام گرفته است. سری زمانی تغییر شکل به‌دست‌آمده از اندازه‌گیری‌های GPS و روش CPT در نقطۀ A ترسیم شد که در شکل (5) آمده است؛ همان‌طور که در شکل b) 5( مشاهده می‌شود و مقایسۀ نمودار سری زمانی جابه‌جایی دو روش نشان می‌دهد، جابه‌جایی به‌دست‌آمده از هر دو روش اندازه‌گیری با یکدیگر مطابقت دارد؛ همچنین میزان خطای  RMSE بین دو نمودار 142/0 میلی‌متر برآورد شد.

شکل (5) اعتبارسنجی نقشۀ جابه‌جایی حاصل از روش CPT، a: موقعیت نقطۀ آزمون‌شده b: نمودار سری زمانی حاصل از روش GPS و CPT (منبع نگارندگان، 1401)

Figure (5) The displacement map validation obtained by the CPT method, a: Position of the tested point b: Time series diagram obtained by the GPS and CPT methods

تغییرات سطح آب‌های زیرزمینی

به‌منظور شناخت وضعیت آبخوان دشت جیرفت از داده‌های هیدرولوژی 40 چاه بهره‌برداری در طول یک دورۀ آماری ده‌ساله استفاده شد. موقعیت چاه‌های موردمطالعه در شکل (1) مشاهده می‌شود. میزان افت سطح آب در بخش‌هایی از محدودۀ موردمطالعه به‌طور متوسط به 2 متر در سال نیز می‌رسد. بر این اساس، نقشۀ تغییرات سطح آب زیرزمینی دشت جیرفت در طول سال‌های 1390 تا 1399 ترسیم شد (شکل 6)؛ همان‌طور که در شکل (6) مشاهده می‌شود، بیشترین افت آب در بخش‌های جنوبی و غربی دشت رخ داده است. در بخش‌های جنوبی دشت به دلیل برداشت زیاد و تغذیۀ کم نسبت به قسمت‌های شمالی و شرقی افت بیشتری داشته است. البته در بخش‌های کوچکی از دشت سطح آب‌های زیرزمینی بالا آمده که این موضوع به دلیل قرارگیری این مناطق در ورودی تغذیه (رشته‌کوه‌های شمالی و شرقی دشت) است.

شکل (6) نقشه تغییرات سطح آب‌های زیرزمینی منطقۀ موردمطالعه (منبع نگارندگان، 1401)

Figure (6) The map of groundwater level changes in the study area

ارتباط بین گسل‌ها و فرونشست

به‌منظور تعیین ارتباط بین گسل‌ها و جابه‌جایی‌های رخ‌داده در منطقۀ موردمطالعه، در محیط GIS نقشۀ موقعیت گسل‌ها بر روی نقشۀ جابه‌جایی روی هم‌ اندازی (Overlay) شد (شکل 7)؛ همان‌طور که در شکل (7) مشاهده می‌شود، محدودۀ فرونشست توسط گسل‌های دلفارد و سبزواران محصور شده است. نقشۀ تغییر شکل CPT نشان‌دهندۀ همبستگی فضایی با گسل‌های مذکور است که مؤید فعال‌بودن این گسل‌هاست؛ همچنین نشان‌دهندۀ کنترل فضایی فرونشست زمین است.

برای بررسی بیشتر این ارتباط، اقدام به تهیۀ نیمرخ جابه‌جایی، در راستای عمود بر گسل سبزواران شد؛ بنابراین نیمرخ نقاط جابه‌جایی در راستای دو پاره‌خط AB و CD ترسیم شد (شکل 7). نتایج به‌دست‌آمده نشان‌دهندۀ تأثیر گسل سبزواران در فرونشست است؛ همان‌طور که در شکل (7) دیده می‌شود، در امتداد و راستای گسل تغییر ناگهانی در نرخ تغییر شکل نقاط رخ داده است، نقاط قرمزرنگ بیشترین نرخ جابه‌جایی و نقاط سبزرنگ به‌طور تقریبی پایدار است. این تغییر در سرعت تغییر شکل در هر دو طرف گسل بسیار واضح است.

شکل (7) نیمرخ جابجایی‌های رخداده در راستای عمود بر گسل سبزواران (منبع نگارندگان، 1401)

Figure 7- Profile of displacements that occur perpendicular to the Sabzevaran fault

ارتباط بین ضخامت خاک و فرونشست

پاسخ مکانیکی سیستم آبخوان به افزایش تنش مؤثر و توزیع و ضخامت خاک‌های تحکیم‌نشده نقش کلیدی در بزرگی نشست توسعه‌یافته دارد (Navarro-Hernández et al, 2020). سیستم آبخوان دشت جیرفت روی یک لایۀ ضخیم از رسوبات آبرفتی با ضخامت انباشته تا 600 متر توسعه یافته است (شرکت سهامی آب و منطقه‌ای شهرستان جیرفت، 1400). برای توضیح وابستگی فرونشست به ضخامت رسوب و پاسخ مکانیکی خاک (یعنی تغییر شکل پذیری آن)، از معادلۀ زیر استفاده می‌شود (Tomas et al, 2010: 105):

ΔD = Δh * D * S_sk = Δh * S_k                   رابطۀ (2)

به‌طوری که ΔD نشست لایۀ تغییر شکل‌پذیر، D ضخامت به متر،Δh  کاهش سطح استاتیک آب زیرزمینی برحسب متر، وSsk  ضریب ذخیرۀ مخصوص است (m -1) که نشان‌دهندۀ تغییر شکل‌پذیری سیستم آبخوان است و Sk ضریب ذخیره‌سازی محسوب می‌شود. براساس رابطۀ (2)، اگر سطح استاتیکی آب زیرزمینی کاهش یابد، تنش افزایش می‌یابد (یعنی Δh افزایش می یابد) که باعث نشست دائمی در خاک می‌شود. این نشست‌ها در مناطقی با ضخامت خاک انباشته‌شده (یعنی با مقادیر D بالاتر) بیشتر خواهد بود. علاوه بر این، بزرگی تغییر شکل بستگی به میزان تغییر شکل یک لایۀ سنگ‌شناسی دارد (یعنی به ضریب ذخیره‌سازی، Sk ) بستگی دارد.

شکل (8)  نشان‌دهندۀ نقشۀ توزیع ضخامت خاک است؛ همان‌طور که مشاهده می‌شود، ضخامت خاک در بخش‌های جنوبی دشت بیشتر است و رسوبات انباشته‌شده به بیشترین ضخامت خود می‌رسند. مرزهای شرقی و غربی حوضه توسط کوه‌هایی محدود می‌شود که از سنگ‌های آتش‌فشانی و رسوبی تشکیل شده‌اند. این سنگ‌ها نسبت به رسوبات ضعیف و آبرفتی پوشانندۀ دشت، توانمندتر و کمتر تغییر شکل‌پذیر هستند. هنگام مقایسه مشخص است که تغییر شکل‌پذیرترین خاک‌ها با مناطق فرونشست منطبق هستند. به‌منظور بررسی بیشتر ارتباط بین فرونشست و میزان ضخامت خاک، اقدام به ترسیم نیمرخ جابه‌جایی و عمق خاک شد؛ همان‌طور که در شکل (8) مشاهده می‌شود، در راستای دو مقطع AB و CD نیمرخ روند تغییرات جابه‌جایی سطح زمین و ضخامت خاک ترسیم شد. نتایج نشان‌دهندۀ این است که هم‌زمان هرچه ضخامت خاک مناطق افزایش یابد، نرخ جابه‌جایی در آن مناطق نیز افزایش می‌یابد و بالعکس؛ بنابراین همبستگی بین ضخامت خاک نرم و فرونشست زمین در دشت جیرفت تأیید می‌شود.

شکل (8) تعیین ارتباط بین ضخامت خاک با نرخ جابه‌جایی سطح زمین در طول پروفیل‌های AB و CD (منبع نگارندگان، 1401)

Figure (8) The relationship between soil thickness and ground displacement rate along AB and CD profiles

ارتباط بین میزان افت سطح آب زیرزمینی و فرونشست

به‌منظور تعیین ارتباط بین میزان افت سطح آب‌های زیرزمینی و جابه‌جایی‌های رخ‌داده در منطقۀ موردمطالعه، در محیط GIS نقشۀ تغییرات سطح آب زیرزمینی به‌صورت خطوط هم‌تراز افت (شکل 6) با نقشۀ جابه‌جایی روی هم اندازی (Overlay) شد (شکل 9)؛ همان‌طور که در شکل (9) مشاهده می‌شود، محدوده‌های با نرخ فرونشست زیاد منطبق بر مناطقی است که دارای میزان افت سطح آب بیشتری است و از طرفی، در محدوده‌هایی که میزان افت آب صفر یا سطح آب زیرزمینی افزایش یافته (مناطق حاشیۀ شمالی و غربی دشت جیرفت)، سطح زمین پایدار بوده یا حتی دچار بالاآمدگی جزئی شده است که این شواهد مؤید ارتباط مستقیم فرونشست زمین با برداشت بی‌رویۀ منابع آب زیرزمینی دشت است؛ بنابراین این‌گونه بیان می‌شود که استخراج بی‌رویۀ آب‌های زیرزمینی یکی از مهم‌ترین عوامل  محرک فرونشست زمین در این منطقه است؛ زیرا تغییرات تنش خاک که باعث نشست می‌شود، با تغییرات سطح آب‌های زیرزمینی مطابق با رابطۀ (2) مرتبط است؛ درنتیجه این پژوهش رابطۀ تنگاتنگ تغییرات سطح آب‌های زیرزمینی را با فرونشست زمین و همچنین با ضخامت خاک تأیید می‌کند.

شکل (9) ارتباط بین تغییرات سطح آب‌های زیرزمینی و فرونشست زمین (منبع نگارندگان، 1401)

Figure (9) The relationship between groundwater level changes and land subsidence

نتایج به‌دست‌آمده از تحلیل عوامل مختلف اثرگذار در فرونشست دشت جیرفت، نشان‌دهندۀ تأثیرپذیری بخش‌های جنوبی و شرقی دشت به‌طور هم‌زمان از برداشت بی‌رویه و فعالیت گسل‌هاست. به‌طوری که مقایسۀ اشکال (9) و (7) به‌خوبی نشان‌دهندۀ این مطلب است. وجود ارتباط بین فرونشست با برداشت بی‌رویۀ منابع آب زیرزمینی از یک طرف و گسل‌های فعال از طرف دیگر، خطر تحریک هر یک از این عوامل را توسط عامل دیگر افزایش می‎دهد. به‌طوری که افزایش برداشت از منابع آبی دشت باعث فرونشست بیشتر و فرونشست بیشتر خود باعث تحریک بیشتر گسل‌های فعال منطقه می‌شود و خطر لرزه‌خیزی منطقه افزایش می‌یابد یا از طرف دیگر، فعالیت تکتونیکی گسل باعث فرونشست و فرونشست دشت نیز موجب فشردگی و تخریب آبخوان می‌شود. نکتۀ جالب‌توجه دیگری که از بررسی نتایج به دست می‌آید، روند گسترش محدوده‌های فرونشستی در سطح دشت جیرفت با گذشت زمان است. به‌طوری که مساحت محدوده‌های فرونشستی از530 کیلومترمربع در سال 2014 به 580 کیلومترمربع در سال 2022 افزایش یافته است، بررسی جهات رو به گسترش نشان‌دهندۀ آن است که راستای آن با مناطق با افت آب زیرزمینی بیشتر منطبق است؛ بنابرابن کنترل برداشت از منابع آب زیرزمینی مانع از فرونشست مناطق بیشتر دشت می‌شود.

همان‌طور که در شکل (8) مشاهده می‌شود، میزان فرونشست دشت جیرفت با ضخامت خاک موجود رابطۀ مستقیم دارد. به‌طوری که در مناطق مرکزی و جنوبی دشت که ضخامت خاک افزایش می‌یابد، نرخ فرونشست نیز بیشتر می‌شود و بلعکس. البته رابطۀ به‌دست‌آمده بین ضخامت خاک و فرونشست با نتایج حاصل از تحقیقات متئوس[9] و همکاران (2017) و ناوارو هرناندز[10] و همکاران (2020)  همخوانی دارد و نتایج مذکور را تأیید می‌کند. علاوه بر این، نتایج به‌دست‌آمده از این پژوهش در رابطه با وجود ارتباط بین گسل‌های منطقه و پدیده فرونشست، از سوی محققان دیگری همچون هو[11] و همکاران (2019) و معصومی[12] و همکاران (2021) نیز ارائه شده است. مطالعات انجام‌گرفته در زمینۀ فرونشست در اغلب دشت‌های کشور بر نقش برداشت بی‌رویه از مخازن آب‌های زیرزمینی تأکید دارد و کمتر به بررسی عوامل احتمالی دیگر توجه می‌کند؛ در حالی که نتایج حاصل از این پژوهش علاوه بر برداشت بی‌رویه به نقش گسل‌ها و ضخامت خاک نیز در پدیدۀ فرونشست دشت اشاره می‌کند؛ بنابراین هرچه عامل مؤثر در امر فرونشست بهتر شناخته شود، مدیریت و برنامه‌ریزی برای کنترل آن بهتر انجام می‌شود.

نتیجه‌گیری

در این پژوهش، پدیدۀ فرونشست دشت جیرفت بررسی و ارتباط آن با عوامل مختلف تحلیل شد. جابه‌جایی‌های رخ‌داده و به‌دست‌آمده از تکنیک CPT نشان‌دهندۀ این است که منطقۀ موردمطالعه دچار فرونشست پیش‌رونده‌ای شده است. نرخ فرونشست در بخش‌های جنوب و جنوب شرقی دشت از 11 سانتی‌متر در سال به 13 سانتی‌متر در سال طی یک دورۀ هشت‌ساله رسیده است. علاوه بر این، طی این مدت وسعت مناطق درگیر با این پدیده از530 کیلومترمربع به 580 کیلومترمربع رسیده است و به مرور زمان به‌سمت قسمت‌های شمالی‌تر دشت کشیده می‌شود. ادامۀ این روند محدوده‌های فرونشستی را علاوه بر دشت به نواحی مسکونی و شهر جیرفت نیز تسری می‌دهد. بررسی تغییرات سطح آب‌های زیرزمینی دشت جیرفت و مطابقت آن با محدوده‌های فرونشستی نشان‌دهندۀ آن بود که برداشت بی‌رویه از آبخوان از عوامل مهم و کلیدی در ایجاد این پدیده بوده است؛ بنابراین کنترل و مدیریت برداشت از منابع آب‌های زیرزمینی از روند رو به گسترش فرونشست و درگیرکردن مناطق جدید جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، شایان ذکر است، مناطقی که بیشترین نرخ فرونشست را دارند، با مناطق دارای ضخامت بیشتر خاک مطابقت دارند؛ همچنین در این پژوهش با توجه به محصوربودن دشت جیرفت با گسل‌ها، به بررسی تأثیر آنها بر فرونشست توجه شد. نتایج حاصل از این بررسی نشان‌دهندۀ آن بود که گسل سبزواران کنترل‌کنندۀ فرونشست بوده و این پدیده را تحت‌تأثیر قرار داده است. به‌طوری که نرخ جابه‌جایی در دو سمت گسل بسیار متفاوت است و این اختلاف در جابه‌جایی به 8 سانتی‌متر در سال نیز می‌رسد. درنهایت فرونشست دشت جیرفت درنتیجۀ دو عامل است: یکی، برداشت بی‌رویۀ آب‌های زیرزمینی و دیگری، فعالیت گسل‌ها که نتیجۀ اثر هرکدام بر عامل دیگر تأثیر می‌گذارد و این مسئله باعث تشدیدشدن پدیدۀ فرونشست می‌شود؛ بنابراین با توجه به رابطۀ قوی بین گسل و استخراج آب‌های زیرزمینی با فرونشست زمین در دشت جیرفت، ادامۀ برداشت بی‌رویه از آبخوان باعث تشدید خطر فرونشست و این نیز به تحریک بیشتر گسل‌های منطقه و درنتیجه پیامد‌های مخرب ناشی از آن می‌شود.

[1] . Mateos

[2] . Wang

[3] . Maghsoudi

[4] . Jeanne

[5] . Cian

[6] . Fiaschi

[7] . Pawluszek-Filipiak

[8] . El Kamali

[9] . Mateos

[10] . Navarro-Hernández

[11] . Hu

[12] . Masoumi