ارزیابی میزان فرونشست زمین در ارتباط با آب های زیرزمینی به کمک داده ماهواره ‌ای راداری سنتینل-1 و الوس-1 (منطقه مورد مطالعه: دشت مشهد)

محورهای موضوعی : برنامه های کاربردی در مدیریت منابع آب

سعید قره چلو ¹ , حسام اکبری قوچانی ² , سعید گلیان ³ , کامران گنجی ⁴

1 - استادیار گروه نقشه برداری، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود
2 - کارشناسی ارشد گروه منابع آب، دانشکده‌ مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
3 - دانشیار گروه منابع آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
4 - کارشناسی ارشد گروه سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده‌ مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

تاریخ دریافت : 1399/11/02 تاریخ پذیرش : 1399/12/14 تاریخ انتشار : 1400/07/01

کلید واژه: افت آب‌ های زیرزمینی, تداخل‌ سنجی‌ راداری, فرونشست زمین, دشت مشهد,

چکیده مقاله :

پیشینه و هدف در سال های اخیر پمپاژ بیش ‌از حد آب‌ های زیرزمینی و همچنین کاهش بارندگی در دشت مشهد فرونشست را ایجاد کرده است که خسارت‌ هایی را برای زیر ساخت ‌ها دربی داشته است. این مشکل به خاطر افزایش تقاضای برداشت آب از چاه های عمیق برای کشاورزی، صنایع و شرب است. به دنبال این تقاضای روزافزون حفر چاه های غیرمجاز نیز افزایش چندانی پیداکرده است، بنابراین سطح آب زیرزمینی دشت دایم در حال پایین رفتن بوده و نرخ فرونشست دشت در حال افزایش است. دشت مشهد یکی از دشت های مهم در استان خراسان رضوی است که یکی از منابع آبی پشتیبان برای استفاده در کشاورزی و صنعت است. فشار بیش‌ازحد به منابع آب زیرزمینی با پمپاژ زیاد و کمبود بارش باعث شده که تغذیه آبخوان به‌ خوبی صورت نگیرد. افت سطح آب زیرزمینی در دشت مشهد اثرات نامناسبی را بر آبدهی چاه ها، تخریب قنوات، کیفیت آب و فرونشست زمین را در نتیجه خواهد داشت. در این تحقیق، میزان فرونشست با استفاده از داده ماهواره‌ های راداری سنتینل-1 و الوس-1 در ارتباط با افت آب های زیرزمینی مورد بررسی قرار گرفت. در این راستا از داده ‌های سری زمانی راداری چند باندی در طول ‌موج L و C برای تعیین فرونشست در سال ‌های 1386-1397 استفاده گردید.مواد و روش هاهدف اصلی این تحقیق یافتن میزان فرونشست مرتبط با آب ‌های زیرزمینی در دشت مشهد بین سال‌ های 1386-1397 با استفاده از تکنیک تداخل سنجی تفاضلی راداری است. برای دست یافتن به این هدف سه سری جفت تصویر از هر یک از داده‌ های راداری الوس-1 و سنتنیل –1 استفاده شد. برای آنالیز افت سطح آب‌ های زیرزمینی دشت مشهد در ارتباط با فرونشست از داده چاه های پیزومتری موجود برای بازه سال‌های 1385-1395 استفاده گردید تا بر اساس آن مدل نقشه هم افت و منحنی تراز افت آب تهیه گردید. این نقشه‌ ها برای روشن کردن ارتباط بین افت سطح آب و فرونشست دشت استفاده شدند. در نهایت نقشه فرونشست دشت با استفاده از مشاهدات زمینی و کارهای گذشته مورد ارزیابی قرار گرفتند. با مقایسه نقشه فرونشست منطقه با نقشه هم ‌افت سطح آب زیرزمینی همبستگی پذیرفته ‌ای به دست آمد که حکایت بر میزان تأثیرپذیری پدیده فرونشست از افت سطح آب زیرزمینی دارد. نتایج نهایی فرونشست با تحقیقات پیشین مقایسه و با مشاهدات زمینی ارزیابی شدند.نتایج و بحث نتایج تداخل سنجی راداری نتایج حاصل از فرآیند تداخل ‌سنجی راداری برای ماهواره ALOS در این تحقیق، بیانگر بیشینه نشست 5.2 سانتی‌ متر از تاریخ 2007/10/16 تا 2008/01/16 (طی 92 روز)، بیشینه نشست 3.8 سانتی ‌متر از تاریخ 2008/01/16 تا 2008/03/02 (طی 46 روز) و بیشینه نشست 4.7 از تاریخ 2008/03/02 تا 2008/06/02 (طی 92 روز) است. همچنین نتایج حاصل از فرآیند تداخل سنجی راداری برای ماهواره Sentinel-1 بیانگر بیشینه فرونشست 16.1 سانتی ‌متر از تاریخ 2015/05/28تا 2016/05/22 (طی 360 روز)، بیشینه نشست 17.4 سانتی ‌متر از تاریخ 2016/05/22 تا 2017/05/29 (طی 372 روز) و بیشینه فرونشست 20.3 سانتی‌متر از تاریخ 2017/05/29 تا 2018/05/24 (طی 360 روز) است. توزیع نواحی فرونشست یافته عمدتاً در منطقه مرکزی و جنوب شرقی دشت (شمال غربی شهر مشهد) مشاهده ‌شده است. همچنین یافته‌ های تحقیق دامنه منطقه فرونشست را در سطحی به مساحت 312 کیلومترمربع با درازای به طول 39 کیلومتر و پهنای به طول 8 کیلومتر معرفی نمود. جهت بررسی صحت نتایج حاصل از تداخل سنجی، به دلیل نبود رودخانه دائمی در منطقه عمده نیاز آبی مربوط به کشاورزی، صنعت و شرب به‌وسیله برداشت از سفره‌ های آب زیرزمینی انجام می ‌شود.نتیجه گیری یافته ‌های تحقیق نشان می ‌دهد که مناطق دارای نرخ حداکثر فرونشست منطبق بر کاربری ‌های زراعی و باغات است که بیشترین سهم را در برداشت از آب‌ های زیرزمینی دارا می ‌باشند. همچنین نقشه و نمودار های حاصل از بررسی چاه‌ های پیزومتری بیانگر کاهش پیوسته سطح آب در طول دوره آماری می ‌باشند. براساس نتایج تحقیق مهم ‌ترین علت فرونشست در دشت مشهد برداشت بی‌ رویه آب زیرزمینی است. از طرفی نرخ و دامنه فرونشست در منطقه برای سال ‌های 2007 تا 2008 و 2015 تا 2018 استخراج ‌شده که نشان‌ دهنده روند افزایش پدیده فرونشست در منطقه است. همچنین مشاهدات میدانی هم فرضیه افزایش میزان فرونشست در دهه اخیر را تأیید می ‌کنند.

چکیده انگلیسی:

Background and ObjectiveIn recent year’s groundwater pomping in the Mashhad plain and decreasing of rainfall in the Mashhad, plain is cause subsidence and creat damage to province infrastructure. This problem is causing more application for deep well water in agriculture, industries, and drinking water. Follow by this demand the number of illegal wells dicking by customers is increasing, therefore the water level of groundwater in Mashhad plain decreasing and the subsidence rate is growing. Mashhad plain is one of the significant plains in the Khorasan Razavi province which is the main water source to support the cropland and industries. High pressure in Groundwater pumping and rainfall is decreasing it causes aquifer recharge reduction.  Groundwater depletion induced a variety of inadequate in the Mashhad plain such as reducing well discharge, Qanat destructive, Water quality decreasing and land subsidence, etc. In this research, the rate of land subsidence by satellite radar data of ALOS-1 and Sentinel-1 and its relationship with groundwater depletion are investigated. For this purpose the time-series InSAR with multiple SAR data in L and C- bands are used for land subsidence analysis for ten years from 2007 to 2018. Materials and Methods The main goal of this research is to find the land subsidence rate in relationship with groundwater depletion of the Mashhad plain for a period of 2007-2018 using the InSAR technique. For achieving the research goal the three pairs of SAR images of ALOS data and three pairs of Sentinel-1 data are used. For analyzing the water delation with land subsidence the ten years piezometric well data for a period of 2006-2017 are modeled to create the groundwater table contour line. This map is used for finding the relationship with land subsidence. The final result of the subsidence map was assessed with field observation and previous work. Results and Discussion InSAR result of ALOS-1 data in this research is shown the subsidence maximum rate of 5.2 cm in the period of 2007.10.16 to 2008.10.16 for 92 days, subsidence maximum rate of 3.8 cm in the period of 2008.01.16 to 2008.03.02 for 46 days, and subsidence maximum rate of 4.7 cm in the period of 2008.03.02 to 2008.06.02 for 92 days. In addition, the Sentinel-1 data processing for InSAR analysis has shown the subsidence maximum rate of 16.1 cm between 2015.05.28 to 2016.05.22 for a year, subsidence maximum rate of 17.4 cm from 2016.05.22 to 2017.05.29 for 372 days, and subsidence maximum rate of 20.3 cm from 2017.05.29 to 2018.05.24 in a year. The spatial distribution of the subsidence area is mostly in the central and southeast of Mashhad plain. The subsidence area is extended in the area with a 39 km length and 8 km wide. The Mashhad plain does not have a permanent river therefore most of the water demand in agriculture, industries, and drink water is supplying by groundwater pumping. The correlation between the subsidence map and groundwater level contour map obviously has shown that groundwater depletion affects land subsidence. Field observation was also confirmed the subsidence by wall and building crack, wellhead uplifting in the test site. Conclusion The result showed that the area with the maximum rate of subsidence is the counterpart to cropland and garden which have more influence on groundwater pumping. In addition, the piezometric well date is shown the groundwater table continuously decreasing. According to the result of this research, the main reason for subsidence is a force to groundwater pumping. The field observation approved that the subsidence is happening in the Mashhad plain by some cracks in the wall, bridge, road, well destructive.

منابع و مأخذ:

Akbari V, Motagh M. 2011. Improved ground subsidence monitoring using small baseline SAR interferograms and a weighted least squares inversion algorithm. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 9(3): 437-441. doi:http://dx.doi.org/10.1109/LGRS.2011.2170952.

Alkhamis R, Kariminasab S, Ariana F. 2007. Investigating the Effect of Land Subsidence Due to Groundwater Discharges on Well Casing Damage. Journal of Water and Wastewater, 17(4): 77-88. (In Persian).

Anderssohn J, Wetzel H-U, Walter TR, Motagh M, Djamour Y, Kaufmann H. 2008. Land subsidence pattern controlled by old alpine basement faults in the Kashmar Valley, northeast Iran: results from InSAR and levelling. Geophysical Journal International, 174(1): 287-294. doi: https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2008.03805.x.

Arvin A, Vahabzadeh G, Mousavi SR, Bakhtyari Kia M. 2019. Geospatial modeling of land subsidence in the south of the Minab watershed using remote sensing and GIS. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 10(3): 19-34. http://girs.iaubushehr.ac.ir/article_668468_en.html. (In Persian).

Caló F, Notti D, Galve JP, Abdikan S, Görüm T, Pepe A, Balik Şanli F. 2017. Dinsar-Based detection of land subsidence and correlation with groundwater depletion in Konya Plain, Turkey. Remote Sensing, 9(1): 83. doi:https://doi.org/10.3390/rs9010083.

Chatterjee R, Fruneau B, Rudant J, Roy P, Frison P-L, Lakhera R, Dadhwal V, Saha R. 2006. Subsidence of Kolkata (Calcutta) City, India during the 1990s as observed from space by differential synthetic aperture radar interferometry (D-InSAR) technique. Remote Sensing of Environment, 102(1-2): 176-185. doi:https://doi.org/10.1016/j.rse.2006.02.006.

Chatterjee RS, Benedicte F, Rudant JP, Roy PS, Pierre-Louis F, Lakhera RC, Dadhwal VK, Ranajit S. 2006. Subsidence of Kolkata (Calcutta) City, India during the 1990s as observed from space by Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry (D-InSAR) technique. Remote Sensing of Environment, 102(1): 176-185. doi:https://doi.org/10.1016/j.rse.2006.02.006.

Galloway DL, Jones DR, Ingebritsen SE. 1999. Land subsidence in the United States, vol 1182. US Geological Survey, 175 p.

Gao M, Gong H, Chen B, Li X, Zhou C, Shi M, Si Y, Chen Z, Duan G. 2018. Regional land subsidence analysis in eastern Beijing plain by insar time series and wavelet transforms. Remote Sensing, 10(3): 365. doi:https://doi.org/10.3390/rs10030365.

Hafezi Moghaddas N, Leo C, Rahimi B, Azadi A. 2018. Morpho-tectonics and Geoelectrical method applied to active faults characterization in South of Mashhad Plain, Northeast of Iran. Geopersia, 8(1): 13-26. doi:https://dx.doi.org/10.22059/geope.2017.230489.648312.

Herrera G, Tomás R, Lopez-Sanchez J, Delgado J, Vicente F, Mulas J, Cooksley G, Sanchez M, Duro J, Arnaud A. 2009. Validation and comparison of advanced differential interferometry techniques: Murcia metropolitan area case study. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 64(5): 501-512. doi:https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2008.09.008.

Kampes B. 2006. Radar Interferometry, Persistent Scatterer Technique. Springer Netherland, 1-4 pp. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-4723-7.

Ketelaar VG. 2009. Satellite radar interferometry: Subsidence monitoring techniques, vol 14. Springer Science & Business Media, https://doi.org/10.1007/978-1-4020-4723-7.

Lashkaripoor G, Ghafoori M, Bagherpoor Moghadam B, Talebian S. 2007. Investigation of Groundwater Depletion on Land Subsidence case study. 1st International Applied Geological Congress May 2007, Mashhad, Iran.Vol 2:15-21 (In Persian).

Lashkaripour GR, Ghafoori M, Maddah MM. 2014. An investigation on the mechanism of land subsidence in the Northwest of Mashhad city, NE Iran. Journal of Biodiversity and Environmental Sciences (JBES) Vol, 5: 321-327.

Maghsoudi Y, Freek, Christoph H, Daniele P, Asep S. 2018. Using PS-InSAR to detect surface deformation in geothermal areas of West Java in Indonesia. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 64: 386-396. doi:https://doi.org/10.1016/j.jag.2017.04.001.

Mokhtari D, Ebrahimy H, Salmani S. 2019. Land subsidence susceptibility modeling using random forest approach (Case study: Tasuj plane catchment). Journal of RS and GIS for Natural Resources, 10(3): 93-105. http://girs.iaubushehr.ac.ir/article_668475_en.html. (In Persian).

Pacheco J, Arzate J, Rojas E, Arroyo M, Yutsis V, Ochoa G. 2006. Delimitation of ground failure zones due to land subsidence using gravity data and finite element modeling in the Querétaro valley, México. Engineering Geology, 84(3-4): 143-160. doi:https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2005.12.003.

Raucoules D, Colesanti C, Carnec C. 2007. Use of SAR interferometry for detecting and assessing ground subsidence. Comptes Rendus Geoscience, 339(5): 289-302. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.enggeo.2005.12.003.

Regional Water Authority of Khorasan Razavi. 2011. Final Report Updated the Integration of Water Resources Studies of Qaraqoom Catchment. Toossab Consulting Engineers Company. 3: 95 p. (In Persian).

Regional Water Authority of Khorasan Razavi. 2015. Kashfarud Rescue Plan with the Participation of the People, the Deputy for Planning and Management Improvement. 2: 72 p. (In Persian).

Regional Water Company of Khorasan Razavi. 2017. Mashhad Drinking Water Status Review Report, Deputy of Planning and Management Improvement. 1: 25 p. (In Persian).

Saffari A, Jafari F, TavakoliSaboor M. 2016. Monitoring land subsidence and its relationship with groundwater abstraction (Case study: Karaj- Shahriar plain). Quantitative Gemorphoogical Research, 2: 82-93. (In Persian).

Salehimoteahed F, Hafezimoghadas N, Lashkaripoor G, Dehghani M. 2017. Evaluation of geological causes of land subsidence in Mashhad plain and its effects on Mashhad. Second Seminar of Engineering Geology and Environment of Mashhad. Iranian Association of Engineering Geology. (In Persian).

Sharifikia M. 2010. Earthquake land surface deformation analysis bases on remote sensing techniques. 4th International Congress of the Islamic World Geograohers. 14-16 April 2010. Zahedan, Iran. (In Persian).

Xiaobing Z, Chang N-B, Li S. 2009. Applications of SAR interferometry in earth and environmental science research. Sensors, 9(3): 1876-1912. doi:https://doi.org/10.3390/s90301876.

Zarekamali M, Alhoseini Almodaresi SA, Naghdi K. 2017. Comparing the magnitude of the earth’s vertical relocation using the SBAS algorithm in X and C radar bands (Case study: Tehran lands). Journal of RS and GIS for Natural Resources, 8(3): 104-120. http://girs.iaubushehr.ac.ir/article_535577.html?lang=en. (In Persian).

Zohari M, Esmaili M, Motagh M, Mojaradi B. 2015. Comparison of X-Band, L-Band and C-band Radar images in monitoring subsidence in agricultural area. FRINGE 2015, Proceedings of the workshop held 23-27 March, 2015 in Frascati, Italy. ESA-SP Vol. 731.

متن کامل:



 

ارزیابی میزان فرونشست زمین در ارتباط با آبهای زیرزمینی به کمک داده ماهواره‌ های راداری سنتینل-1 و الوس-1 (محدوده مورد مطالعه: دشت مشهد)

 

چکیده 

فرونشست زمین از پدیده‌های مخرب زمین‌شناختی محسوب می‌شود که می‌تواند خسارت‌های جبران‌ناپذیر مالی و جانی به‌دنبال داشته باشد و به بسیاری از سازه‌ها و زیرساخت‌ها آسیب برساند. یکی از عوامل اصلی ایجاد پدیده فرونشست برداشت بی‌رویه از سفره‌های آب زیرزمینی است. روش تداخل‌سنجی راداری یک روش کم‌هزینه، سریع و دقیق جهت آشکار‌سازی تغییرات بوجود آمده در سطح زمین می‌باشد. در تحقیق حاضر مقدار فرونشست زمین در دشت مشهد با استفاده از تکنیک تداخل‌سنجی راداری در بازه زمانی 16/10/2007 تا 02/06/2008 و 28/05/2015 تا 24/05/2018 محاسبه و تعیین گردید. بدین منظور از داده‌های دو سنجنده ALOS و Sentinel-1 که به ترتیب در باند L و C می‌باشند، مورد استفاده قرار گرفت. مقدار تجمعی بیشینه فرونشست محاسبه شده از ماهواره ALOS برابر با 13/7 سانتیمتر در بازه زمانی 16/10/2007 تا 02/06/2008 و ماهواره Sentinel-1 به میزان 53/8 سانتیمتر در بازه زمانی 28/05/2015 تا 24/05/2018 بوده است. توزیع نواحی فرونشست یافته نیز حاکی از بیشینه نشست در قسمت مرکزی دشت و شمال‌غربی شهر مشهد می‌باشد. تراز ایستابی آب‌زیرزمینی در منطقه فرونشست یافته از سال 1385 تا 1396 به طور مداوم در حال نزول بوده و سطح آب در چاه‌های پیزومتری هرسال نسبت به سال قبل دچار افت شده است. با تطبیق نقشه هم‌افت سطح آب زیرزمینی در دشت مشهد با موقعیت چاه‌های شناسایی شده در منطقه فرونشست یافته مشخص شد، بیشترین افت سطح آب مربوط به منطقه فرونشست یافته می‌باشد. درنتیجه بیشترین فرونشست در قسمتی از دشت که بیشترین افت سطح آب‌زیرزمینی داشت رخ داده است.

 

واژه‌های کلیدی: تداخل‌سنجی‌راداری، فرونشست زمین، افت آب‌های زیرزمینی، دشت مشهد

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه

فرونشست پدیده‌ای مورفولوژیکی است که در اثر پایین رفتن سطح زمین به وجود می‌آید. این پدیده می‌تواند متأثر از عواملی مانند انحلال شیمیایی، برداشت منابع آب زیرزمینی، برداشت منابع معدنی، برداشت منابع نفت و گاز، آتش‌سوزی زیرزمینی و نهایتاً حرکات تکتونیکی روی دهد. هرچند رخداد این پدیده از فرکانس و توالی نسبتاً زیادی برخوردار است، لیکن به‌واسطه حرکت بسیار کند و آرام زمین در اغلب مواقع درک و اندازه‌گیری آن به‌درستی میسر نیست. بدین سبب رویداد این پدیده در اغلب نواحی تنها زمانی قابل شناسایی است که در مورفولوژی سطحی و به‌خصوص در تأسیسات و تجهیزات اثر گذارده و تخریب و خسارتی ببار آورد (12). این پدیده طبیعی در پاره‌ای مواقع به سبب تشدید و تحریک عوامل به وجود آورنده آن مانند افزایش فشار در بهره‌برداری و یا بهره‌برداری خارج از ظرفیت ترمیمی منابع آب زیرزمینی دشت‌ها (بهره‌برداری بی‌رویه)، روند و دامنه گسترده‌ای به خود گرفته، علاوه بر ایجاد ترک‌های فراوان در سطح زمین، تبدیل به مخاطره و تهدید برای انسان و دستاوردهای انسانی می‌شود (21). ایجاد فروچاله، جابه‌جایی، شکست و ترک در سطح زمین، کج‌شدگی تأسیسات مرتفع، آسیب‌دیدگی تأسیسات کشاورزی تخریب و شکستگی پل‌ها، راه و شبکه معابر شهری و غیره ازجمله عمومی‌ترین خسارات و تهدیدات حاصل از تشدید پدیده فرونشست است (20). این پدیده در سطح زمین به‌صورت جابه‌جایی‌های عمودی نمود دارد که از مقیاس میلی‌متر تا متر و در محدوده‌ای وسیع حادث می‌گردد (7). طبق گزارش کارشناسان، نزدیک به 150 شهر از شهرهای بزرگ دنیا در معرض این مخاطره قرار دارند. ازجمله این مناطق می‌توان به مکزیکوسیتی (مکزیک)، لاس‌وگاس، بانکوک (تایلند) و شانگهای (چین) نام برد (15). نشانه اولیه این پدیده به‌عنوان یکی از مخاطرات طبیعی همیشه قبل از وقوع ریزش قابل‌ مشاهده نیست، به همین دلیل تشخیص و نمایان‌سازی نواحی که به دلیل خطرپذیری و به مخاطره انداختن زندگی، مستعد فرونشست هستند ضروری به نظر می‌رسد (2). در ایران این پدیده به دلیل همراه شدن شرایط اقلیمی و همچنین تسلط شرایط بیابانی بر یک چهارم از مساحت ایران و سوء مدیریت منابع زیرسطحی به‌ویژه آب، نرخ رو به رشدي داشته است. به‌طوري که قریب به نیمی از 600 دشت کشور در معرض فرونشست قرار دارد. همچنین مطالعات صورت گرفته در بیش از 35 دشت کشور ارقام نسبتاً بزرگی از نرخ فرونشست را معرفی می‌نماید که در مواردي، روزانه به بیش از یک میلی‌متر نیز می‌رسد (22). دو نوع روش غیرمستقیم و مستقیم برای محاسبه میزان فرونشت زمین وجود دارد، روش غیرمستقیم که شامل، مدل‌سازی ریاضی و مدل‌های رستر پایه می‌باشد، و روش مستقیم که شامل اندازه‌گیری تغییرات تراز در نقاط تراز ارتفاعی به کمک سیستم موقعیت جهانی (GPS)، ابزار تراکم‌سنج و روش تداخل‌سنجی رادار دریچه مصنوعی (InSAR) می‌باشد. تداخل سنجی داده‌هاي راداری (InSAR)  در بین روش‌های متنوع و گوناگون آشکارسازي تغییرات پوسته‌ی زمین به‌عنوان بهترین روش اندازه‌گیري پیوسته این تغییرات مطرح می‌باشد (5). از اوایل دهه 1990 با عملیاتی شدن ماهواره‌های راداری، تداخل‌سنجی راداری نیز به‌صورت گسترده مورد استفاده متخصصان علوم زمین قرار گرفت (1 و 16). این تکنیک برای اندازه‌گیری جابه‌جایی‌های حاصل‌شده از زمین‌لرزه، آتشفشان، حرکات توده‌ای، جابه‌جایی یخچال‌ها و پدیده‌های فرونشست و روانگرایی با موفقیت به کار گرفته ‌شده است (10). با توجه به اهمیت موضوع فرونشست محققین زیادی در داخل و خارج از کشور به تحقیق پرداختند. مقصودی و همکاران (14)، با استفاده از تصاویر ALOS و Sentinel-1 در دو منطقه غرب اندونزی در بازه زمانی 2007-2009 و 2015-2016 با استفاده از تکنیک تداخل‌سنجی راداری به پایش زمین اقدام کردند که در این تحقیق در اطراف چاه‌های تزریق منطقه بالاآمدگی سطح زمین مشاهده شد. کالو و همکاران (4)، با استفاده از تکنیک تداخل‌سنجی راداری به مطالعه منطقه کنیا یکی از مراکز پیشرو در بخش کشاورزی و صنعتی ترکیه پرداختند. در این تحقیق با استفاده از ماهواره ENVISAT منطقه مورد نظر از سال 2002 تا 2010 مورد بررسی قرار گرفت که نتیجه آن شناسایی منطقه‌ای به مساحت 1200 کیلومترمربع با نرخ فرونشست سالیانه 10 سانتی‌متر مشاهده شد. با بررسی نقشه‌های زمین‌شناسی و هواشناسی و چاه‌های پیزومتری منطقه علت فرونشست برداشت از آب زیرزمین بیان شد. گاوو و همکاران (24)، با استفاده از تکنیک تداخل‌سنجی راداری به مطالعه دشت پکن اقدام کردند، در این تحقیق 47 تصویر TerraSAR-X از بازه زمانی 2010 تا 2015 مورد ارزیابی قرار گرفت که حداکثر نرخ سالانه فرونشست زمین از سال 2011 تا 2015 برابر 146 میلی‌متر در سال اندازه‌گیری شد که علت اصلی آن استفاده از آب زیرزمینی برای مصارف کشاورزی بیان شد. زارع کمالی و همکاران (26) فرونشست دشت تهران را با استفاده از داده های TerraSAR-x و ASAR و تکنیک هایDInSAR  و SBAS مورد مطالعه قرار دادند. بازۀ زمانی این تصاویر به ترتیب 1680 و 187 روز بود. پس از پردازش تصاویر، نقشه­های جابجایی سطح زمین برای تمامی تاریخ­ها نسبت به تصویر اولیه محاسبه شد و نقشه میزان جابجایی عمودی سطح زمین در روز برای هر سنجنده تهیه گردید. بررسی نتایج دو سنجنده نشان داد که میزان نشست برای سنجنده ASAR به طور میانگین 761/0 میلی‌متر در روز و برای سنجنده TerraSAR-x به طور میانگین 777/0 میلی‌متر در روز است. عبدالخالق و همکاران(27)، فرونشست حوضه‌آبخیز میناب در جنوب کشور را با استتفاده از داده‌های راداری Sentinel-1 سال‌های 1393 و 1397 و روش تداخل‌سنجی تفاضلی راداری (DInSAR) مورد بررسی قرار دادند. حوضه میناب در سال‌های گذشته با برداشت بی‌رویه از چاه‌های عمیق موجب عدم تعادل آبخوان منطقه شده و پایین رفتن سطح آب زیرزمینی را به دنبال داشته است.  لشکری‌پور و همکاران (13)، مکانيسم فرونشست شمال‌غرب دشت مشهد را بررسي کردند و علت اصلي اين فرونشست را افت شديد سطح آب زيرزميني در اين ناحيه در طول 40 سال گذشته بيان کردند. بررسي ايستگاه GPS طوس که در شمال‌غرب مشهد واقع است، نرخ نشست 20 سانتيمتر در سال را نشان داد. مقدار پايين آمده سطح آب با توجه به جنس لايه خاک و اندازه‌ي دانه‌ها متفاوت است و نتايج حاکي از اثر نرخ بيشتر کاهش تراز آب بر فرونشست در مناطق با خاک ريزدانه است که به خاطر پديده‌ي تحکيم مي‌باشد. صالحی و همکاران (21)، به مطالعه پایش دقیق نرخ فرونشست سالانه دشت مشهد در سال 2010 با توجه به ویژگی‌های زمین‌شناختی و هیدروژئولوژیکی پرداختند، در این تحقیق با کمک 23 تصویر ماهواره ENVISAT به روش تداخل‌سنجی راداری محدوده‌ای به وسعت 7/13 کیلومترمربع با نرخ بیش از 20 سانتی‌متر در سال در حال فرونشست شناسایی شد. بیشترین نرخ فرونشست در مناطق با افت شدید سطح آب زیرزمینی، بافت خاک ریزدانه و ضخامت آبرفت زیاد ایجاد شده است. زهری و همکاران (25)، فرونشست دشت مشهد در مناطق کشاورزي را اندازه‌گيري نمودند، آن‌ها از 26 تصویر راداری ENVISAT بین سال 2003 تا 2008، 13 تصویر راداری ALOS بین سال 2007 تا 2011 و 24 تصویر TerraSAR-X بین سال 2009 تا 2013 استفاده کردند. ترکیب سه باند C، L و X مورد استفاده قرار گرفت که کل فرونشست در این زمان برابر با 170 سانتی‌متر محاسبه شد. اکبری و همکاران (1)، فرونشست دشت مشهد را به روش تداخل‌سنجي راداري با الگوريتم SBAS و روش اصلاحي وزن‌دهي حداقل مربعات انجام دادند. 17 تصوير ماهواره‌ي ENVISAT بین سال 2004 تا 2007 استفاده کردند که 86 سانتی‌متر نشست در 1280 روز (معادل 24 سانتی‌متر در سال) رخ داده است. مقایسه‌ی نتایج با داده‌های GPS خطای حداکثری یک سانتی‌متر را نشان داده است. دشت مشهد مهم‌ترین دشت استان خراسان‌رضوی می‌باشد که آب زیرزمینی منبع اصلی جهت تأمین نیاز‌های آبی خصوصاً کشاورزی محسوب می‌گردد. برداشت بی‌رویه از آب‌های زیرزمینی منطقه از یک طرف و کاهش نزولات جوی و به‌تبع آن کاهش تغذیه مخزن آب زیرزمینی در برخی از سال‌ها از طرف دیگر، سبب گردیده که سطح آب زیرزمینی دشت به‌طور مستمر افت نماید. افت شدید سطح آب زیرزمینی اثرات نامطلوب مختلفی را در دشت مشهد موجب گردیده است که ازجمله آن‌ها می‌توان به کاهش آبدهی و یا خشک شدن تعدادی از چاه‌ها و قنوات، کاهش کیفیت آب زیرزمینی و وقوع پدیده فرونشست در برخی از نواحی آن اشاره نمود (22 و 28). با توجه به مصرف بی‌رویه آب‌های زیرزمینی در دشت مشهد، این منطقه از استعداد فرونشست‌ زیادی برخوردار می‌باشد که می‌تواند در آینده‌ای نه چندان دور باعث بوجود آمدن مشکلات جانی، مالی و حتی اقتصادی در سطح کلان را در پی داشته باشد. در همین راستا هدف تحقیق حاضر محاسبه میزان فرونشست دشت مشهد واقع در شمال خراسان رضوی، به کمک تکنیک تداخل‌سنجی راداری با استفاده از داده های ماهواره های رادرای Sentinel-1 در باند C وPALSAR ALOS در باند L می باشد.

مواد و روش ها

منطقه مورد مطالعه

منطقه مطالعاتی دشت مشهد واقع در استان خراسان رضوی است. این منطقه محل تلاقی 3 حوضه آبریز قره قوم، کویر مرکزی ایران و اترک می‌باشد. دشت مشهد در محدوده عرض شمالي '59 °35 تا '02 °37 و طول شرقی '22 °58 تا ' 07 °60 جزو حوضه درجه يك قره‌قوم و در حوضه درجه دو كشف‌رود قرار دارد. اين محدوده در شمال استان خراسان رضوي واقع شده و از شمال به خط‌الراس ارتفاعات هزار مسجد (كپه داغ)، از جنوب به ارتفاعات بينالود و از شمال غرب به حوضه‌آبريز اترك محدود مي‌گردد. مساحت كل محدوده مطالعاتي تا محل خروجي دشت (کال تنگل شور) 9909 کیلومترمربع است که 3351 کیلومترمربع آن را دشت و 6558 کیلومترمربع آن را ارتفاعات تشكيل مي‌دهد. طول كشيدگي حوضه حدود 150 كيلومتر و از اراضي آبگرگ، دولو در 9 كيلومتري شرق جاده قوچان – مشهد شروع و به كال تنگل شور ختم مي‌گردد. بلندترين نقطه ارتفاعي حوضه 3300 متر در قله بينالود و كمترين آن 880 متر در محل خروجي دشت مي‌باشد. جهت شيب زمين از شمال غرب به جنوب شرق است (شکل 1).

شکل 1. موقعیت جغرافیایی محدوده مورد مطالعه، دشت مشهد

 Fig.1. Study area location in Iran and Mashhad plain 

محدوده مطالعاتی دشت مشهد به لحاظ جایگاه زمین‌شناسی در حد فاصل دو زون زمین‌شناسی کپه داغ و بینالود واقع می‌شود. زون بینالود با روند شمال غرب – جنوب شرق در امتداد زون البرز شرقی است که تا کشور افغانستان امتداد می‌یابد. زون کپه داغ که قسمت شمالی دشت مشهد را شامل می‌شود، با روند شمال‌غرب – جنوب‌شرق کل بخش شمالی حوضه تلفیق قره‌قوم را شامل می‌شود (17). مطالعات اخير در دشت مشهد نشان مي‌دهد که دشت مشهد ازنظر ساختاري يک ناوديس باز مي‌باشد که از دو طرف توسط گسل‌هاي طولي بريده شده است. در سمت شمال دشت گسل معکوس راست‌گرد کشف رود با شيب به‌طرف شمال سبب بالا آمدن و رخنمون نهشته‌هاي مارني شده است. شاخه‌اي از گسل کشف‌رود بعد از ناحيه توس از محدوده شمالي شهر مشهد در ناحيه خواجه ربيع عبور مي‌کند که به گسل توس نام گذاري شده است. (18). همچنین اغلب کاربری اراضی این دشت شامل زمین‌های زراعی، پوشش درختی و باغات، مراتع، اراضی مسکونی، اراضی شور و بایر می‌باشد.

با توجه به آمار بارندگی ۴۰ ساله ایستگاه‌های موجود در محدوده شهر مشهد مشخص شد میزان بارش در شمال (هزار مسجد) و جنوب (بینالود) دشت، نسبت به مرکز دشت بیشتر است. میزان متوسط بارندگی سالانه در ارتفاعات و دشت محدوده مشهد به ترتیب 4/308 و 3/237 میلی‌متر برآورد گردیده است. پرباران‌ترین ماه سال، فروردین ماه 1/47 میلی‌متر و کم باران‌ترین آن در شهریور ماه با 4/1 میلی‌متر محاسبه شده است (19). اقلیم دشت مشهد با توجه به روش دومارتن در اقلیم نیمه‌خشک قرار دارد. 

سفره آب زیرزمینی دشت مشهد با بیش از 3000 کیلومترمربع وسعت از حدود 10 کیلومتری جنوب‌شرقی شهر قوچان شروع شده و در جهت جنوب‌شرقی مابین دو رشته کوه بینالود و هزار مسجد ادامه می‌یابد. جهت عمومی جریان آب زیرزمینی در دشت مشهد از شمال‌غرب به سمت جنوب‌شرق می‌باشد. از نظر نفوذپذیری دامنه جنوبی دشت ضخیم‌تر و نفوذپذیرتر است. ضخامت لایه آبدار در محدوده دشت مشهد متغیر بوده و دامنه تغییرات آن از 20 متر در محدوده خروجی دشت تا 150 متر در حاشیه ارتفاعات جنوبی تغییر می‌کند. تعداد چاه‌های موجود در دشت 6716 حلقه، چشمه‌ها 656 دهنه و قنات‌ها 1084 رشته می‌باشد (18). تغییرات و افت سطح آب در طول 11 سال، از سال‌ 1385 تا 1396 با استفاده از داده‌های چاه‌های پیزومتری شکل2، از شرکت آب منطقه‌ای خراسان رضوی دریافت و در سطح دشت بررسی و سطح آب در 85 گمانه در یک فایل اکسل تهیه گردید. سپس با استفاده از نرم‌افزار GIS Arc روش درونیابی (IDW) انجام شد و در نهایت مدل ایجاد شده، به شش گروه کلاسه‌بندی گردید. بیشترین افت با رنگ قرمز در مرکز دشت و همچنین محدوده بافت قدیمی شهر مشهد به دلیل تغذیه آبخوان از فاضلاب شهری دچار بالاآمدگی سطح آب شده است. 

(ب)

 

شکل 2. (الف) موقعیت چاه‌های پیزومتری؛ (ب)  نقشه هم‌افت سطح آب زیرزمینی در محدوده دشت مشهد 

Fig.2. Location of Piezometric well (left) and Groundwater Level Map in Mashhad Plain

 

روش تحقیق

به منظور بررسی میزان فرونشست دشت مشهد و ارتباط آن با میزان افت سطح آب‌های زیرزمینی، ابتدا میزان نرخ فرونشست زمین به روش تداخل‌سنجی راداری محاسبه شد و همچنین وضعیت لرزه‌خیزی و داده‌های تکتونیکی زمین در بازه زمانی مشابه مورد بررسی قرار گرفت، سپس روند تغییرات سطح آب چاه‌های پیزومتری در طول 11 سال (از سال 1385 تا 1396) در منطقه فرونشست یافته محاسبه و با نقشه هم‌افت سطح آب زیرزمینی در دشت مشهد به منظور ارتباط با میزان فرونشست بدست آمده مورد مقایسه قرار گرفت. در نهایت نتایج تحقیق با پیمایش‌های میدانی مورد صحت‌سنجی قرار گرفت. روند کلی تحقیق در شکل 1. نشان داده شده است.

 

شکل 3. روند کلی مراحل تحقیق

Fig.3. Flowchart of Research Methodology

 

داده‌های مورد استفاده

در تحقیق حاضر از داده‌های دو ماهواره Sentinel-1 و ALOS به منظور اندازه‌گیری میزان فرونشست استفاده شد که به ترتیب از درگاه‌هایhttps://scihub.copernicus.eu  و https://vertex.daac.asf.alaska.edu بارگیری گردیدند.

ماهواره Sentinel-1 در تاریخ 3 آوریل 2014 مأموریت خود را آغاز كرد. این ماهواره مدار قطبي است كه به‌صورت راداري تصويربرداري را انجام مي‌دهد و قادر است كه پديده‌ها و عوارض سطح زمین را در شب و روز و در بدترين شرايط آب و هوايی به جمع‌آوري اطلاعات بپردازد. اين ماهواره در محدوده طول موج ماكروويو و باند C تصويربرداري مي‌کند و در چهار حالت مختلف (VV, VH, HH, HV)، تصويربرداري‌ با وضوح قابل قبول تا حد 10 متري و پوششي در عرض 400 كيلومتر را فراهم مي‌آورد. چهار تصویر که دارای شرایط مناسب برای بررسی پدیده فرونشست بودند انتخاب گردید، مشخصات تصاویر در جدول1. آورده شده است.

ماهواره ALOS به‌منظور استفاده در نقشه‌برداری، مشاهده دقیق پوشش‌های زمینی، بررسی منابع و توسعه تکنولوژی، در سال ۲۰۰۶ میلادی به فضا پرتاب شد. سنجنده PALSAR نمونه پیشرفته‌تر سنجنده SAR ماهواره JERS-1 است. PALSAR یک سنجنده ماکرویو فعال است که قادر به تصویربرداری در تمام شرایط جوی در طول شبانه روز می‌باشد. با تغییر در زاویه دید و حالت تصویربرداری، منطقه وسیع‌تری قابل ‌مشاهده خواهد بود. تصاویر راداری ALOS PALSAR از یک ماهواره L-band آرایه افقی باقابلیت برداشت از ۸ تا ۶۰ درجه به دست می‌آید. چهار تصویر مناسب که دارای شرایط مناسب برای بررسی پدیده فرونشست بودند انتخاب گردید، مشخصات تصاویر در جدول1. آورده شده است.

جدول 1. مشخصات مربوط به تصاویر مورد استفاده در تحقیق، ماهواره‌های Sentinel-1 و  ALOS PALSAR

Table 1. Characteristic of Satellite Data Used in Research, Sentinel-1 and ALOS PALSAR

ماهواره Satellite	زمان Date	نوع تصویر Type of Data	حالت Mode	قطبش Polarize
Sentinel-1	28/05/2015 22/05/2016 29/05/2017 24/05/2018	SLC SLC SLC SLC	IW IW IW IW	VV VV VV VH VV VH
ALOS PALSAR	16/10/2007   16/01/2008   02/03/2008   02/06/2008	Level 1.0   Level 1.0   Level 1.0   Level 1.0	FBD   FBS   FBS   FBD	HH HV   HH   HH   HH HV

 

نمونه‌ای از تصاویر خام دانلود شده در شکل4. نشان داده شده است.

شکل 4. تصویر خام ماهواره Sentinel-1 (تصویر سمت چپ)، ؛ تصویر خام ماهواره ALOS PALSAR  (تصویر سمت راست) 

Fig.4. RAW Data of Sentinel-1 (Left); RAW Data of ALOS PALSAR (Right)

 

به منظور افزایش دقت در نتایج تصاویر خام ماهواره‌ی Sentinel-1 پیش‌پردازش‌های تصحیح اتمسفری، کالیبراسیون، تصحیح رادیومتریک، و زمین مرجع کردن توسط نرم‌افزار SNAP بر تصاویر اعمال گردید. 

تصاویر ALOS PALSAR دارای 3 سطح می‌باشند. Level 1.0 که تصویر نوع خام می‌باشد و هیچ‌گونه تصحیحی روی آن صورت نگرفته است. Level 1.1 که تصاویر SLC هستند و برای پردازش راداری مورد استفاده قرار می‌گیرند و Level 1.5 که تمام تصحیحات روی آن انجام شده و زمین مرجع می‌باشد. از آنجایی که Level 1.1 در تصاویر انتخاب شده وجود ندارد تصاویر Level 1.0 را از طریق افزونه SARscape در نرم افزار ENVI  به Level 1.1 تبدیل شدند.

انتخاب زوج تصاویر SAR جهت تداخل‌سنجی

خط مبنای عمود مکانی، خط مبنای زمانی، فرکانس سنجنده مورد استفاده، هم‌پوشانی مکانی و همچنین هم‌پوشانی طیفی در راستای پرواز (آزیموتال) از عوامل پایه در انتخاب زوج تصاویر می‌باشند. خط مبنای زمانی یا فاصله زمانی بین اخذ دو تصویر راداری نیز از عوامل مهم جهت تشکیل تداخل-نگار می‌باشد. خط مبنای زمانی بیان کننده مقدار فاصله زمانی بین تهیه تصاویر است و باید در موقع انتخاب داده‌ها به‌گونه‌ای انتخاب شوند که به‌طور کامل مدت‌ زمان مدنظر جهت انجام بررسی پدیده را پوشش دهند. بدین صورت که با افزایش زمان اخذ دو تصویر امکان بروز تغییرات در اهداف زمینی بیشتر شده و احتمال وابستگی سیگنال بین دو تصویر کاهش می‌یابد که خود موجب افزایش نویز در تداخل نگار نهایی می‌شود (23). لذا بایستی دقت داشت زوج تصاویر در تاریخ‌های سالیانه نزدیک به یکدیگر یعنی در ماه‌های مشابه و به دور از فصول زراعی انتخاب گردند. نکته مهم در مورد خط مبنای زمانی این است که در صورتی که فاصله بین زوج تصاویر راداری بیش‌ از حد زیاد باشد شاهد پایین آمدن میزان همدوسی (Coherence) هستیم که این کاهش میزان همدوسی بر روی نتایج حاصل از تصاویر بسیار تأثیرگذار می‌باشد (6). اطلاعات مربوط به زوج تصاویر ماهواره1  Sentinel- و ALOS به ترتیب در جدول2. و جدول3. آورده شده است.

جدول 3. اطلاعات زوج تصاویر استفاده شده ماهواره ALOS Table 3. Characteristic of Using ALOS Pair Data زوج تصویر   Pair Scene نام اختصاری   Symbolic Name خط مبنای زمانی (روز) Baseline Time (Day) خط مبنای عمودی (متر) Vertical Baseline (Meter) خط مبنای بحرانی (متر) Critical Baseline (Meter) 16/10/2007 16/01/2008 A1 92 63/192 9817 16/01/2008 02/03/2008 A2 46 03/198 9817 02/03/2008 02/06/2008 A3 92 42/187 9817

جدول2. اطلاعات زوج تصاویر استفاده شده ماهواره Sentinel-1 Table 2. Characteristic of Sentinel-1pair Data زوج تصویر   Pair Scene نام اختصاری   Symbolic Name خط مبنای زمانی (روز) Baseline Time (Day) خط مبنای عمودی (متر) Vertical Baseline (Meter) خط مبنای بحرانی (متر) Critical Baseline (Meter) 28/05/2015 22/05/2016 S1 360 89/18 45/6426 22/05/2016 29/05/2017 S2 372 23/95 45/6426 29/05/2017 24/05/2018 S3 360 25/32 45/6426

 

ایجاد تداخل‌نگار

تولید تداخل‌نگار جهت نمایش اختلاف فاز ناشی از تغییر فاصله بین پدیده و سنجنده در دو عبور متوالی است. میزان ارتفاع در هر نقطه از منطقه در فاصله زمانی تهیه دو تصویر به‌وسیله بررسی‌های میزان اختلاف فاز بین تصاویر تعیین می‌شود. تداخل نگار در اثر ضرب مختلط تصویر اصلی (Master) در مزدوج تصویر وابسته (Slave) ساخته می‌شود. فاز حاصل از این ضرب مختلط یک فاز تفاضلی است و حاصل فازهای مربوط به توپوگرافی، فاز مربوط به اختلال اتمسفر، فاز اصلاح شده در نتیجه تغییرات مداری و درنهایت فاز حاصل از جابه‌جایی احتمالی پوسته سطحی زمین است (3).

حذف تأثیر فاز توپوگرافی از تداخل‌نگار

در فرآیند انجام حذف اثر توپوگرافی عامل اصلی و ورودی کلیدی مدل رقومی ارتفاع زمین است. این عملیات شامل تبدیل مختصات هندسی مدل رقومی ارتفاعی به مختصات هندسی تصویر پایه در زمان اخذ تصویر می‎باشد. ازاین‌رو هرچه دقت مدل ارتفاعی مورد استفاده بهتر و همچنین پارامترهای مداری از دقت بالاتر برخوردار باشد، به همان میزان دقت و صحت عملیات حذف اثرات توپوگرافی بیشتر خواهد بود (9). در این تحقیق از فاز با تواتر بالا استفاده گردید، این فاز می‌تواند به تغییرات زمانی فاز در طی اخذ تصویر پایه و وابسته (تغییر در سطح زمین و یا اتمسفر) و همچنین اختلاف ارتفاعی مدل رقومی زمین با ارتفاع مبنای مدل بیضوی زمینی مربوط گردد. فاز حاصل فاز مورد نظر است که به فاز تفاضلی و تداخل نگار حاصل به تداخل نگار مسطح (DINT) ملقب است. نمونه‌ای از تداخل‌نگار مسطح شد در شکل5. نشان داده شده است.

شکل 5. نمونه تداخل نگار مسطح شده حاصل از پردازش تداخل نگار S3 از ماهواره Sentinel-1 (تصویر سمت چپ)؛ نمونه تداخل نگار مسطح شده حاصل از پردازش تداخل نگار A3 از ماهواره ALOS  (تصویر سمت راست)

Fig.5. A Sample of DINT of interfrometric Processing on S3 Sentinel-1Data (left); A Sample of DINT of interfrometric Processing on A3 ALOS Data

 

انجام عملیات فیلترگذاری بر روی تداخل‌نگار

در منطقه مورد مطالعه به‌واسطه خط مبنای زمانی طولانی بین دو تصویر و همچنین به دلیل نرخ بالای رشد ساکنین آن شاهد ساخت‌وساز و فعالیت‌های عمرانی زیادی هستیم. علاوه بر این، وجود زمین‌های کشاورزی و باغات جزو عوامل ایجاد نویز در تصاویر است. به دلیل کارایی بالای فیلتر گلداشتاین، در این تحقیق از این فلیتر استفاده شده است. این فیلتر به‌صورت انتخابی عمل نموده و عملیات فیلتر را به‌صورت محلی اجرا می‌نماید. فیلتر گلداشتاین با بهره‌گیری از متغیر عرض باند که به‌صورت مستقیم از همبستگی توان طیفی تداخل نگار تفاضلی به دست می‌آید، تنظیم می‌گردد. بدین ترتیب که در مناطق با همبستگی پایین با عرض باند زیاد و تعداد پیکسل بیشتر و در مناطق با همبستگی بالا با عرض باند کم و تعداد پیکسل محدود عمل می‌نماید (3 ).

تولید تصویر همدوس

تصویر همدوس (Coherence) تصویری است که از همبستگی توانی (Power) دو تصویر هم مختصات شده SAR ایجاد می‌شود. این تصویر بیانگر شاخص همبستگی بین سیگنال‌های تصویر اصلی و تصویر وابسته می‌باشد. میزان همدوسی بین صفر (غیر همدوسی) تا یک (همدوسی کامل) متغییر است. هرچه میزان همدوسی بین زوج تصاویر بالاتر باشد آن زوج تصویر از جهت انجام تداخل‌سنجی تفاضلی مناسب‌تر هستند و تداخل نگار حاصل کیفیت بیشتری دارد. در تصاویری که میزان همدوسی آن‌ها نزدیک به 5/0 و یا بالاتر باشد تصاویر مناسبی برای ساخت تداخل نگار به شمار می‌آیند. در برخی موارد با مقادیر کمتر از این مقدار هم برای تولید تداخل‌نگار می‌توان استفاده کرد. مقدار همدوسی 3/0 مقداری بحرانی است و تصاویری که میزان همدوسی آن‌ها کمتر از این مقدار است برای ساخت تداخل‌نگار مناسب نمی‌باشند (3). میزان همدوسی زوج تصاویر استفاده شده از ماهواره Sentinel-1 و ALOS در جدول4. نشان داده شده است.

جدول 4. مقادیر همدوسی برای زوج تصاویر ماهواره‌های ALOS و Sentinel-1

Table 4. Coherence amounts of pair image of Sentinel-1 and ALOS PALSAR Data

ماهواره Satellite	زوج تصویر Pair scene	کمترین مقدار همدوسی Minimum Coherence	میانگین مقدار همدوسی Average Coherence	بیشترین مقدار همدوسی Maximum Coherence
Sentinel-1	A1 A2 A3	0005/0 0014/0 0016/0	5002/0 5019/0 4586/0	9904/0 9904/0 9491/0
ALOS	S1 S2 S3	0 0001/0 0001/0	3340/0 3463/0 4106/0	9990/0 9977/0 9988/0

با توجه به این نکته که ماهواره Sentinel-1 در طول موج C تصویربرداری انجام می‌دهد و طول موج این باند برابر 6/5 سانتی‌متر می‌باشد به همین دلیل در هنگام برخورد با پوشش گیاهی تحت تأثیر قرار می‌گیرد و همچنین نسبت به رطوبت بسیار حساس است. لذا بنا به دلایلی که ذکر شد میزان همدوسی بین تصاویر Sentinel-1 کاهش پیدا کرده است.

تصحیح مقادیر فاز

مرحله بسیار مهم در فرآیند تهیه میزان فرونشست از تکنیک تداخل‌سنجی راداری مرحله تصحیح فازی است. میزان تغییرات فاز تنها می‌تواند پیمانه‌ای از 2π بیان گردد. این در حالی است که ممکن است میزان تغییرات موجود در منطقه (فرآیند جابه‌جایی زمین) از میزان 2π بیشتر گردد، در این صورت در تداخل‌نگار حاصل مقادیر بیشتر از 2π دوباره از نوع آغاز شده و به‌صورت یک چرخه در خواهد آمد. در حقیقت الگوریتم‌های اصلاح فازی تلاش در جهت رفع‌ابهام 2π را دارند (3). الگوریتم جریان با کمترین هزینه برای استفاده با مقادیر همدوسی پایین مناسب است و به دلیل پایین بودن مقادیر همدوسی در زوج تصاویر این تحقیق، از الگوریتم جریان با کمترین هزینه استفاده شده است.

پالایش و تصحیح مضاعف

این عمل برای تداخل نگارهای که نشانه‌هایی از لرزش سکو در فرم پلکان (Ramp) دارند، ضروری می‌باشد (23). این عمل بر روی فاز تصحیح شده در مرحله تصحیح فاز انجام گرفته و با کمک مدل DEM منطقه، فاز مصنوعی تولید شده (فاز با تواتر پایین)، مدل رقومی ارتفاع تبدیل شده به مختصات هندسی تصویربرداری راداری SRDEM (مختصات مایل)، تصاویر همدوسی، پارامترهای مداری تصویر پایه و پیرو SAR و همچنین تعدادی نقاط کنترل زمینی مناسب با درجه چندجمله‌ای مورد استفاده به انجام رسید. برای نمونه نتایج نهایی حاصل از پالایش و تصحیح مضاعف بر روس زوج تصاویر S3 و A3 در شکل شماره 6 نشان داده شده است.

شکل 6. پالایش و تصحیح مضاعف بر روی فاز اصلاحی زوج تصویر S3 از ماهواره تصویر Sentinel-1 (تصویر سمت چپ)؛ پالایش و تصحیح مضاعف بر روی فاز اصلاحی زوج تصویر A3 از ماهواره ALOS (تصویر سمت راست)

Fig. 6. Refinement and Re-flattening on S1 by Sentinel-1 Data (Left); Refinement and Re-flattening on A3 by ALOS Data (Right)

نتایج

میزان نرخ فرونشست زوج تصاویر A1، A2 و A3 از ماهواره ALOS و میزان نرخ فرونشست زوج تصاویر S1، S2 و S3 از ماهواره Sentinel-1 با استفاده از فرآیند معادله دامنه داپلر (Dopler) و تبدیلات ژئودتیک (Geodetic) (3) انجام پذیرفت که با این کار مقدار جابه‌جایی و همچنین مختصات کارتزین هر پیکسل زمینی هم‌زمان به دست خواهد آمد که نتایج آن در شکل7. نشان داده شده است. در نقشه‌های حاصل مقادیر مثبت جابه‌جایی مربوط به حرکت سطح زمین به سمت دید رادار یا همان بالا آمدگی و مقادیر منفی بیانگر دور شدن سطح زمین از سنجنده در راستای دید راداری یا فرونشست می‌باشد.

شکل 7. میزان نرخ فرونشست زوج تصویر A1 و A2 و A3 از ماهواره ALOS (ستون سمت چپ)؛ میزان نرخ فرونشست زوج تصویر S1 و S2 و S3  از ماهواره Sentinel-1(ستون سمت راست)

Fig.7. Subsidence Rate of Couple Pictures A1, A2 and A3 ALOS Satellite Data (Left Column); Subsidence Rate of Couple Pictures S1, S2 and S3 Sentinel-1 Satellite Data (Right Column)

میزان نرخ فرونشست در بازه‌های زمانی مربوط به زوج تصاویر A1، A2 و A3 از ماهواره ALOS و زوج تصاویر S1، S2 و S3 از ماهواره Sentinel-1 در جدول5. آورده شده است.

جدول 5. نتایج حاصل از فرآیند تداخل سنجی راداری ماهواره‌های ALOS و Sentinel-1

Table 5. InSAR Results of ALOS PALSAR and Sentinel-1 Data

ماهواره Satellite	زوج تصویر Pair scene	نام اختصاری Symbolic Name	بازه زمانی(روز) Time Period (Day)	بیشینه فرونشست (سانتی­متر) Maximum Subsidence (cm)
ALOS	16/10/2007 16/01/2008	A1	92	2/5
	16/01/2008 02/03/2008	A2	46	8/3
	02/03/2008 02/06/2008	A3	92	7/4
Sentinel-1	28/05/2015 22/05/2016	S1	360	1/16
	22/05/2016 29/05/2017	S2	372	4/17
	29/05/2017 24/05/2018	S3	360	3/20

 

با توجه با نتایج حاصل از فرآیند تداخل سنجی راداری ماهواره‌های ALOS و Sentinel-1، منطقه‌ای با طول در حدود 39 کیلومتر و پهنایی در حدود 8 کیلومتر واقع در شمال غربی شهر مشهد در حال فرونشست می‌باشد.

بررسی روند تغییرات آب زیرزمینی

به‌منظور بررسی همبستگی و ارتباط فرونشست با تغییرات سطح آب چاه‌های پیزومتری، نمودار تغییرات تراز سطح آب در این چاه‌ها از سال 1385 تا 1396 و میزان افت سطح آب در آن‌ها طی 11 سال در شکل8. نشان داده شده است.

 

شکل 8. نقشه موقعیت و میزان افت سطح آب چاه‌های پیزومتری منطقه فرونشست یافته از سال 1385 تا  1396 (سمت چپ) ؛ میزان افت سطح آب چاه‌‌های پیزومتری منطقه فرونشست یافته از سال 1385 تا 1396 (سمت راست)

Fig.8. Groundwater Level Depletaion from Piezometric well in Subsidence Area from 2006 to 2017 (Left); Grounwater Level depletion in Piezometric well in Subsidence Area from 2006 to 2017(Right)

روند تغییرات سطح آب چاه‌های پیزومتری در منطقه مورد مطالعه در تمامی سال‌های مورد بررسی از یک روند نزولی تبعیت می‌کند. تراز ایستابی آب زیرزمینی از سال 1385 تا 1396 به‌طور مداوم در حال نزول بوده و هرسال نسبت به سال قبل دچار افت شده است. با تطبیق نقشه هم‌افت سطح آب زیرزمینی در دشت مشهد با موقعیت چاه‌های شناسایی شده در منطقه فرونشست یافته شکل9.  مشخص می‌شود بیشترین افت مربوط به همین منطقه می‌باشد. بنابراین می‌توان گفت فرونشست در قسمتی از دشت بوجود آمده که دارای بیشترین افت سطح آب زیرزمینی می‌باشد.

 

شکل 9. تطبیق نقشه هم‌افت سطح آب زیرزمینی در دشت مشهد با موقعیت چاه‌های شناسایی شده در منطقه فرونشست یافته

Fig.9. Correlation of Groundwater Level Map in Mashhad Plain with Piezometric well located in Subsidensed Area

پیمایش زمینی و مشاهدات منطقه فرونشست

اعتبارسنجی یافته‌های تکنیک‌های سنجش از دوری فرآیندی ضروری است که می‌بایست از طریق پیمایش میدانی صورت پذیرد. در این تحقیق به‌منظور تعیین اعتبار یافته‌های تکنیک مورد استفاده و همچنین جمع‌آوری شواهد مکانی، اقدام به پیمایش منطقه توس و کلاته‌برفی در منطقه فرونشست یافته شده است. بررسی‌های زمینی نشان دهنده ایجاد ترک در ساختمان مسکونی و تأسیسات، شکاف در سطح زمین و بیرون زدگی لوله‌های تأسیسات ناشی از نشست زمین در منطقه مورد مطالعه می‌باشد، تصاویر میدانی گرفته شده در شکل10. نشان داده شده است.

 

 

 

شکل 10. نمونه‌ای از لوله‌زایی ایجادشده در روستای کلاته برفی(الف) ؛ ایجاد ترک در ساختمان‌های مسکونی در منطقه توس مشهد(ب)؛ شکاف یا شق بوجود آمده ناشی از پدیده فرونشست در منطقه کلاته برفی دشت مشهد(ج و د) ( تاریخ: 8/12/97) 

Fig. 11. Sample of well Pipe Uplifting in Kalate Barfi Village; Crack in a House Wall at Toos Mashhad; Split of Terrain Due to Subsidence in Kalate Barfi (Capturing date:2018.02.28)

بحث و نتیجه‌گیری

محور اصلی تحقیق حاضر اندازه‌گیری نرخ فرونشست زمین در دشت مشهد در بازه زمانی سال‌های 2007-2018 با استفاده از تکنیک تداخل‌سنجی راداری و ارتباط آن با افت سطح آب زیرزمینی می‌باشد. بدین منظور تعداد 3 زوج تصویر سری زمانی از ماهواره ALOS و تعداد 3 زوج تصویر سری زمانی از ماهواره Sentinel-1 بکار گرفته شد است. نتایج حاصل از فرآیند تداخل‌سنجی راداری برای ماهواره ALOS در این تحقیق، بیانگر بیشینه نشست 2/5 سانتی‌متر از تاریخ 16/10/2007 تا 16/01/2008 (طی 92 روز)، بیشینه نشست 8/3 سانتی‌متر از تاریخ 16/01/2008 تا 02/03/2008 (طی 46 روز) و بیشینه نشست 7/4 از تاریخ 02/03/2008 تا 02/06/2008 (طی 92 روز) می‌باشد. همچنین نتایج حاصل از فرآیند تداخل سنجی راداری برای ماهواره Sentinel-1 بیانگر بیشینه فرونشست 1/16 سانتی‌متر از تاریخ 28/05/2015 تا 22/05/2016 (طی 360 روز)، بیشینه نشست 4/17 سانتی‌متر از تاریخ 22/05/2016 تا 29/05/2017 (طی 372 روز) و بیشینه فرونشست 3/20 سانتی‌متر از تاریخ 29/05/2017 تا 24/05/2018 (طی 360 روز) می‌باشد. توزیع نواحی فرونشست یافته عمدتاً در منطقه مرکزی و جنوب شرقی دشت (شمال غربی شهر مشهد) مشاهده شده است. همچنین یافته‌های تحقیق دامنه منطقه فرونشست را در سطحی به مساحت 312 کیلومترمربع با درازای به طول 39 کیلومتر و پهنای به طول 8 کیلومتر معرفی نمود. جهت بررسی صحت نتایج حاصل از تداخل سنجی، به دلیل نبود رودخانه دائمی در منطقه عمده نیاز آبی مربوط به کشاورزی، صنعت و شرب به‌وسیله برداشت از سفره‌های آب زیرزمینی انجام می‌شود. با مقایسه نقشه فرونشست منطقه با نقشه هم‌افت سطح آب زیرزمینی همبستگی پذیرفته‌ای به دست آمد که حکایت بر میزان تأثیر پذیری پدیده فرونشست از افت سطح آب زیرزمینی دارد. دشت مشهد از رسوبات ریز تا متوسط دانه تشکیل شده است، این رسوبات توانایی بالایی در نفوذپذیری آب را دارا می‌باشند و آب حاصل از بارندگی و جریان‌های سطحی به لایه‌های زیرین نفوذ کرده و سفره آب زیرزمینی را تغذیه می‌کند. با توجه به اینکه ارتباط منطقی بین تغذیه و برداشت از سفره‌های آب زیرزمینی باید وجود داشته باشد، در صورت عدم رعایت این موازنه شاهد استخراج بیش‌ازحد آب از چاه‌ها و به طبع آن افت سطح آب زیرزمینی هستیم. در اثر کاهش سطح آب زیرزمینی، حفره‌هایی که از آب پر شده‌اند جای خود را به هوا داده که این عمل باعث کاهش میزان فشار منفذی در لایه می‌شود و تعادل بین فشار منفذی و نیروی وارد شده توسط لایه‌های بالایی خاک از بین می‌رود و باعث ایجاد فرونشست می‌شود. یافته‌های تحقیق نشان می‌دهد که مناطق دارای نرخ حداکثر فرونشست منطبق بر کاربری‌های زراعی و باغات است که بیشترین سهم را در برداشت از آب‌های زیرزمینی دارا می‌باشند. همچنین نقشه‌ها و نمودارهای حاصل از بررسی چاه‌های پیزومتری، کاهش پیوسته سطح آب در طول دوره آماری را نشان می‌دهند. با بررسی نتایج می‌توان ادعا کرد مهم‌ترین علت فرونشست در دشت مشهد برداشت بی‌رویه آب‌های زیرزمینی می‌باشد. به منظور صحت‌سنجی یافته‌های تحقیق با بررسی‌های میدانی انجام شده در محدوده مورد مطالعه، نشانه‌هایی از قبیل شکاف در زمین‌های کشاورزی و ترک خوردگی در ساختمان‌های مسکونی، بالاآمدگی جدار چاه های عمیق آب  و بیرون زدگی تأسیسات مشاهده شد که نشان دهنده پدیده فرونشت در این منطقه می‌باشد. همچنین طول دوره آماری بیانگر کاهش پیوسته سطح ایستابی آب زیرزمینی در منطقه فرونشست یافته می‌باشد. میزان نرخ و دامنه فرونشست در دشت مشهد برای سال‌های 2007 تا 2008 و 2015 تا 2018 نشان دهنده روند افزایش پدیده فرونشست در این منطقه می‌باشد. نتایج تحقیق حاضر با نتایج محققان، دولتی و همکاران (29)، که فرونشست دشت مشهد را برای سالهای دهه 70 و 80 شمسی برابر با 8 و4 سانتیمتر؛ و صالحی و همکاران (21)، که در سال 2010 میزان فرونشست دشت مشهد را حدود 20 سانتیمتر برآورد کرده بودند، مقایسه گردید که تطابق خوبی بین آنها وجود داشت.

تشکر و قدردانی

از شرکت آب منطقه‌ای استان خراسان رضوی بابت در اختیار قرار دادن داده های پیزومتری منطقه کمال تشکر و قدردانی را می‌کنیم.

 

منابع

[1] Akbari V, Motagh M. 2012. Improved Ground Subsidence Monitoring Using Small Baseline SAR Interferograms and a Weighted Least Squares Inversion Algorithm. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 9: 437-441. http://dx.doi.org/10.1109/LGRS.2011.2170952

[2] Alkhamis R, Kariminasab S, Ariana F. 2007. Investigating the Effect of Land Subsidence Due to Groundwater Discharges on Well Casing Damage. Journal of Water and Wastewater.  17 (4): 77-88. (In Persian).

[3] Anderssohn J, Wetzel H, Walter T, Motagh M, Djamour Y, Kaufmann H. 2008. Land subsidence pattern controlled by old alpine basement faults in the Kashmar Valley, northeast Iran: results from InSAR and leveling. Geophysical Journal International, 174 (1):287-294. http://dx.doi.org/10.1111/j.1365-246X.2008.03805.x

[4] Calo F, Notti D, Galve J, Abdikan S, Görüm, T, Pepe A, BalikŞanli F. 2017. DInSAR-Based Detection of Land Subsidence and Correlation with Groundwater Depletion in Konya Plain, Turkey. Remote Sensing, 9: 83. http://dx.doi.org/10.3390/rs9010083

[5] Chatterjee R, Fruneau B, Rudan j, Roy P, Frison P, Lakhera R, Dadhwal V, Saha R. 2006. Subsidence of Kolkata City, India during the 1990 as observed from space by Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry (D-InSAR) technique. Remote Sensing of Environment, 102: 176-185. http://dx.doi.org/10.1016/j.rse.2006.02.006

[6] Chuvieco, Huete .2006. Subsidence of Kolkata (Calcutta) City, India during the 1990s as observed from space by Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry (D-InSAR) Technique, 102: 176. http://dx.doi.org/10.1016/j.rse.2006.02.006

[7] Galloway D, Jones D, IngeMritsen S. 2000. Land subsidence in the United States: U.S. Geological Survey Circular report, 1182: 175.

[8] Hafezi M. N, Leo C, Rahimi B, Azadi A. 2017. Morpho-tectonics and Geoelectrical method applied to active faults characterization in South of Mashhad Plain, Northeast of Iran. Geopersia, 8: 13-26. (In Persian). https://dx.doi.org/10.22059/geope.2017.230489.648312

[9] Herrera G, Tomas R, LopezSanchez J, Delgado J, Vicente F, Mulas J, Cooksley G, Sanchez M, Duro J, Arnaud A, Blanco P, Duque S, Mallorqui J, De-la-Vega-Panizo R, Monserrat O. 2009. Validation and comparison of Advanced Differential Interferometry Techniques: Murcia metropolitan area case study. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 64 (5):501-512. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2008.09.008

[10] Kampes BM. 2006. Radar Interferometry, Persistent Scatterer Technique. Springer Netherland, 1-4 pp. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-4723-7

[11] Ketelaar V.B.H Gini. 2009. Satellite Radar Interferometry Subsidence Monitoring Techniques. Springer Netherland, 1-5 pp. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-4723-7

[12] Lashkaripoor G, Ghafoori M, Bagherpoor moghadam B, Talebian S.L. 2007. Investigation of Groundwater Depletion on Land Subsidence case study. 1st International Applied Geological Congress May 2007, Mashhad, Iran.Vol 2:15-21 (In Persian).

[13] Lashkaripour G, Ghafoori M, MousaviMaddah M. 2014. An investigation on the mechanism of land subsidence in the northwest of Mashhad city NE Iran. Journal of Biodiversity and Environmental Sciences. 5( 3): 321-327.

[14] Maghsoudi Y, Van Der Meer F, Hecker C, Perissin D. 2018. Using PS-InSAR to detect surface deformation in geothermal areas of West Java in Indonesia. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 64: 386-396.  https://doi.org/10.1016/j.jag.2017.04.001

[15] Pacheco J, Arzate J, Rojas E, Arroyo M, Yutsis V, Ochoa G. 2006. Delimitation of ground failure zones due to land subsidence using gravity data and finite element modeling in the Querétaro valley, México. 84(3): 143-160.

[16] Raucoules D, Colesanti C, Carnec C. 2007. Use of SAR interferometry for detecting and assessing ground subsidence. C. R. Geoscience, 339: 289–302. http://dx.doi.org/10.1016/j.enggeo.2005.12.003

[17] Regional Water Authority of Khorasan Razavi. 2011. Final Report Updated the Integration of Water Resources Studies of Qaraqoom Catchment. Toossab Consulting Engineers Company. 3: pp 95. (In Persian).

[18] Regional Water Authority of Khorasan Razavi. 2015. Kashfarud Rescue Plan with the Participation of the People, the Deputy for Planning and Management Improvement. 2: pp72. (In Persian).

[19] Regional Water Company of Khorasan Razavi. 2017. Mashhad Drinking Water Status Review Report, Deputy of Planning and Management Improvement. 1: pp 25(In Persian).

[20] Saffari A, Jafari F, TavakoliSaboor M. 2016. Monitoring Land Subsidence and its Relationship with Groundwater Abstraction (Case Study: Karaj- Shahriar Plain). Quantitative Gemorphoogical Research. 2: 82-93. (In Persian).

[21] Salehimoteahed F, Hafezimoghadas N, Lashkaripoor G, Dehghani M. 2017. Evaluation of Geological Causes of Land Subsidence in Mashhad plain and its Effects on Mashhad. Second Seminar of Engineering Geology and Environment of Mashhad. Iranian Association of Engineering Geology. (In Persian).

[22] Sharifikia M. 2010. Earthquake Land Surface Deformation Analysis Bases on Remote Sensing Techniques. 4th International Congress of the Islamic World Geograohers. 14-16 April 2010. Zahedan, Iran. (In Persian).

[23] Xiaobing Z, Ni-Bin C, Shusun Li. 2009. Applications of SAR Interfrometry in earth and environmental science research. Sensors. 9(3): 1876-1912. https://doi.org/10.3390/s90301876

[24] Gao M, Gong H, Chen B, Li X, Zhou C, Shi M, Si Y, Chen Z, Duan G. 2018. Regional Land Subsidence Analysis in Eastern Beijing Plain by InSAR Time Series and Wavelet Transforms. Remote Sensing. 10(3):365. https://doi.org/10.3390/rs10030365

[25] Zohari M, Esmail M, Motagh i-M, Mojaradi B. 2015. Comparison of X-Band, L-Band and C-band Radar images in monitoring subsidence in agricultural area. FRINGE 2015, Proceedings of the workshop held 23-27 March, 2015 in Frascati, Italy. ESA-SP Vol. 731.

[26] Zarekamali M, Alhoseini Almodaresi S. A, Naghdi K. 2017. Comparing the magnitude of the earth’s vertical relocation using the SBAS algorithm in X and C radar bands (Case study: Tehran lands). RS & GIS for Natural Resources, 8(3): 04-120. (In Persian) 

[27] Arvin A. K, Vahabzadeh Kebria Gh, Ramazan Mousavi S, Bakhtyari Kia M.2019. Geospatial modeling of land subsidence in the south of the Minab watershed using remote sensing and GISRS & GIS for Natural Resources,10(3): 20-34. (In Persian)

[28] Mokhtari D, Ebrahimy H, Salmani S. 2019. Land subsidence susceptibility modeling using random forest approach (Case study: Tasuj plane catchment). RS & GIS for Natural Resources, 10(3):93-105. (In Persian)

[29] Dowlati J, Lashkaripoor G.R, Hafezi N, Salehi F. 2016. Investigation of development, effects and mechanism of subsidence in Mashhad plain. Iran Subsidence Phenomena Seminar, Geological Surveying Organization, November 6th, 2016, Tehran.

 

Evaluation of land subsidence relationship with groundwater depletion using Sentinel-1 and ALOS-1 radar data

 

Abstract: land subsidence is one of the damaging geological factors and can make an un-replacement economic and death damage. One of the major elements for subsidence phenomena is groundwater depletion. The interferometric synthetic aperture radar (SAR) technique is a suitable method for measuring land displacement with good accuracy. In this research subsidence rate over the Mashhad plain using the InSAR technique in the periodical time of 2007.10.16 to 2008.06.02, 2015.05.28 to 2018.05.24 calculated. For this purpose ALSO-1 and Sentinel-1 data in L, and C bands respectively are used. The maximum rates of subsidence were 7.13 cm. in the period of 2007.10.16 to 2008.06.03 based on ALOS data, and 8.53 cm in the period of 2015.05.28 to 2018.05.24 by Sentinel-1 data. Land subsidence spatial distribution shoed the main subsidence is happening on the central of Mashhad plain and northeaster of Mashhad city. The groundwater table in the piezometric well is decreasing continuously every year from 2007 to 2018. Comparison between water table contour map and piezometric well location showed the more decreasing of water depletion was at the subsidence area at the plain.

 

Keywords: InSAR, land subsidence, Groundwater depletion, Mashhad plain

 

 

 

Evaluation of land subsidence relationship with groundwater depletion using Sentinel-1 and ALOS-1 radar data

 

Statement of the Problem:

In recent year’s groundwater pomping in the Mashhad plain and decreasing of rainfall in the Mashhad, plain are cause subsidence and creat damage for province infrastructure. This problem is causing more application for deep well water in agriculture, industries, and drinking water. Follow by this demand the number of illegal well dicking by customers is increasing, therefore the water level of groundwater in Mashhad plain decreasing and the subsidence rate is growing. Mashhad plain is one of the significant plains in the Khorasan Razavi province which is the main water source to support the cropland and industries. High pressure in Groundwater pumping and rainfall is decreasing it causes aquifer recharge reduction. Groundwater depletion induced a variety of inadequate in the Mashhad plain such as reducing well discharge, Qanat destructive, Water quality decreasing and land subsidence etc.

Purpose:

In this research, the rate of land subsidence by satellite radar data of ALOS-1 and Sentinel-1 and its relationship with groundwater depletion are investigated. In this purpose the time-series InSAR with multiple SAR data in L and C- bands are used for land subsidence analysis for ten years from 2007 to 2018.

Methodology:

The main goal of this research is to find the land subsidence rate in relationship with groundwater depletion of the Mashhad plain for a period of 2007-2018 using the InSAR technique. For achieving the research goal the three pairs of SAR images of ALOS data and three pairs of Sentinel-1 data are used. For analyzing the water delation with land subsidence the ten years piezometric well data for a period of 2006-2017 are modeled to creat the groundwater table contour line. This map is used for finding the relationship with land subsidence. The final result of the subsidence map was assessed with field observation and previous work.

Results and discussion:

InSAR result of ALOS-1 data in this research is shown the subsidence maximum rate of 5.2 cm in the period of 2007.10.16 to 2008.10.16 for 92 days, subsidence maximum rate of 3.8 cm in the period of 2008.01.16 to 2008.03.02 for 46 days and subsidence maximum rate of 4.7 cm in the period of 2008.03.02 to 2008.06.02 for 92 days. In addition, the Sentinel-1 data processing for InSAR analysis has shown the subsidence maximum rate of 16.1 cm between 2015.05.28 to 2016.05.22 for a year, subsidence maximum rate of 17.4 cm from 2016.05.22 to 2017.05.29 for 372 days and subsidence maximum rate of 20.3 cm from 2017.05.29 to 2018.05.24 in a year. The spatial distribution of the subsidence area is mostly in the central and southeast of Mashhad plain. The subsidence area is extended in the area with a 39 km long and 8 km wide. The Mashhad plain does not have a permanent river therefore most of the water demand in agriculture, industries, and drink water is supplying by groundwater pumping. The correlation between the subsidence map and groundwater level contour map obviously has shown that groundwater depletion effect on land subsidence. Field observation was also confirmed the subsidence by wall and building crack, wellhead uplifting in the test site.

Conclusion:

The result showed that the area with the maximum rate of subsidence is counterpart with cropland and garden which they have more influence in groundwater pumping. In addition, the piezometric well date is shown the groundwater table continuously decreasing. According to the result of this research, the main reason for subsidence is a force to groundwater pumping. The field observation approved that the subsidence is happening in the Mashhad plain by some cracks in wall, bridge, road, well destructive.

 

Keywords: InSAR, land subsidence, Groundwater depletion, Mashhad plain

 

 

 

ارزیابی میزان فرونشست زمین به کمک داده ماهواره ای‌ راداری سنتینل-1 و الوس-1 (محدوده مورد مطالعه: دشت مشهد)

 

بیان مساله:

در سالهای اخیر پمپاژ بیش از حد آبهای زیرزمینی و همچنین کاهش بارندگی در دشت مشهد فرونشست را ایجاد کرده است که خسارت هایی را برای زیرساخت ها درپی داشته است. این مشکل به خاطر افزایش تقاضای برداشت آب از چاههای عمیق برای کشاورزی، صنایع وشرب می باشد. بدنبال این تقاضای روز افزون حفر چاههای غیرمجاز نیز افزایش چندانی پیدا کرده است، بنابراین سطح آب زیرزمینی دشت دایم در حال پایین رفتن بوده و نرخ فرونشست دشت در حال افزایش می باشد. دشت مشد یکی از دشتهای مهم در استان خراسان رضوی می باشد که یکی از منابع آبی پشتیبان برای استفاده در کشاورزی و صنعت است. فشار بیش از حد به منابع آب زیرزمینی با پمپاژ زیاد و کمبود بارش باعث شده ک تغذیه ابخوان به خوبی صورت نگیرد. افت سطح اب زیرزمینی در دشت مشهد اثرات نامناسبی را بر آبدهی چاهها، تخریب قنوات، کیفیت آب و فرونشست زمین را درنتیجه خواهد داشت.

هدف:

در این تحقیق، میزان فرونشست بااستفاده از داده ماهواره های رادرای سنتینل-1 . الوس-1 در ارتباط با افت آبهای زیرزمینی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. دراین راستا داده های سری زمانی راداری چندباندی در طول موج L و C برای تعیین فرونشست در سال های 1397-1386مورد استفاده قرار گرفته است.

 

روش تحقیق:

هدف اصلی این تحقیق یافتن میزان فرونشست مرتبط با آبهای زیرزمینی در دشت مشهد بین سال های 1397-1386 با استفاد از تکنیک تداخل سنجی تفاضلی راداری است. برای دست یافتن به این هدف سه سری جفت تصویر از هر یک از داده های رادرای الوس-1 و سنتنیل – 1استفاده شد.برایآنالیز افت سطح اب های زیرزمینی دشت مشهد در ارتباط با فرونشست از داده چاههای پیزومتری موجود برای بازه سال های 1395-1385 استفاده گردید تا بر اساس آن مدل نقشه هم افت و منحنی تراز افت آب تهیه گردید. این نقشه ها برای روشن کردن ارتباط بین افت سطح اب و فرونشست دشت استفاده شدند. در نهایت نقشه فرونشست دشت با استفاده از مشاهدات زمینی و کار های گذشته مورد ارزیابی قرار گرفتند. با مقایسه نقشه فرونشست منطقه با نقشه هم‌افت سطح آب زیرزمینی همبستگی پذیرفته‌ای به دست آمد که حکایت بر میزان تأثیر پذیری پدیده فرونشست از افت سطح آب زیرزمینی دارد. نتایج نهایی فرونشست با تحقیقات پیشین مقایسه و با مشاهدات زمینی ارزیابی شدند.

 

نتایج و بحث:

نتایج تداخل سنجی راداری نتایج حاصل از فرآیند تداخل‌سنجی راداری برای ماهواره ALOS در این تحقیق، بیانگر بیشینه نشست 2/5 سانتی‌متر از تاریخ 16/10/2007 تا 16/01/2008 (طی 92 روز)، بیشینه نشست 8/3 سانتی‌متر از تاریخ 16/01/2008 تا 02/03/2008 (طی 46 روز) و بیشینه نشست 7/4 از تاریخ 02/03/2008 تا 02/06/2008 (طی 92 روز) می‌باشد. همچنین نتایج حاصل از فرآیند تداخل سنجی راداری برای ماهواره Sentinel-1 بیانگر بیشینه فرونشست 1/16 سانتی‌متر از تاریخ 28/05/2015 تا 22/05/2016 (طی 360 روز)، بیشینه نشست 4/17 سانتی‌متر از تاریخ 22/05/2016 تا 29/05/2017 (طی 372 روز) و بیشینه فرونشست 3/20 سانتی‌متر از تاریخ 29/05/2017 تا 24/05/2018 (طی 360 روز) می‌باشد. توزیع نواحی فرونشست یافته عمدتاً در منطقه مرکزی و جنوب شرقی دشت (شمال غربی شهر مشهد) مشاهده شده است. همچنین یافته‌های تحقیق دامنه منطقه فرونشست را در سطحی به مساحت 312 کیلومترمربع با درازای به طول 39 کیلومتر و پهنای به طول 8 کیلومتر معرفی نمود. جهت بررسی صحت نتایج حاصل از تداخل سنجی، به دلیل نبود رودخانه دائمی در منطقه عمده نیاز آبی مربوط به کشاورزی، صنعت و شرب به‌وسیله برداشت از سفره‌های آب زیرزمینی انجام می‌شود.

 

جمع بندی:

یافته‌های تحقیق نشان می‌دهد که مناطق دارای نرخ حداکثر فرونشست منطبق بر کاربری‌های زراعی و باغات است که بیشترین سهم را در برداشت از آب‌های زیرزمینی دارا می‌باشند. همچنین نقشه و نمودارهای حاصل از بررسی چاه‌های پیزومتری بیانگر کاهش پیوسته سطح آب در طول دوره آماری می‌باشند. براساس نتایج تحقیق مهم‌ترین علت فرونشست در دشت مشهد برداشت بی‌رویه آب زیرزمینی می‌باشد. از طرفی نرخ و دامنه فرونشست در منطقه برای سال‌های 2007 تا 2008 و 2015 تا 2018 استخراج شده که نشان دهنده روند افزایش پدیده فرونشست در منطقه است. همچنین مشاهدات میدانی هم فرضیه افزایش میزان فرونشست در دهه اخیر را تأیید می‌کنند.

 

واژگان کلیدی: تداخل‌سنجی‌راداری، فرونشست زمین، افت آب‌های زیرزمینی، دشت مشهد

 

 

---