Evaluation of aquifer interaction behavior with land subsidence and its relation to groundwater level and vegetation changes using DInSAR technique
Subject Areas : Applications in water resources managementFateme Rafiei 1 , Saeid Gharechelou 2 , Saeed Golian 3
1 - MSc of Water Resources Engineering and Management, Faculty of Civil Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
2 - Department of Surveying, Faculty of Civil Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, ,Iran
3 - Associate Professor, Department of Water and Environmental Engineering, Faculty of Civil Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
Keywords: Groundwater, DINSAR, Subsidence, Sentinel-1, Aquifer interaction,
Abstract :
Global climate change and overpopulation increased the need for groundwater resources. Land subsidence due to groundwater extraction and water depletion is one of the environmental hazards that threatens the communities. This research has been done as a case study in Semalghan plain, one of the agricultural plains in North Khorasan province. According to the information of the Regional Water Organization of this province, most of the groundwater resources have been extracted from the deep wells of this plain and groundwater resources are in a critical situation. In this study, to investigate land subsidence due to groundwater depletion in Semalghan plain radar differential interferometry technique of Sentinel-1 satellite Descending data from 2014 to 2020 have been produced and analyzed. Also, to monitor vegetation changes Landsat-8 satellite images and study of aquifer interaction behavior was applied. Groundwater depletion maps have been produced using GIS and piezometric data of plain, and their relationship with subsidence was assessed. The result maps showed a direct relationship between water table head fall and subsidence in the Semalghan aquifer during the study period. The maximum subsidence which occurred in this plain in 2019 is equal to 34 cm and a minimum of 18 cm in 2015 and 2018 respectively. Finally, the relationship between groundwater level decline and land subsidence was studied and the behavior of the aquifer was investigated. The results showed the elastic behavior over the Semalghan aquifer and around Chamanbid city. Furthermore, by processing Landsat-8 images from 2015 to 2020, the temporal-spatial relationship of vegetation changes with subsidence was studied. The results showed that the destruction of vegetation has occurred by 5.9% in some areas in the plain due to groundwater level decline which has occurred all over the plain and subsidence in the region and revealed a high temporal-spatial correlation.
_||_
ارزیابی رفتار متقابل آبخوان با فرونشست زمین و ارتباط آن با سطح آب زیرزمینی و تغییرات پوشش گیاهی با استفاده از تکنیک تداخل‌سنجی تفاضلی راداری
چکیده
تغییرات اقلیمی جهانی و رشد جمعیت، منجر به افزایش تقاضای آب به‌عنوان منبعی اساسی برای آب‌های شیرین شده است. خطر فرونشست زمین به دلیل پمپاژ آب‌های زیرزمینی و افت سطح آب ازجمله خطرات زیست‌محیطی است که خسارات زیادی به جوامع وارد می‌کند. این تحقیق در دشت سملقان یکی از دشت‌های کشاورزی در استان خراسان شمالی به‌صورت موردی انجام‌شده است که بر اساس اطلاعات شرکت آب منطقه‌ای این استان، بیشترین منابع آب زیرزمینی از چاه‌های عمیق این دشت استخراج‌شده و در شرایط بحرانی قرار دارد. در این مطالعه به‌منظور بررسی فرونشست زمین در اثر افت آب‌های زیرزمینی از تکنیک تداخل سنجی تفاضلی راداری از دادههای پایین گذر ماهواره‌ی Sentinel-1 در بازهی ۲۰۲۰-۲۰۱۴ استفاده شد. همچنین رفتار متقابل آبخوان با فرونشست دشت مورد بررسی قرار گرفت و علاوه بر آن برای پایش تغییرات پوشش گیاهی در دوره فرونشست از دادههای ماهواره لندست-8 در دشت سملقان استفاده شد. با استفاده از داده چاه‌های پیزومتری دشت نقشه‌های هم افت آب زیرزمینی با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی تهیه‌شده و ارتباط افت سطح آب زیرزمینی با فرونشست تحلیل گردید. نقشه‌های تولید شده نشان‌دهنده ارتباط مستقیم افت آب با فرونشست در آبخوان سملقان در بازه زمانی موردمطالعه بود. حداکثر فرونشست در این دشت در سال 2019 مقدار بیشینهی 34 سانتی‌متر داشته و حداقل 18 سانتی‌متر در سال‌های 2015 و 2018 برآورد شد. درنهایت ارتباط افت سطح آب زیرزمینی با فرونشست منطقه موردمطالعه قرار گرفت و رفتار آبخوان بررسی شد. نتایج نشاندهندهی رفتار الاستیک زمین در آبخوان سملقان و اطراف شهرستان چمن بید بود. همچنین با پردازش تصاویر لندست- ۸ ارتباط زمانی-مکانی تغییرات پوشش گیاهی با فرونشست مطالعه شد. بررسی نتایج نشاندهندهی تخریب پوشش گیاهی به میزان ۵.۹٪ در مناطقی از دشت که تماما با افت سطح آب‌های زیرزمینی مواجه بوده و در پی آن فرونشست در منطقه رخ داده و همبستگی زمانی-مکانی بالایی را آشکار ساخت
واژه‌های کلیدی: آب‌های زیرزمینی؛ تداخل سنجی تفاضلی راداری؛ رفتار متقابل آبخوان؛ فرونشست؛ سنتینل-1
مقدمه
سفره‌های آب زیرزمینی یکی از منابع پراهمیت هر کشور می‌باشند. با توجه به رشد جمعیت و افزایش نیاز به این منابع باارزش، استخراج بی‌رویه از آن به‌صورت قابل‌توجهی افزایش‌یافته است (۳). فرونشست یکی از مشکلات زیست‌محیطی است که در اثر استخراج آب‌های زیرزمینی رخ می‌دهد (۶). فرونشست شهرها و مناطق زیادی را در جهان تحت تأثیر قرار داده و خسارات زیادی به آن‌ها وارد کرده است (۲۰). به‌طور مثال در دره‌ی سن جاکویین کالیفرنیا در ۵۰ سال گذشته ۸.۵ متر فرونشست ایجادشده است (۲۱). ایالت‌های آریزونا و کالیفرنیای امریکا، توکیو در ژاپن، بانکوک در تایلند و مکزیکوسیتی در مکزیک ازجمله مناطق مهم در جهان می‌باشند که با این پدیده مواجه هستند (۱۶). در ایران نیز به علت شرایط اقلیمی خشک حاکم بر اغلب نواحی داخلی و تمرکز بر منابع آبی زیرزمینی، پدیده‌ی فرونشست سابقه‌ای به نسبت طولانی دارد و احتمال می‌رود بیش از ششصد دشت ایران در معرض پدیده‌ی فرونشست باشند (۵).
امروزه با پیشرفت تکنولوژی از سه روش اصلی به‌منظور اندازه‌گیری دامنه‌ی فرونشست استفاده می‌شود که شامل ترازیابی دقیق، ایستگاه‌های دائمی سامانه موقعیت‌یاب جهانی و تداخل سنجی راداری هستند (13). یکی از روش‌های سنجش‌ازدور که تاکنون مورد بهره‌برداری قرارگرفته تداخل سنجی راداری است. این روش از دقیق‌ترین و کم‌هزینه‌ترین روش‌های پایش فرونشست است که پایش فرونشست در تمام محدوده‌ی موردبررسی را برای تمام نقاط محدوده در دوره‌های زمانی مختلف فراهم می‌آورد (11). یکی از دقیق‌ترین روش‌های تداخل‌سنجی راداری، تداخل سنجی تفاضلی راداری است که برای شناسایی حرکات زمین با دقت و توان تفکیک مکانی مناسب در بازهی زمانی موردنظر استفاده می‌شود (۱۴).
فرونشست زمین در اثر افت آب‌های زیرزمینی در مناطق حاوی خاک ریزدانه و در آبخوان‌های محصور به میزان بیشتری رخ می‌دهد (۱۸). چیدمان جدید ایجادشده در لایه‌ی خاک، حجم آن را کاهش داده و موجب تغییرات در ضخامت عمودی آن می‌گردد. در برخی موارد در صورت برگشت سطح آب، بازگشت تراکم در لایه‌های خاک امکان‌پذیراست. جابجایی عمودی زمین ممکن است در اثر فشردگی قابل بازگشت (elastic) یا غیرقابل‌بازگشت (inelastic) باشد (۱). اگر سطح آب زیرزمینی بالاتر از پایین‌ترین سطح قبلی (تنش قبل از تحکیم) باقی بماند، تغییر شکل الاستیک رخ می‌دهد. هنگامی‌که سطح آب زیرزمینی به زیر پایین‌ترین سطح قبلی می‌رسد، جابجایی برگشت‌ناپذیر و کاهش تخلخل در سیستم آب زیرزمینی رخ می‌دهد (۶). اگر میزان تغذیه در یک آبخوان بیش از میزان استخراج از آن باشد، افت زمین تا حدی جبران می‌شود. مدیریت مناسب استخراج از آبخوان، مقدار بارش کافی در سال آماری موردنظر و نفوذ به میزان مناسب به آبخوان، تغذیه‌ی مصنوعی آبخوان و متراکم سازی از طریق تزریق دوغاب یا بتن خود متراکم به زمین، ازجمله عواملی هستند که سرعت فرونشست را بهبود بخشیده و می‌توانند خسارات ناشی از آن را تا حد قابل قبولی کاهش دهند (10 و 12).
خسروپناه و همکاران (۹) پیامدهای تأثیرات بی‌رویه افت آب‌های زیرزمینی را در دشت سملقان بررسی کردند. این محققان پس از بررسی تغییرات ۱۰ ساله‌ی تراز آب زیرزمینی، جهت حرکت و بیشترین افت آب را تعیین نمودند. شکاف‌های طولی کششی در امتداد تقریباً شمالی-جنوبی در شمال غرب دشت به دلیل افت سطح آب و زهکشی از لایه‌های ریزدانه هم‌راستای گسل منطقه ایجادشده‌اند که در زمین‌های کشاورزی قابل‌رؤیت هستند. گائو و همکاران (۴) فرونشست در پکن پایتخت چین را با استفاده از روش تداخل‌سنجی و دادههای چاه‌های مشاهداتی موردمطالعه قراردادند و رابطه‌ای میان دادههای مشاهداتی و نتایج حاصل از تداخل‌سنجی برقرار کردند. در نواحی شمالی منطقه موردمطالعه، در اثر استخراج و افت هد هیدرولیکی، تراکم غیرقابل‌بازگشت مشاهده شد. در برخی مناطق رفتاری قابل‌برگشت فصلی مشاهده‌شده که در اثر تغییرات آب سطحی اتفاق افتاده است. میلر و همکاران (۱۲) فرونشست دره‌ی مرکزی کالیفرنیا را با استفاده از دادههای UAVSAR، تراز آب زیرزمینی، ترازیابی دقیق، تصاویر Sentinel-1، لاگ چاه‌ها و شرایط محیطی موردمطالعه قراردادند. در این مطالعه در بخشی از منطقه فرونشست الاستیک تشخیص داده‌شد. رضایی و موسوی (۱۸) از تکنیک InSAR برای تجزیه‌وتحلیل تغییر شکل زمین در دشت گرگان، استفاده کردند. در این مطالعه از دادههای فصلی سطح آب و تصاویر Sentinel-1 استفاده شد؛ که جابه‌جایی عمودی الاستیک فصلی در سیستم آبخوان بسته گرگان را نشان داد.
دشت سملقان یکی از مهم‌ترین دشت‌های استان خراسان شمالی است که دچار بیلان منفی آب بوده و فرونشست‌های متعددی در آن مشاهده‌شده است (17). فرونشست زمین به آهستگی اتفاق می‌افتد اما در طولانی‌مدت خسارات زیادی به راه‌ها، مناطق مسکونی، ساختمان چاه‌ها و... وارد می‌کند؛ بنابراین مطالعه‌ی فرونشست در این دشت از اهمیت بالایی برخوردار است. در مطالعه‌ی پیشین که در سال ۱۳۹۰ بر روی دشت سملقان انجام‌شده، فرونشست در این منطقه اندازه‌گیری نشده و ارتباط آن با میزان افت سطح آب زیرزمینی موردبررسی قرار نگرفته است. این پژوهش بر آن است تا از طریق پردازش دادههای ماهواره‌های راداری و تکنیک تداخل سنجی تفاضلی راداری و ارتباط سنجی تغییرات زمین و رفتار متقابل آبخوان در دشت سملقان، راهکارهای مناسبی را جهت بازگشت‌پذیری یا کنترل فرایند فرونشست پیشنهاد نماید.
روش تحقیق
منطقه موردمطالعه
محدوده موردمطالعه، در نیمه غربی استان، شمال غرب بجنورد قرار دارد و یکی از زیر حوضه‌های حوضه آبخیز اترک و از توابع شهرستان آشخانه است. در سال‌های گذشته در شمال غرب دشت سملقان شکاف‌هایی ایجادشده که درحال‌توسعه اند(17). محدوده‌ی موردمطالعه با مساحتی برابر با ۱۱۴۸ کیلومترمربع در منطقه‌ای با اقلیم نیمه‌خشک سرد قرارگرفته است (19). موقعیت منطقه موردمطالعه و نقشه کاربری اراضی در شکل ۱ نشان داده‌شده است.
شکل ۱. موقعیت منطقه موردمطالعه و نقشه کاربری اراضی
Fig. 1. Location map of the study area and the land use map
دشت سملقان از دشت‌های ممنوعه‌ی حفر چاه در استان خراسان شمالی با ۱۸۲ چاه با میزان تخلیه‌ی ۳۲.5 میلیون مترمکعب است. از رشته قنات‌های موجود در این دشت سالانه ۱.۲ میلیون مترمکعب برداشت انجام می‌شود. توان تغذیه‌ی آبخوان آن ۵ میلیون مترمکعب در سال است که این عدم جبران میزان استخراج، تعادل آبخوان را به هم زده است (19).
دادههای مورداستفاده
به‌منظور تهیه و بررسی نقشه‌ی هم افت آب زیرزمینی دادههای ۱۷ چاه مشاهداتی دشت سملقان در سال‌های ۱۳۹۷-۱۳۸۷ از سامانه‌ی آمار و گزارش مدیریت منابع آب ایران تهیه شد. بازهی انتخابی این داده‌ها به علت وجود کمترین داده‌ی مفقود و همچنین روند یابی سطح آب در سال‌های ۱۳۹۸ و ۱۳۹۹ بوده است. نقشه‌های تولیدشده با استفاده از این داده‌ها در نرم‌افزار GIS و با استفاده از روش وزن دهی معکوس فاصله (Inverse Distance Weighted, IDW) تهیه‌شده‌اند.
دادههای ماهواره‌ای راداری از سال ۲۰۱۴ تا ۲۰۲۰ به‌منظور پردازش‌های تداخل سنجی راداری از ماهواره‌ی Sentinel-1، از سنجنده‌ی SAR-C (Synthetic Aperture Radar- Band C) از طریق سایت https://asf.alaska.edu تهیه شد. این ماهواره دارای پلاریزاسیون‌های (Polarization) مختلف VV، HH، VH و HV است. به‌منظور افزایش دقت پردازش از پلاریزاسیون‌های VV بهره‌گیری شده است. تصاویرSLC (Single Look Complex) مربوط به این ماهواره از سال ۲۰۱۴ موجود است. در پژوهش حاضر از ۲۵ تصویر در بازه ۲۰۲۰-۲۰۱۴ مسیر پایین گذر (Descending) ماهواره‌ی Sentinel-1 در حالت IW (Interferometric Wide) استفاده‌شده است. دادههای تهیه‌شده به‌منظور انجام پردازش‌های تداخل سنجی، با کمترین اخلاف خط مبنای عمودی و تمامی فصول سال را شامل می‌شوند. مدل رقومی(Digital Elevation Model-DEM) مورداستفاده در پژوهش حاضر مدل رقومی ۳۰ متری سال ۲۰۱۴ بوده که از طریق سایت https://earthexplorer.usgs.gov تهیه‌شده است.
نقشه‌های پوشش گیاهی مظهر تغییرات عوامل مختلف بر روی منطقه‌ی موردمطالعه‌اند. عوامل مختلفی از قبیل اقلیم، خاک و رطوبت بر روی تراکم پوشش گیاهی منطقه تأثیر می‌گذارند که سطح آب زیرزمینی یکی از مهم‌ترین این عوامل است (۸). به‌علاوه، مطالعه پوشش گیاهی در این منطقه جنبه‌ی دیگری نیز دارد که بررسی ارتباط تغییرات آن با فرونشست بوده و در قسمت بحث و نتیجهگیری به آن پرداخته‌شده است. برای مطالعه‌ی پوشش گیاهی در دشت سملقان، از ۸ تصویر ماهواره لندست ۸ در سال‌های ۲۰۱۵ و ۲۰۲۰ و از نرم‌افزار Envi جهت پردازش داده‌ها بهره‌گیری شده است.
روش انجام پژوهش
همانگونه که گفته شد، روش مورداستفاده به‌منظور پایش فرونشست در دشت سملقان تداخل سنجی تفاضلی راداری به علت دقت و سرعت پایش بالا و همچنین عدم استفاده در مطالعات پیشین این منطقه بوده است. هـدف ایـن تکنیـک، جداسازی سهم فاز توپوگرافی سطح زمین و سهم فاز جابجایی آن برای نشان دادن میزان جابجایی آن است. به‌منظور حذف سهم فاز توپوگرافی از یک تداخل نگار دیگر و یا مـدل رقـومی زمین استفاده می‌شود. با این تکنیک به صحت در حد میلی‌متر یا سانتی‌متر برای سرعت تغییر شکل زمین می‌توان دست‌یافت (25). یکی از مهم‌ترین کاربردهای تداخل سنجی راداری، کم کردن دو جفت(Pair) تداخل نگار (Interferogram) از هم بوده که به آن تداخل سنجی تفاضلی گفته می‌شود. هرچه کیفیت تداخل نگارها بیشتر باشد نتایج دقیق‌تری در اختیار قرار خواهند گرفت.
یک پارامتر کلیدی در محاسبه‌ی جابه‌جایی فاز تداخل‌سنجی است. بدین منظور طی چند فرآیند همبستگی پیکسل‌ها بهبود داده‌شده و کیفیت تداخل نگار افزایش می‌یابد. به‌منظور پردازش دادههای دریچه رادار مصنوعی در مطالعه‌ی حاضر، از نرم‌افزار رایگان SNAP (Sentinel Application Platform, https://step.esa.int/main/download/snap-download/) استفاده‌شده است. مراحل انجام پردازش‌های این نرم‌افزار در شکل ۲ نشان داده‌شده است.
به‌منظور کاهش عدم همدوسی (coherence) و خطاهای ناشی از آن تصاویر به‌گونه‌ای انتخاب شد که اختلاف‌زمانی و مکانی کمی داشته باشند. برای تصاویر پایین گذر از تصویری که ثبت آن پس از انجام واقعه انجام‌گرفته است (در این مطالعه سال ۲۰۲۰) به‌عنوان تصویر اصلی بهره‌گیری شد. به‌منظور انجام پردازش‌های تداخل‌سنجی، دو یا تعداد بیشتری تصویر به‌صورت یک پشته (Stack) هم مرجع شدند. در مطالعه‌ی حاضر، به‌منظور تهیه‌ی تداخل نگارها، تصویر اول به‌عنوان تصویر اصلی و سایر تصاویر به‌عنوان تصویر پیرو در نظر گرفته شدند. به‌منظور هم مرجع کردن تصاویر، پیکسل‌های تصاویر پیرو نسبت به تصویر اصلی هم‌تراز شد تا هر هدف زمینی در هر دو تصویر در موقعیت مشابه شناخته شود (24). به‌منظور تصحیح تخمین‌های آزیموت و دامنه از Enhanced Spectral Diversity استفاده شد (16). سپس نقشه‌های جابه‌جایی عمودی زمین تهیه و زمین مرجع شدند.
شکل ۲. مراحل انجام پردازش‌های تداخل‌سنج تفاضلی راداری
Fig. 2. DInSAR Processing flowchart
در مطالعات مرتبط با تغییرات سطح زمین می‌توان از دو جنبه پوشش گیاهی را بررسی نمود: اولاً با نشست و جابه‌جایی سطح زمین و همچنین فروریزش سطح آن امکان تخریب و یا تغییر پوشش گیاهی وجود دارد (15)؛ ثانیاً با ایجاد شکاف‌های سطح زمین، الگوی خطی پوشش گیاهی در این شکاف‌ها مشاهده می‌گردد. با وقوع فرونشست و تغییرات سطح زمین امکان تغییر تراکم و تغییرات تیپ گیاهی وجود دارد (۷). به‌طور مثال با حرکت رواناب به سمت شکاف‌ها، الگوی خطی پوشش گیاهی در این مناطق مشاهده می‌شود. بررسی پوشش گیاهی این منطقه جنبه دیگری نیز دارد و آن بررسی ارتباط با تغییرات سطح آب زیرزمینی است. افت شدید سطح آب می‌تواند منجر به کاهش تراکم گیاهان در مراتع شود (۸). پوشش گیاهی عاملی مهم برای بررسی روند تغییرات سطح تراز آبخوان در نظر گرفته می‌شود. البته، تغییرات پوشش گیاهی می‌تواند با باران بهاره اتفاق بیفتد و یا با تغییرات بارش فصلی گیاهان یک‌ساله در منطقه رویش یابند و تغییری در نتایج مورد انتظار ایجاد کنند ولیکن منظور بیشتر مربوط به گیاهان چندساله است. از عوامل دیگری که باعث تغییر در نتایج مورد انتظار می‌شود، می‌توان به دخالت‌های انسانی ازجمله درختکاری و تغییر کاربری اراضی اشاره نمود. تغییرات مراتع در یک منطقه ممکن است در یک بازه ۱ الی ۲ ساله نمایان شود و یا اثر تغییرات تراز آب با تأخیر به وقوع بپیوندد. به همین جهت، تصویر تهیه‌شده پوشش گیاهی، دو سال پس از آخرین دادههای آماری آب‌های زیرزمینی تهیه شد. این داده‌ها با ابتدای بازه مطالعه‌ی تداخل سنجی هم‌پوشانی دارند. افزایش مقدار NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)به معنی افزایش فراوانی و تراکم پوشش گیاهی است. این شاخص در بازه ۱ و ۱- بوده که ۱- معرف آب و مناطق فاقد پوشش گیاهی، مقادیر بالاتر از صفر نشاندهندهی وجود پوشش گیاهی و افزایش این مقادیر تا ۱ نمایانگر پوشش گیاهی متراکم است. کاهش NDVI معرف آب، فضای باز، خاک لخت، ساخت‌وساز و از این قبیل فعالیت‌ها است (۲۶).
NDVI یکی از پرکاربردترین شاخص‌ها به‌منظور پایش تغییرات پوشش گیاهی است. برای بررسی تغییرات پوشش گیاهی در این پژوهش، در نرم‌افزار Envi، تصحیح هندسی، اتمسفری و پیش‌پردازش‌های اولیه موردنیاز به‌منظور کاهش خطا صورت گرفت. پس از محاسبه شاخص پوشش گیاهی نرمال شده با استفاده از رابطه ۱ (15)، پس از تهیه ۴ نقشه NDVI شامل ۴ فصل مختلف برای هرسال و میانگین‌گیری آن‌ها در سال موردنظر، اقدام به تحلیل تغییرات پوشش گیاهی گردید.
[1] 
نتایج
بررسی نقشه‌های جابه‌جایی
نتایج پردازش‌های تداخل سنجی راداری و بررسی نقشه‌ی تجمعی الگوی رفتاری فرونشست را در طی زمان بر روی منطقه‌ی موردمطالعه نشان داد که در شکل ۳ قابل‌مشاهده است.
بررسی نقشه‌ی فرونشست در منطقه در سال ۲۰۱۵ نشاندهندهی فرونشست زمین در تمامی نقاط شمالی دشت سملقان است (شکل ۳). شایان‌ذکر است مقادیر منفی که در نقشه‌های تولیدشده بارنگ‌های زرد تا قرمز قابل‌مشاهده هستند نشاندهندهی افت سطح زمین، فرونشست، در منطقه هستند. به همین ترتیب مقادیر مثبت که با استفاده از رنگ‌های سبز و آبی نشان داده‌شده‌اند نمایانگر بالاآمدگی سطح زمین در منطقه‌ی موردمطالعه‌اند. در سال ۲۰۱۵ در جنوب و جنوب غرب منطقه فرونشستی مشاهده نشده است، این رفتار زمین در سال ۲۰۱۶ نیز تکرار شده و بیشینه فرونشست تا ۲۳ سانتی‌متر افزایش‌یافته است. در سال ۲۰۱۷، الگوی فرونشست زمین کمی تغییر کرده و تقریباً در تمام دشت گسترده شده است. در شمال آشخانه، سطح زمین در راستای شمال شرق-جنوب غرب کمی بالاآمدگی داشته است. در سال ۲۰۱۸، مجدداً الگوی پیشین فرونشست در دشت سملقان تکرار شده و به سمت مرکز دشت منتقل‌شده است. تحقیقات میدانی در شهر آشخانه و اطراف آن نشاندهندهی ترک دیوارها، ایجاد فرو چاله، ترک در دیوارها و لوله زایی چاه‌ها بود. بررسی نقشه‌ها نشاندهندهی تکرار وقوع پدیده‌ی فرونشست در شمال و شمال غرب دشت سملقان، بخشی مرکزی آن‌که آبخوان در آنجا وجود دارد در تمامی بازه زمانی موردمطالعه و بخش غربی آن در نزدیکی چمن بید در سال‌های ۲۰۱۷، ۲۰۱۹ و ۲۰۲۰ است. پیشروی افت زمین غرب به سمت چمن بید است که در صورت عدم مدیریت صحیح منجر به خساراتی در مناطق مسکونی خواهد شد.
|
|
|
|
|
|
شکل ۳. نقشه‌های جابه‌جایی تجمعی سال‌های ۲۰۲۰-۲۰۱۵ در سری پایین‌گذر داده سنتینل-1
Fig. 3. Cumulative displacement maps for 2015-2020 on Sentinel-1 descending mode
با به دنبال نمودن روند تغییرات سطح زمین، می‌توان بالاآمدگی سطح زمین را پس از فرونشست آن در بعضی نقاط مشاهده نمود. به‌طور مثال اطراف چمن بید، آشخانه، برخی قسمت‌های جنوبی دشت و حتی شمال دشت در سال ۲۰۱۶ سطح زمین بعد از فرونشست پیشین آن در نقشه جابه‌جایی آپلیفت مشاهده‌شده است. همچنین در برخی مناطق آبخوان سملقان در غرب آشخانه و شمال شرق دشت، غرب دشت سملقان در شمال غرب شهرستان چمن بید و جنوب آبخوان که در سال ۲۰۱۷ درگیر فرونشست بوده‌اند در سال‌های بعدی بالاآمدگی رؤیت شده است. درنتیجه احتمال الاستیک بودن رفتار زمین بالا است که نیاز به بررسی‌های بیشتر دارد.
بررسی روند تغییرات سطح آب زیرزمینی
به‌منظور انجام این پژوهش، آمار ۱۷ چاه مشاهده‌ای در بازه ۱۳۹۷-۱۳۸۷ بررسی شد. در ابتدا دادههای آماری جمع‌آوری و مرتب شدند، سپس روند تغییرات سطح آب هر چاه و روند تغییرات میانگین سطح آب در دشت موردبررسی قرارگرفته و نمودارهای آن‌ها ترسیم شد. پس‌ازآن داده‌ها با استفاده از روش درون‌یابی IDW و نقشه‌ی هم افت آب زیرزمینی تهیه شد. روند تغییرات سطح آب زیرزمینی در بازهی موردمطالعه ترسیم‌شده و بهترین خط از میان آن برازش داده‌شده که شکل ۴ قابل‌مشاهده است.
شکل ۴. نمودار تغییرات میانگین سطح آب زیرزمینی در دشت سملقان
Fig. 4. Variations in average groundwater level in Semalghan plain
شکل ۵. نقشه تغییرات سطح آب زیرزمینی
Fig. 5. Map of Groundwater level change
نقشه‌های هم‌سطح آب زیرزمینی ترسیم شده و پس از محاسبه اختلاف آن‌ها نقشه‌ی هم افت سطح آب زیرزمینی ترسیم گردید. نقشه حاصله در شکل ۵ نشان داده‌شده است. مطابق شکل در بعضی مناطق دشت سملقان افت سطح آب زیرزمینی تا ۲۶ متر نیز رخ‌داده است. به‌طور عمومی تمامی نقاط دشت درگیر افت سطح آب زیرزمینی بوده‌اند.
بررسی ارتباط تغییرات سطح آب زیرزمینی با فرونشست
به‌منظور بررسی بهتر ارتباط میان افت سطح آب با فرونشست، تغییرات سطح آب چاه‌های پیزومتری در بازه ۱۳۹۹-۱۳۹۳ با فرونشست روی‌هم گذاری شدند. همانگونه که در شکل ۶ مشاهده می‌شود، در تمام نقاطی که چاه‌های پیزومتری افت داشته‌اند، فرونشست نیز رخ‌داده است. همچنین در قسمت‌هایی که افت آب کم بوده شعاع فرونشست در نواحی اطراف چاه کمتر بوده و بالعکس، فرونشست در اطراف چاه‌های با افت بیشتر، با شعاع بیشتری گسترده شده است.
فرونشست بخش‌های کم ارتفاع سملقان که در آن تمرکز زمین‌های کشاورزی (شکل ۱) زیاد بوده و افت آب در آن مناطق زیاد بیشتر بوده (شکل ۵) را کاملاً تحت تأثیر قرار داده است. با افت کمتر سطح آب، میزان فرونشست نیز کاهش‌یافته است. در ادامه در مورد فرونشست در موقعیت چاه‌های پیزومتری بحث خواهد شد که تغییرات فرونشست بافاصله از چاه‌ها با توجه به شکل ۷ و نسبت به زمان نیز در جدول ۱ موردبررسی قرارگرفته است.
شکل ۶. موقعیت پیزومترهای موجود در دشت و افت سطح آب در آن‌ها نسبت به فرونشست رخ‌داده در منطقه موردمطالعه
Fig. 6. Position of piezometers in the plain and water level decreasing of these wells in relation with subsidence in the test site
بررسی رفتار متقابل آبخوان
یکی از روش‌های بررسی ارتباط میان تغییرات سطح آب زیرزمینی و تغییرات سطح زمین این است که این دو پارامتر بر روی نمودار تحلیل شوند تا تغییرات سطح آن‌ها با یکدیگر مقایسه شود. پس‌ازآنکه تغییرات سطح آب بر روی ستون y و تغییرات سطح زمین با استفاده از دادههای تداخل سنجی بر روی محور x قرار گرفتند، بهترین خط از میان این داده‌ها برازش داده می‌شود و از معکوس شیب این خط، ضریب ذخیره‌ی سفره به دست می‌آید که ذخیره نمایانگر نفوذپذیرترین بخش آبخوان است و می‌تواند به ازای افت مقدار مشخصی از سطح آب، مقدار تقریبی فرونشست را برآورد نماید (21). بدین ترتیب، در موقعیت تمامی چاه‌های پیزومتری ضریب ذخیره محاسبه شد. کمترین مقدار ضریب ذخیره‌ی محاسبه‌شده، برابر با ۰.۰۴ و بیشترین مقدار برابر با ۰.۳۶ به دست آمد.
شکل ۷. مقدار ضریب ذخیره درون‌یابی شده آبخوان، با استفاده از روش IDW
Fig. 7. The value of the interpolated storage factor of the aquifer using the IDW method
هرچه مقدار این ضریب بیشتر باشد، جابه‌جایی سطح زمین حساسیت بیشتری نسبت به تغییرات سطح آب دارد. به دلیل نقطه‌ای بودن این داده‌ها نمی‌توان برای نقشه‌ی دیگری از آبخوان از ضریب ذخیره به‌منظور بررسی تغییرات سطح آب و زمین استفاده نمود، به همین دلیل با استفاده از GIS و درون‌یابی با روش IDW برای سایر نقاط آبخوان نقشه‌ی تغییرات ضریب ذخیره تقریبی آبخوان نسبت به مکان ترسیم شد که در شکل ۷ قابل‌مشاهده است. با استفاده از نقشه‌ی حاصله، می‌توان میزان تقریبی تغییرات سطح زمین را با استفاده از سطح آب زیرزمینی در نقشه‌ی موردنظر تخمین زد.
یکی دیگر از جنبه‌های رفتار آبخوان که در این مطالعه بررسی شد بدین‌صورت بود که به فاصله‌ی شعاعی 250، 500، 1000 و 4000 متر از چاه‌های مشاهداتی، تمامی نقشه‌های جابه‌جایی تولیدشده در جهت پایین گذر با استفاده از نرم‌افزار GIS برش داده شدند. میزان حداکثر و حداقل فرونشست برای دادههای تولیدی برداشت‌شده و میانگین آن‌ها بر روی نمودار برده شد. مشاهده شد که در فاصله‌ی 4000 متری نتایج مورداستفاده قرار نمی‌گیرند و اختلاف قابل‌توجهی با مقادیر استخراج‌شده در فاصله شعاعی 1000 متری ندارند. در فاصله شعاعی 1000 متری نیز تأثیر چاه‌های مجاور تا حدی رؤیت شد. به همین دلیل مقادیر استخراج‌شده از فاصله شعاعی 4000 متر از تحلیل‌ها خارج شد. پس‌ازآن میانگین دادههای برداشت‌شده برای هرسال در فاصله 250 متری که نزدیک‌تر به هر چاه بود یک نمودار ترسیم شد که در شکل ۸ نشان داده‌شده است. با توجه به روند تغییرات سطح زمین در بازهی موردمطالعه، کل بازه به 4 دوره تقسیم شد که شامل هردو رفتار بالاآمدگی و فرونشست زمین بودند. همچنین یک خط بر روی نمودار برازش داده شد که نماینده‌ی رفتار غیر الاستیک در منطقه است. ترتیب قرارگیری داده‌ها در شکل ۸ به‌صورت صعودی است، به‌گونه‌ای که 1 نماینده‌ی اولین تداخل نگار تولیدشده در سال ۲۰۱۴ و ۲۴ آخرین تداخل نگار تولیدشده مربوط به سال 2020 است.
شکل ۸. نمودار میانگین تغییرات جابجایی سطح زمین در فاصله‌ی 250 متری از چاه‌های مشاهداتی منطقه
Fig. 8. Average of displacement changes at a distance of 250 meters from observation wells in the test site
رفتار قابل‌انتظار غیر الاستیک در منطقه باید مطابق خط برازش داده‌شده در شکل ۸ باشد. با توجه به عدم پیروی سیستم آبخوان از این روند و یا در نزدیک‌ترین فاصله به آن، می‌توان گفت رفتار آبخوان سملقان الاستیک است.
پس از انتخاب دوره‌های زمانی موردمطالعه، نسبت مقدار بالاآمدگی به فرونشست (SR: Subsidence Ratio) و نسبت بازهی زمانی آن‌ها در هر دوره (TR: Time Ratio) طبق جدول ۱ محاسبه و رابطه‌ی میان طول دوره‌ی هر بازهی فرونشست-بالاآمدگی محاسبه شد. نتایج نشاندهندهی بیشترین مقدار میانگین فرونشست در دوره‌ی دوم و بیشترین مقدار بالاآمدگی در همان دوره بود. بیشترین نسبت بالاآمدگی به فرونشست در دوره‌ی چهارم است. به‌منظور دستیابی به مدیریت بهینه‌ی آبخوان، بهترین میزان نسبت زمانی بین 4-2 است. با این تفاسیر، طول دوره آماری انتخاب‌شده با توجه به روند رفتار زمین، اولین دوره بهترین فاصله زمانی را دارا است که در آن طول دوره بازیابی ۲۷۷ روز و طول دوره افت ۱۹۳ روز بوده است. سومین دوره‌ی فرونشست-بالاآمدگی نیز مقدار TR مناسبی دارد که در آن طول دوره بازیابی ۴۴۵ روز و طول دوره افت ۳۷۱ روز بوده است. با توجه به مقادیر SR، هرچه نسبت زمانی در هر دوره کوچک‌تر باشد، نسبت بالاآمدگی پایش شده به فرونشست بیشتر می‌شود. با توجه به بهینه‌ترین عدد ذکرشده، به‌منظور کاهش خسارات ناشی از فرونشست، می‌توان با مدیریت مناسب منابع آب، به ازای هرسال برداشت بی‌رویه از منابع دشت، دو سال دشت را وارد فاز بازیابی نمود.
جدول ۱. میانگین تغییرات جابه‌جایی در 4 بازهی انتخاب‌شده موردمطالعه در فواصل مختلف از چاه‌های مشاهداتی، نسبت میزان بالاآمدگی به فرونشست و نسبت زمانی بالاآمدگی به فرونشست
Table 1. Average changes of land displacement in the 4 selected periods at different distances from observation wells, the ratio of uplift to subsidence and the ratio of uplift to subsidence
۱۰۰۰ متر فاصله از چاه | ۵۰۰ متر فاصله از چاه | ۲۵۰ متر فاصله از چاه | Phase | دوره |
۱.۳۴ | ۰.۹۳ | ۱.۱۹ | بازیابی(۲۷۷ روز) | دوره ۱ |
۳.۹۵- | ۴.۴۵- | ۳.۶۵- | استخراج (۱۹۳ روز) | بازیابی: استخراج: |
٪۳۳ | ٪۲۰ | ٪۳۲ | SR | |
۱.۴۳ | ۱.۴۳ | ۱.۴۳ | TR | |
۹.۱۵ | ۸.۱۵ | ۷.۶۵ | بازیابی (۹۷ روز) | دوره ۲ |
۹.۳۵- | ۹.۵۵- | ۹.۳۵- | استخراج (۹۷ روز) | بازیابی: استخراج: |
٪۹۷ | ٪۸۵ | ٪۸۱ | SR | |
۱.۰۰ | ۱.۰۰ | ۱.۰۰ | TR | |
۱.۲۳ | ۰.۸۸ | ۰.۸۳ | بازیابی (۴۴۵ روز) | دوره ۳ |
۲.۹۹- | ۲.۴۵- | ۲.۲۶- | استخراج (۳۷۱ روز) | بازیابی: استخراج: |
٪۴۱ | ٪۳۵.۹ | ٪۳۶ | SR | |
۱.۱۹ | ۱.۱۹ | ۱.۱۹ | TR | |
۳.۵۱ | ۳.۷۸ | ۴.۲۷ | بازیابی (۲۸۹ روز) | دوره ۴ |
۲.۴۲- | ۲.۰۵- | ۱.۸۳- | استخراج (۴۴۵ روز) | بازیابی: استخراج: |
٪۱۴۵ | ٪۱۸۴ | ٪۲۳۳ | SR | |
۰.۶۵ | ۰.۶۵ | ۰.۶۵ | TR |
ارتباط تغییرات پوشش گیاهی با فرونشست
در شکل ۹ تصاویر میانگین پوشش گیاهی منطقه بر پایه شاخص NDVI در سال‌های ۲۰۱۵ و ۲۰۲۰ نشان داده‌شده است. در مناطق پوشش گیاهی پرتراکم افزایش پوشش رؤیت شده است. مساحت این طبقه پوشش گیاهی از ۳۷۱ هکتار به ۶۲۳ هکتار افزایش‌یافته است. مناطق پرتراکم که در جنوب دشت سملقان وجود دارند، شامل جنگل‌های ارس منطقه و جنگل‌کاری‌های اداره منابع طبیعی خراسان شمالی هستند، این مناطق در شکل ۹ (ب) در کادر مشخص‌شده‌اند. همچنین در این مناطق که در نقشه‌های جابه‌جایی بالاآمدگی سطح زمین رؤیت شده بود، می‌توان گفت باز پراکنش امواج ارسالی راداری ماهواره سنتینل-1 در باند C است که از درختان بوده و رشد گیاهان به دلیل حساسیت باند C بر باز پراکنش سطحی بر روی نقشه‌های فرونشست ثبت‌شده است. این پوشش گیاهی در نزدیک روستاهای اطراف آشخانه نیز در قطعات مستطیل شکل رؤیت شده که مربوط به اراضی باغات منطقه هستند.
شاخص NDVI در قسمت پوشش گیاهی با تراکم متوسط، ۱۳۱۶ هکتار کاهش‌یافته است که بخشی از آن به پوشش گیاهی پرتراکم و بخش زیادی از آن به پوشش فقیر تبدیل‌شده است. در شکل ۱۰، نمونه‌ای از تخریب پوشش گیاهی به دلیل ایجاد شکاف در زمین نشان داده‌شده است. با توجه به نقشه‌های پوشش گیاهی، می‌توان مشاهده نمود در بیشتر این بخش‌ها تخریب پوشش گیاهی رخ‌داده و یا در این مکان‌ها آب تجمع یافته که می‌تواند در موقعیت شکاف‌های دشت رخ‌داده باشد.
(ب) |
(الف) |
شکل ۹. نقشه پوشش گیاهی دشت سملقان (الف) سال ۲۰۱۵ و (ب) سال ۲۰۲۰ – منطقه مشخص‌شده با کادر قرمزرنگ نشاندهندهی جنگل‌کاری و افزایش پوشش گیاهی پرتراکم در منطقه
Fig 9. Vegetation cover map (a) year 2015 (b) year 2020 and rectangle on the map present the forestry and dense vegetation increasing
شکل ۱۰. شواهد تأثیر فرونشست در تغییر پوشش گیاهی در منطقه – آشخانه، ۲۵ ژانویه ۲۰۲۱
Fig 10. Evidence of the effect of subsidence on vegetation change in the region - Ashkhaneh, January 25th, 2021
در برخی مناطق نیز افزایش پوشش گیاهی مشاهده شد که با توجه به الگوی برداشت‌شده از آن‌ها، به‌خصوص در اطراف شهر آشخانه، می‌توان گفت تغییرات کاربری اراضی به باغات به وقوع پیوسته است و مراتع تبدیل به این اراضی شده‌اند. طبقه پوشش گیاهی متوسط بیشترین مساحت دشت را در برمی‌گیرد. پوشش گیاهی فقیر که مقدار NDVI آن معادل بازه 0.08-0 است، در سال ۲۰۱۵ در منطقه بخش کمی را شامل شده و بسیار پراکنده بوده است و همان‌طور که در شکل ۱۱ مشاهده می‌شود مساحت این طبقه تا حد قابل‌توجهی افزایش‌یافته است که در آبخوان سملقان، اطراف آشخانه و چمن بید و بخش‌هایی از شمال منطقه قابل‌رؤیت هستند. با توجه به تغییرات این کلاس، ۵.۹ % از مساحت دشت سملقان با تخریب پوشش گیاهی موجه شده است. به‌بیان‌دیگر، سطح مناطقی که پوشش گیاهی فقیر داشتند از ۰.۵٪ به ۶.۴٪ افزایش‌یافته است. تغییرات پوشش گیاهی در شکل ۱۱ به‌صورت نمودار میله‌ای ترسیم‌شده است.
با توجه به نقشه‌های آب زیرزمینی، در جنوب شرق، شمال و شمال غرب دشت سملقان بیشترین افت سطح آب برآورد شده که در این مناطق نیز تغییر پوشش گیاهی پرتراکم به متوسط و متوسط به ضعیف و یا فاقد پوشش گیاهی را شاهد هستیم. همچنین در بخش جنوب و جنوب غرب دشت سملقان نیز تغییرات پوشش گیاهی زیادی رخ‌داده که در این مناطق افت سطح آب تا ۴ متر محاسبه‌شده است.
شکل ۱۱. نمودار میله‌ای مساحت طبقات پوشش گیاهی برحسب هکتار در سال‌های ۲۰۱۵ و ۲۰۲۰
Fig 11. The bar chart for the vegetation classes area in 2015 and 2020
بحث و نتیجهگیری
استخراج بی‌رویه‌ی آب‌های زیرزمینی به‌منظور تأمین تقاضای جمعیت منجر به مشکلات زیادی ازجمله فرونشست در مناطق زیادی از جهان شده است. دشت سملقان یکی از مهم‌ترین دشت‌های استان خراسان شمالی است که برداشت بی‌رویه از منابع آب زیرزمینی این دشت موجب شده فرونشست‌های متعددی در آن گزارش شود. به‌منظور مطالعه‌ی فرونشست در این دشت از پردازش دادههای ماهواره‌های راداری و تکنیک تداخل سنجی تفاضلی راداری استفاده شد تا تغییرات زمین در اثر افت سطح آب‌های زیرزمینی و رفتار متقابل آبخوان در دشت سملقان بررسی شود. به‌علاوه از تغییرات پوشش گیاهی نیز به‌عنوان مظهر تغییرات زمین تحت تأثیر فرونشست و افت آب‌های زیرزمینی مورداستفاده قرار گرفت.
نتایج این پژوهش نشان داد که فرونشست در دشت سملقان الگوی تقریباً ثابتی در طول زمان داشته و اگرچه در بخش میانی دشت سملقان فرونشست هرساله رخ‌داده است، در بازهی زمانی موردمطالعه، در برخی مناطق بالاآمدگی مشاهده‌شده است. نقشه‌های جابه‌جایی سالیانه نشان داد که در برخی قسمت‌های منطقه‌ی موردمطالعه شامل شمال آبخوان سملقان، شمال و شمال غرب این دشت فرونشست به میزان زیادی رخ‌داده که به‌منظور کاهش خسارات آتی باید موردتوجه قرار گیرند. همچنین باگذشت زمان فرونشست در شهرهای آشخانه و چمن بید نیز مشاهده‌شده است. بررسی زمانی نقشه‌های فرونشست در سال‌های ۲۰۱۵ تا ۲۰۲۰ نشاندهندهی بالاآمدگی زمین پس از فرونشست در برخی نقاط دشت سملقان به‌طور مثال در آبخوان منطقه‌ی موردمطالعه بود. همانگونه که در بخش نتایج نیز ذکر شد، با توجه به شکل ۳، نقشه‌های جابه‌جایی در سال ۲۰۱۷ و ۲۰۱۹ در این منطقه بالاآمدگی در بیشتر نقاط آبخوان رؤیت گردید. به‌علاوه، نقشه‌های جابه‌جایی در سال‌های ۲۰۱۶ و ۲۰۱۹۰ در نواحی مرزی شمالی دشت سملقان نشاندهندهی بالاآمدگی سطح زمین پس از فرونشست در سال‌های گذشته بودند. همچنین در بخش کوچکی این نواحی در سال ۲۰۲۰ بالاآمدگی تشخیص داده شد.
با بررسی روند تغییرات سطح آب زیرزمینی و افت سطح آب در دشت سملقان، می‌توان گفت فرونشست صورت گرفته در این دشت تحت تأثیر تغییرات آب زیرزمینی و استخراج بی‌رویه از آبخوان این دشت بوده است. با توجه به نقشه‌ی فرونشست تجمعی (شکل ۶) می‌توان گفت به‌طور میانگین سالانه حداکثر ۱۵ سانتی‌متر فرونشست در برخی مناطق دشت رخ‌داده است. مطالعه‌ی آب‌های زیرزمینی در دشت سملقان نشان داد سطح آب زیرزمینی در این منطقه سالانه به‌طور میانگین نزدیک به ۵۰ سانتی‌متر افت دارد که در با توجه به تفاوت تمرکز زمین‌های کشاورزی در سطح دشت، این میزان متغیر است. بررسی افت میانگین سطح آب زیرزمینی در آبخوان دشت سملقان نشان می‌دهد به‌طور عمومی هر ۵۰ سانتی‌متر افت سطح آب حداکثر ۱۵ سانتی‌متر فرونشست به همراه دارد. با برآورد ضریب ذخیره با توجه به شکل ۷ این میزان در نقاط مختلف آبخوان تغییر می‌کند.
مطالعه رفتار متقابل آبخوان نسبت به تغییرات سطح آب زیرزمینی نشاندهندهی رفتار الاستیک زمین در آبخوان سملقان و اطراف چمن بید و رفتار غیرقابل‌بازگشت سطح زمین در سایر نقاط دشت سملقان است. این رفتار زمین در مطالعات دیگری نیز در سایر نقاط دنیا مشاهده‌شده که ازجمله‌ی آن‌ها می‌توان به آبخوان مادرید در اسپانیا اشاره نمود (۲). با توجه به جدول ۱ و وضعیت کنونی دشت، پیشنهاد می‌شود به‌منظور کاهش خسارات ناشی از فرونشست، به ازای هرسال برداشت بی‌رویه از منابع دشت، دو سال دشت را وارد فاز بازیابی نمود.
در این مطالعه، تغییرات پوشش گیاهی نیز موردمطالعه قرار گرفت و ارتباط آن با افت سطح آب زیرزمینی بررسی شد. افت آب زیرزمینی با کاهش پوشش گیاهی در این منطقه ارتباط مستقیم داشت. افت سطح آب زیرزمینی موجب کاهش NDVI به معنی کاهش تراکم پوشش گیاهی در دشت سملقان شده است. همچنین در جنوب دشت سملقان که سطح آب زیرزمینی با افت زیادی مواجه نبوده است تغییرات پوشش گیاهی در جهت افزایش تراکم بوده است. نتایج نشان داد در مناطقی که سطح آب زیرزمینی با افت مواجه شده پوشش گیاهی از متوسط به پوشش فقیر تبدیل‌شده است. تغییرات پوشش گیاهی در نواحی مرکزی دشت، نشاندهندهی تغییر کاربری زمین به اراضی کشاورزی و افزایش مصرف آب‌های زمینی است. در منطقه‌ی موردمطالعه، نواحی مرکزی و شمالی دشت که با تخریب پوشش گیاهی مواجه بوده‌اند با مناطقی که در طی زمان دچار فرونشست شده‌اند هم‌پوشانی دارند. در این نواحی الگوی خطی پوشش گیاهی نیز در نقشه‌ها قابل‌رؤیت است. نتایج تحقیقات میدانی نیز مؤید این الگو بوده است.
منابع مورداستفاده
1. Aggarwal A, Srivastava P.K, Gupta D.K, Chatterjee R.S. 2021. Estimating regional land subsidence in Mehsana urban block, Gujarat: Effect of groundwater induced aquifer compaction. Journal of Materials Today: Proceedings. Doi: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.08.254
2. Béjar-Pizarro M, Ezquerro P, Herrera, G, Tomás R, Guardiola-Albert C, Hernández J.M.R, Merodo J.A.F, Marchamalo M., Martínez, R., 2017. Mapping groundwater level and aquifer storage variations from InSAR measurements in the Madrid aquifer, Central Spain. Journal of Hydrology, 547: 678-689. Doi: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.02.011
3. Bierkens M.F., Wada, Y. 2019. Non-renewable groundwater use and groundwater depletion: a review. Journal of Environmental Research Letters, 14(6): 063002. Doi: https://doi.org/10.1088/1748-9326/ab1a5f
4. 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. Journal of Remote Sensing, 10(3): 365. Doi: https://doi.org/10.3390/rs10030365
5. Gharechelou S, Akbari Ghoochani H, Golian S, Ganji K. 2021.Evaluation of land subsidence relationship with groundwater depletion using Sentinel-1 and ALOS-1 radar data (Case study: Mashhad plain). Journal of RS and GIS for Natural Resources.12(3): 40 -61. http://girs.iaubushehr.ac.ir/article_680336_b55159905c1477503f2dab4965a8d047.pdf
6. Guzy A, Malinowska A.A. 2020. State of the art and recent advancements in the modelling of land subsidence induced by groundwater withdrawal. Journal of Water, 12(7): 2051. Doi: https://doi.org/10.3390/w12072051
7. He Y, He X, Liu Z, Zhao S, Bao L, Li Q, Yan L. 2017. Coal mine subsidence has limited impact on plant assemblages in an arid and semi-arid region of northwestern China. Journal of Ecoscience, 24(3-4): 91-103. Doi: https://doi.org/10.1080/11956860.2017.1369620
8. Huang F, Zhang Y, Zhang D, Chen X. 2019. Environmental groundwater depth for groundwater-dependent terrestrial ecosystems in arid/semiarid regions: A review. International journal of environmental research and public health, 16(5), 763. https://doi.org/10.3390/ijerph16050763
9. Khosropanah E, Karami Gh, Jeihooni S. 2011. Effects of Irrigation on Groundwater and Subsidence Phenomena in Semalghan Plain. 7th Iranian Conference on Engineering Geology and Environment, Shahroud. (In Persian) https://civilica.com/doc/224758/
10. Kleinhans I. Van Rooy J.L. 2016. Guidelines for sinkhole and subsidence rehabilitation based on generic geological models of a dolomite environment on the East Rand, South Africa. Journal of African Earth Sciences, 117: 86-101. Doi: https://doi.org/10.1016/j.jafrearsci.2016.01.001
11. Liu Z, Mei G, Sun Y, Xu N. 2021. Investigating mining-induced surface subsidence and potential damages based on SBAS-InSAR monitoring and GIS techniques: a case study. Journal of Environmental Earth Sciences, 80(24): 1-17. Doi: https://doi.org/10.1007/s12665-021-09726-z
12. Lyu M, Ke Y, Guo L, Li X, Zhu L, Gong H, Constantinos C. 2020. Change in regional land subsidence in Beijing after south-to-north water diversion project observed using satellite radar interferometry. Journal of GIScience & Remote Sensing, 57(1):140-156. Doi: https://doi.org/10.1080/15481603.2019.1676973
13. Masoumi Z, Mousavi Z, Hajeb, Z. 2021. Long-term investigation of subsidence rate and its environmental effects using the InSAR technique and geospatial analyses. Journal of Geocarto International: 1-25. Doi: https://doi.org/10.1080/10106049.2021.1964616
14. Miller M.M, Jones, C.E, Sangha S.S, Bekaert D.P. 2020. Rapid drought-induced land subsidence and its impact on the California aqueduct. Journal of Remote Sensing of Environment, 251: 112063. Doi: https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.112063
15. Padmanaban R, Bhowmik A.K, Cabral P. 2017. A remote sensing approach to environmental monitoring in a reclaimed mine area. ISPRS international journal of geo-information, 6(12): 401. Doi: https://doi.org/10.3390/ijgi6120401
16. Prats-Iraola P, Nannini M, Yague-Martinez N, Pinheiro M, Vechhioli F, Siniscalchi V. 2017. S1-TOPS InSAR. In Fringe 2017 Workshop.
17. Rafiei F, Gharechelou S, Golian S. 2020. Evaluation of the effect of groundwater depletion on the subsidence of Semalghan plain using radar interferometry, The first national conference on data mining in earth sciences. https://en.civilica.com/doc/1264862/
18. Rajabi A.M. 2018. A numerical study on land subsidence due to extensive overexploitation of groundwater in Aliabad plain, Qom-Iran. Journal of Natural Hazards, 93(2): 1085-1103. Doi: https://doi.org/10.1007/s11069-018-3448-z
19. Regional Water Authority Organization of North Khorasan province. 2016. Water resources rehabilitation and balancing plan. http://www.nkhrw.ir/?l=EN
20. Rezaei A. Mousavi Z. 2019. Characterization of land deformation, hydraulic head, and aquifer properties of the Gorgan confined aquifer, Iran, from InSAR observations. Journal of Hydrology, 579: 124196. Doi: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.124196
21. Sadeghi Z., Valadan Zouj M.J., Dehghani M. 2012. Introduction and Comparison of Two Presented Persistent Scatterer Interferometry in Order to Land Subsidence Measurement (Case study: south western Tehran basin). Iranian Journal of Remote Sencing & GIS, 4(1): 97.
22. ŞİRECİ N, ASLAN G, Cakir Z. 2021. Long-term spatiotemporal evolution of land subsidence in Konya metropolitan area (Turkey) based on multisensor SAR data. Turkish Journal of Earth Sciences, 30(5): 681-697.
23. Sneed M, Brandt J.T., Solt, M. 2018. Land subsidence along the California aqueduct in West-Central San Joaquin Valley, California. US Geological Survey, 2003–10 (2018-5144). Doi: https://doi.org/10.3133/sir201851
24. Syahputri B.E.A, Anjasmara I.M, Widodo, A. 2021. Surface Deformation Detection due to Mud Volcanoes Manifestation in East Java Basin Area using Permanent Scatterer InSAR. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 731(1): 012008. Doi: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/731/1/012008/meta
25. Tolomei C, Caputo R, Polcari M, Famiglietti N.A, Maggini, M, Stramondo S. 2021. The Use of Interferometric Synthetic Aperture Radar for Isolating the Contribution of Major Shocks: The Case of the March 2021 Thessaly, Greece, Seismic Sequence. Geosciences, 11(5): 191. Doi: https://doi.org/10.3390/geosciences11050191
26. Zaitunah A, Ahmad A.G, Safitri R.A. 2018, March. Normalized difference vegetation index (ndvi) analysis for land cover types using landsat 8 oli in besitang watershed, Indonesia. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science , 126(1): 012112. Doi: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/126/1/012112/meta
Evaluation of aquifer interaction behavior with land subsidence and its relation to groundwater level and vegetation changes using DInSAR technique
Abstract
Global climate change and overpopulation increased the need for groundwater resources. Land subsidence due to groundwater extraction and water depletion is one of the environmental hazards that threatens the communities. This research has been done as a case study in Semalghan plain, one of the agricultural plains in North Khorasan province. According to the information of the Regional Water Organization of this province, most of the groundwater resources have been extracted from the deep wells of this plain and groundwater resources are in a critical situation. In this study, to investigate land subsidence due to groundwater depletion in Semalghan plain radar differential interferometry technique of Sentinel-1 satellite Descending data from 2014 to 2020 have been produced and analyzed. Also, to monitor vegetation changes Landsat-8 satellite images and study of aquifer interaction behavior was applied. Groundwater depletion maps have been produced using GIS and piezometric data of plain, and their relationship with subsidence was assessed. The result maps showed a direct relationship between water table head fall and subsidence in the Semalghan aquifer during the study period. The maximum subsidence which occurred in this plain in 2019 is equal to 34 cm and a minimum of 18 cm in 2015 and 2018 respectively. Finally, the relationship between groundwater level decline and land subsidence was studied and the behavior of the aquifer was investigated. The results showed the elastic behavior over the Semalghan aquifer and around Chamanbid city. Furthermore, by processing Landsat-8 images from 2015 to 2020, the temporal-spatial relationship of vegetation changes with subsidence was studied. The results showed that the destruction of vegetation has occurred by 5.9% in some areas in the plain due to groundwater level decline which has occurred all over the plain and subsidence in the region and revealed a high temporal-spatial correlation.
Keywords: Groundwater, DInSAR, Aquifer interaction, Subsidence, Sentinel-1
ارزیابی رفتار متقابل آبخوان با فرونشست زمین و ارتباط آن با سطح آب زیرزمینی و تغییرات پوشش گیاهی با استفاده از تکنیک تداخل‌سنجی تفاضلی راداری
چکیده مبسوط
طرح مسئله: رشد جمعیت و افزایش نیاز به آب‌های زیرزمینی موجب استخراج بی‌رویه این منابع شده است. فرونشست دشت‌های زیادی در ایران و سایر نقاط جهان ازجمله چین، ژاپن و آمریکا را تحت تأثیر قرار داده و خسارات زیادی به آن‌ها وارد نموده است. امروزه از روش‌های مختلفی به‌منظور پایش فرونشست استفاده می‌شود که تداخل‌سنجی راداری یکی از سریع‌ترین و کم‌هزینه‌ترین روش‌ها بوده که علاوه بر دقت بالا، امکان پایش فرونشست را در بازه زمانی طولانی فراهم آورده است. جابه‌جایی عمودی زمین می‌تواند قابل بازگشت یا غیرقابل‌بازگشت باشد و متناسب با لایه آبخوان و تغییرات هد آب زیرزمینی است. با وقوع پدیده‌ی فرونشست در منطقه امکان تخریب و یا تغییر پوشش گیاهی در منطقه وجود دارد. همچنین با ایجاد شکاف در سطح زمین الگوی خطی پوشش گیاهی در این نواحی مشاهده می‌شود. به‌علاوه، تغییرات سطح آب زیرزمینی منجر به ایجاد تغییر در تراکم گیاهان منطقه می‌گردد.
دشت سملقان یکی از مهم‌ترین دشت‌های استان خراسان شمالی است که دچار بیلان منفی آب بوده و فرونشست‌های متعددی در آن مشاهده‌شده است. فرونشست زمین به آهستگی اتفاق می‌افتد اما در طولانی‌مدت خسارات زیادی به راه‌ها، مناطق مسکونی، ساختمان چاه‌ها و... وارد می‌کند؛ بنابراین مطالعه‌ی فرونشست در این دشت از اهمیت بالایی برخوردار است.
هدف: در پژوهش حاضر با استفاده از پردازش دادههای ماهواره‌های راداری و ارتباط سنجی تغییرات زمین و رفتار متقابل آبخوان در دشت سملقان، راهکارهای اجرایی مناسبی را جهت بازگشت‌پذیری یا کنترل فرایند فرونشست پیشنهاد خواهد شد. به‌علاوه با استفاده از تصاویر ماهواره لندست-۸ تغییرات پوشش گیاهی منطقه موردبررسی قرار خواهد گرفت.
روش تحقیق: محدوده‌ی موردمطالعه در این مطالعه دشت سملقان در نیمه غربی استان خراسان شمالی است. به‌منظور مطالعه‌ی فرونشست در این منطقه از تصاویر مسیر پایین گذر ماهواره سنتینل ۱ از سال ۲۰۱۴ تا ۲۰۲۰ و روش تداخل‌سنجی تفاضلی راداری استفاده شد. پس از انتخاب تصاویر پایه و پیرو، تداخل نگارها تهیه گردید و پردازش‌های لازم بر روی تداخل نگارها انجام شد. درنهایت نقشه‌های فرونشست تجمعی در سال‌های موردبررسی تهیه شد. پس‌ازآن، از دادههای ۱۷ چاه پیزومتری در بازهی ۱۳۹۷-۱۳۸۷ برای تهیه نقشه هم افت آب‌های زیرزمینی بهره‌گیری شد. نقشه آب‌های زیرزمینی با استفاده از روش وزن دهی معکوس در سیستم اطلاعات جغرافیایی ترسیم گردید. همچنین به‌منظور بررسی تغییرات پوشش گیاهی در منطقه‌ی موردمطالعه، ۸ تصویر لندست-۸ در سال‌های ۲۰۱۵ و ۲۰۲۰ تهیه و پس از انجام پیش‌پردازش‌های لازم، نقشه پوشش گیاهی منطقه ترسیم شد. درنهایت میان نتایج حاصل ارتباط برقرار گردید.
نتایج و بحث: نتایج پردازش‌های تداخل سنجی راداری و بررسی نقشه‌ی تجمعی الگوی رفتاری فرونشست را در طی زمان‌بر روی منطقه‌ی موردمطالعه نشان داد. فرونشست در دشت سملقان در سال ۲۰۱۵ در تمامی نقاط شمالی منطقه به میزان حداکثر ۱۸ سانتی‌متر مشاهده شد. در سال ۲۰۱۶ نیز فرونشست الگوی مشابه سال پیشین را دنبال نمود و بیشینه آن به میزان ۵ سانتی‌متر افزایش یافت. در سال ۲۰۱۷، فرونشست تقریباً در تمامی دشت مشاهده‌شده است. در شمال آشخانه، در راستای شمال‌شرق-جنوب‌غرب بالاآمدگی سطح زمین مشاهده شد. پس از آن در سال ۲۰۱۸، الگوی فرونشست مشابه سال‌های ۲۰۱۵ و ۲۰۱۶ تکرار گردید و افت سطح زمین در شمال، شمال غرب و آبخوان سملقان مشاهده شد. پیشروی فرونشست در طول دوران موردمطالعه مؤید پیشروی افت سطح زمین به سمت چمن بید به‌خصوص در انتهای بازهی موردمطالعه است. با به دنبال نمودن روند تغییرات سطح زمین، می‌توان بالاآمدگی سطح زمین را پس از فرونشست آن در بعضی نقاط مشاهده نمود.
روند تغییرات سطح آب هر چاه و روند تغییرات میانگین سطح آب در دشت موردبررسی قرارگرفته و نمودار آن‌ها ترسیم شدند. پس‌ازآن داده‌ها به سیستم اطلاعات جغرافیایی واردشده و با استفاده از روش درون‌یابی IDW نقشه‌های هم افت آب زیرزمینی تهیه شدند. در بعضی مناطق دشت سملقان افت سطح آب زیرزمینی تا ۲۶ متر نیز مشاهده شد. به‌منظور بررسی بهتر ارتباط میان افت سطح آب با فرونشست، تغییرات سطح آب در چاه‌های پیزومتری در بازه ۱۳۹۹-۱۳۹۳ با فرونشست روی‌هم گذاری شد. در تمام نقاطی که چاه‌های پیزومتری افت داشته‌اند، فرونشست نیز رخ‌داده است. همچنین در قسمت‌هایی که افت آب کم بوده شعاع فرونشست در نواحی اطراف چاه کمتر بوده و در اطراف چاه‌های با افت بیشتر، با شعاع بیشتری گسترده شده است. فرونشست بخش‌های کم ارتفاع سملقان که در آن تمرکز زمین‌های کشاورزی زیاد بوده و برداشت آب در آن مناطق زیاد انجام می‌گردد را کاملاً تحت تأثیر قرار داده است. با افت کمتر سطح آب میزان فرونشست نیز کاهش‌یافته است.
پس از محاسبه‌ی ضریب ذخیره تقریبی آبخوان با استفاده از نمودار تغییرات سطح زمین‌بر حسب تغییرات سطح آب زیرزمینی، نقشه تغییرات ضریب ذخیره‌ی آبخوان دشت سملقان با استفاده از روش درون‌یابی IDW ترسیم شد. کمترین مقدار ضریب ذخیره‌ی محاسبه‌شده، برابر با ۰.۰۴ و بیشترین مقدار برابر با ۰.۳۶ به دست آمد. هرچه مقدار ضریب ذخیره‌ی محاسباتی بیشتر باشد، جابه‌جایی سطح زمین حساسیت بیشتری نسبت به تغییرات سطح آب دارد. با استفاده از نقشه‌ی حاصله، میزان تقریبی تغییرات سطح زمین را می‌توان با استفاده از سطح آب زیرزمینی در نقشه‌ی موردنظر تخمین زد. به فاصله‌ی شعاعی 250، 500، 1000 و 4000 متر از چاه‌های مشاهداتی، تمامی نقشه‌های جابه‌جایی تولیدشده در جهت پایین گذر با استفاده از نرم‌افزار GIS برش داده شدند. سپس میانگین دادههای برداشت‌شده برای هرسال در فاصله 250 متری از هر چاه در یک نمودار ترسیم شد. همچنین یک خط بر روی نمودار برازش داده شد که نماینده‌ی رفتار غیر الاستیک در منطقه است. با توجه به روند تغییرات سطح زمین در بازهی موردمطالعه، کل بازه به 4 دوره تقسیم شد که شامل هردو رفتار بالاآمدگی و فرونشست زمین بودند. پس از انتخاب دوره‌های زمانی، نسبت مقدار بالاآمدگی به فرونشست و نسبت بازهی زمانی آن‌ها در هر دوره محاسبه و رابطه میان طول دوره هر بازه فرونشست-بالاآمدگی نیز بررسی شد. بیشترین نسبت بالاآمدگی به فرونشست در دوره‌ی چهارم است. به‌منظور دستیابی به مدیریت بهینه‌ی آبخوان، بهترین میزان نسبت زمانی بین 2-4 است. طول دوره آماری انتخاب‌شده با توجه به روند رفتار زمین، اولین دوره بهترین فاصله زمانی را دارا است که در آن طول دوره بازیابی ۲۷۷ روز و طول دوره افت ۱۹۳ روز بوده است.
در مناطق پوشش گیاهی پرتراکم افزایش پوشش رؤیت شده است. با توجه به نقشه‌های آب زیرزمینی، در جنوب شرق، شمال و شمال غرب دشت سملقان بیشترین افت سطح آب برآورد شد که در این مناطق نیز تغییر پوشش گیاهی پرتراکم به متوسط و متوسط به ضعیف و یا فاقد پوشش گیاهی مشاهده شدند. همچنین در بخش جنوب و جنوب غرب دشت سملقان نیز تغییرات پوشش گیاهی زیادی رخ‌داده که در این مناطق افت سطح آب تا ۴ متر برآورد شده است.
نتیجهگیری: نتایج نشان داده که فرونشست در دشت سملقان الگوی تقریباً ثابتی در طول زمان داشته و اگرچه در بخش میانی دشت سملقان فرونشست هرساله رخ‌داده است، در بازهی زمانی موردمطالعه، در برخی مناطق بالاآمدگی مشاهده‌شده است. با توجه به نقشه‌های جابه‌جایی سالیانه، مشاهده شد که در برخی قسمت‌های منطقه‌ی موردمطالعه شامل شمال آبخوان سملقان، شمال و شمال غرب این دشت فرونشست به میزان زیادی رخ‌داده که این مناطق باید موردتوجه قرار گیرند. با بررسی روند تغییرات سطح آب زیرزمینی در دشت سملقان، می‌توان گفت فرونشست صورت گرفته در این دشت تحت تأثیر تغییرات آب زیرزمینی و استخراج بی‌رویه از آبخوان این دشت بوده است. مطالعه رفتار متقابل آبخوان نسبت به تغییرات سطح آب زیرزمینی نشاندهندهی رفتار الاستیک زمین در آبخوان سملقان و اطراف چمن بید و رفتار غیرقابل‌بازگشت سطح زمین در سایر نقاط دشت سملقان است. شناخت رفتار زمین به‌منظور کاهش خسارات و دستیابی به مدیریت پایدار منابع آب امری ضروری است. پیشنهاد می‌شود به‌منظور کاهش خسارات ناشی از فرونشست، به ازای هرسال برداشت بی‌رویه از منابع دشت، دو سال دشت را وارد فاز بازیابی نمود.
واژگان کلیدی: فرونشست، دشت سملقان، تداخل‌سنجی راداری، پوشش گیاهی
Evaluation of aquifer interaction behavior with land subsidence and its relation to groundwater level and vegetation changes using DInSAR technique
Abstract
Statement of the Problem: Population growth and the increasing of demand for groundwater have led to the uncontrolled extraction of these resources. Land subsidence occurring in many plains in Iran and other parts of the world, including China, Japan, and the United States and caused great damage in these countries. Nowadays, various methods are used to monitor subsidence, and Interferometric synthetic aperture radar (InSAR) is one of the fastest and cheapest approaches, which is both highly accurate and able to monitor the subsidence over a long period. The vertical displacement of the earth can be reversible or irreversible and is proportional to the aquifer layer and groundwater head changes. With the occurrence of subsidence in the region, there is a possibility of destruction or change of vegetation in the region. Also, a linear pattern of vegetation is observed in these areas due to the land subsidence and cracks. Furthermore, groundwater levels changes is resulting to plant density varying in the region.
Semalghan plain is one of the most important plains in the North Khorasan province, which suffers from negative water balance and land subsidence. Land subsidence spreads slowly, but in the long term it causes large numbers of damage to roads, residential areas, well buildings, etc. Therefore, the study of subsidence in this plain is of great importance.
Purpose: In the present study, by processing differential interferometric synthetic aperture radar data (DInSAR) data and measuring the relation between land subsidence, groundwater level changes and aquifer interaction behavior in the Semalghan plain, adequate strategies for controlling the subsidence will be proposed. Also, vegetation changes in the area will examine using the Landsat-8 satellite imagery.
Methodology: The study area in the present study is Semalghan plain in the west of North Khorasan province, Iran. The Descending path images of the Sentinel-1 satellite from 2014 to 2020 and the DInSAR method were used to investigate subsidence in this region. After selecting the master and slave images, the interferograms were prepared and processed. Finally, cumulative subsidence maps were prepared in the studying period. Next, the statistics of 17 piezometric wells in the period of 1387-1397 were used to prepare a groundwater depletion map using the IDW method in GIS. In addition, to study the changes in vegetation in the study area, Landsat-8 images in 2015 and 2020 were downloaded, and the vegetation map of the area was created after performing the necessary preprocessing. Finally, a correlation was made between the results.
Results and discussion: The results of radar interferometric processing and cumulative subsidence maps showed the pattern of subsidence over time in the study area. Land subsidence in the Semalghan plain in 2015 was observed over northern parts of the region with a maximum value of 18 cm. In 2016, land subsidence followed the same pattern as the previous year and its maximum increased by 5 cm. In 2017, subsidence has been observed in almost all parts over the plain. In the north of Ashkhaneh, uplift was recognized in the northeast-southwest direction. Then in 2018, the subsidence pattern similar to 2015 and 2016 was repeated, and it was detected in the north, northwest, and Semalghan aquifer. The progression of subsidence during the study period confirms the progress of land subsidence towards Chamanbid, especially at the end of the study period. Following the trend of land surface changes, it is possible to observe the uplift of the land surface after its subsidence in some places.
The trend of changes in water level in each well and the average water level in the plain were studied and their diagram was drawn. Then, data imported to the GIS, and groundwater depletion maps prepared using the IDW interpolation method. In some areas of Semalghan plain, the groundwater level depleted about 26 meters. To achieve a better investigation of the relationship between water level drop and subsidence, water level changes in piezometric wells in 1393-1398 were overlayed with subsidence. Land subsidence has occurred at all points where water level have decreased. Also, in the areas where water downfall was low, the subsidence range was less such as in the areas around the well. The subsidence of the low-elevated parts of Semalghan, where the concentration of agricultural lands is high, and water extraction is extreme, has been completely affected. With lower water levels, the rate of subsidence has also decreased.
After calculating the approximate storage coefficient of the aquifer using the diagram of land surface changes related to groundwater changes, the map of changes in the aquifer storage coefficient of Semalghan plain produced using the IDW interpolation method. The minimum and maximum storage coefficient was obtained as 0.04 and 0.36 respectively. The higher computational storage coefficient has the more sensitive to the ground surface and water level changes. By using the produced maps, the approximate amount of land surface changes can be estimated using the groundwater level at the desired point.
At a radial distance of 250, 500, 1000, and 4000 meters from the observation wells, all the displacement maps produced in the descending direction were clipped using GIS software. Then, the average of the collected data for each year at a distance of 250 meters from these wells was plotted in a graph. Moreover a trendline was drawn on the graph representing inelastic behavior in the region. According to the trend of land surface changes in the study period, the whole period divided into 4 periods, which included both uplift and subsidence behavior. After selecting the periods, the ratio of the amount of uplift to subsidence and the ratio of their period were calculated. Also, the relationship between the duration of each period of subsidence-uplift was investigated. The highest ratio of uplift to subsidence is in the fourth period. To achieve optimal aquifer management, the best time ratio is between 2 and 4. The length of the selected statistical period according to the trend of land behavior, the first period has the best time interval in which the recovery period was 277 days and the decline period was 193 days.
Increased vegetation has been observed in densely vegetated areas. According to groundwater maps, in the southeast, north, and northwest of Semalghan plain, the highest depletion in water level was estimated, which in these areas, changes in dense to medium vegetation and medium to weak or no vegetation were observed. Moreover, in the southern and southwestern parts of Semalghan plain, lots of vegetation changes have occurred, in which a water level declining up to 4 meters is estimated.
Conclusion: The results show that subsidence in Semalghan plain has an almost constant pattern over time. Although subsidence occurs in the central part of Semalghan plain every year, the uplift has been observed in some areas during the study period. According to the annual displacement maps, in some parts of the study area, including the north of Semalghan aquifer, northern parts, and northwest of this plain the subsidence occurred to a great extent that these areas should be under consideration. By exploratory the trend of groundwater level changes in Semalghan plain, it is claimed that the subsidence in this plain could be affected by groundwater decline and uncontrolled water extraction from the aquifer in this plain. The study of the interaction behavior of the aquifer affected by changes in groundwater level shows the elastic behavior of the ground in the Semalghan aquifer and around Chamanbid city. Also, it represents the inelastic behavior of the ground surface in other parts of the Semalghan plain. Understanding the behavior of land is essential to reduce damage and achieve sustainable management of water resources. In order to reduce the damage caused by subsidence, it is suggested that for each year of uncontrolled water extraction from the plain resources, the plain should enter the recovery phase for two years.
Keywords: Groundwater, DInSAR, Aquifer interaction, Subsidence, Sentinel-1
