فرونشست زمین در اثر افت آب‏های زیرزمینی

طبق تعریف انستیتو زمین شناسی ایالات متحده، پدیده فرونشست زمین شامل فروریزش یا نشست رو به پایین سطح زمین است که می‏ تواند دارای بردار جابه ‏جایی افقی اندکی باشد. حرکت از نظر شدت، وسعت و میزان مناطق درگیر محدود نمی ‏باشد و فرونشست می‏تواند در اثر پدیده ‏های طبیعی زمین شناختی مانند انحلال، آب شدگی یخ‏ ها و تراکم نهشته ‏ها، حرکات آرام پوسته و خروج گدازه از پوسته جامد زمین و یا فعالیت ‏های انسانی نظیر معدن کاری، برداشت آب‏ های زیرزمینی و یا نفت ایجاد شود. فرونشست زمین ناشی از استخراج آب‏های زیرزمینی به عنوان مشکل اساسی همراه با پیامدهای محیطی در بسیاری از نواحی شناخته شده است. در دهه‏ های اخیر حالت تصاعدی این پدیده همراه با اوج صنعتی شدن، شهر نشینی و پمپاژ بی‏رویه از آ‏ب‏ های زیرزمینی جهت مصارف کشاورزی مشاهده شده است. با توجه به اینکه نشست زمین معمولاً در محدوده بزرگی صورت می‏پذیرد، مقابله با آن مشکل خواهد بود. پدیده نامبرده در نقاط مختلفی از جهان گزارش شده است. از نمونه ‏های آن می‏ توان به نشست زمین به دلیل پمپاژ آب در 35 سال گذشته در شهر بانکوک (تایلند) اشاره نمود. حداکثر نشست سالانه 120 میلی‏متر و در اوایل دهه 1980 گزارش گردیده است. از نمونه‏ های دیگر می ‏توان به نشست دشت ساحلی تسالونیکی در شمال یونان به میزان حدود 10 سانتی‏متر در سال، شهر لس‏بانوس- کتلمن در کالیفرنیا با مقدار نشست 8/8 متر تا سال 1969 اشاره نمود. شهر ونیز ایتالیا نیز در فاصله سال‏ های 1930 تا 1973 حدود 15 سانتی‏متر فرو نشست داشته است. براساس اطلاعات کارگروه فرونشست در سازمان یونسکو، قدیمی ‏ترین فرونشست شناخته شده در ایالت آلبامای ایالات متحده در سال 1900 میلادی به وقوع پیوسته است. اساس مطالعات این کارگروه بررسی‏ های تفضیلی بر روی 42 فرونشست در 15 کشور جهان بوده است. از حدود سال 1965، یونسکو اولین برنامه جهانی خود را برای چرخه ‏های آب شناختی  تحت عنوان دهه جهانی آبشناسی آغاز نمود که در سال ‏های بعد مطالعه فرونشست‏ ها به یکی از موضوع ‏های اصلی آن تبدیل گشت. در آوریل 1975 گروه کاری فرونشست در پاریس شکل گرفت که اساس کار آن بررسی ارتباط این پدیده با آب‏های زیرزمینی بود. از آن تاریخ تا به امروز بررسی‏ های بیش‏تری در این زمینه در کشورهای پیشرفته به ویژه در ایالات متحده و ژاپن انجام شده که نتیجه آن کنترل شدید مصرف آب و تغییر در الگوی مصرف آب و توقف فرونشست‏ ها در بسیاری از موارد بوده است.

در ایران فرونشست زمین، پیشینه سی و چند ساله دارد و اگر زمانی این پدیده تنها در برخی از استان‏ها مانند کرمان و یزد رخ می‏داد، اینک استان‏های اصفهان، خراسان و تهران نیز محتمل فرونشست هستند و این مشکل به طور روز افزون در استان‏ های بیش‏تری خود نمایی می‏کند. در همه فرونشست ‏هایی که در ایران رخ می ‏دهد، استخراج بی‏ رویه آب ‏های زیرزمینی، تنها عامل یا مهم‏ترین عامل ایجاد فرونشست است. از جمله می‏توان نشست دشت سیستان، دشت کاشمر در استان خراسان رضوی، و دشت مشهد را نام برد. کسری حجم مخزن آب زیرزمینی جهان، سالانه بین 700 تا 800 میلیارد مترمکعب بوده که یک درصد آن متعلق به کشور ایران است. از دشت ‏های مهم دیگر می ‏توان به منطقه مهیار اشاره نمود که در طول 10 سال گذشته یک رشته شکاف به طول 10 کیلومتر و عرض 5 تا 50 سانتی‏متر به وجود آمده است که هر سال 5 سانتی‏متر بازتر می ‏شود. در دشت رفسنجان در استان کرمان بر اثر پمپاژ، عمق چاه‏ های آب از 50 متر به 300 متر کاهش یافته و در دشت ‏های اطراف اصفهان به بیش از 100 متر رسیده است. در منطقه سیرجان به ازای هر 10 متر افت سطح آب زیرزمینی، نشست زمین به میزان حدود 27 سانتی‏متر گزارش شده است. دشت فامنین و کبودر آهنگ در استان همدان نیز شاهد نشست و تشکیل فروچاله‏ ها در اثر افت سطح آب ‏های زیرزمینی بوده است. در دشت مرکزی اراک بر اثر خشکسالی و بهره ‏برداری بیش از حد، آب ‏های شور وارد آب‏ های شیرین شده و آب‏ های دشت را با خطر شور شدن مواجه ساخته است. براساس مطالعاتی در دشت مشهد میزان بهره‏ برداری از آب ‏های زیرزمینی از سال 1350 تا 1384 به میزان 6/4 میلیارد مترمکعب افزایش یافته و پیش ‏بینی می‏ شود تا سال 1399 به میزان 5/2 میلیارد مترمکعب دیگر نیز افزایش یابد. توسعه زیاد سطح زیر کشت از 100000 به 130000 هکتار، توسعه صنعت از کم‏تر از 100 واحد صنعتی به بیش از 3000 واحد، افزایش توسعه شهری از 15 کیلومتر مربع به 160 کیلومتر مربع و افزایش جمعیت از 5/0 میلیون نفر به 5/2 میلیون نفر در طی 34 سال و به علاوه افزایش تعداد چاه‏ های این دشت در سال 1344 از 231 حلقه به 3619 حلقه در سال 1377 عوامل مهم در کاهش سطح سفره آب زیرزمینی در این دشت می‏ باشد.

در مناطقی که لایه‏ های خاک تناوبی از ماسه و سیلت و رس است در هنگام افت سطح آب زیرزمینی به دلیل زه‏کشی آب لایه رس به وسیله لایه با نفوذ زیاد، سبب کاهش فشار آب منفذی در لایه رس و تحکیم و فشردگی این لایه ‏ها و نشست زمین می‏شود. به علاوه استخراج بی رویه آب زیرزمینی باعث افت سطح آب زیرزمینی و کاهش فشار هیدرواستاتیکی و در نتیجه افزایش فشار میان ذره ‏ای و در نهایت منجر به ایجاد تراکم و پدیده فرو نشست زمین می‏ شود. تخلخل مصالح تشکیل دهنده لایه ‏های خاک، تراکم، جنس و ترکیب لایه‏ ها، ساختار زمین شناسی منطقه، هدایت هیدرولیکی لایه ‏های آبدار، بارندگی و دما همگی از عوامل مؤثر بر فرونشست زمین به شمار می‏روند. افت ناموزون سطح آب زیرزمینی، متغییر بودن ضخامت لایه ‏های فشردگی ‏پذیر و ناهمگنی تراکم این لایه ‏ها به دلیل داشتن جنس مختلف، موجب نشست ناموزون سطح زمین و نهایتاً ایجاد شکاف‏ هایی در سطح زمین می ‏شود. ترک ‏های بزرگ اغلب در مجاورت مناطق کشاورزی ایجاد می ‏شوند. در بیش‏تر مواقع ضخامت رسوبات ریز دانه و هدایت هیدرولیکی پایین این رسوبات، باعث ایجاد تأخیر زمانی بین افت سطح آب زیرزمینی و نشست سطح زمین می‏ شود. نشست زمین به هر دلیلی سبب ایجاد تأثیرات منفی خواهد شد که برخی از این تأثیرات به شرح زیر است:

• تغییر الگوی جریان‏ های زیرزمینی و سطحی
• کاهش ظرفیت مخازن آبخوان ‏ها
• خسارت به سازه ‏های دست ساز بشر مانند ساختمان ‏ها، خیابان ‏ها، پل ‏ها و خطوط انتقال نیرو
• معکوس شدن شیب کانال‏ های آبیاری و زهکشی
• افزایش خطر وقوع سیل
• افت بیش از حد آب زیرزمینی در نواحی ساحل سبب پیشروی آب شور دریا به سمت سفره‏ های ساحلی می‏ گردد

اولین گام در مطالعه این پدیده، اندازه‏ گیری مقدار جابه‏ جایی ایجاد شده در سطح زمین است. برای اندازه ‏گیری فرونشست زمین روش‏ های مختلف ژئودتیک و غیر ژئودتیک مانند استفاده از GPS (سامانه موقعیت جهانی)، توتال استیشن، لیزر اسکنر و غیره وجود دارد. ایستگاه‏ های GPS اندازه‏ گیری‏ های دقیق و پیوسته ‏ای را در نقاط محدودی از نواحی فرونشست می‏ دهند. یکی از دلایل آن را می ‏توان محدود بودن تعداد ایستگاه ‏های GPS دائم مربوط به شبکه ژئودینامیک ایران (Iranian Permanent Network for Goedynamic (IPGN)) دانست. بنابراین آن ‏ها توانایی تعیین وسعت و الگوی فرونشست را ندارند. روش تداخل سنجی راداری (InSAR) نیز در سال ‏های اخیر به عنوان یکی از روش ‏های غیر ژئودتیک با توجه به مزایایی که نسبت به دیگر روش‏ ها دارد، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این روش در میان روش ‏های زمینی و فضایی به عنوان کارآمدترین روش برای اندازه ‏گیری تغییرات سطح زمین با دقت و قدرت تفکیک مکانی بسیار بالا به شمار می‏ رود. از دیگر مزایای این روش می‏ توان به پوشش وسیع، عدم نیاز به کار میدانی، مقرون به صرفه بودن و امکان دستیابی به اطلاعات در هر شرایط آب و هوایی اشاره کرد. در ایران نیز در چند سال اخیر از این روش در پایش تغییر شکل‏ های سطح زمین استفاده شده است. تحلیل سری ‏های زمانی نیز به تازگی به عنوان فنی جهت توصیف رفتار مکانی و زمانی کوتاه مدت و بلند مدت فرونشست توسعه یافته است.