بخشی از مقاله
بررسی فرونشست زمین در اثر افت سطح آب های زیرزمینی
چکیده
افزایش روزافزون برداشت از منابع آب زیرزمینی، منجر به فرونشست سطح زمین و یا به عبارتی نشست عمومی زمین می گردد. این پدیـده ی خشکسالی و بحران آب بوده و در صورت عدم مدیریت صحیح، می تواند خسارات جبران ناپـذیری را بـرای منـاطق دشـت هـای کشـور ایجاد کند. شناسایی مناطق فرونشست و برآورد نرخ آن با استفاده از تکنیک هایی نوین مانند تداخل سنجی راداری مسـلما نقـش بسـزایی در مدیریت و کنترل این پدیده خواهد داشت. در این تحقیق به بررسی عـواملی کـه، در فرونشسـت زمـین در اثـر برداشـت آب زیرزمینـی مؤثرند، پرداخته می شود. مطالعات نشان می دهد که برداشت بیش از حد مجاز از منابع آب زیرزمینی، ضخامت لایه رسوبی و ویژگی هـای مهندسی رسوبات، عوامل اصلی ایجاد فرونشست هستند.
کلمات کلیدی: فرونشست، افت سطح آب زیرزمینی، تداخل سنجی
.1 مقدمه
به لحاظ موقعیت جغرافیایی ایران زمین، حجم نزولات جوی، نسبت به بسیاری از نقاط دیگر جهان، در سطح پایین تری قرار دارد. رشد سریع جمعیت در سال های اخیر و به دنبال آن توسعه روز افزون فعالیت های اجتماعی، اقتصادی و صنعتی سبب شده است تا میزان بهره برداری از منابع آب به ویژه منابع آب زیرزمینی بیش از ظرفیت و توان بالقوه آن افزایش یابد. مشاهده افت شدید سطح آب زیرزمینی یکی از شاخص های این برداشت بیش از توان آبخوان ها می باشد. ادامه این وضعیت موجب تهی شدن مخازن آب زیرزمینی و ایجاد فرونشست های غیرقابل بازگشت می شود که نمونه هایی از آن به ویژه در مناطق خشک و نیمه خشک قابل رؤیت است. توسعه برداشت از آب های زیرزمینی به اندازه ای که مقدار تخلیه آبخوان از تغذیه آن بیشتر شود، موجب برهم خوردن تعادل در آبخوان شده و به صورت زمانی یا مکانی موجب کاهش ارتفاع هیدرولیکی می گردد. کاهش ارتفاع هیدرولیکی و یا افت سطح آب باعث کاهش فشار آب منفذی و افزایش تنش مؤثر وارد بر ذرات آبخوان می شود. این پدیده، تحکیم لایه هایی از رسوبات ریزدانه را به دنبال دارد، که نتیجه آن به صورت نشست در سطح زمین نمایان می شود.
فرونشست زمین عبارت است از فروریزش ناگهانی یا تدریجی سطح زمین به سمت پایین که با جابجایی های ناچیز افقی نیز همراه باشد .[1] فرونشست زمین بر پایه تعریف سازمان زمین شناسی آمریکا، عبارت است از فروریزش یا پایین رفتن سطح زمین که به صورت تغییرات ارتفاعی عمودی سطح قابل مشاهده است و با جابه جایی های اندک افقی نیز همراه است .[2]
1
بر اساس اطلاعات کارگروه فرونشست در سازمان یونسکو (IHP) قدیمی ترین فرونشست شناخته شده در ایالت آلابامای ایالات متحده در سال 1900 میلادی بوقوع پیوسته است. اساس مطالعات این کار گروه 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 آبشناختی 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 آب های زیر زمینی بود.
در مقیاس جهانی، خطر فرونشست زمین بر اثر افت سطح آب در بین سال های 1970 - 1950 هم زمان با صنعتی شدن و رشد شهرنشینی به اوج خود رسید .[2] یکی از مهم ترین فرونشست های منطقه ای سطح زمین در جهان در اثر بهره برداری بی رویه از آب های زیرزمینی جهت مصارف کشاورزی در ایالت کالیفرنیا در آمریکا گزارش شده است. تا سال 1969 مقدار نشست در این ایالت 8 متر گزارش شده است .[6] به طوری که تا سال 1994 با افت 50 متری سطح آب زیرزمینی فرونشستی در حدود 10 متر رخ داد .[7]
مدت هاست بحث کسری مخازن، افت های پی در پی و فرونشست های زمین به امری رایج در آبخوان های کشور تبدیل شده است. در واقع فرونشست از تحکیم نهشته های رسوبی که نتیجه فشار موثر افزاینده است حاصل می شود .[3] در آبخوان هایی که شن و ماسه توسط رسوبات رسی محبوس شده باشد و یا زمانی که ضخامت زیادی از رسوبات رسی در میان رسوبات آبرفتی دیگر مانند شن و ماسه به صورت مخلوط وجود داشته باشد، فرونشست منطقه ای می تواند بخاطر برداشت شدید آب زیرزمینی ایجاد گردد .4[] عموماً پدپده فرونشست زمین ناشی از برداشت بی رویه آب زیرزمینی در سیستم آبخوان های متشکل از لایه های رسی، شن و ماسه ای که بطور متناوب بر روی هم قرار گرفته اند روی می دهد .[5]
کاهش سطح آب زیرزمینی تاثیر شدیدی بر نشست زمین دارد که می تواند منجر به شکست زمین، تغییر اقلیم و تغییر کیفیت آب زیرزمینی شود. فرایندهای آب و هوایی به شکل پیچیده و به طور مستقیم یا غیرمستقیم تحت تاثیر الگوهای آب زیرزمینی هستند. تغذیه آب زیرزمینی می تواند جهت کاهش نرخ فرونشست زمین، تغییرات نرمال آب و هوایی، مدیریت آب و زمین و... تاثیر گذار باشد. کاهش فرونشست زمین به عامل مهمی در مدیریت منابع آب زیرزمینی تبدیل شده است. اگر پیشگیری فرونشست زمین و برنامه های احیای رایج ادامه یابد و پروژه های انحراف آب سطحی اجرا شوند، هر چند فرونشست زمین نمی تواند متوقف شود، اما سرعتی که اتفاق می افتد را می توان به طور موثر کاهش داد. روش معمولی پیشگیری از نشست شامل کنترل برداشت آب های زیرزمینی و تغذیه مصنوعی آب های زیرزمینی است .[17]
در این تحقیق به بررسی عواملی که، در فرونشست زمین در اثر برداشت آب زیرزمینی مؤثرند، پرداخته می شود. همچنین تکنیک های محاسبه فرونشست مورد بررسی قرار می گیرد.
.2 عوامل موثر در ایجاد فرونشست
بطور کلی عوامل مؤثر در ایجاد فرونشست زمین عبارتند از: [8 ]
(1 برداشت و استخراج مواد معدنی، ریزش سازه های زیرزمینی مانند تونل ها، ایجاد حفرات در اثر انحلال. شکل (1) نشست زمین در اثر استخراج مواد معدنی را نشان می دهد.
2
شکل - 1 نشست زمین در اثر استخراج مواد معدنی [8]
(2 فعالیت های تکتونیکی. شکل (2) نشست زمین در اثر فعالیت های تکتونیکی را نشان می دهد.
شکل - 2 نشست زمین در اثر فعالیت های تکتونیکی [8]
(3 برداشت بی رویه از منابع آب زیرزمینی، نفت و گاز. شکل (3) نشست زمین در اثر برداشت بی رویه از منابع آب زیرزمینی را نشان می دهد. برداشت بیش از اندازه آب زیرزمینی با ایجاد افت مداوم سطح آب غیر از آسیب رسانی و از دست دادن یک منبع مهم، ممکن است موجب نشست اراضی و در نهایت باعث خسارت به ابنیه گردد.
شکل - 3 نشست زمین در اثر برداشت بی رویه از منابع آب زیرزمینی [8]
3
فرونشست زمین ممکن است به طور کلی ناشی از دلایل عمده ای همچون انحلال تشکیلات زیرسطحی، تراکم رسوبات در اثر استخراج سیالات و ذخایر زیرزمینی، بارگذاری، زهکشی و یا ارتعاش، تراکم هیدرولیکی، فرسایش مکانیکی زیرسطحی، جریان جانبی، ناپایداری خاک ها در سطوح شیب دار، انقباض خاک های رسی، ذوب یخ لایه های منجمد در اعماق زمین و فرونشینی زمین ساختی باشد. از عوامل مهم دیگری که می توانند در ایجاد پدیده فرونشست موثر باشند تغییر کاربری زمین، احداث و یا بارگذاری سازه های مهندسی و زهکشی خاک های آلی است.
نشست زمین توسط عوامل طبیعی (عوامل تکتونیکی، اکسیداسیون و انقباض خاک های آلی، تثبیت وزن خاک های رسوبی) یا انسانی (استخراج موادی چون گاز و آب) ممکن است اتفاق بیفتد. از میان همه این عوامل خروج آب زیرزمینی تاثیر شدیدتری دارد .[19] فرونشست زمین در اثر پمپاژ گسترده آب های زیرزمینی تبدیل به یک عامل شده است که نمی تواند در بهره برداری پایدار از منابع آب زیرزمینی نادیده گرفته شود. سوابق گذشته استخراج آب های زیرزمینی، هد هیدرولیکی و فرونشست زمین نشان می دهد که فرونشست زمین نتیجه استخراج مستمر و بیش از حد از آب های زیرزمینی از سفره های آب های عمیق محصور است. نتایج نشان می دهد که علت اصلی فرونشست زمین تراکم غیر ارتجاعی سیستم آبخوان ناشی از کاهش مداوم سطح آب است .[18]
نرخ ثبت شده نشست از چند میلی متر تا چند سانتی متر در سال، بسته به ترکیب خاک و شدت پمپاژ آب های زیرزمینی متغیر است. فرونشست زمین و شکاف زمین ناشی از بهره برداری بیش از حد از آب های زیرزمینی یک فرایند پیچیده است که در آن تعامل نشت با تنش زمین نشان داده شد. این فرایند به شدت به پارامترهای هیدرولیکی و مکانیکی خاک وابسته است. بنابراین، تاثیر پارامترهای هیدرولیکی و مکانیکی خاک بر فرونشست زمین ناشی از بهره برداری بیش از حد آب های زیرزمینی کلیدی برای پیش بینی دقیق فرونشست زمین است .[17]
مطالعات اخیر نشان داده است که روند آب و هوا به خوبی با تغییرات سطح آب زیرزمینی در ارتباط است. ارزیابی آب های زیرزمینی رابطه نزدیکی با نوسانات بارش دارد، بنابراین با پیدا کردن رابطه بین پتانسیل آب های زیرزمینی و بارش و طبق سناریوهای مختلف میتوان به راحتی تغییرات آب و هوای منطقه را پیش بینی کرد. یکی از اثرات عمده تغییرات آب و هوا خشکسالی است که یک تهدید عمده برای اکوسیستم های وابسته به آب زیرزمینی است، مطالعات موثر شامل ارزیابی خشکسالی در تامین آب مهم است. به طور معمول، اثرات خشکسالی را می توان تنها پس از چند سال خشکسالی دید، زمانی که سطح آب های زیرزمینی در حال کاهش است17] و[20
با توجه به موارد یاد شده بنظر می رسد که ترکیب عواملی چون برداشت بیش از حد مجاز از منابع آب زیرزمینی، ضخامت لایه رسوبی و ویژگی های مهندسی رسوبات عامل اصلی ایجاد این فرونشست می باشد. در اثر نیروهای مؤثر در ایجاد تراکم، رسوبات دانه ریز مانند سیلت و رس در مقایسه با رسوبات دانه درشت مانند شن و ماسه تأثیر بسیار بیشتری می پذیرند. از سوی دیگر هر اندازه ضخامت رسوبات بیشتر باشد؛ آن منطقه نسبت به افت سطح آب زیرزمینی حساس تر عمل نموده، دچار فرونشست بیشتری خواهد شد.[8] عمده رخداد های فرونشست زمین در ایران بیشتر در اثر عواملی همچون افت سطح سیالات زیرزمینی، انحلال تشکیلات زیرسطحی و ریزش کارست به وجود می آیند. تغییر کاربری زمین، احداث و یا بارگذاری سازه های مهندسی، زهکشی خاک های آلی و نفوذ آب شور در امتداد سواحل نیز از جمله عوامل دیگری هستند که می توانند در ایجاد پدیده فرونشست موثر باشند.
