ارائه روشی تحلیلی برای تخمین عوامل مؤثر بر نشست زمین با استفاده از داده‌های صحرایی و تصاویر InSAR در دشت نیشابور

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد

2 استاد گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

توسعة برداشت از آب‌های زیرزمینی به اندازه‌ای 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 می‌گردد. کاهش ارتفاع هیدرولیکی و یا افت سطح آب باعث کاهش فشار آب منفذی و افزایش تنش مؤثر وارد بر ذرات آبخوان می‌شود. این پدیده، تحکیم لایه‌هایی از رسوبات ریزدانه را به‌دنبال دارد، که نتیجه آن به صورت نشست در سطح زمین نمایان می‌شود. در سال‌های اخیر افزایش برداشت از آبخوان دشت نیشابور واقع در شمال شرقی ایران، گزارش شده است که نتیجه آن افت سطح آب با میانگین 90 سانتی‌متر در سال و ثبت حداکثر نرخ نشست موضعی 19 سانتی‌متر در سال، بوده است. در این تحقیق بر روی برآورد پارامترهای مؤثر بر نشست دشت نیشابور تمرکز شده‌است. پارامترهای مورد بررسی شامل ضخامت مؤثر لایه‌های ریزدانه تراکم‌پذیر و ذخیره ویژه پلاستیک کالبد آبخوان ( )، می‌باشند که به‌طور مستقیم در محاسبات مربوط به نشست‌های برگشت‌ناپذیر، وارد می‌شوند. در گام اول، ضمن بررسی اطلاعات 231 گمانه، با روش درون‌یابی کریجینگ، نقشه توزیع ریزدانه‌ها در سطح دشت نیشابور تهیه و ارتباط منطقی بین نشست ثبت شده و پتانسیل آبدهی چاه‌های دشت، با ضخامت لایه‌های ریزدانه تحقیق گردید. نتایج حاصل نشان داد که بین ضخامت ریزدانه‌ها در پهنه دشت و میزان تخلیه از چاه‌ها، ارتباطی معکوس وجود دارد. به عبارت دیگر کم‌ترین میزان تخلیه در عمده نواحی دارای بیشترین مقدار ریزدانه (رس و سیلت) دیده می‌شود و ریزدانه بودن بافت آبخوان، و به تبع آن کم بودن هدایت هیدرولیکی، بر کاهش آبدهی چاه‌ها تأثیر مستقیم داشته است. در گام دوم، روند تغییرات نرخ نشست حاصل از تصاویر ماهواره­ای InSAR و افت سطح آب برای چاه‌های پیزومتری واقع در محدوده نشست، مورد تحلیل قرار گرفت. بررسی‌ها نشان داد که تراکم آبخوان نیشابور عمدتاً در نتیجه تغییر شکل‌های پلاستیک بوده و سهم تغییر شکل‌های الاستیک ناچیز می‌باشد. لذا با صرف‌نظر از تغییرشکل‌های الاستیک، به استناد نقشه‌های نرخ سالانه نشست و نقشه‌های هم‌افت سطح آب، روشی مبتنی بر آنالیز تنش-کرنش برای تعیین مقادیر ذخیره ویژه کالبد پلاستیک آبخوان ارائه گردید. سپس به‌کمک نتایج حاصل از گام نخست، مقادیر ذخیره ویژه پلاستیک کالبد آبخوان ( ) محاسبه شد. نتیجه حاصل از تعمیم روش فوق منجر به تهیه نقشه توزیع مقادیر  برای رسوبات ریزدانه پراکنده در سطح دشت نیشابور گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

An analytical procedure for estimating land subsidence parameters using field data and InSAR images in Neyshabur plain

نویسندگان [English]

  • Hadi Nameghi 1
  • Seyed Mahmood Hosseini 2
  • Mohammad Bagher Sharifi 1
1 Associate Professor, Civil Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran,
2 2. Professor, Civil Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran,
چکیده [English]

Groundwater exploitation, when the aquifer discharge is greater than its recharge, changes the balance of the aquifer and results in temporal and spatial decline of hydraulic heads in the aquifer. Decline in hydraulic head or water level, decreases pore water pressure and increases effective stress on aquifer sediments. This phenomenon leads to consolidation of interbed layers which consequently results in land subsidence. In recent years, over-withdrawals from aquifer of Neyshabur plain in the North East Part of Iran have been reported. As a result, an average of 90 cm/year decline in water level and maximum displacement rate of 19 cm/year in ground level have been recorded. This study focuses on the estimation of effective parameters related to the land subsidence in Neyshabur Plain. These parameters include the thickness of the fine compressible sediments and inelastic skeletal specific storage (Sskv), which are directly involved in inelastic displacement computations. In the first step, using the geologic log of 231 boreholes and Kriging interpolation method, a map showing the distribution of fine sediments in Neyshabur plain was prepared. This map was used to investigate for reasonable relationships between annual subsidence rate and groundwater yield with the thickness of the fine sediment. Comparisons of maps indicate that the least amount of discharge is seen in regions where the fine layers have the most thickness. In the second step, subsidence rate, extracted from InSAR images, and water level decline at several observation wells located in the study area were analyzed. Investigation of the trend of land subsidence during the recharge and discharge seasons at observation wells showed that the compaction of the aquifer is majorly due to plastic deformation and that the share of elastic deformation is significant. Then, by using the fine sediments distribution map prepared in the first step, the Sskv valueswere calculated at different locations. The end result of the proposed procedure was a map showing the spatial distribution of inelastic skeletal specific storage (Sskv) in Neyshabur plain.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Groundwater
  • Neyshabur Plain
  • Skeletal specific storage
  • Land subsidence

آمیغ پی، م.، عربی، س.، طالبی، ع.، جمور، ی.، 1388. بررسی مناطق نشست‌خیز ایران براساس داده‌های تراز‌یابی. مجله نقشه برداری، شماره 104.

علی‌پور، ا.، 1390. تعیین پتانسیل لایه آبدار آزاد با استفاده از ارتباط بین داده­های ژئوالکتریک و پارامترهای آبخوان (مطالعه موردی: دشت نیشابور). پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه فردوسی مشهد.

شرکت آب منطقه‌ای خراسان رضوی- دفتر مطالعات آب‌های زیرزمینی، 1389. گزارش پیشنهاد ممنوعیت دشت نیشابور.

شریفی‌کیا، م. 1389. بررسی پی‌آمدهای ناشی از پدیده فرونشست در اراضی و دشت‌های مسکونی ایران. مجله انجمن زمین شناسی مهندسی ایران، جلد سوم، شماره 3و4 (43-58).

Bouwer, H., 1977. Land Subsidence and Cracking Due to Ground-Water Depletion. Ground Water, 15: 358–364.

Bull, W.B., Poland, J.F., 1975. Land subsidence due to ground-water withdrawal in the Los Banos–Kettleman City area, California, Part 3. Interrelations of water level change, change in aquifer-system thickness, and subsidence: U.S. Geological Survey Professional Paper 437-G, 62 p.

Burbey, T.J., Warner, S.M., Blewitt, G., Bell, J.W., Hill, E., 2006. Three dimensional deformation and strain induced by municipal pumping, part 1: analysis of field data. Journal of  Hydrology, 319(1-4):123–142

Butler, J. J., 2009. Pumping Tests for Aquifer Evaluation—Time for a Change?. Ground Water, 47: 615–617.

Calderhead, A.I., Therrien, R., Rivera, A., Martel, R., Garfias, J., 2011. Simulating pumping-induced regional land subsidence with the use of  InSAR and field data in the Toluca Valley, Mexico. Advances in Water Resources, 34:83–97.

Chaplot, V., Darboux, F., Bourennane, H., Leguédois, S., Silvera, N., Phachomphon, K., 2006. Accuracy of interpolation techniques for the derivation of digital elevation models in relation to landform types and data density. Geomorphology, Vol. 77: 126-141.

Dehghani, M., Hooper, A., Hanssen, R.F., Zoej, M.J.V., Saatchi, S., Entezam, I., 2010. Hybrid conventional and persistent scatterer SAR interferometry for land subsidence monitoring in Tehran Basin, Iran. Proceedings FRINGE Workshop 2009, Frascati, Italy.

Dehghani, M., Mansourian, A., Zoej, M.J.V., Entezam, I., Saatchi, S., 2009. InSAR monitoring of progressive land subsidence in Neyshabour, northeast Iran. Geophysical Journal International, 178:47–56.

Faunt, C.C. (Ed), 2009.Ground-water availability of California’s Central Valley Aquifer, California. U.S. Geological Survey Professional Paper 1766, 225 p.

Galloway, D.L. (Ed), 2010. Land subsidence, associated hazards and the role of natural resources development: proceedings. Eighth International Symposium on Land Subsidence, Santiago de Querétaro, Mexico, IAHS publication, no. 339, pp. 61–67

Galloway, D.L., Burbey, T.J., 2011. Review: Regional land subsidence accompanying groundwater extraction. Hydrogeology Journal, 19(8):1459-1486.

Hanson, R.T., 1989. Aquifer-system compaction, Tucson Basin and Avra Valley, Arizona: U.S. Geological Survey Water-Resources Investigations Report 88-4172, 69 p.

Helm, D.C., 1975. One-dimensional simulation of aquifer system compaction near Pixley, California 1. Constant parameters: Water Resources Research, vol. 11, no. 3, pp. 465–478.

Helm, D.C., 1976. One-dimensional simulation of aquifer system compaction near Pixley, California 2. Stress-dependent parameters: Water Resources Research, vol. 12, no. 3, pp. 375–391.

Helm, D.C., 1998. Poroviscosity. In: Borchers, J.W. (Ed.), Land subsidence case studies and current research. Proceedings of the Dr. Joseph F. Poland Symposium on Land Subsidence, vol. 8, 4–5 Oct 1995, Sacramento, CA., Association of Engineering Geologists, Special Publication, Star, Belmont, CA., pp. 395–405.

Hoffmann, J., 2003. The application of satellite radar interferometry to the study of land subsidence over developed aquifer systems. Ph.D. thesis, Stanford University.

Hoffmann, J., Leake, S.A., Galloway, D.L. & Wilson, A.M., 2003. MODFLOW-2000 ground-water model, user guide to the subsidence and aquifer-system compaction (SUB) package, U.S. Geological Survey Open-File Report 03-233.

Johnson, A.I., 1984. Laboratory tests for properties of sediments in subsiding areas, part 1, chapter 4, of Poland, J.F., ed., Guidebook to studies of land subsidence due to ground-water withdrawal: Paris, UNESCO, Studies and Reports in Hydrology 40, pp. 55–88.

Jorgensen, D.G., 1980. Relationships between basic soils engineering equations and basic ground-water flow equations: U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 2064, 40 p.

Kruseman, G. P., Ridder, N. A. (1990). Analysis and evaluation of pumping test data. ILRI publication, (47).

Leake, S.A., Galloway, D.L., 2007. MODFLOW ground-water model—User guide to the Subsidence and Aquifer-System Compaction Package (SUB-WT) for water-table aquifers: U.S. Geological Survey, Techniques and Methods 6–A23, 42 p.

Leake, S.A., Galloway, D.L., 2010. Use of the SUB-WT Package for MODFLOW to simulate aquifer-system compaction in Antelope Valley, California, USA., Proceedings of EISOLS 2010, Querétaro, Mexico, IAHS Publication. 339, pp. 61-67.

Leake, S.A., Prudic, D.E., 1991. Documentation of a computer program to simulate aquifer-system compaction using the modular finite-difference ground-water flow model. U.S. Geological Survey, Techniques of Water-Resources Investigations, Book 6, Chapter A2.

Mishra, P.K., 2010. Pumping Test Inference of Saturated/Unsaturated Aquifer Properties. Ph.D. dissertation, University of Arizona, Tucson.

Morris, D.A., Johnson, A.I., 1967. Summary of hydrologic and physical properties of rock and soil materials as analyzed by the Hydrologic Laboratory of the U.S. Geological Survey 1948-1960.U.S. Geological Survey, Water Supply Paper 1839-D. 42 p.

Motagh, M., Djamour, Y., Walter, T.R., Wetzel, H.U., Zschau, J., Arabi, S., 2007. Land subsidence in Mashhad Valley, northeast Iran: Results from InSAR, levelling and GPS. Geophysical Journal International, 168: pp. 518–526.

Poland, J.F., 1961. The coefficient of storage in a region of major subsidence caused by compaction of an aquifer system, Geological Survey Research 1961: U.S. Geological Survey Professional Paper 424-B, pp. B52–B54.

Poland, J.F., Davis, G.H., 1969. Land subsidence due to withdrawals of fluids, in Varnes, D.J., Kiersch, G., (Eds.), Geological Society of America Reviews in Engineering Geology, vol. 2, pp. 187−269.

Poland, J.F., Lofgren, B.E., Ireland, R.L., Pugh, R.G., 1975. Land subsidence in the San Joaquin Valley, California, as of 1972: U.S. Geological Survey Professional Paper 437-H, 78 p.

Prudic, D.E., Williamson, A.K., 1986. Evaluation of a technique for simulating a compacting aquifer system in the Central Valley of California, U.S.A., in Johnson, A.I., Carbognin, Laura, and Ubertini, Lucio, (Eds)., Land subsidence: Proceedings of the Third International Symposium on Land Subsidence held in Venice, Italy, Wallingford, Oxfordshire, IAHS Press, Institute of Hydrology, IAHS publication 151, pp. 53–63.

Riley, F.S., 1969. Analysis of borehole extensometer data from central California, in Tison, L.J., (Ed)., Land subsidence: Brussels, IASH–Unesco, International Association of Scientific Hydrology Publication 89, vol. 2, pp. 423–431

Riley, F.S., 1998. Mechanics of aquifer systems, The scientific legacy of Dr. Joseph F. Poland, in Borchers, J.W., (Ed.), Land subsidence case studies and current research: Proceedings of the Dr. Joseph F. Poland Symposium on Land Subsidence, Association of Engineering Geologists Special Publication, No. 8, pp. 13-27.

Riley, F.S., McClelland, E.J., 1971. Application of the modified theory of leaky aquifers to a compressible multiple-aquifer system: Mechanics of aquifer systems: Analysis of pumping tests near Pixley, California: U.S. Geological Survey Open-File Report, 96 p.

Sneed, M., Galloway, D.L., 2000. Aquifer-system compaction and land subsidence: measurements, analyses, and simulations: the Holly site, Edwards Air Force Base, Antelope Valley, California. U.S. Geological Survey, Techniques of Water-Resources Investigations, Report 00–4015.

Taylor, D.W., 1948. Fundamentals of soil mechanics, Wiley, New York, 700 p.

Terzaghi, K., 1925. Principles of soil mechanics: IV; settlement and consolidation of clay: Erdbaummechanic, vol. 95, no. 3, pp. 874–878.

Terzaghi, K., 1943, Theoretical soil mechanics: New York, Wiley, 510 p.

Therrien, R., McLaren, R.G., Sudicky, E.A., Panday, S.M., 2010. HydroGeoSphere: a three-dimensional numerical model describing fully-integrated subsurface and surface flow and solute transport (draft edition 23 July 2010). Groundwater Simulations Group, University of Waterloo, Waterloo.

Welhan, J.A., Farabaugh, R.L., Merrick, M.J., Anderson, S.R., 2006. Geostatistical modeling of sediment abundance in a heterogeneous basalt aquifer at the Idaho National Laboratory, Idaho: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report, 2006-5316 (DOE/ID-22201), 32 p.

Yeh, HD., Huang, YC., 2009. Analysis of pumping test data for determining unconfined-aquifer parameters: Composite analysis or not?. Hydrogeology Journal , Vol. 17, Issue 5, pp 1133-1147