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
محورهای موضوعی : برنامه های کاربردی در مدیریت منابع آبفاطمه رفیعی 1 , سعید قره چلو 2 , سعید گلیان 3
1 - کارشناسی ارشد مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
2 - استادیار گروه ژیوتکنیک-راه و نقشه برداری، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود
3 - دانشیار، گروه مهندسی آب و محیط زیست، دانشکده مهندسی عمران ، دانشگاه صنعتی شاهرود ، شاهرود ، ایران
کلید واژه: فرونشست, آب‌های زیرزمینی, تداخل سنجی تفاضلی راداری, رفتار متقابل آبخوان, سنتینل-1,
چکیده مقاله :
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
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.
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
