ارزیابی میزان فرونشست زمین در ارتباط با آب های زیرزمینی به کمک داده ماهواره ‌ای راداری سنتینل-1 و الوس-1 (منطقه مورد مطالعه: دشت مشهد)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه نقشه برداری، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود

2 کارشناسی ارشد گروه منابع آب، دانشکده‌ مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

3 دانشیار گروه منابع آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

4 کارشناسی ارشد گروه سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده‌ مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

چکیده

پیشینه و هدف در سال های اخیر پمپاژ بیش ‌از حد آب‌ های زیرزمینی و همچنین کاهش بارندگی در دشت مشهد فرونشست را ایجاد کرده است که خسارت‌ هایی را برای زیر ساخت ‌ها دربی داشته است. این مشکل به خاطر افزایش تقاضای برداشت آب از چاه های عمیق برای کشاورزی، صنایع و شرب است. به دنبال این تقاضای روزافزون حفر چاه های غیرمجاز نیز افزایش چندانی پیداکرده است، بنابراین سطح آب زیرزمینی دشت دایم در حال پایین رفتن بوده و نرخ فرونشست دشت در حال افزایش است. دشت مشهد یکی از دشت های مهم در استان خراسان رضوی است که یکی از منابع آبی پشتیبان برای استفاده در کشاورزی و صنعت است. فشار بیش‌ازحد به منابع آب زیرزمینی با پمپاژ زیاد و کمبود بارش باعث شده که تغذیه آبخوان به‌ خوبی صورت نگیرد. افت سطح آب زیرزمینی در دشت مشهد اثرات نامناسبی را بر آبدهی چاه ها، تخریب قنوات، کیفیت آب و فرونشست زمین را در نتیجه خواهد داشت. در این تحقیق، میزان فرونشست با استفاده از داده ماهواره‌ های راداری سنتینل-1 و الوس-1 در ارتباط با افت آب های زیرزمینی مورد بررسی قرار گرفت. در این راستا از داده ‌های سری زمانی راداری چند باندی در طول ‌موج L و C برای تعیین فرونشست در سال ‌های 1386-1397 استفاده گردید.
مواد و روش هاهدف اصلی این تحقیق یافتن میزان فرونشست مرتبط با آب ‌های زیرزمینی در دشت مشهد بین سال‌ های 1386-1397 با استفاده از تکنیک تداخل سنجی تفاضلی راداری است. برای دست یافتن به این هدف سه سری جفت تصویر از هر یک از داده‌ های راداری الوس-1 و سنتنیل –1 استفاده شد. برای آنالیز افت سطح آب‌ های زیرزمینی دشت مشهد در ارتباط با فرونشست از داده چاه های پیزومتری موجود برای بازه سال‌های 1385-1395 استفاده گردید تا بر اساس آن مدل نقشه هم افت و منحنی تراز افت آب تهیه گردید. این نقشه‌ ها برای روشن کردن ارتباط بین افت سطح آب و فرونشست دشت استفاده شدند. در نهایت نقشه فرونشست دشت با استفاده از مشاهدات زمینی و کارهای گذشته مورد ارزیابی قرار گرفتند. با مقایسه نقشه فرونشست منطقه با نقشه هم ‌افت سطح آب زیرزمینی همبستگی پذیرفته ‌ای به دست آمد که حکایت بر میزان تأثیرپذیری پدیده فرونشست از افت سطح آب زیرزمینی دارد. نتایج نهایی فرونشست با تحقیقات پیشین مقایسه و با مشاهدات زمینی ارزیابی شدند.
نتایج و بحث نتایج تداخل سنجی راداری نتایج حاصل از فرآیند تداخل ‌سنجی راداری برای ماهواره ALOS در این تحقیق، بیانگر بیشینه نشست 5.2 سانتی‌ متر از تاریخ 2007/10/16 تا 2008/01/16 (طی 92 روز)، بیشینه نشست 3.8 سانتی ‌متر از تاریخ 2008/01/16 تا 2008/03/02 (طی 46 روز) و بیشینه نشست 4.7 از تاریخ 2008/03/02 تا 2008/06/02 (طی 92 روز) است. همچنین نتایج حاصل از فرآیند تداخل سنجی راداری برای ماهواره Sentinel-1 بیانگر بیشینه فرونشست 16.1 سانتی ‌متر از تاریخ  2015/05/28تا 2016/05/22 (طی 360 روز)، بیشینه نشست 17.4 سانتی ‌متر از تاریخ 2016/05/22 تا 2017/05/29 (طی 372 روز) و بیشینه فرونشست 20.3 سانتی‌متر از تاریخ 2017/05/29 تا 2018/05/24 (طی 360 روز) است. توزیع نواحی فرونشست یافته عمدتاً در منطقه مرکزی و جنوب شرقی دشت (شمال غربی شهر مشهد) مشاهده ‌شده است. همچنین یافته‌ های تحقیق دامنه منطقه فرونشست را در سطحی به مساحت 312 کیلومترمربع با درازای به طول 39 کیلومتر و پهنای به طول 8 کیلومتر معرفی نمود. جهت بررسی صحت نتایج حاصل از تداخل سنجی، به دلیل نبود رودخانه دائمی در منطقه عمده نیاز آبی مربوط به کشاورزی، صنعت و شرب به‌وسیله برداشت از سفره‌ های آب زیرزمینی انجام می ‌شود.
نتیجه گیری یافته ‌های تحقیق نشان می ‌دهد که مناطق دارای نرخ حداکثر فرونشست منطبق بر کاربری ‌های زراعی و باغات است که بیشترین سهم را در برداشت از آب‌ های زیرزمینی دارا می ‌باشند. همچنین نقشه و نمودار های حاصل از بررسی چاه‌ های پیزومتری بیانگر کاهش پیوسته سطح آب در طول دوره آماری می ‌باشند. براساس نتایج تحقیق مهم ‌ترین علت فرونشست در دشت مشهد برداشت بی‌ رویه آب زیرزمینی است. از طرفی نرخ و دامنه فرونشست در منطقه برای سال ‌های 2007 تا 2008 و 2015 تا 2018 استخراج ‌شده که نشان‌ دهنده روند افزایش پدیده فرونشست در منطقه است. همچنین مشاهدات میدانی هم فرضیه افزایش میزان فرونشست در دهه اخیر را تأیید می ‌کنند. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of land subsidence relationship with groundwater depletion using Sentinel-1 and ALOS-1 radar data (Case study: Mashhad plain)

نویسندگان [English]

  • Saeid Gharechelou 1
  • Hesam Akbari Ghoochani 2
  • Saeed Golian 3
  • Kamran Ganji 4
1 Assistant Professor, Department of Surveying, Faculty of Civil Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
2 MSc. Department of Water Resources, Faculty of Civil Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
3 Associated Professor, Department of Water Resources, Faculty of Civil Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
4 MSc. Department of Hydraulic Structure, Faculty of Civil Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده [English]

Background and ObjectiveIn recent year’s groundwater pomping in the Mashhad plain and decreasing of rainfall in the Mashhad, plain is cause subsidence and creat damage to province infrastructure. This problem is causing more application for deep well water in agriculture, industries, and drinking water. Follow by this demand the number of illegal wells dicking by customers is increasing, therefore the water level of groundwater in Mashhad plain decreasing and the subsidence rate is growing. Mashhad plain is one of the significant plains in the Khorasan Razavi province which is the main water source to support the cropland and industries. High pressure in Groundwater pumping and rainfall is decreasing it causes aquifer recharge reduction.  Groundwater depletion induced a variety of inadequate in the Mashhad plain such as reducing well discharge, Qanat destructive, Water quality decreasing and land subsidence, etc. In this research, the rate of land subsidence by satellite radar data of ALOS-1 and Sentinel-1 and its relationship with groundwater depletion are investigated. For this purpose the time-series InSAR with multiple SAR data in L and C- bands are used for land subsidence analysis for ten years from 2007 to 2018.
Materials and Methods The main goal of this research is to find the land subsidence rate in relationship with groundwater depletion of the Mashhad plain for a period of 2007-2018 using the InSAR technique. For achieving the research goal the three pairs of SAR images of ALOS data and three pairs of Sentinel-1 data are used. For analyzing the water delation with land subsidence the ten years piezometric well data for a period of 2006-2017 are modeled to create the groundwater table contour line. This map is used for finding the relationship with land subsidence. The final result of the subsidence map was assessed with field observation and previous work.
Results and Discussion InSAR result of ALOS-1 data in this research is shown the subsidence maximum rate of 5.2 cm in the period of 2007.10.16 to 2008.10.16 for 92 days, subsidence maximum rate of 3.8 cm in the period of 2008.01.16 to 2008.03.02 for 46 days, and subsidence maximum rate of 4.7 cm in the period of 2008.03.02 to 2008.06.02 for 92 days. In addition, the Sentinel-1 data processing for InSAR analysis has shown the subsidence maximum rate of 16.1 cm between 2015.05.28 to 2016.05.22 for a year, subsidence maximum rate of 17.4 cm from 2016.05.22 to 2017.05.29 for 372 days, and subsidence maximum rate of 20.3 cm from 2017.05.29 to 2018.05.24 in a year. The spatial distribution of the subsidence area is mostly in the central and southeast of Mashhad plain. The subsidence area is extended in the area with a 39 km length and 8 km wide. The Mashhad plain does not have a permanent river therefore most of the water demand in agriculture, industries, and drink water is supplying by groundwater pumping. The correlation between the subsidence map and groundwater level contour map obviously has shown that groundwater depletion affects land subsidence. Field observation was also confirmed the subsidence by wall and building crack, wellhead uplifting in the test site.
Conclusion The result showed that the area with the maximum rate of subsidence is the counterpart to cropland and garden which have more influence on groundwater pumping. In addition, the piezometric well date is shown the groundwater table continuously decreasing. According to the result of this research, the main reason for subsidence is a force to groundwater pumping. The field observation approved that the subsidence is happening in the Mashhad plain by some cracks in the wall, bridge, road, well destructive.

کلیدواژه‌ها [English]

  • InSAR
  • Land subsidence
  • Groundwater depletion
  • Mashhad Plain
Akbari V, Motagh M. 2011. Improved ground subsidence monitoring using small baseline SAR interferograms and a weighted least squares inversion algorithm. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 9(3): 437-441. doi:http://dx.doi.org/10.1109/LGRS.2011.2170952.
Alkhamis R, Kariminasab S, Ariana F. 2007. Investigating the Effect of Land Subsidence Due to Groundwater Discharges on Well Casing Damage. Journal of Water and Wastewater, 17(4): 77-88. (In Persian).
Anderssohn J, Wetzel H-U, Walter TR, Motagh M, Djamour Y, Kaufmann H. 2008. Land subsidence pattern controlled by old alpine basement faults in the Kashmar Valley, northeast Iran: results from InSAR and levelling. Geophysical Journal International, 174(1): 287-294. doi: https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2008.03805.x.
Arvin A, Vahabzadeh G, Mousavi SR, Bakhtyari Kia M. 2019. Geospatial modeling of land subsidence in the south of the Minab watershed using remote sensing and GIS. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 10(3): 19-34. http://girs.iaubushehr.ac.ir/article_668468_en.html. (In Persian).
Caló F, Notti D, Galve JP, Abdikan S, Görüm T, Pepe A, Balik Şanli F. 2017. Dinsar-Based detection of land subsidence and correlation with groundwater depletion in Konya Plain, Turkey. Remote Sensing, 9(1): 83. doi:https://doi.org/10.3390/rs9010083.
Chatterjee R, Fruneau B, Rudant J, Roy P, Frison P-L, Lakhera R, Dadhwal V, Saha R. 2006. Subsidence of Kolkata (Calcutta) City, India during the 1990s as observed from space by differential synthetic aperture radar interferometry (D-InSAR) technique. Remote Sensing of Environment, 102(1-2): 176-185. doi:https://doi.org/10.1016/j.rse.2006.02.006.
Chatterjee RS, Benedicte F, Rudant JP, Roy PS, Pierre-Louis F, Lakhera RC, Dadhwal VK, Ranajit S. 2006. Subsidence of Kolkata (Calcutta) City, India during the 1990s as observed from space by Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry (D-InSAR) technique. Remote Sensing of Environment, 102(1): 176-185. doi:https://doi.org/10.1016/j.rse.2006.02.006.
Galloway DL, Jones DR, Ingebritsen SE. 1999. Land subsidence in the United States, vol 1182. US Geological Survey, 175 p.
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. Remote Sensing, 10(3): 365. doi:https://doi.org/10.3390/rs10030365.
Hafezi Moghaddas N, Leo C, Rahimi B, Azadi A. 2018. Morpho-tectonics and Geoelectrical method applied to active faults characterization in South of Mashhad Plain, Northeast of Iran. Geopersia, 8(1): 13-26. doi:https://dx.doi.org/10.22059/geope.2017.230489.648312.
Herrera G, Tomás R, Lopez-Sanchez J, Delgado J, Vicente F, Mulas J, Cooksley G, Sanchez M, Duro J, Arnaud A. 2009. Validation and comparison of advanced differential interferometry techniques: Murcia metropolitan area case study. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 64(5): 501-512. doi:https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2008.09.008.
Kampes B. 2006. Radar Interferometry, Persistent Scatterer Technique. Springer Netherland, 1-4 pp. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-4723-7.
Ketelaar VG. 2009. Satellite radar interferometry: Subsidence monitoring techniques, vol 14. Springer Science & Business Media, https://doi.org/10.1007/978-1-4020-4723-7.
Lashkaripoor G, Ghafoori M, Bagherpoor Moghadam B, Talebian S. 2007. Investigation of Groundwater Depletion on Land Subsidence case study. 1st International Applied Geological Congress May 2007, Mashhad, Iran.Vol 2:15-21 (In Persian).
Lashkaripour GR, Ghafoori M, Maddah MM. 2014. An investigation on the mechanism of land subsidence in the Northwest of Mashhad city, NE Iran. Journal of Biodiversity and Environmental Sciences (JBES) Vol, 5: 321-327.
Maghsoudi Y, Freek, Christoph H, Daniele P, Asep S. 2018. Using PS-InSAR to detect surface deformation in geothermal areas of West Java in Indonesia. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 64: 386-396. doi:https://doi.org/10.1016/j.jag.2017.04.001.
Mokhtari D, Ebrahimy H, Salmani S. 2019. Land subsidence susceptibility modeling using random forest approach (Case study: Tasuj plane catchment). Journal of RS and GIS for Natural Resources, 10(3): 93-105. http://girs.iaubushehr.ac.ir/article_668475_en.html. (In Persian).
Pacheco J, Arzate J, Rojas E, Arroyo M, Yutsis V, Ochoa G. 2006. Delimitation of ground failure zones due to land subsidence using gravity data and finite element modeling in the Querétaro valley, México. Engineering Geology, 84(3-4): 143-160. doi:https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2005.12.003.
Raucoules D, Colesanti C, Carnec C. 2007. Use of SAR interferometry for detecting and assessing ground subsidence. Comptes Rendus Geoscience, 339(5): 289-302. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.enggeo.2005.12.003.
Regional Water Authority of Khorasan Razavi. 2011. Final Report Updated the Integration of Water Resources Studies of Qaraqoom Catchment. Toossab Consulting Engineers Company. 3: 95 p. (In Persian).
Regional Water Authority of Khorasan Razavi. 2015. Kashfarud Rescue Plan with the Participation of the People, the Deputy for Planning and Management Improvement. 2: 72 p. (In Persian).
Regional Water Company of Khorasan Razavi. 2017. Mashhad Drinking Water Status Review Report, Deputy of Planning and Management Improvement. 1: 25 p. (In Persian).
Saffari A, Jafari F, TavakoliSaboor M. 2016. Monitoring land subsidence and its relationship with groundwater abstraction (Case study: Karaj- Shahriar plain). Quantitative Gemorphoogical Research, 2: 82-93. (In Persian).
Salehimoteahed F, Hafezimoghadas N, Lashkaripoor G, Dehghani M. 2017. Evaluation of geological causes of land subsidence in Mashhad plain and its effects on Mashhad. Second Seminar of Engineering Geology and Environment of Mashhad. Iranian Association of Engineering Geology. (In Persian).
Sharifikia M. 2010. Earthquake land surface deformation analysis bases on remote sensing techniques. 4th International Congress of the Islamic World Geograohers. 14-16 April 2010. Zahedan, Iran. (In Persian).
Xiaobing Z, Chang N-B, Li S. 2009. Applications of SAR interferometry in earth and environmental science research. Sensors, 9(3): 1876-1912. doi:https://doi.org/10.3390/s90301876.
Zarekamali M, Alhoseini Almodaresi SA, Naghdi K. 2017. Comparing the magnitude of the earth’s vertical relocation using the SBAS algorithm in X and C radar bands (Case study: Tehran lands). Journal of RS and GIS for Natural Resources, 8(3): 104-120. http://girs.iaubushehr.ac.ir/article_535577.html?lang=en. (In Persian).
Zohari M, Esmaili M, Motagh M, Mojaradi B. 2015. Comparison of X-Band, L-Band and C-band Radar images in monitoring subsidence in agricultural area. FRINGE 2015, Proceedings of the workshop held 23-27 March, 2015 in Frascati, Italy. ESA-SP Vol. 731.