Iranian Jornal of Watershed Management Science&Engineering

fa پایش فرونشست زمین بر مبنای روش تداخل‌سنجی تفاضلی راداری و تغییرات تراز آب زیرزمینی (مطالعه موردی: آبخوان کرمانشاه) Monitoring Ground Subsidence Based on Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry and Changes in Groundwater Level (Case Study: Kermanshah Aquifer) تخصصي Special پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">مقدمه مخاطرات طبیعی سالانه سبب بروز خسارت های جانی و مالی فراوانی در جهان می شوند. پدیده فرونشیت یکی از این مخاطرات است که امروزه با وقوع خشکسالی های اخیر در شهرها و بهویژه کلانشهرها اهمیت فراوانی یافته است. این پدیده در بسیاری از دشت های ایران با بهره برداری بیش از حد از منابع آب زیرزمینی رخ داده است. نرخ و الگوهای مکانی فرونشست در طول زمان قابل تغییر است. بنابراین اندازه گیری دقیق و استفاده از ابزارهای پیشبینی جهت پایش و مطالعه آن لازم است. استفاده از تصاویر رادرای (روش تداخل‌سنجی راداری) یکی از ابزارهای جدید و قدرتمند در تعیین میزان فرونشست زمین است. این روش به عنوان راهکاری مناسب و کم‌هزینه در مناطقی که فاقد زیرساخت‌های ترازیابی هستند، بسیار کارآمد و مفید عمل می‌کند. در واقع، این تکنیک با ارائه تصاویر ماهواره‌ای با دقت بالا، امکان رصد و پایش پدیده مخرب فرونشست را فراهم می‌سازد و نقشی حیاتی در مدیریت و کنترل فرونشست زمین ایفا کند.  با توجه به اینکه میزان برداشت آب زیرزمینی به شدت بر میزان و توزیع فرونشست تأثیر میگذارند. این پژوهش با هدف پایش فرونشست سالانه و ارزیابی ارتباط آن با تغییرات سطح آب زیرزمینی در آبخوان کرمانشاه انجام شده است. بدین منظور، روند زمانی فرونشست زمین و نوسانات سطح آبهای زیرزمینی در بازه زمانی یکسان مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است. مواد و روش ها در این پژوهش با بهره گیری از روش تداخل‌سنجی تفاضلی راداری به پایش و بررسی نرخ فرونشست زمین در آبخوان کرمانشاه پرداخته شد. بدین منظور از هفت سری تصاویر راداری سنتینل A-1 جهت بررسی نرخ فرونشست طی بازه زمانی 2015- 2021 استفاده شد. تحلیل تصاویر در محیط سیستم عامل ویندوز و با نرم‌افزار SNAP انجام گرفت. سپس به منظور برآورد میزان حداکثر افت سطح آب زیرزمینی آبخوان کرمانشاه از دادههای 38 حلقه چاه پیزومتری طی بازه زمانی مهرماه 2015-2021 استفاده شد. اطلاعات مربوط به موقعیت مکانی و میانگین سطح ایستابی چاههای مشاهدهای آبخوان وارد نرم‌افزارArcGIS شده و با استفاده از روش درونیابی IDW، نقشه‌های پهنهبندی تغییرات سطح آب زیرزمینی در منطقه مطالعاتی محاسبه شد. سپس با استفاده از نقشه‌های فرونشست زمین و تغییرات سطح آب زیرزمینی سالانه، نقشه میانگین نرخ هفت ساله فرونشست زمین و تغییرات سطح آب زیرزمینی تهیه شد. این نقشه‌ها به منظور تحلیل دقیق‌تر و جامع‌تر از روند تغییرات و تأثیرات متقابل بین نرخ فرونشست سالانه و تغییرات سطح آب زیرزمینی مورد استفاده قرار گرفتند. در پژوهش حاضر، ارتباط و همبستگی بین نرخ فرونشست سالانه با روند تغییرات سطح آب زیرزمینی، چه در بخش های شهری و کشاورزی و چه در کل محدوده آبخوان، مورد واکاوی و ارزیابی دقیق قرار گرفت. نتایج و بحث نتایج بررسی آبخوان کرمانشاه در بازه زمانی 2015 تا 2021، حاکی از نوسانات قابل توجه در نرخ فرونشست و تغییرات سطح آب زیرزمینی است. در سال‌های ابتدایی دوره مورد بررسی، نرخ فرونشست در محدوده پر تنش آبخوان به شدت افزایش یافت، به گونه ای که در سال‌های 2015-2016 این نرخ بین 6/5 تا 4/14‌-سانتی‌متر در سال متغیر بود. این میزان فرونشست هم‌زمان با افت بی‌سابقه سطح آب زیرزمینی تا حدود 6/12 متر در همان سال ها رخ داده است. با این حال، در سالهای 2016 تا 2021، روند رو به بهبودی در وضعیت آبخوان مشاهده شد، به طوری که نرخ فرونشست به 9/11‌- تا 2/6 سانتی‌متر در سال کاهش و تغیرات سطح آب نیز به 19/0- تا 8/11متر در سال محدود شئ. بررسی تفصیلی نشان می‌دهد که بخش‌های شمالی و غربی آبخوان بیشترین میزان فرونشست را با متوسط 4/3- تا 3/6- سانتی‌متر در سال تجربه کرده اند، در حالی که مناطق مرکزی و جنوبی با کاهش 0 تا 8/1- سانتی‌متر در سال مواجه بوده اند. همچنین، در اراضی کشاورزی شمال آبخوان، افت سطح آب زیرزمینی به میانگین 50 سانتی‌متر در سال رسیده است. تحلیل داده‌ها نشان داد که ضریب تعیین بین میانگین نرخ فرونشست و میانگین تغییرات سطح آب زیرزمینی در اراضی شهری و کشاورزی به ترتیب 13/0 و 07/0  و برای کل سطح آبخوان برابر با 08/0 بوده که نشان‌دهنده عدم همبستگی قوی بین این دو متغیر در هر دو کابری است. نتیجه گیری مطالعات تصاویر راداری آبخوان کرمانشاه طی بازه زمانی 2015 تا 2021 نشان می‌دهد که این منطقه با چالش‌های جدی مربوط به افت سطح آب زیرزمینی و فرونشست زمین مواجه بوده است. نتایج به دست آمده حاکی از روند کاهشی نرخ فرونشست از 4/14- سانتی‌متر در سال 2015-2016 به 9/11- سانتی‌متر در سال 2020-2021 است. همچنین بیشترین نرخ فرونشست در بخش‌های شمال غربی و غربی آبخوان مشاهده شده است. همزمان با کاهش نرخ فرونشست، سطح آب زیرزمینی نیز روند نزولی داشته به طوری که بیشترین افت سطح آب 6/12- متر در سال 2015-2016 و کمترین آن 19/0- متر در سال 2019-2020 ثبت شده است. حداکثر افت سطح آب زیرزمینی در بخش‌های مرکزی و شمالی آبخوان و کمترین آن در بخش‌های جنوبی و شهری بوده است. با این حال، همبستگی بین میانگین نرخ فرونشست و تغییرات سطح آب زیرزمینی در اراضی شهری و کشاورزی پایین بوده است. تجزیه و تحلیل نتایج نشان می‌دهد که عوامل مختلفی از جمله گسل، جنس و ضخامت آبخوان و تغییرات سطح آب زیرزمینی در دهه‌های گذشته میتواند در فرونشست آبخوان کرمانشاه نقش داشته‌ باشد. تفاوت در روند تغییرات نرخ فرونشست و افت سطح آب زیرزمینی در مناطق مختلف آبخوان نیز حاکی از پیچیدگی این مسئله است. پژوهش حاضر با هدف ارائه دیدگاهی جامع و علمی از تغییرات سطحی و زیرزمینی آبخوان کرمانشاه انجام شده است. نتایج حاصل از این مطالعه می‌تواند به تصمیم‌گیران برای برنامه‌ریزی‌های زیرساختی و توسعه‌ای منطقه و همچنین درک بهتر چالش‌های مدیریت آب زیرزمینی و ارائه راهکارهای مناسب برای کنترل پدیده فرونشست، یاری رساند. </div> <div style="text-align: justify;">Introduction Natural hazards cause significant human and financial losses worldwide each year. Land subsidence is one of these hazards, and its importance has increased in recent years due to the occurrence of droughts in cities, especially in metropolises. This phenomenon has occurred in many plains of Iran due to over-exploitation of groundwater resources. The rate and spatial patterns of subsidence can change over time. Therefore, accurate measurement and predictive tools for monitoring and studying it are necessary. Radar interferometry (InSAR) is one of the new and powerful tools for determining the extent of land subsidence. This method is very effective and useful as a suitable and cost-effective solution in areas lacking leveling infrastructure. In fact, by providing high-precision satellite images, this technique enables the monitoring of the destructive phenomenon of land subsidence and plays a vital role in managing and controlling land subsidence. Given that the amount of groundwater withdrawal strongly affects the extent and distribution of subsidence, this research aimed to monitor annual land subsidence and evaluate its relationship with changes in groundwater levels in the Kermanshah aquifer. For this purpose, the temporal trend of land subsidence and fluctuations in groundwater levels during the same period were investigated and analyzed. Materials and Methods In this research, the land subsidence rate in the Kermanshah aquifer was monitored and investigated using the Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar (DInSAR) method. For this purpose, seven series of Sentinel A-1 radar images were used to examine the subsidence rate during the 2015-2021 period. Image analysis was performed in the Windows operating system environment using the SNAP software. Then, to estimate the maximum groundwater level decline in the Kermanshah aquifer, data from 38 piezometric wells throughout October 2015-2021 were used. The spatial information and the average groundwater level of the observation wells were entered into the ArcGIS software, and groundwater level variation maps in the study area were calculated using the IDW interpolation method. Subsequently, using the land subsidence maps and the annual groundwater level changes, a map of the average seven-year land subsidence rate and groundwater level changes was prepared. These maps were used for a more detailed and comprehensive analysis of the trend of changes and the mutual effects between the annual subsidence rate and groundwater level changes. In the present study, the relationship and correlation between the annual subsidence rate and the groundwater level change trend, both in urban and agricultural areas and in the entire aquifer domain, were thoroughly investigated and evaluated. Results and Discussion The results of the Kermanshah aquifer study in the period 2015 to 2021 indicate significant fluctuations in the subsidence rate and changes in groundwater levels. In the early years of the study period, the subsidence rate in the stress-prone areas of the aquifer increased sharply, so that in 2015-2016 this rate ranged from 5.6 to -14.4 cm/year. This amount of subsidence occurred simultaneously with an unprecedented decline in groundwater levels of up to 12.6 meters during the same year.However, from 2016 to 2021, a trend of improvement in the aquifer's condition was observed, so that the subsidence rate decreased to 6.2 to -11.9 cm/year, and the groundwater level changes were limited to -0.19 to 11.8 meters per year. Detailed examination shows that the northern and western parts of the aquifer experienced the highest subsidence rates, averaging -3.4 to -6.3 cm/year, while the central and southern regions faced a decrease of 0 to -1.8 cm/year. Additionally, in the agricultural lands in the north of the aquifer, the groundwater level decline reached an average of 50 cm per year. Data analysis showed that the coefficient of determination between the average subsidence rate and the average groundwater level changes in urban and agricultural lands were 0.13 and 0.074, respectively, and for the entire aquifer area, it was 0.082, indicating a lack of strong correlation between these two variables in both land uses. Conclusion Radar imagery studies of the Kermanshah aquifer from 2015 to 2021 have revealed serious challenges related to declining groundwater levels and land subsidence. The results show a decreasing trend in the subsidence rate, from -14.4 cm/year in 2015-2016 to -11.9 cm/year in 2020-2021, with the highest rates observed in the northwestern and western parts of the aquifer. Concurrently, groundwater levels declined, with a maximum drop of -12.6 m recorded in 2015-2016 and a minimum of -0.19 m in 2019-2020. The maximum groundwater level decline was seen in the central and northern parts, while the southern and urban areas experienced the least decline. However, the correlation between subsidence rates and groundwater changes in urban and agricultural areas was low, suggesting that various factors, including faults, aquifer characteristics, and past groundwater changes, may have contributed to the land subsidence. The differences in the trends of subsidence and groundwater decline across the aquifer indicate the complexity of the issue. The study aims to provide a comprehensive understanding of the surface and subsurface changes in the Kermanshah aquifer. The findings can assist decision-makers in infrastructure and regional development planning, as well as in better managing groundwater challenges and addressing the land subsidence phenomenon through appropriate solutions. The present study provides valuable insights into the hydrogeological dynamics of the Kermanshah aquifer, which can help policymakers and water resource managers develop effective strategies to mitigate the impacts of groundwater depletion and land subsidence in the region.</div> تصاویر Sentinel1-A, مدیریت منابع آب, مدل معکوس وزنی فاصله‌ای, نرم‌افزارSNAP Sentinel-1A images, Interferometry, Inverse distance weighted (IDW) model, Water Resources Management SNAP software 31 43 http://jwmsei.ir/browse.php?a_code=A-10-1637-1&slc_lang=fa&sid=1 mohsen kazemi محسن کاظمی kazemi.m@ut.ac.ir 100319475328460018933 100319475328460018933 No University of Tehran دانشگاه تهران Hassan khosravi حسن خسروی hakhosravi@ut.ac.ir 100319475328460018934 100319475328460018934 No University of Tehran دانشگاه تهران Ali Salajegheh علی سلاجقه salajegh@ut.ac.ir 100319475328460018935 100319475328460018935 Yes University of Tehran دانشگاه تهران Shahram Khalighi Sigaroodi شهرام خلیقی سیگارودی khalighi@ut.ac.ir 100319475328460018936 100319475328460018936 No University of Tehran دانشگاه تهران Shirin Mohammadkhan شیرین محمدخان mohamadkh@ut.ac.ir 100319475328460018937 100319475328460018937 No University of Tehran دانشگاه تهران