مدل‌سازی فرونشست در نصف‌جهان

به گزارش خبرگزاری ایمنا، زمین از لایه‌های متعددی همچون شنی و رسی تشکیل شده و بین این لایه‌ها سفره‌های آب زیرزمینی قرار گرفته است. با توجه به نیروی گرانش زمین این لایه‌ها روی هم محکم فشرده شده‌اند و ضعف هر کدام موجب فشار به سایر بخش‌ها و اتفاقات مختلفی خواهد شد.

یکی از مهم‌ترین و در دسترس‌ترین منبع آبی برای هر نقطه از کشور، سفره‌های آب زیرزمینی است؛ این منابع محدود، از طریق جذب نزولات آسمانی تأمین می‌شود و برداشت از آن با استفاده از چاه‌ها، قنوات و چشمه‌ها است.

احداث تعداد بسیار زیادی چاه عمیق در چند دهه اخیر موجب شده است که مصارف آب سفره‌های آب زیرزمینی بسیار بیشتر از منابع آن باشد، بنابراین سطح آبخوان در طول سال‌های اخیر همواره کاهشی بوده است.

با کاهش سطح سفره‌های آب زیرزمینی شرایط متفاوتی برای سایر لایه‌های خاک اتفاق می‌افتد و با سست شدن لایه‌ها، پدیده فرونشست رخ می‌دهد؛ این پدیده طبیعی موجب می‌شود که سطح زمین در ابعاد مختلفی از دشت تا پهنه دچار کاهش شود که به دلیل شرایط متفاوت نقطه به نقطه، حوادث ناگزیری برای ابنیه مختلف و زیرساخت‌ها به‌وجود می‌آورد.

طبق آمار موجود اصفهان اگر بالاترین نرخ فرونشست را در کشور نداشته باشد، حداقل یکی از دشت‌های با فرونشست بالا است که این اتفاق بیشتر به دلیل حفر چاه‌ها بر پیکره کم‌جان دشت‌های اصفهان-برخوار و مهیار است؛ همچنین تأمین نشدن حقابه بخش‌های مختلف زاینده‌رود نیز مزید بر علت شد تا این مشکل بیشتر شود.

البته تمام این موارد به‌صورت تجربی مشخص شده است و نیازمند پژوهشی است که مطمئن شویم چه زمانی، چه مقداری و در چه مساحتی فرونشست اصفهان را تهدید می‌کند.

در همین رابطه شهرداری اصفهان یک طرح پژوهشی برای مدل‌سازی فرونشست در نصف‌جهان داشته که به‌تازگی نتیجه آن اعلام شده است.

آنچه در ادامه می‌خوانید، حاصل گفت‌وگوی خبرنگار ایمنا با وحید مهدویان، معاون شهرسازی و معماری شهردار اصفهان در رابطه با پروژه مدل‌سازی فرونشست شهر اصفهان است.

استفاده از آمار چاه‌های پیزومتری برای بررسی سطح آب‌های زیرزمینی

ایمنا: تدوین طرح مدل‌سازی فرونشست شهر اصفهان، چه نتایجی را رقم می‌زند؟

مهدویان: پروژه بررسی و مدل‌سازی فرونشست شهر اصفهان در ۲۲ بند و هشت گزارش تهیه شده است که در فاز نخست این پروژه، مطالعات پیشین در این ناحیه مورد بررسی قرار گرفت و داده‌های مرتبط با آن جمع‌آوری شد.

مطالعات پیشین نشان می‌دهد که عمده رخدادهای فرونشست زمین در ایران، در اثر افت شدید سطح ایستابی ناشی از برداشت بیش از حد مجاز از منابع آب زیرزمینی است؛ سازمان‌های نقشه‎برداری کشور و زمین‎‌شناسی و اکتشافات معدنی و مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، به‌عنوان سازمان‌های دولتی در این حوزه، مطالعاتی را به سرانجام رسانده‌اند.

سازمان نقشه‌برداری به‌عنوان متولی تولید اطلس‌های فرونشست در کشور، تاکنون دو اطلس برای اصفهان در سال‌های ۱۳۹۷ و ۱۳۹۸ منتشر کرده است؛ مطالعه سازمان زمین‌شناسی با شبکه GPS بیشترین مقدار نرخ نشست را در بین سایر مطالعات نشان می‌دهد که برابر با ۱۸.۸ سانتی‌متر در سال است.

همچنین کمترین مقدار بین بیشینه نرخ سالانه نشست مربوط به مطالعه (مهرابی و همکاران) در سال ۲۰۲۱ است که عدد ۶.۷ سانتی‌متر در سال با روش تداخل‎‌سنجی راداری محاسبه شده است و می‌توان گفت که به‌طور تقریبی در تمام مطالعات قبلی، شمال شهر اصفهان متحمل مقادیر بیشتری از نشست زمین بوده است.

صنایع مهم فولاد، پالایش نفت و سیمان در حاشیه زاینده‌رود قرار گرفته که به همراه صنایع کوچک‌تر برای حدود ۳۰۰ هزار نفر اشتغال ایجاد کرده است؛ همچنین این رودخانه، آب شرب مناطقی در خارج حوضه را در استان‌های یزد، اصفهان و چهارمحال و بختیاری تأمین می‌کند.

حوضه آبریز زاینده‌رود از گذشته تاکنون درگیر کمبود آب بوده است، اما مداخلات چند دهه اخیر موجب شده است کمبود آب به خشکی‌های مستمر بستر زاینده‌رود و تالاب گاوخونی تبدیل شود.

تأمین‌کننده اصلی آب رودخانه زاینده‌رود، کوه‌های استان چهارمحال‌وبختیاری است، در حالی که عمده وسعت، جمعیت و فعالیت‌های اقتصادی وابسته به زاینده‌رود در استان اصفهان قرار دارد.

در راستای بررسی سطح آب‌های زیرزمینی در محدوده شهر اصفهان و دشت اصفهان‏-برخوار، از آمار چاه‌های پیزومتری (پیزومتر چاهی به قطر ۱۰ تا ۲۰ سانتی‌متر است که داخل آن جدار فلزی یا پلاستیکی به قطر ۵ تا ۱۵ سانتیمتر قرار داده شده است.) استفاده شد که از آمار پنج چاه شامل امین‌آباد، یونارت، خاتون‌آباد، پل سرهنگ و تقاطع اتوبان خورزوق در یک دوره ۱۷ ساله به منظور بررسی تغییرات استفاده شد.

ایمنا: تراز این آب‌ها چقدر بوده است؟

مهدویان: بر اساس هیدروگراف‌های به‌دست‌آمده، کاهش تراز سطح آب طی دوره ۱۷ ساله در چاه امین‌آباد، پل سرهنگ، پل خورزوق، خاتون‌آباد و یونارت به ترتیب ۲۰.۴، ۷.۷، ۵.۸، ۹.۲ و ۷.۹ متر است.

متوسط افت درازمدت سطح آب بین سال‌های ۱۳۸۱ تا ۱۳۹۷ در محدوده دشت اصفهان-برخوار ۰.۴۸ متر بوده است که زمان تخلیه کامل آبخوان اصفهان-برخوار بر مبنای مقدار ضریب ویژه متوسط ۰.۰۴۱۵ و با لحاظ کردن متوسط میزان تخلیه که برابر با ۴۴۷.۶ میلیون متر مکعب است، سال ۱۴۱۰ خواهد بود.

همچنین به‌منظور مطالعه فرونشست زمین با استفاده از تصاویر سنجنده سنتینل، از دو روش اثبات شده و قابل اعتماد به نام‌های «PSInSAR» و «SBAS» استفاده شده است.

پردازش‌های PSInSAR در محدوده شهری اصفهان و روش SBAS برای مطالعه جابه‌جایی در حوزه آبخوان دشت اصفهان انجام شده است که برای پردازش‌های PSInSAR از سه مجموعه داده بین تاریخ‌های ۲۰۱۵ تا ۲۰۱۶، ۲۰۱۷ تا ۲۰۱۸ و ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۱ در ترک صعودی استفاده شده است.

نتایج حاصل از روش PSInSAR نشان می‌دهد مناطق وسیعی از محدوده‌ی پردازشی دچار فرونشست شده و اغلب در سال‌های اخیر فرونشست بیشینه ۱۰ تا ۱۱ سانتی‌متر در منطقه وسیعی گسترده شده است که گاهی میزان نرخ فرونشست به ۱۶ سانتی‌متر در سال نیز می‌رسد، البته محدوده آبخوان دشت اصفهان با استفاده از سه مسیر جداگانه پردازش شده است.

نتایج روش SBAS از ابتدای سال ۲۰۱۹ تا پایان سال ۲۰۲۱ نرخ جابه‌جایی را در حدود ۱۲ سانتی‌متر در سال را نشان می‌دهد؛ در گزارش هفتم این پروژه مدل‌سازی، استخراج سرعت و میزان نشست شرح داده شده است و گمانه‌های موجود اطلاعاتی از جمله جنس خاک، بعضی خصوصیات خاک از جمله چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی خاک، عدد تست نفوذ استاندارد و گاهی پارامترهایی همچون وزن مخصوص و خواص برشی خاک را برای مدل‌سازی فراهم می‌کنند.

ایمنا: برنامه عملیاتی برای مقابله با فرونشست در اصفهان داریم؟

مهدویان: ابتدا مدل زمین‌شناسی با استفاده از نرم‌افزار «راک‌ورکس» که از الگوریتم‌های رایج درون‌یابی استفاده می‌کند، ساخته شد و پس از آن مقاطعی دوبعدی در محدوده‌های مختلف زده شد و یکی از مقاطع برای ساخت مدل عددی انتخاب شد؛ لازم بود تا مدل ساخته‌شده تا حد امکان ساده باشد تا قابلیت تعمیم به محدوده وسیعی را داشته باشد.

اطلاعات تراز آب که از مطالعات هیدرولوژی محدوده در دسترس بود در مدل گزارش هفتم به کار گرفته شد و تغییرات فرونشست ناشی از آن مورد بررسی قرار گرفت.

میزان تأخیری که پس از تغییر تراز آب نیاز است تا فرونشست حاصل از آن به سطح زمین برسد، با بررسی داده‌های فرونشست ثبت شده در سال‌های مختلف و مقایسه آن با تغییرات تراز آب، به دست می‌آید که با بررسی داده‌ها در محدوده آبخوان اصفهان این بازه بین سه تا پنج سال به دست می‌آید.

همچنین مدل‌سازی به روش عددی اجزا محدود صورت گرفت که برای مدل‌سازی از نرم‌افزار پلکسیس دوبعدی استفاده شده و با مدل‌سازی‌های انجام شده، مشخص شد حداکثر مقدار نشست ایجاد شده در مدل برابر ۶۵ میلی‌متر است.

این نتایج مربوط به تغییرات ثبت شده در دوره‌های گذشته است و با تغییر الگوی افت آب و تغییر شرایط زیرسطحی امکان تغییر آن وجود دارد، در نهایت با در نظر گرفتن میانگین یک متر افت در سال، مدل برای ۵، ۷ و ۱۰ متر افت در همین زمان ساخته شد تا پیش‌بینی وضعیت نشست در سال‌های آتی به دست آید.

شرح خدمات پیشنهادی برای طراحی برنامه عملیاتی مقابله با فرونشست در شهر اصفهان آماده شده است

نمودار فرونشست ابتدا و انتهای پروفیل از سال ۱۳۹۴ تا ۱۴۱۰ بر اساس پیش‌بینی مدل ساخته شد و در گزارش نهایی راهکارهای پیشنهادی برای مقابله با پدیده فرونشست ارائه شده است که این راهکارها در دو رویکرد به کاهش فرونشست و کاهش آسیب‌پذیری سازه‌ها و شریان‌های حیاتی در اثر فرونشست می‌پردازد.

شرح خدمات پیشنهادی برای طراحی یک برنامه عملیاتی مقابله با فرونشست در شهر اصفهان نیز آماده شده است که این شرح خدمات در پنج گام از شناخت وضع موجود تا پیاده‌سازی راهکارها، تصویر دقیقی از آنچه در ادامه باید برای مقابله با فرونشست در شهر اصفهان انجام شود، به دست آمده است و دو سطح بلندمدت و کوتاه‌مدت را در برگرفته است.

گزارش مرحله چهارم این پروژه مدل‌سازی در راستای مدل‌سازی ژئوتکنیکی، تهیه نقشه زمین‌شناسی، تکمیل چاه‌های مشاهده‌ای و تحلیل‌های ساختاری دشت اصفهان تهیه شده است که به‌منظور تهیه مدل ژئوتکنیکی، حدود ۴۰۰ گمانه از شرکت‌های مشاور ژئوتکنیکی، گمانه‌های شرکت متروی شهر اصفهان و چاه‌های معتبر شرکت آب منطقه‌ای اصفهان بررسی شد.

مدل سه‌بعدی ژئوتکنیکی به‌همراه مقاطع عرضی در سراسر دشت تهیه شد، همچنین برای تهیه و اصلاح نقشه زمین‌شناسی سطحی، از نقشه‌های موجود و عمق سطحی گمانه‌های اکتشافی استفاده شد، بنابراین با توجه به مدل سه‌بعدی، مقاطع عرضی و نقشه‌های تهیه شده، تصویری به‌روز از تغییرات زیرسطحی، عمق سنگ بستر و تغییرات لیتولوژیکی سطحی به‌دست آمد.

ایمنا: آیا ریسک پدیده فرونشست سنجیده شده است؟

مهدویان: همچنین به‌منظور ترسیم دید اولیه از سطح آب‌های زیرزمینی، این لایه مهم اطلاعاتی با استفاده از عمق آب گمانه‌های اکتشافی مدل شد که در ادامه بر اساس پیزومترهای موجود یک شبکه بهینه با استفاده از روش تلفیق اطلاعات در GIS تهیه و محل پیزومترهای جدید برای پایش آبخوان اصفهان‏-برخوار پیشنهاد شد.

یکی از موضوعات مهم در شناخت آبخوان اصفهان‏-برخوار، بررسی ارتباط ساختارهای گسلی با آبخوان و پهنه‌های درگیر فرونشست است که این مهم با استخراج گسل‌ها از منابع معتبر موجود و تدقیق آن‌ها با استفاده از نقشه‌های توپوگرافی ارتفاعی و تصاویر ماهواره‌ای انجام شد و خروجی این مطالعه نشان داد که ساختارها ارتباط خوبی با پهنه‌های تحت تأثیر فرونشست در دشت اصفهان و دشت مهیار دارند.

گزارش ششم به محاسبه ریسک فرونشست می‌پردازد که ابتدا لایه‌های اطلاعاتی مهم با دارا بودن همبستگی احتمالی با پدیده فرونشست در دشت اصفهان-برخوار مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت، به این ترتیب تغییرات سطح آب زیرزمینی به عنوان عامل اصلی نشست و تغییر الگوی مکانی فرونشست معرفی شد.

در رده بعدی توپوگرافی سنگ بستر و بعد از آن جنس لایه‌های زمین‌شناسی در عمق به عنوان تأثیرگذارترین عوامل زمین شناختی بر فرونشست معرفی شدند؛ برای بررسی ارتباط لیتولوژی زیرسطحی با پدیده فرونشست نقشه‌ای از تغییرات عمق تا ۴۰ متری زمین تهیه و سپس میزان همبستگی در محیط GIS محاسبه شد.

با توجه به اهمیت عقبه تاریخی نصف‌جهان و وجود ابنیه مهمی در این شهر، طرح پایش دقیق‌تر میزان فرونشست با یک شبکه فشرده‌تر از شبکه موجود طراحی شد. با استفاده از داده‌های موجود و در محیط جی‌ای‌اس لایه‌های تأثیرگذار تلفیق و یک شبکه ۳۰ ایستگاهی علاوه بر شبکه ۲۳ ایستگاهی موجود در نزدیکی چاه‌های پیزومتریک و مناطق با خطر فرونشست بالا طراحی شد و در نهایت بر اساس نوع ابنیه و سازه‌های موجود در شهر، مناطق پانزده‌گانه شهرداری با ریسک‌های مختلف رده‌بندی شدند.