پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی

پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی

ارزیابی ریسک فرونشست زمین در اثر کاهش سطح آب زیرزمینی(مطالعه موردی: حوضه ماهیدشت)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه جغرافیا، دانشکده ادبیات و علوم انسانی ، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران.
10.22034/gmpj.2025.542279.1576
چکیده
.

فرونشست زمین یکی از مهم‌ترین مخاطرات ژئومورفولوژیک در مناطق خشک و نیمه‌خشک است که معمولاً در اثر فشردگی لایه‌های زیرسطحی ناشی از افت فشار آبخوان‌ها و بهره‌برداری بی‌رویه از منابع آب زیرزمینی رخ می‌دهد. این پدیده با ایجاد تغییر شکل سطح زمین، آسیب به زیرساخت‌ها، کاهش ظرفیت ذخیره‌سازی آبخوان‌ها و تهدید پایداری محیط‌زیست، به یکی از چالش‌های جدی در مدیریت منابع آب تبدیل شده است. هدف این پژوهش، بررسی فرونشست زمین در دشت ماهیدشت با تمرکز بر نقش افت سطح آب زیرزمینی و ارتباط آن با فرونشست سطح زمین بود. در این مطالعه، داده‌های پیزومتری چاه‌های مشاهده‌ای در بازه زمانی ۱۳۹۶ تا ۱۴۰۱ با تصاویر راداری Sentinel-1 و تکنیک تداخل‌سنجی راداری (InSAR) تلفیق شد تا تغییرات مکانی و زمانی نشست زمین تحلیل گردد. نتایج نشان داد سطح ایستابی طی دوره مورد مطالعه حدود ۷ متر کاهش یافته است و تحلیل‌های InSAR نرخ فرونشست سالانه بین ۳ تا ۱۴ سانتی‌متر را نشان می‌دهد که بیشترین مقدار در نواحی مرکزی و شمال‌غربی دشت مشاهده شد. هم‌پوشانی فضایی داده‌های سطح آب زیرزمینی و فرونشست، همبستگی مستقیم میان افت آبخوان و شدت نشست زمین را تأیید می‌کند. یافته‌ها همچنین بیانگر آن است که بخش اعظم فرونشست ناشی از برداشت بیش از حد منابع آب زیرزمینی و فشردگی رسوبات آبرفتی است و ویژگی‌های زمین‌شناسی محلی نیز در شدت‌گیری فرونشست مؤثر هستند. این نتایج بر ضرورت پایش مستمر، بهره‌گیری از فناوری‌های نوین سنجش از دور و اجرای راهبردهای مدیریتی مؤثر برای کنترل برداشت آب زیرزمینی و کاهش مخاطرات فرونشست زمین تأکید دارند و می‌توانند به برنامه‌ریزی بهتر مدیریت منابع آب و کاهش آسیب‌های زیست‌محیطی کمک کنند
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Land subsidence risk assessment due to groundwater level reduction (Case study: Mahidasht Basin)

نویسندگان English

negar fatahi
behzad miladi
Department of Geography, Faculty of Economics, Faculty of Literature and Humanities, Razi University, Kermanshah, Iran.
چکیده English

Land subsidence is increasingly recognized as one of the most significant geomorphological hazards in arid and semi-arid regions worldwide, primarily driven by the compaction of subsurface layers resulting from excessive groundwater extraction and the overexploitation of aquifers. This phenomenon presents substantial challenges to sustainable water resource management and environmental protection, as it leads to deformation of the ground surface, structural damage to infrastructure, reduction in aquifer storage capacity, disruption of natural drainage systems, and threats to ecological stability. Understanding the mechanisms, spatial distribution, and temporal trends of subsidence is essential for developing effective mitigation strategies and ensuring long-term water security in vulnerable regions.



The present study investigates land subsidence in the Mahidasht plain, with a particular focus on the role of declining groundwater levels as a primary driver of surface deformation. To achieve this, piezometric data collected from observation wells over a six-year period (2017–2022) were integrated with high-resolution Sentinel-1 radar imagery and the Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) technique. This combination enabled a comprehensive spatiotemporal analysis of subsidence patterns and allowed for precise quantification of both the magnitude and rate of surface settlement across the plain. Results indicate a substantial decrease in groundwater levels, with the piezometric surface dropping by approximately seven meters during the study period. The InSAR analysis revealed annual subsidence rates ranging from 3 to 14 centimeters, with the highest rates observed in the central and northwestern areas of the plain. Spatial correlation analysis further demonstrated a strong, direct relationship between groundwater depletion and the intensity of land subsidence, confirming that anthropogenic groundwater withdrawal is the dominant factor driving surface deformation in the region.



Further investigations suggest that geological and hydrogeological conditions, such as sediment composition and the thickness of unconsolidated alluvial layers, modulate the severity and spatial variability of subsidence. Regions characterized by loose, unconsolidated sediments exhibited higher susceptibility to settlement, whereas areas underlain by more consolidated deposits or bedrock experienced comparatively lower rates of subsidence. The observed patterns indicate that areas subject to intensive groundwater extraction are particularly vulnerable, and without proper management interventions, continued subsidence could exacerbate structural and environmental risks. Beyond direct impacts on infrastructure, subsidence also has significant environmental and socio-economic consequences, including disruption of natural drainage patterns, increased flooding risk, soil degradation, decreased agricultural productivity, and long-term ecological imbalance.



The study highlights the effectiveness of integrating remote sensing technologies, such as InSAR, with ground-based hydrogeological measurements for monitoring land deformation over time. This integrated approach not only provides a detailed understanding of the magnitude and distribution of subsidence but also offers a valuable tool for identifying high-risk zones, evaluating temporal trends, and informing decision-making processes related to urban development, infrastructure planning, and water resource management. Continuous monitoring using advanced remote sensing techniques is critical for early detection of emerging subsidence hotspots and for the implementation of timely mitigation strategies.



The findings emphasize the necessity of adopting sustainable groundwater management practices to reduce subsidence rates and mitigate associated risks. Potential interventions include controlled and regulated groundwater extraction, artificial recharge of aquifers, soil compaction management, land-use planning, and the establishment of protective policies for critical infrastructure. In addition, the development of early-warning systems, risk maps, and adaptive management frameworks can facilitate proactive responses and prioritization of interventions in areas most affected by subsidence. The results underscore that a multidisciplinary approach combining hydrogeology, remote sensing, geotechnical analysis, and environmental management is essential for addressing the complex challenges posed by land subsidence in semi-arid regions.



In conclusion, land subsidence in the Mahidasht plain is predominantly driven by anthropogenic activities, particularly excessive groundwater extraction, while geological characteristics influence the severity and spatial distribution of the phenomenon. The integration of InSAR with piezometric measurements provides a robust methodology for detecting, quantifying, and mapping subsidence patterns, offering critical insights for policymakers, water resource managers, engineers, and environmental planners. The study reinforces the importance of sustainable groundwater management, continuous monitoring, and the application of advanced remote sensing technologies to mitigate subsidence risks. Furthermore, the implications of this research extend beyond the Mahidasht plain, offering valuable lessons for other semi-arid regions around the world facing similar challenges of water scarcity, intensive groundwater use, and land subsidence. By understanding the mechanisms, drivers, and consequences of subsidence, decision-makers can implement more effective, evidence-based strategies to protect infrastructure, maintain agricultural productivity, preserve ecological systems, and enhance the resilience of human and natural systems to ongoing environmental change.



Ultimately, this study demonstrates that proactive, integrated management of groundwater resources, combined with cutting-edge monitoring technologies, is critical for reducing land subsidence, safeguarding environmental and socio-economic assets, and promoting sustainable development in arid and semi-arid regions globally. The findings contribute to a deeper scientific understanding of subsidence processes, provide a foundation for policy development, and emphasize the need for coordinated efforts between scientists, planners, and decision-makers to ensure the long-term sustainability and resilience of vulnerable landscapes.

کلیدواژه‌ها English

Subsidence
groundwater
radar interferometry technique
piezometer
Mahidasht
آمیغ‌پی، م.، عربی، س.، و طالبی، ع. (۱۳۸۹). بررسی فرونشست یزد با استفاده از روش تداخل‌سنجی راداری و ترازیابی دقیق. فصلنامه علوم زمین، 20(77)، 157-164
بابایی، م.، شریفی‌کیا، م.، و همکاران. (۱۳۹۴). بررسی نرخ فرونشست دشت قزوین با استفاده از تحلیل سری‌زمانی تصاویر راداری و روش‌های SBAS و PS. مجله علوم زمین، 46(1)، 1-23
خالدی، ش(1390) بلایای طبیعی. تهران: انتشارات دانشگاه شهید بهشتی.
رجبی، م.، روستایی، ش.، و مطاعی، س. (۱۴۰۳). ارزیابی خطر فرونشست زمین در دشت کرمانشاه با استفاده از سنجش از دور و GIS. نشریه ژئومورفولوژی دانشگاه تبریز، 28(88)، 308-328
رنجبر، م.، و جعفری، ح. (۱۳۸۸). بررسی فرونشست زمین و تأثیر فعالیت‌های انسانی بر آن. تهران: مرکز تحقیقات منابع آب و زمین‌شناسی.
زنگنه‌تبار، س.، احمدی، ن.، و رضایی، م. (۱۴۰۴). شناسایی تأثیرات فرونشست زمین بر پل‌های جاده‌ای جنوب غرب تهران با استفاده از PS-InSAR. نشریه زمین‌شناسی مهندسی دانشگاه تهران، 29(1)، 21-35
صالحی، ر.، غفوری، م.، لشکری‌پور، غ.، و دهقانی، م. (۱۳۹۱). بررسی فرونشست دشت مهیار جنوبی با استفاده از روش تداخل‌سنجی راداری. فصلنامه مهندسی آبیاری و آب ایران، 20(11)، 45-60
طرح نواندیشان(1381) گزارش مطالعات اقلیمی حوضه آبریز مرگ. گزارش فنی ارائه شده به شرکت آب منطقه‌ای فارس.
عطایی، م. (۱۳۹۰). پیامدها و اثرات فرونشست زمین بر محیط زیست و زیرساخت‌ها. مجله علوم زمین و محیط زیست ایران، 5(1)، 45-60
علایی طالقانی، م(1382) ژئومورفولوژی ایران چاپ دوم. تهران: انتشارات قومس.
علیجانی، ب (1378) اقلیم‌شناسی ایران. تهران: انتشارات سمت.
مهندسین مشاور تام(1382) گزارش مطالعات زمین‌شناسی و هیدروژئولوژی دشت ماهیدشت. کرمانشاه: شرکت آب منطقه‌ای کرمانشاه.
میراثی، ع. (۱۳۹۱). بررسی مسائل اقتصادی و اجتماعی پدیده نشست زمین ناشی از بهره‌برداری بی‌رویه از آب‌های زیرزمینی در رفسنجان. فصلنامه جغرافیا و برنامه‌ریزی شهری، 24(4)، 55-70
میرشاهی، ف.، السادات، ع.، عربی، س.، طالبی، ع.، دهقانی، م.، و هاشمی‌امین‌آبادی، س.ج. (۱۳۹۲). اندازه‌گیری فرونشست سطح زمین با تکنیک InSAR و تصاویر TerraSAR-X. پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تهران.
Chaussard, E., Wdowinski, S., Cabral-Cano, E., & Amelung, F. (2014). Land subsidence in central Mexico detected by InSAR. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 119(8), 7948–7961. . https://doi.org/10.1002/2014JB011377
Ferretti, A., Prati, C., & Rocca, F. (2007). InSAR principles: Guidelines for SAR interferometry processing and interpretation. ESA.
Gorelick, S. M., Erban, L. E., & Gorlach, S. (2014). Groundwater extraction, land subsidence, and sea-level rise in the Mekong Delta. Environmental Research Letters, 9(8), 084010.
Gumilar, I. (2011). Study on causes and impacts of land subsidence in Bandung Basin, Indonesia. FIG Working Week, Marrakech.
Hyman, J. S., Riel, B. K., & Sammis, C. G. (2015). Spatiotemporal analysis of land subsidence in the Gippsland Basin, Australia. Remote Sensing of Environment, 165, 1–13.
Kim, J., Luo, Z., Jia, Y., & Shum, C.-K. (2015). Long-term land subsidence in Tucson, Arizona. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 107, 126–141.
Labisa, B. F., Abidin, H. Z., Andreas, H., Meilano, I., & Sarah, D. A. (2011). Land subsidence in Semarang (Indonesia) as determined from GPS surveys.
Martakis, P. (2009). Groundwater level decline and associated land subsidence in the Messara Valley, Crete. Environmental Geology, 58(1), 163–172.
Pedretti, D., Wang, Y., & Liu, Z. (2024). Urban subsidence trends in 143 coastal cities: A global InSAR analysis. Environmental Geoscience, 31(2), 101–118.
Raspini, F., Ciampalini, A., Bianchini, S., Bardi, F., Huber, M., & Moretti, S. (2022). Ground deformation monitoring using Sentinel-1 SAR data. Remote Sensing of Environment, 274, 112982.
Tung, C.-P., & Hu, J.-C. (2012). Assessments of anthropogenic land subsidence in Taiwan by PS-InSAR. Remote Sensing of Environment, 124, 1–12.
USGS. (2017). Land subsidence: Causes, consequences, and monitoring. U.S. Geological Survey Fact Sheet, FS-165-97. https://pubs.usgs.gov/fs/fs165-97/
Veci, L. (2016). TOPS interferometry tutorial. ESA & Array Systems Computing. http://www.array.ca
Wang, G. Y. (2008). Long-term land subsidence and strata compression in Changzhou, China. Engineering Geology, 72–89.
Zhang, Y., Liu, H., & Chen, X. (2024). GeoTemporal modeling of urban subsidence using SBAS-InSAR: Case study from Tehran. Remote Sensing of Environment, 312, 113–129. https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.113129
Zoback, M. D., McEvilly, T. V., & Hickman, S. H. (1999). Crustal structure and seismicity of the San Andreas fault system. AGU Fall Meeting, San Francisco.