پمپاژ شدید آب زیرزمینی که قبلاً به طور کامل شناخته نشده بود، عامل تخریب سفره های زیرزمینی و فرونشست زمین در ایران است. ما از یک بررسی ماهواره ای با وضوح 100 متر از سال 2014 تا 2020 برای ارزیابی پیامدهای اخیر استفاده از آب های زیرزمینی در سراسر کشور استفاده می کنیم. نتایج نشان می دهد که تقریباً 56000 کیلومتر مربع (3.5٪) از مساحت کشور در معرض فرونشست زمین است که عمدتاً به آبیاری مرتبط است. 3000 کیلومتر مربع از این منطقه نرخ فرونشست بیش از 10 سانتی متر در سال را تجربه می کند. حوضه آبریز فلات مرکزی میزبان دو سوم سفره‌های آب‌های رو به کاهش کشور است و مکان‌هایی با نرخ بالاتر از 35 سانتی‌متر در سال فرو می‌روند. نتایج نشان می‌دهد که کاهش سالانه آب زیرزمینی 1.7 میلیارد متر مکعب (BCM) از سفره‌های زیرزمینی محدود و نیمه محدود، با تراکم غیرکشسانی طولانی‌مدت برای اکثر سفره‌ها تقریباً یک مرتبه بزرگ‌تر از پاسخ الاستیک فصلی آنها است. این امر بر از بین رفتن دائمی سفره های زیرزمینی تاکید می کند که پایداری منابع آب در سراسر ایران را به خطر می اندازد.

مقدمه

ایران، کشوری پهناور با مساحت 1.6 میلیون کیلومتر مربع با جمعیتی حدود 84 میلیون نفر، با بحران آب زیرزمینی قریب الوقوع با ابعاد بحرانی مواجه است. عوامل ترکیبی چهار برابر شدن جمعیت در شش دهه گذشته، صنعتی شدن سریع و کشاورزی گسترده فشار زیادی را بر منابع آبی ایران وارد کرده است. برای برآورده ساختن تقاضاهای فزاینده، استخراج ناپایدار از آب های زیرزمینی به یک هنجار تبدیل شده است، که منجر به یک مسیر دردسرساز کاهش منابع می شود. آب های زیرزمینی، راه نجاتی برای نزدیک به یک چهارم ساکنان ایران، به ویژه در مناطق خشک و نیمه خشک، اکنون با چالشی متناقض مواجه است. تقاضا برای آب زیرزمینی از ظرفیت تجدید آن فراتر رفته و تعادل ظریف چرخه آب طبیعی را مختل می کند. این تنش نافذ آب نه تنها جوامع را به خطر می اندازد، بلکه باعث ایجاد عدم تعادل اکولوژیکی می شود و نیاز به کاوش فوری در مورد پیامدهای چند وجهی کاهش آب های زیرزمینی دارد.

علیرغم نیاز فوری به تجزیه و تحلیل جامع و دقیق از آب های زیرزمینی، این تجزیه و تحلیل در مقیاس خوب وجود ندارد. در مقیاس بزرگ و با وضوح تقریبی، بحران آب زیرزمینی ایران به وضوح توسط یافته‌های گذشته مدل‌های آب زیرزمینی جهانی یا مشاهدات بازیابی جاذبه و آزمایش آب و هوا (GRACE) تأکید می‌شود. در سال 2000 تخمین زده شد که نزدیک به نیمی از کل برداشت آب زیرزمینی ایران ناپایدار است. علاوه بر این، اندازه‌گیری‌های چاه‌های آب زیرزمینی، نرخ کاهش نگران‌کننده سالانه تقریباً 5.7 میلیارد متر مکعب (BCM) را بین سال‌های 2002 و 2015 نشان داد، پدیده‌ای که توسط اندازه‌گیری‌های GRACE تأیید شده است که از دست دادن ذخیره آب در سراسر کشور را تشخیص می‌دهد. ادغام داده‌های GRACE در یک مدل هیدرولوژی جهانی این موضوع را بیشتر برجسته کرد و کاهش حدود 9 سانتی‌متری سطح آب‌های زیرزمینی را در طول دهه از 2002 تا 2012 نشان داد. تأثیر انباشته خیره کننده در این آمار ظاهر می شود که ایران در طول دو دهه گذشته تقریباً 34 ± 211 BCM از کل ذخیره آب خود را از دست داده است.

این ارقام واضح بر نیاز فوری به حل همه جانبه معضل آب های زیرزمینی ایران تاکید می کند. فراتر از حجم عظیم آب از دست رفته، عواقب آن بسیار گسترده است. کاهش منابع آب زیرزمینی بر بهره وری کشاورزی تأثیر می گذارد و امنیت غذایی ایران را تهدید می کند. صنایع وابسته به آب های زیرزمینی با عدم قطعیت و هزینه های فزاینده مواجه هستند. علاوه بر این، فرونشست زمین، که نتیجه مستقیم استخراج بیش از حد آب های زیرزمینی است، می تواند به زیرساخت های حیاتی از جمله جاده ها، ساختمان ها و خطوط لوله آسیب برساند. پیامدهای اجتماعی و اقتصادی غیرقابل انکار است و فوریت درک و کاهش این بحران را تشدید می کند.

فرونشست زمین، شاخص ملموسی از نابسامانی در سفره‌های زیرزمینی ایران است. زمانی اتفاق می‌افتد که برداشت بیش از حد آب منجر به افت هد هیدرولیکی می‌شود که باعث تراکم اسکلتی خاک عمدتاً در آکویتاردها می‌شود - لایه‌های کم نفوذ متشکل از دانه‌های ریز مانند خاک رس و سیلت. هنگامی که هد هیدرولیک به زیر سطح تاریخی خود یا سطح پیش تثبیت می رسد، تراکم غیرالاستیک و در نتیجه دائمی است. در مناطقی که شدیداً به آب‌های زیرزمینی وابسته هستند، مانند پایتخت تهران، مرکز کشاورزی رفسنجان، و شهر پرجمعیت مشهد، فرونشست زمین به دلیلی برای نگرانی تبدیل شده است که نشان‌دهنده یک بحران اساسی آب‌های زیرزمینی است.

در سال‌های اخیر، مطالعات کمی برای استفاده از رادار دهانه مصنوعی تداخل سنجی (InSAR) برای نقشه‌برداری یا پیش‌بینی فرونشست در مقیاس بزرگ در ایران انجام شده است. یکی از این مطالعات یک دوره 3 ساله از داده های Sentinel-1 را بین سال های 2014 و 2017 برای شناسایی نقاط داغ فرونشست در سراسر کشور تجزیه و تحلیل کرد. یافته‌ها فرونشست زمین گسترده را با نرخ تا 30 سانتی‌متر در سال در مناطق خاص نشان داد (16). مطالعات دیگر داده‌های InSAR را در مدل‌های یادگیری ماشین ادغام کردند تا اندازه‌گیری‌ها را ارتقا داده و فرونشست زمین را در مقیاس‌های بزرگ‌تر پیش‌بینی کنند. یک مطالعه از تقریباً 80 تصویر Sentinel-1 از مناطق فرونشست شناخته شده استفاده کرد و از تجزیه و تحلیل InSAR معمولی استفاده کرد تا مبنای یک مدل یادگیری ماشینی برای پیش‌بینی فرونشست در مناطق مختلف کشور باشد. مطالعه دیگری از مجموعه داده آموزشی بزرگ InSAR از مناطق مختلف در سراسر جهان برای پیش‌بینی نرخ فرونشست در مقیاس جهانی استفاده کرد. این مطالعه به طور خاص از داده های آموزشی در چهار منطقه فرونشست در ایران استفاده کرد. با استفاده از تکنیک یادگیری ماشینی، مشخص شد که تقریباً 1 درصد از مساحت ایران که مجموعاً بالغ بر 18000 کیلومتر مربع است، با نرخ‌های بالاتر از 1 سانتی‌متر در سال فروکش می‌کند و ایران را از نظر مساحت فرونشست در رتبه چهارم جهان قرار می‌دهد.

سوال اصلی که در این تحقیق به آن می پردازیم این است که میزان دقیق کاهش آب های زیرزمینی در ایران چقدر است و تاثیرات آن بر منابع آب زیرزمینی و جوامع چیست؟ مطالعه ما پیشگام تحلیلی جامع از دینامیک آب های زیرزمینی ایران با استفاده از مشاهدات InSAR است. با استفاده از بیش از 6000 تصویر Sentinel-1، ما یک نقشه فرونشست با وضوح متوسط ​​100 متر تولید کرده ایم که تغییرات زمانی را در بازه های زمانی بین 6 تا 24 روز. این مجموعه داده گسترده ما را قادر می‌سازد سیگنال‌های فرونشست را از سایر مشارکت‌های مشاهداتی InSAR جدا کنیم و یک نقشه فرونشست جامع از کشور ارائه کنیم.

علاوه بر این، ادغام ما از اطلاعات زمین شناسی، ضخامت رسوبات و خطوط آبخوان با داده های InSAR شواهدی را ارائه می دهد که فرونشست مشاهده شده در درجه اول به دلیل تراکم آبخوان ناشی از استخراج بیش از حد آب های زیرزمینی است. ما بیشتر کاهش آب زیرزمینی در سراسر کشور را از اندازه‌گیری‌های فرونشست اندازه‌گیری می‌کنیم و پایداری آن را در مناطق مختلف با مقایسه روند تراکم بلندمدت با تغییر شکل‌های کوتاه‌مدت ارزیابی می‌کنیم. تحلیل ما از نقش کشاورزی در استفاده ناپایدار از آب‌های زیرزمینی، از طریق بررسی نقشه‌های پوشش اراضی و داده‌های تولید کشاورزی، بینشی را در مورد ارتباط بین شیوه‌های کشاورزی و پایداری آب‌های زیرزمینی در ایران ارائه می‌دهد. علاوه بر این، ما پیامدهای گسترده فرونشست زمین را بر جوامع انسانی و زیرساخت های حیاتی بررسی می کنیم. با تجزیه و تحلیل داده‌های تراکم جمعیت و نقشه‌های زیرساخت، پیامدهای اجتماعی و اقتصادی فرونشست زمین را برجسته می‌کنیم.

نتایج

فرونشست زمین و از دست دادن آب زیرزمینی در سراسر ایران

نقشه فرونشست در سراسر کشور (شکل 1) توزیع و گستردگی فرونشست زمین در سراسر ایران را نشان می دهد و یک مسئله گسترده را در سطح محلی و منطقه ای نشان می دهد. تقریباً 3.5 درصد از اراضی ایران معادل 56000 کیلومتر مربع با خطر فرونشست زمین مواجه است. میانگین نرخ فرونشست از سال 2014 تا 2020 برابر با 1.8 سانتی متر در سال است. توزیع نرخ فرونشست دارای انحراف مثبت است، با چارک های 0.9، 1.8، و 4.1 سانتی متر در سال. به طور مشخص تر، مجموع مساحت کل بیش از 40000 کیلومتر مربع در معرض نرخ فرونشست بالاتر از 1 سانتی متر در سال است، در حالی که مناطقی با مساحت بیش از 25000 کیلومتر مربع با نرخ های بیش از 2 سانتی متر در سال غرق می شوند. بیش از 3000 کیلومتر مربع از کشور با نرخ هشداردهنده بیش از 10 سانتی متر در سال فروکش می کند.

شکل 1. فرونشست زمین در سراسر ایران از طریق رصد Sentinel-1 InSAR.

الف) توزیع فرونشست برای پوشش های مختلف زمین و در سراسر شش حوضه اصلی کشور. ب) نقشه جامع نرخ فرونشست زمین ایران. خطوط مرزهای حوضه های اصلی را نشان می دهد. جعبه ها برای برجسته کردن مناطق اصلی که تحت تأثیر فرونشست زمین هستند، همانطور که در (C تا J) نشان داده شده است، در نظر گرفته شده است. نرخ‌های فرونشست بر اساس اندازه‌گیری‌های خط دید ماهواره‌ای با این فرض پیش‌بینی می‌شوند که فرونشست جزء اصلی تغییر شکل سطح است.

برای بررسی اینکه آیا تراکم آبخوان دلیل اصلی فرونشست مشاهده شده است یا خیر، چندین آزمایش را با مقایسه مناطق فرونشست با نقشه زمین شناسی سطحی ایران، ضخامت رسوبی شبکه ای شبکه ای 1 کیلومتری جهانی انجام دادیم. محدوده آبخوان های موجود. پوشش مناطق فرونشست بر روی نقشه زمین شناسی سطحی ایران، همانطور که در شکل نشان داده شده است. S2 نشان می دهد که 80 درصد از فرونشست اندازه گیری شده در سراسر کشور در رسوبات کواترنر رخ می دهد. رسوبات کواترنر نهشته های زمین شناسی جوانی هستند که به دلیل ذخایر تجمیع نشده خود شناخته می شوند که می توانند به عنوان سفره های زیرزمینی خوب عمل کنند. علاوه بر این، پوشش نقشه فرونشست بر روی نقشه میانگین ضخامت خاک و رسوبات نشان می دهد که 80 درصد از فرونشست در رسوباتی با ضخامت نهشته بیشتر از 25 متر رخ می دهد. در نهایت، 90 درصد از فرونشست هایی که ما شناسایی کردیم در محدوده آبخوان ها قرار دارد. این یافته ها همچنین با مدل سازی عددی دقیق فرونشست انجام شده در مقیاس های محلی، به عنوان مثال، در رفسنجان مطابقت دارد. همه این شواهد به طور قاطع نشان می دهد که تراکم آبخوان می تواند عامل اصلی توضیح دهنده فرونشست مشاهده شده باشد.

تجزیه و تحلیل ما نشان می‌دهد که فرونشست زمین یک موضوع رایج در سراسر ایران است که 265 شهرستان از 429 شهرستان کشور را تحت تأثیر قرار می‌دهد. پدیده فرونشست در مناطق وسیعی گسترش می یابد، به طوری که هشت شهرستان مناطق فرونشست بیش از 1000 کیلومتر مربع را تجربه می کنند. این شهرستان ها عبارتند از کرمان، رفسنجان و سیرجان در استان کرمان. مرودشت در استان فارس؛ نیشابور در استان خراسان رضوی; بوئین زهرا در استان قزوین; و گنبدکاووس و آق قلا در استان گلستان. در میان مناطقی که شدیدترین فرونشست زمین را تجربه می کنند، استان کرمان با نرخ فرونشست نگران کننده خودنمایی می کند. به ویژه شهرستان رفسنجان که به عنوان قطب تولید پسته ایران شناخته می شود، بیشترین میزان فرونشست را با رقم شگفت انگیز 37 سانتی متر در سال تجربه می کند. شهرستان ارزوئیه در استان کرمان نیز در پشت سر، میزان قابل توجهی 34 سانتی متر در سال را ثبت می کند. در استان البرز، شهرستان های ساوجبلاغ و نظرآباد به ترتیب با حداکثر 29 و 27 سانتی متر در سال فرونشست زمین قابل توجهی را نشان می دهند.

فرونشست زمین را در تمام استان های ایران به جز گیلان مشاهده کردیم. تغییرپذیری فرونشست در مناطق مختلف بویژه در شمال که بیشترین سهم بارندگی کشور را به خود اختصاص می دهد مشهود است. عدم وجود فرونشست در گیلان نشان می دهد که این منطقه به شدت متکی به برداشت آب های زیرزمینی در مقیاس وسیع نیست. در مقابل، مازندران فرونشست متوسطی را تجربه می کند که تقریباً 140 کیلومتر مربع از اراضی آن را با حداکثر سرعت 4 سانتی متر در سال در برخی نقاط تحت تأثیر قرار می دهد. این در حالی است که استان گلستان با وقوع فرونشست زمین در مساحتی بیش از 5000 کیلومتر مربع با چالش قابل توجه تری مواجه است. در این منطقه، نرخ فرونشست در برخی نقاط از 12 سانتی متر در سال فراتر می رود.

برآورد کاهش آب های زیرزمینی از نرخ فرونشست زمین، بینش های ارزشمندی را در مورد میزان استفاده از منابع آب در هر استان ارائه می دهد (شکل 2). با فرض اینکه فرونشست عمدتاً در قسمت های محدود سفره های زیرزمینی رخ می دهد، کاهش سالانه آب زیرزمینی را برای هر منطقه محاسبه کردیم. این کشور به طور متوسط ​​سالانه 1737 میلیون متر مکعب کسری آب زیرزمینی (MCM) را تجربه می کند. از این میان، استان های خراسان رضوی و کرمان با شدیدترین تنش آبی مواجه هستند که به ترتیب هر سال به ترتیب 380 و 325 میلیون متر مکعب از آب زیرزمینی تخلیه می شود. استان گلستان نیز با حدود 162 میلیون مترمکعب در سال کاهش قابل توجهی را تجربه می کند. استان های فارس با 141 میلیون مترمکعب، قزوین با 103 میلیون مترمکعب و تهران با 101 میلیون مترمکعب کاهش سالانه آب زیرزمینی در رتبه های بعدی قرار دارند. در حالی که استان های باقی مانده هنوز تحت تاثیر قرار می گیرند، کمتر از 100 میلیون متر مکعب کمبود آب زیرزمینی در سال را تجربه می کنند.

شکل 2. کاهش آب زیرزمینی از سفره های آب زیرزمینی محدود و نیمه محدود در ایران.

الف) سهم هر استان در کاهش سالانه آبهای زیرزمینی. (ب) سهم هر حوضه و زیرحوضه در کاهش سالانه آب زیرزمینی. (ج و د) کاهش سالانه آب های زیرزمینی در هر کیلومتر مربع در استان ها و زیرحوضه های مختلف. کاهش آب زیرزمینی با استفاده از داده‌های فرونشست تخمین زده می‌شود، با این فرض که فشردگی بخش‌های محدود و نیمه محصور سیستم آبخوان باعث عامل غالب فرونشست می‌شود. اسامی استان ها در (ج) برای سادگی کوتاه شده و با نام کامل در (الف) مطابقت دارد. حوضه های فرعی در (D) برای سادگی شماره گذاری شده اند و با نام های کامل در (B) مطابقت دارند. خطوط آبی در (D) مرزهای حوضه های اصلی را نشان می دهد.

عادی سازی کاهش آب زیرزمینی برای منطقه هر استان یک الگوی اضافی را نشان می دهد که شدت استفاده از منابع آب در واحد زمین را روشن می کند (شکل 2). استان کرج با کاهش خیره کننده 12800 مترمکعب آب زیرزمینی در هر کیلومتر مربع در هر سال رتبه اول این فهرست را دارد. گلستان با 8000 مترمکعب در هر کیلومتر مربع در سال در رتبه دوم قرار دارد. استان های تهران و قزوین در رتبه های بعدی قرار دارند که هر دو به ترتیب 7400 و 6600 مترمکعب کسری سالانه در هر کیلومتر مربع را تجربه می کنند. استان‌های خراسان رضوی و قم مناطق بعدی هستند که سالانه 3300 و 2800 مترمکعب در کیلومتر مربع کاهش می‌یابند. همه این استان ها در نیمه شمالی کشور قرار دارند.

تجزیه و تحلیل توزیع فرونشست و تلفات آب زیرزمینی در هر دو مقیاس حوضه و زیر حوضه بینش های ارزشمندی را در مورد تغییرات منطقه ای در کاهش منابع آب ارائه می دهد. در مقیاس حوضه، حوضه فلات مرکزی که نیمی از مساحت کشور را در بر می گیرد، به عنوان عامل اصلی کاهش آب های زیرزمینی ایران و مسئول 70 درصد از کل تلفات ظاهر می شود. به طور غیرمنتظره، حوضه دریای خزر علیرغم دریافت بیشترین میزان بارش در بین حوضه ها، با 11 درصد کاهش آب زیرزمینی در رتبه دوم قرار دارد. حوضه خلیج فارس با 10 درصد کاهش آب های زیرزمینی کشور، علیرغم داشتن بیشترین سهم از منابع آبی کشور، از نزدیک به عنوان سومین مشارکت کننده بزرگ قرار دارد. حوضه سرخس و ارومیه به ترتیب با 6 درصد و کمتر از 2 درصد در رتبه های بعدی قرار دارند و سهم حوضه هیرمند کمتر از 1 درصد است.

با زوم کردن در سطح زیرحوضه، یک الگوی دانه‌دارتر ظاهر می‌شود. تقریباً نیمی از تلفات آب زیرزمینی ایران در دو زیرحوضه دریاچه نمک و کویر مرکزی رخ می‌دهد که به ترتیب 23 درصد و 20 درصد کاهش کل را به عهده دارند. زیرحوضه ساغند با 11 درصد هدررفت آب زیرزمینی با نزدیکی دنبال می‌شود. سایر زیرحوضه ها هر کدام سهمی کمتر از 10 درصد دارند. دو زیرحوضه تالش و سفیدرود هراز که در شمال قرار دارند، به دلیل وجود منابع آبی فراوان، هیچ گونه هدررفت آب زیرزمینی را تجربه نمی‌کنند، بنابراین برای آبیاری متکی به آب‌های زیرزمینی نیستند. در مقابل سهم کم زیرحوضه های شرقی خواف، هامون هیرمند، هامون مشکیل و بلوچستان به دلیل زمین های غیر زراعی و جمعیت کم است. عادی سازی داده ها بر اساس مساحت حوضه، شدت کاهش آب زیرزمینی در واحد زمین را بیشتر نشان می دهد. حوضه فرعی قره سو-گرگان با بیشترین کاهش سالانه آب زیرزمینی در هر منطقه به میزان 11000 مترمکعب در کیلومتر مربع خودنمایی می کند. پس از آن دریاچه نمک، ساغند و طشک بختگان با کاهش سالانه 4300، 3700 و 3300 مترمکعب در کیلومتر مربع قرار دارند.

استفاده پایدار در مقابل استفاده ناپایدار از آب های زیرزمینی

سری زمانی تغییر شکل سطح بینش هایی را در مورد نسبت تغییر شکل الاستیک و غیر کشسان ارائه می دهد. در این زمینه، تغییر شکل غیرکشسانی به فرونشست طولانی‌مدت ناشی از فشرده‌شدن دائمی آب‌های زیرزمینی به دلیل کاهش سطح آب زیرزمینی اطلاق می‌شود. از سوی دیگر، تغییر شکل الاستیک ناشی از چرخه های شارژ فصلی است که باعث نوسانات موقتی در سیستم آبخوان می شود. ما نسبت الاستیک به غیرکشسان را با بررسی دامنه پیک به اوج فرونشست به عنوان کشسان و میانگین نشست سالانه به عنوان غیرکشسان محاسبه کردیم.

سری زمانی تغییر شکل سطح برای دو نقطه معرف در نزدیکی تهران و کرج، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، نشان می دهد که تغییر شکل توسط این دو جزء غالب است. اگرچه هر دو نقطه در یک تشکیل زمین شناسی مشابه از رسوبات چهارتایی با ضخامت بیش از 50 متر واقع شده اند، سیستم آبخوان مرتبط با نقطه دوم هر دو مؤلفه فصلی و بلند مدت بزرگتر را نشان می دهد. برای نقطه ای در ناحیه فرونشست در جنوب غربی تهران، نسبت کشسان به غیر کشسانی را 0.1 تخمین می زنیم که مربوط به دامنه 2 سانتی متری تغییر شکل فصلی و میانگین فرونشست سالانه 18 سانتی متر است. برای نقطه دوم، واقع در جنوب غربی کرج، نسبت کشسان به غیر کشسان 0.4 است که مربوط به مولفه فصلی 11 سانتی متر و فرونشست سالانه 29 سانتی متر است. در یک تحلیل مشابه در سراسر کشور، یافته‌های ما نشان می‌دهد که تراکم سالانه بیشتر سفره‌های زیرزمینی تقریباً یک مرتبه بزرگ‌تر از پاسخ الاستیک فصلی سیستم آبخوان است. اگرچه به طور مستقیم به نسبت آب زیرزمینی استخراج‌شده مرتبط نیست، این نسبت کشسان-کشسان بینش‌هایی را در مورد پایداری نسبی استفاده از آب‌های زیرزمینی در مناطق مختلف کشور ارائه می‌دهد.

شکل 3. نسبت الاستیک-غیرالاستیک تغییر شکل به عنوان نماینده پایداری استخراج آب زیرزمینی.

(الف) برآورد نرخ فرونشست بلندمدت، در نظر گرفته شده به عنوان تغییر شکل غیرکشسان، در ناحیه جنوب غربی تهران و کرج. (ب) دامنه تخمینی پیک به اوج جزء تغییر شکل سطح فصلی در همان ناحیه، به عنوان تغییر شکل الاستیک در نظر گرفته شده است. (C) نسبت بین فرونشست بلندمدت که به طور متوسط ​​در طی یک سال رخ می دهد و مؤلفه فصلی. (د) سری زمانی تغییر شکل سطح برای دو نقطه نمونه TS1 و TS2 که به ترتیب بیشترین میزان فرونشست مشاهده شده را در مجاورت تهران و کرج تجربه می کنند و جزء تغییر شکل فصلی آنها. مقادیر منفی در سری زمانی مربوط به فرونشست و مقادیر مثبت مربوط به بالا آمدن است. (ه) توزیع نسبت کشسان به غیر کشسان در حوضه های مختلف ایران. لطفاً برای رئوس مطالب حوضه ها به شکل 1A مراجعه کنید. نمودارهای تفصیلی برای زیرحوضه ها موجود است شکل. S4. همه تجزیه و تحلیل ها بر اساس طرح ریزی اندازه گیری های ماهواره ای خط دید در جهت عمودی است. پس زمینه در (A) یک ترکیب رنگ واقعی از Sentinel-2 است.

برای ارزیابی پایداری استخراج آب‌های زیرزمینی در حوضه‌های مختلف، نسبت الاستیک-غیر کشسان را به حوضه‌ها و زیرحوضه‌های اصلی در سراسر کشور تجمیع کردیم. نتایج در شکل 3 نشان می‌دهد که حوضه‌های ارومیه، خلیج فارس و دریای خزر نسبت‌های بالاتری نسبت به سایر حوضه‌ها دارند که به دلیل بارندگی سالانه بیشتر است که تغذیه آبخوان را تسهیل می‌کند. در مقابل، حوضه‌های فلات مرکزی، سرخس و هیرمند نسبت‌های کشسان-ناکشسان نزدیک به صفر را نشان دادند که نشان‌دهنده برداشت بسیار ناپایدار آب‌های زیرزمینی در این مناطق است. تجزیه و تحلیل سطح زیرحوضه توزیع واضح تری از نقاط داغ ناپایدار ارائه کرد (نتایج در شکل S4). حوضه‌های فرعی در بخش شرقی کشور عموماً نسبت‌های الاستیک-ناکشسان کمتری را نشان می‌دهند که نشان‌دهنده شیوه‌های استخراج بسیار ناپایدار از آب‌های زیرزمینی است. در مقابل، وضعیت در مناطق شمال، شمال غرب و جنوب غربی مطلوب‌تر به نظر می‌رسد، جایی که زیرحوضه‌ها نسبت‌های کشسان-ناکشسان بیشتری را نشان می‌دهند. این روند مطلوب احتمالاً به دلیل بارش بیشتر در این حوضه ها در مقایسه با مناطق مرکزی، شرقی و جنوبی است که پتانسیل بیشتری برای تغذیه آبخوان ارائه می دهد.

کشاورزی به عنوان مصرف کننده اصلی آب های زیرزمینی

تجزیه و تحلیل ما شواهد قانع کننده ای از ارتباط قابل توجهی بین فرونشست زمین و استخراج آب های زیرزمینی برای آبیاری ارائه می دهد. در حالی که کمتر از 4 درصد از فرونشست زمین در مناطق ساخته شده رخ می دهد، بیش از دو سوم زمین های فرونشسته در خدمات جهانی زمین کوپرنیک به عنوان کشاورزی طبقه بندی می شوند (24) و تقریباً 40 درصد از فرونشست زمین در اراضی آبی رخ می دهد. داده های تجزیه و تحلیل پشتیبانی جهانی امنیت غذایی (25). علاوه بر این، نزدیک به نیمی از کل تلفات سالانه آب زیرزمینی، بالغ بر 840 میلیون متر مکعب، در اراضی آبی رخ می دهد. این امر نقش حیاتی کشاورزی در کاهش آب های زیرزمینی را برجسته می کند.

مقایسه بین تلفات تخمینی آب زیرزمینی و آمار رسمی محصولات و باغات آبی که در سال 2019 توسط وزارت کشاورزی ایران منتشر شده است روابط متفاوتی را بین تولید کشاورزی و کاهش آب زیرزمینی نشان می دهد (شکل 4). اگر چه بیشتر استان‌ها دارای اراضی دیم بیشتری نسبت به کشاورزی آبی هستند، اراضی آبی در اکثر محصولات کشاورزی نقش دارند. بیشترین تولیدات کشاورزی در خوزستان با 13 درصد و پس از آن فارس با 10 درصد و کرمان، خراسان رضوی و مازندران با 6 درصد قرار دارند. با این حال، خوزستان و مازندران به دلیل برخورداری از آب های سطحی زیاد، به ترتیب تنها 3 درصد و 0.1 درصد از کل آب های زیرزمینی را از دست داده اند. در مقابل، خراسان رضوی، کرمان و فارس 22، 19 و 8 درصد کاهش کل آب های زیرزمینی را بر عهده دارند. این یافته‌ها بر تفاوت آشکار بین مصرف آب زیرزمینی و تولید محصولات کشاورزی در استان‌های مختلف ایران تاکید می‌کند و نشان می‌دهد که نرخ پمپاژ بالا همیشه با سطوح تولید به همان اندازه مطابقت ندارد. با این حال، واضح است که نرخ فعلی کاهش آب‌های زیرزمینی تهدیدی جدی برای تولید محصولات کشاورزی آینده در اکثر استان‌های ایران است.

شکل 4. انواع زمین های زراعی و تولیدات کشاورزی استان های مختلف ایران.

الف) مساحت کل اراضی آبی و کل تولیدات زراعتی هر ولایت. ب) سهم ساحات کشاورزی آبی و دیم در ولایات مختلف. ج) سهم تولیدات آبی و دیم محصولات زراعی و باغی در ولایات مختلف. اطلاعات مربوط به مناطق کشاورزی بر اساس داده های تجزیه و تحلیل پشتیبانی امنیت غذا و آب جهانی (GFSAD) و خدمات جهانی زمین کوپرنیک است. اطلاعات تولید محصولات کشاورزی بر اساس وزارت کشاورزی ایران تهیه شده است. نام استان ها برای سادگی کوتاه شده است. لطفاً برای اسامی کامل به شکل 2A مراجعه کنید.

تاثیر فرونشست زمین بر جمعیت و زیرساخت ها

این مطالعه تأثیر قابل توجهی از فرونشست زمین بر جمعیت ایران را نشان می دهد (شکل 5). تقریباً 14 میلیون نفر، بیش از یک پنجم جمعیت در مناطقی زندگی می کنند که مستقیماً تحت تأثیر فرونشست زمین قرار دارند. تجزیه و تحلیل ریسک با استفاده از داده های جمعیت و اندازه گیری فرونشست نشان می دهد که حدود 7٪ از جمعیت (حدود 5.6 میلیون نفر) در مناطق کم خطر، 10٪ (تقریبا 7.7 میلیون) در مناطق با خطر متوسط ​​و 1٪ (0.9 میلیون) در مناطق با خطر زندگی می کنند. مناطق پرخطر استان هایی مانند کرمان، البرز، خراسان رضوی، اصفهان و تهران بیش از یک چهارم جمعیت خود را در معرض خطر فرونشست قرار دارند. شایان ذکر است که بیش از 95 درصد جمعیت پرخطر فرونشست در تهران، البرز، فارس، خراسان رضوی و کرمان متمرکز است که مجموعاً میزبان 30 میلیون نفر هستند. جمعیت ساکن در معرض خطر فرونشست برای استان های مذکور به ترتیب حدود 350000، 290000، 91000، 89000 و 52000 نفر می باشد. همچنین تهران بیش از 3 میلیون نفر در مناطق با خطر فرونشست متوسط ​​و کم، خراسان رضوی بیش از 2 میلیون نفر و کرمان تقریباً 1.4 میلیون نفر در مناطق متوسط ​​و کم خطر زندگی می کنند. به همین ترتیب البرز بیش از 750 هزار نفر و فارس حدود 600 هزار نفر در مناطق متوسط ​​و کم خطر جمعیت دارند.

شکل 5. خطر فرونشست جمعیت در ایران.

(الف) نمودارهای دایره ای سهم افراد در هر استان را در معرض طبقات مختلف خطر فرونشست نشان می دهد. مساحت دایره ها با کل جمعیت هر استان مطابقت دارد. (ب) سهم جمعیت کشور در معرض طبقات مختلف خطر فرونشست. ج) ماتریس ریسک که برای محاسبه خطر فرونشست جمعیت استفاده می شود. R0 تا R2 مربوط به کلاس های کم خطر تا پرخطر است. مقادیر اعوجاج زاویه ای از میانگین نشست سالانه محاسبه می شود.

همانطور که با تجزیه و تحلیل داده های زیرساخت خطی به دست آمده از OpenStreetMap آشکار شد، فرونشست یک خطر اساسی برای زیرساخت های خطی در سراسر ایران ایجاد می کند. این مطالعه شامل خطوط مترو، بزرگراه‌ها، جاده‌های اولیه، خطوط راه‌آهن و جاده‌های اصلی است که نشان می‌دهد بخش قابل‌توجهی از این عناصر زیرساختی از مناطق فرونشست عبور می‌کنند. شایان ذکر است، خطوط راه آهن به طول 9500 کیلومتر، تقریباً 1380 کیلومتر (15 درصد) در مناطق فرونشست، شامل بخش‌هایی از خطوط پرتردد تهران - گرمسار و گرمسار - مشهد است که تهران را به مشهد متصل می‌کند. خطوط مترو در شهرهای مختلف ایران نیز در معرض فرونشست زمین هستند، به طوری که چهار خط از هفت خط مترو در تهران و تنها خط مترو در اصفهان از مناطق فرونشست می گذرد. طول کل خطوط مترو کشور تقریباً 370 کیلومتر است که 55 کیلومتر (15 درصد) از مناطق فرونشست می گذرد. علاوه بر این، بزرگراه‌ها با وسعت حدود 5100 کیلومتر، دارای 580 کیلومتر (11 درصد) از طریق مناطق فرونشست هستند. در نهایت، جاده های اولیه (تقریباً 36600 کیلومتر) دارای 3550 کیلومتر (10 درصد) و جاده های تنه (حدود 34000 کیلومتر) دارای 4300 کیلومتر (13 درصد) در مناطق فرونشست هستند.

سایر زیرساخت‌ها از جمله فرودگاه‌ها، ایستگاه‌های مترو و ایستگاه‌های راه‌آهن در ایران در معرض خطر فرونشست هستند. 8 فرودگاه از 61 فرودگاه بزرگ و متوسط ​​با بیش از 8 میلیون مسافر سالانه در مناطق فرو نشست از جمله فرودگاه بین المللی تهران قرار دارند. فرودگاه‌های بین‌المللی اصفهان و ارومیه و کرمان، گرگان و شهرکرد که از فرودگاه‌های کشوری کشوری هستند که در مناطق فرونشست قرار دارند نیز تحت تأثیر قرار گرفته‌اند. همچنین 54 ایستگاه از 310 ایستگاه راه آهن شامل 14 ایستگاه در خطوط تهران - گرمسار و گرمسار - مشهد و 25 ایستگاه از 215 ایستگاه مترو شامل 14 ایستگاه در خطوط مترو تهران و 11 ایستگاه در مترو اصفهان در مناطق فرونشست قرار دارند.

بحث

یافته‌های ما با مطالعات قبلی که بر شناسایی فرونشست زمین در سفره‌های زیرزمینی خاص در سراسر ایران، عمدتاً با استفاده از فن‌آوری‌های فضایی تمرکز داشتند، همسو هستند. با این حال، با ارائه یک چشم انداز جامع در سراسر کشور، فراتر از دانش موجود است و نشان می دهد که به غیر از مناطق خاصی مانند کوه ها در شمال و غرب و بیابان ها در مرکز و شرق، کاهش آب های زیرزمینی سایر مناطق کشور را تا حد زیادی تحت تأثیر قرار می دهد. وسعت این یک تهدید بزرگ برای منابع آب، جمعیت و زیرساخت ها است و توسعه پایدار کشور را به خطر می اندازد. برآورد تلفات سالانه آب زیرزمینی 1.7 میلیارد متر مربع از سفره‌های زیرزمینی محدود و نیمه‌محصور، قابل مقایسه با حداکثر ظرفیت پنج سد تأمین‌کننده آب تهران، نگران‌کننده است. این امر بر شدت کاهش آب های زیرزمینی تأکید می کند که می تواند عواقب عمیقی برای بخش های مختلف داشته باشد. اقدام فوری برای رسیدگی به این موضوع حیاتی و حفاظت از رفاه آینده منابع آبی ایران ضروری است.

برآورد ما از تلفات آب زیرزمینی اطلاعات ارزشمندی را به تخمین‌های مستقل موجود از GRACE (10) و داده‌های درجا اضافه می‌کند. مأموریت GRACE کل تلفات ذخیره آب را شامل آب های سطحی و زیرزمینی تخمین زد، که حوضه های آبریز کویر مرکزی و دریاچه نمک بیشترین سهم را دارند و به ترتیب 1.8 و 1 BCM تلفات سالانه را ذکر کردند. نتایج ما نشان می‌دهد که کمتر از نیمی از این مقادیر ناشی از تلفات آب زیرزمینی در هر یک از دو حوضه است، که بر تأثیر قابل‌توجه کمبود آب زیرزمینی تأکید دارد. در مقایسه با داده های درجا، نتایج ما یک برآورد به روز با کیفیت یکنواخت در سراسر کشور ارائه می دهد. به عنوان مثال، در حالی که داده‌های درجا نشان می‌دهد که زیرحوضه قره‌سو-گرگان تنها دارای نرخ تخلیه 0.001 BCM در سال است، داده‌های ما نشان داد که این حوضه دارای نرخ تخلیه آب زیرزمینی 0.14 BCM در سال است. داده‌های جامع، به‌روز و با وضوح متوسط ​​در مورد تلفات آب زیرزمینی ارائه‌شده در این مطالعه، درک عمیق‌تری از موضوع کاهش آب‌های زیرزمینی را امکان‌پذیر می‌کند و راهبردهای مدیریت آب زیرزمینی مؤثرتر و آگاهانه‌تری را برای برنامه‌ریزی منابع آب پایدار تسهیل می‌کند.

در حالی که بخش کشاورزی مصرف کننده اصلی آب های زیرزمینی است، بخش اقتصادی بزرگی است که 17 درصد جمعیت ایران را به خود اختصاص داده و 10 درصد به تولید ناخالص داخلی (GDP) کشور کمک می کند. با این حال، شیوه های آبیاری ناکارآمد و راندمان پایین منجر به پمپاژ ناپایدار آب های زیرزمینی و تخریب منابع آب شده است. فرونشست زمین همراه با کاهش آب های زیرزمینی پیامدهای شدیدی برای جوامع دارد و سایر بخش های اقتصادی ایران را تضعیف می کند. استان تهران که بیش از 20 درصد تولید ناخالص داخلی ایران را عمدتاً از طریق بخش‌های خدمات و صنعت به خود اختصاص داده است، سهم نسبتاً کمی از کشاورزی دارد و تنها 2 درصد از ارزش افزوده ناخالص استان را تشکیل می‌دهد. با این حال، حتی این سهم کوچک کشاورزی به قیمت خطر فرونشست عمده برای جمعیت و زیرساخت‌ها است که می‌تواند اقتصاد تهران را در بلندمدت تضعیف کند.

با توجه به تغییرات آب و هوایی فزاینده، از جمله خشکسالی های مکرر و سیل، دسترسی به آب برای کشاورزی نامشخص می شود. به عنوان مثال، سیل 2019 خوزستان و به دنبال آن خشکسالی در سال 2021 بر این عدم قطعیت تأکید بیشتری دارد. در چنین زمینه ای، آب های زیرزمینی برای کشاورزی آینده و امنیت غذایی بسیار مهم خواهد بود. بنابراین، درمان های فوری برای اطمینان از شیوه های آبیاری پایدار و جلوگیری از تشدید فشار بر منابع آب زیرزمینی ضروری است. عدم اجرای اقداماتی که شیوه‌های آبیاری کارآمد و مدیریت مسئولانه آب‌های زیرزمینی را ترویج می‌کند، نه تنها معیشت جوامع وابسته به کشاورزی را تهدید می‌کند، بلکه خطر قابل‌توجهی برای بخش‌های حیاتی اقتصادی، مانند حمل‌ونقل و زیرساخت‌های شهری ایجاد می‌کند.

در شش دهه گذشته، توسعه سریع صنعتی و کشاورزی، همراه با چهار برابر شدن جمعیت، تقاضای آب را تا حد زیادی در ایران افزایش داده است. نرخ استخراج آب های زیرزمینی در حال حاضر دو برابر سطح پایدار است (6)، با چاه های عمیق که در کاهش آب های زیرزمینی نقش دارند. تنها نیمی از تولید آب زیرزمینی کشور از منابع پایداری مانند چشمه‌ها و قنات‌ها تامین می‌شود که یک سیستم زیرزمینی پایدار برای انتقال آب‌های زیرزمینی از دامنه کوه‌ها به مناطق مرکزی ایران است. نیمی از آن بر اساس داده های شرکت مدیریت منابع آب ایران از چاه های عمیق برداشت شده است. راندمان آبیاری کشور زیر 35 درصد است و در کمتر از 5 درصد اراضی آبی از آب تحت فشار استفاده می شود. برای رسیدگی به مشکل آب های زیرزمینی، سیاست های مدیریت کارآمد آب، از جمله اجرای مقررات برای شیوه های آبیاری کارآمدتر و محدود کردن پمپاژ آب زیرزمینی، بسیار مهم است. علاوه بر این، اجرای برنامه‌ریزی کاربری اراضی در مناطق کشاورزی، نظارت دقیق بر محصولات آبی و اعمال مقررات پهنه‌بندی برای محدود کردن فعالیت‌های کشاورزی در مناطق مستعد فرونشست می‌باشد.

اقدامات موثر برای کاهش کاهش آب های زیرزمینی در حالی که برخی راه حل های موقت مانند انتقال آب از حوضه خلیج فارس اجرا شده است، آنها مسائل مربوط به کمبود آب پایین دست را حل نمی کنند و ممکن است باعث تشدید درگیری بین جوامع محلی شود.

در پایان، مطالعه ما نیاز فوری به اقدام برای رسیدگی به موضوع بحرانی کاهش آب های زیرزمینی در ایران را برجسته می کند و بر اهمیت شناخت بحران آب های زیرزمینی به عنوان یک موضوع سراسری تاکید می کند. استفاده از داده‌های سنجش از دور نتایج ثابتی را ارائه کرده است و به سیاست‌گذاران و جوامع در درک مشکل سراسری در مقیاس خوب کمک می‌کند. پرداختن به موضوع آب های زیرزمینی یک کار ضروری و حیاتی برای تامین منابع آبی ایران برای آینده و تامین امنیت آب برای جمعیت و بخش های مختلف اقتصادی آن است.

توجه داشته باشید که تجزیه و تحلیل ما به دلیل مفروضاتی که در طول تخمین ها انجام می شود، دارای محدودیت های خاصی است. ابتدا، ما فرونشست را با پیش‌بینی اندازه‌گیری‌های خط دید ماهواره‌ای به صورت عمودی، با فرض اینکه جابجایی افقی ناچیز است، تخمین می‌زنیم. مطالعات قبلی نشان می‌دهد که مولفه تغییر شکل اولیه در سفره‌های آبی محلی مانند تهران و رفسنجان، عمودی است. با این وجود، با استفاده از هندسه های صعودی و نزولی می توان تخمین های قابل اعتمادتری را به دست آورد. دوم، فرض می کنیم که فرونشست مشاهده شده به دلیل فشردگی آبخوان های محدود و نیمه محدود است. از این رو، برآورد ما نمی‌تواند اطلاعاتی در مورد سفره‌های زیرزمینی محدود ارائه کند. ترکیب برآوردهای ما با مشاهدات GRACE که نمی تواند بین هدررفت آب محدود و نامحدود تفاوت قائل شود، تصویر کاملی از وضعیت آب های زیرزمینی در ایران ارائه می دهد.

جنبه دیگری که در مورد نتایج ما باید در نظر گرفته شود این است که طبقه بندی ما از خطر فرونشست و تراکم جمعیت به طبقات مختلف، با استفاده از گسست طبیعی Jenks، تنها بر اساس نقاط شکست آماری معنی دار در توزیع داده ها است. در نتیجه، هیچ معنای فیزیکی صریحی را در بر نمی گیرد. این رویکرد تصویری کلی از خطر و خطر فرونشست در سراسر کشور ارائه می دهد. با این حال، در مقیاس های محلی، لازم است پارامترهای زمین شناسی و ژئوتکنیکی، که تنوع قابل توجهی را در مناطق مختلف نشان می دهند، در نظر بگیریم تا ارزیابی دقیق تری از خطر فرونشست به دست آوریم.

اهمیت تحقیقات ما فراتر از مرزهای ایران است. موضوع کاهش آب های زیرزمینی و فرونشست زمین به یک نگرانی جهانی فزاینده تبدیل شده است. دو سوم از جمعیت جهان، که شامل کشورها و مناطق مختلف هستند، حداقل یک ماه در سال با کمبود آب دست و پنجه نرم می کنند. در نتیجه، استفاده ناپایدار از منابع آب زیرزمینی و فرونشست ناشی از آن منحصر به ایران نیست. به عنوان یک چالش جهانی طنین انداز می شود. عواقب آن شدید و فوری است. کاهش سطح آب، کوچک شدن دریاچه ها و ناپدید شدن تالاب ها سیگنال هایی از تنش آبی هستند که در بسیاری از نقاط جهان تجربه شده است. گسترش ارزیابی‌های مشابه در سراسر مناطق دارای تنش آبی می‌تواند درک بحران آب منطقه‌ای را افزایش داده و مدیریت پایدار منابع آب را تسهیل کند. علاوه بر این، با رایج‌تر شدن استفاده از یادگیری ماشینی و یادگیری عمیق در مطالعه فرونشست زمین و کاهش آب‌های زیرزمینی، داده‌های ما می‌توانند علاوه بر این، به عنوان داده‌های آموزشی برای بهبود قابلیت اطمینان این مدل‌ها عمل کنند.

لینک گاردین

لینک اصلی مقاله

لینک بازتاب در روزنامه ایران

مدیر سایت: بهزاد سرهادی

شماره تلفن: 09190622992

شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@

نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com

(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)

_______________________________________________________

×

 براي پيوستن به بزرگترين گروه تلگرام علوم و مهندسي آب با امکان تبادل نظر بين اعضاء کليک کنيد

کتاب کاربرد مدل QUAL2KW

کتاب کاربرد GIS در منابع آب

کتاب محاسبه سيل طرح