بررسی پدیده نشت زمین تحت تاثیر افت سطح آب زیرزمینی

دسته زمین شناسی مهندسی
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری بیست و یکمین گردهمائی علوم زمین
نویسنده دکتر غلامرضا لشکری پور، مهدی قوشه ای، رضا مقدم فردویی،
تاريخ برگزاری ۳۰ مهر ۱۳۸۴

Abstract
     The phenomenon that results the gradual or sudden session of land is named subsidence. Subsidence creates cracks and fissures on the ground and effects the surface and subsurface flows, quality of groundwater, deformation of ground, flooding and movement of seawater towards coastal areas. These factors cause serious damages to urban and industrial areas and farmlands.
       Subsidence is created for different reasons in the ground. The most important parameter in the creation of a subsidence is the declination of groundwater. land Subsidence due to declination in the groundwater has been reported from different parts of the worlds, especially during the recent decades. This phenomenon occurs in alluvial deposits with low compaction due to declines in groundwater level. Land subsidence has been also reported from different parts of Iran with low rainfall in which the pumping rate has exceeded from the groundwater recharge. This paper deals with some of these cases around the country and important factors that form a subsidence will be explained

چکیده
      نشست پدیده ای است که دراثرآن سطح زمین به صورت تدریجی و در برخی موارد به طور ناگهانی  نشست می کند. این نشست باعث ایجاد ترک و شکاف هایی در زمین گردیده و باعث تاثیر بر روی الگوی جریان های زیرزمینی و سطحی، تغییر کیفیت آب های زیرزمینی،  تغییرشکل ‌سطح زمین، سیل خیزی منطقه و پیشروی آب دریا ها به سمت خشکی ها در نواحی ساحلی می گردد. این تغییرات و عوامل خسارات جدی به ‌مناطق شهری، صنعتی و کشاورزی وارد می کند.
      دلایل ایجاد نشست در زمین متفاوت بوده و از مهمترین دلایل آن که موضوع این تحقیق می باشد می توان به افت سطح آب زیرزمینی اشاره نمود. نشست زمین بدلیل افت سطح آب های زیرزمینی از نقاط مختلف جهان خصوصا در دهه های اخیر گزارش گردیده است. این پدیده در رسوبات آبرفتی با تراکم پذیری کم در اثر افت سطح آب های زیر زمینی اتفاق می افتد. نشست زمین در برخی نقاط خشک وکم باران  ایران که در سال های اخیر بدلیل برداشت بی رویه از سفره های زیرزمینی افت شدید سطح آب زیرزمینی وجود داشته نیز گزارش گردیده است. در این مقاله به مواردی از این نشست ها اشاره خواهد شد و علل تشکیل آن ها مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت.
مقدمه
     خطر نشست بر اثر افت آب های زیرزمینی یک خطر جهانی است ودرمقیاس جهانی مورد توجه قرار  گرفته است. حالت تصاعدی این پدیده به دهه های اخیر برمی گردد که درست مصادف با اوج صنعتی شدن وشهرنشینی شدن و پمپاژ بی رویه از آب های زیرزمینی می باشد. گزارشات متعدد از نشست زمین خصوصا از نقاط خشک و کم باران از سراسر جهان ارائه گردیده است  (,Bell and de Brugn, 1999; Ortega–Guerrero and Rudolph, 1999; Larson-Basagaoglu and Marino. 2001). این نوع نشست در نقاط مختلف از ایران خصوصا در سا ل های اخیر همراه با افت سطح آب های زیر زمینی در خیلی از آبخوان های کشور گزارش گردیده است (رحمانیان، 1365، عباس نژاد، 1377، فاطمی عقدا و همکاران، 1380 ، رهنما راد و فیروزان، 1381).
      در دهه های اخیر توجه به پدیده نشست از اهمیت ویژه ای برخوردار گردیده است. اهمیت مطالعه وبررسی این پدیده با توجه به‌خطراتی‌است که‌ پیامد این‌حادثه دارا می‌باشد. به‌عنوان مثال نشست زمین به دلیل ‌پمپاژ‌ و بهره برداری بی‌رویه‌‌ از سفر ه های زیرزمینی گاهی اوقات موجب حوادثی از قبیل فرونشست وشکافت زمین می شود و خطرات جدی برای مناطق صنعتی، نواحی‌شهری وکشاورزی ایجاد می‌کند. خطرات‌ناشی ازافت سطح ایستابی بیشترمتوجه ‌تاسیسات‌ سنگین مانندکوره‌های ذوب فلزات، دکل های مخابراتی وتلویزیونی، آسمان خراش ها و فونداسیون پل ها و غیره می‌باشد که این بدلیل بالابودن نیروهای مؤثر وارده برروی پی این سازه ها است.
 
بحث 
      نشست زمین بر اثر عوامل متعددی چون افت سطح ایستابی، استخراج غیراصولی موادمعدنی درزیرشهرها،  وجود سینک هول درنواحی کارستیک، اکسیداسیون وسوختن خاک های توربی در منطقه وا دوز  (Vadoze) یا منطقه تهویه در زیر سطح زمین و …. شکل می‌گیردکه مهمترین علًت آن افت سطح ایستابی است.
      کاهش سطح آب‌زیرزمینی درسفره موجب متراکم ‌شدن‌ سفره می‌گردد. این تراکم نتیجه رابطه ساده بین کاهش سطح ایستابی وافزایش استرس عمودی ناشی از عدم تحمل بار طبقات بالایی توسط آبخوان است. بطورکلی نشست بر اثر افت سطح آب های زیرزمینی عوارضی را در پی دارد که از جمله مهمترین آن ها می توان به موارد زیر اشاره نمود:
      تغییر شیب‌ زهکشی (بدلیل کاهش سطح ایستابی) باعث تغییرشکل ‌سطح زمین می‌شود که خساراتی رابه ‌مناطق مسکونی، تجاری‌ و صنعتی واردمی کند. پمپاژ بی رویه آب از آبخوان باعث کاهش فشارآب منفذی در اطراف حوزه پمپاژ می‌شودکه خود باعث افزایش استرس عمودی در اطراف حوزه پمپاژ شده و درنهایت باعث نشست زمین می‌شود. ممکن است کاهش فشار آب منفذی سریعا روی ندهد ولی بعد از آغاز پمپاژ،  فشار آب منفذی بتدریج کاهش پیدا می‌کند و آنقدر ادامه می‌یابد تا به یک حالت نسبتاً متعادل برسد. بنابراین ‌تراکم و فشردگی ‌سفره، سخت شدگی رسوبات بالای آبخوان  و در نهایت نشست تابع‌ عامل زمان ‌می باشد.‌ نشست ‌بر اثر افت سطج آب زیر زمینی از ‌نقاط ‌مختلف ‌ایران ‌نیز گزارش گردیده ‌است‌ که‌ از آنجمله می توان به موارد زیر اشاره نمود: 
 
الف. ایرانشهر: ایرانشهر درجنوب شرقی ایران در استان سیستان و بلوچستان قرار دارد. در اواسط دهه شصت دومنطقه مسکونی تحت تاثیر شدید پدیده ‌نشست قرار گرفتند که در ساختمان هایی که دارای مصالح ساختمانی متنوعی بودند به طرق مختلفی پدیده نشست مشاهده شد. به دلیل این نشست ترک هایی درجهات گوناگون و به اندازه های‌ مختلف در ساختمان هائی بامصالح ساختمانی آجری‌ وبلوک سیمانی در شمال شهر گزارش گردید. دربعضی دیگر از سازه ها در راستای اتصالات، ترک هائی مشاهده شد که با بررسی عوامل‌مختلف زمین شناسی مانند زمین لرزه،گسل خوردگی و یا تاثیر از فرورانش عمان، این عوامل رد شدند. باتوجه به سالم بودن آثار باستانی وقدیمی از چندین‌سال قبل، نتیجه می‌شود که زمین لرزه قابل توجهی در این منطقه روی نداده است. همچنین هیچ ارتباط منطقی بین3 گسل  عمده‌ای که در منطقه وجود داشته با پدیده نشست مشاهده نگردید. وجود فاصله 300 کیلومتری از حاشیه فرونشینی‌ عمان نیز دلیل‌خوبی برای‌عدم تاثیر پذیری حاشیه ‌فرورانش‌عمان برروی منطقه موردنظرذکر گردید. در خاتمه علت اصلی شکاف خوردگی ها، پائین رفتن سطح ایستابی براثر برداشت از آبخوان های منطقه، بارندگی کم و خشکسالی های متوالی خصوصا در سا ل های قبل از نشست می باشد.     
 
ب- منطقه مهیار: این منطقه در 25 کیلومتر جنوب اصفهان قرار دارد. در این منطقه رسوباتی از جنس ماسه، سیلت و رس به ضخامت 150 تا 200 متر وجود دارد و آبخوان منطقه در این آبرفت ها تشکیل گردیده است. در طی بیش از 40 سال گذشته بیش از 250  حلقه چاه در منطقه حفر شده و باعث افت شدید سطح آب های زیرزمینی این منطقه گردیده است. در طول 10 سال گذشته یک رشته شکاف به طول 10 کیلومتر و به عرض 5 تا 50 سانتی متر بوجود آمد که هر سال 5 سانتی متر بازدتر می شود. این امر موجب خسارت به یک روستا ویک منطقه کشاورزی و همچنین یک بزرگراه شده است. عواملی که باعث ایجاد ترک هستند عبارتند از زلزله، زمین لغزش، وجود حفرات انحلالی یا سینک هول در لایه های زیرین، فعالیت های معدنی، استخراج نفت و گاز و همچنین پایین رفتن سطح آب های زیرزمینی. تمام این عوامل در این منطقه مورد بررسی قرار گرفت و هیچکدام بجز افت سطح آب زیر زمینی مورد تایید قرار نگرفت. وجود چنین ترک هایی در هوستن در تگزاس، سانتاکل در کالیفرنیا، گوس کر در شمال داکوتا در امریکا و همچنین در کرمان مشاهده شده است (اجل لوئیان و بهادران، 1377).
 
پ- دشت رفسنجان:   نمونه جالب دیگر نشست زمین در دشت رفسنجان می باشد. با استفاده از اطلاعات موجودآماری میزان برداشت از منابع آب های زیر زمینی در شهرستان رفسنجان در سال 1347 به مقدار 9/148 میلیون متر مکعب گزارش کرده است. این مقدار در سال 1368 به 27/751 میلیون متر مکعب افزایش یافت.رسید ودر پایان سال 1380 به 274/638 میلیون متر مکعب رسید. پدیده نشست زمین در چاه های رفسنجان مشهود است وهر چند سال یکبار یا سالی یکبار، صاحبان این قبیل چاه ها در نقاطی که نشست اتفاق افتاده است اقدام به بریدن قسمت لوله جدار خارج شده از چاه می‌نمایند. در صورتیکه صاحبان این قبیل چاه ها ، اقدام به بریدن لوله اضافی ننمایند، تجهیزات آبکشی چاه از حالت تعادل خارج شده و خساراتی به موتور پمپ وارد خواهد نمود. در منطقه رفسنجان به إزای هر 10 متر افت سطح آب زیرزمینی ، سطح زمین حدود 42 سانتی‌متر نشت می‌‌‌نماید. در منطقه سیر جان به إزای هر 10 متر افت سطح آب، زمین حدود 27 سانتی‌متر نشت می‌نماید (گروه مطالعات آب های زیر زمینی، شرکت سهامی آب منطقه‌ای کرمان، 1381). مثلاً در مناطق کرمان، رفسنجان،زرند سطح ایستابی در فاصله سالهای 1350 تا1360 بترتیب 5/6 ،5/7 و8متر افت کرده است آثار دیگری مثل نشت زمین، بالا‌ آمدن لوله‌های جدار چاه ها وایجاد شکاف هایی در سطح زمین را به دنبال داشته است (رحمانیان،1365).
 
ج- منطقه سیستان: خشکسالی چند سال اخیر افت سطح آب زیر سطحی در منطقه سیستان را بدنبال داشته است. بطورکلی عمق متوسط آب های زیر سطحی در محدوده مورد مطالعه بین 50 تا 85 سانتی متر بوده است. از زمان شروع خشکسالی اخیر تا کنون عمق سطح آب زیر زمینی حدود 2 تا 4 متر و گاها بیشتر افت نموده است (رهنما راد و فیروزان، 1381). افت سطح آب زیر زمینی وجود تناوب  لایه های رس، سیلت و لس درزیر لایه ای به ضخامت 3تا 4 متر سبب افزایش سرعت نشست تحکیمی در زیر بنا‌ها می‌شود. این امر سبب ایجاد ترک و شکستگی‌های متعدد در دیوار ساختمان های احداثی در دوره های متناوب ترسالی و خشکسالی را به دنبال داشته است.
 
نمونه هایی از نشست زمین در اثر افت سطح آب زیرزمینی در دنیا
الف- نشست دشت ساحلی تسالونیکی (شمال یونان): مطالعه عکس های هوایی و داده های پایه و نقشه ها نشان می دهند که در 40 سال گذشته (1960-1999) در منطقه ساحلی تسالونیکی ( (Thessaloniki در شمال یونان در یک دلتایی که حدود 2500 شکل گرفته نشست زمین اتفاق می افتد. میزان نشست حدود 10 سانتیمتر در سال گزارش گردیده است. برداشت بی رویه از آب های زیرزمینی حهت تامین آب مورد نیاز شهر بزرگ تسالونیکی و حومه سبب افت سطح آب های زیر زمینی و نتیجتا نشست زمین در این ناحیه گردیده است. این نشست سبب گردیده تا دریا حدود 2 کیلومتر در زمین های ساحل منطقه پیشروی نماید و زمین های ارزشمند در بخش هایی از شهر نا پدید گردد و یک  روستا و تاسیسات چند نقطه صنعتی مهم در معرض تهدید سیلاب قرار گرفته  است. در مورد نشست این منطقه تصور بر این است که افت سطح آب در پیزومتر ها سبب تحکیم خاک های نزدیک سطح زمین و در نهایت نشست زمین گردیده است. علاوه بر این اکسیداسیون خاک های توربی در منطقه وادرز یا منطقه تهویه در زیر زمین سبب تحکیم رسوبات زیرین شده است.
 
ب-  محدوده شهر لس بانوس-کتلمن در کالیفرنیا: شهر لس بانوس-کتلمن (Los Banos Kettleman City ) در دره سن ژوآکوین (San Joaquin Valley)کالیفرنیای آمریکا قرار دارد. این منطقه از مهمترین مناطق کشاورزی جهان بحساب می آید و نشست زمین در اثر افت سطح آب زیرزمینی خسارات زیادی را به این منطقه وارد نموده است. تا قبل از اواخر دهه 1960 که آب سطحی به این ناحیه منتقل گردید به دلیل افت زیاد سطح آب در کل ناحیه نشست زمین وجود داشته است. بطوریکه حتی در یک نقطه مقدار نشست 8/8 مترتا سال 1969 گزارش گردیده است (Poland, 1981 ). پس از اتمام پروژه انتقال آب سطحی به این منطقه تقاضا برای آب های زیزمینی کاهش یافت و این امر سبب گردید تا بین 50 تا 70 در صد از میزان نشست زمین در این منطقه کاسته شود. اما در حشکسالی های سال های 1976 تا 1977 و 1990 تا 1994 بدلیل برداشت زیاد از آب های زیرزمینی میزان نشست در این سال ها افزایش یافت و به میزان قبل از پایان دهه 1960 رسید (Larson et al., 2001).
 
تشکیل سینک هول در اثر افت سطح آب های زیرزمینی
      ‌سینک هول (Sinkhole) یکی از اشکال گسیختگی زمین می باشد که به شکل گودال هایی درنواحی کارستیک به خوبی شناخته شده است. تشکیل این گودال ها در نواحی‌‌‌‌ ‌که تشکیلات آبرفتی باضخامت کمتر از 50  متر روی سنگ بسترآهکی و کارستیک را می پوشانند مشا هده می شوند و یکی ازخطرات زمین شناسی معمول در چنین مناطقی است. افت سطح آب زیرزمینی از عوامل موثر و اصلی تشکیل چنین گودال هایی می باشد. در دشت همدان که از سال 1368 تا سال 1380 بطور متوسط 50 متر افت مشاهده گردیده تا این سال 11 نمونه از این نوع گسیختگی ها گزارش گردیده است (فاطمی عقدا و همکاران، 1380 ).
      این نکته لازم به یادآوری است که سینک هول های جدید اغلب در مناطقی که سطح آب زیرزمینی بوسیله پمپاژ افت نموده مشاهده می گردند. برای مثال پمپاژ آب زیرزمینی از یک لایه آبدار دو لومیتی در ناحیه ای در جنوب افریقا منجر به تشکیل 8 سینک هول بزرگتر از 50 متر و عمیق تر از 30 متر در یک دوره 39 ماهه شده است (Todd, 1980). در ناحیه اورلاندو ایالات متحده آمریکا نیز 140 گودال بین سال های 1961-1986 در اثر افت سطح آب زیرزمینی تشکیل شده است (William,1992). زیرا وقتی سطح آب زیر‌زمینی پایین می‌آید بعلت از بین رفتن خاصیت شناوری خاک در محدوده خشک شده وکاهش فشار آب منفذی، خاک سنگین‌ ترشده و احتمال گسیختگی خاک یا سنگ سست بر روی آهک کارستیک زیرین و تشکیل سینک هول افزایش می یابد.
      علاوه بر افت سطح آب زیر زمینی عوامل دیگری نیز باعث نشست زمین می شوند. از جمله  این عوامل می توان به فعالیت های معدنی در زیر شهرها و نشست زمین در اثر آن، نشست زمین و شکستگی ساختمان ها شهری در سیبری همیشه یخبندان در اثر افزایش دمای، نشست بر روی لایه های انحلال پذیر نمکی و گچی، نشست زمین ها روی ذغالی تورب و نظایر این ها اشاره نمود که خارج ار بحث این مقاله می باشد.
     
اثرات ناشی از افت زمین
      نشست زمین به هر دلیلی می تواند تاثیرات منفی زیادی ایجاد نماید که برخی از این تاثیرات بشرح زیر می باشند:
تاثیر بر روی الگوی جریان های زیرزمینی و سطحی ((Lofgren, 1979.
کاهش کیفیت آب های زیرزمینی و افزایش نمک این آب ها(Belitz and Phillips, 1995).
کاهش ظرفیت مخزن آبخوان ها (Rudolph and Frind, 1991).
خراب شدن ساختمان چاه و پمپ های نواحی مستعد فرونشست (Ortega-Guerrero et al., 1999).
سیل خیزی منطقه (Hua et al., 1993 ).
ناتوانی چاه در آبدهی (Holzer, 1989).
خسارت به بزرگراه ها، ساختمان ها و دیگر تاسیسات (I  reland at al., 1984).
      در برخی نقاط مانند دره سن ژوآکوین کالیفرنیا که قبلا به آن اشاره گردید بسیاری از این مشکلات در اثر افت آب زیرزمینی در این ناحیه دیده شده است (Ireland, 1986).
 
نتیجه گیری و پیشنهادات
      نشست زمین در مقیاس جهانی باعث خسارات زیادی به تاسیسات صنعتی، مناطق مسکونی، بزرگراه ها،  مناطق کشاورزی و سفره های آب زیرزمینی خصو صا در سا ل های اخیر گردیده است. مهمترین عاملی که باعث این پدیده می شود افت سطح آب های زیرزمینی است. علاوه بر افت سطح آب های زیرزمینی عوامل دیگری نیز در نشست زمین دخالت دارند.
      برای جلوگیری از نشست زمین به دلیل افت سطح آب های زیرزمینی راه حل های زیر مطرح می گردد:
1- پیشگیری از پمپاژ بی رویه آب و در صورت امکان استفاده از آب های سطحی بجای آب زیر زمینی.
2- تغذیه سفر های زیرزمینی توسط آب های سطحی ودر صورت امکان انتقال آب از حوضه های مجاور ویا تغذیه توسط فاضلاب شهری خصوصا اگر در نقاط شهری این مشکل وجود داشته باشد.
3- مطالعه دقیق لایه ها و خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی آن ها در طراحی ها شهری و مناطق صنعتی.
4- شناخت مناطق کارستی و بررسی امکان تشکیل سینک هول در محدوده پروژه ها.

کلید واژه ها: سایر موارد