نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• کورش شیرانی ¹
• مهرداد پسندی ²

¹ دانشیار، گروه تحقیقات مهندسی حفاظت آب و خاک پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

² دانشیار، گروه زمین‌شناسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

مقدمه
فرونشست زمین به‌عنوان یکی از مخاطرات زمین‌شناسی، تأثیرات گسترده‌ای بر زیرساخت‌ها، کشاورزی و محیط‌زیست دارد. این پدیده می‌تواند ناشی از عواملی همچون برداشت بی‌رویه آب‌های زیرزمینی، فعالیت‌های معدنی، استخراج نفت/ گاز و یا عوامل طبیعی مانند تراکم رسوبات و حرکات تکتونیکی باشد. پایش دقیق این پدیده با استفاده از تکنولوژی‌های نوین، راهکاری کلیدی برای کاهش آثار زیان‌بار آن به شمار می‌رود. روش تداخل‌سنجی راداری روزنه مصنوعی (InSAR)، به‌ویژه تکنیک پراکنده‌سازهای ماندگار (PSInSAR)، یکی از پیشرفته‌ترین روش‌ها برای پایش تغییرات سطح زمین است. این روش با دقت میلی‌متری، امکان شناسایی جابجایی‌های کوچک زمین را فراهم می‌کند و ابزار مهمی برای پایش بلندمدت فرونشست در مناطق وسیع می‌باشد. این مطالعه با هدف ارزیابی و پهنه‌بندی خطر فرونشست زمین در برخی از مهم‌ترین حوزه‌های آبخیز استان اصفهان، شامل اصفهان-برخوار، نجف‌آباد، مهیار شمالی، مهیار جنوبی و کوهپایه-سجزی، با استفاده از داده‌های صعودی، نزولی و ترکیبی (صعودی-نزولی) ماهواره Sentinel-1 و تکنیک PSInSAR انجام شده است. این پژوهش ضمن ارائه اطلاعات دقیق در مورد وسعت و شدت فرونشست، به شناسایی الگوهای مکانی و زمانی این پدیده پرداخته و نتایج آن برای سیاست‌گذاری و مدیریت خطرات فرونشست می‌تواند بسیار حائز اهمیت باشد.
 
مواد و روش‌ها
منطقه مورد مطالعه شامل حوزه‌های آبخیز گسترده‌ای است که نه‌تنها کلان‌شهر اصفهان را در بر می‌گیرد، بلکه مناطق وسیعی از زمین‌های کشاورزی و سکونتگاه‌های مهم را نیز شامل می‌شود. در این مطالعه، داده‌های راداری Sentinel-1  مربوط به دوره زمانی 1393 (2014) تا 1402 (2023) مورد استفاده قرار گرفته است. این داده‌ها شامل تصاویر صعودی و نزولی این ماهواره می‌باشد که ترکیب آن‌ها به حذف ابهامات ناشی از جهت جابجایی کمک می‌نماید. در ابتدا، پردازش اولیه داده‌ها انجام گردیده که شامل هم‌ثبت‌سازی تصاویر به‌منظور تطابق دقیق پیکسل‌ها و تولید تداخل‌نگارها برای استخراج تغییرات فاز می‌باشد. سپس شناسایی پراکنده‌سازهای ماندگار (PS) صورت گرفته است که در این مرحله، نقاطی با بازتاب پایدار رادار با استفاده از شاخص پراکندگی دامنه (ADI) و تحلیل پایداری فاز شناسایی شده‌اند. در گام بعد، تصحیح خطاهای جوی و مداری با استفاده از مدل‌های آماری و روش‌های وارون‌سازی انجام شده تا اثرات جوی و خطاهای مداری حذف شوند. سپس به توسط تحلیل سری زمانی تغییرات زمین، جابجایی در طول زمان محاسبه گردیده و داده‌ها به مختصات جغرافیایی تبدیل شده‌اند. در ادامه، داده‌های به‌دست‌آمده با داده‌های زمینی و سایر منابع مستقل مقایسه شده تا دقت و قابلیت اعتماد نتایج اعتبارسنجی شود. نهایتاً نقشه‌های پهنه‌بندی شامل نقشه‌های فرونشست تجمعی، نرخ سالیانه فرونشست و پهنه‌های خطر وقوع این پدیده تهیه شده‌اند.
 
نتایج و بحث
نتایج نشان می‌دهد که فرونشست زمین در منطقه مورد مطالعه از مقدار ناچیز تا 55 سانتی‌متر در بازه 9 ساله مورد بررسی متغیر می‌باشد. نرخ سالیانه فرونشست در مناطقی از حوضه‌های اصفهان-برخوار و مهیار جنوبی به 6 سانتی‌متر در سال رسیده است. ترکیب داده‌های صعودی و نزولی علاوه بر کمک به کاهش خطاها، امکان تفکیک جابجایی‌های عمودی و افقی زمین را نیز فراهم ساخته است. بیشترین فرونشست تجمعی در مناطق شهری و کشاورزی حوضه اصفهان-برخوار و همچنین در محدوده رسوبات رسی در حوضه مهیار جنوبی مشاهده می‌شود. پهنه‌بندی خطر نشان می‌دهد که حوضه‌های اصفهان-برخوار و مهیار جنوبی دارای بیشترین مساحت پهنه‌های با خطر بسیار زیاد هستند. در سایر حوضه‌ها، مناطق با خطر متوسط و کم غالب هستند. نقشه‌های پهنه‌بندی، ارتباط مستقیمی را بین بیشترین میزان فرونشست و کاربری اراضی (مانند مناطق شهری و کشاورزی) و همچنین ویژگی‌های زمین‌شناسی (رسوبات رسی و کلوت‌ها) نشان می‌دهند.
 
نتیجه‌گیری
استفاده از تکنیک PSInSAR برای پایش فرونشست زمین در استان اصفهان، اطلاعات ارزشمندی درباره الگوها و روند این پدیده ارائه نموده است. نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که فرونشست در حوضه‌های اصفهان-برخوار و مهیار جنوبی نه تنها شدید است، بلکه روند مداومی دارد. این موضوع نیازمند برنامه‌ریزی فوری و اجرای اقدامات مدیریتی برای کاهش خطرات فرونشست است. ارتباط بین فرونشست و عوامل انسان‌زاد مانند برداشت بی‌رویه آب‌های زیرزمینی و ویژگی‌های زمین‌شناسی بر ضرورت برنامه‌ریزی یکپارچه برای مدیریت پایدار منابع آب و استفاده از زمین تأکید دارد. نقشه‌های پهنه‌بندی خطر ارائه‌شده در این مطالعه، ابزار ارزشمندی برای سیاست‌گذاران و برنامه‌ریزان شهری به‌منظور مدیریت بهینه ریسک‌های ناشی از فرونشست زمین است. پژوهش‌های آینده باید بر پایش مداوم و توسعه مدل‌های پیش‌بینی فرونشست برای مقابله مؤثر با این پدیده متمرکز شوند.
 

کلیدواژه‌ها

• تداخل‌سنجی راداری PSInSAR
• داده‌های صعودی و نزولی
• فرونشست
• Sentinel-1

عنوان مقاله [English]

Land subsidence risk assessment and zoning in the watersheds of Isfahan Province using Persistent Scatterer InSAR (PSInSAR)

نویسندگان [English]

• Kourosh Shirani ¹
• Mehrdad Pasandi ²

¹ Associate Professor, Department of Soil and Water Management Engineering, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran

² Associate Professor, Department of Geology, University of Isfahan, Isfahan, Iran

چکیده [English]

Introduction
Land subsidence, a significant geological hazard, poses widespread risks to infrastructure, agriculture, and the environment. This phenomenon may result from factors such as excessive groundwater extraction, mining activities, oil/gas extraction, or natural causes like sediment compaction and tectonic movements. Accurate monitoring of land subsidence using advanced technologies is essential for mitigating its adverse effects. Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR), particularly the Persistent Scatterer InSAR (PSInSAR) technique, is one of the most advanced methods for monitoring ground deformation. With millimeter-level precision, it enables the detection of subtle land movements and serves as a critical tool for long-term subsidence monitoring over large areas. In this study, Sentinel-1 satellite data (ascending, descending, and combined modes) and the PSInSAR technique were utilized to assess and map land subsidence risk in major watersheds of Isfahan Province, including Isfahan-Borkhar, Najafabad, Northern Mahyar, Southern Mahyar, and Kuhpayeh-Sejzi. By providing detailed insights into the extent and severity of subsidence, this research identifies spatial and temporal patterns, offering crucial information for policymaking and risk management.
 
Materials and methods
The study area encompasses extensive watersheds that include the metropolis of Isfahan, as well as significant agricultural lands and residential areas. The Sentinel-1 radar data spanning from 2014 to 2023 were used, including ascending and descending imagery, to resolve displacement ambiguities caused by the directional nature of movement. Initial data processing involved co-registration of radar images to align pixels accurately and generate interferograms for phase change extraction. Persistent scatterers (PS) were identified using the Amplitude Dispersion Index (ADI) and phase stability analysis. Atmospheric and orbital errors were corrected using statistical models and inversion techniques to eliminate biases. Temporal analysis of ground displacement was conducted to calculate deformation trends, with data georeferenced for spatial interpretation. Validation was carried out by comparing results with ground-based data and independent sources. Final outputs included cumulative subsidence maps, annual subsidence rates, and risk zoning maps highlighting areas prone to land subsidence.
 
Results and discussion
The findings reveal that subsidence in the study area ranged from negligible levels to 55 cm over the nine-year observation period. Annual subsidence rates in parts of the Isfahan-Borkhar and Southern Mahyar watersheds reached 60 mm per year. Combining ascending and descending data improved accuracy and enabled the separation of vertical and east-west horizontal displacement components. The highest cumulative subsidence was observed in urban and agricultural zones of the Isfahan-Borkhar watershed and in clayey sediment areas within the Southern Mahyar watershed. Risk zoning maps indicate that the Isfahan-Borkhar and Southern Mahyar watersheds have the largest areas classified as high-risk. The other watersheds predominantly exhibit moderate to low-risk zones. The maps demonstrate a strong correlation between severe subsidence and land use (urban and agricultural areas) as well as geological features (clayey sediments and alluvial deposits).
 
Conclusions
The application of PSInSAR for monitoring land subsidence in Isfahan Province provides valuable insights into the patterns and trends of this phenomenon. The results highlight severe and ongoing subsidence in the Isfahan-Borkhar and Southern Mahyar watersheds, necessitating urgent planning and management measures to mitigate the associated risks. The link between subsidence and anthropogenic factors, such as excessive groundwater extraction, and geological characteristics underscores the need for integrated planning for sustainable water resource management and land use. The risk zoning maps presented in this study serve as essential tools for policymakers and urban planners to optimize risk management strategies. Future research should focus on continuous monitoring and the development of predictive subsidence models to address this issue effectively.

کلیدواژه‌ها [English]

• Ascending and descending data
• PSInSAR interferometry
• Sentinel-1
• Land subsidence