فروشست زمین: از تئوری تا نحوه عملکرد پدیده فرونشست

خبرگزاری کشاورزی ایران (ایانا) - سامی قوردویی میلان، دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی مدیریت منابع آب، دانشگاه تهران:

امروزه بحران آب از تعاریف، اصطلاحات و عبارات رایج گذشته نظیر کاهش بارندگی‌ها، کسری مخازن و ذخایر آبی، اقلیم خشک و نیمه خشک آنها عبور کرده و به از دست رفتن کامل دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و سفره‌های آب زیرزمینی، خالی شدن روستاهای بزرگ و کوچک از سکنه و نزاع‌ها و کشمکش‌ ‎ های اجتماعی و استانی و به‌عنوان مهم‌ترین مسایل و بحران روز اجتماعی، سیاسی و محیط زیستی تبدیل شده است. این وضعیت به‌ویژه در سفره‌های آب زیرزمینی دارای حساسیت بیشتری است. امروزه صحبت از فرو نشست‌ زمین و از بین رفتن کامل آبخوان‌ها و خالی شدن روستاها و حتی بحران آب در شهرها بوده و در بسیاری از نقاط ایران سفره‌های آب زیرزمینی تنها منبع قابل اطمینان برای شرب است.

فرونشست زمین یکی از مشکلات رایج در برخی از نقاط کشورمان است که در تعدادی از آنها نرخ این فرونشست بسیار سریع بوده و منجر به نگرانی مسئولین در این مناطق شده است. از جمله مناطقی که در حال حاضر دچار فرونشست در اثر افت شدید سطح آب زیرزمینی شده‌اند م‌ ‌ توان به دشت سمنان، جنوب تهران، ورامین، مناطق مختلفی از استان‌های کرمان (دشت‌های رفسنجان‏‏‏، زرند و سیرجان)، قم، آذربایجان شرقی، فارس و همدان اشاره کرد.

نقشه پراکندگی تقریبی نشست ناشی از بهره‌برداری آب زیرزمینی در کشور

تئوری فرونشست زمین

نشست ( Subsidence ) را می‌توان چنین تعریف کرد: نشت ایجاد حفره ( Sinking ) یا پایین رفتن زمین ( Settlement ) است که به علت فرایندهای متعددی اتفاق می‌افتد. این اصطلاح تنها مربوط به جابجایی و پایین رفتن سطوح طبیعی به‌صورت عمودی است اگرچه ممکن است با حرکات افقی نیز همراه باشد.

تراکم ( Compaction ) نیز کاهش ضخامت رسوبات، در نتیجه افزایش تنش فشاری عمودی، که هم معنی "تحکیم یک‌بعدی" است که توسط مهندسین به کار برده می‌شود. از اصطلاح تراکم ( Compaction ) هم برای فرایند تراکم و هم برای تغییر ضخامت اندازه‌گیری شده، استفاده می‌کنیم، همچنین تراکم رسوبات در پاسخ به افزایش تنش اعمال شده رخ می‌دهد. اگر تنش موجود و افزایش آن کمتر از محدوده تنش پیش تحکیمی باشد، تغییرات ضخامت الاستیک بوده و با برداشتن تنش مازاد، خاک به شرایط اولیه خود باز خواهد گشت؛ بنابراین این نوع تراکم را تراکم برگشت‌پذیر یا الاستیک « Elastic » می‌نامند. و اگر تنش مجموع حاصل از تنش موجود در خاک و افزایش تنش اعمال شده بیشتر از حد تنش پیش تحکیمی شود، در این صورت تراکم خاک ثابت بوده و تغییر شکل ایجاد شده در خاک باقی خواهد ماند. این نوع تراکم را تراکم برگشت‌ناپذیر یا غیر الاستیک " Non-Elastic " می‌نامند.

تنش پیش‌تحکیمی ( Preconsolidation Stress ):

در حقیقت تنش کمتر از تنش پیش تحکیمی سبب تغییر شکل‌های جزئی الاستیک و برگشت‌پذیر و تنش‌های بیشتر از آن در مواد ریزدانه، منجر به تغییر شکل‌های بزرگ‌تر و برگشت‌ناپذیر خواهد شد.

تنش‌های مؤثر در آبخوان

فشاری که به آب درون خلل و فرج در یک محیط متخلخل اشباع وارد می‌شود، فشار منفذی نامیده می‌شود. مطابق شکل زیر بار این فشار در نقطه‌ای مانند A به وسیله ارتفاع آب در پیزومتری که انتهایش در تراز نقطه A قرار دارد، اندازه‌گیری می‌شود.

تنش در یک آبخوان تحت فشار

اگر در شکل فوق آب از پیزومتر برداشته شود، با توجه به اینکه بخشی از بار رسوبات بالایی توسط آب تحمل می‌شده است، برداشت آب از آبخوان موجب کاهش فشار منفذی می‌شود. چون وزن روبار در نقطه A تغییر نمی‌کند، مقدار تنش کل در نقطه A ثابت می‌ماند و بنابراین کاهش فشار منفذی در آبخوان موجب افزایش تنش بین دانه‌ای می‌شود، بنابراین افزایش تنش بین دانه‌ای موجب تراکم رسوبات در محیط متخلخل می‌شود. به این ترتیب تراکم رسوبات، منجر به کاهش ضخامت آبخوان و حجم خلل و فرج می‌شود. وقتی که فشار منفذی در آبخوانی کاهش یابد، آبخوان از جهات افقی و عمودی تغییر شکل می‌دهد. ولی معمولاً تغییر شکل افقی در مقایسه با تغییر شکل قائم اندک و قابل صرف نظر است.

زمان نشست

زمان نشست در سفره‌های تحت فشار پس از وقوع کاهش فشار، مدت زمان معینی است که در رسوبات تراکم ایجاد کرده و وضعیت تعادلی جدید را ایجاد می‌کند و طبق نظر ترزاقی این زمان متناسب با مجذور ضخامت رسوبات بوده و نیز جنس ذرات لایه‌های سفره در این زمان نقش موثری دارند. در لایه‌های سیلتی ماسه‌ای بیشترین فشردگی در چند سال رخ می‌دهد و در لایه‌های رسی کم ضخامت در مدت چند دهه و در لایه‌های رسی ضخیم در مدت صدها سال به طول می‌انجامد.

میزان نشست

میزان نشست به دو عامل بستگی دارد: اول نوع رسوبات: دانه‌بندی ریزتر و میزان رس بیشتر منجر به امکان قابلیت تراکم بیشتر و در نتیجه نشست بیشتر سطح زمین. دوم افزایش فشار بین ذره‌ای در اثر افت سطح آب زیرزمینی

محاسبه تراکم لایه‌هایی که در آن فشار بین ذره‌ای افزایش یافته است از طریق محاسبه کاهش خلل و فرج با روش‌های آزمایشگاهی مکانیک خاک تعیین می‌شود. در یک لایه یکنواخت چون مقدار فشار بین ذره‌ای با افزایش عمق افزایش می‌یابد، مقدار مدول الاستیسیته خاک ( E ) افزایش خواهد یافت. با اعمال یک بار استاتیک بر روی لایه درشت دانه مانند ماسه در ابتدای تغییر شکل بر اثر تخریب ساختمان و آرایش قبلی ذرات به وجود می‌آید و طبیعتاً با کاهش حجم توده خاک همراه بوده که به تدریج از شدت آن کاسته می‌شود.

نحوه عملکرد پدیده فرونشست

همان‌طور که گفتیم نشست زمین ناشی از بهره‌برداری از منابع آب زیرزمینی در اثر افزایش فشار بین ذره‌ای در آبرفت است. این افزایش فشار در سفره‌های آزاد نتیجه از بین رفتن شناوری ذرات جامد در بخشی از سفره است که سطح آب در آن پایین افتاده است. افت ناموزون سطح آب زیرزمینی و ناهمگنی تراکم آبرفت موجب نشست ناموزون سطح زمین و ایجاد شکاف‌هایی در پوسته زمین می‌شود.

شکاف‌های کششی واقع در روی سطوح مخفی گسلی که عمدتاً در حاشیه حوضه وجود دارند نتیجه افزایش خطی پدیده نشست از اطراف منطقه به مرکز آن می­باشد. این پدیده می‌تواند منجر به حرکت لغزش (چرخشی) رسوباتی که در سطح گسل قرار دارند شود.

ایجاد شکاف‌های حاشیه دشت ناشی از فرونشست

افزایش خطی نشست از اطراف منطقه بهره‌برداری به طرف مرکز منطقه همچنین ممکن است به علت بهره‌برداری بیشتر آب در مرکز دشت و در نتیجه افت بیشتر در این نواحی باشد.

به علاوه افزایش نشست به علت وجود لایه‌های ضخیم رسی در مرکز منطقه است و کاهش ضخامت این لایه‌ها در حواشی دشت است.

تحت چنین شرایطی تراکم لایه‌های رسی و رسوبات دیگر در زیر سطح آب از اطراف منطقه بهره‌برداری به طرف مرکز افزایش می‌یابد و باعث می‌شود مطابق شکل بالا رسوبات بالایی از امتداد CE به CF در روی لایه‌های متراکم شده و از AB به AD در سطح زمین لغزش (چرخش) کنند و درنتیجه شکافی در بالای سطح گسل به وجود می‌آید.

در منطقه‌ای که سنگ کف سفره در عمق کم قرار دارد به علت ضخامت ناچیز آبرفت امکان حفر چاه و بهره‌برداری وجود ندارد، لذا آب‌های زیرزمینی به سمت مناطق دارای ضخامت بیشتر انتقال یافته و این پدیده منجر به افزایش نشست و جابجایی افقی لایه‌ها در آن منطقه می‌شود. این جابجایی افقی منجر به ایجاد شکاف‌های در راستای بالا آمدگی سنگ کف می‌شود.

تأثیر توپوگرافی سنگ کف در نحوه فرونشست و شکاف‌های ناشی از آن

نشست زمین معمولاً هم‌زمان با افت سطح آب زیرزمینی اتفاق نمی‌افتد، زیرا تراکم در لایه‌های رسی طی مدت زمان طولانی انجام می‌شود. در صورتی که لایه‌های رسی ضخیم و رس متراکم باشد ده‌ها سال طول خواهد کشید تا آب درون حفرات رسی تخلیه شده و فشار مؤثری که لایه‌های رسی تحمل کرده‌اند به طور کامل در تمام نقاط تماس ذرات به یکدیگر مستهلک شود. در این حالت نشست زمین می‌تواند تا سال‌ها پس از آنکه افت سطح آب متوقف شده است، ادامه یابد./

L-951111-01