خشک سالي، تهديدي براي پل هاي زاينده رود (2)

در سطح شهر اصفهان حدود 250 حلقه ي چاه داراي پروانه ي بهره برداري هستند. علاوه بر آن، تعدادي چاه فاقد پروانه ي بهره برداري هستند که به طور غيرقانوني آب هاي زيرزميني را استخراج مي کنند. حجم آب استخراجي از طريق چاه هاي داراي پروانه بالغ بر 30 ميليون مترمکعب است که به طور عمده به مصرف شرب و فضاي سبز مي رسد.

منبع اصلي تغذيه ي آبخوان آب هاي زيرزميني در گستره شهر اصفهان رودخانه ي زاينده رود است. البته بخشي از آن نيز حاصل از ريزش هاي جوي است که با توجه به گسترش شهرسازي و تبديل سطوح نفوذپذير به سطوح نفوذناپذير، سهم اين بخش در تغذيه ي سفره هاي آب زيرزميني ناچيز خواهد بود.

عوامل فوق باعث کاهش قابل توجه سطح آب زيرزميني در استان و شهر اصفهان گرديده است. خشک شدن زاينده رود در سال گذشته مي تواند تأثير مضاعف بر اين وضعيت داشته باشد.

در برخي مناطق افت سطح آب زيرزميني در استان به چندين متر رسيده است. کاهش سطح آب زيرزميني در آبخوان در برخي از دشت هاي اصفهان در شکل هاي 18 تا 22 نشان داده شده است. همان طور که ملاحظه مي شود در آبخوان اصفهان – برخوار، سطح آب زيرزميني از سال 1374 الي 1386 به ميزان 6 متر کاهش يافته است. اگر چه در خصوص برخي از دشت هاي استان اقداماتي از جمله تغذيه ي مصنوعي سفره هاي آب زيرزميني توسط شرکت آب منطقه اي استان اصفهان جهت کنترل افت سطح آب زيرزميني انجام گرفته، ولي برداشت بيش از حد مانع حصول نتايج رضايت بخش از اين طرح ها گرديده است.
به دنبال افزايش نياز به آب هاي سطحي زيرزميني، خشک سالي هاي پي در پي در محدوده ي فلات مرکزي و به خصوص شهر اصفهان ايجاد گشته که منجر به قطع جريان آب جاري در بستر رودخانه ي زاينده رود در محدوده ي شهر اصفهان شده است. اين معضل طبعاً منجر به خشک شدن خاک بستر و پايين رفتن سطح ايستابي آب زيرزميني در محدوده ي مذکور تا چندين متر گرديده است. علي رغم چنين خشک سالي شديدي، برداشت از آب هاي زيرزميني به واسطه ي مصرف شرب، فضاي سبز و زمين هاي کشاورزي حومه ي شهر ادامه دارد که قطعاً موجب پديده ي فرونشست در آبرفت هاي محدوده ي شهر مي شود.

پديده ي فرونشست زمين
 

فرونشست عبارت است از حرکت عمودي زمين به سمت پايين که مي تواند با جابه جايي هاي ناچيز افقي نيز همراه باشد. اين پديده گاهي به صورت بسيار کند و حتي در بعضي مواقع به طور غيرمحسوسي سطح زمين را تحت تأثير قرار مي دهد، اما در برخي موارد نيز زمين به صورت کاملاً ناگهاني فرو مي ريزد. فرونشست مي تواند منطقه اي به مساحت چند مترمربع و يا محدوده اي به وسعت و بزرگي هزاران کيلومترمربع را تحت تأثير قرار دهد. معمولاً هنگامي که سطح زمين به صورت کند و تدريجي به سمت پايين حرکت مي کند نسبت به حالتي که زمين به طور ناگهاني فرو مي ريزد، محدوده ي وسيع تري از سطح زمين دچار فرونشست مي شود. در حالت اول فرونشست در مقياس ناحيه اي و در حالت دوم فرونشست به صورت محلي رخ مي دهد [30-5].
با بررسي فرونشست در قمست هاي مختلف دنيا، مي توان به طور کلي دلايل ايجاد فرونشست را به دو دسته تقسيم نمود: 1- فرونشست در اثر معدن کاري يا انحلال مواد جامد 2- فرونشست در اثر استخراج سيالات از زمين، هر دوي اين موارد مي تواند در اثر عوامل طبيعي يا مصنوعي ايجاد شود.

به راحتي مي توان تصور کرد که چگونه ايجاد فرونشست در بالاي غارهاي انحلال يافته در سنگ بستر اتفاق مي افتد، اما به راحتي نمي توان درک کرد که چگونه در نتيجه ي استخراج سيالات از منافذ موجود در لايه هاي ماسه و رس نيز منطقه اي دچار فرونشست مي شود. با اين وجود در قسمت هايي از دنيا مشاهده شده که استخراج زياد در فيلدهاي نفتي و برداشت بي رويه آب زيرزميني در مناطقي با آب و هواي خشک و نيمه خشک، باعث پايين رفتن سطح زمين مي گردد. به طور معمول اين نوع فرونشست در مقياس ناحيه اي و به صورت تدريجي اتفاق مي افتد. استخراج نفت در حوضه ي نفتي ويلمينگتون در کاليفرنيا باعث شده است که در منطقه اي به وسعت 50 کيلومترمربع فرونشست اتفاق بيفتد. ميزان فرونشست در مرکز اين حوضه بيش از 9 متر بوده است.

قبل از شروع پمپاژ سطح ايستايي در سطح آبخوان و سطح فشار در نزديکي سطح زمين قرار گرفته بود، بنابراين غالب رسوبات نشان داده شده در مقطع رسوبي منطقه، از آب اشباع و فشار آب در آبخوان محبوس به طور قابل توجهي زياد بوده است. اما در سال هاي اخير برداشت از ذخيره ي آب زيرزميني، منجر به افت سطح ايستابي شده است، تا جايي که ميزان افت سطح ايستايي را بيش از 50 متر اندازه گيري کرده اند. بررسي فرونشست در اين ناحيه نشان داد که بلافاصله پس از افت سطح ايستابي، سطح زمين شروع به فرونشست مي کند. کاهش در ارتفاع سطح زمين به وسيله ي کاهش ارتفاع بنچ مارک ها قابل اندازه گيري است. براي اين منطقه کاهش در ارتفاع سطح ايستابي و نيز نرخ تغييرات ارتفاع بنچ مارک ها به صورت گرافي رسم شده است. مقايسه ي اين گراف ها با يکديگر نشان مي دهد که اولاً افت سطح ايستابي و ميزان فرونشست بر يکديگر منطبق هستند، و ثانياً، نرخ اين تغييرات در سال هاي مختلف با يکديگر متفاوت است که اين موضوع به طور مستقيم با کاربري اراضي مرتبط مي باشد. اگر چه فرونشست ناشي از برداشت آب در اين منطقه به صورت تدريجي اتفاق مي افتد، اما مشاهده ي شکاف هايي به عرض 1 متر و طول 1 کيلومتر در حاشيه ي حوزه ي فرونشست نمودي بر فرونشست سطح زمين در اين منطقه بوده است. اين شکاف ها باعث تخريب بزرگراه ها، مناطق مسکوني و ... گرديده است.

مکانيسم فرونشست در اثر برداشت آب زيرزميني
 

رابطه ي بين استخراج مايعات و فرونشست، به وسيله ي روابط فيزيکي لايه هايي که سيال از آن ها استخراج مي شود، به راحتي قابل درک است. لايه هاي رسوبي از دانه هايي با اندازه هاي مختلف تشکيل شده و بر روي يکديگر قرار گرفته اند که به غير از لايه هاي قرار گرفته در نزديکي سطح زمين، بقيه ي لايه ها اشباع هستند. ضخامت اين لايه ها و نحوه ي آرايش دانه هاي کانيايي در هر لايه به وسيله ي فشار محيط (1) تعيين مي شود.

فرونشستي که ما در سطح زمين مشاهده مي کنيم در نتيجه ي تراکم لايه هاي حاوي مايعات است. تراکم فرايندي است که در نتيجه ي آن صخامت يک لايه ي رسوبي کاهش مي يابد. تراکم را مي توان به طور مستقيم طي مدت زماني که فرونشست انجام مي گيرد، اندازه گيري کرد. با اين روش مي توان ميزان تراکم را در هر لايه اندازه گيري نمود و سهم هر لايه را در تراکم کل تخمين زد. طي تحقيقاتي که در San pixely، Sunnyvale، Joaquin Vally انجام شده، نشان داده شده است که اولاً همزمان با شروع افت آب، تراکم شروع مي شود و به محض اينکه آب شروع به بالا آمدن مي کند، تراکم متوقف مي شود. ثانياً قسمت عمده ي تراکم در لايه هاي ريزدانه اتفاق مي افتد.

تراکم از ديدگاه ميکروسکوپي وقتي اتفاق مي افتد که ذرات در اثر اعمال فشار به همديگر فشرده شوند و نوع آرايش آنها عوض شود. اين گونه تغيير باعث کاهش نفوذپذيري، افزايش دانسيته و کاهش در ضخامت لايه ها مي گردد. آنچه باعث افزايش فشار و در نتيجه تراکم لايه ها مي شود افزايش تنش مؤثر است. فرايند افزايش تنش مؤثر و تراکم خاک در زير توضيح داده شده است.

در قسمت هاي اشباع و نيمه اشباع خاک، فشار کل روباره به وسيله ي ذرات خاک و آب بين منفذي تحمل مي شود، با زهکشي آب از حفرات خاک، فشار آب بين منفذي کاهش مي يابد و در نتيجه ي اين عمل، تنشي که به وسيله ي آب تحمل مي شد به تدريج به ذرات خاک منتقل مي گردد. به عبارت ديگر تا هنگامي که تأثير شناوري آب بين منفذي از بين برود، وزن مؤثر رسوبات در منطقه ي خشک شده به تدريج افزايش مي يابد (شکل 23)، به طوري که وقتي سطح آب زيرزميني به اندازه ي يک متر کاهش يافت، اسکلت خاک به اندازه ي 10 کيلوپاسکال افزايش تنش را تحمل خواهد کرد. در نتيجه ي اين افزايش تنش، خاک ساختار خود را تغيير مي دهد تا با وضعيت جديد تنش سازگار شود.

قبل از اينکه فشار منفذي کاهش پيدا کند و تنش مؤثر افزايش يابد، نحوه ي آرايش دانه هاي رس به صورت پراکنده است و ساختار غيرفشرده اي را نشان مي دهد. اما با افزايش تنش مؤثر ساختار دانه هاي رس به صورت به هم فشرده و متراکم مي شود. با تغيير ساختار خاک، نسبت تخلخل رسوبات و بنابراين حجم رسوبات کاهش مي يابد که اين کاهش حجم به صورت فرونشست در سطح زمين ظاهر مي شود.

مقدار فرونشست در نتيجه ي برداشت آب زيرزميني به وسيله ي فاکتورهايي از قبيل افزايش تنش مؤثر، صخامت و تراکم پذيري رسوبات، طول مدتي که افزايش بار صورت گرفته، سرعت و نوع تنش به کار برده شده، عمق قرارگيري آبخوان و گسترش جانبي آن کنترل مي شود. به عنوان مثال در ناحيه اي در هوستون تگزاس، بيشترين مقدار فرونشست در مناطقي مشاهده شده که ضخامت ميان لايه هاي رسي نسبت به ساير نقاط بيشتر است و همچنين حداکثر افت سطح ايستابي در آن نقاط اندازه گيري شده است. همچنين ميزان فرونشست حاصل از تراکم آبخوان هنگامي مورد توجه بوده که آبخوان بزرگ و در نزديکي سطح زمين قرار گرفته است و تراکم آبخوان هاي کوچکي که در اعماق قرار گرفته اند، کم و قابل چشم پوشي بوده است.

روش هايي که براي کنترل فرونشست در نتيجه ي برداشت آب زيرزميني مي توان به کار برد شامل کاهش نرخ پمپاژ و تغذيه ي مصنوعي آبخوان از سطح زمين است. البته باعث بروز عوارضي در سطح زمين مي شود و همچنين مي تواند عاملي براي ايجاد شکاف باشد.

پي نوشت
 

1-استاديار مهندسي هيدروليک، گروه عمران، دانشکده ي فني و مهندسي، دانشگاه اصفهان
2- استاديار ژئوتکنيک، گروه عمران، دانشکده ي فني و مهندسي، دانشگاه اصفهان
3- دانشيار مهندسي سازه، گروه عمران، دانشکده ي فني و مهندسي، دانشگاه اصفهان
1-Ambient pressure condition
 

منابع
1- Cerna, M. M., and McDower, C. (2000) Risks and Reconstruction, World Bank, Washington D.C.
2- Hejazi, M. (2008) The Risks to Cultural Hertiag in Western and Central Asia, Journal of Asian Architecture and Building Enginering (JAABE), Vol. 7, No. 2, pp.239-245
3- هنر فر، لطف الله، اصفهان، امير کبير، تهران، 1346.
4- مخلصي، محمدعلي، پل هاي قديمي ايران، سازمان ميراث فرهنگي کشور، تهران، 1379.
5- Ajalleina, A., and B. Bahadoran (1998) Ground subsidence due to perculting and pumping water (case studies in Iran): The 19th Asian Conf. on Remote Sensing (ACRS), 16-20. Nov. 1998. Monila, Philipping.
منبع: ماهنامه فني – تخصصي دانش نما 175 – 174

/ن