فرونشست زمین
آیا می توان روند فرو نشست زمین را که به دلیل کاهش آبهای زیرزمینی در شهرهای سراسر جهان در حال رخ دادن است معکوس کرد؟
مشکل جهانی فرونشست شهرها
بسیاری از شهرهای جهان در حال فرونشست هستند؛ زیرا مقدار بیش از حدی از آب موجود در مخازن زیرزمینی آب این شهرها استخراج می‌شود. این فرونشست باعث می‌شود با گرم‌شدن اقلیم و بالا آمدن سطح دریاها، شهرهای ساحلی بیش از پیش در معرض خطر قرار بگیرند. اما همان‌طور که پژوهش جدید ما نشان می‌دهد، این فرایند می‌تواند در جهت عکس نیز عمل کند؛ یعنی هنگامی که ذخایر آب زیرزمینی دوباره تغذیه می‌شوند، سطح زمین و شهرها می‌تواند در بعضی مواقع و بعضی شرایط خاص بالا بیاید.
یافته‌های ما همچنین سرنخی غیرمنتظره را آشکار می‌کند: گسل‌ها نقش مهمی در تعیین محل و سرعت بازیابی آبهای زیرزمینی و بالا آمدن سطح زمین دارند.
فرونشست زمین، یعنی پایین رفتن تدریجی سطح زمین، بسیاری از شهرهای بزرگ جهان را تحت تأثیر قرار داده است. بخش‌هایی از جاکارتا، پایتخت اندونزی، هر سال بیش از ۱۰ سانتی‌متر فرونشست می‌کند. این وضعیت دولت را وادار کرده است که برای انتقال پایتخت و جابه‌جایی شهر برنامه‌ریزی کند.(همین طور در بسیاری از کلان شهر های ایران نیز این اتفاق افتاده است )
شهر ساحلی تیانجین در چین، محل زندگی ۱۵ میلیون نفر است. این شهر نیز یکی از مناطق بحرانی از نظر فرونشست به شمار می‌رود. اگر فرونشست در آنجا بدون مهار ادامه یابد، تا سال ۲۱۲۰ حدود ۱۵ درصد از جمعیت شهر زیر آب قرار خواهد گرفت.
نمونه‌های مشابهی از سن‌دیگو تا شهرهای بزرگ ایران نیز دیده می‌شود؛ یعنی در هر جایی که آبهای زیرزمینی سریع‌تر از سرعت جایگزینی و تجدید طبیعی آنها پمپاژ شده‌اند.
در آئوتئاروا نیوزیلند نیز مطالعات اخیر نشان می‌دهند که حدود ۸۰ درصد از خط ساحلی شهری در حال فرونشست است. آبهای زیرزمینی ممکن است در برخی مناطق، از جمله کرایست‌چرچ و ولینگتون، یکی از عوامل مؤثر در این پدیده باشند.
آبهای زیرزمینی شهری چگونه باعث فرونشست می‌شوند؟
بسیاری از شهرها بر فراز مخازن طبیعی آب زیرزمینی، موسوم به «آبخوان‌ها»، ساخته شده‌اند و بخشی از پایداری زمین زیر آنها به وجود آب در این مخازن وابسته است. یک بادکنک بسیار بزرگ پر از آب را در زیر یک شهر تصور کنید. این بادکنک نمایانگر یک آبخوان پر از آب است. هنگامی که آب زیرزمینی پمپاژ و خارج می‌شود، بادکنک خالی و کوچک می‌شود و زمین بالای آن فرو می‌نشیند. (البته این آب در واقعیت در داخل خلل و فرج زمین قراردارد نه به صورت یک مخزن )
این موضوع به‌ویژه در مناطق ساحلی اهمیت دارد. اگر زمین فرونشست کند و هم‌زمان سطح دریا بالا بیاید، این دو اثر با یکدیگر جمع می‌شود. در نتیجه، شهرهای ساحلی با افزایش نسبی بیش تری در سطح آب دریا مواجه می‌شوند و پیامدهای تغییرات اقلیمی زودتر به سراغ آنها می‌آید.
تأثیر پمپاژ آبهای زیرزمینی بر فرونشست زمین به‌خوبی شناخته شده است. به همین دلیل، بهبود مدیریت منابع آب زیرزمینی اغلب به‌عنوان راهبرد اصلی برای کند کردن یا متوقف کردن فرونشست مطرح می‌شود. اما هنوز مشخص نیست که وقتی ذخایر آب زیرزمینی پس از سال‌ها دوباره احیا می‌شود، زمین زیر یک شهر چگونه واکنش نشان می‌دهد. آیا زمین به‌صورت یکنواخت، درست مانند بادکنکی که دوباره باد می‌شود، بالا می‌آید؟ یا این واکنش پیچیده‌تر است؟
اوساکا؛ یک آزمایشگاه طبیعی
شهر اوساکا در ژاپن محیطی ایدئال برای بررسی این موضوع فراهم کرد.
بین دهه‌های ۱۹۲۰ تا ۱۹۶۰ میلادی، پمپاژ شدید آبهای زیرزمینی باعث شد سطح آب در زیر این شهر تا ۳۰ متر پایین برود و در برخی نقاط، زمین بیش از دو متر فرونشست کند. این وضعیت باعث شد دولت ژاپن در اوایل دهه ۱۹۶۰ مقررات سخت‌گیرانه‌ای برای برداشت آبهای زیرزمینی وضع کند. در دهه‌های پس از آن، سطح آبهای زیرزمینی به‌تدریج شروع به بازیابی کرد.
برای ردیابی تغییرات سطح آب زیرزمینی، داده‌های ۴۴ چاه پایش را بررسی کردیم. برای اندازه‌گیری تغییرات بسیار کوچک ارتفاع زمین نیز از روشی به نام «رادار تداخل‌سنجی دهانه مصنوعی» یا InSAR استفاده کردیم. در این روش، تصاویر راداری ماهواره‌ای از سطح زمین در زمان‌های مختلف تهیه و با یکدیگر مقایسه می‌شوند. این اندازه‌گیری‌ها با استفاده از داده‌های بسیار دقیق سامانه جهانی ناوبری ماهواره‌ای (GNSS) در ایستگاه‌های زمینی نیز اعتبارسنجی می‌شوند. نتایج چشمگیر بودند.
در سراسر منطقه کلان‌شهری اوساکا، که حدود ۱۵ میلیون نفر جمعیت دارد، سطح زمین در حال بالا آمدن است و سرعت این افزایش ارتفاع نیز قابل‌توجه است. میانگین سرعت بالا آمدن زمین حدود چهار میلی‌متر در سال بود و در برخی مناطق به ۱۲ میلی‌متر در سال می‌رسید.سطح آبهای زیرزمینی نیز به‌طور پیوسته افزایش یافته بود؛ به‌طوری‌که سرعت افزایش سطح آب در بعضی نقاط به یک متر در سال می‌رسید. هر جا سطح آب زیرزمینی سریع‌تر بالا می‌آمد، زمین نیز سریع‌تر بالا می‌آمد. اما نقشه تغییرات ارتفاع زمین، الگوی یکنواختی نداشت. ممکن بود یک بلوک شهری با سرعت زیادی بالا بیاید، درحالی‌که در فاصله‌ای کمتر از ۱۰۰ متر، در خیابان مجاور، سرعت بالا آمدن زمین بسیار کم تر باشد.
این تغییرات ناگهانی تصادفی نبودند. آنها در قالب نوارهایی باریک اما پیوسته در سراسر شهر امتداد داشتند. ما به‌زودی متوجه موضوعی غیرمنتظره شدیم: این نوارها تقریباً به‌طور کامل با خطوط گسل‌های زمین‌ساختی شناخته‌شده مطابقت داشتند.
گسل‌ها مانند سد عمل می‌کنند:
گسل‌ها شکستگی‌هایی در پوسته زمین هستند و معمولاً آنها را با زمین‌لرزه مرتبط می‌دانیم. اما ما دریافتیم که گسل‌ها در اینجا نقش دیگری نیز ایفا می‌کنند. یک گسل را مانند پرده‌ای تصور کنید که به‌صورت عمودی در زیر زمین آویزان شده و از میان آبخوان عبور می‌کند. این پرده به‌جای جلوگیری از عبور نور، مانع عبور آب می‌شود؛ جریان جانبی آب را محدود می‌کند و مانند یک سد زیرزمینی عمل می‌کند. در یک سوی گسل اوماچی در اوساکا، سطح آب زیرزمینی با سرعتی سه برابر بیش تر از سوی دیگر گسل بالا آمده است. ما همین الگو را در گسل‌های دیگر شهر نیز مشاهده کردیم.
آب در سمت بالادست گسل، یعنی سمتی که جریان آب به‌راحتی نمی‌تواند از آن عبور کند، تجمع پیدا می‌کند. این موضوع باعث می‌شود آب زیرزمینی در آن سمت سریع‌تر بازیابی شود و زمین نیز با سرعت بیش تری بالا بیاید؛ درحالی‌که سمت دیگر گسل از این نظر عقب می‌ماند.
پژوهش ما فرصت بالقوه مهمی را برای شهرهای ساحلی که در حال سازگار شدن با افزایش سطح آب دریا هستند، برجسته می‌کند. در مناطقی که برداشت بیش از حد آب زیرزمینی در فرونشست زمین نقش داشته است، کاهش استخراج آب و فراهم کردن امکان بازیابی آبخوان‌ها می‌تواند حرکت رو به پایین زمین را کاهش دهد و حتی در برخی نقاط، آن را معکوس کند. با ادامه بالا آمدن سطح دریاها، جلوگیری از فرونشست زمین در زیر شهرهای ساحلی می‌تواند به بخش مهم‌تری از راهبردهای سازگاری با جهانی گرم‌تر تبدیل شود.
این مقاله از نظر علمی بسیار مهم است؛ زیرا نشان می‌دهد که فرونشست زمین همیشه پدیده‌ای یک‌طرفه و برگشت‌ناپذیر نیست و در برخی شرایط می‌توان با مدیریت درست منابع آب، بخشی از آن را جبران کرد.
چند نکته مهم :
۱. آیا واقعاً زمین می‌تواند دوباره بالا بیاید؟
بله، در برخی شرایط.
وقتی آب زیرزمینی بیش از حد برداشت می‌شود، فشار آب در منافذ میان ذرات خاک کاهش می‌یابد. در نتیجه، بار بیش تری بر اسکلت خاک وارد می‌شود و لایه‌های زمین فشرده می‌شوند. با کاهش برداشت و بازیابی آبخوان، فشار آب می‌تواند افزایش یابد و بخشی از تغییر شکل زمین جبران شود.
بااین‌حال، نکته مهم این است که همه فرونشست‌ها برگشت‌پذیر نیستند.
اگر لایه‌های ریزدانه خاک، به‌ویژه رس، بیش از حد فشرده شوند، ممکن است ساختار آنها به‌صورت دائمی تغییر کند. در این شرایط، حتی اگر آب زیرزمینی دوباره به سطح قبلی برسد، زمین الزاماً به ارتفاع اولیه خود بازنمی‌گردد.
بنابراین، جلوگیری از فرونشست، بسیار آسان‌تر و کم‌هزینه‌تر از جبران آن پس از وقوع است.
۲. آیا گسل‌ها واقعاً مانند سد عمل می‌کنند؟
بله، اما نه همه گسل‌ها و نه در همه شرایط.
برخی گسل‌ها به دلیل ویژگی‌های سنگ‌ها و مواد خردشده در امتداد شکستگی، می‌توانند مانع عبور آب زیرزمینی شوند. در مقابل، برخی گسل‌ها مسیر حرکت آب را تسهیل می‌کنند. بنابراین، اثر گسل به ساختار زمین‌شناسی، نوع سنگ، ویژگی‌های مواد پرکننده شکستگی و شرایط هیدرولیکی بستگی دارد.
نکته جالب این پژوهش این است که نشان می‌دهد حتی در یک شهر، رفتار آب زیرزمینی و واکنش زمین ممکن است در فاصله‌ای بسیار کوتاه تفاوت چشمگیری داشته باشد.
۳. اهمیت این مقاله برای ایران چیست؟
به نظر من، این بخش مقاله برای ایران اهمیت ویژه‌ای دارد.
برداشت بی‌رویه از آبهای زیرزمینی یکی از عوامل مهم فرونشست در بخش‌هایی از ایران است. در مناطقی که کشاورزی به‌شدت به چاه‌های آب وابسته است، کاهش ذخایر آب زیرزمینی می‌تواند به فشرده‌شدن لایه‌های زمین و آسیب به ساختمان‌ها، جاده‌ها، خطوط راه‌آهن و زیرساخت‌ها منجر شود.
برای مقابله با این وضعیت، چند اقدام اساسی لازم است:
- کاهش برداشت از آبخوان‌ها: به‌ویژه در مناطقی که برداشت از میزان تغذیه طبیعی آب بیش تر است.
- مدیریت مصرف آب کشاورزی: اصلاح روش‌های آبیاری، انتخاب محصولات متناسب با منابع آب و جلوگیری از برداشت غیرمجاز.
- تغذیه مدیریت‌شده آبخوان‌ها: هدایت بخشی از آبهای سطحی یا سیلاب‌های مناسب به زیر زمین، در مناطقی که از نظر زمین‌شناسی و کیفیت آب شرایط لازم را دارند.
- پایش مداوم زمین: استفاده از تصاویر ماهواره‌ای و اندازه‌گیری سطح آب چاه‌ها برای شناسایی مناطق بحرانی و ارزیابی نتایج اقدامات اصلاحی.
البته تغذیه مصنوعی آبخوان ها باید با بررسی دقیق کیفیت آب، نفوذپذیری زمین و خطر آلودگی انجام شود؛ زیرا ورود آب نامناسب به سفره‌های زیرزمینی می‌تواند مشکلات تازه‌ای ایجاد کند.
۴. آیا نتایج اوساکا را می‌توان مستقیماً به ایران تعمیم داد؟
خیر؛ دست‌کم نه بدون بررسی‌های محلی.
اوساکا پس از اعمال محدودیت‌های برداشت آب، طی چند دهه شاهد بازیابی آب زیرزمینی بوده است. اما میزان بازگشت ارتفاع زمین به نوع خاک، عمق آبخوان، تاریخچه برداشت، میزان فشردگی قبلی و شرایط زمین‌شناسی بستگی دارد.
افزون بر این، بالا آمدن چند میلی‌متری زمین در اوساکا به این معنا نیست که مناطق فرونشست‌کرده ایران نیز با همان سرعت یا به همان میزان احیا خواهند شد.
این پژوهش یک الگوی علمی ارزشمند ارائه می‌دهد، اما برای استفاده از آن در ایران باید داده‌های محلی بررسی شوند.
جمع‌بندی نهایی
سه پیام اصلی این مقاله را بسیار مهم می‌دانم:
1. آب زیرزمینی فقط منبع آب نیست؛ بخشی از سامانه‌ای است که پایداری سطح زمین به آن وابسته است.
2. فرونشست زمین می‌تواند تا حدی قابل‌کنترل و در بعضی شرایط قابل‌معکوس شدن باشد، اما این امکان محدود است و نباید بهانه‌ای برای ادامه برداشت بی‌رویه شود.
3. برای نجات آبخوان‌ها، باید پیش از آنکه فشردگی دائمی خاک رخ دهد اقدام کرد. احیای ذخایر آب زیرزمینی یک راهکار بلندمدت است و به مدیریت مصرف، حفاظت از منابع و پایش علمی نیاز دارد.
به نظر من، مهم‌ترین درس این مقاله برای ایران این است که بحران آب زیرزمینی تنها بحران کمبود آب نیست؛ بلکه می‌تواند به تغییر دائمی شکل و ارتفاع زمین نیز منجر شود. مدیریت صحیح آب، هم برای تأمین آب نسل‌های آینده و هم برای حفاظت از شهرها، زمین‌های کشاورزی و زیرساخت‌ها ضروری است.