Document Type : Research Paper


1 Professor in geomorphology,Faculty of earth sciences,ShahidBeheshti University ,Tehran, Iran

2 Ph.D. in geomorphology,Faculty of earth sciences,ShahidBeheshti University ,Tehran, Iran

3 M.Sc. in geomorphology,Faculty of earth sciences,ShahidBeheshti University ,Tehran, Iran


1. Introduction
Sabzevar plain is one of the areas facing subsidence phenomenon in Iran due to a sharp decline of groundwater table, development of residential areas over aqueducts or tectonics processes. The present study investigates the impact of these cases. Sabzevar County is located in a northwestern plain in Khorasan on the hillside of Jogatai Mountains. Rapid agricultural development and increased water demand in recent decades have resulted in annual groundwater harvesting of about 400 million cubic meters and an annual deficit of about 30 million cubic meters in water reservoirs. The groundwater table in this plain annually experience an average decline of one meter. Despite increased precipitation in the last two years, only a 10 mm increased precipitation was recorded in Sabzevar station and the area still faces drought according to comparative analysis of rainfall.
2. Methodology
Data used in the present study include 6 C-band single-look complex (SLC) images received from the ASAR sensor of Envisat. These images were captured during June, May, October, and December 2004 – 2008. Moreover, data including the groundwater table and the depth of water in local wells of Sabzevar County were collected from Khorasan Razavi Water Management Organization for the statistical period of 2003 – 2008 and 1974 – 2014. Data collected from local water wells and aqueducts were used to investigate subsidence.
Following the geometric recording of the images, related interferograms were prepared. In order to calculate ground displacement, other effects were removed from the interferograms, and the effect of topography was corrected using the STRM digital elevation model (DEM) with a spatial resolution of 90 m to further improve the results. An adaptive filter was applied on the images to reduce the level of noise. In the phase correction stage, DEM produced through interferometry was used to correct the images and separate the deformation signal resulting in a differential interferogram. In order to estimate the groundwater decrease and study the resulting subsidence, the depth and groundwater level of 88 piezometers in Sabzevar were interpolated using the IDW method. Overlap methods were also used to investigate the relationship between the spatial distribution of subsidence occurrence and the location of wells, aqueducts, and faults.
3. Results
Results indicates that the deformation of the area is the consequence of the high rate of subsidence in this short period of time. The maximum level of subsidence has occurred in the northeastern parts of the study area with a southwest-northeast direction starting from the hillside of Mish Mountain and moving with an increasing trend towards the hillside of Joghatay Mountain. Sabzevar and other cities of the county face an average subsidence rate of 10 cm per year. Images of displacement in the study area were obtained through interferometry and based on their overlap with subsidence. These images were then used for spatial analysis of aqueducts, wells, faults to study their impacts on subsidence. Results indicates that the subsidence rate has changed from 1 cm/year in 2007 to 14.6 cm/year in 2008. Active faults were also located in the western part of the study area across formations such as conglomerate, sandstone, red marl, and gypsum-bearing marls. Faults were generally developed perpendicular to the direction of subsidence indicating their role in downward displacement. Interpolation was performed for the 1974 – 2014 period to study long term consequences of this finding. Findings indicates that the decline in groundwater level has deteriorated moving from Sabzevar plain toward the surrounding areas.
4. Discussion and conclusion
The study area was located on the hillside of Joghatay Mountain. Agricultural activities have developed in the area resulting in increased annual demand for water. Despite recent precipitations, the area still suffers from drought, decline in groundwater level, and subsidence. Results of a three-year interferometry selected from the period for which appropriate images were available have proved the occurrence of subsidence in the study area. A comparison between this image and the piezometric level in similar statistical years indicated the significant impact of groundwater level decline on subsidence. A comparison between the distribution pattern of faults, wells, and aqueducts and the subsidence area showed that a large number of wells were associated with subsidence, and the dominant faults were perpendicular to the surface of subsidence areas (Figure 1). Therefore, groundwater decline was the most important factor contributing to subsidence in this region, and long term piezometric level also have confirmed this effect. Faults perpendicular to the surface of subsidence areas might also intensify this phenomenon. In other words, further decline of groundwater table in the region will result in a higher rate of subsidence.


1- آمیغ پی، عربی؛ معصومه، سیاوش. (1388)، گزارش طرح پژوهشی بررسی فرونشست یزد با استفاده از تکنیک تداخل‌سنجی راداری و ترازیابی دقیق، سازمان نقشه‌برداری کشور، صص 157-164.
2- انگورانی، ‌معماریان، ‌شریعت‌پناهی، بلورچی‌؛ سعید، حسین، مسعود، محمدجواد. (1394)، مدل‌سازی پویای فرونشست دشت تهران، علوم‌زمین، سال 25، شماره 97، صص 211 تا 22.
3- باقریان کلات، لشکری پور، غفوری؛ پژمان، علی، غلامرضا محمد، حسین. (1392)، بررسی نشست زمین و ایجاد شکاف در دشت سبزوار، هشتمین همایش انجمن زمین‌شناسی مهندسی و محیط‌زیست ایران، دانشگاه فردوسی، پانزده و شانزده آبان، صص 2121-2129.
4- باقری‌منش، معتق، اکبری؛ شادی سادات، مهدی، بهمن. (1395)، بررسی فرونشست ناشی از پدیده فرسایش خندقی در دشت دشتیاری شهرستان چابهار با استفاده از روش تداخل‌سنجی تفاضلی راداری و با به‌کارگیری تصاویر سنجنده ENVISAT.، هشتمین کنفرانس بین‌المللی مدیریت جامع بحران، صص 14-15.
5- تورانی، آق اتابای، روستایی؛ مرجان، مریم، مه آسا. (1397)، مطالعة فرونشست در غرب استان گلستان با استفاده از روش تداخل‌سنجی راداری، مجله آمایش جغرافیایی فضا، فصلنامه علمی- پژوهشی دانشگاه گلستان، سال 8،شماره 27 ،117-128.
6- جلینی، سپهر، لشکری‌پور، راشکی؛  مریم، سپهر، غلامرضا، علیرضا. (1396)، بررسی همبستگی مورفومتری ترک‌های حاصل از فرونشست با تغییر‌پذیری ادافیک در دشت نیشابور، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، سال 5،شماره 4، صص59-75.
7- زارع‌کمالی، حسینی‌مدرسی، نقدی؛ مجتبی، علی، کریم. (1396)، مقایسه میزان جابه‌جایی عمودی زمین با استفاده از الگوریتم SBAS در باندهای راداری X و C، مجله سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی، سال 8، شماره 3، صص 104-120.
8- شایان، یمانی، یادگاری؛ سیاوش، مجتبی، منیژه. (1395)، پهنه‌بندی فرونشست زمین در حوضه آبخیز قره‌چای همدان، هیدرو ژئومورفولوژی، شماره 9، صص 139-158.
9- شریفی‌کیا، افضلی، شایان؛ محمد، عباسعلی، سیاوش. (1394)، استخراج و ارزیابی اثرات پدیده‌های ژئومورفیک ناشی از فرونشست در دشت دامغان، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، سال چهارم، شماره 2، صص 60-74.
10- شفیعی، مختاری، امیر احمدی، زندی؛  نجمه، لیلا گلی، ابوالقاسم، رحمان .(1399)، بررسی فرونشست آبخوان دشت نورآباد با استفاده از روش تداخل‌سنجی راداری، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمّی، سال 8، شماره 4 ، صص111 – 93.
11- شیرانی، سیف، شریفی‌کیا؛ کورش، عبدالله، محمد. (1393)، ارزیابی کارایی سنجنده‌های PALSAR و ASAR به کمک تداخل‌سنجی تفاضلی در شناسایی و پایش زمین‌لغزش‌ها در زاگرس، نشریه علمی- پژوهشی مهندسی و مدیریت آبخیز، جلد 6، شماره 3، صص 288 -301.
12- صفاری، جعفری، توکلی صبور؛ امیر، فرهاد، محمد. (1394)، سنجش مقدار و پهنه خطر فرونشست زمین با استفاده از روش تداخل‌سنجی راداری، مجله پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، سال پنجم، شماره 2، صص 82-93.
13. فتح‌الهی، آخوندزاده هنزائی، بحرودی؛ نرگس، مهدی، عباس. (1397)، بررسی فرونشست زمین در اثر استخراج مواد نفتی با استفاده از روش تداخل‌سنجی رادار، فصلنامه علمی - پژوهشی اطلاعات جغرافیایی (سپهر)، دوره 27، شماره 105، صص 23-34.
14- فرزین‌کیا، زنگنه اسدی، امیر احمدی، زندی؛ ربابه، محمدعلی، ابوالقاسم، رحمان. (1398)، ارتباط فعالیت‌های تکتونیکی و تأثیر آن در فرونشست زمین در حوضه آبریز دشت جوین، هیدرو ژئومورفولوژی، سال 5، شماره‌ 20، صص 165-185.
15- گلی، مرادی، دهقانی؛ علی, مریم, مریم. (1398)، ارزیابی آسیب پذیری سکونتگاه‌های روستایی ناشی از فرونشست زمین در استان فارس، پژوهش و برنامهریزی روستایی ، دوره  8 , شماره  4 (پیاپی 27) ،صص 91 - 106.
16- محمدخان، گنجائیان، گروسی، زنگنه‌تبار؛ شیرین، حمید، لیلا، زهرا. (1398)، ارزیابی تأثیر افت آب‌های زیرزمینی بر میزان فرونشست با استفاده از تصاویر راداری سنتینل-1 محدوده مورد مطالعه: دشت قروه، فصلنامه اطلاعات جغرافیایی (سپهر)، دوره 28، شماره 112، صص 219-230.
17- ملک, برنا؛ سارا، رضا.( 1397)، بررسی مخاطرات فرونشست زمین در جنوب شهر تهران؛ مطالعه موردی: منطقه 20 تهران، چهارمین کنفرانس بین‌المللی یافته‌های نوین در علوم کشاورزی، منابع طبیعی و محیط زیست، تهران، انجمن توسعه و ترویج علوم و فنون بنیادین.
18- هاشمی‌فرد، کردوانی، اسدیان؛ اکبر، پرویز، فریده. (1396)، تغییرات ژئومورفولوژیکی سازند گچساران ناشی از آبگیری سد گتوند‌علیا، با استفاده از تکنیک تداخل‌سنجی تفاضلی‌رادار، هیدرو ژئومورفولوژی، شماره‌ 15، صص 53-37.
19- یاراحمدی، روستایی، شریفی‌کیا، روستایی؛ جمشید، شهرام، محمد، مه آسا. (1394)، شناسایی و پایش ناپایداری دامنه‌ای به روش پردازش اینترفرامتری تفاضلی مطالعه موردی: حوضه آبریز گرمی چای میانه، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، سال سوم، شماره 4، صص 44-59.
20- Abidin, H. Z., Andreas, H., Gumilar, I., Jamal, M., Fukuda, Y., & Deguchi, T. (2009). Land Subsidence and Urban Development in Jakarta (Indonesia). 7th FIG Regional Conference, Spatial Data Serving People: Land Governance and the Environment – Building the Capacity Hanoi, Vietnam, 19-22.
21- Aly, M. H., Klein, A. G., Zebker, H. A., & Giardino, J. R. (2012). Land subsidence in the Nile Delta of Egypt observed by persistent scatterer interferometry. Remote Sensing Letters, 3(7), 621–630.
22- Castaneda, C., Gutierrez, F., Michele, M., & Galve, J. (2009). DInSAR measurements of ground deformation by sinkholes, mining subsidence, and landslides, Ebro River, Spain. Earth Surface Processes and Landforms, 34 (11), 1562–1574.
23- Castellazzi, P., Garfias, J., Martel, R., Brouard, C., & Rivera, A. (2017). InSAR to support sustainable urbanization over compacting aquifers: The case of Toluca Valley, Mexico. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 63, 33–44.
24- Chen, F., Lin, H. Li, Z., Chen, Q., & Zhou, J. (2012). Interaction between permafrost and infrastructure along the Qinghai-Tibet Railway detected via jointly analysis of C – and L- band small baseline SAR interferometry. Remote Sensing of Environment, 123, 532-540.
25- Cigna, F., &  Sowter, A. (2017). The relationship between intermittent coherence and precision of ISBAS InSAR ground motion velocities: ERS-1/2 case studies in the UK. Remote Sensing of Environment, 202, 177-198.
26- Cigna, F., & Tapete, D. (2020). Mapping Land Subsidence in Urban Areas Using Esa’s G-POD and the P-SBAS Insar Technique: Examples in Asia, South America and North Africa. 2020 Mediterranean and Middle-East Geoscience and Remote Sensing Symposium (M2GARSS), 223–226.
27- Costantini, M., Ferretti, A., Minati, F., Falco, S., Trillo, F., Colombo, D., Novali, F., Malvarosa, F., Mammone, C., & Vecchioli, F. (2017). Analysis of surface deformations over the whole Italian territory by interferometric processing of ERS, Envisat and COSMO-SkyMed radar data. Remote Sensing of Environment, 202, 250–275.
28- Damoah-Afari, P., Ding, X.L., & Lu, Z. (2008). Detecting ground settlement of shanghai using Interferometry synthetic Aperture Radar (InSAR) techniques. The international Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XXXVII, (B7), 117-124.
29- Du, Z., Ge, L., Li, X., & Ng, A. H.M. (2016). Subsidence monitoring in the Ordos basin using integrated SAR differential and time-series interferometry techniques. Remote Sensing Letters, 7(2), 180–189.
30- Ge, L., Li, X., Chang, H., Ng, A. H., Zhang, K., & Hu, Z. (2010). Impact of ground Subsidence on the Beijing-Tianjin high-speed railway as mapped by radar interferometry. Annals of GIS, 16(2), 91-102.
31- Haghighi, M. H., & Motagh, M. (2019). Ground surface response to continuous compaction of aquifer system in Tehran, Iran: Results from a long-term multi-sensor InSAR analysis. Remote Sensing of Environment, 221, 534–550.
32- Holecz F., J. Moreira, P. Pasquali, S. Voigt, E. Meier, D. Nuesch. (1997). Height Model Generation, Automatic Geocoding and Mosaicing using Airborne AeS-1 InSAR Data . Proceedings of IGARSS’97 Symposium
33- Leon, W. H., Martinez, J.P., Marin, M. H., Ceniceros, R. P., & Rea, M. D. (2018). Land subsidence and its effects on the urban area of Tepic city, México. WIT Transactions on the Built Environment, 179, 369-380.
34- Lyu, H.M., Shen S.L., Zhou, A., Yang, J. (2019). Risk assessment of mega-city infrastructures related to land subsidence using improved trapezoidal FAHP, Science of the Total Environment.
35-  Osmanoglu, B., Dixon T. H., Wdowinski, S., Cabral-Cano, E., & Jiang, Y. (2011). Mexico City subsidence observed with persistent scatterer InSAR. International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation, 13(1), 1–12.
36-  Rodriguez, R., Lira, J., & Rodríguez, I. (2012). Subsidence risk due to groundwater extraction in urban areas using fractal analysis of satellite images. Geofísica internacional, 51(2), 157–167.
37- Rotter, P., & Muron, W. (2020). Automatic Detection of Subsidence Troughs in SAR Interferograms Based on Convolutional Neural Networks. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters.