کلیات
علمی که به مطالعه منابع آب موجود در زیر زمین می پردازد، «هیدروژئولوژی» (زمین شناسی آب) یا «ژئوهیدرولوژی»(آب شناسی زیر زمینی) خوانده می شود. در این علم به طور کلی مسائلی مثل محل پیدایش ، توزیع ، خواص و چگونگی حرکت آبهای زیر زمینی مورد بررسی قرار می گیرد. البته اصطلاح هیدروژئولوژی توسط برخی از مؤلفین به معنای دیگر نیز به کار رفته است، مثلاً گاهی آن را شاخه ای از دانش زمین شناسی می دانند که تنها به مطالعه تغییرات زمین توسط آب و پدیده های وابسته به آن می پردازد. ولی امروز غالباً هیدروژئولوژی به کار می رود ، منتها بر روی جنبه های زمین شناسی این علم و رابطة آبهای زیرزمینی با محیط زمین شناسی تأکید بیشتری دارد. در حالی که در ژئوهیدرولوژی جنبه های آب شناسی این علم (خصوصیات جریان سیال) بیشتر مورد توجه است.
اهمیت استفاده از آبهای زیر زمینی
آب زیر زمینی یکی از مهمترین منابع تامین آب شیرین مورد نیاز انسان است. آب زیر زمینی ، بعد از یخچالها و یخ پهنه ها، بزرگترین ذخیره آب شیرین زمین را تشکل می دهد. امروزه بهره برداری از منابع آب زیر زمینی ، برای مصارفی چون کشاورزی ، صنعت و شرب ، توسعه زیادی پیدا کرده است. در مناطق خشک و دور از رودخانه ها و دریاچه های آب شیرین ، غالباً تنها تامین آب برای مصارف مختلف استفاده از منابع آب زیرزمینی است. حتی در نقاطی که آبهای سطحی به قدر کافی موجود باشد ، ممکن است آبهای زیر زمینی ترجیح داده شود. استفاده از آب زیر زمینی ، با وججود آن که استخراج آن معمولاً گرانتر از برداشت آب از رودخانه هاست و نمکهای محلول در آن به طور کلی بیش از رودخانه هاست، به دلایل زیر بیشتر مورد توجه است:
1- معمولاً آبهای زیر زمینی عاری از جانداران بیماری زاست و احتیاج به تصفیه ندارد.
2- دمای آبهای زیر زمینی نسبتاً ثابت و برای عمل تبادل حرارتی در کارخانه ها مفید است.
3- ترکیب شیمیایی آبهای زیر زمینی معمولاً ثابت است.
4- آبهای زیر زمینی غالباً بی رنگ و فاقد مواد تیره کننده است.
5- آلودگیهای زیستی و رادیواکتیو کمتر روی آب زیر زمینی تأثیر دارد.
6- آبهای زیر زمینی غالباً تحت تأثیر خشک سالیهای کوتاه مدت قرار نمی گیرد.
7- در بسیاری از مناطقی که آب سطحی قابل اطمینانی وجود مدارد آبهای زیر زمینی غالباً در دسترس است.
استفاده از آبهای زیر زمینی در کشور ما، که فاقد منابع آب سطحی فراروان است، از دیر باز رواج بسیار داشته است. امروزه نیز بخش مهمی از آبهای مورد نیاز ، بخصوص در کشاورزی و برای مصارف شهری ، از منابع زیر زمینی تأمین می شود. در حال حاضر در سطح کشور سالانه حدود 49 میلیارد متر مکعب آب از منابع زیر زمینی برداشت می شود (جدول 1-1 ) این رقم بخش بزرگی از کل آبهای مصرفی در کشور ما را تشکیل می دهد. مقایسه این رقم با حجم جریانهای سطحی ، اهمیت استفاده از آبهای زیر زمینی را رد ایران نشان می دهد. بنا به آمار موجود حجم تقریبی جریانهای سطحی در حوضه های آبریز کشور به طور متوسط سالانه حدود 68 میلیار متر مکعب است، که تمام این آب نیز توسط سدهای مخزنی مهار نشده و بخشی از آن بخصوص در ماههایی از سال که نیاز کمتری به آب وجود دارد هدر می رود.
جدول 1-1 میزان بهره برداری و تخلیه منابع آب زیرزمینی در ایران سال آبی 70-69 (به میلیون متر مکعب)
چاه عمیق چاه نیمه عمیق قنات چشمه جمع
23741 9225 7899 7919 48784
تاریخچه بهره برداری از آبهای زیر زمینی
بهره برداری از آبهای زیر زمینی ، برای رفع نیازهای روزمره ، به گذشته های دور بر می گردد. پیش از آن که انسان راه استفاده از آبهای زیر زمینی را بیابد ، در کنار رودخانه ها، دریاچهها و چشمه ها زندگی می کرده است. مسلماً یکی از قدمهای بزرگ تمدن زمانی برداشته شد که انسان راه به دست آوردن آب با وسایل مصنوعی را یافت . بهره برداری از آبهای زیرزمینی ، بخصوص در مناطق خشک آسیا سابقه های طولانی دارد. اولین راه بهره برداری از آب زیرزمینی احتمالاً چاه بوده است . قدیمی ترین چاه آبی که تاکنون بجای مانده در دره رود سند است که ساختمان آنرا به 6000 سال پیش مربوط می دانند . مصریان در 3000 یال قبل از میلاد مسیح در حفر چاه در زمینهای سنگی مهارت داشته اند. چینیان قدیم با روش حفاری آهسته ، که ساله و بلکه دهها سال طول می کشید و شبیه روش حفاری ضربه ای امروزی بود، چاههایی با عمق اعجاب انگیز 1500 متر نیز حفر کرده اند.
بزرگترین ابتکار در استفاده از آبهای زیر زمینی در گذشته ساختن قننات یا کاریز بوده است ایرانیان مبتکر ساختن قنات اند. ساختن قنات در ایران از حدود 3000 سال پیش شروع شده و سپس به دیگر نقاط گسترش پیدا کرده است. آثار قناتهای قدیمی در نقاط مختلف کشور ما به فراوانی دیده می شود . طول پاره ای از این قناتها به دهها کیلومتر می رسد.
در اوایل قرن 12 میلادی با پیدا شدن چاههای آرتزین در اروپا ، تکنیک حفاری چاهها توسعه زیادی پیدا کرد. معهذا تا اواخر قرن 18 عمق چاهها به ندرت از 300 متر تاوز می کرد. تنها در اواخر قرن 19 بود که عمق چاههای حفر شده با وسایل ماشینی جدید توانست از عمق چاههای قدیمی چینی ها بیشتر شود.
گرچه بهره برداری از آبهای زیر زمینی از گذشته های دور معمول بوده و روشهای استخراج آن توسعه پیدا کرده ولی نظریه های مربوط به منشاء و حرکت آب زیر زمینی همپای آن بسط نیافته است فیلسوفان قدیم یونان اغلب چنین تصور می کردند که مجراهایی در زیر زمین وجود دارند که مستقیم یا غیر مستقیم با دریاها در ارتباط اند و آب دریا از طریق آنها ، پس از صاف شدن به صورت چشمه در سطح زمین ظاهر می شود. در تمام قرون وسطی حتی تا قرن 17 میلادی ، نظریه های فیلسوفان یونانی ، در میان دانشمندان مغرب زمین رواج داشته است اغلب چنین می پنداشتند که باران و برف به تنهایی نمی تواند آب چشمه ها و رودخانه ها را تأمین کند.
برخی از دانشمندان ایرانی نیز در خصوص آبهای زیر زمینی و سطحی نظران ارزنده ای ارائه کردهاند. از جمله «ابوبکر محمد بن الحسن الحاسب کرجی» (قرن چهارم و پنجم هجری قمری) در کتابی تحت عنوان «استخراج آبهای پنهانی» در باره منشاء و راههای استخراج آب زیرزمینی گفتگو می کند. در این کتاب به روشنی گفته شده که «مایة آبهای ساکن در شکم زمین و منشاء چشمه ها ، رودها و نهرها از باران و برف است» ابوریحان بیرونی (قرن چهارم و پنجم هجری قمری) در آثار الباقیه منشاء آب چشمه ها و علت تغییرات مقدار آب آنها را ذکر کرده است. وی برای اولین بار خروج آب از چاههای آرتزین را بر اساس قانون ظروف مرتبط بیان می کند. «ابوحاتم مظفر اسفرازی» (قرن پنجم و ششم هجری قمری) در «رسالة آثار علوی» در باره پدید آمدن جویها، رودها و چشمه ها ، نفوذ آب به زمین ، حرکت آب در زیر زمین ، تغییر کیفیت آب به دلیل وجود کانیهای قابل حل در مسیر آب و بسیار مسایل آب شناسی دیگر به تفضیل سخن گفتن است.
اولین کسانی که توانستند بر اساس مشاهده تجزیه منشاء آبهای سطحی و زیر زمینی را نشان دهند، «پیرپرو» (1680 – 1608) و «آدمه ماریوت» (1684 – 1620)، دانشمندان فرانسوی ، بودند . پرو با اندازه گیری مقدار بارندگی و آب جاری در یک حوضه نشان داد که مقدار آب جاری خیلی کمتر از مقدار باران بوده است. ماریوت ضمن تأیید تجزبه پرو ، راجع به نفع آب در زمین بررسیهایی انجام داد و نتیجه گیری کرد که چشمه ها با بارانی که به زمین نفوذ می کند ، تغذیه می شوند. «ادموند هالی» (1742-1656) دانشمند انگلیسی نشان داد که مقدار تبخیر از دریای مدیترانه برای تامین کلیه آبهایی که رودخانه ها ب این دریا می ریزند کافی است. «هنری دارسی» (1858 – 1803) مهندس فرانسوی ، اولین کسی بود که قانون حاکم بر جریان آب در محیطهای متخلخل را بیان کرد و قدم بزرگی در راه مطالعه آبهای زیر زمینی برداشت.
در خلال قرن نوزدهم و قرن حاضر ، باپیشرفت علوم زمین شناسی و هیدرولیک ، که رابطه نزدیکی با مطالعه آبهای زیر زمینی دارند، همچنین گسترش مطالعات شیمی آب ژئوفیزیک ، دانش انسان دربارة شناخت آبهای زیرزمینی توسعه بسیار یافته است.
فصل 2
آب در زمین و لایه های آبدار
آب در زمین در منافذ و فضاهای خالی سنگها و خاکها جمع می شود . اما همه آب موجود در زیر سطح زمین به راههای معمولی ، مثل حفر چاه قابل برداشت نیستند. وقتی چاهی در زمین حفر می شود ممکن است به خاکها یا سنگهای مرطوب یا حتی اشباع از آب برخورد کند. ولی تا زمانی که این آبها نتوانند آزادانه به داخل چاه تراوش کنند. مستقیماً قابل بهره برداری نیستند. «آب زیرزمینی» یا «آب زیر سطحی» اصطلاحی است که به تمام آبهای موجود در زیر سطح زمین اطلاق می شود. ولی هیدروژئولوگها عمدتاً با آبهایی سر و کار دارند که تمام منافذ سنگها و خاکها را در زیر سطح ایستابی اشغال کرده است. از این رو غالباً اصطلاح «آب زیرزمینی » را برای این بخش از آبهای زیر سطح زمین ، که قابل برداشت به وسیله چاه ، چشمه یا قنات است، به کار می برند. قسمت اعظم آب موجود در زیر زمین بخشی از «چرخه آب» است. بنابر این آب باران و برف (به طور کلی آبهای جوی) منشاء اصلی آبهای زیرزمینی است. البته مقادیر کمی آب از منابع دیگر مثلاً آبهای محبوس یا فسیل (آبهای باقیمانده در منافذ سنگهای رسوبی از زمان تشکیل) یا آبهای جوان (آبهای ماگمایی یا آتشفشانی ) نیز ممکن است وارد این چرخه شود.
ویژگیهای فیزیکی و سنگ شناسی محیطهای متخلخل
حجم آب موجود در منافذ خالی سنگه و خاکها ممکن است نسبتاً کم یا زیاد باشد. به علاوه آب در پاره ای از سنگها به سختی و در برخی دیگر به آسانی جا به جا می شود. امکان تشکیل مخزن آب زیرزمینی و قابلیت آبدهی هر مخزن قبل از هر چیز به ویژگیهای فیزیکی و سنگ شناسی محیطهای متخلخل وابسته است. از این رو بررسی خصوصیات سنگها و منافذ موجود در آنها، از نظر مطالعه آبهای زیرزمینی اهمیت زیادی دارد.
منافذ موجود در سنگ
اغلب سنگهای نزدیک سطح زمین ، کم و بیش ، دارای فضاهای خالی یا منافذی هستند که آب می تواند درون آنها جمع شده و به حرکت در آید. اختلافات موجود در شکل، اندازه، تعداد ، نحوه ارتباط و ترتیب قرار گرفتن منافذ سنگها، نتیجه فرایندهای زمین شناسی مختلف در تشکیل سنگها و تغییرات بعدی در آنهاست. منافذ موجود در سنگها ، اغلب کوچک و در ارتباط با هم اند. ولی گاهی نیز در بعضی سنگها فضاهای خالی بزرگ یافت می شود. مثلاً در سنگهای آهکی مجاری بزرگ زیرزمینی و غارها ممکن است توسعه پیدا کرده باشد. در پاره ای از سنگها نیز ممکن است منافذ سنگ بی ارتباط با هم باشند و در نتیجه آب در درون سنگ قارد به حرکت نباشد.
منافذ موجود در سنگها را ، از نظر نحوة تشکیل انها می توان به دو گروه تقسیم کرد:
- منافذ اولیه : منافذی هستند که در زمان تشکیل سنگ در آن به وجود آمده اند، مثل فضاهای خالی بین دانه ها در یک رسوب یا سنگ رسوبی یا حفرات موجود در یک سنگ آتشفشانی
- منافذ ثانویه: منافذی هستند که در نتیجه فرایندهای زمین شناسی مختلف پس از تشکیل سنگ در آن به وجود آمده اند، از قبیل درزها ، شکافها ، گسلها، فضاهای خالی ناشی از انحلال سنگها و منافذی که بر اثر فعالیت گیاهان و جانوران در سنگها ایجاد می شود.
اغلب سنگها سخت و متراکم دارای درزهایی هستند که سنگ را در چند جهت شکسته اند و تا اعماق مختلف گسترش دارند . این منافذ ثانویه که بر اثر چین خوردگی فشار و تغییرات بعدی در سنگ ایجاد شده اند از نظر اندازه و تعداد متفاوت اند. درزها غالباً یکدیگر را قطع می کنند و فاصله بین آنها نظم مشخصی ندارد ولی در اعماق غالباً از هم دور می شوند منافذ ثانویه بر اثر تجزیه شیمیایی سنگها شکسته شدن مواد قابل حل یا انحلال در سنگها نیز ایجاد می شوند. انحلال سیمان کلسیتی در یک ماسه سنگ یا انحلال مواد قابل حل دیگر حفرات و منافذ ثانویه فراوانی در بعضی مناطق ایجاد می کند عموماً با افزایش عمق منافذ موجود در سنگها کاهش پیدا می کند. اغلب چاهای عمیق در اعماق زیر 1500 متر با سنگهائی که منافذ کمی دارند برخورد می کنند.
تخلخل
مقدار فضاهای خالی موجود در یک سنگ یا خاک را با کمیّت «تخلخل» بیان می کنند. بنا به تعریف ، تخلخل (a) عبارت است از درصد حجم فضاهای خالی موجود در یک نمونه سنگ یا خاک (Vv) به حجم کل آن نمونه (Vt):
(2-1) ؟
Vv را می توان حجم آب لازم برای پر کردن تمام منافذ نمونه در نظر گرفت.
میزان تخلخل در سنگها و رسوبات مختلف متفاوت است و از نزدیک به صفر تا بیش از 50 درصد تغییر می کند.(جدول 2-1)
جدول 2-1 حدود تغییرات تخلخل در چند نمونه (نقل از Bouwer 1978)
رسوب یا سنگ درصد تخلخل
لای و رس 60 - 50
ماسه دانه ریز 50 – 40
ماسه دانه متوسط 40 - 35
ماسه دانه درشت 35 - 25
گراول 30 -20
مخلوط ماسه و گراول 30 -10
سنگهای متراکم 1 ›
سنگهای آذرین درز و شکافدار و هوازده 10 -2
بازالت های جدید نفوذپذیر 50 – 10
گدازه های حفره دار 50 – 10
توفها 30
ماسه سنگ 30 - 5
سنگهای کربناته با منافذ اولیه و ثانویه 20 - 10
عوامل مؤثر بر تخلخل
مقدار تخلخل به عوامل گوناگون بستگی دارد . در رسوبات سخت نشده ،تخلخل به شکل درجه جورشدگی (شکل 2-1) و آرایش دانه ها وابشته است. در سنگهای رسوبی آواری معمولاً تخلخل کمتر از رسوبات سخت نشده است؛ چون بخشی از منافذ توسط سیمان اشغال می شود. بعضی از سنگها ممکن است تخلخل نسبتاً زیادی داشته باشند ولی حفرات آنها به هم مربوط نباشند (شکل 2-2) سطوح لایه بندی، درزها و گسلها نیز از دیگر عوامل مؤثر بر تخلخل اند. سنگهای متراکم مثل سنگهای آذرین و دگرگونی معمولاض تخلخل خیلی کمی دارند مگر آن که بر اثر عوامل تکتونیکی یا هوازدگی شکسته و خرد شده باشند. عمل انحلال به ویژه در سنگهای آهکی می تواند موجب افزایش تخلخل شود. دولومیتی شدن نیز تخلخل را می افزاید، چون یونهای منیزیم ، که جانشین یونهای کلسیم می شوند ، از آنها کوچکترند.
نحوة قرار گرفتن یا آرایش دانه های یک رسوب در کنار هم نیز در میزان تخلخل آن موثر است. اگر رسوب را در نظر بگیریم که از دانه هایی به شکل کره کامل و هم اندازه تشکیل شده باشد، این دانه ها می توانند به صورتهای مختلفی در کنار هم قرار گیرند (شکل 2-3) کمترین تراکم مربوط به آرایش مکعبی و بیشترین تراکم مربوط به آرایش رومبوئدری است. به این جهت ارایش مکعبی بیشترین و آرایش رومبوئدری کمترین تخلخل را یاجادمی کنند. البته در شرایط طبیعی دانه ها به صورت کره های کامل یک اندازه نیستند و کمتر به یکی از دو صورت منظم فوق قرار می گیرند و غالباً آرایش مشخص و منظمی ندارند.
انواع لایه های آبدار
لایه های آبدار به طور کلی بر دو نوع اند: آزاد و تحت فشار . «لایه آبدار آزاد» یا «نامحصور» شبیه یک دریاچه زیرزمینی در مواد متخلخل است (شکل 2 – 12) در این سفره ها هیچگونه لایه رشی یا لایة محصور کنندة دیگری در بالای منطقه اشباع آب زیرزمینی وجود ندارد. در واقع آنچه که در شکل 2 -5 نشان داده شده یک لایة آبدار آزاد است. سطح فوقانی لایه ابدار آزاد، «ایستابی» است که می تواند آزادانه نوسان کند بالا و پایین رفتن سطح ایستابی به میزان تغذیه و تخلیه سفره یا حجم آب ذخیره شده در آن بستگی دارد. چنانکه گفتیم ارتفاع سطح ایستابی سفره آزاد با تراز تعادلی آب در چاهی که تا سفره آزاد حفر شود مطابقت دارد. مرز پایینی لایه های آبدار آزاد را لایه ای از موادی که نفوذپذیری خیلی کمتری از خود سفره دارند تشکیل می دهد. این گونه لایه های نفوذناپذیر ممکن است رس یا دیگر مواد دانه ریز شیل ، سنگ آهک متراکم ، سنگ آذرین یا انواع دیگر سنگ بستر (سنگ کف) تشکیل شده باشند. سفره های آزاد معمولاً در آبرفتها، تلماسه ها یا نهشته های یخچالی یافت می شوند. ضخامت لایه های آبدار ازاد از چند متر تا صدها متر می تواند تغییر کند. منبع اصلی تغذیه آب زیرزمینی در لایه های آبدار آزاد بارش است . آب باران با آبهای حاصل از ذوب یخ و برف می تواند مستقیماً از خاک بالای سفره در آن نفوذ کند یا آن که غیر مستقیم از طریق رواناب سطحی و نشت از روخانه ها و دریاچه ها وارد سفره شود. بخشی از آبهای مصرفی در آبیاری نیز با عبور از منطقه ریشه گیاهان می تواند در تغذیه سفره آزاد شرکت کند.
«لایه آبدار تحت فشار» یا «محصور» لایه آبداری است که بین دو لایه با نفوذپذیری خیلی کمتر قرار گرفته باشد (شکل 2 13) مثلاً یک لایه ماسه ای بین دو لایه رسی ، یا یک لایه ماسه سنگ بین لایه های شیل یا سنگ آهک متراکم . لایه های محصور کننده ممکن است لایه های ناتراوا یا کم تراوا باشند. در جایی که لایه های محصور کننده به سطح زمین می رسند یا زیر زمین قطع می شوند و سفره تحت فشار به صورت یک سفره آزاد در می آید آب می تواند وارد سفره شود. این محل را «منطقه تغذیه » یا «منطقه آبگیری» می نامند. علاوه بر نفوذ آب از منطقه تغذیه ، بخشی از آب سفره های تحت فشار بر اثر نشت از لایه های کم تراوای بالا و پایین سفره نیز ممکن است تأمین شود.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 47 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله آب های زیر زمینی