آشنایی با مبانی آبهای زیرزمینی

[XMEHRDADX 7514]

آبهای زیرزمینی

یکی از ملزومات زندگی بشری آب است. بنابراین توجه به آب ونحوه بدست آوردن و کنترل وهدایت ومهار آن از دغدغه های انسان در طول تاریخ بوده است.زندگی گروه های اجتماعی و انتخاب محلهای پر آب نشانگر آشکار این موضوع می باشد. موضوع این مقاله بررسی اجمالی آبهای زیرزمینی میباشد .

آبهای زیرزمینی از منابع عمده و عظیم آب برای تامین نیاز های مختلف انسان از جمله نیازهای اولیه انسان شامل آشامیدن،شستشو ،پخت و پز و....گرفته تا نیازهای صنعتی و کشاورزی و غیره می باشد.

همچنین در انجام برخی فعالیتهای معدنی و عمرانی وجود آبهای زیرزمینی موجب بروز اشکال و جلوگیری از پیشرفت پروژه میشود که در این صورت نیاز به کنترل دارد.

از این رو جوامع به سوی علم و فن بررسی آبهای زیرزمینی روی آوردند و این موضوع برای آنها اهمیت ویژه ای پیدا کرد .پیشینه فنون برخورد با آبهای زیرزمینی را در دوران باستان دراکتشاف محل سفره آب، حفر چاه ها وقناتها و زهکشی اطراف سازه ها میتوان مشاهده نمود.

 

پیرو گذشت زمان در دوران کنونی یکی از زمینه های فعالیت و تخصصهای مهندسین معدن برخورد با موضوع آبهای زیرزمینی است که شامل موارد زیر است:

• اکتشاف منابع و سفره های آبهای زیرزمینی،تعیین ذخیره و سرعت حرکت ومقدارو سرعت تغذیه و تعیین عمق مناسب و بهترین محل دسترسی به آب.
  
• تعیین و طراحی مقدار برداشت آب از سفره،با توجه به ذخیره سفره ومقدار تغذیه سفره ،به گونه ای که سطح آبهای زیرزمینی از مقدار مجاز پائینتر نرود و یا با آبهای شور تداخل ننماید.
  
• حفاری و احداث چاه برای بهره برداری از منابع آب.
  
• کنترل ،پمپاژ و زهکشی و جلوگیری از مزاحمت و اسیب رسانی آبهای زیرزمینی در فعالیتهای معدنی و عمرانی با توجه به اطلاعات اکتشاف.
  

البته موارد ذکر شده فوق هرکدام گفتار جامعی است که نیاز به بحث مفصل دارد .

[XMEHRDADX 7514]

آشنایی

آبهای زیر زمینی قسمتی از چرخه آب در طبیعت است.آبی که در سطح زمین جمع می شود و جریان می یابد بتدریج به داخل زمین نفوذ کرده و حرکت خود را درزیر زمین ادامه میدهد تا بار دیگر بوسیله عواملی مانند جریانهای طبیعی(چشمه)،گیاهان و یا کارهای انسانی نظیر چاه و قنات و معادن و راهسازی...،به سطح زمین آورده شود.از این رو جریانهای کوچک سطحی هر چند به تنهایی اهمیت زیادی ندارند ولی مجموع انها ممکن است منابع بسیار بزرگ آب را بوجود بیاورند.در حقیقت منبع اصلی و اساسی آبهای زیرزمینی ،آبهای سطحی است که ممکن است به صورت های مختلف مثل انواع بارش،تراوشات حاصل از رودخانه ها و دریاچه ها و نظایر آن باشد. درمواقعی که سطح آب زیر زمینی در نزدیکی سواحل دریا پایین میرود ،آب دریا نیز منبع دیگری برای آبهای زیرزمینی مجاور* آن است.

 

چرخه آب در طبیعت:

بخار آب موجود در اتمسفر بصورت برف و باران وتگرگ به سطح زمین منتقل شده و این آب به دو بخش سطحی و نفوذی تقسیم می شود.آبهای سطحی به رودخانه ها می پیوندد و سپس وارد دریاچه ها و دریاها و اقیانوسها می شودو مجددا در نتیجه تبخیر به اتمسفر برمی گردد.قسمتی از آبهای نفوذی که آبهای زیرزمینی را تشکیل می دهند،در نتیجه تبخیر سطحی و تعریق گیاهان به اتمسفر بر می گردندو بخش دیگر آن بصورت مخازن آبهای زیرزمینی جمع میشوند که این آبها در داخل زمین به حرکت خود ادامه می دهند و بالاخره بوسیله چشمه ها ،چاه ها ،قناتها و کارهای معدنی به سطح زمین می رسند.و این فرآیند همینطور تکرار می شود که به آن چرخه آب در طبیعت گویند.(شکل زیر)

 

 

 

 

بطوریکه گفته شد منشا آبهای زیرزمینی آبهای سطحی است .ولی مقدار جزئی از آبهای زیرزمینی ممکن است از منابع دیگر تامین شود. بطور مثال "آب ذاتی"

(Connate Water) آبی است که هنگام رسوب و تشکیل سنگهای رسوبی در داخل آنها جمع میشود. همچنین آبهای با منشا ماگمایی(فعالیتهای شیمی وفیزیکی داخل زمین)و کیهانی که در داخل زمین ذخیره شده اند منبع دیگری برای آبهای زیرزمینی بشمار می آیند.

 

*نفوذ آب دریا به درون سفره های زیرزمینی به یکی از مشکلات کنونی تبدیل شده.

[XMEHRDADX 7514]

چگونگی تجمع آب در زیر زمین

آب زیرزمینی در قسمتهای متخلخل و نفوذ پذیر زمین جمع میشود بنابراین بجز در موارد بسیار نادر -که در زیر زمین غارهای آهکی وجود داردو ممکن است در آنها آب جمع شود-در حالت کلی آب در داخل سنگها جمع میشود(در خلل و فرج سنگ )و از درون منفذها حرکت میکند.این خلل و فرج و منافذ سنگ تخلخل نام دارد.برای بررسی بیشتر آبهای زیرزمینی نیاز است که ابتدا مفهوم تخلخل تشریح شود.

 

تخلخل

مهمترین ویژگی سنگ از نقطه نظر تجمع و حرکت آب از درون آنها تخلخل آنهاست . معمولا در ساختار سنگ مقداری فضای خالی پراکنده و خلل و فرج وجود دارد .طبق تعریف ،تخلخل سنگ یا خاک درصد فضای خالی نسبت به کل حجم آن است .تخلخل از رابطه زیر محاسبه می شود:

 

100*(حجم کل/حجم فضای خالی)=درصد تخلخل

 

به لحاظ نحوه و زمان بوجود آمدن خلل و فرجها در سنگ،تخلخل به دو صورت اولیه و ثانویه وجود دارد:

 

تخلخل اولیه

تخلخل اولیه همزمان با تشکیل سنگ در آن بوجود میآید. به عنوان مثال درسنگهای رسوبی آواری ،دانه ها در تماس کامل با یکدیگر قرار نمی گیرند و بین آنها فضای خالی باقی می ماند . بدیهی است در این سنگها ،شکل و دانه بندی ذرات تشکیل دهنده نقش مهمی در میزان تخلخل دارد. اگر اندازه ذرات کم وبیش مساوی باشد تخلخل بیشتر است .اما اگر ابعاد ذرات متفاوت باشد،از انجا که ذرات ریزتر در بین فضای خالی موجود قرار می گیرندلذا تخلخل سنگ کمتر می شود.بدیهی است سیمان این سنگها نیز در اندازه تخلخل آنها موثر است.بدینصورت که اگر سیمان بخوبی فضای بین ذرات را پر کند تخلخل سنگ کمتر میشود.

تخلخل اولیه در سنگهای آذرین خروجی ممکن است بدلیل خروج حبابهای گاز قابل توجه باشد ولی در مورد سایر سنگها اهمیت کمتری دارد.

 

تخلخل ثانوی

تخلخل ثانوی بعد از تشکیل سنگ در آن بوجود می آید و در این مورد شکستگیهای سنگ نقش بسزایی دارد.از آنجا که آب زیر زمینی می تواند از لابلای این شکستگیها عبور کند ،لذا به مرور،در اثر انحلال باعث عریض شدن و افزایش تخلخل سنگ می شود.

 

از طرفی از نقطه نظر حرکت آبهای زیرزمینی در داخل زمین وسنگ ،خلل و فرجها به دو شکل تخلخل کلی و تخلخل موثر تعریف میشوند:

 

 

تخلخل کلی و تخلخل موثر

آنچه که ازرابطه" 100*(حجم کل/حجم فضای خالی)=درصد تخلخل" بدست می آید تخلخل کلی سنگ است،اما از نقطه نظر حرکت آبهای زیرزمینی ،فقط آن قسمت از فضای خالی سنگ دارای اهمیت است که آب بتواند از آنها عبور کند.آن قسمت از خلل وفرج سنگ که آب قادر به حرکت در آنها باشد را تخلخل موثر گویند.در مورد بعضی از سنگها ،فضای خالی بقدری کوچک است که عملا آب قادر به عبور از آنها نیست و در برخی دیگر از سنگها اگر چه ابعاد فضای خالی نسبتا بزرگ است اما از آنجا که این فضا های خالی به هم ارتباط ندارند لذا آب نمیتواند از انها عبور کند.

درصد تخلخل سنگها و مواد متراکم نشده از حدود 0 تا 50 تغییر می کند برخی از این تخلخلهای تقریبی در زیر مشاهده میشود:

 

خاک :درصد تخلخل 60-50

رس :درصد تخلخل55-45

سیلت :درصد تخلخل50-40

ماسه درشت دانه:40-35

ماسه یکنواخت:40-30

ماسه متوسط تا ریز:35-30

شن:40-30

شن و ماسه:35-20

ماسه سنگ:20-10

شیل:20-1

آهک:10-1

[XMEHRDADX 7514]

توزیع آبهای زیرزمینی در جهت قائم

سنگها و مواد موجود در زیر زمینرا از نظر آبهای زیرزمینی به دو ناحیه بخش بندی کرد.یکی ناحیه اشباع شده(Zone of saturation) و دیگری ناحیه هوادار(Zone of aretion) در ناحیه اشباع ،تمام شکافهاو منافذ سنگ به وسیله آب و تحت فشار هیدروستاتیک پر شده در صورتیکه در ناحیه هوادار ،قسمتی از منافذ توسط آب و قسمتی هم بوسیله هوا اشغال شده است .(مانند شکل)

 

اگر مبنا را سطح زمین در نظر بگیریم رفتار زمین در واکنش به آب در جهت قائم به سمت پایین بدین شکل است:

-ابتدا سطح زمین

-اولین ناحیه :ناحیه هوادار

این ناحیه به ترتیب ازبالا به پایین در جهت عمق به ترتیب شامل:

1-منطقه آب خاکی 2- منطقه متوسط یا آب نم ثقلی.3- منطقه مویین یا آب مویین .

است.

دومین ناحیه :ناحیه اشباع است .

سطح و ابتدای این ناحیه را سطح ایستابی گویند و بعد از این سطح منطقه آب زیرزمینی شروع میشود.

 

 

 

 

 

 

 

[XMEHRDADX 7514]

ادامه توزیع آبهای زیرزمینی در جهت قائم

در اغلب مناطق ،ناحیه هوادار بر روی ناحیه اشباع و تا سطح زمین گسترش می یابد.

بررسی دو ناحیه اشباع و هوادار به شرح زیر است:

 

1-ناحیه هوادار:

ناحیه هوادار از بالا به پایین به ترتیب، خود به سه ناحیه فرعی موسوم به منطقه آب خاکی ،منطقه متوسط و منطقه موئین تقسیم میشود.

 

الف)منطقه آب خاکی (Soil Water ):در این منطقه معمولا آب کمتری از ناحیه اشباع وجود دارد،مگر هنگامی که در اثر برف و باران موقت سطح آب بالا بیاید . این منطقه از سطح زمین تا حوالی ریشه اصلی گیاهان گسترش می یابد. ضخامت این منطقه بسته به نوع خاک و گیاهان فرق می کند.و به علت اهمیتی که ناحیه آب و خاکی در امر کشاورزی دارد، مورد توجه پژوهشگران و کارشناسان خاکشناسی قرار دارد.

 

 

 

آب موجود در منطقه آب خاکی بر اساس مشخصات به سه دسته تقسیم میشود:

• اول،آب نم (Hydroscopic): که از هوا جذب می شود و تولید قشر نازک نم روی سطح ذرات خاک میکند . در اینجا نیروهای جاذبه خیلی بزرگ است و در اثر آن آب به ذرات خاک میچسبندو بنا براین این آب برای گیاهان مفید نیست.
  
• دوم،آب موئین(Capillary):که بصورت قشرهایی در اطراف ذرات خاک وجود دارد. این آب توسط نیرو های کشش سطحی کشیده میشود و در اثر قوای موئین حرکت میکند و برای گیاهان مفید است.
  
• سوم ،آب گرانشی (Gravitational):که عبارت از آب خاکی است که در اثر نیروی ثقل از خاک عبور میکند.
  

ب)منطقه متوسط (Intermediate Zone):این منطقه از حد پایین منطقه آب خاکی تا حد بالایی منطقه موئئین گسترش میابد(مطابق شکل پست قبل).ضخامت این منطقه ممکن است از صفر (هنگامی که در اثر ازدیاد آبهای فرو رو سطح ایستابی به سطح زمین نزدیک میشود)تا چند صد متر (در مورد سطوح ایستابی عمیق)تغییر کند.این قسمت را می توان منطقهای دانست که ناحیه نزدیک سطح زمین را به منطقه مجاور سطح ایستابی مرتبط کرده و در آن آب به سمت پایین حرکت میکند.

 

پ)منطقه موئین(Caoillary Zone):این منطقه از سطح ایستابی تا آن حد که آب در اثر قوای موئین بالا میرود گسترش دارد . اگر محیط متخلخل را بصورت یک لوله موئین تصور کنیم ،میتوان ارتفاع صعود آب را از از مساوی قرار دادن نیروی کشش سطحی و وزن آبی که بالا رفته بدست آورد که رابطه زیر بدست می آید:

(وزن مخصوص آب*شعاع لوله موئین)/(cosB * نیروی کشش سطحی*2)=ارتفاع صعود آب

زاویه B ،زاویه مماس بر سطح آب با امتداد لوله است.

اگر در دمای 10 درجه سانتی گراد ،نیروی کشش سطحی برابر با 0.074 گرم بر سانتی متر مربع و وزن مخصوص آب برابر با 1 گرم بر سانتی متر مکعب فرض شود ،در این صورت ارتفاع صعود آب بر حسب سانتی متر خواهد شد:

شعاع موئینگی/(0.15cosB)

اندازه زاویه تماس(B)بسته به نوع مایع و جنس لوله فرق می کند و آن مقدار برای آب خالص و شیشه به صفر میرسد. بدین ترتیب دیده میشود ارتفاع نفوذ آب در شن ،چند سانتی متر ،برای ماسه ،چند ده سانتی متر و برای رس به چند صد سانتی متر می رسد.

از آزمایشاتی که "میویس"(Mavis) و "تسوی"(Tsui) بر روی چهار نمونه مختلف ماسه - که نوع دانه بندی آنها متفاوت بوده است_انجام داده اند ،فرمول تقریبی زیررا برای محاسبه ارتفاع صعود آب پیشنهاد کردند.

(به دلیل محدودیت تایپ فرمول بعدا ارائه خواهد شد)

ضخامت منطقه موئین نه فقط با نوع ساخت سنگ یا خاک تغییر می کند بلکه در مورد یک طبقه واحدبا دانه بندی متغیر نیز نوساناتی دارد.بایستی توجه کرد که در بالای سطح ایستابی نیز ممکن است توزیع رطوبت وجود داشته باشدو بدین ترتیب اشباع حقیقی با انچه در ظاهر به چشم می خورد ممکن است متفاوت باشد.

[XMEHRDADX 7514]

انواع ساختار زمین به لحاظ مخازن آبهای زیرزمینی

 

 

همانطور که گفته شد آب زیر زمینی درقسمتهای متخلخل و نفوذ پذیر زمین جمع میشود و حرکت می کند.

1. آبخیز یا سفره آب:سفره آب عبارت از قسمتهای متخلخل و نفوذ پذیر زمین است که آب در داخل آن ،هم قادر به تجمع است و هم میتواند درون آنها حرکت کند.
   
2. سفره ناتراوا(Aquiclude):سفره ناتراوا قسمتهای متخلخلی است که گرچه ممکن است حاوی مقداری آب باشد ،ولی میزان قابل توجهی آب از درون ان قادر به حرکت نیست.(مانند سنگهای رسی)
   
3. مناطق بی آب(Aquifuge):به قسمتهایی از زمین اطلاق می شود که نه آب دارد و نه آب از درون آن قادر به حرکت است. مانند گرانیتهای بدون شکستگی.
   
4. حفره های آب(Voids):معمولا قسمتهایی از سنگ بوسیله کانی پر نشده و یا اینکه کانی آن حل شده و محل آن بشکل حفره هایی باقی مانده است. اگر این حفره ها از آب پر شوند ،حفره های آبهای زیرزمینی را بوجود می آورند،که معمولا چندان اهمیتی ندارند.
   

انواع سفره های آب

سفره های آب معمولا گسترش وسیعی دارند و می توان آنها را به عنوان منابع بزرگ آب زیرزمینی تلقی کرد. آب این منابع در اثر پدیده های طبیعی و یا مصنوعی تامین می شود و تخلیه آب آن در نتیجه نیروی ثقل و یا پمپاژ از چاه ها انجام می گیرد.عمدتا مقدار آبی که سالیانه از یک سفره خارج و یا به آن وارد می شود،درصد ناچیزی از ذخیره اصلی آن را تشکیل می دهد.سفره ها بسته به وجود و یا نبود سطح ایستابی به سفره های آزاد و محصور تقسیم بندی میشوند که در ادامه شرح آن خواهد آمد.شکل زیر نمایی از سفره آبهای آزاد و محصور را نشان میدهد:

 

 

[XMEHRDADX 7514]

1- سفره آب آزاد(Unconfined Aquifer)

بالاترین سطح منطقه اشباع شده را تشکیل می دهد .اینگونه سفره را سفره غیر آرتزین نیز می نامند. در چنین سفره هایی شکل و شیب سطح آب به عواملی مثل ورود آبهای سطحی ،تخلیه،وجود چاه،پمپاژو عوامل دیگر بستگی دارد.بالا و پایین رفتن سطح آب از تغییرات میزان ذخیره آب موجود تبعیت می کند. قسمت بالایی شکل پست قبل مقطع یک سفره ازاد را نشان می دهد.

2-سفره محصور(Confined Aquifer)

سفره محصور ،سفره آرتزین و یا سفره فشار دار هم نامیده می شود.اینگونه سفره ها هنگامی بوجود می آیند که آب زیر زمینی تحت فشاری بیش ازفشار اتمسفر،به وسیله یک طبقه غیرقابل نفوذ - که روی آن قرار گرفته_محصور میشود.در اینگونه سفره ها اگر چاهی حفر شود،سطح آب از سطح طبقه محصور کننده بالاتر میرود(شکل پست قبل).تغذیه سفره محصور از قسمتهایی انجام میگیرد که طبقه محصور کننده به زمین برسدو یا به طریقی حذف شود.در این صورت این قسمت از سفره محصور هم ارز یک سفره آزاد خواهد بود. منطقه ای که آب از آنجا ه داخل زمین فرو میرودرا ناحیه تغذیه کننده(recharge area)گویند.بالا و پایین رفتن سطح آب درون چاهی که در محصور حفر شده است ،بیشتر تابع تغییر فشار سفره است تا تغییر حجم آن،بنابراین سفره محصور خود حجم کمی به عنوان ذخیره در اختیار دارد و فقط قادر است در اثر تخلیه مصنوعی و یا طبیعی آب را از ناحیه تغذیه کننده به محل خود هدایت کند.

سطح پیزومتریک در یک سفره آب محصور عبارت از یک سطح فرضی است که ازفشار هیدروستاتیکی آب درون سفره تبعیت می کند وعملا سطح آب درون چاهی که در یک سفره حفر می شود،ارتفاع سطح پیزومتریک را در آن نقطه نشان می دهد . در مواردی که سطح پیزومتریک بالاتر از سطح زمین قرار گیرد ،یک چاه جهنده خواهیم داشت. سطح پیزو متریک در عین حال ،ادامه سطح ایستابی در ناحیه تغذیه کننده نیز هست.خطوط تراز آب زیر زمینی و نیمرخ سطح پیزومتریک را در این مورد نیز می توان از روی اطلاعات حاصله از چاههای موجود رسم کرد .بایستی به این نکته توجه کرد که هنگامی که سطح پیزومتریک به سطح یا طبقه نفوذ ناپذیر محصور کننده برسد،سفره محصور تبدیل به یک سفره آزاد خواهد شد و اغلب اتفاق می افتد که یک سفره آزاد در بالای یک سفره محصور باشد.

3-سفره محلی

سفره محلی حالت ویژه ای از سفره آزاد است .این نوع سفره ها هنگامی بوجود می آیند که قسمتی از آب زیرزمینیبه وسیله یک طبقه نسبتا غیر قابل نفوذ کوچک،از حوضه اصلی جدا شود. مثلا وجود عدسی های رسی در رسوبات متخلخل نفوذ پذیر ،باعث می شود که مقداری آب در بالای آن جمع شود. بدیهی است چاهی که به داخل یک سفره محلی نفوذ کند ،فقط مقدار کمی آب می دهد.