دانلود مقاله آب های زیر زمینی

بخشی از مقاله

آب های زیر زمینی

كليات
علمي كه به مطالعه منابع آب موجود در زير زمين مي پردازد، «هيدروژئولوژي» (زمين شناسي آب) يا «ژئوهيدرولوژي»(آب شناسي زير زميني) خوانده مي شود. در اين علم به طور كلي مسائلي مثل محل پيدايش ، توزيع ، خواص و چگونگي حركت آبهاي زير زميني مورد بررسي قرار مي گيرد. البته اصطلاح هيدروژئولوژي توسط برخي از مؤلفين به معناي ديگر نيز به كار رفته است، مثلاً گاهي آن را شاخه اي از دانش زمين شناسي مي دانند كه تنها به مطالعه تغييرات زمين توسط آب و پديده

هاي وابسته به آن مي پردازد. ولي امروز غالباً هيدروژئولوژي به كار مي رود ، منتها بر روي جنبه هاي زمين شناسي اين علم و رابطة آبهاي زيرزميني با محيط زمين شناسي تأكيد بيشتري دارد. در حالي كه در ژئوهيدرولوژي جنبه هاي آب شناسي اين علم (خصوصيات جريان سيال) بيشتر مورد توجه است.
اهميت استفاده از آبهاي زير زميني
آب زير زميني يكي از مهمترين منابع تامين آب شيرين مورد نياز انسان است. آب زير زميني ، بعد از يخچالها و يخ پهنه ها، بزرگترين ذخيره آب شيرين زمين را تشكل مي دهد. امروزه بهره برداري از منابع آب زير زميني ، براي مصارفي چون كشاورزي ، صنعت و شرب ، توسعه زيادي پيدا كرده است. در مناطق خشك و دور از رودخانه ها و درياچه هاي آب شيرين ، غالباً تنها تامين آب براي مصارف مختلف استفاده از منابع آب زيرزميني است. حتي در نقاطي كه آبهاي سطحي به قدر كافي

موجود باشد ، ممكن است آبهاي زير زميني ترجيح داده شود. استفاده از آب زير زميني ، با وججود آن كه استخراج آن معمولاً گرانتر از برداشت آب از رودخانه هاست و نمكهاي محلول در آن به طور كلي بيش از رودخانه هاست، به دلايل زير بيشتر مورد توجه است:
1- معمولاً آبهاي زير زميني عاري از جانداران بيماري زاست و احتياج به تصفيه ندارد.

2- دماي آبهاي زير زميني نسبتاً ثابت و براي عمل تبادل حرارتي در كارخانه ها مفيد است.
3- تركيب شيميايي آبهاي زير زميني معمولاً ثابت است.
4- آبهاي زير زميني غالباً بي رنگ و فاقد مواد تيره كننده است.
5- آلودگيهاي زيستي و راديواكتيو كمتر روي آب زير زميني تأثير دارد.
6- آبهاي زير زميني غالباً تحت تأثير خشك ساليهاي كوتاه مدت قرار نمي گيرد.
7- در بسياري از مناطقي كه آب سطحي قابل اطميناني وجود مدارد آبهاي زير زميني غالباً در دسترس است.
استفاده از آبهاي زير زميني در كشور ما، كه فاقد منابع آب سطحي فراروان است، از دير باز رواج بسيار داشته است. امروزه نيز بخش مهمي از آبهاي مورد نياز ، بخصوص در كشاورزي و براي

مصارف شهري ، از منابع زير زميني تأمين مي شود. در حال حاضر در سطح كشور سالانه حدود 49 ميليارد متر مكعب آب از منابع زير زميني برداشت مي شود (جدول 1-1 ) اين رقم بخش بزرگي از كل آبهاي مصرفي در كشور ما را تشكيل مي دهد. مقايسه اين رقم با حجم جريانهاي سطحي ، اهميت استفاده از آبهاي زير زميني را رد ايران نشان مي دهد. بنا به آمار موجود حجم تقريبي

جريانهاي سطحي در حوضه هاي آبريز كشور به طور متوسط سالانه حدود 68 ميليار متر مكعب است، كه تمام اين آب نيز توسط سدهاي مخزني مهار نشده و بخشي از آن بخصوص در ماههايي از سال كه نياز كمتري به آب وجود دارد هدر مي رود.

جدول 1-1 ميزان بهره برداري و تخليه منابع آب زيرزميني در ايران سال آبي 70-69 (به ميليون متر مكعب)
چاه عميق چاه نيمه عميق قنات چشمه جمع
23741 9225 7899 7919 48784

تاريخچه بهره برداري از آبهاي زير زميني
بهره برداري از آبهاي زير زميني ، براي رفع نيازهاي روزمره ، به گذشته هاي دور بر مي گردد. پيش از آن كه انسان راه استفاده از آبهاي زير زميني را بيابد ، در كنار رودخانه ها، درياچهها و چشمه ها زندگي مي كرده است. مسلماً يكي از قدمهاي بزرگ تمدن زماني برداشته شد كه انسان راه به دست آوردن آب با وسايل مصنوعي را يافت . بهره برداري از آبهاي زيرزميني ، بخصوص در مناطق خشك آسيا سابقه هاي طولاني دارد. اولين راه بهره برداري از آب زيرزميني احتمالاً چاه بوده است . قديمي ترين چاه آبي كه تاكنون بجاي مانده در دره رود سند است كه ساختمان آنرا به 6000

سال پيش مربوط مي دانند . مصريان در 3000 يال قبل از ميلاد مسيح در حفر چاه در زمينهاي سنگي مهارت داشته اند. چينيان قديم با روش حفاري آهسته ، كه ساله و بلكه دهها سال طول مي كشيد و شبيه روش حفاري ضربه اي امروزي بود، چاههايي با عمق اعجاب انگيز 1500 متر نيز حفر كرده اند.

بزرگترين ابتكار در استفاده از آبهاي زير زميني در گذشته ساختن قننات يا كاريز بوده است ايرانيان مبتكر ساختن قنات اند. ساختن قنات در ايران از حدود 3000 سال پيش شروع شده و سپس به ديگر نقاط گسترش پيدا كرده است. آثار قناتهاي قديمي در نقاط مختلف كشور ما به فراواني ديده مي شود . طول پاره اي از اين قناتها به دهها كيلومتر مي رسد.
در اوايل قرن 12 ميلادي با پيدا شدن چاههاي آرتزين در اروپا ، تكنيك حفاري چاهها توسعه زيادي پيدا كرد. معهذا تا اواخر قرن 18 عمق چاهها به ندرت از 300 متر تاوز مي كرد. تنها در اواخر قرن 19 بود كه عمق چاههاي حفر شده با وسايل ماشيني جديد توانست از عمق چاههاي قديمي

چيني ها بيشتر شود.
گرچه بهره برداري از آبهاي زير زميني از گذشته هاي دور معمول بوده و روشهاي استخراج آن توسعه پيدا كرده ولي نظريه هاي مربوط به منشاء و حركت آب زير زميني همپاي آن بسط نيافته است فيلسوفان قديم يونان اغلب چنين تصور مي كردند كه مجراهايي در زير زمين وجود دارند كه مستقيم يا غير مستقيم با درياها در ارتباط اند و آب دريا از طريق آنها ، پس از صاف شدن به صورت چشمه در سطح زمين ظاهر مي شود. در تمام قرون وسطي حتي تا قرن 17 ميلادي ، نظريه هاي فيلسوفان يوناني ، در ميان دانشمندان مغرب زمين رواج داشته است اغلب چنين مي پنداشتند كه باران و برف به تنهايي نمي تواند آب چشمه ها و رودخانه ها را تأمين كند.كردهاند. از جمله «ابوبكر محمد بن الحسن الحاسب كرجي» (قرن چهارم و پنجم هجري قمري) در كتابي تحت عنوان

«استخراج آبهاي پنهاني» در باره منشاء و راههاي استخراج آب زيرزميني گفتگو مي كند. در اين كتاب به روشني گفته شده كه «ماية آبهاي ساكن در شكم زمين و منشاء چشمه ها ، رودها و نهرها از باران و برف است» ابوريحان بيروني (قرن چهارم و پنجم هجري قمري) در آثار الباقيه منشاء آب چشمه ها و علت تغييرات مقدار آب آنها را ذكر كرده است. وي براي اولين بار خروج آب از

چاههاي آرتزين را بر اساس قانون ظروف مرتبط بيان مي كند. «ابوحاتم مظفر اسفرازي» (قرن پنجم و ششم هجري قمري) در «رسالة آثار علوي» در باره پديد آمدن جويها، رودها و چشمه ها ، نفوذ آب به زمين ، حركت آب در زير زمين ، تغيير كيفيت آب به دليل وجود كانيهاي قابل حل در مسير آب و بسيار مسايل آب شناسي ديگر به تفضيل سخن گفتن است.

اولين كساني كه توانستند بر اساس مشاهده تجزيه منشاء آبهاي سطحي و زير زميني را نشان دهند، «پيرپرو» (1680 – 1608) و «آدمه ماريوت» (1684 – 1620)، دانشمندان فرانسوي ، بودند . پرو با اندازه گيري مقدار بارندگي و آب جاري در يك حوضه نشان داد كه مقدار آب جاري خيلي كمتر از مقدار باران بوده است. ماريوت ضمن تأييد تجزبه پرو ، راجع به نفع آب در زمين بررسيهايي انجام داد و نتيجه گيري كرد كه چشمه ها با باراني كه به زمين نفوذ مي كند ، تغذيه مي شوند. «ادموند هالي» (1742-1656) دانشمند انگليسي نشان داد كه مقدار تبخير از درياي مديترانه براي تامين كليه آبهايي كه رودخانه ها ب اين دريا مي ريزند كافي است. «هنري دارسي» (1858 – 1803) مهندس فرانسوي ، اولين كسي بود كه قانون حاكم بر جريان آب در محيطهاي متخلخل را بيان كرد و قدم بزرگي در راه مطالعه آبهاي زير زميني برداشت.

در خلال قرن نوزدهم و قرن حاضر ، باپيشرفت علوم زمين شناسي و هيدروليك ، كه رابطه نزديكي با مطالعه آبهاي زير زميني دارند، همچنين گسترش مطالعات شيمي آب ژئوفيزيك ، دانش انسان دربارة شناخت آبهاي زيرزميني توسعه بسيار يافته است.
فصل 2
آب در زمين و لايه هاي آبدار
آب در زمين در منافذ و فضاهاي خالي سنگها و خاكها جمع مي شود . اما همه آب موجود در زير سطح زمين به راههاي معمولي ، مثل حفر چاه قابل برداشت نيستند. وقتي چاهي در زمين حفر مي شود ممكن است به خاكها يا سنگهاي مرطوب يا حتي اشباع از آب برخورد كند. ولي تا زما

ني كه اين آبها نتوانند آزادانه به داخل چاه تراوش كنند. مستقيماً قابل بهره برداري نيستند. «آب زيرزميني» يا «آب زير سطحي» اصطلاحي است كه به تمام آبهاي موجود در زير سطح زمين اطلاق مي شود. ولي هيدروژئولوگها عمدتاً با آبهايي سر و كار دارند كه تمام منافذ سنگها و خاكها را در زير سطح ايستابي اشغال كرده است. از اين رو غالباً اصطلاح «آب زيرزميني » را براي اين بخش از آبهاي زير سطح زمين ، كه قابل برداشت به وسيله چاه ، چشمه يا قنات است، به كار مي برند.

قسمت اعظم آب موجود در زير زمين بخشي از «چرخه آب» است. بنابر اين آب باران و برف (به طور كلي آبهاي جوي) منشاء اصلي آبهاي زيرزميني است. البته مقادير كمي آب از منابع ديگر مثلاً آبهاي محبوس يا فسيل (آبهاي باقيمانده در منافذ سنگهاي رسوبي از زمان تشكيل) يا آبهاي جوان (آبهاي ماگمايي يا آتشفشاني ) نيز ممكن است وارد اين چرخه شود.

ويژگيهاي فيزيكي و سنگ شناسي محيطهاي متخلخل
حجم آب موجود در منافذ خالي سنگه و خاكها ممكن است نسبتاً كم يا زياد باشد. به علاوه آب در پاره اي از سنگها به سختي و در برخي ديگر به آساني جا به جا مي شود. امكان تشكيل مخزن آب زيرزميني و قابليت آبدهي هر مخزن قبل از هر

چيز به ويژگيهاي فيزيكي و سنگ شناسي محيطهاي متخلخل وابسته است. از اين رو بررسي خصوصيات سنگها و منافذ موجود در آنها، از نظر مطالعه آبهاي زيرزميني اهميت زيادي دارد.
منافذ موجود در سنگ
اغلب سنگهاي نزديك سطح زمين ، كم و بيش ، داراي فضاهاي خالي يا منافذي هستند كه آب مي تواند درون آنها جمع شده و به حركت در آيد. اختلافات موجود در شكل، اندازه، تعداد ، نحوه ارتباط و ترتيب قرار گرفتن منافذ سنگها، نتيجه فرايندهاي زمين شناسي مختلف در تشكيل سنگها و تغييرات بعدي در آنهاست. منافذ موجود در سنگها ، اغلب كوچك و در ارتباط با هم اند. ولي گاهي نيز در بعضي سنگها فضاهاي خالي بزرگ يافت مي شود. مثلاً در سنگهاي آهكي مجاري بزرگ زيرزميني و غارها ممكن است توسعه پيدا كرده باشد. در پاره اي از سنگها نيز ممكن است منافذ سنگ بي ارتباط با هم باشند و در نتيجه آب در درون سنگ قارد به حركت نباشد.
منافذ موجود در سنگها را ، از نظر نحوة تشكيل انها مي توان به دو گروه تقسيم كرد:
- منافذ اوليه : منافذي هستند كه در زمان تشكيل سنگ در آن به وجود آمده اند، مثل فضاهاي خالي بين دانه ها در يك رسوب يا سنگ رسوبي يا حفرات موجود در يك سنگ آتشفشاني
- منافذ ثانويه: منافذي هستند كه در نتيجه فرايندهاي زمين شناسي مختلف پس از تشكيل سنگ در آن به وجود آمده اند، از قبيل درزها ، شكافها ، گسلها، فضاهاي خالي ناشي از انحلال سنگها و منافذي كه بر اثر فعاليت گياهان و جانوران در سنگها ايجاد مي شود.

اغلب سنگها سخت و متراكم داراي درزهايي هستند كه سنگ را در چند جهت شكسته اند و تا اعماق مختلف گسترش دارند . اين منافذ ثانويه كه بر اثر چين خوردگي فشار و تغييرات بعدي در سنگ ايجاد شده اند از نظر اندازه و تعداد متفاوت اند. درزها غالباً يكديگر را قطع مي كنند و فاصله بين آنها نظم مشخصي ندارد ولي در اعماق غالباً از هم دور مي شوند منافذ ثانويه بر اثر تجزيه شيميايي سنگها شكسته شدن مواد قابل حل يا انحلال در سنگها نيز ايجاد مي شوند. انحلال سيمان كلسيتي در يك ماسه سنگ يا انحلال مواد قابل حل ديگر حفرات و منافذ ثانويه فراواني در بعضي مناطق ايجاد مي كند عموماً با افزايش عمق منافذ موجود در سنگها كاهش پيدا مي كند. اغلب چاهاي عميق در اعماق زير 1500 متر با سنگهائي كه منافذ كمي دارند برخورد مي كنند.

تخلخل
مقدار فضاهاي خالي موجود در يك سنگ يا خاك را با كميّت «تخلخل» بيان مي كنند. بنا به تعريف ، تخلخل (a) عبارت است از درصد حجم فضاهاي خالي موجود در يك نمونه سنگ يا خاك (Vv) به حجم كل آن نمونه (Vt):

(2-1) ؟
Vv را مي توان حجم آب لازم براي پر كردن تمام منافذ نمونه در نظر گرفت.
ميزان تخلخل در سنگها و رسوبات مختلف متفاوت است و از نزديك به صفر تا بيش از 50 درصد تغيير مي كند.(جدول 2-1)
جدول 2-1 حدود تغييرات تخلخل در چند نمونه (نقل از Bouwer 1978)
رسوب يا سنگ درصد تخلخل
لاي و رس 60 - 50
ماسه دانه ريز 50 – 40
ماسه دانه متوسط 40 - 35

ماسه دانه درشت 35 - 25
گراول 30 -20
مخلوط ماسه و گراول 30 -10
سنگهاي متراكم 1 ›

سنگهاي آذرين درز و شكافدار و هوازده 10 -2
بازالت هاي جديد نفوذپذير 50 – 10
گدازه هاي حفره دار 50 – 10
توفها 30
ماسه سنگ 30 - 5
سنگهاي كربناته با منافذ اوليه و ثانويه 20 - 10

عوامل مؤثر بر تخلخل
مقدار تخلخل به عوامل گوناگون بستگي دارد . در رسوبات سخت نشده ،تخلخل به شكل درجه جورشدگي (شكل 2-1) و آرايش دانه ها وابشته است. در سنگهاي رسوبي آواري معمولاً تخلخل كمتر از رسوبات سخت نشده است؛ چون بخشي از منافذ توسط سيمان اشغال مي شود. بعضي از سنگها ممكن است تخلخل نسبتاً زيادي داشته باشند ولي حفرات آنها به هم مربوط نباشند (شكل 2-2) سطوح لايه بندي، درزها و گسلها نيز از ديگر عوامل مؤثر بر تخلخل اند. سنگهاي

متراكم مثل سنگهاي آذرين و دگرگوني معمولاض تخلخل خيلي كمي دارند مگر آن كه بر اثر عوامل تكتونيكي يا هوازدگي شكسته و خرد شده باشند. عمل انحلال به ويژه در سنگهاي آهكي مي تواند موجب افزايش تخلخل شود. دولوميتي شدن نيز تخلخل را مي افزايد، چون يونهاي منيزيم ، كه جانشين يونهاي كلسيم مي شوند ، از آنها كوچكترند.
نحوة قرار گرفتن يا آرايش دانه هاي يك رسوب در كنار هم نيز در ميزان تخلخل آن موثر است. اگر رسوب را در نظر بگيريم كه از دانه هايي به شكل كره كامل و هم

اندازه تشكيل شده باشد، اين دانه ها مي توانند به صورتهاي مختلفي در كنار هم قرار گيرند (شكل 2-3) كمترين تراكم مربوط به آرايش مكعبي و بيشترين تراكم مربوط به آرايش رومبوئدري است. به اين جهت ارايش مكعبي بيشترين و آرايش رومبوئدري كمترين تخلخل را ياجادمي كنند. البته در شرايط طبيعي دانه ها به صورت كره هاي كامل يك اندازه نيستند و كمتر به يكي از دو صورت منظم فوق قرار مي گيرند و غالباً آرايش مشخص و منظمي ندارند.
انواع لايه هاي آبدار

لايه هاي آبدار به طور كلي بر دو نوع اند: آزاد و تحت فشار . «لايه آبدار آزاد» يا «نامحصور» شبيه يك درياچه زيرزميني در مواد متخلخل است (شكل 2 – 12) در اين سفره ها هيچگونه لايه رشي يا لاية محصور كنندة ديگري در بالاي منطقه اشباع آب زيرزميني وجود ندارد. در واقع آنچه كه در شكل 2 -5 نشان داده شده يك لاية آبدار آزاد است. سطح فوقاني لايه ابدار آزاد، «ايستابي» است كه مي تواند آزادانه نوسان كند بالا و پايين رفتن سطح ايستابي به ميزان تغذيه و تخليه سفره يا حجم آب ذخيره شده در آن بستگي دارد. چنانكه گفتيم ارتفاع سطح ايستابي سفره آزاد با تراز تعادلي آب در چاهي كه تا سفره آزاد حفر شود مطابقت دارد. مرز پاييني لايه هاي آبدار آزاد را لايه اي از

موادي كه نفوذپذيري خيلي كمتري از خود سفره دارند تشكيل مي دهد. اين گونه لايه هاي نفوذناپذير ممكن است رس يا ديگر مواد دانه ريز شيل ، سنگ آهك متراكم ، سنگ آذرين يا انواع ديگر سنگ بستر (سنگ كف) تشكيل شده باشند. سفره هاي آزاد معمولاً در آبرفتها، تلماسه ها يا نهشته هاي يخچالي يافت مي شوند. ضخامت لايه هاي آبدار ازاد از چند متر تا صدها متر مي تواند تغيير كند. منبع اصلي تغذيه آب زيرزميني در لايه هاي آبدار آزاد بارش است . آب باران با آبهاي حاصل از ذوب يخ و برف مي تواند مستقيماً از خاك بالاي سفره در آن نفوذ كند يا آن كه غير

مستقيم از طريق رواناب سطحي و نشت از روخانه ها و درياچه ها وارد سفره شود. بخشي از آبهاي مصرفي در آبياري نيز با عبور از منطقه ريشه گياهان مي تواند در تغذيه سفره آزاد شركت كند.
«لايه آبدار تحت فشار» يا «محصور» لايه آبداري است كه بين دو لايه با نفوذپذيري خيلي كمتر قرار گرفته باشد (شكل 2 13) مثلاً يك لايه ماسه اي بين دو لايه رسي ، يا يك لايه ماسه سنگ بين لايه هاي شيل يا سنگ آهك متراكم . لايه هاي محصور كننده ممكن است لايه هاي ناتراوا يا كم تراوا باشند. در جايي كه لايه هاي محصور كننده به سطح زمين مي رسند يا زير زمين قطع مي

محل را «منطقه تغذيه » يا «منطقه آبگيري» مي نامند. علاوه بر نفوذ آب از منطقه تغذيه ، بخشي از آب سفره هاي تحت فشار بر اثر نشت از لايه هاي كم تراواي بالا و پايين سفره نيز ممكن است تأمين شود.

لايه هاي آبدار تحت فشار به طور كامل از آب پر شده اند. بنابر اين سطح فوقاني آنها را سطح ايستابي تشكيل نمي دهد. در اين سفره ها به جاي سطح ايستابي از «سطح پيزومتريك» صحبت مي شود. سطح پيزومتريك يا «سطح فشار» سطحي است فرضي كه ارتفاع آن در هر نقطه برابر ارتفاع نظير فشار آب يا بار فشار در سفره است. در پيزومتري كه تا سفره تحت فشار پايين رفته باشد، آب از زير لايه محصور كننده بالاتر مي آيد، (چون ارتفاع سطح ايستابي در منطقه تغذيه سفرة تحت فشار بالاتر از نقطه برخورد پيزومتر با سفرة تحت فشار است) ارتفاع آب در اين پيزومترها نماينگر فشار آب در هر نقطه است. بنابر اين تراز آب در تعدادي پيزومتر، كه تا سفره معيني نفوذ كرده باشند، مشخص كننده سطح پيزومتريك است. اگر سطح پيزومتريك بالاتر از سطح زمين باشد آب چاه خود به خود (بدون پمپاژ) به بيرون جريان پيدا مي كند. اين گونه چاهها را «چاه سرريز» يا «آرتزين» مي خوانند. اصطلاح «آرتزين» گاهي در مورد هر چاهي كه در لايه هاي آبدار تحت فشار حفر شود، يا خود اين گونه لايه هاي آبدار، و گاهي تنها در مورد چاهها و لايه هاي آبداري كه آب آنها بتواند به سطح زمين راه يابد به كار مي رود. آبهاي آرتزين همچنين مي توانند به وسيله مجاري طبيعي مثل گسلها به سطح زمين راه پيدا كنند و چشمه هايي به وجود آورند.
سفره هاي تحت فشار در يك محل ممكن است به صورت تعدادي لايه هاي آبدار روي هم باشند كه با لايه هاي ناتراوا يا كم تراوايي از هم جدا شده اند. بالاترين سفره معمولاً يك سفره آزاد است. نفوذپذيري و كيفيت آب اين سفره ها ممكن است تفاوت قابل ملاحظه اي داشته باشند.

لايه هاي آبدار تحت فشار يا آزادي كه بتوانند از طريق لايه هاي كم تراواي بالا يا پايين خود آب جذب كنند يا از دست بدهند، «لايه هاي آبدار نشتي » خوانده مي شوند. لايه هاي آبدار تحت فشار نشتي را لايه هاي آبدار «نيمه محصور» نيز مي گويند. گر چه سازندهاي نيمه تراوايي محصور كننده اين سفره ها مقاومت نسبتاً زيادي در مقابل جريان آب دارند، ولي چنانكه گفتيم ممكن است در امتداد سطوح وسيع تماس آنها با سفره ، مقادير قابل ملاحظه اي آب از سفره نشت كند. مقدار

و جهت نشت در هر نقطه به اختلاف بار فشار موجود در طرفين لايه نيمه تراوا وابسته است. در شكل 2 -13 يك سفره آزاد (A) و دو سفره تحت فشار (C , B) همراه با تعدادي پيزومتر نشان داده شده است. سفره B در منطقه تغذيه به يك سفره آزاد تبديل شده است.