بخشی از مقاله
*** این مقاله شامل تعدادی فرمول و تصویر میباشد که در سایت قابل نمایش نیست ***
محاسبه سرعت ته نشینی نمک در دریاچه ارومیه
چکیده :
دریاچهی ارومیه بزرگترین دریاچهی فوق شور در جهان است که در منطقهی آذربایجان واقع شده است. با توجه به اهمیت بینالمللی نجات دریاچهی ارومیه از بحران خشک شدن و با توجه به تجمع لایههای ضخیم نمک در ته دریاچه، قصد داریم در مطالعهی حاضر نشان دهیم که با چه سرعتی یکی از ترکیبات یک شورابهی فوق شور مثل دریاچهی ارومیه، سدیم کلرید معمولی، جدا میشود.
رابطهی واقعی دانسیته-شوری، ، ترکیبی از دو ثابت ترمودینامیکی متفاوت است. یکی است که ضریب انبساط دریاچه نسبت به سدیم کلرید بوده و با فرآیندهای تهنشینی نمک در ارتباط است و دیگری است که ضریب انبساط دریاچه نسبت به کل نمکها بوده و با فرآیندهای تبخیر-رقیق- سازی در ارتباط است.برای هر دورهی ویژهی تحت مطالعه، رابطهی واقعی دانسیته-شوری، ، باید بطور مجزا مورد بررسی قرار گیرد. با تعیین مقدار تقریبی شوری و مشاهده سرعت تغییرات دانسیته و با استفاده از معادلات مربوط به توازن نمک دریاچه به یک تخمینی از سرعت تهنشینی نمک از دریاچهی ارومیه خواهیم رسید.تخمینهای موجود برای توازن نمک دریاچه بطور گستردهای متغیر است، انعکاس آبهای ورودی زیرسطحی ناشناخته، سرعت تبخیر و سرعت تجمع نمک در ته دریاچه از پارامترهای دخیل محسوب میشوند. برای این تخمین، تعادلات جرم را برای دریاچهی ارومیه با استفاده از دادههای مربوط به به هیدروگرافی و هواشناسی از سال 1999تا 2011 محاسبه شده است.
کلید واژه ها: سرعت تهنشینی نمک، شوری و دانسیته، ضریب انبساط، دریاچه ارومیه
مقدمه :
دریاچه ارومیه بزرگترین دریاچه فوق اشباع از نمک در جهان است که از این نظر با دریاچه بزرگ نمک Great Salt Lake آمریکا شباهت دارد(آقانباتی، (1385که با 140 کیلومتر طول و 15-50 کیلومتر عرض، مساحتی متغییر بین 5000 تا 6000 کیلومتر مربع را در شمال غرب ایران به خود اختصاص داده است. عمق متوس دریاچه در سال 1999، 6 متر و حداکثر عمق آن 13متر است. سطح آن نسبت به سطح آب دریاهای آزاد، حدود1300 متر بالاتر قرار دارد(علوی پناه و همکار، .(1381 نوع شوراب دریاچه ارومیه سدیم(کلسیم) و کلرید(سولفات) است(غضبان و همکار، .(1376 آب دریاچه ارومیه حاوی مقادیر بالایی از یونهای مختلف میباشد که شوری آب آن را به بیش از 350 گرم در لیتر میرساند. کمترین شوری در فصل بهار 217) گرم در لیتر) به دلیل ورودی آب زیاد و بیشترین شوری در اواخر تابستان و اوایل پاییز 350)گرم در لیتر) است(صالحی پور و همکاران، .(1389 دریاچهارومیه، دریاچهای با آب شیرین بوده که بتدریج شورتر شده تا به حد فوق اشباع از نمک رسیده است(.(kelta and shahrabi, 1986
میانگین سالیانه بارش در این حوضه 398 میلیمتر بوده که از لحاظ مقدار بارش دومین حوضه پر باران کشور بعد از حوضه آبریز خزر میباشد(موحد دانش، .(1373 تبخیر سالانه از سطح آزاد دریاچه بین 0/98 تا 1/2 متر برآورد شده است که نشاندهنده آب و هوای خشک در حوضه آبریز دریاچه ارومیه است (محمدی، .(1384
مطالعات اکتشافی انجام شده برای استحصال نمک از دریاچه ارومیه نشان داده است که مجموع تهنشست جامد دریاچه به بیش از 5 میلیارد تن میرسد. در این میان، پتاسیم بر حسب K2O حدود 27 میلیون تن و بر حسب سولفات پتاسیم حدود 60 میلیون تن، منیزیم 244 میلیون تن، برومید حدود 28 تن و لیتیم حدود 250 تن برآورد شده است. پس از مطالعات فرآوری، استحصال نمکهای دریاچه ارومیه با احداث حوضچههای تبخیر خورشیدی و کارخانه فرآوری امکانپذیر است(آقانباتی، (1385
بحث :
تعادل آب دریاچه ارومیه
معادلهی بیلان آبی دریاچهی ارومیه به صورت زیر ارائه شده است که در آن تغییرات تراز آب تابعی از بارش (P)، تبخیر (E) و حجم ورودی دریاچه (R) نسبت به مساحت آن (A) است.
(1
آخرین دادهی منتشر شده از سنجش ماهوارهای نشان میدهد که ارتفاع سطح آب دریاچهی ارومیه در دومین روز تیر ماه1390 به 7.26 متر پایینتر از تراز حداکثری دریاچه رسیده است. تراز حداکثری در سال 1995 به حدود 1278 متر رسیده که این میزان در طی 16 سال با افت بیش از 7 متر در سال 2010 به 1271.65 و در جولای 2011 به 1271.35 متر از سطح دریاهای آزاد رسیده است(درویشی خاتونی، 1389 و .(1390
اما بحث به همین جا ختم نمیشود. در حال حاضر در دریاچهی ارومیه دو اتفاق در حال رخ دادن است. نخست اینکه میانگین ارتفاع سطح آب هر ماه نسبت به ماه مشابه در سال قبل در حال کاهش است. در عین حال نوسانات ارتفاع سطح آب نیز در حال افزایش است. با توجه به (شکل (1 که در آن دو دوره ی متفاوت کاهش تغییرات آب نشان داده شده است در مستطیل سبز، همانطور که میبینید مشاهدههای مرتب با ماه می و ژوئن که به صورت نقاط قرمز و آبی هستند برای سالهای 1999 تا 2005 درج شده است، که روی هم منطبق شدهاند و میزان تغییرات آنها بسیار اندک است. در واقع ما بین دو سال تغییرات داریم اما در درون مشاهدات یک سال تغییرات چندانی مشاهده نمیکنیم.
این در حالی است که در مربع آبی که مربوط به هفت سال گذشته است به تدریج نقاط از هم فاصله میگیرند به طوری که سال جاری دارای پراکنده-ترین مشاهدات است (مکعب نارنجی) و در نهایت در ابتدای تیر ماه پایینترین سطح آب ثبت شده است که در دایره قرمز نشان داده شده است. این به نظر میرسد ورود دریاچهی ارومیه به یک حالت تعادل جدید است(درویشی خاتونی، .(1390
(شکل -(1 دو دوره متفاوت کاهش تغییرات آب
مفهوم تعادل جدید
در (شکل (2 دو منحنی مشاهده میشود که یکی در نقطهی میانگین ارتفاع بیشتری دارد و انحراف معیار کمتری. دیگری که سطح پایینتری دارد و پراکندگی بیشتری. وقتی سیستمی از نمودار اول به حالت دوم وارد شود در واقع وارد یک تعادل جدید شده است. این همان شرایطی است که در حوزهی افزایش دما بسیار به آن توجه میشود که به نظر می رسد به طور مشهودی برای دریاچه در حال وقوع است. دریاچهی ارومیه فعلی دارای نوسانات بیشتر در سطح آب پایین تری است که هیچ کدام از این دو پیش از این وجود نداشتهاند. انگار دریاچه از نمودار اول به نمودار دوم شیفت پیدا کرده است(درویشی خاتونی، .(1390
(شکل -(2شکل شماتیک ایجاد تعادل جدید
انحراف معیار تغییرات ارتفاع سطح آب دریاچه که در سال 2000 تنها پنج سانتیمتر بوده است در سال 2007 به حدود بیست سانتیمتر و امسال به 55 سانتیمتر رسیده است .
در نهایت (شکل (3 نشان میدهد که در دریاچهی ارومیه از نظر تعادل اکولوژیک چه رخ داده است. دریاچه برای سالیان سال در شرایطی مثل نقطهی یک (قرمز) بوده است. عوامل انسانی و غیر انسانی آنقدر بر دریاچه فشار وارد کردهاند که دریاچه به حالت دو رسیده است و از تعادل اولیه خارج شده است و به حالت سه رسیده است. حالا دریاچه در وضعیت سه قرار گرفته است. دریاچهای با سطح آب متوس پایینتر و نوسانات تراز سطح آب بیشتر که بعید به نظر میرسد بتواند به طور طبیعی به حالت اولش باز گردد(درویشی خاتونی، .(1390
(شکل -(3شکل شماتیک از شرایط جدید دریاچه ارومیه
تعادل منفی آب این دریاچهی منحصر به فرد، به علت انحراف آب های شیرین از محل زهکشی آن ها، احداث سدها، پروژه احداث میانگذر شهید کلانتری و گرم شدن هوا و در نتیجه افزایش سرعت تبخیر در چندین سال اخیر است(درویشی خاتونی، .(1390
تعادل آب و نمک در دریاچه ارومیه
برآورد موجود برای تعادل آب دریاچه بطور گستردهای متغیر است ( انعکاس آب ورودی زیرسطحی ناشناخته، سرعت تبخیر و سرعت تجمع نمک در ته دریاچه از پارامترهای دخیل محسوب میشوند). برای تخمین سرعت تجمع نمک در دریاچه ارومیه از تعادل جرم و اندازهگیریهای هواشناسی و اطلاعات هیدروگرافی از سال 1999 تا 2010 استفاده شده است.
بطور کلی تعیین دقیق توازن آب دریاچههای فوق شور و بطور ویژه دریاچه ارومیه پیچیدهتر از آب شیرین است، با توجه به دو عامل مهم:
عامل اول: کاهش فعالیت آب که منجربه کاهش تبخیر از شورابه میگردد. تبخیر از سطح آب شور کمتر از آب شیرین است زیرا نمکهای حل شده انرژی آزاد مولکولهای آب و در نتیجه فشار بخار اشباع بالای
شورابه را کاهش میدهند .(Lensky etal, 2005) ضریب فعالیت آب در شورابه، ، نسبت بین فشار بخار در بالای سطح شورابه و فشار بخار بالای سطح آبهای شیرین در همان درجه حرارت است.
فعالیت آب شیرین تعریف شده است در حالی که در شورابههای فوق شور است (برای ترکیب کنونی دریاچه ارومیه است). بر این اساس میزان تبخیر از چنین آبی مشابه تبخیر از آب شیرین تحت شرای مشابه نیست (محمدی .(1383
-2 عامل دوم: عدم تعیین مقدار آب خالص از دست رفته میباشد.کاهش در سطح آب یک دریاچه اشباع فوق شور، تغییر واقعی حجم دریاچه را نشان نمیدهد چرا که تجمع نمک بطور موثر بستر آن را افزایش میدهد. بنابراین این تغییرات بزرگتر از آن است که از تغییرات سادهی سطح آب مشاهده میشود .(Lensky etal, 2005)
در اینجا ابتدا یک فرمول برای تعیین تعادل جرم برای دریاچههای فوقشور ارائه داده و از این فرمول برای حل سرعت تهنشینی نمک در دریاچه ارومیه بر اساس اندازهگیریهای هواشناسی و آمارهای مربوط به شرکت سهامی آب منطقهای آذربایجان غربی و شرقی استفاده میکنیم.
در سالهای اخیر با توجه به کمبود و افت سطح تراز آب دریاچه، حاشیه دریاچه و غالبا بخش جنوبی دریاچه خشک شده است (شایان و همکار، .(1386 در طول این سالها با افزایش در شوری آب چگالی آن نیز افزایش یافته و ثبات لایههای فوقانی ضعیف شده است. این در نهایت منجر به واژگونی کامل ستون آب دریاچه شده است. از آن زمان به بعد دریاچه شروع به دگرگونی کرد در حالی که شوری و دمای آن مرتبا زیاد شده و سطح آب کاهش مییافت. تهنشینی نمک باعث ایجاد تغییراتی در شوری و دانسیته میشود.
