بهره‌ برداری از آب زیرزمینی

درحال مشاهده: بهره‌ برداری از آب زیرزمینی

ادعونی اهدای خون

بهره‌ برداری از آب زیرزمینی

۱۳۹۰/۰۶/۰۸

2:4

امیرحسین ستوده بیدختی

دید کلی

آبهای زیرزمینی بطور طبیعی ، و بطور کلی تحت اثر وزن خود از نقاط مرتفع به سوی نقاط پست حرکت می‌کنند. حرکت افقی آب در زیر زمین اغلب بسیار آهسته‌تر از رودخانه‌هاست، به نحوی که سرعت آب در رودخانه‌ها را با متر در ثانیه می‌سنجند در حالی که سرعت آبهای زیرزمینی با سانتیمتر در روز و حتی متر در سال سنجیده می‌شود.
جابجایی آب در زیر زمین

در تجزیه و تحلیل حرکت آب زیرزمینی ، مسیر واقعی پرپیچ و خم مولکولهای آب از خلال منافذ رسوبات و درز و شکاف سنگها را به صورت مسیرها صافی در نظر می‌گیرند، بطوری که گویی مولکولهای آب مستقیما از درون ذرات جامد عبور می‌کند. خطوط صاف مسیر حرکت مولکولهای آب را اصطلاحا «خط جریان» می‌گویند. جریان آب زیرزمینی معمولا به‌صورت یکنواخت و ماندگار است. با استفاده از ارتفاع سطح آب در چاههایی که در یک سفره حفر شده‌اند می‌توان «نقشه خطوط تراز ایستایی» را تهیه کرد.

این گونه نقشه‌ها از نظر مطالعه حرکت آب در زیر زمین و کسب اطلاعات در مورد سفره آب زیرزمینی بسیار مفید است. خطوط تراز ابهای زیرزمینی را خطوط هم پتانسیل نیز می‌گویند. جهت جریان آب زیرزمینی و نحوه ارتباط آب زیرزمینی با رودخانه‌ها و دریاچه ها را مشخص کرد، جهت و سرعت حرکت آب زیرزمینی را همچنین می‌توان بوسیله «رویابها» نیز مشخص کرد. به این منظور مقداری مواد رنگی ، مواد نمکی یا مواد رادیواکتیو را به آب چاه افزوده و زمان دریافتشان را در چند چاه مجاور مشخص می‌کنند. به ‌این وسیله ، با در دست داشتن فاصله چاهها از یکدیگر جهت و سرعت حرکت آب زیرزمینی معلوم می‌شود.
عوامل موثر در سرعت آب زیرزمینی

شیب آبی :
شیب آبی یا گرادیان هیدرولیک بین دو نقطه از سطح ایستایی عبارت از نسبت بین اختلاف ارتفاع دو نقطه به فاصله بین آن دو نقطه است و منعکس کننده کاهش بار ناشی از اصطکاک در طول حرکت آب بین آن دو نقطه می‌باشد.

نفوذپذیری :

نفوذپذیری به معنی قابلیت عبور آب از زمین است. نفوذپذیری علاوه بر اندازه فضاهای خالی سنگ و خاک به ارتباط بین آن فضاهای خالی با یکدیگر نیز بستگی دارد. سنگی که تخلخل زیادی دارد، اگر منافذ آن به هم ، راه نداشته ‌باشند، غیر قابل نفوذ خواهد بود. نفوذپذیری خاک و سنگ را به روشهای مختلفی در صحرا و آزمایشگاه می‌توان تعیین کرد. رایجترین روش صحرایی تعیین نفوذپذیری استفاده از آزمایش پمپاژ و در آزمایشگاه بکارگیری آزمایشهای «بار ثابت» ، «بارافتادن» یا «بارخیزان» است. در خاکها ، یکنواخت نبودن و حالت لایه‌لایه تاثیر مهمی بر نفوذپذیری دارد. به نحوی که معمولا نفوذپذیری افقی مصالح به مراتب بیشتر از نفوذپذیری قائم در آنهاست.

در اغلب شرایط ، نفوذپذیری سنگها تابعی از وضعیت درزها و شکستگیهایشان ، از جمله فاصله آنها از یکدیگر ، مقدار باز شدگی و پر شدگی آنها و بالاخره اندازه حفرات و نحوه توزیع آنها است. به دلیل نامنظم بودن این اشکال و عدم تداومشان در سنگ ، اغلب ممکن است برآورد نفوذپذیری سنگ با خطای قابل ملاحظه‌ای همراه شود. نفوذپذیری یکی از مهمترین پارامترهای تعیین‌کننده ویژگیهای مصالح است. بالارفتن آب به خلاف نیروی گرانشی و بر اثر نیروی موئینه ، شسته شدن رسوبات ریز از میان رسوبات درشت و ایجاد پدیده رکاب و بالاخره از دست رفتن مقاومت برخی خاکها بر اثر بارگذاری ناگهانی به‌ روی آنها ، هم در ارتباط با نفوذپذیری مصالح ایجاد می‌شود.

تخلیه طبیعی آب از زیر زمین

آبی که در زیر زمین حرکت می‌‌کند سرانجام بطور طبیعی از زیر زمین خارج می‌شود. با نزدیک شدن سطح ایستابی به سطح زمین ، آب زیرزمینی مستقیما از طریق خاک تبخیر می‌شود یا جذب گیاهان شده و بر اثر عمل تفریق به اتمسفر باز می‌گردد. در پاره‌ای از نقاط ، با نزدیک شدن سطح ایستایی به سطح زمین و تبخیر آب یک منطقه تبخیری و شوره‌زار بوجود می‌آید. بخش مهمی از آبهای زیرزمینی مستقیما وارد آبهای سطحی ، یعنی رودخانه‌ها ، دریاچه‌ها و دریاها می‌شود. رودخانه‌هایی که آب زیرزمینی را زهکشی می‌کنند «رود زاینده» یا آبزا نامیده می‌شوند.

چشمه
هر جا که سطح ایستایی ، سطح زمین را قطع نماید، آب به‌صورت جریان سطحی تخلیه می‌شود. اگر مقدار تخلیه کم یا در سطح وسیعی پخش شده‌ باشد «سطح تراوش» ایجاد می‌شود. آبهای زیرزمینی بصورت «چشمه» نیز از زمین خارج می‌شوند. چشمه نوعی تخلیه طبیعی آب زیرزمینی است که بصورتی متمرکز رخ می‌دهد.
تقسیم‌بندی چشمه‌ها
چشمه‌های ثقلی :

آنهایی هستند که در شرایط مناسب ، بر اثر جریان آب بوسیله نیروی گرانشی ، در سطح زمین ظاهر می‌شوند. وقتی سطح ایستایی به‌هر علتی به وسیله سطح زمین قطع شود ممکن است یک چشمه تشکیل شود. از این رو به چشمه‌های ثقلی «چشمه‌های سطح ایستایی» هم می‌گویند. در شرایطی که یک لایه نسبتا قابل نفوذ آبدار در روی یک لایه تقریبا غیر قابل نفوذ ، که توسط سطح زمین قطع گردیده، قرار بگیرد، چشمه تشکیل می‌شود. همچنین وقتی یک سفره آب زیرزمینی به وسیله یک مجرا به سطح زمین راه یابد، چشمه تشکیل می‌شود. آبهای زیرزمینی موجود در سنگهای آهکی ، که گاهی منابع بسیار بزرگی را تشکیل می‌دهند، ممکن است چشمه‌های پر آب بوجود آورند.

چشمه‌های غیر ثقلی :

یا چشمه‌های آرتزین آنهایی هستند که آبشان با فشاری بجز فشار هیدرواستاتیک به خارج رانده می‌شود. منبع تامین فشار در این چشمه‌ها معمولا فرآیندهای درونی زمین است. آب این نوع چشمه‌ها معمولا گرمتر از چشمه‌های معمولی و حاوی مواد معدنی بیشتر است. به‌همین جهت به «چشمه‌های آب گرم» یا «چشمه‌های معدنی» نیز معروفند. چشمه‌های آب معدنی در ایران فراوان‌اند. نوعی از چشمه‌های آب گرم به آبفشان معروف‌اند. آب آبفشانها به تناوب و با نیروی زیاد به بیرون می‌جهد.

فرسایش و رسوبگذاری توسط آبهای زیرزمینی

آبهای زیرزمینی نیز در ضمن حرکت خود تغییرات زیادی را بوجود می‌آورند. آبهای زیرزمینی به علت سرعت بسیار کمشان نمی‌توانند، همانند رودخانه‌ها ، از راه سایش با کندن مستقیم سنگها باعث فرسایش زمین شوند. ولی قادرند به تدریج مقادیر بسیار زیادی از مواد را حل کرده با خود ببرند و در مقاومت مواد تاثیر منفی بگذارند. در شرایط مناسب با اتصال مجراهای انحلالی و فراختر شدن آنها

زمین شناسان و متخصصان آبهای زیرزمینی از روشها و تکنیکهای متنوعی برای اکتشاف منابع آب زیرزمینی استفاده می‌کنند که از مهمترین آنها می‌توان بررسیهای زمین شناسی برداشتهای ژئوفیزیکی و گمانه‌زنی را نام برد.
روشهای عمده بهره‌ برداری مصنوعی از آب زیرزمینی
قنات

عبارتست از یک سوراخ افقی ، با شیب کمی به سمت خارج تا مسافتهای طولانی در دل زمین حفر می‌شود تا به سفره آب زیرزمینی رسیده و در آن پیشروی نماید. این مسیر افقی معمولا توسط چاههای قائم متعددی به سطح زمین متصل می‌شود. از این چاهها مصالح حفاری شده به خارج هدایت شده و ضمن ایجاد امکان پیشروی سریعتر ، موادی نیز انجام شود. در کف قنات معمولا با قرار دادن ناوه‌ها سفالی ، یا مصالح دیگر ، از نفوذ مجدد آبها ، ضمن حرکتشان به خارج ، جلوگیری می‌شود.
چاه

چاه سوراخ قایمی است که از سطح زمین تا داخل منطقه اشباع آب زیرزمینی حفر می‌گردد و به تدریج آب زیرزمینی در آن جمع می‌شود. بیرون آوردن آب از چاه یا بطور مصنوعی و با استفاده از تلمبه‌های دستی یا موتوری صورت می‌گیرد. استفاده از آبهای زیرزمینی بوسیله حفر چاه در همه نقط دنیا متداول است. حفر چاه برای استخراج آب زیرزمینی در رسوبات ناپیوسته بیشتر به روش ضربه‌ای و در سنگها عمدتا به روش دورانی صورت می‌گیرد. استفاده از آبهای زیرزمینی بوسیله حفر چاه در همه نقاط دنیا متداول است.

حفر چاه برای استخراج آب زیرزمینی در رسوبات ناپیوسته بیشتر به روش ضربه‌ای و در سنگها عمدتا به‌روش دورانی صورت می‌گیرد. قطر چاه‌ها بسته به نیاز از 15 سانتی متر به بالا انتخاب می‌شود. در اطراف چاه‌های اکتشافی اصلی اغلب چاههایی نیز با قطر کمتر حفر می‌شود که «پیزومتر» نام دارد. از پیزومترها برای اندازه ‌گیری تغییرات سطح استیابی یا پیزومتریک استفاده می‌شود. برای جلوگیری از ریزش و مسدود شدن چاه ، در داخل آن لوله محافظ کار گذاشته می‌شود. لوله محافظ از سطح زمین تا یکی دو متر زیر سطح استیابی برون منفذ است.

لوله‌هایی که در مقابل سفره‌های آبدار قابل بهره ‌برداری قرار دارند مشبک‌اند. در زمینهای سست و ریزشی ، همزمان با پیشرفت عملیات حفاری ، لوله‌ای محافظ به داخل چاه رانده می‌شود. معمولا در فاصله بین لوله محافظ مشبک و دیواره چاه را با شن و ریگ پر می‌کند تا عمل انتقال آب از سفره آبدار به داخل چاه با سهولت بیشتری صورت گیرد.
در چاههای آبی که به روش ضربه‌ای حفر شده‌اند، به دلیل نبودن گل حفاری در داخل چاه‌ها ، عملیات ژیوفیزیکی انجام نمی‌شود. اجرای چاهنگاری در چاههایی که به روش دورانی حفر شده‌اند امکان پذیر است و توسط آن می‌توان اطلاعات ذیقیمتی از بخشهای آبدار زیر سطح زمین بدست آورد.
پیزومتر

پیزومتر چاهی است به قطر 10 تا 20 سانتیمتر که در داخل آن جدار فلزی یا پلاستیکی به قطر 5 تا 15 سانتیمتر قرار داده شده ‌است. حفر و تجهیز پیزومترها مشابه دیگر چاههاست و از آنها به دلیل مخارج کمترشان بیشتر و در مرحله اکتشاف استفاده می‌شود. مقدار پیزومترها معمولا در کنار چاههای اصلی معمولا 2 تا 5 حلقه است که عموما در جهت کلی جریان آب زیرزمینی منطقه نسبت به چاه قرار می‌گیرند. فواصل پیزومترها تا چاه اصلی بین 20 تا 500 متر است. در مواردی نیز پیزومرهای عمیقی را به طور منفرد و جهت بررسی وضعیت آب و احتمالا انجام آزمایش پمپاژ حفر می‌نمایند.
ویژگیهای هیدرودینامیکی سفره آب

آب شناسان با بررسی نحوه ورود آب زیرزمینی به چاه ، به روشهای مختلف ، مخصوصا با استفاده از آزمایش پمپاژ و اندازه‌گیری پایین رفتن سطح آب ، برخی از مهمترین ویژگیهای سفره آب را تعیین می‌کنند. این ویژگیها که به ضرایت هیدرودینامیکی سفره آب موسوم‌اند اطلاعات ذیقیمتی در مورد آب زیرزمینی بدست می‌دهند.
مهمترین ضرایب هیدرودینامیکی سفره آب عبارتند از :

آبدهی ویژه : مصرف مقدار آبی است که بر اثر نیروی ثقل می‌تواند از لایه آبدار خارج شود.
ضریب ذخیره : رابطه بین پایین رفتن سطح استیابی با برداشت آب از سفره را مشخص می‌کند.
آبدهی مجاز : حداکثر مقدار برداشت سالیانه آب را که نتیجه نامطلوب به همراه ندارد، مشخص می‌کند.
ضریب نفوذپذیری : توانایی محیط را برای عبور دادن آب مشخص می‌سازد.
ضریب قابلیت انتقال : توانایی ستونی به ارتفاع ضخامت سفره آب و در عوض واحد را در انتقال آب نشان می‌دهد.

پمپاژ

با آغاز پمپاژ و استخراج آب از چاه ، سطح آب زیرزمینی یا پیزومتریک ، در اطراف چاه به تدریج پایین می‌رود و فرورفتگی مخروطی شکلی ایجاد می‌شود. بر اثر پایین رفتن سطح آب در اطراف چاه ، جریان طبیعی آب زیرزمینی تغییر می‌کند و آب اطراف و نقاط دورتر با سرعتی بیشتر به سمت چاه جریان می‌یابد. گسترش و عمق مخروط افت به دبی و مدت زمان پمپاژ و مشخصات هیدرودینامیکی سفره آب بستگی دارد. با گذشت زمان سرعت گسترش و عمیق شدن مخروط افت کاهش می‌یابد. در هر زمان منطقه‌ای از اطراف چاه تحت تاثیر پمپاژ قرار می‌گیرد، که به آن منطقه یا دایره تاثیر و شعاع آن را شعاع تاثیر می‌گویند.

با توجه به مشخصات هیدرولیکی سفره آب و مقدار دبی آب استخراجی از چاه ، ممکن است پس از مدتی که از آغاز پمپاژ گذشت، سطح پایین رونده آب درون چاه ثابت شود. در این حالت سطح آب درون چاه را «سطح دینامیک» می‌گویند. بر طبق تعریف افت کلی عبارت از فاصله قائم بین سطح استیابی اولیه و کف مخروط افت تثبیت شده‌است. در صورتی می‌توان از یک چاه بطور دائم بهره‌ برداری کرد که با توجه به نوع زمین و مقدار استخراج آب ، عمق چاه طوری اتتخاب شود که سطح آب زیرزمینی هیچگاه از ته چاه پایینتر نرود. گسترش افقی مخروط افت می‌تواند تا 10 برابر عمق چاه یابیشتر نیز بشود. ایجاد مخروط افت گسترده می‌تواند نشست زمین را به همراه داشته باشد.

پمپاژ منظم آب از یک چاه با دبی ثابت و انجام برخی اندازه ‌گیریهای همزمان ، قادر است اطلاعات ذیقیمتی از وضعیت آب زیرزمینی و ضرایب هیدرودینامیکی سفره آب بدست دهد. ساده‌ترین این اندازه‌ گیریها تعیین میزان آبدهی است، که عبارت از مقدار آب استخراجی در واحد زمان است. در صورتی که مقدار پایین رفتن سطح استیابی را در فواصل زمانی اندازه بگیریم، زمانی خواهد رسید که سطح استیابی تقریبا ثابت می‌شود. در این حالت مقدار آب ورودی به چاه برابر مقدار آب پمپاژ شده است. در اینجا نسبت دبی پمپاژ به افت حاصل از آن ، برآوردی از ظرفیت ویژه است که معیاری برای مقایسه قدرت آبدهی دو یا چند چاه است. مقدار ظرفیت ویژه وابسته به قابلیت انتقال است.

آزمایش پمپاژ معمولا در چند مرحله انجام می‌شود و در هر مرحله پمپاژ با دبی معین ، آن اندازه ادامه می‌یابد تا سطح آب در چاه ثابت شود، سپس این عمل با دبی بیشتر تکرار می‌شود و در هر مرحله مقدار افت کلی تعیین می‌شود. از این اطلاعات می‌توان جهت محاسبه آبدهی مجاز استفاده کرد. در شرایطی که پس از پاپان پمپاژ سطح استیابی به‌جای اول خود باز نگردد. مصرف پمپاژ بیش از حد است. از یک سفره آب باید آن اندازه برداشت نمود که موجب افت دائمی سطح استیابی شود. در غیر این صورت ممکن است مخارج استخراج آب از حد قابل قبول فراتر برود. ضرایب هیدرودینامیکی ، که معمولا توسط بررسی نحوه ورود آب به چاه و آزمایش پمپاژ تعیین می‌شود، کاربردهای زیادی در بررسیهای اکتشافی آب زیرزمینی و نحوه بهره‌ برداری از آن دارد.
مهمترین کاربردهای ضریب هیدرودینامیک

تعیین فاصله مجاز چاهها و قناتها از یکدیگر
تعیین اثر پمپاژ چاههای مجاور به روی یکدیگر در زمان بهره ‌برداری
برنامه‌ریزی برای بهره ‌برداری از آب چاهها برای مصارف مختلف
تعیین اثر ساختهای زمین شناسی بر روی افت آب در چاهها
رسم منحنیهای هم افت در اطراف چاههای پمپاژ شده
تعیین حجم کل آبی که زمین می‌تواند برای مدت چندین سال برای امور مختلف تامین کند.
تعیین میزان آب نفوذ کرده به داخل زمین

بیلان آب

آخرین مرحله در مطالعه آبهای زیرزمینی برقراری معادله «بیلان آب» یا تعادل هیدرولوژیکی در حوضه مورد مطالعه است. بیلان آب از مفاهیم اساسی در هیدرولوژی است و با تعیین مقادیر کمی اجزا آن می‌توان تاثیر دخالت انسان را در چرخه طبیعی آب و همچنین نحوه صحیح بهره ‌برداری از منابع آب ، روشن کرد. برای آنکه منابع آب زیرزمینی به طور نامحدود قابل بهره‌برداری باشد. باید بین تمام آبهای ورودی به حوضه و آبهای خروجی از آن تعادل هیدرولوژیکی وجود داشته‌باشد. از یک سفره مقدار معینی آب می‌توان استخراج کرد که آبدهی مجاز نام دارد. «آبدهی مجاز» مقدار آبی است که می‌توان سالیانه از یک سفره آب زیرزمینی برداشت نمود بدون آنکه نتیجه نامطلوبی از نظر تامین آب به بار آید.

متخصصان آبهای زیرزمینی برای تعیین مقدار آب زیرزمینی قابل بهره ‌برداری سالیانه یک منطقه ابتدا باید بیلان آب منطقه ، یعنی شرایط تعادل هیدرولوژیکی آن را بدست آورند. این عمل را می‌توان با تعیین مقدار بارش سالیانه در حوضه آبریز و کسر مقادیری که به صورت تبخیر یا تعرق و یا بوسیله آبهای جاری از منطقه خارج می‌شود و مقدار آبهایی که به داخل زمین نفوذ کرده‌اند، بدست آورد. این محاسبه را می‌توان به صورتی دیگر از جمله با بررسی تغییرات سطح آب در چاههای موجود در منطقه نیز انجام داد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

موضوعات مرتبط: آب زیرزمینی,تصفیه,انتقال و خصوصیات,چاه,قنات

برچسب‌ها: بهره برداری , آب زیرزمینی

ادامه مطلب

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

درحال مشاهده: بهره‌ برداری از آب زیرزمینی

بهره‌ برداری از آب زیرزمینی

لیست مطالب

آرشیو موضوعی

برچسب ها

صفحات مهم

لینک دوستان

پیوندها

نویسندگان

آخرین مطالب

آرشیو