Printable View
مقدمه
در تکوين منظومه خورشيدي امکان پيدايش آب براي همه سيارات وجود داشته و آثار آن در بيشتر سيارات شناخته شده است. در زهره که نزديکتر از زمين به خورشيد است به سبب دماي زياد و در مريخ که دورتر از آن قرار گرفته در نتيجه برودت زياد، آب به صورت مايع درنيامده است. تنها زمين است که در چنان موقعيتي نسبت به خورشيد قرار گرفته که آب به صورت مايع بوده و با تغيير مختصر دما مي تواند به حالت بخار يا جامد درآمده و از اين طريق در چرخه هاي بزرگ و کوچک در حرکت باشد. پيدايش حيات در سياره زمين مرهون همين تغيير حالت و چرخش آب مي باشد.http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14725_1.jpg
آب موجود در سياره زمين و چرخه آب شناسي
اگر برآمدگي قاره ها و فرورفتگي حوضه هاي اقيانوسي، يکنواختي سطح کره زمين رابهم نمي زد، آبهاي موجود تمام سطح سياره را به صورت لايه اي به ضخامت نزديک به 3 کيلومتر مي پوشاند. در حال حاضر 8/70 درصد سطح زمين را اقيانوس ها و درياها فرا گرفته اند. مقدار آبي که در اين پهنه وسيع جمع شده کمي بيش از 1370 ميليون کيلومتر مکعب مي باشد.
آب اقيانوس ها و درياها پيوسته و يکپارچه مي باشد، از اين رو آب آنها را «دنياي اقيانوس» (The World Ocean) ناميده اند. مقدار آب موجود در سطح قاره ها که شامل درياچه ها، رودخانه ها و آبهاي زيرزميني مي باشد، در مقايسه با مقدار آب اقيانوس ها خيلي ناچيز است. آب قابل دسترسي موجود در سطح و لايه هاي سطحي قاره ها اگرچه نسبت به آبهاي اقيانوسي خيلي ناچيز به نظر مي آيد، ولي از نظر نقشي که در حيات موجودات زنده دارد، از اهميت ويژه اي برخوردار است.
آب درياچه هاي سطح زمين در مجموع 230 هزار کيلومتر مکعب و آبي را که در هر لحظه در رودخانه ها وجود دارد 1200 کيلومتر مکعب محاسبه کرده اند. حجم آبي که در يخچالهاي قاره اي و کوهستاني وجود دارد، مطابق جديدترين محاسبه ها حدود 24 ميليون کيلومتر مکعب تخمين زده مي شود. در مورد حجم آبهاي زيرزميني ارقام خيلي تقريبي است. مجموع آب موجود تا عمق 16 کيلومتري قسمت بالايي پوسته زمين در حدود200 ميليون کيلومتر تخمين زده شده که نزديک به 60 ميليون کيلومتر مکعب آن تا عمق 5 کيلومتري سطح زمين قرار گرفته و با امکانات تکنيکي فعلي به آساني قابل دسترسي است. مقداري آب به صورت رطوبت در خاک و مقداري هم به شکل بخار در اتمسفر کره زمين وجود دارد که حجم آنها به ترتيب 83 و 14 هزار کيلومتر مکعب (آب) مي باشد. http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14726_1.jpg
دنياي اقيانوسهاhttp://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14726_2.jpg
شكل آب كره
مجموع آب هاي کره زمين را که در سه شکل جامد (برف ويخ)، مايع (آب) و بخار آب در سطح و لايه هاي بالايي پوسته قراردارد «آب کره» مي گويند.
بين آبهاي قاره اي و آبهاي اقيانوسي هم از لحاظ مکان و کميت و هم از نظر ويژگي هاي فيزيکي و شيميايي (کيفيت) اختلاف وجود دارد. اما با وجود اين تفاوت ها همه آبهاي کره زمين در اصل يکي بوده و اختلاف موجود به علت شرايط مکاني آنها است.
اساساً آب در طبيعت در حال گردش است و در هر نقطه بسته به شرايط محيط کيفيت جداگانه اي دارد.
http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14727_1.jpg
چرخه آب در طبيعت يك چرخه بدون توقف و دائمي بوده كه در آن آب از اتمسفر به زمين و از زمين به اتمسفر در گردش است.http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14727_2.jpg
گردش آب در طبيعت به صورت چرخه اي است كه در شكل فوق به نمايش درآمده است.
هر سال حدود 448000 کيلومتر مکعب آب از سطح درياها و اقيانوسها و 72000 کيلومتر مکعب از سطح خشکي ها به وسيله تبخير به اتمسفر منتقل مي شود. حجم بارش در سطح دنياي اقيانوس حدود411000 کيلومتر مکعب و حجم بارش روي خشکي ها حدود 109000 کيلومتر مکعب تخمين زده شده است. تفاوت بارش و تبخير روي خشکي ها (37000کيلومتر مکعب) مقدار آبي است که هر سال از اقيانوس ها به روي خشکي ها آمده و سپس از طريق رودخانه ها و جريان زيرزميني به درياها بر مي گردد.
جريان هوا (باد) عامل انتقال بخار آب از يک محل به محل ديگر است که نيروي خود را از خورشيد مي گيرد. باد همانطور که رطوبت ناشي از تبخير دريا را به خشکي مي آورد، رطوبت حاصل از تبخير در خشکي را به سمت درياها مي راند. بدين ترتيب ذرات آب در مدار هاي بسته اي در گردش مي باشد. به طور کلي آب از اقيانوس ها بخار شده به روي قاره ها مي آيد، پس از تراکم در روي قاره ها به صورت برف و باران فرو مي ريزد و سپس از طريق رودخانه ها و جريان هاي زير زميني مجدداً به اقيانوس ها مي رود. اين گردش آب را در طبيعت« چرخه آب شناسي» مي گويند.
منشاء آب
آب خالص، ترکيبي از دو عنصر اکسيژن و هيدروژن مي باشد. در اين ترکيب وزن هيدروژن به اکسيژن يک در هشت است به عبارت ديگر آب از ترکيب يک مولکول گرم اکسيژن (به جرم اتمي 16) و دو مولکول گرم از هيدروژن (به جرم اتمي1) به وجود آمده است. هريک از عناصر فوق داراي دو ايزوتوپ مي باشند، که از ترکيب آنها علاوه بر آب معمولي، 17 نوع آب ديگر مي توان به دست آورد. ولي مقدار نسبي آنها در طبيعت به قدري ناچيز است که از ديد جغرافيا قابل بحث نمي باشد.
http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14728_1.jpg
شكل تركيبي اتمهاي هيدروژن (سفيد) و اکسيژن (قرمز) در مولكول آبhttp://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14728_2.jpg
بر اثر فعاليت هاي آتشفشاني (دروني و بيروني) مقداري آب توليد مي شود. اين آب را که براي اولين بار وارد چرخه آب شناسي مي گردد «آب جوان» (Juvenile Water) مي نامند. در حال حاضر مقدار آب جوان را که هر سال به آبهاي موجود در کره زمين اضافه مي شود براساس ميزان فعاليت آتشفشاني دروني و بيروني يک دهم کيلومتر مربع برآورد کرده اند.
وجود آب در حوضه هاي اقيانوسي قبل از دوران اول زمين شناسي مسلم است، همچنين افزايش تدريجي آن غيرقابل ترديد مي باشد، ولي در مورد آهنگ اين افزايش نظريه هاي متفاوتي ارائه شده است. بعضي ها معتقدند که آب اقيانوس ها در تمام دوران هاي زمين شناسي به طور مداوم افزايش يافته ولي سرعت اين افزايش در دوران دوم بيشتر بوده است. به نظر والتر(Walther) ميزان آب اقيانوس ها تا شروع دوران دوم خيلي کم بوده و سپس در مقدار آب افزايش سريعي رخ داده است. وي عدم انتشار آثار جانوران درياي عميق را در سنگ هاي قبل از دوران دوم دليل اين امر مي داند.
به نظر کينگ (C.A.M.King) اين دليل نمي تواند مويد نظر والتر باشد، زيرا ممکن است شرايط محيط درياهاي عميق در آن زمان براي زندگي مساعد نبوده است.
به نظر کينگ در ميزان آب اقيانوس ها در دوران اول و بعد از آن تغيير زيادي رخ نداده است و افزايش يک دهم کيلومتر مکعب در سال براي بالا آمدن سطح آب اقيانوس ها به اندازه فعلي کافي به نظر مي رسد.
اشکال متغير آب
آب در اشکال متفاوتي در سطح زمين و اتمسفر آن يافت مي شود. تنها ماده اي است که در طبيعت به هر سه حالت جامد، مايع و گاز وجود دارد. ابرها در آسمان، موج دريا، کوه يخي، توده هاي يخي در دل کوه ها و آبشارها و منابع آب زيرزميني از اشکال مختلف آب مي باشند. طي اعمال تبخير، معيان، انجماد و ذوب آب مرتباً از حالتي به حالت ديگر تبديل مي شود. اين پديده تبديل آب را چرخه بزرگ آب مي نامند.
آب هاي روي سطح زمين، نقش هاي مهمي را ايفا مي کنند. رودخانه ها آب مورد نياز کشاورزي را فراهم مي کنند و درياها وسيله اي براي تجارت و مبادله کالاها محسوب مي شوند. فرسايش بوسيله آب نقش مهمي در شکل محيط زيست ايفا مي کنند.http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14729_1.jpg
http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14729_2.jpg
نمايي از چشمه هاي آبگرم
به علاوه، دره ها و دلتاهاي حاصل از رسوبات رودخانه ها، محلي براي سکني گزيدن انسان ها بوده است. آب به داخل زمين هم نفوذ مي کند و آب هاي زيرزميني را ايجاد مي کند. آب هاي زيرزميني را مي توان با کندن چاه يا قنات استخراج نمود. البته آبهاي زيرزميني به شکل چشمه يا چشمه هاي آبگرم هم به سطح زمين مي آيند.
خواص شگفت انگيز آب
آب خواص مهمي دارد که زندگي انسانها از آن متأثر است. از مهمترين اين ويژگي ها مي توان به موارد زير اشاره نمود:
1- آب حلال بسيار خوبي است.
2- آب چگالي بالايي دارد و جالب اين است که وقتي يخ مي زند يا حرارت مي بيند، چگالي آن کاهش مي يابد (برعکس ساير مواد).
3- گرماي تبخير آب بالاست، بدين معني که براي تبديل مقدار کمي از آب به بخار، گرماي زيادي لازم است. اين خاصيت براي بدن ما بسيار با اهميت مي باشد. گرماي اضافي بدن با تبخير تنها مقدار کمي از آب بدن از طريق منافذ پوست کاسته مي شود.
4- نيروي کشش سطحي آب به طور شگفت انگيزي زياد است. گهگاه شاهد نشستن حشرات روي سطح آب بوده ايم در اين حالات آب به دليل نيروي کشش سطحي فوق العاده اي که دارد از هم گسيخته نمي شود.
5- بسياري از واکنش هاي شيميايي تنها درحضور آب انجام مي شود. البته پاره اي از مواد با آب مخلوط نمي شوند، مثل ليپيدها و ديگر مواد هيدروکربني. غشاء سلولي که حاوي ليپيدها و پروتئين است، از اين خاصيت آب سود جسته و تعاملات محتويات سلولي را با مواد شيميايي خارج سلولي به دقت کنترل مي نمايد.http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14730_1.jpg
نمايي از نشستن حشرات روب آب بدون گسيختگي آن
- يکي از ويژگي هاي منحصر به فرد آب، حالت جامد آن، يعني يخ مي باشد. هنگامي که آب بر اثر سرما به يخ تبديل مي شود، انبساط مي يابد، بدين معنا که حجم بيشتري را اشغال مي کند.http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14731_1.jpghttp://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14731_2.jpg
7- يکي ديگر از خصوصيات آب ظرفيت گرمايي بالاي آن مي باشد. ظرفيت گرمايي يک جسم بنا به تعريف مقدار گرمايي است که به جسم داده مي شود تا دمايش 1 درجه سانتي گراد افزايش يابد. مقدار گرمايي که لازم است تا دماي 1 گرم آب را 1 درجه سانتي گراد افزايش دهد، حدود 10 برابر مقدار گرمايي است که براي 1 گرم آهن لازم است.
مصرف آب
تحقيقات آماري در بسياري از کشورها نشان مي دهد که ميانگين مصرف روزانه آب براي هر نفر، حدود 300 ليتر است. در حالي که مصرف نهان آب براي هر نفر، حدود 6000 ليتر و از قرار زير مي باشد:
1-آبياري کشتزارها و تهيه و توليد مواد غذايي 2600 ليتر
2-تأمين انرژي 2400 ليتر
3-منابع و معادن 700 ليتر
4-امور بازرگاني و خدمات 34 ليتر
منبع کمياب
در بسياري از کشورها، آب نوعي منبع استراتژيک محسوب مي شود. بسياري از جنگ ها از جمله جنگ 6 روزه در خاور ميانه، بر سر به دست آوردن منابع آبي بيشتر صورت گرفت. البته کارشناسان مشکلات بيشتري را هم پيش بيني مي کنند که ناشي از افزايش رشد جمعيت، آلودگي آب ها و گرم شدن زمين مي باشد.http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14732_1.jpg
جنگهاي آينده بشري بر سر بدست آوردن منابع بيشتر آب خواهد بود
هيدرولوژي يا آب شناسي (Hydrology)
هيدرولوژي يا آب شناسي از دو کلمه Hydro به معني آب و Logos به معني شناسايي گرفته شده است.
بنا به تعريف هيدرولوژي علمي است که در مورد پيدايش خصوصيات و نحوه توزيع آب در طبيعت بحث مي کند ولي عملاً واژه هيدرولوژي به شاخه اي از علم جغرافياي فيزيکي اطلاق مي شود که گردش آب در طبيعت را مورد بررسي قرار مي دهد. انجمن علوم و فنون ايالات متحده تعريف زير را براي هيدرولوژي برگزيده است:
«هيدرولوژي علم مطالعه آب کره زمين است و در مورد پيدايش، چرخش و توزيع آب در طبيعت، خصوصيات فيزيکي و شيميايي آب، واکنش هاي آب در محيط و ارتباط آن با موجودات زنده بحث مي کند». بنابراين ملاحضه مي شود که هيدرولوژي دربرگيرنده تمامي موضوعات مرتبط با آب است.
تاريخچه و تکامل آب شناسي
تا جايي که تاريخ نشان مي دهد اولين تجارب آب شناسي مربوط به سومريها و مصريها در منطقه خاور ميانه است به طوري که قدمت سدسازي روي رودخانه نيل به 4000 سال پيش از ميلاد مسيح مي رسد. در همين زمان فعاليت هاي مشابهي در چين نيز وجود داشته است. از بدو تاريخ تا حدود1400 سال بعد از ميلاد مسيح فلاسفه و دانشمندان مختلفي از جمله هومرطالس، افلاطون، ارسطو در مورد سيکل هيدرولوژي انديشه هاي گوناگوني ارائه کرده اند و کم کم مفاهيم فلسفي هيدرولوژي جاي خود را به مشاهدات علمي داده اند.
زيرشاخه هاي هيدرولوژي
هيدرومتئورولوژي (Hydrometeorology)
هيدرومتئورولوژي کاربرد هوا شناسي را در مسائل هيدرولوژي مورد بررسي قرار مي دهد. به عبارت ديگر هيدرومتئورولوژي را مي توان علمي دانست که درباره مسائل مشترک بين هواشناسي و هيدرولوژي بحث مي کند.
ليمنولوژي (Limnology)
علم مطالعه آبهاي داخل خشکي (درياچه ها، برکه ها و...) را ليمنولوژي (Limnology) گويند. در اين رابطه خصوصيات فيزيکي، شيميايي و بيولوژيکي آب موجود در داخل خشکي ها مورد مطالعه قرار مي گيرد.
کرايولوژي (Cryology)
يخ شناسي يا کرايولوژي (Cryology) علمي است که در آن خصوصيات مختلف آب در حالت جامد (برف يا يخ) بررسي مي شود. به بيان ديگر کرايولوژي علم يخ شناسي و بررسي يخچال هاست، هرچند يخچال شناسي نيز امروزه خود علم جداگانه اي را تشکيل مي دهد.
ژئوهيدرولوژي (Geohydrology)
ژئوهيدرولوژي (Geohydrology) به معني هيدرولوژي آبهاي زيرزميني يا علم مطالعه آبها در زير زمين است که در مقابل آن علم مطالعه آب در سطح زمين که هيدرولوژي آبهاي سطي گفته مي شود قرار دارد. غالباً دو واژه ژئوهيدرولوژي و هيدرولوژي با هم اشتباه مي شوند، اما در اولي تکيه بر هيدرولوژي و در دومي تکيه بر زمين شناسي مي باشد. در فارسي براي مطالعه آبها در زيرزمين از واژه هيدروژئولوژي استفاده مي شود.
پوتامولوژي(Potamology)
رودخانه شناسي يا پوتامولوژي (Potamology) مسائل مربوط به جريان آب در رودخانه را مورد بررسي قرار مي دهد. در اين رابطه تأکيد بر جنبه هاي فيزيکي موضوع است تا بيولوژيکي آن.
هيدروگرافي (Hydrography)
علم مطالعه وضعيت و خصوصيات فيزيکي آب به خصوص در رابطه با مسائل کشتيراني را هيدروگرافي (Hydrography) گويند. مطالعه جزر و مد در درياهاي آزاد و نوسانات سطح آب و نيز موج شناسي در قلمرو اين علم قرار دارد.
هيدرومتري (Hydrometery)
آب سنجي است که به آن هيدرومتري (Hydrometery) نيز گفته مي شود. هيدرومتري علم اندازه گيري آب و مسائل مربوط به آن مي باشد، در واقع اين علم سنجش هاي مختلف مرکز آب، مقادير جريان و موارد مشابه آن را دربرمي گيرد.
اقيانوس سنجي (Oceanography)
در علم اقيانوس سنجي (Oceanography) خصوصيات فيزيکي، شيميايي، بيولوژيکي و ديگر ويژگي هاي اقيانوس و درياهاي آزاد مورد مطالعه قرار مي گيرد. اين علم خود بخشي از دانش وسيع اقيانوس شناسي (Oceanology) به شمار مي آيد.
کاربردهاي هيدرولوژي
امروزه اين علم در طراحي و طرز عمل سازه هاي هيدروليکي نظير سدهاي ذخيره اي و انحرافي، کانالهاي آبياري و زهکشي و پل، مهندسي رودخانه و کنترل سيلاب، آبخيزداري، جاده سازي، طراحي تفرجگاه مسائل بهداشتي و فاضلاب شهري و صنعتي و زمينه هاي زيست محيطي گسترده اي مورد استفاده قرار مي گيرد.
هر سال به سطح خشکي هاي زمين حدود 110000 کيلومتر مکعب آب به صورت نزولات جوي فرو مي ريزد. در عوض 70000 کيلومتر مکعب آن به صورت تبخيرخارج مي شود. تفاوت اين دورقم 40000 کيلومتر مکعب است که منابع تجديد شونده آب را تشکيل مي دهند. مقدار سرانه آب تجديد شونده در سطح دنيا رقمي حدود 7400 متر مکعب در سال براي هر نفر است، اما اين مقدار بطور يکنواخت تقسيم نشده است.
متخصصان هيدرولوژي رقم مصرف 1000 متر مکعب آب در سال را براي هر نفر مرز کم آبي يک کشور تعيين کرده اند. اين رقم در مصر30، در قطر 40، در ليبي160 و در عربستان 140 متر مکعب در سال براي هر نفر برآورد شده است. همگي اين کشورها جزء کشورهاي کم آب محسوب مي شوند. در ايران اين سرانه 1500 متر مکعب در سال تخمين زده شده است. با اين حساب نمي توان ايران را يک کشور کم آب تلقي کرد. يکي از راههاي سازگاري با خشکي استفاده بهينه از منابع آب است. بايد سعي کرد که تا حد امکان از ريزش هاي جوي، جريان آب هاي سطحي و منابع زيرزميني به نحو مطلوب استفاده شود و اين کار عملي نخواهد بود مگر با شناخت پديده هاي هيدروليکي.
وضعيت آب در کره زمين
هر روزه در حدود 1700 ميليارد ليتر آب مصرف مي شود. 97% آبهاي کره زمين درون اقيانوس ها است و2% آن يخ زده است. ما آب مورد نياز خود را از 1% باقي مانده تهيه مي کنيم که از يکي از دو منبع زير به دست مي آيد:
1- آبهاي زيرزميني
2- سطح زمين (رودخانه ها، درياچه ها و نهرها)
امروزه حدود 117 ميليون نفر، يعني بيش از نيمي از جمعيت امريکا متکي به آبهاي زيرزميني به عنوان منبع آب آشاميدني هستند. اين مسئله نشان مي دهد که چرا کشف آلودگي آبهاي زيرزميني در تمام دنيا موجب بروز نگراني هاي شديدي شده است.
بخش اول:
آبهاي زيرزميني
تاريخچه ژئوهيدرولوژي
کمبود عمومي آب، ازدحام محلي جمعيت و اهميت کشاورزي در مناطق خشک قاره آسيا، سبب شده است که هنر ساختن چاه ها و راهروهاي تراوش آب اول بار در آنجا توسعه يابد. روايات مربوط به آب چاه و احداث آن در نوشته هاي قديمي به فراواني وجود دارد و بالاخص در کتب مقدس انجيل در مورد پيدايش آن صحبت به ميان آمده است.
حفر چاهها در خاور نزديک توسط قواي انساني و يا حيوانات و با کمک قلابها و ساير وسايل دستي اوليه علي رغم اشکالات فراوان انجام شده است. تعداد چاه هاي حفر شده با دهانه بزرگ به طوريکه در برخي از آنها حيوانات چهارپا قادر به رفت و آمد بوده اند، نشانه پشترفت صنعتي مردم آن زمان و اهميت آب به عنوان جزء لاينفکي از زندگي و حيات مي باشد. عمق اين چاه ها به ندرت از 50 متر ***** نموده است. مصريان در 3000 سال قبل از ميلاد در کار حفر چاه در زمين هاي سنگي تبحر داشته اند، حفر اين چاه ها به عمليات سنگبري با دست محدود شده است. چيني هاي قديم که در بسياري از اختراعات پيشرو بوده اند، در ساختن يک مته دوار نيز که تقريباً نظير مته هاي جديد امروزي است، سهيم اند. ماشين هاي حفاري اوليه از چوب ساخته مي شد و از بازوي بشر قدرت مي گرفت. با وجود کند بودن اين نوع حفاري مردم کهن توانسته اند چاه هاي فوق العاده عميقي را که حفر آنها سالها و حتي دهه ها به طول انجاميده است، به وجود آورند.
بزرگترين موفقيت مردم قديم در بهره برداري از آبهاي زيرزميني، ساختن راهروهاي دراز زهکشي يعني «قنات» بوده است که آب را از ته نشست هاي آبرفتي و يا سنگ هاي رسوبي غير متراکم جمع آوري مي نمايد. از قنات ها براي اولين بار احتمالاً در ايران استفاده شده است. امروزه تعداد زيادي از اين قناتها در ايران و افغانستان هنوز مورد استفاده هستند. معروفترين اين قناتها در ايران بوده و در دامنه کوههاي البرز قرار دارد.
به هر حال فن ساختن آن از طرف شرق به افغانستان و از غرب به مصر رخنه نموده است. http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14736_1.jpg
نمايي از يک چاه که در منزل جهت تأمين آب حفر شده استhttp://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14736_2.jpg
حفر چاه آب بصورت مدرن
روش هاي حفر چاه آب در 100 سال گذشته به سرعت پيشرفت نموده و علت آن تا حدودي مربوط به اطلاعاتي است که از حفر چاههاي گاز و نفت به دست آمده است. مهمترين پيشرفتي که در روش حفر، تاکنون حاصل شده است، مربوط به «روش دوارهيدروليکي» مي باشد. در حفاري هاي اوليه با اين روش، از يک پوشش خارجي کمک گرفته مي شد ولي در حدود سال 1890 متوجه گرديدند که گل سفت (گل حفاري) براي نگهداري ديواره هاي چاه کفايت مي کند، لذا از آن پس استفاده از پوشش خارجي متروک شد. با اين کارايي جديد و با حفاري موفقيت آميز چاه نفت "اسپيندل تاپ" (Spindle Top) در ايالت تگزاس که در سال 1901 توسط روش هاي حفاري دوار به انجام رسيد، در 80 سال گذشته، براهميت اين روش به تدريج افزوده گشت. اگرچه هنر حفر چاه آب هنوز از صنعت حفر چاه نفت کمک مي گيرد، ولي تعداد زيادي از ابداعات از قبيل حفاري دوار معکوس، چاههاي با پوسته شني و دوربين هاي چاه آب، مستقيماً از حفاري چاههاي آب ناشي شده اند.
روش هاي حفر چاه آب در 100 سال گذشته به سرعت پيشرفت نموده و علت آن تا حدودي مربوط به اطلاعاتي است که از حفر چاههاي گاز و نفت به دست آمده است. مهمترين پيشرفتي که در روش حفر، تاکنون حاصل شده است، مربوط به «روش دوارهيدروليکي» مي باشد. در حفاري هاي اوليه با اين روش، از يک پوشش خارجي کمک گرفته مي شد ولي در حدود سال 1890 متوجه گرديدند که گل سفت (گل حفاري) براي نگهداري ديواره هاي چاه کفايت مي کند، لذا از آن پس استفاده از پوشش خارجي متروک شد. با اين کارايي جديد و با حفاري موفقيت آميز چاه نفت "اسپيندل تاپ" (Spindle Top) در ايالت تگزاس که در سال 1901 توسط روش هاي حفاري دوار به انجام رسيد، در 80 سال گذشته، براهميت اين روش به تدريج افزوده گشت. اگرچه هنر حفر چاه آب هنوز از صنعت حفر چاه نفت کمک مي گيرد، ولي تعداد زيادي از ابداعات از قبيل حفاري دوار معکوس، چاههاي با پوسته شني و دوربين هاي چاه آب، مستقيماً از حفاري چاههاي آب ناشي شده اند.
تکامل ژئوهيدرولوژي
عقيده هاي قديمي درباره منشاء آبهاي زيرزميني متعدد و فوق العاده متنوع اند. با اين همه جاي بسي تعجب است که مشاهده مي گردد تئوريهاي جديد به بعضي از فرضيات متقدمين (پيشينيان) نزديک مي گردد. بنابراين مي توانيم منصفانه براي بيان يک عقيده، اسامي مشاهير هيدرولوژئولوژي قديمي را با هيدروژئولوگ هاي عهد حاضر يک جا ذکر نمائيم.
در واقع دو فرضيه اصلي هنوز در زمان ما ارزش خود را حفظ نموده اند که به بيان آنها مي پردازيم:
اولين فرضيه توسط ويترو (Vitruve) بيان گرديده است و بعدها توسط دانشمندان ديگر بسط داده شد. برطبق اين فرضيه وجود آبهاي زير زميني مربوط به نفوذ آبهاي رودخانه اي در زمين تا رسيدن به يک لايه غير قابل نفوذ مي باشد که برروي آن آب موجود در سفره جاري مي شود يا در آن نفوذ مي نمايد. بنابراين وجود آبهاي زير زميني در ارتباط با چرخه کلاسيک آب مي باشد.
فرضيه دوم در سال 1877 توسط فلگر (Volger) به کمک محاسبات دقيق چنين ارائه گرديد که آب زيرزميني ممکن است از تراکم داخلي ناشي از سردشدن هوايي که قبلاً از بخار آب اشباع شده بود، حاصل شود. فلگر که اين نظريه را به پيروي از نظريات ارسطو در اين مورد دنبال ميکرد تنها يک اشتباه مرتکب گرديد. امروزه مشاهدات متعدد صحت نظريات او راتائيد مي نمايند.
هيدرولوژئولوژي و ژئوهيدرولوژي جديد
توسعه در اين علوم در قرن گذشته در سه رشته کم و بيش مجزا انجام شده است:
1) تکميل رابطه زمين شناسي با پيدايش آبهاي زيرزميني
2) بسط معادلات رياضي براي بيان حرکت آب از سنگ ها و مواد رسوبي دانه دانه.
3) مطالعه شيمي آبهاي زيرزميني و يا علم (هيدروژئوشيمي).
آبهاي زيرسطحي به 6 علت ازآبهاي سطحي برترند:
1- آبهاي زيرسطحي عاري از اورگانيسم هاي پتوژنيک بوده و براي مصارف شهري و صنعتي هيچ احتياجي به تصفيه ندارند.
2- آب هاي زيرسطحي دماي تقريباً ثابت داشته و بدين علت در مصارف تبريد از مزيت بزرگي برخوردار مي باشد.
3- اين آب غالباً بي رنگ بوده و عاري از تيرگي است.
4- ترکيب شيميايي اين نوع آب تقريباً ثابت است.
5- انبارش آبهاي زيرسطحي عموماً بيش از آبهاي سطحي مي باشد، بنابراين ذخاير آب زيرزميني خيلي کمتر از آبهاي سطحي تحت تأثير خشکي هاي کوتاه مدت قرار مي گيرند.
6- آلودگي راديواکتيو و بيولوژيک آبهاي زيرزميني بسيار نادر است.
آب زيرزميني، که از طريق تغذيه طبيعي زمين در طي ساليان درازي ذخيره شده است، در بسياري از مناطق که داراي آب سطحي مطمئن نمي باشند، وجود دارد. در بعضي نقاط، توسعه آب زيرزميني به طور عموم با سه ايراد مواجه مي شود:
1- مهم ترين ايراد آن است که در بسياري از مناطق سنگ هاي زيرزميني داراي تخلخل کافي و يا نفوذپذيري کافي براي تسليم مقادير زيادي آب به چاه ها نمي باشند.
2- آب زيرزميني در بعضي مناطق غالباً (نه همواره) داراي مواد جامد معلق بيشتري از آبهاي سطحي در همان منطقه مي باشد.
3- مخارج ايجاد يک چاه عموماً بيشتر از مخارج احداث آبراهه هاي کوچک است. اين امر خصوصاً در مناطقي با بارندگي متوسط يا زياد، صحت خواهد داشت.
تعريف آب زيرزميني
آب زيرزميني (Ground Water) آن قسمت از آب زير سطح زمين است که توسط چاه ها، قنات ها يا گالريهاي زهکشي مي تواند جمع آوري گردد و يا به طور طبيعي از طريق منافذ تراوشي يا چشمه ها در سطح زمين جريان پيدا کند. آب زيرزميني در طي قرون و اعصار منبع آب مهمي بوده است. چاه هاي قديمي را مي توان در صحاري خاور ميانه که مهد اوليه تمدن شمرده مي شوند، پيدا نمود. بعضي از تونل ها يا قنات هاي قديمي هنوز در ايران مورد استفاده قرار مي گيرد. امروزه نيز آب زيرزميني يک منبع آب مهم براي برخي شهرها و صنايع و آبياري در حومه شهرها و مزارع است. آب زيرزميني مانند هر منبع طبيعي ديگر محدود است، از اين رو آب هاي زيرزميني بايد به طور معقول مورد بهره برداري قرار گيرند و از استفاده هاي غير ضروري جلوگيري به عمل آيد و در مقابل آلودگي ها و از جمله از آميخته شدن با آب شور حفاظت شوند.
آب زيرزميني قسمت مهمي از منابع آب شيرين دنيا را تشکيل مي دهد. تخمين هاي کلي منابع آب نشان مي دهد که آب زيرزميني حدود 6/0% کل آب دنيا را تشکيل مي دهد. چون آبهاي زيرزميني پايين تر از 8/0 کيلومتر شور بوده يا استخراج آنها از لحاظ تکنولوژي دشوار و يا از لحاظ اقتصادي گران است، مي توان گفت حجم کلي آب زيرزميني قابل استفاده در حدود 4.2x106کيلومتر مکعب مي باشد. اين مقدار خيلي بيشتر از 0.126x106کيلومتر مکعب آب شيرين ذخيره شده در درياچه ها و رودها است. ذخاير آب يخچال ها و پوشش هاي يخي وسيع ترين حوضه هاي نگهدارنده آب شيرين در سيکل هيدرولوژي جهاني هستند.
در جدول زير انواع آبها و درصد حجم آنها نسبت به کل نشان داده شده است (نيس و فت 1972).http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14738_1.jpg
منشاء و سن آبهاي زيرزميني
بارش هاي جوي منبع اصلي آب شيرين زيرزميني هستند. آب ممکن است به طور مستقيم از جايي که به زمين مي رسد به طرف زيرزمين نفوذ کند يا ممکن است ابتدا از طريق جريان سطحي رودخانه ها و درياچه ها جمع شود و سپس به زمين نفوذ نمايد. آب زيرزميني با منشاء جوي که قسمت جديدي از سيکل هيدرولوژي بوده و به نام (آب نيواري) خوانده مي شود. اصطلاح جديد مربوط به دوره معاصر زمين شناسي است، که ده ها هزار سال را در بر مي گيرد.
قديمي ترين آب زيرزميني که منشاء جوي داشته ولي ميليون ها سال است که از سيکل هيدرولوژي جدا شده آب زنداني (محبوس) ناميده مي شود. اين آب به طور مشخص آن قسمت از آب زيرزميني است که وقتي سازندهاي زمين شناسي تشکيل مي يافته، درآنها وجود داشته است، يعني آبي است که در حين تشکيل رسوبات در بين رسوبات باقي مانده است. آب زنداني غالباً در قسمت هاي عميق حوضه هاي آب زيرزميني يافت مي شود. کيفيت اين آب معمولاً نامناسب است مخصوصاً اگر با رسوبات نمکي يا ساير سنگ هاي تبخيري در تماس بوده باشد. چون آب زنداني توقف زيادي در زيرزمين داشته است ممکن است مسافتهاي زيادي نيز طي کرده باشد، حتي اگر سرعت آن خيلي کند باشد.
آب ژونيل که ژرفا نيز ناميده مي شود (Primitive Water) آبي است که هرگز در سيکل هيدرولوژي شرکت نکرده است. اين نوع آب در درون زمين تشکيل شده و منشاء آتشفشاني يا مواد مذاب دروني دارد. آب ژونيل در نتيجه فعاليت هاي آتشفشاني مي تواند به طرف پوسته زمين جاري شود. در هر صورت، اين آب مواد معدني زيادي در خود دارد و احتمالاً به عنوان منبع آب قابل توجهي به شمار نمي رود (مک گنيس، 1963).
آب هاي ماگمايي شامل آب آتشفشاني (که از مواد مذاب دروني کم عمق جدا شده) و آب پلوتونيک (آتشفشاني) (که از مواد مذاب عميق زمين جدا شده است) مي باشند. http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14739_1.jpg
نفوذ آبهاي سطحي به مناطق فعال ماگمايي
آب دگرگوني آبي است که در فاصله زماني دگرگوني در سنگ ها وجود داشته است. آب دريايي آبي است که از اقيانوس ها به طرف لايه هاي آبدار زيرزميني حرکت کرده است.
در ارتباط با عمر آب زيرزميني مي توان چنين گفت: عمر آب زيرزميني ممکن است از چندين سال يا کمتر تا ده ها هزار سال يا بيشتر تغيير کند. با فرض اينکه 25% بارندگي در ايالات متحده امريکا تبديل به آب زيرزميني مي شود، حجم آب زيرزميني تا عمق 800 متري معادل تغذيه در يک فاصله زماني 160 ساله مي باشد، که نشان دهنده حدود عمر متوسط آب زيرزميني در ايالات متحده و مناطق ديگري با شرايط زمين شناسي و اقليمي مشابه مي باشد.
آب نيواري قديمي غالباً در مناطق خشک پيدا مي شود. در چنين مکان هايي بيشتر آب زيرزميني درحين فواصل زماني پيشين اقليمي با بارندگي زياد تشکيل شده است. تاچر و همکاران (1961) سن تعيين شده با کربن 14 را براي آب زيرزميني لايه هاي آب دار تحت فشار واقع در عربستان صعودي را (که از اعماق 382 متر تا 214 متر نمونه برداري شده) از 20000 سال تا بيشتر از 33000 سال تخمين زده اند.
تقسيم بندي منافذ موجود در سنگ ها از نظر نحوه تشکيل
منافذ اوليه:مجموعه فضاهاي خالي است که همزمان با تشکيل سنگ در آن به وجود آمده است. مثل فضاهاي موجود در بين دانه هاي يک سنگ رسوبي.
منافذ ثانوي: فضاهاي خالي است که در نتيجه فرايندهايي که پس از تشکيل سنگ به روي آن اثر کرده، ايجادشده اند. مقدار فضاهاي خالي را با «تخلخل» بيان مي کنند و بنا به تعريف تخلخل عبارت است از درصد حجم فضاهاي خالي موجود در يک سنگ يا خاک، به حجم کل آن، ميزان تخلخل در سنگ ها و رسوبات متفاوت است و از نزديک صفر تا بيش از 50% درصد تغيير مي کند.
توزيع قائم آب زيرزميني
با بررسي توزيع آب در زير زمين دو منطقه مجزا را مي توان مشخص کرد. يکي «منطقه تهويه» در قسمت بالا و ديگري « منطقه اشباع» در قسمت پايين. در منطقه تهويه قسمتي از منافذ، از آب و قسمتي از هوا پر شده است. ولي در قسمت اشباع تمامي منافذ سنگ يا خاک به وسيله آب اشغال شده است. سطح فوقاني منطقه اشباع را اگر با لايه نفوذ ناپذيري محصور نشده باشد «سطح ايستايي» گويند.
منطقه تهويه
به تدريج که آب از سطح به داخل زمين نفوذ مي کند، بخشي از آن پيش از رسيدن به منطقه اشباع، به علت جاذبه مولکولي بين آب و سنگ و همچنين جاذبه بين خود ذرات، علي رغم نيروي جاذبه زمين، به صورت معلق مي ماند. اين آب را اصطلاحاً «آب معلق» مي نامند. منطقه تهويه را مي توان به سه منطقه کوچکتر تقسيم کرد:
?منطقه آب خاک
اين منطقه در مجاورت سطح زمين قرار گرفته و در برگيرنده ريشه گياهان است و آب لازم براي گياهان را تأمين مي کند. قسمتي از آبي را که وارد اين منطقه مي شود به وسيله گياهان مصرف مي گردد، بخشي بر اثر تبخير به اتسفر باز مي گردد و بقيه از آن عبور مي کند و به قسمت هاي پايين تر مي رود.آبهاي موجود در منطقه آب خاک را به 3 گروه مي توان تقسيم کرد:
•آب هيگروسکپي
رطوبتي است که مستقيماً از هوا جذب مي شود و ورقه نازکي بر روي ذرات خاک تشکيل مي دهد. اين رطوبت فرورفتگي ها و شيارهاي ميکروسکپي ذرات را پر مي کند، چون نيروي چسبندگي هيگروسکپي خيلي زياد است، نمي تواند مورد استفاده گياهان قرار گيرد. اين رطوبت با بخار آب موجود در هوا متعادل مي شود و فقط با حرارت قابل دفع است به وسيله نيروي موئينه يا نيروي گراني حرکت نمي کند.
•آب موئين
به صورت ورقه هاي نازک ممتدي ذرات خاک را احاطه مي کند. اين آبها بر اثر خاصيت کشش سطحي نگهداشته مي شوند و توسط نيروي موئين حرکت مي نمايند. آب موئين مي تواند مورداستفاده گياهان واقع شود.
•آب ثقلي
آبي است که تحت اثر نيروي گرانشي از ميان منافذ سنگ و خاک به حرکت درمي آيد.
?منطقه مياني
در زير منطقه آب خاک قرار گرفته و آب در آن به علت جاذبه مولکولي به صورت معلق است، مگر زماني که آب باران يا آبهاي نفوذي ديگر به آن مي رسد، که در اين صورت آب اضافي به طرف پايين حرکت مي کند. ضخامت منطقه مياني به شرايط محلي بستگي دارد و در مناطق خشک، مثل مناطق مرکزي ايران، ممکن است به صدها متر برسد در حاليکه در مناطق مرطوب، مثل بخش هايي از جلگه گيلان، ممکن است اساساً وجود نداشته باشد. آبهايي که به علت نيروهاي بين مولکولي در منطقه مياني نگهداشته مي شوند، به آب "پوسته اي" معروفند. آب هيگروسکپي و پوسته اي تنها بر اثر تبخير و معيان از خاک خارج مي شوند.
?منطقه موئينه
در مجاورت و بلافاصله در روي سطح آب زيرزميني قرار دارد. در اين محل آبهاي زيرزميني به علت خاصيت موئينگي از مجاري نازک موجود در سنگ ها يا رسوبات به طرف بالا کشيده مي شوند. مقدار صعود آب به قطر اين مجاري نازک بستگي دارد. هرچه رسوبات دانه ريزتر و در نتيجه منافذ و مجاري نازکتر باشند،آب بيشتر بالا خواهد رفت. ضخامت منطقه موئينه معمولاً بين چند سانتي متر تا 2 الي 3 متر است.
منطقه اشباع
بخشي از زمين است که در آن همه منافذ سنگ يا خاک از آب پر شده است. منطقه اشباع منبع واقعي آب زيرزميني است. سطح فوقاني منطقه اشباع که در آن فشار آب مساوي با فشار اتمسفر است «سطح ايستابي» يا «سطح ايستايي استاتيک» گفته مي شود. عمق سطح ايستايي متغير و به تعداد بارش و وضعيت زمين شناسي منطقه بستگي دارد. نوسانات سطح ايستايي در طول سال به مقدار تغذيه منبع زيرزميني و تخليه آن بستگي دارد. حد پايين منطقه اشباع را معمولاً سنگ هايي با نفوذپذيري نسبي کمتر تشکيل مي دهد که اصطلاحا «سنگ بستر» ناميده مي شوند.http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14778_1.jpg
نمايي شماتيک از زونها اشباع و غير اشباع و ساير وابسته هاي آنها
http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14778_2.jpg
نمايي شماتيک از لايه هاي آزاد و تحت فشار
لايه هاي آبدار
سازندهاي زمين شناسي دربرگيرنده آب که جهت انتقال آب به اندازه کافي قابل نفوذ باشد و مقادير قابل ملاحضه اي از آب را انتقال داده و تأمين کند" لايه آبدار" خوانده مي شود.
معمولاً مواد تشکيل دهنده لايه آبدار ماسه ها و شن يا سنگ ريزه هايي هستند که هنوز سخت نشده اند. اين گونه لايه ها در دره هاي آبرفتي و بستر قديمي رودخانه هاي پوشيده از رسوبات ريز (دره هاي مدفون)، دشت هاي ساحلي، شن هاي روان (تپه شني) و رسوبات يخچالي ديده مي شوند. از اين نظر( لايه آبدار) ، ماسه سنگ ها مواد مطلوبي هستند و سنگ آهک هاي پوک و حفره دار با کانال هاي کنده شده (درنتيجه حل مواد)، غارها و رودهاي زيرزميني و ساير پيشترفتگي هاي کارستي مي توانند لايه هاي آبدار با بده زياد محسوب گردند. ساير سنگ هاي رسوبي (سنگ هاي رسي – آهک هاي پيوسته و غيره) اصولا لايه هاي آبدار مطلوبي را تشکيل نمي دهند. همين امر درمورد گرافيت، گنايس و ساير سنگ هاي کريستالي (بلوري) و متامورفيک نيز صادق است. بازالت ها، گدازه ها و ساير مواد آتشفشاني اگر به اندازه کافي متخلخل و شکاف دار باشند لايه هاي آبدار قابل توجهي را به وجود مي آورند. در مورد گدازه آتشفشاني نيز، اگر حفره هاي کوچک با هم ارتباط داشته باشند، لايه آبدار ايجاد شده بسيار مطلوب خواهد بود.
دو نوع لايه آبدار وجود دارد: آزاد و تحت فشار
لايه هاي آبدار آزاد: شبيه درياچه هاي زيرزميني در موادي متخلخل مي باشند. دربالاي آب زيرزميني لايه رسي و يا ساير مواد محدود کننده وجود ندارد. بنابراين سطوح آب زيرميني به طور آزاد بالا يا پايين مي رود. قسمت فوقاني يک لايه آبدار آزاد سطح سفره آب است، که عبارت از صفحه اي است که در روي آن فشار آب زيرزميني برابر با فشار اتمسفري است. ارتفاع سطح سفره آب عبارت است از سطح آب متعادل در چاه هايي که در لايه آبدار وجود دارند.
اصطلاحات ديگري که براي سطح لايه آب به کار مي برند عبارتند از سطح آزاد و سطح فراتيک. بالاي سطح سفره آب ناحيه ثقلي است، که در آن فشار آب کمتر از فشار اتمسفري است. معمولاً هوا در ناحيه آب هاي ثقلي پيوسته است، به وجهي که لايه هاي آبدار آزاد با اتمسفر در تماس هستند. حد پايين لايه هاي آبدار آزاد طبقه اي است که از خود لايه قابليت نفوذ کمتري دارد. چنين طبقات غير قابل نفوذ ممکن است شامل رس يا مواد ديگر با دانه بندي ريز يا شيست رسي، سنگ آهک سخت، سنگ آذرين يا لايه سنگي ديگري باشد. لايه هاي آبدار آزاد غالباً در دره هاي رسوبي، دشت هاي ساحلي – شن هاي روان (تپه هاي شني) و رسوبات يخچالي پيدا مي شوند. عمق آنها از چند متر (يا کمتر) تا چندين صد متر يا بيشتر فرق مي کند. منبع اصلي آب زيرزميني در لايه هاي آبدار آزاد نفوذ قسمتي از بارش ها مي باشد که اين آب ها از خاک بالاي لايه آبدار، به طور مستقيم (وقتي روي خاک مي بارد) يا به طور غير مستقيم (از طريق جريانات سطحي) نفوذ مي کند و يا از درياچه ها و رودها تراوش مي نمايد. در دره هايي که تحت آبياري قرار دارد آبي که توسط گياهان جذب نشده باشد مي تواند به سوي پايين تر از منطقه ريشه ها نفوذ کند و به لايه آبدار برسد. هنگامي که در يک لايه آبدار آزاد آب زيرزميني توسط عمل پمپاژ به داخل چاه جريان پيدا مي کند سطح آب زيرزميني افت حاصل مي کند و هواي جريان يافته در ناحيه آب هاي ثقلي جايگزين آبي که از خلل و فرج و ساير فضاهاي خالي مواد لايه آبدار در قسمت فوقاني خارج شده اند مي گردد.
آبهاي زيرزميني به طور طبيعي وبه طور کلي تحت اثر وزن خود از نقاط مرتفع به سوي نقاط پست حرکت مي کنند. حرکت افقي آب در زير زمين اغلب بسيار آهسته تر از رودخانه هاست، به نحوي که سرعت آب در رودخانه ها را با متر در ثانيه مي سنجند در حالي که سرعت آبهاي زيرزميني با سانتي متر در روز و حتي متر در سال سنجيده مي شود.
جابجايي آب در زيرزمين
در تجزيه و تحليل حرکت آب زيرزميني، مسير واقعي پرپيچ وخم مولکول هاي آب از خلال منافذ رسوبات و درز و شکاف سنگ ها را به صورت مسيرهاي صافي در نظر مي گيرند، به طوري که گويي مولکول هاي آب مستقيماً از درون ذرات جامد عبور مي کند. خطوط صاف مسير حرکت مولکول هاي آب را اصطلاحاً «خط جريان» مي گويند. جريان آب زيرزميني معمولاً به صورت يکنواخت و ماندگار است. با استفاده از ارتفاع سطح آب در چاههايي که در يک سفره حفر شده اند مي توان «نقشه خطوط هم تراز ايستايي» را تهيه کرد. خطوط تراز آبهاي زيرزميني را خطوط هم پتانسيل نيز مي گويند.http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14779_1.jpg
مايي شماتيک از نحوه جريان آب زيرزمينيhttp://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14779_2.jpg
نمايي از شوره زار نتيجه نزديک شدن سطح ايستابي با سطح زمين و عمل تبخير
عوامل موثر در سرعت آب زيرزميني
شيب آبي
شيب آبي يا گراديان هيدروليک بين دو نقطه از سطح ايستايي عبارت است از نسبت بين اختلاف ارتفاع دو نقطه به فاصله بين همان دو نقطه است و منعکس کننده کاهش بار ناشي از اصطکاک در طول حرکت آب بين آن دو نقطه مي باشد.
نفوذپذيري
نفوذ پذيري به معني قابليت عبورآب است. نفوذپذيري علاوه بر اندازه فضاهاي خالي سنگ و خاک به ارتباط بين آن فضاهاي خالي با يکديگر نيز بستگي دارد. سنگي که تخلخل زيادي دارد، اگر منافذ آن به هم راه نداشته باشند غير قابل نفوذ خواهد بود. در اغلب شرايط، نفوذپذيري سنگ ها تابعي از وضعيت درزها و شکستگي هاي آنها، از جمله فاصله آنها از يکديگر، مقدار بازشدگي و پرشدگي آنها و بالاخره اندازه حفرات و نحوه توزيع آنهاست. به دليل نامنظم بودن اين اشکال و عدم تداومشان در سنگ، اغلب ممکن است برآورد نفوذپذيري سنگ با خطاي قابل ملاحظه اي همراه شود. نفوذپذيري يکي از مهمترين پارامترهاي تعيين کننده ويژگي هاي مصالح است.
تخليه طبيعي آب از زيرزمين
آبي که در زيرزمين حرکت مي کند، سرانجام به طور طبيعي از زيرزمين خارج مي شود. با نزديک شدن سطح ايستايي به سطح زمين، آب زيرزميني مستقيماً از طريق خاک تبخير مي شود يا جذب گياهان شده و براثر عمل تعريق به اتمسفر باز مي گردد. در پاره اي از نقاط، با نزديک شدن سطح ايستايي به سطح زمين و تبخير آب يک منطقه تبخيري و شوره زار به وجود مي آيد. بخش مهمي از آبهاي زيرزميني مستقيماً وارد آبهاي سطحي يعني رودخانه ها، درياچه ها و درياها مي شود. رودخانه هايي که آبهاي زيرزميني را زهکشي مي کنند «رود زاينده» يا آبزا ناميده مي شوند.
فرسايش و رسوبگذاري توسط آبهاي زيرزميني
آبهاي زيرزميني در ضمن حرکت خود تغييرات زيادي را به وجود مي آورند. آبهاي زيرزميني به علت سرعت بسيار کم نمي توانند، همانند رودخانه ها، از راه سايش با کندن مستقيم سنگ ها باعث فرسايش زمين شوند، ولي قادرند به تدريج مقادير بسيار زيادي از مواد را حل کرده با خود ببرند و در مقاومت مواد تأثير منفي بگذارند. در شرايط مناسب با اتصال مجراهاي انحلالي و بزرگتر شدن آنها «غار» تشکيل شده و جريانهاي رودخانه اي زيرزميني ايجاد مي شود.عمل انحلال بيشتر در امتداد (درزه - درزها)، گسل ها يا سطوح لايه بندي سنگها، مخصوصاً سنگ هاي آهکي، انجام مي شود.
مواد محلولي که به وسيله آبهاي زيرزميني جابجا مي شوند ممکن است با تغيير شرايطي چون تغيير فشار و دما، افزايش مواد محلول، تبخيرآب، فعاليت باکتريها و غيره، در نقاط ديگري، بار ديگر رسوب کنند. به اين ترتيب ممکن است موادي مثل کربنات کلسيم، سيليس و اکسيدآهن در لا به لاي رسوبات ديگر ته نشين شوند ذرات ناپيوسته آن رسوبات را به هم بچسبانند و سنگ متراکم و يکپارچه اي را به وجود آورند که به اين مواد اصطلاحاً «سيمان» گفته مي شود. مواد محلولي که به وسيله آبهاي زيرزميني حمل مي شوند، گاهي ممکن است جانشين مواد ديگر شوند، يعني آب زيرزميني همزمان با حل کردن مواد موجود، مواد جديدي را به جاي آن ته نشين سازد.
وقتي آبهاي زيرزميني در سطح زمين ظاهر مي شوند ممکن است بخشي از مواد محلول خود را در محل ظهور باقي بگذارند. اين گونه رسوبات، به خصوص به وسيله چشمه هاي معدني فراوان تشکيل مي شود. يکي از رسوباتي که در دهانه اغلب چشمه هاي معدني يافت مي شود، کربنات کلسيم است. گاهي کربنات کلسيم ممکن است در دهانه چشمه ها بر اثرخروج گاز CO2 حفره دار شده باشد، که در اين صورت تراورتن ناميده مي شود. تراورتن به دليل سهولت دسترسي و سادگي برش، به مقدار زياد به عنوان روکار بناها مورد استفاده قرار مي گيرد.http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14780_1.jpg
نمايي از غار ايجاد شده توسط عمل خورندگي آبهاي زيرزميني در سازندهاي آهکي
محل استقرار آب زيرزميني
آب پس از ورود به زمين، فضاها و منافذ موجود در خاک را اشغال مي کند. منافذ موجود در خاک اغلب کوچک و درارتباط باهم هستند. در سنگ ها، درزها و شکستگي هايي وجود دارد که فضاهاي لازم را براي آب زيرزميني به وجود مي آورد. گاهي در بعضي از سنگ ها فضاهاي خالي بزرگي يافت مي شود. در پاره اي از سنگ ها منافذ سنگ ممکن است با هم ارتباط نداشته باشند و در نتيجه آب در درون سنگ قادر به حرکت نباشد.
http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14740_1.jpg
آبهاي بارشي- چرخه آب
منشاء آب هاي فرورو که ناشي از چرخه آب در طبيعت است، درياها و اقيانوس ها مي باشد که وسعت آنها را به 365 ميليون کيلومتر تخمين زده اند. چنين سطحي برابر با 73% سطح کره زمين مي باشد. از طرفي انتقال حرارت که توسط پرتوافکني خورشيد صورت مي گيرد، روزانه باعث تبخير 2 تا 3 ليتر آب در هر متر مربع مي گردد. در صورتي که به چنين رقمي استناد شود مقدار آبي که در طول يک روز در کره زمين به صورت بخار درمي آيد حدود 1012 مترمکعب (يعني برابر هزار ميليارد متر مکعب) برآورد مي گردد. در نتيجه پرتوافکني خورشيد، بخشي از آب درياها و قاره ها به بخار تبديل مي شود که به اتمسفر صعود مي نمايد. اين بخار در هوا، داراي بخشي است که متأثر از درجه حرارت سطح آب مولد مي باشد. به اين ترتيب که در يک درجه حرارت معين، هرمتر مکعب هوا حداکثر چند گرم از آب تبخير شده را در خود نگه مي دارد. بعداً وقتي چنين هوائي سرد مي شود، ريزش آب به صورت باران يا برف آغاز مي گردد. به طور خلاصه از تمام اين کيفيات، ريزش آب به صورت باران يا برف نتيجه مي شود. لازم به تذکر است که اين بارش در بعضي از موارد بايستي برانگيخته شود حتي اگر شرايط درجه حرارت و وضع رطوبتي هوا مساعد و مطلوب باشد. در حقيقت براي ايجاد توده هاي مايع يا جامد، مي بايست در اتمسفر هسته هاي تراکمي وجود داشته باشد. در ارتفاعات بالا، ابرهاي اشباع شده از بخار آب نادر نيستند. اين ابرها قادرند در نتيجه يک تراکم محلي مقادير متنابهي آب يا يخ به صورت نزولات جوي به سطح زمين ببارند. بنابراين هوا عامل اصلي انتقال آب بارندگي است، در اثر عبور از روي درياها و آب هاي قاره اي و در نتيجه حرکات جانبي و صعودي، مناطقي از اتمسفر به حرکت درمي آيد که حائز شرايط مساعد براي باريدن بخشي از آب هاي درخود باشد.
در صورتي که درجه حرارت هواي مجاور سطح زمين به قدر کافي پايين باشد، آبي که به صورت برف نازل مي شود، باقي مي ماند و تشکيل يخچال کوهستان هاي بلند را مي دهد يا باعث تغذيه سفره هاي عظيم يخ که نواحي قطبي را مي پوشانند مي گردد. اين آب ها سرانجام هنگام تابستان که درجه حرارت بالا مي رود دوباره به حالت مايع باز مي گردند.در فصل تابستان قسمتي از توده هاي برف يا يخ بدون گذشتن از حالت مايع مستقيماً در اتمسفر بخار مي شوند. يخچال هاي کوهستان و يخچال هاي قطبي به دنبال ذوب دائمي سطح قاعده خود بر اثر فشار به طرف دره ها و يا درياها جا به جا مي شوند. گاهي چنين ذوبي، انجمادي به دنبال ندارد و بدين ترتيب سيل هاي واقعي زيريخچالي تشکيل مي گردد و در صورتي که زميني که روي آن جريان دارد قابل نفوذ بوده باشد، نقش مهمي را در تغذيه سفره هاي آب زيرزميني، به ويژه زير جرياني (Underflow) ايفا مي نمايد. هم چنين گاهي اين سيلاب روي يک زمين غير قابل نفوذ جاري گشته که در اين صورت از قاعده يخچال خارج مي شود.
وقتي که آب به شکل باران بر سطح زمين نازل مي شود، که رايج ترين مورد مي باشد، به سه قسمت تقسيم مي گردد. بخشي از آن تبخير شده مجدداً به چرخه جديد آب باز مي گردد. اين تبخير يا بلافاصله صورت مي گيرد يا اين که به وسيله عمل موجودات زنده، گياهان و جانوران به تعويق مي افتد. يک بخش ديگر نفوذ مي کند و اين بخش منظور مورد نظر ما مي باشد زيرا که براي تغذيه آب هاي زيرزميني به کار خواهد رفت. سرانجام قسمت سوم جاري شده، به جريان هاي آب ملحق گرديده، به دريا باز مي گردد.
سهم هريک از سه قسمت تبخير، نفوذ، جريان که مجموع آنها نمايانگر توده آبي است که حقيقتاً باريده است، بسيار متغير مي باشد. نفوذ که به ويژه منظور مورد نظر ما مي باشد بستگي به شرايط بارندگي دارد. براي مثال بارانهاي ريز قطره و طولاني بيشتر از بارانهاي رگباري نفوذ مي نمايند. هم چنين ماهيت زمين نقش بسيار مهمي را در نفوذ آب به درون آن ايفا مي نمايد. در يک شبکه کارستي، آب به طور کامل نفوذ مي نمايد، ليکن اين اتفاق محدود به مناطقي با وسعت کم مي باشد. آب حاصل از ذوب برف و يخ در صورتي که ذوب به کندي صورت گيرد (زمستان)، بيشتر از فصل بهار نفوذ مي کند، زيرا در اين فصل تبخير آب درنتيجه پرتوافکني خورشيد رو به فزوني مي گذارد. پوشش گياهي خاک باعث سهولت تبخير آب مي شود، هم چنين به احتمال زياد نفوذ آب را آسان مي نمايد.
نفوذ آب در زمين
در اين بخش به طور مختصر به چهار گروه از سنگ ها اشاره خواهد شد که در مقابل پذيرش آبهاي سطحي داراي ويژگي هاي متفاوتي هستند. اين گروه ها عبارتند خواهند بود از:
1- سنگ هاي فشرده با شکاف هاي باريک:
شکاف اين سنگ ها که اغلب از سنگ هاي آذرين يا دگرگوني مي باشند، نسبتاً بندرت عميق مي باشد. به هر صورت به نظر نمي رسد آبي که در اعماق اين سنگ ها يافت مي شود در ارتباط مستقيم با شکاف هاي سطحي آن ها بوده باشد.
2- سنگ هاي فشرده با شکاف هاي عريض و غارها:
زمين هاي آهکي نمونه هاي خوبي از اين گروه سنگها مي باشند. شکاف هاي سطحي اين سنگ ها متعدد بوده، براثر عمل شيميايي آب هاي جاري عميق گشته اند. آب باران که کم و بيش سرشار از گاز کربنيک مي باشد سنگ آهک را که به ويژه از کربنات کلسيم تشکيل شده است در خود حل مي نمايد. بدين ترتيب بي کربنات کلسيم تشکيل مي گردد که قابليت حل آن بستگي به فشار گاز کربنيک و درجه حرارت هواي محيط دارد. شکاف هاي سطحي در عمق به شبکه هايي که بعد و گسترش آن ها به ميزان حلال بودن آب هاي نفوذي بستگي دارد متصل مي گردند. در اغلب غارهاي واقعي به جريان هاي زيرزميني آب برخورد مي نماييم. در سنگ هايي با شکاف عريض، اصولاً جريانهاي آب استقلال دارند يعني به طور مستقل از يکديگر جريان دارند. زمين هاي آهکي، گچي، گاهي ماسه سنگ ها و ندرتاً مارن ها داراي چنين ويژگي هايي مي باشند.
3- سنگ هاي متخلخل و قابل نفوذ:
اين سنگها در واقع تشکيل مناطقي را مي دهند که در آنها آب هاي زيرزميني ويژگي هاي حقيقي سفره را دارا مي باشند. ماسه سنگ ها و انواع مختلف شن ها اين نوع قابليت نفوذ را از خود نشان مي دهند.
4- سنگ هاي متخلخل و غير قابل نفوذ:
اين نوع از سنگ ها به واسطه ريز بلوربودن و ظرفيت ويژه شان در جذب آب، مشخص مي گردند. کامل ترين آنها خاک هاي رسي است يعني سيليکات هاي آلومين هيدراته که قادرند علاوه بر آبي که در ترکيب خود دارند (آب تبلور) مولکول هاي زياد آب را جذب نمايند. از اين امر نتيجه ميشود که رس هاي جاذب رطوبت که مقادير مهمي از آب را در خود نگه مي دارند، عملاً خصوصيت نفوذناپذيري را نسبت به جريان سطحي حفظ مي نمايند.
در طبقه بندي که شرح آن گذشت، دو نوع از سنگ هاي غير قابل نفوذ و دو نوع ديگر از سنگ هاي قابل نفوذ معرفي گرديد. در رده سنگ هاي غيرقابل نفوذ سنگ هاي ناپيوسته که طبيعتاً جاذب رطوبت هستند و آب را نگه مي دارند (رس) وهم چنين سنگ هايي که فشرده و متصل بوده، شکاف هايشان به سرعت به وسيله تجزيه خود آنها پر مي گردد جاي مي گيرند. گرانيت ها در صورتي که داراي شکاف هاي عريض نباشند و همچنين فلدسپات ها همانند سنگ هاي غيرقابل نفوذ عمل مي نمايند، معذالک همان طور که از نظر گذشت امکان ذخيره شدن مقادير متنابهي آب در گرانيت ها و گنيس ها وجود دارد.
در رده سنگ هاي حقيقتاً قابل نفوذ، دو گروه بزرگ تشخيص داده مي شود. زمين هاي داراي قابليت نفوذ کم مانند زمين هاي شني و زمين هاي داراي قابليت نفوذ زياد، مانند زمين هاي آهکي. زمين هاي گچي به ويژه ماسه سنگ ها ممکن است حائز صفاتي بين دو نمونه آخري اين رده بندي بوده باشد.
اختلاف اساسي بين دو سنگ پيوسته مانند گرانيت و آهک در کيفيت عمل آب بر روي سطوح آن ها مي باشد. فرآورده هاي حاصل از تجزيه گرانيت عموماً شکاف ها را پر مي نمايند، برعکس، باقي مانده حاصل از آهک زدايي زمين هاي آهکي بسيار کم اهميت تر از توده سنگي مي باشد که تحت تأثير فرسايش شيميايي قرار گرفته است. از اين امر تعريض تدريجي حفره هاي اوليه و تشکيل شبکه هاي زيرزميني عميق و پيوسته در آهک نتيجه مي شود.
زمين هاي داراي قابليت نفوذ زياد:
در اين بخش مي بايست سنگ هايي را که تجزيه آنها، باقي مانده قابل ملاحظه اي بر جاي مي گذارند مانند (شيست ها، گرانيت ها و ماسه سنگ ها)، از سنگ ها و زمين هايي که برعکس مانند زمين هاي آهکي و گچي بر اثر آب هاي گاز کربنيک دار قسمت اعظم شان به حالت محلول در مي آيند از يکديگر تميز دهيم. در حالت اول در اکثر موارد شکاف ها پر مي شوند و درنتيجه اين زمين ها مانند زمين هاي غيرقابل نفوذ عمل مي نمايند. در حالت دوم اهميت مواد باقي مانده ناشي از انحلال نسبت به حجم سنگ حل شده ناچيز است و شکاف هاي سطحي که در ارتباط باشکاف هاي عميق مي باشند دائماً بزرگتر مي شوند. زمين هاي آهکي در سطح خود داراي تعداد بي شماري نقاط جذب آبهاي سطحي مي باشند که گاه در يک منطقه متمرکز هستند و گاه به صورت پراکنده مي باشند. سطوح آهک ها مانند غربال با شبکه هاي بسيار عريض عمل مي نمايند که دائماً براثر عمل شيميايي آب ها تعريض مي گردند. بنابراين در سنگ هاي آهکي که به علت ماهيت سنگ شناسي خود غيرقابل نفوذ هستند، ليکن به صورت سنگ قابل نفوذ تلقي مي گردند، قاعده اي وجود دارد که عبارت از پخش بسيار نامنظم شبکه هاي هيدرولوژيکي زيرزميني مي باشد. معذالک حالاتي وجود دارند که در آنها وضع رسوبگذاري به دنبال يک تحول تکتونيکي مناسب باعث قرار گرفتن آهک شکاف دار بين لايه هاي غيرقابل نفوذ گرديده است. نفوذ آبها در چنين موارد ويژه و نادري بستگي به سطح سفره آب زيرزميني دارد که در آهک تشکيل گرديده است. در آهک ها همانند واريزه هاي سنگي از انواع مختلف که اهميت زيادي پيدا مي کنند، همان طوري که ديديم نقش هوايي که از اعماق مختلف عبور مي نمايد مهم مي باشد. آب هاي متراکم شده بر اثر تغيير درجه حرارت هوا يا به طريقي محدودتر بر اثر افزايش فشار اتمسفر در محيط اشباع شده روي ديوارهاي سنگي ريزش کرده، همانند آب هاي جاري به شبکه هاي عميق که به منزله جمع آوري کننده جريان ها مي باشند ملحق مي گردند. معذالک نفوذ آب درآهک مشروط بر آن است که آهک از قبل شکاف برداشته باشد. اگرتحول اين سنگ، براي مثال دگرگوني آن، شکاف ها يا سطوح لايه بندي را از بين برده باشد، عملاً غيرقابل نفوذ نخواهد بود. بدين سبب مرمر که آهک دگرگون يافته است بسيار کمتر از آهک شکاف دار در اعماق مورد نفوذ آب هاي فرورو قرار مي گيرد. زمين هاي گچي که داراي شکاف هاي کم تر از زمين هاي آهکي ولي متخلخل مي باشند و گاهي ماسه سنگ داراي خصوصياتي بين زمين هاي کارستي و زمين هاي داراي قابليت نفوذ کم مي باشد.http://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14784_1.jpg
نحوه نفوذ آب به واحدهاي آهکيhttp://www.ngdir.ir/Data_SD/Geoporta...cs/14784_2.jpg
نفوذ آب در يک منطقه رسي
تأثير عوامل خارجي بر روي نفوذ آب در خاک:
وقتي زمين عريان باشد، سنگ خود مانعي را در مقابل نفوذ آب ايجاد مي کند، در صورتي که پوشيده از رستني ها باشد، پوشش گياهي به ويژه اگر در مجاورت بلافصل زمين باشد، قسمت مهمي از آب ها را نگه ميدارد. رستني ها حائز دو نقش مهم مي باشند: يکي مربوط به جذب يک قسمت اضافي از آب هاي نزولي است و ديگري مربوط به پس دادن مقداري از آن که کم تر از مقدار قبلي است. در هر صورت، نقش آن ها تنظيم کنندگي به منتهاي درجه است. اين پوشش سهم جريان هاي سطحي ناهنجار را بسيار کم مي کند و در عوض سهم تبخير را افزايش مي دهد. عمل تنظيم کننده پوشش گياهي در مناطق کارستي بازهم مشهودتر از مناطقي مي باشد که قابليت نفوذ منظم دارند. حذف پوشش گياهي از روي يک کاوس (کاوس نام جلگه هاي حواشي جنوب غربي سون مي باشد که از تشکيلات آهکي مي باشد) يا يک کارست ممکن است فاجعه آميز باشد.
همچنين رژيم باران ها بر جذب آب، اثر بسيار مهمي دارند. باران هاي شديد که به وسيله دوره هاي خشکي از يکديگر مجزا مي شوند، به اندازه اي نفوذ نمي کنند که بتوانند از تبخير رهايي يابند. براي آب هاي زيرزميني عايدي از اين منبع اغلب ناچيز مي باشد. برعکس باران هاي طولاني حتي با برخاب (دبي) کم موفق به اشباع نمودن غيرقابل نفوذترين خاک ها مي گردند.
در فصل تابستان بارندگي هاي شديد باعث طغيان رودخانه ها مي شوند و درجه حرارت سطحي زمين باعث تشديد در تبخير آب ناچيزي مي شود که در خاک نفوذ کرده است. برعکس در مواقع ديگر در پائيز و در زمستان خاک اشباع مي گردد و رودخانه ها در نتيجه دخالت جريان زيرزميني آب ها تا سرچشمه هايشان تغذيه اي کم تر ولي منظم دارند.
بدين ترتيب برطبق آزمايش«پ- رسو (P.Russo)» در زمين هاي شني و رسي، باران هاي رگباري که به وسيله دوره هاي خشکي از يکديگر مجزا مي شوند، هيچ گونه تأثيري بر روي سفره هايي به عمق 3 متر ندارند، در صورتي که باران هاي ريز و طولاني که ريزش هاي کم اهميت تري نسبت به نزولات قبلي دارند سطح سفره را به مقدار بسيار قابل ملاحظه اي بالا مي آورند. همچنين تبخير آب روان که در مجاورت سطح زمين نگه داشته مي شود باعث تشکيل رسوبات نمکي مختلف مي گردد (نمک طعام، ژيپس، نيترات ها و غيره). هم چنين مي توان تصور نمود که اين آب به طرف ترازهاي پايين تر منتشر مي گردد، به عبارت ديگر به سمت طبقاتي که نسبتاً سردتر از سطح زمين در فصل تابستان مي باشند يعني سطح زميني که مي تواند به حرارتي بيش از50- درجه سانتي گراد برسد.
در زمين هاي کارستي عدم نگهداري آب به دليل ويژگي يکپارچه بودن سنگ است که در اين حالت عمل گرم شدن هاي سطحي را از نقطه نظر هيدرولوژيکي محدود مي نمايد.
اختصاصات آبهاي زيرزميني
ويژگي هاي فيزيکي آبهاي زيرزميني
1- درجه حرارت
به طور کلي آب هاي زيرزميني از ثبات درجه حرارتي بهره مند هستند که آبهاي جاري سطحي نمي توانند از آن برخوردار باشند، زيرا اين آب ها تحت تأثير عوامل تبخيري، تبادلات حرارتي با هواي خارج و خاک سطحي، تشعشعات خورشيدي و … مي باشند.
درجه حرارت آب سفره ها (زمين هايي با قابليت نفوذ کم) را مي توان از درجه حرارت آب محتوي در شکاف سنگ ها (زمين هاي داراي قابليت نفوذ زياد مثلاً زمين هاي آهکي) از يکديگر تميز داد.
آب سفره ها داراي درجه حرارتي هستند که بستگي به گسترش و نفوذ سفره در زير زمين دارد. اگر سفره اي با گسترش بسيار و در عمق زياد بين زمين هاي غيرقابل نفوذ قرار داشته باشد و در صورتي که سرعت جريان آب زيرزميني چندان زياد نباشد، مي توان به طور تقريب درجه حرارت آن را بر طبق قانون زمين گرمايي که به خوبي شناخته شده است و قابل اعمال براي زمين هاي فشرده مي باشد، بيان نمود. درجه حرارت بخش هاي زيرزميني، بعد از مناطقي که تابع تغييرات درجه حرارت سطح زمين مي باشد (چندين متر براي تغييرات درجه حرارت روزانه، حدود 30 متر براي تغييرات درجه حرارت ساليانه) به ازاي هر 33 متر عمق 1 درجه افزايش مي يابد. بدين ترتيب آب سفره اي که بسيار به کندي در يک لايه قابل نفوذ واقع در عمق 100 متري عبور مي نمايد، اگر مستقيماً توسط نفوذ هاي سطحي تغذيه نگردد، درجه حرارتي برابر دو تا سه درجه بالاتر از درجه حرارت زمين فشرده اي را خواهد داشت که در عمق 30 متري سطح زمين قرار دارد.
در حقيقت درجه حرارت منطقه اي که داراي عمق سي متر است، در زمستان همانند تابستان تقريباً ثابت بوده، نمايانگر درجه حرارت متوسط محل مي باشد. اين درجه حرارت به منزله درجه حرارت مبناء براي محاسبه درجه حرارت زيرزميني قسمت هاي عميق تر به کار مي رود و مي توان قانون دوبره را در مورد آن اعمال نمود.
آب سفره هاي زيرزميني اغلب با تأخير زماني، تغييرات درجه حرارت سطحي را منعکس مي نمايند. اين امر ناشي از آن است که سفره آب زيرزميني در عمق کمي قرار دارد و ظرفيت حرارتي آن به ميزان کافي نيست تا در تبادلات حرارتي که توسط جريان آب زيرزميني به آن تحميل شده است، بدون تغيير محسوس در حفظ درجه حرارت خود مشارکت نمايد.
بسياري از چشمه ها درجه حرارتشان 5 تا 6 درجه يا حتي بيشتر از آن، بين زمستان و تابستان تغيير مي نمايد. اغلب، حداقل درجه حرارت چشمه ها که حداقل درجه حرارت زمستان را منعکس مي نمايد، چندين ماه نسبت به آن تأخير دارد. هم چنين گاهي سفره ها در بعضي از نقاط، ناهمگني هايي در درجه حرارتشان نشان مي دهند که مقدار آن ناچيز بوده ولي بدون ترديد حاکي از نوعي ارتباط بين آب سطحي با سفره آب زيرزميني دارد.
هم چنين آب سفره هاي واقعي، يعني چشمه هايي که در مجاورت رخنمون يک لايه قابل نفوذي که در هواي آزاد گسترده مي باشند، از آبي که در آبرفت هاي دره هاي رودخانه اي پيدا مي شود از يکديگر قابل تشخيص مي باشند. تغييرات درجه حرارت آب هاي حاصل از منشاء اخير، کم و بيش تابع نوسانات حرارتي آب هاي سطحي مي باشد.
2- راديواکتيويته آب هاي زيرزميني
به طوري که عموماً تصور مي شود، راديواکتيويته آب هاي زيرزميني مختص آب هاي معدني و گرم (Thermal) نيست و اين آب هاي بسيار عميق نيز نيستند که هميشه داراي بيشترين مقدار راديواکتيويته مي باشند. مواد راديواکتيو در تمام آبهاي زيرزميني وجود دارد ولي ميزان آن بسيار متغير است و مقدار آن وابسته به شرايط سفره و سنگهاي دربرگيرنده مي باشد.
3- قابليت هدايت الکتريکي
قابليت هدايت الکتريکي آب ها اطلاعات با ارزشي راجع به غناي الکتروليتي محلول در آن ها در اختيار مي گذارد. اندازه گيري آن اطلاعات سريعي را به دست مي دهد که تجزيه هاي شيميايي بسيار طولاني تر آن را تائيد و به طور دقيق معين مي نمايد. به ويژه شناسايي قابليت هدايت الکتريکي يک آب در نقاط مختلف مسير زيرزميني باعث مي شود که به راحتي تبادلات شيميايي و يا دخالت آب هاي خارجي آشکار گردند.
4- شفافيت
شفافيت آبهاي جاري اکثراً برحسب برخاب (دبي) آن ها در تغيير مي باشد. برعکس، بعضي از آبهاي زيرزميني به ويژه آب حاصل از سفره هاي آب زيرزميني به کمک تصفيه اي که در زمين داراي قابليت نفوذ کم انجام مي شود، شفاف مي ماند. آب حاصل از تشکيلات آهکي داراي صفاتي بين آب جاري و سفره آب مي باشد. همه اين حالت بستگي به تحول زمين آهکي دارد. يک توده کارستي جوان با شکاف هاي بزرگ که حاوي کمي رسوبات داخلي مي باشد، از يک توده کارستي قديمي که قسمت مهمي از آن بر روي قاعده نفوذ ناپذيرش تخريب يافته است، تصفيه کنندگي کم تري دارد. يک آهک دولوميتي که مواد برجاي مانده زيادي از کلسيت زدايي ايجاد مي نمايد، بسيار بيشتر از يک آهک خالص شکاف دار تصفيه کننده است.
به طور کلي آب حاصل از زمين هاي آهکي ممکن است به هنگام نزولات اتمسفري کدر گردد. برعکس، توده گرانيتي داراي قابليت نفوذ زياد به کمک مواد برجا مانده بسيار فراواني که حاصل تخريب آن مي باشد عمل تصفيه کنندگي نسبتاً خوبي دارد. کدورت آب حتي به طور موقت ويژگي بسيار مهمي مي باشد. زيرا آبي که کدر باشد ممکن است از نقطه نظر باکتريولوژيکي مورد سوءظن قرار گيرد. از اين نظر نبايست آبي را که در محل ظهورش در هواي آزاد کدر مي باشد و آبي را که بعد از مدتي، رسوب ناشي از تحول شيميايي بر جاي مي گذارد با يکديگر اشتباه کنيم. مورد اخير مربوط به آب هاي آهن دار و منگنز دار مي باشد که اکثراً از نظر باکتريولوژيکي پاک بوده، بخشي از هيدروکسيد هاي خود را درنتيجه فرارگازکربنيک (اضافه شدن ph) و اکسيداسيون رسوب مي دهند. امروزه کدورت يک آب با دقت توسط روش هاي کلريمتري و نفلومتري اندازه گيري مي شود.
5- رنگ
رنگ آبها به طور کلي يک پارامتر بسيار نامحسوس مي باشد، مگر وقتي که حاوي املاح آهن باشند. معذالک در ضخامت کافي به راحتي مي توان آب حاصل از توده هاي عاري از آهک را که مختصري زرد يا قرمز رنگ مي باشند (در نتيجه آهن و اسيد هوميک)، از آب هاي حاصل از زمين هاي آهکي که داراي رنگ سبز بسيار مشخص مي باشند از يکديگر تميز داد.
6- طعم
طعم آب بستگي به املاح و گازهايي دارد که به صورت معلق يا محلول دربردارد. ذائقه کم و بيش به املاح مختلف حساس مي باشد. وجود چند ميلي گرم آهن يا مس در يک ليتر آب قابل تشخيص است، در حالي که چند صد ميلي گرم کلرور سديم بر ذائقه تأثير نمي گذارد.
7- بو
آب هاي زيرزميني معدني و گرم به طور کلي اگر قابل شرب باشند بي بو هستند، برعکس آبي که منشاء باتلاقي يا حتي درياچه اي دارد، در صورتي که به قدر کافي تصفيه نشده باشد بوي هيدروژن سولفوره مي دهد. اين بو ناشي از تجزيه مواد آلي مي باشد. به علاوه خاطر نشان مي کنيم که اين بو با بوي آب هاي سولفوره معدني (ترمال) که از منشاء اعماق زمين مي باشد متفاوت است. آب هاي اخير توسط مواد آلي آلوده نگرديده اند.
گاهي مواد آلي الزاماً نشانه آلودگي ميکروبي نمي باشند، آب هاي خرمائي رنگ و بدبو از منشاء طبقات توربي و يا ليگنيتي در اين رده قرار دارند، در صورت احتياج مبرم مي توان از اين آب ها براي شرب استفاده نمود.
ويژگي هاي شيميايي آب هاي زيرزميني
املاح در آبهاي زيرزميني
هر چشمه داراي ترکيب شيميايي معيني است که حاصل عبور از مناطق زيرزميني و لايه هاي مختلفي است که از آنها عبور نموده، مواد مختلفي را به آن تفويض کرده يا با آن مناطق، مواد گوناگون را مبادله نموده است. ترکيب شيميايي يک آب و پايداري اين ترکيب در درجه اول اهميت قرار دارد.
املاح قليايي در آب بسيار فراوانند، کلرورها و به ويژه کلرور سديم تقريباً هميشه در آب ها وجود دارد، اما مقدار آن به ميزاني است که اکثراً براي شرب انسان و آبياري قابل قبول مي باشد. سولفات هاي قليايي نيز در آب وجود دارند، اما وجود آنها در آبهاي زيرزميني نادرتر است. به طورکلي املاح سديم که نتيجه تخريب سنگ ها مي باشند راحت تر از املاح پتاسيم به حالت محلول درمي آيند.
املاح قليايي خاکي، کربنات کلسيم همراه با سولفات کلسيم مهمترين عنصر معدني آب هاي زيرزميني را تشکيل مي دهند.
به طور کلي در آب چشمه ها مقدار سولفات کلسيم کم تر از يک صد ميلي گرم در ليتر مي باشد. ليکن بعضي از آبها، يعني آب هايي که از سولفات کلسيم غني مي باشند، اين ماده را به ويژه از جريان آبي که از مجاورت طبقات ژيپسي يا انيدريدي در زير زمين مي گذرد، دريافت مي دارند. چنين آبهايي ممکن است تا دو گرم سولفات کلسيم در يک ليتر به حالت محلول داشته باشند.
در آب هاي حاصل از زمين هاي آهکي، کربنات کلسيم که به علت وجود گاز کربنيک در آب به حالت محلول نگه داشته شده است، از نظرکمي از اولويت ويژه اي برخوردار است، اگر نخواهيم بگوئيم که تنها عنصري است که در آبهاي زيرزميني يافت مي شود (150 تا 400 ميلي گرم در ليتر). سختي آب ناشي از وجود املاح قليايي خاکي به ويژه املاح کلسيم و منيزيم مي باشد (نمک اخير به مقدار کمتري در آبهاي زيرزميني وجود دارد). به علاوه بايد سختي موقت و سختي دائمي را از يکديگر تميز داد. سختي موقت ناشي از حضور کربنات ها مي باشد. اين املاح در نتيجه حرارت رسوب مي نمايند و گاز کربنيکي که آنها را به حالت محلول نگه مي دارد در اين حالت فرار مي کند. سختي دائمي ناشي از وجود سولفاتهاست که تا حرارت صد درجه سانتي گراد محلول مي ماند، مشروط بر آنکه غلظت آنها در آب بسيار زياد نباشد. در حقيقت قابليت حل سولفات کلسيم در صد درجه حرارت بسيار کمتر از قابليت حل آن در هجده درجه مي باشد (65/0 گرم در ليتر مي باشد، برعکس با افزايش درجه حرارت آب اضافه مي شود.)
آهن و منگنز
آهن اغلب در آبهاي زيرزميني يافت مي شود. بيکربنات آهن دوظرفيتي در حضور هوا نسبتاً ناپايدار مي باشد. بخشي از گازکربنيک موجود در بيکربنات متصاعد مي شود و همزمان اکسيژن هيدروکسيدآهن دو ظرفيتي را به هيدروکسيدفريک تبديل مي نمايد که ph رسوبگذاري آن بسيار پايين تر از 7 مي باشد. چنين تکويني را که به طور طبيعي در مظهر چشمه هاي آهن دار به وقوع مي پيوندد، مي توان به طور مصنوعي نيز ايجاد نمود (حذف آهن آبها).
منگنز نيز احتمالاً سير تکويني آهن را دنبال مي نمايد. ليکن ph رسوب آن به صورت هيدروکسيد بالاتر از آن چيزي است که در مورد آهن بيان گرديد. اين عنصر مشکل تر از آهن از آب چشمه ها حذف مي گردد. آهن و منگنز چنانچه از ابتدا به صورت سولفات ها موجود باشند (اکسيداسيون پيريت ها)، بندرت به همان شکل در آب هاي زيرزميني باقي خواهد ماند.
روي
درآبهاي زيرزميني به مقدارکم يافت مي شود و مقدار آن چنانچه بيشتر از 5/0 در 100.000 باشد براي سلامتي انسان مضر است.
مس
اين عنصر به ندرت در آبهاي زيرزميني يافت مي شود.
سرب
در سرچشمه چشمه ها، نسبتاً به ندرت يافت مي گردد. منشاء اين عنصر ناشي از کانال هاي انتقال آب مي باشد. موارد مسموميت ناشي از وجود آن در آب آشاميدني مشاهده شده است.
نيترات ها و نيتريت ها
حضورنيتراتها يا نيتريتها در آب معمولاً حاکي از آلودگي آن توسط ازت است بنابراين وجود آن در آبهاي زيرزميني از امکان يک آلودگي خبر مي دهد.
Ph آبهاي زيرزميني
امروزه ميزان اسيدي يا قليايي بودن آب را به وسيله تراکم يون هاي هيدروژني که دارا مي باشد بيان مي نمايند. Ph عبارت است از لگاريتم غلظت يون هايh+ (هيدروژن). براي آب خالص که در يک زمان حاوي يون هاي h+ و oh- است، ph برابر 7 است. محلول هايي که ph آنها کمتر از 7 است اسيدي و آنهايي که داراي ph بيشتري مي باشند قليايي هستند. اندازه گيري ph آب چشمه و مقدار املاح آن، اطلاعاتي راجع به تأثير اين آب نسبت به مواد مختلفي که با آنها ممکن است در تماس باشد در اختيار مي گذارند.