جغرافیای آب ها

[M.A.H.S.A]

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.

[M.A.H.S.A]

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).

[M.A.H.S.A]

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.
نفوذ آبهاي سطحي به مناطق فعال ماگمايي

[M.A.H.S.A]

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.

[M.A.H.S.A]

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.

[M.A.H.S.A]

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.

[M.A.H.S.A]

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.
نمايي شماتيک از زونها اشباع و غير اشباع و ساير وابسته هاي آنها

نمايي شماتيک از لايه هاي آزاد و تحت فشار

[M.A.H.S.A]

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.

[M.A.H.S.A]

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.
مايي شماتيک از نحوه جريان آب زيرزميني
نمايي از شوره زار نتيجه نزديک شدن سطح ايستابي با سطح زمين و عمل تبخير

[M.A.H.S.A]

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.