گردش آب در طبیعت

    آب موجود در کره زمین از دریاها و اقیانوس‌ها منشاء گرفته است که در اثر تبخیر و صعود به طبقات بالای جو به شکل نزولات آسمانی به خشکی‌ها برگشته و پس از تغییرات مختلفی مجددا به دریاها می‌ریزد و این چرخه همچنان تکرار می‌شود. حجم آبهای موجود در کره زمین 1370 میلیون کیلومترمکعب تخمین زده شده است که 73% سطح کره خاکی را می‌پوشاند و بخش اعظم آن را آبهای شور دریاها و اقیانوس‌ها تشکیل می‌دهد.

    مقدار آبهای شیرین رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و ذخائر زیرزمینی حدود 1 میلیون کیلومتر مکعب برآورد می‌شود. میزان یخ‌های موجود در قطبین زمین معادل 25 میلیون کیلومتر مکعب آب شیرین می‌باشد و بالاخره اتمسفر زمین حدود 50.000 کیلومتر مکعب آب بصورت ابر و رطوبت دارا می‌باشد.

    در اثر گرمای تابش نورخورشید بر سطح دریاها، دریاچه‌ها  ،رودخانه‌ها و جنگلها و مردابها بخار آب متصاعد و در ارتفاعات فوقانی جو در اثر سرما اشباع شده و بصورت برف و باران مجدداً به زمین بر می‌گردد میزان نزولات جوی سالیانه بالغ بر 120.000 کیلومتر مکعب محاسبه شده است. قسمتی از آن آبهای جاری را بوجود می‌آورد که بصورت رودخانه به دریاها می‌ریزد. در حدود نصف نزولات آسمانی در سطح زمین تبخیر شده به همراه آبهای حاصل از تعریق گیاهان و حیوانات به جو بر می‌گردد و در حدود یک چهارم این نزولات در زمین نفوذ کرده و ذخائر آبی زیرزمینی را بوجود می‌آورند.

    مقداری از این بارشها نیز بصورت برف دائمی‌قطبی و یا یخچال های طبیعی در مناطق مرتفع کوهستان باقی می‌مانند.

زمین شناسی آبهای زیر زمینی و بررسی مناطق با پتانسیل آبی

    دانش مطالعه آبهای زیر زمینی را آبشناسی (هیدروژئولوژی) می‌نامند اغلب چاه‌های بهره برداری آب در زمینهای آبرفتی نفوذ پذیر جوان متعلق به دوران چهارم زمین شناسی حفر شده‌اند زیرا دستیابی به این قبیل منابع آبی بصورت چاه و قنات راحت و کم هزینه می‌باشد. البته بخشی از احتیاجات آبی نیز از ذخائر واقع در آهکهای کارستی تأمین می‌شود.

    آبی را که در بین دانه‌های تشکیل دهنده زمینهای آبرفتی جریان دارد به نام آب ثقلی (percolation) می‌نامند و بخشی از آن که به دانه‌ها و ذرات خاک می‌چسبد و قابل استحصال نمی‌باشد بنام آب مرطوب کننده (imbibition) می‌نامند.

دو عامل مهم بشرح ذیل در قابلیت ذخیره سازی و آبدهی رسوبات آبرفتی و سنگها موثر می‌باشد:

الف – تخلخل (Porosity)

    تخلخل عبارتست از نسبت در صد فضاهای خالی موجود در بین دانه‌های تشکیل دهنده خاک یا سنگ به حجم کل آن. آبهای زیر زمینی در فضاهای موئینه‌ای تحت تاثیر نیروی کشش سطحی صعود کرده و بالاتر از سطح ایستایی قرار می‌گیرد. حداکثر اندازه فضاهای موئینه‌ای 3 میلی متر است و فضاهای بزرگتر را موئینه درشت می‌نامند. آب در سفره‌های حاوی این نوع تخلخل بصورت جریان آرام و یا آشفته در داخل شکافها حرکت می‌نماید ولیکن نمی‌تواند به بالاتر از سطح ایستابی صعود کند. در رسوبات ریز دانه سیلتی ورسی که دارای تخلخل موئینه‌ای خیلی کوچک هستند در اثر نیروی چسبندگی بسیار قوی موجود بین ملکولهای آب با سطح ذرات خاک، حرکت آزاد آب بسیار کند و به سختی صورت می‌گیرد.

    نیروی جذب موئینه‌ای آب در رسوبات دانه درشت و قلوه سنگی کمتر از رسوبات دانه ریز ماسه‌ای وسیلتی بوده و بهمین دلیل جریان آب در داخل رسوبات دانه درشت سریعتر از رسوبات دانه ریز است. خلل و فرج اولیه در بین ذرات و دانه‌های رسوبات و سنگها در زمان تشکیل آنها بوجود آمده است ولیکن خلل و فرج ثانویه  در اثر پدیده‌های بعدی بصورت ترک و شکاف ناشی ازعوامل جوی و یا نیروهای تکتونیکی و سپس تاثیر پدیده شستشو و انحلال ایجاد شده‌اند. سنگهای آهکی و دولومیتی نمونه بارز سنگهای دارای تخلخل ثانویه می‌باشند.

ب – قابلیت نفوذ (permeability)

    قابلیت نفوذ یا نفوذ پذیری عبارت است از قابلیت عبور آب از درون فضاهای خالی بین ذرات تشکیل دهنده سفره آب (Aquifer) که به شکل دانه‌ها و چگونگی ارتباط فضاها با یکدیگر و عدم وجود رسوبات ریزدانه مثل رس و سیلت در داخل این فضاها بستگی دارد. لایه‌های تشکیل شده از مخلوط دانه‌های ریز و درشت دارای قابلیت نفوذ کمتری نسبت به لایه‌های با اندازه دانه بندی یکنواخت هستند.

    بین تخلخل کل و قابلیت نفوذپذیری رابطه مستقیمی‌وجود ندارد. خاک رس با وجود قابلیت نفوذ و قدرت نگهداری آب به میزان زیاد، به علت کوچکی ذرات و در نتیجه ریزی فضاهای خالی و بالا بودن قدرت جذب مولکولی آب عملاً غیر قابل نفوذ می‌باشد. رسوبات دارای خلل و فرج بزرگ دارای قابلیت نفوذ پذیری بیشتری هستند.

زمین‌های نفوذ پذیر بر دو نوع میباشند:

    1-زمینهای ماسه‌ای با دانه بندی ریز منفصل و یکنواخت که آب در بین فضاهای خالی آن جریان پیدا می‌کند. این قبیل زمینها دارای قدرت تصفیه نسبتاً بالائی هستند و با عمل رسوب گیری آبهای جاری و صاف کردن آن، خلل و فرج خود را از دست داده و در نتیجه میزان آبدهی آنها کاهش می‌یابد.

    2-زمینهای متشکل از دانه‌ها و قطعات درشت با فضاهای خالی بزرگ بین دانه‌ای که آب بصورت نامنظم و باشدت بیشتری در آن حرکت می‌کند. در این زمینها خاصیت موئینه‌ای بسیار کم و قدرت صاف کنندگی (پالایش) پایین می‌باشد.زمینهای متشکل از سنگهای غیر آهکی چنانچه دارای شکستگی و جابجایی زیاد باشند با قابلیت نفوذ بالا می‌توانند سفره‌های آبی نسبتاً مناسبی را بوجود آورند نظیر بعضی از انواع سنگهای آذرین و یا دگرگونی و کنگلومراها.

    سنگهای آهکی در اثر نفوذ آب باران حاوی انیدرید کربنیک دارای حفرات، مجاری و یا غارهایی (Caves) هستند که بعضاً واجد ذخیره آبی می‌باشند. پدیده انحلال در اینگونه سنگها را کارست (karst) گویند.

    آب باران پس از نفوذ در زمینهای متخلخل نفوذ پذیر در صورت برخورد با یک لایه غیر قابل نفوذ تحتانی در درون فضاها و شکافها ذخیره شده و سفره آبدار (aquifer) را تشکیل می‌دهد.

وضعیت آب در لایه‌های زمین:

    لایه‌های زمین در ارتباط با مقدار آب به دو بخش تهویه و اشباعی تقسیم می‌شوند.

بخش تهویه:

    این بخش از سطح زمین تا سطح فوقانی لایه اشباعی را شامل می‌شود و محل عبور آبهای نفوذی است. در فصل گرما و خشکی بعلت وقوع تبخیر سطحی حرکت آب از پایین به بالا خواهد بود. در زیر بخش تهویه، ناحیه اشباعی که همیشه از آب اشباع می‌باشد، قرار گرفته است. بخش تهویه به سه قسمت مجزا تقسیم می‌گردد که ضخامت آنها بستگی به وضعیت دانه‌بندی لایه‌ها دارد:

الف – ناحیه سطحی:

    این ناحیه درمجاورت باهوا قرار دارد و ریشه گیاهان بوته‌ای و علفی در این قسمت قرار دارد و ضخامت آن در رسوبات ریزدانه و نواحی مرطوب تا چند متر و در رسوبات  درشت دانه نواحی خشک به چندین سانتی متر می‌رسد.

    آب موجود در این قسمت در اثر نیروی حرکت موئینه و جذب ملکولی از پایین به بالا و بر خلاف نیروی جاذبه زمین حرکت کرده و توسط گیاهان جذب شده و یا در اثر تبخیر سطحی از بین می‌رود.

    در اثر بارندگی و نفوذ آب به داخل این قسمت، نیروی حرکت وزنی بر نیروی موئینه فائق آمده و در نتیجه به قسمتهای زیرین نفوذ می‌نماید.

ب – ناحیه حد واسط:

    بخش موئینه زیرین را به قسمت سطحی فوقانی مرتبط می‌کند و محل عبور آبهای نفوذی ثقلی می‌باشد. آب موجود در این ناحیه در اثر نیروی جذب ملکولی و موئینه به حالت معلق (آب غشائی) نگهداری می‌شود که به علت عدم امکان جذب توسط ریشه گیاهان و غیر قابل استحصال بودن، آب مرده نامیده می‌شود. ضخامت این ناحیه تابع وضعیت دانه بندی آن و عمق قرار گیری بخش اشباعی می‌باشد.در رسوبات دانه درشت نواحی خشک که بخش اشباعی در اعماق پایین قراردارد، ضخامت این ناحیه تا 100 متر هم می‌رسد و در مناطق پر باران با رسوبات ریز دانه ممکن است ضخامت آن بسیار ناچیز و در حد صفر باشد.

پ – حاشیه موئینه:

    بصورت یک نوار باریک مرطوب منطقه اشباعی را به ناحیه حد واسط مرتبط می‌کند آب موجود در این نوار (آب جذبی) در اثر نیروی جذب موئینه‌ای روبه بالا از لایه اشباعی زیرین منشاء گرفته است.

    از آنجائیکه مقدار نیروی حرکت موئینه‌ای در رسوبات ریز دانه سیلتی و رسی خیلی بیشتر از رسوبات درشت دانه می‌باشد لذا ضخامت این حاشیه در رسوبات ریز دانه به 2 الی 3 متر می‌رسد و حال آنکه در لایه‌های درشت دانه تا چند میلی متر کاهش می‌یابد.

بخش اشباعی

    این بخش در حقیقت همان سفره آبدار (Aquifer) می‌باشد که کلیه خلل و فرج و شکاف‌های آن از آب پر شده است و ضخامت آن بستگی به میزان تغذیه و یابرداشت آب و عمق قرارگیری لایه غیر قابل نفوذ زیرین دارد. در لایه‌های اشباعی سرعت حرکت آب بطرف نقطه تخلیه به شکل و اندازه خلل و فرج و شکافها و نحوه ارتباط آنها با یکدیگر و شیب لایه بستگی دارد. سرعت جریان در رسوبات دانه درشت یکنواخت بیشتر از رسوبات دانه ریز می‌باشد. سطج آب در لایه اشباع را سطح ایستایی 

    (Stable Water Table (S. W. T می‌نامند  .شکل سطح ایستایی و شیب آن تابع شیب توپوگرافی بوده و کمی برجسته می‌باشد و نسبت به موقعیت نقطه تغذیه و تخلیه و تغییرات نفوذپذیری تغییر می نماید.

    سفره‌های آبدار متشکل از رسوبات مخلوط سیلت و ماسه ریز دانه که دارای خلل و فرج بسیار ریز می‌باشند جزو لایه‌های نیمه قابل نفوذ یا نیمه تراوا (Aquiclued) می‌باشند که سرعت حرکت آب در این لایه‌ها اندک است.

    لایه‌های غیر قابل نفوذ از جنس رسوبات بسیار دانه ریز رسی ‌می‌باشند که به دلیل وجود فضاهای میکروسکوپی بسیار کوچک نمی‌توانند آب را از خود عبور دهند. در واقع ذرات ریز رسی ابتدا ملکول های آب را تحت تاثیر نیروی جاذبه ملکولی بخود جذب کرده و سپس به علت ریز بودن منافذ بین دانه‌ای اجازه عبور آب را ازخود نمی‌دهد.

وضعیت حرکت آبهای نفوذی در داخل خلل و فرجها:

    آبهای نفوذی در منافذ و شکافهای زمین‌های آبرفتی و یا سنگی به سه حالت حرکت می‌کند.

    1- حرکت ثقلی: حرکت آب در امتداد قائم و نیروی جاذبه با فائق آمدن بر نیروهای موئینه و کشش سطحی از سطح زمین به لایه اشباعی زیرین می‌رسد.

    2- حرکت صعودی: این حرکت از سطح لایه اشباعی درخلاف جهت نیروی جاذبه زمین و در اثر نیروی موئینه از پایین به بالا صورت می‌گیرد.

    3- حرکت افقی: این حرکت در داخل حفرات و منافذ لایه اشباعی سفره آبدار انجام گرفته و جهت آن از منطقه تغذیه بطرف منطقه تخلیه و بهره برداری می‌باشد.

مدیر سایت: بهزاد سرهادی

شماره تلفن: 09190622992

شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@

نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com

(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)

_______________________________________________________

×

 براي پيوستن به بزرگترين گروه تلگرام علوم و مهندسي آب با امکان تبادل نظر بين اعضاء کليک کنيد

کتاب کاربرد مدل QUAL2KW

کتاب کاربرد GIS در منابع آب

کتاب محاسبه سيل طرح