آیا ذخیره آب در زیر زمین، یک راه‌حل برای امنیت آبی است؟

با ابداع تکنولوژی دورسنجی ماهواره‌ای، اکنون می‌دانیم که این منبع حیاتی در وضعیت خطرناکی قرار دارد، و در برخی مناطق جهان، بسیار بیشتر از آنچه بتواند تغذیه شود پمپاژ می‌شود. به منظور بهبود تاب‌آوری در مواجهه با تغییر اقلیم و طولانی‌تر کردن فصل کاشت، لازم است تا علاوه بر بازاندیشی در پمپاژ آب زیرزمینی به سطح زمین، آب‌های سطحی را در زیرزمین ذخیره کنیم تا از امنیت آبی آینده خود اطمینان یابیم. ذخیره آب در زیر زمین می‌تواند تأثیر بسزایی در تقویت تاب‌آوری تأمین آب در مناطق خشک و نیمه‌خشک داشته باشد.

نگاهی کوتاه به چگونگی عملکرد تغذیه مصنوعی 

ذخیره زیرزمینی آب که با تغذیه مصنوعی آبخوان نیز شناخته می‌شود- به فرایند پرکردن هدفمند آبخوان‌ها با استفاده از آب سطحی به منظور مدیریت اثربخش‌تر تأمین آب گفته می‌شود. این هدف می‌تواند هم با تزریق مستقیم آب‌های سطحی به درون آبخوان‌ها از طریق چاه‌ها، یا با استفاده از حوضچه‌های تغذیه (مانند آنچه در تصویر می‌بینید) تحقق یابد. با استفاده از حوضچه تغذیه، آب‌ سطحی به تدریج به درون زمین نفوذ می‌کند تا به سطح آب زیرزمینی برسد.

سفره‌های آب زیرزمینی برای مصون‌ماندن از خشکی نیاز دارند تغذیه شوند تا حجم آب آنها تا حدودی حفظ شوند. سامانه‌های ذخیره - بازیافت آبخوان به‌عنوان ابزاری برای متعادل نگاه‌داشتن سطح آب زیرزمینی و احیای آبخوان‌ها، از مشکلات حجم زیاد پساب جلوگیری و همچنین اُفت زیاد سطح آب زیرزمینی را جبران می‌کند.

امروزه منابع آب زیرزمینی از مهم‌ترین ذخایر آب در دنیا به‌شمار می‌روند و استفاده بی‌رویه از این ذخایر باعث اُفت بیش از حد سطح آب‌های زیرزمینی شده است، تا حدی که دشت‌های زیادی را در معرض نابودی قرار داده است. از سوی دیگر با صنعتی‌شدن جوامع و افزایش جمعیت در کلان‌شهرها سالانه حجم زیادی پساب تولید می‌شود که بسیاری از کلان‌شهرها را با مشکل روبرو کرده است. ذخیره- بازیافت آبخوان (Aquifer Storage and Recovery) یکی از روش‌های ذخیره آب است که امروزه مورد توجه کارشناسان قرار گرفته است. می‌توان از ذخیره پساب تصفیه‌خانه‌ها در آبخوان‌های مناسب با بهره‌گیری از این روش، از یک ‌سو دشت‌ها را نجات داد و از سوی دیگر مشکلاتی را که ممکن است پساب ایجاد کند رفع کرد.

مهندس"رضا راعی" رئیس موسسه گنجینه ملی آب ایران

در سال 1992 میلادی در شهر ریودوژانیرو – برزیل کنفرانسی برگزار شد که موضوع مورد بحث در آن «محیط زیست و توسعه سازمان ملل» بود که در بیست و یکمین دستور جلسه آن برای اولین بار روز جهانی آب مطرح شد. از کلیه کشورها خواسته شد تا در راستای اجرای بیانیه 21 سازمان ملل، روز 22 مارس که مصادف با دوم فروردین است و بنام روز جهانی آب نامگذاری شد. این روز را به عنوان روز ترویج و آگاه‌سازی مردم در مورد آب اختصاص داده و از طریق پخش و اشاعه نشریات و برگزاری کنفرانس‌ها، سمینارها و نمایشگاه‌ها در گرامیداشت آن بکوشند از سال 1994 تاکنون جهت اجرایی کردن این مهم هر ساله شعاری در نظر گرفته شد که در ارتباط با مسائل حیاتی حساس آن زمان بوده است. نامگذاری سال‌ها به شرح زیر بوده است:

ویپ و بررسی اقتصادی سناریو ها 

اگر چه در منابع دیگر در مورد توانایی‌های ویپ توضیحاتی به عمل آمده است، اما در این بخش نیز با توجه به هدف و میزان استفاده ای که از قابلیت‌های ویپ انجام شده به صورت مختصر اشاره می‌گردد. در واقع با استفاده از یک مدل آب زیرزمینی همچون MODFOLOW می‌توان شرایط هیدروژئولوژیکی یک منطقه را مدلسازی کرد. با توجه به برخی از راهبردهای مدیریتی در حد تنظیم سطح آبخوان به صورت کمی از اینگونه مدل ها استفاده کرد. اما نکته حائز اهمیت اینست که "با ارائه این گونه راهبردها که یک جانبه نگری می‌کنند تا چه حد می‌توان اکتفا کرد؟" درصورت اکتفا به یک راهبرد مدیریتی در مدیریت یک منبع آبی نمی‌توان به برخی سوالات و مفروضات همچون موارد اشاره شده زیر پاسخ داد، و کماکان بدون جواب خواهند ماند.

در ۱۱ می ۲۰۱۱، زمین‌لرزه ۱/۵ ریشتری جنوب اسپانیا را لرزاند. این زمین‌لرزه سبب مرگ نه نفر شد و خسارت شدیدی به ساختمان‌ها در شهر لورکا وارد کرد. اثر تخریبی این زمین‌لرزه مایه شگفتی بود، چرا که بزرگی آن زیاد نبود. محققان دانشگاه تورنتو با مطالعه گسل همجوار شهر لورکا در جنوب اسپانیا به این نتیجه رسیده‌اند که برداشت آب زیرزمینی، عامل وقوع زمین‌لرزه بوده است.

شهر ۷۳۰۰۰۰ نفری کوماموتو روی آبخوانی به همین نام در مجاورت رودخانه شیراکاوادر جزیره کیوشوی ژاپن قرار دارد. این آبخوان با ساختار زمین‌شناسی منحصر به فرد خود، تنها منبع تامین آب فعالیت‌های مختلف این شهر و حومه آن است. (تصویر شماره 1)

کشت برنج در بخش میانی حوضه آبریزشراکاوا به روش غرقابی و با استفاده از آب رودخانه سابقه ۴۰۰ ساله داشت و همین اقدام، آبخوان کوموموتو را ۵ تا ۱۰ بار بیشتر از سایر اراضی تغذیه می‌کرد. در دهه‌های ۷۹ و ۸۰ به دلیل غیر اقتصادی شدن کشت برنج در این نواحی، اراضی شالیکاری بلا استفاده و خشک شدند. 

جدول 1: تعداد محدوده ها و آبخوان ها به تفکیک حوضه های آبریز درجه 1

شبکه سنجش منابع آب زیرزمینی 

بررسی های انجام شده نشان می دهد که از حدود 1648000 کیلومترمربع وسعت کشور، تنها 260000 کیلومتر مربع آن واجد لایه های آب دار بوده و یا به عبارت دیگر تحت پوشش آبخوان ها می باشد. بنابراین شبکه سنجش سطح آب زیرزمینی در گستره مورد اشاره ودر مناطقی تاسیس شده است که مخزن آب زیرزمینی یا آبخوان وجود داشته است. 

شبکه سنجش منابع آب زیرزمینی به مجموعه چاههایی اطلاق میشود که در نقاط مختلف آبخوان حفاری و تجهیز شده و با اندازه گیری تغییرات سطح آب زیرزمینی در آن ها، وضعیت عمومی تغییرات سطح آب  یک آبخوان را می توان مورد بررسی قرار داد. 

بررسی تجربیات بین‌المللی به ما می آموزد که نباید راه‌حل‌ها مطرح شده در اصلاح ساختار انگیزه‎های مربوط به حکمرانی منابع آب زیرزمینی را به صورت یکنواخت و بدون توجه به شرایط اجتماعی و اکولوژی کشورها اعمال کرد. بدین منظور در یک بررسی،مطابق شکل یک کشورها را به پنج دسته تقسیم شده است.

گروه اول با رنگ سفید، آن‌هایی هستند که مسئله‌ای در ارتباط با آب زیرزمینی ندارند. آنهایی که با رنگ قهوه‌ای مشخص شده است، کشورهای صنعتی هستند که به شدت به ابزارهای اقتصادی وابسته‌اند و نظام اداری قوی و مقررات خیلی جدی دارند. کشورهایی که با رنگ زرد مشخص شده است، کشورهای خاورمیانه البته به جز ایران، را در بر می‌گیرد. در این کشورها اساساً نظام معیشتی مبتنی بر کشاورزی در آن وجود ندارد. کشورهای با رنگ سبز روشن، کشورهایی با واحدهای بزرگ کشاورزی هستند، که شرایط اکولوژی و اجتماعی متفاوتی دارند. اما کشورهای با رنگ قرمز، شامل جنوب آسیا، چین، ایران، شمال آفریقا و آمریکای مرکزی همگی دارای نظام‌های خرده مالکی و کشاورزی معیشتی هستند.

پنجره زنجیره مارکف عمودی

پنجره کمکی در تعریف زنجیره مارکف عمودی. این پنجره از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

بخش طرح

بخش زنجیره مارکوف 

بخش صفحات گسترده

هر سه بخش توسعه 1D زنجیره مارکوف در جهت عمودی را میسر می سازد.

بخش پلات شامل آرایه ای از منحنی ها، زمینه ویرایش فاصله بندی تاخیر، دکمه محاسبه، و فاصله تاخیر حدأکثری برای زمینه پلات ویرایش است. تعداد پلات ها در آرایه تولید شده به تعداد مواد استفاده شده در شبیه سازی ارتباط دارد. اگر به تعداد n ماده استفاده می شود، یک رایه N در N پلات احتمالات انتقال برای هر یک از مواد را با توجه به هر ماده دیگر نشان می دهد. هر طرح با یک نام و واحد برچسب شده و می تواند با یک فرمان در منوی تولید شده توسط راست کلیک کردن بر روی منحنی در بخش پرسش به حداکثر اندازه برسد. این منحنی ها به صورت خودکار در هر زمان بازسازی از یک تغییر در بخش های دیگر در پنجره دیالوگ دوباره سازی می شوند.

موقعیت حوضه های آبریز و آبخوان ها در کشور

مقدمه

آب زیرزمینی به عنوان یک منبع مهم واستراتژیک برای تامین مصارف شرب و بهداشت، کشاورزی وصنعت همواره مورد توجه بوده واز دیر باز مورد بهره برداری قرارمی گرفته است. این منبع در مقابل تغییرات اقلیم پایداربوده و با توجه به حجم ذخیره خود می تواند در درازمدت پاسخگوی نیازها باشد و از این دیدگاه نیز دارای اهمیت بسزایی است.

آمار و اطلاعات موجود درطول نیم قرن اخیرنشان می دهد که باتوسعه صنعت وتکنولوژی مرتبط با حفاری و پمپاژ چاهها، بهره برداری از این منبع گسترش یافته و بدلیل افزایش جمعیت ونیاز روز افزون به آب، برداشت ها نسبت به تغذیه بیشتر و بیشتر شده و این روند به تدریج سبب افت سطح  ایستابی  آب زیرزمینی، کاهش حجم مخزن و بهم خوردن تعادل در بیلان منابع آب آبخوان های کشور شده است.

تغییرات در وضعیت کمی آبخوان ها از طریق اندازه گیری سیستماتیک سطح ایستابی آب زیرزمینی در چاههای مشاهده ای و بررسی و تجزیه و تحلیل آنها صورت می گیرد.

سه روش برای تولید مدل سازی تصادفی در GMS  با استفاده از MODFLOW در ورژن  2000 یا 2005 وجود دارد. اول، پهنه بندی پارامتر با استفاده از هر یک از روش نمونه گیری تصادفی، نمونه برداری مکعب لاتین، و یا زمینه گاوسی برای تولید نتایج مختلف می باشد. روش دوم استفاده از شبیه سازی شاخص های تولید شده توسط ابزار T-PROGS می باشد. سوم، روش فضایی تهی مونت کارلو (NSMC) است؛ که به تولید مدل های متعدد با مجموعه های مختلف از پارامترها اقدام می کند (در GMS 9.0 و ورژن های بعد از آن).

پس از تولید نتایج شبیه سازی تصادفی، کاربر می تواند این نتایج را با استفاده از جستجوگر پروژه بررسی کرده و ببینید. کاربر همچنین می تواند نتایج را با استفاده از Wizard و یا ابزار تجزیه و تحلیل آماری به منظور بررسی ریسک راه حل های تصادفی اصلاح نماید.

اهمیت و نقطه تمرکز طرح

منابع آب زیرزمینی در تأمین آب بخش‌های مختلف کشاورزی، صنعت و شرب کشور سهم موثر و عمده‌ای دارد و گردش امور و حیات بخش وسیعی از کشور به آن وابسته است. در وضعیت کنونی سهم آبهای زیرزمینی در تأمین آب کشور (کشاورزی، صنعت و شرب درکشور) بالغ بر ۵۵ درصد نسبت به کل منابع آب می‌باشد. این وابستگی در بعضی مناطق کشور بسیار بیشتر است. از جمله می‌توان از شرایط استان‌های خراسان رضوی، خراسان شمالی، خراسان جنوبی، کرمان، یزد، اصفهان، فارس و استان‌های حاشیه سواحل جنوبی، زنجان، مرکزی، لرستان، قزوین، کردستان و حتی استان‌هایی نظیر چهار محال و بختیاری و گلستان، نام برد. اما با کمال تاسف در حال حاضر منابع آب زیرزمینی کشور به دلیل برداشت بیش از حد و خشکسالی‌های متوالی سالیان اخیر به وضعیت بحرانی رسیده است. تشدید افت سطح آب و کسری مخزن در آبخوانها ممنوعیت بیش از ۳۰۷ محدوده از ۶۰۹ محدوده مطالعاتی کشور را به دنبال داشته است. بطوریکه آبخوانهای کشور سالانه با میانگین کسری حجم مخزن ۴/۵ میلیارد متر مکعبی مواجه می‌باشند و در ۴۷ سال اخیر مخازن آب زیرزمینی باکسری مخزن ۱۱۰ میلیارد متر مکعبی مواجه شده‌اند که بیش از ۹۰ میلیارد مترمکعب آن در بیست سال اخیر و۸۰ میلیارد مترمکعب آن در ۱۵ سال اخیر و ۳۸ میلیارد مترمکعب آن مربوط به دوره کوتاه ۷ سال گذشته است.

آیا ذخیره آب در زیر زمین، یک راه‌حل برای امنیت آبی است؟

با ابداع تکنولوژی دورسنجی ماهواره‌ای، اکنون می‌دانیم که این منبع حیاتی در وضعیت خطرناکی قرار دارد، و در برخی مناطق جهان، بسیار بیشتر از آنچه بتواند تغذیه شود پمپاژ می‌شود. به منظور بهبود تاب‌آوری در مواجهه با تغییر اقلیم و طولانی‌تر کردن فصل کاشت، لازم است تا علاوه بر بازاندیشی در پمپاژ آب زیرزمینی به سطح زمین، آب‌های سطحی را در زیرزمین ذخیره کنیم تا از امنیت آبی آینده خود اطمینان یابیم. ذخیره آب در زیر زمین می‌تواند تأثیر بسزایی در تقویت تاب‌آوری تأمین آب در مناطق خشک و نیمه‌خشک داشته باشد.

آب‌های موجود در آبخوان‌های کالیفرنیا رو به کاهش هستند، چون زارعان بیشتری آب زیرزمینی را برای آبیاری کشت‌ها پمپاژ می‌کنند. با این همه، اراضی زراعی بارور می‌توانند به پرشدن دوباره آب زیرزمینی به نفع همگان در این ایالت مستعد خشکسالی نیز کمک کنند. پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا پس از مشاهده نتایج اولیه آزمایش‌ها درباره تغذیه آبخوان‌ها با غرقاب‌کردن حساب‌شده اراضی زراعی در زمستان، بدون آسیب به کشت‌ها یا تأثیر بر آب شرب، انگیزه بیشتری برای ادامه پژوهش‌ها در این زمینه یافته‌اند.

در سطح جهان، حدود ۷۰ درصد آب برداشت‌شده یا منحرف‌شده به مصرف کشاورزی می‌رسد. این سهم در برخی حوضه‌های آب زیرزمینی به ۹۹ درصد هم می‌رسد. مناطق کشاورزی در سطح جهان اُفت ترازهای سطح آب زیرزمینی را تجربه کرده‌اند، و سیاست‌گذاران را به تلاش برای کاهش نرخ برداشت در سطح حوضه از طریق سیاست‌های جدید واداشته‌اند. این سیاست‌ها عموماً با هدف کاهش استفاده مصرفی آب زیرزمینی- یک هدف کلیدی مدیران آب- در پاسخ به پمپاژ آب زیرزمینی برای آبیاری پیاده می‌شوند.

موضوع کاهش ذخایر آب شیرین در بخش‌های مختلف جهان، نه فقط از نظر علمی مورد توجه واقع شده است، بلکه دغدغه عمیق اجتماعی نیز به شمار می‌آید. گزارش‌های مختلفی که درباره خالی‌شدن آبخوان‌ها و کاهش تراز آب رودخانه‌ها و دریاچه‌ها منتشر می‌شود، شواهد قانع‌کننده‌ای مبنی بر عبور بهره‌برداری آب شیرین از ظرفیت منابع تجدیدپذیر است. با این همه، کمّی‌کردن منابع و مصارف آب شیرین در سطح جهان یک چالش فنی اساسی است. دو محقق به نام‌های Yoshihide Wada و Marc Bierkens در یکی از جامع‌ترین تحلیل‌های صورت‌گرفته تاکنون که در «پژوهش‌نامه زیست‌محیطی» انتشار یافته است، منابع و مصارف آب شیرین را از ۱۹۶۰ تا ۲۰۹۹ برآورد کرده‌اند. آنان هم از داده‌های تاریخی و هم پیش‌بینی‌های آینده که شامل تغییرات جمعیتی و اقلیمی مورد انتظار در این قرن است استفاده کرده‌اند. تحلیل‌ آنان حاکی از افزایش تدریجی بهره‌برداری از منابع آب شیرین تجدیدناپذیر در بخش‌هایی از جهان است و از این رو باید دغدغه جدی جهانیان باشد.

داده های اولیه و توسعه مدل آبخوان

به منظور توسعه و آماده سازی سامانه های پیچیده جریان به داده های با وضوح بالا نیاز است.

در سال 1988، شرکت DuPont با تکمیل تحقیقات آب های زیرزمینی در دوپانت بل در غرب ویرجینیا، تشخیص داد که به منظور اقناع سازمان حفاظت محیط زیست ایالات متحده در حفاظت از منابع و قانون بهبود (RCRA) به مجوز اقدامات اصلاحی و  تسهیلات ویژه ای نیاز است. تمرکز تحقیقات بر تعدادی از واحد های مدیریت مواد زائد جامد با سابقه مورد استفاده، در منطقه کوهستانی 600 هکتاری در مجاورت یک کارخانه بود. این کار توسط شرکت DuPont و بخش گروه بازسازی شرکت (DCRG) و مشاوران URS انجام شد.

پس از نصب تعدادی از چاه مانیتورینگ سنتی در سایت، این موضوع برای دانشمندان پروژه مشخص شد که به داده های بیشتر و بهتری برای به درستی توصیف کردن سیستم جریان آب زیرزمینی پیچیده نیاز است.

شبکه اندازه گیری سطح آب زیرزمینی، مشاهدات منظم و طولانی مدت سطح آب زیرزمینی را به عهده دارد. در طراحی شبکه اندازه گیری سطح آب زیرزمینی سازندهای سخت، باید موارد زیر مد نظر قرار گیرد:

- شرایط چینه شناسی (استراتیگرافی) و هیدروژئولوژیک، به ویژه ضخامت و گسترش ساختارهای چینه شناسی (استراتیگرافی) آبخوان یا مجموعه آبخوان ها

- شرایط زمین شناسی ناحیه ای سازندهای سخت، ترکیب رخساره ها (لیتوفاسیس) و عناصر و ساختارهای تکتونیک و مناطق (زون های) گسل ها

شبکه اندازه گیری سطح آب زیرزمینی شامل مجموعه ای از چاه های مشاهده ای و پیزومترها به منظور اندازه گیری تغییرات سطح آب زیرزمینی در آبخوان های آزاد و تحت فشار می باشد. ضوابطی که باید در طراحی این گونه شبکه ها مد نظر قرار گیرد، به طور خلاصه به وسعت آبخوان، وضعیت پیچیدگی هیدروژئولوژیک منطقه، اهداف ایجاد شبکه به همراه نظرات کارشناسی و محدودیت های مالی ارتباط دارد که برخی موارد در زیر شرح داده می شود.

تغییرات آب و هوایی و افزایش سطح آب دریا می تواند تغییرات قابل توجهی در تولید رواناب ها و جاری شدن سیل در مناظر سواحل کم ارتفاع را سبب شود. یک چالش عمده برای مقامات دولت های محلی و تصمیم گیرندگان در ترجمه این اثرات جهانی بالقوه تغییرات آب و هوایی در انطباق با استراتژی های عملی و مقرون به صرفه در شهرستان ها و در اصل مقیاس های شهری است. از مدل پردازش MODFLOW برای نمایش زیر مقیاس شبکه هیدرولوژی در مناطق شهری برای کمک به رسیدگی به این مسائل استفاده شده است. رهگیری توأم، آب های سطحی، فروافتادگی ها، و ذخیره منطقه غیر اشباع، ارائه گردیده است. ویژگی های اضافی شامل ساختار، مانع ها، جریان مجاری آب بین سلول های مجاور، مرزهای ایستگاه های مشخص، مرزهای جریان بحرانی، شرایط آب سطحی source/sink، و رواناب دو جهته به پردازشگر MODFLOW در روند یابی آب سطحی اعمال گردیده است. برخی از توانایی های مدل پردازش رواناب شبکه (URO) با یک مسأله مصنوعی با استفاده از چهار کاربری اراضی و پوشش متفاوت سلول بررسی شده است. برای بارش از طوفان فرضی استفاده شد و سلول به سلول عمق آب، سطح آب های زیرزمینی، سرعت نفوذ، و نرخ تغذیه آب های زیرزمینی نشان داده شد. نتایج مشخص کرد مدل پردازش URO با موفقیت توانایی تولید متغیرهای زمانی، آب-محتوا وابسته به نفوذ و نشت را به همراه مدل MODFLOW دارا است.