جغرافیای آب ها -بخش دوم


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.

نمايي از يک چاه که در منزل جهت تأمين آب حفر شده 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 تجاوز 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.

حفر چاه آب بصورت مدرن

   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.

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).

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

 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.

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.

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.


اشتباه فرصتی است که هوشمندتر باشیم. هنری فورد