مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

فهرست

1. مقدمه

2. تاريخچه

3. جريان آبهاي زيرين

1-3. مقدمه

2-3. تقسيمات اصلي جريان آبهاي زيرين

3-3. تشكيلات زمين شناسي و جريان آبهاي زيرين – واژ‌ه‌ها

1-3-3. آبخيز

2-3-3. زمين بي آب

4-3. تركيب خاك و سنگ

1-4-3. مقدمه

2-4-3. تعريف تخلخل و ريشه لغوي آن

3-4-3. انواع تخلخل

1-3-4-3. پوكي اوليه

- پوكي بين دانه‌اي

- پوكي درون دانه‌اي

- پوكي پناهگاهي

- پوكي رشد چارچوب

2-3-4-3. پوكي ثانويه

- پوكي بين بلوري

- پوكي روزنه‌اي

- پوكي قالبي

4. رابطه بين آبهاي زيرين و آبهاي سطحي و انواع سفره‌هاي زيرزميني

1-4. مقدمه

2-4. آبدهي ممتد

3-4. انواع سفره‌هاي زيرزميني

- مقدمه

4-4. چه سنگهاي تشكيل سفره آبدار مي‌دهند

5-4. سفره‌هاي آزاد

- تعريف لغوي

6-4. سفره آويزان سفره‌هاي آزاد و ساز و كار آن

7-4. سفره‌هاي تحت فشار يا محور

- تعريف لغوي

8-4. ايجاد چشمه سفره هاي آزاد و ساز وكار آن

5. تغذيه مصنوعي

1-5. تغذيه مصنوعي سفره‌ها پاسخگوي چيست

2-5. تعريف تغذيه مصنوعي سفره‌هاي آب زيرزميني

3-5. كاربردهاي تغذيه مصنوعي

4-5. تغيير دادن كيفيت آب

5-5. شرايط كلي استفاده از تغذيه مصنوعي

1-5-5. شرايط هيدرولوژيك – تغذيه مصنوعي

2-5-5. شرايط هيدرولوژيك و هيدروديناميك – مخازن زيرزميني

3-5-5. شرايط زمين شناختي و ساختماني – شرايط حد

6. مديريت آبهاي زيرزميني

1-6. چگونگي اعمال مديريت حافظه

2-6. برنامه ريزي مطالعات آبهاي زيرزميني

3-6. آبدهي حوضه

4-6 . بازدهي ايمن

5-6 . تغيير در فرضيه بازدهي ايمن

6-6. بازدهي معدني

7-6. بازدهي مانگار

7- آلودگي و بحران آب

1-7 . بحران آب

2-7. مصرف بهينه آب

3-7. تاريخچه آلودگي آب

4-7 . آلودگي آبهاي زيرزميني

5-7 . آلودگي آب زميني در تهران

8- روشهاي عمده بهره برداري مصنوعي از آب زيرزميني

1-8 . قنات

2-8 . چاه

3-8 . پيزومتر

- پمپاژ

- بيلان آب

4-8 . تعيين تجهيزات مورد نياز بهره برداري

5-8 . دبي مجاز با تغييرات دبي برحسب تغييرات افت سطح آب

6-8 . دبي مجاز – افت مجاز

5-8 . عمق نصب پمپ

6-8 . تعداد طبقات پمپ

7-8 . قدرت موتور

8-8 . قدرت جعبه دنده

9- برنامه توسعه كشور

10- تدوين و تصويب قوانين آبهاي زيرزميني

11- منابع

 

فلات ايران به ويژه نواحي مختلف ايران از اقليم هاي متفاوتي تشكيل شده است، در حالي كه در نواحي جنوبي آن در تابيتان گرما به 50 درجه بالاي صفر مي رسد نوار مديترانه اي خزر، آب و هواي مرطوب را از سر مي گذراند. در اين ميان يكي از مهمترين شاخص هاي تفاوت اقليم ها مسأله آب است. بررسي اجمالي وضعيت منابع آبي ايران و از جمله منابع زيرزميني آن، ما را بر اين باور استوارتر مي كند كه مي‌بايست منابع آبي موجود كشور حفظ و حراست شوند.

برابر گزارش هاي تحليلي موجود، وضعيت سفره هاي آب زيرزميني در اغلب دشت هاي كشور در وضعيت مطلوب نبوده و تعدادي نيز بحراني هستند. بر اساس آمار سال آبي 82-1381 حدود 6/74 ميليارد مترمكعب آب از طريق چاه ها، چشمه ها و قنوات از منابع آب زيرزميني كشور استحصال مي شود كه حدود 60 درصد آب استحصالي از طريق بيش از چهارصد و پنجاه هزار حلقه چاه است. هر چند فقط 28 درصد چاه هاي موجود كشور عميق است اما ميزان بهره‌برداري از اين چاه ها بيش از 69 درصد تخليه كل چاه هاي كشور را شامل مي شود و از كل تعداد چاه هاي موجود حدود 268 هزار حلقه در مناطق آزاد و 190 هزار حلقه در مناطق ممنوعه حفر شده است.

از سوي ديگر جديدترين آمار حاكي از آن است كه از 609 محدوده مطالعاتي، 225 محدوده مطالعاتي ممنوعه اعلام و پيشنهاد ممنوعه شدن 45 محدوده ديگر نيز توسط شركت هاي آب منطقه اي كشور ارائه شده كه در وزارت نيرو در دست بررسي است، با اين حال حدود شش ميليارد مترمكعب آب در دشت هاي كشور كسري مخزن وجود دارد كه رقم قابل توجهي است.

 

مقدمه

در مبحث آبهاي زيرزميني عموماً خواص فيزيكي و شيميايي آب و محيط زمين شناسي، حركت طبيعي، بازيابي و موارد استفاده آن مورد مطالعه قرار مي گيرند. ساليان بسياري است كه دانشمندان بلژيكي و فرانسوي اين علم را «هيدروژئولوژي» و پژوهشگران آمريكاي لاتين آنرا «هيدروژئولوژيا» ناميده اند. از طرف ديگر، علماي آلماني بر آن قسمت از علم آب كه بطور اخص مربوط به آب زيرين مي شود، نام «هيدرولوژي» نهاده اند. تمايل مشابهي براي اختصاص واژه «هيدرولوژي» به مطالعه آبهاي زيرين و بكار بردن عباراتي چون «هيدروگرافي» و «هيدرومتري» براي مطالعه آبهاي سطحي، در ممالك متحده نيز وجود داشته است. در سال 1938 ، شوراي اجرايي «جامعه بين المللي هيدرولوژي علمي» (IASH) مصرف واژه «هيدرولوژي» را براي آن شاخه از علم آب كه مربوط به آبهاي زيرزميني است، معمول نمود تا آنكه آنرا از «نهرشناسي» (پوتامولوژي) - «درياشناسي» (ليمنولوژي) و برف و يخ شناسي (كريولوژي)، متمايز سازد.

اين «ماينزر» بود كه در سال 1939 براي اولين بار در يك جلسه IASH واژه «ژئوهيدرولوژي» را براي مطالعه آبهاي زيرزميني معرفي نمود. قبل از وي نيز «ميد» كه مهندس هيدروليك و يكي از روساي پيشين «جامعه مهندسان راه و ساختمان آمريكا» (ASCE) بود، واژه «هيدروژئولوژي» را براي مطالعه قوانين مربوط به پيدايش و حركت آبهاي زيرزميني بكار برده بود. مهندسان و زمين شناسان همه در اين عقيده كه: «در علم آبهاي زيرين براي دانستن محدوديتهاي زمين‌شناسي در شرايط هيدروگرافيك و تغيير در اين شرايط در اثر تغييرات زمين شناسي اطلاع كافي از زمين شناسي عمومي لازم مي‌باشد» با وي همراه اند. «ميد» به خصوصيت مطالعه آبهاي زيرزميني بعنوان يك عامل مهم زمين شناسي اشاره كرده و تأييد مي‌نمايد كه دانستن اين علم به درك علل «زايش» و «رشد» رودخانه ها و شبكه هاي زهكشي كمك مي نمايد. «ماينزر» واژه هيدرولوژي را در مورد آبي بكار مي برد كه مدار هيدرولوژي را از هنگام نزول به زمين تا تخليه آن به درياها و يا رجعت آن به هوا طي مي كند و اين علم را به «هيدرولوژي آبهاي سطحي» و «هيدرولوژي آبهاي زيرين» يا «ژئوهيدرولوژي» تقسيم نموده است.

مسلماً در مفهوم واقعي واژه‌هاي «هيدروژئولوژي» و «ژئوهيدرولوژي» اختلافاتي نمودار شده است. «ميد» و «ماينزر» كه مولفين كتابهاي كلاسيك هيدرولوژي مي باشند، واژه هاي فوق را براي بيان يك جزء قسمت از هيدرولوژي بكار برده اند. بسياري از زمين‌شناسان آمريكايي نيز مفهوم لفظي هيدروژئولوژي را دنبال نموده و آنرا براي مطالعه تمام آبها، چه آبهاي سطحي و چه آبهاي زيرزميني توسته داده اند. در اين واژه توجه بيشتر به زمين‌شناسي معطوف است تا به هيدرولوژي. موضوع مفاد اين كتاب بهرحال به آب زيرين محدود مي شود. انتخاب عنوان كتاب با تعريف ماينزر مطابقت داشته و همانطور كه در پيش گفتار ذكر شده است، تأكيد بيشتري بر روي هيدرولوژي آب زيرزميني گذاشته شده است تا بر طبيعت زمين شناسي آن. براي زمين شناسان آبهاي زيرين و هيدروليكدانهاي آبهاي زيرزميني لزوم دانستن ژئوهيدرولوژي يك امر اساسي است.

بهترين پژوهشهاي علمي و كارهاي فني غالباً از طريق همكاري زمين شناسان هيدروليكدانها، زارعين، شيميدانها، و علماي فيزيك متبحر در علوم زميني به ثمر رسيده است. در سالهاي اخير بعلت آگاهي از نوشته هاي علمي، از تكرار پژوهشهاي دوباره در يك مسأله خودداري شده، در نتيجه مسايل آبهاي زيرزميني پرورانده و پيچيده تر شده اند، لذا همكاري براي حل اين مسايل لازم مي باشد. در واقع در اوصل جريان آبهاي زيرزميني مسأله مشتركي بين هيدروژئولوژيست‌ها كه تعيين ميزان دبي سالم يك سفره آب زيرزميني را به عهده دارند و مهندسي كه مسئول اجراي پروژه هاي زهكشي و آبياري مي باشد، وجود دارد. اصول پراكندگي و پخشيدگي در محيط‌هاي پوك كه توسط مهندسان نفت در مطالعه انتقال گاز و نفت بكار مي رود، در دخول آب شور به زمين هاي آبده ساحلي نيز بكار برده مي شود. جريان سيال از محيط پوك، به جريان آب از مصالح سنگي و خاكي محدود نمي شود. مهندسان مكانيك نيز به مسأله انتقال حرارت ناشي از حركت گاز از يك محيط پوك علاقمنداند. مسأله انتقال جرم يك گاز در حين عبور مخلوطي از گازها از يك مايع حلال در برجهاي بسته مورد نظر مهندسان شيمي مي باشد. حاصل اين مطالعات حجم بزرگي از مقالات تخصصي در مورد فيزيك جريان سيال از محيط پوك است كه در دسترس هيدرولوژيست ها و ژئوهيدرولوژيست ها قرار دارد.

 

تاريخچه

تاريخچه ژئوهيدرولوژي و هيدروژئولوژي

بهره برداري از آبهاي زيرزميني

كمبود عمومي آب، ازدحام محلي جمعيت و اهميت كشاورزي در مناطق خشك قاره آسيا، سبب شده است كه هنر ساختن چاهها و راهروهاي تراوش اول بار در آنجا توسعه يابد. روايات مربوط به آب چاه و احداث آن در نوشته هاي قديمي بطور وفور وجود دارد و بالاخص در آمار انجيل در مورد پيدايش زمين آمده است.

حفر چاه ها در خاور نزديك توسط قواي انساني و يا حيوانات و با كمك قلابها و ساير وسايل دستي اوليه عليرغم اشكالات فراوان آن انجام شده است. تعداد چاه هاي حفر شده با دهانه بزرگ بطوريكه در برخي از آنها حيوانات چهارپا قادر به رفت و آمد بوده اند، نشانه صنعت مردم و كمبود آب مي باشد. عمق اين چاه ها بندرت از 50 متر تجاوز نموده است. با وجود آنكه مصريان در 3000 سال قبل از ميلاد در كار حفر چاه در زمينهاي سنگي تبحر داشته اند، معهذا از پيشرفتهاي فني كه در حفر چاه توسط مته حاصل شده است، مدارك كمي باقيمانده است. حفر اين چاه ها به عمليات سنگبري با دست محدود شده است. چيني هاي قديم كه در بسياري از اختراعات پيشرو بوده اند، در ساختن يك مته دوار نيز كه تقريباً نظير مته هاي جديد امروزي است، سهيم اند. ماشينهاي حفار اوليه از چوب ساخته مي شد و از بازوي بشر قدرت مي گرفت. با وجود كند بودن اين نوع حفاري مردم كهن توانسته اند چاه هاي فوق العاده عميقي را كه حفر آنها سالها و حتي دهه ها بطول انجاميده است، بوجود آورند. «بومن» از چاهي به عمق 1200 متر و «تولمن» از يك چاه 1500 متري نام برده اند. البته چاه هاي عميق تر بيشتر براي آب نمك و گاز حفر شده است تا براي آب آشاميدني. از همين روشهاي حفر كه در طي 1500 سال گذشته اند كي تكامل يافته است، هنوز در مناطق روستايي نشين لائوس، كامبوج، تايلند، برمه و چين استفاده مي شود.

بزرگترين موفقيت مردم قديم در بهره برداري از آبهاي زيرزميني، ساختن راهروهاي دراز زهكشي يعني «قنات» بوده است كه آب را از ته نشستهاي آبرفتي و يا سنگهاي رسوبي غير متراكم جمع آوري مي‌كنند. از قناتها براي اولين بار محتملاً در ايران استفاده شده است. بهرحال فن ساختن آن از طرف شرق به افغانستان و از غرب به مصر رخنه نموده است، آمده است كه يك شبكه عظيم از قناتها كه حدود 500 سال قبل از ميلاد در مصر ساخته شده بود، 3500 كيلومتر مربع از اراضي حاصلخيز غرب رود نيل را آبياري مي كرده است.

امروزه تعداد زيادي از اين قناتها در ايران و افغانستان هنوز مورد استفاده اند. معروفترين اين قناتها در ايران بوده و در دامنه كوه هاي البرز قرار دارد.

بعلت عدم ارتباط فرهنگي غرب با چين، روشهاي جديد حفاري ضربه اي چاه در اروپاي غربي نيز كم و بيش بطور جداگانه توسعه يافت. انگيزه اين پيشرفت اصولاً بعلت كشف چاه هاي فوران بود كه ابتدا در حدود 1100 سال پس از ميلاد مسيح در «فلاندر» و چند دهه بعد در شرق انگلستان و شمال ايتاليا پيدا شد. يكي از اولين نمونه هاي اين گونه چاه ها در سال 1126 ميلادي توسط راهبان «كارتروز» در يك صومعه در نزديكي دهكده «ليله» حفر گرديد. در «گونهم» در نزديكي «بتون» در «فلاندر» چهار حلقه چاه حفر گرديد و تا ارتفاع متر از سطح زمين آنها را پوشش كردند تا آنكه آب به ارتفاع كافي براي حركت يك آسياي آبي برسد. اين چاه ها چند صد فوت عمق داشتند و به آب تحت فشاري كه در لايه اي از گچ شكافدار تشكيل شده بود برخورد مي كردند. منشأ اين آب زيرزميني فلاتي مرتفع تر در ايالت «ارتواز» بود. اين چاه ها و چاه هاي مشابه ديگر در اين منطقه بقدري شهرت يافتند كه رفته رفته چاه هاي فوران را بنام منطقه «چاه‌هاي آرتزين» ناميدند.

جستجوي دامنه داري كه براي يافتن چاه هاي آرتزين صورت گرفت سبب پيشرفت سريع فنون حفاري گرديد. علاقه عمومي در فرانسه به حدي بود كه طي ساليان متمادي، «انجمن كشاورزي سلطنتي و دولتي فرانسه» مدالها و جوايزي به كارگران، مولفان، مخترعان، حفاران و كسانيكه چنين چاه ها را در مناطق جديد، پيدا مي كردند، اهدا مي نمود.

گرچه روشهاي حفر مته اي در اواخر قرن هيجدهم در اروپا سريعتر و موثرتر از روشهاي حفر در چين بود، با اين حال عمق چاه ها بندرت از 300 متر تجاوز مي كرد. در اواخر قرن نوزدهم بود كه با كمك ماشينهاي حفاري جديد، در اروپا، چاه هايي حفر شد كه عمق آنها از عمق چاه هايي كه با وسايل خيلي بدوي در چين حفر شده بود، تجاوز نمود.

روشهاي حفر چاه آب در 100 سال گذشته بسرعت پيشرفت نموده و علت آن تا حدودي مربوط به اطلاعاتي است كه از حفر چاه هاي گاز و نفت بدست آمده است. مهمترين پيشرفتي كه در روش حفر، تاكنون حاصل شده است، مربوط به «روش دوار هيدروليكي» مي باشد. در حفاري هاي اوليه با اين روش، از يك پوشش خارجي كمك گرفته مي‌شد ولي در حدود سال 1890 دانسته شد كه گل سفت (گل حفاري) براي نگهداري ديواره هاي چاه كفايت مي كند. لذا از آن پس استفاده از پوشش خارجي متروك شد. با اين كارآيي جديد و با حفاري موفقيت‌آميز چاه نفت «اسپيندل تاپ» در ايالت تگزاس كه در سال 1901 توسط روشهاي حفاري دوار به انجام رسيد، در 80 سال گذشته، بر اهميت اين روش به تدريج افزوده گشت.

تلمبه هاي توربيني چاه هاي عميق كه بين سالهاي 1910 و 1930 تكميل گرديد، كمك بيشتري به صنعت حفر چاه نمود. تا آن هنگام در چاه هاي عميق از تلمبه هاي فشاري كه ظرفيت كم و راندمان اندكي داشتند استفاده مي شد. با استفاده از تلمبه هاي توربيني جديد، امكان برداشت آب براي آبياري، از اين چاه ها كه تا آن زمان ممكن نبود، عملي گشت. دبي هاي زياد اين تلمبه ها احتياج بيشتري براي حفر چاه‌هاي بزرگتر و عميق تر را به صنعت حفر چاه عرضه نمود.و

اگرچه هنر حفر چاه آب هنوز از صنعت حفر چاه نفت كمك مي‌گيرد، ولي تعداد زيادي از ابداعات از قبيل حفاري دوار معكوس، چاه هاي با پوسته شني و دوربين هاي چاه آب، مستقيماً از حفاري چاه هاي آبي ناشي شده اند.

منشأ آبهاي زير سطحي – نظريه هاي اوليه

با در نظر گرفتن اهميت آب زيرزميني در تمدن شرق، اين انديشه ايجاد مي شود كه چرا مدارك اندكي در مورد نظريات مربوط به منشأ اين آبها وجود دارد. انديشيدن در اين مسايل توسط يونانيها صورت گرفته است، ولي با وجود تفكر زيادي كه در مورد منشأ آبهاي زيرزميني نموده اند، پيشرفتي بسيار جزيي نصيبشان شده است. اين عدم موفقيت با پيشرفت غيرقابل تصوري كه در فلسفه و رياضيات نموده اند تعجب آميز است. يكي از علل ممكن عدم پيشرفت آنها در نظريه آبهاي زيرزميني، پافشاري «افلاطون» و ديگر فلاسفه بود در اينكه «فلسفه و علوم، كم و بيش از نظر آزمايشها، مشاهدات واقعي و كاربردهاي عملي با يكديگر اختلاف دارند» بدين ترتيب شكافي عميق بين تجربه و نظريه بوجود آمد. اهميت پندار يوناني در مكتب علمي است كه ريشه 2000 ساله دارد. اعتبار نوشته هاي يوناني در مورد علوم زميني در مكتب «البرتوسط ماگنوس» (1280-1206 ميلادي) و «توماس اگيناس» (1274-1225 ميلادي) در قرون وسطي (1450-1250 ميلادي) به اوج خود رسيد. اين اعتبار به هر حال تا حدود 200 سال پيش نيز بقوت خود باقي ماند.

يونانيها از وسعت زياد رودخانه ها در مقايسه با سيلابي كه از يك باران سنگين مشاهده مي شد در تعجب بودند. آنها هم چنين از غارها، حفره ها و چشمه هاي بزرگ در سنگهاي آهكي كه بيشتر شبه جزيره بالكان را تشكيل مي دهد نيز تعجب مي كردند. معمول ترين بيان براي منشأ رودخانه اين بود كه رودخانه ها از «چشمه» هاي بزرگ سرچشمه مي گيرند و «چشمه» ها نيز بنوبه خود از رودها و يا درياچه‌هاي زيرزميني كه بطور مستقيم يا غيرمستقيم از اقيانوسها تغذيه مي شوند، آب مي گيرند. اين طرز تفكر، فلاسفه اوليه علوم طبيعي را با دو مسأله روبرو مي كرد:

1- چگونه آب اقيانوس شوري خود را از دست مي دهد؟

2- چگونه آب اقيانوس از سطح دريا به چشمه هاي واقع در ارتفاعات كوهها مي رسد؟

«تالس» (546-640 قبل از ميلاد) كه فيلسوفي «ايوني» (يونان قديم) و پيرو مكتب «ميلتوس» بود، بنام اولين دانشمند واقعي ناميده شده است. تصور وي در اين بود كه آب توسط باد به داخل سنگها رانده شده و در اثر فشار سنگها، بطرف سطح آنها حركت كرده و در نتيجه بصورت چشمه خارج شده است. افلاطون (347-427 قبل از ميلاد) فيلسوف بزرگ آتني يك غار وسيع زيرزميني از آب اقيانوس تغذيه مي شود. ولي مكانيسم اين گردش بطور كامل بيان نگرديد. اين تعبير بر عقايد افلاطون كه بر علوم قرون وسطي نيز اثر گذاشته است، بطوريكه «كرينين» اشاره كرده است، محتملاً برداشت صحيحي از انديشه هاي جدي تر وي درباره اين مطلب نمي باشد. در واقع كتاب «كريتياس» حاوي بيان كاملاً دقيقي از دوره هيدرولوژي است. «ارسطو» (322-384 قبل از ميلاد) اگرچه شاگرد افلاطون بود، ليكن نظريات وي را درباره منشأ آب زيرزميني تا حد زيادي تصحيح نمود. انديشه ارسطو اين بود كه آب زيرزميني در يك دستگاه پيچيده اسفنجي شكل از حفره‌هاي زيرزميني تشكيل شده و آب از اين حفره ها به چشمه ها تخليه مي شود. بخار آبي كه در داخل زمين ايجاد مي شود، قسمت اعظم آب چشمه ها را تشكيل مي دهد. ارسطو بهرحال دانست كه منشأ قسمتي از آب اين حفره ها باراني است كه بزمين نفوذ كرده و بهمان صورت مايع به حفره ها داخل شده است.

روميها در علوم عموماً از تعاليم يوناني پيروي مي كردند، لكن «ماركوس و تيرويوس» كه در حدود سال 15 قبل از ميلاد مي زيسته است، خود داراي چندين نوشته بديع درباره مهندسي و علوم مي باشد. شهرت اصلي وي شايد در معماري و خصوصاً دراكوستيك ساختمانها باشد. وي هم چنين يكي از اولين افرادي است كه گردش آب را به درستي درك كرده اند.

تراوش آب حاصل از آبشدگي برف به زمين در مناطق كوهستاني و ظهور آن بصورت چشمه در مناطق پايين تر از انديشه هاي وي مي‌باشد. يكي از فلاسفه معروف «استويك» بنام «لوسيوس انايوس سنكا» (4 سال قبل از ميلاد تا 65 سال بعد از ميلاد) برخلاف وي همان نظريه ارسطو را دنبال كرد و واقعيت نفوذ آب باران را انكار نمود. استنتاج «سنكا» براي بيش از 1500 سال بعنوان يك دليل مثبت براي اينكه آب باران منشأ كافي براي آب چشمه ها نمي باشد اقامه گرديد.

«برنارد پاليسي» كه يكي از فلاسفه علوم طبيعي فرانسه است، شايد اولين شخصي باشد كه داراي نظرات جديد كاملي درباره دوره هيدرولوژي است و اين مطلب از مناظره بين «نظريه» و «تجربه» در فصل «آب و چشمه ها» از كتابش آشكار است. با وجود اين بسياري از عقايد يوناني و رومي تا اواخر قرن هفدهم رواج داشت. «يوهانس كپلر» (1630-1571) ستاره شناس آلماني و «آتانازيوس كيرشر» (1680-1602) رياضيدان آلماني كه دو تن از مهمترين علماي عصر خويش اند، در عقايد «سنكا» و «ارسطو» به تفصيل بحث نموده اند. كپلر زمين را به حيواني بزرگ تشبيه مي كند كه آب دريا را بلعيده و هضم مي كند و ماحصل عمليات متابلويك آن آب شيرين چشمه هاست. نظريات «كيرشر» كه در كتابي بنام «دنياي زيرزميني» آمده است، اولين بار در سال 1664 چاپ شد و در مدتي كوتاه يك كتاب مرجع «استانده« زمين‌شناسي براي دانشمندان قرن هفدهم گرديد. كار وي از نظر بلندهمتي و ارائه يك تصور عالي تفوق ناپذير بود. تصور وي بر اين بود كه چشمه ها از طريق كانالهاي زيرزميني از آب دريا تغذيه كرده و از غارهاي بزرگي كه در كوهها وجود دارند، تخليه مي گردند. گردابها و خصوصاً گرداب «مالستروم» در ساحل نروژ كه تاحدي اسرارآميز نيز مي باشد بعنوان مكانهاي خروجي غارهاي واقع در كف درياها تصور گرديدند.

مابين غروب انديشه هاي علمي و آخر دوره رنسانس يعني در حدود 1600 ميلادي، پيشرفت بسيار كمي در زمينه هاي ژئوهيدرولوژي و هيدروژئولوژي حاصل شد. پنج حقيقت اساسي را تمام فلاسفه علماي پيشين بجز تني چند، ناديده انگاشته بودند.

1- زمين حاوي يك شبكه از غارهاي بزرگ دروني نيست.

2- گرچه مكش باد، جاذبه مويينه اي، نيروي امواج و مكانيسمهاي ديگر طبيعي براي بالا آوردن آب يعني در خلاف جهت نيروي ثقل وجود دارد، ولي اين مكانيزمها قادر به بالا آوردن كميتهاي عظيم آب از درون زمين نيستند.

3- آب دريا با نفوذ بدرون خاك تمامي نمك خود را از دست نمي‌دهد.

4- بارندگي براي تأمين تمام آبي كه توسط رودخانه ها و چشمه ها تخليه مي شود كافي است.

5- حجم آن قسمت از آب باران كه بزمين نفوذ مي كند بسيار زياد است.

جريان آبهاي زيرين

* مفاهيم و تعاريف ابتدايي

مقدمه

جريان آبهاي زيرين، گرچه جنبه اي مهم از علم ژئوهيدرولوژي است، ليكن فقط حالتي خاص از جريان مايعات از درون محيط هاي پوك مي باشد. در نتيجه بسياري از مفاهيم جريان مايعات در محيط‌هاي پوك، بدون اينكه بطور مناسب تعريف شده و يا مجدداً تعريف گردند، در حوزه محدودتر جريان آبهاي زيرين وارد شده اند. اين وضع باري غير ضروري بر دوش خواننده اي كه داراي زمينه اي محدود در مكانيك سيالات بطور اخص و در مكانيك محيط هاي پيوسته بطور اعم مي باشد، قرار مي دهد. گاهي يك مفهوم ابتدايي، مثلاً ميزان رطوبت يك محيط پوك بدون اينكه حجمي يا وزني بودن آن مشخص شود، بكار مي رود. علماي فيزيك خاك ممكن است مفهوم حجمي و علماي مكانيك خاك مفهوم جرمي آنرا ترجيح دهند. مفاهيم اساسي ديگر چنان براي مهندسان و فيزيك دانها آشنا شده اند كه قاعدتاً تعاريف آنها حذف مي شود. بمنظور سهولت بخشيدن به خواندن اين كتاب، اين مفاهيم بطور اختصار در اين فصل ذكر شده اند.

تشكيلات زمين شناسي و جريان آبهاي زيرين – واژه ها

آبخيز: تشكيل زمين شناسي يا لايه اي كه حفره ها و خلل و فرج آن آبدار بوده و ممكن باشد آب آن را بطور اقتصادي استخراج نمود و بعنوان يك منشأ آبرساني بمصرف رسانيد، آبخيز ناميده مي شود. ته نشست هاي آبرفتي آزاد شن و ماسه اي و ماسه سنگ يكپارچه مثالهايي از لايه هاي آبخيز (يا زمينهاي آبدار) مي باشد.

زمين بي آب: تشكيل زمين شناسي آنچنان نفوذناپذير كه از نظر عملي از جريان زيرزميني جلوگيري كامل نموده (گرچه ممكن است اين تشكيل از آب اشباع باشد)، و لايه هاي ديگري را كه در ته نشيني با آنها تناوب دارد، كاملاً بسته نمايد به زمين بي آب موسوم است. شيست مثالي از اين نوع زمين مي باشد.

زمين كم نفوذ: اين گونه زمين عبارتست از يك تشكيل زمين شناسي تقريباً نفوذناپذير و با طبيعتي نيمه بسته كه در مقايسه با زمين آبده آب را با دبي خيلي كمي منتقل مي نمايد. ولي بهرحال در يك سطح تماس بزرگ، ممكن است عبور مقادير معتنابهي از آب را بين زمينهاي آبده مجاور كه توسط اين زمين از يكديگر جدا شده اند عملي سازد. ورقه‌هاي رس هم بستر با ماسه، هرگاه بحد كافي نازك باشد، ممكن است زمينهاي كم آب را تشكيل دهد.

تركيب خاك و سنگ

سنگ و خاك تشكيل محيط پوكي را مي دهند كه در آن آب بوسيله لايه هاي آبگير جمع شده است و از ميان آب تحت اثر نيروهاي متعددي كه در فصل چهارم بيان خواهند شد، جريان مي يابد. اين محيط پوك داراي يك كالبد و يا استخوان بندي جامد است. يعني مجموعه اي است از دانه هاي جامد معدني مجزا، كه توسط پوكيها، حفره ها و فضاي بين ذرات كه ممكن است از آب، گازها و مواد آلي پر شده باشند، احاطه شده است. در اين كتاب عبارت سنگ براي محيط پوك بهم چسبيده و يا يكپارچه مثل ماسه سنگ و يا سنگ آهك بكار مي رود؛ در حاليكه خاك به مواد غيرچسبيده، شل و يا غير يكپارچه مثل شن، ماسه و رس اطلاق مي شود.

مقدمه

پارامتر پوكي يا تخلخل در واقع مورد توجه بسياري از علوم از جمله شاخه هاي بسياري از زمين شناسي و مهندسي سازه ها بوده و هست و براي دست يابي به پارامترهاي مهم ديگر بسيار حائز اهميت مي باشد. لذا اهميت مطالعه و درك چگونگي ايجاد تخلخل و انواع آن و عوامل مؤثر در آن نمايان مي شود.

ريشه لغوي

تخلخل يا پوكي در زبان فارسي به معني فضاي خالي است و معادل لاتين آن Porosity مي باشد.

تعريف

پوكي يا تخلخل عبارت است از تمامي فضاهاي خالي موجود در رسوب يا سنگ بوده كه به دو صورت مطلق مفيد يا موثر بيان مي‌گردد.

انواع تخلخل

پوكي بر پايه زمان تشكيل به دو صورت اوليه و ثانويه بوجود مي‌آيد:

الف: پوكي اوليه: (Primary Porosity) شامل فضاهاي خالي مي‌باشد كه در هنگام رسوب گذاري ساخته شده و به اشكال زير ظاهر مي گردد.

• پوكي بين دانه اي: (interpartide) فضاي خالي ايجاد شده بين دانه هاي تشكيل دهنده رسوب يا خاك
• پوكي درون دانه اي: (Intra Particle) اين نوع پوكي بيشتر در دانه هاي كربناته و به صورت حفره در درون اسكلت موجودات ظاهر گشته كه اغلب در مراحل دياژنز توسط سيمان پر مي گردند.
• پوكي پناهگاهي: (Shelter) طرز قرارگيري دانه هاي درشت ممكن است به گونه اي باشد كه فضاي خالي در زير آنها بوجود آيد. مانند حفره موجود در زير صدف يك نرم تن (دوكفه‌اي)
• پوكي رشد چهارچوب: (Growth-Framework) اينگونه پوكي در اثر رشد موجودات زنده در محيط آبي و ايجاد فضايي در بين پيكره هاي آنها بوجود مي آيد.

ب: (پوكي ثانويه Secondry Porsity)

پوكي ثانويه به آن دسته از فضاهاي خالي گفته مي شود كه پس از رسوب گذاري و در اثر فرآيندهاي دياژنز بوجود آمده اند.

• پوكي بين بلوري: (Intra Crystaline) فضاي بين بلورهاي موجود در سنگ را گويند. بويژه در سنگهاي كربناته كه در اثر فرآيند جانشيني دولوميت جانشين كلسيت مي گردد. اين جانشيني باعث كاهش حجم كاني اوليه و در نتيجه افزايش فضاي خالي و پوكي مي شود.
• پوكي روزنه اي: (Fenestral) حفره اي است به شكل عدسي، كروي و يا نامنظم كه به صورت پراكنده در اثر از دست دادن آب منفذي، تخمير جلبكها، يا هنگام خشك شدن رسوبات بوجود مي آيد.
• پوكي قالبي: (Modic) در اثر انحلال بخشي از سنگ اين گونه پوكي شكل گرفته كه در صورتيكه بسيار بزرگ باشد به آن پوكي غاري (Cavern) گويند. اين گونه پوكي اغلب در سنگهاي كربناته شده مي شود.
• پوكي شكستگي (Fracture) در اثر شكستگي هاي موجود در سنگ اين نوع پوكي شكل مي گيرد. عواملي چند، مانند فشردگي (Compaction) ، لغزش زمين ساخت باعث بوجود آمدن آن مي شود. به طور كل تخلخل اوليه با اندازه دانه ها رابطه عكس دارد يعني هر چقدر اندازه دانه ها بزرگتر باشد تخلخل اوليه كمتر خواهد بود و را كه در رسها كه ريزترين دانه هاي رسوبي را تشكيل مي دهند بيشترين تخلخل مطلق را داريم.

تخلخل با پوكي در زمين شناسي كاربردي (زمين شناسي نفت، آبهاي زيرزميني، زمين شناسي – مهندسي و ژئوتكنيك) از اهميت ويژه اي برخوردار است. چرا كه عامل مهم ذخيره شدن نفت بالا بودن تخلخل مفيد در سنگهاي مخزن و كم بودن آن در سنگهاي پوششي مخزن است.

و در آبهاي زيرزميني عامل مهم براي حركت آبهاي زيرزميني بالا بودن تخلخل مفيد است. در مورد زمين شناسي مهندسي تخلخل زياد كارهاي مهندسي را دچار مشكل مي كند و به عنوان يك عامل مزاحم تلقي مي شود چرا كه در يكي از سدهاي ايران به نام سدلار به علت عدم توجه مهندسان زيربط به زياد بودن تخلخل، تقريباً بلا استفاده مانده و آبگيري نمي شود.

انواع مختلف آبهاي زير سطحي

در واژه هاي گوناگون انواع آبهاي زير سطحي هيچ گونه توافقي وجود نداشته و بسياري از واژه هاي مورد استفاده داراي معاني متفاوتي مي باشند. مثلاً «تار»، منطقه اي را منطقه «هوازي» مي نامد كه توسط آب معلق يا غيراشباع پر شده باشد، در حاليكه «شولر» آب غيراشباع را چنين تعريف مي كند «تمام آبهاي زيرين كه از سطح زمين تا عمق معيني نفوذ كرده و پس از مدت نسبتاً كوتاهي بار ديگر در سطح زمين ظاهر مي شوند. بر اساس اين تعريف «آبهاي غيراشباع» داراي جنبش مي باشند، يعني نيروهاي هيدروديناميكي معيني بر آنها اثر مي كند.»