مرجع تخصصی آب و فاضلاب

هدايت هيدروليکى
مقدار جريان يا سرعت جريان آب از يک نقطه به نقطه ديگر متناسب با اختلاف پتانسيل است. اختلاف پتانسيل نسبت به فاصله نيز برابر با شيب هيدروليکى است که معادل است با تغييرات پتانسيل کل نسبت به فاصله بين دو نقطه. شيب هيدروليکى بين نقطه ۱ و ۲ را مى‌توان به‌صورت زير توصيف کرد:

dΦ / ds = ( Φ۱-Φ۲ ) / ( S۱-S۲ )

که ds فاصله بين نقاط ۱و ۲ مى‌باشد. همچنين در صورتى که اختلاف پتانسيل اسمزى ناچيز باشد و بتوان از آن صرف‌نظر کرد به جاى پتانسيل کل مى‌توان پتانسيل هيدروليکى يا h را بکار برد. بنابر اين شيب هيدروليکى (dh/ds) برابر است با:


dh / ds = (h۱-h۲) / ( S۱-S۲ )

چنانچه V سرعت جريان آب در خاک باشد اين سرعت متناسب با گراديان هيدروليکى است و ضريب تناسب عدد ثابت آن مى‌باشد:

V = -K ( dh / ds )
مقدار K را ضريب هدايت هيدروليکى مى‌ناميم. ملاحظه شود که جلوى K علامت منفى گذاشته شده است اين علامت نقشى در مقدار سرعت ندارد و فقط از نظر تعيين جهت جريان است. مثلاً اگر هميشه نقطه ۱ سمت راست و نقطه ۲سمت چپ انتخاب شود چنانچه با در نظر گرفتن علامت در جلو معادله نتيجه عدد مثبتى شد جريان از سمت چپ به راست و اگر عدد منفى بدست آمد جريان از راست به چپ خواهد بود.


توجه داشته باشيد که سرعت محاسبه شده با فرمول فوق سرعت ظاهرى است و سرعت واقعى آب که از منافذ بين ذرات خاک صورت مى‌گيرد به مراتب بيشتر از مقدار فوق است. زيرا آب فقط از داخل خلل و فرج عبور مى‌کند. چنانچه تخلخل خاک n باشد سرعت واقعى آب يا به اصطلاحى سرعت منفذى (Vp) عبارت است از:

Vp = V / n

در طراحى آبيارى سروکار ما با سرعت ظاهرى حرکت آب است، اما در بررسى انتقال مواد شيميايى در خاک و يا برخى مسائل زهکشى مى‌بايست سرعت منفذى نيز در نظر گرفته شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

آبهای زیرزمینی بطور طبیعی ، و بطور کلی تحت اثر وزن خود از نقاط مرتفع به سوی نقاط پست حرکت میکنند. حرکت افقی آب در زیر زمین اغلب بسیار آهستهتر از رودخانه هاست، به نحوی که سرعت آب در رودخانه ها را با متر در ثانیه میسنجند در حالی که سرعت آبهای زیرزمینی با سانتیمتر در روز و حتی متر در سال سنجیده میشود

جابجایی آب در زیر زمین در تجزیه و تحلیل حرکت آب زیرزمینی ، مسیر واقعی پرپیچ و خم مولکولهای آب از خلال منافذ رسوبات و درز و شکاف سنگها را به صورت مسیرها صافی در نظر میگیرند، بطوری که گویی مولکولهای آب مستقیما از درون ذرات جامد عبور میکند. خطوط صاف مسیر حرکت مولکولهای آب را اصطلاحا «خط جریان» میگویند. جریان آب زیرزمینی معمولا به صورت یکنواخت و ماندگار است. با استفاده از ارتفاع سطح آب در چاه هایی که در یک سفره حفر شدهاند میتوان «نقشه خطوط تراز ایستایی» را تهیه کرد. این گونه نقشه ها از نظر مطالعه حرکت آب در زیر زمین و کسب اطلاعات در مورد سفره آب زیرزمینی بسیار مفید است. خطوط تراز ابهای زیرزمینی را خطوط هم پتانسیل نیز میگویند. جهت جریان آب زیرزمینی و نحوه ارتباط آب زیرزمینی با رودخانه ها و دریاچه ها را مشخص کرد، جهت و سرعت حرکت آب زیرزمینی را همچنین میتوان بوسیله «رویابها» نیز مشخص کرد. به این منظور مقداری مواد رنگی ، مواد نمکی یا مواد رادیواکتیو را به آب چاه افزوده و زمان دریافتشان را در چند چاه مجاور مشخص میکنند. به این وسیله ، با در دست داشتن فاصله چاه ها از یکدیگر جهت و سرعت حرکت آب زیرزمینی معلوم میشود.

عوامل موثر در سرعت آب زیرزمینی

▪ شیب آبی : شیب آبی یا گرادیان هیدرولیک بین دو نقطه از سطح ایستایی عبارت از نسبت بین اختلاف ارتفاع دو نقطه به فاصله بین آن دو نقطه است و منعکس کننده کاهش بار ناشی از اصطکاک در طول حرکت آب بین آن دو نقطه میباشد

▪ نفوذپذیری : نفوذپذیری به معنی قابلیت عبور آب از زمین است. نفوذپذیری علاوه بر اندازه فضاهای خالی سنگ و خاک به ارتباط بین آن فضاهای خالی با یکدیگر نیز بستگی دارد. سنگی که تخلخل زیادی دارد، اگر منافذ آن به هم ، راه نداشته باشند، غیر قابل نفوذ خواهد بود. نفوذپذیری خاک و سنگ را به روشهای مختلفی در صحرا و آزمایشگاه میتوان تعیین کرد. رایجترین روش صحرایی تعیین نفوذپذیری استفاده از آزمایش پمپاژ و در آزمایشگاه بکارگیری آزمایشهای «بار ثابت» ، «بارافتادن» یا «بارخیزان» است. در خاکها ، یکنواخت نبودن و حالت لایه لایه تاثیر مهمی بر نفوذپذیری دارد. به نحوی که معمولا نفوذپذیری افقی مصالح به مراتب بیشتر از نفوذپذیری قائم در آنهاست در اغلب شرایط ، نفوذپذیری سنگها تابعی از وضعیت درزها و شکستگیهایشان ، از جمله فاصله آنها از یکدیگر ، مقدار باز شدگی و پر شدگی آنها و بالاخره اندازه حفرات و نحوه توزیع آنها است. به دلیل نامنظم بودن این اشکال و عدم تداومشان در سنگ ، اغلب ممکن است برآورد نفوذپذیری سنگ با خطای قابل ملاحظهای همراه شود. نفوذپذیری یکی از مهمترین پارامترهای تعیینکننده ویژگیهای مصالح است. بالارفتن آب به خلاف نیروی گرانشی و بر اثر نیروی موئینه ، شسته شدن رسوبات ریز از میان رسوبات درشت و ایجاد پدیده رکاب و بالاخره از دست رفتن مقاومت برخی خاکها بر اثر بارگذاری ناگهانی به روی آنها ، هم در ارتباط با نفوذپذیری مصالح ایجاد میشود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

آبهاي زيرزميني به وسيله  نفوذ وتراوش آب كه اكثرا از سطح زمين ته نشست مي شوند تغذيه ميشوند .پس از نفوذ وتراوش ،حركت آبهاي زير زميني از طريق خاكها ،سنگها و ديگر مواد زمين تا هنگامي كه مقداري از آبهاي زير زميني تخليه شوند صورت ميگيرد كه اين آبها از زمين خارج شده وبه سطح  بر مي گردند وبه صورت چشمه ، رود ، يا موقتا در درياچه ها و آبگيرها و زمين هاي مرطوب باقي مي مانند . ميزان آبي كه در چرخه آبهاي زير زميني نفوذ ميكند به عوامل مختلفي بستگي دارد كه عبارتند از :
شرايط و نوع مواد سطحي محل ، طبيعت و فراواني گياهان روئيده شده (رستني) در منطقه ، اشكال توپوگرافي منطقه و فراواني بارندگي شرايط و نوع مواد سطحي : ميزان تراوش توسط افزايش فضاهاي خالي در خاك هاي سست و ماسه هاي غير متراكم و گراول ها افزايش مي يابد . سنگ بستري كه در معرض شكستگي قرار گرفته يا ذاتا پوك و متخلخل است مثل ماسه سنگ هاي درشت، همچنين تراوش هاي مجاز ذاتي توسط آبهاي سطحي و به عبارت ديگر زمين هاي غير متراكم كه شامل اجزلي مسطح و پهن كاملا آكنده از روزنه هاي ريز از موانع تراوش هستند .
همچنين سنگ هاي بستر بدون شكستگي مانند ماسه سنگ هايي با تركيب آذرين  ( به عنوان مثال گرانيت و ديوريت ) يا سنگ هاي دگرگوني درجه بالا مثل گنيس از موانع تراوش و نفوذ به شمار مي آيند .
گياهان رستني : 3/1 يا بيشتر بارندگي در مناطق پر درخت روي برگ گياهان  و درختان ميريزد و قبل از اينكه روي سطح زمين جاري شود تبخير مي گردد. تبخير هاي سطح زمين حدود 4/1 خشكي هاي سطح زمين را تشكيل مي دهد كه يا به صورت روان آب مثل رودخانه ها هستند يا اينكه به طور موقت در درياچه ها و يخچال ها ذخيره مي گردند . در صورتي كه شرايط سطحي آماده باشد باقي مانده بارندگي به داخل زمين نفوذ مي كند . تراوش آب به داخل زمين توسط ريشه گياهان كه راه هايي را حهت عبور آب ايجاد مي كنند افزايش مي يابد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تخلخل عبارت است از تمام خلل و فرج‌های موجود در رسوب یا سنگ که به دو صورت کل یا موثر بیان می‌شود. تخلخل کل (Total Prosity) شامل تمام منافذ موجود در رسوب یا سنگ است که از نسبت حجم حفره‌های موجود در سنگ به حجم کل سنگ بدست می‌آید و آن را به در صد بیان می‌کنند. تخلخل موثر یا مفید (Effective Prosity) شامل حفره‌های متصل به هم است که قادر است مایعات را از خود عبور دهد. این تخلخل از نسبت حجم حفره‌های متصل به هم به حجم کل سنگ بدست می‌آید. لازم به ذکر است که در سنگ حفره‌هایی وجود دارد که قادر نیستند مایعات را از خود عبور دهند. این حفره‌ها به نام تخلخل غیر مفید نامیده می‌شود و از تفاضل تخلخل مفید از تخلخل کل بدست می آید.

تخلخل‌ها را بر مبنای مختلفی همچون اندازه حفره‌ها و زمان تشکیل آنها طبقه بندی می‌کنند. در طبقه بندی بر مبنای اندازه حفره‌ها ، تخلخل‌ها را به دو نوع ماکروسکوپی و میکروسکوپی تقسیم می‌کنند. در تقسیم بندی بر مبنای زمان تشکیل خلل و فرج موجود در سنگ یا رسوب ، تخلخل را به انواع اولیه و ثانویه تقسیم می‌کنند.
انواع تخلخل بر مبنای اندازه
تخلخل ماکروسکوپی
در این تخلخل قطر منافذ از 8 میکرون بیشتر است. در این منافذ ، آب و مواد سیال دائما و به آسانی جریان پیدا می‌کنند و حرکت آنها تابع نیروی جاذبه می‌باشد. منافذ موجود در این نوع تخلخل در اثر انحلال مواد عملکرد فشارهای تکتونیکی و یا شکستگی‌های ناشی از خشک شدن سنگ و رسوب بوجود می‌آیند. در رسوب‌های آبرفتی و در سنگ‌های با قابلیت انحلال زیاد (مثل آهک) به فراوانی قابل مشاهده هستند. شکستگی‌های ناشی از عمل کوهزایی یا انحلال آهک و رسوبات تبخیری حفر‌ه‌ها و مجاری قابل عبور مواد سیال را فراهم می‌کنند. در نتیجه آب و نفت در آنها جریان پیدا می‌کنند. اگر طبقات بالا و پایین آن غیر قابل نفوذ باشند، مخازن بزرگ آب و نفت در چنین سنگ‌هایی حاصل می‌شود.
تخلخل میکروسکوپی
در تخلخل میکروسکوپی قطر منافذ کوچکتر از 8 میکرون می‌باشد. در این منافذ آب و یا سایر سیالات به آسانی نمی‌توانند حرکت کنند. لذا در این نوع منافذ نیروی جاذبه در عبور و جریان مایعات موثر نیست و حرکت مایعات در این منافذ تابع قانون لوله‌های مویین می‌باشد. تخلخل میکروسکوپی در رسوبات رسی فراوان است. این رسوبات طبقات غیر قابل نفوذ هستند و آب را در منافذ کوچک خود جای داده و به زحمت آن را از دست می‌دهند. در واقع تخلخل موجود در رسوبات رسی از نوع غیر مفید بوده و منافذ و حفره‌های موجود در آنها به هم راه ندارند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

منشا اصلی آب زیرزمینی بارش است. آب باران ممکن است مستقیما به زمین نفوذ کند یا آنکه ابتدا به صورت رودخانه جریان یافته ، یا به‌صورت آب ساکن و دریاچه درآمده و بعد به تدریج وارد زمین شود. قسمتی از آبهای زیرزمینی بر اثر ذوب برف و یخ موجود در سطح و نفوذ طبیعی آب حاصل به داخل زمین تامین می‌شود. به کلیه آبهای فوق اصطلاحا «آب جوی» گفته می‌شود.

قسمتی از آب زیرزمینی که از زمان تشکیل رسوبات در آنها به تله افتاده‌اند «آب محبوس» یا «آب فسیل» نامیده می‌شود. بخش ناچیزی از آبهای زیرزمینی نیز ممکن است بر اثر فرآیندهای درونی و از ماگمای در حال سردشدن حاصل شده ‌باشد. این آبها چون برای اول بار وارد چرخه طبیعی آب می‌شود «آب جوان» نام دارند.
محل استقرار آب زیرزمینی
آب جوی پس از ورود به زمین ، فضاها و منافذ موجود در خاک را اشغال می‌کند. منافذ موجود در خاک اغلب کوچک و در ارتباط با هم‌اند. در سنگها ، درزها و شکستگیهایی وجود دارد که فضاهای لازم را برای آب زیرزمینی به‌وجود می‌آورد. گاهی در بعضی از سنگها فضاهای خالی بزرگی یافت می شود. در پاره‌ای از سنگها منافذ سنگ ممکن است باهم ارتباط نداشته ‌باشند و در نتیجه آب در درون سنگ قادر به حرکت نباشد.
تقسیم‌بندی منافذ موجود در سنگها از نظر نحوه تشکیل

منافذ اولیه : مجموعه فضاهای خالی است که همزمان با تشکیل سنگ در آن بوجود آمده است، مثل فضاهای موجود در بین دانه‌ها در یک سنگ رسوبی.

منافذ ثانوی : فضاهایی خالی است که در نتیجه فرآیندهایی که پس از تشکیل سنگ به‌روی آن اثر کرده ، ایجاد شده‌اند. مقدار فضاهای خالی را باکمیت «تخلخل» بیان می‌کنند. بنابراین تخلخل عبارتست از درصد حجم فضاهای خالی موجود در یک سنگ یا خاک ، به حجم کل آن ، میزان تخلخل در سنگها و رسوبات مختلف متفاوت است و از نزدیک صفر تا بیش از 50 درصد تغییر می‌کند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

وارد کردن آب به داخل یک سازند زمین شناسی را بوسیله متدها و تاسیسات مختلف ، تغذیه مصنوعی گویند ومعادل لاتین آن Artificial Recharge می باشد.
هدفهای تغذیه مصنوعی
تغذیه مصنوعی می تواند با توجه به هدفهای زیر بکار رود:
1- تغییردادن کیفیت آب (هم درجه حرارت آن را تنظیم کرد و همچنین پالایش باکتری ها صورت می گیرد)
2- اضافه کردن و یا ثابت نگه داشتن آب زیرزمینی به عنوان منبع اقتصادی
3- به منظور تنظیم و یکنواخت کردن آب سطحی
4- برای جلوگیری از نفوذ آبهای شور به آبهای شیرین
5- برای کاهش دادن و یا جلوگیری از نشست زمین در اثر برداشت زیاد آب زیرزمینی
6- برای انبارش آب زیرزمینی جهت استفاده در محل و یا صادرکردن آن به مناطق دیگر از طریق آب سطحی
7- استخراج انرژی براثر آب گرم
8- توزیع زیرزمینی آب در یک منطقه برای چاههای حفاری شده
بنابراین در شرایط مختلف ، پروژه های تغذیه مصنوعی نه تنها به عنوان مکانیزم حفاظت از آبهای زیرزمینی را تدارک می بیند، بلکه بعنوان کمک برای حل مساله وجلوگیری از افت آبهای زیرزمینی در سفره ها در اثر استخراج بیش از حد عمل می کند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

آشنایی
منشا اصلی آبهای زیرزمینی ، آبهای سطحی هستند که در زمین فرو می‌روند، ولی منابع دیگری نیز مانند آب موجود در رسوبات ، آب موجود در سطح ماگما و نیز تراوش آب دریاها ، در تامین آب زیرزمینی نقشی به عهده دارند. فرآیندی را که در نتیجه آن آب از سطح به درون خاک وارد می‌شود، نفوذ می‌گویند و جریان آب را در داخل خاک که در صورت ادامه سرانجام به لایه‌های آبدار می‌رسد، با لفظ فرونشست بیان می‌کنند. نفوذ آب به خاک غیر اشباع تحت تاثیر او نیروی ثقل و موئینه صورت می‌گیرد، ولی در خاک اشباع تنها نیروی ثقل عمل می‌کند. در اثر فرونشست ، آب در سنگهای قابل نفوذ جمع شده و سفره‌های آبدار را تشکیل می‌دهند.
چه سنگهایی تشکیل سفره آبدار می‌دهند؟
آبهای زیرزمینی معمولا در سنگها و موادی که دارای تخلخل هستند، جمع می‌شوند. سنگی که سفره آبدار تشکیل می‌دهد، علاوه بر تخلخل باید دارای نفوذپذیری نیز باشد، تا بتواند آب زیرزمینی را از خود عبور دهد. مثلا مواد رسی با وجود تخلخل زیاد به علت نفوذ ناپذیر بودن ، نمی‌توانند تشکیل سفره آبدار را بدهند. سنگهایی که شکافهای متعدد و مرتبط به هم دارند، نیز برای تشکیل سفره آبدار مناسبند. بیش از 90 درصد سفره آبدار را سنگهای نامتراکم که قسمت اعظم آنها را شن و ماسه تشکیل می‌دهد، شامل می‌شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

بخشی از آب‌های سطحی در اثر تیروی جاذبه وارد محیط مخلخل خاک شده و به سمت پایین حرکت می‌کند. لایه‌های مختلف زمین از مواد و ترکیبات مختلف خاک شکل گرفته و در زمان‌های مختلف بوجود آمده‌اند. مجموعه عواملی نظیر جنس و اندازه دانه‌ها، میزان تخلخل، میزان تراکم، میزان ترک‌خوردگی، .....باعت می‌شود بخش‌های مختلف فضای زیرزمین ظرفیت‌های متفاوتی برای جذب، ذخیره و انتقال آب داشته باشد. لایه‌هایی از زمین که به صورت نسبی ظرفیت بالاتری برای جذب، ذخیره و انتقال آب دارند آب‌ خوان نامیده می‌شوند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب