بررسی مناطق با پتانسیل آبی

    اولین قدم برای اقدام به حفر چاه بهره برداری آب، شناسایی سازندهای با قابلیت ذخیره سازی و آبدهی مناسب می‌باشد. اصولا منابع تامین آب زیر زمینی به دو دسته تقسیم می‌شود.

الف- منابع آبی مستقر در زمینهای آبرفتی

ب- منابع آبی مستقر در سازندهای آهکی واجد شکستگی و غار

    رسوبات آبرفتی ریز دانه همراه با خاک رس، سازندهای مارنی‌ و یا سنگهای متراکم یکپارچه رسوبی، آذرین و یا دگرگونی بدون شکستگی و درز و شکاف نمی‌توانند برای تأمین آب به حساب آیند. ضمناً بهتر است در سازندهای آهکی مارنی و یا رسوبات تیپ آبرفتی که بوسیله سیمان سیلیسی و یا آهکی بهم جوش خورده‌اند با احتیاط بدنبال آب جستجو کرد.

مشخصات و ضرائب سفره آبدار

    سفره‌های آبی براساس عوامل تخلخل، نفوذ پذیری، ضریب قابلیت انتقال و ضریب ذخیره سازی از یکدیگر تفکیک و رده بندی می‌شوند.

تخلخل

    تخلخل (P) عبارتست از درصد نسبت حجم فضاهای خالی (w) به حجم کل توده سنگ (v) که مقدار آن از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

    حداکثر میزان تخلخل گزارش شده مربوط به رسوبات آبرفتی ریز دانه عصر جدید در دلتای می‌سی سی پی آمریکا می‌باشد که در حدود 80 تا 95 درصد است. تخلخل در سنگهای سخت با میزان درز و شکاف موجود و چگونگی ارتباط آنها با یکدیگر رابطه مستقیم دارد. 

تخلخل مفید

    تخلخل مفید عبارتست از حجم فضاهای خالی مرتبط به هم که آب بتواند آزادانه در آن جریان یابد. در سفره‌های آب آزاد حجم آب استحصال شده از حجم معینی از خاک یا سنگ معرف تخلخل مفید می‌باشد و از فرمول زیر محاسبه می‌گرد:

    در این فرمول Pe تخلخل مفید، VE حجم فضاهای خالی مرتبط به هم و V حجم کل نمونه می‌باشد.

    تخلخل مفید با شکل، اندازه و یکنواختی دانه‌ها و میزان سیمان شدگی ذرات نسبت مستقیم دارد. برای مثال مقدار تخلخل کل در خاک رس حدود 60% می‌باشد و حال آنکه تخلخل مفید آن از حداکثر 10% تجاوز نمی‌کند زیرا بدلیل آنکه دانه‌های رس خیلی ریز می‌باشند حفرات بین دانه‌ها نیز بسیار ریز هستند. همچنین میزان تخلخل مفید در ماسه درشت با دانه بندی یکنواخت بیش از مخلوط ماسه درشت و ریز می‌باشد.

ضریب قابلیت انتقال  (Transmissibility)

    ضریب قابلیت انتقال (T) سفره آب زیر زمینی عبارتست از توانائی عبور آب از کل ضخامت سفره اشباعی و برابر است با حاصلضرب ضریب نفوذپذیری آن سفره در ضخامت لایه اشباعی آبدار که عبارتست از مقدار حجم آب بر حسب متر مکعب که از مسیری قائم به مقطع یک متر مربع و ارتفاع معادل ضخامت سفره اشباعی و گرادیان هیدرولیکی واحد در درجه حرارت سفره در واحد زمان عبور کند.

Q: حجم آب عبوری (متر مکعب در روز)

K: ضریب نفوذ پذیری بر حسب متر مکعب در روز

I : گرادیان هیدرولیکی بر حسب متر در متر

A:  سطح مقطع عبور جریان آب بر حسب متر مربع در روز

T: ضریب قابلیت انتقال آب بر حسب متر مکعب

L: عرض مقطع بر حسب متر  که تخلیه در آن صورت می‌گیرد.

 

ضریب ذخیره

    ضریب ذخیره یک سفره آب آزاد عبارتست از حجم آب آزاد شده یا ذخیره شده در داخل یک ستون فرضی از مواد متشکل سفره به سطح مقطع یک متر (واحد)متر مربع وارتفاع یک (واحد) متر و در واقع برابر تخلخل مفید می‌باشد. ضریب ذخیره بر حسب درصدمحاسبه می‌گردد و مقدار آن معمولاً از 1 تا 10 درصد متغییر بوده و ندرتاً تا 20 درصد می‌رسد. ضریب ذخیره در سفره تحت فشار برابر حجم آب آزاد شده از حجم یک متر مکعب مواد تشکیل دهنده سفره است که فشار آن یک واحد اضافه یا کم شده باشد. مقدار این ضریب معمولاً بین 4-10×( 1 الی 9) متغیر می‌باشد.

روشهای بهره‌برداری از منابع آب زیرزمینی

    حفاری چاه و قنات از روشهای ابداعی بشر برای بهره برداری از ذخائر آبی زیر زمینی می‌باشد.

قنات یا کاریز

     از زمانهای بسیار قدیم در ایران باستان برای بهره برداری از مخازن آب زیرزمینی، در زمینهای آبرفتی کوهپایه‌ها توسط ابزار دستی حفاری می‌گردیده است و امروزه نیز همچنان متداول می‌باشد. یک رشته قنات از یک پشته یا گالری با شیب حدود یک متر در کیلومتر که کار انتقال آب را به مظهر قنات بعهده داردو تعدادی چاه‌های قائم (میله) تشکیل شده است. اولین چاه که در نزدیکی کوه تا برخورد به سفره آبی حفر می‌گردد و عمق آن از بقیه چاه‌های مسیر بیشتر می‌باشد، مادر چاه قنات نام دارد. قسمتی از پشته که از مادر چاه قنات شروع شده و بطرف دشت امتداد می‌یابد در سفره آبی قرار دارد و آب از دیواره‌ها به داخل گالری وارد می‌شود (بخش ترکار قنات) و بقیه مسیر بانزدیک شدن به دشت و خارج شدن از سفره آبی فقط کار انتقال آب را بعهده دارد. (بخش خشکه کار قنات)  نحوه احداث یک رشته قنات به این ترتیب است که از محل خروج آب  (مظهر قنات) واقع در دشت، حفاری پشته آغاز و بطرف دامنه کوه امتداد می‌یابد بطوریکه از داخل سفره ی آبدار عبور نماید. چاه‌های قائم (میله چاه) بفواصل حدود 30 تا 50 متر از یکدیگر برای خارج نمودن مواد حفاری شده پشته و دست یابی به داخل آن جهت لایروبی و بازسازی‌های بعدی حفر می‌گردد.

    ارتفاع سقف پشته معمولا 120 سانتی متر و عرض آن حدود 60 سانتی متر و طول آن با توجه به وضعیت آبدهی منطقه ممکن است تا چند کیلو متر هم برسد. بخش خشکی پشته را که در بالای سطح ایستایی سفره قرار دارد، قسمت خشکه قنات می‌نامند. دهانه چاهها را بعد از خاتمه عملیات می‌بندند. هرنج قنات قسمت اولیه قنات را گویند که از مظهر قنات به طرف دشت بصورت یک کانال روباز و بعمق حداکثر تا 4 متر حفر می‌گردد.

    در زمینهای سست ریزشی (شولاتی)دیواره میله‌ها را با طوقه (کول) سیمانی و دیواره پشته را معمولا با کولهای سفالی و یا سیمانی جدار بندی و محافظت می‌نمایند. چنانچه نفود پذیری زمین در قسمت خشکه قنات زیاد باشد برای جلوگیری از نفوذ و فرار آب، کف پشته را با ملات سیمان عایق بندی میکنند.

    در نواحی کوهستانی شیب سفره آبدار زیاد بوده در نتیجه طول بخش آبده قنات کم می‌باشد ولیکن در مناطق دور از کوه که مسطح می‌باشند و شیب سفره آبدار کم است طول قسمت آبده قنات ممکن است تا چند کیلومتر برسد. نظیر چنین قناتهایی را در نواحی یزد و کرمان می‌توان دید. درمنطقه خراسان قنات‌های قدیمی‌با طول نسبتا زیاد و مادر چاه بعمق تا 400 متر وجود دارد که آبدهی آنها تا 400 لیتر در ثانیه بالغ می‌شود. بدلیل آنکه آب قنات در تمامی‌فصول سال و همیشه جاری می‌باشد، برای جلوگیری از به هدر رفتن آن در اواخر پاییز و فصل زمستان می‌توان دهانه قنات را در محل مظهر آن مسدود نمود مشروط بر آنکه دیواره‌های پشته و میله‌ها در بخش سست و ریزشی توسط کولهای بتنی محافظت شده باشد.

    گاهی ممکن است یک لایه نفوذ ناپذیر سفره آبدار را به دو بخش بالائی و پایینی تقسیم نماید دراینصورت دو کانال زیر زمینی به موازات یکدیگر در سفره بالائی و زیرین در یک امتداد حفر می‌نمایند و در اینصورت مادر چاههای دو رشته قنات می‌توانند از یکدیگر جدا باشند و حال آنکه میله های قنات می‌توانند بین دو رشته مشترک باشند.

چاه‌ آب و انواع آن

    چاه آب حفره‌ای قائم و یک ساختمان هیدرولیکی می‌باشد که از سطح زمین شروع شده و تا داخل سفره آبدار ادامه می‌یابد و آب سفره در اثر نیروی ثقل و حرکت جانبی به درون آن نفوذ نموده و توسط سطل و یا پمپ استخراج می‌گردد. چاهها را بر حسب روش حفاری، عمق، نحوه بهره برداری ، وضعیت زمین شناسی و لیتولوژی، عمق سطح آب سفره و اهداف حفاری به انواع ذیل تقسیم بندی می‌کنند.

    1- چاههای اکتشافی و مطالعاتی که به منظور بررسی و مطالعه مشخصات هیدرولیکی و هیدرودینامیکی و ضخامت سفره آبدار ، لیتولوژی و عمق سنگ کف، وضعیت لایه‌های نفوذ ناپذیر در مناطق بکر و یا نا شناخته حفر میگردند. از این گروه چاههای پیزومتری به قطر 6 اینچ جهت مطالعه سطح دینامیک آبها حفاری می‌گردند.

    2- چاه‌های بهره برداری عمیق، که عمق چاه حفر شده بیش از 50 متر بوده و توسط دستگاه‌های حفاری و یا بعضاً با دست حفاری می‌گردند. بهره برداری از آنها توسط پمپ توربینی و یا شناور صورت می‌گیرد.

    3- چاه‌های نیمه عمیق: به دلیل بالا بودن سطح ایستابی دارای عمق نسبتاً کمی‌می‌باشند حفر آنها بدلیل ارزانی نیروی کار معمولاً با دست صورت می‌گیرد و بهره برداری از آنها توسط پمپ‌های کمر چاهی سانتریفوژ که در نزدیکی سطح آب و در داخل دیواه چاه نصب می‌گردد، انجام می‌شود.

    قطر چاه‌های دستی حدود یک تا دو متر و عمق آنها گاهی تا 100 متر هم می‌رسد. بعد از برخورد به آب، معمولاً برای آنکه آب ورودی به چاه مانع ادامه حفاری نشود از پمپ‌های سانتریفوژ برای تخلیه آب بهنگام کارکردن استفاده می‌نمایند. چنانچه جنس زمین از آبرفت درشت دانه غیر ریزشی تشکیل شده باشد، مقنی می‌تواند تا حدود 5 متر زیر سطح برخورد به آب، حفاری را ادامه دهد. ولیکن در زمینهای شولاتی، عملیات حفاری به سختی و باکول گذاری انجام می‌شود و چون نمی‌توان بیش از چند متر در سفره آبی به حفاری ادامه داد بناچار مبادرت به حفر گالریهای افقی در جهات مختلف برای استحصال آب بیشتر می‌نمایند.

    به علت محدودیت حفاری در زیر سطح ایستابی و ضخامت کم ستون آب در داخل چاه در فصول کم باران و ایام پر مصرف سال  ، سطح آب این چاهها پایین رفته و لذا برای تامین آب مورد نیاز مرتباً می‌باید کف شکنی و لایروبی گردند

چاه‌های آرتزین

    نام آرتزین از محلی بنام آرتز واقع در کشور فرانسه که برای اولین بار چنین چاهی در آن محل حفاری گردیده گرفته شده است. هرگاه یک لایه نفوذ پذیر آبدار در بین دو لایه غیر قابل نفوذ قرار گرفته باشد، بهنگام حفاری و برخورد به لایه آبدار، سطح آب در داخل چاه بالا آمده و چنانچه فشار به اندازه کافی باشد آب از دهانه چاه خارج می‌شود.

چاه فلمن یا چاه‌های مخزنی گالری‌دار

    در زمینهای از جنس رسوبات سست منفصل شن و ماسه و یا قلوه سنگ با سطح آب نزدیک به سطح زمین ،  اقتصادی ترین روش استحصال آب در حجم زیاد، حفاری یک حلقه چاه قائم دستی به قطر 2 تا 5 متر و تا عمق چند متر زیر سطح آب بمنظور انباشت آب ورودی از گالریهای افقی می‌باشد.  دیواره و کف این چاه را با بتن عایق بندی و مستحکم می‌نمایند. سپس گالریهای افقی متعدد در جهات مختلف و با شیب خیلی ملایم و به ارتفاع حدود یک متر  از کف چاه عمود بر دیواره چاه در داخل سفره آبدار حفر می‌نمایند. طول این گالریها ممکن است به بیش از 100 متر هم برسد.

    یکی از روشهای جدید احداث چنین چاه‌هائی استفاده از ماشینهای مخصوص می‌باشد. حفاری چاه قائم برای اعماق بیش از 20 متر می‌تواند با دستگاههای حفاری مخصوص صورت گیرد. در روش فلمن FELMAN متخصص سوئیسی لوله‌های فولادی مقاوم بقطر 8 الی 16 اینچ که در قسمت پیشرو دارای یک مخروط فولادی بسیار مقاوم نوک تیز سوراخ دار می‌باشد، به کمک دستگاه‌های پرس هیدرولیکی با فشار حدود 70 کیلوگرم بر سانتی متر مربع در دیواره چاه و عمود بر آن در جهات مختلف و بطور شعاعی در داخل ماسه‌های سفره آبی و با شیب بسیار ملایم فرو برده می‌شود.

    هنگام فرو بردن لوله فولادی، ماسه‌های سفره آبدار به همراه آب از راه سوراخهای مخروط پیشرو وارد لوله فولادی کم قطر تری که در وسط لوله فولادی‌هادی تعبیه شده، می‌گردد و همراه جریان آب از داخل این لوله وارد چاه اصلی مادر یا چاه جمع کننده می‌شود و توسط پمپ آب از درون چاه تخلیه می‌گردد. این عمل باعث می‌شود تا لوله با نیروی کمتری در زمین فرو رود بطوریکه می‌توان این لوله‌ها را تا حدود 80 متر در زمین‌های از جنس رسوبات دانه ریز ماسه‌ای فرو برد.

    در خاتمه کار، لوله مشبک متناسب با قطر لوله‌هادی و به قطر 7 الی 14 اینچ وارد لوله‌هادی نموده و آنگاه لوله‌هادی را بیرون می‌کشند. سطح مشبک در ارتباط با دانه بندی سازند از 20 تا 30 درصد کل سطح لوله را شامل می‌شود.

عمق چاه عمودی معمولاً تا 30 متر می‌رسد که امروزه با کمک روشهای حفاری نوین چاه‌های عمودی تا عمق 60 متر نیز حفاری می‌شوند و سطح آب از این بابت  عامل محدود کننده عمق حفاری نمی‌باشد. بلکه جنس رسوبات آبرفتی و سختی و نرمی‌زمین عامل اصلی تعیین کننده حفاری می‌باشد.

    این نوع چاهها در بستر آبرفتی رودخانه‌های دائمی‌و یا آبرفتهای با سطح آب زیر زمینی کم عمق با ضخامت کم حدود 3 تا 4 متر و گسترش محدود قابلیت بهره برداری بسیار زیادی دارند در حالیکه چاه‌های عمیق در لایه‌های کم ضخامت کارآیی ندارند. بنابراین مطالعه سیستماتیک مکان یابی در رابطه با منابع آب زیرزمینی و سطحی منطقه، زمین شناسی و توپوگرافی و هیدرولوژی ناحیه،  وضعیت آبدهی سالیانه و حداقل و حداکثر دبی، ابعاد هندسی شیب و دانه بندی بستر اهمیت خاصی دارد. در مرحله بعدی برای مشخص کردن وضعیت آبدهی زمین و ضرایب هیدرودینامیکی لایه آبدار یک حلقه چاه اصلی بقطر 12 اینچ تا برخورد به سنگ کف برای آزمایش پمپاژ و 2 تا 4 حلفه چاه پیزومتر برای اندازه گیری سطح آب زیرزمینی بهنگام آزمایش پمپاژ، حفاری می‌شود. براساس نتایج بدست آمده محل چاه مخزنی، عمق و قطر آن و همچنین طول کوره‌های افقی و حدود آبدهی مشخص می‌شود و عملیات اجرائی بشرح ذیل صورت می‌گیرد:

    ابتدا یک حلقه فولادی با لبه تیز برنده و به ارتفاع یک متر و باندازه قطر خارجی چاه که اصطلاحاً چاقو نام دارد، در روی زمین و محل حفاری قرار می‌گیرد. این حلقه پیشرو باعث سهولت حفاری و پایین رفتن بدنه بتنی چاه می‌گردد. اولین حلقه بتنی مسلح را بر روی آن قالب بندی و بتن ریزی می‌کنند. سپس اقدام به حفاری و تخلیه مواد موجود درون حلقه می‌نمایند. این عمل سبب پایین رفتن چاقو فولادی و حلقه بتونی مستقر بر روی آن می‌گردد. این کار تا رسیدن به عمق مورد نظر ادامه می‌یابد. دقت و مهارت در اجرای کار از شرایط ضروری برای جلوگیری از کج شدگی چاه و یا ریزش زمین و از بین رفتن ماحصل کار می‌باشد. در اولین حلقه بتونی که در پایین ترین نقطه چاه قرار دارد چند دریچه به فواصل مشخص در یک یا چند ردیف به منظور انجام حفاری‌های افقی و زهکشی آب از سفره آبدار، قرار می‌دهند. در خاتمه حفاری چاه قائم کف آنرا بتون می‌نمایند تا از فرار آب جلوگیری شود و در ضمن ماشین آلات حفاری افقی را بتوان مستقر نمود.

    بعد از استقرار ماشین حفاری افقی در مقابل دریچه‌ها یک شاخه لوله فولادی 10 اینچ به طول 3 متر که بر سر آن یک مته حفاری دایره‌ای پیشرو بسته شده است، از درون دریچه دیواره بتن توسط فشار جک‌های هیدرولیکی بنام Pipe jaking به درون زمین فرو می‌کنند. لوله‌های بعدی را به این لوله بسته و به همین ترتیب به درون زمین فرو می‌کنند. این لوله‌ها را ‌هادی می‌نامند و در خاتمه حفاری گالری افقی، لوله‌های مشبک از جنس پلی استابیون مقاوم در درون آن کار می‌گذارند و سپس لوله‌های فولادی را یکی یکی بیرون می‌آورند. این لوله های مشبک، کار زهکشی آب از سفره زیر زمین را به درون چاه بعهده دارد و قطر آن معمولاً 2 اینچ کمتر از لوله‌هادی است.

    طول گالری‌های افقی در صورتیکه به موانعی مثل تخته سنگ و یا تنه درختان قطور برخورد ننماید با توجه به بافت زمین و بسته به قدرت دستگاه حفاری بین 30 تا 50 متر می‌باشد. پس از پایان عملیات حفاری گالری‌های افقی، در دهانه خروجی آنها به داخل چاه قائم یک شیر فلکه که از سطح زمین قابل باز و بسته شدن باشد، نصب می‌نمایند.

    میزان آبدهی این چاه‌های مخزنی بین 200 تا 400 لیتر در ثانیه و در شرایط مناسب تا 1000 لیتر در ثانیه نیز می‌رسد. بعد از آماده شدن چاه ابتدا کار توسعه با باز کردن شیر فلکه هر گالری و خروج آب ازداخل آن به درون چاه قائم تا خارج شدن شن و ماسه و گل و لای همراه آب و صاف شدن آن صورت می‌گیرد و این کار به نوبت برای هر گالری انجام می‌شود.

سپس اقدام به آزمایش پمپاژ و تعیین آبدهی مجاز چاه می‌نمایند.

    چاه مخزنی میاندوآب در ساحل زرینه رود بیش از 1000 لیتر در ثانیه و چاه مخزنی ساحل زاینده رود اصفهان بیش از 500 لیتر در ثانیه آبدهی دارد.

بطور کلی اگراستحصال حجم زیادی آب از یک لایه آبرفتی با ضخامت کم مورد نظر باشد، حفر این نوع چاهها به دلیل تماس بسیار زیاد گالری‌های افقی با پایین ترین سطح لایه آبدار، جوابگوی این نیاز می‌باشد. 

    چون آب استحصالی از پایین ترین قسمت لایه آبدار صورت می‌گیرد لذا عمل تصفیه فیزیکی و رسوب‌گیری مواد معلق توسط زمین بخوبی انجام می‌شود و حتی با وجود آب آلوده سطحی می‌توان آب بهداشتی و تمیز از لایه‌های زیرین برداشت نمود. حتی در مناطق دارای آب شور چنانچه یک رودخانه آب شیرین در جریان باشد می‌توان به این وسیله از لایه‌های آبرفتی رودخانه حاوی آب شیرین استفاده نمود و حال آنکه حفر چاه عمیق در این مناطق اکثرا با شکست مواجه می‌شود.

    علیرغم هزینه اولیه بالا برای احداث این قبیل چاه‌های مخزنی در موارد بسیاری می‌توانند کاملا اقتصادی و مقرون به صرفه باشند.

    عمر چاه عمودی بتنی بیش از 100 سال و عمر گالری‌های افقی بین 30 تا 50 سال است که قابل بازسازی و استفاده مجدد است. آب استحصالی صاف و بهداشتی بوده و احتیاج به احداث تصفیه خانه با هزینه سنگین و گزاف ندارد. هزینه نگهداری ناچیز و بهره برداری آن در حد مصرف انرژی پمپ‌ها است. در مقایسه با چاه‌های عمیق نیز بسیار اقتصادی می‌باشد. طول عمر زیاد، آبدهی بالا معادل تا 15 حلقه چاه عمیق، شعاع حریم کم و بهره برداری آسان و از همه مهمتر قابل اجرا بودن در زمینهای آبرفتی با ضخامت کم از مزایای این چاه‌های مخزنی است.

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