ساخت یک نقشه از آب های زیرزمینی

 

آب‌شناسی یا هیدرولوژی (به انگلیسی: Hydrology) از دو کلمه Hydro به معنی آب و Logy به معنی شناسایی تشکیل شده است و به معنای وسیع کلمه، علم آب است. یعنی علمی که در مورد پیدایش، خصوصیات و نحوهٔ توزیع آب در طبیعت بحث می‌کند.

تعریفی از هیدرولوژی که به صورت عام رواج داشته باشد و مورد تأیید انجمن دولتی علوم و فناوری آمریکا نیز قرار گرفته‌است و برگزیده شده‌است، بدین صورت است که: هیدرولوژی علم مطالعهٔ آب بر روی کره زمین است و در مورد پیدایش، چرخش و توزیع آب در طبیعت، خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آب، واکنش‌های آب در محیط و ارتباط آن با موجودات زنده بحث می‌کند.

 

تاریخچه و تکامل آب شناسی

تا جایی که تاریخ نشان می‌دهد اولین تجارب آب شناسی مربوط به سومریها و مصریها در منطقه خاورمیانه است بطوری که قدمت سد سازی روی رودخانه نیل به ۴۰۰۰ سال قبل از میلاد مسیح می‌رسد در همین زمان فعالیتهای مشابهی در چین نیز وجود داشته است. از بدو تاریخ تا حدود ۱۴۰۰ سال بعد ازمیلاد مسیح فلاسفه و دانشمندان مختلفی از جمله هومر طالس، افلاطون، ارسطو و پلنی در مورد سیکل هیدرولوژی اندیشه‌های گوناگونی ارائه کرده‌اند و کم‌کم مفاهیم فلسفی هیدرولوژی جای خود را به مشاهدات علمی دادند.

 

سیر تحولی و رشد

شاید بتوان گفت هیدرولوژی جدید از قرن ۱۷ با اندازه گیریهای مختلف آغاز شد در این دوره پرالت ترانست مقدار بارندگی تبخیر و صعود موئینه‌ای را در حوضه آبریز رودخانه سن اندازه‌گیری کند ماریوت با اندازه‌گیری سرعت و سطح مقطع جریان دبی رودخانه سن را در پاریس اندازه‌گیری کرد.

در قرن ۱۸ مطالعات تجربی در زمینه‌های هیدرولوژی شکوفایی خاصی را پیدا کرد. بر اساس این مطالعات بود که بسیاری از اصول هیدرولیکی پایه‌گذاری گردید. از آن جمله می‌توان وسایلی مانند پیزو ستروبرنولی، لوله پیتو، لوله بوردا، و نظریه‌هایی مانند نظریه دانیل برنولی، فرمول شزی و قوانین دالامبرت را نام برد. از آن زمان به بعد هیدرولوژی از جنبه کیفی به کمی سوق داده شده و اندازه‌گیری بسیاری از پدیده‌های هیدرولوژی امکان‌پذیر گردید.

قرن ۱۹ را می‌توان دوره طلایی هیدرولوژی دانست در این زمان زمین‌شناسی نیز به عنوان یک علم تکمیل کننده در آبهای زیرزمینی وارد گردید. قانون دارسی و فرمولهای دو پوئی- تیم (Dmpmit-Thiem) نمونه‌ای از پیشرفت‌های آبهای زیرزمینی همراه با هیدرولوژی می‌باشد. در زمینه هیدرولوژی آبهای سطحی نیز بخصوص به هیدرومتری توجه فراوانی مبذول گردید. فرمولهای فرانسیس در مورد سرریزها، گانگیه (Gangmillet) کوته (kmtter) و مانینگ (Manning) دربارهٔ جریان آب در کانالهای روباز از جمله این مواردند.

فعالیتهای دالتون در زمینه تبخیر نیز بسیار حائز اهمیت بود. گرچه قسمت اعظم هیدرولوژی جدید در قرن ۱۹ پایه‌گذاری شد؛ ولی تا امروز هنوز هیدرولوژی علمی از تکامل زیادی برخوردار نبود.

در اواخر قرن ۱۹ و بخصوص در ۳۰ سال اول قرن ۲۰ صدها فرمول تجربی پیشنهاد گردید که می‌بایست ضرایب و پارامترهای آنها بر اساس قضاوت و تجربه بدست می‌آمده و برای حل این مشکل در بسیاری از کشورها موسسات و انیستیتوهای تحقیقی در زمینه هیدرولوژی تأسیس گردید. در این دوره دانشمندان زیادی ظهور کردند از جمله می‌توان در سال ۱۹۳۲ شرمن (Sherman) نظریه روش هیدروگراف واحد برای تخمین رواناب پیشنهاد کرد.

نظریه تیس (Thies) در حل مسائل مربوط به هیدرولوژی چاه‌ها و روش پیشنهادی گامبل (Gammble) در سال ۱۹۴۱ برای تجزیه و تحلیل آماری داده‌ها و روشهای انیشتین (Einstein) را در مطالعات رسوب رودخانه‌ها نام برد؛ و از سال ۱۶۵۰ به بعد روشهای نظری در هیدرولوژی بسیار معمولی گردید بطوری که اکثر فرمولها و روشهای تجربی در قالب ریاضی در رد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

 

کاربردهای هیدرولوژی

امروزه این علم در طراحی و طرز عمل سازه‌های هیدرولیکی نظیر سدهای ذخیره‌ای و انحرافی، کانالهای آبیاری و زهکشی و پل، مهندسی رودخانه و کنترل سیلاب، آبخیزداری، جاده‌سازی، طراحی تفرجگاه مسائل بهداشتی و فاضلاب شهری و صنعتی و زمینه‌های زیست‌محیطی بطور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

ضرورت این علم (هیدرولوژی)

هر سال به سطح خشکیهای کره زمین حدود ۱۱۰۰۰۰ کیلومتر مکعب آب بصورت نزولات جوی فرو می‌ریزد در عوض ۷۰۰۰۰ کیلومتر مکعب آن بصورت تبخیر خارج می‌شود. تفاوت این دو رقم ۴۰۰۰۰ کیلومتر مکعب است که منابع تجدید شونده آب را تشکیل می‌دهند. مقدار سرانه آب تجدید شونده در سطح دنیا رقمی حدود ۷۴۰۰ متر مکعب در سال برای هر نفر است. اما این مقدار بطور یکنواخت تقسیم نشده است. متخصصان هیدرولوژی رقم ۱۰۰۰ متر مکعب در سال برای هر نفر را مرز کم‌آبی یک کشور تعیین کرده‌اند. این رقم در مصر ۳۰ در قطر ۴۰ در لیبی ۱۶۰ در عربستان ۱۴۰ متر مکعب در سال برای هر نفر برآورد شده است. همگی جز کشورهای کم‌آب محسوب می‌شوند. در ایران این سرانه ۱۵۰۰ متر مکعب در سال تخمین زده شده است. با این حساب نمی‌توان ایران را یک کشور کم‌آب تلقی کرد. یکی از راه‌های سازگاری با خشکی استفاده بهینه از منابع آب است. باید سعی کرد که تا حد امکان از ریزشهای جوی، جریان آبهای سطحی و منابع زیرزمینی به نحو مطلوب استفاده شود و این کار عملی نخواهد بود مگر با شناخت پدیده‌های هیدرولیکی.

 

شاخه ها

 

• هیدرولوژی شیمیایی که به منظور مطالعه خواص شیمیایی آب است.
• اکوهیدرولوژی که به منظور مطالعه تعامل بین ارگانیسم ها و چرخه هیدرولوژیکی است.
• هیدروژئولوژی که به منظور مطالعه حضور و حرکت آب های زیرزمینی است.
• هیدرواینفورماتیک که به منظور بررسی سازگاری فناوری اطلاعات با هیدرولوژی و کاربرد آن در منابع آب است.
• هیدرومتئورولوژی که به منظور مطالعه انتقال آب و انرژی بین سطوح زمین و آب و اتمسفر در جو پایین است.
• هیدرولوژی ایزوتوپ که به منظور مطالعه ردیابی ایزوتوپ در علوم آب است.
• هیدرولوژی سطحی که به منظور مطالعه فرآیندهای هیدرولوژیکی است که در سطح زمین یا نزدیک آن عمل می کنند.
• مدیریت حوضه زهکشی، ذخیره سازی آب، در قالب مخازن و حفاظت از سیل را پوشش می دهد.
• کیفیت آب شامل شیمی آب در رودخانه ها و دریاچه ها، و بررسی هر دو آلاینده ها و محلول های طبیعی است.

 

کاربردها

 

• تعیین تعادل آب یک منطقه.
• تعیین تعادل آب کشاورزی.
• طراحی پروژه های بازسازی روستایی.
• کاهش و پیش بینی سیل، خطر لغزش و خشکسالی.
• پیش بینی سیل در زمان واقعی و هشدار سیل.
• طراحی طرح های آبیاری و مدیریت بهره وری کشاورزی.
• بخشی از ماژول خطر در مدل سازی فاجعه.
• ارائه آب آشامیدنی.
• طراحی سدها برای تامین آب یا تولید برق آبی.
• طراحی پل های رودخانه ای.
• طراحی سیستم تخلیه فاضلاب و سیستم زهکشی شهری.
• تجزیه و تحلیل اثرات رطوبت پیشین در سیستم های بهداشتی فاضلاب.
• پیش بینی تغییرات ژئومورفولوژیکی، مانند فرسایش یا رسوب گذاری.
• ارزیابی اثرات تغییرات زیست محیطی طبیعی و انسانی در منابع آب.
• ارزیابی خطر انتقال آلاینده و ایجاد سیاست های زیست محیطی.
• برآورد پتانسیل منابع آب حوضه رودخانه.

 

 

زمینه ها

موضوع اصلی هیدرولوژی این است که آب از طریق مسیرهای مختلف و با نرخ های مختلف در سراسر زمین گردش می کند. تصویر واضح تر این در تبخیر آب از اقیانوس است که ابرها را تشکیل می دهد. این ابرها بر روی زمین رانده شده و باران را تولید می کنند. آب باران به دریاچه ها، رودخانه ها و یا آبخوان ها جریان می یابد. آب در دریاچه ها، رودخانه ها و آبخوان ها سپس به اتمسفر می رسد یا در نهایت به مرحله اقیانوس می رود و یک چرخه را پر می کند. آب این حالت را چندین بار در طول این دوره تغییر می دهد.

حوزه های تحقیق در هیدرولوژی مربوط به حرکت آب بین ایالت های مختلف و یا در یک کشور مشخص است و یا به سادگی مقادیر آب در این ایالت ها در یک منطقه مشخص می شود. بخش هایی از هیدرولوژی، روش هایی برای اندازه گیری مستقیم این جریان ها یا مقادیر آب است، در حالیکه دیگر وجوه آن برای مدل سازی این فرآیند یا برای دانش علمی و یا برای پیش بینی در کاربردهای عملی کاربرد دارند.

 

آب های زیرزمینی

آب زیرزمینی آب زیر سطح زمین است، که اغلب برای آب آشامیدنی پمپ می شود. هیدرولوژی آب های زیرزمینی (هیدروژئولوژی)، مقدار جریان آب های زیرزمینی و انتقال املاح را محاسبه می کند. مسائل در توصیف منطقه اشباع عبارتند از توصیف آبخوان ها از نظر جهت جریان، فشار آب زیرزمینی، عمق آب زیرزمینی (نگاه کنید به: آزمایش آبخوان). اندازه گیری ها در اینجا می تواند با استفاده از پیزومتر انجام شود. روش هایی نیز از لحاظ هدایت هیدرولیکی، ضریب نگهداری و رسانندگی توصیف شده اند. تعدادی از روش های ژئوفیزیکی برای توصیف آبخوان ها وجود دارد. همچنین در تشخیص منطقه vadose (ناحیه اشباع نشده).

 

نفوذ

نفوذ فرایندی است که آب وارد خاک می شود. بعضی از مقادیر آب جذب می شود و بقیه به سطح آب زیرزمینی می رسد. ظرفیت نفوذ، حداکثر میزان که خاک می تواند آب را جذب کند، بستگی به عوامل متعددی دارد. لایه ای که در حال حاضر اشباع شده است، مقاومتی ایجاد می کند که متناسب با ضخامت آن است، در حالی که علاوه بر عمق آب بالایی خاک، نیروی محرکه (هیدرولیکی) نیز اهمیت دارد. خاک خشک می تواند نفوذ سریع توسط عمل مویرگ را امکان پذیر سازد؛ این شتاب نفوذ به دلیل اشباع شدن خاک، کاهش می یابد. تراکم تخلخل و اندازه منافذ را کاهش می دهد. پوشش بیشتر نفوذ سطح ظرفیت را افزایش می دهد که خود را با کم کردن رواناب، کاهش تراکم و سایر فرایندها نمایش می دهد. درجه حرارت بالاتر باعث افزایش غلظت و افزایش نفوذ می شود.

 

رطوبت خاک

رطوبت خاک را می توان به روش های مختلف اندازه گیری کرد. توسط پروب خازنی، بازتابنده دامنه زمان یا تنسیمتر. روشه ای دیگر شامل نمونه برداری و روش های ژئوفیزیکی است.

 

آب سطحی و جریان

هیدرولوژی به اندازه کافی جریان آب سطحی و انتقال محلول را در نظر می گیرد، گرچه بهبود جریان های رودخانه های بزرگ گاهی اوقات به عنوان یک موضوع مشخص هیدرولیک یا هیدرودینامیک در نظر گرفته می شود. جریان آب سطحی می تواند به عنولن جریان در هر دو کانال های رودخانه ساخته شده و مصنوعی باشد. روش های اندازه گیری جریان ورودی آب به یک رودخانه شامل اندازه گیری جریان (نگاه کنید به: تخلیه) و تکنیک های ردیابی است. موضوعات دیگر شامل انتقال مواد شیمیایی به عنوان بخشی از آب های سطحی، انتقال رسوب و فرسایش است.

یکی از مهمترین مناطق هیدرولوژی تبادل بین رودخانه ها و آبخوان ها است. تعاملات آب زیرزمینی / آب سطحی در جریان ها و آبخوان ها می تواند پیچیده باشد و جهت جریان آب خالص (به آب های سطحی یا به آبخوان) ممکن است به طور فضایی در طول کانال جریان و در طول زمان در هر مکان خاص متفاوت باشد، بسته به رابطه بین جریان رودخانه و سطح آب های زیرزمینی.

 

بارش و تبخیر

در برخی از مطالعات، هیدرولوژی به عنوان علم بررسی تبادل آب در مرز زمین-اتمسفر مطرح می شود و بنابراین مهم است که دانش کافی از بارش و تبخیر وجود داشته باشد. بارش بارش را می توان به روش های مختلف اندازه گیری کرد: رطوبت سنج برای ویژگی های بارندگی در مقیاس زمان مناسب؛ رادار برای خواص ابر، برآورد باران، تگرگ و تشخیص برف؛ سنج باران برای اندازه گیری دقیق روزانه باران و بارش برف؛ برای شناسایی منطقه بارانی، همچنین برای برآورد باران، پوشش زمین / کاربری زمین و رطوبت خاک، در برخی موارد از ماهواره استفاده می شود.

تبخیر بخش مهمی از چرخه آب است. این بخشی از رطوبت است که می تواند توسط یک روان سنج متراکم اندازه گیری شود. این نیز تحت تأثیر حضور برف، تگرگ و یخ است و می تواند مربوط به شبنم، غبار و مه شود. هیدرولوژی تبخیر اشکال مختلف را در نظر می گیرد: از سطوح آب؛ به عنوان transpiration از سطوح گیاه در اکوسیستم های طبیعی و زراعی. اندازه گیری مستقیم تبخیر را می توان با استفاده از تانک تبخیر سیمون انجام داد. مطالعات دقیق تبخیر شامل ملاحظات لایه مرزی و همچنین حرکت، شار حرارتی و بیلان انرژی است.

 

سنجش از دور

سنجش از دور از فرآیندهای هیدرولوژیکی می تواند اطلاعاتی در مورد مکان هایی که سنسورهای موجود در آن ممکن است در دسترس یا ضعیف باشند، ارائه دهد. این همچنین می تواند مشاهدات بیش از حد بزرگ مقیاس مکانی را فراهم کند. بسیاری از متغیرهایی که تعادل آب های زمینی را شامل می شوند، مانند ذخیره آب سطحی، رطوبت خاک، بارش، تبخیر تعرق، و برف و یخ، با استفاده از سنجش از راه دور در بخش های مختلف و زمان بندی های قابل اندازه گیری را شامل می باشند. منابع سنجش از راه دور شامل سنسورهای زمینی، سنسورهای هواپیما و سنسورهای ماهواره ای می شوند که می توانند داده های مایکروویو، حرارت و نزدیک مادون قرمز را بگیرند یا از لیادار استفاده کنند.

 

کیفیت آب

در هیدرولوژی، مطالعات کیفیت آب مربوط به ترکیبات آلی و معدنی و مواد محلول و رسوب است. علاوه بر این، کیفیت آب تحت تأثیر تعامل اکسیژن محلول با مواد آلی و تحولات شیمیایی مختلف است که ممکن است رخ دهد. اندازه گیری کیفیت آب ممکن است شامل روش های موضعی باشد که در آن تجزیه و تحلیل ها در محل انجام می شود، اغلب به طور خودکار و تجزیه و تحلیل مبتنی بر آزمایشگاه و ممکن است شامل تجزیه و تحلیل میکروبیولوژیکی باشد.

 

یکپارچه سازی اندازه گیری

تجزیه و تحلیل بیلان

برآورد پارامتر

مقیاس بندی در زمان و مکان

دریافت اطلاعات

کنترل کیفیت داده ها - برای مثال، تجزیه و تحلیل توده ای

 

پیش بینی

مشاهدات فرآیندهای هیدرولوژیکی برای پیش بینی رفتار آینده سیستم های هیدرولوژیکی (جریان آب، کیفیت آب) استفاده می شود. یکی از مهم ترین نگرانی های فعلی در تحقیقات هیدرولوژیکی، پیش بینی در حوضه های غیر مجاز (PUB) است، یعنی در حوضه هایی که هیچ یا تنها اطلاعات کمی از آنها وجود دارد.

 

آمار هیدرولوژی

با تجزیه و تحلیل خواص آماری سوابق هیدرولوژیکی، مانند بارندگی یا جریان رودخانه، هیدرولوژیست ها می توانند پدیده های هیدرولوژیکی آینده را برآورد کنند. هنگام ارزیابی اینکه چطور اتفاقات نسبتا نادر رخ می دهد، تجزیه و تحلیل ها بر اساس دوره بازگشت چنین رویدادهایی صورت می گیرد. سایر مقادیر مورد علاقه شامل جریان متوسط در رودخانه، در یک سال یا فصل است.

این برآوردها برای مهندسین و اقتصاددانان مهم است تا تجزیه و تحلیل ریسک مناسب برای تأثیرگذاری بر تصمیمات سرمایه گذاری در زیرساخت های آینده و تعیین ویژگی های قابلیت اطمینان عملکرد سیستم های آبرسانی انجام شود. اطلاعات آماری برای تدوین قوانین عملیاتی برای سدهای بزرگ که بخشی از سیستم هایی هستند که شامل تقاضاهای کشاورزی، صنعتی و مسکونی هستند استفاده می شود.

 

مدل سازی

مدل های هیدرولوژیکی ساده، بازنمایی های مفهومی بخشی از چرخه هیدرولوژیکی هستند. آنها عمدتا برای پیش بینی هیدرولوژیکی و برای درک فرآیندهای هیدرولوژیکی در حوزه عمومی مدل سازی علمی استفاده می شوند. دو نوع عمده از مدل های هیدرولوژیکی قابل تشخیص هستند: 

مدل ها بر اساس داده ها. این مدل ها سیستم های جعبه سیاه هستند، با استفاده از مفاهیم ریاضی و آماری برای اتصال یک ورودی خاص (به عنوان مثال بارش) به خروجی مدل (به عنوان مثال رواناب). تکنیک های معمول استفاده شده عبارتند از رگرسیون، توابع انتقال و شناسایی سیستم. ساده ترین این مدل ها ممکن است مدل های خطی باشد، اما معمول است که اجزای غیر خطی را برای نشان دادن برخی از جنبه های عمومی پاسخ اتصالات فرعی، بدون در نظر گرفتن عمیق آنها در فرآیندهای فیزیکی واقعی درگیر شوند. یک مثال از این جنبه، رفتار شناخته شده است که رواناب یک حوضه آبریز بسیار سریعتر و شدیدتر خواهد شد، زمانی که در حال حاضر مرطوب تر از زمانی است که خشک شده باشد.

مدل های مبتنی بر توصیف فرایند این مدل ها سعی می کنند که پردازش های فیزیکی مشاهده شده در دنیای واقعی را نمایندگی کنند. به طور معمول، چنین مدل هایی حاوی نمایانگر رواناب سطح، جریان زیر سطحی، تبخیر تعرق و جریان کانال هستند، اما می توانند بسیار پیچیده باشند. این مدل ها به عنوان مدل های هیدرولوژیکی قطعی شناخته می شود. مدل های هیدرولوژی تعیین کننده را می توان به مدل های تک رویدادی و مدل های شبیه سازی مداوم تقسیم کرد.

تحقیقات اخیر در مدل سازی هیدرولوژیکی تلاش می کند تا یک رویکرد جهانی تر در درک رفتار سیستم های هیدرولوژیکی برای پیش بینی بهتر و مقابله با چالش های عمده در مدیریت منابع آب داشته باشد.

 

انتقال آلاینده ها

این زمینه از هیدرولوژی یک وسیله مهم است که مواد دیگر مانند جابجایی خاک، سنگ، تخته سنگ یا آلاینده ها از یک محل به مکان دیگر را بررسی میکند. ورودی اولیه برای دریافت آب آلوده ممکن است از تخلیه منبع نقطه ای یا یک منبع خطی یا منبع ناحیه ای مانند رواناب سطح ایجاد شود. از دهه 1960، مدل های ریاضی پیچیده ای توسعه یافته است، که استفاده از آنها مستلزم در دسترس بودن رایانه های با سرعت بالا است. شایع ترین کلاس های آلودگی عبارتند از: مواد مغذی، آفت کش ها، مواد جامد محلول و رسوب.

 

سازمان ها:

Intergovernmental organizations

• International Hydrological Programme (IHP)

International research bodies

• International Water Management Institute (IWMI)
• UNESCO-IHE Institute for Water Education

National research bodies

• Centre for Ecology and Hydrology – UK
• Centre for Water Science, Cranfield University, UK
• eawag – aquatic research, ETH Zürich, Switzerland
• Institute of Hydrology, Albert-Ludwigs-University of Freiburg, Germany
• United States Geological Survey – Water Resources of the United States
• NOAA's National Weather Service – Office of Hydrologic Development, USA
• US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center, USA
• Hydrologic Research Center, USA
• NOAA Economics and Social Sciences, USA
• University of Oklahoma Center for Natural Hazards and Disasters Research, USA
• National Hydrology Research Centre, Canada
• National Institute of Hydrology, India

National and international societies

• Geological Society of America (GSA) – Hydrogeology Division
• American Geophysical Union (AGU) – Hydrology Section
• National Ground Water Association (NGWA)
• American Water Resources Association
• Consortium of Universities for the Advancement of Hydrologic Science, Inc. (CUAHSI)
• International Association of Hydrological Sciences (IAHS)
• Statistics in Hydrology Working Group (subgroup of IAHS)
• German Hydrological Society (DHG: Deutsche Hydrologische Gesellschaft)
• Italian Hydrological Society (SII-IHS) 
• Nordic Association for Hydrology
• British Hydrological Society
• Russian Geographical Society (Moscow Center) – Hydrology Commission
• International Association for Environmental Hydrology
• International Association of Hydrogeologists

Basin- and catchment-wide overviews

• Connected Waters Initiative, University of New South Wales – Investigating and raising awareness of groundwater and water resource issues in Australia
• Murray Darling Basin Initiative, Department of Environment and Heritage, Australia

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)

_______________________________________________________

پروژه تخصصی در لینکدین

×

 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