شارژ آبخوان ممفیس در یک حوضه آبریز شهری برش خورده

پیامدهای سطوح غیر قابل نفوذ و برش جریان

روندهای شارژ مجدد به سفره آب ممفیس به خوبی درک نشده است، اما مطالعات قبلی نشان می دهد که دره های رودخانه ای دارای ته ماسه برای شارژ مجدد نسبت به مناطق مرتفع کارآمدتر هستند. در جریان های شهری که شن و ماسه ممفیس در معرض مناطق کوهستانی اطراف قرار دارد که دارای کاربری قابل توجهی از زمین شهری هستند، همین انتظار می رود. تحقیقات مربوط به تعادل آب در سندی کریک در جکسون، تنسی، اطلاعاتی در مورد نفوذ و تغذیه احتمالی آبخوان ممفیس فراهم می کند که ممکن است نمونه ای از دره های جریان شهری باشد که در آن سفره های شنی دشت ساحلی در زیر رسوبات سطحی دانه ریز قرار دارند. 16.5٪ حوضه آبریز Sandy Creek Westwood - SC WW توسط سطوح غیر قابل نفوذ پوشانده شده و 54.5٪ از این حوضه توسط لایه های ماسه ممفیس تراش خورده است. نتایج شارژ حاصل از این مطالعه نشان می دهد 0.12 - 0.92 متر بر متر مربع شارژ در طول سال از سپتامبر 2017 تا 2018 اتفاق افتاده است و مشابه سایر مطالعات شارژ است.

فصل 1: مقدمه

سفره آب ممفیس منبع عمده ای از آب برای تأمین تجهیزات شهری و صنعتی در مناطق شمال می سی سی پی در مرکز ایالات متحده است (Brahana and Broshears, 2001). شارژ مجدد هنگامی رخ می دهد که آب از سطح زمین نفوذ کرده و به سطح آب در آبخوان برسد. شارژ مجدد منابع آب زیرزمینی را که بعداً ممکن است در سطح تخلیه شوند یا برای مصارف شهری، خانگی و صنعتی پمپاژ می شوند، دوباره پر می کند. مطالعات اخیر نشان می دهد که شارژ مجدد آبخوان ممفیس توسط کواترنر و پالئوسولها در سطح بالا که کمربند قرار گرفته اند در آبخوان ممفیس محدود می شود (Larsen and Brock, 2014; Bursi, 2015). با وجود اهمیت آبخوان ممفیس، اطلاعات کمی در مورد میزان شارژ مجدد یا فرآیندهای موجود در منطقه آزاد سفره آب موجود است. در مطالعات مقدماتی فرضیه این است که 100 سال طول بکشد تا شارژ مجدد از سطوح بالا به سطح آب برسد (Waldron و همکاران، 2008). در مناطق روستایی (Bursi, 2015) و همچنین در مناطق شهری (Simco, 2018) کمربند در معرض، شارژ مجدد در دره های رودخانه با ته ماسه با کارآیی بیشتری نسبت به سطوح مرتفع رخ می دهد. انتظار می رود که در یک جریان شهری با ویژگی های مشابه جریان روستایی مورد مطالعه Bursi در سال (2015) و در جریان های شهری مورد مطالعه Simco در سال (2018) فرآیندهای شارژ مشابهی رخ دهد. این مطالعه به بررسی شرایط هیدرولوژیکی در سندی کریک، یک جریان شهری برش خورده در تپه های مرتفع در جکسون، تنسی، برای ارزیابی شارژ به آبخوان ممفیس با تعادل هیدرولوژیکی و ویژگی های رواناب می پردازد.

اداره حوضه رودخانه تنسی (WTRBA) از سال 2010 پروژه های بازسازی جریان را در سراسر غرب تنسی انجام داده است، زیرا آنها به عنوان بخشی از طرح سالم سازی آبخیزداری تنسی با حفاظت از طبیعت هماهنگ شدند. این پروژه های ترمیم آبخوان با هدف بهبود شرایط جریان، اما تأثیرات ترمیمی در شرایط هیدرولوژیکی زیر سطح و فرآیندهای شارژ مجدد مطالعه نشده است. مطالعات اخیر در این زمینه شامل بررسی تعادل آب و فرایندهای شارژ مجدد در قسمت بالایی یک جریان کوچک برش خورده شهری (Simco, 2018) قبل از اصلاح جریان است، و پس از آن نظارت بر شرایط هیدرولوژیکی دنبال می شود. مطالعه حاضر بر اساس کارهای قبلی انجام شده و بیشتر حوضه آبریز سندی کریک را بررسی می کند و به همین ترتیب، دارای یک حوضه بزرگتر و تنوع بیشتر در کاربری اراضی و همچنین مناطق غیر قابل نفوذ و درجات مختلف برش جریان به ماسه ممفیس است. سایت سندی کریک که در این مطالعه مشاهده شده است برای بازسازی جریان در سالهای آینده تعیین شده است. نتایج این مطالعه اطلاعات مربوط به شرایط هیدرولوژیکی قبل از اصلاح را فراهم می کند که برای ارزیابی اثرات پس از اصلاح در هیدرولوژی جریان و شارژ مجدد در مقیاس محلی مفید خواهد بود.

1.1 مطالعات پیشین

سفره آب ممفیس از شن و ماسه ائوسن ممفیس تشکیل شده است که از دانه درشت تا ریز، غیر تلفیقی شن و ماسه، با گل و لای و لجن در هم بسته وابسته به مکان متفاوت است (Parks and Carmichael, 1990). این سازند توسط واحدهای محدود کننده در بالا و پایین واحد محدود کننده فوقانی Claiborne - UCCU (سازند کوک کوه و کاکفیلد) در بالا و واحد محدود جزیره آرد در زیر محدود شده است (شکل 1).

اگرچه سفره آب ممفیس به لحاظ منطقه ای در غرب تنسی محصور است، اما به دلیل فرو رفتگی کم عمق طبقات در شمال غربی، یک سفره آبخوان آزاد در شرق منطقه محدود است (Brahana and Broshears, 2001). این منجر به کمربند گسترده ای در حدود عرض 30 کیلومتر تا 60 کیلومتر در شرق مناطق محدود می شود. Parks and Carmichael در سال (1990) تاکید می کنند که شارژ مجدد از نفوذ بارش به رخنمون ها حاصل می شود.

شکل 1 (A) نقشه ایالات متحده نشان دهنده حوضه بالای می سی سی پی، با اشاره به سایت مطالعه. (B) نقشه محل مطالعه در جکسون تنسی، نشان داده شده توسط ستاره، در منطقه غیرقابل محدود آبخوان ممفیس. (C) سطح مقطع رسوبات در میسیسیپی در امتداد خط مقطع A-A ’در شکل 1 (B). محل مطالعه ستاره (شکل 1-B) در همان موقعیت چینه مانند نقطه قرمز بر سطح مقطع قرار دارد (شکل 1-C).

فرض شده است که شارژ مجدد در زیر سطح های مرتفع 100 سال طول بکشد (Waldron و همکاران، 2008). با این حال، اطلاعات کمی در مورد فرآیندهای خاص در دسترس است.

اطلاعات فعلی نشان می دهد که میزان شارژ آبخوان ممفیس از نظر فضایی در منطقه متفاوت است و شامل مکانیسم های نشت از طریق سازند کوه کوهستانی محدود کوک است (Parks, 1990; Bradley, 1991; Brahana and Broshears, 2001; Larsen et al., 2003; Koban et al., 2011). لایه های رس ناپیوسته درون شن و ماسه ممفیس می تواند مانع دیگری ایجاد کند، جریان آب زیرزمینی را منحرف کرده و شارژ مجدد را محدود می کند. عوامل مختلف شارژ مجدد را در منطقه محدود می کنند، اما نفوذ پذیری خاک های سطحی و زیرسطحی ممکن است مهمترین باشد. نقشه برداری اخیر زمین شناسی و تجزیه و تحلیل رسوب شناسی نشان می دهد که شارژ مجدد آبخوان ممکن است توسط کواترنر و یک پالئوسول محدود شده روی سطح فوقانی سفره آب ممفیس ماسه در کمربند گسترده ای محدود شود (Larsen and Brock, 2014). با این حال، دره های جریان بریده شده در کمربند گسترده در معرض سطح شن و ماسه ممفیس است. در این مواجهه، رواناب و بارش به طور عمودی دوباره شارژ می شوند (Bursi, 2015). به همین ترتیب، در کمربند گسترده در جکسون، تنسی، منطقه، شاخه های کوچک رودخانه Forked Deer به نظر می رسید که به طور معمول خشک هستند، بجز بلافاصله پس از حوادث قابل توجه بارندگی (Bailey, 1993). بیشتر شارژدهی مربوط به تلفات تخلیه در جریان با شارژ کمی است که از طریق خاک های غنی از گل و لای از سطح بالا عبور می کند (Simco, 2018). بستر نهر در منطقه مورد مطالعه Simco مشاهده شده است که فقط در حین وقوع طوفان و در پی آن وقایع طوفانی دارای آب است که جریان پر بار توصیف می شود.

حوضه آبریز سندی کریک در این مطالعه در یک محیط شهری است، که به سطوح غیر قابل نفوذی می افزاید که میزان نفوذ را کاهش می دهد و تبخیر و رواناب را افزایش می دهد. اندازه، موقعیت، هندسه و الگوی فضایی سطوح غیر قابل نفوذ و نسبت نفوذ ناپذیر در یک حوضه آبریز تأثیرات هیدرولوژیکی دارند. حوضه های آبخیز با مقادیر زیادی از پوشش غیرقابل نفوذ ممکن است کاهش کلی شارژ آب زیرزمینی و تخلیه جریان پایه در جریان های شهری و افزایش جریان طوفان و فرکانس سیلاب را تجربه کنند (Barringer et al., 1994; Brun and Brand, 2000). هیدروگراف تغییر یافته با جریان های پیک بالا و کاهش جریان پایه بارزترین و سازگارترین اثر شهرنشینی در هیدرولوژی جریان است. در نتیجه افزایش پوشش غیر قابل نفوذ در حوضه های در حال توسعه، تبخیر و تعرق و نفوذ خاک کاهش می یابد. این کاهش در ET و نفوذ در اثر انحراف سطوح غیرقابل نفوذ آب به سمت ویژگیهای انسانی (فاضلاب های طوفانی، ناودانها، گودال ها و غیره) است که مستقیماً به جریان ها تخلیه می شوند. (Brabec, 2009). نتیجه تخلیه اوج بالاتر، جریان پر بار و کاهش تبادل آب سطح زیرزمینی آب با کاهش کلی در شارژ آب زیرزمینی و اندازه منطقه بیش از حد است (Groffman و همکاران، 2003). نفوذ ناپذیری شهری باعث دو تأثیر در جریان ها می شود: بارش از نفوذ منحرف می شود، و افزایش انحرافی تبخیر و تعرق باعث از بین رفتن آب زیرزمینی می شود، به دلیل افزایش گرما از سطوح اطراف (Ferguson and Suckling, 1990).

2.1 فرضیه تحقیق

مطالعات قبلی در غرب تنسی نشان داده است که شارژ مجدد آبخوان ممفیس در دره های جویبار با ته ماسه با کارآیی بیشتری نسبت به سطوح مرتفع رخ می دهد. انتظار می رود که Sandy Creek شارژ را با کارآیی بیشتری در آبراهه ماسه زیرین رودخانه که در آن به درون یا در نزدیکی Memphis Sand تراش داده شده است و نه از طریق سطوح بالا، به ویژه در قسمت بالای سیستم جریان، تسهیل کند. انتظار می رود که جریان جریان به دنبال حوادث بارشی با نفوذ تخلیه زیاد به بستر جریان، به سرعت از بین برود. مقدار شارژ از مقدار آبی که از محل مطالعه تخلیه نمی شود، کمی می شود. موقعیت محل مطالعه در کمربند شارژ آبخوان ممفیس و قرار گرفتن در معرض شن و ماسه ممفیس در امتداد جریان عوامل مهمی برای شارژ مجدد هستند. من فرض می کنم که نرخ شارژ به آبخوان ممفیس در مقایسه با مطالعات قبلی با درجه برش جریان و میزان جریان به سطوح غیر قابل نفوذ متفاوت خواهد بود. شارژ مجدد در مناطقی رخ می دهد که جریان از طریق آبرفت و لس سیلتی که در بالای ماسه ممفیس و رسوبات آبرفت سیلتی در دره های مرتفع قرار دارد بریده شده است. این مناطق نفوذ پذیری و قابلیت انتقال را افزایش می دهد و امکان شارژ مجدد را فراهم می کند. علاوه بر این، من فرض می کنم که داده های موجودی آب جمع آوری شده در حوضه آبریز سندی کریک، از جمله بارش، تبخیر-تعرق، تخلیه جریان و داده های رطوبت خاک، می تواند برای تخمین شارژ مجدد به سفره زیرین ممفیس استفاده شود و با دسترسی بالادست متفاوت خواهد بود؛ نهرهای شنی و رودخانه های روستایی که پوشش سطحی کمتری دارند.

3.1 شرح منطقه

تحقیقات برای این پروژه در حوضه شهری سندی کریک در مرکز جکسون تنسی انجام خواهد شد. شکل 2 نشان می دهد که حوضه واقع در جکسون، تنسی چیست و یک مدل ارتفاعی دیجیتالی که ارتفاعات مختلف در حوضه آبریز سندی کریک را نشان می دهد. این سایت به دلیل قرارگیری در کمربند گسترده در معرض ساختار شنی ممفیس، که تقریباً 25٪ از غرب تنسی را تشکیل می دهد، انتخاب شده و به عنوان منطقه شارژ برای آبخوان ممفیس عمل می کند (Parks and Carmichael, 1990). چشم انداز منطقه یک جریان شهری زودگذر بسیار فرسایش یافته در یک حوضه آبخیز کوهستانی است که عمیقا بریده شده است. سطوح تراس پایین در سایت با کودزو پوشانده شده و در معرض فرسایش قرار دارند، در حالی که تراس های فوقانی از رشد درختان بزرگ پشتیبانی می کنند که باعث ایجاد ثبات بیشتر خاک می شوند. بخشهایی از حوضه در قسمت مسکونی، تجاری و منطقه پزشکی جکسون، TN واقع شده است. دومی از این دو احتمالاً به نرخ رواناب بالا و میزان نفوذ کم کمک می کند. خاک و رسوبات در حوضه آبریز سندی کریک بسیار فرسایش پذیر است. فرسایش به طور محلی به اندازه 7.6 متر تسکین در تراسهای فوقانی تا بخش نازل ایجاد کرده است. سایتی که تجهیزات برای ثبت اطلاعات در آن نصب شده است، در جنوب غربی حوضه حوالی خیابان وست وود (SC-WW) است و مطالعه مشابهی که قبلا توسط Simco در سال (2018) انجام شده بود، در نزدیکی خیابان موزه (SC-MS) واقع شده است. نتایج یافته شده توسط Simco در سال (2018) همراه با داده هایی که به طور مداوم در طول مدت مطالعه در سایت SC-MS جمع آوری می شد، در مقایسه با نتایج یافت شده در سایت SC-WW استفاده شد.

فصل 2: ​​روشهای تحقیق

داده های هیدرولوژیکی سندی کریک از ژوئن 2017 جمع آوری شده است و برای این مقاله فقط داده های سپتامبر 2017 تا سپتامبر 2018 (دوره مطالعه) در تجزیه و تحلیل تعادل آب استفاده می شود. در طول سال داده های هیدرولوژیکی برای رطوبت خاک توسط کاوشگرهای رطوبت خاک و اندازه گیری رطوبت پروب نوترون، تخمین تخلیه با استفاده از روابط مرحله تخلیه و داده های آب و هوایی از یک ایستگاه هواشناسی در محل جمع آوری شد. برای محاسبه بودجه آب از اندازه گیری پارامتر تعادل آب، از جمله میزان بارش، دبی جریان و داده های تبخیر و تعرق استفاده می شود. اندازه گیری سطح آب گرفته شده از یک چاه پیزومتر در تراس کم برای ثبت نوسانات سطح آب برای تخمین شارژ انجام شده است. تجزیه و تحلیل اندازه دانه خاک و رسوبات تراس کم و زیاد برای درک چگونگی تأثیر انواع مختلف خاک بر رطوبت خاک در طول سال انجام شد. ارزیابی جریان بصری با  جریان و ضبط جایی که جریان در ماسه ممفیس یا لس / آبرفتی که در بالای ماسه ممفیس قرار دارد، انجام شد. شهر منطقه با استفاده از GIS و داده های مربوط به پوشش زمین محاسبه شد تا درک شود که از نفوذ از کجا کنترل می شود.

1.2 روش های میدانی

بارش، دما، سرعت باد، جهت باد، رطوبت نسبی، فشار اتمسفر و تابش خورشید با استفاده از سیستم نظارت  بر میکرو اقلیم Decagon EM50 معادل (Decagon Devices, Inc., Pullman, Washington) اندازه گیری شد. ایستگاه هواشناسی در SC-WW در تراس مرتفع در منطقه ای بدون سایه قرار داده شد، در حالی که در SC-MS ایستگاه در تراس مرتفع در منطقه ای نیمه سایه قرار داده شد زیرا این قسمت از رودخانه دارای پوشش گیاهی بیشتری است. قرار شد هر دو ایستگاه هواشناسی هر 15 دقیقه ثبت شوند و ماهانه برای بررسی شرایط در طول مطالعه بررسی می شدند. داده های ایستگاه هواشناسی در SC-WW با داده های ایستگاه هواشناسی در SC-MS مقایسه شد تا تغییرات تبخیر و تعرق مشاهده شود. داده های بارش از دو ایستگاه آب و هوایی SC-WW ،SC-MS و محلی در حوضه و اطراف آن به طور متوسط ​​توزیع و در حوضه آبریز توزیع شد.

شرایط رطوبت خاک در هر دو سایت با اندازه گیری رطوبت خاک و پروب های نوترونی کنترل شد. ده ضلعی GS1 مقاومتی رطوبت خاک سنسور در 1.0 و 1.5 متر عمق زیر سطح در تراس بالا در SC-WW، و 1.5 متر بر روی تراس بالا در SC-MS نصب شده است. آنها برای اندازه گیری مقدار آب حجمی (VWC) در متر مکعب در فواصل 15 دقیقه برنامه ریزی شده اند و داده ها ماهانه بارگیری می شوند. این کاوشگرها در خاک های معمولی دارای دقت ±0.03 m³/m³ و با کالیبراسیون مخصوص خاک ± 0.01 تا 0.02 m³/m³ در هر ماده هستند. کاوشگرهای مورد استفاده در این مطالعه در خاک محل مطالعه کالیبره نشده اند. گمانه های پروب نوترونی سه متری در تراس های کم و زیاد در هر دو سایت نصب شدند. سطح آب در SC-WW با استفاده از پیزومتر در تراس کم مجاور گمانه پروب نوترون و یک چاه با عمق 25 متر در تراس مرتفع در SC-MS کنترل شد. مبدل های فشار تنظیم شده برای ضبط هر 15 دقیقه در هر چاه نصب شدند و اندازه گیری دستی سطح آب ماهانه برای اطمینان از صحت داده های مبدل ثبت شد.

برای اندازه گیری میزان رطوبت خاک در هر مکان در هر دو سایت از دستگاه سنجش رطوبت خاک Troxler 4300 استفاده شد. رطوبت سنج نوترونی از یک پلت رادیواکتیو Americium-241 / Beryllium استفاده می کند که نوترون های پرانرژی را ساطع می کند، که با مولکول های آب در ستون خاک تعامل دارند. نوترون های پروب وارد ستون خاک می شوند و با هیدروژن موجود در آب به تعادل گرمایی می رسند. نوترون های گرم شده وارد آشکارساز می شوند و به عنوان شمارش ثبت می شوند. با استفاده از کالیبراسیون کارخانه، تعداد شناسایی شده به قرائت دقیق رطوبت خاک برای هر عمق تبدیل می شود. مقدار آب به صورت درصد آب از نظر جرم درون خاک داده می شود که نشان می دهد آب در ستون نگه داشته شده است. یک دقیقه قرائت با افزایش 0.3 متری در گمانه های پروب نوترونی واقع در تراسهای کم و زیاد در SC-WW انجام شد. رطوبت سنج خاک Troxler 4300 در کالیبراسیون کارخانه برای زمان شمارش یک دقیقه با دقت ± 0.024 گرم در سانتی متر مکعب است.

سطح مقطع جریان ماهانه اندازه گیری شد. برای اندازه گیری ارتفاع، یک مبدل فشار به عمق 10 سانتی متر درون جریان قرار گرفت که برای محاسبه تخلیه جریان استفاده شد. در اکتبر سال 2017 یک آفت بزرگ در بستر جریانی که تجهیزات ما در آن قرار گرفته بود ایجاد شده بود و مبدل باید به جایی منتقل می شد که بتواند به سازه گابیون در ضلع شرقی رودخانه محکم شود. شرایط جریان در طول دوره مطالعه در طول بازدیدهای ماهانه مشاهده شد. Sandy Creek فقط در حین یا بلافاصله پس از یک رویداد بارانی آب جاری دارد و فقط در یک بازدید از سایت جریان آب در جریان مشاهده شده است. جریان مشاهده شده توسط مبدل ثبت شد و با ارتفاع مرحله ای که به صورت دستی با استفاده از نوار اندازه گیری شد همبستگی داشت. شیب جریان در سفرهای ماهانه با بررسی بالادست و پایین دست از خوشه ابزار اندازه گیری شد.

توصیف خاک در تراس های کم و زیاد از نمونه های بدست آمده از گمانه های پروب نوترون و یک چاه پایش انجام شده است. چاه نظارت در SC-WW در اواخر ماه مه 2017 در تراس مرتفع تا عمق 15.24 متر نصب شد، اما متأسفانه منجر به مشکلات زهکشی شد و باید برداشته شود. این نصب اطلاعات مفصلی در مورد چینه نگاری زیر سطح و مبدل موجود در داده های تهیه شده از جدول آب از اکتبر 2017 تا سپتامبر 2018 ارائه داد. چاه کنترل متروکه ای که در تراس مرتفع SC-WW نصب شده بود، داده های سطح آب کافی برای نشان دادن آب زیرزمینی را فراهم می کرد. یک متر از جریان. داده های سطح آب به دست آمده قبل از حذف اجازه نصب پیزومتر 3.35 متری را در تراس کم داد. تراس کم 1.5 متر بالاتر از بستر جریان است و در طول ارتفاع بانکها توسط kudzu پوشانده شده و برای نصب ابزارها بریده شده است. از گمانه های پروب نوترون با افزایش عمق 0.3 متری تا عمق کلی 3.0 متر نمونه برداری شد تا بافت خاک در هر سایت تجزیه و تحلیل شود.

پروژه تعیین دقیق تغذیه مجدد آبخوان - بخش دوم

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