اتمسفر، سطح زمین و زیرزمین، سه بخش اصلی چرخهٔ آب را تشکیل می‌دهند و با درک ذخیره و جریان آب در هر یک از این بخش‌ها می‌توان شناخت کامل‌تری نسبت به بیلان آب پیدا کرد. به عبارت دیگر، در هر یک از بخش‌های چرخهٔ آب، جریان‌ها و ذخایر آب متفاوت است و هدف اصلی بیلان آب در یک واحد حسابداری بخصوص این است که بتواند اجزای این ذخایر و جریان‌ها را شفاف کند. سازمان زمین‌شناسی آمریکا اجزای اصلی چرخه آب را به این صورت تقسیم‌بندی می‌کند:

آب در اتمسفر

در هر لحظه، اتمسفر بخش ناچیزی از آب کرهٔ زمین را در خود نگاه می‌دارد. اما همین بخش ناچیز، نقشی بسیار کلیدی در کل چرخهٔ آب کرهٔ زمین را ایفا می‌نماید. آب به صورت بخار از زمین و سطح دریا بلند می‌شود و به اتمسفر وارد می‌گردد و مجدد بخار متراکم می‌شود و به صورت آب به زمین و اقیانوس بازمی‌گردد. یک مولکول آب می‌تواند از یک موقعیت جغرافیایی بخصوص وارد اتمسفر شده و در جای دیگری به سطح کرهٔ زمین بازگردد. به همین دلیل اتمسفر نقشی بسیار بزرگ در توزیع آب را ایفا می‌کند و از نقاط پرآب (عموماً اقیانوس‌ها) آب را گرفته و در نقاط کم آب (عموماً سطح خشکی) فرود می‌آورد. جابجایی آب در اتمسفر تحت تأثیر گرادیان‌های (شیب‌های) فشار، دما و رطوبت قرار دارد. به عبارت دیگر، آب در اتمسفر به دلیل اختلاف فشار و دما و رطوبت جابجا می‌شود و در علوم هواشناسی، این پدیده‌ها برای پیش‌بینی حرکت آب و بارندگی مورد بررسی و محاسبه قرار می‌گیرند.

آب در خشکی

آب در خشکی به صورت مایع و جامد پراکنده‌است و گاه به صورت برف و یخ برخی نقاط را پوشش می‌دهد و گاه به شکل آب مایع در دریاچه‌ها و ذخایر آب سطحی (بندها و سدها) ساکن می‌شود یا در رودخانه‌ها و آبراهه‌ها جاری می‌گردد.

برف و یخ یکی از اجزای آب در خشکی هستند. بخش اعظم آب شیرین بر روی سطح کرهٔ زمین، در قالب یخچال‌های طبیعی ذخیره شده‌اند. پوشش‌های برفی که از طریق گرما ذوب می‌شوند و به جریان‌های آب منتهی می‌گردند، بخش اصلی آب برای نیازهای انسان‌ها و حتی اکوسیستم‌ها را تأمین می‌کنند. برف‌ها و یخ‌ها ممکن است مستقیماً تبخیر شده (تصعید) یا بعد از ذوب شدن به زمین نفوذ کنند یا مستقیماً در آبراهه‌ها و رودخانه‌ها جاری گردند. به‌طور کلی، برآورد ذخایر آب برفی فصلی (یعنی پوشش‌های برف و یخی در ارتفاعات که تنها در مدت محدودی از یک سال ظاهر و سپس ناپدید می‌شوند) توسط پیمایش‌های مستقیم و با اندازه‌گیری مساحت و عمق پوشش برفی و میزان آبدار بودن آن انجام می‌گیرد. البته اخیراً توسعهٔ فناوری‌های تصویربرداری (ماهواره‌ای و هوایی) توانسته تا توان بشر برای اندازه‌گیری ذخایر برفی فصلی را بسیار بهبود ببخشد؛ ولی به‌طور کلی، به دلیل محدودیت‌های مالی و فناوری در بسیاری از کشورها، اندازه‌گیری ذخایر آب در پوشش‌های برفی فصلی با دقت انجام نمی‌گیرد.

دریاچه‌ها و تالاب‌ها یکی دیگر از اجزای این بخش از چرخهٔ آب هستند که به‌طور متوسط حجم آب در آنها (شامل آب شور و شیرین) ۲۲۹ هزار میلیارد مترمکعب است. به‌طور کلی این بدنه‌های آبی، با اتمسفر، بخش زیرزمینی و سایر بدنه‌های آبی سطحی در ارتباط هستند و از آنها تغذیه شده یا آنها را تغذیه می‌کنند. آنها آب را از طریق بارندگی، جریان‌های سطحی و حتی زیرزمینی دریافت می‌کنند و آب را به صورت جریان‌های سطحی یا زیرزمینی و همین‌طور تبخیر از خود تخلیه می‌کنند. البته این جریان‌ها در تمامی دریاچه‌ها به‌طور کامل انجام نمی‌شود، بعبارت دیگر برخی صرفاً از طریق تبخیر یا جریان زیرزمینی تخلیه می‌شوند و لزوماً یک دریاچه به تمامی اشکال مزبور، تخلیه یا تغذیه نمی‌شود. به‌طور کلی اندازه‌گیری ذخایر آب در دریاچه‌ها از طریق محاسبهٔ حجم ذخیرهٔ دریاچه انجام می‌گیرد و برای اینکار لازم است تا تراز یا ارتفاع آب در دریاچه و سطح آب اندازه‌گیری شود. البته به دلیل اینکه دریاچه‌ها معمولاً شکل هندسی منظمی ندارند، لازم است تا شکل هندسی کف دریاچه از طریق روش‌های مختلف نقشه‌برداری، برآورد گردد. به همین دلیل، در زمانی که شکل هندسی کف دریاچه به‌طور دقیق اندازه‌گیری نشده باشد، صرفاً با تراز آب و سطح دریاچه نمی‌توان برآورد دقیقی از حجم ذخیرهٔ آب در دریاچه را تولید کرد.

جریان‌ها در رودخانه‌ها و آبراهه‌ها جزء دیگر این بخش از چرخهٔ آب را تشکیل می‌دهند. به‌طور کلی حجم آب در این بخش بسیار ناچیز است (به‌طور متوسط حدود ۱۲۵۰ میلیارد مترمکعب)، لذا در مقایسه با حجم کل آب در کرهٔ زمین این میزان بسیار اندک است. کارکرد اصلی این جزء از چرخهٔ آب در جابجا کردن آب از ارتفاعات به مناطق پست و نهایتاً اقیانوس‌هاست. کارکرد دیگر آنها، تبادل آب از سطح زمین به زیر زمین و بالعکس است. بعبارت دیگر، آب در رودخانه‌ها و آبراهه‌ها جابجا شده و بخشی از آن در یک نقطه بنابر خصوصیات زمین‌شناسی به زمین نفوذ می‌کند و در جای دیگر، به دلایل بالا بودن سطح آب زیرزمینی به رودخانه و آبراهه‌ها تغذیه می‌گردد. رودخانه‌ها و آبراهه‌ها می‌توانند از بدنه‌های آبی سطحی (برف و یخ و دریاچه‌ها)، رواناب‌های حاصل از بارندگی و همین‌طور آب زیرزمینی تغذیه گردند. همچنین در مسیر خود، آبراهه‌ها و رودخانه‌ها می‌توانند بخشی یا تمام آب خود را به بدنه‌های آب سطحی و زیرزمینی یا حتی اتمسفر تخلیه کنند. برخی از آنها بسیار کوچک هستند و معمولاً به‌طور موقت بعد از بارندگی‌ها شکل می‌گیرند و برخی دیگر مانند آمازون، میسیسیپی، ولگا، نیل و مکونگ بسیار عظیم‌الجثه هستند و حتی از مرز چندین کشور عبور می‌کنند. رودخانه به دلیل اینکه در یک بستر مشخص و در دسترس جریان دارد، به لحاظ اندازه‌گیری بسیار مناسب‌تر است و در بسیاری از مواقع می‌توان جریان آب در رودخانه‌ها را با دقت بسیار خوبی برآورد کرد. میزان جریان آب را می‌توان از طریق محاسبهٔ مقطع رودخانه (مساحت کانال آب) و سرعت حرکت آب مشخص کرد. برای اندازه‌گیری سرعت آب امروزه از دستگاه‌های آسان‌کاربردی استفاده می‌شود که به نسبت روش‌های قدیمی با دقت و همین‌طور هزینهٔ کمتری قابل انجام است. البته روش‌های بسیار متعددی برای محاسبهٔ جریان آب در رودخانه وجود دارد و بسته به دقت پتانسیل آن روش و نگاهداری از ادوات مربوطه، می‌توان جریان آب رودخانه را به شکلی مناسب محاسبه کرد. برخی روش‌ها این امکان را فراهم می‌آورند تا بتوان به صورت پیوسته، جریان آب را اندازه‌گیری کرد و برخی دیگر، صرفاً امکان اندازه‌گیری به صورت گسسته (مثلاً در مقاطع چند ساعت یا چند روز یکبار) را فراهم می‌آورند. کشورهای پیشرفته، به‌طور معمول با استفاده از ادوات مکانیزه و نگاهداری مستمر از آنها، اطلاعات بسیار دقیق و پیوسته‌ای از جریان آب در رودخانه‌ها را ثبت می‌کنند.

آب در زیرزمین

آخرین بخش اصلی چرخهٔ آب، یعنی ذخایر آب در زیرزمین، در لایهٔ فوقانی پوستهٔ کرهٔ زمین و در خلل و فرج و شکاف‌های موجود جای گرفته‌اند. این ذخایر به دلیل پخش شدن در زیر دشت‌ها و اراضی قابل سکونت، به عنوان مخازن اصلی آب شیرین قابل استحصال به حساب می‌آیند. به‌طور کلی، در مقیاس کل کرهٔ زمین، تغییرات در ذخیره آب زیرزمینی ناچیز است اما در مقیاس‌های خرد ممکن است بسیار زیاد باشد. برای مثال تراز آب زیرزمینی در San Joaquin Valley در بین سال‌های ۱۹۲۰ تا ۱۹۷۰ به دلیل پمپاژ آب زیرزمینی، حدود ۱۰۰ متر افت داشته‌است. نکتهٔ مهم در رابطه با افت سطح آب زیرزمینی این است که با خالی شدن خلل و فرج‌های خاک و شکاف‌ها از آب، پدیدهٔ فرونشست یا فروچاله رخ می‌دهد و بسیاری از تأسیسات و سرمایه‌گذاری‌ها را به خطر می‌اندازد. به‌طور کلی، به دلیل اینکه فضای زیرزمین ناشناخته است و عوامل بسیاری زیادی در زیرزمین ممکن است بر جریان آب تأثیر بگذارند، برآورد میزان جریان و ذخیرهٔ آب زیرزمینی بسیار دشوار است و دقت آن معمولاً قابل مقایسه با دقت اندازه‌گیری‌ها در ذخایر آب سطحی نیست.

ذخایر آب زیرزمینی را می‌توان در دو بخش تقسیم کرد. یک بخش از ذخایر آب زیرزمینی در لایه‌های غیراشباع آب قرار دارند. لایهٔ غیر اشباع یعنی لایه‌ای از زیرزمین که در آن آب به‌طور کامل خلل و فرج و شکاف‌ها را پر نکرده و بخش دیگری از این فضاهای خالی توسط هوا پر شده‌است. بخش دوم ذخایر آب زیرزمینی که حجم اعظم منابع آب زیرزمینی را در خود جای می‌دهد، در لایهٔ اشباع قرار می‌گیرد. قواعد و روابط حاکم بر هر یک از این دو بخش متفاوت است و از طرف دیگر، به دلیل ناهمگنی بالا در محیط‌های آنها و وجود لایه‌های مختلف با نفوذپذیری متفاوت، اندازه‌گیری جریان آب در آنها بسیار دشوار و پرهزینه است. به شکلی ساده می‌توان گفت، آب زیرزمینی تحت تأثیر گرانش زمین و اختلاف تراز به حرکت در می‌آید و می‌تواند از نفوذ آب (از لایه‌های بالاتر غیراشباع و سطح زمین یا جدارهٔ بدنه‌های آب سطحی) و جریان آب زیرزمینی در جهت اختلاف فشار (از فشار بیشتر به فشار کمتر، از تراز بالاتر به تراز پایین‌تر) تغذیه شده و از طریق برداشت‌های طبیعی (چشمه یا تغذیهٔ بدنه‌های آب سطحی) و انسانی (مانند چاه و قنات) تخلیه گردد. لزوماً همیشه سرعت حرکت آب‌های زیرزمینی پایین نیست و در برخی از مناطق به دلیل خاصیت لایه‌های زمین، جریان آب باعث حل شدن صخره‌ها و ایجاد شکاف‌های بزرگ می‌شود و جریان‌های نسبتاً بزرگی را (مانند یک رودخانه) فراهم می‌آورد.

با پیشرفت فناوری‌ها، در اندازه‌گیری جریان‌های آب زیرزمینی و ذخایر زیرزمینی، به نسبت گذشته، پیشرفت‌های بزرگی حاصل شده‌است اما هنوز به دلیل هزینهٔ بالای این روش‌ها عموم کشورها به‌طور مناسبی از این فناوری‌ها استفاده نمی‌کنند. برآورد مؤلفه‌های بیلان آب زیرزمینی، شامل انواع ورودی‌ها و خروجی‌ها و همین‌طور ذخیرهٔ آب زیرزمینی عموماً با استفاده از تخمین‌های کلی انجام می‌گیرد و این تخمین‌ها ممکن است برآوردهای بسیار نادقیقی را از این ذخایر که بخش قابل توجهی از نیازهای انسان را تأمین می‌کنند بدست دهد. به‌طور مثال، برای برآورد جریان آب زیرزمینی از سطح زمین، لازم است تا اندازه‌گیری‌های بسیار گسترده‌ای در سطح یک آبخوان انجام شود تا مشخص شود که چه میزان از مصارف گستردهٔ آب مانند آبیاری یا حتی بارندگی بر روی سطح زمین می‌تواند نهایتاً به لایه‌های اشباع آب زیرزمینی نفوذ پیدا کند، به همین دلیل از ضرایب کلی برای برآورد تغذیه آب زیرزمینی از سطح زمین استفاده می‌شود که با تغییری اندک در این ضرایب، مقادیر تغذیه بسیار دگرگون خواهند شد. یا به عنوان مثال دیگر، برای برآورد جریان آب زیرزمینی، لازم است تا قابلیت انتقال آب (یعنی میزان آبی که در واحد زمان می‌توان از یک مقطع بخصوص عبور کند) به شکلی دقیق اندازه‌گیری شود، اما معمولاً به جای آن از مقادیر تخمینی استفاده می‌شود و با اندکی خطا در تخمین‌ها، میزان جریان آب بسیار تغییر خواهد کرد.

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