اگر به تصویر کره زمین دقت کنید، متوجه خواهید شد که بخش زیادی از سطح آن را آب تشکیل می‌دهد. به این آب، آب سطحی می‌گویند. آب‌های موجود در کره زمین، به آب‌های سطحی محدود نمی‌شوند. با رفتن به لایه‌های پایینی زمین نیز به آب خواهیم رسید. این آب با عنوان آب زیر زمینی شناخته می‌شود. آب های زیر زمینی، اهمیت بسیار بالایی در زندگی انسان‌ها داشته و روش‌های مختلفی نیز برای دسترسی به آن‌ها وجود دارد. حفر چاه، متداول‌ترین روش برای بهره‌برداری از آب زیر زمینی جهت مصارف آشامیدنی، کشاورزی و غیره است. در این مقاله، قصد داریم به تعریف آب های زیر زمینی و نحوه تشکیل آن‌ها بپردازیم. علاوه بر این، اهمیت، کاربرد و انواع آب های زیر زمینی را نیز مورد بررسی قرار می‌دهیم.

فهرست مطالب این نوشته

آب چیست ؟

آب، ماده‌ای بدون رنگ و بدون بو است که اهمیت بسیار بالایی در ادامه حیات موجودات زنده دارد. حدود 60 درصد از بدن انسان‌ها از آب تشکیل می‌شود. با توجه به دمای محیط، این ماده می‌تواند به یکی از حالت‌های مایع، جامد یا گاز درآید. البته مقدار زیادی از آب‌های روی زمین، حالت مایع دارند. حدود 71 درصد (بیشتر از دو سوم) از سطح زمین، توسط آب پوشیده شده است.

کره زمین و آب روی سطح آن

آب بر روی کره زمین به چه شکل هایی یافت می شود ؟

حالت آب، به دما و فشار محیط بستگی دارد. آب در کره زمین به شکل مایع (آب اقیانوس، دریا، دریاچه، رود)، جامد (یخ یا برف موجود در ارتفاعات، یخچال‌ها، نواحی سرد) و گاز (بخار حاصل از تبخیر، ابر و غیره) یافت می‌شود.

منابع آبی زمین چه هستند ؟

منابع آبی کره زمین، در سه گروه آب‌های سطحی، آب های زیر زمینی و آب باران قرار می‌گیرند. اقیانوس، دریا، خلیج‌ها، کلاهک‌های یخی، یخچال‌های طبیعی، برف‌های دائمی، آب زیر زمینی، رطوبت خاک، یخ‌های سطحی، خاک منجمد، دریاچه‌ها، اتمسفر (ابرها)، باتلاق، رود، آب‌های زیستی (آب درون موجودات زنده) و غیره، از منابع اصلی آب کره زمین به شمار می‌روند. درصد بسیاری زیادی از این آب‌ها، کاربرد محسوسی در زندگی ما ندارند. با این وجود، حضور آن‌ها در چرخه آب، اهمیت بسیار بالایی دارد.

سد
سدها، از سازه‌های مورد استفاده برای جمع‌آوری منابع آبی هستند.

آب‌های سطحی، بیش از 97 درصد از آب‌های زمین را به خود اختصاص می‌دهند. این آب‌ها، به دلیل دسترسی راحت‌تر، کاربردهای بیشتری نسبت به دیگر منابع آبی دارند. به عنوان مثال، انسان‌ها با احداث سد در مسیر رودخانه‌ها، این آب‌های سطحی را جمع‌آوری می‌کنند و آن‌ها را برای مقاصدی مانند تامین برق، تامین آب کشاورزی، تامین آب آشامیدنی، جلوگیری از سیل، احیای زمین، انحراف مسیر آب و ترابری مورد استفاده قرار ‌دهند. با وجود کاربرد گسترده و اهمیت منابع آب سطحی، انسان‌ها در بسیاری موارد به منابع آب زیرزمینی وابسته هستند.

آب های زیرزمینی چیست ؟

به آب‌هایی که در زیر سطح زمین حضور دارند، «آب زیرزمینی» (Groundwater) می‌گویند. این آب‌ها، بخشی از چرخه طبیعی آب محسوب می‌شوند. آب حاصل از بارش باران و برف، سرنوشت‌های متفاوتی دارد. مقداری از این آب، وارد جریان‌های سطحی نظیر رودها و دریاچه‌ها می‌شود. مقداری دیگر، سطح زمین را مرطوب می‌کند. مقداری توسط گیاهان مورد استفاده قرار می‌گیرد. مقداری نیز بخار می‌شود و دوباره به جو بازمی‌گردد.

نمایش آب های زیر زمینی و سطحی و سطح آب زیر زمینی
ناحیه غیر اشباع، سطح آب زیر زمینی و ناحیه اشباع، سه بخش اصلی برای تعریف نواحی دارای آب های زیر زمینی هستند.

سرنوشت آب حاصل از باران، به همینجا ختم نمی‌شود. بخشی از آب باران، به درون خاک نفوذ می‌کند تا به یک محیط سخت و غیرقابل نفوذ می‌رسد و در آنجا شروع تجمع و اشباع لایه‌های بالایی می‌کند. به این ترتیب، سطح آب بالای لایه سخت، بالا می‌آید. به سطح آب در بالای ناحیه اشباع، «سطح آب زیرزمینی» (Water Table) می‌گویند. تصویر بالا، علاوه بر سطح آب زیر زمینی، ناحیه اشباع (پایین سطح آب زیر زمینی) و ناحیه غیراشباع (بالای سطح آب زیر زمینی) را نیز نمایش می‌دهد.

تعریف آب زیرزمینی به زبان ساده

مقداری از آب باران و برف در زمین فرو می‌رود. وقتی این آب به سنگ‌ها یا خاک رس برسد، در بالای آن جمع می‌شود. این آب را آب زیرزمینی می‌نامند. این تعریف در کتاب‌های دبستان به‌ویژه سوم دبستان کاربرد دارد.

اهمیت آب های زیر زمینی در چیست ؟

آب های زیر زمینی، حدود 30 درصد از منابع آب آشامیدنی را در خود جای می‌دهند. حدود 69 درصد از منابع آب قابل شرب زمین، درون یخچال‌ها و برف کوهستان‌ها قرار دارند. کمتر از 1 درصد از این منابع نیز در رودها و دریاچه‌ها یافت می‌شوند. تامین آب آشامیدنی از یخچال‌ها، کار ساده‌ای نیست. از این‌رو، بهره‌برداری از آب‌های زیر زمینی و رودها، در اولویت قرار می‌گیرد. به طور میانگین، حدود یک‌سوم آب شرب مصرفی انسان‌ها، از طریق منابع آب زیر زمینی تامین می‌شود. در برخی از نقاط دنیا، این نسبت به 100 درصد می‌رسد.

بیرون کشیدن آب زیر زمینی از درون چاه
حفر چاه، متداول‌ترین روش برای دسترسی و بهره‌برداری از آب های زیر زمینی است.

آب های زیر زمینی، یکی از مهمترین منابع طبیعی محسوب می‌شوند. این منابع، تاثیر قابل توجهی بر روی اقتصاد یک کشور دارند. آب‌های زیر زمینی به عنوان منبع اصلی آب در کشاورزی و صنایع غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. حدود 70 درصد از مصرف آب در دنیا، به آبیاری و کشاورزی اختصاص می‌یابد. نزدیک به 43 درصد از این 70 درصد، توسط آب های زیر زمینی تامین می‌شود.

چرخه آب چیست ؟

چرخه آب، حرکت پیوسته آب بین زمین و اتمسفر است. این چرخه، محل قرارگیری آب و نحوه حرکت آن در محل‌ها را نمایش می‌دهد. آب، در اتمسفر، بر روی سطح زمین و زیر زمین حضور دارد. افزایش دما، باعث تبخیر آب‌های روی زمین و تغییر حالت آن‌ها از مایع به گاز می‌شود. آب تبخیر شده، پس از مدتی متراکم و سرد می‌شود و به شکل ابر درمی‌آید. در نهایت، با کاهش دمای ابرها، آب تشکیل‌دهنده آن‌ها به شکل باران و برف مجدد به زمین بازمی‌گردد.

چرخه آب

آب باران یا بر روی سطح جاری می‌شود و به منابع آب سطحی می‌پیوندد یا به درون خاک نفوذ کرده و سفره‌های آب زیر زمینی را پر می‌کند. آب های زیر زمینی، از طریق مسیرهای مختلف (حفره‌های درون خاک، شکستگی‌های درون سنگ و غیره) به رودها، اقیانوس‌ها می‌ریزند. به علاوه، این آب‌ها به شکل چشمه نیز به سطح زمین بازمی‌گردند. سپس، طی فرآیند تبخیر، همراه با آب‌های سطحی دوباره وارد چرخه آب می‌شوند.

مطلب پیشنهادی:
چرخه آب — از صفر تا صد
شروع مطالعه

آب زیر زمینی چگونه تشکیل می شود ؟

خاک، لایه بالایی پوسته زمین و ماده‌ای متشکل از ذرات جامد آلی و غیرآلی است. آرایش ذرات جامد تشکیل‌دهنده خاک، باعث به وجود آمدن شبکه‌ای از حفره‌های توخالی در ساختار آن می‌شود. به این ویژگی خاک، تخلخل می‌گویند. تصویر زیر، ساختار متخلخل خاک را نمایش می‌دهد.

تخلخل خاک
حفره‌های درون خاک

اگر حفره‌های خاک/سنگ به یکدیگر متصل بوده و قابلیت جذب و انتقال آب را داشته باشند، تخلخل خاک/سنگ از نوع موثر یا مفید بوده و در غیر اینصورت، خاک/سنگ دارای تخلخل غیرموثر یا غیرمفید است. در هنگام بارش باران یا در نواحی نزدیک به جریان‌های سطحی، آب به درون حفره‌های خاک نفوذ می‌کند. در صورت موثر بودن تخلخل، آب از طریق مسیر حفره‌ها به سمت لایه‌های زیرین حرکت می‌کند.

تشکیل آب های زیر زمینی

زمین، از لایه‌های مختلف خاک و سنگ تشکیل می‌شود. برخلاف خاک، ساختار سنگ متخلخل نبوده یا دارای تخلخل مفید نیست. البته درز و شکاف‌های موجود در برخی از سنگ‌ها، مسیر انتقال آب به نواحی دیگر را فراهم می‌کنند. به هر حال، آب درون حفره‌های خاک یا شکاف سنگ‌ها، با رسیدن به لایه‌های سخت و نفوذناپذیر، متوقف می‌شود. این لایه می‌تواند سنگ، رس یا هر محیط نفوذناپذیر دیگری باشد. به این ترتیب، سطح آب به مرور زمان بالا می‌آید. به آب جمع شده در بالای لایه‌های سخت اعماق زمین، سفره آب زیرزمینی یا «آبخوان» (Aquifer) می‌گوییم.

سفره آب زیر زمینی یا آبخوان

عوامل موثر در تشکیل آب های زیر زمینی چه هستند ؟

جاذبه، اولین عامل در تشکیل آب های زیر زمینی است. بدون جاذبه، امکان حرکت آب به لایه‌های پایین‌تر وجود نخواهد داشت. دومین عامل موثر بر تشکیل سفره‌های آب زیر زمینی، سنگ بستر است. پوسته زمین، از لایه‌های مختلف با درصد تخلخل و میزان نفوذپذیری مختلف تشکیل می‌شود. اگر تمام لایه‌های پوسته زمین از سنگ‌های سخت مانند گرانیت تشکیل شده بود، حتی جاذبه نمی‌توانست آب را به اعماق زمین هدایت کند.

آب های زیر زمینی در نواحی کارستی
حل شدن لایه‌های آهکی زمین و ایجاد مسیر و محل تشکیل آب های زیر زمینی

در واقعیت، سنگ‌های پوسته زمین، به مرور هوازده و خرد می‌شوند و محیط‌های متخلخل (خاک) را به وجود می‌آورند. به این ترتیب، فضا و مسیر مورد نیاز برای حرکت آب به اعماق زمین فراهم می‌شود. برخی از سنگ‌های درون زمین مانند سنگ آهگ، در آب حل می‌شوند. اگر سنگ بستر از این نوع سنگ‌ها تشکیل شده باشد، به مرور زمان، لایه سخت از بین می‌رود و یک فضای بزرگ برای تجمع آب به وجود می‌آید. به این ترتیب، عوامل موثر بر تشکیل آب های زیر زمینی را می‌توانیم به موارد زیر تقسیم کنیم:

  • جاذبه
  • میزان و نوع تخلخل لایه‌های در تماس با آب
  • نوع سنگ بستر

لایه‌های مختلف زمین، یکی از عوامل موثر بر نحوه تشکیل انواع آب های زیر زمینی هستند. در بخش بعدی، به بررسی این مبحث می‌پردازیم.

آب های زیر زمینی چه ویژگی هایی دارند ؟

آب های زیر زمینی، تقریبا در زیر تمام مناطق پوسته زمین حضور دارند. اگر به اعماق تپه‌ها، کوه‌ها، دشت‌ها و حتی مناطق کویری برویم، احتمالا به آب می‌رسیم. آب‌های زیرزمینی، معمولا رنگ و بویی ندارند. ترکیب شیمیایی و دمای آن‌ها نسبتا ثابت و میزان آلودگی موجود در آن‌ها نسبت به آب‌های سطحی کمتر است. از متداول‌ترین املاح موجود در آب های زیر زمینی می‌توان به سدیم، کلسیم، منیزیم، پتاسیم، کلرید، بی‌کربنات و گوگرد اشاره کرد. از این میان، کلسیم و منیزیم از اهمیت بیشتری برخودارند. از دیگر ویژگی‌های آب‌های زیر زمینی در نواحی مختلف می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • عمق رسیدن به آب در نواحی مختلف متفاوت است.
  • دسترسی به آب های زیر زمینی همیشه ساده نیست.
  • آب‌های زیر زمینی همیشه شیرین نیستند و در برخی از موارد نیاز به تصفیه دارند.
  •  تعیین موقعیت قرارگیری ذخایر آب زیر زمینی و تخمین حجم این ذخایر در برخی از موارد دشوار است.
  • آب های زیر زمینی عمق ثابتی ندارند و می‌توانند در نزدیکی سطح (مانند مرداب‌ها) یا چند کیلومتر زیر سطح قرار داشته باشند.
  • عمر آب‌های زیر زمینی نزدیک به سطح می‌‌تواند بین چند ساعت تا چند ده سال باشد. سقف این عمر برای آب های زیر زمینی عمیق تا چند هزار سال می‌رسد.

انواع آب های زیر زمینی چه هستند ؟

در بسیاری از نواحی، مخصوصا نواحی متشکل از سنگ‌های رسوبی، مقطع زمین، از چندین لایه تشکیل می‌شود. تخلخل و نفوذپذیری این لایه‌ها با یکدیگر تفاوت دارد. بنابراین، با گذشت زمان و تشکیل لایه‌های مختلف، امکان تجمع آب های زیر زمینی بین آن‌ها وجود خواهد داشت. آب‌های زیر زمینی، بر اساس شرایط لایه‌های اطراف خود، به دو نوع آب‌ زیر زمینی آزاد یا «آبخوان محصور نشده» (Unconfined Aquifer) و آب زیر زمینی تحت فشار یا «آبخوان محصور شده» (Confined Aquifer) تقسیم می‌شوند. تصویر زیر، این دو نوع آب زیر زمینی را نمایش می‌دهد.

انواع آب های زیر زمینی

جدول زیر، مقایسه بین مشخصات آب های زیر زمینی محصور نشده و محصور شده است.

مشخصات آب زیر زمینی محصور نشده آب زیر زمینی محصور شده
نام دیگر آبخوان آزاد آبخوان تحت فشار یا آرتزین
تعریف آب‌های زیرزمینی با لایه‌های نفوذپذیر در سطوح بالایی آب‌های زیر زمینی محصور شده توسط لایه‌های نفوذناپذیر سنگ یا رس از بالا و پایین
نحوه تشکیل نفوذ آب باران و آب‌های سطحی به درون خاک از طریق مواد متخلخل و نفوذپذیر تراوش آب بین لایه‌های نفوذناپذیر بر اثر تاثیر تدریجی فشار و جاذبه
فاصله تا سطح زمین اعماق نزدیک به سطح زمین اعماق زیاد و دور از سطح زمین
آلودگی خطر بالای آلودگی توسط منابع خارجی نظیر رودها و فعالیت‌های انسانی مانند نشت فاضلاب، آفت‌کش‌ها و کودهای شیمیایی ایمن از آلودگی‌های موجود بر روی سطح زمین
نرخ تغذیه سرعت نسبتا بالا با وجود طولانی بودن زمان تغذیه زمان تغذیه بسیار طولانی
لایه‌های اطراف لایه دارای نفوذپذیری پایین در بالا و لایه نفوذناپذیر در پایین یک لایه نفوذناپذیر در بالا و یک لایه نفوذناپذیر در پایین
دبی نرخ جریان بالا نرخ جریان پایین
هدایت هیدرولیکی نسبتا بالا نسبتا پایین
قابلیت ذخیره‌سازی بیشتر از 0/01 بسیار کمتر از 0/01

اصطلاحات مربوط به آب های زیر زمینی

در مبحث آب های زیر زمینی، اصطلاحات تخصصی وجود دارند که در این بخش به تعریف آن‌ها خواهیم پرداخت.

تغذیه آب زیر زمینی چیست ؟

«تغذیه» (Recharge)، فرآیندی است که طی آن، آب‌های سطحی یا باران به درون خاک نفوذ می‌کنند تا به سطح آب زیر زمینی برسند. تغذیه، اصلی‌ترین فرآیند ورود آب به آبخوان‌ها و تشکیل سفره‌های آب زیر زمینی است. این فرآیند، به دو روش طبیعی و یا مصنوعی انجام می‌گیرد:

  • تغذیه طبیعی آب های زیر زمینی: آب حاصل از بارندگی (باران، ذوب برف) و جذب آب‌های سطحی (رود و دریاچه)
  • تغذیه مصنوعی آب های زیر زمینی: انتقال آب از طریق کانال، حوضه‌های آبریز یا آبگیرها به چرخه تغذیه، استفاده از سیستم‌های آبیاری پیشرفته برای برداشت و هدایت مستقیم آب‌های سطحی به درون چاه‌های تغذیه

تغذیه آب های زیر زمینی، به تخلخل/نفوذپذیری خاک، ظرفیت جذب، نرخ بارندگی، تغییرات اقلیمی و نوع پوشش گیاهی منطقه بستگی دارد.

قابلیت ذخیره سازی آبخوان چیست ؟

«قابلیت ذخیره‌سازی» (Storativity) یا «ضریب ذخیره‌سازی» (Storage Coefficient)، شاخصی است که میزان آب هدایت شده به چاه‌ها بر اثر فشار آبخوان را نمایش می‌دهد. این معیار، معمولا، برای ارزیابی ظرفیت آبخوان‌های تحت فشار مورد استفاده قرار می‌گیرد. هنگام حفر چاه در این نوع آبخوان‌ها، اختلاف فشار بین سطح آزاد با ناحیه محصور شده، باعث تخلیه آب و کاهش فشار سفره آب زیر زمینی می‌شود. قابلیت ذخیره‌سازی، از دو جهت اهمیت دارد:

  1. قابلیت ذخیره‌سازی، آب برداشت شده یا استخراج شده ناشی از فشار آبخوان را نمایش می‌دهد.
  2. قابلیت ذخیره‌سازی، بر روی نرخ کاهش سطح آب چاه در اوایل بهره‌برداری تاثیر می‌گذارد. این موضوع، برای محاسبه نرخ پمپاژ مناسب/پایدار، مدیریت منابع آب زیر زمینی و انتخاب پمپ مناسب مهم است.

هدایت هیدرولیکی چیست ؟

«هدایت هیدرولیکی» (Hydraulic Conductivity)، معیاری برای نمایش میزان سهولت حرکت سیالات در محیط‌های متخلخل و خرد شده است. این مشخصه با نفوذپذیری تفاوت دارد؛ چراکه برخلاف هدایت هیدرولیکی، نفوذپذیری، فقط برای مواد متخلخل تعریف می‌شود و نوع سیال را در نظر نمی‌گیرد. هدایت هیدرولیکی، با توجه به تخلخل، چگالی و ویسکوزیته سیال به دست می‌آید.

تراوش آب زیر زمینی چیست ؟

«تراوش» (Percolation)، فرآیند حرکت رو به پایین آب از درون لایه‌های خاک بر اثر نیروی جاذبه و اثر مویینگی است. این فرآیند برای پر کردن مجدد آبخوان‌ها اهمیت دارد. سرعت حرکت آب از درون لایه‌های مختلف خاک به سمت آبخوان‌ها با عنوان «نرخ تراوش» (Percolation Rate) شناخته می‌شود. در برخی از موارد، تغذیه مصنوعی سفره‌های آب زیر زمینی، توسط سازه‌هایی با عنوان «مخزن تراوش» (Percolation Tank) انجام می‌گیرد.

مخزن تراوش آب زیر زمینی

هیدروژئولوژی چیست ؟

مهندسی آب های زیر زمینی، آب‌زمین‌شناسی یا «هیدروژئولوژی» (Hydrogeology)، علم مطالعه توزیع، جریان و کیفیت آب های زیر زمینی است. این علم، یکی از شاخه‌های زمین‌شناسی محسوب می‌شود. مستندسازی و کمی‌سازی مشخصات آب‌های ذخیره شده در آبخوان‌ها و برخی از سیستم‌های سطحی توسط کارشناسان هیدروژئولوژی صورت می‌گیرد.

مقایسه آب های زیر زمینی با دیگر منابع آبی

کره زمین، منابع آبی متعددی دارد. آب های زیر زمینی، یکی از مهم‌ترین این منابع محسوب می‌شوند. جدول زیر منابع آبی زمین و فراوانی آن‌ها را نمایش می‌دهد. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، آب های زیر زمینی، سومین منبع آب و دومین منبع آب شیرین هستند.

منبع آب حجم به کیلومتر مکعب فراوانی بر حسب درصد
اقیانوس، دریا و خلیج 1,338,000,000 96/54
کلاهک‌های یخی، یخچال‌های طبیعی و برف‌های دائمی 24,064,000 1/74
آب های زیر زمینی 5,614,000

(2,526,000 آب شیرین و 3,088,000 آب شور)

1/69
رطوبت خاک 16,500 0/001
یخ‌های سطحی و خاک منجمد 300,000 0/022
دریاچه 176,400

(91,000 آب شیرین و 85,400 آب شور)

0/013
اتمسفر 12,900 0/001
باتلاق 11,470 0/0008
رود 2,120 0/0002
آب‌های زیستی (درون موجودات زنده) 1,120 0/0001

آب‌های زیرزمینی تنها 1/74 درصد از منابع آبی کره زمین را به خود اختصاص می‌دهند. با این وجود، حجم این آب‌ها، چند صد برابر آب دریاچه‌ها و رودهایی است که انسان‌ها به عنوان یکی از منابع مهم آب آشامیدنی یا کشاورزی از آن‌ها استفاده می‌کنند. به طور کلی، حدود 69 درصد از آب شیرین کره زمین، در کلاهک‌های یخی، یخچال‌های طبیعی و برف‌های دائمی قرار دارند. آب های زیر زمینی حدود 30 درصد از منابع آب شیرین را در خود جای می‌دهند. دریاچه‌ها و رودها نیز تنها از حدود 0/26 درصد از آب شیرین تشکیل می‌شوند.

یخچال های طبیعی
یخچال‌های طبیعی، بزرگ‌ترین منابع آب شیرین کره زمین هستند.

با وجود اینکه کلاهک‌های یخی، یخچال‌های طبیعی و برف‌های دائمی، دومین منبع آبی و بزرگ‌ترین منبع دربرگیرنده آب شیرین در کره زمین هستند، تامین آب شیرین از آن‌ها نیاز به صرف هزینه‌های بالا و مواجهه با خطرات زیادی است. بنابراین، آب های زیر زمینی، دریاچه‌ها و رودها، در اولویت بهره‌برداری قرار می‌گیرند. آب‌های زیرزمینی، حدود 115 برابر بیشتر از دریاچه‌ها و رودها، آب شیرین دارند. با این وجود، دسترسی به آن‌ها در اغلب موارد نیازمند صرف هزینه (حفاری چاه، تجهیزات استخراج و غیره) است.

روش های اکتشاف و استخراج آب های زیر زمینی

آب‌های موجود در آبخوان‌ها، طی مسیرهای مختلف خود را به سطح زمین می‌رسانند. بخشی از این آب‌ها، به طور طبیعی و از طریق چشمه‌ها از اعماق خارج شده و بخشی از آن‌ها نیز در رودها تخلیه می‌شود. با این وجود، متداول‌ترین روش استخراج آب های زیر زمینی به سطح، حفر چاه است. چاه‌ها، سازه‌هایی هستند که با حفر زمین تا اعماق دربرگیرنده آبخوان و به منظور دسترسی به آب های زیر زمینی برای مصارف مختلف ایجاد می‌شوند.

انواع چاه دسترسی به آب های زیر زمینی بر اساس عمق

حفر چاه‌ها در شکل‌ها و ابعاد مختلف صورت می‌گیرد. شکل و ابعاد هر چاه، به جنس زمین، عمق آبخوان و میزان آب قابل استخراج بستگی دارد. انواع چاه‌ها به سه نوع اصلی زیر تقسیم می‌شوند:

  • چاه‌های کم‌عمق: حفر این چاه‌ها، برای دسترسی به آبخوان‌های نزدیک به سطح زمین صورت می‌گیرد. چاه‌های کم‌عمق، برای استفاده در نواحی مسکونی خارج از شهر و مصارف خانگی کاربرد دارند.
  • چاه‌های متوسط: چاه‌های متوسط، هم در آبخوان‌های کم‌عمق و هم در آبخوان‌های عمیق حفر می‌شوند. این چاه‌ها می‌توانند برای مصارف خانگی، کشاورزی و صنعتی مورد استفاده قرار گیرند.
  • چاه‌های عمیق: چاه‌های عمیق، به منظور دسترسی به آبخوان‌های عمیق و تامین آب برای مصارف عمومی، کشاورزی و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

آب درون اغلب چاه‌ها، توسط پمپ به سطح زمین منتقل می‌شوند. با این وجود، چاه‌های آرتزین نیازی به پمپ ندارند. در این چاه‌ها، فشار طبیعی محیط اطراف به قدری زیاد است که آب را به سمت بیرون هدایت می‌کند.به غیر از چاه‌های آرتزین، آب درون باقی چاه‌ها توسط تجهیزات مخصوص نظیر پمپ، وکیوم و غیره استخراج می‌شود. از دیگر سازه‌های معروف برای دسترسی و استخراج آب های زیر زمینی می‌توان به قنات اشاره کرد. در بخش‌های بعدی، ویژگی‌های این سازه‌ها را به طور مختصر توضیح می‌دهیم.

روش های اکتشاف آب زیر زمینی

روش‌های مختلفی برای اکتشاف آب های زیر زمینی وجود دارند. این روش‌ها به چهار گروه روش‌های هوایی، سطحی، زیرسطحی و تجربی تقسیم می‌شوند. روش تجربی، بر پایه مبانی علمی نبوده و با توجه به شاخص‌های سنتی صورت می‌گیرد. در هر گروه از روش‌های اکتشاف آب زیر زمینی، چند زیرگروه وجود دارد. به عنوان مثال، برداشت ژئوفیزیک، یکی از زیرگروه‌های روش سطحی است. این روش، یکی از روش‌های مهم شناسایی منابع آب زیر زمینی و ارزیابی کیفیت این آب‌ها به شمار می‌رود.

گروه اکتشاف آب زیر زمینی

مقاومت یا هدایت الکتریکی آبخوان‌ها و لایه‌های اطراف آن‌ها معمولا با یکدیگر تفاوت دارد. در برخی از موارد نیز خواص مغناطیسی سنگ‌های منطقه متفاوت است. به همین دلیل، از میان روش‌های ژئوفیزیکی اکتشاف آب های زیر زمینی، روش‌های الکتریکی و الکترومغناطیسی از محبوبیت و دقت بیشتری برخوردار هستند. اجرای این روش‌ها از روی زمین یا هوا (توسط هلیکوپتر) انجام می‌گیرد. عمق مطالعات اکتشافی نیز از چند متر تا چند کیلومتر تغییر می‌کند. البته معمولا هدف از اجرای این روش‌ها، اکتشاف آب های زیر زمینی با عمق کمتر از 1000 متر است. روش‌های مختلف، عدم قطعیت‌های متفاوت دارند. تنها روشی که میزان آب زیر زمین را به طور مستقیم و تا عمق 100 متری اندازه می‌گیرد، روش رزونانس مغناطیس هسته‌ای است.

آب های زیر زمینی ایران

ایران، جز کشورهای دارای آب و هوای گرم و خشک به حساب می‌آید. متوسط بارندگی سالانه در کشور ما بین 135 تا 355 میلی‌متر است. این میانگین در مجموع کشورهای دنیا به حدود 1000 میلی‌متر می‌رسد. با وجود بارندگی کم و منابع محدود آب سطحی، حوضه‌های آبریز مختلفی در ایران وجود دارند که آب مورد نیاز ما برای مصارف مختلف را تامین می‌کنند.

سیستم قنات
قنات، مجموعه‌ای از چاه‌های متصل به هم است.

ایران، دارای شش حوضه آبریز اصلی، 30 زیرحوضه و ۶۰۹ دشت است. آبخوان‌های ایران را می‌توان به سه گروه زیر تقسیم کرد:

  • سازندهای کارستی در غرب کشور که توسط رودهای دائمی نظیر دز، کارون و کرخه پر می‌شوند.
  • ذخایر آبرفتی نظیر آبخوان تهران-کرج
  • آبخوان‌های ساحلی در خط ساحلی خلیج فارس، دریای عمان، دریای خزر و دریاچه‌های آب شور

آبخوان‌ها، نزدیک به 260 هزار کیلومتر مربع (16 درصد) از محدوده ایران را دربرمی‌گیرند. حدود 60 درصد از آب مورد نیاز برای مصارف مختلف در ایران، توسط آبخوان‌ها تامین می‌شوند. 90 درصد از این آب، به کشاورزی اختصاص می‌یابد. بهره‌برداری از آب های زیر زمینی در ایران، به بیش از 2500 سال پیش و احداث قنات بازمی‌گردد.

کانال قنات
جریان آب زیر زمینی از درون کانال قنات

قنات یا کاریز، شبکه‌ای از حفریات است که با استفاده از نیروی جاذبه، آب های زیر زمینی را به سطح هدایت می‌کند. قنات‌ها، سهم قابل توجهی در توسعه محصولات کشاورزی در ایران داشته‌اند. امروزه،‌ بسیاری از این سازه‌های مهندسی خشک و غیر قابل استفاده شده‌اند. حفاری چاه‌های عمیق و برداشت بی‌رویه از آن‌ها، از دلایل اصلی پایین آمدن سطح آب زیرزمینی در آبخوان‌های ایران و خشک شدن قنات‌ها است.

منابع زیر زمینی، نقش بسزایی را در تامین آب مصرفی مردم ایران بازی می‌کنند. در سال‌های گذشته، تحقیقات متعددی در رابطه با مدیریت آبخوان‌ها صورت گرفته‌اند. نتایج این تحقیقات نشان می‌دهند که در صورت ادامه حفر چاه‌های عمیق و برداشت بی‌رویه از آن‌ها، کشور ما بحران جدی آب رو به رو خواهد شد.

تاثیر آب های زیر زمینی در حوزه های مختلف

در بخش‌های قبلی، در مورد اهمیت آب‌های زیر زمینی به طور مختصر صحبت کردیم. در این بخش، نقش آب‌های زیر زمینی در حوزه‌های مختلف را بررسی می‌کنیم.

نقش آب زیر زمینی در تامین آب آشامیدنی و مصارف خانگی

آب های زیر زمینی، دومین منابع آب آشامیدنی کره زمین را در خود جای می‌دهند. در بسیاری از کشورهای پیشرفته، درصد بالایی از آب مورد نیاز برای مصارف خانگی توسط این منابع تامین می‌شود. به عنوان مثال، در کشور آمریکا، 37 درصد از آب انتقالی به مناطق شهری، منشا زیرزمینی دارند. بیش از 90 درصد از جمعیت مناطق روستایی نیز آب آشامیدنی خود را با حفر چاه تامین می‌کنند. به طور کلی، دسترسی به آب های زیر زمینی ساده‌تر و هزینه تامین آن‌ها ارزان‌تر از تصفیه آب‌های سطحی است؛ چراکه خاک، یک تصفیه‌کننده طبیعی محسوب می‌شود و آلودگی این آب‌ها را به خود جذب می‌کند.

نقش آب های زیر زمینی در کشاورزی

تامین آب مورد نیاز برای تولید محصولات کشاورزی، به دو روش کلی انجام می‌گیرد. آب کشاورزی، یا به طور مستقیم از طریق بارش باران یا به طور غیر مستقیم از طریق هدایت دیگر منابع آبی به محل مورد نظر تامین می‌شود. آب های زیر زمینی، نقش بسزایی در آبیاری محصولات کشاورزی دارند. اگر عمق سطح آب زیر زمینی نسبتا زیاد باشد، دسترسی به آن توسط حفر چاه صورت می‌گیرد. به این ترتیب، از آب چاه برای آبیاری گیاهان استفاده می‌شود. تاثیر آب های زیر زمینی در حوزه کشاورزی، محدود به مسئله آبیاری نیست.

استخراج آب های زیر زمینی برای آبیاری زمین کشاورزی
استخراج آب های زیر زمینی برای آبیاری زمین کشاورزی

حضور آب در نزدیکی سطح زمین‌های کشاورزی، تراوش رطوبت به سمت بالا را به همراه دارد. این موضوع، باعث مرطوب شدن خاک در ناحیه ریشه گیاهان و رسیدن آب مورد نیاز به آن‌ها می‌شود. البته، اگر میزان رطوبت بیش از حد باشد، ریشه گیاه فرصت تنفس پیدا نمی‌کند. بنابراین، آب های زیر زمینی کم‌عمق، هم می‌توانند باعث بهبود رشد محصولات کشاورزی شوند و هم می‌توانند باعث تخریب آن‌ها شوند.

تاثیر آب های زیر زمینی بر پروژه های عمرانی

آب زیر زمینی، یکی از پارامترهای موثر در طراحی سازه‌های عمرانی است. سطح آب های زیر زمینی، معمولا با گذر زمان تغییر می‌کند. علاوه بر این، احداث سازه‌هایی نظیر ساختمان‌ها بر روی سطح زمین یا سازه‌هایی نظیر تونل‌ها درون زمین، وضعیت آب های زیر زمینی را تحت تاثیر قرار می‌دهد. در حین اجرای پروژه‌های عمرانی، عدم توجه به وضعیت آب های زیر زمینی می‌تواند منجر به رخ دادن مشکلات زیر شود:

  • ناپایداری بستر خاکی
  • ناپایداری گودبرداری‌ها و نشت آب به درون آن‌ها
  • وقفه در فعالیت‌ها و افزایش هزینه‌ها

اگر وضعیت آب های زیر زمینی یک منطقه برای احداث سازه مناسب نباشد، مشکلات زیر پس از تکمیل پروژه به مرور رخ می‌دهند:

  • نشت آب، نفوذ آب به زیرزمین ساختمان و رشد کپک (از عیب و نقص‌های بتن)
  • ترک‌خوردگی و نامتوازن شدن کف‌ها
  • ترک‌خوردگی و نامتوازن شدن دیوارها
  • جابجایی و نشست فونداسیون در گذر زمان

به دلیل احتمال رخ دادن خطرات بالا، بخشی از مطالعات اولیه در پروژه‌های عمرانی، به تحقیق در مورد آب های زیر زمینی منطقه اختصاص می‌یابد. عدم توجه به این موضوع می‌تواند هزینه‌های مالی و جانی جبران‌ناپذیری را به همراه داشته باشد.

تاثیر آب های زیر زمینی در حوزه محیط زیست

خاک، یک تصفیه‌کننده طبیعی است. هنگام ورود مواد آلاینده به درون خاک، ذرات آن از نفوذ آلاینده‌ها به اعماق بیشتر جلوگیری می‌کنند. علاوه بر این، موجودات زنده درون خاک، با تغذیه از این آلاینده‌ها، باعث تجزیه آن‌ها می‌شوند. با این وجود، در بسیاری از موارد، آلاینده‌ها از حد قابل تصفیه توسط خاک تجاوز کرده یا به سرعت از درون خاک عبور می‌کنند. به این ترتیب، فرصت کافی برای تجزیه آن‌ها یا مصرف آن‌ها توسط موجودات زنده وجود نخواهد داشت.

ورود فاضلاب به چرخه آب

در نهایت، آلاینده‌ها به سطح آب زیر زمینی می‌رسند و باعث آلودگی آن می‌شوند. از عوامل آلوده‌کننده آب های زیر زمینی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • مخازن سوخت جایگذاری شده در اعماق زمین
  • تجهیزات دفع و انتقال زباله
  • کودهای شیمیایی کشاورزی
  • سپتیک‌های منازل مسکونی
  • کشتارگاه‌های دام
  • چاه‌های بلااستفاده یا چاه‌های غیراصولی
  • جریان سیلاب‌ها

نیترات، یکی از اصلی‌ترین و خطرناک‌ترین آلاینده‌ها موجود در برخی از آب های زیر زمینی است. کشت بی‌رویه در خاک یک منطقه، باعث افزایش غلظت نیترات درون خاک و نفوذ آن به آب‌های اطراف می‌شود. وجود نیترات با غلظت بیش از 10 میلی‌گرم بر لیتر، نشانه آلودگی آب است. رادون، بور، آرسنیک، جیوه، کلر و سیلیسیوم، از دیگر آلاینده‌های قابل مشاهده در خاک هستند که می‌توانند به درون آب های زیر زمینی نفوذ کنند.

آلاینده‌های شهری، معمولا از مخازن سوختی، فاضلاب‌ها، سیستم‌های تخلیه زباله‌های صنعتی، تاسیسات تجاری، سیستم‌های سپتیک معیوب و مکان‌های دفن زباله نشات می‌گیرند. به عنوان مثال، مخازن سوختی پمپ بنزین‌ها درون زمین جایگذاری می‌شوند. نشتی این مخازن، حاوی مواد شیمیایی مختلفی است. این مواد می‌توانند وارد آب های زیر زمینی شده و باعث گسترش بیماری‌هایی نظیر انواع سرطان شوند.

پیشگیری از آلودگی آب های زیر زمینی، اهمیت بسیار بالایی برای حفظ محیط‌زیست دارد. در سالیان گذشته، این مسئله به تمرکز اصلی بسیاری از فعالان محیط‌زیست تبدیل شده است؛ چراکه به محض آلوده شدن آب زیر زمینی، از بین بردن کامل آلاینده‌ها از آن، به امری دشوار، هزینه‌بر و در برخی از موارد، غیرممکن تبدیل می‌شود. برخی از آلودگی‌ها، تا چند صد سال در درون آب های زیر زمینی باقی می‌مانند.

عوامل موثر بر سطح آب زیر زمینی

منابع آب زیر زمینی، اهمیت بالایی برای زندگی انسان‌ها و دیگر موجودات زنده روی کره زمین دارند. پایین آمدن سطح این آب‌ها، به معنی کاهش منابع آبی قابل دسترس است. این مسئله می‌تواند عواقب جبران‌ناپذیری را در پی داشته باشد. به طور کلی، سه عامل بر روی سطح آب های زیر زمینی تاثیر می‌گذارند. در ادامه، به معرفی این عوامل خواهیم پرداخت.

تاثیر شرایط اقلیمی بر سطح آب زیر زمینی

اقلیم یک منطقه، بر روی ارتفاع و سطح آب زیرزمینی تاثیر می‌گذارد. هر چه میزان بارندگی بالاتر باشد، سطح آب زیرزمینی افزایش می‌یابد و میزان رطوبت هوا در تابستان نیز بیشتر می‌شود. بالا بودن سطح آب زیر زمینی، دسترسی به این منابع را ساده‌تر می‌کن اما توانایی خاک در جذب آب را کاهش می‌دهد. نواحی دارای سطح آب زیر زمینی بالا، مستعد رخ دادن سیل هستند؛ چراکه خاک آن‌ها بیش از حد اشباع شده است و نمی‌تواند آب بیشتری را جذب کند. در نواحی دارای بارندگی پایین، سطح آب های زیر زمینی کاهش می‌یابد. با وجود کاهش احتمال رخ دادن سیل در این نواحی، امکان عقیم شدن خاک آن‌ها وجود خواهد داشت.

تاثیر ترکیب خاک بر سطح آب زیر زمینی

ترکیب خاک، یکی از معیارهای تخمین سطح آب زیرزمینی در یک منطقه است. به عنوان مثال، خاک‌های دارای رس فراوان، آب زیادی را به خود جذب نمی‌کنند. در نتیجه، سطح آب های زیر زمینی در این نوع خاک‌ها پایین است؛ چراکه آب باید مسیر زیادی را برای تجمع در لایه‌های مناسب‌تر پایینی طی کند. محیط‌های سنگی و نواحی دارای خاک‌های متراکم نیز شرایط مشابهی دارند.

بیرون زدن آب از گودال حفر شده در ساحل

نواحی دارای خاک‌های سست، آب را به راحتی جذب می‌کنند. این وضعیت در جنگل‌های بارانی و مناطق دارای شرایط مشابه، قابل مشاهده است. ماسه و خاک‌های ماسه‌ای، سطح آب زیر زمینی بالایی دارند. به عنوان مثال، با حفر گودال در نواحی ساحلی، مشاهده خواهید کرد که آب در اعماق کم نیز از گودال بیرون می‌آید و آن را پر می‌کند.

تاثیر فعالیت های انسانی بر سطح آب زیر زمینی

فعالیت‌های انسانی، تاثیر قابل توجهی بر روی سطح آب های زیر زمینی دارند. در اغلب موارد، این فعالیت‌ها باعث کاهش سطح آب زیر زمینی می‌شوند. به عنوان مثال، پروژه‌های عمرانی معمولا با خاکبرداری همراه هستند. این عملیات، فرسایش خاک را به همراه دارد. به علاوه، بتن‌ریزی بر روی خاک، از جذب آب توسط آن جلوگیری می‌کند. به این ترتیب، آب به نواحی دیگر جریان می‌یابد و سطح آب زیر زمینی کاهش می‌یابد.

حفر چاه، از دیگر فعالیت‌های انسانی موثر بر کاهش سطح آب های زیر زمینی است. آب چاه معمولا برای مصارف خانگی، کشاورزی و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. سهم کشاورزی از مصرف آب های زیر زمینی، بیش از موارد دیگر است. اگر تعداد چاه‌های حفر شده و میزان برداشت از آن‌ها بالا باشد، سطح آب پایین می‌آید. این مسئله، علاوه بر تاثیر منفی بر روی میزان ذخایر آبی، سیستم آبیاری را نیز با مشکل مواجه می‌کند. به این ترتیب، تا زمانی که سطح آب زیر زمینی بالا نیاید، روند اجرای فعالیت‌ها مختل می‌شوند. اگر تمام این مسائل را در یک ناحیه گرم و خشک در نظر بگیرید، نتیجه، عدم رشد گیاهان و عقیم شدن خاک خواهد بود.

عمق، تعداد و میزان برداشت از چاه‌ها، موضوع بسیار مهمی است که دولت‌ها باید برای کنترل ذخایر آبی خود به آن توجه کنند. هر کشور، با توجه به شرایط موجود، قوانین مختص به خود را در این زمینه به تصویب می‌رساند. به عنوان مثال، بر اساس قانون توزیع عادلانه آب در کشور ایران، حفر چاه و برداشت آب زیر زمینی، بدون اجازه از مراجع ذی‌ربط، غیرقانونی بوده و مشمول مجازات می‌شود. ایران یک کشور نیمه خشک به شمار می‌رود. از این‌رو، سطح آب های زیر زمینی در اغلب نقاط آن پایین است. حفر چاه‌های متعدد و برداشت‌های بی‌رویه نیز این مشکل را چند برابر می‌کند. این مسئله در آینده می‌تواند عواقب جبران ناپذیری را بر تامین آب مورد استفاده در کشاورزی و حتی آب آشامیدنی مورد نیاز مردم تحمیل کند.

سوالات متداول در رابطه با آب های زیر زمینی

در این بخش، به برخی از پرتکرارترین سوالات در رابطه با آب‌های زیرزمینی به طور مختصر پاسخ می‌دهیم.

سفره آب های زیر زمینی چیست ؟

به منابع آبی جمع شده در زیر سطح زمین، سفره آب زیر زمینی می‌گویند.

نام دیگر آب های زیر زمینی چیست ؟

آب های زیر زمینی با نام‌های دیگری مانند آبخوان و سفره آب زیر زمینی نیز شناخته می‌شوند.

سطح آب زیر زمینی چیست ؟

به بالاترین سطح آب در ناحیه خاک اشباع شده، سطح آب زیر زمینی گفته می‌شود.

عوامل موثر بر سطح آب زیر زمینی چه هستند ؟

اقلیم، جنس خاک و فعالیت‌های انسانی، از عوامل موثر بر تغییر سطح آب زیر زمینی هستند.

آب های زیر زمینی چند نوع هستند ؟

آب های زیر زمینی از نظر وضعیت نفوذپذیری لایه‌های بالا و پایین خود، به دو نوع آزاد (محصور نشده) و تحت فشار (محصور شده) تقسیم می‌شوند.

متداول ترین روش برداشت آب زیر زمینی چیست ؟

حفر چاه و استفاده از پمپ، رایج‌ترین روش برداشت آب های زیر زمینی است.

چاه آرتزین چیست ؟

به چاه‌های حفر شده در آب های زیر زمینی تحت فشار که آب، به طور طبیعی (بدون نیاز به پمپ و با فشار طبیعی) از آن‌ها خارج می‌شود، چاه آرتزین می‌گویند.

حفر چاه چه تاثیری بر روی آب های زیرزمینی دارد ؟

حفر چاه و برداشت زیاد (بیشتر از تغذیه)، باعث پایین آمدن سطح آب زیر زمینی می‌شود.

چشمه چیست ؟

چشمه، نقطه خروجی آب های زیر زمینی بر روی سطح زمین است. آب های زیر زمینی با جریان از آبخوان تا چشمه، به آب‌های سطحی تبدیل می‌شوند.

منبع تامین آب زیر زمینی چیست ؟

آب باران، اصلی‌ترین منبع تامین آب زیر زمینی است. آب‌های سطحی و منابع مصنوعی نیز در پر کردن آب های زیر زمینی نقش دارند.

آیا آب زیر زمینی آشامیدنی است ؟

آب های زیر زمینی به دو دسته شور و شیرین تقسیم می‌شوند. نزدیک به نصف منابع آب زیر زمینی، آشامیدنی هستند.

آب های زیر زمینی چگونه تصفیه می شوند ؟

آب های زیر زمینی، توسط خاک تصفیه می‌‌شوند.

آیا منابع آب زیر زمینی تمام می شوند ؟

بله. در صورت عدم تعادل بین برداشت از آب های زیر زمینی و تغذیه آن‌ها طی چرخه آب یا روش‌های مصنوعی، امکان تمام شدن این منابع وجود دارد.

چه چیزهایی آب زیرزمینی را آلوده می کند ؟

فاضلاب‌های صنعتی، زباله‌های شهری، کودهای کشاورزی، پمپاژ و تخلیه ضایعات در مکان‌های نامناسب، از اصلی‌ترین دلایل آلودگی آب های زیر زمینی هستند.

مهم ترین املاح آب های زیر زمینی چه هستند ؟

از متداول‌ترین املاح موجود در آب های زیر زمینی می‌توان به سدیم، کلسیم، منیزیم، پتاسیم، کلرید، بی‌کربنات و گوگرد اشاره کرد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۱۱ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«حسین زبرجدی دانا»، کارشناس ارشد مهندسی استخراج معدن است. فعالیت‌های علمی او در زمینه تحلیل عددی سازه‌های مهندسی بوده و در حال حاضر آموزش‌های مهندسی عمران، معدن و ژئوتکنیک مجله فرادرس را می‌نویسد.