مدلسازی جریان وآلودگی آب های زیرزمینی
homework
گریزی بر مباحثی از آب های زیر زمینی
ترین ها در تاریخ آب زیرزمینی
قدیمی ترین چاه آب کشف شده تا کنون در جزیره قبرس با عمر تخمینی بین 9000 تا 10500 سال
چینی ها با روش حفاری آهسته در طول سال ها و بلکه ده ها سال چاه هایی با عمق اعجاب انگیز1500 متر حفر کرده اند برای استحصال گاز و آب نمک
تاریخچه آب های زیر زمینی
ترین ها در تاریخ آب زیرزمینی
تاریخچه آب های زیر زمینی
بزرگ ترین ابتکار در استفاده از آب های زیرزمینی حفر قنات یا کاریز توسط ایرانیان
عمیق ترین چاه حفر شده تا کنون در شمال روسیه نزدیک قطب شمال با عمق 12345 متر
تاریخچه آب های زیر زمینی
اولین نظریه های فراگیر در مورد آب های زیرزمینی
– مجراهایی در زیر زمین وجود دارند که مستقیم یا غیرمستقیم با دریاها در ارتباطند و آب دریاها از طریق آن ها پس از صاف شدن به صورت چشمه در سطح زمین ظاهر می شود.
– باران و برف به تنهایی نمی توانند آب چشمه ها و رودخانه ها را تامین کنند
فلاسفه یونان
تاریخچه آب های زیر زمینی
ابوبکر محمد بن الحسن کرجی نویسنده کتاب استخراج آب های پنهانی
دانشمندان ایران
هیچ آب جاری یا جوشنده ای [فوران کننده] در سطح زمین یا در شکم آن وجود ندارد مگر آنکه فاصله منبع آن از مرکز زمین دورتر از فاصله محلی باشد که بر سطح زمین ظاهرمی شود و جاری می گردد یا فوران می کند، وضع آب چشمه به هیچ وجه غیر از این نمی تواند بوده باشد.
خدا آب را چنان آفرید که بیشتر شکاف ها و رگ های درون زمین را پر کند و مازاد آن در دریا سرازیر گردد. بنابراین باید منبع و منشاء بیشتر آب ها از برف و باران و تبدیل آب به هوا و هوا به آب باشد
تاریخچه آب های زیر زمینی
ابوریحان بیرونی
نویسنده کتاب اثرهای باقی مانده از قرون گذشته
بیان دلیل خروج آب از چاه های آرتزین بر اساس قانون ظروف مرتبطه
بیان دلیل علمی وجود چشمه های متناوب
تاریخچه آب های زیر زمینی
ابوحاتم مظفر اسفزاری
نویسنده کتاب آثار علوی
• پدید آمدن جوی ها، رودها و چشمه ها
• نفوذ آب به زمین و حرکت آب در زیر زمین
• تغییر کیفیت آب به دلیل وجود کانی های قابل حل در مسیر آب
اولین ها در زمینه منشا آب های سطحی و زیرزمینی بر اساس مشاهده و تجربه
1- پیر پرو
2 – ادمه ماریو
دانشمندان فرانسوی
• با اندازه گیری مقدار بارندگی و آب جاری در یک حوضه نشان دادند که مقدار آب جاری خیلی کمتر از مقدار باران بوده و نشان دادند که چشمه ها از آب باران تغذیه می شوند و متناسب با میزان بارندگی ها در دبی چشمه ها تغییراتی ایجاد می گردد.
تاریخچه آب های زیر زمینی
ادموند هالی
دانشمند انگلیسی
• نشان داد که مقدار تبخیر از دریای مدیترانه برای تامین کلیه آب هایی که رودخانه ها به این دریا می ریزند کافی است.
تاریخچه آب های زیر زمینی
اولین ها در زمینه یافتن روابط ریاضی برای آب های زیرزمینی
تاریخچه آب های زیر زمینی
هنری دارسی
دانشمند فرانسوی
• تولد هیدرولوژی آب های زیرزمینی به صورت یک دانش کمی در سال 1856 میلادی
• هنری دارسی اولین کسی بود که قانون حاکم بر جریان آب در محیط متخلخل را با یک رابطه ساده ریاضی بیان نمود.
تاریخچه آب های زیر زمینی
فیلیپ فورشهایمر
دانشمند اتریشی
• در بین سال های 1886 تا 1898 ، شباهت بین جریان آب زیرزمینی و حرارت را اعلام کرد. او اولین کسی است که معادله لاپلاس را برای حل مسائل آب زیرزمینی در حالت پایدار به کار برد.
تاریخچه آب های زیر زمینی
جولز دوپوئی
دانشمند ایتالیایی-فرانسوی
• رابطه ای مشابه معادله دارسی برای جریان آب در آبخوان های باز (سیستم زهکشی ثقلی) ارائه کرد.
ردیابی حرکت آب های زیرزمینی
ردیاب ها موادی مانند رنگ ها و نمک ها هستند که در نقطه ای از آبخوان، آن را وارد کرده
و در نقاط پایین دست منتظر ظاهر شدن آن می شوند.
موارد استفاده از ردیاب ها:
بررسی مسیر حرکت آب در محیط های متخلخل
ارزیابی سرعت جریان آب زیرزمینی
تخمین هدایت هیدرولیکی آبخوان ها
تعیین سن، منشا و محل تغذیه آب های زیرزمینی
تعیین نحوه ارتباط آبخوان ها با یکدیگر
مطالعه حرکت آلوده کننده ها
تعیین منابع آلوده کننده آب های زیرزمینی
بزرگترین مشکلات در استفاده از ردیاب ها:
خطر آلودگی آبخوان ها و نیاز به ابزار خاص برای آشکارسازی ردیاب
ردیابی حرکت آب های زیرزمینی
نمونه ای از ردیاب ها
رنگ های آلی نظیر نمکهای محلول
کرومات، آبی متیلن و …
برخی از نمک های محلول کلر، بور،
کلسیم، کبالت و ید
اسید بوریک، سولفات مس
ویژگی های یک ردیاب مطلوب (مناسب):
ردیابی حرکت آب های زیرزمینی
به آسانی قابل آشکارسازی باشد.
در مقادیر کم به کار رود.
خصوصیات هیدرولیکی آبخوان را تغییر ندهد.
به وسیله محیط متخلخل جذب نشود.
با آب های طبیعی واکنش ندهد و رسوب ایجاد نکند.
در آبخوان ها به مقدار زیاد وجود نداشته باشد.
سمی نباشد و موجب آلودگی آبخوان نشود.
ارزان قیمت و در دسترس باشد.
تهیه نقشه های تراز آب زیرزمینی
برای تهیه نقشه های تراز آب زیرزمینی، تعدادی چاه مشاهده ای یا پیزومتر در منطقه مورد مطالعه تا سطح آبخوان مورد نظر، حفر می شود. چاه های مشاهده ای باید تا حد امکان توزیع یکنواختی داشته باشند (فاصله در حد چند کیلومتر).
مراحل ترسیم نقشه های تراز آب زیرزمینی:
تهیه نقشه های تراز آب زیرزمینی
1- مشخص نمودن محل چاه های مشاهده ای بر روی نقشه پلان منطقه
2 – ثبت اطلاعات مربوط به تراز آب زیرزمینی بر روی محل هر چاه مشاهده ای
3 – مثلث بندی بین محل چاه ها
4 – درون یابی بین مقادیر تراز آب زیرزمینی جهت یافتن محل ترازهای مورد نظر برای ترسیم نقشه
5 – متصل نمودن نقاط درون یابی شده و ترسیم خطوط تراز آب زیرزمینی
تهیه نقشه های تراز آب زیرزمینی
تفسیر نقشه ها
جهت جریان در هر نقطه بر خطوط تراز عمود است.
در یک آبخوان همگن، گذر حجمی جریان در واحد عرض آبخوان عبارتست از:
𝑖= 𝐻 2 − 𝐻 1 𝐿
گرادیان هیدرولیکی عبارتست از نسبت اختلاف ارتفاع دو خط تراز مجاور به فاصله بین آن ها.
به دست می آید. q ،Dو K با معلوم بودن
تهیه نقشه های تراز آب زیرزمینی
تفسیر نقشه ها
منحنی های بسته در نقشه ها می توانند بیانگر مناطق تغذیه (طبیعی، مصنوعی و یا نشت از آبخوان بالایی و پایینی) و یا مناطق پمپاژ یا تخلیه (چاه ها، چشمه ها، محل تبخیر و …) باشند.
گرادیان هیدرولیک ممکن است در جهت جریان آب زیرزمینی افزایش یا کاهش یابد.
(بررسی از روی فاصله خطوط تراز جریان) هرچه فاصله خطوط کمتر باشد بزرگتر خواهد بود
در صورت نبودن منابع تغذیه یا تخلیه، این موضوع می تواند نتیجه تغییرات ضخامت آبخوان یا هدایت
هیدرولیکی یا هر دو عامل باشد.
𝑑𝐻 𝑑𝐿
q = Ti = KDi
تهیه نقشه های تراز آب زیرزمینی
تفسیر نقشه ها
سطوح و زون های نفوذناپذیر سبب می شوند که خطوط جریان جهت خود را عوض کنند.
سطوح ایستابی در طرفین یک گسل نفوذناپذیر ممکن است در ترازهای مختلفی قرار داشته باشند.
خط تقسیم آب زیرزمینی خطی است در سطح افق که حوضه آب زیرزمینی را به بخش هایی تقسیم میکند، به طوری که آب های زیرزمینی در هر کدام به وسیله خروجی جداگانه (دریاچه، چشمه، رودخانه و…) زهکشی می شود.
خط تقسیم آب زیرزمینی از نظر مطالعات آلودگی اهمیت دارد.
هیدرولیک چاه ها
مخروط افت چاه
وقتی از یک چاه آبکشی می کنیم، آب از آبخوان به داخل چاه حرکت می نماید و سطح آب درون چاه و همچنین سطح ایستابی یا پیزومتریک در اطراف چاه، شروع به پایین رفتن می کند. مقدار پایین افتادن سطح ایستابی یا پیزومتریک را در هر نقطه نسبت به حالت اولیه، افت سطح آب می گویند.
هرچه مدت و مقدار آبکشی از چاه بیشتر باشد، مقدار افت نیز افزوده می شود.
هیدرولیک چاه ها
مخروط افت چاه
با توجه به مشخصات آبخوان و مقدار دبی استخراجی، ممکن است پس از مدتی از شروع پمپاژ، سطح آب درون چاه ثابت بماند و به عبارت دیگر افت به حالت تعادل برسد. در این حالت سطح آب داخل چاه را سطح دینامیک می گویند.
سطح اولیه آب در چاه را قبل از زهکشی و خارج از حوزه تاثیر چاه های مجاور که در حال پمپاژ (آبکشی)هستند، سطح استاتیک می نامند.
سطح ایستابی یا پیزومتریک در اطراف یک چاه، به صورت یک فرورفتگی مخروطی شکل است که راس آن در چاه و قاعده آن در سطح ایستابی یا پیزومتریک اولیه واقع است. این فرورفتگی را اصطلاحاً مخروط افت می گویند.
هیدرولیک چاه ها
مخروط افت چاه
با توجه به دبی پمپاژ و مشخصات آبخوان، در هر لحظه،
منطقه ای در اطراف چاه تحت تاثیر پمپاژ قرار می گیرد و
خارج از آن، سطح ایستابی یا پیزومتریک نسبت یه حالت
قبل از پمپاژ تغییر نمی کند. حد این منطقه را که سطح
مخروط افت با سطح ایستابی یا پیزومتریک اولیه مماس می
شود، منطقه تاثیر یا دایره تاثیر چاه و شعاع آن را شعاع تاثیر
می گویند.
علاوه بر دبی و مدت زمان پمپاژ، مشخصات هیدرولیکی
آبخوان نیز در گسترش و عمق مخروط افت موثر است.
کمتر باشد، افت در چاه بیشتر و (T)هرچه ضریب آبگذری
شیب مخروط افت نیز بیشتر خواهد بود. به عکس هرچه
ضریب آبگذری بیشتر باشد، شعاع تاثیر بیشتر و عمق
مخروط افت کمتر خواهد بود.
هیدرولیک چاه ها
مخروط افت چاه
هیدرولیک چاه ها
معادلات جریان شعاعی در اطراف چاه ها
معادلات حالت ماندگار یا رژیم دائم:
شرایط تعادلی که در آن هیچ تغییری نسبت به زمان رخ نمی دهد.
معادلات حالت غیرماندگار یا رژیم موقت (متغیر):
شرایط با گذشت زمان تغییر می کند.
فرضیات در نظر گرفته شده برای محاسبه معادلات جریان شعاعی در اطراف چاه ها:
هیدرولیک چاه ها
چاه با دبی ثابت پمپاژ می شود.
چاه تمام ضخامت آبخوان را قطع کرده و در تمام ضخامت آبخوان دارای لوله مشبک است.
آبخوان، همگن، ایزوتروپ، افقی و دارای گسترش نامحدود است و جریان آب در آن فقط در جهت افقی است و هیچ جریان دیگری جز جریان ناشی از پمپاژ وجود ندارد.
هیدرولیک چاه ها
معادلات جریان شعاعی در اطراف چاه ها
معادلات حالت ماندگار یا رژیم دائم:
الف) آبخوان تحت فشار
ب) آبخوان آزاد
معادلات حالت غیرماندگار یا رژیم موقت (متغیر):
الف) آبخوان تحت فشار
ب) آبخوان آزاد
هیدرولیک چاه ها
جریان آب چاه ها در نزدیک مرزهای محدود کننده آبخوان
هیدرولیک چاه ها
هیدرولیک چاه ها
جریان چاه نزدیک یک رودخانه
محور مختصات را به گونه ای در نظر می گیریم که محورx ها از دو چاه اصلی و مجازی عبور کند ومحور yها عمود بر محورxها و در امتداد رودخانه باشد
جریان آب چاه ها در نزدیک مرزهای محدود کننده آبخوان
هیدرولیک چاه ها
جریان چاه در نزدیک لایه های نفوذناپذیر:
جریان آب چاه ها در نزدیک مرزهای محدود کننده آبخوان
هیدرولیک چاه ها
سیستم های چند چاهی
هیدرولیک چاه ها
سیستم های چند چاهی
𝐷 𝑇 = 𝐷 𝑎 + 𝐷 𝑏 + 𝐷 𝑐 +….+ 𝐷 𝑛
در حالت تعادل برای آبخوان تحت فشار:
افت آب در یک چاه، بر اثر پمپاژ، نه تنها مربوط به افت سطح ایستابی یا سطح پیزومتریک است، بلکه بر اثر عبور آب از شبکه هال لوله جدار، افتی ایجاد می شود که به آن افت چاه یا افت شبکه می گویند.
در معادلات بدست آمده برای جریان ها و افت ناشی از پمپاژ چاه، فرض بر آن بود که جریان آب زیرزمینی در اطراف چاه به صورت ورقه ای است، حال آنکه جریان آب در نزدیک چاه، یعنی در صافی شنی یا منطقه توسعه یافته اطراف لوله جدار و همچنین در داخل خود چاه، به علت زیاد بودن سرعت آب می تواند به صورت متلاطم در آید.
افت چاه
این افت اصولا با دبی برداشتی به صورت توانی تغییر می کند. اعداد و رابطه های متفاوتی برای این افت ارائه شده که ساده ترین آن برای آبخوان تحت فشار به صورت زیر است:
افت چاه
افت شبکه را می توان با به حداقل رساندن سرعت ورود آب به چاه به حداقل کاهش داد.
از آنجا که افت شبکه با افزایش دبی با توان تقریباً 2 یا 3 افزایش می یابد، بنابراین در دبی های بالا ممکن است قسمت بیشتر افت در داخل چاه را افت شبکه تشکیل دهد.
افت چاه
این افت اصولا با دبی برداشتی به صورت توانی تغییر می کند. اعداد و رابطه های متفاوتی برای این افت ارائه شده که ساده ترین آن برای آبخوان تحت فشار به صورت زیر است:
که در آن افت کل در چاه و ثابتی است که بستگی به شعاع ،ساختمان و شرایط چاه دارد
𝐷 𝑊
𝐶
𝐷 𝑊 =𝐵𝑄+𝐶 𝑄 𝑛
راه های بهره برداری از آب های زیرزمینی
چشمه
قنات
چاه
راه های بهره برداری از آب های زیرزمینی
چشمه ها
محل خروجی طبیعی آب از سنگ یا خاک به سطح زمین یا کف دریا، اقیانوس یا رودخانه را
چشمه می گویند.
تقسیم بندی چشمه ها از نظر دمای آب:
چشمه های سرد: که دمای آب آن ها خیلی کم تر از دمای میانگین سالانه هواست.
چشمه های معمولی: که دمای آب آن ها تقریباً نزدیک دمای میانگین سالانه هواست.
چشمه های گرم: که دمای آب آن ها بالاتر از دمای میانگین سالانه هوا و کمتر از 36.6 درجه سلسیوس است
چشمه های داغ: که دمای آب آن ها بیش از 36.6 درجه سلسیوس است
راه های بهره برداری از آب های زیرزمینی
تقسیم بندی چشمه ها بر اساس تغییرات دبی آن ها:
الف) چشمه های دائمی:
چشمه هایی هستند که همیشه (در تمام طول سال) آب دارند.
چشمه های ثابت: که تغییرات دبی آن ها کم تر از 25 درصد است.
چشمه های تقریباً متغیر: که تغییرات دبی آن ها بیش از 25 درصد و کمتر از 100 درصد است.
ب) چشمه های متناوب:
چشمه هایی هستند که مدتی آبدار و مدتی خشک هستند.
راه های بهره برداری از آب های زیرزمینی
قنات ها
قنات یا کاریز عبارتست از یک مجرای زیرزمینی با شیب کم همراه با تعدادی چاه قائم به نام میله، که درزمین حفر می شود تا آب زیرزمینی خود به خود و بدون نیاز به پمپاژ یا وسایل مصنوعی دیگر، در سطح زمین جریان پیدا کند.
راه های بهره برداری از آب های زیرزمینی
چاه آب گودالی است که انسان برای رسیدن به آب در زمین به صورت دستی یا ماشینی حفر می کند. چاه های آبی آب خود را ازسفره های زیرزمینی تهیه می کنند.
چاه های آب برای مصارف آشامیدنی و کشاورزی، استفاده در کارخانه جات حفر می شود.
چاه
انواع چاه ها
چاه های دستی
چاه های عمیق
چاه های اکتشافی
چاه های پیزومتری
چاه گمانه
چاه های مشاهده ای
چاه های آرتزین