آب های زیر زمینی(groundwaters)

● آب های زیرزمینی (groundwaters):
آب زیرزمینی آبی است که در زیر سطح زمین ، درزه‌ها و فضاهای حفره‌ای را در صخره‌ها و رسوبات پر می‌کند. اکثر آبهای زیرزمینی بطور طبیعی خالص هستند. اکثر اوقات ، آبهای زیرزمینی سالها حتی قرنها قبل از مصرف دست نخورده باقی می‌مانند. بیش از ۹۰% آب آشامیدنی کل جهان از آب زیرزمینی است. مردم ما هر روز ۱۷۰۰ میلیارد لیتر آب مصرف می کنند. ۹۷% آبهای کره زمین درون اقیانوسها است و ۲% آن یخ زده است. ما آب مورد نیاز خود را از ۱% باقیمانده تهیه می‌کنیم که از یکی از دو منبع زیر بدست می اید: سطح زمین (رودخانه‌ها ، دریاچه‌ها و نهرها) و یا از آبهای زیرزمینی. امروز حدود ۱۱۷ میلیون نفر ، یعنی بیش از نیمی از جمعیت آمریکا متکی به آبهای زیرزمینی به عنوان منبع آب آشامیدنی هستند. جای تعجب نیست که کشف آلودگی آبهای زیرزمینی در تمام دنیا موجب بروز نگرانیهای شدیدی شده است.
● سفره آب زیرزمینی (groundwater Table):
سفره آب به لایه یا منطقه قابل نفوذی در زیر سطح زمین گفته می‌شود که آب در آن می‌تواند جریان یابد. سفره آب همچنین باید قابلیت آبدهی خوبی داشته‌ باشد. سطح فوقانی سفره آب ، یا سطح ایستایی همواره افقی نیست و به‌طور طبیعی از منطقه تغذیه آن ، یعنی محل و منطقه‌ای که آب زیرزمینی را تامین می‌کند، به طرف محل تخلیه دارای شیب است. بطور کلی شکل سطح استیابی غالبا از شکل سطح زمین پیروی می‌کند. ولی برآمدگیهای آن هموارتر است. بنابراین ایستایی در نواحی پست در نزدیک سطح زمین و در تپه‌ها و کوه‌ها در عمق زیادتر قرار دارد.
بطور معمول در مناطق پرباران و در دشتها سطح ایستایی بالا و در مناطق خشک و کوهستانی پایین است. در مناطق مرطوب سطح ایستایی ممکن است تا نزدیک سطح زمین بالا بیاید. در گودیهای چنین نقاطی ، ممکن است «آبگیر» و در صورت وجود پوشش گیاهی ، «باتلاق» بوجود اید. تغییرات ارتفاع سطح ایستایی را بر حسب زمان به صورت نمودارهایی به نام هیدروگراف نشان می‌دهند.سفره‌های دارای بازدهی قابل توجه اغلب در رسوبات ناپیوسته شنی و ماسه‌ای تشکیل می‌شوند.
آبرفتها ، یعنی رسوباتی که توسط رودها در دره‌ها و دشتها برجای گذارده می‌شوند، معمولا سفره‌های آب زیرزمینی خوبی تشکیل می‌دهند. رسوبات رسی گرچه از تخلخل زیادی برخوردارند، ولی چون قابلیت نفوذ کمی دارند، با وجود حجم آب زیادی که ممکن است در خود ذخیره کرده‌باشند، سفره آب زیرزمینی تشکیل نمی‌دهند و به عنوان مواد غیر قابل نفوذ در نظر گرفته می‌شوند. در سنگهای متراکم نیز آب معمولا در نمونه‌هایی ایجاد می‌شود که از تخلخل ثانوی قابل توجه برخوردار باشند. در این میان بهترین سفره آبها معمولا در سنگهای آهکی درز و شکافدار ایجاد می‌شود.
● تقسیم بندی سفره‌های آب زیرزمینی:
▪ سفره‌های آزاد
در سفره‌های آزاد سطح ایستایی ، همان سطح فوقانی منطقه اشباع است. مقدار فشار در سطح ایستایی سفره‌های آزاد برابر فشار اتمسفر است. سطح ایستایی بسته به‌مقدار تغذیه یا تخلیه آن ، آزادانه نوسان می‌کند، زیرا لایه غیر قابل نفوذی در بالای ان قرار ندارد. حالت خاصی از سفره‌های آزاد «سفره‌های معلق» هستند. این سفره‌ها معمولا در داخل منطقه تهویه یا منطقه اشباع نشده خاک و در روی لایه‌های نفوذ ناپذیری که گسترش محدودی دارند، مثلا عدسیهای رسی ، تشکیل می‌شوند. از این سفره‌های مقدار کمی آب و آن هم بطور موقت می‌توان بدست آورد.
▪ سفره‌های تحت فشار
سفره‌های تحت فشار یا محصور یا آرتزین در محلی تشکیل می‌شود که آب زیرزمینی بوسیله لایه‌ای نسبتا نفوذناپذیر از بالا محدود شود و در نتیجه تحت فشاری بیش از اتمسفر است. علت آنکه در سفره‌های تحت فشار آب از محل خود بالاتر می‌اید آن است که محل تغذیه سفره ، یعنی منطقه‌ای که از طریق آن آب سفره تامین می‌شود، در ارتفاعی بالاتر از سطح فوقانی منطقه اشباع در محل حفر چاه قرار دارد.در سفره‌های تحت فشار به‌جای سطح ایستایی سطح پیرومتریک را در نظر می‌گیرند و آن عبارت از سطحی فرضی است که در هر منطقه با ارتفاع فشار هیدروستاتیک آب در سفره تحت فشار مطابقت دارد. به زبان ساده‌تر منظور سطحی است که اگر چاهی در هر نقطه از سفره تحت فشار حفر کنیم ارتفاع صعود یا فوران آب چاه را در آن نقطه نشان می‌دهد.
● تئوری های مربوط به منشأ آب های زیرزمینی :
برای منشأ آب های زیرزمینی تئوری های متعددی بیان گردیده است که از همه مهمتر تئوری نفوذ آب در زمین است . قسمت بزرگی از آبی که به صورت برف و باران به زمین می رسد در زمین نفوذ کرده و پس از برخورد با سنگ ها و طبقات غیر قابل نفوذ مخازن آب های زیرزمینی را می سازند . این تئوری اولین بار در قرن ۱۸ میلادی توسط یک نفر فیزیکدان فرانسوی به نام ماریوت عنوان گردیده و بعد توسط لومونوسوف مورد تایید واقع شد . با این توصیف که ترکیب شیمیایی این آب ها پس از نفوذ در زمین ثابت نمی ماندو بر حسب سنگی که در آن جریان یافته است تغییر می یابد .
تئوری فوق مدتی مورد قبول واقع شد ولی در مورد آب هایی که در مناطق مختلف زیرزمینی محبوس بودند بدون این که در آنجا نزولات آسمانی قابل توجهی دیده شده باشد ، صادق نبود . لذا در اواخر قرن ۲۰ تئوری جدیدی توسط ولگر ارائه گردید . این تئوری منشأ آب های زیرزمینی را از طریق آب های نفوذی قابل قبول نمی داند بلکه تشکیل آن ها را از تراکم بخار آب موجود در هوا که در بین ذرات و خلل و فرج سنگ ها نفوذ می کند استنباط می نماید . بنابراین تئوری جدیدی به نام تئوری تراکم آب به وجود می اید .
این تئوری به شدت از طرف اکثر دانشمندان انتقاد می شود و آن را غیر واقعی اعلام می دادند زیرا که بخار آب موجود در فضا به اندازه کافی نیست که بتواند مستقلاً منابع عظیمی از آب های زیرزمینی را تشکیل دهند .
در اوایل قرن ۲۰ تئوری دیگری به نام تئوری آب های ابتدایی توسط یک نفر دانشمند اتریشی به نام E- Suess ارائه داده می شود که از طرف بسیاری از آبشناسان استقبال می گردد . طبق این تئوری بخارها و گازهایی که از ماگما در اعماق زمین برمی خیزد با نزدیک شدن به سطح زمین متراکم شده و به صورت آب ابتدایی ظاهر می گردند . تجربیات کافی امروزه این نظریه را نیز رد می کند .
بالاخره تئوری آب های فسیل مطرح می شود . تئوری مذبور آب های زیرزمینی نواحی عمیق را به باقی مانده آب های حوضه های قدیمی که در زیر رسوبات مدفون شده اند ربط می دهد . پس از اظهار نظر آبشناسان ممالک مختلف و بررسی تئوری های فوق ، قریب به اتفاق متخصصین تئوری اول یعنی تئوری آب های نفوذی را در مورد آب های زیرزمینی قابل قبول می دانند .
نفوذ آب در زمین تا برخورد به قشرهای نفوذ ناپذیر ادامه می یابد . به محض این که آب ها به این قبیل لایه ها رسیدند و جریان آنها از هر طرف متوقف گردید در خلال حفره های سنگ ها جمع شده و سفره های آبدار و یا مخازن زیرزمینی آب را تشکیل می دهند .
چون غالباً در اعماق زمین طبقات نفوذ پذیر و غیر قابل نفوذ متناوباً قرار دارند ، لذا ممکن است در ناحیه ای از زیرزمین چندین سفره آبدار بر روی یکدیگر وجود داشته باشند . بالاترین سفره های آبدار زمین را که نزدیک به سطح زمین است و چاه های معمولی به آن می رسد سفره های آب سطحی و یا مخزن چاه ها می نامند و سفره های زیرین را آب های عمیق و مخصوصاً آن هایی که در اعماق زیادتر قرار دارند آب های محصور و یا سفره های محاط می خوانند . مخازن سطحی آب های زیرزمینی با تغییر نزولات و درجه گرمای بیرون بسیار تغییر می کند . به همین جهت مقدار آب چاه هایی که از این مخازن تغذیه می نمایند سریعاً کم و زیاد می شود .
در صورتیکه چاه های عمیق که از مخازنعمیق تر زمین ( منطقه اشباعی دائم ) آب می گیرند مقدار آبشان چندان تغییر نمی نماید . به علاوه از نظر بهداشت هم آب چاه های عمیق ( مخصوصاً در نواحی مسکونی ) پاک تر از آب چاه هایی است که به مخازن سطحی مربوط می شوند .عوارض خارجی سطح زمین باعث می شود که سطح ایستایی آب های زیرزمینی افقی نباشد . آنانکه در مجاورت دره ها که نیروی جذب سنگ های مخزن کمتر است و از مقاومت در مقابل مسیر جریان آب در داخل زمین کسر می شود سطح ایستایی پایین تر قرار می گیرد ، بدین ترتیب سطح ایستایی آب های زیرزمینی عموماً در کنار دره ها انحنا پیدا می کند و تحدب سطح مزبور به سمت بالا می رود .همانطوریکه برجستگی های سطح زمین باعث تقسیم آب های سطحی از یکدیگر است ، چین خوردگی لایه های غیر قابل نفوذ در اعماق زمین هم وسیله جدا بودن حوضه هایی از سفره های آبدار زیرزمین می گردد و باعث می شود تغییرات آب یک مخزن در مخزن مجاور مؤثر نباشد .
● حالت های مختلف آب ها در قشر جامد زمین:
قسمت عمده از آبی که بصورت برف و باران به زمین می رسد پس از نفوذ در زمین و رسیدن به طبقات زیرین کلیه درزها و شکاف ها و خلل و فرج بین ذرات سنگ ها را اشغال می نماید و پس از برخورد به سنگ های غیر قابل نفوذ مخازن آب های زیرزمینی را می سازد. آب های زیرزمینی به صورت زیر دیده می شوند :
▪ آب محبوس : آبی است که به وسیله نیروی چسبندگی مولکول ها در حجم سنگ نگاهداری می شود و این نیرو همیشه بزرگتر از نیروی ثقل است .
▪ آب آزاد : عبارت از مقدار آبی است که در داخل خلل و فرج و یا فضاهای آزاد سنگ ها تحت تأثیر نیروی ثقل جریان می یابد مشروط بر اینکه سنگ مزبور از آب اشباع شده باشد .
▪ آب اشباع : حداکثر مقدار آبی است که سنگ قابل نفوذ می تواند در خود نگاهدارد . آب های محبوس از نظر کانی شناسی و سنگ شناسی بسیار حائز اهمیت می باشند . در صورتیکه آب های آزاد چون در داخل سنگ ها جریان می یابند و یا ذخیره می شوند از نقطه نظر آب های زیرزمینی قابل توجه هستند .
پیشرفت اقتصاد و صنعت هر کشوری با مقدار آب های زیرزمینی رابطه مستقیم دارد بطوریکه آب مصرفی اکثر کارگاه های صنعتی بوسیله این آب ها تأمین می گردد.آب های زیرزمینی به علت داشتن عناصر مفید در فعل و انفعالات شیمیایی وارد می شوند . به علت خاصیت انحلال بعضی از مواد موجود در داخل سنگ ها از قبیل سنگ طعام و آهک و غیره را به حالت محلول در می آورند و بدین نحو تغییراتی در ترکیب و ساختمان سنگ روی می دهد.با داشتن قدرت حمل و رسوب گذاری تشکیلاتی از کانی های مفید را در زمین ایجاد می نمایند مانند معادن مس ، منگنز ، کربنات ژیپس و غیره .
آب های زیرزمینی در تشکیل گازهای کانی ساز مخصوصاً مخازن آب های گرم و معدنی در عمل دگرگونی سنگ ها بسیار مؤثر هستند .
● خواص فیزیکی آب های زیرزمینی:
خواص فیزیکی آب های زیرزمینی شامل زلالیت ، رنگ ، بو ،‌طعم و درجه حرارت است که در ذیل به طور خلاصه به هر یک می پردازیم :
▪ زلالیت : آب های طبیعی به دو حالت صاف ( زلال ) و در ( تیره ) یافت می شوند . آب موقعی کدر است که مقدار مواد معدنی و یا سایر مواد معلق در آن وجود داشته باشند . بنابراین کم و یا زیاد بودن مواد فوق در شدت تیرگی آب بسیار مؤثر است.
▪ رنگ : آب آشامیدنی معمولاً بی رنگ است ولی در محیط های وسیع به رنگ آبی دیده می شود . رنگ آب های زیرزمینی به علت وجود مواد خارجی تغییر می کند . املاح آهن و یا هیدروژن سولفوره آب را به ترتیب به رنگ های قرمز و آبی درمی آورند . آب هایی که دارای ترکیبات منگنز هستند سیاه رنگ است در صورتی که آب باتلاق ها به علت زیاد بودن اسید هومیک زرد رنگ است .
▪ بو: به طور کلی آب های زیرزمینی بدون بو هستند . وجود بوی مخصوص در آب نماینده این است که آب مزبور به وسیله چاه های مختلف تغذیه می شود و یا اینکه در آن بعضی از مواد شیمیایی داخل گردیده است .مثلاً بوی گندیده بعضی از آنها مربوط به اسید هومیک است
▪ طعم یا مزه: طعم آب بسته به ترکیب مواد مختلفی است که در آن محلول هستند . اگر مقدار کلرورها ( نمک طعام و غیره ) آن حدود ۳۰۰ میلی گرم در لیتر باشد مزه شور دارد . چنانکه مقدار سولفات های محلول در آن از ۴۰۰ تا ۴۵۰ میلی گرم در لیتر برسد مزه کاملاً تلخ می دهد . اگر ازمناطقی که ژیزمان های سولفوره دارند عبور کند مزه اسید به خود می گیرد . بنابراین مقدار مواد محلول و نوع بستری که آب در آن جریان می یابد و یا ذخیره می شود در طعم آن مؤثر است .
▪ حرارت: درجه حرارت آب های زیرزمینی با عمق سفره ، وجود کانون آتشفشانی و موقعیت جغرافیایی محل فرق می کند . لذا از روی درجه حرارت می توان آنها را به چند دسته به شرح زیر تقسیم کرد :
- آب خیلی سرد ( حداکثر تا ۵ درجه سانتی گراد)
- آب سرد ( ۱۰ درجه سانتی گراد )
- آب نسبتاً ملایم ( ۱۸ درجه سانتی گراد)
- آب ملایم ( ۲۵ درجه سانتی گراد )
- آب ولرم ( ۳۷ درجه سانتی گراد)
- آب گرم ( بالاتر از ۴۰ درجه سانتی گراد)
درجه حرارت آب در اثر نمک یا گازهای محلول در آن تغییر می نماید .
● ساختمان شیمیایی آب های زیرزمینی:
بطوریکه می دانیم آب از یون های هیدروژن H+ و هیدروکسیل OH- ترکیب یافته و مقدار یون های مزبور در آب معمولی در درجه حرارت معین ثابت است . چنانکه مقدار هر یک از این یون ها تغییر یابد آب حالت اسیدی ( یون هیدروژن زیادتر ) و یا حالت قلیایی ( هیدروکسیل بیشتر ) به خود می گیرد.از نظر PH آب را می توان به سه دسته تقسیم کرد:
- آب های خنثی که PH آنها در حدود ۷ است
- آب های اسیدی که PH آنها کمتر از ۷ است .
- آب های قلیایی که PH آنها بیشتر از ۷ است .
به طورکلی ساختمان شیمیایی آب های زیرزمینی بر حسب مصارف مختلف فرق می کند.ساختمان شیمیایی آب آشامیدنی غیر از ساختمان شیمیایی آب است که در صنعت از آن استفاده می شود . بنابراین در استخراج و بهره برداری از آب های زیرزمینی می بایست شرایط زمین شناسی و هیدرولوژیکی محل مورد نظر کاملاً بررسی و مطالعه گردد.اگر از آب های زیرزمینی برای تأمین مصارف شهری مخصوصاً آشامیدن بهره برداری نماید باید دقت شود که آب مزبور به وسیله مواد آلی و یا سایر مواد زیان آور آلوده نگردد . اصطلاح سنگینی آب هم در مقوله ساختمان شیمیایی آب مطرح می شود . آب موقعی سنگین است که دارای کلسیم ( Ca ) و منیزیم ( Mg ) باشد . معمولاً هر ۵ میلی گرم کربنات کلسیم محلول در یک لیتر آب را یک درجه سختی می نماید.سنگینی تمام آب های طبیعی ممکن است منوط به وجود بیکربنات ها ، سولفات ها ،‌کلرورها یا نیترات های کلسیم و منیزیم و آهن و یا عناصر معدنی دیگر باشد . ایجاد فلس های نامحلول روی دیواره مخازن و قشر سفید ابری در لیوان مربوط به سنگینی آب است .
● مشکلات و آلودگی آبهای زیرزمینی:
به دلیل عدم شناخت صحیح و یا عدم درک میزان آسیب پذیری سریع آبهای زیرزمینی ، سهل‌انگاری های زیادی صورت گرفته است. اجازه داده‌ایم که بنزین و سایر مایعات مضر از مخازی زیرزمینی به درون سفره‌های آبهای زیرزمینی نفوذ کند. آلاینده‌ها ، از محل‌های دفن زباله یا سیستم های فاضلاب که بطور غلطی ساخته شده‌اند، به داخل آن تراوش می‌‌کنند. آبهای زیرزمینی از طریق زهاب حاصله از مزارع کشاورزی کود داده شده و مناطق صنعتی ، آلوده می‌شوند. صاحبان خانه‌ها با ریختن مواد شیمیایی به داخل فاضلاب یا روی زمین ، آبهای زیرزمینی را آلوده می‌کنند

منبع : سایت جامع علمی داکفا