آب‌های پنهان: سفره‌های زیرزمینی
سفره‌ی آب زیرزمینی چگونه تشکیل می‌شود؟
تصور کنید زمین مانند یک اسفنج غول‌پیکر است. وقتی باران می‌بارد یا برف آب می‌شود، بخشی از این آب‌ها به داخل این «اسفنج زمین» نفوذ می‌کنند. به این فرآیند نفوذ4 می‌گویند. لایه‌های مختلف زمین، از نظر توانایی عبور دادن آب متفاوت هستند. به لایه‌هایی که آب می‌تواند به راحتی از آن‌ها عبور کند، مانند لایه‌های شنی، آب‌خوان5 یا سفره‌ی آب می‌گویند.
در مقابل، لایه‌هایی مانند رس یا سنگ‌های متراکم، که آب نمی‌تواند از آن‌ها عبور کند، لایه‌ی ناتراوا6 نامیده می‌شوند. این لایه‌ها مانند یک کف بتنی در اعماق زمین عمل کرده و مانع از نفوذ بیشتر آب به پایین می‌شوند. وقتی آب بر روی چنین لایه‌ای جمع شود، یک سفره‌ی آب زیرزمینی شکل می‌گیرد. به سطح بالایی این آب‌های ذخیره شده، سطح ایستابی7 گفته می‌شود.
ویژگی‌های فیزیکی سفره‌های آب
مهم‌ترین ویژگی یک لایه زمین برای تبدیل شدن به یک آب‌خوان خوب، تخلخل8 و نفوذپذیری9 است.
| نوع ماده | تخلخل (فضای خالی) | نفوذپذیری (عبور آب) | کاربرد به عنوان آب‌خوان |
|---|---|---|---|
| ماسه درشت و شن | 30-20% | بسیار بالا | عالی |
| ماسه ریز | 40-30% | متوسط | خوب |
| رس | 50-40% | بسیار پایین | ضعیف |
| سنگ آهک شکسته | 10-5% | متغیر (بستگی به شکستگی دارد) | متوسط |
سرعت حرکت آب در زیر زمین را می‌توان با قانون دارسی10 توصیف کرد. این قانون به زبان ساده می‌گوید: میزان آبی که از یک لایه خاک عبور می‌کند، به نفوذپذیری آن لایه و شیب سطح ایستابی بستگی دارد. این رابطه را می‌توان به صورت نمادین زیر نشان داد:
که در آن:
$ Q $: دبی حجمی آب (مثلاً بر حسب مترمکعب در روز)
$ K $: ضریب نفوذپذیری
$ A $: سطح مقطع عبور آب
$ \frac{\Delta h}{L} $: گرادیان هیدرولیکی (شیب سطح آب)
چرخه‌ی آب و تغذیه‌ی سفره‌ها
آب‌های زیرزمینی بخشی از چرخه‌ی بزرگ آب در کره‌ی زمین هستند. در این چرخه، آب از اقیانوس‌ها تبخیر می‌شود، به ابر تبدیل می‌شود، سپس به صورت باران یا برف به زمین بازمی‌گردد. بخشی از این بارش‌ها جاری می‌شوند (رودخانه‌ها)، بخشی تبخیر می‌شوند و بخش مهم دیگری در زمین نفوذ می‌کند تا سفره‌های زیرزمینی را تغذیه11 کند.
مناطقی که در آن‌ها آب به راحتی به داخل زمین نفوذ می‌کند، منطقه تغذیه نامیده می‌شوند. این مناطق معمولاً پوشش گیاهی کم‌تر و خاک شنی دارند. از طرف دیگر، آب زیرزمینی می‌تواند به طور طبیعی از زمین خارج شود؛ این اتفاق در چشمه‌ها و یا از طریق جریان به سمت رودخانه‌ها و دریاچه‌ها رخ می‌دهد. به این مناطق، منطقه تخلیه می‌گویند.
دسترسی و بهره‌برداری از آب‌های پنهان
انسان‌ها برای دسترسی به این منبع پنهان، چاه حفر می‌کنند. چاه یک مسیر مستقیم برای رسیدن به سطح ایستابی و پمپاژ آب به بیرون است. عمق یک چاه باید حتماً از سطح ایستابی بیشتر باشد تا بتواند آب داشته باشد. یکی از پدیده‌های جالب زمانی رخ می‌دهد که چاه در یک سفره‌ی تحت فشار حفر شود. در این حالت، آب به دلیل فشار موجود در سفره، خودبه‌خود تا ارتفاعی بالاتر از سطح سفره در لوله‌ی چاه بالا می‌آید. به چنین چاهی، چاه آرتزین12 گفته می‌شود.
یکی از کاربردهای مهم و قابل لمس آب‌های زیرزمینی، استفاده از آن در کشاورزی است. در بسیاری از مناطق خشک و نیمه‌خشک جهان، مانند بخش‌های وسیعی از ایران، کشاورزی کاملاً وابسته به آب چاه‌ها است. از دیگر کاربردهای آن می‌توان به تأمین آب شرب از طریق چاه‌های عمیق در اطراف شهرها و همچنین استفاده در صنایع مختلف اشاره کرد.
چالش‌ها و خطرات تخلیه‌ی بی‌رویه
اگر آب بیشتری از سفره برداشت شود از میزان آبی که به طور طبیعی از طریق بارش جایگزین می‌شود، سطح ایستابی به تدریج پایین‌تر می‌رود. این پدیده، کشیده‌شدن آب‌های زیرزمینی13 نام دارد. پیامدهای این اتفاق بسیار جدی است:
- خشک شدن چاه‌ها و قنات‌ها: با پایین رفتن سطح آب، چاه‌های کم‌عمق خشک می‌شوند.
- فرونشست زمین: با خالی شدن فضاهای خالی در خاک از آب، این فضاها فشرده می‌شوند و در نتیجه کل سطح زمین به آرامی نشست می‌کند. این پدیده غیرقابل بازگشت است و خسارات زیادی به ساختمان‌ها، جاده‌ها و خطوط لوله وارد می‌کند.
- شور شدن آب: در مناطقی که نزدیک دریا هستند، پایین رفتن سطح آب شیرین زیرزمینی باعث می‌شود آب شور دریا به سمت سفره‌های آب شیرین حرکت کند و آن‌ها را آلوده کند.
پرسش‌های متداول
پاورقی
1 Groundwater
2 Surface Water
3 Porous Media
4 Infiltration
5 Aquifer
6 Impermeable Layer / Aquitard
7 Water Table
8 Porosity
9 Permeability
10 Darcy's Law
11 Recharge
12 Artesian Well
13 Overdraft