چرخهٔ آب در حوضهٔ آبریز
بیشتر آب زمین شور است و سهم بزرگی از آب شیرین هم در یخچال‌ها قفل شده. آب شیرینِ در دسترس ما دو منبع دارد: آب‌های سطحی (رودخانه و دریاچه) و آب‌های زیرزمینی؛ ورودی اصلی هر دو بارش جوی است.
حوضهٔ آبریز منطقه‌ای است که آب بارشش را یک رود اصلی و شاخه‌هایش جمع می‌کنند. بارش در چنین حوضه‌ای یکی از این سرنوشت‌ها را پیدا می‌کند:
- برگاب: بخشی که اصلاً به زمین نمی‌رسد و شاخ‌وبرگ گیاهان آن را می‌گیرند؛ یا مستقیم تبخیر می‌شود یا با تأخیر از روی برگ‌ها می‌چکد.
- بخشی که به زمین می‌رسد و بی‌درنگ تبخیر می‌شود.
- رواناب: بخشی که روی سطح جاری می‌شود و به مناطق پست می‌رود؛ قسمتی از آن موقتاً در خاک ذخیره و صرف گیاهان می‌شود و قسمتی در طول مسیر به زمین نفوذ می‌کند.
تغذیهٔ آب زیرزمینی فقط از نفوذ مستقیم باران نیست؛ سهم عمده‌ای از آن از همین رواناب‌هایی می‌آید که پیش از رسیدن به دریا در مسیرشان نفوذ می‌کنند. آب زیرزمینی سرانجام از چشمه، چاه یا قنات به سطح بازمی‌گردد و چرخه بسته می‌شود.
رواناب با شیب زمین و شدت و تداوم بارش رابطهٔ مستقیم دارد و با پوشش گیاهی، گیاخاک و نفوذپذیری خاک رابطهٔ عکس. برگاب هم به تراکم و شکل برگ‌ها (پهن یا سوزنی)، میزان بارش، باد و دما بستگی دارد و با افزایش دما و تبخیر کمتر می‌شود؛ پس هرچه تراکم برگ بیشتر باشد، آب کمتری روی زمین هدر می‌رود. آبدهی رودها هم در بهار (ذوب برف) بیشتر و در تابستان (تبخیر زیاد) کمتر است.
آب جاری و اندازه‌گیری دبی
ایران شش حوضهٔ آبریز اصلی دارد: خزر (سفیدرود، ارس)، خلیج فارس و دریای عمان (کارون، کرخه)، ارومیه (زرینه‌رود)، فلات مرکزی (زاینده‌رود)، هامون (هیرمند) و قره‌قوم (تجن، کشف‌رود). وسیع‌ترین آن‌ها فلات مرکزی است.
حجم آبی که در واحد زمان از مقطع عرضی یک رود می‌گذرد، آبدهی یا دبی نام دارد:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینکه ادامهٔ فرمول را افقی ببین دبی بر حسب مترمکعب بر ثانیه، ادامهٔ فرمول را افقی ببین مساحت سطح مقطع جریان بر حسب مترمربع و ادامهٔ فرمول را افقی ببین سرعت متوسط آب بر حسب متر بر ثانیه است. چون سرعت آب در طول، عرض و عمق رود یکسان نیست، همیشه سرعت متوسط را به کار می‌بریم. در بسیاری از مسائل ادامهٔ فرمول را افقی ببین را باید خودتان از شکل مقطع (دایره، نیم‌دایره، مستطیل و…) حساب کنید؛ مثلاً رودی با مقطع ۱۰۰ مترمربع و سرعت ۲ متر بر ثانیه دبی ادامهٔ فرمول را افقی ببین دارد و حجم عبوری در هر بازه، از ضرب دبی در ثانیه‌های آن بازه به دست می‌آید.
آبدهی به بارندگی، سرعت جریان، شیب، پوشش گیاهی، نفوذپذیری خاک، تبخیر، سطح مقطع و فصل سال بستگی دارد. رودها از نظر دوام دو دسته‌اند: رودهای دائمی در مناطق مرطوب که حتی در نبود بارش هم جریان دارند، چون آب زیرزمینی جریان همیشگی موسوم به آبدهی پایه را تأمین می‌کند؛ و رودهای موقتی و فصلی در مناطق گرم و خشک که فقط بعد از بارندگی جاری‌اند. تفاوت کلیدی این دو، وابستگی آبدهی پایه به آب زیرزمینی است، نه بارش لحظه‌ای.
در قسمت‌های مستقیم رود بیشترین سرعت در وسط و نزدیک سطح آب است و کمترین سرعت به‌دلیل اصطکاک کنار بستر. در پیچان‌رودها بیشترین سرعت و در نتیجه بیشترین فرسایش در دیوارهٔ مقعر (کاو) رخ می‌دهد و در دیوارهٔ محدب (کوز) سرعت کمتر و رسوب‌گذاری بیشتر است.
آب زیرزمینی
آب زیرزمینی در منافذ خاک و سنگ جمع می‌شود؛ سهمش از کل آب‌کره حدود ۱ درصد است، اما بزرگ‌ترین ذخیرهٔ آب شیرینِ قابل بهره‌برداری در خشکی‌هاست.
هنگام نفوذ آب دو منطقه شکل می‌گیرد: منطقهٔ تهویه با منافذ پر از آب و هوا، و منطقهٔ اشباع با منافذ کاملاً پر از آب. مرز بالایی منطقهٔ اشباع سطح ایستابی نام دارد و درست بالای آن حاشیهٔ موئینه قرار می‌گیرد که آب بر اثر موئینگی در آن بالا می‌رود (هرچه ذرات ریزتر، ضخیم‌تر). برخورد سطح ایستابی با سطح زمین چشمه می‌سازد و انطباق کاملشان باتلاق یا شوره‌زار. سطح ایستابی تقریباً از توپوگرافی سطح زمین تبعیت می‌کند و در ارتفاعات عمیق‌تر است؛ آب هم همیشه از سطح ایستابی بالاتر به پایین‌تر حرکت می‌کند، نه در خط مستقیم بلکه در مسیری منحنی.
دو ویژگی کلیدی را از هم جدا کنید: تخلخل یعنی درصد فضاهای خالی یا ظرفیت نگه‌داری آب، و نفوذپذیری یعنی توانایی عبور دادن آب:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینتلهٔ رایج اینجاست که این دو همیشه هم‌جهت نیستند: رس تخلخل زیاد اما نفوذپذیری بسیار کم دارد، ماسه برعکس.
آبخوان لایه‌ای از سنگ یا رسوب است که آب زیرزمینی در آن ذخیره و قابل برداشت است. آبخوان آزاد سطح ایستابی آزاد دارد و بیشتر در دشت‌ها و دامنهٔ کوه‌ها تشکیل می‌شود؛ آبخوان تحت فشار میان دو لایهٔ نفوذناپذیر محبوس است و سطح پیزومتریک دارد — اگر این سطح از سطح زمین بالاتر باشد، آب خودبه‌خود از چاه بیرون می‌زند و چاه آرتزین می‌سازد. آبرفت و سنگ آهک کارستی آبخوان عالی می‌سازند (چشمه‌های کارستی مثل طاق‌بستان)، اما شیل و سنگ‌های آذرین و دگرگونی آبخوان ضعیفی دارند یا ندارند.
کیفیت آب زیرزمینی به نوع کانی‌ها، سرعت نفوذ، مسافت طی‌شده و دما بستگی دارد. یک رابطهٔ عکس مهم: هرچه سرعت حرکت آب کمتر باشد، فرصت انحلال کانی‌ها بیشتر و غلظت نمک‌های محلول بیشتر می‌شود. سختی آب از یون‌های ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌آید و آب سخت با صابون کف نمی‌کند و در لوله رسوب می‌گذارد:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینآب سنگ‌های آذرین و دگرگونی معمولاً کم‌املاح و آشامیدنی است، اما آب سنگ‌های تبخیری (نمک و گچ) و کربناتی نامناسب. در مناطق خشک هم هرچه سطح ایستابی عمیق‌تر یا چاه از منطقهٔ تغذیه دورتر باشد، آب املاح بیشتری برمی‌دارد.
قنات
قنات یا کاریز سازه‌ای ایرانی برای رساندن آب زیرزمینی به سطح زمین بدون پمپاژ است و بر پایهٔ قانون ظروف مرتبطه کار می‌کند اجزایش: مادرچاه (عمیق‌ترین و نخستین چاه)، میله‌چاه‌ها (چاه‌های کمکی برای رساندن هوا، خارج کردن مواد و لایروبی؛ هرچه به مظهر نزدیک‌تر، کم‌عمق‌تر)، کانال قنات (مجرای افقی) و مظهر (محل خروج آب). قدیمی‌ترین قنات جهان قنات قصبهٔ گناباد با قدمتی حدود ۲۵۰۰ سال است. بیشترِ ۴۵ هزار رشته قنات کشور در حوضهٔ فلات مرکزی حفر شده‌اند؛ جایی که بارش کم و کمبود آب سطحی، قنات را به راه‌حل طبیعی مردم تبدیل کرد.
تجدیدپذیری و بیلان آب
آب تجدیدپذیر پس از مصرف از راه چرخهٔ آب جایگزین می‌شود، اما آب تجدیدناپذیر نه؛ نمونهٔ شاخصش آب فسیلی است که هزاران سال در اعماق حبس مانده و وارد چرخهٔ آب نیست. سرانهٔ آب تجدیدپذیر کشور از حدود ۱۳ هزار مترمکعب در سال ۱۳۰۰ به کمتر از ۲ هزار مترمکعب در سال ۱۴۰۰ رسیده؛ قاعدهٔ پرهیز از بحران هم ساده است: بهره‌برداری باید کمتر یا برابر تغذیه باشد.
بیلان آب بر پایهٔ اصل بقای جرم نوشته می‌شود:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینکه ادامهٔ فرمول را افقی ببین آب ورودی (بارش، رواناب، نفوذ از آبخوان مجاور)، ادامهٔ فرمول را افقی ببین آب خروجی (تبخیر، تعرق، برداشت انسان) و ادامهٔ فرمول را افقی ببین تغییر حجم ذخیره است. بیلان مثبت یعنی افزایش ذخیره و منفی یعنی کاهش آن. بیلان بیش از ۶۰۰ دشت کشور منفی است و بسیاری از آن‌ها ممنوعه اعلام شده‌اند.
مخروط افت، فرونشست و حفاظت از آبخوان
با برداشت آب از چاه، سطح ایستابی یا پیزومتریک اطراف آن پایین می‌رود و فرورفتگی مخروطی‌شکلی به نام مخروط افت می‌سازد. هرچه برداشت بیشتر و مدت بهره‌برداری طولانی‌تر باشد، این مخروط عمیق‌تر و گسترده‌تر می‌شود. اگر این مخروط به منبعی آلاینده مثل چاه فاضلاب برسد، آلودگی به‌سرعت به سمت چاه کشیده می‌شود.
برداشت بی‌رویه فضاهای خالی آبخوان را تخلیه می‌کند، لایه‌های بالایی زیر وزن خودشان فشرده می‌شوند و فرونشست رخ می‌دهد؛ گاهی ناگهانی به شکل فروچاله و گاهی تدریجی به شکل نشست آرام سطحی وسیع همراه با ترک و شکاف. پیامدهایش ترک ساختمان‌ها، تخریب جاده و سازه و کج شدن لولهٔ چاه‌هاست. راه‌حل اصلی کاهش برداشت و تغذیهٔ مصنوعی آبخوان است: تزریق آب در قنات‌های خشک‌شده، تغذیه از رودخانه، نهر و چاه، ایجاد سد، و پخش پساب تصفیه‌شده. تغذیهٔ طبیعی خودبه‌خود در چرخهٔ آب رخ می‌دهد، اما تغذیهٔ مصنوعی هدایت عمدی آب سطحی به درون زمین توسط انسان است.
آلودگی آب زیرزمینی دو گونه است: نقطه‌ای از یک نقطهٔ مشخص مثل چاه فاضلاب، و غیرنقطه‌ای با رواناب آلودهٔ مراتع و زمین‌های کشاورزی (کود و سموم). کیفیت منابع را کود و فاضلاب صنعتی و شهری تهدید می‌کند و کمیتشان را برداشت زیاد. دو نوع حریم هم تعریف می‌شود: حریم کمّی بر پایهٔ شعاع تأثیر دو چاه (حدود ۵۰۰ متر) و حریم کیفی با پهنه‌های داخلی، میانی و بیرونی که هرچه بیرونی‌تر، محدودیتش کمتر است.
خاک و هوازدگی
خاک محصول نهایی هوازدگی سنگ‌هاست؛ سطحی‌ترین قشر زمین، محیط رشد گیاهان و بستر کشاورزی که پیوسته در معرض تغییرات فیزیکی، شیمیایی و زیستی است. دو بخش دارد: بخش آلی یعنی هوموس یا گیاخاک (باقی‌ماندهٔ تجزیه‌شدهٔ گیاهان و جانوران) و بخش معدنی شامل کانی‌های رسی، کوارتز و عناصری مثل نیتروژن، فسفر و کلسیم.
هوازدگی یعنی شکسته شدن و خرد شدن سنگ‌های سطح زمین یا تغییر ترکیب شیمیایی‌شان. هوازدگی فیزیکی خرد شدن بدون تغییر ترکیب است: انجماد و ذوب پیاپی آب در شکاف سنگ، برداشته شدن بار (رهایی فشار لایه‌های بالایی)، انبساط و انقباض دمایی، فعالیت جانداران و کارهای انسانی. هوازدگی شیمیایی با تغییر ترکیب کانی‌ها همراه است و از راه واکنش با آب، اکسایش و انحلال رخ می‌دهد؛ دی‌اکسید کربن انحلال سنگ آهک را تشدید می‌کند و همین فرایند غارها و چشمه‌های کارستی را می‌سازد. یک موجود زنده می‌تواند هر دو نقش را بازی کند: رشد ریشه در شکاف سنگ هوازدگی فیزیکی است، اما ترشح اسیدهای آلی همان ریشه هوازدگی شیمیایی. هوازدگی خاک می‌سازد و کانی‌های باارزش را متمرکز می‌کند، اما شدت فرسایش را هم بالا می‌برد.
تمایز حیاتی فصل همین‌جاست: هوازدگی خرد شدن و تغییر ترکیب است، بدون جابه‌جایی؛ فرسایش جدا شدن ذرات از بستر و حمل آن‌ها به جای دیگر. هوازدگی سنگ را آماده می‌کند و فرسایش خرده‌های آماده را می‌برد؛ پس هوازدگی همیشه پیش‌نیاز فرسایش است.
تشکیل خاک، بافت و نیم‌رخ
پنج عامل تشکیل خاک: نوع سنگ مادر، شیب زمین، فعالیت جانداران، اقلیم و زمان. عامل زمان معمولاً فراموش می‌شود ولی تعیین‌کننده است: سطحی که طولانی‌تر در معرض هوازدگی بوده، نیم‌رخ کامل‌تری دارد. تشکیل ۲٫۵ سانتی‌متر خاک حدود ۳۰۰ سال طول می‌کشد، پس ۱۰ سانتی‌متر حدود ۱۲۰۰ سال زمان می‌خواهد. به همین دلیل خاک در مقیاس زمان انسانی منبعی تجدیدناپذیر به‌شمار می‌آید.
ذرات خاک از درشت به ریز: شن (گراول) > ماسه > لای (سیلت) > رس. هرچه ذرات ریزتر، آب کندتر عبور می‌کند و خاک آب بیشتری نگه می‌دارد. رس به‌تنهایی برای گیاه مناسب نیست چون گردش آب و هوا در آن سخت است، و خاک شنی هم آب و مواد مغذی را نگه نمی‌دارد؛ لوم، مخلوط متعادل ماسه و لای و رس، بهترین بافت کشاورزی است.
مقطع عمودی خاک از سطح تا سنگ بستر نیم‌رخ خاک نام دارد و از افق‌ها ساخته شده: افق A بالاترین لایه، سرشار از هوموس با رنگ خاکستری تا سیاه؛ افق B لایهٔ میانی با رس، ماسه و املاح شسته‌شده از A؛ و افق C لایهٔ زیرین با قطعات سنگی کم‌تجزیه. دو تله: سنگ بستر زیر افق C است و جزو افق‌های خاک به‌شمار نمی‌آید، و رنگ تیرهٔ افق A از هوموس می‌آید نه از کانی‌های رسی یا کوارتز.
خاک حاصل از تخریب سیلیکات‌ها و سنگ‌های فسفاتی برای کشاورزی باارزش است، اما خاک حاصل از کانی‌های مقاومی مثل کوارتز (شنی و ماسه‌ای) نامناسب. بیشترین محصول از مناطق معتدل به دست می‌آید که هم بارش مناسب دارند و هم خاک ضخیم و پرهوموس. خاک استوایی هم ضخیم و پرهوموس است، اما بارش شدید و پیوسته املاحش را می‌شوید و ارزش کشاورزی‌اش را پایین می‌آورد؛ خاک قطبی و بیابانی نازک و کم‌هوموس است.
فرسایش خاک و حفاظت
عوامل انتقال‌دهندهٔ فرسایش: آب جاری (رایج‌ترین)، باد در مناطق خشک، یخچال در مناطق سرد، نیروی جاذبه (زمین‌لغزش) و آب زیرزمینی (فرسایش درونی و کارست). فرسایش فرایندی طبیعی است؛ انسان می‌تواند با از بین بردن پوشش گیاهی، چرای بیش از حد و جاده‌سازی تشدیدش کند یا با جنگل‌کاری کاهشش دهد، اما هرگز کاملاً متوقفش نمی‌کند.
فرسایش آبی سه مرحله دارد: کنده شدن خاک (معمولاً با برخورد قطره‌های باران)، حمل آن به‌وسیلهٔ آب و انباشته شدن مواد حمل‌شده. اگر جریان آب بر اثر پستی‌وبلندی شدت بگیرد، فرسایش خندقی رخ می‌دهد و زمین کشاورزی را از بین می‌برد. قدرت فرسایندگی رواناب بر پایهٔ انرژی جنبشی نوشته می‌شود:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینکه ادامهٔ فرمول را افقی ببین جرم مواد معلق و ادامهٔ فرمول را افقی ببین سرعت رواناب است. نکتهٔ پرتکرار همین‌جاست: فرسایندگی با توان دوم سرعت رابطه دارد، پس دو برابر شدن سرعت یعنی چهار برابر شدن قدرت فرسایش، نه دو برابر. هرگاه مواد معلق از تاب حمل آب بیشتر یا سرعت آب کم شود، رسوب‌گذاری آغاز می‌شود.
نوع بارش هم سرنوشت متفاوتی می‌سازد: بارش آرام و طولانی بیشتر به آبخوان نفوذ می‌کند، بارش شدید و طولانی فرسایش و سیل می‌آورد و بارش شدید و کوتاه رواناب می‌سازد — هرچند روی زمین بدون پوشش گیاهی، حتی بارش آرام هم رواناب و فرسایش بیشتری می‌سازد.
فرسایش سطح زیر کشت و حاصلخیزی زمین را کم می‌کند، مخازن سدها را با رسوب پر می‌کند و به جاده و پل آسیب می‌زند. برای کاهشش باید پوشش گیاهی را افزایش داد، زمین را در جهت خلاف شیب شخم زد و با بند و کانال از سرعت آب کاست. هدف نهایی حفاظت خاک این است که سرعت فرسایش از سرعت تشکیل خاک کمتر بماند؛ طبق آمار فائو سالانه بیش از ۷۵ میلیارد تن خاک از سطح خشکی‌ها فرسایش می‌یابد.