سفر آب در درون زمین — علوم تیزهوشان هفتم (استعداد درخشان)

سفر آب در درون زمین (علوم تیزهوشان هفتم)

بخش بزرگی از آب شیرین در دسترس ما زیر پای ماست و دیده نمی‌شود. در ایران که مناطق وسیعی خشک است، آب‌های زیرزمینی و قنات‌ها قرن‌ها زندگی را ممکن کرده‌اند.

آب زیرزمینی چیست؟

آب زیرزمینی آبی است که در درزها و فضاهای حفره‌ای سنگ‌ها و رسوبات زیر سطح زمین جمع می‌شود. بیشتر آن طبیعی خالص است و سال‌ها یا قرن‌ها دست‌نخورده می‌ماند. بیش از ۹۰٪ آب آشامیدنی جهان از آب زیرزمینی است. از آب‌های کرهٔ زمین ۹۷٪ در اقیانوس‌هاست و ۲٪ یخ زده؛ آب موردنیاز ما از ۱٪ باقی‌مانده، یعنی آب سطحی و زیرزمینی، تأمین می‌شود. اگر مصرف روزانهٔ جهان حدود ۱۷۰۰ میلیارد لیتر باشد، $1700\times10^{9}\,\text{L}=1.7\times10^{12}\,\text{L}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یعنی $1.7\times10^{9}\,\text{m}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است.

بیشتر آب زیرزمینی از نفوذ برف و باران پدید می‌آید و پس از برخورد به سنگ‌های نفوذناپذیر مخزن می‌سازد. آب محبوس با نیروی چسبندگی در سنگ نگه داشته می‌شود و جاری نمی‌شود؛ آب آزاد زیر اثر ثقل جریان دارد و چاه و چشمه را می‌دهد؛ آب اشباع حداکثر آبی است که سنگ قابل نفوذ می‌تواند نگه دارد. اسفنج خیس همین را نشان می‌دهد: مقداری آب می‌چکد (آزاد) و مقداری می‌ماند (محبوس). لایه‌ای که همهٔ فضاهای خالی آن پر از آب است منطقهٔ اشباع است، بالای آن منطقهٔ غیراشباع قرار دارد و مرز میان آنها سطح ایستابی نام دارد. در مناطق مرطوب این سطح نزدیک سطح زمین و در مناطق خشک و کوهستانی پایین است.

غارهای آهکی

گاز $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در آب اسید کربنیک می‌سازد: $\text{CO}_2+\text{H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{H}_2\text{CO}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. این آب اسیدی هنگام عبور از آهک $\text{CaCO}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی را به بی‌کربنات کلسیم محلول تبدیل می‌کند: $\text{CaCO}_3+\text{H}_2\text{CO}_3\rightarrow\text{Ca(HCO}_3)_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. در میلیون‌ها سال، خروج این محلول فضای خالی بزرگی به نام غار می‌سازد. وقتی آب از سقف می‌چکد و $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی خود را آزاد می‌کند، $\text{CaCO}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دوباره رسوب می‌کند: ستون‌های آویزان از سقف استالاکتیت و ستون‌های بالارونده از کف استالاگمیت نام دارند و رشدشان بسیار کند است. غار فقط در سنگ‌های قابل انحلال مثل آهک ساخته می‌شود، نه در گرانیت.

تخلخل و نفوذپذیری

تخلخل نسبت حجم فضاهای خالی به حجم کل است: $n=\frac{V_{\text{void}}}{V_{\text{total}}}\times100$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. فضای خالی خاک بین ۴۰ تا ۶۰٪ حجم آن است. اگر برای پر کردن فضای خالی $1000\,\text{cm}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی خاک $420\,\text{cm}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آب لازم باشد، تخلخل ۴۲٪ است. برای سفره‌ای به مساحت $10\,\text{km}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و ضخامت اشباع $20\,\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با تخلخل مفید ۲۵٪: $V_{\text{total}}=10^7\times20=2\times10^8\,\text{m}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و حجم آب $0.25\times2\times10^8=5\times10^7\,\text{m}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است؛ البته در عمل فقط بخشی از آن قابل برداشت است.

نفوذپذیری سهولت حرکت سیال در ماده متخلخل است و فقط خلل و فرج‌هایی که به هم راه دارند (تخلخل مفید) در آن مؤثرند. با کاهش اندازهٔ دانه‌ها تخلخل زیاد ولی نفوذپذیری کم می‌شود، چون مجاری میان حفره‌ها بسیار تنگ می‌شود. پس رس تخلخل زیاد (حدود ۴۰–۶۰٪) اما نفوذپذیری بسیار کم دارد؛ ماسه متوسط و شن نفوذپذیری بسیار زیاد دارد. دانه‌های گرد و کروی متراکم‌تر چیده می‌شوند و تخلخل و نفوذپذیری را کم می‌کنند؛ دانه‌های کمی زاویه‌دار بهترند.

چرا رس، شن و ماسه به تنهایی برای کشاورزی خوب نیستند؟ رس آب را نفوذ نمی‌دهد، آب‌ماندگی می‌سازد و ریشه اکسیژن کم دارد. شن و ماسه آب را سریع زهکشی می‌کنند و مواد مغذی را می‌شویند. مخلوط متعادل (لوم) آب را نگه می‌دارد (رس)، هوا و زهکشی را فراهم می‌کند (ماسه و شن) و مواد مغذی را حفظ می‌کند.

سفره‌های آب

سفره لایه یا منطقه‌ای قابل نفوذ است که آب در آن جریان می‌یابد و باید آبدهی خوبی داشته باشد. سطح ایستابی همیشه افقی نیست و به‌طرف محل تخلیه شیب دارد. آبرفت‌ها (رسوبات رودها در دره و دشت) سفرهٔ خوبی می‌سازند، اما رس با وجود تخلخل زیاد به‌علت نفوذپذیری کم سفره نمی‌سازد و نفوذناپذیر محسوب می‌شود.

• سفرهٔ آزاد: لایهٔ نفوذناپذیر بالای آن نیست، فشار سطح آب برابر فشار هواست و سطح ایستابی با تغذیه و تخلیه آزادانه نوسان می‌کند. نوع خاص آن سفرهٔ معلق است که روی عدسی رسی در منطقهٔ اشباع‌نشده می‌ماند و آب کمی دارد.
• سفرهٔ تحت فشار (آرتزین): بین دو لایهٔ نسبتاً نفوذناپذیر محصور است و فشارش از اتمسفر بیشتر است. آب در چاه بالا می‌آید، چون محل تغذیه در ارتفاعی بالاتر از سطح آب در محل چاه است (ظروف مرتبط).

وقتی سطح ایستابی به سطح زمین برسد، چشمه می‌شود. اگر ارتفاع زمین $1250\,\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و عمق سطح ایستابی $12\,\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی باشد، ارتفاع آن از سطح دریا $1238\,\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است؛ افت تدریجی این سطح نشانهٔ برداشت بیش از حد است.

قنات

ایرانیان باستان دریافتند بخشی از بارش در زمین فرو می‌رود. چاه ممکن بود پس از مدتی خشک شود، پس با الهام از چشمه‌های پای کوه که در آنها لایهٔ اشباع به سطح می‌رسد، قنات (کاریز) را ساختند. اجزا: مادر چاه (اولین و عمیق‌ترین چاه نزدیک کوه که به سفره می‌رسد)، میله‌ها (چاه‌های عمودی برای تهویه، خارج کردن خاک و لای‌روبی)، کوره (تونل افقی با شیب کم) و مظهر (جایی که آب بیرون می‌آید)، سپس جوی و حوضچه. اصل کار این است که شیب کوره از شیب زمین کمتر است، پس فاصلهٔ تونل با سطح زمین کم می‌شود تا آب بدون پمپ و فقط با گرانش به سطح برسد.

مثال: عمق مادر چاه $40\,\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، شیب زمین $5\,\text{m/km}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و شیب کوره $1\,\text{m/km}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. فاصله در هر کیلومتر $4\,\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کم می‌شود، پس $L=\frac{40}{4}=10\,\text{km}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. اگر شیب کوره از شیب زمین بیشتر باشد، آب هرگز به سطح نمی‌رسد. قنات انرژی نمی‌خواهد و برداشت را خودبه‌خود محدود می‌کند؛ چاه عمیق با پمپ می‌تواند بیش از تغذیه برداشت کند و سطح آب را پایین ببرد و باعث فرونشست زمین شود.

آلودگی آب‌های زیرزمینی

منابع: مخازن سوخت زیرزمینی (نشت بنزین)، محل‌های دفن زباله (شیرابهٔ سمی)، چاه‌ها و فاضلاب‌های نادرست (میکروب و مواد شیمیایی)، کشاورزی (نیترات و آفت‌کش)، صنایع (فلزهای سنگین) و مواد شیمیایی خانگی. پاک‌سازی دشوار است، چون آب زیرزمینی بسیار آهسته حرکت می‌کند و آلودگی سال‌ها می‌ماند، آلودگی دیده نمی‌شود و پاک کردن حفاری و پمپاژ فراوان می‌خواهد. بهترین راه پیشگیری است. با سرعت $0.5\,\text{m/day}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آلودگی ۲۰۰ متر دورتر $t=\frac{200}{0.5}=400$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی روز بعد به چاه می‌رسد؛ یعنی حدود ۱۳ ماه.

نکته‌های خودآزمایی

اگر در $500\,\text{cm}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی خاک حجم فضای خالی $150\,\text{cm}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی باشد، تخلخل $\frac{150}{500}\times100=30$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درصد است. اگر مادر چاهی $30\,\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی عمق داشته باشد و شیب زمین $4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و شیب کوره $1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی متر بر کیلومتر باشد، طول قنات تا مظهر $\frac{30}{4-1}=10\,\text{km}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌شود. آلودگی ۳۰۰ متر دورتر با سرعت $1.5\,\text{m/day}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در $\frac{300}{1.5}=200$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی روز به چاه می‌رسد. آلودگی آب زیرزمینی دیر کشف می‌شود، چون دیده نمی‌شود و آب آهسته حرکت می‌کند. در سفرهٔ تحت فشار لایهٔ نفوذناپذیر بالای آب است و فشار آن از اتمسفر بیشتر است؛ در سفرهٔ آزاد چنین لایه‌ای نیست. آب محبوس را با چاه نمی‌توان کشید، چون با نیروی چسبندگی در سنگ نگه داشته می‌شود. پس سه گام یادآوری برای هر مسئله: نوع سفره و سنگ را بشناس، تخلخل یا نفوذپذیری را از اندازهٔ دانه‌ها بسنج و با مقدار آب و سرعت جریان زمان یا حجم را حساب کن.

اشتباه‌های رایج