وجود آب و اهمیتی که در زندگی موجودات بعهده دارد لازم به توضیح و بحث نیست . هر کس میداند که پیدایش حیات در روی زمین بیشتر بستگی مستقیم با آب دارد. بشر اولیه با تجربیات مختصری که از طبیعت آموخته بود طرز استفاده از قوای طبیعی را برای استفاده از آب آموخته. کانالهای آبیاری در مصر بیش از 5000 سال پیش حفر شده و لوله آبرسانی شهر رم بیش از 2500 سال از عمرش میگذرد. اولین تلمبه از 2200 سال پیش توسط ارشمیدس ساخته شد که ممکن است همان کشف ارشمیدس پایه ساختمان تلمبه های سانتریفوژه امروزی باشد.

خواص فیزیکی و شیمیائی آب و شناسائی آنها اهمیت زیادی برای طرز استفاده و بهره برداری از آن دارد و بشر از سالهای دراز در شناسائی خواص آب و استفاده از ماهیت آن زحمات زیاد کشیده و موفقیتهای بسیار بدست آورده است.

توریسلی در سال 1643 میلادی قواعد کلی مکش و فشار جریان آب را کشف کرد بولونی در 1732 اولین تلمبه مکشی را ساخت . پاسکال در 1646 قوانین مهم انتقال فشار را وسیله آب کشف نمود و در سال1738 مهندس سویسی بنام برنوئی قانون مهم هیدرولیک که معروف به قانون حفظ انرژی است کشف نمود و چند سال بعد پی نو قوانین جریان آب و اندازه- گیری سرعت جریان و فشار را به وجود آورد و در سال 1700 میلادی به بعد اکتشافات فراوان از خواص فیزیکی و شیمیائی آب بعمل آمد که امروزه مورد استفاده بشر میباشد . قبل از اینکه وارد بحث آبهای زیر زمینی بطور اعم بشویم بهتر است قواعد کلی مربوط بآب را مورد بحث قرار داده و برای اینکار توضیحات زیر از نظر روش ساختن مطالب لازم به نظر میرسد :

      کلمه هیدرولیک که امروزه برای علم آب شناسی مصطلح است در یونانی به معنای لوله آب است و در ابتدا به قوانین مربوط به جریان آب اطلاق میشده ولی امروزه حاوی مطالب کلی است که در :

1-هیدروستاتیک : مایعات در حال سکون

 2- هیدرو کینتیک : مایعات در حال حرکت

3- هیدرودینامینک : مطالعات مربوط به انرژی حاصله از مایعات در حرکت اطلاق میگردد.

شایان دقت است که بجای آب کلمه مایع استعمال شده و دلیل آن اینستکه مایعات در فیزیک به مایعات و گازها اطلاق میشود ولی چون ما در اینجا فقط از مایعات به بحث در اطراف آب می پردازیم از بحث کلی در مایعات خود داری میکنیم.

خواص شیمیائی آب : آب در حالت خالص از دو گاز هیدروژن و اکسیژن ترکیب شده به نسبت دو به یک آب از نظر ثبات شاید یکی از با ثبات ترین مواد شیمیائی موجود باشد بطوریکه تقریبا غیر قابل تخریب است- آب ممکن است حالات خود را تغییر دهد ولی از بین نمیرود . بطوریکه میتوان گفت که مقدار آب روی زمین ، در عرض شاید 500 میلیون سال تغییر زیادی ننموده و فقط 2 الی 3 درصد به مقدار آن اضافه شده باشد و همین مقدار کوچک کافی است که اگر کمتر شده بود سطح دریاهای موجود 400 پا پائین تر باشد همین آب که دارای ثبات زیادی است معمولا در حالت ایونیزه بوده و از ایون مثبت +H وایون هیدروکسیل منفی (- OH) تشکیل شده است و بهمین دلیل است که آب دارای هدایت الکتریکی و خاصیت خوردن ظروف و لوله ها را دارد .

آب حلال بزرگی است و تقریبا هر چیزی که در سر راه آن باشد تا اندازه درآب حل میشود . بدین دلیل آب همیشه ناخالص بوده و درآن مواد گازی معدنی و آلی حل میشوند. این ناخالص بودن آب باعث تغییرات فیزیکی و شیمیائی خواص آن میگردد .

خواص فیزیکی آب :  تکاثف آب به نسبت حرارت تغییر میکند بطوریکه این تکاثف ( وزن نسبت به حجم معین) وقتی درجه حرارت از 3ر39 درجه فارنهایت زیادتر شود نقصان مییابد و بزبان دیگر حجم آب در درجه حرارت 3ر39 درجه به نسبت وزن آن از هر حالتی کمتر است بطوریکه حجم آب در صورت نقصان درجه حرارت پائین تر از آنچه ذکر شد اضافه میشود بدون آنکه آب از حالت مایع بودن تغییر حالت دهد . آب در درجه حرارت 32 درجه فارنهایت ( صفر سانتیگراد) یخ میزند ولی ممکن است در حالت سکون تا 15 درجه فارنهایت هنوز بحالت مایع بماند . آب در 212 درجه فارنهایت ( 100 درجه سانتیگراد) و در فشار 7ر14 پوند براینچ مربع بجوش می آید و در ارتفاع زیادتر و فشار کمتر درجه جوش آب کمتر میشود .

      آب تقریبا غیر قابل فشرده شدن است بطوریکه یک ستون یک فوتی آب در یک لوله شش اینچی با یازده تن فشار فقط 32ر1 اینچ فشرده میشود و شگفت آنکه تا فشار برداشته شود فوری بحالت اول برمیگردد این مقدار کم  قابلیت فسردگی در هیدرولیک اغلب بعلت ناچیز بودن در نظر گرفته نمیشود ولی دارای اهمیت زیاد در برخی موارد از جمله در چاههای آرتزین میباشد .

     یکی دیگر از خواص مهم آب خاصیت سیلان آن است (Piscosity) این خاصیت از مقاومت در مقابل جریان حاصل میشود و عبارت است از اصطکاک مولکول های آب روی یکدیگر خاصیت سیلان آب یکی از خواص مهمه آنست و با وجودیکه آب دارای ویسکوزیته نسبتا کمی است ولی همین خاصیت باعث افت فشار و ارتفاع مانومتریک در لوله ها میباشد . اگر حرارت اضافه شود و سایر شرایط یکسان بماند درجه سیلان آب اضافه میشود بطوریکه در شرایط مساوی با تغییر درجه حرارت از 100 درجه فارنهایت به 50 درجه تقریبا خاصیت سیلان آب نصف میشود .

      افت فشار در نتیجه اصطکاک ذرات آب مسئله مهمی در جریان آب در طبقات آبده شنی و چاههای عمیق می باشد . مثلا در درجه حرارت 100 درجه فارنهایت یک طبقه آبده دو برابر آب به نسبت درجه حرارت 50 درجه خواهد داد . با وجودیکه آب دارای درجه سیلان مناسب میباشد (Low Viscosity) باز هم مایع کامل نیست برای اینکه در موقع جریان دارای مقاومت و اصطکاک میباشد. با در نظر گرفتن مراتب بالا غلظت چسبندگی و فشار کشش سطحی آب قابل ملاحظه و بحث میباشد.

غلظت Cohesion : غلظت یا Cohesion خاصیت جذابه ذرات آب نسبت بیکدیگر میباشد این قوه جذابه است که ذرات آب را بهم متصل مینماید و این قوه است که باعث تولید چکه آب میشود . خاصیت جذابه ذرات آب نسبت به تغییر شرایط قابل تغییراتست مثلا اگر درجه حرارت اضافه شود قدرت جذابه ذرات کم میشود .

چسبندگی Adhesion : خاصیتی است که وسیله آن آب به جدارو یا سطح مواد دیگر میچسبد این خاصیت را میتوان در یک لوله آب شیشه ای ملاحظه نمود که سطح آب در جدار لوله بالاتر از سطح آب در وسط لوله میباشد و به علت آن است که آب بجدار چسبیده است.

   دلیل این چسبندگی نتیجه جذابیت بیشتر شیشه نسبت به ذره آب است تا ذرات آب نسبت بیکدیگر. پس معلوم میشود که چسبندگی خاصیت عکس سیلان است و قوه کاپیلاریته ( Capillrity ) یا فشار در لوله های موئی کاملا بستگی به خواص چسبندگی و غلظت و سیلان دارد این خاصیت از نظر آبهای زیر زمینی و نوع حرکت و اصطکاک در شکافهای باریک طبقه آبده اهمیت بسزائی دارد بطوریکه این خواص مستقیما در آبدهی طبقه آبده اثر دارد و در بهره برداری از آبهای زیرزمینی بطور کامل باید مورد نظر گرفته شود مثلا مقدارحجم آبی که در یک طبقه آبده شنی ممکن است وجود داشته باشد مساوی است با حجم فواصل خالی ما بین دانه های شنی . مقداری ازین آب که توسط قوه ثقل کشیده میشود و آبدهی مخصوص نامیده میشود مقدار درصدی است که از آن مقدار آبیکه بوسیله اصطکاک و چسبندگی در طبقه آبده باقی میماند باید کسر شود این آبدهی مخصوص نباید با آبدهی طبقه آبده و افت آن در چاه اشتباه شود .

کشش سطحی surface Tension : کشش سطحی یکی از خواص مهمه آب است و حاصل جذابیت بیشتر ذرات آب نسبت بیکدیگر در سطح آب میباشد و همین خاصیت است که باعث تولید پوسته ای روی آب میشود که حشرات روی آن میلولند و راه میروند اگر یک میله نیز در آب فرو کنیم  وقتی میله را از آب بیرون میآوریم خواهیم دید که مقداری آب با میله از سطح معمولی خود بالاتر میآید و دلیل آن کشش سطحی ذرات آب میباشد .

فشار هیدروستاتیک : فرض کنیم طبقه آبدهی داریم که تمام فواصل مابین دانه های آن از آب پر شده باشد اگر بگذاریم آب ازین طبقه جریان پیدا کند مقداری از آن جاری و مقداری باقی خواهد ماند . اگر ما انگشتمان را در ظرفی که از آب و شن پرشده باشد فروبریم فوری مقداری از آب از ظرف به بیرون میریزد و به محض اینکه انگشت را از ظرف خارج کنیم آب و شن جای انگشت را پر میکند چرا ؟

     لابد جواب خواهید داد قوه ثقل اینکار را میکند ولی خیر قوه ای که فشار هیدروستاتیک نامیده میشود قوه ایست که آبرا به محل انگشت برمیگرداند و همین قوه است که وقتی ما انگشت را داخل آب نمودیم باعث میشود که آب از ظرف بیرون بریزد . از نظر فنی فشار هیدروستاتیک عبارت از خاصیتی است که وسیله آن فشار درجهات مختلف بطور مساوی و در آن واحد در آب انتقال مییابد .

    بدون آنکه وارد بحث در پیدایش آب در روی کره زمین بشویم میدانیم آبهائی که در زمین موجود است یا بصورت بخار آب در جو یا در روی زمین و یا در زیر زمین میباشند و به نسبت حالات مختلفی که دارد خواص آن متغیر و متفاوت است اکنون که خواص مختلف آن را بطور اختصار دانستیم میتوان آبرا به قسمتهای مختلف به نسبت جای آن دسته بندی کرد . یعنی در بالای زمین با روی زمین و در زیر زمین و با درنظرگرفتن مبداء و خواص آن طرز بهره برداری و استفاده از آن را بدانیم .

   آبهای جوی تابع تغییر درجه حرارت و باد و سایر شرایط جوی میباشند که باعث تبخیر و تعریق و یا ریزش آن بصورت باران و جریان و نفوذ در زمین میگردد همچنین آبهای اقیانوس ها دائما در حرکت هستند و بعلل تغییرات درجه حرارت یا حرکت زمین بدور خورشید و حرکت ماه بدروزمین بعلت جاذبه و حرکات شدید باد در سطح آنها مرتبا در گردش میباشند .

   آبهای جوی که بصورت باران و برف و شبنم و یا تگرگ بروی زمین میریزند مقداری در سطح زمین جاری شده بطرف اقیانوسها روان میشوند . مقداری نیز در زمین نفوذ نموده  و مقداری تبخیر و تعریق شده و مجددا به جو برمیگردد . مقدار آبی که بدینوسیله در زمین نفوذ میکند وارد طبقات قابل نفوذ شده وسیله قوه ثقل راه خود را برای جریان به دریاها و نقاط پست زمین ادامه میدهد برای دانستن یک نظر کلی کافی است بدانیم در صورتیکه فقط یک اینچ باران روی مساحت 43560 فوت مربع ( یک ایکر ) در زمین نفوذ نماید مقدار آب برابر با 27154 گالن است که وزن آن 226464 پوند یا 113 تن خواهد بود بدیهی  است که تمام آبی که بصورت باران و یا برف و غیره از هوا به زمین میبارد در زمین نفوذ نمیکند ولی برای محاسبه و در نظر گرفتن مقدار آب زیر زمینی معمولا 50 درصد آب ریخته شده بر سطح زمین قابل نفوذ و محاسبه است با توجه بمطالب فوق مقدار بارانی که در هر ثانیه در نقاط مختلف زمین میبارد در حدود 16،000،000 تن تخمین شده است و با در نظر گرفتن 50 درصد قابلیت نفوذ کافی است که بدانیم این مقدار آب از نظر بهره برداری برای کشاورزی و آب مشروب و صنعتی تاچه اندازه حائز اهمیت میباشد .

   آب های زیر زمینی همچنین ممکن است دارای مبداء داخلی باشند یعنی بغیر از آبهای جوی که در زمین نفوذ نموده و در طبقه آبده اشباع شده جاری است ممکن است از داخله زمین بعلل فیزیکی و شیمیائی و زمین شناسی مختلف بوجود آمده و جریان داشته باشند و ما در اینجا وارد بحث در اینمقال نمیشویم زیرا در اینجا بحث آب زیرزمینی قابل بهره برداری که همان آب طبقه اشباع شده قابل نفوذ است مورد نظر ما میباشد .

طبقه اشباع شده یا طبقه آبده معمولا در فواصل زیر طبقات قابل نفوذ در تشکیلات زمین وجود دارد که ممکن است از چند پا تا چند صدپا ضخامت داشته باشد و بستگی به ساختمان طبقه آبده دارد طبقه آبده ممکن است شولاتی یا شنی یا قلوه سنگی و یا اشکاف صخره ها باشد. طبقه آبده ممکن است در یک ساختمان رسوبی ممتد قرار داشته و یا طبقات مختلف مجزی را تشکیل دهد و همچنین ممکن است در قسمت بالای سنگهای آهکی و یا شنی درجریان باشد.

   بطور خلاصه برای کشف و بهره برداری از طبقات آبده زیرزمینی مطالعات زمین شناسی وآب شناسی قبلا بعمل می آید و سپس بوسیله دستگاههای حفاری ضربه ای یا دوار چاههای کمانه حفر و پس از شناسائی کامل طبقات آبده آزمایش های آبکشی و آبدهی و محاسبات قابلیت نفوذ و انتقال و سرعت جریان آب انجام می گیرد و در صورت لزوم این عملیات با وسائل ژئوفیزیک توام خواهد بود و بدین ترتیب یک طبقه آبده به خوبی شناخته شده و مشخص میگردد و برنامه بهره برداری از آن وسیله چاههای مختلف تنظیم میشود به نسبت اینکه بخواهیم از آب زیرزمینی برای چه منظور استفاده کنیم یعنی مثلا آب خوردن مردم شهرها و یا برای زراعت و یا برای منظور صنعتی به مصرف برسد طرز استفاده از نظر اقتصادی کاملا فرق مینماید .

     مثلا برای استفاده شرب گاهی ممکن است چاههای فوق العاده عمیق حفر نمود تا آب بدست آمده اولا از نفوذ آبهای سطحی آلوده مصون بوده و در اینصورت عمق بهره برداری از آب چندان مورد نظر قرار نمیگیرد در صورتیکه برای مصرف زراعتی و کشاورزی عمق آبکشی از نظر اقتصادی و مصرف انرژی سوخت و با برق کاملا باید محاسبه و مقرون به صرفه باشد .

آبهای زیرزمینی در ایران و طرز استفاده از آنها

  با توجه و مطالعه وضع طبیعی جغرافیائی فلات ایران کاملا روشن میشود که در این فلات که قسمت اعظم آن کوهستانی و برف گیر است و در دامن کوهها جلگه های وسیع قرار دارد که تقریبا شش ماه از سال در آن باران نمیبارد آب زیرزمینی چه اهمیتی از نظر ساکنین این فلات دارا میباشد . ایرانیان شاید قدیمی ترین ملت روی زمین باشند که باهوش سرشار خود و آشنائی به قوه ثقل و استفاده از شیب توانستند از آب زیر زمینی بهره برداری نمایند بهره برداری از آب های زیر زمینی در ایران وسیله حفر کانالهای زیرزمینی و قنوات معمول بوده و این اصول فنی استفاده از شیب طبیعی زمین و رسانیدن آب از دامن کوهستانها به جلگه ها با استفاده از نیروی ثقل و جریان آب یک فن کاملا ایرانی است و از نظر مهندسی و محاسبات شیب در حد خود کاملا قابل تحسین میباشد . قنوات در ایران عروق حیاتی زندگانی را تشکیل میداده و میدهند و چون از نظر اقتصادی بهره برداری از قنات بعلت استفاده از شیب هزینه ندارد و خرج قنات انحصارا لاروبی کانال و چاهها است در ایران منبع بسیار مهم و قابل ارزش بوده و میباشند . بدیهی است همانطوریکه قنوات دارای محاسن زیاد از نظر اقتصادی و بهره برداری میباشند مثلا چون منبع آب زیر زمینی (مادر چاه و چاههای آبده ) در دامن کوه و در قسمت مرتفع جلگه واقع میشود در طول کانال زیرزمینی مقداری از آب حاصله بعلت نفوذ در زمین از بین میرود . همچنین تبخیر در فصل تابستان مقدار زیادی از آب را کسر میکند و یا بهدر رفتن آب زیر زمینی در فصل زمستان که اغلب از آن استفاده نمی شود از مقدار منبع آب میکاهد از همه مهمتر مقدار زیادی اراضی قابل کشت که در بالای دهانه قنوات قرار گرفته قابل آبیاری وسیله قنات نخواهد بود امروزه استفاده از چاههای عمیق مقدار زیادی کمک به آبیاری اراضی نموده و مشکلات قابل ملاحظه را حل نموده است با اینکه هنوز مقدار زیادی مسائل قابل مطالعه موجود می باشد همانطور که در فوق اشاره شد استفاده از چاه عمیق برای شرب یا مصرف شهرسازی و مصارف صنعتی کاملا با صرفه و قابل اعتماد میباشد و شاید بهترین راه برای تامین آب مورد مصرف شهرها و کارخانجات و شاید روستاها باشد و در ایران نیز اینراه تقربا یکی از منابع اصلی تامین آب قابل شرب است زیرا آب رودخانه ها و بعضی قنوات اغلب بعلت بعد مسافت که آب روی زمین طی مینماید آلوده بوده و در فصول بارندگی با مقادیر زیاد لای و گل مخلوط میشود که تصفیه و تنقیه آن هزینه زیاد برمیدارد. ولی آب های زیرزمینی تقریبا همیشه صاف و دارای خاصیت فیزیکی و شیمیائی ثابت بوده تصفیه آن کم خرج تر و استفاده از آن در محل مصرف بدون صرف هزینه زیاد کانال سای و لوله کشی آسان تر است.

    در آبیاری و کشاورزی وسیه چاه عمیق نوع زراعت وضع خاک و عمق طبقه آبده و مقدار آبدهی آن باید کاملا مورد مطالعه قرار گیرد که استفاده از چاه عمیق مقرون بصرفه از نظر اقتصادی باشد.

   موضوع قابل توجه در تهیه چاه عمیق برای کشاورزی مقدار آبکشی از چاه و قابلیت نفوذ چاهها روی یکدیگر است بطوریکه کاملا دقت شود از یک طبقه آبده همیشه حداقل قابلیت آبدهی مورد استفاده قرار گیرد زیرا تلمبه زنی زیاد از حد در مدت کوتاهی ممکن است طبقه آبده را کاملا از قابلیت انتفاع بیاندازد و پائین رفتن سطح آب باعث شود که بهره برداری از یک طبقه آبده از نظر اقتصادی دیگر مقرون به صرفه نباشد بدین دلیل هیدرولیک چاه عمیق و شناسائی کامل ضخامت و قابلیت نفوذ طبقه آبده دارای اهمیت بسزائی است که در بهره برداری باید رعایت شود .

    امروزه در ایران بیش از 1500 حلقه چاه عمیق در نقاط مختلف حفر شده که مقدار آبدهی هر یک از آنها بین 400 الی 1400 گالن امریکائی در دقیقه میباشد واز این چاهها برای آب مشروب و کشاورزی استفاده میشود.

    با مطالعه وضع تشکیلات زمین شناسی در ایران میتوان تا حدود ده هزار حلقه چاه عمیق حفر و از آب آن برای کشاورزی استفاده نمود مهم قابل توجهی که باید در نظر گرفته شود تهیه انرژی یا سوخت ارزان است که بوسیله آن بتوان آبهای زیرزمینی را بهره بهرداری بطوریکه از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد و همانطور که در فوق ذکر شد جلگه های وسیع ایران میباید از نظر وضع زمین شناسی و آبدهی طبقات آبده کاملا مورد مطالعه قرار گیرند و از طبقات آبده باندازه ظرفیت آبدهی استفاده نمود و البته این مطالعات و اکتشافات اگر با مطالعه خاک و نوع زراعت توام باشند بیشتر مثمر ثمر خواهند بود .

اطلاعات مقاله:

مجله کاوش- شماره دهم- نوروز 1342 - صفحات 28 تا31