حرکت آب زیرزمینی

مقدمه

آبهای زیرزمینی به‌طور طبیعی ، و به‌طور کلی تحت اثر وزن خود از نقاط مرتفع به سوی نقاط پست حرکت می‌کنند. حرکت افقی آب در زیر زمین اغلب بسیار آهسته‌تر از رودخانه‌هاست، به نحوی که سرعت آب در رودخانه‌ها را با متر در ثانیه می‌سنجند در حالی که سرعت آبهای زیرزمینی با سانتی‌متر در روز و حتی متر در سال سنجیده می‌شود.

جابجایی آب در زیر زمین

در تجزیه و تحلیل حرکت آب زیرزمینی ، مسیر واقعی پرپیچ و خم مولکولهای آب از خلال منافذ رسوبات و درز و شکاف سنگها را به صورت مسیرها صافی در نظر می‌گیرند، به‌طوری که گویی مولکولهای آب مستقیما از درون ذرات جامد عبور می‌کند. خطوط صاف مسیر حرکت مولکولهای آب را اصطلاحا «خط جریان» می‌گویند. جریان آب زیرزمینی معمولا به‌صورت یکنواخت و ماندگار است.
با استفاده از ارتفاع سطح آب در چاههایی که در یک سفره حفر شده‌اند می‌توان «نقشه خطوط تراز استیابی» را تهیه کرد. این گونه نقشه‌ها از نظر مطالعه حرکت آب در زیر زمین و کسب اطلاعات در مورد سفره آب زیرزمینی بسیار مفید است. خطوط تراز ابهای زیرزمینی را خطوط هم‌پتانسیل نیز می‌گویند. جهت جریان آب زیرزمینی و نحوه ارتباط آب زیرزمینی با رودخانه‌ها و دریاچه ها را مشخص کرد، جهت و سرعت حرکت اب زیرزمینی را هم‌چنین می‌توان بوسیله «رویاب» ها نیز مشخص کرد. به این منظور مقداری مواد رنگی ، مواد نمکی یا مواد رادیواکتیو را به آب چاه افزوده و زمان دریافتشان را در چند چاه مجاور مشخص می‌کنند. به‌این وسیله ، با در دست داشتن فاصله چاهها از یکدیگر جهت و سرعت حرکت اب زیرزمینی معلوم می‌شود.

عوامل موثر در سرعت آب زیرزمینی

• شیب آبی :
  

شیب آبی یا گرادیان هیدرولیک بین دو نقطه از سطح استیابی عبارت از نسبت بین اختلاف ارتفاع دو نقطه به فاصله بین آن دو نقطه است و منعکس کننده کاهش بار ناشی از اصطکاک در طول حرکت آب بین آن دو نقطه می‌باشد.

• نفوذپذیری :
  

به معنی قابلیت عبور آب از زمین است. نفوذپذیری علاوه بر اندازه فضاهای خالی سنگ و خاک به ارتباط بین آن فضاهای خالی با یکدیگر نیز بستگی دارد.
سنگی که تخلخل زیادی دارد، اگر منافذ آن به هم راه نداشته‌باشند، غیر قابل نفوذ خواهد بود.
نفوذ پذیری خاک و سنگ را به روشهای مختلفی در صحرا و آزمایشگاه می‌توان تعیین کرد. رایجترین روش صحرایی تعیین نفوذپذیری استفاده از آزمایش پمپاژ و در آزمایشگاه به‌کار گیری آزمایشهای «بار ثابت» ، «بارافتادن» یا «بارخیزان» است.
در خاکها ، یکنواخت نبودن و حالت لایه‌لایه تاثیر مهمی بر نفوذپذیری دارد. به نحوی که معمولا نفوذپذیری افقی مصالح به مراتب بیشتر از نفوذپذیری قایم در انهاست.
در اغلب شرایط ، نفوذپذیری سنگها تابعی از وضعیت درزها و شکستگیهایشان ، از جمله فاصله آنها از یکدیگر ، مقدار باز شدگی و پر شدگی آنها و بالاخره اندازه حفرات و نحوه توزیع آنها است. به دلیل نامنظم بودن این اشکال و عدم تداومشان در سنگ ، اغلب ممکن است برآورد نفوذپذیری سنگ با خطای قابل ملاحظه‌ای همراه شود.
نفوذپذیری یکی از مهمترین پارامترهای تعیین‌کننده ویژگیهای مصالح است. بالارفتن اب به خلاف نیروی گرانی و بر اثر نیروی مویینه ، شسته شدن رسوبات ریز از میان رسوبات درشت و ایجاد پدیده رکاب و بالاخره از دست رفتن مقاومت برخی خاکها بر اثر بارگذاری ناگهانی به‌روی آنها ، هم در ارتباط با نفوذپذیری مصالح ایجاد می‌شود.

تخلیه طبیعی آب از زیر زمین

آبی که در زیر زمین حرکت می‌‌کند سرانجام به‌طور طبیعی از زیر زمین خارج می‌شود. با نزدیک شدن سطح استیابی به سطح زمین ، آب زیرزمینی مستقیما از طریق خاک تبخیر می‌شود یا جذب گیاهان شده و بر اثر عمل تفریق به اتمسفر باز می‌گردد. در پاره‌ای از نقاط ، با نزدیک شدن سطح استیابی به سطح زمین و تبخیر آب یک منطقه تبخیری و شوره‌زار بوجود می‌آید. بخش مهمی از ابهای زیرزمینی مستقیما وارد ابهای سطحی ، یعنی رودخانه‌ها ، دریاچه‌ها و دریاها می‌شود. رودخانه‌هایی که آب زیرزمینی را زهکشی می‌کنند «رود زاینده» یا آبزا نامیده می‌شوند.

چشمه

هرجا که سطح استیابی ، سطح زمین را قطع نماید، آب به‌صورت جریان سطحی تخلیه می‌شود. اگر مقدار تخلیه کم یا در سطح وسیعی پخش شده‌باشد «سطح تراوش» ایجاد می‌شود. آبهای زیرزمینی به‌صورت «چشمه» نیز از زمین خارج می‌شوند. چشمه نوعی تخلیه طبیعی آب زیرزمینی است که به صورتی متمرکز رخ می‌دهد.

تقسیم‌بندی چشمه‌ها

• چشمه‌های ثقلی :
  

آنهایی هستند که در شرایط مناسب ، بر اثر جریان آب بوسیله نیروی گرانی ، در سطح زمین ظاهر می‌شوند. وقتی سطح استیابی به‌هر علتی به وسیله سطح زمین قطع شود ممکن است یک چشمه تشکیل شود. از این رو به چشمه‌های ثقلی «چشمه‌های سطح استیابی» هم می‌گویند. در شرایطی که یک لایه نسبتا قابل نفوذ آبدار در روی یک لایه تقریبا غیر قابل نفوذ ، که توسط سطح زمین قطع گردیده، قرار بگیرد، چشمه تشکیل می‌شود. همچنین وقتی یک سفره آب زیرزمینی به وسیله یک مجرا به سطح زمین راه یابد، چشمه تشکیل می‌شود. آبهای زیرزمینی موجود در سنگهای آهکی ، که گاهی منابع بسیار بزرگی را تشکیل می‌دهند، ممکن است چشمه‌های پر آب بوجود آورند.

• چشمه‌های غیر ثقلی :
  

یا چشمه‌های آرتزین آنهایی هستند که آبشان با فشاری به‌جز فشار هیدرواستاتیک به خارج رانده می‌شود. منبع تامین فشار در این چشمه‌ها معمولا فرایندهای درونی زمین است. آب این نوع چشمه‌ها معمولا گرمتر از چشمه‌های معمولی و حاوی مواد معدنی بیشتر است. به‌همین جهت به «چشمه‌های آب گرم» یا «چشمه‌های معدنی» نیز معروفند. چشمه‌های آب معدنی در ایران فراوان‌اند. نوعی از چشمه های آب گرم به آبشان معروف‌اند. آب آبفشانها به تناوب و با نیروی زیاد به بیرون می‌جهد.

فرسایش و رسوبگذاری توسط آبهای زیرزمینی

آبهای زیرزمینی نیز در ضمن حرکت خود تغییرات زیادی را به وجود می‌آورند. آبهای زیرزمینی به‌علت سرعت بسیار کمشان نمی‌توانند، همانند رودخانه‌ها ، از راه سایش با کندن مستقیم سنگها باعث فرسایش زمین شوند. ولی قادرند به‌تدریج مقادیر بسیار زیادی از مواد را حل کرده با خود ببرند و در مقاومت مواد تاثیر منفی بگذارند. در شرایط مناسب با اتصال مجراهای انحلالی و فراختر شدن آنها «غار» تشکیل شده و جریانهای رودخانه‌ای زیرزمینی ایجاد می شود. عمل انحلال بیشتر در امتداد درزها ، گسلها یا سطوح لایه‌بندی سنگها ، مخصوصا سنگهای آهکی ، انجام می شود. در اغلب موارد کف غار از واریزه‌های سقف آن پوشیده شده‌است. در صورتی که غارها و حفرات به اندازه کافی به سطح زمین نزدیک باشند فروریزش آنها حفراتی را در سطح زمین ایجاد می‌کند. که به آنها «توپوگرافی کارستی» گفته می‌شود.
مواد محلولی که بوسیله آبهای زیرزمینی جابه‌جا می‌شوند ممکن است با تغییر شرایطی چون تغییر فشار و دما ، افزایش مواد محلول ، تبخیر آب ، فعالیت باکتریها و غیره ، در نقاط دیگری بار دیگر رسوب کنند. به این ترتیب ممکن است موادی مثل کلسیم کربنا ، سیلیس و اکسید آهن در لابه‌لای رسوبات دیگر ته‌نشین شوند و ذرات ناپیوسته آن رسوبات را به‌هم بچسبانند و سنگ متراکم و یکپارچه‌ای را بوجود آورند. به این مواد اصطلاحا «سیمان» گفته می‌شود. مواد محلولی که بوسیله آبهای زیرزمینی حمل می شوند گاهی نیز ممکن است جانشین مواد دیگر شوند، یعنی آب زیرزمینی همزمان با حمل کردن مواد موجود ، مواد جدیدی را به جای آن ته‌نشین سازد. رسوب مواد محلول در اب زیرزمینی ، در سقف و کف غارها اغلب قندیلها و اشکال جالبی را به‌وجود می‌آورد.
وقتی آبهای زیرزمینی در سطح زمین ظاهر می‌شوند ممکن است بخشی از مواد محلول خود را در محل ظهور باقی بگذارند. این گونه رسوبات ، به‌خصوص بوسیله چشمه‌های معدنی فراوان تشکیل می‌شود. یکی از رسوباتی که در دهانه اغلب چشمه‌های معدنی یافت می‌شود کربنات کلسیم در دهانه چشمه‌ها را ممکن است بر اثر خروج گاز CO₂ حفره‌دار نیز شده‌باشند، تراورتن می‌نامند. تراورتن به‌دلیل سهولت دسترسی و سادگی برش ، به مقدار زیاد به‌عنوان روکار بناها استفاده می‌شود.