شناسایی و محاسبه حریم سفره های آب های زیر زمینی با تاکید برشناخت حریم

شناسایی‌‌و‌محاسبه‌حریم سفره های‌آبهای زیر زمینی‌با تاکید برشناخت حریم
چاه از نظر برداشت(پمپاژ‌)‌وآلودگی
چکیده
تمامی‌سفره‌های‌آب زیر زمینی اعم از سفره‌های‌ازاد و‌تحت‌فشار‌بر‌اساس قانون ظروف مرتبطه عمل‌میکنند. به‌این‌مفهوم‌که اگر از‌یک‌نقطه‌ای ازین سفره‌براثر نیروی ثقل یا پمیاژ‌آبی‌برداشته شود،‌‌به عبارتی دیگر، اگر در روی یک سفره  که چاه یا قنات ویاچشمه ای را تغذیه می کند،چاه جدیدی  حفر شود،چنانچه‌سفره‌تغذیه‌نگردد،کاهش‌اب‌تا محدوده خاصی برروی تمامی سطح سفره محسوس خواهد بود. به همین جهت‌برای هر چاه یا قناتی که فعلا آب آن برداشت میشود، حریمی در نظر گرفته میشود.‌به عنوان نمونه اگر چاه یا قناتی در یک سفره که چاه ویا قنات دیگری در ان قبلا فعال بوده،حفر گردد ، باید برای آنها تعیین حریم گردد،این‌حریم‌در گذشته به صورت محلی وبه شکل عرف‌و ‌باشیوه‌های‌خاصی انجام ‌می‌گردید اما امروزه در ارتباط با‌کمیت وکیفیت آب ونوع  وعمق وضخامت سفره ،نوع‌موتور(از‌نظر قدرت وتوان)مربوط به دو منبع استحصال آب ‌با نظر اداره‌آب‌های زیر زمینی محل از روشهای محلی واز روی تخمین تعیین می‌شود .چرا که با‌توجه به تجربه قبلی کارشناس ،حریم ۵۰۰متر تا ۵۰۰۰ متر یا بیشتر وکمتر اعلام می‌شود.اما درین تحقیق سعی گردیده که با توجه به برداشت شدید وبی رویه آبهای زیر زمینی در ایران و تاحدودی عدم تغذیه مناسب آن از یکسو،وآلودگی شدید آبهای زیر زمینی در مخروط های افکنه (تمام شهر هایی که بر روی مخروط های افکنه قرار گرفته‌اند نظیر تهران ،کرج،قزوین،ورامین ،سمنان. و ده‌هاشهر دیگر..)،حریم چاهها به روش علمی  با‌آخرین دستاوردها درین زمینه ، تعیین می‌گردد .این روشها کاربردی بوده ومی‌تواند‌الگویی نو برای محاسبه حریم  تمامی منابع آبی ‌به ویژه چاه باشد. (عاشوری ، ۱۳۶۷)
کلید  واژه ها :حریم سفره های آب زیر زمینی،حریم چاه،‌خط ۵۰‌‌ روز

۱- مقدمه:
یک جغرافیدان جهت مطالعه پراکندگی چشمه های موجود در یک منطقه و چاههای عمیق و نیمه عمیق و یا دستی پر آب وکم‌آب ونوسان آب آنها با توجه به برداشت زیاد ویا نوسان بارش،یک مهندس عمران درمطالعات مهندسی مربوط به ساخت وساز ها وتامین آب شرب‌واحدهای مسکونی و تجاری وصنعتی، ویک مهندس‌برنامه‌ریزی‌شهری وروستایی‌در مطالعات خود پیرامون آبرسانی شهری وروستایی‌وپیش بینی‌محدودیت  توسعه وگسترش آتی روستا یا شهر، ویک مهندس کشاورزی به جهت تدارک همه جانبه در   تامین‌آب‌زراعی‌محصولات سیفی و شتوی ویک متخصص تکتونیک‌در ارتباط‌با تغییرات‌زمین ساختی‌سفره های‌آب زیرزمینی وچگونگی جابجایی آب سفره ها درارتباط بافرایند های تکتونیکی ویک خاک شناس در ارتباط با نوسان آب زیرزمینی وتغییرات  پایداری وچسبندگی خاک،همگی نیاز شدید به مطالعه وبررسی حریم سفره های آب زیر زمینی دارند،که در این مقوله بیشتر به محاسبه حریم آب چاهها پرداخته می شود.نوسان آب چاهها وقنوات در ارتباط مستقیم با تغییرات حریم سفره آنها میباشد.چون بیش از ۹۵ درصد آب شرب شهر ها وروستاهها  وهمچنین‌آب‌ کشاورزی از طریق آبهای زیر زمینی‌تامین می‌گردد،پس شناسایی حریم چاهها از نظر میزان بر داشت آب‌وآلودگی‌آبها اهمیت فوق العادهای دارد.چرا که اولا برداشت بیش ازحد آب  موجب بهم خوردن تعادل حریم چاه شده وسبب خشک شدن‌آن ویا سایر منابع آب مجاور می گردد.وبه این ترتیب بنیادواحدهای جغرافیای انسانی‌و جوامع انسانی وتجاری وصنعتی‌که‌بر مبنای آب شکل گرفته بودند،متلاشی می گردد.
دوما،تقریبا تمامی شهر ها وروستاهای سراسرکره زمین ازجمله کشور ایران، آب شرب خود را از طریق آبهای زیر زمینی بویژه چاهها تامین می کنند،به این ترتیب آب ها از نظر آلودگی می توانند مشکل جدی برای شهر وندان وروستائیان ایجاد کنند..‌ازین رو شناسایی حریم چاهها از نظر آلودگی نیزدر مطالعات برنامه ریزی شهری و روستایی وآمایش سرزمین نیز اهمیت میابند.در اصل مقاله ثابت خواهدشدکه تقریبا‌تمامی‌آب شرب شهرها وروستاهها ازنظر حریم آلودگی مراعات نمی شوند.درین مقاله سعی میگردد که حریم چاهها هم از نظر میزان برداشت وهم ازنظر آلودگی شناسایی وبا اعداد وارقام وروابط ساده ریاضی تعیین گردند.این تحقیق کاملا کاربردی بوده می تواند از سوی مسئولان در مناطق مختلف شهرها و روستا اجرا گردد.    
۲-حریم چاه
هنگامی که چاه بهره برداری پمپاژ می شود ، آب درون چاه به بیرون هدایت    می شود و موجب می گردد که سطح آب درون چاه در اوایل پمپاژ پائین آید . با توجه به ویژگیهای سفره ، پس از مدتی ، سطح آب در درون چاه ثابت می ماند . آنچه که موجب ثابت ماندن سطح آب در درون چاه ، در حال پمپاژ می شود ، آبی است که از بین فضاهای خالی سازندها ، در اثر نیروی ثقل از درون فضاها و خلل و فرج سنگها وارد چاه می گردد . چرا که حجم آب رها شده از سفره آبدار به اندازه حجم آبی است که از لوله آبده خارج می شود .‌ به این ترتیب بین آب وارد شده به چاه و آب پمپاژ شده از آن تعادلی برقرار گردیده و سبب ثابت ماندن سطح آب درون چاه می گردد . به این سطح ثابت سطح دینامیک آب   می گویند . آنچه که سبب گردیده تا آب ، تحت تأثیر نیروی ثقل از درون سفره وارد چاه گردد ، اختلاف سطحی است که بین سطح آب درون چاه و سطح آب زیرزمینی بوجود آمده است . به این ترتیب در اطراف چاه بهره برداری بهنگام پمپاژ ، سطح آب کمی پائینتر از سطح آب زیرزمینی قرار می گیرد که اگر بخواهیم شکل آن را ترسیم نمائیم در رسوبات همگن و همروند به شکل مخروط متقارن معکوس دیده می شود (شکل شماره ۱) که به آن مخروط افت نیز اطلاق می شود . (صداقت ، ۱۳۷۲)
شکل شماره ۱ – تغییرات شعاع و عمق مخروط افت در فواصل زمانی مساوی (یک ساعت) پس از شروع پمپاژ با دبی ثابت . (اندازه ها بر حسب مقیاس نیست)
هر اندازه مدت و مقدار آبکشی بیشتر گردد مخروط افت گسترش و عمق بیشتری پیدا می کند . با گذشت زمان ، سرعت بزرگ شدن و عمیق شدن مخروط افت کاهش می یابد .
به این ترتیب با توجه به دبی آبکشی و مشخصات لایه آبدار ، در هر لحظه  منطقه ای در اطراف چاه ، تحت تأثیر پمپاژ قرار می گیرد و خارج از آن ، سطح ایستابی نسبت به حالت قبل از پمپاژ تغییر نمی کند . حد این منطقه را که سطح مخروط افت با ایستابی اولیه مماس می گردد ،‌دایره تأثیر ، و شعاع این دایره را شعاع تأثیر می نامند . شعاع مخروط افت (R) ، شعاع تأثیر یا حریم چاه نامیده می شود و اندازه‌ آن به میزان آبدهی چاه و قابلیت انتقال سفره بستگی دارد . هر اندازه میزان بهره برداری از چاه بیشتر باشد شعاع تأثیر نیز بزرگتر است . ارتفاع مخروط افت با ضریب قابلیت انتقال رابطه معکوس از خود نشان می دهد . ارتفاع مخروط افت در سازندهای دانه ریز بزرگتر از سازندهای دانه درشت است .
۱-۲ حریم چاه از نظر برداشت آب
برای محاسبه حریم چاه از نظر برداشت آب ، از روابط تجربی زیر استفاده می شود :
الف :‌ رابطه دوپویی و تیم  
دوپویی و تیم برای مطالعه شعاع تأثیر یا حریم چاه در ارتباط با پمپاژ در شرایط ماندگار تحقیقات زیادی انجام داده اند و روابط زیر را در رابطه با شکل شماره ۳ ارائه داده اند .
برای سفره های آزاد
(۱)
شکل شماره ۲ – شماتیک چاه بهره برداری
برای سفره های تحت فشار
از طریق تغییر روابط و مساوی قرار دادن (R) رابطه زیر بدست می آید.
(۲)
(۳) 
در روابط فوق داریم :
Q : دبی چاه به متر مکعب در ثانیه
K : ضریب نفوذ پذیری به متر در ثانیه
H : فاصله سطح ایستابی تا سنگ کف به متر
h : فاصله سطح دینامیک تا سنگ کف به متر
R : شعاع تأثیر به متر
S : افت سطح در آب درون چاه به متر
K : ضریب نفوذ پذیری به متر بر ثانیه
ro: شعاع چاه به متر
شکل شماره ۳ – چاه های مشاهده ای در اطراف چاه پمپاژ و افت سطح آب در آنها
ج – روش استفاده از منحنی های تراز آب در اطراف چاه
هنگامی که حریم چاه در شرایطی که مخروط افت نامتقارن است می توان ، در ارتباط با شکل شماره (۳) و حفر تعدادی چاه مشاهده ای در اطراف چاه پمپاژ ، افت سطح آب را در اطراف چاه مشخص کرد . پس از آن با مقیاس معینی ، منحنی تراز آب را روی کاغذ به صورت نقشه ترسیم کرد . منحنی تراز آب در اطراف چاه پمپاژ از حالت طبیعی خارج شده و به طرف چاه و اطراف آن بسته می شود . چون در هنگام آبکشی سطح آب زیرزمینی پایین می افتد ، در یک محیط همروند فاصله اولین منحنی تراز که بطرف چاه خمیده می شود ، تا محل چاه از هر طرف ، شعاع تأثیر یا حریم چاه قلمداد  می گردد . به این ترتیب می توان این منحنی ها را با منحنی های تراز آب زیر زمینی همان محل که قبلاً آماده شده است  ، منتقل نمود و نقاط برخورد منحنی های تراز آب چاه پمپاژ و منحنی های تراز آب زیرزمینی را به صورت نقطه چین وصل کرد . (شکل شماره ۴)
این محدوده ، افت سطح آب را در حین پمپاژ مشخص می کند . اما چون شعاع تأثیر چاه (R) نامتقارن است ، در طرف چپ (عکس جهت جریان آب زیرزمینی) کمی کوچکتر بوده و از نقطه اوج (K) بالاتر نمی رود به این ترتیب شعاع تأثیر چاه (حریم چاه) حد اکثر در محدوده c.b.a.k قرار می گیرد که در شکل شماره ۴ به صورت خط چین نشان داده می شود . (‌ عاشوری ، ۱۳۷۸ )
فاصله‌ نقطه K یا نقطه اوج تا چاه یا مقدار L تقریبا برابر   است . در اینجا B پهنای لایه آبدار سفره است . اگر T ضخامت سفره باشد طبق قانون دارسی Q برابر دبی و A مساوی سطح مقطع و I شیب ، V سرعت ظاهری و K ضریب نفوذ پذیری است .
(۵) :
(۶) :
(۷) :
از سوی دیگر مقدار Q مزبور معادل دبی بوده که وارد چاه فرضی با شعاع عمل R شده است .
(۸) :
(۹) :
از ترکیب رابطه ۷ و ۸ رابطه زیر بدست می آید.
(۱۰) :
(۱۱) :
در رابطه فوق K ضریب نفوذ پذیری و A سطح مقطع و V سرعت ظاهری ،   شیب و T ضخامت سفره ، R شعاع تأثیر می باشد (ولایتی – س ۱۳۷۱)
شکل شماره ۴ – مخروط افت نامتقارن در بالا و حریم چاه در پایین
۲-۲ حریم چاه از نظر آلودگی (شعاع تأثیر آلودگی )
آزمایشات باکتریولژیکی متعددی که از آب چاه ها ، توسط ادارات بهداشت مناطق انجام گردیده ، نشان داده است که آب تعدادی از چاهها آلوده است . آلودگی آب چاههای شرب غالباً به دلیل نزدیکی آنها با مخازن دفع زباله ها و یا اماکن آلوده و مجاورت با چاههای جذبی و فاضلابهای انسانی و بیمارستانی است . مناطقی که در آنها چاههای بهره برداری شرب حفر می گردد ، بایستی در برابر آلوده سازهای دست بشر و یا مواد زاید و دفعی ، بویژه افزایش موادی همچون نیترات  ، نیتریت   آمونیاک   و فسفات   در امان باشد . علاوه بر آن مشاهده علائمی از کولی وکلی فرمها در آب ، دلالت بر آلودگی آب دارد . از آنجایی که عمل میکروبهای بیماری زا طولانی نبوده و پس از مدت ۵۰ روز در آب زیر زمینی از بین می روند ، به این ترتیب می توان با محاسبه سرعت آب زیر زمینی در پیرامون چاه بهره برداری ، حوزه ای تعیین نمود که هر قطره آب حاوی باکتری مضر ، ۵۰ روز یا بیشتر باید در زیرزمین بماند تا به چاه بهره برداری برسد . در آن حالت تمام باکتریها و عوامل بیماری زا از بین خواهد رفت. در واقع در دست داشتن سرعت حداکثر آب زیرزمینی در پیرامون چاه پمپاژ می تواند محقق را در انتخاب محل مناسب خط ۵۰ روز راهنمایی کند . به عبارت دیگر خطی پیوسته پیرامون چاه پمپاژ که در ارتباط با جریان آب زیرزمینی ، یک قطره آب ۵۰ روز طول بکشد تا به چاه بهره برداری برسد . (عاشوری   1367)
البته تعیین سرعت آب ، کار بسیار مشکلی نخواهد بود . امروزه از طریق مواد ردیاب می توان سرعت آبهای زیرزمینی را تعیین و بر اساس آن خط ۵۰ روز را ترسیم نمود . بعنوان مثال اگر سرعت آب زیرزمینی ۱۰ متر در ساعت در میدان شوش تهران و یا در میدان سعدی شهر سمنان در کنار چاه پمپاژ باشد ، در آنصورت آب با سرعت ۲۴۰ متر در شبانه روز ، در مدت ۵۰ روز حدود ۱۲ کیلومتر را طی خواهد نمود . به این ترتیب اگر یک چاه پمپاژ در میدان شوش تهران احداث شده باشد ، بایستی تا شعاع ۱۲ کیلومتری میدان امام حسین هیچگونه چاه فاضلاب یا جذبی وجود نداشته باشد . با توجه به بحث فوق در می یابیم که کلیه چاههای آب شرب که در داخل و مجاورت شهرها و یا در روستاها قرار دارند ، و حتی در ارتباط با شیب ، چند کیلومتر نیز از شهر فاصله داشته باشد ، در آن صورت تقریباً تمامی آب روستاها و شهرها آلوده به میکروارگانیسم های بیماری زا هستند .
الف – تعیین خط ۵۰ روز
برای تعیین خط ۵۰ روز می توان روشهای زیر را بکار گرفت :
۱ – الف – روش سیلندری
عموماً برای تعیین آلودگی سفره های آب موجود در سازندهای سخت و تعیین خط ۵۰ روز در آنها از این روش استفاده می شود :
(۱۲) :
                                                                      متر                      
در رابطه فوق   خط ۵۰ روز به متر و   بهره برداری به مدت ۵۰ روز به متر مکعب و   تخلخل مؤثر و   ضخامت سفره به متر است …

منابع :
۱-شمسایی ، ابوالفضل ، « هیدرولیک جریان آب در محیط های متخلخل » ، جلد اول ، ۱۳۷۶
۲-صداقت ،‌محمود ، « زمین و منابع آبهای زیرزمینی » ، دانشگاه پیام نور ، ۱۳۷۲
۳=عاشوری ، اسماعیل ، « فاز یک و دو تغذیه مصنوعی گنداب ایوانکی » ، اداره کل آب سمنان – وزارت نیرو ، ۱۳۷۲
۴-عاشوری ، اسماعیل ، « درد بد آبی و بی آبی شهر گرمسار » ، فصلنامه جغرافی شماره ۴ ، آستان قدس رضوی ، ۱۳۶۷
۵-عاشوری ،‌اسماعیل ، « تکتونیک دره حبله رود شمال دشت گرمسار » ،‌ وزارت کشور ، فرمانداری گرمسار ، ۱۳۷۱
۶-عاشوری ، اسماعیل ، « جزوه درسی منابع و مسایل آب در ایران » ، گروه جغرافیا ، دانشگاه آزاد اسلامی واحد سمنان ، ۱۳۶۸
۷-عاشوری ، اسماعیل ، « جزوه درسی مهندسی آبهای زیرزمینی » ،‌گروه عمران ، دانشگاه سمنان ،‌1378
۸-عاشوری ، اسماعیل ، « مهندسی آبهای زیرزمینی » ، انتشارات کوشک ، ۱۳۸۰
۹-علیزاده ، امین ، « هیدرولوژی کاربردی » ، آستان قدس رضوی ، ۱۳۶۸
۱۰-ولایتی ، سعدالله ، « حریم منابع آب » ، انتشارات آستان قدس رضوی خراسان ، ۱۳۷۱