سدهای آب زیرزمینی جهت تأمین آب در مقیاس کوچک

روش های ذخیره آب بوسیله مهار آبهای زیر سطحی در مناطق خشک دارای هزاران سال قدمت است .در چند دهه اخیر این روش ها در بسیاری از نقاط جهان مورد توجه محققین قرارگرفته است سدهای زیرزمینی به صورت موانعی هستند که در زیر سطح زمین برای مهار جریان های آب زیر سطحی در آبرفت طبیعی ایجاد می گردند. این موانع می تواند به صورت موانع فیزیکی و یا هیدرولیکی باشند .معمولاً موانع هیدرولیکی در مجاورت سفره های آب شور در کنار دریا ، با هدف سد کردن آب شور دریا و حفاظت از سفره های آب شیرین در مجاورت آب شور انجام می گیرد.
وجود شرایط زمین شناسی و توپوگرافی مناسب زیر سطحی برای مخزن ذخیره آب و نیز برای محل احداث سد زیرزمینی ، مشابه آنچه برای سدهای روی سطح زمین در نظر گرفته می شود، حائز اهمیت است .که چنین شرایطی در محل مخروط افکنه های واقع در دامنه های کوهستانی دهانه خروجی دره ها و مسیل ها فراهم می باشد و نیز سنگ بستر در این گونه موارد بایستی دارای نفوذ پذیری خیلی کم و یا غیرقابل نفوذ جهت تجمع و ذخیره آب باشد.
● مقدمه
یکی از مهمترین اهداف تأمین آب شرب و بهداشت آن است که ،آب سالم و بهداشتی در دسترس همگان قرارگیرد. دستیابی به این هدف به سادگی میسر نیست و کارها باید چندین دهه ادامه یابد تا این هدف محقق شود در ضمن تجربه نشان داده است که جهت گیری ها باید از روش های گران و پیچیده به روش های مناسب ، ارزان و جامعه پسند و مطابق با شرایط محلی تغییر یابد.
بسیاری از کشورهای در حال توسعه در مناطقی که بارندگی به صورت فصلی و غیرقابل پیش بینی بوده ، واقع شده اند . در این کشورها تهیه آب تا حد زیادی از طریق ذخیره کردن آن در فصل پر باران برای فصل های کم باران و در سال های مرطوب برای سال های خشک انجام می شود. یکی از راه های برطرف کردن کمبودهای فصلی آب ، استفاده از آبهای زیرزمینی است .ولی در برخی نواحی در اواخر فصل خشک ، حتی منابع آب زیرزمینی نیز به انتها می رسند و یا آب زیرزمینی در دسترس نیست و برای بهره برداری از آن نیاز به حفر چاه های عمیق و نصب پمپ است که البته این روش مقرون به صرفه نیست .
روش های ذخیره آب به وسیله مهار آب های زیر سطحی در مناطق خشک دارای هزاران سال قدمت است.
قدمت استفاده از سدهای زیر زمینی عملا به زمان های کهن می رسد میتوان به ساخت سدهای زیرزمینی در جزیره ساردینیا در زمان رومیان باستان اشاره کرد نمونه هایی از این سدها به مفهوم واقعی در نیمه اول قرن بیستم ساخته شدند. رشد و تکوین سدهای زیر زمینی و برخورد علمی با آنها در واقع از نیمه دوم قرن بیستم آغاز گردیده و در سه دهه اخیر رشد زیادی نموده است.
● تعاریف ، مزایا و سوابق
سدهای زیرزمینی در مقایسه با سدهای معمولی که در عرض رودخانه یا نهر به منظور ذخیره آب ساخته می شوند ، آب سطحی را در مخازن بالادست سد جمع آوری می کنند ولی سدهای زیرزمینی جریان آب زیرزمینی را مسدود می کند و آب را در زیر سطح زمین ذخیره می نماید. همچنین به عنوان سازه جمع کننده ای که جریان آب زیرزمینی را منحرف می نماید به کار می رود.
به عنوان مثال می تواند سفره های مجاور را تغذیه کند و یا سطح ایستابی را در یک سفره با جریان کم طوری بالا ببرد که به سهولت به وسیله عملیات پمپاژ قابل بهره برداری باشد.
استفاده از سدهای آب زیرزمینی نسبت به روش های متداول ذخیره سطحی آب دارای مزایای زیادی است.
یکی از مزیت نسبی سدهای آب زیرزمینی در مقایسه با مخازن سطحی رایج ، به مقدار تلفات تبخیر از سطح آب باز می باشد، در این روش تلفات تبخیر کاهش یافته و یا حتی به طور کامل از بین می رود. یک بار و برای همیشه طراحی و ساخته می شود و سپس ذخیره آب برای مدت طولانی در دسترس می باشد ، در حالی که حجم ذخیره مفید مخازن سطحی به دلیل رشد گیاهان و ته نشینی رسوبات کاهش می یابد و همچنین به طور مرتب در معرض تبخیر یا خرابی ناشی از طغیان های شدید رودخانه است.
در سدهای زیرزمینی آب ذخیره شده کمتر آلوده میشود و مخاطرات سلامتی که در مخازن سطحی وجود دارد، منتفی است و همچنین وقتی از مخازن ذخیره سطحی استفاده می شود، قسمتی از زمین توسط مخازن اشغال می شود ، در صورتی که زمین بالا دست مخازن سد آب زیرزمینی را می توان جهت اهداف دیگر نیز به کار برد.
از لحاظ سوابق مطالعاتی و اجرایی در خصوص سدهای زیرزمینی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
اسکیبتزکی (۱۹۶۱) مطالعاتی را در مورد موقعیت سدهای زیر زمینی از نظر زمین شناسی انجام داد.
ماتسو(۱۹۷۵) برای اولین بار گزارشی از احداث یک سد زیر زمینی با عمق ۱۰-۲۵ در جزیره کاباشیما در غرب ژاپن داد. قبل از آن فقط سدهای زیر زمینی برای لایه های آبدار کم عمق مورد استفاده قرار می گرفتند.
لارسن و سدروال(۱۹۸۰) مطالعاتی را بر روی گنجایش حجم مخزن سدهای زیرزمینی انجام دادند. در سالهای اخیر استفاده از مدلهای عددی نیزدر طراحی این سدها به کار گرفته شده است.
سابیو(۱۹۸۷) مدل عددی تفاضل محدود برای طراحی و مدیریت پیشروی آب دریا از میان سد زیر زمینی نیمه نفوذ پذیر در یک لایه آبدار آزاد ساحلی بکار برد.
جینو(۱۹۹۶) یک سد زیر زمینی را برای جلوگیری از پیشرفت آب دریا به بخش شمال استان اوکیناوای ژاپن و برای تعیین قابلیت کاربرد یک مدل دو بعدی جریان آب زیر زمینی شیرین و شور ارزیابی نمود.
گوپتا (۱۹۹۷) مدل تفاضل های محدود را برای تحلیل جریان در مخزن سد زیر زمینی جزیره فوکت تایلند و تخمین حجم مخزن به کار برد.
در کشورهایی نظیر تانزانیا- چین و امارات متحده عربی نیز نمونه های متعددی از سدهای زیرزمینی در مراحل مطالعاتی و تحقیقاتی قرار دارند. درکشور ایران هم با وجود شرایط توپوگرافی و اقلیمی مناسب در بسیاری از مناطق تنها چند نمونه کوچک مانند سد کهنوج و اندوهجرد شهداد در استان کرمان و سد زیرزمینی میمه در استان اصفهان احداث شده است.
شرایط فیزیکی
۱) اقلیم :
نیاز به مسدود نمودن آب زیرزمینی جهت ذخیره آب اساساَ از نامنظم بودن بارندگی ناشی می شود. در مناطق خشک ، هر قطره آب ارزشمند است و باید ذخیره شود. در مناطق با اقلیم موسمی ، مجموع مقادیر بارندگی سالانه جهت رفع نیاز مردم و کشاورزی کافی است ، اما موسمی بودن آن بدین معنی است که در زمانی از سال آب در دسترس نیست . بنابراین مسدود نمودن آب زیرزمینی به معنای پل ارتباطی بین ماه های دارای بارندگی برای مقابله با خشکسالی های فصلی است. به علاوه بارندگی های موسمی نیز اغلب در مواقع مورد نیاز اتفاق نمی افتد و این مشکل تأمین آب را حادتر می کند.
احداث سدهای آب زیرزمینی با هدف افزایش کمی یا بالا بردن سطح ایستایی آبخوان یا تغذیه سفره های مجاور و تحتانی در مناطقی که آب در تمام سال وجود دارد ، نیز صورت می گیرد. همچنین اکثر طرح های اجرا شده در مناطق مختلف دنیا مربوط به اقلیم های خشک ، موسمی و حاره ای خشک و مرطوب است.
مطابق تعریف کوپن ، مناطقی که پتانسیل تبخیر در آن ها بیشتر از بارندگی است ، مناطق خشک هستند.
یکی از مزیت نسبی سدهای آب زیرزمینی در مقایسه با مخازن سطحی رایج ، به مقدار تلفات تبخیر از سطح آب باز است.
۲) توپوگرافی :
وضعیت توپوگرافی از نظر امکان احداث سد آب زیرزمینی و همچنین دستیابی به مخازن بزرگ با شرایط تغذیه مناسب و تلفات نشت کمتر ،تا حد زیادی تعیین کننده می باشد. مخزن ذخیره آب در پشت سد می تواند بر روی سنگ بستر و یا سازند های سست تر ولی با نفوذ پذیری کمتر قرار گیرد . به طور کلی محل احداث اینگونه سدها بهتر است در دره ها و یا رودخانه های باریک و یکدست انتخاب شود.
در مناطق کوهستانی با شیب تند ، امکان یافتن رابطۀ قابل قبولی بین حجم ذخیره و ارتفاع سد مشکل است.
اساسی ترین دلیل احداث سد زیرزمینی ، افزایش ذخیرۀ سفره آب زیرزمینی از طریق جریان طبیعی آب زیرزمینی است.به طور کلی در شرایط طبیعی ، شیب سطح ایستابی و همچنین میزان جریان آب تابع شیب توپو گرافی منطقه است ، بنابراین برای احداث سد زیرزمینی باید حداقل شیب توپوگرافی که مرتباً با شرایط هیدرولوژیکی محل تغییر می کند، موجود باشد.
معمولاً شیب محل احداث سدها در حدود ۲/۰ تا ۴ درصد می باشند، اما در برخی موارد به طور استثنا نیز سد ها در شیب های ۱۰ تا ۱۶ درصد ساخته شده اند.
۳) هیدروژئولوژی :
اغلب بسترهای پوشیده از شن یا ریگ رودخانه ها جهت احداث سد زیرزمینی مناسب می باشند. در لایه های آبده عمیق تر و یا داخل سنگ هایی که به صورت در جا هوا زده شده اند. با وجود این که خصوصیات ذخیره سازی و جریان چندان مناسبی نداشته اند، احداث سد با موفقیت صورت گرفته است.
آبدهی ویژه این آبخوان ها بسته به توزیع دانه بندی ، شکل ذرات و تراکم از ۵ تا ۵۰ درصد متغیر است.
مقدار هدایت هیدرولیکی به نوع مصالح آبخوان وابسته است . به عنوان نمونه هدایت هیدرولیکی شن درشت ، تا هزار برابر شن ریز می باشد و وجود رس در سفرۀ شنی ، گاهی هدایت هیدرولیکی آن را تا هزار برابر کاهش می دهد. بنابراین چنانچه سد زیرزمینی در سفره ای با مصالح ریز دانه احداث شود، معمولاً آب کافی درون فضای خالی خاک وجود داشته ، ولی امکان بهره برداری از آن به خاطر کاهش آبدهی محدود است.
احداث سدهای زیرزمینی در سفره های از جنس سنگ های خرد شده امکان پذیر می باشد، این سدها معمولاً از نوع پرده های تزریق هستند که در عمق شکاف های خرد شده و نفوذ پذیر احداث می شوند و جریان آب زیرزمینی را قطع می کنند. با این عمل می توان زه کشی از اعماق را کنترل نمود که به این طریق ذخیره سازی در لایه های فوقانی نیز اصلاح می شود.
آبخوان های مسدود شده توسط سدهای زیرزمینی معمولاً کم عمق بوده که این موضوع می تواند دال بر وجود سفره های آزاد باشد. اساس ایده ساخت سد زیرزمینی با هدف ذخیره سازی ، متوقف کردن جریان طبیعی آب زیرزمینی می باشد و قضاوت راجع به مفید بودن سد، مستلزم تخمین اندازه جریان ، شرایط نفوذ پذیری و اندازه شیب سطح ایستابی است.
بطور کلی مخازن سد زیرزمینی توسط جریان آب زیرزمینی تغذیه می گردد و برنامه پایش اطلاعاتی، مقدار و جهت آنها را نشان می دهد زمانی که آب ذخیره شده برای آبیاری بالادست سد استفاده شود مشروط بر اینکه آبهای سطحی بقدر کافی نفوذ پذیر باشند، از طریق جریان برگشتی نیز تغذیه مهمی وجود خواهد داشت .
اغلب سدهای زیرزمینی برروی سنگ بستر سخت بنا شده اند و به منظور جلوگیری از تلفات نشت از زیر سد ، باید اتصال محکمی بین دیواره سد و سنگ بستر و تکیه گاه ایجاد نمود .
با توجه به این که متوقف کردن نشت از طریق شکاف های سنگ بستر، حتی اگر در طی احداث سد حاصل شده باشد ، بسیار مشکل است ، لذا دقت و احتیاط ضرورت دارد و باید توجه نمود که احداث سد در دره های باریک و در طول رودخانه ها صورت می گیرد که همیشه احتمال وجود درز و ترک در سنگ بستر آنها وجود دارد.
همچنین تحت شرایط مناسب ، امکان استفاده از لایه با نفوذ پذیری پایین در کف مخزن به عنوان سنگ بستر وجود دارد این لایه می تواند از رسوبات سخت شده یا قسمت یک لایه سنگ هوازده باشد. اصولاً اگر لایه های رسوبی تحتانی به قدر کافی ضخیم باشند نسبتا نفوذ ناپذیر محسوب می شوند ، هر چند که نمی توانند دقیقا همان ویژگی های سنگ کف را داشته باشند که این مساله ممکن است باعث تلفات جانبی آب از مخزن گردد. به هر حال ، اگر هدف مسدود کردن آب زیرزمینی برای تغذیه آبخوان باشد ، روش خوبی است و مشکلی ایجاد نمی کند.
۴) رسوبات :
تجمع رسوبات در بالا دست سد شنی ، نتیجه نهایی یک سری فرآیند های فیزیکی است که خصوصیات هیدرولیکی رسوبات را تحت تأثیر قرار می دهد. منشأ رسوبات حوضه ، سازند های سنگ مادر موجود در حوضه است که هوازدگی آن ها را متلاشی می کند و پس از این که ذرات توسط فرسایش از هم جدا شدند ، توسط آب حمل می شوند و سرانجام در مخزن ذخیره ، ته نشین می گردند. به طور معمول مراحل فرسایش و رسوب گذاری در مناطق با اقلیم خشک در دنیا در ارتباط با فعالیت های حفاظت خاک و احداث سدهای بزرگ به طور مفصل مورد مطالعه قرار می گیرند.
هوازدگی مکانیکی و شیمیایی اثر زیادی بر روی خصوصیات رسوب دارد. سرعت پائین هوا زدگی شیمیایی در اقلیم های خشک ، سبب درشت دانه شدن رسوبات می شوند(ساند برگ،۱۹۸۲). مقدار فرسایش عمدتاً به شدت بارندگی ،شیب و استفاده از اراضی بستگی دارد .بنابراین بر خلاف آنچه مورد نظر مهندسان کشاورزی و هیدرولیک ، می باشد مهندس طراح سد شنی از شیب های تند با پوشش گیاهی کم در حوزه استقبال می کند.
رسوبات درشتی که بایستی پشت سد شنی جمع شوند ، رسوبات حمل شده به عنوان بار بستر می باشد.بنابراین ضرورت دارد که رگبار های بو جود آورنده جریان های اولیه در شروع فصل بارندگی به قدر کافی شدید باشند که موجب حمل بار بستر گردد.
طراحی و احداث سد های زیرزمینی
رایج ترین روش احداث یک سد زیرزمینی، ساختن سد در ترا نشه حفر شده در عرض دره یا بستر رودخانه می باشد. از آنجایی که عمق حفاری بیش از ۳ تا ۶ متر نیست ، عملیات اجرایی توسط نیروی انسانی انجام می گیرد . در مواقعی که منطقه حفاری شنی باشد ، مشکلات ناشی از نا پایداری شیب را پدید می آورد. معمولاً حداکثر شیب ۳۰ درجه برای مصالح شنی قابل قبول است .
مواد ساختمانی مختلفی برای ساخت دیوار غیر قابل نفوذ بکار می روند : از جمله دیوار حائل رسی که روش بسیار مناسبی برای طرح های کوچک در آبخوان های با نفوذپذیری بالا و کم عمق از قبیل بستر های شنی رودخانه است.
روش دیگری که مستلزم مهندسی پیشرفته و نیروی انسانی ماهر است ، احداث سد بتونی با استفاده از بلوک یا مصالح سنگی در دو طرف می باشد. از مزایای روش مذکور این است که دیواره سد را میتوان تا بالاتر از سطح کف رودخانه ادامه داد و رسوب بیشتری را جمع آوری نمود.
استفاده از ورقه های نازک غیرقابل نفوذ نظیر ورقه های قیر اندود یا پلی اتیلن است.که دارای هزینه کمی می باشد.همچنین ورقه های آهنی یا ورقه های از جنس PVC در ساختن پرده غیر قابل نفوذ به کار می روند. یکی از مزایای این روش این است که سازه می تواند تا بالاتر از سطح رودخانه امتداد یابد و رسوبات اضافی را در خود جای دهد. همچنین امکان فرو بردن ورقه های ضخیم آهن موج دار از سطح به بستر رودخانه بدون انجام حفاری و پمپاژ آب زیرزمینی وجود دارد.
روش دیگر، پرده تزریق جهت متوقف کردن جریان آبخوان های بزرگ یا عمیق به منظور جلوگیری از آلودگی آب به کار می رود . این روش برای بسیاری از پروژه های بزرگ و هنگامی که آبخوان عمیقی مورد نظر باشد ، عملی است. مزیت پرده تزریق این است که بدون زهکشی آبخوان می تواند انجام گیرد.
استخراج آب (بهره برداری)
یک سد زیرزمینی معمولاً دارای یک زهکش در قاعده سد و در امتداد بالادست خود می باشد. عمل این زهکش که معمولاً متشکل از گراول یا لوله شکاف دار احاطه شده توسط صافی گراولی می باشد، جمع آوری آب و انتقال آن به چاه و یا از طریق لوله به صورت ثقلی به مناطق پائین دست است . اگر چه این روش برای مخازن سد شنی مناسب می باشد، ولی در احداث سد زیرزمینی در بستر های رودخانه نیز بکار می رود.
چاهی که آب را از سدهای زیرزمینی استخراج می کند در مخزن قرار می گیرد. برای جلوگیری از تخریب توسط سیلاب آن را نزدیک به کناره رودخانه ها حفر می کنند. وقتی آبخوان های با نفوذ پذیری کم مسدود گردند ساختن تعدادی بیشتر از چاه های با قطر زیاد یا گودال های جمع آوری جهت بوجود آوردن حجم ذخیره کافی به منظور پمپاژ ضروری است .
اگر محل بهره برداری مردم در منطقه پائین دست سد بوده و شرایط توپوگرافی نیز فراهم باشد امکان استخراج آب از مخزن به صورت ثقلی وجود دارد. با استفاده از استخراج ثقلی ، از مشکلات نصب پمپ تعمیر و نگهداری که امروزه گریبان گیر پروژه تامین آب روستائی کشورهای درحال توسعه است ، اجتناب می گردد.
این مسئله حتی درمورد پروژه هایی که دریک چاه کم عمق پمپ دستی ساده ای بکار می رود نیز صادق است.

گردآورنده: حمیدرضا مختاری
منابع مورد استفاده
۱- طباطبایی یزدی ، جواد و لشکریان ، سعید نبی پی، سدهای آب زیرزمینی جهت تامین آب در مقیاس کوچک (ترجمه) ، سازمان تحقیقات و آموزش کشاورزی ، پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری
۲- WWW.ewra.net
۳- www. Rain water harvesting.Org
۴- www.۸۶project۸۴۶۲۱۴۹.blogfa.com
خبرنگار : سپیده الهامی منش

منبع : پایگاه اطلاع رسانی وزارت نیرو