«آبخوان» (Aquifer)، یک محیط سنگی یا خاکی نفوذپذیر است که آبهای زیرزمینی را درون خود ذخیره کرده یا امکان جابجایی آنها را فراهم میکند. آبخوانها، با عنوان سفرههای آب زیرزمینی نیز شناخته میشوند. این منابع طبیعی، اهمیت بسیار بالایی در زندگی انسانها دارند. زیرا حدود ۳۰ درصد آب آشامیدنی انسانها را تامین میکنند. علاوه بر این، آبخوانها، از منابع اصلی تامین آب مورد نیاز برای کشاورزی محسوب میشوند. سفرههای آب زیرزمینی، به دو گروه اصلی سفرههای آب زیرزمینی آزاد و سفرههای آب زیرزمینی تحت فشار تقسیم میشوند. در این مطلب از مجله فرادرس، قصد داریم ببینیم تعریف آبخوان چیست و چه ویژگیهایی دارد. علاوه بر این، میخواهیم ضمن معرفی انواع آبخوانها و نحوه تشکیل آنها، اصطلاحات پرکاربرد مرتبط با سفرههای آب زیرزمینی را نیز مرور کنیم.
آبخوان یا سفره آب زیرزمینی چیست؟
آبخوان، لایهای پایینتر از سطح زمین از جنس سنگ، ماسه، شن یا رسوبات نفوذپذیر و متخلخل است که میتواند آبهای زیرزمینی را درون خود ذخیره کند و آنها را از محلی به محل دیگر انتقال دهد.
آبخوانها یا سفرههای آب زیرزمینی، به دو دسته کلی آبخوان آزاد و آبخوان تحت فشار تقسیم میشوند. این سازههای طبیعی، نقش بسیار مهمی در چرخه آب، زندگی انسانها و اکوسیستم دارند.
منابع آبی کره زمین، به دو دسته منابع سطحی و زیرزمینی تقسیم میشوند. بارشهای جوی، از اصلیترین عوامل تامینکننده آب این منابع هستند. مقداری از آب حاصل از این بارشها، به داخل لایههای نفوذپذیر زمین نفوذ کرده و منابع آبزیرزمینی یا همان آبخوانها را به وجود میآورند. نفوذپذیری و تخلخل، از اصلیترین ویژگیهای خاک و سنگ هستند که باعث تشکیل آبخوان میشوند. در بخشهای بعدی، بیشتر راجع به جزئیات فرآیند تشکیل آبخوانها میپردازیم. در صورت علاقه به یادگیری مفاهیم پایه و مرتبط با مبحث آبخوان، فیلم آموزش علوم تجربی هفتم فرادرس را مشاهده کنید.
کاربرد و اهمیت آبخوان چیست؟
دلایل زیادی برای بیان اهمیت آبخوانها وجود دارد. آب طی چرخه هیدرولیکی، بین جو، سطح و اعماق زمین در گردش است. سفرههای آب زیرزمینی، بخش مهمی از این چرخه محسوب میشوند. علاوه بر این، اغلب منابع آب آشامیدنی قابل دسترس، درون آبخوانها قرار دارد. همین موضوع، وجود سفرههای آب زیرزمینی را به یک عنصر حیاتی برای انسانها، حیوانها و گیاهان تبدیل میکند.
حفر چاه، اصلیترین روش تامین آب مورد نیاز جهت کشت محصولات کشاورزی است. بنابراین، وجود آبخوانها، در تامین مواد غذایی انسانها نیز اهمیت دارد. در آخر، سفرههای آب زیرزمینی، نقش برجستهای را در اکوسیستمهای مختلف بازی میکنند. بالا آمدن منابع این سفرهها به شکلهای مختلفی نظیر جریان چشمهها، آب زیرزمینی وارد اکوسیستم میشود و نیازهای اساسی حیوانات و گیاهان منطقه را تامین میکند. بنابراین، اصلیترین کاربردهای آبخوان در موارد زیر خلاصه میشود:
- مشارکت در چرخه آب
- تامین آب مصرفی انسانها، حیوانات و گیاهان
- تامین آب مورد نیاز برای کشاورزی
- مشارکت در تداوم اکوسیستم
برخی از ویژگی های آبخوان
آبخوانها، ویژگیهای متعددی دارند که برخی از مهمترین آنها عبارت هستند از:
- آبخوان، معمولا در نزدیکی سطح زمین تشکیل میشوند اما عمق این سفرههای آب زیرزمینی میتواند به بیش از ۹۰۰۰ متر نیز برسد. آبخوانهای نزدیک به سطح زمین، معمولا برای مصارف کشاورزی و آشامیدنی مورد استفاده قرار میگیرند.
- آبهای درون سفرههای آب زیرزمینی، به طور قابلتوجهی پیر هستند. با وجود مقدار کمی آب زیرزمینی، سن اغلب آبخوانها به حدود هزار تا ۳۰ هزار سال قبل بازمیگردد.
- آب موجود در آبخوانها معمولا بیرنگ، بیبو و بدون مواد آلاینده است. این آب، از آلودگیهای میکروبی کمتر و املاح معدنی بیشتر نسبت به آبهای سطحی بهره میبرند.
آبخوان چگونه تشکیل می شود؟
آبخوان از نفوذ آب به درون لایههای نفوذپذیر زمین و پر کردن فضاهای خالی بین ذرات تشکیلدهنده رسوبات و سنگها تشکیل میشود. لایههای بالایی سطح زمین، معمولا از ذرههای خاک با اندازههای متفاوت تشکیل شده است.
اندازه ذرات خاک، بر روی میزان فضای خالی بین آنها (تخلخل) و امکان حرکت آب درون آنها (نفوذپذیری) تاثیر میگذارد. به عنوان مثال، هرچه اندازه ذرات لایههای بالایی سطح زمین بزرگتر و دارای ماسه بیشتری باشد، آب به سرعت از درون آنها عبور میکند و به لایههای زیرین میرسد.
اگر ذرات تشکیلدهنده لایههای زمین، ریزتر و دارای رس بیشتری باشد، آب نمیتواند به راحتی درون آنها نفوذ کند. آب باران و دیگر منابع آب سطحی، در هنگام برخورد با لایههای نفوذپذیر، به درون آنها نفوذ میکنند. نفوذ آب در لایههای زیرین زمین، تا رسیدن به یک لایه نفوذناپذیر ادامه مییابد. پس از برخورد آب با لایههای نفوذناپذیر، سطح آب زیرزمینی بالا میآید و آبخوان (سفره آب زیرزمینی آزاد) تشکیل میشود. البته در شرایط خاص، آب زیرزمینی، درون یک لایه نفوذپذیر محصور بین دو لایه نفوذناپذیر تجمع میکند و سفره آب زیرزمینی محصور را به وجود میآورد. در بخش ساز و کار آبخوان، با جزئیات بیشتری به توضیح چرخه آب و نقش آبخوان در آن میپردازیم.
چگونه در مورد آبخوان و آب های زیرزمینی یاد بگیریم؟
آبخوانها، از حیاتیترین سازههای زمینشناسی هستند که یکی از مهمترین منابع آب آشامیدنی در کره زمین محسوب میشوند. از اینرو، سیستمهای آموزشی کشورهای مختلف، همواره به دنبال یاد دادن اهمیت آبخوانها و منابع ارزشمند درون آنها به نوجوانان و جوانان خود بودهاند. در کشور ما، مباحث مرتبط با آبهای زیرزمینی، در مقطع متوسطه آورده شدهاند. از اینرو، اصلیترین روش برای یادگیری مفاهیم آبخوانها، مطالعه مطالب ارائه شده در دروس دبیرستان است. البته فرادرس، با تهیه فیلمهای آموزشی متنوع و کامل دوره متوسطه، نیازهای دانشآموزان دبیرستانی را به خوبی برطرف میکند. بهترین فیلمهای آموزشی فرادرس که میتوانند دانش شما را در زمینه مبحث آبخوان و آبهای زیرزمینی افزایش دهند، عبارت هستند از:
مباحث آکادمیک و سطح بالای مربوط به آبخوانها، در حوزهای با عنوان آبزمینشناسی یا «هیدروژئولوژی» (Hydrogeology) مورد مطالعه قرار میگیرند. البته در دانشگاههای داخل ایران، دانشجویان رشته آبشناسی یا هیدرولوژی (Hydrology)، به طور تخصصی به پژوهش در رابطه با آبهای زیرزمینی میپردازند. علاوه بر این، رشته علوم و مهندسی آب و گرایشهای مهندسی منابع طبیعی نظیر آبخیزداری نیز ارتباط بسیار نزدیکی با حوزههای مرتبط با مطالعه آبخوانها دارند. فرادرس، فیلمهای آموزشی جامع و متنوعی را در زمینه آموزش مباحث مربوط به آبهای زیرزمینی تهیه کرده است. مهمترین این آموزشها از سطح مقدماتی تا پیشرفته در ادامه آورده شدهاند:
اگر قصد دارید به گنجینه غنیتر از فیلمهای آموزشی حوزه آب و فاضلاب دسترسی داشته باشید، به شما پیشنهاد میکنیم عناوین موجود در مجموعه فیلمهای زیر را نیز مرور کنید:
در مطالب قبلی مجله فرادرس، راجع به آبهای زیرزمینی و روشهای دسترسی به آنها (مانند حفر چاه) صحبت کردیم. ادامه این مطلب از مجله فرادرس، به معرفی انواع آبخوان و نحوه تشکیل آنها میپردازیم.
انواع آبخوان چه هستند؟
آبخوان یا سفرههای آب زیرزمینی به دو دسته زیر تقسیم میشوند:
- آبخوان آزاد
- آبخوان تحت فشار
در ادامه، هر یک از موارد بالا را تعریف میکنیم.
آبخوان تحت فشار چیست؟
سفره آب زیرزمینی تحت فشار یا «آبخوان تحت فشار» (Confined Aquifer)، یک لایه نفوذپذیر در زیر زمین است که بین دو لایه نفوذناپذیر قرار دارد. پوسته زمین، همواره در حال حرکت است. این پوسته، گاهی اوقات تغییر شیب میدهد و باعث تشکیل یا قرارگیری لایههای سنگی در اطراف یا بر روی آبخوانها میشود. طی این فرآیند، سفرههای آب زیرزمینی درون یک محیط نفوذناپذیر محصور میشوند و آبخوان تحت فشار را تشکیل میدهند. به همین دلیل به آنها، آبخوان محصور نیز میگویند. این نوع آبخوان معمولا در نواحی کوهستانی و شیبدار حضور دارد.
در آبخوانهای تحت فشار، لایههای سنگی نفوذناپذیر، مانند دروازههای مستحکم، از تراوش آبهای زیرزمینی به لایههای بالاتر جلوگیری میکنند. همین موضوع سبب به وجود آمدن فشار قابل توجه در لایه نفوذپذیر (لایه آبدار) از سمت لایههای نفوذناپذیر اطراف میشود. از اینرو، هنگام حفر چاه و ایجاد مسیر دسترسی به سفرههای زیرزمینی تحت فشار، آب معمولا بدون نیاز به پمپاژ از درون حفره بیرون میآید. فشاری که آبخوانهای محصور با آن مواجه هستند با عنوان «فشار آرتزین» (Artesian Pressure) شناخته میشود. به همین دلیل، در برخی از موارد، به آبخوانهای تحت فشار، «آبخوان آرتزین» (Artesian Aquifer) نیز میگویند.
آبخوان آزاد چیست؟
سفره آب زیرزمینی آزاد یا «آبخوان محصور نشده» (Unconfined Aquifer)، یک لایه نفوذپذیر در زیر زمین است که بر روی یک لایه نفوذناپذیر قرار دارد. لایههای بالایی این نوع آبخوان، از سنگ یا خاک نفوذپذیر تشکیل میشوند. به همین دلیل، آب درون آنها میتواند آزادانه به سمت لایههای بالایی و سطح زمین حرکت کند. آبخوانهای آزاد، بیشتر در دشتها و دامنه کوهها ایجاد میشوند. به دلیل نبود لایههای نفوذناپذیر در بالای این آبخوانها، سطح آب آنها معمولا در فاصله کمتری نسبت به سطح زمین قرار دارد.
بهرهبرداری از منابع سفرههای آب زیرزمینی آزاد، توسط حفر چاه و قنات صورت میگیرد. البته در صورت وجود شیب در نواحی حضور این نوع آبخوان، امکان برخورد آب آها با سطح و جاری شدن آنها به صورت چشمه در سطح زمین وجود دارد. چشمههای آب گرم اطراف آتشفشانها، نمونهای از خروج طبیعی آب درون آبخوانهای آزاد از درون زمین هستند.
دسته بندی آبخوان ها بر اساس معیارهای مختلف
آبخوانها و سفرههای آب زیرزمینی به دو نوع آزاد و تحت فشار محدود نمیشوند. انواع آبخوان را میتوان بر اساس ویژگیهایشان، به انواع زیر تقسیم کرد:
- «آبخوان همسان» (Isotropic Aquifer): سفره آب زیرزمینی با خواص یکسان در همه جهتها (به عنوان مثال، هدایت هیدرولیکی یکسان در همه جهتها)
- «آبخوان ناهمسان» (Anisotropic Aquifer): سفره آب زیرزمینی با خواص متفاوت در جهتهای مختلف (به عنوان مثال، هدایت هیدرولیکی متفاوت در جهتهای مختلف)
- «آبخوان همگن» (Homogeneous Aquifer): سفره آب زیرزمینی با جنس یکسان در اغلب نقاط
- «آبخوان ناهمگن» (Non-Homogeneous Aquifer): سفره آب زیرزمینی با جنس متغیر در نقاط مختلف
- «آبخوان آبرفتی» (Alluvial Aquifer): سفره آب زیرزمینی متشکل از مواد آبرفتی
- «آبخوان معلق» (Perched Aquifer): سفره آب زیرزمینی به شکل یک پهنه آبی مجزا در لایه اشباع نشده بالای سطح آب زیرزمینی
- «آبخوان نیمهتراوا» (Semi-Confined Aquifer): سفرههای آب زیرزمینی با محیط ناهمگن و ویژگیهایی بین آبخوانهای آزاد و محصور شده
- «آبخوان کمتراوا» (Aquiclude): لایهای از جنس موادی نظیر رس با قابلیت جذب و ذخیرهسازی آب در حجم بالا اما بدون قابلیت انتقال آب با نرخ مورد نیاز برای تامین منابع چشمهها، چاهها و غیره
- «آبخوان ساحلی» (Coastal Aquifer): سفره آب زیرزمینی گذرنده از مرز بین خشکیها و دریا
ساز و کار آبخوان چیست؟
در بخشهای قبلی، به توضیح کلیات نحوه تشکیل آبخوانها پرداختیم. در این بخش، ساز و کار آبخوانها را با جزئیات بیشتری مورد بررسی قرار میدهیم. آبخوانها، آبهای زیرزمینی را درون خود نگه میدارند.
به بالاترین تراز آب زیرزمینی درون آبخوانها، «سطح ایستابی» (Water Table) میگویند. بالا و پایین آمدن سطح ایستابی و ذخایر موجود در سفرههای آب زیرزمینی، یکی از آخرین مراحل در چرخه آب است. آبهای سطحی نظیر آب سطح اقیانوسها و رودها، در برخورد مستقیم با نور آفتاب، تبخیر میشوند. طی فرآیند تبخیر و تبدیل حالت مایع به گاز، بخار آب وارد اتمسفر یا جو زمین میشود.
بخار آب موجود در جو، تحت تاثیر کاهش دما قرار میگیرد و طی فرآیند میعان، از حالت گاز به مایع تبدیل میشود. البته در این فرآیند، ذرات ریز آب به دور گرد و غبار معلق در جو میچسبند و ابرها را تشکیل میدهند. با به هم چسبیدن ذرات آب و تشدید فرآیند میعان، بارش باران، برف و تگرگ رخ میدهد. به این ترتیب، آب بار دیگر به سطح زمین بازمیگردد. رسیدن آب به سطح زمین، اتفاقهای زیر را به همراه دارد:
- بخشی از آب بر روی زمین جاری میشود و از ارتفاعات به سمت پستیها حرکت میکند. این اتفاق، هنگام آب شدن برف روی کوهها رخ میدهد و باعث تشکیل رودها و جریانهای سطحی میشود. آب درون رودها، در نهایت به اقیانوس و دریاچهها میریزد و به مرحله اول چرخه آب بازمیگردد.
- بخش دیگر آب به درون زمین نفوذ میکند وارد سیستم آبهای زیرزمینی میشود.
به محض ورود آب به درون خاک، نیروی جاذبه زمین آن را به سمت لایههای پایینتر میکشد. نرخ جریان آب در لایههای زمین، به پارامترهایی نظیر تخلخل و نفوذپذیری مواد تشکیل دهنده هر لایه بستگی دارد. جریان آب تا رسیدن به سطح ایستابی ادامه مییابد. محیط پایینتر از این سطح، کاملا اشباع شده است. این محیط اشباع شده، با عنوان آبخوان یا سفره آب زیرزمینی شناخته میشود. بر اثر عواملی نظیر نیروی جاذبه و حرکت پوسته زمین، آب درون آبخوانها به جریان میافتد. نرخ جریان آب، به موقعیت قرارگیری و جنس محیط آبخوان بستگی دارد. اگر آبخوان دارای شیب یا متشکل از محیط بسیار متخلخل باشد، آب درون آن میتواند حتی با نرخ چند متر در روز نیز حرکت کند. البته در برخی از آبخوانها، نرخ جریان آب، به چند سانتیمتر در طی صد سال میرسد.
در نهایت، آب درون آبخوانها بر اثر فشار آبهای ورودی یا فشار ناشی از محیط دربرگیرنده به سمت سطح میرود و باعث تشکیل چشمهها میشود. بالاآمدگی آب درون سفرههای آب زیرزمینی میتواند در بستر رودها و جریانها سطحی نیز رخ دهد. یک روش غیرطبیعی خروج آب از درون آبخوانها و ورود آن به سطح، حفر چاه، قنات و دیگر سازههای ساخت دست بشر است. به این ترتیب، چرخه آب و ساز و کار آبخوان تکمیل میشود.
برخی از اصطلاحات پرکاربرد در مطالعه آبخوان
در مطالعه سفرههای آب زیرزمینی، از اصطلاحات مختلفی استفاده میشود که در ادامه به تعریف مهمترین آنها میپردازیم.
آکیتارد چیست؟
«آکیتارد» (Aquitard)، به لایه اشباع با نفوذپذیری پایین گفته میشود که حرکت آبهای زیرزمینی از یک آبخوان به آبخوان دیگر را محدود میکند. در برخی از موارد، آب زیرزمینی در پایین این لایه جمع میشوند و آبخوان محصور شده را به وجود میآورد. لایههای سنگی یا رسهای ماسهای، از رایجترین مثالهای آکیتارد هستند.
آکیفیوژ چیست؟
«آکیفیوژ» (Aquifuge)، به لایهای نفوذناپذیر با تخلخل بسیار پایین یا بدون تخلخل گفته میشود که قابلیت ذخیرهسازی آب را ندارد و امکان انتقال آب از درون خود را فراهم نمیکند. جنس این لایه که با عنوان لایه ناتراوا نیز شناخته میشود، معمولا از سنگهای متراکم است.
هد هیدرولیکی آبخوان چیست؟
«هد هیدرولیکی» (Hydraulic Head)، عمق آب در گمانه حفر شده درون آبخوان است. این عمق، با توجه اختلاف ارتفاع از سطح زمین یا سطح آبهای آزاد سنجیده میشود. هد هیدرولیکی، به عنوان معیاری برای تشخیص جهت جریان آبهای زیرزمینی و محاسبه شیب هیدرولیکی مورد استفاده قرار میگیرد.
گرادیان هیدرولیکی آبخوان چیست؟
شیب هیدرولیکی یا «گرادیان هیدرولیکی» (Hydraulic Gradient)، نرخ تغییر هد هیدرولیکی یه ازای هر واحد مسافت در یک جهت مشخص است. این معیار، برای تعیین جهت جریان آب زیرزمینی و درک شیب سطح آب زیرزمینی به کار برده میشود.
قابلیت انتقال آبخوان چیست؟
«قابلیت انتقال» (Transmissibility)، مقدار آبی است که آبخوان میتواند از كل ضخامت اشباع شده خود عبور دهد. این کمیت، به صورت نرخ جریان آب زیرزمینی از مقطع آبخوان تحت یک واحد گرادیان هیدرولیکی نیز تعریف میشود.
هدایت هیدرولیکی آبخوان چیست؟
«هدایت هیدرولیکی» (Hydraulic Conductivity)، سرعت یا سهولت حرکت آب درون آبخوان است. این ویژگی، از تقسیم قابلیت انتقال بر ضخامت آبخوان به دست میآید.
تاثیر عوامل انسانی بر روی آبخوان چیست؟
نیاز انسان به منابع موجود در آبخوانها برای تامین آب آشامیدنی و کشاورزی، سلامت سفرههای آب زیرزمینی را به خطر انداخته است. بهرهبرداری انسانها از منابع آبی، سرعت بیشتری نسبت به چرخه طبیعی آب دارد.
به عبارت دیگر، آبی که از درون زمین به بیرون کشیده میشود، با سرعت کمتری به جای اول خود باز میگردد. به این ترتیب، سطح آب زیرزمینی، روز به روز کاهش مییابد و باعث خشکی چاهها، قناتها و حتی چشمهها میشود. خشک شدن آب چاهها، به معنای به خطر افتادن کشاورزی است.
خشکسالی، تنها پیامد منفی مصرف بیرویه از منابع آب زیرزمینی توسط انسانها نیست. برداشت بیرویه آب زیرزمینی، خطر فرونشست زمین (حرکت رو به پایین سطح زمین) را نیز افزایش میدهد. علاوه بر این، مصرف موادی نظیر آفتکشها، کودها و حلالهای شیمیایی در فعالیتهای کشاورزی، باعث نفوذ مواد آلاینده به خاک و لایههای زیرین آن میشود. بارش باران، این مواد را وارد آبخوانها میکند و زندگی انسانها، حیوانات و گیاهان منطقه را به خطر میاندازد. در صورت علاقه به یادگیری بیشتر در رابطه با اهمیت منابع آب زیرزمینی و تاثیرات منفی فعالیتهای انسان بر روی این منابع، مشاهده فیلم آموزشی زیر را به شما پیشنهاد میکنیم:
جمع بندی: آبخوان و برخی از حقایق مرتبط با آن
آبخوان، یک محیط سنگی یا خاکی اشباع شده از آبهای زیرزمینی است که نقش بسیار مهمی را در چرخه آب و زندگی موجودات زنده روی کره زمین بازی میکند. در این مقاله از مجله فرادرس، برخی از جنبههای مهم و ویژگیهای اصلی آبخوانها و انواع آنها را مورد بحث قرار دادیم. در ادامه و در انتهای این مقاله، به معرفی چند نکته تکمیلی در رابطه با سفرههای آب زیرزمینی میپردازیم:
- محیط تشکیل دهنده آبخوانها میتواند از جنس انواع سنگها نظیر آهک، ماسهسنگ، شن و کنگلومرا باشد.
- برخی از افراد به اشتباه تصویر میکنند که آبخوانها، رودهای زیرزمینی هستند. برخلاف این تصور، آبخوانها یا سفرههای آبزیرزمینی، تودههای جامد سنگ و خاک هستند که آبهای زیرزمینی را درون منفذ خود نگه میدارند. یک آبخوان را میتوان مانند اسفنجی در نظر گرفت که حفرههای آن با آب پر شده است.
- آبخوانها، آبهای زیرزمینی را تصفیه میکنند. با حرکت آبهای زیرزمینی درون خاک، آلودگیهای آن به طور طبیعی گرفته میشود. به همین دلیل است که اغلب آبهای زیرزمینی، تمیز و آشامیدنی هستند.
source