در آبخوان های ساحلی آب تازه به دریا تخلیه می گردد. در محل تماس آب تازه و آب دریا یک ناحیه انتقالی به وجود می آید که غلظت این ناحیه بین آب شیرین و آب شور متغیر است.
شوری یکی از مهمترین مسائل آبخوان های ساحلی است که در اثر منابع مختلف مانند: نفوذ آب شور دریا، آب شور موجود در آبخوان که در زمان های گذشته به آبخوان وارد گردیده، لاگون های طبیعی که در اثر بالا آمدن آب دریا پر شده اند و بر اثر تبخیر تغلیظ شده اند، آب بازگشتی کشاورزی، آب شور ناشی از فعالیت های انسانی و نمک ناشی از گنبدهای نمکی به وجود می آید.
بررسی اهمیت مساله پیشروی آب شور در آبخوان های ساحلی
در طول قرن گذشته با شکل گرفتن جوامع شهری بزرگ در کنار دریاها و افزایش نیازهای شرب، بهداشتی، کشاورزی و صنعتی و تامین این نیازها از آبخوان های ساحلی خصوصا در نواحی خشک و نیمه خشک و همچنین عدم تغذیه آبخوان، مساله پیشروی آب شور مهمترین مساله این نواحی بوده است. به گونه ای که خسارت های جبران ناپذیری به زمین های کشاورزی، تاسیسات صنعتی و خانگی و منابع آب شیرین وارد آمد. این زیان های اقتصادی باعث گردید مساله پیشروی آب شور به صورت جدی مورد بررسی قرار گیرد.
مواد جامد محلول تاثیر مهمی بر روی طعم آب آشامیدنی دارد آب آشامیدنی که مقدار مواد جامد محلول آن کمتر از 600 میلی گرم باشد برای آشامیدن مناسب است.
مواد جامد محلول آب دریا به طور متوسط 35500 میلی گرم در لیتر می باشد. یعنی تقریبا 35 برابر مواد جامد محلول آب قابل قبول برای نوشیدن، بنابراین مخلوط شدن مقدار کمی از این آب با آب شیرین می تواند آب شیرین را غیر قابل نوشیدن نماید.
در عرصه کشاورزی نیز گیاهان به شوری بسیار حساس می باشند و افزایش شوری به صورت خطی، باعث کاهش نمایی در محصول می گردد. حتی در مواردی منجر به نابودی گیاه می شود. آبیاری زمین های کشاورزی با آب های شور و لب شور و تبخیر یا نفوذ این آب ها در زمین باعث از بین رفتن زمین های حاصلخیز کشاورزی می گردد. زدایش شوری از این زمین ها کاری دشوار، پرهزینه و زمانبر است که نیاز به مقادیر بسیار زیادی آب شیرین دارد.
اثر آب های شور بر لوله های انتقال آب، دیگ های بخار، سیستم های گرم کننده آب و تاسیسات خنک کننده به صورت رسوبگذاری می باشد.
کنترل و جلوگیری از پیشروی آب های شور دریا به آبخوان های ساحلی یکی از عملی ترین و موثرترین روش ها در نقاطی است که این مشکل به صورت حاد در این مناطق آشکار نشده است. در مناطقی که این مشکل وجود دارد و آب شور تا کیلومترها داخل ساحل نفوذ نموده باید با بکارگیری راهکارهای مدیریتی و برنامه ریزی اصولی، مانند کاهش مصرف از منابع آب زیرزمینی، انتقال آب از حوضه های مجاور و بکارگیری سیستم های کنترلی به تدریج جبهه آب شور را به عقب راند تا شرایط طبیعی بر آبخوان حاکم گردد.
علت وقوع این پدیده
چگالی آب دریا تقریبا در حدود 2.5 درصد بیشتر از چگالی آب شیرین است. چگالی بیشتر آب دریا باعث قرار گرفتن آب دریا در زیر آب شیرین می گردد. همانند شکل زیر، در سطح تماس آب دریا به صورت یک گوه در آب شیرین نفوذ می نماید.
علاوه بر سواحل قاره ای، جزایر نیز از نقاطی هستند که همواره مورد تهاجم آب شور قرار دارند. اکثر جزایر اقیانوسی بر روی لایه های نسبتا نفوذپذیر مانند ماسه، گدازه ترک خورده یا سنگ آهک قرار دارند که آب دریا به سادگی به داخل آنها نفوذ می نماید. در این جزایر آب شیرین به صورت یک لنز در روی آب شور قرار گرفته است و جریان آب شیرین به داخل دریا به صورت شعاعی می باشد. در این مناطق بیشترین خطر مربوط به پمپاژ از چاه ها می باشد خصوصا اگر ضخامت لایه آبدار کم باشد.
پیشروی آب شور به نواحی با خاک نفوذپذیر خلاصه نمی شود و در سواحل کارستی نیز این پدیده مشاهده می شود. آب دریا به سادگی از طریق درز و شکاف ها و تونل هایی که در کارست ایجاد شده است به داخل ساحل نفوذ می نماید.
وجود آب شور در مجاورت آبخوان های ساحلی، احاطه شدن لنزهای آب شیرین توسط آب شور، وجود سیستم های درز و ترک یا کانال های آبی در مناطق کارستی شرط لازم برای پدیده پیشروی است.
روش های کنترل پیشروی آب شور
روش های کنترل پیشروی آب شور به طور گسترده ای بستگی به منبع آب شور، وسعت ناحیه مورد هجوم قرار گرفته، وضعیت طبیعی زمین منطقه، موارد استفاده آب و عوامل اقتصادی دارد.
اصلاح الگوی پمپاژ
با تغییر در محل چاه های بهره برداری و همچنین کاهش برداشت از آنها شرایطی فراهم می آید که شیب هیدرولیکی به سمت دریا به وجود خواهد آمد در غیر این صورت بعد از مدتی امکان بهره برداری به کلی از بین خواهد رفت.
تغذیه مصنوعی
محل و وضع قرار گرفتن سطح تماس آب شور و شیرین بستگی به وضع سطح آب در آبخوان های آزاد و سطح پیزومتریک در آبخوان های تحت فشار دارد. بنابراین با عمل تغذیه مصنوعی می توان این سطح را بالا برده و از توسعه گوه آب شور کاست. عمل تزریق در آبخوان های آزاد بهتر است به صورت پخش آب در روی سطح و در آبخوان های تحت فشار به صورت چاه های تزریق باشد. البته در این روش به حجم قابل توجهی آب شیرین نیاز می باشد.
ایجاد مانع از طریق استخراج
در این روش در روی یک خط موازی و نزدیک ساحل یک سری چاه حفر نموده و با عمل پمپاژ هم زمان در این چاه ها و ایجاد مخروط افت، خط افقی در زیر سطح آب زیرزمینی موازی ساحل ایجاد می نمایند. در نتیجه آب شیرین سفره با آب شور منطقه نفوذی مخلوط شده و پمپاژ می شود که این عمل باعث ثابت ماندن گوه آب شور و در نتیجه تثبیت سطح تماس آب شور و شیرین در فاصله معینی از ساحل می شود. اشکال این روش آن است که مقداری آب شیرین نیز در مخلوط شور و شیرین در محل خط افت پمپاژ به هدر خواهد رفت. به علاوه نصب تاسیسات و بهره برداری از آنها نیز گران تمام خواهد شد.
ایجاد مانع از طریق تزریق
در این روش با استفاده از یک سری چاه های موازی ساحل و تزریق آب شیرین در آنها سطح آب در نزدیکی ساحل بالاتر از سطح آب دریا نگه داشته می شود. مشکل این روش نیاز به منابع متنابهی آب شیرین می باشد.
سدهای زیرزمینی
ساخت یک مانع نفوذناپذیر در زیرزمین به موازات خطوط ساحلی و به صورت قائم به طور موثری جلوی جریان آب شور به داخل آبخوان را خواهد گرفت. مواد مختلفی می توان بدین منظور استفاده گردد که می توان به استفاده از شمع های ورقه ای، خاک رس، امولسیون قیر، دوغاب سیمان، بنتونیت، ژل سیلیکا، پلاستیک یا هوا اشاره نمود. این روش دارای کاربرد کم بوده و مخارج اولیه آن سنگین ولی مخارج نگهداری و تعمیر آن ناچیز است ولی مزیت آن این است که امکان استفاده کامل از ظرفیت آبخوان را فراهم می آورد.
بهترین روش جهت جلوگیری از پیشروی آب شور به آب شیرین، به وسیله هوا است که می تواند مانند یک سد، مانع پیشروی آب های شور در آبخوان های ساحلی شود. این روش دارای مزایای زیر می باشد:
- در دسترس بودن هوا و عدم نیاز به آب، خطوط لوله برای انتقال آب و سایر نیازهایی که برای تزریق آب لازم است.
- سهولت نگهداری سد هوا، که این عمل به وسیله کمپرسورهای سبک و قابل حمل انجام می گیرد.
- قیمت نسبتا پایین و کم عملیات و تاسیسات
استفاده از موانع نفوذناپذیر
عوامل موثر در پیشروی آب شور در آبخوان های ساحلی
اثر شکل ساحل
در بررسی مسائل طراحی شده برای مطالعه مساله پیشروی آب شور در آبخوان های ساحلی، سه نوع مدلسازی برای هندسه ساحل یا مرز دریا و خشکی مشاهده می گردد.
در حالت اول، بسیاری از محققین محل تماس آب دریا با آبخوان را به صورت یک وجه قائم در نظر می گیرند و شرایط مرزی دریا را بر این وجه قائم اعمال می نمایند.
در حالت دوم برخی محققین با نادیده گرفتن شیب ساحل یک سطح افقی را جایگزین سطح قائم نموده اند. در این حالت با طراحی و اعمال شرایط مرزی مناسب سعی شده است قابلیت مدلسازی یک آبخوان آزاد فراهم گردد.
در حالت سوم، شیب طبیعی ساحل در مدلسازی در نظر گرفته می شود. این حالت به همراه ملحوظ نمودن اثر ناحیه غیر اشباع و مدلسازی سطح تراوش شرایط واقعی و دقیق در شبیه سازی مرز ساحل و دریا در آبخوان های ساحلی می باشد.
ساده سازی هندسه ساحل و اعمال شرایط مرزی دریا به وجه قائم نتایجی تقریبی را سبب می گردد. بر اساس نتایج شبیه سازی در مساله مورد مطالعه تاثیر انتخاب هندسه مناسب در شرایطی که محیط همگن و همسان باشد 20 درصد می باشد. پیش بینی می گردد با اعمال شرایط ناهمگنی و ناهمسانی اثر هندسه بیشتر گردد.
اثر ارتفاع آبخوان
با کاهش ارتفاع آبخوان پیشروی گوه آب شور به داخل آبخوان به شدت کاهش می یابد.
در آبخوان های ساحلی پیشروی آب شور در داخل آبخوان بسیار به ارتفاع و شار ورودی به آبخوان حساس می باشد. به عبارت دیگر در آبخوان های کم عمق بارندگی یا هر عامل دیگری که باعث تغذیه آبخوان از بالادست می گردد به عنوان عامل محدود کننده پیشروی آب شور به آبخوان می باشد. البته می توان پیش بینی نمود که هر چه ارتفاع آبخوان کمتر باشد نیز حساسیت آبخوان نسبت به شرایط خشکسالی و برداشت بی رویه از آبخوان افزایش می یابد و خطر پیشروی آب شور بیشتر می گردد.
اثر ناهمگنی و ناهمسانی
اثر ناهمسانی: با افزایش نسبت ضریب هدایت هیدرولیکی افقی به قائم پیشروی آب شور کاهش می یابد.
اثر ناهمگنی: در اثر وجود یک لایه نفوذ ناپذیر در آبخوان پیشروی گوه آب شور در لایه پایینی به شدت کاهش می یابد.
مقایسه نتایج حالت های ناهمگن و ناهمسان با حالت های همگن و همسان نشان می دهد پیشروی آب شور در آبخوان های ساحلی بسیار به این دو عامل حساس می باشد و پیش بینی نادرست از وضعیت لایه ها و ضرایب هیدرولیکی جواب های نادرستی را نتیجه می دهد.
اثر پراکندگی هیدرودینامیکی
پراکندگی هیدرودینامیکی از پارامترهای مهم مدلسازی می باشد. این پارامتر بر اساس آزمون های آزمایشگاهی یا مطالعه کارهای انجام شده تعیین می گردد.
با افزایش ضریب پراکندگی طولی و عرضی ناحیه پراکندگی افزایش می یابد و حتی در حالتی که پراکندگی طولی و عرضی 40 و 10 متر می باشد، خط هم غلظت 70 درصد نیز به داخل دریا رانده می شود. که این نتیجه به علت انتخاب نامناسب پراکندگی هیدرودینامیکی بدست آمده است.
با افزایش نسبت پراکندگی طولی و عرضی پیشروی آب شور کاهش می یابد ولی ناحیه پراکندگی گسترش می یابد.
تاثیر افزایش ارتفاع آب دریا در پیشروی آب شور در آبخوان های ساحلی
افزایش ارتفاع آب دریا یکی از عوامل موثر در پیشروی آب شور در آبخوان های ساحلی می باشد. در اثر بالا آمدن سطح آب دریا تعادل دینامیکی بین آب شور و شیرین در ناحیه تماس بر هم می خورد. افزایش فشار ناشی از افزایش ارتفاع آب باعث می گردد آب دریا بیشتر داخل آبخوان نفوذ نماید تا به حالت دینامیکی جدید برسد. افزایش آب دریاها در اثر عوامل مختلف به وقوع می پیوندد که به صورت خلاصه می توان به موارد زیر اشاره نمود.
اثر گلخانه ای
در اثر افزایش گاز co2 و گازهای دیگری مانند متان، CFC، اکسید نیتروژن و دی اکسید گوگرد دمای کره زمین به تدریج گرم خواهد شد. در اثر گرم شدن عمومی زمین الگوی نزولات جوی در مکان، زمان و تواتر تغییر می نماید. تواتر خشکی ها و طوفان های شدید تغییر می نماید و سطح آب اقیانوس ها افزایش خواهد یافت.
آب و هوا
سطح آب اقیانوس ها همیشه با تغییرات دمای کره زمین دچار نوسان می گردد. تلفیق آمار برداشت شده از دستگاه های اندازه گیری در سراسر جهان نشان می دهد، در طی قرن گذشته سطح آب دریاها 10 تا 25 سانتیمتر افزایش یافته است.
عوامل تکتونیکی و زمین ساختی
یکی دیگر از عوامل موثر در تغییرات سطح آب دریاها، عوامل تکتونیکی و زمین ساختی می باشد که به صورت های مختلف در سواحل و بستر اقیانوس ها اتفاق می افتد. در اثر حرکات پوسته حجم دریاها و اقیانوس ها تغییر می نماید نتیجه این پدیده در ساحل به صورت تغییر آب سطح دریا مشاهده می شود. در سواحل نیز عوامل تکتونیکی و زمین ساختی باعث تغییر تراز ساحل می گردد که اثر این پدیده نیز به صورت افزایش یا کاهش تراز آب مشاهده می گردد.
اثر طول آبخوان در پیشروی آب شور در آبخوان های ساحلی
با افزایش طول آبخوان شیب هیرولیکی کاهش می یابد در نتیجه دبی کاهش می یابد بنابراین پیشروی آب شور افزایش می یابد.
با افزایش سطح آب نیز کاهش گرادیان اتفاق می افتد و پیشروی آب شور مشاهده می گردد.
