دانشگاه يزد
دانشکده مهندسي معدن ومتالورژي
پايان نامه
براي دريافت درجه کارشناسي ارشد
مهندسي معدن اکتشاف
عنوان
بررسي پارامترهاي هيدرولوژيکي آبخوان آزاد در مدل آزمايشگاهي
استادان راهنما:
دکتر عبدالحميد انصاري- دکتراميرحسين کوهساري
استاد مشاور:
دکتر کاظم برخورداري
پژوهش ونگارش :
نارسيس ديندار
اسفندماه 93
چکيده:
بدست آوردن پارامترهاي هيدروديناميکي در يک آبخوان نقش بسيار مهمي دررسيدن به سطح ايستابي در آن آبخوان ودر نتيجه مدلسازي آن دارد که ميتواند در مديريت منابع آب مورد استفاده قرار گيرد.براي بدست آوردن اين پارامترها روشهاي صحرايي، مدلهاي رياضي و مدلهاي فيزيکي کاربرد دارند. با توجه به پرهزينه بودن روش صحرايي، دستيابي به روش دقيق آزمايشگاهي و برآورد اين پارامترها در آزمايشگاه با صرف هزينه کمتر ميتواند راه گشا باشد.
از مدل فيزيکي دستگاه هيدرولوژي به عنوان يک مدل آزمايشگاهي براي برآورد ضريب هدايت هيدروليکي آبخوان که يکي از مهمترين پارامترهاي آبخوان ميباشد استفاده شد. نتايج سه آزمايش پمپاژ، ردياب و بار ثابت با روابط تجربي مقايسه شد و رابطه برير با نتايج آزمايش پمپاژ نزديکي بيشتري داشت. مقادير آزمون پمپاژ تقريبا دو برابر نتايج آزمايش بار ثابت وسه برابر نتايج ردياب مي باشد. به طور کلي نتايج آزمايشات اين موضوع را که با درشتتر شدن ذرات مقدار هدايت هيدروليکي افزايش مييابد تاييد ميکند. در نمونه آزمايشگاهي به دليل ابعاد محدود مدل، ممکن است زمانهاي تعادل بدست آمده نسبت به نمونههاي صحرايي کمتر باشد اما مقايسه زمان هاي تعادل در سه نوع خاک با دانه بندي متفاوت ميتواند نتيجه اين مطالعه باشد. با افزايش مقدار D_50 براي هر خاک زمان رسيدن به تعادل افزايش پيدا ميکند. اين نکته را براي مديريت زمان در آزمايشهاي پمپاژ ميتوان لحاظ نمود.در پمپاژ از هر لايه آبدار نسبتا خوب دانه بندي شده ( در طبيعت معمول است) در نزديکي چاهپمپاژنقش قسمت ريزدانه وهرچه از آن فاصله بگيريم نقش قسمت درشتدانه خاک در تعيين سطح تعادل پيزومتريک آبخوانبيشتر ميشود.با بزرگتر شدن اندازه متوسط ذرات خاک شعاع تاثير چاه افزايش پيدا ميکند.افزايش گراديان هيدروليکي باعث کاهش هدايت هيدروليکي خاک (ضريب نفوذپذيري) ميشود.ميزان گراديان هيدروليکي در خاک مخلوط که داراي دانهبندي ريز و درشت است از خاک درشتدانه و ريز دانه بيشترميباشد.
کلمات کليدي: دستگاه هيدرولوژي، دانهبندي خاک، شعاع تاثير، ضريب نفوذپذيري،سطح ايستابي
فهرست مطالب
فصل اول، مقدمه وکليات …………………………………………………….1
مقدمه………………………………………………………………..3
شرح مسأله……………………………………………………………5
فرضيات……………………………………………………………….5
دامنه تحقيق…………………………………………………………..6
اهداف تحقيق…………………………………………………………….7
روش انجام تحقيق………………………………………………………7
ترتيب ارائه مطالب……………………………………………………….7
فصل دوم، مطالعات آب شناسي تحقيق…………………………………………..11
2-1- مفاهيم وقوانين کلي……………………………………………………….13
2-1-1- جريان آب در خاک……………………………………………………13
2-1-1-1- گراديان هيدروليکي ……………………………………………….13
2-1-1-2- قانون دارسي ……………………………………………………..14
2-1-1-3- معادله لاپلاس…………………………………………………….14
2-1-1-4- شبکه جريان………………………………………………………15
2-1-2- هيدروليک چاه ها……………………………………………………16
2-1-2-1- جريان شعاعي آب در چاه در لايه هاي آزاد در حالت ماندگار………………….15
پيشينه پژوهش ………………………………………………………18
فصل سوم ، تعيين پارامترهاي هيدروژئولوژي با مدل فيزيکي………………………24
3-1- معرفي مدل فيزيکي…………………………………………………….26
3-1-1- معرفي دستگاه هيدرولوژي………………………………………………26
3-2- مطالعات خاک شناسي……………………………………………………32
3-2-1- دانه بندي خاک ها…………………………………………………….33
3-2-2- اندازه مؤثر،ضريب يکنواختي و ضريب دانه بندي……………………………..34
3-2-3- روابط وزني حجمي………………………………………………………35
3-2-4- ضريب نفوذپذيري(هدايت هيدروليکي) …………………………………….38
3-2-4-1- روش هاي آزمايشگاهي………………………………………………..39
3-2-4-2- روابط تجربي…………………………………………………………42
3-3- مطالعات هيدروليکي………………………………………………………43
3-3-1- بررسي برقراري شرايط دارسي……………………………………………43
3-3-2- ضريب انتقال………………………………………………………….45
3-4- چگونگي انجام آزمايشها در آزمايشگاه………………………………………….46
فصل چهارم، بررسي و تحليل نتايج…………………………………………..49
4-1- آزمايش هاي تعيين ضريب نفوذپذيري………………………………………..51
4-1-1- آزمايش پمپاژ……………………………………………………….51
4-1-2- آزمايش ردياب………………………………………………………..53
4-1-3- آزمايش بار ثابت……………………………………………………….54
4-1-4- روابط تجربي………………………………………………………….54
4-2- مقايسه زمان رسيدن به تعادل در آبخوان آزاد با سه نوع خاک مختلف………………56
4-3- بررسي مخروط افت در خاک هايي با دانه بندي مختلف………………………………63
4-4- محاسبه گراديان هيدروليکي در فواصل مختلف از چاه در 3 نوع خاک………………69
4-5- رابطه دانه بندي خاک با شعاع تاثير چاه …………………………………….71
فصل پنجم،نتيجه گيري وپيشنهادات……………………………………………73
5-1- نتيجه گيري…………………………………………………………….75
5-2- پيشنهادات………………………………………………………………76
مراجع……………………………………………………………….77
فهرست اشکال
شکل 2-1: رابطه فشاروبار آبي براي جريان در خاک………………………………………13
شکل 2-2:شبکه جريان ………………………………………………………..16
شکل 2-3: جريان شعاعي آب به طرف چاه در آبخوان آزاد……………………………17
شکل 3-1: دستگاه هيدرولوژي وچرخه آب در آن………………………………….29
شکل3-2: فاصله پيزومترها در دستگاه هيدرولوژي…………………………………..32
شکل3-3: منحني دانه بندي خاک هاي به کاررفته………………………………….33
شکل 3-4: رابطه تخلخل، آبدهي مخصوص ونگهداشت مخصوص با اندازه ذرات…………….37
شکل 4-1: نمودار ضريب نفوذپذيري براي خاک نوع 1 ……………………………. 52
شکل4-2: نمودار ضريب نفوذپذيري براي خاک نوع2 …………………………………52
شکل 4-3: نمودار ضريب نفوذپذيري براي خاک نوع3 …………………………………….53
شکل 4-4: مقايسه ارتفاع آب در پيزومترها در فواصل مختلف از چاه از زمان شروع پمپاژ
درخاک نوع 1 ……………………………………………………………….56
شکل4-5: مقايسه ارتفاع آب در پيزومترها در فواصل مختلف از چاه از زمان شروع پمپاژ
درخاک نوع2 …………………………………………………………………57
شکل 4-6: مقايسه ارتفاع آب در پيزومترها در فواصل مختلف از چاه از زمان شروع پمپاژ
درخاک نوع3…………………………………………………………………57
شکل 4-7 : نمودار ارتفاع نسبي درپيزومترها برحسب زمان از شروع پمپاژ در خاک نوع 1 ….59
شکل 4-8: نمودار ارتفاع نسبي درپيزومترها برحسب زمان از شروع پمپاژ در خاک نوع2 ……59
شکل 4-9: : نمودار ارتفاع نسبي درپيزومترها برحسب زمان از شروع پمپاژ در خاک نوع3 …….60
شکل4-10: نمودار مقايسه ارتفاع نسبي پيزومتر شماره 7 بر حسب زمان ازشروع پمپاز براي سه نوع خاک ……………………………………………………………………61
شکل 4-11: نمودار مقايسه زمان رسيدن به تعادل نسبي بر حسب اندازه متوسط ذرات خاک…62
شکل 4-12: نمودار داده هاي پيزومتريک بر حسب فاصله از چاه در خاک نوع 1 ……………63
شکل 4-13: : نمودار داده هاي پيزومتريک بر حسب فاصله از چاه در خاک نوع2………….64
شکل 4-14: : نمودار داده هاي پيزومتريک بر حسب فاصله از چاه در خاک نوع ……………64
شکل 4-15: نمودار تغيير نسبي بر حسب زمان در پيزومتر14 ………………………….66
شکل 4-16: نمودار تغيير نسبي بر حسب زمان در پيزومتر3 ………………………….66
شکل 4-17: نمودار ارتفاع پيزومتريک سه نوع خاک در پيزومترهاي 3،5،9،12،14 …………67
شکل 4-18: نمودار گراديان هيدروليکي در فواصل مختلف از چاه براي سه نوع خاک ……69
شکل 4-19: نمودار رابطه گراديان هيدروليکي با ضريب نفوذپذيري در 3نوع خاک …………70
شکل 4-20: نمودار شعاع تاثير چاه بر حسب دانه بندي ذرات خاک……………………….71

فصل اول
مقدمه وکليات

مقدمه
هيدروژئولوژي را ميتوان به عنوان علمي پيرامون پديدآمدن، توزيع و حرکت آب در زير سطحزمين تعريفکرد. انجمن تحقيقات ملي آمريکا هيدروژئولوژي را اينگونه توضيح دادهاست:
هيدروژئولوژي علمي است که راجع به آبهاي زمين، چگونگي به وجودآمدن آن، چرخش و توزيع آن، ويژگيهاي چرخش و توزيع آن، ويژگيهاي فيزيکي و شيميايي، واکنش آن به محيط اطراف و ارتباط آن با موجودات زنده بحث ميکند (Todd,2005) .
آبهايزيرزميني به دلايل مختلف زمين شناسي، هيدروليکي، هيدرولوژيکي و … در زير زمين حرکت ميکنند، براي مطالعه وپژوهش درباره ماهيت اين جريان تاکنون از روشهاي صحرايي، تحليلي و مدلهاي فيزيکي استفاده شده است. روشهاي صحرايي براي اعتيارسنجي فرضيه هايي که در مورد جريان آبزيرزميني به کار برده مي شود، هميشه مقدور نيست. جدا از بحث هزينههاي زياد روشهاي صحرايي، در طبيعت ما قادر به تغيير وضعيت موجود ومقايسه آنها با هم نيستيم. ولي استفاده از مدلهاي فيزيکي اين امکان را به ما مي دهد که اعتبار فرضيات را در شرايط مختلف سنجيده و مقايسه کنيم.
سيستمهاي جريان زيرزميني غالبا پيچيدهتر از جريانهاي ساده يک بعدي يا جريانهاي شعاعي است. سيستمهاي سادهتر را ممکن است بتوان با راه حلهاي رياضي تحليل کرد. ولي بهتر است که جريان در سيستمهاي پيچيدهتر، به ويژه در محيطهايي که مرزهاي نامنظم، شرايط مرزي پيچيده يا لايههاي ناهمسان دارند و در مواردي که چندين سيستم جريان به طور همزمان وجود دارد، با استفاده از مدلها (فيزيکي، تشابهي يا عددي) حل شود(صداقت، 1387).
دستگاه هيدرولوژي که در آزمايشگاه هيدروليک دانشکده عمران قراردارد، نمونه اي از يک مدل فيزيکي است، که با تقريب خوبي، يک آبخوان در طبيعت را شبيه سازي ميکند. در اين پژوهش با در نظرگرفتن فرضيات لازم براي استفاده از معادلات حاکم بر جريان آبهاي زيرزميني، آزمايشات مختلف با هدف اندازهگيري پارامترهاي هيدروديناميکي آبخوان روي اين مدل فيزيکي انجام شد. با تخمين اين پارامترها قادر به ارزيابي سطح ايستابي آبخوان خواهيم بود، همچنين در آزمايشگاه امکان تعويض خاکهاي آبخوان را داشته و با استفاده از اين امکان خاکهاي مختلف را در شرايط يکسان مورد سنجش قرار داديم. با استفاده از اين مدل فرضيات مربوط به ارتباط ضريب هدايتهيدروليکي با دانهبندي خاک و تاثير روشهاي مختلف آزمايشگاهي در مقدار اين ضريب بررسي شد.
نياز به مدلسازي آب زيرزميني امروز بيش از هر زمان ديگري احساس ميشود و اين نياز از دو ديدگاه قابل بررسياست. ديدگاه اول نياز روزافزون بشر به آب شرب، در حالي که استفاده بي رويه و بدون برنامه تاکنون مقدار قابل توجهي از اين منبع را هدر داده است وجهان را با مشکل جدي در دسترسي به آب آشاميدني مورد نيازش مواجه کرده است. مطالعه وبررسي و داشتن اطلاعاتي راجع به چگونگي حرکت اين آب ها زيرزمين، در خاک هاي مختلف وتاثير چاهها، قناتها، زهکشها سدهاي خاکي، سدهاي زيرزميني، وبه طور کلي هر سازه ساخت بشر که در روند طبيعي اين جريان تاثيرگذارد، به منظور مديريت صحيح اين منبع لازم وضروري است. ديدگاه ديگر راجع به اهميت اين مطالعات در بخش مهندسي است. درفعاليت هاي مهندسي آب زيرزميني در عين اينکه به عنوان عاملي مزاحم بايد مهار شود، به همان اندازه براي ادامه پروژه به آن نياز است. به همين خاطر شناخت کافي از رفتار آب، کنترل آن را ممکن مي سازد. براي مثال در پروژه هاي معدني نشت آب زيرزميني در تونل هاي اکتشافي عاملي مزاحم محسوب مي شود که با روش هاي مناسب زهکشي بايد حرکت آب را به سمت خاصي هدايت کرد تا باعث تخريب نشود و در عين حال بتوان ار اين آب به صورت بهينه بهره برد. در پروژههاي عمراني اعم از ساخت سد، فونداسيون، جادهها با مشکلاتي مشابه مواجه هستيم.
با توجه به موارد گفته شده، به وضوح ميتوان اهميت اين مطالعات و پيشبرد آن به سمتي که نتايج حاصل از آن بيشترين کاربرد را در عرصههاي صنعتي داشته باشد را درک کرد. لذا دستيابي به روش هايي بهتر براي مديريت زمان و هزينه و نيز کنترل اين پديده و هدايت آن به سمتي که با اهداف ما هم راستا شود، انجام تحقيقاتي پيرامون شناخت هرچه بهتر آن و تحليل رفتارش لازم و ضروري ميباشد.
1-3-شرح مسأله :
تحقيق حاضر به منظورسنجش اعتبار روشهاي آزمايشگاهي براي تخمين پارامترهاي هيدروديناميکي آبخوان با توجه ويژه به ضريب هدايتهيدروليکي، براي سه نوع خاک با دانه بندي متفاوت صورت گرفته است.
انجام آزمايشات با دو رويکرد ارزيابي پارامترهاي آبخوان با انجام روش هاي مختلف آزمايشگاهي و مقايسه آن با مقادير بدست آمده از روش هاي تجربي از يک سو، و از سوي ديگر مقايسه زمان رسيدن به تعادل در آبخوان هايي با دانه بندي هاي متفاوت، مقايسه تغييرات ايجاد شده در سطح آب زيرزميني در صورت پمپاژ از چاه آب در خاک هاي مختلف و رسيدن به نتايجي پيرامون تحليل رفتار آب زيرزميني در نتيجه پارامترهاي نظير دانه بندي خاک ميباشد. لذا در هر بار آزمايش يک نوع خاک درون دستگاه قرار داده شد و مورد آزمايش قرارگرفت.
براي بدست آوردن ضرايب آبخوان که ضريب هدايت هيدروليکي يکي از مهمترين آنها ميباشد روش هاي صحرايي، آزمايشگاهي و فرمول تجربي به کار برده مي شود که البته از نظر صرف دقت و هزينه روش هاي صحرايي نسبت به دو روش ديگر پرهزينه تر است، لذا نياز به يک روش آزمايشگاهي دقيق که بتواند ما را از انجام آزمايشهاي صحرايي بي نياز سازد، ميباشد. آزمون پمپاژ و آزمايش بارافتان و آزمايش ردياب از روش هاي متداولي است که براي دستيابي ضرايب آبخوان استفاده ميشوند.
در اين تحقيق با استفاده از اين سه روش در آزمايشگاه، مقادير ضرايب هدايت هيدروليکي بدست آمده است، سپس با مقايسه خاک ها در زمان رسيدن به تعادل، گراديان هيدروليکي و شعاع تاثير با استفاده از داده هاي آزمون پمپاژ با هم مقايسه شدند و ازنتايج آنها براي رسيدن به روابط کمي مورد نياز استفاده شده است.
1-4-فرضيات :
با توجه به محدوديت هاي موجود در محيط آزمايشگاهي و عدم امکان بررسي تمام حالات و گزينه هاي پيش رو نتايج اين تحقيق با در نظر گرفتن فرضيات زير ميباشد.
1. با توجه به محدوديت ابعاد دستگاه نتايج اين تحقيق در محدوده شعاع تاثير چاه صادق مي باشد.
2. آزمايش ها در شرايط خاک همگن و همسانگرد انجام شده است.
3. آزمايش ها در حالت جريان دائمي انجام شده است.
4. چاه تا بستر آبخوان نفوذ کرده است.
5. خطوط جريان موازي ميباشند.
6.. شيب هر نقطه از جريان مساوي شيب سطح ايستابي در بالاي همان نقطه مي باشد.
7. سطح ايستابي قبل از پمپاژ افقي باشد.
8. آبخوان به صورت آزاد (غيرمحصور) مي باشد.

1-5-دامنه تحقيقات :
آبهاي زيرزميني و شناخت آبخوان مورد توجه بسياري از محققان در رشتههاي عمران، معدن، کشاورزي، زمينشناسي و منابعطبيعي قرار دارد. در اين مطالعه پمپاژ از چاه که اساسي ترين راه استفاده از آب زيرزميني ميباشد شبيه سازي شدهاست. چگونگي حرکت آب در خاک تحت گراديان هيدروليکي بررسي شده است، و چون در طبيعت تعويض خاک و بررسي چند نوع دانه بندي ميسر نميباشد در شرايط آزمايشگاهي با انجام اين کار و انجام آزمايشات برروي سه نوع خاک با دانه بندي متفاوت اين امکان فراهم شد تا بتوان خاک هاي مختلف را در پارامتر هيدروديناميکي، زمان تعادل، گراديان هيدروليکي، شعاع تاثير چاه و مخروط افت مقايسه کرد. لذا از نتايج بدست آمده مي توان براي پروژه هايي که با مديريت آب زيرزميني چه در زمينه ذخيره، چه در مورد جلوگيري از نشت آب، ارزيابي زمان لازم براي انجام پروژه با توجه به نوع خاک، توسعه چاه به صورت طبيعي يا مصنوعي در زمينه هاي عمران، معدن، منابع طبيعي و جهاد کشاورزي مي تواند کاربرد داشته باشد.

1-6-اهداف تحقيق
هدف از انجام اين پژوهش دستيابي به موارد زير ميباشد:
تعيين ضرايب هيدروديناميکي وبه ويژه ضريب نفوذپذيري (هدايت هيدروليکي آبخوان) از طريق سه روش آزمايشگاهي
مقايسه نتايج روشهاي آزمايشگاهي با فرمولهاي تجربي
بررسي ارتباط دانه بندي خاک با زمان رسيدن به تعادل در آبخوان
بررسي چگونگي حرکت آب در خاک هاي با دانه بندي متفاوت در اطراف چاه پمپاژ
بررسي ارتباط دانهبندي خاک با گراديان هيدروليکي و شعاع تاثير چاه
استفاده از اين نتايج براي توسعه چاه

1-7-روش انجام تحقيق :
مدلهاي ماسهاي، مدل هاي فيزيکي کوچک شده اي از سيستم هاي جريان آب زيرزميني است که امکان عبور آب يا سيال ديگري را از خلال ماسه يا يک محيط متخلخل ديگر فراهم مي کند. مدلهاي فيزيکي همچنين وسايل ارزشمندي براي آزمودن اعتبار فرضيهها و فرضهاي ساده شدهاي است که در تجزيه و تحليل رياضي سيستمهاي جريان به کار برده ميشود (صداقت ، 1387).
روش انجام اين تحقيق به صورت آزمايشگاهي برروي يک مدل فيزيکي با نام دستگاه هيدرولوژي ميباشد که در فصل بعد به جزئيات آن و مراحل انجام آزمايش به طور مفصل پرداخته ميشود.
1-8-ترتيب ارائه مطالب :
فصل اول اين تحقيق به مقدمه و کليات اختصاص دارد که شامل مقدمه، شرح مسأله، فرضيات مطالعه ، دامنه کاربرد تحقيق ، اهداف آن، روش انجام و … مي باشد و به گونه اي به تحرير در آمده است تا خواننده با خواندن اين بخش ديدي جامع نسبت به کل موضوع پيدا کند.
فصل دوم با عنوان ادبيات پژوهش شامل دو بخش مفاهيم و قوانين کلي و پيشينه پژوهش مي باشد. در بخش مفاهيم اصول جريان آب در خاک و مفاهيم مربوط نشت و آب هاي زيرزميني و هيدروليک چاه ، روش هاي بدست آوردن ضريب هدايت هيدروليکي آبخوان ارائه شده است. در بخش پيشينه پژوهش با مروري بر کارهاي انجام شده قبل ، توضيح کوتاهي راجع به روش و نتايج حاصل از آن آورده شده است.
فصل سوم با عنوان روش تحقيق شامل : معرفي مدل فيزيکي، مطالعات خاکشناسي، مطالعات هيدروليکي، روش انجام آزمايش ميباشد. در قسمت معرفي مدل به بيان جزئيات دستگاه هيدرولوژي، کارکرد و قابليت هاي آن پرداخته شدهاست. سپس چگونگي استفاده از مدل در انجام آزمايش هاي مختلف بيان شده است. مطالعات خاکشناسي درباره مشخصات فيزيکي خاک مورد مطالعه و پارامترهاي مهم در بحث نشت و آبهاي زيرزميني ميباشد. در قسمت مطالعات هيدروليکي، برقراري شرايط دارسي مورد بحث قرار گرفتهاست. بخش روش انجام آزمايش نيز براي هريک از حالات، نحوه انجام کار و پارامترهاي مربوط به آن توضيح داده شده است.
فصل چهارم به بررسي و تحليل دادههاي حاصل از آزمايشها اختصاص دارد. با ارائه نمودارها و روابط بدست آمده به تحليل و تفسير نتايج پرداخته شده است.
فصل پنجم با عنوان نتيجهگيري و پيشنهادات شامل نتيجهگيري کلي و پيشنهاداتي جهت مطالعات بعدي ارائه شده است.
در انتها نيز فهرستي از منابع و مآخذ مورد استفاده در اين تحقيق آورده شده است.
فصل دوم

مطالعه آب شناسي تحقيق
2-1- مفاهيم و قوانين کلي
2-1-1- جريان آب در خاک
2-1-1-1- گراديان هيدروليکي
طبق رابطه برنولي1 ، بار آبي کل2 يک نقطه آب در حال جريان، مجموع بار فشار، بار سرعت و بار ارتفاعي ميباشد. يعني
(2-1) h= p/?_w +v^2/2g+z
که در آن h بار آبي کل، p فشار، v سرعت، g شتاب ثقل، ?_w وزن مخصوص3
آب و z فاصله نقطه مورد نظر تا تراز مبنا ميباشد.
اگر رابطه برنولي براي حالت جريان آب از داخل محيط متخلخل خاک در نظر گرفته شود، به علت سرعت کم جريان، از بار سرعت مي توان صرف نظر کرد و بار آبي کل را به صورت زير نوشت:
(2-2) h= p/?_w +z
شکل 2-1 ارتباط بين فشار، و بار کل جريان در داخل خاک را نشان ميدهد.

شکل2-1: رابطه بين فشار وبار آبي براي جريان در خاک[صداقت،1387]
افت بار h را ميتوان در شکل بي بعد به صورت زير نوشت:
(2-3) i=?h/L
که در آن i گراديان هيدروليکي و L فاصله بين نقاط A و B مي باشد.
2-1-1-2- قانون دارسي
در سال 1856 ، دارسي رابطه ساده خود را براي سرعت جريان آب در خاک اشباع به صورت زير منتشر نمود:
(2-4) v=ki
که در آن v سرعت جريان و k ضريب نفوذپذيري مي باشد. قانون دارسي در شرايطي حاکم است که شرايط دارسي برقرار باشد . توضيحات بيشتر در اين رابطه در فصل سوم ارائه شده است.

2-1-1-3- معادله لاپلاس4
به جز حالتهاي ساده که براي محاسبهي دبي جريان کاربرد مستقيم قانون دارسي کفايت ميکند در خيلي از حالات جريان آب در خاک نه تنها در يک امتداد نيست، بلکه در تمام سطح عمود بر امتداد جريان نيز يکنواخت نميباشد. در چنين حالاتي، محاسبه جريان بر اساس مفهوم شبکه جريان5 که بر پايه روابط پيوستگي لاپلاس که شرايط جريان دائمي را براي يک نقطه در تودهي خاک تعريف ميکنند ، صورت ميگيرد. معادله لاپلاس از ترکيب قانون بقا، جرم6 و رابطه دارسي به دست ميآيد و در حالت سه بعدي به شکل زير بيان ميشود:

(2-5)
اگر خاک از نظر نفوذپذيري همسانگرد باشد رابطه پيوستگي به صورت زير بيان ميشود.

(2-6) _ (?^2 h)/(?x^2 )+(?^2 h)/(?y^2 )+(?^2 h)/(?z^2 )=0

2-1-1-4- شبکه جريان
معادله لاپلاس در حالت دوبعدي براي محيط همسانگرد نشاندهنده دو خانواده منحني متعامد است که نام يکي خطوط جريان7 و نام ديگري خطوط هم پتانسيل8 است. خط جريان خطي است که ذرات آب در امتداد آن از بالادست به پايين دست در خاک نفوذپذير جريان مي يابند. خط همپتانسيل، خطي است که نقاط واقع در روي آن داراي يک انرژي پتانسيل ميباشند. بنابراين اگر پيزومتر9هايي در روي نقاط واقع در روي يک خط هم پتانسيل نصب شوند، تراز سطح فوقاني آب در تمام پيزومترها يکسان خواهد بود.
مجموعه خطوط جريان و خطوط هم پتانسيل، شبکه جريان ناميده ميشود . از شبکه جريان براي محاسبات جريان آبهاي زيرزميني استفاده ميشود. شکل 2-2 مثالي از يک شبکه جريان ميباشد.

شکل 2-2: شبکه جريان[ صداقت،1387]
2-1-2- هيدروليک چاه ها
2-1-2-1- جريان شعاعي آب در چاه در لايه هاي آزاد در حالت ماندگار
مطابق شکل (2-3) فرض ميشود چاهي از سطح زمين تا لايه ي غيرقابل نفوذ کف در يک آبخوان آزاد10 حفر شده باشد. موقعيت سطح ايستابي قبل از پمپاژ با خط چين مشخص گرديده و منحني افت نيز با خط پر نشان داده شدهاست. شعاع تاثير چاه r_0، ارتفاع آب در لايه آبدار h_0 و ارتفاع آب در چاه طي پمپاژ h_w ميباشد. به عبارت ديگر افت سطح آب در چاه h_(0- ) h_w است. با فرض اينکه جريان شعاعي آب به طرف چاه در امتداد خطوط افقي صورتگيرد و شيب خطوط جريان مساوي شيب منحني افت باشد (فرضيات دوپوئي – فرشهيمر)، ميتوان قانون دارسي را براي اين وضعيت به کاربرد. براي شرايط ماندگار که در آن فرض ميشود سطح افت نسبت به
شکل 2-3: جريان شعاعي آب به طرف چاه در آبخوان آزاد[صداقت،1387]

زمان در موقعيت ثابتي قرار گرفتهاست ، يعني دبي ورودي به چاه و دبي خروجي از آن با يکديگر مساوي است ميتوان نوشت :
(2-7) Q=AV=kAi
در يک نقطه انتخابي مانند m روي سطح منحني افت که ارتفاع آب در آن h ميباشد شيب هيدروليکي i=dh/dr و مساحتي که جريان آب آن را قطع و از آن به طرف چاه حرکت ميکند (A) برابر سطح جانبي استوانهاي است به شعاع r و ارتفاع h، يعني :
(2-8) A=2?rh
بنابراين :
(2-9) Q=2?rh (k dh/dr)

(2-10) Q dr/r=2k?hdh
حال اگر در معادله فوق بين دو حد (h=h_w،r=r_w) و (h=h_0،r=r_0) انتگرال گرفته شود خواهيم داشت:
(2-11) ?_(r_w)^(r_0)??Q dr/r?=?_(h_w)^(h_0)?2k?hdh
که نتيجه آن عبارت است از :
(2-12) Q=k? (h_0^2-h_w^2)/(ln r_0/r_w )
معادله (2-12) تغييرات دبي را نسبت به شعاع تاثير و افت سطح آب در چاه نشان ميدهد که از روي آنها ميتوان مقدار نفوذپذيري را نيز به دست آورد.(عليزاده ، 1386)

2-2-پيشينه پژوهش
تحقيقات بسياري در بخشهاي مختلف پيرامون موضوع ژئوهيدرولوژي صورت گرفته است. هيدروليک چاه ها، جنس و دانهبندي خاک، گراديان هيدروليکي، ضريب نفوذپذيري توسط محققان مختلف دررشته هاي مهندسي آب، معدن، زمين شناسي، کشاورزي، منابع طبيعي صورت گرفته است. تمام اين تحقيقات حول يک محور و آن هم ماهيت حرکت آب ميباشد. اين ماهيت ذهن را به اين سمت هدايت ميکند که آب هميشه چه در سطح زمين وچه در زير آن مسيري را براي حرکت انتخاب ميکند که آسانتر باشد.
تا پنجاه سال اخير منابع کمي درباره مطالعات آب زيرزميني در دست بود که معمولترين آنها کتابهايي توسط، تولمن 11(1937 )، مينزر12(1942 )، موسکات 13(1937 )، وبخش بسيار عالي در آب زيرزميني توسط ژاکوب 14(1950 )، ميباشد. تعداد کمي مقالات موثق که درهمان زمان منتشرشدند نظير آنچه به وسيله هوبرت15(1940 )، تيس 16(1935) نوشتهشدند. که در حال حاضرنيز مرجع بسياري از تحقيقات در آبهاي زيرزميني ميباشند. درادامه به کارهاي محققاني که درزمينه پژوهش موردنظر انجام شده با ذکرخلاصهاي ازنتيجه کار آنها پرداخته ميشود.
بون17 در سال 1982 زمان رسيدن جريان به حالت پايدار رادر جريانهاي سطحي وزيرسطحي، مقايسه نمود وعنوان کرد که در جريان زيرسطحي، زمان رسيدن دبي حداکثر(زمان تمرکز) به مراتب بيشتر از جريان سطحي است. وي افزود که ضريب هدايتهيدروليکي، رطوبت خاک وعمق آبخوان تاثير زيادي در ميزان اين اختلاف زماني دارند( بون،1982).
اسکولز – ماکوش18 و همکارانش در سال 1995 ضريب هدايتهيدروليکي را با استفاده از نتايج آزمون پمپاژ به روشهاي آزمون تيس و کوپر-ژاکوب مورد ارزيابي قرار دادند. آنها علاقه‏مند بودند علت تغيير ضريب هدايتهيدروليکي با افزايش محدودهاي از آبخوان که تحت تاثير پمپاژ قرارگرفته را دريابند و سپس بيان نمودند که اين تغييرات مستقل از روش اندازهگيري ضريب هدايتهيدروليکي است (اسکولز – ماکوچ و همکاران، 1995). فاراگ19 روشهاي مختلفي را براي اندازه گيري ضريب هدايت هيدروليکي خاک ارزيابي نمود. اين روشها شامل فرمولهاي تجربي، آزمونهاي نفوذپذيري صحرايي و پمپاژ از چاه بودند. وي آزمونهاي صحرايي را بهترين روش براي اندازهگيري ضريب هدايت هيدروليکي اعلام نمود و افزود در صورت عدم امکان و يا محدوديت هاي انجام چنين آزمايشهايي مي توان از فرمولهاي تجربي استفاده نمود. فاراگ بر روي فرمولهاي تجربي هيزن (1948)، شفرد(1989)، آلياماني و سن(1993) تحقيق نمود و پيشنهاد داد که از ميان اين فرمولها، رابطه هيزن تقريب هاي دقيق تري به ما ميدهد(فاراگ).
در سال 2000، کاسيموف20 اثر گراديانهيدروليکي را در جريان آبهاي زيرزميني به سمت يک درياچه کرهاي شکل بررسينمود. فرضيات وي بر اين اساس بود که آبخوان محصور و همگن باشد. در اين تحقيقات اثرات هدايت هيدروليکي آبخوان، پهناي درياچه، رقوم کف درياچه و قطر ذرات در نظر گرفته شده است (کاسيموف، 2000).
چويي21 نيز در سال 2008 تحقيقات مشابهي را بر روي درياچهاي با ضريب هدايت هيدروليکي نسبتا زياد انجام داد (چويي، 2008). آنتونيو و پاچکو22 در سال 2002 به بررسي منحني هاي زمان – افت در برداشت از چاه در زمينهاي گسلهاي پرداختند که در آن آبخوان شامل يک ناحيه متخلخل و شيبدار در ميان دو لايه سنگي بود. آنها منحنيهاي زمان – افت سطح آب در اين آبخوان محدود و شيبدار را با منحنيهاي کوپر – ژاکوب مقايسه نمودند (آنتونيو و پاچکو، 2002). رود23 و همکارانش برداشت از چاه و اثرات آن بر روي آبهاي زيرزميني را بررسي نمودند. آنها در سال 2004 با آمارگيري و بررسي ميزان برداشت از آبهاي زيرزميني و ميزان مصرف در مقايسه با آبهاي سطحي براي سالهاي خشک و بحراني و نيز ترساليها را در تحقيقات خود نشان دادند. در اين تحقيقات اشاره شده است که ميزان برداشت از آبهاي زيرزميني در سالهاي تر، 30 درصد از تقاضاي کل مصرف آب است که اين ميزان در سال هاي خشک به 80 درصد مي رسد. منطقه مورد بررسي در ايالت کاليفرنياي آمريکا است که ناحيهاي نيمه خشک محسوب مي‏شود (رود و همکاران،2004).
محققين زيادي بررسيهاي خود را به ضريب هدايت هيدروليکي خاک اختصاص دادند. از آنجا که در بسياري از تحقيقات آبهاي زيرزميني نياز به داشتن ميزان آبگذري خاک است، اين محققين علاقه مند بودند ضريب هدايت هيدروليکي را از روش هاي مختلف اندازه گيري نموده و نتايج را با يکديگر مقايسه کنند.
در بعضي از اين روشها ضريب هدايتهيدروليکي به صورت تئوري اندازهگيري ميشود که اساس همه آنها فرمول دارسي است. در اين روش ديتاهاي بدست آمده از آزمايش در رابطهاي که از فرمول دارسي مشتق شده قرار داده ميشود و ضريب هدايتهيدروليکي به دست ميآيد. همچنين فرمولهاي تجربي زيادي بر اساس شرايط دانهبندي و نوع خاک ارائه شدهاند که اساس همه آنها درشتي ذرات خاک است (کاسنوف24، 2002).
در سال 2007، اودنگ25، بررسيهاي خود را صرفا به محاسبه ضريب هدايتهيدروليکي با استفاده از فرمولهاي مختلف تجربي اختصاص داد. وي فرمول هاي هيزن، کازني – کارمن، برير ، اسليچر، ترزاقي، USBR و آلياماتي و سن را برروي چهار نوع خاک با دانه بندي مختلف از ماسه متوسط تا شن استفاده کرد و ضريب هدايتهيدروليکي را از آزمون پمپاژ از چاه بدست آورد تا بتواند نتايج به دست آمده از فرمولهاي تجربي را با مقادير واقعي صحرايي مقايسه کند. وي فرمول تجربي کازني – کارمن و پس از آن فرمول هيزن را براي خاک هاي ماسه اي و فرمول برير را براي شن پيشنهاد نمود (اودونگ، 2007).
چي يانگ26 و همکارانش در سال 2008 روش هاي مختلف استفاده از فرمول هاي تجربي و برداشت از آبخوان را براي محاسبه ضريب هدايت هيدروليکي ارزيابي نمودند و اعلام کردند که مقدار محاسبه شده ضريب هدايت هيدروليکي آبخوان که از فرمولهاي تجربي به دست آمده 3/3 برابر بيشتر از آزمون پمپاژ است. همچنين ضريب هدايت هيدروليکي را از آزمون چاهک به دست آوردند که نتايج آن 10 تا 100 برابر کمتر از نتايج حاصل از فرمولهاي تجربي و آزمون پمپاژ اعلام شد(چي يانگ و همکاران، 2008). در سال 1389 وزيريان و امانيان ضريب هدايت هيدروليکي را در يک بررسي آزمايشگاهي از طريق آزمون پمپاژ به دست آوردند و نتايج را با رابطه تجربي هيزن مقايسه کردند. نتايج نشان داد که رابطه هيزن که مي تواند به سهولت مورد استفاده قرار گيرد تقريب خوبي از ضريب هدايت هيدروليکي به ما مي دهد (وزيريان و امانيان، 1389).
در بررسي هيدروليک آبخوان ها اثر مقياس مدل بر روي نتايج در مقايسه با محيط طبيعي حائز اهميت است. در سال 1995 مقاله اي توسط اسکولز- ماکوش و چرکاور با عنوان بررسي اثر مقياس بر روي ضريب هدايت هيدروليکي آبخوان در طي آزمايش پمپاژ ارائه شد. در واقع در آن زمان تحقيقات نشان ميداد که ضريب هدايت هيدروليکي در طول آزمون پمپاژ با افزايش مقياسي از آبخوان که تحت تاثير برداشت از چاه صورت مي گيرد افزايش خواهد يافت. اين تحقيق به صورت آزمون هاي پمپاژ بر روي آبخواني از جنس کربنات در ايالت ويسکوزين انجام شد و نگارنده اعلام نمود که عموما ضريب هدايت هيدروليکي در طول آزمايش پمپاژ افزايش مييابد و اين موضوع مستقل از روش اندازه گيري و شيوه محاسبه ضريب هدايت هيدروليکي، (روش کوپر-ژاکوب، روش تيس و روش تيم) ميباشد(اسکولز-ماکوش، 1995).
در سال 2005 تحقيق مشابهي توسط ايلمن27 انجام شد و در آن ايالت آريزوناي آمريکا در منطقه وسيعي آزمون تزريق به داخل چاهک و محاسبه ضريب هدايت هيدروليکي غيراشباع به روش چاهک معکوس انجام شد و نتايج نشان داد که با افزايش منطقهاي که تحت تاثير آزمايش قرار ميگيرد، ضريب هدايتهيدروليکي افزايش خواهد يافت. نگارنده تحقيق مذکور علت اين موضوع را افزايش شکستگي هاي به همپيوسته در بافت آبخوان در طي افزايش مقياس آزمون بيان نمود(ايلمن، 2005).
وو28 و همکارانش در سال 2008 به بررسي جريان آبهاي زيرزميني در آبخوان و مقايسه سرعت جريان در چاه (با استفاده از چند نوع دستگاه سنج) با سرعت طبيعي جريان آبهاي زيرزميني در آبخوان در فواصل دور از چاه (با استفاده از فرمول دارسي) پرداختند. آنها آزمايش هاي خود را بر روي يک مدل آبخوان آزمايشگاهي به طول 80 سانتيمتر، عرض 50 سانتيمتر و ارتفاع 65 سانتيمتر انجام دادند و در تحقيق خود اعلام نمودند که براي جلوگيري از اثرات مرزها لازم است ابعاد مخزن خاک حداقل 10 برابر شعاع چاه در آن مدل باشد(وو و همکاران، 2008).
ماسلينک29 و همکارانش در سال 2009 به بررسي حرکت آب هاي زيرزميني در آبخوان هايي که در مجاورت آب شور درياها قرار دارند پرداختند. آنها براي انجام تحقيقات خود يک مدل آزمايشگاهي ساختند و آبخواني را با ريختن شن موجود در ساحل بوجود آوردن و ضمن بررسي تداخل آب هاي شور و شيرين و ميزان پيشروي آب شور به طرف ساحل، به بررسي اثر مقياس براي مدلسازي آبهاي زيرزميني پرداختند. آنها در مقاله خود به اين موضوع اشاره نمودند که در بررسي جريان



قیمت: تومان


پاسخ دهید