فصل اول : مقدمه 1-1- منشاء آب های زیر سطحی – نظرهای اولیه با در نظر گرفتن اهمیت آب زیرزمینی در تمدن شرق، این اندیشه ایجاد میشود که چرا مدارک اندکی در مورد نظریات مربوط به منشأ این آبها وجود دارد.
اندیشیدن در این مسایل توسط یونانیها صورت گرفته است، ولی با وجود تفکر زیادی که در مورد منشأ آبهای زیرزمینی نمودهاند، پیشرفتی بسیار جزیی نصیبشان شده است.
این عدم موفقیت با پیشرفت غیرقابل تصوری که در فلسفه و ریاضیات نمودهاند تعجب آمیز است.
یکی از علل ممکن عدم پیشرفت آنها در نظریه آبهای زیرزمینی، پافشاری «افلاطون» و دیگر فلاسفه بود در اینکه «فلسفه و علوم، کم و بیش از نظر آزمایشها، مشاهدات واقعی و کاربردهای عملی با یکدیگر اختلاف دارند» بدین ترتیب شکافی عمیق بین تجربه و نظریه به وجود آمد.
اهمیت پندار یونانی در مکتب علمیی است که ریشه 2000 ساله دارد.
اعتبار نوشتههای یونانی در مورد علوم زمینی در مکتب «البرتوس ماگنوس» (12801206 میلادی) و «توماس اگیناس» (12741225 میلادی) در قرون وسطی (14501250 م) به اوج خود رسید.
این اعتبار بر حال تا حدود 200 سال پیش نیز به قوت خود باقی ماند.
یونانیها از وسعت زیاد رودخانه ها در مقایسه با سیلابی که از یک باران سنگین مشاهده میشد در تعجب بودند.
آنها هم چنین از غارها، حفرهها و چشمههای بزرگ در سنگهای آهکی که بیشتر شبه جزیره بالکان را تشکیل میدهد نیز تعجب میکردند.
معمول تربین بیان برای منشأ رودخانه این بود که رودخانهها از «چشمه» های بزرگ سرچشمه میگیرند و «چشمه»ها نیز به نوبه خود از رودها و یا دریاچههای زیرزمینی که به طور مستقیم یا غیرمستقیم از اقیانوسها تغذیه میشوند، آب میگیرند.
این طرز تفکر، فلاسفه اولیه علوم طبیعی را با دو مسأله روبرو میکرد: (1) چگونه آب اقیانوس شوری خود را از دست میدهد؟
(2) چگونه آب اقیانوس از سطح دریا به چشمه های واقع در ارتفاعات کوهها میرسد؟
«تالس» (546 640 قبل از میلاد) که فیلسوفی «ایونی» (یونان قدیم) و پیرو مکتب «میلتوس» بود، به نام اولیه دانشمند واقعی نامیده شده است.
تصور وی در این بود که آب توسط باد به داخل سنگها رانده شده و در اثر فشار سنگها، به طرف سطح آنها حرکت کرده و در نتیجه به صورت چشمه خارج شده است.
افلاطون (347427 قبل از میلاد) فیلسوف بزرگ آتنی یک غار وسیع زیرزمینی را به عنوان منشأ آب تمام رودخانهها تصور مینمود که توسط راهروهای متعدد زیرزمینی از آب اقیانوس تغذیه میشود.
ولی مکانیسم این گردش به طور کامل بیان نگردید.
این تعبیر بر عقاید افلاطون که بر علوم قرون وسطی نیز اثر گذاشته است، به طوریکه «کرینین» اشاره کرده است، محتملاً برداشت صحیحی از اندیشههای جدیتر وی درباره این مطلب نمیباشد.
در واقع کتاب «کریتیاس» حاوی بیان کاملاً دقیقی از دوره هیدرولوژی است.
«ارسطو» (322384 قبل از میلاد) اگرچه شاگرد افلاطون بود، لیکن نظریات وی را درباره منشأ آب زیرزمینی تا حد زیادی تصحیح نمود.
اندیشه ارسطو این بود که آب زیرزمینی در یک دستگاه پیچیده اسفنجی شکل از حفرههای زیرزمینی تشکیل شده و آب از این حفرهها به چشمهها تخلیه میشود.
بخار آبی که در داخل زمین ایجاد میشود، قسمت اعظم آب چشمهها را تشکیل میدهد.
ارسطو به هر حال دانست که منشأ قسمتی از آب این حفرهها بارانی است که به زمین نفوذ کرده و به همان صورت مایع به حفرهها داخل شده است.
رومیها در علوم عموماً از تعالیم یونانی پیروی میکردند، لکن «مارکوس وتیرویوس» که در حدود سال 15 قبل از میلاد میزیسته است، خود دارای چندین نوشته بدیع درباره مهندسی و علوم میباشد.
شهرت اصلی وی شاید در معماری و خصوصاً در اکوستیک ساختمانها باشد.
وی همچنین یکی از اولین افرادی است که گردش آب را به درستی درک کردهاند.
تراوش آب حاصل از آب شدگی برف به زمین در مناطق کوهستانی و ظهور آن به صورت چشمه در مناطق پایینتر از اندیشههای وی میباشد.
یکی از فلاسفه معروف «استویک» به نام «لوسیوس انایوس سنکا» (4 سال قبل از میلاد تا 65 سال بعد از میلاد) برخلاف وی همان نظریه ارسطو را دنبال کرد و واقعیت نفوذ آب باران را انکار نمود.
استنتاج «سنکا» برای بیش از 1500 سال به عنوان یک دلیل مثبت برای اینکه آب باران منشأ کافی برای آب چشمهها نمیباشد اقامه گردید.
«برنارد پالیسی» (15891509) که یکی از فلاسفه علوم طبیعی فرانسه است، شاید اولین شخصی باشد که دارای نظرات جدید کاملی درباره دوره هیدرولوژی است.
و این مطلب از مناظره بین «نظریه» و «تجربه» در فصل «آب و چشمهها» از کتابش آشکار است.
با وجود این بساری از عقاید یونانی و رومی تا اواخر قرن هفدهم رواج داشت.
«یوهانس کپلر» (16301571) ستاره شناس آلمانی و «آتانازیوس کیرشر» (16801602) ریاضیدان آلمانی که دو تن از مهمترین علمای عصر خویشاند، در عقاید «سنکا» و «ارسطو» به تفصیل بحث نمودهاند.
کپلر زمین را به حیوانی بزرگ تشبیه میکند که آب دریا را بلعیده و هضم میکند و ما حصل عملیات متابولیک آن آب شیرین چشمههاست.
نظریات «کیرشر» که در کتابی به نام «دنیای زیرزمینی» آمده است، اولین بار در سال 1664 چاپ شد و در مدتی کوتاه یک کتاب مرجع «استانده» زمین شناسی برای دانشمندان قرن هفدهم گردید.
کار وی از نظر بلند همتی و ارائه یک تصور عالی تفوق ناپذیر بود.
تصور وی بر این بود که چشمهها از طریق کانالهای زیرزمینی از آب دریا تغذیه کرده و از غارهای بزرگی که در کوهها وجود دارند، تخلیه میگردند.
گردابها و خصوصاً گرداب «مالستروم» در ساحل نروژ که تا حدی اسرار آمیز نیز میباشد به عنوان مکانهای خروجی غارهای واقع در کف دریاها تصور گردیدند.
مابین غروب اندیشههای علمی و آخر دوره رنسانس یعنی در حدود 1600 میلادی، پیشرفت بسیار کمی در زمینههای ژئوهیدرولوژی و هیدروژئولوژی حاصل شد.
پنج حقیقت اساسی را تمام فلاسفه علمای پیشین به جز تنی چند، نادیده انگاشته بودند.
(1) زمین حاوی یک شبکه از غارهای بزرگ درونی نیست.
(2) گرچه مکش باد، جاذبه مویینهای، نیروی امواج و مکانیسمهای دیگر طبیعی برای بالا آوردن آب یعنی در خلاف جهت نیروی ثقل وجود دارد، ولی این مکانیزمها قادر به بالا آوردن کمیتهای عظیم آب از درون زمین نیستند.
(3) آب دریا با نفوذ به درون خاک تمامی نمک خود را از دست نمیدهد.
(4) بارندگی برای تأمین تمام آبی که توسط رودخانهها و چشمهها تخلیه میشود کافی است.
(5) حجم آن قسمت از آب باران که به زمین نفوذ میکند بسیار زیاد است.
1-2- وجود آبهای زیرزمینی در نقاط مختلف کره زمین آب های طبیعی موجود در سطح خاک تحت تأثیر نیروی ثقل قرار دارند.
این آبها از منافذ و درزهای بسیار کوچک و از کلیه راهروهای متعدد موجود در خاک و سنگهای زیرین نفوذ نموده و تا آنجا که ممکن باشد به طرف اعماق پائین میروند.
به این ترتیب در یک عمق مشخص کلیه فضاهای خالی موجود در سنگها پر شده و سطح آب به تدریج بالا میآید.
در حالیکه معمولاً قسمتهای بالاتر (به طرف سطح حاک) خالی میباشند.
نتیجه اینکه اگر آبهای سطحی خشکیها به صورت سفرههای آزاد در خارج از محدوده رودخانهها و دریاچهها دیده نمیشوند، در همه جا در یک عمق کافی، یعنی در مناطقی که آبهای نفوذی روی یکدیگر انباشته شدهاند یافت میگردند.
بنابراین میتوان گفت که آبهای زیرزمینی نیز مانند سنگها در کلیه نقاط مختلف کره زمین دیده میشود.
روش جایگیری آبهای زیرزمینی که اغلب به طور کامل به آن توجه نمیشود بیانی بسیار روشن و واضح به وسیله اوسکارمنزر در سال 1923 روشن گردیده است.
منزر، زمین شناسی بود که در این زمان در سرویس زمین شناسی کشور ایالات متحده و در قسمت اداره کل آبهای زیرزمینی کار میکرد.
این دانشمند در اواخر سالهای عمر خود کتابی نوشت تحت عنوان هیدرولوژی (آبشناسی) .
با منزر بترتیبی که در شکل 101 نشان داده شده است در نشریه شماره 439 دیده میشود که در همان سال (1923) در نشریه شماره 494 تکمیل گردیده است.
برای اینکه روش جایگیری آبهای زیرزمینی به طور صحیح نشان داده شود، منزر یک بالن پر از شن در نظر میگیرد.
بین دانههای شن فضاهای خالی موجود است.
این فضاها با یکدیگر در ارتباط بوده و نقاطی برای اشغال آب باقی میماند.
اگر بالن کاملاً از آب پر نشود، میتوان پس از مدتی به آسانی مشاهده نمود که آب به طرف ته بالن رفته و کلیه فضاهای خالی شنهای کف آن را اشباع مینماید.
به علت ارتباطات موجود بین فضاهای خالی سطح این آب نظیر سطح یک سفره آزاد مسطح خواهد گردید.
باین ترتیب منطقهای به نام «منطقه اشباع» که دارای یک سطح اشباع است و منطقه دیگری به نام «منطقه هوادار» که از داخل آن تبادلاتی با جو انجام میگیرد به وجود میآیند.
(تغذیه به وسیله آبهای نفوذی و افتها به وسیله تبخیر کلی: اواپوترانس پی راسیون).
تشکیل آب های زیرزمینی در طبیعت به همین صورت انجام میگیرد.
در هر جا که باشیم خاک زیر پای ما، دارای درز و شکاف و منافذ خالی بوده که به وسیله آنها آبهای جوی و جاری میتوانند نفوذ نموده و به منطقه اشباع برسند.
موقعی که یک چاه در داخل زمین متخلخلی حفر میشود، اول از زمینهای خشک منطقه هوادار عبور نموده سپس به سنگهای مخزن منطقه اشباع که کلیه فضاهای خالی آن پر از آب میباشد میرسد.
پس از رسیدن چاه به منطقه اشباع فضای خالی داخل آن به تدریج پر گردیده و کت (ارتفاع نسبت به یک سطح مقایسه) آب داخل چاه که همان کت سطح اشباع است برقرار میگردد.
1-3- هیدرولوژی و ژئوهیدرولوژی جدید توسعه در این علوم در قرن گذشته در سه رشته کم و بیش مجزا انجام شده است: (1) تکمیل رابطه زمین شناسی با پیدایش آبهای زیرزمینی.
(2) بسط معادلات ریاضی برای بیان حرکت آب از سنگها و مواد رسوبی دانهدانه.
(3) مطالعه شیمی آبهای زیرزمینی و یا علم «هیدروژئوشیمی».
روابطی را که بین زمین شناسی و پیدایش آب زیرزمینی بوجود آمده است، نمیتوان به آسانی با نامهای تکتک افراد مربوط نمود.
به طور کلی گروههای زیادی از زمین شناسان هریک به حل مسایل خاصی کمک نمودهاند.
به عنوان مثال، پیدایش آب زیرزمینی در مناطقی که زمین دائماً یخ زده میباشد توسط تعداد زیادی از زمین شناسان روسی مطالعه شده است.
بسیاری از زمین شناسان هلندی نیز در تفهیم آب زیرزمینی در تپههای ماسهای سواحل کمک نمودهاند.
زمین شناسان و علمای فیزیک خاک ژاپنی مقالات بیشماری در مورد چشمههای آب گرم دارند.
انگلیسیها نیز در این مورد کارهای زیادی انجام دادهاند که یکی از آنها کاربرد اولیهای از علم ژئوشیمی برای افزایش میزان آب مورد مصرف شهر «اسکاربورو» در انگلستان بود که توسط «ویلیام اسمیت اعمال گردید.
وی پس از مطالعه زمین شناسی محل پیشنهاد کرد که با بستن قسمتی از چشمه میتوان بر انبارش آب زیرزمینی افزود.
«دوبره» فرانسوی کتابی راجع به مشخصات زمین شناسی آبهای زیرزمینی نوشت که یکی از اولین کتابهای عمومی در این باره میباشد.
به عنوان مثالی خاص از نتایج جدیدی که یک زمین شناس به تنهایی در این زمینه کسب نموده است میتوان از کارهای «استرنز» در جزایر هاوایی نام برد.
در این کار رابطه بین سنگهای آذرین و پیدایش آب زیرزمینی به نحوی بسیار عالی بیان شده است.
کار «دیویس» و «برتز» درباره تشکیلات غارهای آهکی یک مثال خوب دیگر میباشد.
کار «دوتوا» در مورد سنگهای یکپارچه «یونیون» در آفریقای جنوبی مثال دیگری در این زمینه است.
از بین تعداد زیادی از زمین شناسان نامور، مشهورتر از همه «ماینزر» میباشد.
وی گرچه کارهایی در مورد روشهای تعیین موجودی آب زیرزمینی انجام داده و نظریهای در مورد جریان آرتزین ارائه نموده و اهمیت گیاهان «ریشه بلند» را یادآور شده است، لیکن کار اصلی او همانا سازمان دادن به علم آبهای زیرزمینی میباشد.
وی جنبههای گوناگون این شاخه جدید از علوم زمینی را بین سالهای 1920 تا 1940، هنگامی که عضو اداره زمین شناسی آمریکا بود، مورد تجزیه و تحلیل قرار داده، تعریف نموده و به هم پیوند داده است.
مورد جریان آرتزین ارائه نموده و اهمیت گیاهان «ریشه بلند» را یادآور شده است، لیکن کار اصلی او همانا سازمان دادن به علم آبهای زیرزمینی میباشد.
پیشرفت در هیدرولیک آبهای زیرزمینی را سهلتر میتوان با نام تک تک افراد مربوط نمود، چه در این مورد پیشرفت در فرمولهای خاص حاصل شده است نه در مفاهیم عمومی که در زمین شناسی کلاسیک اهمیت به سزایی دارند.
اولین دانشمندی که فرمول جریان آب به چاه را بدست آورد «ژول دوپوئه» فرانسوی میباشد.
این کار با وجود آن که فقط هفت سال پس از شرح علمی دارسی منتشر شد ولی کاربرد موفقی از آن بود.
در سال 1870، «ادلف تیم» آلمانی فرمول دوپوئه را بسط داد بطوریکه عملاً توانست مشخصات هیدرولیکی زمین آبده را با تلمبه زنی از یک چاه و مشاهده اثر حاصل از این عمل بر روی چاههای مجاور محاسبه نماید.
«تیم» سالیان درازی به تعمیم روش خویش پرداخت و آن را در مورد زمینهای با مشخصات گوناگون به کار بست.
کاربرد روشهای جدید ریاضیات عالی در حل مسایل آبهای زیرین اول بار در 1886 توسط «فیلیپ فورخهایمر» اطریشی به طور وسیع اعمال گردید.
وی مفهوم سطوح هم