اگر در زمینه حفاری چاه فعالیت دارید حتما با عبارت مخروط افت چاه آب آشنا هستید. چاه‌های آب زیرزمینی از دیرباز با انسان در زندگی همراه بوده و به ما در تامین آب مورد نیاز در مناطقی که آب‌های سطحی در آنجا در دسترس نیست، کمک کرده‌اند. اگرچه امروزه طراحی و ساخت چاه‌ها تغییر کرده و فناوری در این زمینه پمپ‌هایی با قابلیت‌های شگفت‌انگیز تولید کرده است، اما سفره‌هایی که آب چاه را تامین می‌کنند، ثابت باقی مانده است.
بسیاری از مردم، آب آشامیدنی مورد نیاز خود را از سفره‌های آب شیرین تامین می‌کنند اما بسیاری از آنها نمی‌دانند که چگونه و چرا با حفاری ساده در زمین، آب خالص به دست می‌آید. بسیاری مطلع نیستند که چگونه عملکرد سیستم آبی می‌تواند بر کیفیت و پایداری آب تأثیر بگذارد.
در واقع، رابطه سفره آب زیرزمینی با چاه بسیار پیچیده‌تر از آن چیزی است که به نظر می‌رسد و بسیاری از آسیب‌هایی که به آنها وارد میشود ناشی از اقداماتی است که در آن زمان خود ایده مناسبی به نظر می‌رسیدند.
مخروط افت چاه آب چیست؟
آبی که در فضاهای خالی بین شن‌ها، ذرات خاک یا شکاف سنگ‌های زیرزمینی که در ناحیه اشباع سفره‌های زیرزمینی قرار دارند، آب زیرزمینی نامیده میشود. آب‌های زیرزمینی دومین مخزن بزرگ آب شیرین روی زمین به شمار می‌روند.
منطقه اشباع جایی است که منافذ زمین به طور کامل با آب پر شده باشد. انسان آب را از سفره‌های آب زیرزمینی و با استفاده از چاه خارج و مصرف می‌کند. این خروج آب اگر بی رویه انجام شود منجر به تشکیل مخروط افت چاه آب میشود.
دلیل ایجاد مخروط افت چاه آب
مخروط افت چاه آب به دلیل پمپاژ سنگین در ناحیه‌ای که سطح ایستابی قرار دارد به‌وجود می‌آید و در نتیجه یک منطقه بزرگ فرو رفته ایجاد می‌کند. در واقع مخروط افت چاه آب در جایی تشکیل میشود که سطح آب در نقطهای خاص به دلیل پمپاژ زیاد آب فرو میرود. زمانی که آب از زمین خارج میشود، فضایی خالی در اطراف ذرات خاک ایجاد میشود.
اگر مقدار آبی که از یک منطقه خارج میشود، سریعتر از آن باشد که با آب‌های زیرزمینی طبیعی پر شود، سطح آب در منطقه مورد نظر کاهش یافته، زمین فرو میرود و اغلب چاه خشک میشود. اصولا این مخروط افت چاه آب تا زمانی که دوباره منطقه با آب‌های زیرزمینی شیرین پر شود، باقی می‌ماند.
سطح ایستابی که پمپ را احاطه کرده به سمت پایین شیب میشود و یک الگوی مخروطی شکل در اطراف دیوارهای منحنی ایجاد می‌کند. بخش بالای مخروط فرورفتگی ناحیه نفوذ نامیده میشود. با پمپاژ سریعتر و بیرون کشیدن آب از چاه، مخروط افت چاه آب بزرگتری ایجاد خواهد شد.
مطلب پیشنهادی: آزمایش خاک
ویژگی‌های مخروط افت چاه آب
اندازه و شکل مخروط به عوامل مختلفی مانند مواد و ضخامت سفره آب و میزان آب موجود در محل بستگی دارد. با افزایش فاصله از چاه، میزان ریزش نیز کمتر میشود. شکل مخروط زمانی تحت تأثیر قرار می‌گیرد که با یک جریان آب بزرگتر مانند یک دریاچه یا نهر برخورد می‌کند.
در این صورت، مخروط افت چاه آب به دلیل تامین آب از دریاچه یا نهر گسترش نخواهد یافت. همچنین اگر مخروط با هر مانعی مانند سنگ بستر، بدنه رسی یا لبه سفره آب تماس پیدا کند تا عمق بیشتر گسترش نمی‌یابد.
اگر دو مخروط افت چاه آب همدیگر را قطع کرده یا با هم همپوشانی کنند، تداخل چاه ایجاد میشود و میزان آب موجود در هر دو چاه کاهش خواهد یافت. همچنین ممکن است مخروط افت چاه آب به بدنه‌های آبی مجاور مانند دریاچه یا نهر کشیده شود. در نتیجه سطح آب زیر نهر یا دریاچه کاهش یافته و آب به سمت سفره آب زیرزمینی نزدیک چاه حرکت می‌کن که به این فرایند شارژ القایی می‌گویند.
سفره های زیرزمینی محدود و نامحدود
سفره‌های آب، توده‌های آبی هستند که در زیر زمین تشکیل شده و در اعماق مختلف تشکیل می‌شوند. این سفره‌ها زمانی به‌وجود می‌آیند که آب از سطح زمین و سنگ نفوذپذیر تا زمانی که به سنگ نفوذناپذیر برسد به داخل زمین نفوذ کند. سپس لایه سنگ یا ماسه اطراف توسط آب زیرزمینی اشباع میشود و سفره آب تشکیل میشود. دو نوع سفره آب زیرزمینی وجود دارد :
- سفره زیرزمینی محدود
سنگ یا لایه‌ای از ماسه یا شن است که در بالای آن یک لایه محصور (آکویتارد یا آب‌زیان) وجود دارد و به دلیل وجود آنها حرکت آب به سفره‌ای دیگر بسیار کم میشود. آب در سفره‌های زیرزمینی محدود به دلیل وجود آکویتارد تحت فشار زیادی قرار دارد.
مخروط افت چاه آب در سفره زیرزمینی محدود با سرعت بیشتری توسعه یافته اما سرعت آن به تدریج کاهش می‌یابد. پر شدن سفره‌های زیرزمینی زمان طولانی نیاز دارد زیرا تنها منبع آن شاخه‌های زیرزمینی آب است که مسافت زیادی را طی می‌کنند. این سفره‌های زیرزمینی به علت محافظت توسط مواد غیر قابل نفوذ، کمتر آلوده می‌شوند.
- سفره زیرزمینی نامحدود
این سفره، سنگ یا لایه‌ای از ماسه یا شن است که در بالای آن لایه محدودکننده‌ای وجود ندارد. اغلب عمق کمی دارند و لایه بالای آن جدول آب است. منطقه اطراف چاه در یک سفره آب محدود به طور معمول اشباع است اما هنگامی که آب از چاه پمپ شود غیراشباع میشود.
سپس سطح آب به سمت پایین فرو میرود و مخروط افت چاه آب یا ناحیه آبگیری تشکیل میشود. در صورتی که پمپاژ متوقف شود، آب به تدریج داخل مخروط را پر می‌کند. مخروط افت چاه آب تشکیل شده در سفره زیرزمینی نامحدود به آرامی به دلیل نیروی گرانش، مقدار زیادی آب را از رسوب به افزایش تخلیه می‌کند.
سفره‌های آب نامحدود به دلیل نزدیک بودن به منابع آبی از جمله باران، رودخانه، دریاچه یا نهر با سرعت بیشتری در مقایسه با سفره محدود تشکیل می‌شوند و آب آنها اصولاً به دلیل قرار گرفتن در معرض منابع خارجی آب آلوده‌تر است. از آب این چاه و سفره بیشتر برای مصارف آبیاری و صنعتی استفاده میشود.
عوامل موثر بر گسترش مخروط افت چاه آب
همزمان با آغاز پمپاژ و استخراج آب از چاه، سطح آب زیرزمینی در اطراف چاه کم کم پایین رفته و مخروط افت چاه آب تشکیل میشود. به علت کاهش سطح آب اطراف چاه، جریان طبیعی آب زیرزمینی تغییر کرده و آب با سرعت از اطراف و نقاط دورتر به سمت چاه جریان پیدا می‌کند. در این بین گسترش مخروط افت چاه آب بستگی به دبی و مدت زمان پمپاژ و مشخصات هیدرودینامیکی سفره آب منطقه دارد. به مرور زمان سرعت گسترش مخروط افت کمتر میشود.
با توجه به ویژگی هیدرولیکی سفره آب زیرزمینی و مقدار دبی آب استخراجی از چاه پس از مدتی که آب پمپاژ شد، میزان پایین رفتن آب درون چاه ثابت میشود. به این سطح آب درون چاه سطح دینامیک گویند. گسترش افقی مخروط افت گاهی تا 10 برابر عمق چاه یا حتی بیشتر میشود. در این حالت گسترش مخروط ممکن است منجر به نشست زمین منطقه شود.
اثرات مخروط افت چاه آب
هنگامی که کاهش آب‌های زیرزمینی و بروز این ساختار اتفاق می‌افتد، چشمانداز منطقه به شدت تحت تاثیر قرار می‌گیرد. این مخروط سطح آب را پایین آورده و جهت جریان آب زیرزمینی را تغییر می‌دهد. سطح آب ممکن است در معرض نفوذ آلودگی قرار گیرد و آلایندهها به سمت نقطه تخلیه و خروج آب که احتمالا یک نهر یا چاه است جریان می‌یابند.
در این بین احتمال خشک شدن کامل نهرها و سایر منابع آبی به دلیل شارژ مجدد و مداوم که در نتیجه پمپاژ چاه ایجاد میشود وجود دارد. سفره‌های آب شیرین واقع در نزدیکی خطوط ساحلی ممکن است در معرض نفوذ آب شور قرار گیرند و در نتیجه آب آنها غیرقابل شرب و استفاده شود.
فواید مخروط افت چاه آب
این مخروط اصولا برای مواجهه با آلودگی آب‌های زیرزمینی مفید است. بنابراین می‌توان با حفر یک چاه در نزدیکی منطقه آلوده و سپس پمپاژ آب با سرعت کافی، مخروط افت چاه آب را ایجاد کرد. در ادامه جریان آلوده جذب مخروط افت چاه آب میشود و باعث دفع آلایندهها و ایجاد آب تمیز خواهد شد البته پمپاژ آب باید در فواصل منظم کنترل شود.
این موارد زندگی کشاورزان را تحت تأثیر قرار می‌دهد زیرا آنها برای کشت و رشد محصولات خود به آب نیاز دارند و حتما قبل از پمپاژ دوباره باید شارژ مجدد صورت گیرد.
سخن پایانی
استفاده و پمپاژ بیش از حد از آب‌های زیرزمینی منجر به پایین آمدن سطح ایستابی آب و ایجاد ساختاری به نام مخروط افت چاه آب شود. چنین پمپاژی اغلب ناشی از فعالیت صنایع یا کشاورزی است اما عواقب آن اغلب صاحبان زمین را درگیر می‌کند.
از طرف دیگر، زمانی که خانه‌های روستایی در مناطق پرتراکم به‌ویژه آن‌هایی که تعداد زیادی زمین کوچک دارند، از چاه‌ها برای تامین آب استفاده می‌کنند باعث ایجاد مخروط افت چاه آب می‌شوند که فشار آب را به شدت کاهش داده یا بدتر از آن، سطح آب را به زیر سطح چاه کاهش داده و خانه یا مزرعه را بدون منبع آب باقی میگذارد.
تنها راه حل برای این مساله حفر چاه‌های عمیق‌تر است که البته هزینه بیشتری دارد. اغلب مخروط افت چاه آب می‌تواند بر جریان آب زیرزمینی و همچنین توزیع آلایندهها تاثیر بگذارد. پیشنهاد می‌کنیم در ادامه مقاله مراحل حفاری چاه آب را هم بخوانید.
سؤالات متداول
مخروط افت چاه آب چگونه تشکیل میشود؟
در واقع این ساختار در جایی تشکیل میشود که سطح آب در نقطهای خاص به دلیل پمپاژ زیاد آب فرو میرود.
مخروط افت چاه آب چه اثراتی دارد؟
چشمانداز منطقه را تغییر داده و بر جریان آب زیرزمینی و همچنین توزیع آلایندهها تاثیر میگذارد.
