ویژگی‌های آب ژرف

منابع آب ژرف دارای ویژگی‌های مشخصی هستند که بر مبنای آن‌ها این منابع از سایر منابع آب زیرزمینی تفکیک می‌شود.

این ویژگی‌ها شامل ژرفا، ابرحوضه و جریان ناحیه‌ای، تجدیدپذیری، زمان ماندگاری و منشأ، ابعاد و کیفیت است. در ادامه به شرح این موارد خواهیم پرداخت:

1- ژرفا

عمق قرارگیری منابع آب ژرف به شرایط زمین‌شناسی و هیدروژئولوژیکی منطقه وابسته است لذا حد ژرفای مطلقی بین منابع آب زیرزمینی معمول (آزاد و محبوس) و ژرف نمی‌توان در نظر گرفت.

در یک تعریف ساده منابع آب ژرف را می‌توان منابع آب زیرزمینی (غالباً محبوسی) در نظر گرفت که در اعماق زیرین منابع آب زیرزمینی کشف‌ شده و در حال حاضر از آن استفاده می ‏شود.

بر این اساس در نقاط مختلف جهان اعماق متفاوتی برای عمق تشکیل و قرارگیری آبخوان‌های ژرف گزارش شده است. در بنگلادش به دلیل بالا بودن سطح آب زیرزمینی منابع آب موجود ژرفای بیش از 150 متر جز منابع آب ژرف در نظر گرفته شده است (Hoque و Burgess، 2012)؛

ژرفای این منابع در نواحی خشک خاورمیانه (مانند عربستان و اردن) 1200 متر و در شمال آفریقا (مانند مصر، لیبی، الجزایر و تونس) بین 800 تا 1600 متر گزارش شده است (Bisson و Lehr، 2004).

2-ابرحوضه و جریان ناحیه‌ای

واژه ابرحوضه یک واژه کلیدی در تبیین مدل مفهومی آبخوان‌های ژرف است.

طبق تعریف ابرحوضه عبارت است از آبخوان‌های بسیارعمیق متشکل از رسوبات گراولی با سنگ مادر درز و شکافی واجد یا فاقد ساختارهای رسوبی که از نظر تغذیه، ذخیره، انتقال و به دام افتادن آب‌های زیرزمینی ژرف به ‏صورت یکپارچه عمل می‌نماید (Bisson، 2005).

اولین ‏بار بیسون در سال 1987 واژه ابرحوضه را برای تعریف منابع آب ژرف غیرفسیلی به‏ کار برد (Bisson و Lehr، 2004).

در مدل مفهومی ارائه شده توسط بیسون ارتفاعات یک ابرحوضه در تغذیه آبخوان ژرف نقش دارند و جریان آب زیرزمینی در آبخوان می‌تواند در راستای شکستگی‌ها و گسل‌های مهم به ‏وجود آید که در شکل بالا ارائه شده است (Bisson، 1992).

3-تجدیدپذیری، زمان ماندگاری و منشأ

شیب هیدرولیکی آب زیرزمینی در آبخوان‌های ژرف اغلب بسیار کم و نزدیک به صفر است؛ در نتیجه سرعت جریان آب زیرزمینی در این آبخوان‌ها اغلب بسیار اندک و در حد چند متر در سال گزارش شده است.

از طرفی مسیر گردش آب زیرزمینی در یک آبخوان ژرف به ‏گونه‌‌ای است که فاصله محل تغذیه تا تخلیه می‌تواند بالغ بر صدها کیلومتر باشد.

باتوجه ‏به سرعت جریان کم و طولانی بودن مسیر جریان، متوسط زمان ماندگاری آب زیرزمینی در این منابع اغلب بسیار زیاد است.

جاسشکو ( Jasechko ) و همکاران در سال 2017 مقادیر ایزوتوپی (پایدار و ناپایدار) کربن (n=6455) و تریتیوم (n=5661) چاه‌ها در نقاط مختلف جهان را بررسی کردند و نشان دادند زمان ماندگاری آب زیرزمینی با افزایش عمق به شدت افزایش می‌یابد.

بر مبنای نتایج آن‏ها بیش از 50 درصد کل چاه‌هایی که عمق بیش از 250 متر دارند دارای مؤلفه آبی غالب با زمان ماندگاری قبل از دوره هولوسن (12000 سال قبل) هستند.

بررسی‌ها نشان می‌دهد متوسط زمان ماندگاری آب زیرزمینی در آبخوان‌های ژرف اغلب بسیار طولانی است و حتی به بیش از یک‌میلیون سال می‌رسد.

همه منابع آب ژرف تجدیدپذیر نیستند!

منابع آب زیرزمینی از دیدگاه عامه اغلب تجدیدپذیر در نظر گرفته می‌شوند؛ اما در برخی موارد متوسط زمان ماندگاری آب در این منابع به ‏ویژه در ژرفای زیاد زمین، صدها و هزاران سال بوده که در مقایسه با دوره زمانی فعالیت‌های بشر به‏ خصوص در ارتباط با برنامه‌ریزی منابع آب بسیار طولانی‌ است.

براساس تعریف پیشنهادی یونسکو در مطالعه منابع آب ژرف اغلب استناد می ‏شود منابع آب زیرزمینی که دوره تجدید آن‌ها بیش از 500 سال باشد تجدیدناپذیر در نظر گرفته می‌شوند.

به ‏عبارت ‏دیگر در یک آبخوان تجدیدناپذیر نرخ تجدیدپذیری کمتر از 2/0 درصد در سال منظور شده است (Foster و Loucks، 2006). بر این اساس منابع آب‌ ژرف تجدیدپذیر را می‌توان دسته‌ای از منابع آب زیرزمینی در نظر گرفت که زیر آبخوان‌های کم‌عمق در حال برداشت کنونی و در ژرفای زمین قرار گرفته‌ است.

این منابع دارای منشأ آب جوی هستند و در چرخه هیدرولوژیکی با نرخ تجدیدپذیری اندک (که باید بیشتر از 2/0 درصد در سال باشد) مشارکت دارند.

لازم به ذکر است طبق تعریف یونسکو بیشتر منابع آب ژرف کشف ‌شده جهان در دسته منابع آبی تجدیدناپذیر قرار دارند و این منابع را باتوجه ‏به منشأ آن‌ها می‌توان به دو گروه کلی دسته‌بندی نمود:

منشاء منابع آب ژرف تجدیدناپذیر

• منابع آب ژرف تجدیدناپذیر فسیلی یا آب سازندی که در زمان رسوب‌گذاری در میان فضاهای خالی لایه‌های رسوبی به دام افتاده‌ و به وسیله ساختارهای زمین‌شناسی محبوس شده است. کیفیت آب این منابع اغلب از نظر شرب و حتی کشاورزی نامطلوب است.
• منابع آب ژرف تجدیدناپذیر دارای منشأ بارش‌های جوی اقلیم دیرینه (با متوسط زمان ماندگاری بیش از 500 سال)، باتوجه‏به شرایط اقلیمی محلی در اعصار گذشته در واحدهای رسوبی و یا سنگی (رسوبی، آذرین و یا دگرگونی) تغذیه و به وسیله ساختارهای زمین‌شناسی محبوس شده است . بیشتر منابع آب ژرف کشف‌شده در دنیا جز این گروه می‌باشند.

زمان ماندگاری و منشأ منابع آب ژرف چگونه تعیین می‌شود؟

تعیین متوسط زمان ماندگاری و منشأ منابع آب ژرف با سنجش ایزوتوپ‌های پایدار و ناپایدار (اکسیژن، هیدروژن، کربن و غیره) و مقادیر و نسبت‌های یونی انجام می‌شود . با این حال بررسی این مقوله با دشواری‌های زیادی همراه است.

الگوی پیچیده جریان آب‌ زیرزمینی در آبخوان‌‌های ژرف توسط ساختارهای زمین‌شناسی کنترل می‌شود و تعیین منشأ آب‌های زیرزمینی مسیرهای اصلی جریان و چگونگی اختلاط این آب‌ها را با مشکل مواجه می‌نماید (André و همکاران، 2005).

4-ابعاد

حجم ذخیره، گسترش فضایی و ضخامت اشباع منابع آب ژرف کشف‌شده در جهان قابل توجه است؛ به‏ طوری‏که برای برخی از آبخوان‌های ژرف گسترش فضایی بیش از یک‌میلیون کیلومترمربع، ضخامت اشباع چند صد تا چند هزار متر و حجم ذخیره آبی در حد ده‌ها هزار میلیارد مترمکعب گزارش شده است (جدول زیر).

مساحت زیاد و ضخیم بودن لایه اشباع برخی آبخوان‌های ژرف موجب شده حجم ذخیره قابل بهره‌برداری این آبخوان‌ها بسیار قابل توجه برآورد شود .

آبخوان ژرف ماسه‌سنگی تجدیدناپذیر کشور حبشه (Nubian) وسیع‌ترین آبخوان شناخته شده جهان با وسعت 200/2 میلیون کیلومترمربع بخش وسیعی از کشورهای مصر، لیبی، سودان و چاد، که میزان بارش کنونی آن‌ها کمتر از 100 میلی‌متر در سال است را پوشش می‌دهد (Foster و Loucks، 2006). در جدول بالا مشخصات ابعادی برخی آبخوان‌های ژرف مهم کشف شده جهان ارائه شده است.

5-کیفیت

ترکیب شیمیایی آب زیرزمینی حاصل برآیند کلیه عواملی است که از زمان تراکم آب در جو، عبور آب از زون‌های غیراشباع و اشباع تا لحظه خروج آب از منطقه تخلیه آبخوان عمل می‌نمایند.

عوامل متعددی همچون ترکیب شیمیایی آب بارش، جنس زمین (بدنه آبخوان)، اختلاط، زمان ماندگاری آب زیرزمینی، تبخیر و شرایط فیزیکوشیمیایی محیطی بر کیفیت منابع آب زیرزمینی مؤثر است، در ادامه اثرات این عوامل بر کیفیت منابع آب ژرف به اختصار تشریح می ‏شود :

• ترکیب شیمیایی آب بارش: مواد محلول در آب بارش می‌تواند به آب زیرزمینی منتقل شود و میزان مواد محلول در آن را افزایش دهد. همچنین در صورت بالا بودن اسیدیته (یعنی اسیدی بودن بارش)، قابلیت انحلال آب بارش بیشتر خواهد بود و در نتیجه مواد بیشتری در مسیر حرکت آب در زیرزمین حل خواهد شد. اثر این عامل بر کیفیت آب زیرزمینی به ‏ویژه از نوع ژرف قابل‌ اغماض است.
• تبخیر: پدیده تبخیر موجب افزایش غلظت مواد محلول در آب باقیمانده می‌شود. این پدیده بر منابع آب جوی، سطحی و زیرزمینی (حداکثر تا عمق یکی دو متر) اثرگذار است؛ بنابراین اثر آن بر کیفیت آب‌های زیرزمینی ژرف قابل توجه نخواهد بود.
• لیتولوژی: جنس واحدهای زمین‌شناسی در مسیر جریان زیرسطحی (در منطقه اشباع و غیراشباع) را می‌توان مهم‌ترین عامل مؤثر بر ترکیب هیدروشیمیایی آب زیرزمینی (ژرف یا کم‌عمق) دانست. میزان مواد محلول آب زیرزمینی در تماس با ماسه‌سنگ‌های سیلیسی با درجه خلوص بالا و اغلب سنگ‌های آذرین و دگرگونی چندان افزایش نمی‌یابد؛ زیرا کانی‌هایی که قابلیت انحلال زیاد دارند، در سنگ‌های مزبور کمتر یافت می‌شود. به‏ علت وجود کانی‌های با قابلیت انحلال زیاد (نظیر ژیپس و انواع کانی‌های تبخیری) میزان مواد محلول آب در تماس با برخی واحدهای زمین‌شناسی (اغلب رسوبی) می‌تواند افزایش یابد، به‏ طوری‏که میزان مواد محلول در منابع آب زیرزمینی (کم‌عمق یا ژرف) می‌تواند بیشتر از آب دریا باشد.
• اختلاط: ترکیب آب‌های زیرزمینی که منشأهای مختلفی دارند، علاوه ‏بر ایجاد یک ترکیب شیمیایی جدید برای آب حاصله (بر مبنای نسبت اختلاط)، می‎‌تواند منجر به افزایش قابلیت انحلال آب زیرزمینی شده و در نتیجه افزایش مواد محلول آب را به همراه داشته باشد. پدیده اختلاط می‌تواند ترکیب شیمیایی آب‌های زیرزمینی ژرف را به شدت تحت تأثیر قرار دهد.
• زمان ماندگاری: طولانی بودن مسیر تغذیه-تخلیه و کند بودن سرعت جریان آب زیرزمینی موجب طولانی شدن زمان ماندگاری آب در محیط زیرزمینی می‌شود. با افزایش زمان ماندگاری به‏ دلیل افزایش مدت‌زمان تماس آب با رسوبات و سنگ‌ها زمان کافی برای انجام فعل و انفعالات شیمیایی و به اشباع رسیدن آب نسبت به یون‌های مختلف وجود دارد. بنابراین به ‏عنوان یک قاعده کلی غلظت مواد محلول آب‌های زیرزمینی قدیمی نسبت به آب زیرزمینی جدید اغلب بیشتر است. اثر این عامل بر افزایش میزان مواد محلول در آب‌های زیرزمینی به‏ گونه‌ای است که در یک آبخوان ژرف مناطق کم‌عمق‌تر با زمان ماندگاری کمتر دارای مواد محلول کمتری است (Edmunds و Smedley، 2000).

• منابع آب ژرف با زمان ماندگاری زیاد (اغلب تجدیدناپذیر) در اثر تماس طولانی‌مدت با بدنه آبخوان ممکن است باعث کاهش شدید کیفیت شوند. به ‏طوری‏که غلظت برخی یون‌ها در این آب‌ها می‌تواند بسیار بیش از حد مجاز شده و حتی مواد رادیواکتیو و برخی عناصر و فلزات سنگین که قابلیت انحلال پایینی دارند به میزان زیاد در آن‌ها یافت شود. غلظت بالای یون‌هایی از قبیل فلوئور، لیتیوم، وانادیم، آهن، منگنر، سیلیس، آرسنیک، کروم، استرانسیوم، نیترات و مواد رادیواکتیو در برخی منابع آب ژرف جهان که زمان ماندگاری زیادی داشتند گزارش شده است (Guendouz و همکاران، 2003؛ Edmunds و همکاران، 2003؛ Halim و همکاران، 2010؛ Yousafzai و همکاران، 2010؛ Alaya و همکاران، 2014).
• شرایط فیزیکوشیمیایی محیطی: متغیرهای محیطی فیزیکی (دما و فشار) و شیمیایی (اسیدیته و شرایط اکسیداسیون و احیا) بر انحلال و رسوب‌گذاری املاح مختلف در آب زیرزمینی تاثیرگذار هستند. در منابع آب ژرف این عوامل می‌توانند موجب افزایش قابل توجه غلظت برخی از عناصر (نظیر کروم) ‌شوند.

منبع : مجله آب و توسعه پایدار ( علیرضا کاوسی حیدری، رضا روزبهایی، مرتضی افتخاری)