پایان نامه بررسی نفوذ آب شور از کویر چاه جم به آبخوان دشت دامغان در استان سمنان

پایان‌نامه کارشناسی ارشد مهندسی آب- مدیریت منابع آب

چکیده

پیشروی آب شور در سفره­های آب شیرین، تنها به جزایر و سواحل اقیانوس­ها و دریاها و دریاچه­های شور محدود نمی­شود، بلکه امکان دارد سفره­های آب شور، از طریق کویرها، باتلاق­ها و چاله­های آب شور در سفره­های آب شیرین مجاور، پیشروی کنند و آن را شور و در شرایط بحرانی، غیر قابل استفاده سازند. ایران به دلیل داشتن آب و هوای خشک، دارای کویرهای فراون می باشد. محدودیت منابع آب های سطحی و بهره‌برداری بیش از اندازه از آب‌ های زیرزمینی باعث پیشروی آب شور به آبخوان آب شیرین در مناطق حاشیه کویر شده است.

براساس آمار و اطلاعات سازمان آب منطقه ای سمنان از دشت دامغان، کیفیت آب  بهره‌برداری شرب و کشاورزی در روستاهای شمال شرق دشت به علت نفوذ آب شور از کویر چاه جم  پایین آمده و[1]TDS مشاهده شده در برخی از روستاها به حدود 7000 میلی گرم در لیتر رسیده و ادامه این روند می تواند موجب پیشروی شوری به سمت شهر دامغان و بخش کشاورزی منطقه گردد، لذا  برای ارائه دورنمایی از وضع آتی این دشت در صورت ادامه روند کنونی استخراج آب زیر زمینی یا کاهش و افزایش پمپاژ، مدلسازی دشت انجام و وضع آتی دشت از نظر افت سطح آب زیر زمینی و میزان شوری با فرض سه سناریو پیش بینی گردید.

در این تحقیق، پیشروی آب شور از کویر چاه جم در آبخوان دشت دامغان، با استفاده از نرم افزارVisual Modflow مورد شبیه‌سازی سه بعدی قرار گرفته است. برای پیش بینی وضعیت آبخوان در سال 1395، اطلاعات یک دوره 5 ساله چاه های مشاهده ای کمی و کیفی برای سال‌های 1386 تا 1388 واسنجی و برای دو سال 1389 و 1390 صحت سنجی شد. نتایج نشان داد که با ادامه روند تخلیه و تغذیه کنونی، در سال 1395 سطح آب زیرزمینی بیشترین افت را به میزان 16 متر در منطقه غرب شهر دامغان خواهد داشت و غلظت نمک در چاه های کیفی به میزان متوسط 150 میلی گرم در لیتر افزایش خواهد یافت. همچنین کاهش پمپاژ چاه های بهره برداری به میزان 15درصد، باعث افت سطح آب به میزان 14 متر و کند شدن پیشروی آب شور در آبخوان دشت و افزایش غلظت نمک به میزان 82 میلی گرم در لیتر خواهد شد که در مقایسه با فرض ادامه روند کنونی 45 درصد کمتر است. از سوی دیگر، افزایش پمپاژ چاه های بهره‌برداری به میزان 15درصد، افت سطح آب آبخوان به میزان 20 متر و افزایش متوسط غلظت نمک به میزان 464 میلی گرم در لیتر را در پی خواهد داشت.

کلمات کلیدی: آب زیرزمینی، پیشروی آب شور، تداخل آب شور و آب شیرین، آبخوان دشت دامغان، مدل سازی ،شبیه­سازی، Visual Modflow

فصل اول

کلیات

1-1 مقدمه

از کل آب موجود در کره زمین حدود 97 درصد آن در دریاها و اقیانوس ها می باشد که شوری آن‌ بالا است و در شرایط عادی نمی تواند مورد استفاده بشر قرار گیرد. دو درصد دیگر نیز به صورت یخ های قطبی است که آن‌ نیز در شرایط موجود قابل استفاده نمی باشد. قسمت اعظم یک درصد باقی مانده را که شیرین است، آب های زیرزمینی تشکیل می دهند(شکل 1-1). باگسترش سکونت در مناطقی که آب سطحی وجود ندارد یا مقدار آن کم است، استفاده ازمنابع آب زیرزمینی به عنوان جایگزینی مطمئن، مورد توجه قرار گرفته است، به طوری که دربرخی مناطق، آب های زیرزمینی به عنوان تنها منبع تأمین آب محسوب می شوند.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است )

رشد جمعیت و توسعه جوامع بشری منجر به تقاضای مصرف بیشتر آب شده است و با توجه به ثابت بودن تقریبی منابع تامین آب، باید با مدیریتی صحیح، عرضه و تقاضا را در تعادل نگه داشت. این امر حافظت منابع آبی در مقابل آلاینده‌ها (نفوذ آب شور و دیگر مواد شیمیایی) را امری ضروری می‌نماید. تمرکز جمعیت در نواحی ساحلی و بالطبع رشد فعالیت‌ها سبب افزایش میزان برداشت از آب زیرزمینی شده است. این افزایش برداشت، سبب حرکت آب شور دریا به سمت آبخوان‌ها گردیده و این امر شوری بیشتر این منابع را به دنبال داشته است.

شوری زیاد (بیشتر از 2 تا 3 درصد) استفاده از آب را برای شرب غیر ممکن می‌سازد و به ناچار باید با فرآیندهایی نظیر تصفیه یا اختلاط با آب شیرین بر این مشکل فائق آمد. بنابراین حفاظت منابع آب‌ زیرزمینی یک موضوع اساسی در شرایط افزایش تقاضا و کاهش این منابع می‌باشد.

در قسمت اعظم کشور به ویژه در مناطقی که آب­های سطحی یا وجود ندارند ، یا دائمی نیستند و یا به مقدار کم وجود دارند، آب مورد نیاز شهرها، صنایع، روستاها و دامداری­ها از منابع زیرزمینی تأمین می‌شود. حتی در نقاطی که بارندگی، زیاد و آب و هوا مرطوب است، مانند گیلان و مازندران که آب سطحی وجود دارد و از پرباران­ترین نقاط ایران هستند . برای رسیدن به تولید بالا در کشاورزی و جبران کمبود آب مورد نیاز، از آب زیرزمینی هم استفاده می‌شود. تقریباً در تمام شهرهای ایران به علت نبود یا کمبود آب­های سطحی و یا به دلیل آلوده بودن آن از آب زیرزمینی نیز استفاده می­شود [9].

1-2 اهداف و ضرورت تحقیق حاضر

نفوذ آب شور مسأله مهمی است که به سلامت و سبک زندگی بسیاری از مردمی که در نواحی ساحلی و حاشیه کویر زندگی می‌کنند، ارتباط دارد. این مسأله در بسیاری از کشورهایی که دارای ساحل می‌باشند، توجه را به خود جلب نموده است. بررسی پدیده هجوم آب شورکویرچاه‌ جم به آبخوان ­دشت  دامغان هدف اصلی این پایان‌نامه می‌باشد.

در این پایان نامه سعی شده است تا امکان پیشروی آب شور از سمت کویر به سمت دشت دامغان

نسبت به ابتدای دوره طرح، بررسی و با توجه به شرایط موجود، به پیش بینی آینده پرداخته شود. با استفاده از نرم افزار VISUAL MODFLOW و بستهSEAWAT  مدل­سازی پدیده پیشروی آب شور انجام می­شود.

شرایط موجود در ابتدای دوره طرح به عنوان اطلاعات ورودی،  وارد مدل شده و پس از واسنجی و صحت سنجی مدل، پیشروی آب شور برای 10 سال بعد  از آغاز دوره طرح،  طبق 3 سناریوی فرضی پیش بینی می­شود.

1-3 سوالات اساسی تحقیق

با ادامه وضعیت کنونی، افت سطح آب و میزان غلظت نمک در دشت دامغان چگونه تغییر می کند؟

با اعمال موفق سیاست های مدیریتی و کاهش پمپاژ به میزان 15% ، تغییرات افت سطح آب و میزان غلظت نمک چگونه خواهد بود؟  

در صورت افزایش پمپاژ به میزان 15%(که محتمل ترین فرض است)، افت سطح آب و میزان غلظت نمک در دشت چگونه تغییر پیدا خواهد کرد.؟

1-4 فرضیات تحقیق

بر اساس منابع در دسترس، در طول این تحقیق فرضیاتی به عمل آمده که از نظر خصوصیات فیزیکی با توجه به گزارش شرکت سهامی آب منطقه ای استان سمنان در خصوص دشت، آبخوان این دشت، آبخوانی آزاد درسه لایه است که این آبخوان آزاد در لایه های دوم و سوم قرار دارد. ضریب ذخیره (S) در کل دشت 4% و ضریب هدایت هیدرولیکی (K) برای هر لایه مقدار ثابتی فرض شده است. هر لایه ی آبخوان همگن بوده و چگالی تنها به غلظت نمک وابسته است و دیگر عوامل تأثیر‌گذار، نادیده گرفته شده اند. با توجه به داده‌های شرکت سهامی آب منطقه‌ای، آمار چاه‌های پمپاژ، و چاه‌های مشاهده‌ای کمّی و کیفی سالانه در نظر گرفته شد. ضمناً از بیلان محاسبه شده توسط سازمان آب منطقه ای استان سمنان استفاده شد.

طبق محاسبات بیلان این سازمان، تخلیه چشمه در سال آبی 85-86 صفر و تخلیه قنات حدود 2میلیون متر مکعب در سال بود که در مقایسه با 160 میلیون متر مکعب تخلیه کل از آبخوان مقداری ناچیز می باشد؛ لذا اثر چشمه و قنات در بیلان، صفر منظور شد.

1-5 دلایل استفاده از آب زیرزمینی

مزایا و محسنات آب های زیرزمینی نسبت به آب­ های سطحی، سبب شده که کشور های پیشرفته جهان، برای تأمین آب آشامیدنی و مصرفی مناطق شهری و صنعتی خود از آب زیرزمینی، تلاش بیشتری به خرج دهند.

از سوی دیگر، مصرف زیاد آب زیرزمینی باعث شده که در بسیاری از نقاط جهان، از جمله کشور ما، سطح سفره آب زیرزمینی به شدت پایین برود، بسیاری از قنات‌ها و دیگر منابع آبی خشک شود، آب شور در سفره های آب زیرزمینی شیرین پیشروی کند، و در مراکز جمعیتی و صنعتی، قسمت قابل توجهی از آب زیرزمینی آلوده گردد.

برخی دلایل استفاده از آب زیرزمینی و مزایای آن نسبت به آب سطحی را می­توان به اختصار به صورت زیر بیان کرد :

آب زیرزمینی صاف و بی رنگ است.

نسبت به آب سطحی، کمتر به میکروب­ها و انگل­ها و مواد زیان‌بار آلوده است.

در بسیاری  از مناطق خشک و بیابانی کشور ما، به علت عدم دسترسی به آب شیرین سطحی ، آب زیرزمینی تنها منبع قابل استفاده را تشکیل می­دهد.

هزینه­ی استخراج آب زیرزمینی در بسیاری از موارد، نسبت به تهیه­ی آب از منابع سطحی کمتر است.

دمای آب زیرزمینی تقریباً ثابت است. از این رو، آب زیرزمینی، به عنوان خنک کننده از مزیت زیادی برخوردار است.

منابع آب زیرزمینی نسبت به منابع آب سطحی، خیلی کمتر تحت تأثیر خشکسالی قرار می­گیرند.

در بسیاری از مناطق جهان، از جمله در بسیاری از نقاط خشک و بیابانی کشور ما که آب سطحی وجود ندارد، یا قابل استفاده و یا قابل اطمینان نیست، آب زیرزمینی تنها منبع آب مصرفی است و حیات ساکنین و احشام این مناطق به این منبع وابسته است [9].

1-6 آلودگی آب های زیرزمینی

کیفیت آب زیرزمینی، امر مهمی در توسعه و مدیریت منابع آب است. در واقع، با افزایش تقاضا برای آب در اغلب نقاط جهان، کیفیت آب به یک عامل محدود کننده در توسعه و مدیریت منابع آب تبدیل شده است. کیفیت آب‌های سطحی و زیرسطحی در نتیجۀ پخش و انتشار آلودگی رو به بدتر شدن می‌رود و در این راستا توجه جدی به مسأله انتشار آلودگی در آبخوان‌ها امری اجتناب ناپذیر است. هر چند که در وهله اول به نظر می‌رسد، منابع آب‌ زیرسطحی نسبت به آب‌ سطحی کمتر در معرض خطر انتشار آلودگی باشند اما در صورت انتشار آلودگی در آبخوان‌ها، رفع آلودگی و رساندن آب به حالت قابل استفاده و عاری از آلودگی، امری مشکل و هزینه ‌بر است. منابع آلودگی آب‌های زیرزمینی را می‌توان به چهار دستۀ زیر تقسیم نمود [16].

منابع محیطی: این نوع آلودگی به خاطر مشخصات محیط اطراف یک آبخوان رخ می دهد. جریان عبوری از سنگ‌های کربناتی، نفوذ آب شور از سمت دریا و یا از آبخوان مجاور، مثال‌هایی برای این دسته می‌باشند.

منابع داخلی: این نوع آلودگی ممکن است با شکستن تصادفی مجرای فاضلاب، تراوش از تانک‌های سپتیک[1]، نفوذ آب باران از زمین‌های محل دفن زباله‌، باران‌های اسیدی و تغذیه مصنوعی از آب‌های زهکش آلوده، رخ دهد.

منابع صنعتی: آلودگی صنعتی معمولاً از تخلیه فاضلاب‌ های صنعتی که شامل فلزهای سنگین، ترکیبات تجزیه ناپذیر و یا مواد رادیو اکتیو می‌باشند، شکل می‌گیرد.

منابع کشاورزی: این نوع آلودگی نیز به خاطر زه‌آب ‌های کشاورزی و آب باران‌هایی که شامل موادی چون کودهای شیمیایی، نمک، انواع آفت کش‌ها و ... هستند، با نفوذ آن ها به داخل آبخوان‌ها رخ می‌دهد.

نفوذ آب شور یکی از شایع‌ترین و مهم‌ترین فرآیندهایی است که سبب کاهش کیفیت آب زیرزمینی با تجاوز میزان شوری از استانداردهای آب آشامیدنی گردیده و برداشت آب از چاه‌ ها را در آینده به مخاطره خواهد انداخت.

1-7 مسئله نفوذ شوری به آبخوان های ساحلی

سواحل از مناطقی هستند که بیشتر از 70 درصد جمعیت جهان را در خود جای داده‌اند. این مناطق با مشکلات جدی هیدرولوژیکی  شامل: کمبود آب شیرین، آلودگی آب‌ های زیرزمینی و نفوذ آب دریا روبرو شده‌اند.

رشد جهانی جمعیت و افزایش استانداردهای زندگی سبب افزایش میزان تقاضا و بالطبع ، برداشت آب بیشتر از آبخوان‌‌های ساحلی گردیده است. این افزایش برداشت ، سبب افزایش رشد نفوذ شوری به داخل آبخوان‌ها شده است. در آبخوان‌های ساحلی، در آغاز، معمولاً گرادیان هیدرولیکی به طرف دریاست که سبب جریان آب‌ به سمت دریا می‌گردد. وجود دریا در مجاورت آبخوان‌های ساحلی، ناحیه برخورد بین آب شیرین با چگالی کمتر و آب شور با چگالی بیشتر را تشکیل می دهد (شکل ‏1‑2). آب شیرین و آب شور در واقع سیال‌های قابل اختلاط می‌باشند، بنابراین ناحیه برخورد این دو آب با هم، یک ناحیه انتقالی[2] است که پراکندگی هیدرودینامیکی، دلیل تشکیل آن است. در طول این ناحیه، چگالی سیال، از چگالی آب شیرین تا چگالی آب شور متغیر است. تحت شرایط مشخص، عرض این ناحیه انتقالی در مقایسه با ضخامت آبخوان، کوچک است و بنابراین، این ناحیه را می‌توان با خط مرزی مشخصی تقریب زد (شکل 1-2). این مرز مشترک[3]، دو سیال را از هم جدا نموده و می‌توان فرض نمود که آب شور و آب شیرین اختلاط ناپذیرند، اما اگر ضخامت این ناحیه انتقالی زیاد باشد، نمی توان آن را با خط مرزی مشخص تقریب زد و این فرض نامعتبر خواهد بود [16].

Abstract

The intrusion of saltwater into groundwater aquifers could be happen not only in coastal areas, but also in areas where aquifers are adjacent to desert. Iran has many deserts and overwithdrawal of groundwater causes saltwater intrusion in aquifers adjacent to deserts. One of these areas is Damghan plain in Semnan Province.

According to the report of ‘’ Semnan Regional Water Company ’’ groundwater quality in that plain was declined and TDS reached to 7000 mg/lit in some villages, caused by saltwater intrusion due to overwithdrawal of groundwater.

To be able to forecast the decline of groundwater quality in that area in future,              a 3-D model was made using MODFLOW Software and three scenarios were considered. The model first was calibrated and validated by using the data presented by ‘’ Semnan Regional Water Company ’’.

The modeling results showed that in case of continuation of current groundwater withdrawal, groundwater table will be drawn down about 16 m in year 1395 and TDS will increase about 150 mg/lit.

On the other hand, %15 decrease of groundwater withdrawal will draw groundwater table 14 m down and will limit the increase of TDS to 82 mg/lit.

Meanwhile %15 increase of groundwater withdrawal will drop groundwater level 20 m down and will cause TDS to increase 464 mg/lit.

Keywords: Groundwater, Saltwater intrusion, Damghan plain, Semnan province, Iran, MODFLOW, Modeling