دانشگاه یزد
دانشکده مهندسی معدن ومتالورژی
پایان نامه
برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
مهندسی معدن اکتشاف
عنوان
بررسی پارامترهای هیدرولوژیکی آبخوان آزاد در مدل آزمایشگاهی
استادان راهنما:
دکتر عبدالحمید انصاری- دکترامیرحسین کوهساری
استاد مشاور:
دکتر کاظم برخورداری
پژوهش ونگارش :
نارسیس دیندار
اسفندماه 93
چکیده:
بدست آوردن پارامترهای هیدرودینامیکی در یک آبخوان نقش بسیار مهمی دررسیدن به سطح ایستابی در آن آبخوان ودر نتیجه مدلسازی آن دارد که میتواند در مدیریت منابع آب مورد استفاده قرار گیرد.برای بدست آوردن این پارامترها روشهای صحرایی، مدلهای ریاضی و مدلهای فیزیکی کاربرد دارند. با توجه به پرهزینه بودن روش صحرایی، دستیابی به روش دقیق آزمایشگاهی و برآورد این پارامترها در آزمایشگاه با صرف هزینه کمتر میتواند راه گشا باشد.
از مدل فیزیکی دستگاه هیدرولوژی به عنوان یک مدل آزمایشگاهی برای برآورد ضریب هدایت هیدرولیکی آبخوان که یکی از مهمترین پارامترهای آبخوان میباشد استفاده شد. نتایج سه آزمایش پمپاژ، ردیاب و بار ثابت با روابط تجربی مقایسه شد و رابطه بریر با نتایج آزمایش پمپاژ نزدیکی بیشتری داشت. مقادیر آزمون پمپاژ تقریبا دو برابر نتایج آزمایش بار ثابت وسه برابر نتایج ردیاب می باشد. به طور کلی نتایج آزمایشات این موضوع را که با درشتتر شدن ذرات مقدار هدایت هیدرولیکی افزایش مییابد تایید میکند. در نمونه آزمایشگاهی به دلیل ابعاد محدود مدل، ممکن است زمانهای تعادل بدست آمده نسبت به نمونههای صحرایی کمتر باشد اما مقایسه زمان های تعادل در سه نوع خاک با دانه بندی متفاوت میتواند نتیجه این مطالعه باشد. با افزایش مقدار D_50 برای هر خاک زمان رسیدن به تعادل افزایش پیدا میکند. این نکته را برای مدیریت زمان در آزمایشهای پمپاژ میتوان لحاظ نمود.در پمپاژ از هر لایه آبدار نسبتا خوب دانه بندی شده ( در طبیعت معمول است) در نزدیکی چاهپمپاژنقش قسمت ریزدانه وهرچه از آن فاصله بگیریم نقش قسمت درشتدانه خاک در تعیین سطح تعادل پیزومتریک آبخوانبیشتر میشود.با بزرگتر شدن اندازه متوسط ذرات خاک شعاع تاثیر چاه افزایش پیدا میکند.افزایش گرادیان هیدرولیکی باعث کاهش هدایت هیدرولیکی خاک (ضریب نفوذپذیری) میشود.میزان گرادیان هیدرولیکی در خاک مخلوط که دارای دانهبندی ریز و درشت است از خاک درشتدانه و ریز دانه بیشترمیباشد.
کلمات کلیدی: دستگاه هیدرولوژی، دانهبندی خاک، شعاع تاثیر، ضریب نفوذپذیری،سطح ایستابی
فهرست مطالب
فصل اول، مقدمه وکلیات ………………………………………….…………1
مقدمه………………………………………..………………………3
شرح مسأله……………………………….……………………….….5
فرضیات…………………………….………………….……………..5
دامنه تحقیق………………………..…………..…………………….6
اهداف تحقیق……………………………………..………..….………..7
روش انجام تحقیق…………………………………………..………….7
ترتیب ارائه مطالب…………………………………………………….…7
فصل دوم، مطالعات آب شناسی تحقیق….…..…………………………………..11
2-1- مفاهیم وقوانین کلی…………………………………….……..……..…..13
2-1-1- جریان آب در خاک…………………………………..………..……..13
2-1-1-1- گرادیان هیدرولیکی ……………………………..…………..……13
2-1-1-2- قانون دارسی ……………………………………………………..14
2-1-1-3- معادله لاپلاس………………………………..…………….…….14
2-1-1-4- شبکه جریان………………………………………………………15
2-1-2- هیدرولیک چاه ها……………………………..………………….…16
2-1-2-1- جریان شعاعی آب در چاه در لایه های آزاد در حالت ماندگار………………….15
پیشینه پژوهش …………………………..…………….……………18
فصل سوم ، تعیین پارامترهای هیدروژئولوژی با مدل فیزیکی………………………24
3-1- معرفی مدل فیزیکی………………………………..…………..………26
3-1-1- معرفی دستگاه هیدرولوژی……………………………..….….………..26
3-2- مطالعات خاک شناسی……………………………………………………32
3-2-1- دانه بندی خاک ها……………………………………………..…..…33
3-2-2- اندازه مؤثر،ضریب یکنواختی و ضریب دانه بندی……………..………….…..34
3-2-3- روابط وزنی حجمی…………………………………..…………….……35
3-2-4- ضریب نفوذپذیری(هدایت هیدرولیکی) ………………………….…………38
3-2-4-1- روش های آزمایشگاهی……………………………………….….……39
3-2-4-2- روابط تجربی…………………………………………………………42
3-3- مطالعات هیدرولیکی……………………………….………………..……43
3-3-1- بررسی برقراری شرایط دارسی……………………………………………43
3-3-2- ضریب انتقال……………………………………………..……..……45
3-4- چگونگی انجام آزمایشها در آزمایشگاه…………..……….………….…………46
فصل چهارم، بررسی و تحلیل نتایج……………………………………..……49
4-1- آزمایش های تعیین ضریب نفوذپذیری……………………………….…….…51
4-1-1- آزمایش پمپاژ……………………………………….………………51
4-1-2- آزمایش ردیاب……………………………………………………..…53
4-1-3- آزمایش بار ثابت…………………………………….…………………54
4-1-4- روابط تجربی…………………………………….……………………54
4-2- مقایسه زمان رسیدن به تعادل در آبخوان آزاد با سه نوع خاک مختلف………..….…56
4-3- بررسی مخروط افت در خاک هایی با دانه بندی مختلف………….…….………….…63
4-4- محاسبه گرادیان هیدرولیکی در فواصل مختلف از چاه در 3 نوع خاک………………69
4-5- رابطه دانه بندی خاک با شعاع تاثیر چاه ……………………………….……71
فصل پنجم،نتیجه گیری وپیشنهادات………………………..……..…..………73
5-1- نتیجه گیری……………………………………………………….……75
5-2- پیشنهادات………………………………………………………………76
مراجع………………………………………………………….……77
فهرست اشکال
شکل 2-1: رابطه فشاروبار آبی برای جریان در خاک………………………………………13
شکل 2-2:شبکه جریان ……………………………………….…….…………16
شکل 2-3: جریان شعاعی آب به طرف چاه در آبخوان آزاد……………………………17
شکل 3-1: دستگاه هیدرولوژی وچرخه آب در آن………………………..…..……29
شکل3-2: فاصله پیزومترها در دستگاه هیدرولوژی……………………….………….32
شکل3-3: منحنی دانه بندی خاک های به کاررفته…………………………….……33
شکل 3-4: رابطه تخلخل، آبدهی مخصوص ونگهداشت مخصوص با اندازه ذرات…….………37
شکل 4-1: نمودار ضریب نفوذپذیری برای خاک نوع 1 ……………………….…… 52
شکل4-2: نمودار ضریب نفوذپذیری برای خاک نوع2 …………………….………..…52
شکل 4-3: نمودار ضریب نفوذپذیری برای خاک نوع3 ……………………………..……..53
شکل 4-4: مقایسه ارتفاع آب در پیزومترها در فواصل مختلف از چاه از زمان شروع پمپاژ
درخاک نوع 1 …………………………………..……….………….………56
شکل4-5: مقایسه ارتفاع آب در پیزومترها در فواصل مختلف از چاه از زمان شروع پمپاژ
درخاک نوع2 …………………………………….………………….……….57
شکل 4-6: مقایسه ارتفاع آب در پیزومترها در فواصل مختلف از چاه از زمان شروع پمپاژ
درخاک نوع3………………………………………………..………….……57
شکل 4-7 : نمودار ارتفاع نسبی درپیزومترها برحسب زمان از شروع پمپاژ در خاک نوع 1 ….59
شکل 4-8: نمودار ارتفاع نسبی درپیزومترها برحسب زمان از شروع پمپاژ در خاک نوع2 ……59
شکل 4-9: : نمودار ارتفاع نسبی درپیزومترها برحسب زمان از شروع پمپاژ در خاک نوع3 ….…60
شکل4-10: نمودار مقایسه ارتفاع نسبی پیزومتر شماره 7 بر حسب زمان ازشروع پمپاز برای سه نوع خاک ……………………………………………………………………61
شکل 4-11: نمودار مقایسه زمان رسیدن به تعادل نسبی بر حسب اندازه متوسط ذرات خاک…62
شکل 4-12: نمودار داده های پیزومتریک بر حسب فاصله از چاه در خاک نوع 1 ………..….63
شکل 4-13: : نمودار داده های پیزومتریک بر حسب فاصله از چاه در خاک نوع2………….64
شکل 4-14: : نمودار داده های پیزومتریک بر حسب فاصله از چاه در خاک نوع ……………64
شکل 4-15: نمودار تغییر نسبی بر حسب زمان در پیزومتر14 …………….……..…….66
شکل 4-16: نمودار تغییر نسبی بر حسب زمان در پیزومتر3 ………………….………66
شکل 4-17: نمودار ارتفاع پیزومتریک سه نوع خاک در پیزومترهای 3،5،9،12،14 …………67
شکل 4-18: نمودار گرادیان هیدرولیکی در فواصل مختلف از چاه برای سه نوع خاک ……69
شکل 4-19: نمودار رابطه گرادیان هیدرولیکی با ضریب نفوذپذیری در 3نوع خاک …………70
شکل 4-20: نمودار شعاع تاثیر چاه بر حسب دانه بندی ذرات خاک…………………..…..71

فصل اول
مقدمه وکلیات

مقدمه
هیدروژئولوژی را میتوان به عنوان علمی پیرامون پدیدآمدن، توزیع و حرکت آب در زیر سطحزمین تعریفکرد. انجمن تحقیقات ملی آمریکا هیدروژئولوژی را اینگونه توضیح دادهاست:
هیدروژئولوژی علمی است که راجع به آبهای زمین، چگونگی به وجودآمدن آن، چرخش و توزیع آن، ویژگیهای چرخش و توزیع آن، ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی، واکنش آن به محیط اطراف و ارتباط آن با موجودات زنده بحث میکند (Todd,2005) .
آبهایزیرزمینی به دلایل مختلف زمین شناسی، هیدرولیکی، هیدرولوژیکی و … در زیر زمین حرکت میکنند، برای مطالعه وپژوهش درباره ماهیت این جریان تاکنون از روشهای صحرایی، تحلیلی و مدلهای فیزیکی استفاده شده است. روشهای صحرایی برای اعتیارسنجی فرضیه هایی که در مورد جریان آبزیرزمینی به کار برده می شود، همیشه مقدور نیست. جدا از بحث هزینههای زیاد روشهای صحرایی، در طبیعت ما قادر به تغییر وضعیت موجود ومقایسه آنها با هم نیستیم. ولی استفاده از مدلهای فیزیکی این امکان را به ما می دهد که اعتبار فرضیات را در شرایط مختلف سنجیده و مقایسه کنیم.
سیستمهای جریان زیرزمینی غالبا پیچیدهتر از جریانهای ساده یک بعدی یا جریانهای شعاعی است. سیستمهای سادهتر را ممکن است بتوان با راه حلهای ریاضی تحلیل کرد. ولی بهتر است که جریان در سیستمهای پیچیدهتر، به ویژه در محیطهایی که مرزهای نامنظم، شرایط مرزی پیچیده یا لایههای ناهمسان دارند و در مواردی که چندین سیستم جریان به طور همزمان وجود دارد، با استفاده از مدلها (فیزیکی، تشابهی یا عددی) حل شود(صداقت، 1387).
دستگاه هیدرولوژی که در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده عمران قراردارد، نمونه ای از یک مدل فیزیکی است، که با تقریب خوبی، یک آبخوان در طبیعت را شبیه سازی میکند. در این پژوهش با در نظرگرفتن فرضیات لازم برای استفاده از معادلات حاکم بر جریان آبهای زیرزمینی، آزمایشات مختلف با هدف اندازهگیری پارامترهای هیدرودینامیکی آبخوان روی این مدل فیزیکی انجام شد. با تخمین این پارامترها قادر به ارزیابی سطح ایستابی آبخوان خواهیم بود، همچنین در آزمایشگاه امکان تعویض خاکهای آبخوان را داشته و با استفاده از این امکان خاکهای مختلف را در شرایط یکسان مورد سنجش قرار دادیم. با استفاده از این مدل فرضیات مربوط به ارتباط ضریب هدایتهیدرولیکی با دانهبندی خاک و تاثیر روشهای مختلف آزمایشگاهی در مقدار این ضریب بررسی شد.
نیاز به مدلسازی آب زیرزمینی امروز بیش از هر زمان دیگری احساس میشود و این نیاز از دو دیدگاه قابل بررسیاست. دیدگاه اول نیاز روزافزون بشر به آب شرب، در حالی که استفاده بی رویه و بدون برنامه تاکنون مقدار قابل توجهی از این منبع را هدر داده است وجهان را با مشکل جدی در دسترسی به آب آشامیدنی مورد نیازش مواجه کرده است. مطالعه وبررسی و داشتن اطلاعاتی راجع به چگونگی حرکت این آب ها زیرزمین، در خاک های مختلف وتاثیر چاهها، قناتها، زهکشها سدهای خاکی، سدهای زیرزمینی، وبه طور کلی هر سازه ساخت بشر که در روند طبیعی این جریان تاثیرگذارد، به منظور مدیریت صحیح این منبع لازم وضروری است. دیدگاه دیگر راجع به اهمیت این مطالعات در بخش مهندسی است. درفعالیت های مهندسی آب زیرزمینی در عین اینکه به عنوان عاملی مزاحم باید مهار شود، به همان اندازه برای ادامه پروژه به آن نیاز است. به همین خاطر شناخت کافی از رفتار آب، کنترل آن را ممکن می سازد. برای مثال در پروژه های معدنی نشت آب زیرزمینی در تونل های اکتشافی عاملی مزاحم محسوب می شود که با روش های مناسب زهکشی باید حرکت آب را به سمت خاصی هدایت کرد تا باعث تخریب نشود و در عین حال بتوان ار این آب به صورت بهینه بهره برد. در پروژههای عمرانی اعم از ساخت سد، فونداسیون، جادهها با مشکلاتی مشابه مواجه هستیم.
با توجه به موارد گفته شده، به وضوح میتوان اهمیت این مطالعات و پیشبرد آن به سمتی که نتایج حاصل از آن بیشترین کاربرد را در عرصههای صنعتی داشته باشد را درک کرد. لذا دستیابی به روش هایی بهتر برای مدیریت زمان و هزینه و نیز کنترل این پدیده و هدایت آن به سمتی که با اهداف ما هم راستا شود، انجام تحقیقاتی پیرامون شناخت هرچه بهتر آن و تحلیل رفتارش لازم و ضروری میباشد.
1-3-شرح مسأله :
تحقیق حاضر به منظورسنجش اعتبار روشهای آزمایشگاهی برای تخمین پارامترهای هیدرودینامیکی آبخوان با توجه ویژه به ضریب هدایتهیدرولیکی، برای سه نوع خاک با دانه بندی متفاوت صورت گرفته است.
انجام آزمایشات با دو رویکرد ارزیابی پارامترهای آبخوان با انجام روش های مختلف آزمایشگاهی و مقایسه آن با مقادیر بدست آمده از روش های تجربی از یک سو، و از سوی دیگر مقایسه زمان رسیدن به تعادل در آبخوان هایی با دانه بندی های متفاوت، مقایسه تغییرات ایجاد شده در سطح آب زیرزمینی در صورت پمپاژ از چاه آب در خاک های مختلف و رسیدن به نتایجی پیرامون تحلیل رفتار آب زیرزمینی در نتیجه پارامترهای نظیر دانه بندی خاک میباشد. لذا در هر بار آزمایش یک نوع خاک درون دستگاه قرار داده شد و مورد آزمایش قرارگرفت.
برای بدست آوردن ضرایب آبخوان که ضریب هدایت هیدرولیکی یکی از مهمترین آنها میباشد روش های صحرایی، آزمایشگاهی و فرمول تجربی به کار برده می شود که البته از نظر صرف دقت و هزینه روش های صحرایی نسبت به دو روش دیگر پرهزینه تر است، لذا نیاز به یک روش آزمایشگاهی دقیق که بتواند ما را از انجام آزمایشهای صحرایی بی نیاز سازد، میباشد. آزمون پمپاژ و آزمایش بارافتان و آزمایش ردیاب از روش های متداولی است که برای دستیابی ضرایب آبخوان استفاده میشوند.
در این تحقیق با استفاده از این سه روش در آزمایشگاه، مقادیر ضرایب هدایت هیدرولیکی بدست آمده است، سپس با مقایسه خاک ها در زمان رسیدن به تعادل، گرادیان هیدرولیکی و شعاع تاثیر با استفاده از داده های آزمون پمپاژ با هم مقایسه شدند و ازنتایج آنها برای رسیدن به روابط کمی مورد نیاز استفاده شده است.
1-4-فرضیات :
با توجه به محدودیت های موجود در محیط آزمایشگاهی و عدم امکان بررسی تمام حالات و گزینه های پیش رو نتایج این تحقیق با در نظر گرفتن فرضیات زیر میباشد.
1. با توجه به محدودیت ابعاد دستگاه نتایج این تحقیق در محدوده شعاع تاثیر چاه صادق می باشد.
2. آزمایش ها در شرایط خاک همگن و همسانگرد انجام شده است.
3. آزمایش ها در حالت جریان دائمی انجام شده است.
4. چاه تا بستر آبخوان نفوذ کرده است.
5. خطوط جریان موازی میباشند.
6.. شیب هر نقطه از جریان مساوی شیب سطح ایستابی در بالای همان نقطه می باشد.
7. سطح ایستابی قبل از پمپاژ افقی باشد.
8. آبخوان به صورت آزاد (غیرمحصور) می باشد.

1-5-دامنه تحقیقات :
آبهای زیرزمینی و شناخت آبخوان مورد توجه بسیاری از محققان در رشتههای عمران، معدن، کشاورزی، زمینشناسی و منابعطبیعی قرار دارد. در این مطالعه پمپاژ از چاه که اساسی ترین راه استفاده از آب زیرزمینی میباشد شبیه سازی شدهاست. چگونگی حرکت آب در خاک تحت گرادیان هیدرولیکی بررسی شده است، و چون در طبیعت تعویض خاک و بررسی چند نوع دانه بندی میسر نمیباشد در شرایط آزمایشگاهی با انجام این کار و انجام آزمایشات برروی سه نوع خاک با دانه بندی متفاوت این امکان فراهم شد تا بتوان خاک های مختلف را در پارامتر هیدرودینامیکی، زمان تعادل، گرادیان هیدرولیکی، شعاع تاثیر چاه و مخروط افت مقایسه کرد. لذا از نتایج بدست آمده می توان برای پروژه هایی که با مدیریت آب زیرزمینی چه در زمینه ذخیره، چه در مورد جلوگیری از نشت آب، ارزیابی زمان لازم برای انجام پروژه با توجه به نوع خاک، توسعه چاه به صورت طبیعی یا مصنوعی در زمینه های عمران، معدن، منابع طبیعی و جهاد کشاورزی می تواند کاربرد داشته باشد.

1-6-اهداف تحقیق
هدف از انجام این پژوهش دستیابی به موارد زیر میباشد:
تعیین ضرایب هیدرودینامیکی وبه ویژه ضریب نفوذپذیری (هدایت هیدرولیکی آبخوان) از طریق سه روش آزمایشگاهی
مقایسه نتایج روشهای آزمایشگاهی با فرمولهای تجربی
بررسی ارتباط دانه بندی خاک با زمان رسیدن به تعادل در آبخوان
بررسی چگونگی حرکت آب در خاک های با دانه بندی متفاوت در اطراف چاه پمپاژ
بررسی ارتباط دانهبندی خاک با گرادیان هیدرولیکی و شعاع تاثیر چاه
استفاده از این نتایج برای توسعه چاه

1-7-روش انجام تحقیق :
مدلهای ماسهای، مدل های فیزیکی کوچک شده ای از سیستم های جریان آب زیرزمینی است که امکان عبور آب یا سیال دیگری را از خلال ماسه یا یک محیط متخلخل دیگر فراهم می کند. مدلهای فیزیکی همچنین وسایل ارزشمندی برای آزمودن اعتبار فرضیهها و فرضهای ساده شدهای است که در تجزیه و تحلیل ریاضی سیستمهای جریان به کار برده میشود (صداقت ، 1387).
روش انجام این تحقیق به صورت آزمایشگاهی برروی یک مدل فیزیکی با نام دستگاه هیدرولوژی میباشد که در فصل بعد به جزئیات آن و مراحل انجام آزمایش به طور مفصل پرداخته میشود.
1-8-ترتیب ارائه مطالب :
فصل اول این تحقیق به مقدمه و کلیات اختصاص دارد که شامل مقدمه، شرح مسأله، فرضیات مطالعه ، دامنه کاربرد تحقیق ، اهداف آن، روش انجام و … می باشد و به گونه ای به تحریر در آمده است تا خواننده با خواندن این بخش دیدی جامع نسبت به کل موضوع پیدا کند.
فصل دوم با عنوان ادبیات پژوهش شامل دو بخش مفاهیم و قوانین کلی و پیشینه پژوهش می باشد. در بخش مفاهیم اصول جریان آب در خاک و مفاهیم مربوط نشت و آب های زیرزمینی و هیدرولیک چاه ، روش های بدست آوردن ضریب هدایت هیدرولیکی آبخوان ارائه شده است. در بخش پیشینه پژوهش با مروری بر کارهای انجام شده قبل ، توضیح کوتاهی راجع به روش و نتایج حاصل از آن آورده شده است.
فصل سوم با عنوان روش تحقیق شامل : معرفی مدل فیزیکی، مطالعات خاکشناسی، مطالعات هیدرولیکی، روش انجام آزمایش میباشد. در قسمت معرفی مدل به بیان جزئیات دستگاه هیدرولوژی، کارکرد و قابلیت های آن پرداخته شدهاست. سپس چگونگی استفاده از مدل در انجام آزمایش های مختلف بیان شده است. مطالعات خاکشناسی درباره مشخصات فیزیکی خاک مورد مطالعه و پارامترهای مهم در بحث نشت و آبهای زیرزمینی میباشد. در قسمت مطالعات هیدرولیکی، برقراری شرایط دارسی مورد بحث قرار گرفتهاست. بخش روش انجام آزمایش نیز برای هریک از حالات، نحوه انجام کار و پارامترهای مربوط به آن توضیح داده شده است.
فصل چهارم به بررسی و تحلیل دادههای حاصل از آزمایشها اختصاص دارد. با ارائه نمودارها و روابط بدست آمده به تحلیل و تفسیر نتایج پرداخته شده است.
فصل پنجم با عنوان نتیجهگیری و پیشنهادات شامل نتیجهگیری کلی و پیشنهاداتی جهت مطالعات بعدی ارائه شده است.
در انتها نیز فهرستی از منابع و مآخذ مورد استفاده در این تحقیق آورده شده است.
فصل دوم

مطالعه آب شناسی تحقیق
2-1- مفاهیم و قوانین کلی
2-1-1- جریان آب در خاک
2-1-1-1- گرادیان هیدرولیکی
طبق رابطه برنولی1 ، بار آبی کل2 یک نقطه آب در حال جریان، مجموع بار فشار، بار سرعت و بار ارتفاعی میباشد. یعنی
(2-1) h= p/Υ_w +v^2/2g+z
که در آن h بار آبی کل، p فشار، v سرعت، g شتاب ثقل، Υ_w وزن مخصوص3
آب و z فاصله نقطه مورد نظر تا تراز مبنا میباشد.
اگر رابطه برنولی برای حالت جریان آب از داخل محیط متخلخل خاک در نظر گرفته شود، به علت سرعت کم جریان، از بار سرعت می توان صرف نظر کرد و بار آبی کل را به صورت زیر نوشت:
(2-2) h= p/Υ_w +z
شکل 2-1 ارتباط بین فشار، و بار کل جریان در داخل خاک را نشان میدهد.

شکل2-1: رابطه بین فشار وبار آبی برای جریان در خاک[صداقت،1387]
افت بار h را میتوان در شکل بی بعد به صورت زیر نوشت:
(2-3) i=∆h/L
که در آن i گرادیان هیدرولیکی و L فاصله بین نقاط A و B می باشد.
2-1-1-2- قانون دارسی
در سال 1856 ، دارسی رابطه ساده خود را برای سرعت جریان آب در خاک اشباع به صورت زیر منتشر نمود:
(2-4) v=ki
که در آن v سرعت جریان و k ضریب نفوذپذیری می باشد. قانون دارسی در شرایطی حاکم است که شرایط دارسی برقرار باشد . توضیحات بیشتر در این رابطه در فصل سوم ارائه شده است.

2-1-1-3- معادله لاپلاس4
به جز حالتهای ساده که برای محاسبهی دبی جریان کاربرد مستقیم قانون دارسی کفایت میکند در خیلی از حالات جریان آب در خاک نه تنها در یک امتداد نیست، بلکه در تمام سطح عمود بر امتداد جریان نیز یکنواخت نمیباشد. در چنین حالاتی، محاسبه جریان بر اساس مفهوم شبکه جریان5 که بر پایه روابط پیوستگی لاپلاس که شرایط جریان دائمی را برای یک نقطه در تودهی خاک تعریف میکنند ، صورت میگیرد. معادله لاپلاس از ترکیب قانون بقا، جرم6 و رابطه دارسی به دست میآید و در حالت سه بعدی به شکل زیر بیان میشود:

(2-5)
اگر خاک از نظر نفوذپذیری همسانگرد باشد رابطه پیوستگی به صورت زیر بیان میشود.

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

2-1-1-4- شبکه جریان
معادله لاپلاس در حالت دوبعدی برای محیط همسانگرد نشاندهنده دو خانواده منحنی متعامد است که نام یکی خطوط جریان7 و نام دیگری خطوط هم پتانسیل8 است. خط جریان خطی است که ذرات آب در امتداد آن از بالادست به پایین دست در خاک نفوذپذیر جریان می یابند. خط همپتانسیل، خطی است که نقاط واقع در روی آن دارای یک انرژی پتانسیل میباشند. بنابراین اگر پیزومتر9هایی در روی نقاط واقع در روی یک خط هم پتانسیل نصب شوند، تراز سطح فوقانی آب در تمام پیزومترها یکسان خواهد بود.
مجموعه خطوط جریان و خطوط هم پتانسیل، شبکه جریان نامیده میشود . از شبکه جریان برای محاسبات جریان آبهای زیرزمینی استفاده میشود. شکل 2-2 مثالی از یک شبکه جریان میباشد.

شکل 2-2: شبکه جریان[ صداقت،1387]
2-1-2- هیدرولیک چاه ها
2-1-2-1- جریان شعاعی آب در چاه در لایه های آزاد در حالت ماندگار
مطابق شکل (2-3) فرض میشود چاهی از سطح زمین تا لایه ی غیرقابل نفوذ کف در یک آبخوان آزاد10 حفر شده باشد. موقعیت سطح ایستابی قبل از پمپاژ با خط چین مشخص گردیده و منحنی افت نیز با خط پر نشان داده شدهاست. شعاع تاثیر چاه r_0، ارتفاع آب در لایه آبدار h_0 و ارتفاع آب در چاه طی پمپاژ h_w میباشد. به عبارت دیگر افت سطح آب در چاه h_(0- ) h_w است. با فرض اینکه جریان شعاعی آب به طرف چاه در امتداد خطوط افقی صورتگیرد و شیب خطوط جریان مساوی شیب منحنی افت باشد (فرضیات دوپوئی – فرشهیمر)، میتوان قانون دارسی را برای این وضعیت به کاربرد. برای شرایط ماندگار که در آن فرض میشود سطح افت نسبت به
شکل 2-3: جریان شعاعی آب به طرف چاه در آبخوان آزاد[صداقت،1387]

زمان در موقعیت ثابتی قرار گرفتهاست ، یعنی دبی ورودی به چاه و دبی خروجی از آن با یکدیگر مساوی است میتوان نوشت :
(2-7) Q=AV=kAi
در یک نقطه انتخابی مانند m روی سطح منحنی افت که ارتفاع آب در آن h میباشد شیب هیدرولیکی i=dh/dr و مساحتی که جریان آب آن را قطع و از آن به طرف چاه حرکت میکند (A) برابر سطح جانبی استوانهای است به شعاع r و ارتفاع h، یعنی :
(2-8) A=2πrh
بنابراین :
(2-9) Q=2πrh (k dh/dr)

(2-10) Q dr/r=2kπhdh
حال اگر در معادله فوق بین دو حد (h=h_w،r=r_w) و (h=h_0،r=r_0) انتگرال گرفته شود خواهیم داشت:
(2-11) ∫_(r_w)^(r_0)▒〖Q dr/r〗=∫_(h_w)^(h_0)▒2kπhdh
که نتیجه آن عبارت است از :
(2-12) Q=kπ (h_0^2-h_w^2)/(ln r_0/r_w )
معادله (2-12) تغییرات دبی را نسبت به شعاع تاثیر و افت سطح آب در چاه نشان میدهد که از روی آنها میتوان مقدار نفوذپذیری را نیز به دست آورد.(علیزاده ، 1386)

2-2-پیشینه پژوهش
تحقیقات بسیاری در بخشهای مختلف پیرامون موضوع ژئوهیدرولوژی صورت گرفته است. هیدرولیک چاه ها، جنس و دانهبندی خاک، گرادیان هیدرولیکی، ضریب نفوذپذیری توسط محققان مختلف دررشته های مهندسی آب، معدن، زمین شناسی، کشاورزی، منابع طبیعی صورت گرفته است. تمام این تحقیقات حول یک محور و آن هم ماهیت حرکت آب میباشد. این ماهیت ذهن را به این سمت هدایت میکند که آب همیشه چه در سطح زمین وچه در زیر آن مسیری را برای حرکت انتخاب میکند که آسانتر باشد.
تا پنجاه سال اخیر منابع کمی درباره مطالعات آب زیرزمینی در دست بود که معمولترین آنها کتابهایی توسط، تولمن 11(1937 )، مینزر12(1942 )، موسکات 13(1937 )، وبخش بسیار عالی در آب زیرزمینی توسط ژاکوب 14(1950 )، میباشد. تعداد کمی مقالات موثق که درهمان زمان منتشرشدند نظیر آنچه به وسیله هوبرت15(1940 )، تیس 16(1935) نوشتهشدند. که در حال حاضرنیز مرجع بسیاری از تحقیقات در آبهای زیرزمینی میباشند. درادامه به کارهای محققانی که درزمینه پژوهش موردنظر انجام شده با ذکرخلاصهای ازنتیجه کار آنها پرداخته میشود.
بون17 در سال 1982 زمان رسیدن جریان به حالت پایدار رادر جریانهای سطحی وزیرسطحی، مقایسه نمود وعنوان کرد که در جریان زیرسطحی، زمان رسیدن دبی حداکثر(زمان تمرکز) به مراتب بیشتر از جریان سطحی است. وی افزود که ضریب هدایتهیدرولیکی، رطوبت خاک وعمق آبخوان تاثیر زیادی در میزان این اختلاف زمانی دارند( بون،1982).
اسکولز – ماکوش18 و همکارانش در سال 1995 ضریب هدایتهیدرولیکی را با استفاده از نتایج آزمون پمپاژ به روشهای آزمون تیس و کوپر-ژاکوب مورد ارزیابی قرار دادند. آنها علاقه‏مند بودند علت تغییر ضریب هدایتهیدرولیکی با افزایش محدودهای از آبخوان که تحت تاثیر پمپاژ قرارگرفته را دریابند و سپس بیان نمودند که این تغییرات مستقل از روش اندازهگیری ضریب هدایتهیدرولیکی است (اسکولز – ماکوچ و همکاران، 1995). فاراگ19 روشهای مختلفی را برای اندازه گیری ضریب هدایت هیدرولیکی خاک ارزیابی نمود. این روشها شامل فرمولهای تجربی، آزمونهای نفوذپذیری صحرایی و پمپاژ از چاه بودند. وی آزمونهای صحرایی را بهترین روش برای اندازهگیری ضریب هدایت هیدرولیکی اعلام نمود و افزود در صورت عدم امکان و یا محدودیت های انجام چنین آزمایشهایی می توان از فرمولهای تجربی استفاده نمود. فاراگ بر روی فرمولهای تجربی هیزن (1948)، شفرد(1989)، آلیامانی و سن(1993) تحقیق نمود و پیشنهاد داد که از میان این فرمولها، رابطه هیزن تقریب های دقیق تری به ما میدهد(فاراگ).
در سال 2000، کاسیموف20 اثر گرادیانهیدرولیکی را در جریان آبهای زیرزمینی به سمت یک دریاچه کرهای شکل بررسینمود. فرضیات وی بر این اساس بود که آبخوان محصور و همگن باشد. در این تحقیقات اثرات هدایت هیدرولیکی آبخوان، پهنای دریاچه، رقوم کف دریاچه و قطر ذرات در نظر گرفته شده است (کاسیموف، 2000).
چویی21 نیز در سال 2008 تحقیقات مشابهی را بر روی دریاچهای با ضریب هدایت هیدرولیکی نسبتا زیاد انجام داد (چویی، 2008). آنتونیو و پاچکو22 در سال 2002 به بررسی منحنی های زمان – افت در برداشت از چاه در زمینهای گسلهای پرداختند که در آن آبخوان شامل یک ناحیه متخلخل و شیبدار در میان دو لایه سنگی بود. آنها منحنیهای زمان – افت سطح آب در این آبخوان محدود و شیبدار را با منحنیهای کوپر – ژاکوب مقایسه نمودند (آنتونیو و پاچکو، 2002). رود23 و همکارانش برداشت از چاه و اثرات آن بر روی آبهای زیرزمینی را بررسی نمودند. آنها در سال 2004 با آمارگیری و بررسی میزان برداشت از آبهای زیرزمینی و میزان مصرف در مقایسه با آبهای سطحی برای سالهای خشک و بحرانی و نیز ترسالیها را در تحقیقات خود نشان دادند. در این تحقیقات اشاره شده است که میزان برداشت از آبهای زیرزمینی در سالهای تر، 30 درصد از تقاضای کل مصرف آب است که این میزان در سال های خشک به 80 درصد می رسد. منطقه مورد بررسی در ایالت کالیفرنیای آمریکا است که ناحیهای نیمه خشک محسوب می‏شود (رود و همکاران،2004).
محققین زیادی بررسیهای خود را به ضریب هدایت هیدرولیکی خاک اختصاص دادند. از آنجا که در بسیاری از تحقیقات آبهای زیرزمینی نیاز به داشتن میزان آبگذری خاک است، این محققین علاقه مند بودند ضریب هدایت هیدرولیکی را از روش های مختلف اندازه گیری نموده و نتایج را با یکدیگر مقایسه کنند.
در بعضی از این روشها ضریب هدایتهیدرولیکی به صورت تئوری اندازهگیری میشود که اساس همه آنها فرمول دارسی است. در این روش دیتاهای بدست آمده از آزمایش در رابطهای که از فرمول دارسی مشتق شده قرار داده میشود و ضریب هدایتهیدرولیکی به دست میآید. همچنین فرمولهای تجربی زیادی بر اساس شرایط دانهبندی و نوع خاک ارائه شدهاند که اساس همه آنها درشتی ذرات خاک است (کاسنوف24، 2002).
در سال 2007، اودنگ25، بررسیهای خود را صرفا به محاسبه ضریب هدایتهیدرولیکی با استفاده از فرمولهای مختلف تجربی اختصاص داد. وی فرمول های هیزن، کازنی – کارمن، بریر ، اسلیچر، ترزاقی، USBR و آلیاماتی و سن را برروی چهار نوع خاک با دانه بندی مختلف از ماسه متوسط تا شن استفاده کرد و ضریب هدایتهیدرولیکی را از آزمون پمپاژ از چاه بدست آورد تا بتواند نتایج به دست آمده از فرمولهای تجربی را با مقادیر واقعی صحرایی مقایسه کند. وی فرمول تجربی کازنی – کارمن و پس از آن فرمول هیزن را برای خاک های ماسه ای و فرمول بریر را برای شن پیشنهاد نمود (اودونگ، 2007).
چی یانگ26 و همکارانش در سال 2008 روش های مختلف استفاده از فرمول های تجربی و برداشت از آبخوان را برای محاسبه ضریب هدایت هیدرولیکی ارزیابی نمودند و اعلام کردند که مقدار محاسبه شده ضریب هدایت هیدرولیکی آبخوان که از فرمولهای تجربی به دست آمده 3/3 برابر بیشتر از آزمون پمپاژ است. همچنین ضریب هدایت هیدرولیکی را از آزمون چاهک به دست آوردند که نتایج آن 10 تا 100 برابر کمتر از نتایج حاصل از فرمولهای تجربی و آزمون پمپاژ اعلام شد(چی یانگ و همکاران، 2008). در سال 1389 وزیریان و امانیان ضریب هدایت هیدرولیکی را در یک بررسی آزمایشگاهی از طریق آزمون پمپاژ به دست آوردند و نتایج را با رابطه تجربی هیزن مقایسه کردند. نتایج نشان داد که رابطه هیزن که می تواند به سهولت مورد استفاده قرار گیرد تقریب خوبی از ضریب هدایت هیدرولیکی به ما می دهد (وزیریان و امانیان، 1389).
در بررسی هیدرولیک آبخوان ها اثر مقیاس مدل بر روی نتایج در مقایسه با محیط طبیعی حائز اهمیت است. در سال 1995 مقاله ای توسط اسکولز- ماکوش و چرکاور با عنوان بررسی اثر مقیاس بر روی ضریب هدایت هیدرولیکی آبخوان در طی آزمایش پمپاژ ارائه شد. در واقع در آن زمان تحقیقات نشان میداد که ضریب هدایت هیدرولیکی در طول آزمون پمپاژ با افزایش مقیاسی از آبخوان که تحت تاثیر برداشت از چاه صورت می گیرد افزایش خواهد یافت. این تحقیق به صورت آزمون های پمپاژ بر روی آبخوانی از جنس کربنات در ایالت ویسکوزین انجام شد و نگارنده اعلام نمود که عموما ضریب هدایت هیدرولیکی در طول آزمایش پمپاژ افزایش مییابد و این موضوع مستقل از روش اندازه گیری و شیوه محاسبه ضریب هدایت هیدرولیکی، (روش کوپر-ژاکوب، روش تیس و روش تیم) میباشد(اسکولز-ماکوش، 1995).
در سال 2005 تحقیق مشابهی توسط ایلمن27 انجام شد و در آن ایالت آریزونای آمریکا در منطقه وسیعی آزمون تزریق به داخل چاهک و محاسبه ضریب هدایت هیدرولیکی غیراشباع به روش چاهک معکوس انجام شد و نتایج نشان داد که با افزایش منطقهای که تحت تاثیر آزمایش قرار میگیرد، ضریب هدایتهیدرولیکی افزایش خواهد یافت. نگارنده تحقیق مذکور علت این موضوع را افزایش شکستگی های به همپیوسته در بافت آبخوان در طی افزایش مقیاس آزمون بیان نمود(ایلمن، 2005).
وو28 و همکارانش در سال 2008 به بررسی جریان آبهای زیرزمینی در آبخوان و مقایسه سرعت جریان در چاه (با استفاده از چند نوع دستگاه سنج) با سرعت طبیعی جریان آبهای زیرزمینی در آبخوان در فواصل دور از چاه (با استفاده از فرمول دارسی) پرداختند. آنها آزمایش های خود را بر روی یک مدل آبخوان آزمایشگاهی به طول 80 سانتیمتر، عرض 50 سانتیمتر و ارتفاع 65 سانتیمتر انجام دادند و در تحقیق خود اعلام نمودند که برای جلوگیری از اثرات مرزها لازم است ابعاد مخزن خاک حداقل 10 برابر شعاع چاه در آن مدل باشد(وو و همکاران، 2008).
ماسلینک29 و همکارانش در سال 2009 به بررسی حرکت آب های زیرزمینی در آبخوان هایی که در مجاورت آب شور دریاها قرار دارند پرداختند. آنها برای انجام تحقیقات خود یک مدل آزمایشگاهی ساختند و آبخوانی را با ریختن شن موجود در ساحل بوجود آوردن و ضمن بررسی تداخل آب های شور و شیرین و میزان پیشروی آب شور به طرف ساحل، به بررسی اثر مقیاس برای مدلسازی آبهای زیرزمینی پرداختند. آنها در مقاله خود به این موضوع اشاره نمودند که در بررسی جریان آبهای زیرزمینی در آبخوانها توسط مدلهای آزمایشگاهی حرکت آب در خاک به صورت حرکت مولکولهای آب از میان خلل و فرج یک محیط متخلخل اتفاق میافتد و این پدیده همان چیزی است که در یک آبخوان واقعی و یا به طور کلی در هر جریان آبهای زیرزمینی اتفاق میافتد. آنها حرکت آبهای زیرزمینی در یک مدل آزمایشگاهی را مشابه جریان در آبخوان واقعی معرفی نمودند ولی عنوان کردند که لازم است به اثرات مرزها بر روی جریانهای زیرزمینی توجه شود(ماسلینک و همکاران، 2009).
نیهلم30و همکارانش در مقاله خود با عنوان پایین افتادن سطح آب در نهرها به علت برداشت آب های زیرزمینی توسط چاهها که در سال 2002 منتشر گردید، آبخوانی را در نظر گرفتند که شامل یک نهر بود و در آن جریان سطحی وجود داشت. همچنین آبخوان دارای چاهی بود که توسط آن برداشت از آب های زیرمینی صورت میگرفت(نیهلم و همکاران،2002).
با توجه به کارهای انجام شده، در این پژوهش سعی شده با سه روش آزمایشگاهی مختلف پارامترهای هیدرودینامیکی آبخوان سنجیده شود و با مقایسه با فرمولهای تجربی، اعتبار این روشهادر بدست آوردن این ضرایب در آزمایشگاه سنجیده شود. سپس با استفاده از دادههای آزمون پمپاژ خاکها با دانه بندی مختلف را در زمان رسیدن به تعادل، گسترش مخروط افت و گرادیان هیدرولیکی مقایسه شدند. ارتباط بین دانهبندی و شعاعتاثیر چاه، ارتباط دانهبندی خاک با زمان رسیدن به تعادل، رابطه گرادیان هیدرولیکی ودانهبندی خاک به صورت کمی بیان شد.

فصل سوم
تعیین پارامترهای هیدروژئولوژی با مدل فیزیکی

3-1- معرفی مدل فیزیکی
3-1-1- معرفی دستگاه هیدرولوژی
دستگاه هیدرولوژی یک مدل فیزیکی برای شبیه سازی آبخوان میباشد.این دستگاه در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده عمران دانشگاه یزد قرار دارد.
بعضی از مشخصات دستگاه مدل هیدرولوژی به شرح زیر است:
تغذیه ناحیه تحت پوشش نفوذپذیری



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید