سد زیرزمینی

در مناطق خشک و نیمه خشک جهان ماسه و شن ته نشین شده در آبراهه‌ها و رودخانه‌ها می‌توانند آب را برای اهداف شرب همانند آبیاری فراهم کنند. بعضی از آبراهه‌ها فصلی هستند ولی می‌توان آن را دائمی کرد. بستر آبراهه‌هایی که خشک هستند ولی دارای پوشش گیاهی سبز در بستر و پهنه‌های سیلابی هستند، نشان میدهند که آنها بایستی منبع آب در مجاورت زیر سطح بستر باشند.

سدهای زیرزمینی به صورت موانعی هستند که در زیر سطح زمین برای مهار جریان های آب زیر سطحی در آبرفت طبیعی ایجاد می گردند. این موانع می تواند به صورت موانع فیزیکی و یا هیدرولیکی باشند .معمولاً موانع هیدرولیکی در مجاورت سفره های آب شور در کنار دریا ، با هدف سد کردن آب شور دریا و حفاظت از سفره های آب شیرین در مجاورت آب شور انجام می گیرد.

 سدهای زیرزمینی سیلابهایی را که منافذ ذرات درشت دانه بستر رودخانه را پر کرده و به سمت پائین دست از زیر زمین زهکش می‌شوند را کنترل می‌کند. سدهای زیرزمینی اجازة عبور آب باران بدون کاهش جریان به سمت اهالی در پائین دست می‌گردد. علاوه براین سدهای زیرزمینی هیچگونه نیازی به نگهداری نداشته و توسط ماسه یا گل مسدود نمی‌شوند. افت ناشی از تبخیز نیز غالبا زمانیکه آب در ماسه ذخیره می‌گردد وجود ندارد
وجود شرایط زمین شناسی و توپوگرافی مناسب زیر سطحی برای مخزن ذخیره آب و نیز برای محل احداث سد زیرزمینی ، مشابه آنچه برای سدهای روی سطح زمین در نظر گرفته می شود، حائز اهمیت است .که چنین شرایطی در محل مخروط افکنه های واقع در دامنه های کوهستانی دهانه خروجی دره ها و مسیل ها فراهم می باشد و نیز سنگ بستر در این گونه موارد بایستی دارای نفوذ پذیری خیلی کم و یا غیرقابل نفوذ جهت تجمع و ذخیره آب باشد.
بسیاری از کشورهای در حال توسعه در مناطقی که بارندگی به صورت فصلی و غیرقابل پیش بینی بوده ، واقع شده اند  در این کشورها تهیه آب تا حد زیادی از طریق ذخیره کردن آن در فصل پر باران برای فصل های کم باران و در سال های مرطوب برای سال های خشک انجام می شود. یکی از راه های برطرف کردن کمبودهای فصلی آب ، استفاده از آبهای زیرزمینی است .ولی در برخی نواحی در اواخر فصل خشک ، حتی منابع آب زیرزمینی نیز به انتها می رسند و یا آب زیرزمینی در دسترس نیست و برای بهره برداری از آن نیاز به حفر چاه های عمیق و نصب پمپ است که البته این روش مقرون به صرفه نیست .

سفره های آب زیرزمینی خود به دو قسمت تقسیم می شوند :

الف)  سفره های آزاد : در این نوع سطح ایستابی همان سطح فوقانی منطقه اشباع بوده و مقدار فشار در سطح ایستابی برابر فشار اتمسفر می باشد .

سفره های تحت فشار : به سفره های آرتزین یا محصور معروفند و در محلهایی تشکیل می شوند که اب زیرزمینی توسط لایه ای نسبتآ" نفوذ ناپذیر  از بالا محدود شده و در نتیجه آن  آب زیر زمینی تحت فشاری بیش از فشار اتمسفری دارد .

 ب) گروه دوم مخازنی هستندکه در لایه های شکافدار، توده های آهکی و دولومیتی و همچنین بر اساس اطلاعاتی که در چند سال اخیر بدست آمده در توده های باز التی شکافدار تشکیل می شوند .مجموعه این مخازن  به عنوان هیدروژئولوژی کارستیک شناسایی می شوند که به جای یک سفره زیر زمینی گسترده پیوسته یک مجموعه از شکافهای مرتبط که بعد عبور جریان آب است را به وجود می اورد . برای نمونه این نوع مخازن می توان غار آبی علی صدر در همدان را اشاره نمود شکل زیر به صورت شماتیک این مخازن را نمایش می دهد.

سدهای زیرزمینی را می‌توان از بتن، سنگ و ملات و گابیون با پوشش ضد آب مثل ورقه‌های پلاستیکی یا لایة رسی و یا خاک تثبیت شده احداث نمود.سدهای زیرزمینی در مقایسه با سدهای معمولی که در عرض رودخانه یا نهر به منظور ذخیره آب ساخته می شوند ، آب سطحی را در مخازن بالادست سد جمع آوری می کنند ولی سدهای زیرزمینی جریان آب زیرزمینی را مسدود می کند و آب را در زیر سطح زمین ذخیره می نماید. همچنین به عنوان سازه جمع کننده ای که جریان آب زیرزمینی را منحرف می نماید به کار می رود.

به عنوان مثال می تواند سفره های مجاور را تغذیه کند و یا سطح ایستابی را در یک سفره با جریان کم طوری بالا ببرد که به سهولت به وسیله عملیات پمپاژ قابل بهره برداری باشد. استفاده از سدهای آب زیرزمینی نسبت به روش های متداول ذخیره سطحی آب دارای مزایای زیادی است.
یکی از مزیت نسبی سدهای آب زیرزمینی در مقایسه با مخازن سطحی رایج ، به مقدار تلفات تبخیر از سطح آب باز می باشد، در این روش تلفات تبخیر کاهش یافته و یا حتی به طور کامل از بین می رود. یک بار و برای همیشه طراحی و ساخته می شود و سپس ذخیره آب برای مدت طولانی در دسترس می باشد ، در حالی که حجم ذخیره مفید مخازن سطحی به دلیل رشد گیاهان و ته نشینی رسوبات کاهش می یابد و همچنین به طور مرتب در معرض تبخیر یا خرابی ناشی از طغیان های شدید رودخانه است.
در سدهای زیرزمینی آب ذخیره شده کمتر آلوده میشود و مخاطرات سلامتی که در مخازن سطحی وجود دارد، منتفی است و همچنین وقتی از مخازن ذخیره سطحی استفاده می شود، قسمتی از زمین توسط مخازن اشغال می شود ، در صورتی که زمین بالا دست مخازن سد آب زیرزمینی را می توان جهت اهداف دیگر نیز به کار برد.

انواع سد زیر زمینی از لحاظ وضعیت قرار گیری در زمین :

الف ) طبیعی :

لایه های نفوذ پذیر از سنگ یا رس تشکیل شده اند که حرکت آب در برخورد با آنها با کندی مواجه شده  ویا قطع می شود . این لایه ها همانند سطح زمین دارای پستی و بلندی می باشند که حاصل حرکت گسلها – آتش فشانها – حرکتهای پوسته ای و.... هستند هنگامی که آبهای زیر زمینی در هنگام حرکت در شیب زمین به یک لایه نفوذ ناپذیر بلند با ارتفاع زیاد برخورد می کنند از حرکت باز ایستاده و در پشت لایه نفوذ ناپذیر که به عنوان سد زیر زمینی عمل می کند جمع میشوند شکل روبرو به صورت شماتیک یک سد زیر زمینی طبیعی را نمایش می دهد .
اصلاح و بهبود سدهای زیرزمینی طبیعی و یا ایجاد نوع جدید آن در مقدار ارزش و تاثیر معنی دار آن در ذخیره و افزایش منابع آبی است.

 ب) سدهای مصنوعی :

سدهایی هستند که ساخته دست بشر هستند و به دو دسته مدفون و نیمه مدفون تقسیم می شوند .

ب-1 ) سدهای مدفون : این نوع سدها شامل دیواره ای هستند که به طور کامل داخل زمین قرار گرفته اند و مخزن آن در داخل آبرفت بالا دست تشکیل می گردد . اکثر سدهای زیر زمینی از این نوع هستند . سدهای مدفون به دو دسته نزدیک سطح زمین و در اعماق زمین تقسیم می شوند .

ب-1-1) سدهای مدفون نزدیک سطح زمین :لایه نفوذناپذیر مصنوعی هستند که عمود بر مسیر آب زیرزمینی  قرار گرفته اند و ارتفاع آن از سطح زمین بالاتر نمی آید .

ب -1-2-) سدهای مدفون در اعماق زمین : در بعضی مواقع به منظور جلوگیری از خروج آب قنوات در زمان غیر ابیاری وزمستان می توان در محل مناسبی از مسیرقنات اقدام به احداث سد زیرزمینی نمود و آب مازاد را در داخل سفره بالا دست ان ذخیره ساخت . این روش به طور سنتی در بعضی از نقاط کشور به کار گرفته شده است . همچنین با احداث این گونه سدها می توان مسیر برخی از چشمه ها و قناتها را مسدود کرد و اب انها را به سمت چشمه اصلی و مادر چاه قناتها هدایت نمود .

ب-2) سدهای نیمه مدفون  در سدهای نیمه مدفون دیواره نفوذناپذیر غالبا" تا ارتفاع بالاتری از سطح زمین نیز امتداد پیدا می کند که این نوع سدها می توانند علاوه بر یک مخزن زر زمینی با ایجاد یک مخزن معلق سطحی و رسوب گیری جریان رودخانه یا سیل بر حجم مخزن زیر سطحی خود بیفزاید و آن را توسعه دهد  بنابراین برای کنترل سیل نیز مناسب خواهند بود .

 کجا می‌توان سد زیرزمینی احداث کرد؟
ترجیحا سد زیرزمینی بر روی یک لایة نفوذ ناپذیر بدلیل ایجاد حجم بزرگتری از آب احداث می‌گردد. سدهای زیرزمینی را می‌توان در بستر رودخانه‌های بدون لایة نفوذ ناپذیر نیز احداث کرد ولی ممکن است آب کمتری را ذخیره کنند. علاوه بر این نکات ذیل نیز بایستی مدنظر قرار بگیرد:
(۱ در مناطق خشک و نیمه خشک احداث می‌شوند.
(۲ در محلهایی که مصالح بستر دارای نفوذ پذیری بالایی هستند.
(۳ در جایی که دارای یک لایه نفوذناپذیر در نزدیکی سطح زمین وجود دارد.
(۴ فاصله سد زیرزمینی تا محل مصرف حتی‌الامکان کم باشد. ۵ )در جاهایی که دارای بارندگی نامنظم بوده و آبراهه فصلی باشد.
(۶ در محلهایی که دارای بیشترین مخزن و کمترین ارتفاع اجرا را داشته باشد. ۷ )ماسة درشت دانه آب بیشتری را نسبت به ماسه ریزدانه ذخیره می‌کند. بستر آبراهه‌های با مواد ماسه‌ای دشت دانه نیز بهتر عمل می‌کنند. ۸ )سدهای زیرزمینی نبایستی در مکانهایی که هرز‌آب روستاها رها می‌گردد و یا در مکانهایی که آب در آنجاها آلوده می‌گردد احداث گردند. ۹ )محدودة سد زیرزمینی نبایستی شامل خاکهای شور یا سنگهای شور که آب را شور می‌کنند باشد. ۱۰ )سد نبایستی برروی تخته سنگهای فرسوده شده و یا سنگهای شکافدار بدلیل نشت آب در آنها احداث شوند

شرایط فیزیکی

 
1- اقلیم :
نیاز به مسدود نمودن آب زیرزمینی جهت ذخیره آب اساساَ از نامنظم بودن بارندگی ناشی می شود. در مناطق خشک ، هر قطره آب ارزشمند است و باید ذخیره شود. در مناطق با اقلیم موسمی ، مجموع مقادیر بارندگی سالانه جهت رفع نیاز مردم و کشاورزی کافی است ، اما موسمی بودن آن بدین معنی است که در زمانی از سال آب در دسترس نیست . بنابراین مسدود نمودن آب زیرزمینی به معنای پل ارتباطی بین ماه های دارای بارندگی برای مقابله با خشکسالی های فصلی است. به علاوه بارندگی های موسمی نیز اغلب در مواقع مورد نیاز اتفاق نمی افتد و این مشکل تأمین آب را حادتر می کند.
احداث سدهای آب زیرزمینی با هدف افزایش کمی یا بالا بردن سطح ایستایی آبخوان یا تغذیه سفره های مجاور و تحتانی در مناطقی که آب در تمام سال وجود دارد ، نیز صورت می گیرد. همچنین اکثر طرح های اجرا شده در مناطق مختلف دنیا مربوط به اقلیم های خشک ، موسمی و حاره ای خشک و مرطوب است.
مطابق تعریف کوپن ، مناطقی که پتانسیل تبخیر در آن ها بیشتر از بارندگی است ، مناطق خشک هستند.
یکی از مزیت نسبی سدهای آب زیرزمینی در مقایسه با مخازن سطحی رایج ، به مقدار تلفات تبخیر از سطح آب باز است.

 
3- هیدروژئولوژی :
اغلب بسترهای پوشیده از شن یا ریگ رودخانه ها جهت احداث سد زیرزمینی مناسب می باشند. در لایه های آبده عمیق تر و یا داخل سنگ هایی که به صورت در جا هوا زده شده اند. با وجود این که خصوصیات ذخیره سازی و جریان چندان مناسبی نداشته اند، احداث سد با موفقیت صورت گرفته است.
آبدهی ویژه این آبخوان ها بسته به توزیع دانه بندی ، شکل ذرات و تراکم از 5 تا 50 درصد متغیر است.
مقدار هدایت هیدرولیکی به نوع مصالح آبخوان وابسته است . به عنوان نمونه هدایت هیدرولیکی شن درشت ، تا هزار برابر شن ریز می باشد و وجود رس در سفرۀ شنی ، گاهی هدایت هیدرولیکی آن را تا هزار برابر کاهش می دهد. بنابراین چنانچه سد زیرزمینی در سفره ای با مصالح ریز دانه احداث شود، معمولاً آب کافی درون فضای خالی خاک وجود داشته ، ولی امکان بهره برداری از آن به خاطر کاهش آبدهی محدود است.
احداث سدهای زیرزمینی در سفره های از جنس سنگ های خرد شده امکان پذیر می باشد، این سدها معمولاً از نوع پرده های تزریق هستند که در عمق شکاف های خرد شده و نفوذ پذیر احداث می شوند و جریان آب زیرزمینی را قطع می کنند. با این عمل می توان زه کشی از اعماق را کنترل نمود که به این طریق ذخیره سازی در لایه های فوقانی نیز اصلاح می شود.
آبخوان های مسدود شده توسط سدهای زیرزمینی معمولاً کم عمق بوده که این موضوع می تواند دال بر وجود سفره های آزاد باشد. اساس ایده ساخت سد زیرزمینی با هدف ذخیره سازی ، متوقف کردن جریان طبیعی آب زیرزمینی می باشد و قضاوت راجع به مفید بودن سد، مستلزم تخمین اندازه جریان ، شرایط نفوذ پذیری و اندازه شیب سطح ایستابی است.
بطور کلی مخازن سد زیرزمینی توسط جریان آب زیرزمینی تغذیه می گردد و برنامه پایش اطلاعاتی، مقدار و جهت آنها را نشان می دهد زمانی که آب ذخیره شده برای آبیاری بالادست سد استفاده شود مشروط بر اینکه آبهای سطحی بقدر کافی نفوذ پذیر باشند، از طریق جریان برگشتی نیز تغذیه مهمی وجود خواهد داشت .
اغلب سدهای زیرزمینی برروی سنگ بستر سخت بنا شده اند و به منظور جلوگیری از تلفات نشت از زیر سد ، باید اتصال محکمی بین دیواره سد و سنگ بستر و تکیه گاه ایجاد نمود .
با توجه به این که متوقف کردن نشت از طریق شکاف های سنگ بستر، حتی اگر در طی احداث سد حاصل شده باشد ، بسیار مشکل است ، لذا دقت و احتیاط ضرورت دارد و باید توجه نمود که احداث سد در دره های باریک و در طول رودخانه ها صورت می گیرد که همیشه احتمال وجود درز و ترک در سنگ بستر آنها وجود دارد.
همچنین تحت شرایط مناسب ، امکان استفاده از لایه با نفوذ پذیری پایین در کف مخزن به عنوان سنگ بستر وجود دارد این لایه می تواند از رسوبات سخت شده یا قسمت یک لایه سنگ هوازده باشد. اصولاً اگر لایه های رسوبی تحتانی به قدر کافی ضخیم باشند نسبتا نفوذ ناپذیر محسوب می شوند ، هر چند که نمی توانند دقیقا همان ویژگی های سنگ کف را داشته باشند که این مساله ممکن است باعث تلفات جانبی آب از مخزن گردد. به هر حال ، اگر هدف مسدود کردن آب زیرزمینی برای تغذیه آبخوان باشد ، روش خوبی است و مشکلی ایجاد نمی کند.

مزایا و منافع احداث سد زیرزمینی در مقایسه با سدهای سطحی عبارتند از: ۱) افت ناشی از تبخیر در مناطق خشک در سد زیرزمینی بسیار کمتر از سد سطحی است که آب در معرض نور خورشد و گرما قرار دارد. ۲) نگهداری سدهای زیرمینی بسیار راحت تر و ارزانتر از سدهای سطحی است. ۳) از تولید مثل و تکثیر حشرات و انگلها مثل پشه جلوگیری می‌شود. ۴) آلودگی آب ذخیره شده توسط مردم و حیوانات بصورت قابل توجه‌ای کاهش می‌یابد بویژه بصورت یک چاه و پمپ دستی می‌توان آب را بهداشتی و کنترل شده استحصال کرد.

  معایب سدهای زیر زمینی : از آنجا که ایده ها و پروژه ها و مصنوعات دست بشر هیچگاه حسن کامل نداشته و عاری از عیب نیز نبوده است سدهای زیر زمینی نیز از این امر مستسنی نیستند . و دارای معایب می باشند . از جمله معایب سدهای زیرزمینی می توان به موارد زیر اشاره کرد :

1-      حجم آب کمتری را در مخزن خود ذخیره می نماید .

2-      تخمین صحیح آب ذخیره شده و قابل برداشت بسیار مشکل است و به عوامل متعددی بستگی دارد .

3-   در این نوع سدها به علت غیر قابل رویت بودن کار،کنترل عملیات اجرایی،کنترل کیفیت ساخت دیواره اب بند و همچنین کنترل آبگذاری از مرزها بسیار مشکل می باشد . و نیاز به دقت و مطالعه زیادی دارد .

4-   در صورتی که عمق بدنه سد از 70 متر بیشتر باشد پروژه از لحاظ اجرایی و تهیه دستگاه حفاری مناسب و مسائل اقتصادی با مشکل مواجه خواهد شد .

در مقایسه محاسن و معایب سدهای زیر زمینی به وضوح می بینیم که محاسن سدهای زیرزمینی نسبت به معایب ان بسیار چشمگیر تر است . با استفاده از سدهای زیر زمینی می توان با توجه به شرایط محلی امکان استفاده از منابع آب زیرزمینی راتا حدود 30 درصد افزایش داد که این میزان افزایش به خصوص در مناطق خشک رقم قابل ملاحظه ای بوده و می تواند تأثیر بسزایی در منطقه به خصوص در مواقع بحران بگذارد .

استخراج آب (بهره برداری):
یک سد زیرزمینی معمولاً دارای یک زهکش در قاعده سد و در امتداد بالادست خود می باشد. عمل این زهکش که معمولاً متشکل از گراول یا لوله شکاف دار احاطه شده توسط صافی گراولی می باشد، جمع آوری آب و انتقال آن به چاه و یا از طریق لوله به صورت ثقلی به مناطق پائین دست است . اگر چه این روش برای مخازن سد شنی مناسب می باشد، ولی در احداث سد زیرزمینی در بستر های رودخانه نیز بکار می رود.
چاهی که آب را از سدهای زیرزمینی استخراج می کند در مخزن قرار می گیرد. برای جلوگیری از تخریب توسط سیلاب آن را نزدیک به کناره رودخانه ها حفر می کنند. وقتی آبخوان های با نفوذ پذیری کم مسدود گردند ساختن تعدادی بیشتر از چاه های با قطر زیاد یا گودال های جمع آوری جهت بوجود آوردن حجم ذخیره کافی به منظور پمپاژ ضروری است .
اگر محل بهره برداری مردم در منطقه پائین دست سد بوده و شرایط توپوگرافی نیز فراهم باشد امکان استخراج آب از مخزن به صورت ثقلی وجود دارد. با استفاده از استخراج ثقلی ، از مشکلات نصب پمپ تعمیر و نگهداری که امروزه گریبان گیر پروژه تامین آب روستائی کشورهای درحال توسعه است ، اجتناب می گردد.
این مسئله حتی درمورد پروژه هایی که دریک چاه کم عمق پمپ دستی ساده ای بکار می رود نیز صادق است.4- رسوبات :
تجمع رسوبات در بالا دست سد شنی ، نتیجه نهایی یک سری فرآیند های فیزیکی است که خصوصیات هیدرولیکی رسوبات را تحت تأثیر قرار می دهد. منشأ رسوبات حوضه ، سازند های سنگ مادر موجود در حوضه است که هوازدگی آن ها را متلاشی می کند و پس از این که ذرات توسط فرسایش از هم جدا شدند ، توسط آب حمل می شوند و سرانجام در مخزن ذخیره ، ته نشین می گردند. به طور معمول مراحل فرسایش و رسوب گذاری در مناطق با اقلیم خشک در دنیا در ارتباط با فعالیت های حفاظت خاک و احداث سدهای بزرگ به طور مفصل مورد مطالعه قرار می گیرند.
هوازدگی مکانیکی و شیمیایی اثر زیادی بر روی خصوصیات رسوب دارد. سرعت پائین هوا زدگی شیمیایی در اقلیم های خشک ، سبب درشت دانه شدن رسوبات می شوند. مقدار فرسایش عمدتاً به شدت بارندگی ،شیب و استفاده از اراضی بستگی دارد .
رسوبات درشتی که بایستی پشت سد شنی جمع شوند ، رسوبات حمل شده به عنوان بار بستر می باشد.بنابراین ضرورت دارد که رگبار های بو جود آورنده جریان های اولیه در شروع فصل بارندگی به قدر کافی شدید باشند که موجب حمل بار بستر گردد. 2- توپوگرافی :
وضعیت توپوگرافی از نظر امکان احداث سد آب زیرزمینی و همچنین دستیابی به مخازن بزرگ با شرایط تغذیه مناسب و تلفات نشت کمتر ،تا حد زیادی تعیین کننده می باشد. مخزن ذخیره آب در پشت سد می تواند بر روی سنگ بستر و یا سازند های سست تر ولی با نفوذ پذیری کمتر قرار گیرد . به طور کلی محل احداث اینگونه سدها بهتر است در دره ها و یا رودخانه های باریک و یکدست انتخاب شود.
در مناطق کوهستانی با شیب تند ، امکان یافتن رابطۀ قابل قبولی بین حجم ذخیره و ارتفاع سد مشکل است.
اساسی ترین دلیل احداث سد زیرزمینی ، افزایش ذخیرۀ سفره آب زیرزمینی از طریق جریان طبیعی آب زیرزمینی است.به طور کلی در شرایط طبیعی ، شیب سطح ایستابی و همچنین میزان جریان آب تابع شیب توپو گرافی منطقه است ، بنابراین برای احداث سد زیرزمینی باید حداقل شیب توپوگرافی که مرتباً با شرایط هیدرولوژیکی محل تغییر می کند، موجود باشد.
معمولاً شیب محل احداث سدها در حدود 2/0 تا 4 درصد می باشند، اما در برخی موارد به طور استثنا نیز سد ها در شیب های 10 تا 16 درصد ساخته شده اند.