آب شناسی
دید کلی
هیدرولوژی علمی است که در مورد پیدایش خصوصیات و نحوه توزیع آب در طبیعت بحث میکند ولی عملا واژه هیدرولوژی به شاخهای از جغرافیای فیزیکی اطلاق میشود که گردش آب در طبیعت را مورد بررسی قرار میدهد. انجمن علوم و فنون ایالات متحده تعریف زیر را برای هیدرولوژی برگزیده است:
هیدرولوژی علم مطالعه آب کره زمین است و در مورد پیدایش ، چرخش و توزیع آب در طبیعت خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آب ، واکنشهای آب در محیط و ارتباط آن با موجودات زنده بحث میکند بنابراین ملاحظه میشود که هیدرولوژی در برگیرنده تمامی داستان آب است.
تاریخچه و تکامل آب شناسی
تا جایی که تاریخ نشان میدهد اولین تجارب آب شناسی مربوط به سومریها و مصریها در منطقه خاورمیانه است بطوری که قدمت سد سازی روی رودخانه نیل به 4000 سال قبل از میلاد مسیح میرسد در همین زمان فعالیتهای مشابهی در چین نیز وجود داشته است. از بدو تاریخ تا حدود 1400 سال بعد ازمیلاد مسیح فلاسفه و دانشمندان مختلفی از جمله هومر طالس ، افلاطون ، ارسطو و پلنی در مورد سیکل هیدرولوژی اندیشههای گوناگونی ارائه کردهاند و کم کم مفاهیم فلسفی هیدرولوژی جای خود را به مشاهدات علمی دادند.
سیر تحولی و رشد
• شاید بتوان گفت هیدرولوژی جدید از قرن 17 با اندازه گیریهای مختلف آغاز شد در این دوره پرالت ترانست مقدار بارندگی تبخیر و صعود موئینهای را در حوضه آبریز رودخانه سن اندازه گیری کند ماریوت با اندازه گیری سرعت و سطح مقطع جریان دبی رودخانه سن را در پاریس اندازه گیری کرد.
• در قرن 18 مطالعات تجربی در زمینههای هیدرولوژی شکوفایی خاصی را پیدا کرد. بر اساس این مطالعات بود که بسیاری از اصول هیدرولیکی پایه گذاری گردید. از آن جمله میتوان وسایلی مانند پیزو ستروبرنولی ، لوله پیتر ، جریان سنج ولت من ، لوله بوردا ، و نظریههایی مانند نظریه برنولی ، (فرمول شزی و قوانین دالامبرت را نام برد. از آن زمان به بعد هیدرولوژی از جنبه کیفی به کمی سوق داده شده و اندازه گیری بسیاری از پدیدههای هیدرولوژی امکان پذیر گردید.
• قرن 19 را میتوان دوره طلایی هیدرولوژی دانست در این زمان زمین شناسی نیز به عنوان یک علم تکمیل کننده در آبهای زیرزمینی وارد گردید. قانون دارسی و فرمولهای دو پوئی- تیم (Dmpmit-Thiem) نمونهای از پیشرفتهای آبهای زیرزمینی همراه با هیدرولوژی میباشد. در زمینه هیدرولوژی آبهای سطحی نیز بخصوص به هیدرومتری توجه فراوانی مبذول گردید. فرمولهای فرانسیس در مورد سرریزها ، گانگیه (Gangmillet) کوته (kmtter) و مانینگ (Manning) درباره جریان آب در کانالهای روباز از جمله این مواردند.
• فعالیتهای دالتون در زمینه تبخیر نیز بسیار حائز نیز بسیار حائز اهمیت بود. گرچه قسمت اعظم هیدرولوژی جدید در قرن 19 پایه گذاری شد. ولی تا امروز هنوز هیدرولوژی علمی از تکامل زیادی برخوردار نبود.
• در اواخر قرن 19 و بخصوص در 30 سال اول قرن 20 صدها فرمول تجربی پیشنهاد گردید که میبایست ضرایب و پارامترهای آنها بر اساس قضاوت و تجربه بدست میآمده و برای حل این مشکل در بسیاری از کشورها موسسات و انیستیتوهای تحقیقی در زمینه هیدرولوژی تاسیس گردید. در این دوره دانشمندان زیادی ظهور کردند از جمله میتوان در سال 1932 شرمن (Sherman) نظریه روش هیدروگراف واحد برای تخمین رواناب پیشنهاد کرد.
• نظریه تیس (Thies) در حل مسائل مربوط به هیدرولوژی چاهها و روش پیشنهادی گامبل (Gammble) در سال 1941 برای تجزیه و تحلیل آماری دادهها و روشهای انیشتین (Einstein) را در مطالعات رسوب رودخانهها نام برد. و از سال 1650 به بعد روشهای نظری در هیدرولوژی بسیار معمولی گردید بطوری که اکثر فرمولها و روشهای تجربی در قالب ریاضی در رد تجزیه و تحلیل قرار گرفت .
هیدرولوژی چیست ؟
بر اساس آخرین مطالعات تا کنون 5 میلیارد سال از عمر زمین می گذرد و شواهد مشان می دهد که آب از همان ابتدای تشکیل کره زمین نقش مهمی در تحول و قابل سکونت کردن آن به عنوان تنها سیاره قابل زیست داشته است . با تشکیل اقیانوسها و در یاها و تشگیل بخار از روی آنها و ایجاد ابر و بارندگی و به طور کلی گردش آب در طبیعت و جاری شدن آب در رودخانه ها و بازگشت مجدد آن به طروق مختلف به اقیانوسها ، ابتدا زندگی اولیه با گیاهان و جانداران پست آغاز شد و سپس گیاهان و حیوانات عالی به وجود آمدند.
پوسته زمین که از سنگهای آذرین سرد شده تشکیل شده بود در اثر تماس با هوا و جو تحت تأ ثیر پدیده هوازدگی قرار گرفت و تغییرات همزمان آب ، دما و یخبندان باعث تکه تکه شدن سنگها شده وجاری شدن آبها آنها را جابه جا کرده و دشتهای وسیعی را که دارای پوشش خاک بودند به وجود آوردند . این پوشش خاکی همراه با آب قابل دسترس در طبیعت محیط مناسبی را برای رشد گیاهان فراهم شد و محیط مناسب برای زندگی بشر آماده و مهیا گردید . انسانهای نخستین از آب تنها برای شرب استفاده می کردند بتدریج با پیشرفت تمدن و گذشت زمان از آن برای گردش آسیابها ، کشاورزی و حمل و نقل نیز استفاده کرد.
همزمان با پیشرفت تمدنها استفاده از آب نیز شکل تازه ای به خود گرفت به طوری که در بسیاری از زمینه ها ، از کشاورزی گرفته تا صنعت و از همه مهمتر تولید انرژی از آب استفاده می شود و امروزه دسترسی به آب کافی و با کیفیت مناسب در زمان و مکان مناسب مد نظر می باشد و هرگونه کمبود آب را مانعی در جهت توسعه پایدار می داند به همین دلیل هرساله سرمایه های زیادی برای توسعه منابع آب و طرحهای مرتبط با آن مثل سدسازی و احداث شبکه های آبیاری و زهکشی ، آبخیز داری ، مهار سیل و تغذیه آبهای زیر زمینی انجام می دهند .
سیکل (چرخة) هیدرولوژی
گردش آب درطبیعت که به آن سیکل هیدرولوژی یا چرخة آب گفته می شود، عبارت است از حرکت وجابجائی آب درقسمتهای مختلف کره زمین. این سیکل یک چرخش ساده نیست بلکه مجموعه ای از حرکات وچرخشهای مختلف تحت تأثیر نیروی متفاوتی از جمله نیروی جاذبه ، نیروی ثقل، تغییرات فشار وانرژی خورشیدی می باشد.این چرخش درسه بخش مختلف کره زمین یعنی اتمسفر(هواسپهر) یاچون هیدروسفر یا آب سپهر، لیتوسفریا سنگ سپهر صورت می گیرد. آب درداخل وبین این سرلایه درلایه ای به ضخامت 16 کیلومتر صورت می گیرد که 15کیلومترآن دراتمسفر وتنها 1 کیلومترآن درداخل لیتوسفر قراردارد.
سیکل هیدرولوژی درواقع یک سیکل بدون ابتدا وانتها می باشد. بدین ترتیب که آب ازسطح دریاها وخشکیها تبخیر شده وارد اتمسفر می گردد وسپس دوباره بخارآب واردشده به جو طی فرآیندهای گوناگون به صورت نزولات جوی یا برسطح زمین ویا بر سطح دریاها واقیانوسها فرو می ریزد. پس نزولات جوی ممکن است با سه حالت روبرو شوند:
1- قبل از رسیدن به سطح زمین توسط شاخ وبرگ گیاهان گرفته می شوند.(برگاب،باران گیرش)
2- درسطح زمین جاری می شوند.(رواناب)
3- درخاک نفوذ می کنند.
مقداری از آب که در داخل خاک نفوذ می کند یا براثر تبخیر به هوا برمی گردد یا وارد منابع آب زیر زمینی می شود که سرانجام از طریق چشمه ها ویا تراوش به داخل رودخانه ها مجدداً در سطح زمین ظاهر می گردد. درتمام این موارد آب با تبخیر وبازگشت مجدد به اتمسفر سیکل هیدرولوژییا گردش آب در طبیعت را تکمیل می کند .درشکل 1 که نموداری از چرخه هیدرولوژی می باشد نقل وانتقالات آب در طبیعت را نشان میدهد. همانطور که شکل1 نشان میداد عناصر مهم گردش آب در طبیعت را بارندگی P) -( رواناب(R)-تبخیر(E) -تعرق(T) -نفوذ(I) -وجریانهای زیرزمینی(G) تشکیل می دهند
بارندگی: PRECIPITATION
بارندگی مقدار آبی است که از سطح خشکی ها ودریاها تبخیر می شود ودرداخل جو بطور موقت بصورت بخار ذخیره میگردد. این بخار آب موجود درجو طی فرآیندهای فیزیکی مختلف متراکم (CONDENSATION) می شود وبه شکل ابر در می آیدکه پس از اشباع شدن ، قطرات آب با ذرات یخ تشکیل شده بصورت برف ، باران، تگرگ وغیره که جمعاً نزولات جوی یا بارندگی گفته می شوند دوباره به زمین برمی گردند. بارندگی پدیده ای است که انسان کمتر در آن می تواند دخل وتصرف کند.
تبخیر:EVAPORATION
تبخیر پدیده ای است که از هرگونه سطح مرطوب مانند سطوح آزاد آب یا سطح مرطوب خاک وگیاه صورت می گیرد. طی این فرآیند آب مایع به بخار تبدیل می شود ومجدداً آب به جو زمین برمی. از عوامل مؤثر براین فرآیند می توان به دمای هوا، سرعت باد، تابش خورشید اشاره کرد که هرچه میزان آن بیشتر باشد سرعت تبخیر نیز بیشتر است.
اهمیت آب در ایران
ایران با توجه به موقعیت خاص جغرافیایی که در بین مدار 25تا40 درجه عرض شمالی و 44تا 64 درجه طول شرقی واقع شده است از مناطق خشک جهان به شمار میرود زیرا میزان متوسط بارندگی سالانه آن کمتر از یک سوم متوسط بارندگی کره زمین (860) می باشد . این مقدار بارندگی هم در سطح کشور به طور یکنواخت توزیع نشده است به علت کمبود میزان بارندگی به جز نواحی شمالی و شمال غرب و تا حدودی غرب کشور رود خانه های دائمی کم تر وجود دارد . در سطح کشور مناطقی وجود دارد که نه تنها با کمبود آب سطحی مواجه هستند بلکه آب زیر زمینی آنها هم شور است.البته این کمبود آب در کشور ما مربوط به عصر حاضر نبوده بلکه در گذشته نیز مردم با کمبود آب مواجه بوده اند وجود سدها و بندهای تاریخی کشور دلیلی بر این ادعاست .اما از آنجایی که در گذشته سطح توقع مردم به علت پایین بودن شرایط زندگی کم بوده است ، قرنها بطور هماهنگ از منابع آب و خاک استفاده کرده اند و آب مورد نیاز را از طروق مختلف به دست آورده اند و مسئله کمبود آن مطرح نبوده و مسئله اصلی روش های بهره برداری از آن بوده است . اما در عصر حاضر از یک طرف کمبود آب قابل استفاده و از طرف دیگر افزایش رشد جمعیت و مصرف آب و از همه مهمتر بالا رفتن سطح زندگی و ماشینی و صنعتی شدن و رشد تکنولوژی مسئله نیاز به آب و کمبود آن رابیش از پیش مطر ح می سازد :
مسائل شناخت آبهای سطحی
برای جلوگیری از هدر رفتن آبهای سطحی و خسارات ناشی از آنها دو کار زیر بنایی عبارت است از :
1- تأمین نیروی انسانی
2 - تأسیس ایستگاههای اندازه گیری آب و آمار برداری مرتب از آنها
امروزه هیچ طرح عمرانی و زیر بنایی بدون استفاده از آمار در زمینه های مختلف امکان پذیر نمی باشد . لذا آمار مورد استفاده باید دقیق و دارای قابلیت اعتماد باشد و همچجنین تعداد سالهای آماری نیز زیاد باشد .
ایستگاههای اندازه گیری دبی رو دخانه ها در ایران از سال 1325 تأسیس شده اند اما تعداد آنها کم بوده و طول دوره آماری آنها با توجه به سال تأسیس کوتاه می باشد اما در کشور های پیشرفته طول دوره آماری به بیش از 150 سال می رسد . در کشور ما تهداد ایستگاههای که دارای آمار بیش از 50 سال می باشند بسیا رکم است و تنها شامل ایستگاههایی است که بر روی رودخانه های جاجرود ، لار و گلپایگانو یکی دو رودخانه دیگر است ، می باشد. امروزه در سطح کشور ایستگاههای اندازه گیری دبی آب زیاد بوده ودر حال گسترش می باشد.
نه تنها تعداد ایستگاهها و طول دوره آماری مهم است بلکه تععن دقیق ایستگاههای هیدرومتری اهمیت زیادی دارد که حتما باید توسط متخصصان این امر تعیین شود .
آبشناسی (دانش هیدرولوژی) در ایران باستان
جهش امپراتوری شکوهمند ایرانیان در زمان هخامنشیان و تعالی و ترقی آن در زمان ساسانیان، و دیرپایی این تمدن مدیون دانش آبشناسی ایرانیان یود.
مردمان ایرانزمین از دیرباز به ارزش آب به عنوان مادهای زندگیبخش و ارزشمند آگاهی داشتند. نیاز طبیعی بشر به آب، وضع جغرافیایی فلات ایران و کمیابی این مایع گرانبها، ارزش این ماده را نزد ایرانیان صدچندان نموده و آن را در جایگاه والایی قرار میداده است. برای آنکه به ارزش والای آب در دیدگاه ایرانیان باستان پی ببریم، کافی است که نیمنگاهی به اوستای زرتشت اندازیم.
آناهیتا، ایزد آبها، که گردونه او را در آسمانها چهار اسب ابر و باران و ژاله و شبنم میکشیدند، یکی از بزرگ ایزدان پیش از زرتشت بود، و نیایشگاههای او در کنگاور (کرمانشاه) و بیشابور (فارس) نمایان است، در اوستا مورد ستایش بسیار بوده و هم مرتبه میترا (مهر) و اورمزد (اهورامزدا) قرار میگیرد. آب در آیین زرتشت پاک است و مظهر پاکی و باید که همچنان پاک باقی بماند. زرتشت از اهورامزدا درخواست میکند که رودها را از آبی به سترگی شانه اسب لبالب نموده و به پیروان خویش میآموزد که آلوده نمودن آب، به هر شکل و گونهاش، خلاف دین و اهریمنی است. اینچنین است که شناخت آب در ایرانباستان با وابسته داشتن صفات ویژه به آن و ارجمند داشتن این ماده زندگیبخش آغاز میشود. هنوز هم بازمانده آیینهای ایزد آبها در جایجای ایران برگزار میشود که برای نمونه میتوان به مراسم جویروبی و بیلگردانی در دامنه آتشکده آتشکوه در نیمور، محلات اشاره نمود.
در ایرانباستان، صدها سال پیش از آنکه نخستین فرضیههای مربوط به آبشناسی ارائه شود، به گونهای شگفتآور و باورنکردنی، پاسخ یکی از مهمترین و دشوارترین مسائل مربوط به یافتن آب و آبهای زیرزمینی یافته شده بود. سنگنوشتهها و لوحهای باز مانده از ایران باستان، بیانگر این است که مردمان ایرانزمین آبهای زیرزمینی را با کندن کاریزهای دراز و بسیار عمیق برآورده به روستاها و شهرهای خود میرساندند. اینکه نخستگاه این کاریز کجا بوده و در چه مناطقی به آب میتوان دست یافت و اینکه کاریز چگونه باید ساخته شود، شاید مهمترین مسالهای بوده است که بشر از آغاز تمدن تا کنون در دانش آبیاری و آبرسانی با آن روبرو بوده است. پرفسور هانری گوبلو که بیش از 30 سال بر روی قناتهای ایران بررسی و مطالعه انجام داده است در کتاب قنات، فنی برای دستیابی به آب ،عظمت قناتهای ایران را برابر با دیوار چین میداند. مجموعه طول قناتهای ایران بیش از چهارصد هزار کیلومتر، بیش از فاصله زمین تا ماه، و قنات گناباد به طول سیوپنج کیلومتر و ژرفنای بیش از سیصد متر و چاههایی با فواصل منظم پنجاه متری، از زمان هخامنشیان، یک شاهکار بینظیر در سراسر جهان است. چندتن از دانشمندان امریکایی مانند اف.دیکسی در نوشتار یک کتابچه علمی برای سازماندهی آب، ام.ا.باتلر در کتاب آبیاری به کمک قنات در ایران، سی.اف.تولمان در کتاب آبهای زیرزمینی، ژی.بی.کرسی در کتاب قنات و کاریز، ژی.بیژلیبینکت در کتاب آبشناسی و هانری گوبلو در کتابهای آبیاری در کالیفرنیا و قنات، فنی برای دستیابی به آب خود همگی بر این باورند که قناتهای لوسآنجلس و پاسادانای کالیفرنیا، همچنین قناتهای شیلی و مکزیک، در زمان سلطه اسپانیاییها، توسط مهندسان، متخصصان و کارگران ایرانی ساخته شده است
به خاطر داشته باشیم که تمدنهای باستانی همگی در کنار رودهای بزرگ، همانند نیل، دجله، فرات، سند، گنگ، هوانگهو، یانگتسه و ... شکل گرفتند اما تنها تمدنی که به دور از هرگونه رودخانه عظیم شکل گرفت و مالکالرقاب جهان باستان شد، ایران بود. جهش چشمگیر امپراتوری ایران مدیون قنات بود. در زمان هخامنشیان، اگر کسی زمین بایری را با احداث قنات آبیاری میکرد، تا پنج نسل از پرداخت هرگونه مالیات معاف بود. به گواهی تاریخ مصر، دریاسالار پارسی اسکیلاکس هخامنشی هنگام اقامت در مصر، فنون احداث کاریز را به مصریان آموخت. در زمان ساسانیان، رساله مدیگان هزاردادستان، در شرح ساخت و لایروبی قنات و کاریز، و استفاده هوشمندانه از آن، تالیف شده است.
در نوشتههای دانشمندان ایرانی پس از اسلام، به نکتهای شایان توجه بر میخوریم و آن اینکه بسیاری از دانشمندان ایرانی در دوران اسلامی، هریک به گونهای، به جنبههای گوناگون دانش آبشناسی پرداختهاند. دانش آبشناسی در آن دوران نیز مانند امروز دربردارنده بررسی دوره گردش آب یا چرخه آب (سیکل آب) در طبیعت، جریان آب در روی زمین، آبهای زیرزمینی، چشمهها، دریاچهها، دریاها و اقیانوسها و چگونگی دگرگونیهای کمی و کیفی آبهای آنها میشده است .
دانشمند بزرگ ایرانی، ابوریحان بیرونی در آثارالباقیه، در باره زیاد و کم شدن آب رودخانهها، چشمهسارها و کاریزها میگوید:
زیاد شدن آبها در جمیع اودیه و انهار به یک حالت نیست، بلکه اختلاف بزرگی با هم دارند. چنانکه جیحون هنگامی آبش زیاد میشود که دجله و فرات رو به کمی گذارد و علت این است که هر رودخانهای که سرچشمه آن در نواحی سردسیر باشد، آب آن در تابستان زیادتر و در زمستان کمتر است، زیرا بیشتر آبهای اصلی آن از چشمهسارها گردمیآید و رطوبتهایی که در کوههایی که این رودخانهها از آن بیرون میآید و یا از آن میگذرد سبب زیادت و نقصان آب این رودخانهها میشود.
دیگر اندیشمند بزرگ ایران، ابوعلی سینا در دانشنامه علایی (طبیعیات) در باره جذر و مد دریاها و اثر ماه بر آن گوید:روشنایی و قوتها که از آفتاب و ستارگان است در این عالم اثر کند و ظاهرتر اثر آن آفتابست و آن ماه که آب دریاها را مد کند.و هم او درباره پدیدههای بارندگی گوید:و اما بخار چون از گرمگاه برخیزد جنبش وی گرانتر بود و چون به آن جایگاه رسد از هوا که سرد بود، سرمای آن جایگاه او را ببندد. ... و هرگاه که بخار زمین بفسرد، ابر شود ... و این را سه حکم بود. یا اندک بود، که و را گرمی آفتاب بروی افتن، زود متفرق کند. یا قوی بود، که آفتاب اندر وی فعل نتواند کردن، که پراکندش، پس چون گردآید، و یک اندر دیگر نشیند، و خاصه که باد گردآورش دیگر بار آب شود، و فروجهد، پس اگر سرما اندریابدش، پیش از آن که قطرهها بزرگ شود و برف بود.
دانشمند ایرانی سده پنجم هجری، ابوحاتم اسماعیل اسفزاری خراسانی، که برای نخستین بار در جهان پدیدههای جوی و هواشناسی را در کتاب خود به نام آثار علوی (Meteorology)، گردآوری نموده و او را به حق باید پدر دانش هواشناسی نام داد، در باره بخار و باران و برف و شبنم میگوید:
هرگه که حرارتی از تابش خورشید یا از جوهر آتش به آب رسد، مدتی با او بماند، آب مستحیل شود، و از جای خود برخیزد، و به سوی بالا بر شود، آن را بخار گویند، چون گرما بر بخار مستولی شود، آن بخار جوهر هوا گردد. ... و اگر برودتی بر آن بخار مستولی شود، جوهر آب گردد، و قصد زمین کند، آنگاه آن را باران گویند، پس اگر هوا ساکن بود، آن دانهها خردباران (drizzle) بود و اگر متحرک بود، آن دانههای خرد به یکدیگر بپیوندند بزرگ گردند ((rain تا به رگبار رسند(shower). ... و اگر برودتی به افراط بر آن غالب آید جوهر برف باشد ... هرگاه که هوا سرد باشد و سرما بر بخار مستولی گردد، آن هوا آب شود و بر صورت قطرههای آب از برگها بیاویزد، آن را شبنم (صقیع - dew ) خوانند....
وی همچنین مطالعات و بررسیهایی در باره چگالی آبهای گوناگون از مناطق مختلف انجام داده است. ریاضیدان و مهندس بزرگ سده پنجم هجری، محمد بن حسین کرجی، دیدگاههای بسیار جالبی در باره آبشناسی دارد و در کتاب خود استخراج آبهای پنهانی، انباط المیا الخفیه، به بررسی روشها و قواعد مربوط به تشخیص آبهای زیرزمینی میپردازد. او میگوید:
خدای بزرگ در روی زمین آبی ساکن آفرید، که همچون گردش خون در بدن جانوران در جریان است. این آب با افزایش و کاهش بارندگی، افزون و کم نمیشود (چرخه آب در طبیعت) ... این آب بیشتر شکافهای درون زمین را پر میکند، و تا آنجا که مانعی سخت در سر راهش وجود نداشته باشد، هر قسمت به قسمت دیگر میپیوندد ... آبهایی که در زیر زمین قرار دارند نیز در بعضی مواضع مانند رودها جاری هستند و در بعضی موارد دیگر مانند دریا ساکن و آرامند.
در نزهتنامه علایی، دانشنامه بزرگ فارسی، تالیف شهمردانبنابیالخیر رازی، در سده ششم هجری، مطالب گوناگون و جالبی در باره آبشناسی آمده است.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 59 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله آب شناسی