در بعضی از این روش­ها ضریب هدایت­هیدرولیکی به صورت تئوری اندازه ­گیری می­ شود 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 می­ شود و ضریب هدایت­هیدرولیکی به دست می ­آید. همچنین فرمول­های تجربی زیادی بر اساس شرایط دانه­بندی و نوع خاک ارائه شده ­اند که اساس همه آن­ها درشتی ذرات خاک است (کاسنوف^[۲۴]، ۲۰۰۲).
در سال ۲۰۰۷، اودنگ^[۲۵]، بررسی­های خود را صرفا به محاسبه ضریب هدایت­هیدرولیکی با بهره گرفتن 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، ۲۰۰۷).

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

چی یانگ^[۲۶] و همکارانش در سال ۲۰۰۸ 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 ۳/۳ برابر بیشتر از آزمون پمپاژ است. همچنین ضریب هدایت هیدرولیکی را از آزمون چاهک به دست آوردند که نتایج آن ۱۰ تا ۱۰۰ برابر کمتر از نتایج حاصل از فرمول­های تجربی و آزمون پمپاژ اعلام شد(چی یانگ و همکاران، ۲۰۰۸). در سال ۱۳۸۹ 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، ۱۳۸۹).
در بررسی هیدرولیک آبخوان ها اثر مقیاس مدل بر روی نتایج در مقایسه با محیط طبیعی حائز اهمیت است. در سال ۱۹۹۵ 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، ۱۹۹۵).
در سال ۲۰۰۵ تحقیق مشابهی توسط ایلمن^[۲۷] 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، ۲۰۰۵).
وو^[۲۸] و همکارانش در سال ۲۰۰۸ به بررسی جریان آب­های زیرزمینی در آبخوان و مقایسه سرعت جریان در چاه (با بهره گرفتن از چند نوع دستگاه سنج) با سرعت طبیعی جریان آبهای زیرزمینی در آبخوان در فواصل دور از چاه (با بهره گرفتن از فرمول دارسی) پرداختند. آنها آزمایش های خود را بر روی یک مدل آبخوان آزمایشگاهی به طول ۸۰ سانتیمتر، عرض ۵۰ سانتیمتر و ارتفاع ۶۵ سانتیمتر انجام دادند و در تحقیق خود اعلام نمودند که برای جلوگیری از اثرات مرزها لازم است ابعاد مخزن خاک حداقل ۱۰ برابر شعاع چاه در آن مدل باشد(وو و همکاران، ۲۰۰۸).
ماسلینک^[۲۹] و همکارانش در سال ۲۰۰۹ 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، ۲۰۰۹).
نیهلم^[۳۰]و همکارانش در مقاله خود با عنوان پایین افتادن سطح آب در نهرها به علت برداشت آب های زیرزمینی توسط چاه­ها که در سال ۲۰۰۲ 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،۲۰۰۲).
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 بهره گرفتن از داده ­های 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
۳-۱- معرفی مدل فیزیکی
۳-۱-۱- 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 باران توسط پاشنده های از بالا و یا آب­های زیرزمینی جاری از انتهای مخزن
پیستون های آب پاشی مناسب برای نیمه یا کل مساحت تحت پوشش
وجود پیزومترهایی برای اندازه ­گیری پروفیل سطح ایستابی آب
قابلیت اندازه ­گیری فروکش سطح آب برای چاه های متقابل کلی یا دوگانه
قابلیت تنظیم زاویه شیب برای سطح تحت پوشش
استفاده از دبی سنج برای اندازه ­گیری جریان تحت پوشش
اندازه ­گیری جریان­های سیلابی و چاه ها توسط سرریز مستطیلی کالیبره شده
نیاز به جریان برق برای راه اندازی دستگاه
فرایندهای فیزیکی قابل اجرا توسط دستکاه به شرح زیر می باشد:
شبیه­سازی حرکت آب­های زیرزمینی در آبخوان
برداشت از چاه و مشاهده مخروط افت سطح آب
ایجاد بارندگی و وقوع رواناب و بررسی هیدرولیک انتقال رسوب
بررسی روابط بارش و سیلاب برای نواحی خشک، اشباع شده نفوذپذیر با شیب­های متفاوت
بررسی اثر جریان آب ورودی بر روی سطح هیدروگراف جریان آب خروجی (بعلاوه جریان آب زیرزمینی)
اندازه ­گیری مخروط افت^[۳۱] برای یک چاه تک و مقایسه با اثر متقابل مخروط­های افت برای دو چاه مجاور
جریان از یک چاه در یک سفره آب مخروطی
قابلیت آب پخشان برای یک جزیره شبیه­سازی شده با جریان های بارش باران و چاه ها
انتقال رسوب در قسمت های پر پیچ و خم و شبیه­سازی رودخانه­ها
مطالعه اثر جریان آب بر روی ستون های پل شبیه سازی شده
این دستگاه دارای ابعاد ۴/۲ متر طول، ۱ متر عرض و ۸/۱ متر ارتفاع است (بلندی کل دستگاه) و ارتفاع مخزن خاک در این دستگاه ۲۲ سانتیمتر بوده و دارای حجم تقریبی ۴۴/۰ مترمکعب می­باشد(شکل ۳-۱).
(الف)
(ب)
شکل ۳-۱: الف ) دستگاه هیدرولوژی، ب) شمای کلی چرخه آب زیرزمینی در دستگاه
از آنجا که آزمایش های صحرایی محدود به بررسی آبخوان­هایی با شرایط ثابت می­باشند، این مدل دارای این قابلیت است که آزمایش را بر روی خاک های گوناگون انجام داده و اثر دانه بندی خاک بر روی حرکت آبهای زیرزمینی را بررسی نماید. همچنین در آزمایش­های صحرایی تاثیر شیب سنگ بستر^[۳۲] قابل بررسی نیست زیرا بررسی صحرایی بر روی آبخوانی که بتوان شیب بستر را در آن تغییر داد غیرممکن است. بنابراین برای بررسی این پارامتر می­توان به راحتی از دستگاه هیدرولوژی استفاده کرد.
دستگاه مدل هیدرولوژی در شکل (۳-۱) نشان داده شده است. با توجه به شکل، مخزن آب در قسمت پایینی دستگاه قرار گرفته و گنجایش ۲۰۰ لیتر آب دارد. آب داخل مخزن توسط پمپ به مخزن میانی که خاک در آن قرار می­گیرد منتقل می­ شود. مخزن خاک از دو طرف به دو دیواره محدود می­ شود که این سرریزها به اندازه ۲۰ سانتیمتر از دو لبه دستگاه فاصله دارند و محل ورود و خروج آب است. همان طور که در شکل (۳-۱ ب) مشاهده می­ شود لوله های P1 و P3 در سمت چپ دستگاه و لوله هایP2 و P4 در سمت راست دستگاه قرار گرفته­اند. با باز کردن شیر فلکه های B و C می­توان آب را به محفظه پشت سرریز سمت چپ و سمت راست دستگاه، به ترتیب منتقل نمود. همچنین با بهره گرفتن از شیر کنار گذر A می­توان دبی آب ورودی به چرخه هیدرولوژی را کنترل نمود. پس از وارد شدن آب به محفظه های سمت راست و چپ دستگاه، آب از میان صافی هایی که در بدنه دیواره نصب شده عبور کرده و وارد آبخوان می­ شود. همچنین می­توان با بستن این دریچه ها جریان آب را از روی سرریز برقرار نمود. ارتفاع لوله های P1 و P2 که آب را به سمت آبخوان هدایت می­ کنند و نیز لوله­های P3 و P4 که آب را به مخزن برمی­گردانند قابل تنظیم است. چنانچه دو لوله ورودی در زیر آب قرار گرفته باشند، با بالا و پایین رفتن تراز آب در دو محفظه دبی پمپ تحت تاثیر قرار خواهد گرفت. بنابراین برای آزمایش­هایی که در آن ها سطح ایستابی تغییر می­ کند بهتر است لوله های ورودی آب(P1وP2) در بالاترین تراز خود قرار­گیرند. با تغییر ارتفاع لوله های P3 و P4 می توان هد آب در دو انتهای مخزن خاک را تنظیم نمود.
دو عدد جک در سمت چپ مخزن خاک و زیر آن قرار گرفته است. با بهره گرفتن از این جک ها شیب آبخوان را می­توان تغییر داد. با چرخاندن جک­ها، مخزن خاک حول محوری که در سمت راست مخزن خاک و زیر سرریز پایین دست قرار گرفته می­چرخد. محدوده تغییرات مخزن نسبت به حالت افقی از ۲- تا ۲۳ سانتیمتر است که امکان تغییر شیب بستر نفوذناپذیر از ۱%- تا ۵/۱۱ % وجود دارد.
دو عدد چاه در مخزن خاک تعبیه شده که توسط آن ها می­توان برداشت آب از آبخوان را مدل نمود. چاه سمت چپ که W1 نامگذاری شده به فاصله ۷۰ سانتیمتر از بالادست و چاه سمت راست (W2) به فاصله ۷۰ سانتیمتر از پایین دست قرار دارد. با باز کردن شیر های F و G به ترتیب آب از چاه W1 و W2 خارج می­ شود. اگر نیازی به اندازه گیری دبی خروجی از چاه باشد می­توان با باز کردن شیر های D و E آب خروجی از چاه را به سمت سرریز مستطیلی که در زیر مخزن قرار گرفته هدایت نمود.
در کف مخزن خاک، ۲۰ عدد پیزومتر در امتداد محور طولی مخزن تعبیه شده و قرائت آن ها در جلوی دستگاه امکان پذیر است (شکل ۳-۲). با بهره گرفتن از این پیزومترها می­توان تراز سطح آب در نقاط مختلف آبخوان را مشاهده و ثبت نمود. خط کشی که در مجاورت پیزومترها وجود دارد نسبت به کف مخزن خاک مدرج شده است. بنابراین اعدادی که از پیزومترها خوانده می­ شود ارتفاع، نسبت به کف مخزن خاک است. فاصله بین پیزومترها در شکل ۳-۲ نشان داده شده است.
شیر فلکه H بلافاصله بعد از پمپ قرار گرفته که از طریق آن می­توان دبی آب ورودی به سیستم را کنترل نمود. دبی را می­توان توسط روتومتری که بعد از این شیر قرار دارد قرائت نمود. روتومتر از صفر تا ۲۲ لیتر بر دقیقه مدرج شده است.
شکل۳-۲: فاصله بین پیزومترها در دستگاه هیدرولوژی
۳-۲- مطالعات خاک شناسی
مخازن آب زیرزمینی غالبا از مواد رسوبی متشکل از ماسه، شن و قلوه سنگ و غیره تشکیل می­شوند. این ذرات و دانه­ های رسوبی ممکن است سخت نشده باشند، یا آنکه توسط سیمان مختصری به هم جوش خورده­باشند ولی به هرحال این ذرات و دانه­ها شبکه ای از فضاهای خالی را ایجاد می­ کنند که آب می ­تواند در آن ها ذخیره شود و حرکت کند. بنابراین تجزیه و تحلیل اندازه دانه­ های رسوبی در مطالعات هیدروژئولوژی اهمیت زیادی دارد و به وسیله آن یکی از شرایط فیزیکی محیط­های متخلخل را می­توان مشخص کرد. برای این کار از منحنی­هایی که توزیع اندازه دانه ها را نشان دهند استفاده می کنند(صداقت، ۱۳۸۷).