هيدروجيولوجيا

الهيدروجيولوجيا ( Hydrogeology or Geohydrology ) فهم المياه الجوفية، الجيوهيدرولوجيا، والهيدروجيولوجيا، هومجال من الجيولوجيا يتعامل مع توزيع وحركة المياه الجوفية في التربة والصخور في القشرة الأرضية (عادة في طبقات المياه الجوفية). وهوموضوع متعدد المجالات. يمكن حتىقد يكون من الصعب حساب تام التفاعلات الكيميائية والفيزيائية والبيولوجية بل والقانونية بين التربة والمياه والطبيعة والمجتمع. دراسة التفاعل بين حركة المياه الجوفية والجيولوجيا يمكن حتى تكون معقدة جدا. المياه الجوفية لا تتبع دائما تضاريس السطح؛ وتتبع المياه الجوفية تدرجات الضغط (التدفق من الضغط العالي إلى المنخفض)، وغالبا من خلال الكسور والقنوات في المسارات الدائرة. مع الأخذ بعين الاعتبار التفاعل بين مختلف جوانب نظام متعدد المكونات غالبا ما يحتاج الفهم في الكثير من المجالات المتنوعة على المستويين التجريبي والنظري. وفيما يلي مقدمة أكثر تقليدية لطرق وتسميات الهيدرولوجيا المشبعة تحت السطحية.

تضم هذه الدراسة المواضيع الرئيسية التالية :

- منشأ المياه الجوفية
- شروط تجمع وتوزع المياه الجوفية، والتوزع الحالي للطبقات الحاملة للماء
- الخواص الفيزيائية والكيميائية والجرثومية والهجريب الغازي للمياه الجوفية
- حركة المياه الجوفية ونظامها وتوازنها
- تصنيف المياه الجوفية
- دور المياه في العمليات الجيولوجية المتنوعة، وفي تشكل مكامن الخامات المفيدة=
- علاقة المياه بالإنشاءات الهندسية والزراعية والمنجمية وغيرها
- استثمار وإدارة المياه الجوفية

الهيدروجيولوجيا فيما يتعلق بالمجالات الأخرى

وفهم المياه الهيدرولوجية، كما ذكر أعلاه، هوفرع من علوم الأرض يتناول تدفق المياه من خلال طبقات المياه الجوفية وغيرها من الوسائط المسامية الضحلة (عادة أقل من 450 م أو1500 قدم تحت سطح الأرض). إذا التدفق الضحل جدا للمياه في السطح تحت السطح (العلوي ثلاثة أمتار أوعشرة أقدام) له صلة بعلوم التربة والزراعة والهندسة المدنية، فضلا عن الهيدروجيولوجيا. التدفق العام للسوائل (الماء، الهيدروكربونات، سوائل الطاقة الحرارية الأرضية، الخ) في تشكيلات أعمق هوأيضا مصدر قلق الجيولوجيين، الجيوفيزيائيين والجيولوجيين النفط. المياه الجوفية هي بطيئة الحركة، لزج السوائل (مع عدد رينولدز أقل من الوحدة). الكثير من القوانين المستمدة تجريبيا من تدفق المياه الجوفية يمكن حتى تكون مشتقة بالتناوب في ميكانيكا السوائل من حالة خاصة من تدفق ستوكس (اللزوجة وشروط الضغط، ولكن لا مصطلح بالقصور الذاتي).

العلاقات الرياضية المستخدمة لوصف تدفق المياه من خلال الوسائط التي يسهل اختراقها هي المعادلات نشر ولابلاس، والتي لديها تطبيقات في الكثير من المجالات المتنوعة. وقد تمت محاكاة تدفق المياه الجوفية المستقرة (معادلة لابلاس) باستخدام مقاييس التوصيل الكهربائي والمرن والحرارة. إذا تدفق المياه الجوفية العابرة يشبه انتشار الحرارة في مادة صلبة، ولذلك تم تكييف بعض الحلول للمشاكل الهيدرولوجية من أدبيات نقل الحرارة.

تقليديا، تم دراسة حركة المياه الجوفية بشكل منفصل عن المياه السطحية، وفهم المناخ، وحتى الجوانب الكيميائية والميكروبيولوجية للهيدروجيولوجيا (العمليات غير مقيدة). ومع نضوج مجال الهيدروجيولوجيا، أصبحت التفاعلات القوية بين المياه الجوفية والمياه السطحية وكيمياء المياه ورطوبة التربة وحتى المناخ أكثر وضوحا.

كاليفورنيا وواشنطن على حد سواء تتطلب شهادة خاصة من الهيدروجيولوجيين لتقديم الخدمات المهنية للجمهور. بحاجة تسع وعشرون ولاية إلى ترخيص مهني لجيولوجيين لتقديم خدماتهم للجمهور، والتي غالبا ما تضم العمل في مجالات تطوير وإدارة و/ أومعالجة موارد المياه الجوفية. [1]

على سبيل المثال: قد يحدث سحب المياه الجوفية أوالسحب على المكشوف وضخ المياه الأحفورية عاملا مساهما في ازدياد مستوى سطح البحر. [2]

تعاريف وخصائص المواد

المادة الرئيسية: طبقة المياه الجوفية

وتتمثل إحدى المهام الرئيسية التي يقوم بها أخصائي الهيدرولوجيا عادة في التنبؤ بالسلوك المستقبلي لنظام المياه الجوفية، استنادا إلى تحليل الملاحظات السابقة والحالية. بعض الأسئلة الافتراضية، ولكن المميزة التي طرحت هي:

هل يمكن حتى تدعم طبقة المياه الجوفية شعبة فرعية أخرى؟

هل يجف النهر إذا كان المزارع يضاعف ريه؟

هل انتقلت المواد الكيميائية من مرفق التنظيف الجاف عبر طبقة المياه الجوفية إلى بئرتي وجعلني مريضة؟

هل سيتدفق تدفق النفايات السائلة إلى نظام مياه الصرف الصحي في جاري إلى بئر مياه الشرب؟

ويمكن معالجة معظم هذه الأسئلة من خلال محاكاة النظام الهيدرولوجي (باستخدام نماذج رقمية أومعادلات تحليلية). وتتطلب المحاكاة الدقيقة لنظام طبقات المياه الجوفية فهم خصائص طبقات المياه الجوفية وظروف الحدود. ولذلك، فإن مهمة مشهجرة من أخصائي الهيدروجيولوجيا هي تحديد خصائص طبقة المياه الجوفية باستخدام اختبارات طبقة المياه الجوفية.

ومن أجل زيادة توصيف طبقات المياه الجوفية والمائية، يتم إدخال بعض الخصائص الفيزيائية الأولية والمشتقة أدناه. وتصنف الطبقات الجوفية على نطاق واسع بأنها إما مقصورة أوغير مقيدة (طبقات المياه الجوفية)، إما مشبعة أوغير مشبعة؛ فإن نوع طبقة المياه الجوفية يؤثر على الخصائص التي تتحكم في تدفق المياه في تلك الوسيلة (على سبيل المثال، يرتبط إطلاق المياه من التخزين لأحواض المياه الجوفية المحصورة بالتخزينية، في حين أنها ترتبط بالعائد المحدد للخزانات الجوفية غير المحصورة).

رأس هيدروليكي

المادة الرئيسية: رأس هيدروليكي

الاختلافات في الرأس الهيدروليكي (ح) تسبب الماء للانتنطق من مكان إلى آخر. وتتدفق المياه من مواقع ازدياد ح إلى مواقع منخفضة h. يتكون الرأس الهيدروليكي من رأس الضغط (ψ) ورئيس الارتفاع (ض). تدرج الرأس هوالتغيير في الرأس الهيدروليكي في طول مسار التدفق، ويظهر في قانون دارسي بأنه يتناسب مع التفريغ.

الرأس الهيدروليكي هوخاصية قابلة للقياس مباشرة يمكن حتى تأخذ على أي قيمة (بسبب المسند التعسفي تشارك في مصطلح z). ψ يمكن قياسها بمحول الضغط (يمكن حتى تكون هذه القيمة سالبة، على سبيل المثال، شفط، ولكنها إيجابية في طبقات المياه الجوفية المشبعة)، ويمكن قياس z بالنسبة إلى مسند مسح (عادة أعلى غلاف البئر). عادة، في الآبار التنصت المياه الجوفية غير مقسمة يتم استخدام مستوى المياه في بئر كبديل للرئيس الهيدروليكي، على افتراض عدم وجود التدرج الرأسي للضغط. في كثير من الأحيان فقط التغييرات في الرأس الهيدروليكي من خلال الوقت هناك حاجة، لذلك يمكن استبعاد مصطلح رئيس الارتفاع ثابت (Δh = Δψ).

سجل الهيدروليكي من خلال الوقت في البئر هوهيدروغراف أو، وتسمى التغييرات في الرأس الهيدروليكي سجلت خلال ضخ بئر في اختبار السحب.

المسامية

المادة الرئيسية: المسامية

المسامية (n) هي خاصية طبقة المياه الجوفية القابلة للقياس مباشرة؛ فهوجزء بين 0 و1 يشير إلى مقدار المسام بين جزيئات التربة غير المجمعة أوداخل صخور مكسورة. وعادة ما تتحرك غالبية المياه الجوفية (وأي شيء يذوب فيها) من خلال المسامية المتاحة للتدفق (وتسمى أحيانا المسامية الفعالة). النفاذية هوتعبير عن الترابط من المسام. على سبيل المثال، قد تكون وحدة الصخور غير المجهزة مسامية عالية (لديها الكثير من الثقوب بين الحبوب المكونة لها)، ولكن نفاذية منخفضة (لا ترتبط أي من المسام). ومن الأمثلة على هذه الظاهرة الخفاف الذي يمكن حتى يجعل طبقة المياه الجوفية الفقيرة، عندما تكون في حالتها غير المستقرة.

ولا تؤثر المسامية تأثيرا مباشرا على توزيع الرأس الهيدروليكي في طبقة المياه الجوفية، ولكن لها تأثير قوي جدا على هجرة الملوثات الذائبة، لأنها تؤثر على سرعات تدفق المياه الجوفية من خلال علاقة متناسبة عكسيا.

محتوى الماء

المادة الرئيسية: محتوى الماء

محتوى الماء (θ) هوأيضا خاصية قابلة للقياس مباشرة؛ هوجزء من مجموع الصخور التي مليئة الماء السائل. هذا هوأيضا جزء بين 0 و1، ولكن يجب أيضا حتىقد يكون أقل من أويساوي المسامية الكلية.

محتوى الماء مهم جدا في الهيدرولوجيا منطقة فادوس، حيث التوصيل الهيدروليكي هووظيفة غير الخطية بقوة من محتوى الماء. وهذا يعقد حل معادلة تدفق المياه الجوفية غير المشبعة.

الموصلية الهيدروليكية

المادة الرئيسية: الموصلية الهيدروليكية

الموصلية الهيدروليكية (K) وترانزميسيفيتي (T) هي خصائص طبقة المياه الجوفية غير المباشرة (لا يمكن قياسها مباشرة). T هوK المتكامل على السماكة العمودية (b) من الطبقة الجوفية (T = كب عندماقد يكون K ثابتا على السماكة بأكملها). وهذه الخصائص هي مقاييس لقدرة طبقة المياه الجوفية على نقل المياه. النفاذية الذاتية (κ) هي خاصية متوسطة ثانوية لا تعتمد على اللزوجة وكثافة السائل (K وT خاصة بالماء). فإنه يستخدم أكثر في صناعة النفط.

تخزين محددة ومردود محدد

الموضوعة الرئيسية: تخزين محدد

التخزين الخاص (سس) ومكافئته المتكاملة العميقة، ستوراتيفيتي (S = سب)، هي خصائص طبقة المياه الجوفية غير المباشرة (لا يمكن قياسها مباشرة). فإنها تشير إلى كمية المياه الجوفية الصادرة من التخزين بسبب وحدة خفض درجة حرارة طبقة المياه الجوفية المحصورة. وهي كسور بين 0 و1.

المحصول النوعي (سي) هوأيضا نسبة بين 0 و1 (سي ≤ المسامية) ويشير إلى كمية المياه الصادرة بسبب الصرف من خفض الجدول المائي في طبقة المياه الجوفية غير محصورة. قيمة العائد المحدد أقل من قيمة المسامية لأن بعض الماء سيبقى في الوسط حتى بعد الصرف بسبب القوى بين الجزيئات. غالبا ما يتم استخدام المسامية أوالمسامية الفعالة كحد أعلى إلى العائد المحدد. عادة ما تكون أوامر سي أكبر من سس.

خصائص نقل الملوثات

في كثير من الأحيان نحن مهتمون في كيفية نقل المياه الجوفية نقل الملوثات الذائبة حول (المجال الفرعي من الهيدروجيولوجيا الملوثة). ويمكن حتى تكون الملوثات من خلق الإنسان (مثل المنتجات البترولية أوالنترات أوالكروم أوالنويدات المشعة) أوتحدث طبيعيا (مثل الزرنيخ والملوحة). وإلى جانب الحاجة إلى فهم أين تتدفق المياه الجوفية، استنادا إلى الخصائص الهيدرولوجية الأخرى التي نوقشت أعلاه، هناك خصائص إضافية للمياه الجوفية تؤثر على كيفية انتنطق الملوثات المذابة بالماء الجوف.

تشتت الهيدروديناميكية

ويعتبر التشتت الهيدروديناميكي (αL، αT) عاملا تجريبيا يحدد كم من الملوثات بعيدا عن مسار المياه الجوفية التي تحمله. بعض الملوثات يفترض أن تكون "خلف" أو"أمام" متوسط المياه الجوفية، مما يؤدي إلى تشتت طولية (αL)، وبعضها سيكون "إلى جانبي" تدفق المياه الجوفية أدفكتيف النقي، مما يؤدي إلى تشتت عرضية (αT ). وينشأ التشتت في المياه الجوفية لأن جميع "جسيم" مائي يتجاوز جسيم التربة، يجب حتى يختار أين يمضى، سواء كان اليسار أواليمين أوصعودا أوهبوطا، بحيث تنتشر تدريجيا جزيئات الماء (ومذيباتها) في جميع الاتجاهات حول المسار المتوسط. هذه هي الآلية "المجهرية"، على نطاق جزيئات التربة. الأهم من ذلك، على مسافات طويلة، يمكن حتىقد يكون التجانس العيانية من طبقة المياه الجوفية، والتي يمكن حتىقد يكون مناطق من أكبر أوأصغر نفاذية، بحيث بعض المياه يمكن حتى تجد مسار تفضيلي في اتجاه واحد، وبعضها الآخر في اتجاه مختلف، بحيث الملوثات يمكن حتى تنتشر بطريقة غير منتظمة تماما، كما هوالحال في دلتا (ثلاثي الأبعاد) من النهر.

التشتت هوفي الواقع عاملا يمثل نقصنا في المعلومات حول النظام الذي نحاكيه. هناك الكثير من التفاصيل الصغيرة حول طبقة المياه الجوفية التي يتم حسابها في المتوسط عند استخدام نهج ماكروسكوبي (على سبيل المثال، أسرة صغيرة من الحصى والطين في طبقات المياه الجوفية الرملية)، فإنها تظهر نفسها على أنها تشتت واضح. وبسبب هذا، غالبا ما يزعم حتى α تعتمد على نطاق طول المشكلة - فإن التشتت الذي تم العثور عليه للنقل من خلال 1 م ثلاثة من طبقة المياه الجوفية يختلف عن ذلك بالنسبة للنقل من خلال 1 سم ثلاثة من نفس طبقة المياه الجوفية. [3]

الانتشار الجزيئي

الانتشار هوظاهرة فيزيائية أساسية، والتي وصفها أينشتاين بأنها حركة براونية، التي تصف الحركة الحرارية العشوائية للجزيئات والجسيمات الصغيرة في الغازات والسوائل. وهي ظاهرة هامة لمسافات صغيرة (وهوأمر ضروري لتحقيق التوازن الحراري الديناميكي)، ولكن، حيث حتى الوقت اللازم لتغطية مسافة عن طريق الانتشار يتناسب مع مربع المسافة نفسها، فإنه غير فعال لنشر المذاب على المسافات المجهرية. وعادة ماقد يكون معامل الانتشار، D، صغيرا جدا، ويمكن اعتبار تأثيره ضئيلا (ما لم تكن سرعات تدفق المياه الجوفية منخفضة للغاية، كما هي في أحواض المياه الطينية).

من المهم عدم الخلط بين الانتشار مع التشتت، حيث حتى الأول هوظاهرة مادية، وهذا الأخير هوعامل تجريبي يلقي في شكل مماثل للنشر، لأننا نعهد بالعمل كيفية حل هذه المشكلة.

التخلف عن طريق الامتصاص

عامل التخلف هوسمة أخرى هامة جدا تجعل حركة الملوث تحيد عن متوسط حركة المياه الجوفية. وهومماثل لعامل التخلف اللوني. وخلافا للانتشار والتشتت، والتي تنتشر ببساطة الملوث، عامل التخلف يغير سرعة المتوسط العالمي، بحيث يمكن حتىقد يكون أبطأ بكثير من الماء. ويرجع ذلك إلى التأثير الكيميائي الفيزيائي: الامتزاز للتربة، الذي يحمل الملوثات مرة أخرى ولا يسمح لها بالتقدم حتى يتم تكثيف الكمية اللقاءة لتوازن الامتزاز الكيميائي. هذا التأثير مهم بشكل خاص للملوثات أقل قابلية للذوبان، وبالتالي يمكن حتى تتحرك حتى مئات أوآلاف مرات أبطأ من المياه. تأثير هذه الظاهرة هوحتى الأنواع القابلة للذوبان فقط يمكن حتى تغطي مسافات طويلة. ويعتمد عامل التخلف على الطبيعة الكيميائية لكل من الملوثات والأحواض الجوفية.

فروع

تتفرع الهيدروجيولوجيا إلى عدد من العلوم من بينها :

هيدروجيولوجيا العامة والنظرية
حركة المياه الجوفية
الهيدروجيوكيمياء
هيدروجيولوجيا مكامن الخامات المفيدة
فهم المياه المعدنية العلاجية والمياه الحارة
الهيدروجيولوجيا الإشعاعية
الهيدروجيولوجيا الإقليمية
طرق الدراسات الهيدروجيولوجية

في كومنز صور وملفات عن: هيدروجيولوجيا

المصادر :

المقدمة / الهيدروجيولوجيا فيما يتعلق بالمجالات الأخرى/ تعاريف وخصائص المواد

Hydrogeology#Hydraulic head

مراجع

^ "Rising sea levels attributed to global groundwater extraction". University of Utrecht. مؤرشف من الأصل في 13 أكتوبر 2014. اطلع عليه بتاريخ February 8, 2011.
^ [1]. Paper based on: R.J. Oosterbaan, J. Boonstra and K.V.G.K. Rao, 1996, “The energy balance of groundwater flow”. Published in V.P.Singh and B.Kumar (eds.), Subsurface-Water Hydrology, p. 153-160, Vol.2 of Proceedings of the International Conference on Hydrology and Water Resources, New Delhi, India, 1993. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands. (ردمك 978-0-7923-3651-8) . On line : [2] . The corresponding free computer program EnDrain can be downloaded from web page : [3], or from : [4] نسخة محفوظةعشرة يوليو2017 على مسقط واي باك مشين.
^ "OpenGeoSys Website". Helmholtz centre for environmental research. مؤرشف من الأصل في 11 يوليو2018. اطلع عليه بتاريخ 28 أبريل 2014.