خانه / آبخیزداری وهیدرولوژی / چرخه آب در آبخیز ها
چرخه آب در آبخیز ها

چرخه آب در آبخیز ها

مقدمه

هیدرولوژی که بعضا” به ان آب شناسی گفته می شود به معنای وسیع کلمه علم آب است.یعنی,علمی که در مورد پیدایش,خصوصیات و نحوه توزیع آب در طبیعت بحث می کند.اما عملا” واژه هیدرولوژی به شاخه ای از جغرافیای فیزیکی اطلاق می شود که گردش آب در طبیعت را مورد بررسی قرار می دهد.

براساس تعریفی که انجمن دولتی علوم و فناوری آمریکا برگزیده است هیدرولوژی علم مطالعه آب در کره ی زمین بوده و در مورد پیدایش,چرخش و توزیع آب در طبیعت,خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آب,واکنش های آب در محیط و ارتباط آب با موجود زنده بحث می کند.بنابراین ملاحضه می شود که در واقع هیدرولوژی در برگیرنده تمامی داستان آب در طبیعت می باشد.امروزه بر حسب استفاده ی انسان و با توجه به گستردگی موضوع,مسائل مربوط به آب در زیر شاخه های مختلف علمی مورد بررسی قرار می گیرد.هیدرولوژی به دو گروه عمده هیدرولوژی علمی و هیدرولوژی عملی تقسیم بندی می شود که در مورد اول فقط به جنبه های اکادمیک هیدرولوژی پرداخته می شود ولی در هیدرولوژی عملی یا مهندسی به مسائلی مانند(۱) تخمین منابع آب,(۲)مطالعه فرایندهای بارندگی,تبخیر,رواناب و روابط آنها با یکدیگر,(۳)مطالعه خصوصیات آب در طبیعت و(۴)مسائل زیست محیطی مانند خشکسالی یا سیل پرداخته می شود.

چرخه آب

در بررسی های هیدرولوژیکی که شامل اندازه گیری و ثبت داده ها ,تجزیه و تحلیل داده ها و کاربرد نتایج حاصله از آنها در حل مسائل گوناگون می باشد فرضیات مختلفی وارد می شود که ممکن است نتایج نهایی  با واقعیت منطبق نباشد لذا هیدرولوژی جز علوم دقیق نیست و فقط تخمینی از واقعیت را بدست می دهد.اما باید دانست که تخمینها تا بحال توانسته اند بسیاری از مشکلات بشر را در ارتباط با مسائل آب حل نمایند.بنابراین باید از همان ابتدا بپذیریم که هیدرولوژی اصولا” جز علوم غیر دقیق طبقه بندی می شود.و نباید از آن انتظاریک جواب مشخص وصد در صد واقعی و دقیق را داشت.البته باید توجه کرد که اولا غیر دقیق بودن در این جا به مفهوم ریاضی –فیزیک آن بوده و به این معنی نخواهد بود که جوابها بسیار با واقعیت مغایرند. ثانیا به کار گیری روشهای علمی در کارهای هیدرولوژی بمقدار فراوان بر دقت نتایج افزوده است.

چرخه هیدرولوژی درآبخیزها

چرخه آب یا سیکل هیدرولوژی که همان گردش آب در طبیعت می باشد.مفهومی است مربوط به مسیر حرکت آب در کره زمین.سیکل هیدرولوژی یک چرخش ساده نیست بلکه مجموعه ای ازحرکات و چرخشهای مختلف است که در سه بخش کره زمین یعنی اتمسفر,هیدروسفر و لیتوسفر صورت می گیرد.

جو پوشش گازی شکل اطراف زمین,هیدروسفر توده آب سطح زمین و لیتوسفر پوشش سخت رویه زمین است که چرخش آب در داخل و بین این بخشها و در لایه ای به ضخامت تقریبی ۱۶ کیلومتر صورت می گیرد که ۱۵ کیلومتر ان در اتمسفر و تنها یک کیلومتر آن در داخل لیتوسفر قرار دارد.

سیکل هیدرولوژی چرخه ای است بدون ابتدا و انتها.بدین ترتیب که آب از سطح دریاها و خشکیها تبخیر شده و وارد اتمسفر می گردد و سپس دوباره بخار آب وارد شده به جو طی فرایندهای گوناگون به صورت نزولات جوی به سطح زمین یا روی دریاها فرو می ریزد.نزولات جوی ممکن است با سه حالت روبه رو شوند:یا قبل از رسیدن به سطح زمین توسط شاخ و برگ گیاهان گرفته شوند(برگاب یا باران گیرش),که بعدا مستقیما از همان جا تبخیر و به هوا باز می گردندیا در سطح زمین جاری می شوند(رواناب)و یا در خاک نفوذ می کنند.آب نفوذی نیز یا به طور موقت در خاک ذخیره می شود که سپس در اثر تبخیر به هوا باز می گردد و یا منابع آب زیرزمینی را تشکیل می دهد که سرانجام از طریق چشمه ها و یا تراوش به داخل رودخانه ها مجددا در سطح زمین جاری می گردد. در تمام این موارد آب با تبخیر و بازگشت مجدد به اتمسفر چرخه هیدرولوژی را کامل می کند.

تبخیر:

پدیده ای است که طی آن مایع به علت تبادل انرژی حرارتی به حالت بخار در می آید. مسلما با افزایش انرژی حرارتی، سرعت مولکول های مایع نیز افزایش می یابد. به طوری که با افزایش بیشتر انرژی حرارتی، مولکول های مایع انرژی لازم را خواهند داشت تا بتوانند از سطح مایع جدا شوند و بخار را به وجود آورند. حدود ۵۸۵ کالری حرارت جهت تبخیر یک گرم آب خالص ضروری است. سرعت انتقال بخار آب به هوا را شدت تبخیر گویند. شدت تبخیر به عوامل زیر بستگی دارد:

الف. اختلاف فشار بخار:

از رابطه دالتون محاسبه می شود:

E: شدت تبخیر که واحد آن میلی متر در روز است.

: فشار بخار اشباع در آب و واحد آن میلی متر جیوه است.

  : فشار بخار حقیقی در هوای مجاور سطوح آب و واحد آن میلی متر است.

C: ضریب ثابتی است که بستگی به سرعت باد دارد.

در هوای گرم

زمانی که  شود، عمل تبخیر شروع می شود. وقتی که  باشد، عمل تبخیر انجام نمی شود و عمل تراکم نیز صورت می گیرد زیرا هوا سرد می باشد.

ب. حرارت:

با افزایش گرما فشار بخار آب بالا می رود که این امر به خاطر افزایش انرژی جنبشی می باشد. از طرفی با افزایش گرمای محیط، فشار بخار موجود هوا نیز افزایش می یابد. چون میزان تبخیر متناسب با اختلاف فشار بخار بین دو محیط هوا و آب می باشد، لذا اگر افزایش درجه حرارت محیط و آب به یک میزان باشد، ممکن است اصولاً تبخیری در نتیجه بالا رفتن حرارت صورت نگیرد. برای آنکه فرآیند تبخیر پیوسته باشد و برای مدتی ادامه پیدا کند، باید همواره به گرمای محیط آب اضافه گردد، زیرا در نتیجه عمل تبخیر، محیط آب مقداری از حرارت خود را از دست می دهد و هنگامی که درجه حرارت دو محیط آب و هوا یکسان شود، عمل تبخیر متوقف می گردد.

ج. سرعت باد:

وجود باد باعث انتقال بخار می شود و انجام انتقال بخار آن باعث ایجاد فضای آزاد برای مولکول های آزاد شده می نماید و در نتیجه شدت بخار افزایش می یابد. حال اگر هیچ گونه جریان هوا در سطح مجاور آب وجود نداشته باشد، تبادل مولکولی بین آب و هوا به مرحله تعادل می رسد و به عبارت دیگر جو مجاور سطح آب قابلیت پذیرش بخار آب را از دست داده و تبخیر کاهش می یابد. اما اگر هوای بالای سطح آب حرکت داشته باشد، مولکول های آب موجود در جو را با خود می برد و محیطی ایجاد می کند که ظرفیت پذیرش   مولکول های آب بیشتری را دارد. با توجه به استنباط فوق چنین به نظر می رسد که هرچه سرعت جا به جایی هوا و یا سرعت باد بیشتر باشد، انتقال ملکول های آب  از سطح آب به جو سریع تر اتفاق می افتد و لذا بایستی با افزایش سرعت باد، مقدار تبخیر نیز افزایش یابد. این امر با ایجاد تونل های باد و اندازه گیری مقدار تبخیر به اثبات رسیده است.

افزایش تبخیر در نتیجه بالا رفتن سرعت باد، تا آنجا ادامه پیدا می کند که باد بتواند تمام ملکول های آب را از محیط جو مجاور سطح آب خارج نماید. اما افزایش سرعت باد از این حد بیشتر، تأثیر قابل ملاحظه ای در افزایش مقدار تبخیر ندارد. حال اگر جریان هوایی که از بالای سطح آب عبور می کند، یک باد گرم باشد، همواره مقداری گرما به آب اضافه می نماید و لذا میزان تبخیر در نتیجه افزایش دمای آب افزون می گردد. بدیهی ست وجود یک جریان هوای سرد، موجب کاهش مقدار تبخیر می شود.

باید توجه داشت که دمای آب مستقل از سرعت باد و فشار بخار نیست. با فرش اینکه تبادل تشعشع حرارتی، ثابت باشد، با افزایش سرعت با، مقدار تبخیر بالا می رود و این امر موجب می گردد که مقدار گرمای محیط آب کاهش یابد. دراین حالت کاهش حرارتی بیش از مقدار دمایی است که محیط می تواند به محیط آب اضافه نماید. این موضوع، به خصوص در دریاچه ها و مخازن یا منابع کم عمق صادق است.

د. فشار:

تعداد مولکول های موجود در واحد حجم با ازدیاد فشار افزایش می یابد. بنابراین شانس بیشتری وجود دارد که مولکول های آزاد شده آب با مولکول های هوا برخورد نموده و دوباره به سطح آب مراجعت نمایند. لذا میزان تبخیر با افزایش فشار کاهش می یابد.

ه. کیفیت آب:

املاح موجود در آب در شدت تبخیر تأثیرگذار است به طوریکه اگر این املاح طوری باشند که باعث افزایش نیروی ثقلی شوند، در این صورت مولکول های آب دورتر از سطح آب شده و بنابراین تبخیر کاهش می یابد.

میزان تبخیر در بسیاری از مطالعات هیدرولوژیکی از قبیل طراحی و بهره برداری مخازن آب و آبیاری دارای اهمیت می باشد، خصوصا در مناطق خشک که معمولاً با کمبود منابع آب است.

 تعرق:

تعرق پدیده ای است که آب پس از این که توسط ریشه گیاهان از زمین جذب می شود از طریق آوندها یا بافت های نباتات جهت رشد گیاه به مصرف می رسد و به وسیله برگ ها به حالت بخار جو انتقال می یابد. معمولاً روابط تجربی جهت برآورد تبخیر و تعرق موفق هستند. البته به علت مشکلات اندازه گیری مستقیم میزان تبخیر و تعرق، روابط متعددی ارائه شده است که یک یا چند عامل هواشناسی را در محاسبات مورد استفاده قرار می دهد. از معروف ترین و موفق ترین رابطه ها جهت پیاده کردن تعرق، رابطه پن من می باشد که یک رابطه تجربی است. معادله پن من ترکیبی از روش های موازنه انرژی و انتقال جرم است.

 برگآب:

مقداری از بارش که توسط پوشش گیاهی حوزه ذخیره شده و سپس تبخیر می شود و هیچ گاه به سطح زمین نمی رسد. در واقع برگآب بخشی از بارندگی است که در مجاورت سطح زمین به وسیله پوشش گیاهی ذخیره شده یا جمع می شود و هیچ گاه به زمین     نمی رسد و بالاخره در نتیجه تابش اشعه خورشید، به صورت تبخیر در می اید. حجم آبی که به این صورت از بارش گرفته و تبخیر       می شود، به عنوان تلفات برگآب نامیده می شود. فرآیند برگآب می تواند بخشی از انواع ریزش مانند برف، باران و مه را از رسیدن به زمین باز دارد و مقدار سیلاب را کاهش دهد. به طور معمول در بررسی بارندگی های شدید و طغیان های بزرگ از جزء برگآب صرف نظر کرده و از این رو در طرح سرریزها، سدها، محاسبات هیدرولیک پل ها و آبروها با صرف نظر از بخش برگآب، ضریب اطمینان بیشتری از طرح حاصل می گردد. در بعضی مواقع مقدار برگآب بسته به وضعیت طبیعی حوزه آبریز از جهات مختلف تا ۲۵% از کل بارندگی را تشکیل     می دهد و می توان دید که از یک بارندگی مثلاً ۱۰۰ میلی متری، ۲۵ میلی متر هرگز به زمین نمی رسد و در سطح ۱۰۰۰ کیلومتر مربع از حوزه، حجمی برابر ۲۵ میلیون متر مکعب آب به جو بر می گردد.

عوامل مؤثر در مقدار برگآب:

۱)      نوع گیاه.

۲)      سن گیاه.

۳)      تراکم گیاه.

۴)      فصل رویش (عوامل فرعی).

۵)      نحوه بارش و شدت آن.

۶)      سرعت وزش باد.

۷)      بزرگ و یا کوچک بودن برگ گیاه.

دو روش جهت تعیین مقدار برگآب متداول است:  نظری و تجربی.

در روش نظری داریم:

  : مقدار برکآب برحسب میلی متر.

  : مقدار برگآب ذخیره شده در گیاه که مقدار آن در حدود ۲۵/۰ تا ۲۵/۱ میلی متر باشد.

K: نسبت سطح برگ های درخت به سطح سایه آن یا نسبت سطح برگ های درخت به تصویر افقی آن است.

E: مقدار تبخیر برحسب میلی متر.

t: به معنی مدت بارش برحسب ساعت.

این رابطه یک سطح دارد و در آن شدت بارش در نظر گرفته نشده است. این رابطه به صورت زیر تصحیح می شود:

P:  مقدار بارش برحسب میلی متر و e عکس لگاریتم طبیعی است.

-۳-۲-۲  نفوذ:

ورود یا جریان یا حرکت آب از سطح به داخل خاک را نفوذ گویند. نفوذ می تواند از مقدار آبدهی یک حوزه بکاهد. هنگام     بارش های آسمانی، مقداری از آب باران به صورت برگآب و چالآب در امده و بخشی از ان در مسیر رودخانه ها یا در سطح خاک شروع به نفوذ می نماید. نفوذ نیز مانند دیگر فرآیند ها نظیر نگهداشت و تبخیر از مقدار سیلاب در سطح خاک می کاهد. به علاوه در مخازن آبی مانند بندها و سدها، برکه ها و حوضچه های سیل گیر، عمل نفوذ اتفاق می افتد و به این وسیله از حجم مفید آب ذخیره شده کاسته    می شود.

عوامل مؤثر در مقدار نفوذ:

معمولاً دو نوع سطح در زمینه کیفیت سطح زمین در مقدار نفوذ در طبیعت وجود دارد:

  1. سطح نفوذ ناپذیر (سنگ و خاک رس).
  2. سطح نفوذ پذیر (شن و ماسه).

مقدار نفوذ نه تنها به کمیت پوکی بلکه به اندازه های خلل و اندازه ذرات خاک رابطه مستقیم دارد.

  • تأثیر پوشش گیاهی:

۱)      از برخورد مستقیم قطرات باران و خرد شدن ذرات خاک جلوگیری نموده و به این ترتیب باعث افزایش نفوذ می شود. برخورد قطرات بارن با شتاب به سطح خاک، خاک را متراکم نموده و نفوذ را کم می کند. اما پوشش گیاهی باعث می شود که در اثر برخورد قطره باران با گیاه شتاب آن گرفته شود و با شتاب کمتری به خاک برخورد کند و در نتیجه تراکم کمتری را ایجاد می نماید.

۲)      معمولاً ریشه گیاه مواد آلی را به خاک اضافه می کنند و موجب پایداری ساختمان خاک شده و نفوذ آب در خاک را تقویت می کنند. ریشه گیاه با فضای اطراف خود فعل و انفعالاتی انجام می دهد. یعنی مواد آلی از خود رها می کند که به عنوان پوشش روی سطح خاک قرار گرفته و باعث می شود بافت خاک در طی زمان از هم جدا نشود و از متلاشی شدن خاک جلوگری می کند. هرچه بافت درشت تر باشد، منافذ بیشترند و نفوذ بیشتر خواهد شد.

۳)      در زمان وقوع جریان روانآب به گیاه مانند مانع عمل کرده . باعث می شود آب بیشتری در منطقه بماند و به علاوه ساقه آن به عنوان یک راه نفوذ آب در خاک عمل می کند.

  • تأثیر نشت و فرونشت در مقدار نفوذ:

وقتی آب در عمق زمین فرو می رود و به لایه های غیر قابل نفوذ می رسد، در آنجا تجمع پیدا می کند و سفره آب زیر زمینی (ناحیه اشباع آب) به وجود می آید و مرزی به نام سطح ایستایی خواهیم داشت. اگر فاصله سطح ایستایی از سطح زمین زیاد باشد، عمل نفوذ یا نشت بهتر صورت می گیرد.

به محض نفوذ آب از سطح خاک، فضاها و خلل های بین ذرات خاک پر شده و در نهایت، حالت اشباع به وجود می آید. بنابراین هرچه آب اشباع زودتر به عمق زمین فرو رود، سرعت نفوذ نیز بیشتر می شود. ولی در صورتی که آب اشباع رد نشود و حرکت نکند، نفوذپذیری به صفر می رسد. فرونشت به دو عامل بستگی دارد:

۱)      بافت و ساختمان خاک.

۲)      درجه پوکی.

  • تأثیر کیفیت آب در مقدار نفوذ:

آب نسبتاً خالص باران که به سطح زمین می رسد، و مستقیماً نفوذ می کند، با آبی که پس از آبروی یا برخوردن باران به خاک با ذرات بسیار ریز کلوئیدی یا آلی مخلوط شده از نظر نفوذپذیری تفاوت دارد. معمولاً سیلاب سطحی برای مواردی که آب گل آلود بوده بیشتر است و این خود دلیل بارزی است برای کاهش نفوذ و علت آن پر شدن منافذ با ذرات معلق در آب گل آلود است. همچنین آب در جهت حرکت، نمک های گوناگون را در خود حل نموده و در هنگام نفوذ سبب خرد نمودن بافت خاک و ریز شدن ذرات خاک شده و از نفوذ آن ها جلوگیری می کند. وجود املاح و مواد معلق سریعاً منافذ سطح آب را می پوشانند و از مقدار نفوذ کاسته می شود. اگر آب دارای مواد اسیدی یا نمکی باشد، این مواد بافت خاک را به هم می زند و دانه های خاک را کوچکتر می کند و نفوذ کم می شود، چون منافذ کمتر می شوند.

ارتفاع سطح اب جمع شده بر روی سطح زمین (تأثیر ارتفاع آب بر مقدار نفوذ):

ارتفاع آبی که در سطح خاک قرار گرفته در مقدار تأثیر دارد. مسلماً نفوذ در واحد سطح از جریان هایی با ارتفاع کم بیشتر است. چون هرچه آب جمع شده بر روی زمین بیشتر باشد، وزن آن بیشتر است و خاک را متراکم می کند و منافذ سطح خاک را می بندد و نفوذ کم می شود.

درباره نویسنده سایت

پاسخ بدهید

ایمیلتان منتشر نمیشودفیلدهای الزامی علامت دار شده اند *

*

کد امنیتی مقابل را وارد نمایید * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.

رفتن به بالا