سد زیرزمینی

سد زیرزمینی فوکوزاتو در جزیره میاکوجیما در استان اوکیناوای ژاپن

سد زیرزمینی، به هر سازه‌ ساخت دست بشر در زیر زمین می‌گویند که بتواند با مسدود کردن جریان طبیعی آب‌های زیرزمینی در یک سفره آب طبیعی سبب ایجاد مخازن آب در زیر زمین شود. برای احداث یک سد زیرزمینی وجود یک سنگ بستر نفوذ ناپذیر مثل سنگهای آذرین (Crystalline rocks) با تخلخل و شکستگی کم و همچنین یک مخزن مناسب با ضریب ذخیره بالا نیاز است.

آب ذخیره شده در این نوع سدها جهت تغذیه سفره‌های آب زیرزمینی و افزایش تراز سطح آب زیرزمینی و ذخیره شدن و در دسترس قرار گرفتن جریانات زیرسطحی برای استفاده انسان مورد ساخته می‌شود. سد زیرزمینی مشابه با سدهای معمولی دارای یک دیواره ناتراوا (غیرقابل نفوذ توسط آب) است که آب در پشت آن جمع می‌شود. جنس این دیواره می‌تواند خاک رس متراکم، سفال، آجر و سنگ با ملات سیمان، PVC و پلی اتیلن باشد.

اهداف و کاربردها

• ایجاد مخازن آبی کوچک تجدید شونده برای مصرف آسان، کم هزینه و قابل اطمینان از سفره آب زیرزمینی در سطح حوزه‌های آبخیز
• احیا، تقویت و مدیریت بر منابع آب زیرزمینی از جمله قنوات و چشمه‌ها و هدایت آب آنها به مقاصد مورد نظر
• جلوگیری از پیشروی آب شور به آب زیر زمینی در سواحل‌. این کار در سواحل کارستی با پوشاندن درزها، شکاف ها و تونل هایی که آب شیرین را به آب شور در سواحل متصل می‌کنند انجام می‌شود
• جلوگیری از گسترش کویر با اختلاط آب زیرزمینی شور و شیرین در دشت‌ها و دریاچه‌های نمک
• تثبیت بستر و حاشیه رودخانه‌های فصلی
• اهداف محیط زیستی مانند پخش یا جمع کردن آلودگی آبی یا تشعشعات هسته ای پشت سد زیرزمینی و جلوگیری از اثرات سوء آنها بر آب های زیرزمینی

انواع سدهای زیرزمینی

۱. سدهای زیرزمینی مستغرق (Submerged Dams)

در این نوع از سدها دیواره سد در قسمت پایین به سنگ بستر نفوذناپذیر و در قسمت بالایی به سطح آبرفت محدود می‌شود و مخزن آب فقط در زیر زمین تشکیل می‌شود شکل(۳–۲). این سدها جهت ذخیره آب در اکیفرهای طبیعی (مخازن بالادست محور سد) و عمود بر مسیر رودخانه ساخته شده و از جریان زیرسطحی آب به پائین دست.

شکل (۳–۲): مقطع شماتیک و نمونهای از سد زیرسطحی ساخته شده در ایالت San jianbu در کشور چین (طول محور۱۲۰۰متر و ارتفاع دیواره ۲۳ متر)

جلوگیری کرده و آن را در درون بستر ماسهای خود انباشته می‌کند و به این طریق میزان نوسانات سطح آب زیرزمینی را با ذخیره کردن آب تا حدود زیادی کاهش می‌دهند. این نقش دقیقاً در سدهای سطحی جهت کنترل تغییرات دبی رودخانه‌ها و ایجاد حالت پایدار دیده می‌شود. دیواره این سدها میتواند بتونی، سنگچین، رس متراکم، آسفالت، آجر با ملات سیمان یا حتی صفحات پلاستیکی مقاوم در برابر جریان آب (پلی اتیلن) باشد، اما به‌طور کلی ارجحیت با نزدیکترین مصالح و منابع قرضه موجود در محل احداث سازه میباشد. برخلاف بدنه سدهای سطحی، بدنه سدهای زیرسطحی نیازی به ضخامت زیاد یا دیواره حائل ندارد. مهم‌ترین مسئله ای که در ساخت این نوع از سدها باید به آن توجه شود، بنا نهادن دیواره سد برروی بستر و تکیه‌گاه‌های سنگی غیرقابل نفوذ جهت جلوگیری از نشت آب به پائین دست میباشد. مکانهای ایدئال برای احداث سدهای سطحی، دره های مدفون شده[۲] درههای باریک با عرض ۱۰۰ تا ۲۰۰ متر میباشند که توسط مواد با آبدهی ویژه[۳]خوب مانند ماسه‌ها و گراول‌ها پرشده اند. سدهای زیرسطحی طبیعی اغلب ناشی از بیرون زدگی سنگ بستر و سد کردن جریان آب میباشد. توسعه سدهای زیرسطحی در درهها و بستر رودخانه‌ها وسیله ای است که میتوان توسط آن آب را به میزان زیادی انباشته کرد.

۲. سدهای زیرزمینی رسوب گیر یا ماسه ای

در این نوع از سدها که Sandfill dam نیز نامیده می‌شوند، دیواره نفوذ ناپذیر سد بر روی سنگ بستر نفوذ ناپذیر قرار گرفته و تا بالاتر از سطح آبرفت موجود در کف رودخانه ادامه می‌یابند. این نوع از سدها بیشتر در رودخانه هایی که ضخامت آبرفت در آن‌ها ناچیز(۲ تا۳ متر) می باشد، ساخته می شوند. شکل (۳–۳). در این سدها قسمتی از دیواره سد که بالاتر از سطح آبرفت قرار می‌گیرد به عنوان یک تله رسوب گیر عمل میکند (مشابه سدهای کنترل رسوب) و با گذشت زمان و انباشته شدن رسوبات در پشت دیواره سد بر حجم مخزن سد زیرزمینی افزوده می‌شود. در واقع یک مخزن سطحی و یک مخزن زیرزمینی تشکیل میشود که با گذشت زمان مخزن سطحی به مخزن زیر سطحی تبدیل می شود (شکل ۳–۴). به این ترتیب در هر فصل سیلابی ماسه‌ها و گراول‌ها در پشت سد جمع می شوند و این افزایش ارتفاع به‌طور پیوسته ادامه می‌یابد. رسوبات ریزدانهای نظیر سیلتو رسکه در فضای بین ماسه‌ها و گراول‌های درشت دانه نهشته شده اند به علت ایجاد آشفتگی در هنگام سیلاب از بالای سد خارج شده و رسوبات دانه درشت باقی میماند که باعث ایجاد ظرفیت ذخیره بالا می‌شود. البته در بحثهای مرتبط با مهندسی رسوب این عمل توسط طراحی ساختارهای کانال مانند در بستر رودخانه که باعث درگیر شدن و چرخش آب از بین رسوبات بستر رودخانه می‌شود، تشدید می‌شود.

ایجاد چرخش در آب جهت شستن ذرات سیلت و رس از بین ذرات دانه درشت تر

به دلیل این که این نوع از سدها نسبت به نوع مستغرق پیچیده‌تر و پرهزینه تر هستند، لذا بهتر است که قبل از ساختن این نوع از سدها ابتدا یک سد زیر سطحی با هزینه کمتر در همان محل ساخته شده تا هم از نفوذناپذیر بودن بدنه و مخزن سد اطمینان حاصل شود و هم اینکه ممکن است آب ذخیره شده توسط این سد اولیه برای نیازهایمان جوابگو باشد.

بلوک دیاگرام دیواره سد زیرزمینی

جهت ساختن این دیواره عموماً یک ترانشه عمود بر مسیر رودخانه و تا سنگ بستر نفوذناپذیر حفر می‌کنند که عمق این ترانشه بستگی به ضخامت آبرفت و عمق قرارگیری سنگ نفوذ ناپذیر بستر رودخانه، نوع خاک یا آبرفت محل ساختگاه سد و موادی که در ساختن دیواره سد بکار برده می‌شود، دارد.

در رودخانه‌هایی که آورد رسوبی آنها عمدتاً ماسهای است، طبیعتاً چسبندگی آبرفت کم است و امکان ریزش دیوارههای ترانشه در حین حفاری و خاکبرداری وجود دارد و نیاز به نگهداری دیوارههای ترانشه با استفاده از صفحات حایل یا دیگر تکنیکها میباشد. با این وجود مناطق ماسهای در رودخانهها از نقاط مناسب برای احداث سد زیرزمینی محسوب می‌شوند، چرا که دارای ضریب ذخیره مناسبی میباشند. معمولاً در حین حفر ترانشه با سطح ایستابی برخورد میشود که این خود نشان از جریان زیر سطحی در بستر آبراه می‌باشد و در حین حفاری نیاز به پمپاژ و خارج کردن آب از کف ترانشه می‌باشد.

مزایای سد زیرزمینی

- انعطاف‌پذیری بالا در پیدا کردن محل‌های مناسب جهت ساخت سازه سد زیرزمینی

به طوری که برخلاف سدهای سطحی و همچنین اکیفرهای بزرگ که معمولاً دور از دسترس مکان‌هایی است که آب را مصرف می‌کنند، می‌توان سدهای زیرزمینی را در مجاورت مناطق کشاورزی، روستایی و صنعتی بنا نهاد.

- هزینه پایین اجرا

ساخت آسان سازه با استفاده از منابع قرضه در دسترس و نیروی کار محلی

- تبخیر ناچیز از سطح مخزن

نبود تغییرات دمایی در آب موجود در مخزن و وجود دمای ثابت. این موضوع از حیث بعضی مصارف صنعتی و دامی قابل توجه میباشد. (به‌طور مثال در سد سنگانه خراسان رضوی در فصول سرد سال احشام عشایر قادر به شرب آب‌های سطحی به علت سردی آب نبوده و تنها از آب خروجی سد زیرزمینی استفاده می‌کردند که این مسئله قبل از احداث سد در این منطقه معضل بزرگی علاوه بر کمبود آب بود)

- زیر آب نرفتن سطح زمین

برخلاف سدهای سطحی که آب را در سطح زمین انباشته می کنند و باعث به زیر آب رفتن مناطق موجود در مخزن سد می‌شود، در این نوع از سدها به دلیل انباشته شدن آب در زیر سطح زمین خسارت مخزن بسیار ناچیز میباشد. در نتیجه مسائل اجتماعی و هزینه‌های بالای خرید اراضی مخزن از مالکان و معارضان که گاهی بیش ارزش هزینه ساخت سد می‌باشد وجود ندارد.

- حفظ اکوسیستم سطحی منطقه

به دلیل انباشته شدن آب در زیرسطح زمین، اکوسیستم منطقه نسبت به حالتی که مخزن در سطح زمین تشکیل می شود کمتر تحت تأثیر قرار می گیرد. و در نتیجه این گونه سدها فاقد اثرات مخرب زیست‌محیطی می‌باشند.

- عدم وجود هزینه‌های سنگین حفظ و نگهداری

ساختن چندین سد زیرزمینی در آبراهه‌های منطقه جهت افزایش ذخیره منابع آب زیرزمینی امکانپذیر می‌باشد.

برخی نکات و تجربیات مهم در مورد سدهای زیرزمینی

به دلیل اینکه مخازن سدهای زیرزمینی در داخل آبرفت‌های پشت دیواره سد تشکیل میشود این مخازن نسبت به مخازن سدهای سطحی دارای حجم آب کمتری است. به همین دلیل باید مکان این سدها در رودخانه‌های با آبرفت‌های دانه درشت (مانند مناطق آذرین) انتخاب شود.

کنترل مرحله به مرحله ساخت بدنه سد نیازمند دقت است، زیرا پس از ساخت سد، بدنه در معرض دید قرار ندارد و در صورت بروز مشکل در دیواره سد، این مشکلات از دید مهندسان به دور خواهد بود.

یک سد زیرزمینی ممکن است که ظاهراً از نفوذ جریانات زیرسطحی به آبخوانهای پائین دست جلوگیری کند، اما معمولاً این آبخوانه فقط توسط جریانات زیرسطحی که از محل سد عبور می کند تغذیه نمی شوند. از طرفی همواره می‌بایستی با طراحی سازه های آبگیر مناسب در خود بدنه سد زیرزمینی امکان زهکشی حد معینی از آب را به طرف نقاط پائین دست فراهم آورد.

نمک‌زایی (Salinization) در مخزن سد زیرزمینی

بالا آمدن سطح آب زیرزمینی تا مجاورت سطح زمین به واسطه احداث سد زیرزمینی ممکن است با تبخیر آب از سطح مخزن و تجمع نمکها در سطح همراه باشد. برای رفع این مشکل میتوان تراز آب زیرزمینی را با کم کردن ارتفاع دیواره سد کاهش داد تا از تبخیر جلوگیری شود. (ارتفاع دیواره معمولاً از بستر نفوذناپذیر تا ۳ الی ۴ متری زیر بستر آبرفتی رودخانه در نظر گرفته می شود)

همچنین می‌توان برای کاهش اثر این پدیده از کشت گیاهان جذب کننده نمک در سطح مخزن استفاده شود). برای کاهش پتانسیل نمک زایی در مخزن سد زیرزمینی می‌توان با تعبیه یک لوله تخلیه در پاشنه سد تا حدودی با این مشکل مبارزه کرد. این لوله زهکش در پاشنه سد و در قسمت رو به جریان به موازات دیواره سد بر روی سنگ بستر نفوذ ناپذیر طراحی می شود. این لوله در طول دیواره سد امتداد یافته و سپس از داخل دیواره عبور میکند و در پائین دست به یک لوله قائم متصل می‌شود که می توان از طریق آن آب را تخلیه کرد. در واقع این لوله به عنوان وسیله ای جهت تخلیه نمکهای حل شده از مخزن سد استفاده می شود.

تاریخچه

در طول تاریخ از سازه قنات برای جریان پیدا کردن آب در زیر زمین و هدایت آن به سطح زمین استفاده می‌شد. این جوی یا کانال در عمق زمین برای ارتباط دادن رشته‌چاه‌هایی است که از مادر چاه سرچشمه می‌گیرد. در عصر صفویه در ایران برای افزایش آب مادرچاه قنوات وزوران در شهرستان میمه استان اصفهان، آب دیگر قنات‌ها را به آن منحرف می‌کردند؛ این مورد یکی از قدیمی‌ترین نمونه‌های سد زیرزمینی در جهان است. سابقه ساخت سد زیرزمینی در دوران معاصر در ایران به سال ۱۳۷۰ بر می‌گردد که در شهرستان کهنوج استان کرمان به منظور تأمین آب شرب شهرکی با عرض ۴۰ متر و ارتفاع ۱۲ متر در شیب ۴٪ با هسته رسی ساخته شد.

پیوند به بیرون

• بانک واژگان، شرکت توسعه منابع آب و نیروی ایران
• احداث سد زیر زمینی در ایران
• انواع سد زیر زمینی از لحاظ وضعیت قرارگیری در زمین
• چکیده مقاله سدهای زیرزمینی روشی نوین در مدیریت و استحصال آب