چاههای آب آرتزین و فلمن

چاههای آب آرتزین و فلمن

چاه آرتزین

ریشه‌شناسی نام آرتزین برگرفته از کلمه آرتویز (به انگلیسی: Artois) است که نام استانی قدیمی درشمال فرانسه است . قدیمی‌ترین چاههای آرتزین حفر شده در این ناحیه حدود 800 سال گذشته مشاهده شده‌اند.

چاه آرتزین گونه‌ای چاه (ساخته انسان) است که یک جریان آب دائمی را تامین می‌کند. در چاه آرتزین، آب با فشار مربوط به موازنه آب‌های ساکن (فشار هیدروستاتیک) مجبور به بالا آمدن از دهانه چاه می‌شود بدون اینکه نیاز به وارد آوردن نیرویی دیگر باشد. این فشار به علت مخرج چاه است که در عمقی زیر سطح منبع آب قرار دارد.

این نوع چاه فقط در شرایط معینی ایجاد می‌شود. باید طبقه‌ای از سنگ‌های متخلخل یا شن، بین دو لایه سخت و غیرقابل نفوذ نسبت به آب از سنگ و یا خاک رس قرار گرفته باشد. در بعضی مناطق این طبقه در سطح زمین است. بنابراین آب باران و برف در زمین فرو رفته تا جائیکه بین دولایه سخت در بالا و پائین محبوس شود. در آنجا تحت فشار محبوس مانده تا توسط حفر چاه و یا مانند آن، آزاد شود.

نمای کلی چاه آرتزین

  آب باران به داخل زمین نفوذ می کند و می رود تا می رسد به شن یا سنگ های سوراخ سوراخی که در میان دو لایه از سنگ های محکم و نفوذناپذیر قرار گرفته اند. آنگاه در اطراف چنین آبی فشار جمع می شود، و سپس هنگامی که سوراخی به مخزن آب بزنند، آب با فشار بیرون می جهد. البته چاه آرتزین را می بایست در جایی زد که پایین تر از سطح نفوذ آب به داخل زمین باشد.

عمق چاه‌های آرتزین متفاوت است. گروهی از این چاه‌ها تنها چند متر عمق دارند اما ژرفای پاره‌ای از آنها به صدها متر می‌رسد. چاه های آرتزین به ویژه برای آبیاری مناطق نیمه خشک مانند دشت‌های بزرگ ایالات متحده آمریکا و قسمت‌هایی از استرالیا با ارزش هستند.

هرگاه ارتفاع آب در داخل چاه بالاتر از سطح لایه آبدار اطراف آن باشد یا تحت فشار از چاه بیرون بریزد،چاه را چاه آرتزین گویند ،چاه آرتزین، چاهی است که آب به صورت جهنده از آن خارج می شود بدون آن که، نیاز به پمپ داشته باشد.

شکل- نمونه چاه آرتزین

چاه فلمن یا چاه‌های مخزنی گالری‌دار

در زمینهای از جنس رسوبات سست منفصل شن و ماسه و یا قلوه سنگ با سطح آب نزدیک به سطح زمین ، اقتصادی ترین روش استحصال آب در حجم زیاد، حفاری یک حلقه چاه قائم دستی به قطر 2 تا 5 متر و تا عمق چند متر زیر سطح آب بمنظور انباشت آب ورودی از گالریهای افقی می‌باشد . دیواره و کف این چاه را با بتن عایق بندی و مستحکم می‌نمایند. سپس گالریهای افقی متعدد در جهات مختلف و با شیب خیلی ملایم و به ارتفاع حدود یک متر از کف چاه عمود بر دیواره چاه در داخل سفره آبدار حفر می‌نمایند. طول این گالریها ممکن است به بیش از 100 متر هم برسد.

یکی از روشهای جدید احداث چنین چاه‌هائی استفاده از ماشینهای مخصوص می‌باشد. حفاری چاه قائم برای اعماق بیش از 20 متر می‌تواند با دستگاههای حفاری مخصوص صورت گیرد. در روش فلمن FELMAN متخصص سوئیسی لوله‌های فولادی مقاوم بقطر 8 الی 16 اینچ که در قسمت پیشرو دارای یک مخروط فولادی بسیار مقاوم نوک تیز سوراخ دار می‌باشد، به کمک دستگاه‌های پرس هیدرولیکی با فشار حدود 70 کیلوگرم بر سانتی متر مربع در دیواره چاه و عمود بر آن در جهات مختلف و بطور شعاعی در داخل ماسه‌های سفره آبی و با شیب بسیار ملایم فرو برده می‌شود.

نمای چاه وتجهیزات آن

هنگام فرو بردن لوله فولادی، ماسه‌های سفره آبدار به همراه آب از راه سوراخهای مخروط پیشرو وارد لوله فولادی کم قطر تری که در وسط لوله فولادی‌هادی تعبیه شده، می‌گردد و همراه جریان آب از داخل این لوله وارد چاه اصلی مادر یا چاه جمع کننده می‌شود و توسط پمپ آب از درون چاه تخلیه می‌گردد. این عمل باعث می‌شود تا لوله با نیروی کمتری در زمین فرو رود بطوریکه می‌توان این لوله‌ها را تا حدود 80 متر در زمین‌های از جنس رسوبات دانه ریز ماسه‌ای فرو برد.

در خاتمه کار، لوله مشبک متناسب با قطر لوله‌هادی و به قطر 7 الی 14 اینچ وارد لوله‌هادی نموده و آنگاه لوله‌هادی را بیرون می‌کشند. سطح مشبک در ارتباط با دانه بندی سازند از 20 تا 30 درصد کل سطح لوله را شامل می‌شود.

نمای چاه گالری دار

عمق چاه عمودی معمولاً تا 30 متر می‌رسد که امروزه با کمک روشهای حفاری نوین چاه‌های عمودی تا عمق 60 متر نیز حفاری می‌شوند و سطح آب از این بابت عامل محدود کننده عمق حفاری نمی‌باشد. بلکه جنس رسوبات آبرفتی و سختی و نرمی‌زمین عامل اصلی تعیین کننده حفاری می‌باشد.

این نوع چاهها در بستر آبرفتی رودخانه‌های دائمی‌و یا آبرفتهای با سطح آب زیر زمینی کم عمق با ضخامت کم حدود 3 تا 4 متر و گسترش محدود قابلیت بهره برداری بسیار زیادی دارند در حالیکه چاه‌های عمیق در لایه‌های کم ضخامت کارآیی ندارند. بنابراین مطالعه سیستماتیک مکان یابی در رابطه با منابع آب زیرزمینی و سطحی منطقه، زمین شناسی و توپوگرافی و هیدرولوژی ناحیه، وضعیت آبدهی سالیانه و حداقل و حداکثر دبی، ابعاد هندسی شیب و دانه بندی بستر اهمیت خاصی دارد. در مرحله بعدی برای مشخص کردن وضعیت آبدهی زمین و ضرایب هیدرودینامیکی لایه آبدار یک حلقه چاه اصلی بقطر 12 اینچ تا برخورد به سنگ کف برای آزمایش پمپاژ و 2 تا 4 حلفه چاه پیزومتر برای اندازه گیری سطح آب زیرزمینی بهنگام آزمایش پمپاژ، حفاری می‌شود. براساس نتایج بدست آمده محل چاه مخزنی، عمق و قطر آن و همچنین طول کوره‌های افقی و حدود آبدهی مشخص می‌شود و عملیات اجرائی بشرح ذیل صورت می‌گیرد:

ابتدا یک حلقه فولادی با لبه تیز برنده و به ارتفاع یک متر و باندازه قطر خارجی چاه که اصطلاحاً چاقو نام دارد، در روی زمین و محل حفاری قرار می‌گیرد. این حلقه پیشرو باعث سهولت حفاری و پایین رفتن بدنه بتنی چاه می‌گردد. اولین حلقه بتنی مسلح را بر روی آن قالب بندی و بتن ریزی می‌کنند. سپس اقدام به حفاری و تخلیه مواد موجود درون حلقه می‌نمایند. این عمل سبب پایین رفتن چاقو فولادی و حلقه بتونی مستقر بر روی آن می‌گردد. این کار تا رسیدن به عمق مورد نظر ادامه می‌یابد.
دقت و مهارت در اجرای کار از شرایط ضروری برای جلوگیری از کج شدگی چاه و یا ریزش زمین و از بین رفتن ماحصل کار می‌باشد.

در اولین حلقه بتونی که در پایین ترین نقطه چاه قرار دارد چند دریچه به فواصل مشخص در یک یا چند ردیف به منظور انجام حفاری‌های افقی و زهکشی آب از سفره آبدار، قرار می‌دهند.

در خاتمه حفاری چاه قائم کف آنرا بتون می‌نمایند تا از فرار آب جلوگیری شود و در ضمن ماشین آلات حفاری افقی را بتوان مستقر نمود.

 نمای چاه گالری دار

بعد از استقرار ماشین حفاری افقی در مقابل دریچه‌ها یک شاخه لوله فولادی 10 اینچ به طول 3 متر که بر سر آن یک مته حفاری دایره‌ای پیشرو بسته شده است، از درون دریچه دیواره بتن توسط فشار جک‌های هیدرولیکی بنام Pipe jaking به درون زمین فرو می‌کنند. لوله‌های بعدی را به این لوله بسته و به همین ترتیب به درون زمین فرو می‌کنند. این لوله‌ها را ‌هادی می‌نامند و در خاتمه حفاری گالری افقی، لوله‌های مشبک از جنس پلی استابیون مقاوم در درون آن کار می‌گذارند و سپس لوله‌های فولادی را یکی یکی بیرون می‌آورند. این لوله های مشبک، کار زهکشی آب از سفره زیر زمین را به درون چاه بعهده دارد و قطر آن معمولاً 2 اینچ کمتر از لوله‌هادی است.

طول گالری‌های افقی در صورتیکه به موانعی مثل تخته سنگ و یا تنه درختان قطور برخورد ننماید با توجه به بافت زمین و بسته به قدرت دستگاه حفاری بین 30 تا 50 متر می‌باشد.

پس از پایان عملیات حفاری گالری‌های افقی، در دهانه خروجی آنها به داخل چاه قائم یک شیر فلکه که از سطح زمین قابل باز و بسته شدن باشد، نصب می‌نمایند.

میزان آبدهی این چاه‌های مخزنی بین 200 تا 400 لیتر در ثانیه و در شرایط مناسب تا 1000 لیتر در ثانیه نیز می‌رسد. بعد از آماده شدن چاه ابتدا کار توسعه با باز کردن شیر فلکه هر گالری و خروج آب ازداخل آن به درون چاه قائم تا خارج شدن شن و ماسه و گل و لای همراه آب و صاف شدن آن صورت می‌گیرد و این کار به نوبت برای هر گالری انجام می‌شود.سپس اقدام به آزمایش پمپاژ و تعیین آبدهی مجاز چاه می‌نمایند.

چاه مخزنی میاندوآب در ساحل زرینه رود بیش از 1000 لیتر در ثانیه و چاه مخزنی ساحل زاینده رود اصفهان بیش از 500 لیتر در ثانیه آبدهی دارد.

بطور کلی اگراستحصال حجم زیادی آب از یک لایه آبرفتی با ضخامت کم مورد نظر باشد، حفر این نوع چاهها به دلیل تماس بسیار زیاد گالری‌های افقی با پایین ترین سطح لایه آبدار، جوابگوی این نیاز می‌باشد.
چون آب استحصالی از پایین ترین قسمت لایه آبدار صورت می‌گیرد لذا عمل تصفیه فیزیکی و رسوب‌گیری مواد معلق توسط زمین بخوبی انجام می‌شود و حتی با وجود آب آلوده سطحی می‌توان آب بهداشتی و تمیز از لایه‌های زیرین برداشت نمود.

حتی در مناطق دارای آب شور چنانچه یک رودخانه آب شیرین در جریان باشد می‌توان به این وسیله از لایه‌های آبرفتی رودخانه حاوی آب شیرین استفاده نمود و حال آنکه حفر چاه عمیق در این مناطق اکثرا با شکست مواجه می‌شود.

علیرغم هزینه اولیه بالا برای احداث این قبیل چاه‌های مخزنی در موارد بسیاری می‌توانند کاملا اقتصادی و مقرون به صرفه باشند. عمر چاه عمودی بتنی بیش از 100 سال و عمر گالری‌های افقی بین 30 تا 50 سال است که قابل بازسازی و استفاده مجدد است. آب استحصالی صاف و بهداشتی بوده و احتیاج به احداث تصفیه خانه با هزینه سنگین و گزاف ندارد. هزینه نگهداری ناچیز و بهره برداری آن در حد مصرف انرژی پمپ‌ها است. در مقایسه با چاه‌های عمیق نیز بسیار اقتصادی می‌باشد. طول عمر زیاد، آبدهی بالا معادل تا 15 حلقه چاه عمیق، شعاع حریم کم و بهره برداری آسان و از همه مهمتر قابل اجرا بودن در زمینهای آبرفتی با ضخامت کم از مزایای این چاه‌های مخزنی است.

مرجع: کتاب شناخت و اصول کاربردی در اکتشاف آبهای زیرزمینی دکتر علی رضا حاجیان و مهندس پوریا جندقیان