طراحی هیدرولیکی و سازه‌ای پخش سیلاب (کاربردی) (کتاب الکترونیک)

فصل اول

مسائل آب در ایران و جهان

تغییرات اقلیم

با توجه به تغییرات اقلیمی در دهه‌های گذشته، کشور ایران با خشکسالی‌های شدید مواجه شده و زنگ خطر مهاجرت‌های گسترده از مناطق خشک به صدا در آمده است (شیراوند، هاشمی، 1395).

این امر با توجه به افزایش دما و از دست دادن بخشی از آب‌های استحصالی به وسیله تبخیر بیشتر، دو چندان می‌گردد. چرا که میانگین دمای کشور با شیبی در حدود 4/0 درجه سلسیوس بر دهه افزایش یافته است. حتی در برخی ایستگاه‌ها، نرخ افزایش دمای کمینه تا 4 برابر نرخ افزایش دمای بیشینه نیز به ثبت رسیده است. تغییرات اقلیمی به وجود آمده نه تنها افزایش دما، بلکه کاهش بارش به صورت برف، کاهش میانگین بارندگی‌ها و سایر تبعات را هم به مرور زمان به دنبال دارد.

همچنین روند تغییرات اقلیمی در 49 سال اخیر نشان از کاهش بارندگی‌ها با شیب 11 میلیمتر بر دهه دارد. افزون بر این تبخیر و تعرق با شیب 54 میلیمتر بر دهه افزایش یافته است. بنابراین با کاهش 65 میلیمتری موجودی آب در دهه روبرو هستیم که این امر موجب بیابانی شدن کشور در دهه‌های بسیار نزدیک می‌شود. به گفته آقای دکتر علیرضا آراستی مدیر بخش بهره‌‍‌برداری از شبکه‌های آبیاری و زهکشی شرکت مدیریت منابع آب ایران، بارندگی متوسط سالانه کشور در حدود 250 میلیمتر است که حجم آن در حدود 413 میلیارد متر مکعب برآورد می‌گردد. اما تنها 130 میلیارد متر مکعب آن قابل استحصال است که هرساله 105 تا 107 میلیارد متر مکعب آن استحصال می‌گردد و در حدود 25 میلیارد متر مکعب دیگر آن نیز قابلیت استحصال دارد (پایگاه خبری آب و فاضلاب، برق و جهاد کشاورزی، 1396).

میزان کل آب‌های مصرفی کشور

عواملی همچون رشد روز افزون جمعيت، گسترش شهرنشيني، توسعه بخش‌هاي كشاورزي و صنعت و پديده‌هاي اكوسيستمي باعث كاهش منابع آب تجديدپذیر در قرن گذشته شده است. میزان سرانه آب تجدیدپذیر ساﻻنه کشور از حدود ۱۳۰۰۰ متر مکعب به ازای هر نفر در سال1300، به حدود ۱۴۰۰ متر مکعب به ازای هر نفر در سال ۱۳۹3 تقلیل یافته و در صورت ادامه این روند، وضعیت در آینده به مراتب حادتر خواهد شد. با توجه به میزان منابع آبی و سرانه مصرف، ایران در گروه کشورهای مواجه با کمبود فیزیکی آب در سال ۲۰۲۵ قرار دارد. این بدان معناست که این کشورها، حتی با باﻻترین راندمان و بهره‌وری ممکن در مصرف آب، برای تأمین نیازهایشان آب کافی در اختیار نخواهند داشت. میزان کل آب‌های مصرفی کشور در حدود 64 میلیارد مترمکعب در سال است. در حدود 89 درصد کل مصارف آب مربوط به بخش کشاورزی بوده و مصارف صنعتی و شرب هر کدام حدود 9/5 درصد کل مصارف آب را در کشور تشکیل می‌دهند (دفتر مطالعات پایه منابع آب وزارت نیرو، 1396).

بهره وری آب

از آغاز اصلاحات اراضی، حفر چاه‌های عمیق و نیمه‌عمیق در روستاهای کشور رواج پیدا کرد، علت آن دسترسی سریع به آب و سهل‌الوصول بودن آن نسبت به ساخت و لایروبی قنوات بوده است. این روند در دهه ٤٠ شکل گرفت و تا ‌سال ١٣٥٥ حدود ٥٠ هزار حلقه چاه درکشور حفر شد و در ادامه به ١٠٥‌ هزار حلقه در سال 1360 رسید. این درحالی بود که حفر بسیاری از این چاه‌ها در مقاطعی از زمان با مخالفت جدی وزارت نیرو مواجه بوده است. با گسترش کشاورزی، این آمار افزایش یافت به طوری که براساس تازه‌ترین آمار ارایه ‌شده از سوی وزارت نیرو، در حال ‌حاضر بیش از یک ‌میلیون حلقه چاه آب شامل عمیق و نیمه‌عمیق در کشور وجود دارد که با دریافت مجوز قانونی حفر شده‌اند. تعداد چاه‌های عمیق حفر شده در کشور بالغ بر ٢٠٥‌ هزار و ٥١١ حلقه است و تعداد چاه‌های نیمه‌عمیق به ٥٥٣‌ هزار و ٨٧ حلقه می‌رسد.

با تشدید خشکسالی و افزایش جمعیت، حفر چاه آب به‌صورت تصاعدی افزایش داشته، به‌طوری‌که امروزه حفر چاه‌های مجاز و غیرمجاز، به تهدید جدی برای سفره‌های زیرزمینی و کشاورزی ایران بدل شده است و این در حالی است که آمارهای غیررسمی از حدود ١٣٠‌ هزار تا ٣٠٠‌ هزار چاه غیرمجاز در کشور خبر می‌دهند. کارشناسان معتقدند، یکی از علل پایین آمدن سطح آب‌های زیرزمینی، حفر چاه‌های غیرمجاز و برداشت بی‌رویه از سفره‌های زیرزمینی است .

بنابراین درحالی‌که در دهه ٤٠ با حفر ٨ تا ١٥ متر چاه به آب می‌رسیدیم، در سال ١٣٩٠ این عمق به ١٥٠ تا ٢٠٠ متر رسید که برای کشاورز نیز به‌صرفه نیست. یکی دیگر از تبعات چاه‌های عمیق، خشک شدن قنات‌هاست و اگر این روند ادامه یابد، تا ٢٠‌ سال آتی قناتی در ایران باقی نخواهد ماند. در کنار این موارد، پایین بودن سطح آب و پیشروی آب‌شور از پیامدهای حفر چاه‌های متعدد است. همراه با پایین آمدن سطح آب‌های زیرزمینی و حفر چاه‌های متعدد، به‌تدریج به‌جای آب‌شیرین، آب‌شور درچاه‌ها بالا می‌آید. به این ترتیب از کیفیت آب آشامیدنی و کشاورزی نیز کاسته می‌شود.

از سوی دیگر، برداشت بیش از حد آب از سفره‌های زیرزمینی باعث شده تا زمین نشست کند چرا که آب درون خلل و فرج خاک خالی شده و خاکدانه‌ها به وسیله وزن لایه‌های بالایی در هم فرو رفته و متراکم می‌گردند. با فرونشست زمین، سفره‌های زیرزمینی دیگر قابلیت آبگیری ندارند، زیرا منافذ آن‌ها پر شده و اگر در این مناطق بارندگی زیادی هم صورت گیرد، سفره‌ها گنجایش خود را از دست داده‌اند و دیگر نمی‌توانند آب را در خود ذخیره کنند. این پدیده هم اکنون در شهرها و روستاها رو به افزایش است، به‌طوری‌که نشست زمین در شهرها موجب شکسته‌شدن لوله‌های آب و گاز شده است.

حال سئوال این است که آیا مدیریت منابع آب کشور در این حوزه اصولی عمل کرده است یا خیر؟ چرا که آمار ارایه ‌شده از سوی وزارت نیرو درخصوص چاه‌های حفر شده، مربوط به چاه‌های مجاز است در صورتی‌که اگر چاه‌های غیرمجاز را (که تعداد آن‌ها کم نیست) نیز به آن اضافه کنیم، عددی به مراتب بزرگتر به ‌دست می‌آید که گویای خطری است که سفره‌های زیرزمینی ایران را تهدید می‌کند.

در حال حاضر 335 دشت از 609 دشت کشورمان بیلان منفی دارند که نشانگر بحران ویران ‌کننده‌ای در منابع آبی کشور است، از طرفی 60 درصد آب مورد نیاز بخش کشاورزی از منابع آب زیرزمینی تأمین می‌شود و برداشت آب اضافی از چاه‌ها رقم بالایی را نشان می‌دهد. بنابراین با توجه به این که بخش کشاورزی بیشترین مصرف کننده آب به میزان تقریبی 90% از کل آب‌های مصرفی کشوری باشد، باید در جهت تامین آب برای این بخش تدابیر خاصی اتخاذ شود.

بحران آبی کشور

ایران هم اکنون در حال تجربه مشکلات جدی آب است. خشکسالی‌های مکرر توأم با برداشت بیش از حد آب‌های سطحی و زیرزمینی از طریق شبکه بزرگی از زیرساخت‌های هیدرولیکی و چاه‌های عمیق، وضعیت آب را به ابر چالش کشور تبدیل می نماید. از نشانه‌های این وضعیت، خشک شدن دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و تالآب‌ها، کاهش سطح آب‌های زیرزمینی، فرونشست زمین، تخریب کیفیت آب، فرسایش خاک، بیابان‌زایی و طوفآن‌های گرد و غبار بیشتر است.

کمیسیون توسعه پایدار سازمان ملل در طبقه بندی وضعیت منابع آبی، میزان درصد برداشت از منابع آب تجدیدپذیر هر کشور را به عنوان شاخص اندازه گیری بحران آب معرفی کرده است. در این طبقه بندی اگر میزان برداشت، بیشتر از 40درصد کل منابع آب تجدیدپذیر باشد، کشور با ” بحران شدید آب” مواجه بوده، بین 20 تا 40 “بحران در وضعیت متوسط”، چنانچه این شاخص بین  10تا 20 درصد باشد  بحران در حد متعادل و برای مقادیر کمتر از 10درصد، کشور ” بدون بحران آب یا دارای بحران کم” است. بر اساس این شاخص، خاورمیانه با ضریب 55 درصد وکشور ایران با ضریب 3/72 درصد با بحران شدید آب مواجه است. حال با توجه به افزایش جمعیت کشور در سال 1420 در حدود 106 میلیون نفر و با درنظر گرفتن نیاز آبی جامعه، تقاضای آب بیش از میزان آب در دسترس خواهد بود و کشور در آینده با شرایط بسیار بحرانی و ناپایدار روبرو خواهد شد (مشفق، م، حسینی، ق، 1391).

با تاکید بر اینکه ایران در یک منطقه خشک و نیمه خشک واقع شده، اولین و مهمترین راهکار خروج از بحران آب، پذیرش شرایط اقلیمی ایران است که باید در این زمینه فرهنگ‌سازی صورت گیرد تا همه نسبت به آب احساس مسئولیت کنیم. چون میانگین بارش سالانه ایران کمتر از یک سوم میانگین جهانی است. بخش زیادی از مشکلات حاضر در حوضه‌های آبریز دریاچه ارومیه، کرخه، کارون و همچنین زاینده رود ناشی از بی‌توجهی به مصرف بهینه منابع آبی است.

راه دوم برای خروج از بحران آب این است که تمام طرح‌های توسعه‌ای را با توجه به رخداد پدیده تغییر اقلیم در ایران بازنگری کنیم و توان خرداقلیم را در طرح‌های توسعه‌ای مد نظر قرار دهیم که اگر یک منطقه توان بارگذاری جدید را ندارد، از اجرای طرح‌های توسعه‌ای خودداری کنیم. اگر توسعه در امور کشاورزی، شهرسازی و صنایع بیش از توان خرداقلیم منطقه باشد، توسعه ناپایدار شکل می‌گیرد و مشکلات حادی ایجاد خواهد شد (ایسنا،1397).

پیشنهاد سوم پرداختن به روش‌های مختلف کنترل سیلاب و تغذیه مصنوعی سفره‌های آب زیرزمینی است. آبخوانداری در مقابله با این بحران از کارآیی و راندمان بسیار بالایی برخوردار است. چرا که پخش سیلاب علاوه بر اینکه یکی از شیوه‌های نوین استحصال آب ، مهار و کنترل سیلاب و تغذیه سیلاب‌های زود‌گذر و ناگهانی به داخل سفره‌های آب زیرزمینی است بلکه با انحراف بخشی از دبی سیلاب‌ها به سوی حوضچه‌های پخش، نقش عمده‌ای در کاهش دبی پیک سیلاب‌ها داشته و مخازن حوضچه‌ها نیز می‌توانند در کاهش آوردهای سیلابی سهم به سزایی داشته باشند. تجربه نشان می‌دهد در برخی مواقع با اجرای پروژه‌های آبخوانداری در حوزه‌های آبخیز، دبی پیک سیلابی 100 ساله به 50 ساله تقلیل می‌یابد و حجم سیلاب با دوره بازگشت 100 ساله را حتی به دوره‌های بازگشت 25 ساله می‌رساند.

وضعیت آبخوان های کشور

با بهره‌برداری‌های بی‌رویه از آب‌های زیرزمینی در بخش‌های مختلف خصوصا بخش کشاورزی، توسعه مناطق و زمین‌های زیر کشت با راندمان پایین آبیاری سنتی در اکثر مناطق، همچنین افزایش جمعیت و تامین بخشی از آب شرب به وسیله برداشت از چاه‌ها و استخراج آب‌های زیرزمینی، تعادل بین حجم آب برداشتی و حجم تغذیه طبیعی سفره‌های آب زیرزمینی به شدت از بین رفته و با گذر زمان، وضعیت روز به روز وخیم‌تر شده به طوری که شاهد افت روز افزون سطوح آب‌های زیرزمینی در اکثر دشت‌های کشور هستیم تا جایی که طی 43 سال اخیر حدود 120 میلیارد مترمکعب از ذخایر منابع آبی زیرزمینی استفاده شده است که نسبت به کل ذخایر استاتیک منابع آبی زیرزمینی کشور (در حدود 500 میلیارد مترمکعب) می‌توان گفت متاسفانه حدود یک چهارم از ذخایر استاتیک منابع آبی زیرزمینی کشور را از دست داده‌ایم.

این در شرایطی است که سالیانه تا 5 میلیارد مترمکعب بیش از ظرفیت اکولوژیکی از منابع آب زیرزمینی کشور استفاده و برداشت می شود. در سه دهه گذشته ۱2۰ میلیارد مترمکعب از منابع راهبردی آب‌های زیرزمینی بیش از توان اکولوژیک مصرف شد که بخشی از آن ناشی از بروز خشکسالی‌ها، توسعه فعالیت های کشاورزی، شهرنشینی و توسعه ساخت و سازها بود (ایسنا،1395).

دشت‌ها و دشت‌های ممنوعه کشور

با توجه به برداشت‌های بی‌رویه از سفره‌های آب زیرزمینی و افت سطوح آن و بیلان منفی ذخیره آب، مناطق مختلف کشور تحت بحران و تنش آبی قرار گرفته است. اما این بحران در دشت‌هایی که در اثر تغییرات اقلیمی دارای بارش‌های کمتری بوده، بسیار شدیدتر است. بر اساس بحران آبی، دشت‌های مختلف کشور توسط سازمان برنامه و بودجه مورد بررسی قرارگرفته است. نتایج نشان می‌دهد 335 دشت از 609 دشت کشور در وضعیت بحرانی قرار دارد که به آن‌ها دشت‌های ممنوعه اطلاق می شود و بهره‌برداری از آن‌ها باید طبق ضوابط خاصی انجام گیرد. اما هنوز از این سفره‌ها بهره‌برداری‌های بی‌رویه صورت می‌گیرد. بنابراین با توجه به مسایل اقتصادی کشاورزان و مسایل اجتماعی آنان باید نسبت به مسدود کردن چاه‌های غیر مجاز و کنتور‌دار کردن چاه‌ها به منظور جلوگیری از برداشت‌های بی‌رویه اقدام نمود و از طرفی به سمت تغذیه سفره‌ها با استفاده از سیلاب‌های زودگذر به وسیله پروژه‌های پخش سیلاب پیش رفت.

پدیده فرونشست

این پدیده بر روی سفره‌های آب زیرزمینی زمانی رخ می‌دهد که برداشت بی‌رویه آب از منابع سفره‌های آب زیرزمینی وجود داشته باشد یا به عبارتی برداشت آب از سفره‌های زیرزمینی بیش از تغذیه آبخوان‌ها باشد. بدین ترتیب که بعد از برداشت آب، فضای موجود بین ذرات خاک از هوا پر شده و منطبق با فشار و وزن لایه های بالایی، در هم فرو رفته و این فشردگی خاکدانه‌های سفره آب زیر‌زمینی نه تنها مانند اسفنجی فشرده، پتانسیل ذخیره آب را از دست می‌دهد بلکه خود موجب پایین آمدن لایه های فوقانی بر روی این سفره و تشکیل پدیده فرونشست می‌گردد. در این پدیده نشست‌های بسیار مخرب در سطح زمین ظاهر شده و علاوه بر از دست دادن دایمی سفره آبی، تخریب تاسیسات زیر بنایی و سازه‌های مختلف اتفاق می‌افتد که نه تنها موجب خسارات مالی شده بلکه متاسفانه در بسیاری موارد خسارات جانی نیز در پی خواهد داشت. برای مثال فرو نشست در نزدیکی تاسیسات حمل و نقل در استان سمنان می‌تواند باعث تخریب خطوط ریلی و حوادث ناگوار نیز گردد.

فراوانی وقوع سیلاب در کشور از سال 1330 تا کنون

تغییرات اقلیمی موجود در کشور و خشکسالی‌های پی در پی از یک طرف و رگبارهایی با شدت فزاینده از سوی دیگر، سیلاب‌های مخربی به وجود ‌آورده و باعث خسارات فراوان می‌گردد، لیکن می‌توان از همین ‌داشته‌ها به بهترین نحو ممکن در جمع‌آوری آب برای تغذیه سفره‌های آب زیرزمینی سود برد. این مسئله نه تنها به امر تغذیه و بهره‌برداری‌های آتی می‌پردازد بلکه در صورت استفاده از پخش سیلاب، کاهش دبی پیک و آورد سیلاب‌ها را نیز به دنبال خواهد داشت تا ضمن جلوگیری از خسارات جانی و مالی به امر تغذیه با بازدهی بیشتری نسبت به دیگر سازه‌های آبخیزداری بپردازد.

بر اساس آمارهای منتشر شده توسط سازمان جنگل‌ها، مراتع و آبخیزداری کشور در مجموع 450 شهر و 8650 آبادی از کشور در معرض سیل قرار دارند. از ابتدای سال 1330 تا کنون جمعاً تعداد 7372 مورد سیل کوچک و بزرگ در کشور ثبت شده است (شکل 1).