اختبار طبقة المياه الجوفية

في علم المياه الجوفية ، يُجرى اختبار الخزان الجوفي (أو اختبار الضخ ) لتقييم الخزان الجوفي عن طريق "تحفيزه" من خلال الضخ المستمر ، ومراقبة "استجابة" الخزان ( انخفاض منسوب المياه ) في آبار المراقبة . يُعد اختبار الخزان الجوفي أداة شائعة يستخدمها علماء المياه الجوفية لتوصيف نظام الخزانات الجوفية، والطبقات العازلة للماء ، وحدود نظام التدفق.

اختبار الضغط المفاجئ هو نوع من اختبارات الخزانات الجوفية التقليدية، حيث يُجرى تغيير فوري (زيادة أو نقصان) وتُلاحظ آثاره في البئر نفسه. يُستخدم هذا الاختبار غالبًا في الهندسة الجيوتقنية للحصول على تقدير سريع (في دقائق بدلًا من أيام) لخصائص الخزان الجوفي المحيط بالبئر مباشرةً.

تُفسَّر اختبارات الخزانات الجوفية عادةً باستخدام نموذج تحليلي لتدفق المياه الجوفية (أبسطها حل ثيس) لمطابقة البيانات المرصودة في الواقع، ثم يُفترض أن معايير النموذج المثالي تنطبق على الخزان الجوفي في الواقع. في الحالات الأكثر تعقيدًا، قد يُستخدم نموذج عددي لتحليل نتائج اختبار الخزان الجوفي.

يختلف اختبار الخزان الجوفي عن اختبار الآبار في أن سلوك البئر هو محل الاهتمام الرئيسي في اختبار الآبار، بينما تُقاس خصائص الخزان الجوفي كميًا في اختبار الخزان الجوفي. كما يستخدم اختبار الخزان الجوفي غالبًا بئر مراقبة واحدة أو أكثر، أو ما يُعرف بمقاييس الضغط (آبار المراقبة النقطية). وبئر المراقبة هو ببساطة بئر لا يُضخ منه الماء (ولكن يُستخدم لمراقبة الضغط الهيدروليكي في الخزان الجوفي). وعادةً ما تُفحص آبار المراقبة والضخ عبر الخزانات الجوفية نفسها.

يُجرى اختبار الخزان الجوفي عادةً بضخ المياه من بئر واحدة بمعدل ثابت لمدة يوم على الأقل، مع قياس مستويات المياه بدقة في آبار المراقبة. عند ضخ المياه من البئر، ينخفض ​​الضغط في الخزان الجوفي الذي يغذي تلك البئر. ويظهر هذا الانخفاض في الضغط على شكل انخفاض في مستوى المياه (تغير في الضغط الهيدروليكي) في بئر المراقبة. يقل الانخفاض في مستوى المياه مع زيادة المسافة الشعاعية من البئر، ويزداد مع استمرار عملية الضخ. كما استُخدمت اختبارات الضخ المخبرية لتقييم الصيغ التجريبية لتقدير الموصلية الهيدروليكية في التربة الرملية، وأظهرت توافقًا جيدًا مع معادلات هازن المعدلة. ^{[ 1 ]}

خصائص طبقة المياه الجوفية التي يتم تقييمها بواسطة معظم اختبارات طبقة المياه الجوفية هي:

• الموصلية الهيدروليكية: هي معدل تدفق المياه عبر وحدة مساحة المقطع العرضي للخزان الجوفي، عند تدرج هيدروليكي موحد. في النظام الأمريكي، يُقاس معدل التدفق بالغالونات في اليوم لكل قدم مربع من مساحة المقطع العرضي؛ أما في النظام الدولي للوحدات، فتُقاس الموصلية الهيدروليكية عادةً بالمتر ^المكعب في اليوم لكل متر ^مربع . وكثيراً ما تُختصر الوحدات إلى أمتار في اليوم أو ما يعادلها.
• التخزين النوعي أو التخزينية: مقياس لكمية المياه التي سيتخلى عنها الخزان الجوفي المحصور مقابل تغيير معين في الضغط؛
• النفاذية: هي المعدل الذي تنتقل به المياه عبر كامل سمك وعرض وحدة الخزان الجوفي تحت تأثير تدرج هيدروليكي موحد. وهي تساوي الموصلية الهيدروليكية مضروبة في سمك الخزان الجوفي؛

تشمل الخصائص الإضافية للخزانات الجوفية التي يتم تقييمها أحيانًا، اعتمادًا على نوع الخزان الجوفي، ما يلي:

• الإنتاجية النوعية أو المسامية القابلة للتصريف: مقياس لكمية المياه التي سيتخلى عنها الخزان الجوفي غير المحصور عند تصريفه بالكامل؛
• معامل التسرب: بعض طبقات المياه الجوفية محاطة بطبقات عازلة تتخلى ببطء عن الماء إلى طبقة المياه الجوفية، مما يوفر مياه إضافية لتقليل الانخفاض؛
• وجود حدود طبقة المياه الجوفية (التغذية أو عدم التدفق) ومسافتها من البئر المضخوخة وأجهزة قياس الضغط.

يجب اختيار نموذج أو حل مناسب لمعادلة تدفق المياه الجوفية ليتوافق مع البيانات المرصودة. تتوفر العديد من النماذج المختلفة، وذلك بحسب العوامل التي تُعتبر مهمة، ومنها:

• طبقات عازلة متسربة،
• التدفق غير المقيد (العائد المتأخر)،
• اختراق جزئي لآبار الضخ والمراقبة،
• نصف قطر البئر المحدود - والذي يمكن أن يؤدي إلى تخزين المياه في البئر،
• المسامية المزدوجة (عادةً في الصخور المتصدعة)،
• طبقات المياه الجوفية غير المتجانسة ،
• طبقات المياه الجوفية غير المتجانسة ،
• طبقات المياه الجوفية المحدودة (تظهر آثار الحدود الفيزيائية في الاختبار)، و
• مجموعات من الحالات المذكورة أعلاه.

تعتمد جميع طرق حل اختبار الخزانات الجوفية تقريبًا على حل ثيس؛ فهو مبني على أبسط الافتراضات. أما الطرق الأخرى فتخفف واحدًا أو أكثر من الافتراضات التي يقوم عليها حل ثيس، وبالتالي تحصل على نتيجة أكثر مرونة (وأكثر تعقيدًا).

حل ثيس العابر

تم وضع معادلة ثيس بواسطة تشارلز فيرنون ثيس (الذي كان يعمل لدى هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية ) في عام 1935، ^{[ 2 ]} من أدبيات انتقال الحرارة (بمساعدة رياضية من سي آي لوبين)، للتدفق الشعاعي ثنائي الأبعاد إلى نقطة تصريف في طبقة مياه جوفية متجانسة لا نهائية . وهي ببساطة

${\displaystyle {\begin{aligned}s&={\frac {Q}{4\pi T}}W(u)\\[0.5em]u&={\frac {r^{2}S}{4Tt}}\end{aligned}}}$

حيث s هو الانخفاض (التغير في الضغط الهيدروليكي عند نقطة ما منذ بداية الاختبار بوحدات المسافة)، و u هو معامل لا بعدي، و Q هو معدل تصريف (ضخ) البئر ( الحجم لكل وحدة زمنية)، و T و S هما معامل النفاذية ومعامل التخزين للخزان الجوفي المحيط بالبئر (المسافة المربعة لكل وحدة زمنية ولا بعدي، على التوالي)، و r هي المسافة من بئر الضخ إلى النقطة التي لوحظ عندها الانخفاض، و t هو الوقت منذ بدء الضخ، و W(u) هي "دالة البئر" (تسمى دالة جاما غير الكاملة ).${\displaystyle \Gamma (0,u)}$(في الأدبيات غير المتعلقة بالهيدروجيولوجيا). تُعطى دالة البئر بواسطة متسلسلة لانهائية

${\displaystyle {\begin{aligned}W(u)=\Gamma (0,u)=-\gamma -\ln(u)+u-{\frac {u^{2}}{2\times 2!}}+{\frac {u^{3}}{3\times 3!}}-{\frac {u^{4}}{4\times 4!}}+\cdots \end{aligned}}}$

حيث γ هو ثابت أويلر (=0.577216...). تُستخدم هذه المعادلة عادةً لإيجاد متوسط ​​قيم T و S بالقرب من بئر ضخ ، من بيانات انخفاض مستوى المياه الجوفية التي جُمعت أثناء اختبار الخزان الجوفي. يُعد هذا شكلاً بسيطاً من النمذجة العكسية، حيث تُقاس النتيجة ( s ) في البئر، وتُلاحظ قيم r و t و Q ، وتُدخل قيم T و S التي تُحاكي البيانات المقاسة بأفضل شكل في المعادلة حتى يتم التوصل إلى أفضل تطابق بين البيانات المرصودة والحل التحليلي.

يعتمد حل ثيس على الافتراضات التالية: ^{[ 3 ]}

• يتم وصف التدفق في طبقة المياه الجوفية بشكل كافٍ بواسطة قانون دارسي (أي Re<10).
• طبقة مياه جوفية متجانسة، متساوية الخواص، ومحدودة ،
• البئر مخترقة بالكامل (مفتوحة لكامل سمك ( ب ) طبقة المياه الجوفية)،
• نصف قطر البئر يساوي صفرًا (يتم تقريبه كخط عمودي) - وبالتالي لا يمكن تخزين أي ماء في البئر.
• البئر لها معدل ضخ ثابت Q،
• يُعدّ فقدان الضغط فوق شاشة البئر ضئيلاً للغاية.
• الخزان الجوفي لانهائي في امتداده القطري،
• الحدود العلوية والسفلية للخزان الجوفي: أفقية (غير مائلة)، مسطحة، وغير منفذة (غير متسربة).
• يكون تدفق المياه الجوفية أفقيًا
• لا توجد آبار أخرى أو تغييرات طويلة الأجل في مستويات المياه الإقليمية (جميع التغييرات في السطح البوتنسيومتري هي نتيجة بئر الضخ وحده)

على الرغم من أن هذه الافتراضات نادراً ما يتم استيفاؤها بالكامل، إلا أنه اعتمادًا على مدى انتهاكها (على سبيل المثال، إذا كانت حدود طبقة المياه الجوفية تتجاوز بكثير الجزء من طبقة المياه الجوفية الذي سيتم اختباره بواسطة اختبار الضخ) فقد يظل الحل مفيدًا.

اشتقاق حل ثيس

معادلة تدفق المياه الجوفية العابر لخزان مياه جوفية محصور في الإحداثيات القطرية هي: ${\displaystyle {\partial ^{2}s \over \partial r^{2}}+{1 \over r}{\partial s \over \partial r}={S \over T}{\partial s \over \partial t}}$ مع الشروط الابتدائية والحدودية: ${\displaystyle s(r,0)=0,\quad \lim _{r\to \infty }s(r,t)=0,\quad 2\pi rT{\partial s \over \partial r}{\bigg |}_{r\to 0}=Q}$ تحديد متغير التشابه${\displaystyle \eta =r/2{\sqrt {Dt}}}$، أين${\displaystyle D=T/S}$إذا كانت معامل الانتشار الهيدروليكي هو ، فإننا نفترض حلاً تشابهياً على النحو التالي${\displaystyle s(r,t)=f(\eta )}$يؤدي التعويض في المعادلة التفاضلية الجزئية وتبسيطها إلى المعادلة التفاضلية العادية: ${\displaystyle f''(\eta )+\left({1 \over \eta }+2\eta \right)f'(\eta )=0}$ تأجير${\displaystyle g(\eta )=f'(\eta )}$يختصر المشكلة إلى: $// }د\يتا +C_{2}}$ باستخدام الاستبدال${\displaystyle y=\eta ^{2}}$أعطِ: ${\displaystyle f(\eta )={C_{1} \over 2}\int {e^{-y} \over y}dy+C_{2}={C_{1} \over 2}E_{1}(\eta ^{2})+C_{2}}$ أين${\displaystyle E_{1}(\cdot )}$هو التكامل الأسي . وبإعادة المتغيرات الأصلية، يصبح الحل كما يلي: ${\displaystyle s(r,t)=A\cdot E_{1}\left({Sr^{2} \over 4Tt}\right)+B}$ تطبيق شرط الحدود${\displaystyle \lim _{r\rightarrow \infty }s(r,t)=0}$العائد${\displaystyle B=0}$. مطابقة معدل الضخ عند البئر تعطي${\displaystyle A=Q/4\pi T}$وأخيرًا، يتم تحديد الانخفاض بواسطة حل ثيس: ${\displaystyle s(r,t)={Q \over 4\pi T}W(u),\qquad u={Sr^{2} \over 4Tt}}$ أين${\displaystyle W(u)=E_{1}(u)=\int _{u}^{\infty }{e^{-y} \over y}dy}$هل هذه وظيفة جيدة؟

يُعدّ تسجيل البيانات بدقة أمرًا بالغ الأهمية في اختبارات الخزانات الجوفية والآبار على حدٍ سواء. فلا يقتصر الأمر على ضرورة تسجيل مستويات المياه ووقت القياس بدقة، بل يجب أيضًا فحص معدلات الضخ وتسجيلها دوريًا. إذ إنّ أي تغيير غير مُسجّل في معدل الضخ، ولو بنسبة 2% فقط، قد يُؤدي إلى نتائج مُضلّلة عند تحليل البيانات.

يحتوي موقع المسح الجيولوجي الأمريكي على بعض المراجع المجانية المفيدة للغاية حول تفسير اختبارات الضخ:

• فيريس، جي جي؛ نولز، دي بي؛ براون، آر إتش؛ ستالمان، آر دبليو (1962). نظرية اختبارات الخزانات الجوفية (ملف PDF) . ورقة إمدادات المياه 1536-EUS، هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية.
• ستالمان، ر. و. (1971). "الفصل ب1". تصميم اختبار الخزان الجوفي، والمراقبة، وتحليل البيانات (ملف PDF) . الكتاب 3، تطبيقات الهيدروليكا. هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية.
• ريد، جيه إي (1980). "الفصل ب3". منحنيات نموذجية لمسائل مختارة من تدفق المياه إلى الآبار في طبقات المياه الجوفية المحصورة (ملف PDF) . الكتاب 3، تطبيقات الهيدروليكا. هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية.
• فرانك، أو. إل.؛ رايلي، تي إي؛ بينيت، جي دي (1987). "الفصل ب5". تعريف الشروط الحدية والابتدائية في تحليل أنظمة تدفق المياه الجوفية المشبعة - مقدمة (ملف PDF) . الكتاب 3، تطبيقات الهيدروليكا. هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية.{{cite book}}: صيانة CS1: الأسماء الرقمية: قائمة المؤلفين ( رابط )

بعض المراجع المطبوعة التجارية حول تفسير اختبارات الخزانات الجوفية:

• باتو، ف. (1998). هيدروليكا طبقات المياه الجوفية: دليل شامل لتحليل البيانات الهيدروجيولوجية . وايلي-إنترساينس. ISBN 0-471-18502-7.
  • ملخص جيد لأشهر طرق اختبار طبقات المياه الجوفية، مفيد لعلماء الهيدروجيولوجيا الممارسين.
• داوسون، كيه جيه؛ إيستوك، جيه دي (1991). اختبار طبقات المياه الجوفية: تصميم وتحليل اختبارات الضخ والضغط . دار لويس للنشر. رقم ISBN 0-87371-501-2.
  • شامل، وأكثر رياضية قليلاً من باتو
• كروسمان، جي بي؛ دي ريدر، إن إيه (1990). تحليل وتقييم بيانات اختبار الضخ (ملف PDF) (  الطبعة الثانية). فاغينينغين، هولندا: المعهد الدولي لاستصلاح الأراضي وتحسينها. رقم ISBN 90-70754-20-7.
  • معالجة ممتازة لمعظم طرق تحليل اختبار الخزان الجوفي (لكنه كتاب يصعب العثور عليه).
• بونسترا، ج.؛ كسليك، ر. أ. ل. (2002). ساتيم 2002: برنامج لتقييم اختبارات طبقات المياه الجوفية . فاغينينغين، هولندا: المعهد الدولي لاستصلاح الأراضي وتحسينها. رقم ISBN 90-70754-54-1.
  • متصل  :
• سيندالوفسكي، ل. ن. (2011). أنسديمات - برنامج لتقدير معلمات طبقة المياه الجوفية . سانت بطرسبرغ، روسيا (باللغة الروسية): ناوكا. ISBN 978-5-02-025477-0.
  • دليل مستخدم ANSDIMAT عبر الإنترنت  :.

يمكن العثور على المزيد من عناوين الكتب في قسم القراءة الإضافية من مقالة الهيدروجيولوجيا، والتي يحتوي معظمها على بعض المواد حول تحليل اختبار الخزان الجوفي أو النظرية الكامنة وراء طرق الاختبار هذه.

• برنامج تطبيقات موارد المياه من هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية
• شلمبرجير لخدمات المياه – برنامج تحليل بيانات اختبار الضخ واختبار الضغط
• أنسديمات - برنامج تجاري متطور
• AQTESOLV – برنامج تجاري قياسي
• برنامج MLU لنظام التشغيل Windows LT – برنامج مجاني لتحليل اختبارات الضخ واختبارات الضغط في نظام واحد أو نظامين من طبقات المياه الجوفية
• نظام VINMOD متعدد الآبار – تحليل تلوث المياه الجوفية باستخدام اختبارات الضخ ومعايير التلوث من المياه الجوفية المضخوخة
• Hytool - مجموعة أدوات مفتوحة المصدر لتفسير نتائج اختبارات الضخ والتراكم في برنامج Matlab
• سمارت جيو - برنامج تجاري متطور لتوصيف طبقات المياه الجوفية غير المتجانسة، والتصوير المقطعي الهيدروليكي، واختبارات الضخ المتعددة

• افتراض دوبويت-فورشهايمر
• المياه الجوفية
• بئر ماء