זרימת מי תהום ומציאת כיוון הזרימה

למי התהום השפעה על התפשטות של מזהמים.. לשם הבנת ההשפעה על אתר מזוהם יש למדוד את כיוון ומהירות הזרימה של מי התהום, כפי שמפורט במאמר שלפניכם.

חנן מרון, מנהל פרויקטים בחברת LDD,ד"ר רפי מנדלבאום, מנכ"ל ומדען ראשי בחברת LDD

בדיגום מים שגרתי שבוצע בתחילת שנות האלפיים באחת מבארות מי השתייה במרכז הארץ, נמצאו מומסים של מרכיבי דלקים במי התהום. הרשויות ניסו להבין כיצד הגיעו מרכיבי הדלקים לבאר, כאשר "החשודה המיידית" היתה תחנת תדלוק שנמצאת כמה עשרות מטרים מהבאר. האם אכן הגיעו המזהמים מן התחנה או ממקור אחר? האם מדובר באירוע חד פעמי או שמא מדובר בכתם זיהום גדול שנובע ממספר מקורות אשר נמצא בדרכו אל הבאר ? האם השאיבה בבאר ההפקה משפיעה על כיוון הזרימה ? בכדי לענות על שאלות כגון אלו נדרש לחשב את כיוון וקצב זרימת מי התהום באזור.

זרימת מי התהום מהווה חלק בלתי נפרד ממחזור המים בטבע. מאגרי מי התהום, האקוויפרים, מוזנים באמצעות משקעים ומי נגר המחלחלים אל תת הקרקע, זורמים דרך תצורות הסלע או הקרקע, דרך סדקים, נקבוביות ואפילו דרך הסלעים עצמם. המים מגיחים מן המאגרים בצורת מעיינות (אל פני הקרקע או לקרקעיתם של גופי מים כמו הכנרת למשל), או באמצעות שאיבה דרך בארות.

המהנדס הצרפתי הנרי דרסי ביצע בסוף מאה התשע עשרה ניסויים לחישוב מהירות תנועת מים בתווך נקבובי, והראה ששטף המים (ספיקה ליחידת שטח של חתך הזרימה) תלוי בגרדיאנט ההידראולי ובמוליכות ההידראולית של התווך בו זורמים המים.

גרדיאנט הידראולי

הגרדיאנט ההידראולי הוא למעשה הפרשי גבהים במפלס המים בין שתי נקודות באקוויפר. לדוגמה- אקוויפר ההר בישראל מוזן ע"י מי הגשמים בהרי יהודה והשומרון שם רום פני המים ביחס לפני הים גבוה יחסית. כיוון הזרימה באקוויפר  הוא מערבה אל עבר אזור החוף של רום פני המים נמוך יותר.

ישנם גם גרדיאנטים הידרולוגיים מעשי ידי אדם. שאיבה אינטנסיבית באזור או נקודה מסוימת עשויה ליצור "שקע" הידרולוגי אליו זורמים מי התהום באופן נקודתי ושונה מהכיוון הכללי של האקוויפר. באקוויפר החוף ישנם מספר שקעים כאלו, זכר לשאיבה מאסיבית שבוצעה בעשורים הראשונים מאז קום המדינה- שקע רמת גן, שקע בת ים וכו'). תרשים 1 מציג את מפת המפלסים במישור החוף (רשות המים, סתיו 2012). ניתן לראות במפה את קווי רום מי התהום, כיוון הזרימה והשקעים ההידרולוגים באזור גוש דן.

מוליכות הידראולית

המוליכות ההידראולית היא מדד להתנגדות של הקרקע או הסלע לזרימת המים. לכן לסוג הקרקע או המסלע המרכיבים את האקוויפר ישנה השפעה מכרעת על השטף ההידראולי. בקרקע חולית או סלע אבן חול לדוגמה, המכילים אחוז גבוה של חללים בין הגרגרים (עשרות אחוזים בממוצע), מתאפשרת זרימה קלה יחסית של המים דרך החללים הללו. בקרקעות חרסיתיות מוחזקים המים בנקבוביות שבגרגירי החרסית והזרימה נמוכה יותר. באקוויפרים הבנויים מסלע (כגון חוואר, גיר או קירטון) תלויה הזרימה באופי וברצף מערכת הסדקים בסלע. אם הסלעים סדוקים וקיימת קישוריות טובה ביניהם, המים יזרמו דרכם בקלות. אם הסלע אינו סדוק, תנועת המים המוגבלת למים המרווים  את הסלע והזרימה דרכו היא בקצב איטי ביותר.

כיצד מודדים את כיוון זרימת מי התהום?

כיוון ומהירות זרימת מי התהום ניתנים למדידה ולחישוב בצורה פשוטה למדי. המדידות מתבצעות בעזרת בארות תצפית אשר מספקות "חלון" אל האקוויפר. את הכיוון ניתן לחשב ע"י מדידה של רום פני מי התהום ביחס לגובה פני הים בכל אחת מן הבארות (בכדי לקבל מידע מהימן דיו, נדרשות לפחות 3 בארות ניטור). ע"ב הנתונים מחושב וקטור (Vector) הזרימה והגרדיאנט בין הבארות. חשוב לציין כי על פי רוב המבנה התת קרקעי של האקוויפר אינו הומוגני ועל כן הכיוון המחושב הוא כיוון ממוצע. ייתכן כי באזורים שונים באקוויפר קיימות זרימות מקומיות בכיוונים שונים. ככל שמספר נקודות הבדיקה ואיסוף הנתונים גבוהים יותר, וככל שפריסת הבארות נרחבת יותר, כך החישוב יהיה מדויק יותר. תרשים 2 מציג הערכה של כיוון זרימה כללי ע"ב מידע מבארות תצפית באתר.

 

תרשים 1-  מפת מפלסי מישור החוףמפה

בתרשים ניתן לראות את מיקום שניים מהשקעים ההידרולוגיים בגוש דן- שקע ראשל"צ ושקע בת ים. החיצים הכחולים מסמלים את כיוון הזרימה מערבה כתלות בגרדיאנט מי התהום.

כיצד מודדים את מהירות זרימת מי התהום?

מהירות זרימת המים באקוויפר נמדדת במספר דרכים. למשל, ניתן להחדיר סמן (מומס, או נוזל צבוע או זוהר) בבאר אחת, לאסוף דגימות בבאר שניה ולמדוד את זמן ההגעה של הסמן בין שתי הבארות. ניתן לבצע מבחני שאיבה לצורך חישוב המוליכות ההידראולית של האקוויפר (ביצוע שאיבה בספיקה גבוהה, הפסקת השאיבה ומדידת קצב חזרת המים בבאר) וחישוב מהירות הזרימה בהתחשב בגרדיאנט ההידראולי וכיוון הזרימה.

תרשים 2– הערכת כיוון זרימת מי התהום

תרשים 2

החצים הכחולים בתרשים מייצגים את הכיוון הכללי של זרימת מי התהום. ניתן לראות שרום מי התהום באתר יורד ככל שנעים מערבה.

חשיבות מדידת כיוון ומהירות זרימת מי התהום

מדוע חשוב לנו לדעת לאן זורמים מי התהום ובאיזו מהירות? כפי שראינו במקרה שהוצג בתחילת המאמר, מי התהום מסיעים בזרימתם "טרמפיסטים" נוספים בדרך. להלן מספר דוגמאות: באתרים בהם קיים זיהום במי התהום, עשויים המזהמים לנדוד מן האתר ולהתפרס באקוויפר ע"י המסה או הסעה של מזהם חופשי (כמו דלק למשל). הבנה של כיוון וקצב הזרימה של המים היא קריטית לצורך הערכת היקף התפרסות הזיהום וגיבוש הפתרון לטיפול בזיהום. דוגמה נוספת היא ימת הכנרת המהווה מרכיב משמעותי במאגר מי השתייה בישראל. הכנרת מוזנת אמנם ע"י מובילי מים עיליים (לדוגמה- נהר הירדן) ובאמצעות מעיינות הנובעים בקרקעית האגם. חלק מן המעיינות הללו מזינים את האגם במים מליחים. האיזון שבין מפלס הכנרת לקצב זרימת המעיינות הללו אל האגם הוא שמשפיע על איכות המים בכנרת. מכאן שהבנת קצב ואופן זרימת מי התהום אל האגם, וניתוח כיווני הזרימה הינם חשובים ביותר. באותו האופן בו מוסעים מזהמים ע"י מי התהום, ניתן גם לשקם את האקוויפר ע"י הזרמה של חומרים משקמים (כגון חומרים המחמצנים את הזיהום)  במורד הזרימה ודרך כתם הזיהום, בשיטות שונות כגון הזרקה של חומר מחמצן לצורך פירוק כימי או ע"י העשרה של המים בחמצן לצורך עידוד פירוק המזהמים ע"י חיידקים בקרקע.

סיכום

חקירת זרימת מי התהום אינה עניין של מה בכך. יש לתוצאותיה השפעות רבות על תחומים חשובים כגון, מחזור המים, אקולוגיה, איכות סביבה ואיכות מי השתייה. היא מאפשרת לנו ללמוד ולאתר זיהומים במי התהום, ומשפיע באופן מרכזי על הדרך שבה נוכל לבצע את השיקום.

כל הזכויות שמורות, אל.די.די טכנולוגיות מתקדמות בע"מ | תנאי שימוש באתר

עיצוב: VAZA | פיתוח: The Shark Lady