Document
Hydropedology and soil evolution in explaining the hydrological aspects of recharge dams in arid zone environments
Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2014
Language
English
English abstract
The Sultanate of Oman is an arid country where drought conditions prevail and water is precious. One of governmental efforts to augment water resources is by construction of recharge dams (e.g. Al-Khoud dam). Siltation is a common problem in many recharge dams around the world. Along with scaling-caking problem caused by siltation, a change in the hydrological properties (like reduction in infiltration) of the original soil porous media is common. Surface scraping is practiced to mitigate the scaling-caking problem along with improving the infiltration to some extent. In fact, scraping does not completely solve the problem of reduced hydraulic conductivity of the dam bed as fine soil particles may migrate into the deep subsurface layers which ultimately may alter the original alluvium characteristics. The main objectives of this study were: (i) to investigate the effects of anthropogenic activities on the subsurface soil physiochemical properties, and (ii) consequently, the impacts on hydraulic properties which are important for the augmentation of water resources of the underlying aquifers. To achieve the stated objectives, a number of field studies and laboratory experiments were conducted. A total of 33 soil pedons were excavated and described (15 inside; 18 outside the dam-12 of these in the recharge area downstream the dam). Physiochemical analyses include soil texture using Hydrometer method, measurements of total salts, soil pH and basic cations were also determined. Infiltration measurements were carried out using tension infiltrometers. In addition, several petrographic techniques like X-ray diffraction (XRD) and Scanned Electron Microscopy (SEM) were conducted to closer inspect the micromorphological and mineralogical composition of sub-soils in the study area. Major results of the study revealed that the sub-soil's physiochemical properties of the study area are changing due to human involvement in constructing the dam that result in changes in the hydropedological properties. Vertical variation in soil texture is evident in Al-Khoud dam recharge area which reduced hydraulic conductivity (e.g. Ks =0.01 cm/hr and 1.72 cm/hr for Pedons L and K inside the dam respectively) and hence, recharge into the underlying aquifers. Over time, and due to these changes, spilling of ponded water over the dam crest expected to occur more frequent and therefore, increases the potential hazards of flooding the downstream recharge area. In addition, pulses of finer particles .
might be sent to the soils of the recharge area where they may settle and even reduce the infiltration rate of these zones. Part of these finer particles may also migrate downward into the parent soil and cause clogging of large pores and hence, reducing subsurface conductivity (Ks= 0.37 m/day). Formation of incipient calcic layers and hard pans were also discovered in the study area which in turn affected the hydraulic measurements. The infiltration rate downstream of the dam was relatively high (6 m/day) - and it was 3 times higher than the average value inside the reservoir (2.1 m/day), ranging between 0.01 m/day to 3.96 m/day, but less than at the upstream site of pedon AG (outside the dam). Understanding both the dynamics of the soil particles and water in a subsurface system is of paramount importance for water resources management. This study presents a hydropedological approach in understanding the subsurface system in the vicinity of Al Khoud recharge dam in Oman and will assist in development of better managerial solutions and strategies in increasing dam efficiency.
Member of
Resource URL
Arabic abstract
تعد سلطنة عمان من الدول التي تقع ضمن نطاق البلدان الجافة أو المناخ الحار صيفا والمعتدل شتاء الأمر
الذي أدى إلى شح الموارد المائية نظرا لتعرضها لفترات جفاف طويلة وزيادة معدلات التبخر. ولمواجهة هذا النقص الحاد من المخزون الجوفي قامت الجهات الحكومية وبالتعاون مع المؤسسات البحثية بأجراء عدة تدابير فعالة من اجل زيادة الموارد المائية وتعزيز تغذية المياه الجوفية عن طريق بناء سدود تغذية جوفية (سد الخوض) لتعزز من رشح مياه الأمطار والأودية وبالتالي زيادة منسوب المياه في الخزانات الجوفية الواسعة الموجودة تحت المحابس السفلية للأودية. وتعاني سدود التغذية الجوفية من مشكلة تراكم الطمي من جهة بحيرة التجميع بالسد، حيث أن ارضية البحيرة المسامية بطبيعة الحال سرعان ما يسدها الطمي الغريني والتي تعمل على التقليل وبشكل جذري من معدلات الرشح داخل السد. ولقد أثبتت العديد من الدراسات تأثير مشكلة تراكم جزيئات الطمي على سلامة السد والتقليل من قدرته التخزينية والتسبب بامتلاء بحيرة التجميع بسرعة أكبر وحدوث فيضان والعديد من المشاكل الأخرى. وعلى ضوء ذلك عمدت الجهات المعنية بالعمل على إزالة هذه الطبقة ولكن بالرغم من ذلك فأن بعض من جزيئات الطمي الدقيقة المحمولة عن طريق مياه الأودية الجارفة تتسرب إلى باطن التربة وتعمل على انسداد الفتحات المسامية والتي بالتالي تعمل على تغيير الوسط المسامي الأصلي للتربة أو ما يسمى ب "بيولوجية التربة" واختلاف طابعه الفيزيائي والكيميائي وبالتالي العمل في أحداث تغيير في الخصائص الهيدرولوجية للمنطقة. ومن هذا المنطلق فأن هذا البحث يهدف وبشكل أساسي إلى دراسة تأثير سد الخوض التغذية الجوفية على تغير الخصائص الهيدروبیدولوجية والتي تتغير تدريجيا بسبب العوامل المرتبطة بتدخل الإنسان. ومعرفة ما إن كانت تلك العوامل ستؤثر في معدل التغذية الجوفية من خلال فهم ديناميكية جزيئات التربة الراشحة وتأثرها على الوسط المسامي الأصلي للتربة. ولتحقيق أهداف هذه الدراسة فقد تم عمل العديد من التجارب الحقلية والمخبرية وذلك من أجل دراسة خصائص التربة البيولوجية بالتفصيل وفي أعماق مختلفة. فقد تم حفر ما يعادل 33 قطاع تربة يتراوح أعماقها بين 1. 5 إلى 2 متر (15 داخل حوض السد، 18 خارج السد۔ 12 منهن في منطقة الرشح أسفل السد)، وقمنا باخذ عينات ترب مختلفة وذلك لأجراء الفحوصات المخبرية اللازمة من قياس نسبة قوام التربة ومعدل الحموضة ونسبة الأيونات وغيرها. وتم أيضا استخدام أحدث التقنيات الجيولوجية من أشعة الحيود السينية ( X -
ray Diffraction) مجهر المسح الإلكتروني (SEM) وذلك للاطلاع عن قرب على مورفولوجية وتكوينات التربة والعناصر الكيميائية المرتبطة بها والتي أثرت بشكل واضح على الخصائص الفيزيائية والهيدرولوجية التربة. وقد خلصت النتائج إلى أن الخصائص الفيزيائية والكيميائية التربة الواقعة تحت السطح تتغير بفعل تغيير الخصائص الهيدروبيدولوجية لمنطقة الدراسة والذي يتسبب في سرعة امتلاء السد بمياه تدفقات الأودية وبالتالي زيادة سرعة التدفقات السطحية في المنطقة الواقعة أسفل السد ومن ثم انخفاض معدلات شحن الخزان الجوفي. وعلاوة على ذلك عدم إعطاء الوقت الكافي للعوالق الترابية للترسب داخل السد مما ينتج عنه تدفقها مع مياه الفيضان الى منطقة أسفل السد الأمر الذي يؤدي الى تراكمها على سطح التربة بشكل متفرق. كما أن جزء من هذه الحبيبات يتغلغل مع مياه الرشح مكونا طبقات غير متجانسة والتي تعيق تغلغل مياه الرشح ووصولها إلى الخزانات الجوفية بالرغم من انحسار مساحات التغذية اسفل السد نتيجة للتوسع العمراني المضطرد. كما أوضحت التحاليل المخبرية والتجارب الحقلية تشكل طبقات صلبة على عمق حوالي متر واحد في بعض المناطق داخل السد نتيجة لبعض التفاعلات الكيميائية بسبب تواجد ترسبات الجبس وكربونات الكالسيوم والتي أثرت على الخصائص الهيدرولوجية للتربة ووجود أنماط مختلفة للطبقات الرسوبية المتكونة نتيجة لعدة عوامل منها طبوغرافية السطح، معدلات الفيضانات وشبكة التصريف الصحي. وبناء على ذلك فإن هناك تباين في خواص التربة الفيزيائية وبشكل ملحوظ مما أثر وبشكل كبير في تباين معدلات الرشح، حيث بلغت حوالي 0. 6 سم/ساعة داخل السد كنتيجة طبيعية لترسبات الطمي و 2 . 5- 9 سم /ساعة في منطقة الرشح أسفل السد. ولكن قياس النفاذية على أعماق مختلفة اوضح انخفاض معدل الرشح ب حوالي 10 مرات ( 3. 96 متر اليوم في السطح الى 0. 37 متر اليوم على عمق 80 سم من سطح التربة) وبسمك يزيد عن 50 سم مما يؤثر سلبا على ديناميكية الرشح ومعدلات التغذية الخزان الجوفي. وتكتسب معرفة سلوك وأنماط تلك الجزيئات الدقيقة وتغيرات خصائصها أهمية خاصة حيث أنها تساعد على فهم حركة المياه وتوافرها كنظام هندسي وديناميكي متغير مما يؤدي وبشكل فعال إلى فهم العمليات الفيزيائية والكيميائية أسفل قاعدة السد وبالتالي تنفيذ قرارات حاسمة مستقبلا والتي من شانها تحسين مستوى وفاعلية أدارة الموارد المائية في سلطنة عمان. ومن المؤمل أن تفضي هذه الدراسة إلى نتائج جيدة تساعد على ادارة السدود بشكل أفضل ووضع الحلول والاستراتيجيات المناسبة والفعالة لزيادة فعالية السعود في ما يتعلق بمعدلات الرشح والتغذية الجوفية ودرء مخاطر الفيضانات.
الذي أدى إلى شح الموارد المائية نظرا لتعرضها لفترات جفاف طويلة وزيادة معدلات التبخر. ولمواجهة هذا النقص الحاد من المخزون الجوفي قامت الجهات الحكومية وبالتعاون مع المؤسسات البحثية بأجراء عدة تدابير فعالة من اجل زيادة الموارد المائية وتعزيز تغذية المياه الجوفية عن طريق بناء سدود تغذية جوفية (سد الخوض) لتعزز من رشح مياه الأمطار والأودية وبالتالي زيادة منسوب المياه في الخزانات الجوفية الواسعة الموجودة تحت المحابس السفلية للأودية. وتعاني سدود التغذية الجوفية من مشكلة تراكم الطمي من جهة بحيرة التجميع بالسد، حيث أن ارضية البحيرة المسامية بطبيعة الحال سرعان ما يسدها الطمي الغريني والتي تعمل على التقليل وبشكل جذري من معدلات الرشح داخل السد. ولقد أثبتت العديد من الدراسات تأثير مشكلة تراكم جزيئات الطمي على سلامة السد والتقليل من قدرته التخزينية والتسبب بامتلاء بحيرة التجميع بسرعة أكبر وحدوث فيضان والعديد من المشاكل الأخرى. وعلى ضوء ذلك عمدت الجهات المعنية بالعمل على إزالة هذه الطبقة ولكن بالرغم من ذلك فأن بعض من جزيئات الطمي الدقيقة المحمولة عن طريق مياه الأودية الجارفة تتسرب إلى باطن التربة وتعمل على انسداد الفتحات المسامية والتي بالتالي تعمل على تغيير الوسط المسامي الأصلي للتربة أو ما يسمى ب "بيولوجية التربة" واختلاف طابعه الفيزيائي والكيميائي وبالتالي العمل في أحداث تغيير في الخصائص الهيدرولوجية للمنطقة. ومن هذا المنطلق فأن هذا البحث يهدف وبشكل أساسي إلى دراسة تأثير سد الخوض التغذية الجوفية على تغير الخصائص الهيدروبیدولوجية والتي تتغير تدريجيا بسبب العوامل المرتبطة بتدخل الإنسان. ومعرفة ما إن كانت تلك العوامل ستؤثر في معدل التغذية الجوفية من خلال فهم ديناميكية جزيئات التربة الراشحة وتأثرها على الوسط المسامي الأصلي للتربة. ولتحقيق أهداف هذه الدراسة فقد تم عمل العديد من التجارب الحقلية والمخبرية وذلك من أجل دراسة خصائص التربة البيولوجية بالتفصيل وفي أعماق مختلفة. فقد تم حفر ما يعادل 33 قطاع تربة يتراوح أعماقها بين 1. 5 إلى 2 متر (15 داخل حوض السد، 18 خارج السد۔ 12 منهن في منطقة الرشح أسفل السد)، وقمنا باخذ عينات ترب مختلفة وذلك لأجراء الفحوصات المخبرية اللازمة من قياس نسبة قوام التربة ومعدل الحموضة ونسبة الأيونات وغيرها. وتم أيضا استخدام أحدث التقنيات الجيولوجية من أشعة الحيود السينية ( X -
ray Diffraction) مجهر المسح الإلكتروني (SEM) وذلك للاطلاع عن قرب على مورفولوجية وتكوينات التربة والعناصر الكيميائية المرتبطة بها والتي أثرت بشكل واضح على الخصائص الفيزيائية والهيدرولوجية التربة. وقد خلصت النتائج إلى أن الخصائص الفيزيائية والكيميائية التربة الواقعة تحت السطح تتغير بفعل تغيير الخصائص الهيدروبيدولوجية لمنطقة الدراسة والذي يتسبب في سرعة امتلاء السد بمياه تدفقات الأودية وبالتالي زيادة سرعة التدفقات السطحية في المنطقة الواقعة أسفل السد ومن ثم انخفاض معدلات شحن الخزان الجوفي. وعلاوة على ذلك عدم إعطاء الوقت الكافي للعوالق الترابية للترسب داخل السد مما ينتج عنه تدفقها مع مياه الفيضان الى منطقة أسفل السد الأمر الذي يؤدي الى تراكمها على سطح التربة بشكل متفرق. كما أن جزء من هذه الحبيبات يتغلغل مع مياه الرشح مكونا طبقات غير متجانسة والتي تعيق تغلغل مياه الرشح ووصولها إلى الخزانات الجوفية بالرغم من انحسار مساحات التغذية اسفل السد نتيجة للتوسع العمراني المضطرد. كما أوضحت التحاليل المخبرية والتجارب الحقلية تشكل طبقات صلبة على عمق حوالي متر واحد في بعض المناطق داخل السد نتيجة لبعض التفاعلات الكيميائية بسبب تواجد ترسبات الجبس وكربونات الكالسيوم والتي أثرت على الخصائص الهيدرولوجية للتربة ووجود أنماط مختلفة للطبقات الرسوبية المتكونة نتيجة لعدة عوامل منها طبوغرافية السطح، معدلات الفيضانات وشبكة التصريف الصحي. وبناء على ذلك فإن هناك تباين في خواص التربة الفيزيائية وبشكل ملحوظ مما أثر وبشكل كبير في تباين معدلات الرشح، حيث بلغت حوالي 0. 6 سم/ساعة داخل السد كنتيجة طبيعية لترسبات الطمي و 2 . 5- 9 سم /ساعة في منطقة الرشح أسفل السد. ولكن قياس النفاذية على أعماق مختلفة اوضح انخفاض معدل الرشح ب حوالي 10 مرات ( 3. 96 متر اليوم في السطح الى 0. 37 متر اليوم على عمق 80 سم من سطح التربة) وبسمك يزيد عن 50 سم مما يؤثر سلبا على ديناميكية الرشح ومعدلات التغذية الخزان الجوفي. وتكتسب معرفة سلوك وأنماط تلك الجزيئات الدقيقة وتغيرات خصائصها أهمية خاصة حيث أنها تساعد على فهم حركة المياه وتوافرها كنظام هندسي وديناميكي متغير مما يؤدي وبشكل فعال إلى فهم العمليات الفيزيائية والكيميائية أسفل قاعدة السد وبالتالي تنفيذ قرارات حاسمة مستقبلا والتي من شانها تحسين مستوى وفاعلية أدارة الموارد المائية في سلطنة عمان. ومن المؤمل أن تفضي هذه الدراسة إلى نتائج جيدة تساعد على ادارة السدود بشكل أفضل ووضع الحلول والاستراتيجيات المناسبة والفعالة لزيادة فعالية السعود في ما يتعلق بمعدلات الرشح والتغذية الجوفية ودرء مخاطر الفيضانات.
Category
Theses and Dissertations
File size
14.35 MB
0
0
