کتاب مدیریت آب های سطحی

مقدمه 7
فصل 1 9
آب 9
حالت‌‌های فیزیکی آب 11
ویژگی استثنایی آب 12
انواع آب 14
اندازه گیری میزان سختی و نرمی آب 16
آب سنگین و کاربردهای آن 17
کاربردهای آب مقطر 17
خواص فیزیکی و شیمیایی آب 20
استاندارد کیفیت آب 22
آلودگی آب‌‌ 23
کیفیت آب 24
بیشترین منابع آب شیرین در کشورها 26
انواع منابع آب 27
حفظ منابع آب شیرین 28
طبقه بندی منابع آب شیرین 28
آب‌‌های زیرزمینی 29
انواع آب‌‌های زیرزمینی 32
آثار و نتایج ناگوار برداشت بی رویۀ آب‌‌های زیرزمینی 33
آب سبز و آب آبی 35
اصلی‌‌ترین پارامترهای تعیین کیفیت آب و پساب 38
تخلیۀ فاضلاب 41
فصل 2 43
آب‌‌های سطحی 43
اهمیت آب‌‌های سطحی 47
آلودگی آب‌‌های سطحی و زیرزمینی 53
فصل 3 61
مدیریت و برنامه ریزی منابع آبی 61
آب و کشاورزی 66
الگوهای برنامه ریزی مدیریت منابع آبی 68
مدیریت آب و آلاینده‌‌ها 69
انواع مدیریت آب 73
جمع آوری آب‌‌های سطحی و مدیریت شهری 83
مدیریت آب و رواناب‌‌ها 90
رویکردهای نوین مدیریت آب‌‌های سطحی 95
شرح وظایف و عملکرد دفتر مطالعات آب‌‌های سطحی 97
نتایج 98
منابع و مآخذ 101

آب یکی از مهم‌‌ترین نعمت‌‌هایی است که خداوند در اختیار ما قرار داده است. این نعمت، زندگی همۀ موجودات کرۀ زمین را تحت تأثیر قرار می‌‌دهد و تصور حیات، بدون وجود آن امکان پذیر نیست. نه تنها زندگی ما انسان‌‌ها بلکه زندگی همۀ حیوانات و گیاهان نیز به وجود آب بستگی دارد.
امروزه که انسان‌‌ها به دنبال حیات در سیاره‌‌ای دیگر هستند اولین چیزی که برای آن جستجو می‌‌کنند وجود آب است. نبابراین باید قدر این نعمت را بدانیم و به درستی از آن استفاده کنیم.
سلامتی انسان بیش از هر چیز به آب سالم و بهداشتی بستگی دارد و اساسأ حیات انسان در گرو وجود آب سالم می‌‌باشد. در کشورهای در حال توسعه هنوز ریشۀ اصلی رشد بسیاری از مشکلات بهداشتی مربوط به تأمین آب آشامیدنی سالم است، آمارهای منتشر شده از سوی سازمان بهداشت جهانی نشان دهندۀ این واقعیت است. رشد روز افزون جمعیت در جهان سبب افزایش مصارف گوناگون آب شده است که این امر نه تنها کمیت منابع آب را کاهش داده بلکه تغییر کیفی آن را با توسعۀ شهرنشینی، صنعت و کشاورزی به دنبال داشته است. این مسئله به گونه‌‌ای پیش رفته است که امروزه بسیاری کشورها را با مشکل کمبود آب یا آلوده شدن منابع آبی مواجه ساخته است. در این بین آلودگی منابع آب آشامیدنی از نقطه نظر بهداشتی از اهمیت خاصی برخوردار بوده و لزوم توجه جدی را می‌‌طلبد.
اما آب چیست؟
حدود 70% سطح زمین را آب پوشانده است. برای زندگی موجودات زنده آب ضروری است (آب مایۀ حیات). هر دو جنبه کمیت و کیفیت آب دارای اهمیت هستند. توسعۀ بشری در فعالیت‌‌های کشاورزی، صنعتی و شهری تابعی از کمیت آب و نیز کیفیت آب است. بدون آب امکان زندگی وجود ندارد. هیچ تمدن بشری یافت نمی‌‌شود مگر بر حاشیۀ یک رودخانۀ دائمی.
آب در طبیعت به سه حالت جامد، مایع و گاز و در سطح زمین یافت می‌‌شود. بیش از 68% از سطح کرۀ زمین را آب فراگرفته است؛ اما تنها 3% این منابع آب قابل شرب هستند. منابع آب بسیار متنوع‌‌اند. این منابع شامل آب معدنی، آب زیر زمینی، آب سطحی، آب دریا، آب چشمه، آب قنات و آب چاه می‌‌شوند. آب از ترکیب دو عنصر اکسیژن و هیدروژن تشکیل شده است. وجود پیوندهای هیدروژنی بین مولکول‌‌های آب ویژگی‌‌های استثنایی‌‌ به آن بخشیده است.
– مقدار آب در گیاهان از 50% در درختان تا 90% در گیاهان علفی متغیر است. آب در رساندن مواد غذایی دریافتی توسط ریشه‌‌ها به سایر اندام‌‌های هوایی گیاه نقش دارد. آب همراه گاز کربنیک هوا، مواد اولیۀ فتوسنتزی تشکیل غذا در طبیعت توسط گیاهان را شکل می‌‌دهد.
– در باکتری‌‌ها و میکروارگانیسم‌‌ها هم 90 تا 95% آب وجود دارد.
– آب محیط زندگی برای آبزیان است.
– هرچه آب در محیطی فراوان‌‌تر باشد، پوشش گیاهی آن محیط غنی‌‌تر است.
– آب در شکل دهی زمین از طریق فرایندهای انحلال، فرسایش و رسوب نقش مهمی دارد.
– بخار آب موجود در هوا دارای اثر گلخانه‌‌ای است. بدون حضور آن زمین به کره‌‌ای یخی تبدیل می‌‌شد. منابع آبی سطحی بزرگ بر اقلیم اراضی اطراف‌‌شان (دما، رطوبت و …) تأثیر گذارند و محیط زیست را مطبوع می‌‌کنند.
حالت‌‌های فیزیکی آب
– حالت جامد (یخ): چگالی همۀ مواد از جمله آب با حرارت دیدن کاهش پیدا می‌‌کند و با سرد شدن افزایش می‌‌یابد. انتظار می‌‌رود که آب نیز با سرد شدن و یخ زدن چگال‌‌تر ‌‌شود، اما این گونه نیست. آب یکی از اندک مواد موجود در طبیعت است که حالت جامد آن روی حالت مایعش شناور می‌‌ماند. ساختار یخ عامل این پدیده است. چگالی آب از دماهای بالا تا دمای °4 سانتی گراد افزایش می‌‌یابد، اما پس از آن با کاهش دما به جای افزایش چگالی شاهد کاهش آن هستیم. در واقع با یخ زدن آب مولکول‌‌ها آهسته‌‌تر حرکت می‌‌کنند و این موضوع تشکیل پیوند هیدروژنی را ساده‌‌تر می‌‌کند و مولکول‌‌ها در یک ساختار کریستالی قرار می‌‌گیرند. با ایجاد این ساختار حجم آب تا 9% افزایش می‌‌یابد. این افزایش حجم بدون تغییر جرم، موجب کاهش چگالی شده و یخ روی آب شناور باقی می‌‌ماند. هر مولکول آب در حالت جامد با 6 مولکول دیگر پیوند هیدروژنی برقرار می‌‌کند.
– حالت مایع (آب): ترکیباتی که کربن در آنها وجود ندارد به ندرت در طبیعت و در دما و فشار استاندارد به حالت مایع می‌‌شوند؛ اما آب در شرایط استاندارد به حالت مایع یافت می‌‌شود. این حالت موجب می‌‌شود که مولکول‌‌های آب پیوندهای هیدروژنی کمتری با یکدیگر برقرار کنند. هر مولکول آب در حالت مایع با 4 مولکول دیگر پیوند برقرار می‌‌کند.
– حالت گاز (بخار): زمانی که آب می‌‌جوشد پیوندهای هیدروژنی شکسته می‌‌شوند. ذرات بخار بسیار سریع و با فاصله از یکدیگر حرکت می‌‌کنند، بنابراین فرصتی برای تشکیل پیوند هیدروژنی جدید وجود ندارد. عدم وجود پیوندهای هیدروژنی می‌‌تواند دلیل سوختگی شدید بر اثر تماس با بخار آب را توجیه کند. بخار آب تمام انرژی را در خود دارد. وقتی بخار آب با پوست شما برخورد می‌‌کند این انرژی زیاد سسب سوختگی شدید می‌‌شود. سپس تحت یک واکنش حرارتی بخار آب به مایع تبدیل می‌‌شود. این تبدیل اثر سوختگی را بیشتر می‌‌کند.
ویژگی استثنایی آب
نقطۀ جوش و نقطۀ انجماد آب
معمولأ با افزایش اندازۀ هیدرید مولکول‌‌ها نقطۀ جوش آنها نیز افزایش می‌‌یابد. آب با وجود جرم مولکولی کم دمای جوش بسیار بالایی دارد. آب برای رسیدن به نقطۀ جوش خود یعنی °100 سانتی گراد باید بر پیوندهای هیدروژنی خود غلبه کند. این کار به انرژی بسیار زیادی نیاز دارد. این پیوند یکی از قوی‌‌ترین پیوندهای موجود در بین مولکول‌‌ها است. همین ویژگی روی نقطۀ انجماد آن نیز اثر گذاشته است.
نقطۀ جوش و نقطۀ انجماد آب موجب شده است که روند جوشیدن یا انجماد بسیار آهسته‌‌تر رخ می‌‌دهد. این ویژگی برای اکوسیستمی که در آب زندگی می‌‌کند اهمیت بسیاری دارد. در طبیعت معمولأ سطح آب یخ می‌‌زند، اما لایه‌‌های زیرین آن همچنان در دمای °4 سانتی گراد باقی می‌‌ماند. زمانی که دمای هوا در مناطق سردسیر کاهش می‌‌یابد، لایه‌‌های سطحی آب شروع به سرد شدن می‌‌کنند. زمانی که دمای سطح آب به °4 سانتی گراد می‌‌رسد، چگالی آب افزایش می‌‌یابد. به دلیل افزایش چگالی آب لایه‌‌های بالاتر به سمت پایین حرکت می‌‌کند و آب لایه‌‌های پایین‌‌تر به سمت بالا می‌‌رود. این روند آنقدر تکرار می‌‌شود که دمای کل آب به °4 سانتی گراد برسد. پس از آن با کاهش دما آب سطح دریاچه نیز سردتر می‌‌شود اما به دلیل کاهش چگالی آب به هنگام یخ زدن، فقط سطح دریاچه منجمد می‌‌شود و لایه‌‌های زیرین در همان دمای °4 سانتی گراد باقی می‌‌مانند و یخ نمی‌‌زنند.
اگر آب به سادگی منجمد می‌‌شد یا به سادگی به جوش می‌‌آمد، تغییراتی که در طبیعت، اقیانوس‌‌ها و دریاچه‌‌ها رخ می‌‌داد، موجب مرگ بسیاری از گونه‌‌های جانوری می‌‌شد.

انواع آب
در کل 4 نوع آب داریم: آب نرم، آب سخت، آب سنگین، آب مقطر
 آب نرم و آب سخت
آب باران به نوعی آب نرم محسوب می‌‌شود. زمانی که این آب در طبیعت جاری می‌‌شود، مواد معدنی مثل: آهک، کلسیم و منیزیوم با آن ترکیب می‌‌شود. آب سخت به دلیل وجود مواد معدنی آب مناسب‌‌تری برای نوشیدن است. این موضوع فقط از جهت سلامتی نیست، این آب مزۀ بهتری نیز دارد. آب نرم گاهی مزۀ شوری دارد و برای نوشیدن مناسب نیست، اما چرا ما آب شرب خود را نرم می‌‌کنیم؟
زمانی که آب می‌‌جوشد، تفاوت عمدۀ آب نرم و آب سخت مشخص می‌‌شود. آب سخت پس از جوشیدن رسوب بسیار زیادی از خود باقی می‌‌گذارد، اما آب نرم این گونه نیست. تأثیر آب سخت و آب نرم بر شستشو نیز با یکدیگر متفاوت است. آب سخت اصلأ برای شستشوی لباس، ظروف با لکه‌‌های چرب، سطوح کثیف و … مناسب نیست. حتی شستشوی موی سر با آب سخت موجب می‌‌شود که سر شما همچنان کثیف و چرب به نظر برسد. استفاده از آب سخت برای ماشین ظرفشویی، انرژی بیشتری مصرف می‌‌کند. صابون نیز به دلیل واکنش شیمیایی خود با منیزیوم و کلسیم تأثیر کمتری در پاکسازی دارد. با وجود همۀ این مشکلات تبدیل آب سخت به آب نرم امری ضروری است.
با این ویژگی‌‌های آب سخت، آب نرم انخاب بسیار مناسب‌‌تری برای انجام کارهای شست و شو است. با استفاده از این آب صابون بهتر عمل می‌‌کند و لباس‌‌ها و ظروف تمیزتر می‌‌شوند. لیوان‌‌ها می‌‌درخشند و موهای شما تمیزتر می‌‌شود.
آب نرم برای افرادی که مشکلات قلبی- عروقی دارند یا باید از مصرف زیاد سدیم پرهیز کنند، اصلأ مناسب نیست. در پروسۀ نرم کردن آب پس از جداسازی مواد معدنی از آب سدیم موجود در آن افزایش می‌‌یابد. تحقیقات نشان داده است که بیماری‌‌های قلبی- عروقی در مناطقی که میزان مواد معدنی موجود در آب آن بیشتر است، کمترین ریسک را دارند. راه‌‌هایی برای کاهش میزان سدیم موجود در آب وجود دارد که طعم آب را نیز بهتر می‌‌کند. آب نرم برای پوست نیز بهتر است زیرا مواد معدنی تحریک کننده ندارد.
سختی آب دو نوع مختلف دارد:
1) سختی موقت: این نوع سختی به دلیل وجود کلسیم، کربنات و منیزیوم در آب بوجود می‌‌آید که به آن سختی کربناتی نیز می‌‌گویند. با جوشاندن آب این سختی از بین می‌‌رود، کلسیم و منیزیوم رسوب می‌‌کنند و آب سخت به آب نرم تبدیل می‌‌شد.
2) سختی دائم: آبی است که سولفات، کلراید کلسیم و منیزیوم دارد. در این حالت کلسیم و منیزیوم رسوب نمی‌‌کنند و برای نرم کردن این نوع از آب سخت باید از سدیم کربنات استفاده شود.

اندازه گیری میزان سختی و نرمی آب
سختی آب در آزمایشگاه تعیین می‌‌شود و مقیاس اندازه گیری آن بر حسب ppm یا میلی گرم در لیتر است.
آب بسیار نرم بین 0 تا 60ppm
آب متوسط بین 60 تا 120ppm
آب سخت بین 80 تا 120ppm
آب خیلی سخت بیشتر از 180ppm
 آب سنگین
به اکسید هیدروژن سنگین یعنی D2O آب سنگین می‌‌گویند. دوتریوم ایزوتوپ پایداری از هیدروژن است که در طبیعت یافت می‌‌شود. خواص فیزیکی و شیمیایی آب شبیه به H2O است. این آب در راکتورهای هسته‌‌ای و سوخت اورانیوم به جای گرافیت به کار می‌‌رود.
آب سنگین در سال 1933 توسط گیلبرت لوویس از طریق برقکافت تولید شد. از هر 3200 مولکول آب موجود در طبیعت تنها یکی از آنها آب نیمه سنگین یا HDO است. با افزایش مقدار آب نیمه سنگین در آب، میزان آب سنگین نیز بیشتر می‌‌شود.
برای تولید صنعتی آب سنگین به دستگاه‌‌های پیچیده‌‌ای برای تقطیر یا الکترولیت آب نیاز است. به همین دلیل بیشتر از روش‌‌های شیمیایی برای تهیۀ آب سنگین استفاده می‌‌شود.

آب سنگین و کاربردهای آن
– کند کنندۀ نیترون
در راکتورهای هسته‌‌های از آب سنگین به عنوان کند کنندۀ نیترون استفاده می‌‌شود تا اورانیوم 255 را به اورانیوم 256 تبدیل کند. فقط نوترون‌‌های کند می‌‌توانند با اورانیوم واکنش دهند.
– آشکار کنندۀ نوترینو
از آب سنگین برای آشکار کردن نوترینوها، ذراتی بنیادین و خنثی استفاده می‌‌شود. دوتریوم موجود در آب سنگین می‌‌تواند این ذرات را آشکار کند.
 آب مقطر
آب مقطر آبی است که ناخالصی آن از طریق تقطیر گرفته شده است. در این روش آب را جوشانده و بخار آن را به ظرف دیگری انتقال می‌‌دهند. دمای جوش آب مقطر کمتر از آب معمولی است.
کاربردهای آب مقطر
– آزمایشگاه‌‌ها
مهمترین ویژگی آب مقطر عدم وجود آب معدنی است. این ویژگی دلیل استفاده از این آب در آزمایشگاه‌‌هاست. چرا که خطای آزمایشگاهی را کاهش می‌‌دهد. H2O تنها چیزی است که در آب مقطر موجود است و ترکیب آن با دیگر مواد مشکلی ایجاد نمی‌‌کند.

– آبیاری گیاهان
گیاهان مواد معدنی مورد نیاز خود را از خاک دریافت می‌‌کنند و بیش از این مقدار می‌‌تواند برای آنها مشکل ایجاد کند. مواد معدنی اضافی که در آب شهری وجود دارند مثل نمک و کلر موجب می‌‌شود که انتخاب مناسب برای آبیاری گیاهان نباشد. بهتر است آب مقطر برای آبیاری گیاهان استفاده شود.
– اتومبیل‌‌ها
آب مقطر به دلیل عدم وجود مواد معدنی، برای خنک کردن و تمیز کردن موتور اتومبیل‌‌ها مناسب است. همچنین برای خنک کردن سیستم رادیاتور اتومبیل نیز به کار می‌‌رود. در باتری خودروها نیز از این آب استفاده می‌‌شود، زیرا طول عمر آن را زیاد می‌‌کند و از خوردگی و زنگ زدگی آن جلوگیری می‌‌کند.
– پزشکی و بهداشتی
استفاده از آب مقطر یکی از بهترین راه‌‌ها برای تمیز کردن وسایل بهداشتی و پزشکی است. به دلیل عدم وجود مواد معدنی لکی روی وسایل باقی نمی‌‌گذارد و برای سلامتی بیماران نیز مشکلی ایجاد نمی‌‌کند.
 تصفیۀ آب
وجود مواد معدنی، باکتری‌‌ها، ویروس‌‌ها و دیگر عوامل بیماریزا آب موجود در طبیعت را غیرقابل شرب می‌‌کند. انسان‌‌ها با استفاده از روش‌‌های مختلفی آب مورد نیاز خود را تصفیه و پاکسازی می‌‌کنند. بعضی از این روش‌‌ها برای حجم زیاد آب مناسب نیست اما می‌‌توان از آنها برای تصفیۀ آب مورد نیاز جهت شستشو استفاده کرد.
شیوه‌‌های تصفیۀ آب براساس نوع آبی که به آن نیاز داریم متفاوت است، اما تعدادی روش کلی برای این کار وجود دارد.
1) لخته سازی آب: لخته سازی آب به معنای اضافه کردن سولفات، آلومینیوم مایع (آلوم) یا اضافه کردن پلیمر به آب ناخالص امست. با اضافه کردن این مواد بخش‌‌های آلوده به یکدیگر می‌‌چسبند و از آب جدا می‌‌شوند. این بخش‌‌های آلوده با چسبیدن به یکدیگر ماده‌‌ای لخته مانند می‌‌سازند که به سادگی قابل جداسازی نیست.
2) رسوب گذاری: پس از مرحلۀ لخته سازی به مرحلۀ رسوب گذاری می‌‌رسیم. در این مرحله آب به آهستگی حرکت می‌‌کند و لخته‌‌ها به بخش‌‌های زیرین حرکت می‌‌کنند. لخته‌‌هایی که در زیر آب جمع آوری می‌‌شوند رسوب نامیده می‌‌گردند. این رسوب‌‌ها به دریاچه‌‌هایی مخصوص منتقل می‌‌شوند.
3) پالایش: در این مرحله، آب از یک فیلتر مخصوص عبور می‌‌کند. این فیلترها از سنگ ریزه و شن و ماسه و گاهی آنترانسیت خرد شده ساخته شده‌‌اند. عبور دادن آب از فیلتر، ناخالصی‌‌ها را از آن جدا می‌‌کند و اثر ضدعفونی را در مرحلۀ بعد افزایش می‌‌دهد. فیلترها به طور منظم ضدعفونی و پاکسازی می‌‌شوند.
4) ضدعفونی: قبل از اینکه آب وارد سیستم توزیع شود، برای پاکسازی از انگل‌‌ها، باکتری‌‌ها و ویروس‌‌های بیماریزا ضدعفونی می‌‌شود. کلر نیز در این مرحله بسیار مهم است.
5) خشک کردن لجن‌‌ها: مواد جامدی که در مرحلۀ رسوب گذاری و عبور از فیلتر جداسازی شدند به دریاچه‌‌هایی جهت خشک شدن منتقل می‌‌شوند.
6) اضافه کردن فلوراید: در این مرحله غلظت یون‌‌های آزاد فلوراید را به حد مطلوبی می‌‌رسانند تا مشکلات دندانی که بر اثر مصرف آن به وجود می‌‌آیند، به حداقل برسند.
7) اصلاح pH آب: برای اصلاح میزان pH آب، آهک را با آب تصفیه شده ترکیب می‌‌کنند. این مرحله موجب تثبیت طبیعی آب نرم شده و خوردگی سیستم توزیع آب و لوله کشی‌‌ها را نیز کاهش می‌‌دهد. هرچه pH آب پایین‌‌تر باشد، آب تمایل بیشتری به خوردگی دارد و هرچه بالاتر باشد، آب تمایل بیشتری به ایجاد رسوب و ته نشینی دارد.