البئر

بير

Well -

البئر

جريس شاهين

تصنيف الآبار

وسائل استخراج المياه

المفهوم العام لعمل المضخات

البئر well حفرة في الطبقات السطحية من القشرة الأرضية، تبدأ من سطح الأرض، وتتجه شاقولياً نحو أعماق هذه القشرة، وقد تكون مائلة أحياناً. تأخذ فتحة الحفرة عادة شكلاً دائرياً، أو تكون بأشكال هندسية مختلفة، ويجري حفرها يدوياً، أو بأجهزة الحفر الميكانيكية. وترد الكلمة باللغة الإنكليزية غالباً بصيغة الجمع الآبار wells كيلا تختلط مع معانٍ أخرى للكلمة.

تُحفر الآبار غالباً بهدف استخراج المياه الجوفية، أو للحصول على النفط أو الغاز الطبيعي أو الأملاح من المياه المالحة brine، أو أي مادة مائعة من الأرض. كما يمكن أن يكون الهدف منها دراسة طبقات القشرة الأرضية، أو التهوية أو التنقيب الأثري. وتُعدّ الآبار أحد المصادر الأساسية لإمدادات المياه في كثير من دول العالم ومصدر كل الموارد النفطية والغاز الطبيعي ومعظم الأملاح الصناعية والكبريت.

تثبت الوثائق التاريخية وجود الآبار منذ الأزمنة القديمة، ويرجح أنها تعود إلى فترات الجفاف ومحاولة البشر الحصول على الماء بالحفر في أماكن الينابيع التي نضب ماؤها أو في مجاري الأنهار والسواقي التي جفت، ثم تطور الأمر بعد ذلك إلى التعمق في الحفر أو الحفر في مناطق لم يكن فيها ماء. وأولى الآبار جرى حفرها يدوياً. وقد تجهز العميقة منها بدرج أو ممر منحدر يمكن الناس من الوصول إلى الماء بأنفسهم أو لسقي دوابهم. وكانت الآبار في الشرق الأوسط منذ آلاف السنين تحفر لجر المياه إلى الخانات أو مناطق التجمع السكاني عن طريق أنفاق بميل يكاد يكون أفقياً تعرف باسم الفجارات. وطور الصينيون فيما مضى حفارة بدائية لاستخراج المياه من عمق كبير عن طريق فتحة لا يزيد قطرها على 5-10 سم مبطنة بقصب البامبو. وفي عام 1833 جرى حفر بئر في غرينل من مقاطعة آرتوا الفرنسية إلى عمق 548م، وبطنت ببطانة من فولاذ ، وإلى هذه المنطقة تنسب الآبار الارتوازية التي تخرج المياه منها باندفاع ذاتي. ويعود تاريخ أولى الآبار التي جرى حفرها بهدف استخراج الخامات المائعة إلى عام 1808، ولاستخراج النفط والغاز إلى عام 1859 في بنسلفانيا (الولايات المتحدة الأمريكية). ويُعدّ حفر الآبار بالطرائق المعهودة القديمة أمراً عفا عليه الزمن؛ لأن الحفر بالثقب أسرع وأكثر فاعلية.

تصنيف الآبار

تُصنف الآبار عموماً بحسب عمقها أو الغاية منها أو طريقة حفرها أو طريقة الحصول على المطلوب منها.

1 - بحسب العمق، وهي نوعان:

- الآبار الضحلة: تراوح أعماقها بين أجزاء المتر حتى 30 - 35م، وتخترق الطبقات الحاملة للمياه القريبة من سطح الأرض، ومياهها غير صالحة للشرب على الغالب؛ لأنها تكون مُعرضة للتلوث بمياه الأمطار والمياه الجارية السطحية التي تتسرب إليها مُخترقة التربة الزراعية.

- الآبار العميقة: وهي الآبار التي يزيد عمقها تحت سطح الأرض على 50م، ويجري حفرها عادة بالأجهزة الميكانيكية كالحفارات وغيرها. تصل هذه الآبار إلى المياه الجوفية العميقة، ومياهها عذبة صالحة للشرب غالباً، ونادراً ما تتلوث مياهها.

2 - بحسب الغاية منها:

- آبار استكشافية: تُحفر للتحري عن المياه الجوفية، أو النفط، أو الغاز أو أي من الخامات الأخرى المحتمل وجودها في منطقة الدراسة، أو التنقيب الأثري أو الجيولوجي.

- آبار إنتاجية: وتُحفر بهدف استغلال المياه الجوفية أو غيرها من الخامات كالنفط والغاز والموائع الأخرى.

- آبار مراقبة: وتُحفر لأجل مراقبة التغيرات في مستوى الحامل المائي، أو لإجراء تجارب الضخّ، ومراقبة التسرب في المنشآت المائية كالسدود وغيرها.

- آبار التغذية الصنعية: تُحفر من أجل تغذية المياه الجوفية اصطناعياً.

- آبار الصرف: وتهدف إلى التخلص من المياه الفائضة أو مياه المجاري والنفايات الصناعية.

- آبار التهوية: وتُحفر من أجل تهوية المناجم العميقة وأنفاقها تحت الأرض، وضخّ الهواء الضروريّ للعاملين في المناجم، ولتخفيف الضغط وتوازنه داخل المناجم، ودرء الانفجارات التي قد تحدث بسبب اختلاف الضغوط.

3 - بحسب طرائق الحفر:

- آبار الحفر اليدوي: وهي من أقدم أنواع الآبار، وتُحفر يدوياً بمعدات وأدوات يدوية بسيطة، كالمعول والمجرفة وغيرهما. ويجري رفع نواتج الحفر منها إلى سطح الأرض بأوعية يدوية أو بمساعدة البكرات والحبال، وتعرف البئر المحفورة على هذا النحو باسم الجب dugged well؛ لأنها وجدت تاريخياً في منطقة الشرق الأوسط منذ غابر الأزمان، وكانت تُستخدم عموماً لسد حاجة الإنسان من مياه الشرب، والاستعمال اليومي ولسقاية الأرض والمواشي، وغير ذلك.

تُبطن هذه الآبار عادة من الداخل بالحجر أو القصب أو اللَّبِن منعاً لانهيارها، وتكون فوهتها واسعة تسمح للإنسان بالنزول إلى قعر البئر لتنظيفها وإكسائها وجلب الماء منها، وربما روعي بناء درجات فيها لهذه الغاية، كما يراعى ترك فتحات صغيرة في الجزء السفلي من الكسوة تسمح بجريان المياه إلى داخل البئر من الطبقة الحاملة للمياه المجاورة لها، يستمر تعميق هذه الآبار عادة حتى الوصول إلى الطبقة الحاملة للمياه وبدء تدفقها، فإن لم يُعثر على الماء فيها؛ تصبح عديمة الفائدة، وتُردم. تختلف أعماق هذه الآبار بحسب عمق المستوى المائي تحت سطح الأرض ووفق استطاعة الإنسان على العمل والحفر إلى ذلك العمق، وتراوح بين 5 و 15م، وقد تصل إلى 20م.

تُغلق فوهة البئر غالباً بعد انتهاء الحفر بغطاء منعاً للتلوث، أو سقوط أحد فيها، أو يُشيد حولها جدار على ارتفاع 50-60 سم، مع تركيب بكرة وحبل لرفع المياه بوساطة الدلو (الشكل 1).

الشكل (1) البئر المحفورة يدوياً.

- الحفر بالغرز أو الثقب Cable-Tool Drilling: بغرز أنابيب طويلة، يثبت أحدها على الآخر، وتدق بمطرقة آلية بطريقة المخض Churn أو الدق Percussion؛ مع ضخ كميات قليلة من المياه للحفاظ على تماسك نواتج الحفر وتسهيل إخراجها من البئر، وحتى الوصول إلى طبقة المياه الجوفية. يجهز رأس الحفر بمقطع أسطواني مُثقَّب يسمح بدخول الماء، ويحميه مخروط فولاذي يُسهِّل انغراز الأنبوب واندفاعه في تربة الأرض. تراوح أقطار مثل هذه الأنابيب بين 5 و90سم، ويمكن أن يصل الحفر إلى عمق 50 متراً وأكثر. وقد مكنت هذه الطريقة من زيادة سرعة الحفر وصمود جدران البئر من الانهيالات؛ لأن جزءاً من سائل الحفر يتسرب إلى جدران البئر في أثناء صعوده مشكلاً ما يسمى بكعكة الحفر في عملية تبطين طبيعية لجدار البئر.

- الحفر بمثقب التربة: يستخدم هذا المثقب الملولب بدفعه بحركة دورانية لولبية يدوياً أو آلياً نحو باطن الأرض دافعاً نواتج الحفر إلى السطح، ولدى الوصول إلى الطبقة المائية يُسحب المثقب، وتبطن البئر بالإسمنت أو بأنابيب فولاذية. تحفر هذه الآبار في المراحل الأولية من التحريات الجيوهندسية عند إقامة المنشآت الضخمة، وللحصول على عينات من التربة لتحديد بنيتها (الشكل 2).

الشكل (2) مثقب التربة لحفر الآبار.

- الحفر بطريقة الإزاحة الهدروليكية: يُستخدم في هذه الطريقة رأس حفر ينفث تياراً من الماء بضغطٍ مرتفعٍ، فيفتت الطبقات اللينة، ويبعدها عن أنابيب الحفر المستعملة لتعميق البئر، وتخرج نواتج الحفر إلى سطح الأرض مع الماء الفائض.

- حفر الآبار الأفقية: تُحفر مثل هذه الآبار بالقرب من مجاري المياه لجمع المياه وتخزينها، كما تُحفر عند أطراف الجبال الصخرية الشديدة الميول والعديمة النفاذية، والتي تحبس المياه خلفها، وتمنع خروجها. (الشكل 3). يتدفق الماء من مثل هذه الآبار تدفقاً حراً على شكل ينبوع صنعي، وتُجهز الفتحة في هذه الحالة بصمام أو مثعب يتحكم بتدفق المياه منها.

الشكل (3) البئر الأفقية.

- آبار الجمع الشعاعي: وتُحفر للحصول على ما يكفي من الماء لسد الحاجة عند شح مياه البئر الرئيسية، وهي من أنواع الآبار الأفقية، حيث تُحفر بئر مركزية متسعة الفوهة (نحو 4 م أو أكثر)، وقد يبلغ عمقها 20-60م، وتكسى بالحجر أو الإسمنت، ومن ثم تُحفر آبار أفقية عند القاع شعاعياً في عدة اتجاهات (الشكل 4). ويراوح عددها بين 12-16 شعاعاً؛ لتتجمع المياه في البئر المركزية وتُستثمر. قد تبلغ مساحة المنطقة التي تتأثر بعملية الصرف هذه أكثر من 1000م2.

الشكل (4) البئر المركزية وآبار الجمع الشعاعي.

- الآبار الشاقولية العميقة: تُحفر هذه الآبار شاقولياً متوغلة في عمق الأرض، وتخترق طبقات القشرة الحاملة للمياه وغير الحاملة لها أيضاً، وتُبطن بأنابيب إكساء مصمتة في الطبقات غير الحاملة للماء، وكذلك الطبقات التي لا يراد استثمار مياهها، ويكون قطر الأنابيب كافياً على نحو يسمح بدخول المياه الجوفية إليها من دون تعرضها لفواقد في الارتفاع.

وسائل استخراج المياه

تجهز معظم الآبار ذات الطاقة العالية بمضخات عنفية خاصة بالآبار العميقة لرفع المياه إلى السطح، وفي معظم الحالات التي يقل فيها مستوى الماء الجوفي عن ستة أمتار يمكن أن تجهز البئر بمضخة ماصة كابسة. ولزيادة فاعلية المضخة والمحرك يجب أن يُختارا بما يتفق مع كمية المياه والارتفاع المطلوب رفعها إليه. تجهز معظم آبار المزارع والحقول بمضخات ترددية ذات كباس pumps reciprocating تديرها الرياح أو محركات، أما الآبار المنزلية فتزود عادة بمضخات غاطسة طاردة مركزية أو نفاثة تعمل بالطاقة الكهربائية. وإذا كانت كسوة البئر محنية أو متضررة يمكن استخدام الرفع الهوائي.

والمضخة آلة هدروليكية تُحول القدرة الميكانيكية المُستمدة من مصدر الطاقة إلى طاقة هدروليكية لرفع المياه من المستوى السفلي لماء البئر إلى المستوى العلوي لخزَّان الماء. ويجري باستمرار تحسين أداء آلات الضخ وتطويرها لزيادة قدرتها على رفع المياه وزيادة مردودها بالنسبة إلى استهلاك الطاقة؛ وثبات عملها وتخفيف ضجيجها وتسهيل خدمتها وصيانتها.

المفهوم العام لعمل المضخات

يكتسب السائل طاقته من المضخة على حساب القدرة المقدمة من المحرك للتغلب على الحمولة. يعبر عن الطاقة اللازمة بالطاقة لكل واحد كيلوغرام من السائل المراد ضخه باستعمال ارتفاعات تسمى رأس المضخة head of the pump، وتكون مكونة من ثلاثة عناصر: الارتفاع الواجب إيصال السائل إليه z وسرعته v والارتفاع المقابل للضياع بالاحتكاك في الأنابيب والمضخة. وهي مستخلصة من معادلة برنولي Bernoulli المعدلة.

يمكن إيضاح مبدأ عمل المضخة بالمثال التالي:

إذا سقطت قطرة ماء ساكنة على ارتفاع معيّن من سطح الأرض (h) بِحُرّية كتلتها m؛ فإنها تصدم سطح الأرض بسرعة v تحسب من تساوي الطاقة الكامنة الثقالية للقطرة وطاقتها الحركية وفق العلاقة (1):

وتكون السرعة ، مقدرة بـ م/ثا، g: تسارع الجاذبية الأرضية 9.81م/ثا2 والارتفاع بالأمتار. لذلك يعرف رأس المضخة السكوني static head بارتفاع الماء الذي يمكن للمضخة إيصاله إليه بسرعة معدومة (أي الطاقة اللازمة لرفع واحدة الوزن حتى هذا الارتفاع من دون سرعة) نتيجة فرق الضغط الذي توفره المضخة بين مدخلها ومخرجها يرمز إليه بـ Hp. يضاف إلى هذا الارتفاع عادة في حالة حركة السائل الارتفاع المقابل للطاقة اللازمة للتغلب على الاحتكاكات والارتفاع المقابل لإعطائه طاقة لجعل السائل يتدفق بتصريف معيّن، فيسمى الارتفاع الكلي الديناميكي Total Dynamic Head (TDH) أو الضاغط الكلي، ويرمز إليه بـ H.

ويمكن تطبيق معادلة الطاقة لحساب القدرة الهدروليكية التي يحملها السائل H (الرفع الرأسي للمضخة) بين مستوى المياه في الخزان (1) ومستوى المياه في الخزان (2). (الشكل 5) كما في العلاقة (2).

حيث:

hr: الفواقد المكانية، وتتعلق بأطوال الأنابيب وأقطارها والتفرعات.

hk: الفواقد الاحتكاكية.

z1: مستوى الخزان 1 عن المستوى المرجعي.

z2: مستوى الخزان 2 عن المستوى المرجعي.

v1: سرعة السائل قبل المضخة.

v2: سرعة السائل بعد المضخة.

p1: ضغط السائل قبل المضخة.

p2: ضغط السائل بعد المضخة.

γ: الوزن النوعي للسائل.

الشكل (5) رسم تخطيطي يبين المفاهيم الأساسية لمحطة ضخّ.

تعتمد خصائص المضخة وميزاتها على نوعها وتصميمها والعلاقة ما بين التصريف Q ورأس المضخة الكلي فتعطى استطاعة المضخة بالعلاقة (3):

حيث: Q: التصريف/غزارة المضخة مقدرة بـ م3/ثا.

H: الضاغط الكلي للمضخة مقدراً بـ م.

γ: الوزن النوعي للسائل مقدراً بـ كغ/م3.

تُحوَّل الطاقة في بعض المضخات بفعل تغير الضغط مباشرة، حيث تجري إزاحة السائل بفعل ضغط المكبس في حالة المضخات المكبسية، أو بفعل دوران الجزء العامل في حالة المضخات الدوارة، أو بفعل الهواء والبخار المضغوط (الروافع الهدروليكية) .

عموماً يمكن تصنيف المضخات في نوعين اثنين:

1 - مضخات الإزاحة الثابتة: وهي المضخات العادية التي تقوم بسحب حجم معيّن من الماء (أو السائل) إلى الارتفاعات المصممة لها، وتستخدم لرفع المياه بكميات قليلة.

2 - مضخات الإزاحة المتغيرة: وهي المضخات التي يتغير فيها التصريف بحسب العلوّ Head، وأنواعها كثيرة، منها:

- مضخات الطرد المركزي Centrifugal pumps: تستخدم لرفع الماء من مستوى منخفض إلى مستوى أعلى، عن طريق توليد ضغطٍ كافٍ بفعل القوة الطاردة المركزية، تشتمل هذه المضخات على شفرات دفع في جسم دوّار يدور بسرعة كبيرة، ويدخل الماء إليها محورياً، فيمر في الفراغات بين الشفرات المتعاقبة في الدوَّار، وينقذف شعاعياً من المحيط باتجاه الناشرة بزاوية 90º مكتسباً سرعة وضغطاً كافيين لرفعه إلى الارتفاع المطلوب.

يرتبط مقدار الرفع بسرعة دوران المضخة وبسرعة دخول الماء إليها. وتستخدم مثل هذه المضخات في الآبار ذات المستوى المائي الضعيف التذبذب (الثابت تقريباً) بحيث لا يزيد تذبذبه (هبوط هذا المستوى نحو الأسفل) على 8 م، ولذلك توضع المضخة داخل البئر على عمقٍ كافٍ (6-8 م) تحت سطح الماء؛ لكي تستطيع أن تعمل بكفاية. تُستخدم هذه المضخات لرفع المياه من أعماق كبيرة، وتتميز بصغر قطرها؛ إذ يمكن إنزالها داخل أنابيب الإكساء، ويلفت النظر هنا أن سرعة الضخ -ومن ثَمَّ كمية الماء- تنخفض مع زيادة الارتفاع الديناميكي الكلي؛ لذلك فهي تُعدّ من المضخات ذات التصريف المتغير عند ثبات سرعتها.

- المضخات الغاطسة: وتُصنف تحت آلات الضخ الطاردة؛ لأن السائل المُراد ضخه يدخل من جوانب المضخة الغاطسة إلى العنفات الدوّارة التي يديرها محرك كهربائي مُركَّب على محورها مباشرة، تقوم المضخة بتدوير السائل بزاوية 90º وطرده نحو الأعلى (الشكل6).

الشكل (6) الأقسام الرئيسة للمضخة الغاطسة.

- المضخات النفاثة: هي مضخات كهربائية يعتمد مبدأ عملها على قوة الطرد المركزي، وتستعمل لضخ المياه من الآبار ذات التصريف الصغير (في حدود 200 ل/د)، وتمتاز بسهولة تركيبها وقلة تكاليف صيانتها.

- مضخات الرفع الهوائية: يعتمد مبدأ عمل هذه المضخات على حقن الهواء بضغطٍ عالٍ بضاغط هواء ضمن أنبوب هواء صغير القطر يجاوره أنبوب أكبر قطراً يسمى أنبوب التصريف. فعند ضخّ مزيج من الهواء والماء وزنه النوعي أقل من الوزن النوعي للماء؛ يندفع الماء داخل أنبوب التصريف، فيخرج إلى السطح. (الشكل 7). وهي طريقة قليلة الكفاية، وتُستخدم في حالات معيّنة كتحريك الغازات ومُخلفات التأكّل في أثناء تطوير البئر.

توفر معظم أنواع المضخات الثلاثة المذكورة من الطاقة للرفع، في حين توفر بعض المضخات الأخرى للسائل طاقة حركية، ومن ثم تتحول الطاقة الحركية إلى طاقة ضغط، وتُعدّ المضخة النابذة والمضخة المحورية من هذا الصنف.

الشكل (7) رسم تخطيطي يبين مبدأ عمل مضخة الرفع الهوائية.

ويُقدر مردود المضخة بالعلاقة (4):

حيث: Np: استطاعة المضخة.

Nm: استطاعة المحرك الكهربائي.

يحدد نوع المضخات وتصنيفها وفق عدد مراحل عملها والمجالات التطبيقية المناسبة لها. ومنها مضخات غاطسة وحيدة المرحلة أو متعددة المراحل؛ بحيث يمكن القول: إنها مؤلفة من عدة مضخات مربوطة على التسلسل، ويساوي ضغطها الإجمالي ضغوط مجموع المراحل منفردة؛ غير أن الغزارة الكلية للمياه تبقى مكافئة لغزارة المرحلة الواحدة منفردة.

التصنيف : التقانات الصناعية

النوع : التقانات الصناعية

المجلد: المجلد الخامس

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية