آب گرسنه: تاثیر برداشت شن و ماسه از رودخانه‌‌‌ها

رودخانه‌ها با فرسایش دادن زمین‌های مرتفع به نواحی ته‌نشینی در نزدیکی سطح دریا رسوبات را منتقل می‌کنند. اگر تداوم انتقال رسوب در اثر احداث سد یا برداشت رسوب از کانال از طریق استخراج شن و ماسه مختل شود، ممکن است جریان آب دچار کمبود رسوب شود (آب گرسنه) و بستر و کناره‌های کانالی را فرسایش دهند، موجب شکاف کانالی (فروکنی [downcutting])، درشت دانه شدن مواد بستر و از دست رفتن شن‌های تخم‌ریزی برای سالمون و ماهی قزل آلا شوند (زیرا شن‌های کوچکتر بدون جایگزینی از بالادست منتقل می‌شوند).

برای جلوگیری از شکاف بیشتر رودخانه‌ها و بازیابی جایگاه [habitat] تخم ریزی، شن به صورت مصنوعی به رودخانه راین و بسیاری از رودخانه‌های دیگر افزوده می‌شود. این امکان وجود دارد که رسوب رسیده را از طریق مخازن کوچک عبور داد و در نتیجه پیوستگی انتقال رسوب را از سیستم حفظ کرد. احداث سد و برداشت شن و ماسه سبب کاهش تحویل رسوب از رودخانه‌ها را به بسیاری از نواحی ساحلی و تسریع فرسایش کنار دریا می‌شود. شن و ماسه برای تهیه سنگدانه ساختمانی از کانال‌های رودخانه‌ای و دشت‌های سیلابی استخراج می‌شوند.

برداشت شن و ماسه رودخانه‌ای عموماً موجب ایجاد پایین افتادگی آبراه می‌شود که ممکن است به سمت بالا دست و پایین دست معدن گسترش یابد، پل‌ها را زیرشویی کند، موجب ناپایداری کانالی شود و سطح ایستابی آبرفت‌ها را پایین بیاورد. گودال‌های شنی دشت سیلابی در صورت بازسازی این پتانسیل را دارند که به سکونتگاه حیات وحش تبدیل شوند ولی ممکن است توسط کانال فعال تصرف شوند و به گودال‌های درون آبراهه‌‌ای تبدیل گردند. مدیریت شن و ماسه در رودخانه‌ها باید بر مبنای منطقه‌ای انجام شود، در صورت امکان تداوم انتقال رسوب را بازیابی کند و مواد جایگزینی‌ را برای منابع سنگدانه رودخانه‌ای ارائه نماید (یا استفاده از آن‌ها را تشویق کند).

 

با انتقال آب از ارتفاع بالا به سطح دریا، انرژی پتانسیل آن‌ها به اشکال دیگر تبدیل می‌شود. آب‌ها در این مسیر چشم‌انداز را می‌تراشند و شبکه‌های کانالی پیچیده‌ و گستره‌ای از سکونتگاه‌های مرتبط را ایجاد می‌کنند. رودخانه‌ها با استفاده از انرژی اضافی خود (بیش از آن میزان انرژی که برای حرکت آب از یک نقطه چشم‌انداز به نقطه دیگر لازم است) کارهای ژئومورفولوژیکی خود را به انجام می‌رسانند. در کانال‌های طبیعی، انرژی اضافی رودخانه‌ها به شیوه‌های متعددی تلف می‌شود: در آشفتگی در پله‌های نیمرخ رودخانه، در مقاومت اصطکاکی سنگ‌فرش‌ها و تخته‌سنگ‌ها، پوشش گیاهی در امتداد کناره، در خمش‌ها، در بی‌نظمی‌های بستر کانال و کناره‌ها، و در حمل رسوب (شکل 1).

 

 

حمل رسوب در اندازه شن و ماسه به ویژه در تعیین شکل کانال اهمیت دارد و کاهش تامین این رسوبات ممکن است موجب تغییرات کانالی شود. تامین شن و ماسه ممکن است نتیجه عوامل مختلفی باشد از جمله تغییرات در کاربری زمین، پوشش گیاهی، آب و هوا، و فعالیت تکتونیکی. این مقاله به صورت خاص به پاسخ کانال‌های رودخانه‌ای به کاهش تامین این رسوبات در اثر احداث سد و معدنکاری شن و ماسه می‌پردازد.

رسوب عمدتاً به صورت بار معلق منتقل می‌شود: رس، سیلت، و ماسه در اثر آشفتگی در بالای ستون آبی نگهداشته می‌شوند. در مقابل آن بار بستر قرار دارد که از ماسه، شن، قلوه سنگ، و تخته سنگ تشکیل می‌شود که با غلتیدن، سر خوردن و جهیدن در امتداد بستر منتقل می شوند (لئوپولد [Leopold] و دیگران، 1964). بار بستر از چند درصد بار کل در رودخانه‌های زمین‌های پست تا شاید 15% در رودخانه‌های کوهستانی (کالینز و دون، 1990) تا 60% در برخی از حوضچه‌های مناطق خشک تغییر می‌کنند (سهیک و لکاچ، 1993).

رسوبات بار بستر هر چند معرف بخش نسبتاً کوچکی از بار رسوب کل هستند اما معماری کانال‌های شن بستر و ماسه‌بستر را را تشکیل می‌دهند. همچنین شن و قلوه‌سنگ اهمیت اکولوژیکی چشمگیری دارند زیرا سکونتگاه بی‌مهرگان کف‌زی و به صورت محل تخم‌ریزی برای سالمون و قزل‌آلا می‌باشند(کوندالف و وولمن، 1993).

نرخ انتقال رسوب نوعاً به صورت تابع توانی از جریان افزایش می‌یابد؛ یعنی دو برابر شدن جریان نوعاً سبب می‌شود تا انتقال رسوب به بیش از دوبرابر افزایش یابد (ریچاردز، 1982) و بیشترین میزان انتقال رسوب در هنگام سیلاب رخ می‌دهد.

 

پیوستگی انتقال رسوب در سیستم‌های رودخانه‌ای

در نگاه کلی، رواناب سطح زمین را می‌فرساید و شبکه رودخانه‌ای محصولات فرسایشی را از هر حوضه حمل می‌کند. نرخ برهنه‌سازی [denudation] یا پایین آمدن زمین در اثر فرسایش، به صورت گسترده‌ای تغییر می‌کند. کوهستان‌های آپالاشی در آمریکای شمالی حدود mm/yr 01/0 برهنه‌‌سازی می‌شوند (لئوپولد و دیگران، 1964). این میزان در مرکز سیرانوادا در کالیفرنیا حدود mm/yr 1/0 (کوندالف و ماتیوز، 1993) در آلپ جنوب نیوزیلند حدود mm/yr 11 (گریفیث و مک ساونی، 1983) و جنوب رشته مرکزی تایوان بیش از mm/yr 20 است (هوانگ، 1994).

حوضه آبریز ایده‌آل را می‌توان به سه زون تقسیم‌بندی کرد: زون فرسایش یا تولید رسوب (سرچشمه‌های پرشیب و سریعاً فرسایش‌یابنده)، زون حمل (از طریق آن رسوب کمابیش بدون اتلاف یا افزایش جابجا می‌شوند) و زون ته‌نشینی (ساچوم، 1977) (شکل 2). کانال رودخانه‌ای در بازه حمل و نقل [transport reach] را می‌توان به عنوان نوار نقاله نگریست که محصولات فرسایشی را به سمت پایین دست به سایت‌های ته‌نشینی نهایی در زیر سطح دریا حمل می‌کند. در امتداد طول سیستم رودخانه‌ای اندازه رسوب نوعاً از شن، قلوه‌سنگ و تخته سنگ در بازه‌های بالادست‌تر پرشیب به شن و سیلت در بازه های پایین‌دست با گرادیان پایین تغییر می‌کند که این امر نشاندهنده تقلیل در اندازه در اثر هوازدگی و سایش و نیز جورشدگی اندازه‌ها در اثر جریان آب است.

 

 

انتقال رسوب از طریق حوضه آبریز و در امتداد طول سیستم رودخانه‌ای امری پیوسته است. افزایش فرسایش در بازه‌های بالایی حوضه آبریز ممکن است مایل‌ها در سمت پایین‌دست (و برای سال‌ها و دهه‌ها) بر محیط زیست رودخانه‌ای تاثیر بگذارد زیرا افزایش بار رسوب به سمت پایین دست از طریق شبکه رودخانه‌ای منتشر می‌شود. در ردوود کریک در پارک ملی رودوود، کالیفرنیا، بلندترین درخت‌های جهان در اثر فرسایش کناره‌ای ناشی از انباشتگی کانال (افزایش رسوب در کانال) در معرض تهدید قرار دارند. این امر در اثر قطع درختان در شیب‌های تند در بخش‌های بالایی حوضه آبریز ایجاد می‌شود (مادج و اوزاکی، 1996؛ جاندا، 1978).

در امتداد نوار نقاله کانال رودخانه‌ای، اشکال کانالی(مانند موانع شنی) ممکن است پایدار به نظر برسند اما دانه‌های تشکیل‌دهنده آن‌ها به صورت سالیانه یا دوسالانه با رسوبات جدید از بالادست جایگزین می‌شوند. مشابهاً رسوباتی که دشت سیلابی رودخانه را تشکیل می‌دهند (فلات دره مجاور کانال) نوعاً در مقیاس زمانی دهه‌ها یا سده‌ها سیار هستند.

دشت سیلابی به عنوان مخزن ذخیره رسوبات حمل شده در کانال عمل می‌کند،، به صورت متناوب رسوبات را با ته نشینی ذخیره می‌کند و از طریق فرسایش کناره‌ای آن‌ها را به کانال آزاد می‌کند. برای مثال در کناره‌های رودخانه کارمل، کالیفرنیا، سطوح مسطح (تراس‌ها) قرار دارند که از رودخانه بالا افتاده‌اند. پایین ترین تراس کانالی از شن و ماسه است که در سیلاب 1911 ته نشست شده است اما سطح مزبور اکنون 4 متر بالاتر از کانال پایین افتاده کنونی قرار دارد (کوندالف و کوری، 1986).

در سال 1960 این تراس با وجود مبدای جدید زمین و امکان تغییرات آینده در موقعیت کانال برای اسکان کم تراکم تقسیم‌بندی شد. کانال رودخانه‌ای و دشت سیلابی عارضه‌های دینامیک هستند که واحد هیدرولوژیکی و ژئومورفولوژیکی منفردی را تشکیل می‌دهند که با انتقال‌های متعدد آب و رسوب بین این دو مولفه مشخص می‌شود. کوتاهی در درک رابطه جدایی‌ناپذیر بین دشت سیلابی و کانال موجب بسیاری از مشکلات زیست‌محیطی در مدیریت رودخانه در دنیای امروز شده است.

 

استخراج ماسه در سیستم‌های رودخانه‌ای

شن و ماسه به عنوان مصالح ساختمانی برای جاده‌ها و بزرگراه‌ها (مواد بستر و آسفالت)، خطوط لوله (لایه‌گذاری)، سیستم‌های سپتیک (زهکشی سنگ در میدان‌های آبشویی)، و بتن (مخلوط سنگدانه) برای بزرگراه‌ها و ساختمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. در بسیاری از نواحی، سنگدانه عمدتاً از نهشته‌های آبرفتی، یا از گودال‌های حفر شده در دشت‌های سیلابی رودخانه‌ای و تراس‌ها یا از طریق معدنکاری درون کانالی (درون رودخانه‌ای) و برداشت شن و ماسه به صورت مستقیم از بستر رودخانه با تجهیزات سنگین تامین می‌شود.

 

 

شن و ماسه‌ای که در معرض حمل و نقل طولانی در آب بوده‌اند (مانند نهشته‌های کانالی فعال) به ویژه منابع سنگدانه‌ای مطلوبی به شمار می‌روند زیرا مواد ضعیف با فرسایش و سایش از بین رفته‌اند و شن‌های بادوام، گرد شده و جورشده را باقی گذاشته‌اند (بارکسدیل، 1991). بنابراین شن‌ها کمتر از منابع دیگر به فرآوری نیاز دارند و نهشته‌های مناسب کانالی عموماً در نزدیکی بازارهای این محصول یا در مسیرهای حمل و نقل قرار دارند که این امر موجب کاهش هزینه‌های حمل و نقل می‌شود (که بزرگترین میزان هزینه در این صنعت می‌باشد). همچنین شن‌های درون رودخانه‌ای نوعاً از کیفیت بالایی برخوردارند و به عنوان سنگدانه «درجه- PCC» طبقه بندی می‌شوند که برای استفاده در تولید بتن سیمان پرتلند مناسب هستند (بارکسدیل، 1991).

 

اثرهای استخراج شن و ماسه درون رودخانه‌ای

معدنکاری درون رودخانه‌ای مستقیماً هندسه کانال و ارتفاع بستر را تغییر می‌دهد و ممکن است مستلزم تمیزسازی گسترده، انحراف جریان، کپه کردن رسوب، و حفر گودال‌های عمیق باشند (ساندکی، 1989). معدنکاری درون‌رودخانه‌ای می‌تواند با حفر ترانشه یا گودال در بستر شن یا با روبرداری تپه شنی (یا scalping)، برداشتن تمامی مواد در تپه شنی بالای خط فرضی با شیب به سمت بالا از لبه آب تابستانی انجام شود.

در هر دو مورد، مورفولوژی قبلی کانال خراب می‌شود و کمبود موضعی رسوب رخ می‌دهد. البته ترانشه‌زنی موجب پیش بری (headcut) در انتهای بالادست خود نیز می‌شود. معدنکاری درون‌رودخانه‌ای علاوه بر تغییرات مستقیم محیط رودخانه‌ای ممکن است موجب بروز پایین افتادگی آبراه (channel incision)، درشت دانه شدن کف، و ناپایداری جانبی کانال شود (کوندالف، 1994).

 

پايين افتادگی آبراه و درشت دانه كردن كف

معدنکاری درون رودخانه‌ای شن با برداشت رسوب از کانال، توازن موجود بین تامین رسوب و ظرفیت حمل را به هم می‌زند و نوعاً سبب پایین‌افتادگی در بالادست و پایین دست سایت استخراجی می‌‌گردد. حفاری گودال‌ها در کانال فعال  پروفیل تعادلی بستر آبراهه را به هم می زند و شیب تندتری را در محل ورود به گودال ایجاد می‌نماید (شکل 9).

این نقطه شکست [nickpoint] بیش از اندازه پرشیب (با قدرت رودخانه‌ای افزایش یافته خود) عموماً بالادست را در فرآیند موسوم به موج‌فرسایش [headcutting] می‌فرساید. پایین افتادگی ناشی از معدنکاری ممکن است کیلومتر در رودخانه اصلی به سمت بالادست (اسکات، 1973، استیونز و دیگران، 1990) و تا سرشاخه‌ها (هاروی و شوم، 1987) گسترش یابد. گودال‌های شنی بخش اعظم رسوب بار بستر رسیده را به دام می‌اندازد و آب گرسنه را به پایین دست منتقل می‌کند که نوعاً برای به دست آوردن حداقل بخشی از بار رسوبی خود، بستر کانال و کناره رودخانه را می‌فرساید (شکل 9).

 

 

در نقشه توپوگرافی تفصیلی تهیه شده از تحلیل عکس‌های هوایی کاچ کریک [Cache Creek] کالیفرنیا نمونه روشنی از مهاجرت نقطه شکست در اثر معدنکاری دیده می‌شود. بستر رودخانه در فاصله حدود 1400 متری پایین دست پل کاپای [Capay Bridge] و تا مرز ملک معدن‌دار مورد معدنکاری قرار گرفته است و دیوار هدایت [headwall] به ارتفاع 4 متر در لبه بالادست گودال احداث شده است.

بعد از جریان‌های زمستانی سال 1992، نقطه شکست با عمق بیش از 3 متر از لبه بالادستی گودال به میزان 700 متر به سمت بالادست گسترش یافت (شکل 10). بعد از جریان‌های 1993، نقطه شکست 260 متر دیگر به سمت بالادست حفاری مهاجرت دارد (که نشان داده نشده است). در سیل 50 ساله 1995، نقطه شکست به زیر پل کاپای رسید که این امر تقریباً موجب خرابی این سازه گردید (مشاوران هیدرولیک نورث وست [Northwest Hydraulics Consultants]، 1995).

 

 

در رودخانه راشن در نزدیکی هیدلسبرگ، کالیفرنیا، معدنکاری درون‌رودخانه‌ای در دهه‌های 1950 و 1960 موجب فروافتادگی کانالی به میزان 3-6 متر در طول 11 کیلومتر از رودخانه گردید (شکل 11). اکنون کانال قبلاً عریض رودخانه راشن فروافتاده و مستقیم‌تر شده است و خاکریزها مانع مهاجرت بستر رودخانه شده‌اند و در نتیجه رودخانه نمی‌تواند تنوع مراحل متوالی پوشش گیاهی مرتبط با رودخانه مهاجرت‌کننده فعال را حفظ کند (فلورشیم و گودوین [Florsheim and Goodwin]، 1993).

تداوم استخراج ممکن است سبب شود تا بستر رودخانه به سنگ بستر یا زیرلایه‌های قدیمی‌تر زیر آبرفت اخیر برسد (شکل 12). درست به مانند زیر سدها، رودخانه‌های بستر شنی را می‌توان مسلح کرد و جلوی فروافتادگی بیشتر را گرفت (دیتریچ [Dietrich] و دیگران، 1989) که البته این امر محل تخم‌ریزی سالمونید [salmonid] را از بین می‌برد.

 

 

در بسیاری از رودخانه‌ها، معدنکاری شن در پایین‌دست سدها انجام شده است. در این ترکیب سد و معدنکاری موجب کمبود شدیدتر رسوب گردیده است. در پایین دست سد هنشاو [Henshaw Dam] بر روی رودخانه سن‌لویس‌ری [San Luis Rey River] پنج عملیات معدنکاری شن در 8 کیلومتری پل بزرگراه 395 حجم مجاز تقریباً 300 هزار متر مکعب در سال را برداشت کردند که 50 برابر بیشتر از بازده رسوب بار بستر بستر قبل از احداث سد است (کوندالف و لارسون، 1995) که سبب تشدید کمبود رسوب ساحلی شده است.

پایین افتادگی بستر رودخانه نوعاً سبب زهکشی (تخلیه) آبخوان آبرفتی به سطوح پایین‌تر و در نتیجه کاهش ذخیره آبخوان می‌گردد که این امر در امتداد رودخانه راشن مستند گردیده است (سونوما کونتی، 1992). دپارتمان برنامه‌ریزی لیک کونتی (کالیفرنیا) (لیک کونتی، 1992) برآورد کرد که پایین افتادگی ناشی از معدنکاری درون‌رودخانه‌ای در دره‌های کوچک رودخانه‌ای می‌تواند ذخیره آبخوان آبرفتی را از 1% تا 16% کاهش دهد که این امر به زمین‌شناسی محلی و هندسه آبخوان بستگی دارد.

 

 

زیرشویی سازه‌ها

اثرهای مستقیم فروافتادگی عبارتند از زیرشویی پایه پل و دیگر سازه‌ها و برونزدگی خطوط لوله مدفون عبوری و تاسیسات تامین آب. موج‌شویی بیش از 7 متر از پایین دست معدن شن درون‌رودخانه‌ای در رودخانه کائوپینگ [Kaoping River]، تایوان، پل کائوپینگ را تهدید می‌کند. در حال حاضر حاشیه جنوبی این پل با گابیون‌ها، جک‌های بتنی ساحلی بزرگ و پایه‌های طویل محافظت می‌شود (شکل 13).

 

 

در رودخانه سن لوئیس ری، معدنکاری درون‌رودخانه‌ای شن و ماسه هم تامین رسوب برای ساحل را کاهش داده است و هم فروافتادگی ناشی از معدنکاری موجب برون افتادگی داکت‌ها، خطوط لوله گاز و سایر تاسیسات مدفون در زیر بستر و نیز برون افتادگی پایه‌های پل بزرگراه اصلی شد (شرکت پارسونز برینکوف گور و سوتیر [Parsons Brinkeroff Gore & Storrie, Inc]، 1994).

پل بزرگراه 32 بر روی استونی کریک [Stony Creek]، کالیفرنیا، در نتیجه معدنکاری شدید شن و ماسه در پایین دست و بالادست آن دچار زیرشویی شده است (کوندالف و سوانسون، 1993). میزان تامین آب شهری در رودخانه‌های ماد (لهر [Lehre] و دیگران، 1993) و راشن (مارکوس، 1992) در کالیفرنیا آسیب دیده یا اثربخشی آن کمتر شده است. این امر به خاطر آن است که لایه شن پوشاننده به خاطر فروافتادگی کاهش یافته است.

 

ناپایداری آبراه

معدنکاری درون‌رودخانه‌ای می‌تواند از طریق اختلال در شکل آبراهه تعادلی موجود یا زیرشویی کناره‌ها در اثر فروافتادگی موجب ناپایداری آبراه شود. معدنکاری شن و ماسه در بلک‌وود کریک [Blackwood Creek]، کالیفرنیا سبب فروافتادگی و ناپایداری آبراه در بالادست و پایین دست شده و میزان رسوب تولید شده آبراه را به میزان چهار برابر افزایش داده است (تاد، 1989). با مهاجرت نقطه شکست به سمت بالادست، فروافتادگی و زیرشویی کناره موجب ایجاد رسوبات اضافی برای بازه‌های بالادست می‌شود.

این امر موجب انباشت رسوبات در بخش‌‌های مربوطه آبراهه و در نتیجه ناپایدار شدن آن می گردد (سیر و آرچر، 1995). پایین‌افتادگی در رودخانه اصلی راشن به سمت بالا تا شاخه درای کریک آن گسترش یافته و موجب زیرشویی کناره‌ها و عریض‌شدن (از 10 تا 400 متر در بعضی نقاط) و ناپایداری کانال و افزایش تحویل شن و ماسه به رودخانه اصلی راشن شده است (هاروی و شوم، 1987).

تاثیر پنهان‌تر ولی به صورت بالقوه مهم، افزایش تحرک بستر شنی است. این امر در صورتی است که سنگفرش (لایه سطح دانه‌درشت فعال) (پارکر و کلینگمن، 1982) در اثر معدنکاری به هم خورده شود. مشابهاً برداشتن تپه‌های شنی با معدنکاری بالادست می‌تواند کنترل هیدرولیکی را برای بالادست بازه حذف کند، موجب زدوده شدن ریفل‌های بالادست و شستن جنین‌های سالمون می‌شود (پائولی و دیگران، 1989).

 

اثرهای ثانویه معدنکاری درون‌رودخانه‌ای

اثرهای ثانویه معدنکاری درون‌رودخانه‌ای از جمله عبارت است از کاهش بار واریزه‌های چوبی دانه‌درشت در کانال که به عنوان پوشش ماهی عمل می‌کند (بیسون و دیگران، 1987). استخراج (حتی برداشتن تپه با نرخ استخراج پایین) نوعاً منجر به وسیع‌تر و کم‌عمق‌تر شدن بستر آبراهه و در نتیجه افزایش دمای آب، اصلاح توزیع ریفل-حوضچه، تغییر مسیرهای جریان بین‌شنی و در نتیجه تخریب زیستگاه سالمونیدها می‌شود.

 

مجزا کردن اثرهای معدنکاری درون‌رودخانه‌ای از اثرهای دیگر

در بسیاری از رودخانه‌ها، چندین عامل که به صورت بالقوه موجب فروافتادگی کانال می‌شود ممکن است به صورت همزمان عمل کنند مانند به دام افتادن رسوبات توسط سدها، کاهش مهاجرت کانالی در اثر حفاظت کناره، کاهش سیلاب فراتر از کناره از خاکریزها، و معدنکاری درون‌رودخانه‌ای. البته در بسیاری از رودخانه‌ها نرخ استخراج مصالح چند مرتبه بیشتر از نرخ تامین رسوب از حوضه آبریز است و این امر شاهدی قوی دال بر نقش معدنکاری در تغییر کانالی است.

در استونی‌کریک، فروافتادگی ایجاد شده از مخزن بلک بوت [Black Butte Reservoir] را می‌توان با الگوهای فضایی و زمانی متمایز فروافتادگی به خوبی از اثرهای استخراج درون‌رودخانه‌ای در پل بزرگراه 32 متمایز کرد. فروافتادگی ناشی از سدسازی با فاصله زمانی اندکی بعد از ساخت آن در سال 1963 در پایین دست نمایان شد. در مقابل، معدنکاری درون‌رودخانه‌ای بعد از تشدید معدنکاری شن و ماسه در دهه 1970 (با نرخ فراتر از تامین رسوب پیش از ساخت سد به میزان 600-200% و فراتر از تامین رسوب پس از ساخت سد به میزان 3000-1000%) موجب ایجاد فروافتادگی تا 7 متری مرکز بازه معدنکاری در نزدیکی پل بزرگراه 32 گردید (کوندالف و سوانسون، 1993) (شکل 14).

 

 

مدیریت معدنکاری شن و ماسه درون‌رودخانه‌ای

معدنکاری درون‌رودخانه‌ای از دیرباز در بریتانیا، آلمان، فرانسه، هلند و سوئیس ممنوع شده است و در ایتالیا، پرتغال، و نیوزیلند در رودخانه‌هایی که تاثیر این معدنکاری در آن‌ها آشکار شده یا ممنوع شده یا کاهش یافته است. در ایالات متحده و کانادا، معدنکاری درون‌رودخانه‌ای، با وجود مخالفت فزاینده عمومی و اذعان سازمان‌های قانون‌گذار به اثرهای زیست‌محیطی آن، همچنان در بسیاری از رودخانه‌ها ادامه دارد. معادن درون‌رودخانه‌ای همچنان به صورت غیرقانونی در بسیاری از نقاط برای مثال در کشورهای ایالات متحده (لس آنجلس تایمز، 1992) و تایوان فعالیت دارند.

استراتژی‌های مورد استفاده برای مدیریت معدنکاری درون‌رودخانه‌ای گستره وسیعی را در بر می‌گیرند و در بسیاری از کشورها مدیریت موثری وجود ندارد. یک استراتژی عبارت است از تعریف خط قرمز، حداقل ارتفاع برای تالوگ (عمیقترین نقطه در کانال در عرض مقطع) در امتداد رودخانه و اجازه معدنکاری تا حد این خط (به صورتی که با پیمایش‌های سالیانه توپوگرافی رودخانه مشخص می‌شود). رویکرد خط قرمز به مسئله‌ معمول برای بسیاری از اجازه‌ها در کالیفرنیا می‌پردازد.

در این اجازه‌ها مشخص شده است که استخراج «به اندازه x فوت زیر بستر کانال مجاز است» یا تنها تا تالوگ مجاز است بدون آن که این حدود را بر حسب ارتفاع واقعی بالای دیتوم دائمی بیان کند. بنابراین با فروافتادگی آبراه، حدود استخراجی به صورت قائم به سمت پایین مهاجرت کرده‌اند.

 

رویکرد دیگر برآورد تامین رسوب بار بستر سالیانه از بالادست (نرخ جبران) و محدود کردن استخراج سالیانه تا آن مقدار یا کسری از آن است که «بار سالم [safe yield]» در نظر گرفته می‌شود. رویکرد نرخ جبران این مزیت را دارد که استخراج را به صورت کلی به بار رودخانه منوط می‌کند اما انتقال بار بستر از سالی به سال دیگر متغیر است. بنابراین رویکرد مزبور زمانی بهتر خواهد بود که نرخ ‌های استخراج مجاز بر مبنای نهشته جدید آن سال باشد نه بر مبنای میانگین بلندمدت تولید‌ بار بستر.

البته این مفهوم که استخراج با نرخ جبران می‌تواند بدون اثر گذاشتن بر آبراه انجام شود پیوستگی حمل رسوب در سراسر سیستم رودخانه‌‌ای را نادیده می‌گیرد. برد معدنی برابر است با منبع رسوب «بالادستی» برای بازه‌های پایین‌دستی. در نتیجه می‌توان انتظار داشت که معدنکاری در نرخ جبران شرایط آب گرسنه را در پایین دست ایجاد کند. مدیران زیستگاه در ایالت واشنگتن در صدد هستند تا استخراج را تا 50% نرخ حمل به عنوان برآورد مقدماتی از بار سالم محدود کنند تا اثرهای استخراج را بر زیستگاه تخم ریزی سالمون به حداقل برسانند (بیتس، 1987).  

 

رویکردهای کنونی برای مدیریت معدنکاری درون‌رودخانه‌ای بر مبنای مطالعات تجربی قرار دارند. هر چند رویکرد نظری برای پیش‌بینی اثرهای سطوح مختلف معدنکاری شن در رودخانه‌ها امری مطلوب است اما پیچیدگی ذاتی حمل رسوب و تغییر آبراه پیش‌بینی‌های خاص را در حال حاضر ناممکن می‌سازد.

مدل‌های حمل رسوب می‌توانند نشانه‌ای از فروافتادگی بالقوه آبراه و انباشتگی را به دست دهند اما تمامی این مدل‌ها ساده‌سازی‌هایی از واقعیت پیچیده هستند و سودمندی مدل‌های موجود با فرمولبندی نامطمئن منحنی‌های نرخ رسوب، تغییرات در ناهمواری هیدرولیکی و درک نامناسب از مکانیک درشت شدگی بار و فرسایش کناره محدود می‌شود (NRC، 1983). در سال 1995، دپارتمان حمل و نقل ایالات متحده اطلاعیه‌ای را برای سازمان‌های حمل و نقل ایالتی صادر کرد و خاطرنشان نمود که بودجه‌های فدرال دیگر برای تعمیر خسارت پل‌ها که در اثر برداشت مصالح رودخانه‌ای باشد فراهم نیست. این حرکت شاید انگیزه بیشتری برای اجرای سختگیرانه مقررات حاکم بر برداشت مصالح رودخانه‌ای توسط ایالت‌ها فراهم سازد.

 

معدنکاری چاله‌ای دشت سیلابی [Floodplain pit mining]

معدنکاری چاله‌ای دشت سیلابی زمین جنگلی یا کشاورزی رودکناری را به چاله‌های باز تبدیل می‌کند که نوعاً حداقل به صورت فصلی سطح ایستابی را قطع می‌کنند (شکل 15). معدنکاری چاله‌ای دشت سیلابی به صورت موثری نواحی بزرگ دشت سیلابی را به حوضچه‌های آب روباز تبدیل می‌کند که سطح آب آن‌ها معمولاً همسطح رودخانه اصلی است و عموماً با نوار باریکی از زمین معدنکاری‌نشده از کانال فعال جدا می‌شود.

چون گودال‌‌ها در پیوستگی هیدرولوژیکی نزدیکی با سطح ایستابی آبرفتی قرار دارند، نگرانی‌هایی غالباً مطرح می‌شود مبنی بر این که گودال‌ها ممکن است به آلودگی آبخوان آبرفتی منجر شوند. بسیاری از گودال‌های موجود دارای سطوح پرشیبی هستند (تا بار شن را در واحد سطح به حداکثر برسانند) و سکونتگاه مرطوب نسبتاً محدودی را فراهم می‌کنند اما در صورت بهبود طراحی گودال (برای مثال کناره‌های با شیب ملایم، خطوط کناره‌ای نامنظم)، امکان بهتری برای زیست حیات وحش در صورت بازسازی گودال فراهم می‌باشد (آندروز و کینسمن، 1990؛ گیلز، 1992).

 

 

در بسیاری از موارد، گودال‌های دشت سیلابی در جریان سیلاب آبراه یا کانال را تصرف می‌کنند و در عمل معادن سابقاً خارج از کانال را به معادن درون کانالی تبدیل می‌نمایند. تصرف گودال [pit capture] زمانی رخ می‌دهد که نوار زمین جدا کننده گودال از کانال با فرسایش جانبی کانال یا از طریق سرریز کردن سیلابها خراب شود. در حالت کلی، تصرف گودال بیشتر زمانی رخ می‌دهد که جریان یافتن از گودال مسیر کوتاهتری را نسبت به کانال فعال کنونی در اختیار رودخانه قرار دهد.

هنگامی که تصرف گودال رخ می‌دهد گودال سابقاً برون کانالی به گودال درون کانالی بدل می‌شود و می‌توان انتظار داشت اثرهای معدنکاری درون آبراهه‌ای (که مهمترین آن انتشار برون افتادگی بالادست و پایین دست گودال است) رخ بدهد. تصرف گودال بوسیله گودال برون کانالی در مخروطه افکنه توجونا واش در نزدیکی لس آنجلس نقطه شکستی را ایجاد کرد که به سمت بالادست مهاجرت نمود و موجب زیرشویی پل‌های بزرگراه گردید (اسکات، 1973). رودخانه یاکیما، واشنگتن، به وسیله دو گودال دشت سیلابی در سال 1971 تصرف گردید. این امر سبب شروع آبشویی بزرگراهی گردید که در اصل حفر گودال‌ها برای آن انجام شده بود (دون و لئوپولد، 1978).

 

جریان‌های بالا در رودخانه کلاکاماس، اورگون، در سال 1996 منجر به تصرف گودال خارج از کانالی و پایین افتادگی 2 متری در طول حدود یک کیلومتر به سمت بالادست (شکل 16) و زیرشویی ساختمان در محل معدن شن گردید (شکل 17).

گودال‌های بیرون کانالی به صورت موفقیت آمیز به عنوان زیستگاه تخم ریزی و مراقبت از سالمون و قزل آلا در آیداهو (ریچاردز و دیگران، 1992) و در المپیک پنسیلوانیای واشنگتن (پاتری و سامئولسون، 1993) به کار رفته‌اند.

البته در اقلیم‌های گرمتر این گودال‌های بیرون کانالی در تابستان گرم می‌شوند و زیستگاهی را برای ماهی آب گرم فراهم می‌کنند که از سالمونیدهای جوانتر تغذیه می‌نمایند. این گودال‌ها در هنگام سیلاب به عنوان منبع ماهی آب گرم برای آبراه عمل می‌کنند و سالمون‌های جوان می‌توانند در گودال‌ها سکونت کنند. رودخانه مرسید، کالیفرنیا، از میان حداقل 15 گودال شن عبور می‌کند که هفت تای آن‌ها در آبراه فعال حفر شده‌اند و هشت تای دیگر در دشت سیلابی حفر شده‌اند که بعداً به تصرف آبراه درآمده‌اند (ویک، 1995).

سالمون جوان که به سمت اقیانوس مهاجرت می‌کنند در آب ساکن این گودال‌ها گم و طعمه ماهیان خاردار بزرگ دهان و کوچک دهان (Micropterus salmoides and M. dolomieui) می‌شوند. در رودخانه تولومی در مجاورت آن، مطالعه 1987 توسط دپارتمان ماهیگیری و سرگرمی برآورد نشان می‌دهد که سالمون جوان چینوک که به سمت اقیانوس مهاجرت می‌کنند به خاطر شکار (عمدتاً در گودالهای برداشت شن) در سه روز لازم برای عبور از بازه 80 کیلومتری از سد لاگرانژ تا رودخانه سن جاکوین متحمل تلفات 70 درصدی می‌شوند (EA‌، 1992). برای کاهش مشکل شکار، بودجه‌ای برای تعمیر خاکریزهای خراب شده در یک گودال شن در رودخانه مرسید با هزینه 361000 دلار آمریکا تخصیص یافت (کوندالف و دیگران، 1996a). پر کردن دو گودال در رودخانه تولومی با هزینه 3/5 میلیون دلار پیشنهاد گردید (مک‌بین و تروش، 1996).

 

تامین مواد قرضه، کیفیت و استفاده‌های آن

مواد قرضه را می‌توان از گستره وسیعی از منابع (صرفنظر از نهشته‌های آبرفتی) به دست آورد، مانند معادن تراس خشک، معادن سنگ (که سنگ‌ها در آن باید خرد شوند، شسته شوند و جور شوند)، باطله‌های دستگاه لایروبی، دلتاهای مخزن، و بازیابی قلوه سنگ بتن.

این منابع جایگزین معمولاً به فرآوری بیشتری نیاز دارند و اغلب فاصله حمل و نقل آن‌ها زیاد است. هر چند هزینه‌های تولیدی این منابع جایگزین معمولاً بالاتر است، اما این منابع جایگزین از بسیاری از پیامدهای استخراج رودکناری اجتناب می‌کنند و ممکن است مزیت‌های دیگری را فراهم کنند مانند بازیابی بخشی ظرفیت مخزن که در اثر رسوبگذاری از بین رفته است و فراهم کردن فرصت‌هایی برای بازیابی اکولوژیکی باطله‌های عقیم دستگاه لایروبی. در کالیفرنیا، بیشتر شن و ماسه تولید شده تاکنون از عیار PCC بوده‌اند که از نهشته‌های درون آبراهه‌ای یا نهشته‌های کانالی اخیر در دشت‌های سیلابی به دست آمده‌اند.

در گذشته تصور می‌شد که این نهشته‌ها به صورت نامحدودی وجود دارند و این سنگدانه‌های با عیار بالا در کاربردهایی (مانند  زیرلایه جاده) مصرف می‌شدند که برای آن‌ها سنگدانه‌های فراوان‌تر (مانند سنگ خرد شده از معادن سنگ زمین‌های مرتفع) نیز قابل قبول بودند. با توجه به این که تقاضا برای شن و ماسه به مراتب از تامین آن‌ها از حوضه‌های آبریز فراتر می‌رود، سیاست عمومی بر این است که منابع سنگدانه‌ای با ارزش برای پرارزش‌ترین کارها مورد استفاده قرار گیرند.

شن‌های درون آبراهه‌ای با عیار PCC تا حد امکان باید در کاربردهایی استفاده شوند که به سنگدانه با کیفیت بالا نیاز دارند. معادن سنگ زمین‌های مرتفع و منابع گودال تراسی سنگدانه با عیار پایین‌تر باید شناسایی شوند و منابع جایگزین مانند باطله‌های دستگاه لایروبی طلا یا تجمعات مخزن (سد) باید ارزیابی شوند. در صورت امکان، قلوه سنگ بتن باید بازیابی شود تا سنگدانه لازم برای کاربردهای مختلف فراهم گردد.

 

رسوبات مخزن (سد) منبع عمدتاً بهره‌برداری نشده مواد ساختمانی در ایالات متحده را تشکیل می‌دهند. در حالت کلی، نهشته‌های مخزن سدها منابع جذاب سنگدانه‌ای را تشکیل می‌دهند تا حدی که از نظر اندازه نیز جوربندی شده‌اند. الگوی ته‌نشست در مخزن به اندازه مخزن و پیکره‌بندی و مرحله مخزن در هنگام سیلاب‌ها بستگی دارد.

سدهای انحرافی کوچک دارای کارآمدی تله‌اندازی پایینی برای رسوبات معلق هستند و عمدتاً شن و ماسه را به دام می‌اندازند اما مخازن بزرگتر عمدتاً ماسه دانه‌ریزتر، سیلت و رس (نهشته‌شده از تعلیق) را در سراسر مخزن به دام می‌اندازند و رسوبات دانه‌درشت‌تر نوعاً در دلتاهایی در انتهای بالادستی مخزن متمرکز می‌شوند. این نهشته‌های دانه‌درشت در صورتی گسترش می‌یابند که هنگام ورود آب انباشته از رسوب، مخزن به تراز پایین آورده شود.

در بسیاری از مخازن، شن و ماسه در انتهای بالادستی و سیلت و رس در انتهای پایین‌دستی جمع می‌شوند و زون آمیخته‌ای از رسوبات درهم لایه‌بندی‌شده‌ای از رسوبات دانه‌ریز و دانه‌درشت در میانه تجمع می‌یابند. شن و ماسه به صورت تجاری از برخی از حوضه‌های واریزه‌ای در حوضه لس آنجلس و از مخزن رولینز در رودخانه بیر در کالیفرنیا استخراج می‌شوند. در تایوان، بیشتر رسوبات مخزن از نوع ریزدانه هستند (به خاطر قطر سنگ‌های منبع)، اما در جایی که رسوبات دانه‌درشت‌تر نهشته می‌شوند، نوعاً برای سنگدانه‌های ساختمانی استخراج می‌گردند (جی. اس. هوانگ، دفتر حفاظت استانی آب تایوا، شهر تایچونگ، مکاتبه شخصی، 1996).

 

در اسرائیل، مخزن شیکما با دو کیلومتر طول در 600 متری بالادست آن برای تولید شن و ماسه برای سنگدانه ساختمانی استخراج می‌شود و در یک کیلومتر پایین‌تر آن برای تولید رس برای استفاده در سیمان، آجر، درزبندهای رسی برای استخرهای فاضلاب و سفالسازی استخراج می‌گردد (لارونی، 1995؛ تایگ، 1996).

زون رسوبات آمیخته در بخش میانی مقطع مخزن استخراج نشده باقی می‌ماند و گیاهکاری می‌شود و تنها امکان می‌دهد تا بار شستشوی ریزدانه به سمت پایین دست در مخزن پایین‌تر عبور کند و ته‌نشست دائمی شن و ماسه در بخش بالادستی مخزن و ته‌نشست سیلت و رس را در بخش پایین‌دستی تضمین نماید.

استخراج این مواد سبب می‌شود تا بخشی از ظرفیت مخزن که در اثر رسوبگذاری از دست رفته است بازیابی شود. مشابهاً در ناهال بسور، اسرائیل، مخزن بیرون کانالی پایینی رهووت عمداً برای استخراج شن ایجاد گردید تا ذخیره مخزن لازم فراهم شود. آب از طریق سرریز در جریان‌های بالا، به صورت کنترل‌شده توسط بند در عرض کانال به مخزن هدایت می‌شود (کوهن، 1996).

 

استخراج رسوبات مخزن تا حدی اتلاف ظرفیت مخزن در اثر رسوبگذاری را جبران می‌کند. به خاطر هزینه‌های بالا و مشکلات عملیاتی ساخت مخزن ذخیره جایگزین و یا برداشت مکانیکی رسوب، بازیابی ظرفیت مخزن ممکن است به عنوان یکی از مزیایای عمده استخراج شن و ماسه و رس‌های صنعتی از مخازن محسوب شود.

اگر این مزایا شناخته شوند، استخراج نهشته‌های مخزن در آینده جذابیت اقتصادی بیشتری خواهند داشت به ویژه اگر هزینه‌های زیست‌محیطی برداشت مصالح رودخانه‌ای و دشت سیلابی بهتر شناخته شود و در قیمت این مصالح لحاظ گردد. در ایالات متحده، ساخت مخازن اغلب با منافع مورد انتظار تفریحی توجیه می‌شود و بنابراین حاشیه‌های مخزن عموماً به عنوان نواحی تفریحی در نظر گرفته می‌شود که تعارض بالقوه‌‌ای با کاربرد صنعتی از قبیل برداشت شن و ماسه دارد. همچنین زمین‌های مرطوب ممکن است در نهشته‌های دلتای مخزن تشکیل شوند که تعارض بالقوه‌ای با مقررات حفاظت از زمین‌های مرطوب دارند.

 

نتیجه‌گیری

مدیریت جامع شن و ماسه در سیستم‌های رودخانه‌ای باید بر مبنای شناخت جریان طبیعی رسوب از میان شبکه زهکشی و ماهیت عواقب اختلال در پیوستگی رسوبگذاری (برای منابع اکولوژیکی و سازه‌های زیربنایی) باشد. بودجه رسوب باید برای شرایط حال و تاریخی و به عنوان مبنایی برای سنجش این عواقب (که بیشتر آن‌ها ماهیت تجمعی دارند) تعیین شود.

هزینه پیامدهای مرتبط با رسوب در پروژه‌های پیشنهادی و موجود توسعه آبی و برداشت مصالح باید به صورت واقع‌بینانه‌ای ارزیابی و در سنجش‌های اقتصادی این پروژه‌ها لحاظ شود. هزینه‌های واقعی پیامدهایی نظیر زیرشویی پل، از دست رفتن شن‌های تخم‌ریزی، و از دست رفتن ماسه ساحلی در حال حاضر شناخته شده‌اند و به جای آن‌که توسط ایجادکنندگان این پیامدها تحمل شوند توسط بخش‌های دیگر جامعه تحمل می‌شوند. مفهوم حقوق رسوبی (مشابه با حقوق آب) باید به عنوان چارچوبی برای ارزیابی عملیات‌های مخزن و برداشت سنگدانه برای این پیامدها بررسی شود. برای تقلید جریان طبیعی رسوب از میان سیستم رودخانه باید عبور دادن رسوب [pass-through] در مخزن (در صورت امکان) انجام شود.

 

دانلود مقاله اصلی تحت عنوان Hungry Water: Effects of Dams and Gravel Mining