Fundamentals of Geoenvironmental Engineering

پیشگفتار کتاب مبانی ژئوتکنیک زیست محیطی

ربع پایانی قرن بیستم و آغاز قرن بیست و یکم شاهد تغییرات کمی و کیفی در محدوده و مقیاس فعالیت های انسانی و اثرات آن بر محیط پیرامون بوده است. جمعیت های انسانی همواره محیط اطراف خود را تغییر داده اند و کاهش یافتن گستره جنگل ها و تبدیل آنها به زمین های کشاورزی این باور را در افراد به وجود آورده که زمین های طبیعی نامحدود است و بشر در ایجاد تغییر در آن برای مقاصد خود آزاد است. راه حل های مهندسی و پیشرفت های فناورانه به عنوان پیروزی برای روح بشری تلقی شده است که امکان پیشرفت شرایط زندگی، مهیا کردن آب سالم، دفع زباله به شکل بهداشتی و بنابراین کاهش ریسک بیماری های واگیردار و مرگبار در خانواده و تبدیل محل های طبیعی به فضاهای مناسب زندگی بشر را برای جوامع کوچک فراهم آورده است.

پیش از این شرایط، جمعیت کوچکی در سراسر جهان وجود داشت که در طول قرن نوزدهم به 1 میلیارد نفر رسیده بود. شهر هایی مثل واشنگتن جمعیتی کمتر از 75000 نفر و کشورهایی مثل ایالات متحده، تا پیش از جنگ داخلی، جمعیتی حدود 31 میلیون نفر، کمتر از یک دهم جمعیت فعلی، داشت. بنابراین اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم با پروژه های مهندسی زیرساختی بزرگی مثل مخازن سدها برای فراهم کردن آب سالم و برق برای جمعیت های شهری، ساخت سیستم های فاضلاب برای در امان نگه داشتن منابع آب زیرزمینی از زباله های مایع و زهکشی تالاب ها، ریشه کن کردن بیماری ها و فراهم کردن زمین های کشاورزی و مواردی از این دست شناخته می شود.

دو برابر شدن جمعیت جهان در دهه 1930 و افزایش آن به 3 میلیارد در دهه 1960، نتیجه پیشرفت های گسترده در شرایط بهداشتی و انقلاب در زمینه های پزشکی، کشاورزی و فناوری است. ممکن است درک این مسئله دشوار باشد که در سه نسل پیش از این وجود لوازم خانگی معمول مثل یخچال، اجاق گاز و ماشین های لباسشویی و خشک کننده آن تنها در تعداد کمی از خانه ها وجود داشت و همچنین برق رسانی به مناطق حومه شهرها از اولویت های اصلی سیاست های فرانکلین روزولت بوده است.

به همراه انقلاب کشاورزی استفاده از کودها و آفت کش ها شروع به آلوده کردن هوا، آب و خاک کرد. توسعه تولید و فعالیت های شیمیایی، تولیدات بشری را وارد محیط زیست کرد که با توجه به خاصیت و کمیت این مواد، با پراکنده شدن در هوا و آب از مقدار و تمرکز آن ها کاسته نمی شود و همچنین در خاک باقی می مانند و پس از سالیان زیاد از بین می روند. در این وضعیت و در اوایل دهه 1970، اثرات بیشتر مسائل زیست محیطی به شکل محلی ظاهر شد. در پاسخ به افزایش آگاهی و ارائه راه حل به این مشکلات جدید، بسیاری از پروژه های مهندسی عمران و مهندسی شیمی در طول آن دهه، حداقل در ایالات متحده، ملزم به اضافه کردن بخش زیست محیطی به نام برنامه مطالعاتی خود شدند.

از آن زمان، مقیاس فعالیت های انسانی و نرخ تغییرات و تبدیلات محیط زیست از مقیاس محلی به منطقه ای افزایش یافته و حتی به مقیاس جهانی رسیده است. کشورهای در حال توسعه ابر پروژه ها و آزمایشاتی انجام می دهند که شدیدا چشم اندازها را تغییر می دهند و نه تنها بر آن اثر دارند بلکه به طور غیر قابل بازگشتی عملکرد محیط زیست و بوم سازگان (اکوسیستم) را تغییر می دهد. آیروسل های صنعتی که در کشور هایی مثل چین یا هند منتشر می شوند، امکان تاثیر بر کیفیت هوا و تغییر الگوی بارش منطقه ای در کشور های حوزه خلیج فارس را فراهم می کند. پلاستیک دور ریختنی و هوازده شده در اثر انتقال آن در زمین و دریا یا انباشتگی آن توسط هوا، محل تجمع زباله بزرگی را در اقیانوس آرام و اطلس شمالی و دریای مدیترانه تشکیل داده است و میکروپلاستیک ها در آب و رسوبات در هزاران متر زیر سطح آب یافت می شوند. در همین زمان، فناوری نانو، مواد جدیدی ایجاد کرده است که بسیاری از آنها کاربردهایی را در تولیدات رایج از جمله نانو داروها، لوازم خانگی و محصولات صنعتی و آفت کش های نسل جدید، داشته است. مواد ساخته شده توسط فناوری نانو در کنار امکاناتی که فراهم می کند، می تواند از ممبران های سلولی عبور کند، بر جوانه زدن و رشد دانه ها تاثیر بگذارد، در هوا معلق باقی بماند و به فواصل دور منتقل شود، از منافذ کوچک موجود در خاک عبور کند و مواد آلاینده را حمل کند و برای بوم سازگان، خطرات سلامتی و زیست محیطی جدی به همراه داشته باشد. دورریزهای الکترونیکی و دارویی به عناوین اصلی کنفرانس های مدیریت پسماند تبدیل شده اند ولی در 15 تا 20 سال گذشته در بحث های علمی بررسی نشده اند.

در همین زمان، پیچیدگی مشکلات زیست محیطی، جدا از میزان آنها، به شدت افزایش یافته است که نیازمند توجه نه تنها به یک عامل بلکه عوامل چندگانه فیزیکی، شیمیایی و زیستی و ارتباط میان آنها است. تغییرات آب و هوایی ممکن است اساسی ترین مشکل زیست محیطی زمان حاضر باشد که پیچیدگی و گستردگی اثرات فعالیت های بشری را در مقیاس جهانی نشان می دهد. تشخیص میزان اثر این فعالیت ها بر محیط زیست بسیاری از جوامع حرفه ای مثل انجمن مهندسان عمران آمریکا (ASCE) و انجمن معماران آمریکا (AIA) را بر آن داشته است که در آیین نامه های حرفه ای خود بخش محیط زیستی قرار دهند و اعضای حرفه ای خود را ملزم به رعایت و بهبود شرایط زیست محیطی کنند.

هدف کتاب مبانی ژئوتکنیک زیست محیطی پر کردن شکاف میان دانش و مهندسی و همچنین ارائه دانش علمی و آخرین اطلاعات از زمینه هایی مثل هیدرولوژی، فیزیک خاک، مهندسی ژئوتکنیک، شیمی خاک، زمین شناسی، ژئوفیزیک و پیشینه ریاضیاتی، فیزیکی و شیمیایی مربوط به دانشجویان تحصیلات تکمیلی است. امید بر این است که بر خلاف کمبودهای موجود، مخاطب کتاب مبانی ژئوتکنیک زیست محیطی را مفید بداند و فهمی گسترده تر از عناوین ذکر شده در آن به دست آورد.

کتاب مبانی ژئوتکنیک زیست محیطی به این شکل سازمان دهی شده است:

فصل 1 مروری کلی از چالش های عمده زیست محیطی زمان حاضر ارائه می دهد که شامل آلودگی اقیانوس ها و رودهای بزرگ، پسماندهای شیمیایی و خطرناک در محیط زیست، آلودگی هوا و مسائلی مثل فرسایش، جنگل زدایی، بیابان زدایی و کمبود آب در بخش هایی از جهان می شود. گرمایش جهانی و تغییرات آب و هوایی، همچنین باران های اسیدی و صدمه به لایه اوزون که مسائل با مقیاس بزرگ و در سطح جهانی ایجاد می کند در این فصل بحث شده است. این فصل از کتاب مبانی ژئوتکنیک زیست محیطی، منابع و مشروح نکات اصلی موافقت نامه های (کنوانسیون های) بین المللی مربوط به مسائل زیست محیطی و همین طور اعلامیه های زیست محیطی سازمان ملل و دیگر جوامع جهانی را در بر دارد.

فصل 2 فعالیت ها و منابع اصلی اقتصادی و پسماندهای گوناگونی که ایجاد می کنند و وارد محیط زیست می شود را ارائه می دهد که شامل پسماندهای شهری، کشاورزی، معدنی، تصفیه نفت، آبکاری، ذوب شدن فلزات و پسماندهای حاصل از محصولات فلزی و همچنین پسماندهای مایع، گازی و جامد از صنایع سیمان، رنگ و کاغذ می شود. چند مورد مطالعاتی از کشورهای گوناگون برای نشان دادن اثر هر کدام از پسماندها بر محیط زیست ارائه شده است.

فصل 3 مسائل مربوط به مدیریت پسماند با منابعی از آیین نامه های ایالات متحده، کانادا و اروپا بررسی شده است. طبقه بندی پسماندهای خطرناک، استانداردهای پیش از انجام عملیات، انتقال و دفع به همراه طراحی، بسته شدن و نظارت بر ویژگی های محل دفن زباله های خطرناک بر اساس توصیه های سازمان حفظ و بازیابی منابع ایالات متحده (RCRA)، سازمان حفظ محیط زیست کانادا (CEPA) و بخشنامه های اتحادیه اروپا در مورد پسماند و محل های دفن زباله، ارائه شده است. در نهایت، چند راهنمایی برای محل های دفن زباله در نواحی خشک ارائه شده است.

فصل های 4 تا 7 با خاک، آب و مواد شیمیایی در محیط زیر سطحی و اندرکنش آنها با یکدیگر سروکار دارد. فصل 4 در مورد فازهای گاز، مایع و جامد خاک، ترکیبات معدنی و تبدیلات آنها و سپس بخش های ساختاری و ویژگی های گونه های مختلف رس بحث می کند. بخش بزرگی به برخی از مواد معدنی و اکسید آنها اختصاص داده شده است چرا که خصوصیات مغناطیسی و الکتریکی آن ها می تواند یون ها را جذب یا دفع کند. این فصل از کتاب مبانی ژئوتکنیک زیست محیطی با ارائه مطالبی زمینه ای در مورد شیمی آب نتیجه گیری می کند و پایان می یابد.

فصل 5 قوانین ریاضی مربوط به جریان آب در خاک را ارائه می دهد. رابطه میان اضافه برداشت از آب زیرزمینی و نشست زمین همچنین نفوذ آب شور در مناطق ساحلی مورد بحث قرار گرفته است. جریان در سنگ های ترک خورده و در سدهای خاکی و برخی از راه حل های اساسی از هیدرولیک مناسب مربوط به چاه همچنین برای آبگیری ساختمان ارائه شده است.

فصل 6 نیروهای مولکولی حاکم بر فرآیندهای جذب در سیستم خاک – آب، انواع چسبندگی ایجاد شده و نظریه های گوناگون اندرکنش انرژی میان یون ها یا مولکول ها و صفحات کوچک رس را توضیح می دهد. این فصل با اجزایی از نظریه پتانسیل ادامه می یابد و فشار مویینگی، خصوصیات منحنی خاک – رطوبت و برخی روابط پایه ای مربوط به جریان آب در خاک غیر اشباع به دلیل گرادیان گرما را بررسی می کند.

فصل 7 جزئیات اندرکنش میان اجزای خاک و ماده شیمیایی وارد شده به خاک را ارائه می دهد. این فصل با روش های اندازه گیری میزان محدوده حل شونده به وسیله ماتریس سطحی و با توضیح اصطلاحات گوناگون همدما آغاز می شود. نظریه های اندازه گیری عوارض الکتریکی بر روی سطوح رس، با لایه سخت و پراکنده شده با هم به همراه محاسبات آن ارائه شده است. متعاقب آن، سینتیک جذب، جذب کاتیون فلز و اندرکنش مواد آلاینده و خاک نیز بررسی شده است.

فصل های 8 تا 10 مسیر عبور آلاینده ها در محیط های گوناگون و سرنوشت آنها، قوانین فیزیکی و ریاضیاتی حاکم بر انتقال آنها در محیط زیر سطحی و برخی از آلاینده های نوظهور مثل مواد نانو را ارائه می دهد.

فصل 8 در مورد مسیرهای عبور آلاینده های مختلف از جمله آیروسل های اتمسفری و اثرات آن ها، نگهداری، در دسترس بودن زیستی و انباشتگی زیستی آلاینده ها، مدل های نهایی و نمودارهای مقدار – پاسخ بحث می کند و محاسبات دقیق ضریب ریسک خطر را برای POP ها ارائه می دهد.

فصل 9 قوانین فیزیکی و ریاضیاتی انتقال مواد آلاینده در محیط زیرسطحی را ارائه می دهد. روابط فرارفت – انتشار و کاربردهای متفاوت آن و همچنین روش های آزمایشگاهی برای تعیین خصوصیات جذب و پارامترهای انتقال آلاینده ها را بحث می کند. این فصل از کتاب مبانی ژئوتکنیک زیست محیطی با قوانین ریاضی فازهای آبدار و غیر آبی انتقال سیال در شرایط اشباع و غیر اشباع خاتمه می یابد.

فصل 10 یافته های اخیر علمی در آلاینده های جدید مثل مواد نانو را بررسی می کند. این مواد به دلیل اندازه شان سطح تماس بالایی دارند و بسیار فعال هستند که در برخی از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند ولی به طور همزمان آنها را به خطری جدی برای سلامت و محیط زیست تبدیل می کند چرا که اجزای نانو از ممبران های سلولی عبور می کنند، بر نزج دانه ها تاثیر دارند، می توانند فواصل زیادی را در هوا حرکت کنند و آلاینده ها را در منافذ کوچک خاک حمل کنند.

فصل های 11 و 12 با موانع مهندسی قرار گرفته در محل دفن زباله های خطرناک و در محل های دفع پسماند های رادیواکتیو برای جلوگیری از انتشار آنها سروکار دارد.

فصل 11 در ابتدا به دقت عملکرد و گونه های سیستم های پوششی، ویژگی های مورد انتظار فیزیکی، شیمیایی و زیست محیطی آنها و مشکلات احتمالی را بررسی می کند. مشخصات بیشتری برای سیستم های مهندسی شده مناسب برای پسماندهای صنایع معدنی ارائه شده است. این فصل گونه های مختلف آستر، ویژگی ها و طراحی آنها و الزامات ساخت را بحث می کند و با کنترل و نظارت امکانات دفع پسماند به پایان می رسد.

فصل 12 مروری بر مسائل مربوط به دفع پسماندهای رادیواکتیو که شامل محیط های زمین شناسی مختلف و روش هایی که در چند کشور استفاده می شود و قوطی هایی که برای انتقال و دفن به کار می رود، می شود. چند مبحث پیشرفته در مورد اثرات انتشار گرمای پسماند در رفتار هیدرولیکی و مکانیکی سنگ که در آن و در خاکریز رسی استفاده شده برای درزگیری مخازن، قرار داده شده است، بررسی شده است.

فصل های 13 تا 15 کتاب مبانی ژئوتکنیک زیست محیطی خصوصیات هیدرولیکی، الکتریکی و مغناطیسی خاک ها را توضیح می دهد.

فصل 13 مطالب فصل 5 را با رفتاری پیشرفته تر در اثرات مقیاس، تفاوت هدایت هیدرولیکی میان تخمین های آزمایشگاهی و محلی و در آزمایش های محلی به وسیله تزریق به سفره های زیرزمینی به وسیله چاه ها بررسی می کند. این فصل کتاب مبانی ژئوتکنیک زیست محیطی همچنین عوامل فیزیکی و شیمیایی تاثیرگذار بر مشخصات هیدرولیکی ترکیبات رس استفاده شده به عنوان موانع مهندسی و اثری که آلاینده های ارگانیک و غیر ارگانیک بر روی خصوصیات هیدرولیکی موانع مهندسی شده می گذارد را بررسی می کند.

فصل 14 در مورد روش های الکتریکی و الکترومغناطیسی ارزیابی خصوصیات الکتریکی خاک بحث می کند. مبانی الکتریسیته برای توسعه مفهوم و عوامل تاثیرگذار بر هدایت الکتریکی خاک به همراه روش هایی برای تعیین آن در این فصل ارائه شده است. در نهایت، نحوه استخراج خصوصیات هیدرولیکی سفره آب زیرزمینی از ویژگی های الکتریکی محاسبه شده برای خاک مورد بررسی قرار گرفته است.

فصل 15 به چند دسته از مواد مغناطیسی خاک، روش های محاسبه مشخصه های مغناطیسی و اثر برخی از عوامل بر روی آن می پردازد. روابط میان آلودگی خاک به وسیله فلزات سنگین و آلاینده های ارگانیک و خصوصیات مغناطیسی خاک و همچنین عملکرد باکتری مغناطیسی در حضور آلاینده ها و اثر آنها در بازیابی طبیعی خاک به دقت بررسی شده است.

در نهایت فصل های 16 و 17 روش های آزمایشگاهی و ابزارهای تحلیلی برای محاسبه و تفسیر پاسخ خاک به محل های الکترومغناطیسی با فرکانس بالا به وسیله مفهوم گذردهی دی الکتریک خاک را ارائه می دهد. روش بازتاب سنجی محدوده زمانی (TDR) و تجهیزات طراحی به همراه تحلیل های موجی شکل حاصله به طور دقیق بررسی شده است. رابطه میان تخمین های دی الکتریکی از داده های TDR و پارامترهای هیدرولوژی و اثر پارامترهای فیزیکی – شیمیایی خاک بر محاسبات دی الکتریکی خاک، به طور گسترده ای بررسی شده است.

فصل 17، فصل نهایی کتاب مبانی ژئوتکنیک زیست محیطی است که برخی مطالب پیشرفته در مورد تحلیل سیگنالی، روش های تجزیه، تحلیل های طیفی فوریه و TDR و منطق عصبی – فازی را ارائه می کند و استفاده از این روش ها در چند مورد مطالعاتی و کاربردهای به کار گرفته شده برای پیش بینی رطوبت و شناسایی آلاینده های ارگانیک در خاک را نشان می دهد.