GIÁO TRÌNH TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA part 5 pot

Trong trường hợp đặc biệt, một tầng ngậm nước không có áp có thể xuất hiện nước ngầm treo túi nước ngầm khi bộ phận ngậm nước ngầm bị tách biệt với vùng nước ngầm chính do các địa tầng k

- Tầng ngậm nước có áp: xuất hiện ở những nơi nước ngầm bị nén ép dưới áp suất lớn hơn áp suất khí quyển Sự thay đổi mực nước trong giếng có áp trước hết phụ thuộc vào sự thay đổi áp suất Tầng ngậm nước có áp sẽ trở thành tầng ngậm nước không áp khi mực thủy áp hạ thấp hơn đáy trên của tầng ngậm nước có áp Đường thủy áp là đường tưởng tượng trùng với đường cột nước thủy tĩnh của tầng ngậm nước

Nhập ngầm

Mặt thủy áp

Tầng có áp Tầng không áp

Mực nước ngầm

Giếng có áp

Giếng phun

Tầng không thấm

Hình 3.1 Sơ đồ mô tả loại tầng ngậm nước

- Tầng ngậm nước không áp: tầng ngậm nước trong đó có mực nước ngầm biến đổi dưới dạng sóng và dưới dạng dốc Nó phụ thuộc vào diện tích của vùng bổ sung nước ngầm, lưu lượng thoát ra và tính thấm nước của vùng ngậm nước Sự nâng lên và hạ xuống của mực nước ngầm tương ứng với sự thay đổi tổng lượng nước trữ trong tầng ngậm nước Trong trường hợp đặc biệt, một tầng ngậm nước không có áp có thể xuất hiện nước ngầm treo (túi nước ngầm) khi bộ phận ngậm nước ngầm bị tách biệt với vùng nước ngầm chính do các địa tầng không thấm nước Nước ngầm treo thường có

ở vùng trầm tích cuội sỏi, phía dưới là các dãy sét Tuy nhiên nguồn nước ngầm ở các túi nước ngầm thường nhỏ và chỉ là tạm thời

- Tầng ngậm nước bán áp: tầng ngậm nước có áp nhưng địa tầng phía trên của nó không hoàn toàn là tầng ngậm nước không áp Nước trong tầng bán áp có thể trao đổi với bên ngoài tùy thuộc vào tương quan giữa mực nước ngầm và bề mặt thủy áp

Mặt đất

Mực nước ngầm

Tầng ngậm nước yếu

Tầng không thấm

Hình 3.2 Sơ đồ mô tả tầng ngậm nước bán áp

Mực nước ngầm treo Mặt đất

Mực nước ngầm Tầng ngậm nước không áp Tầng không thấm

Hình 3.3 Sơ đồ mô tả nước ngầm treo

III.1.3 Dòng chảy ngầm

Khi các vùng đất khô có mưa thì lượng nước mưa chỉ làm ướt đất mà không chảy sang nơi khác hoặc ngấm sâu vào đất được Nếu trời tiếp tục mưa thì khi bề mặt đất đã đủ ướt, trọng lực sẽ kéo lượng nước thừa ngấm sâu xuống đất xuyên qua lớp cát đá phía dưới Sự ngấm này chỉ dừng lại nếu gặp lớp đá hoặc đất sét không có lỗ rỗng; khi đó nước sẽ tích

tụ trong các lỗ rỗng phía trên tạo thành một khu vực bão hòa nước và giới hạn phía trên của khu vực bão hòa nước gọi là mực thủy cấp Nước trong khu vực bão hòa gọi là nước ngầm Đôi khi nước được giữ lại giữa hai tầng đất hay đá không có lỗ rỗng tạo thành túi nước ngầm Nước ngầm sau một thời gian khá dài thấm ngang qua các lớp đất vào sông hình thành dòng chảy ngầm

Lượng nước mưa ngấm vào đất sẽ bổ sung nước ngầm có trong đất làm cho mực nước ngầm tăng lên Tuy nhiên không phải tất cả nước ngầm đều chảy vào sông, trong quá trình vận động có một phần bị rễ cây ăn sâu dưới đất hút mất, một phần do hiện tượng mao dẫn hút nước lên mặt đất rồi bốc hơi Ngoài ra cũng có một phần chảy sang lưu vực khác Trong mùa khô nước ngầm là nguồn bổ sung chủ yếu cho dòng chảy trong sông

Hình 3.4 Sự hình thành dòng chảy ngầm

[Nguồn: Cục Khảo sát Địa chất Hoa kỳ (7/2008)]

Những sông có dòng chảy mạnh lòng sông bị bào mòn rất sâu, mực nước ngầm cao hơn mực nước sông nên luôn chảy vào sông, do đó sau khi tạnh mưa rất lâu trên sông vẫn có dòng chảy Ở những sông suối nhỏ cạn, đáy sông cao hơn mực nước ngầm không được

bổ sung nước thường xuyên, sau khi mưa tạnh một thời gian nước sông cạn rất nhanh Ngoài ra nước ngầm vận chuyển về hệ thống sông với thời gian tập trung lớn tùy thuộc vào tương quan giữa mực nước sông và mực nước ngầm Do đó sự tồn tại dòng chảy

ngầm trên hệ thống sông ngòi kéo dài sau một khoảng thời gian khá dài Đối với các sông nhỏ hoặc khe suối, thời gian duy trì dòng chảy ngầm có thể chỉ một vài tháng, còn trên các sông lớn dòng chảy ngầm sẽ kéo dài suốt cả năm

III.2 PHÂN BỐ NƯỚC NGẦM THEO PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG

Nước dưới đất có thể được phân chia thành hai vùng là vùng thoáng khí và vùng bão hòa nước

III.2.1 Vùng thoáng khí

Vùng thoáng khí (không bão hòa) bao gồm các lỗ rỗng trong đó nước chiếm một phần,

các phần còn lại là không khí

a) Vùng rễ cây

Nước trong vùng này tồn tại ở mức độ nhỏ hơn độ bão hòa Trừ trường hợp bão hòa tạm thời do nước ngầm dâng cao hoặc do mưa - tưới, vùng này kéo dài từ bề mặt mặt đất đến chiều sâu hoạt động của rễ cây Bề dày của tầng này thay đổi tùy thuộc vào loại đất và loại cây trồng Do tầm quan trọng đối với nông nghiệp, nước ở vùng rễ cây được nghiên cứu rất nhiều về quy luật phân bố cũng như chuyển động

Tầng không thấm

Mực nước ngầm

Vùng mao dẫn Vùng trung gian Vùng rễ cây Mặt đất

Hình 3.5 Sơ đồ phân bố theo phương thẳng đứng của nước ngầm

Độ ẩm của đất trong tầng rễ cây phụ thuộc vào các yếu tố khí tượng Dưới điều kiện nóng và khô, bốc hơi và thoát hơi mạnh làm giảm độ ẩm trong vùng rễ cây Nước trong đất giảm đến mức độ chỉ còn những màng nước mỏng bao quanh các phân tử đất, ta gọi là nước màng Nước trong vùng rễ cây cũng có thể ở dạng nước mao quản Trong những trường hợp có cấp nước trên mặt vượt quá khả năng giữ ẩm của đất thì nước trọng lực sẽ xuất hiện

b) Vùng trung gian

Vùng trung gian kéo dài từ biên giới của tầng rễ cây đến biên trên của tầng mao dẫn Độ dày của tầng này có thể bằng 0 khi nước mao dẫn tới sát tầng rễ cây và cũng có thể đạt tới hàng trăm mét khi mực nước ngầm ở sâu

Vùng này đóng vai trò nối tiếp giữa vùng sát mặt đất và vùng kề sát nước ngầm Nước chuyển động từ trên xuống vùng bão hòa bắt buộc phải qua vùng này Nước được giữ lại

do lực mao dẫn và lực hút phân tử Nước trọng lực sẽ di chuyển từ trên xuống dưới khi

độ ẩm đất vượt quá khả năng giữ ẩm của đất

c) Vùng mao dẫn

Vùng mao dẫn kéo dài từ mực nước ngầm đến giới hạn trên của vùng mao dẫn của nước Phía trên mực nước ngầm hầu hết các lỗ rỗng trong đất chứa nước mao dẫn Càng lên cao lượng nước trong lỗ càng giảm Độ dày của tầng mao dẫn tỷ lệ nghịch với kích thước của các lỗ rỗng trong đất đá

III.2.2 Vùng bão hòa

Trong vùng bão hòa nước lấp đầy tất cả các lỗ rỗng của đất đá dưới áp lực thủy tĩnh Do vậy độ rỗng (hữu ích) sẽ cho biết lượng nước trữ trong một đơn vị thể tích đất đá Một bộ phận nước có thể được chuyển ra khỏi địa tầng do tiêu hoặc do bơm hút Tuy nhiên do lực hút phân tử và lực hút bề mặt, một phần nước sẽ bị giữ lại trong đất

Các đặc trưng của vùng bão hòa bao gồm hệ số giữ nước, hệ số thoát nước và hệ số chứa nước

a) Hệ số giữ nước

Hệ số giữ nước của đất đá Sr là tỷ số giữa lượng nước còn lại (sau khi bão hòa) sau khi thoát nước do trọng lực đối với thể tích của nó

(3.1) trong đó Wr: thể tích nước còn giữ lại (m³)

V: thể tích mẫu đất đá (m³)

b) Hệ số thoát nước

Hệ số thoát nước của đất hay đá Sy là tỷ số giữa lượng nước (sau khi bão hòa) có thể thoát ra do trọng lực và thể tích của nó

(3.2) trong đó Wy: trọng lượng nước có thể tích thoát ra (m³)

Các giá trị của hệ số thoát nước Sy phụ thuộc vào kích thước hạt, hình dạng hạt, sự phân

bố các lỗ rỗng, sự nén chặt của các địa tầng và thời gian thoát nước Vật liệu có kích thước hạt nhỏ thì hệ số thoát nước càng nhỏ Trong trường hợp các vật liệu pha trộn với nhau, hệ số thoát nước giảm đi từ 7 ÷ 15%

Giá trị của Sr và Sy có thể biểu thị dưới dạng %

Quan hệ giữa độ rỗng của đất đá (α) với hệ số giữ nước và thoát nước:

c) Hệ số chứa nước

Nước chảy ra hay nhập vào một tầng ngậm nước biểu thị qua sự thay đổi tổng lượng nước chứa trong tầng ngậm nước Đối với tầng ngậm nước không áp, nó được biểu thị bởi sự thay đổi lượng nước ngầm nằm trong khoảng mực nước ngầm ở đầu và cuối thời điểm tính toán Tuy nhiên giả thuyết trong tầng ngậm nước có áp vẫn duy trì trạng thái bão hòa, sự thay đổi áp suất chỉ gây ra thay đổi nhỏ trong lượng trữ Do vậy áp suất thủy tĩnh có trong tầng ngậm nước gây ra bởi trọng lượng của nước Khi áp suất thủy tĩnh giảm (trường hợp bơm hút từ giếng) thì lực nén của địa tầng sẽ tăng lên Sự nén ép của tầng ngậm nước gây ra những tác động lên phân tử nước

Hệ số chứa nước xác định bằng tổng lượng nước thoát ra hay nhập vào trong tầng ngậm nước trên một đơn vị diện tích bề mặt của tầng ngậm nước khi thay đổi một đơn vị thủy

áp Trong thực tế người ta thường xác định hệ số chứa nước bằng các thực nghiệm bơm hút từ giếng

III.3 CÁC HỆ TẦNG ĐỊA CHẤT NGẬM NƯỚC

Một hệ địa chất sản sinh ra một lượng nước đáng kể gọi là một hệ tầng ngậm nước Nhiều loại hệ địa chất hoạt động như một tầng ngậm nước Yêu cầu chủ yếu là khả năng trữ nước trong các lỗ rỗng của đất đá Độ rỗng có thể hình thành do các đứt gãy, nứt nẻ của đất đá Dưới đây là một vài loại hệ địa chất ngậm nước:

III.3.1 Bồi tích phù sa

Hầu như 90% các tầng ngậm nước phát triển bao gồm đá sỏi, cuội, cát không nén chặt Những loại ngậm nước này dựa trên trạng thái xuất hiện của nó có thể được chia thành:

- Hệ kề sát nguồn nước: gồm các bồi tích phù sa hình thành nằm dưới lòng dẫn nước hoặc hình thành cạnh các bãi tràn lũ Những giếng nước ở đây có địa tầng thấm nước tốt giáp với dòng chảy nên có một lượng nước khá lớn do lượng thấm từ dòng chảy mặt vào đất

- Hệ thung lũng chôn vùi: những thung lũng do dòng sông đổi hướng chảy hoặc bị cướp dòng hình thành nên Hệ này gần giống hệ kề sát nguồn nước nhưng độ thẩm thấu và lượng nước ngầm ít, lượng bổ sung nước ngầm ít hơn Những đồng bằng rộng phía dưới là những lớp cuội, sỏi, cát không bị nén chặt là nơi chứa nhiều nước ngầm Những thung lũng kề sát sườn núi nơi trầm tích nhiều là nơi chứa nước ngầm khá lớn Nguồn cung cấp nước chủ yếu là nước mưa hoặc thẩm thấu từ các dòng chảy không thường xuyên

III.3.2 Đá vôi

Đá vôi có mật độ, độ rỗng và tính thấm nước thay đổi trong một phạm vi khá lớn tùy thuộc vào mức độ kết cấu và phát triển của các vùng có khả năng thấm sau khi tích tụ Những lỗ rỗng trong đá vôi có thể là các lỗ nhỏ li ti nhưng cũng có thể là các hang động lớn hình thành nên các dòng sông ngầm Sự hòa tan CaCO3 do nước đã gây ra nước ngầm rất cứng Cũng do hòa tan mà các hang động, lỗ rỗng trong đá ngày càng phát triển, đó là hiện tượng Karst

III.3.3 Đá do núi lửa hình thành

Đá hình thành do hoạt động của núi lửa có thể tạo nên một tầng ngậm nước tốt, đặc biệt là

đá bazan Những lớp cuội, sỏi cát hoặc những vật liệu khác nằm xen kẽ giữa hai lớp dung nham làm cho đá bazan chứa và chuyển nước tốt Ngoài ra do hiện tượng phong hóa, do các vận động nội sinh ra đứt gãy mà đá bazan cũng có khả năng chứa và chuyển nước tốt

III.3.4 Đá cát

Đá cát và đá dăm kết là các dạng bị xi măng hóa của cát và cuội sỏi Do đó độ rỗng, khả năng sản sinh nước ngầm của chúng bị giảm nhỏ do ciment liên kết Các tầng ngậm đá cát tốt nhất sản sinh nước ngầm qua các chỗ nối, liên kết của các phân tử cứng (hạt cát)

Đá dăm kết không có ý nghĩa lớn lắm trong việc chứa và chuyển nước ngầm

III.3.5 Hóa thạch và đá biến chất

Các dạng đá cứng của hóa thạch và đá biến chất không thấm nước nên có thể xem chúng

là những tầng ngậm nước rất kém Những nơi loại đá này xuất hiện kề sát mặt đất sẽ bị phong hóa mạnh, dần dần phát triển thành tầng ngậm nước chứa một lượng nước tương đối nhỏ đủ dùng cho sinh hoạt của một số hộ gia đình

III.3.6 Đất sét

Đất sét có độ rỗng tương đối lớn nhưng từng lổ rỗng của chúng lại quá nhỏ nên được xem

là vật liệu không thấm nước Các tầng đất sét nằm trong một hệ ngậm nước tốt có thể hình thành nên các tầng ngậm nước bán áp

III.3.7 Lưu vực nước ngầm

Một lưu vực nước ngầm có thể được xác định như là một đơn vị địa chất thủy văn chứa một tầng ngậm nước rộng lớn hoặc một vài tầng ngậm nước liên thông và quan hệ qua lại với nhau Trong một thung lũng giữa các dãy núi, lưu vực nước ngầm có thể chỉ ở phần trung tâm của lưu vực dòng chảy mặt Trong vùng đá vôi và vùng đồi cát, lưu vực nước ngầm và lưu vực dòng chảy mặt hoàn toàn khác nhau Khái niệm lưu vực nước ngầm trở nên rất quan trọng vì tính liên tục thủy lực trong khu vực chứa nước ngầm

Để xác định lưu vực nước ngầm cần phải có các bản đồ địa chất của khu vực cần nghiên cứu kết hợp với các tài liệu về địa lý tự nhiên

III.4 PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN NƯỚC NGẦM

III.4.1 Định luật thấm

Trong trường hợp môi trường đất đồng nhất về nhiệt độ, nồng độ muối thì các lực tác dụng lên phần tử nước bao gồm lực hút mao quản, áp lực bên ngoài và trọng lực Xét trong một quá trình nào đó các lực trên thay đổi dẫn đến sự xuất hiện gradient thế của nước trong đất Đó chính là nguyên nhân gây ra sự chuyển động của nước trong đất

Với một môi trường xốp đồng nhất về mặt cấu trúc, tốc độ chuyển động đủ nhỏ để đảm bảo trạng thái chuyển động là chảy tầng Quy luật cơ bản về sự chuyển động của dòng thấm được biểu thị bằng công thức Darcy:

trong đó v: vận tốc thấm (cm/s)

J: gradian thấm (độ dốc thủy lực) k: hệ số thấm của môi trường (cm/s)

Trị số v là vận tốc trung bình của dòng thấm “tượng trưng” khi xem toàn bộ dòng thấm chứa đầy chất lỏng Vận tốc v còn được gọi là tốc độ Darcy do giả thiết rằng dòng chảy qua toàn bộ mặt cắt ngang mà không xem xét đến các phần tử rắn và lỗ rỗng trong đó Vận tốc trung bình dòng thấm trong lỗ rỗng của đất hoặc đá tính theo công thức:

trong đó v’: vận tốc thấm trung bình trong lỗ rỗng của môi trường thấm

n: độ rỗng của môi trường (đất hoặc đá nứt nẻ) Công thức xác định độ rỗng của môi trường:

(3.6) trong đó W’: thể tích phần rỗng

W: thể tích tổng của môi trường thấm Lưu lượng thấm q xác định theo công thức:

trong đó A: diện tích mặt cắt ngang của dòng thấm (cm2)

III.4.2 Phương trình thấm cơ bản

Đối với trường hợp thấm ổn định, nghĩa là vận tốc, áp lực thấm không phụ thuộc thời gian thì thành phần vận tốc thấm có dạng:

trong đó h: cột áp thấm

Mặt khác, nước thấm trong đất phù hợp với điều kiện liên tục của chuyển động chất lỏng không nén được cho nên thỏa mãn phương trình liên tục

Kết hợp (3.8) và (3.9) ta có:

Nếu gọi thế lưu tốc thấm là ϕ ta có công thức:

Dựa vào (3.8) và (3.11) ta có:

(3.12)

Lấy đạo hàm (3.12) và thay vào (3.9) ta có :

(3.13)

Từ (3.9) và (3.13) cho thấy các hàm số cột áp h và thế lưu tốc ϕ là những hàm điều hòa Giải các phương trình này với những điều kiện biên cụ thể, ta có thể xác định được cột áp

h và thế lưu tốc ϕ tại bất kỳ điểm nào trong môi trường thấm và từ đó xác định được các đường đẳng áp h = const và đường đẳng thế ϕ = const Trên cơ sở đó có thể tính được áp lực và vận tốc thấm

III.5 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN MỰC NƯỚC NGẦM

III.5.1 Yếu tố khí tượng

a) Áp suất khí quyển

Sự thay đổi áp suất khí quyển gây ra do sự dao động mực nước thủy áp trong tầng ngầm nước có áp Mối quan hệ đó là mối quan hệ nghịch biến có nghĩa là khi tăng áp suất khí quyển sẽ dẫn đến giảm thủy áp và ngược lại Khi sự thay đổi áp suất khí quyển được biểu thị bằng cột nước, tỷ lệ sự thay đổi mực thủy áp với sự thay đổi của áp suất được gọi là hiệu ứng áp suất của tầng ngậm nước

trong đó B: hiệu ứng áp suất (nằm trong khoảng 20 ÷ 70%)

γ: trọng lượng riêng của nước Δh: sự thay đổi mực thủy áp Δpa: sự thay đổi áp suất khí quyển

Xem tầng ngậm nước như là một vật thể đàn hồi Nếu Δpa là sự thay đổi áp suất khí quyển, Δpω là kết quả thay đổi áp suất thủy tĩnh ở đỉnh của tầng ngậm nước có áp và ΔSc

là ứng suất nén được tăng lên trên tầng ngậm nước thì:

Δpa = Δpω + ΔSc (3.15)