Môi trường nước dưới đất và các vấn đề liên quan khi khai thác

Môi trường nước dưới đất và các vấn đề liên quan khi khai thác

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368

Đại học quốc gia Hà Nội Trờng Đại học khoa học tự nhiên

khoa địa chất

-tiểu luận

Môi trờng nớc dới đất và

các vấn đề liên quan khi khai thác

mở đầu

Nớc dới đất (NDĐ) là một trong số những nguồn nớc quan trọng của Tráí

Đất Không những nó cung cấp nớc ăn, sinh hoạt, phục vụ cho các ngành công nghiệp, nông nghiệp, điều hoà hệ thống thủy văn, một số loại NDĐ còn có khả năng ứng dụng trong y tế, một số lại có giá trị nh một mỏ khoáng để khai thác một số nguyên tố hoá học quan trọng

Xuất phát từ tầm quan trọng, nhu cầu v hiện trạng sử dụng NDĐ của conà

ngời ngày nay, em đã chọn đề tài: " Môi trờng nớc dới đất và các vấn đề liên

quan khi khai thác".

Trong tiểu luận này, em xin đề cập đến các thông số môi trờng NDĐ, các loại NDĐ, những tác động môi trờng qua lại khi khai thác NDĐ và một số biện pháp nhằm giảm thiểu ô nhiễm khi khai thác nớc ngầm

Mụi trường: bao gồm cỏc yếu tố tự nhiờn và yếu tố vật chất nhõn tạo quan hệ mật thiết với nhau bao quanh con người, cú ảnh hưởng tới đời sống sản xuất, sự tồn tại, phỏt triển của con người và thiờn nhiờn Bởi vậy, việc nghiên cứu các vấn

đề môi trờng là vô cùng cần thiết Nghiên cứu môi trờng cần phải làm rõ các vấn

đề nh nguyên nhân, nguồn gốc hiện tợng, quy luật môi trờng và phát triển bền vững Trên thực tế, vấn đề môi trờng rất rộng lớn và phúc tạp Trong phạm vi tiểu luận này, em chỉ xin phép đợc đề cập đến vấn đề về nớc dới đất và các tác động

đến môi trờng từ việc khai thác nớc ngầm

1 Các yếu tố cơ bản của nớc dới đất.

Nớc dới đất là một dạng của nớc trên trái đất mà đặc trng của nó là môi trờng tồn tại Nhìn chung, chúng ta thờng quan niệm nớc dới đất bắt đầu từ dới bề mặt

đất ( đới thông khí ) cho tới độ sâu nào đó trong lòng đất mà nớc có thể tồn tại

đ-ợc ( khoảng 10 km) Thành phần, dạng tồn tại, hay tính chất, chất lợng của nớc cũng không đồng nhất ở những nơi có đặc điểm địa chất, địa lý, khí hậu khác nhau Dới đây, chúng ta sẽ đi tìm hiểu sâu hơn về một số đặc điểm của nớc dới

đất

1.1 Cấu trỳc vỉa nước.

Dới mặt đất, khuất khỏi tầm nhỡn của chỳng ta là nguồn dự trữ nước mờnh mụng Thực tế, đối với toàn bộ trỏi đất, nước dưới đất chiếm hơn 66 lần tổng lượng nước cỏc con suối và hồ nước ngọt

Nước dưới đất (underground water), nước ngầm, nước dưới mặt đất là thuật ngữ chung được sử dụng để chỉ nước chứa trong cỏc khụng gian lỗ hổng, khe nứt

và cỏc đứt góy của những vật liệu cố kết hay chưa cố kết phớa dưới bề mặt đất éối tượng nghiờn cứu nước dưới đất là khảo sỏt những khụng gian này và cỏi gỡ xảy ra đối với nước nhằm tỡm biện phỏp tỡm kiếm chỳng

1.1.1 éới thụng khớ, đới bóo hũa:

Một phần nước khi vận động từ bề mặt đất xuống dưới sõu bị đỏ và vật liệu đất giữ lại và sự phỏt triển xuống sõu bị kiểm soỏt tạo thành đới gọi là đới thụng khớ và bản thõn nước này gọi là nước treo (nước thượng tầng) Những khoảng khụng phõn tỏn trong đới này bị lấp đầy một phần bởi nước và một phần bởi

không khí Có hai lực tác dụng để ngăn cản nước treo vận động xuống sâu hơn vào đất đá:

Ðới thông khí có thể chia nhỏ thành 3 phụ đới: phụ đới nước thổ nhưỡng, phụ đới trung gian và phụ đới mao dẫn Một phần nước thấm từ bề mặt vào phụ đới nước thổ nhưỡng được thực vật sử dụng và một phần bay hơi ngược trở lại khí quyển Song một phần nước cũng thấm xuống dưới vào phụ đới trung gian, nơi mà

nó có thể bị giữ lại bởi lực hút phân tử (nước treo) Tại phụ đới trung gian, ngoại trừ lúc mưa hay tuyết tan, nước cũng chậm chạp được bổ sung bởi một lượng nước mới từ trên xuống ë một số nơi, không có phụ đới trung gian và phụ đới nước thổ nhưỡng phân bố trực tiếp ngay trên phụ đới mao dẫn Trong phụ đới mao dẫn, nước thấm từ dưới lên, chiều cao thấm mao dẫn đạt từ vài cm tới 23m

Dưới đới thông khí là đới bão hòa ë đây, các lỗ hổng, khe hở trong đất đá được lấp đầy toàn bộ bởi nước, bề mặt giữa đới thông khí và đới bão hòa được gọi

là mực nước ngầm hay đơn giản là mực thủy tĩnh Bề mặt thủy tĩnh dao động và biến đổi phụ thuộc vào lượng nước bổ sung từ đới thông khí, vào tốc độ thoát nước trên diện tích bề mặt, vào lượng nước mà con người và thực vật đang giành nhau sử dụng

1.1.2 Mực thủy tĩnh (water table)

Mực thủy tĩnh là bề mặt tiếp xúc không phẳng giữa đới bão hòa và đới thông khí Dưới mực này là nước ngầm, trên nó là nước treo Bề dày đới thông khí thay đổi ở các nơi khác nhau và độ cao mực thủy tĩnh dao động thường có khuynh hướng đồng dạng với địa hình nhưng biểu hiện yếu hơn

Hình trên biểu diễn một ngọn đồi được thành tạo bởi vật liệu hoàn toàn đồng nhất Giả sử, ban đầu vật liệu này không chứa đầy nước, sau khi mưa lớn kéo dài, nước từ từ thấm xuống và lấp đầy lỗ hổng tạo thành đới bão hòa Lượng nước càng thấm xuống nhiều, giới hạn trên của đới bão hòa càng tăng lên Mực nước còn nằm ngang cho tới khi nó đạt tới cao trình của hai đáy thung lũng ở hai bên đồi Tiếp sau đó, lượng nước bổ sung thấm xuống tới mực nước, một phần chúng tìm cách thoát ra các thung lũng Song nước bổ sung này là nền tảng của vật liệu

mà nó chảy qua và mực nước vẫn giữ nguyên bề mặt phẳng của mình Nước vận dộng chậm do ma sát của bản thân chúng qua các lỗ hổng và ở mức độ nào đó do chính ma sát nội tại của nước Do đó, càng nhiều nước tích tụ dưới ngọn đồi thì mực nước bắt đầu phản ánh hình dạng ngọn đồi Nước chảy đi nhanh nhất theo triền dốc của mực nước ngầm các thung lũng và chậm nhất ở bề mặt thoải ngay dưới đỉnh đồi

Chúng ta có thể làm thay đổi hình dạng của bề mặt nước ngầm nhờ tạo miền thoát nước nhân tạo Nếu giếng nằm trên đỉnh đồi, sau khi bơm hút, nước ngầm sẽ

bị thu hút vào giếng, tạo nên mặt lõm của mực nước Khi bơm hút càng nhiều, sự

hạ thấp mực nước càng rõ và trở thành phiễu hạ áp lực

Trở lại trường hợp lý tưởng, nếu nguồn bổ sung nước từ trờn bề mặt đất chấm dứt hoàn toàn, mực nước dưới ngọn đồi sẽ dần dần hạ xuống bởi nước thoỏt ra cỏc thung lũng Cuối cựng nú sẽ hạ tới cao trỡnh mực nước dưới đỏy thung lũng, sau

đú dũng chảy chấm dứt Trường hợp này phổ biến ở vựng sa mạc, nơi rất ớt mưa

2 Sự vận động của nớc dới đất.

Khỏc với việc đo lưu lượng của cỏc dũng chảy trờn bề mặt, việc đo lưu lượng dũng chảy nước dưới đất cú nhiều thay đổi trong thang độ phộp đo vỡ nước dưới đất vận động thường rất chậm Do vậy đơn vị thường dựng là cm/ngày, ở đụi nơi cm hay m/năm, đõy là thang độ tốt nhất Nguyờn nhõn chớnh đối với giỏ trị nhỏ của dũng chảy là nước phải vận động qua kờnh dẫn nhỏ và hạn chế, chớnh vỡ vậy cần phải cú những nghiờn cứu độ lỗ hổng và hệ số thấm của đất đỏ

2.1 Độ lỗ rỗng.

éộ lỗ rổng của đỏ tớnh bằng tỷ lệ phần trăm tổng thể tớch rỗng hoặc khe hở

éỏ cú độ rỗng càng lớn, khoảng khụng gian mở càng lớn

éộ lỗ hổng khỏc nhau của cỏc đỏ khỏc nhau éộ lỗ hổng được quyết định chủ yếu nhờ kớch thước, hỡnh dạng và mức độ chọn lọc của vật liệu tạo đỏ Cỏt là tập hợp của cỏc hạt thạch anh và với kớch thước đồng nhất, độ chọn lọc tốt thường

cú độ lỗ hổng cao Khi cú ximăng gắn kết, độ lỗ hổng bị giảm tương ứng với thể tớch của chất gắn kết Trầm tớch cỏt cú độ chọn lọc kộm, cú nhiều thành phần hạt mịn hay bột và sột lẫn lộn thỡ cú độ lỗ hổng thấp do cỏc hợp phần mịn hơn lấp đầy khoảng trống giữa cỏc hợp phần thụ hơn Ngay cả đỏ khối đặc xớch cũng cú độ lỗ hổng, nhờ cỏc khe nứt, và đỏ dễ hũa tan như ở đỏ vụi cú nhiều khe nứt hũa tan

Rừ ràng rằng giới hạn của độ lỗ hổng trong vật liệu trỏi đất cực kỳ to lớn Cỏc trầm tớch bựn hiện đại (gọi là bựn sột) cú thể chứa tới 90% thể tớch nước trong khi cỏc đỏ macma như granớt, grabo hay obisidian cú thể chỉ chứa ớt hơn 1% Cỏc trầm tớch chưa bị nộn chặt như sột, bột, cỏt và cuội sỏi cú độ lỗ hổng khoảng từ 20 đến 50% Song khi những trầm tớch này bị nộn lại thành đỏ nhờ bị ximăng húa hay rắn lại, độ lỗ hổng của chỳng bị giảm đi rừ rệt Thống kờ cỏc giỏ trị độ lỗ hổng cho từng loại đỏ riờng biệt khụng cú ý nghĩa nhiều bởi khoảng dao động của chỳng khỏ

lớn trong mỗi loại đá Nhìn chung, khi độ lỗ hổng < 5% - đá có độ lỗ hổng thấp, 15% đá có độ lỗ hổng trung bình và > 15% - đá có độ lỗ hổng cao

2.2 Ðộ thấm

Khả năng tìm được nguồn cung cấp nước nhạt ở một khu vực phụ thuộc vào khả năng của vật liệu trái đất cho nước vận động qua; khả năng này gọi là độ thấm nước

Tốc độ di chuyển của nước phụ thuộc vào độ lỗ hổng và kích thước giữa các khoảng hở thông thương của chúng Thí dụ, mặc dù sét có thể có độ lỗ hổng cao hơn so với cát, nhưng sự thông thương giữa chúng rất nhỏ Do đó, nước vận động qua cát dễ dàng hơn bởi con đường đi qua giữa các hạt khá lớn và lực hút phân tử tác động lên nước rất thấp Dĩ nhiên độ lớn các khe hở không đồng nghĩa với sự thông thương, thí dụ như đá bọt hay sỉ núi lửa là loại vật liệu không thấm

Vật liệu thấm chứa nước dưới đất được gọi là tầng chứa nước, xuất phát từ gốc Latinh nước và chứa Những tầng chứa nước tốt nhất là cát, cuội, sỏi, cát kết,

và một vài loại đá vôi chưa bị nén chặt Ðộ thấm của đá vôi thường do sự hòa tan, nhờ đó mở rộng con đường cho nước di chuyển Những đới nứt nẻ của một số loại

đá như granit, bazan và grabo cũng được xem như những tầng chứa nước mặc dù

độ thấm của những đới như vậy suy giảm theo độ sâu

Sét, phiến sét và đá biến chất, đá macma kết tinh nhìn chung là những tầng chứa nghèo nước, nước vận động qua chúng rất chậm Những đá này với tính thấm kém như vậy được gọi là tầng cách nước, từ gốc Latinh là từ water và close hay shut để chứng tỏ khả năng ngăn chặn sự thấm qua của nước

Do sự vận động của nước dưới đất thường rất chậm, chảy tầng chiếm ưu thế hơn; chỉ trường hợp nước ngầm chảy trong các hang động đá vôi thì chảy rối chiếm ưu thế Khi chảy tầng, nước bên vách khe nứt có thể được giữ lại hay bất động bởi lực hút phân tử, những phần tử nước ở xa vách thì vận động nhanh hơn,

do lực cản vận động sẽ suy giảm về phía tâm của khe nứùt Do vậy, sự vận động nhanh nhất đạt được ngay ở trung tâm

Các dòng chảy chuyển động được nhờ có độ dốc Ðối với nước dưới đất, điều này phụ thuộc vào độ dốc của mực nước và nó được gọi là gradient thủy lực

Chúng ta tính toán được nhờ vào sự khác biệt cao độ mực nước giữa hai điểm chia cho khoảng cách giữa hai điểm đó Biểu thức tính gradient thủy lực: I=(h1-h2)/L

Với h1, h2, cao độ mực nước ở vị trí thấp nhất và cao nhất

L, là khoảng cách giữa hai điểm đo cao độ

Phương trình biểu diễn vận tốc của nước vận động qua đá đã được Henri Darcy, kỹ sư Pháp đề xuất vào năm 1856 Ngày nay gọi là định luật Darcy và được biểu diễn như sau:

V = k (h1-h2)/L

Với k là tính dẫn thủy lực, hệ số phụ thuộc vào tính thấm của vật liệu, gia tốc trọng trường và độ nhớt của nước

Như vậy, khi đá có tính thấm không đổi, vận tốc nước sẽ tăng khi gradient thủy lực tăng Do gradient thủy lực phụ thuộc vào độ dốc của mực nước ngầm, nên có thể nói vận tốc của nước dưới đất thay đổi theo vận tốc của mực nước Một tương quan khác, độ đốc của mực nước càng lớn, dòng chảy càng nhanh hơn ë những tầng chứa nước thông thường, vận tốc của dòng nước ước tính không nhanh hơn 1,5m/ng.đ và không chậm hơn 1,5m/năm mặc dù vận tốc trên 120m/ng.đ và chậm hơn vài cm trong 1 năm cũng được ghi nhận

Lực trọng trường tác động trực tiếp tới nước dưới đất Nhưng ở phần thấp hơn, nước hướng về một phía của mặt dốc mực nước Trong tầng chứa nước hoàn toàn đồng nhất, hướng vận động của nước dưới đất không thẳng về phía suối mà theo hướng rộng tạo thành đường cong Có thể hình dung như sau: cột nước dưới đất ở phần đỉnh đồi cao hơn ở đáy thung lũng, kết quả là áp lực nước dưới đất ở đỉnh đồi cao hơn so với lòng suối Dòng chảy sẽ hướng từ nơi cao tới nơi thấp, đường dòng phản ánh trực tiếp vectơ gradient áp lực

3 Sù xuÊt lé cña níc

Chúng ta đã mô tả sự vận động tự do của nước dưới đất qua vật liệu thấm đồng nhất vô hạn Ðiều kiện dưới đất khác xa với điều kiện lý tưởng đó Vài lớp vật liệu

đất đá có tính thấm tốt hơn những tầng khác và nước có xu hướng vận động nhanh qua những lớp như vậy với dòng chảy ít nhiều song song với bề mặt phân lớp Ngay cả trong đá tương đối đồng nhất, nước dưới đất cũng có xu hướng vận động theo phương thích hợp nhất

3.1 Mạch nước và giếng đơn

Nước dưới đất vận động tự do từ bề mặt đất xuống dưới sâu cho tới khi đạt tới lớp đất đá cách nước hay cho tới khi xuống tới mực nước Sau đó nước bắt đầu vận động về một phía Sớm hay muộn nó có thể lại thoát ra bề mặt đất ở những nơi được gọi là mạch nước Nước từ những mạch nước khoáng chứa nhiều muối hòa tan được rủa lũa khi thấm qua đất Những nước như vậy được bơm ra khỏi giếng và có thể được sử dụng như nước cứng đơn thuần và ít được ưa thích cho mục đích sử dụng chung Phân loại mạch nước dựa vào đặc tính dòng chảy: gián đoạn hay biến mất khi mực nước hạ thấp xuống trong suốt mùa khô, từ các dòng chảy nhỏ tới dòng tự phun với lưu lượng lớn tới 3,8 tỷ lít/ ngày đêm như nhiều mạch nước phân bố dọc theo chiều dài 16km của Fall River thuộc bang California

Khoảng dao động lớn của các mạch nước là kết quả của những điều kiện dưới mặt đất, những điều kiện này thay đổi rất nhiều từ nơi này đến nơi khác Theo định luật chung cuối cùng, dòng nước ngầm cũng hướng tới miền thoát ở mặt đất Thí dụ, ngọn đồi được cấu tạo chủ yếu bởi đá thấm có thể chứa một đới vật liệu không thấm, một phần nước thấm xuống dưới sẽ bị giữ lại bởi đá không

thấm này và đới bão hòa ngày càng lớn dần lên Bởi mực nước cục bộ ở đó thực

sự cao hơn mực nước chính, nó được gọi là mực nước trên Nước chảy ngang (lateral) theo đá không thấm có thể thoát ra mặt đất tạo thành mạch nước

Ngay trong đá không thấm, những đới thấm cũng có thể phát triển nhờ các đứt gãy hay các khe được thành tạo bởi quá trình hòa tan Nếu những khoảng không này được chứa đầy nước và phần thấp của chúng cắt ngang bề mặt đất, nước sẽ thoát ra và tạo thành mạch nước Nếu mạch nước là kết quả giao nhau giữa bề mặt đất và mực nước thì giếng là sự khai đào nhân tạo từ mặt đất tới đới bão hòa Giếng chỉ phong phú nước nếu được đào vào vật liệu thấm và lọt xuống dưới mực nước Nhu cầu nước càng lớn, giếng phải đào sâu hơn dưới mực nước Việc bơm nước liên tục tạo nên phiễu áp lực, nó làm thay đổi mực nước và có thể làm giảm dòng chảy nước ngầm vào giếng Ðá gốc tạo nên tầng chứa nước sẽ có tác động kép tới lưu lượng và chất lượng nước dưới đất Ðể minh họa, các giếng được khoang vào đá kết tinh nứt nẻ, như granit, có thể cung cấp đủ nước ở độ sâu tương đối nhỏ, nhưng chúng ta không thể làm tăng lưu lượng của những giếng này bằng cách đào sâu chúng bởi số lượng và kích thước các khe nứt thường giảm đi khi đi sâu vào lòng đất

Thành phần của tầng chứa nước cũng ảnh hưởng tới thành phần hóa học nước dưới đất Nước thấm qua đá giàu canxit sẽ nhận được nhiều ion Ca2+ ở dạng hòa tan Nước như vậy không thể tạo bọt với xà phòng mà tạo nên các vảy khi bay hơi trong bồn chứa, nó được gọi là nước cứng Ngược lại, các tầng chức nước có các khoáng vật silicat không hòa tan sẽ có rất ít vật liệu ở dạng hòa tan Nước này tạo bọt tốt với xà phòng, chúng ta gọi đó là nước mềm

Lưu lượng nước thấm qua một tiết diện cho trước trong một đơn vị thời gian được xác định bởi diện tích tiết diện và vận tốc dòng chảy

Lưu lượng (Q) = diện tích tiết diện cắt ngang dòng chảy (A) x vận tốc (V)

Hay:

Q (m 3 /s )= A (m 2 ) x V (m/s)