bài giảng địa chất thủy văn

Tính phân đới là một trong những định luật cơ bản của sự phân bố nước dưới đất.. Tính phân đới thể hiện đặc điểm lịch sử các đới tự nhiên tùy thuộc và vĩ độ của địa phương hoặc vị trí th

CHƯƠNG IX

NHỮNG KHÁI NIỆM

VỀ TÍNH PHÂN ĐỚI NƯỚC DƯỚI ĐẤT, CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT THỦY VĂN

VÀ PHÂN VÙNG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN

Tính phân đới là một trong những định luật cơ bản của sự phân

bố nước dưới đất Tất cả các loại nước thiên nhiên đều có tính phân đới Tính phân đới thể hiện đặc điểm lịch sử các đới tự nhiên tùy thuộc và vĩ độ của địa phương hoặc vị trí theo phương thẳng đứng của nước dướt đất

Tính phân đới của nước dưới đất

Phân đới theo vĩ độ

Đặc trưng cho nước ngầm và nước áp lực nông, có quan hệ chặt chẽ với nước mưa và nước mặt Nước ngầm phản ánh những nét đặt trưng của vĩ độ Các đới nước ngầm sẽ tương ứng vời những cảnh quan xác định và chuyển tiếp nhau rõ rệt từ bắc đến nam

Nếu xét theo trạng thái của nước, mức độ ẩm ướt của lãnh thổ và những thay đổi nhiệt độ ở Bắc bán cầu theo phương từ Bắc đến Nam sẽ tồn tại các vĩ đới nước ngầm như sau:

Vĩ đới băng (băng vĩnh cửu)

Vĩ đới ẩm ướt (ẩm, lượng mưa lớn hơn bốc hơi)

Vĩ đới khô hạn (khô, bốc hơi lớn hơn mưa-> muối hóa, làm mặn nước ngầm)

Phân đới theo vĩ độ

Tính phân đới địa chất

Tính phân đới theo chiều sâu của các bồn nước vỉa (các bồn actezi) Trong một mặt cắt thẳng đứng của các bồn nước vỉa thường quan sát thấy

rõ rệt sự thay đổi từ trên xuống dưới của tốc độ vận động, mức độ khoáng hóa, thành phần ion-muối và khí, nhiệt độ của nước dưới đất.

Đới trao đổi nước mạnh : Nằm ở phần trên cùng của Vỏ Trái Đất và có quan hệ chặt chẽ với các dòng và các khối nước mặt, nằm trong phạm vi thoát nước của mạng thủy văn địa phương và chịu tác dụng của các nhân tố khí hậu hiện đại

Chiều dày từ 100-1000m hoặc hơn.

Nước đi chuyển tốc độ lớn, 1-vài trăm mét/năm.

Các quá trình oxy hóa và rửa trôi muối xảy ra mạnh mẽ.

Tính phân đới thủy động lực

Phản ánh sự thay thế tuần tự theo phương thẳng đứng của các đới

có mức độ trao đổi nước khác nhau

Đới trao đổi nước chậm chạp : Thường nằm sâu hơn gốc thoát nước địa phương của các tầng và các phức hệ chứa nước

Chiều sâu giới hạn của đới này có thể quy ước bằng chiều sâu xâm cắt của các bồn biển hoặc kéo dài đến mực nước biển.

Nước đi chuyển tốc chậm, sự trao đổi nước xảy ra trong thời gian trăm năm hay triệu năm.

Đới trao đổi nước rất chậm chạp : Chiếm phần sâu nhất của các hệ thống chứa nước, sâu hơn 2-3km nên sự thoát nước rất yếu và gần như không chịu ảnh hưởng các nhân tố khí hậu.

7

Những nhân tố quyết định tính phân đới thủ động lực thẳng đứng

Charbeneau, 2000.

1 Sự tương quan về cốt cao độ giữa miền cấp và miền thoát.

2 Tính chất chứa nước của đất đá

3 Cường độ phân cắt xâm thực của mặt đất và chiều sâu

xâm cắt các thung lũng sông.

4 Đặc điểm khí hậu (nóng, khô, ẩm ướt)

Freeze and Cherry, 1979.

Tính phân đới thủy địa hóa

Các đới thủy địa hóa thẳng đứng được phân biệt với nhau bởi độ khoáng hóa, thành phần hóa học

Năm 1938: V.I Vernadxki khẳng định độ khoáng hóa tăng theo chiều sâu

Năm 1964 K.I.Makov khẳng định nước khoáng hóa cao tồn tại ở phần trung tâm các vùng hạ thấp kiến tạo

V.N Ivanov cho rằng các kiểu hóa học của nước thay đổi theo chiều sâu theo sơ đồ:

HCO3-Ca, SO4-Ca, SO4-Ca-Cl, Cl-Na, Cl-Na-Ca

10

Flow Velocity and Potential

Flow is always perpendicular to the lines of equal potential

Potential = acceleration of gravity • hydraulic head = g • h ~ h

Groundwater Flow Velocity

Flow velocity is governed by Darcy’s Law

 Darcy’s Law states that the velocity is equal to the permeability

times the hydraulic gradient, where permeability is the capacity of

a porous material to transmit fluid.

 This gives the equivalent flow velocity through an open pipe.

 To correctly apply to real rocks, must divide by the porosity.

Ground water velocity = perm./porosity • hydraulic

gradient

 V = (K/n) • (h/L)

 where K is hydraulic conductivity (a measure of permeability) and

n is porosity.

Ground Water Movement in Permeable Rock

Within a uniformly permeable rock, water table tends to mimic surface topography Flow usually parallels sloping water table

Aquifers

Aquifer: body of saturated rock or sediment through

which water can move easily.

 Examples: Sandstone, conglomerate, well-fractured limestone, bodies of sand and gravel

 Unconfined aquifer: water table is only partly filled.

 Confined aquifer: water table completely filled with

water under pressure.

Aquitard or aquiclude: body of rock with low

permeability, which retards the flow of water

across it.

Confined vs Unconfined Aquifers

Các định luật thấm của nước dưới đất.

Trên cơ sở các thí nghiệm thấm của nước qua cát chứa trong ống thí nghiệm, nhà thủy lực học người Pháp A Darci năm 1856 đã xác lập được quan hệ:

Với Q – lưu lượng nước qua ống; k – hệ số tỉ lệ (Hệ số thấm); F – tiết diện ngang của ống; ∆ H – Tổn thất áp lực khi nước thấm; L – chiều dài đường thấm Ký hiệu tỉ số giữa tổn thất áp lực ∆ H với chiều dài đường thấm L bằng gradient thủy lực I, chia hai vế của phương trình cho tiết diện ngang của ống và sử dụng khái niệm vận tốc thấm v=Q/F ta có công thức:v=kI

L

H kF

V = kI

Ở chế độ chảy rối quan sát thấy sự sai lệch với định luật tuyến tính Vận động chảy rối tuân thủ theo quy luật của A.A Krasnopolski:

Với k k – hệ số thấm theo Krasnopolski Từ công thức thấy rằng khi chảy rối, vận tốc thấm tỉ lệ thuận với căn bậc hai của gradient thủy lực Dòng chảy tầng – rối hỗn hợp

thường được biểu diễn bằng phương trình Proni:

I = av + bv 2 Với a và b – những thông số phụ thuộc vào tính chất môi trường lỗ rỗng và chất lỏng vận động trong đó (Được xác định bằng thực nghiệm)

I k

v = k

Vận động của nước liên kết yếu trong đất loại sét (động thái

dẻo nhớt) được đặc trưng bằng phương trình sau: V= k(I – Io) Vơi Io – gradient ban đầu Sự thấm của nước liên kết yếu chỉ bắt đầu khi gradient áp lực lớn hơn gradient ban đầu Io.

Vận tốc thấm và vận tốc thấm thực khi nước dưới đất vận

động Lưu lượng dòng thấm được xác định theo công thức

vận tốc thấm v – cần hiểu đúng vì nước vận động không qua

toàn bộ diện tích mặt cắt của tầng chứa nước mà chỉ qua lỗ

rỗng (hay khe nứt) của đất đá chứa nước v = n.u

Xác định giới hạn trên để áp dụng định luật Darci

Hình 6.1 Sơ đồ thiết bị nghiên cứu giới hạn áp dụng định luật

Darci

Thí nghiệm được thể hiện

trên hình 6.1 Dụng cụ là

ống đường kính 3 cm

(thiết diện ngang của ống

F = 7cm2), được đổ đầy

sạn với độ rỗng n = 30%

Ở các đầu ống gắn 2 ống

rót nước 1 và 2 Nhờ các

ống rót có thể tạo chênh

lệch áp lực trong ống Độ

chênh áp ∆H được xác

định qua độ chênh lệch

mực nước trong các ống đo

áp nằm cách nhau L =

70cm

Nhờ ống rót 1 và 2 ta tạo độ

chênh áp trong các ống đo

áp DH từ 2,5 tới 87,5cm Đối

với mỗi độ chênh áp, nhờ

ống rót 2 ta xác định được

lưu lượng theo công thức:

Với Vn – Thể tích nước

(cm3) chảy ra qua ống rót 2

trong thời gian t (s) Theo

các số liệu dưới đây, xác

định gradient thủy lực I, vận

tốc thấm v và tỉ số I/v

t

V

Độ chênh áp ∆H, cm 2,5 7,0 35,0 52,5 70,0 87,5 Giá trị lưu lượng Q = V n /t, cm 3 /s 0,07 0,19 0,92 1,32 1,76 2,1 Gradient thủy lực I = ∆H/L 0,036 0,1 0,5 0,75 1,0 1,25 Vận tốc thấm v = Q/F, cm/s 0,01 0,027 0,131 0,19 0,25 0,30

Yêu cầu:

Xác định vận tốc thấm

tới hạn v th mà khi đó

diễn ra sự sai lệch định

luật thấm Darci; Vận tốc

thấm thực u tương tứng

với vận tốc thấm tới hạn;

hệ số thấm k, các thông

số a và b từ phương

trình Proni

Bài giải:

Hình 6.2 Biểu đồ quan hệ: A – v=f(I); B – I/v=f(v)

v (cm/s)

I/v

cm/s

Để xác định vận tốc thấm tới hạn vth theo kết quả thí nghiệm, xây dựng biểu đồ v = f(I) Trên biểu đồ (hình 6.2A) trục tung biểu diễn vận tốc

thấm v, trục hoành – gradient thủy lực Vận tốc thấm tới hạn được xác định theo đồ thị ở điểm đồ thị bị lệch rõ rệt khỏi đường thẳng Trong trường hợp này vth = 0,2cm/s = 173 m/ngđ Như vậy, thí nghiệm cần phải tiến hành cho tới khi mà đường thẳng trên đồ thị v = f(t) chuyển sang đường cong

Để xác định hệ số thấm k cần lấy điểm bất kỳ trên phần đoạn

thẳng của đồ thị v = f(I) Từ điểm 1 trên đồ thị kéo đường thẳng

6.2,A)

ngd

m n

v

3 , 0

173

=

=

=

Sử dụng định luật Darci xác định hệ số thấm k:

Các thông số a và b được xác định theo đồ thị I/v=f(v) Để xây

dựng đồ thị, đặt trên trục tung giá trị I/v, còn trên trục hoành – vận tốc thấm Đồ thị có được là đường thẳng (hình 6.2, B) cắt trục tung tại một điểm có giá trị là a Ở trường hợp này, a = 3,6

ngd m

s

cm I

v

38 , 0

10 , 0

1

=

Thông số b được xác định từ biều thức:

Với (I/v)1, (I/v)2, v1 và v2 được lấy theo hai điểm bất kỳ 1 và 2 trên đồ thị (hình 26, B) Như vậy,

1 2

1 2

v v

v

I v

I b

−













−













=

76 ,

1 11 , 0 28 , 0

8 , 3 1 , 4

=

−

−

=

b