Bài giảng thủy văn nước dưới đất (đại học thủy lợi)

Mục đích môn học• Giới thiệu về thủy văn, thủy lực dòng chảy sát mặt, dòng chảy ngầm và những ứng dụng kỹ thuật của chúng, bao gồm: – Nước ngầm trong chu trình thủy văn – Các đặc tính

THỦY VĂN NƯỚC DƯỚI ĐẤT

CHƯƠNG 1: GiỚI THIỆU CHUNG

• Giới thiệu môn học Giới thiệu môn học

Mục đích môn học

• Giới thiệu về thủy văn, thủy lực dòng chảy sát mặt, dòng 

chảy ngầm và những ứng dụng kỹ thuật của chúng, bao  gồm: 

– Nước ngầm trong chu trình thủy văn

– Các đặc tính trong môi trường lỗ rỗng (môi trường đất)

– Luật Darcy của dòng chảy chất lỏng trong môi trường lỗ rỗng – Các nguyên lý liên tục

– Thủy lực giếng; tầng ngậm nước, lỗ khoan 

– Các ứng dụng kỹ thuật của thủy lực nước ngầm

– Các đặc tính của nước trong vùng bão hòa; dòng chảy không  bão hòa

– Thấm, phân bố lại, bốc hơi, và cân bằng nước

• [2] David Keith Todd, Ground Water Hydrology, New York.

NƯỚC NGẦM & CÁC TẦNG NGẬM NƯỚC NGẦM & CÁC TẦNG NGẬM 

NƯỚC

Lịch sử khai thác nước ngầm ị g

• Giếng cổ Qanats

– Là đường hầm dưới lòng đất được sử

dụng để khai thác và vận chuyển nước

ngầm

– Bắt nguồn từ Persia Bắt nguồn từ Persia

– Dài hàng km

– Tới 3000 năm tuổi

– Nhiều giếng vẫn hoạt động Giếng cổ (Qnanat) Ba Tư

• Giếng Trung quốc cổ đại

– 1000 năm trước: Các giếng khoan

– Sâu hơn 300 mét

– Dùng các óng tre để nhận nước

– Đến năm 1858: sâu 1000 meters

Ngày nay gọi là giếng khoan

– Ngày nay gọi là giếng khoan

Giếng Trung Quốc cổ đại

CÁC LÝ THUYẾT TRUYỀN THÔNG

nước mưa chảy vào các con sông lớn

nước mưa chảy vào các con sông lớn

y Nước từ đại dương được bốc hơi do

hâm nóng của trái đất rồi bay lên và

hâm nóng của trái đất, rồi bay lên, và

ngưng tụ trên các sườn núi

LÝ THUYẾT TRUYỀN THỐNG (Cont.)

ế ấ

• Lý thuyết thấm

– Vitruvius (~80-20 BC) Xuất bản cuốn sách

lần thứ 8 về nước và cống dẫn nước: Mưa và

tuyết trên đất thấm xuống và bổ sung cho các

mạch phun và con sông

– Palissy (1509-1590) là nhà khoa học và cũng

là thợ gốm của Pháp có trình bày chính xác

về chu trình thủy văn

– Perrault (1670): Có trình bày về cân bằng

nước trên sông Seine Dòng chảy trong sông

nước trên sông Seine Dòng chảy trong sông

bắt nguồn từ mưa.

– Mariotte(1620-1684) Là nhà vật lý người

Pháp Có đánh giá về bổ cập nước ngầm đầu

tiên: Tương tự như mái nhà bị rò rỉ.

– Vallisnieri(1723): Ở độ cao thấp trong dãy núi

Alps, giếng phun được phổ biến Độ cao cao

hơn trong dãy núi Alps, suối giảm lượng nước

ngầm có nguồn gốc từ mưa.

CÁC LÝ THUYẾT HiỆN ĐẠI

• Lý thuyết hiện đại

– Henri Darcy (1856): Phát triển

quan hệ của dòng chảy trong môi

trường cát Sự giữ nước trong các

trường cát Sự giữ nước trong các

tầng ngậm nước Giải bài toán

dòng không ổn định

– Hazen, Slichter, O E

Meinzer(1900s): ứng dụng thực

Meinzer(1900s): ứng dụng thực

tiễn, trên cơ sở nguyên lý lý thuyết

của đại chất thủy văn Pháp

– Hubbert(1940) “…thông qua thí ( ) g q

nghiệm để viết lý thuyết dòng chảy

TÀI NGUYÊN NƯỚC TOÀN CẦU

CHU TRÌNH NƯỚC TOÀN CẦU

Thời gian lưu giữ

ể

trong một tiểu hệ thống:

= Thời gian di  chuyển trung bình

chuyển trung bình  của nước qua  một tiểu hệ thống  của chu trình thủy  ă

văn:

Tr = S / Q

= Storage/flowrate

Nguồn nước ngọt  chính cho các hoạt

chính cho các hoạt  động con người (44,800 km3/yr)

Độ ẩm không khí

Chu trình thủy văn (Local view)

Độ ẩm không khí

Mưa Tuyết

Băng tuyết ngưng tụ

Dòng chảy trong sông kênh lớn

Edwards

Major

Aquifers of Aquifers of

Texas

Formation of Edwards Aquifer

Contributing Zone of Edwards Aquifer

Recharge Zone of Edwards Aquifer

• Geologically known as the  Balcones fault zone

• It consists of an abundance of It consists of an abundance of  Edwards Limestone that is 

exposed at the surface

provides path for water to

‐provides path for water to  reach the artesian zone

Artesian Zone of Edwards Aquifer q

• The artesian zone is a complex  system of interconnected voids  varying from microscopic pores

varying from microscopic pores 

to open caverns

• Located between two relatively  less permeable layers that

less permeable layers that  confine and pressurize the  system

• Underlies 2100 square miles of  land

The Edwards Group p

Flowpaths of the Edwards Aquifer

Th O ll l A if

The Ogallala Aquifer

•Approximately 170,000 wells draw  water from the aquifer

water from the aquifer.

•Water level declines of 2 3 feet

•Water level declines of 2‐3 feet  per year in some regions .

•Only 10% is restored by rainfall.

Example Ogallala Well Hydrograph

The Ogallala Aquifer

Water Level Change 1980 - 1994 Water Level Change up to 1980

CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC TẦNG 

CHỨA NƯỚC (Physical Properties of Aquifers)

TS. Nguyễn Mai Đăng

Bộ môn Thủy văn & Tài nguyên nước

ệ hủ ă ô ờ ế đổ khí hậ Viện Thủy văn, Môi trường & Biến đổi khí hậu

dang@wru.vn

• Các loại tầng chứa nước (Aquifer Types) Các loại tầng chứa nước (Aquifer Types)

– Lượng trữ trong các tầng ngậm nước  (Aqufier Storage)

• Mực nước thủy áp (Piezometric head)

Sự xuất hiện nước ngầm ự ệ g

• Mực nước ngầm tầng nông (Shallow water

nông (Shallow water level is called the water table )

3

table )

Biểu đồ phân bố ẩm (Moisture Profile)

– Các lỗ rỗng chứa chất lỏng như

Có kí h th ớ đề ) Có kí h th ớ khô đề ) Các lỗ rỗng chứa chất lỏng nhưnước và không khí(Pores contain 

fluids e.g., water and air) 

– Các lỗ rỗng đóng vai trò như một đường ống để dẫn nước(Pores act as conduits for flow of fluids)

Có kích thước đều) Có kích thước không đều)

act as conduits for flow of fluids)

• Type of rocks

– Số lượng, kích thước, và sự sắp xếp  của các lỗ rỗng ảnh hưởng đến sức  chứa nước và dòng chảy trong địa  tầng.  

• Pores shapes are irregular

– Sự khác biệt trong khoáng chất hình thành nên các loại đá

– Quá trình địa chất hình thành nên các hình dạng lỗ rỗng

Đá tinh thể khe nứt (đá Đá có thể hòa tan (đá vôi) các hình dạng lỗ rỗng

Mặt cắt ngang của lớp đá

( granite)

(Particle Size of Some Soils)

6

Độ rỗng (Porosity)

• Là sự chiếm giữ của khoảng trống 

trong môi trường xốp (Property of 

Pore with

Soil volume V (Saturated)

Độ rỗng (Porosity)

Pore

Soil volume V (Saturated)

Độ rỗng: tổng dung tích của 

with water

m

ρ

ρ ρ

Các giá trị tiêu biểu của độ xốp

Typical Values of Porosity

Material Porosity (%) Material Porosity (%)

Peat Soil (đất pha than bùn) 60-80

Med to Coarse Sand (TB đến thô) 35-40

Uniform Sand (cát đều) 30-40

Độ ẩm đất (Moisture Content)

Soil volume V (Unsaturated)

Độ ẩm đất: = tỷ lệ phần dung 

ổ

Pore with

mặt giao diện

Càng xuống sâu

dưới nước áp suất

Tại mặt nước ap suất = 0

P

ψ

p càng lớn (Positive

pressure)

ψ: cột nước mao dẫn γ: trọng lượng riêng của nước

γ

σ γ

=nước

Chất lỏng dâng lên trong ống do lực hút của lỗ (áp suất mao dẫn) cho đến khi cân bằng với trọng lực

ψ γπ

π θ

σ cos θ ( 2 π r ) = γπ r2ψ (trọng lực nước trong lỗ)

γ

σ γ

γψ = 2 = 2

=

Unsaturated zone

) ( θ ψ

negative above  water table

Saturated zone γ

(Soil Water Characteristic Curves)

Porosity

Vùng thấm (Vadose Zone)

Đường cong đặc tính của nước trong đất

ψ = p

– Phân bố kích thước của lỗ

– Độ ẩm đất

Clay - sét (sau 72 ngày)

(vẫn còn dâng lên sau 72 ngày)

Đô dâng cao mao dẫn đo được sau 72 ngày; tất cả các mẫu hầu

Đô dâng cao mao dẫn đo được sau 72 ngày; tất cả các mẫu hầu

như đều cố cũng độ rỗng 41%

gravity

=

y

S

– Sy cũng được xem là  độ rỗng hữu hiệu (efective poprosity)

• Hệ số giữ nước đơn vị (Specific Retention ‐ Sr)

– Là lượng nước còn lại sau khi thoát do trọng lực ( độ ẩm đồng ruộng ‐ field 

capacity ) S φ S

y∆

= drained volume

y

S = φ −

Quan hệ giữa độ rỗng, hệ số thoát nước và giữ nước đơn vị

(Porosity Specific Yield & Specific Retention)

y

S = φ −

• Aquiclude

Chứa nhưng không

g phun

– Chứa, nhưng không chuyển nước 

– Đất sét and pha đá phiến sét

– Các biên không thấm của các tầng ngậm nước

• Aquitard

– Chuyển nước, nhưng ko giữ nước

– Đá phiến sét và pha sét

ấ

– Các lớp có áp thấm nước yếu

– Có biên bởi các lớp không thấm

– Có tồn tại mực nước ngầm– Có biên bởi mực nước ngầm

(lớp không thấm)

• Aquifer Confined aq ifer

thấm)

– Store & transmit water – Unconsolidated deposits  sand and gravel, 

– Leaky confining layers of  aquifers

Unconfined aquifer

– Phreatic or water table

– Bounded by a water table

– Nước được lấy ra theo 2 cơ chế (mô tả slice trước):

1 Do tầng chứa nước bị ép nén bởi tăng áp lực từ bên ngoài

) ( α φβ

• Hệ số chứa nước ‐ storage coefficient (S) hay còn gọi là sức chứa (storativity):  là 

tổng lượng nước có thể thoát ra được từ 1 tầng ngậm nước khi hạ thâp 1 đơn vị

cột nước:

b S

S S b

S = s

Chỉ đối với tầng có áp, có bề dày b

Quan hệ lượng trữ trong các tầng nước ngầm 

(Storage Relations in Aquifers)

Confined Aquifer

) ( α β

ρ g n S

y

S =

Cao trình  (Elevation  head)

h =

head = 0

zz

Do chênh lệch gradient cột nước nên nước

sẽ chảy từ tầng trên xuống tầng dưới

(Horizontal and Vertical Head Gradients)

(Mực nước ngầm)

(Mực thủy áp)