Mô hình nước dưới đất - Chương 1: Các tính chất vật lý của các tầng chứa nước (physical propermes of aquifers)

MÔ  HÌNH  NƯỚC  DƯỚI  ĐẤT   Chương  1:   CÁC  TÍNH  CHẤT  VẬT  LÝ  CỦA  CÁC  TẦNG   CHỨA  NƯỚC   (Physical  ProperMes  of  Aquifers)   TS.  Nguyễn  Mai  Đăng   Bộ  môn  Thủy  văn  &  Tài  nguyên  nước   dang@wru.vn;  0989.551.699   Tóm  tắt  các  đề  mục   •  Sự  xuất  hiện  nước  ngầm   –  Phân  bố  nước  trong  tầng  sát  mặt   •  Môi  trường  lỗ  rỗng  (Porous  Medium)   –  Độ  rỗng  (Porosity)   –  Hàm  lượng  ẩm  đất  (Moisture  Content)   –  Kích  thước  hạt  (Pardcle  Size)   –  Áp  suất  mao  dẫn  (Capillary  Pressure)   –  Đường  cong  đặc  inh  độ  ẩm  đất  (Soil  Moisture  Characterisdc  Curves)   –  Hệ  số  thoát  nước  (nhả  nước)  và  giữ  nước  đơn  vị  (Specific  Yield  and   Retendon)   •  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 Occurrence of Groundwater 3 •  Nước ngầm xuất hiện khi nước xâm nhập vào tầng sát mặt thông qua các khe nứt và lỗ hổng trong đất và đá •  Mực nước ngầm tầng nông (Shallow water level is called the water table) Phân  bố  nước  trong  tầng  sát  mặt   •  Phân  chia  thành  các  vùng   khác  nhau   –  Phụ  thuộc  vào  %  không   gian  lỗ  rỗng  thay  thế  bởi   nước   •  Unsaturated  Zone   –  Nước  được  lưu  giữ  bởi  các   lực  hút  mao  dẫn,  độ  ẩm   vùng  này  xấp  xỉ  độ  ẩm   đồng  ruộng  (field   capacity)trừ  khi  đang  trong   quá  trình  thấm   •  Soil  moisture  zone   –  Nước  chuyển  động  xuống   trong  khi  thấm  và  lên  trong   khi  bốc  hơi   •  Capillary  fringe   –  Lớp  này  đạt  bão  hòa  ẩm  ở   đáy  (Saturated  at  base)   –  Đạt  độ  ẩm  đồng  ruộng  ở   đỉnh  (Field  capacity  at  top)   •  Saturated  Zone   –  Các  lỗ  rỗng  bão  hòa  hoàn   toàn  (Fully  saturated   pores)   Biểu  đồ  phân  bố  đất   (Soil  Profile)   Mô  tả  (Descripdon)   Biểu  đồ  phân  bố  ẩm   (Moisture  Profile)   Độ  ẩm  đồng  ruông  (Field  capacity):  -­‐  Là  lượng  nước  còn  giữ  lại  được  sau  khi  thấm  trọng  lực  (Water   remaining  a‹er  gravity  drainage)   Độ  ẩm  cây  héo  (WilMng  point):  -­‐  Là  lượng  nước  còn  giữ  lại  được  sau  khi  thấm  trọng  lực  &  bốc  hơi  (Water   remaining  a‹er  gravity  drainage  &  evapotranspiradon)   Độ ẩm bão hòa Môi  trường  lỗ  rỗng  (Porous  Medium)   •  Nước  ngầm  (Groundwater)   –  Là  tất  cả  các  lượng  nước  bên  dưới   bề  mặt  đất  (All  waters  found   beneath  the  ground  surface)   –  Xâm  chiếm  các  lỗ  rỗng  (Occupies   pores)   •  Môi  trường  lỗ  rỗng  (Porous  media  )   –  Vô  số  các  lỗ  rỗng  có  kích  thước  nhỏ   (Numerous  pores  of  small  size)   –  Các  lỗ  rỗng  chứa  chất  lỏng  như   nước  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)   •  Các  loại  đá  (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.       •  Các  dạng  lỗ  rỗng  không  đồng  đều   (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.   Mặt cắt ngang của lớp đất Mặt cắt ngang của lớp đá Đá tinh thể khe nứt (đá granite) Đá có thể hòa tan (đá vôi) Có kích thước đều) Có kích thước không đều) Kích  thước  hạt  của  các  loại  đất   (Par%cle  Size  of  Some  Soils)   6 Độ  rỗng  (Porosity)   •  Là  sự  chiếm  giữ  của  khoảng  trống   trong  môi  trường  xốp  (Property  of   the  voids  of  the  porous  medium)   •  Nó  =  %  của  tổng  dung  ich  bị  chiếm   giữ  bởi  các  khoảng  trống  (%  of  total   volume  occupied  by  voids)   solid Pore with water Soil volume V (Saturated) Độ  rỗng  (Porosity)   solid Pore with water Soil volume V (Saturated) Độ  rỗng:  tổng  dung  ich  của   đất  có  thể  được  lấp  đầy  bởi   nước   V  =  Tổng  dung  ich  của  khối   đất  đá  xem  xét   Vi  =  Dung  ich  khoảng  trống   Vs  =  Dung  ich  phần  chất  rắn   V Vi=φ V VV s−=φ m d m dm ρ ρ ρ ρρ φ −= − = 1ρm  =  mật  độ  hạt  (grain  density)   ρd  =  mật  độ  khoảng  trống  (bulk   density)   Tỷ  lệ  khoảng  trống   (Void  RaMo):   φ φ − == 1s i V Ve Các  giá  trị  Mêu  biểu  của  độ  xốp   Typical  Values  of  Porosity   9 Material Porosity (%) Peat Soil (đất pha than bùn) 60-80 Soils 50-60 Clay 45-55 Silt (phù sa) 40-50 Med. to Coarse Sand (TB đến thô) 35-40 Uniform Sand (cát đều) 30-40 Fine to Med Sand 30-35 Gravel 30-40 Gravel and Sand 30-35 Sandstone (sa thạch) 10-20 Shale (đá phiến sét) 1-10 Limestone 1-10 Độ  ẩm  đất  (Moisture  Content)   Pore with air Soil volume V (Unsaturated) Độ  ẩm  đất:  =  tỷ  lệ  phần  dung   ich  nước  trên  tổng  dung  ich   khối  đất  đá  xem  xét:   V  =  Tổng  dung  ich  khối  đất  đá   Vw  =  Dung  ich  nước   Vi  =  Dung  ich  lỗ  rỗng   Vs  =  Dung  ich  phần  chất  rắn   Độ  bão  hòa  của  đất   (Saturadon,  %  water  content):   V VW=θ φ θ == i W V VS 0% < S < 100% Phân  bố  kích  thước  hạt   (Par%cle  Size  Distribu%on)   11 Sand 49% Clay 40% Các đặc tính đất của một mẫu đất lấy ở đảo Síp (Cyprus) Bùn, phù sa Đất sét Cát Sức  căng  mặt  ngoài   (Surface  Tension)   •  Bên  dưới  bề  mặt  giao  diện  (interface)   –  Lực  tác  động  cân  bằng  lên  tất  cả  các   hướng   •  Tại  bề  mặt  giao  diện   –  Một  số  lực  bị  triệt  dêu   –  Các  lực  cùng  kéo  các  phân  tử  xuống   –  Giống  như  màng  tế  bào  kéo  căng  bề   mặt   •  Bề  mặt  giao  diện  bị  uốn  cong   –  Áp  suất  cao  hơn  về  phía  lõm   •  Sự  tăng  lên  của  áp  suất  được  cân   bằng  bởi  sức  căng  bề  mặt   –  σ =  0.073  N/m  (tại  20oC)   •  Áp  suất  mão  dẫn   –  Liên  quan  đến  áp  suất  trên  cả  2  phía  của   mặt  giao  diện   Nước Không khí Không có lực tổng hợp (bị triệt tiêu) Lực tổng hợp hướng vào bên trong Bề mặt giao diện (interface) Solid Solid Water Air r T h e Bên trong ống áp suất âm nên nước bị hút lên (Negative Pressure) Càng xuống sâu dưới nước áp suất càng lớn (Positive pressure) The image cannot γψ−= = w air p p 0 γψ=−= wairc ppp Áp  suất  mao  dẫn  (Capillary  Pressure  -­‐  Pc)   rr pc σ γ σ γγψ 22 === Áp suất không khí Áp suất nước ψ: cột nước mao dẫn γ: trọng lượng riêng của nước σ: sức căng bề mặt Cách 1: tính Pc Tại mặt nước ap suất = 0 P P ψ Chất lỏng dâng lên trong ống do lực hút của lỗ (áp suất mao dẫn) cho đến khi cân bằng với trọng lực ψγππθσ 2)2(cos rr = γ σ ψ r 2 = Solid Water Air r T h The ima Áp  suất  mao  dẫn  (Capillary  Pressure)   rr pc σ γ σ γγψ 22 === (lực hút mao dẫn) (trọng lực nước trong lỗ) Cách 2: tính Pc Negative pressure Positive pressure Solid θ Phân  bố  áp  suất  tầng  sát  mặt   (Subsurface  Pressure  Distribu%on)   —  Cột  nước  do  áp  suất  mão   dẫn  bên  trên  mực  nước   ngầm  là:   —  Phân  bố  áp  suất  thủy   ¢nh  bên  dưới  mực  nước   ngầm  (nơi  p  =  0)  là:   01 >= dP γ 1d Water table z 0>p0<p 0=p 0;0 == pz Pressure  is   posidve  below   water  table   Ground surface Unsaturated  zone   Saturated  zone  γ−= ∂ ∂ z p )(θψψ = Pressure  is   negadve  above   water  table   ψ Đường  cong  đặc  ‡nh  của  nước  trong  đất   (Soil  Water  Characteris%c  Curves)   •  Cột  nước  áp  suất  mao  dẫn:   •  Và  phụ  thuộc  vào:   –  Phân  bố  kích  thước  của  lỗ   –  Độ  ẩm  đất   )(θψψ = The image cannot be displayed. Your computer may not have enough Porosity Vùng thấm (Vadose Zone) Capillary Zone Đường cong đặc tính của nước tr ng đất Độ  dâng  cao  mao  dẫn  trong  đất   (Capillary  Rise  in  Soils)   - Sỏi mịn - Cát rất thô - Cát thô Very fine sand - cát rất mịn - Cát trung bình - Cát mịn 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 như đều cố cũng độ rỗng 41% Độ dâng mao dẫn trong các mẫu vật liệu tự nhiên (không đầm chặt) Hệ  số  thoát  nước  &  giữ  nước   (Specific  Yield  &  Reten%on)   •  Hệ  số  thoát  nước  đơn  vị  (Specific  Yield  -­‐  SY)   –  Sy  Là  tỷ  số  giữa  lượng  nước  thu  được  (bởi  thoát  trọng  lực  khi  mực  nước  ngầm   hạ  thấp  1  khoảng  ∆h)  so  với  tổng  dung  ich:   –  Sy  cũng  được  xem  là  độ  rỗng  hữu  hiệu  (efecdve  poprosity)   •  Hệ  số  giữ  nước  đơn  vị  (Specific  RetenMon  -­‐  Sr)   –  Là  lượng  nước  còn  lại  sau  khi  thoát  do  trọng  lực  (độ  ẩm  đồng  ruộng  -­‐  field   capacity)   volumetotal volumedrainagegravity =yS hASyΔ=drained volumeyr SS −= φ Quan  hệ  giữa  độ  rỗng,  hệ  số  thoát  nước  (nhả  nước)  và  giữ  nước  đơn  vị   (Porosity,  Specific  Yield,  &  Specific  Reten%on)   yr SS −= φ φ(%) Sy Sr Các  loại  tầng  ngậm  nước  (Aquifer  Types)   •  Aquifer   –  Chứa  &  chuyển  nước   –  Phù  sa  tự  nhiên,  cát,  sỏi,   đá  cát.   •  Aquiclude   –  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   –  Các  lớp  có  áp  thấm  nước   yếu   •  Tầng  chứa  nước  có  áp   (Confined  aquifer)   –  Có  áp  suất  lớn  hơn  áp  suất  khí   quyển   –  Có  biên  bởi  các  lớp  không   thấm   •  Tầng  ngậm  nước  không  áp   (Unconfined  aquifer)   –  Có  tồn  tại  mực  nước  ngầm   –  Có  biên  bởi  mực  nước  ngầm   Giếng phun Vùng bổ cập nước ngầm Các  loại  giếng  nước  ngầm   •  Aquifer   –  Store  &  transmit  water   –  Unconsolidated  deposits   sand  and  gravel,   sandstones  etc.   •  Aquitard   –  Transmit  don’t  store  water   –  Shales  and  less  clay   –  Leaky  confining  layers  of   aquifers   •  Confined  aquifer   –  Under  pressure   –  Bounded  by  impervious  layers   •  Unconfined  aquifer   –  Phreadc  or  water  table   –  Bounded  by  a  water  table   nước bị phun ra do chênh lệch áp suất Áp lực từ bên ngoài ép nén tầng ngậm nước (lớp không thấm) (lớp không thấm) Khả  năng  chứa  nước  của  tầng  ngậm   nước  (Aquifer  Storage)   •  Khả  năng  nén  của  chất  lỏng  -­‐  Fluid  Compressibility  (β)   •  Khả  năng  nén  của  môi  trường  xốp  -­‐  Porous  Medium  Compressibility  (α)   •  Hệ  số  thoát  nước  đơn  vị  -­‐  Specific  Storage  (Ss)   –  Là  lượng  nước  thoát  ra  được  từ  1  thể  ich  đơn  vị  của  tầng  ngậm  nước  sau  khi  giảm   1  đơn  vị  cột  nước  (mô  tả  next  slice)   •  Tầng  chứa  nước  có  áp  -­‐  Confined  Aquifer   –  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   2.  Nước  bị  đẩy  ra  do  áp  suất  giảm   •  Tầng  không  áp  -­‐  Unconfined  aquifer   –  Nước  được  lấy  ra  do  bơm  hút  từ  các  lỗ  rỗng   •  Hệ  số  thoát  nước  của  tầng  ngậm  nước  -­‐  storage  coefficient  (S)  hay  còn  gọi  là  sức   chứa  (storadvity):    là  tổng  lượng  nước  có  thể  thoát  ra  được  từ  1  tầng  ngậm  nước   khi  hạ  thâp  1  đơn  vị  cột  nước:   gV αρ=Δ gV βφρ=Δ )( φβαρ += gSs ys SS = bSS s= Chỉ áp dụng đối với tầng có áp. b: bề dày tầng ngậm nước. Quan  hệ  lượng  trữ  trong  các  tầng  nước  ngầm     (Storage  Rela%ons  in  Aquifers)   )( βαρ ngSs +=ys SS = Confined Aquifer Unconfined Aquifer Cao  trình  và  cột  nước  áp  suất   (Pressure  and  Eleva%on  Heads)   •  Mực  thủy  áp  –  là  năng  lượng  trên   một  đơn  vị  trọng  lượng  của  chất   lỏng:   zph += γ Cột  nước  áp  suất  ψ   (Pressure  head)   Cao  trình   (Elevadon   head)   h = mực thủy áp p = áp suất chất lỏng γ = ρg = Trọng lưc riêng chất lỏng ρ = Khối lượng riêng chất lỏng (nước: 1000 kg/m3) g = gia tốc trọng trường (9.81 m/s2) z = cao trình Mặt chuẩn (MSL) Mực  thủy  áp   (Piezometric  Head)   •  Mực  thủy  áp   (Piezometric  head)   •  Tầng  ko  áp  (Unconfined   aquifer)   –  piezometric  head  =   elevadon   zph += γ zph += γ 0=p zh = Pressure   head  =  0   γ p z -­‐ Nước  ngầm  có  xu  thế  chảy  từ   tậng  ngậm  nước  phía  trên  (có   cột  nước  lớn)  xuống  tầng  ngậm   nước  phía  dưới  (cột  nước  nhỏ).   -­‐   Hình  vẽ  này  không  có  thông  Mn   nào  liên  quan  đến  chênh  lệch   cột  nước  (gradient)  theo   phương  ngang,  mà  chỉ  có   gradient  theo  phương  thẳng   đứng.   Hai  tầng  ngậm  nước  có  áp  với  các  cột  nước  khác  nhau   (Two  Confined  Aquifers  with  Different  Heads)   Tầng thấm nước yếu Do chênh lệch gradient cột nước nên nước sẽ chảy từ tầng trên xuống tầng dưới Gradient  cột  nước  thẳng  đứng  và  nằm  ngang   (Horizontal  and  Ver%cal  Head  Gradients)   (Mực nước ngầm) (Mực thủy áp) Tóm  lại  nội  dung  chương   •  Sự  xuất  hiện  nước  ngầm   –  Phân  bố  nước  trong  tầng  sát  mặt   •  Môi  trường  lỗ  rỗng  (Porous  Medium)   –  Độ  rỗng  (Porosity)   –  Hàm  lượng  ẩm  đất  (Moisture  Content)   –  Kích  thước  hạt  (Pardcle  Size)   –  Áp  suất  mao  dẫn  (Capillary  Pressure)   –  Đường  cong  đặc  inh  độ  ẩm  đất  (Soil  Moisture  Characterisdc  Curves)   –  Hệ  số  thoát  nước  (nhả  nước)  và  giữ  nước  đơn  vị  (Specific  Yield  and   Retendon)   •  Các  loại  tầng  chứa  nước  (Aquifer  Types)   –  Lượng  trữ  trong  các  tầng  ngậm  nước  (Aqufier  Storage)   •  Mực  nước  thủy  áp  (Piezometric  head)