Bài giảng Mô hình nước dưới đất: Chương 4 - TS. Nguyễn Mai Đăng

Chia sẻ: Hấp Hấp | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:23

Thêm vào BST

Báo xấu

93
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Mô hình nước dưới đất - Chương 4: Truyền dẫn thủy lực" cung cấp cho người học các kiến thức về khả năng truyền dẫn thủy lực, đánh giá khả năng truyền dẫn thủy lực, môi trường xốp xếp theo tầng, đơn vị của các tham số,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Mô hình nước dưới đất: Chương 4 - TS. Nguyễn Mai Đăng

Chương 4: ề ẫ hủ l Truyền Dẫn Thủy lực ễ TS. Nguyễn Mai Đăng Bộ môn Thủy văn & Tài nguyên nước Viện Thủy văn, Môi trường & Biến đổi khí hậu Viện Thủy văn, Môi trường & Biến đổi khí hậu dang@wru.vn
Summary • Truyền dẫn thủy lực y y ự – Khả năng thấm – Phương trình Kozeny‐Carman – ế ị đo thấm có cột nước không đổi Thiết bị ấ ó ộ ớ ô ổ – Thiết bị đo thấm có cột nước giảm dần • Môi trường không đồng nhất và không đẳng hướng Môi trường không đồng nhất và không đẳng hướng – Môi trường xốp xếp theo tầng • Flow Nets • Refraction of Streamlines • Generalized Darcy’s Law
Khả năng truyền dẫn thủy lực năng truyền dẫn thủy lực • Khả năng truyền dẫn thủy lực: – là một tính chất kết hợp giữa môi trường đất và chất lỏng – Làm cho chất lỏng dễ dàng di chuyển trong môi trường đất ρg K =k µ Đặc tính môi trường lỗ rỗng k = ấ khả năng thấm nội tại ρ = khối lượng riêng (mật độ) Đặc tính chất lỏng: Nước ≠ NAPL µ = hệ số nhớt động lực Nước ≠ Không g khí g = gia tốc trọng trường NAPL(Non Aqueous Phase Liquid): chất lỏng không hòa tan NAPL(Non-Aqueous trong nước
Khả năng truyền dẫn thủy lực năng truyền dẫn thủy lực Vertical flow • Hệ số truyền dẫn thủy lực (K) = Lưu lượng đơn vị (q) Q q = = −K trên một đơn vị gradient thủy lực: A • Nhờ khẳ năng truyền dẫn thủy lực mà chất lỏng dễ dàng chuyển động trong môi trường xốp ρg • Phụ thuộc vào các tính chất của cả ấ ố ấ môi trường xốp và chất lỏng K =k – Tính chất của chất lỏng: µ • Khối lượng riêng (mật độ chất lỏng) ρ • Độ hớ µ ộ nhớt – Các tính chất của môi trường xốp • Phân bố kích thước lỗ rỗng • Hình dạng lỗ Hình dạng lỗ rỗng • Độ quanh co của các lỗ rỗng Quyết định: k= Khả năng thấm nội tại [L2] • Diện tích bề mặt • Độộ rỗngg
Đánh giá khả năng truyền dẫn (theo phương trình Kozeny – Carman) • Khả năng truyền dẫn là tính chất kết hợp của môi trường ố ấ xốp và chất lỏng • Nó làm cho chất lỏng dễ dàng chuyển động trong môi trường xốp trường xốp ρg K =k µ k = khả năng thấm nội tại của môi trường xốp, Xác định k theo phương trình Kozeny – Carman: phương trình Kozeny – 2 ⎛ φ 3 ⎞ 2 k = cd = ⎜ ⎟d ⎜ 180(1 − φ ) 2 ⎟ ρ = mật độ chất lỏng ⎝ ⎠ g = gia tốc trọng trường gia tốc trọng trường µ = hệ số nhớt động lực c: tham số, được xác d = kích thước hạt trung bình định theo biểu thức: φ = độ rỗng
Đo khả năng truyền dẫn trong phòng thí nghiệm (thiết bị ế ị đo thấm – ấ permeameter) • Định luật Darcy chỉ ị ậ y ụ g có tác dụng khi chúng ta g có thể đo được các tham số • Thiết lập một mô hình dòng chảy mà có thể: – thu được dung dịch ị – tạo ra mô hình dòng chảy thực nghiệm • Hệ ệ số truyền dẫn thủy lực được đo trong y y ự ợ g phòng thí nghiệm bằng một thiết bị đo thấm – Dòng chảy 1 chiều không ổn định hoặc ổn định – Mẫu đất hình trụ Mẫ đất hì h t ụ nhỏ hỏ
Đo khả năng truyền dẫn trong phòng thí nghiệm sử dụng thiết bị đo thấm có cột nước không đổi Continuous Flow • Dòng chảy ổn định Cấp nước Đảm bảo liên tục • Mẫu đất thí nghiệm: đặt trong ống ẫ ấ ệ ặ ố cột nước không đổi xi lanh tròn – Chiều dài: L O fl Overflow – Diện tích: A Nếu đầy sẽ tràn ra ngoài • Thí nghiệm đảm bảo chênh cột ớ khô đổi (b) à tạ nước không đổi (b), và tạo ra lưu l Nước lượng Q ị ậ • Theo định luật Darcy: y A b QL Q = KA K= Outflow L Ab Q Mẫu đất thí nghiệm
Đo khả năng truyền dẫn trong phòng thí nghiệm ử dụng thiết bị sử d đ hấ ó ộ ớ iả dầ hiế bị đo thấm có cột nước giảm dần tube • Lưu lượng chảy qua ống = lưu lượng chảy qua cột đất ợ g yq g ợ g yq ộ Nước chảy trong ống Nước chảy trong cột đất (tube): dh (column) nên theo Darcy: Qtube = πr 2 tube h dt và Qcolumn = πr 2 column K h = b0 khi t = 0; h = b1 khi t = t L 2 ⎛ rtube ⎞ ⎛ L ⎞ dh ⎜⎜ ⎟⎟ ⎜ ⎟ = dt column ⎝ rcolumn ⎠ ⎝ K ⎠ h Tích phân 2 vế phương trình trên theo (h) và (t) với các cận: + khi t=0 thì h = bo + khi t = t thì h = b1 2 Outflow ⎛ rtube ⎞ ⎛ L ⎞ ⎛ b0 ⎞ Q K = ⎜⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ln⎜⎜ ⎟ ⎝ rcolumn ⎠ ⎝ t ⎠ ⎝ b1 ⎠
Môi trường không đồng nhất & không đẳng hướng (Heterogeneity and Anisotropy ) • Tầng ngậm nước đồng nhất: – Các tính chất như nhạu ở mọi Các tính chất như nhạu ở mọi điểm • Tầng ngậm nước không đồng nhất – Các tính chất khác nhau ở mọi điểm • Tầng ngậm nước đẳng hướng (Isotropic aquifer) – Các tính chất như nhau theo mọi hướngg • Tầng ngậm nước không đẳng hướng (Anisotropic aquifer) – Các tính chất khác nhau theo mọi hướng • ầ Sự phân tầng thông thường là do quá trình lắng đọng trầm tích K horizontal > K vertical www.usgs.gov
Môi trường xốp xếp theo tầng ầ (dòng chảy song song theo các tầng) (1) 3 h2 Q = ∑ Qi W h1 i =1 3 ∂h = ∑ (−bi K i ) b1 K1 Q1 i =1 ∂x Q h2 − h1 3 b b2 K2 Q2 =− W i =1 ∑ (bi K i ) b3 K3 Q3 (2) h2 − h1 Q=− bK 3 W 1 3 ∑b K = bK K Parallel = ∑ (bi K i ) i i b i =1 i =1
Môi trường xốp xếp theo tầng ầ (dòng chảy xuyên qua các tầng) ∆hi Q (1) Q = − K iW bi W bQ Q 3 ⎛ bi ⎞ ∆hi = − i = − K iW W ∑ ⎜⎜ ⎟ i =1 ⎝ K i ⎠ b1 K1 ∆h1 ∆h b b2 K2 ∆h2 (2) Q = −KW b Q b b3 K3 ∆h3 ∆h = − W K Cân bằng (1) và (2): Q b b 3 ⎛ bi ⎞ K Perpendicu p lar = 3 = ∑ ⎜⎜ ⎟ ⎛ bi ⎞ K i =1 ⎝ K i ⎠ ∑ ⎜⎜ ⎟⎟ i =1 ⎝ K i ⎠
Đơn vị của các tham số Đơn vị của các tham số • Hệ ệ số truyền dẫn thủy lực y y ự – K [L/T] • m/s • ggal/(day‐ft ( y 2) gal −7 m 1 = 4 .72 x10 day − ft 2 s • Khả năng thấm – k [L2] • m2 • ft2 • darcy d
Các điều kiện biên Các điều kiện biên dam • Biên mực nước h boundary = h(t ) reservoir • Biên lưu lượng qn boundary = q(t ) Biên mực nước không đổi Biên dòng chảy xác định (biên không có dòng chảy) • Biên không có dòng chảy qn boundary = 0 Biên mực nước không đổi
Phân tích lưới dòng chảy (Flow Net) đơn giản • ờ dò Đường dòng chảy (Flow Line) – Đ là ột đ ờ ậ tố tiế t ế ới ó hả (Fl Li ) là một đường mà vector vận tốc tiếp tuyến với nó à t • Lưới dòng chảy (Flow net) – là một tập hợp các Flow lines và Equipotentials (đẳng thế) giao nhau • Đường dòng chảy kết thúc tại đường đẳng thế (mà nó mô tả Đường dòng chảy kết thúc tại đường đẳng thế (mà nó mô tả ranh giới của miền dòng ranh giới của miền dòng chảy) • Lưu lượng của bất kỳ một Flowtube (phần diện tích giữa 2 đường dòng chảy) trong một đơn vịị chiều rộng là: ộ g Flow net Flow line ∆Q = ψ 2 −ψ 1 = ∆ψ h h-∆h • Do vậy dòng chảy đơn vị là ∆b ∆Q ∆Q ∆ψ ∆h q= = = −K ∆b ∆b ∆l ∆l flowtube • ∆Q = dòng chảy cho một Flowtube • ∆H = tổn thất cột nước cho một Flowtube tổ thất ột ướ h ột Fl t b • l = chiều dài tổng cộng của flow tube Equipotential • b = chiều rộng tổng cộng của dòng chảy
Xây dựng các lưới dòng chảy ( (constructing Flow Nets) t ti Fl N t) Q = n f ∆ Q = n f ∆ ψ = n d ∆ h = n d Kb ∆ h • nf = số lượng Flowtubes • nd = số lượng đường đẳng thế equipotential i t ti l • ∆Q = dòng chảy cho một Flowtube • ∆H = tổn thất cột nước cho một Flowtube • b = chiều rộng tổng cộng của dòng chảy ∆H nf ∆h = Q = Kb ∆H nd nd
Phân tích lưới dòng chảy (Flow ả Net) đơn giản nf Q = Kb ∆H nd Q Q
Lưới dòng chảy bên dưới một đập dâng ( l (Flow Net Under a Dam) d ) • Dòng chảy xuất hiện khi: – Cột Cột nước bên trên đập > cột nước nước bên trên đập > cột nước bên dưới đập • Dưới đáy hồ chứa có hiện tượng: – Xuất hiện các đường đẳng thế Xuất hiện các đường đẳng thế – Dòng chảy hướng về phía hạ lưu • Nền đập cũng là dam – Một Streamline Một Streamline – Và cũng không có dòng chảy reservoir • Biên không thấp phía dưới: – Một Streamline Một Streamline – Và không có dòng chảy Flowline Equipotential • Mặt nước bên dưới đập hình thành – Đường đẳng thế Đ ờ đẳ hế Equipotential E i i l – Và có cột nước bằng nhau
Hướng dòng chảy ngầm (Groundwater Flow Direction) • Đo mực nước ngầm từ ự g các giếng này có thể giúp xác định hướng dòng chảy ngầm dòng chảy ngầm Cao trình mực nước ngầm đường đẳng trị nước ngầm g Hướng dòng chảy ngầm
Bản đồ đẳng trị mực nước ngầm (Contour Map of Groundwater Levels) • Đường đẳng trị nước recharge ngầm (đường đẳng thế discharge equipotential) và đường dòng chảy Flowlines (vuông góc l l ( ô ó với đường đẳng thế equipotiential) chỉ ra các khu vực được bổ các khu vực được bổ cập nước ngầm đường đẳng trị (recharge) và khu vực nước ngầm mà nước ngầm chảy đi mà nước ngầm chảy đi (discharge)
Sự khúc xạ của các đường Streamliens (Refraction of Streamlines) y • Thành phần thẳng đứng ủ ậ ố hải bằ của vận tốc phải bằng q1 Lớp đất đá phía trên Upper Formation nhau ở cả hai phía của mặt θ1 K1 tiếp xúc q y1 = q y2 θ2 x q1 cos θ1 = q2 sin θ 2 K2 K 2 >> K1 q2 • Cột nước liên tục và không Lower Formation Lớp đất đá phía dưới đổi dọc theo mặt tiếp xúc h1 = h2 tai y = 0 • Do vậy K1 tan θ1 = K 2 tan θ 2