Bài giảng Mô hình nước dưới đất: Chương 1

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

•  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

•

Biểu đồ phân bố đất (Soil Proﬁle) Mô tả (Descripdon) Biểu đồ phân bố ẩm (Moisture Proﬁle)

–  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)

•

Độ ẩm bão hòa

Saturated Zone

–  Các lỗ rỗng bão hòa hoàn toàn (Fully saturated pores)

Độ ẩm đồng ruông (Field capacity): -‐ Là lượng nước còn giữ lại được sau khi thấm trọng lực (Water remaining a(cid:139)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(cid:139)er gravity drainage & evapotranspiradon)

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

Có kích thước đều)

Có kích thước không đều)

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)

•

Mặt cắt ngang của lớp đất

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

Đá có thể hòa tan (đá vôi)

các hình dạng lỗ rỗng.

Đá tinh thể khe nứt (đá granite)

Mặt cắt ngang của lớp đá

Kích thước hạt của các loại đất (Par%cle Size of Some Soils)

Độ rỗng (Porosity)

Soil volume V (Saturated)

•

Pore with water

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

Độ rỗng (Porosity)

Soil volume V (Saturated)

=φ

Pore with water

VV s− V

solid

1 −=

− ρρ m d ρ m

ρ d ρ m

Độ rỗng: tổng dung ich của đất có thể được lấp đầy bởi nước Vi=φ V V = Tổng dung ich của khối đất đá xem xét Vi = Dung ich khoảng trống Vs = Dung ich phần chất rắn ρm = mật độ hạt (grain density) ρd = mật độ khoảng trống (bulk density) Tỷ lệ khoảng trống (Void RaMo):

φ −

V i V s

Các giá trị Mêu biểu của độ xốp Typical Values of Porosity

Material

Peat Soil (đất pha than bùn) Soils Clay Silt (phù sa) Med. to Coarse Sand (TB đến thô) Uniform Sand (cát đều) Fine to Med Sand Gravel Gravel and Sand Sandstone (sa thạch) Shale (đá phiến sét) Limestone Porosity (%) 60-80 50-60 45-55 40-50 35-40 30-40 30-35 30-40 30-35 10-20 1-10 1-10

Độ ẩm đất (Moisture Content)

Soil volume V (Unsaturated)

Pore with air

0% < S < 100%

Độ ẩm đất: = tỷ lệ phần dung ich nước trên tổng dung ich khối đất đá xem xét: VW=θ V 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):

θ φ

V W V i

Phân bố kích thước hạt (Par%cle Size Distribu%on)

Sand

49%

Clay

40%

Bùn, phù sa

Các đặc tính đất của một mẫu đất lấy ở đảo Síp (Cyprus)

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

Không khí

Bề mặt giao diện (interface)

–  Một số lực bị triệt dêu –  Các lực cùng kéo các phân tử xuống –  Giống như màng tế bào kéo căng bề

Nước

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)

Lực tổng hợp hướng vào bên trong

•  Áp suất mão dẫn

–  Liên quan đến áp suất trên cả 2 phía của

mặt giao diện

Không có lực tổng hợp (bị triệt tiêu)

Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure -‐ Pc)

Cách 1: tính Pc

Air

The image cannot

T h e

Solid

Bên trong ống áp suất âm nên nước bị hút lên (Negative Pressure)

Tại mặt nước ap suất = 0

Water r

Càng xuống sâu dưới nước áp suất càng lớn (Positive pressure)

Áp suất không khí

air

γψ=

p c

p air

γψ−=

Áp suất nước

= γγψ

2 σ r

2 σ r γ

ψ: cột nước mao dẫn γ: trọng lượng riêng của nước σ: sức căng bề mặt −

Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure)

Cách 2: tính Pc θ

Air

The ima

T h

Solid

Negative pressure

Water r

Positive pressure

r =

(trọng lực nước trong lỗ)

2 σ r γ

= γγψ

2 σ r

2 σ r γ

Chất lỏng dâng lên trong ống do lực hút của lỗ (áp suất mao dẫn) cho đến khi cân bằng với trọng lực cos )2( ψγππθσ (lực hút mao dẫn)

Phân bố áp suất tầng sát mặt (Subsurface Pressure Distribu%on)

Ground surface

  Cột nước do áp suất mão dẫn bên trên mực nước ngầm là:

Pressure is negadve above water table

Unsaturated zone

)(θψψ =

  Phân bố áp suất thủy

Water table

Pressure is posidve below water table

P γ = d

1 >

γ−=

¢nh bên dưới mực nước ngầm (nơi p = 0) là: p ∂ z ∂

0=p

0>p

Saturated zone

Đường cong đặc (cid:135)nh của nước trong đất (Soil Water Characteris%c Curves)

Porosity

Vùng thấm (Vadose Zone)

Đường cong đặc tính của nước trong đất

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough

Capillary Zone

)(θψψ =

•  Cột nước áp suất mao dẫn: •  Và phụ thuộc vào:

–  Phân bố kích thước của lỗ –  Độ ẩm đất

Độ dâng cao mao dẫn trong đất (Capillary Rise in Soils)

Độ dâng mao dẫn trong các mẫu vật liệu tự nhiên (không đầm chặt)

- Sỏi mịn

- Cát rất thô

- Cát thô

- Cát trung bình

- Cát mịn

(sau 72 ngày)

Very fine sand - cát rất mịn Clay - sét

(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%

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

gravity

drainage

volume

=yS

total

volume

hạ thấp 1 khoảng ∆h) so với tổng dung ich:

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

−=φ

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

S yΔ

capacity) –  Là lượng nước còn lại sau khi thoát do trọng lực (độ ẩm đồng ruộng -‐ ﬁeld volume drained

Quan hệ giữa độ rỗng, hệ số thoát nước (nhả nước) và giữ nước đơn vị (Porosity, Speciﬁc Yield, & Speciﬁc Reten%on)

−=φ

φ(%)

Các loại tầng ngậm nước (Aquifer Types)

Vùng bổ cập nước ngầm

Giếng phun

–  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

•  Aquifer

–  Chuyển nước, nhưng ko

giữ nước

–  Đá phiến sét và pha sét –  Các lớp có áp thấm nước

yếu

•  Aquitard

• •

quyển

Tầng chứa nước có áp (Conﬁned aquifer) –  Có áp suất lớn hơn áp suất khí

–  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

Các loại giếng nước ngầm

Áp lực từ bên ngoài ép nén tầng ngậm nước

nước bị phun ra do chênh lệch áp suất

(lớp không thấm)

•  Aquifer

•

Conﬁned aquifer

–  Store & transmit water –  Unconsolidated deposits

–  Under pressure –  Bounded by impervious layers

sand and gravel, sandstones etc.

•  Aquitard

•  Unconﬁned aquifer

–  Phreadc or water table –  Bounded by a water table

–  Transmit don’t store water –  Shales and less clay –  Leaky conﬁning layers of

aquifers

Khả năng chứa nước của tầng ngậm nước (Aquifer Storage)

V αρ=Δ g

V βφρ=Δ g •  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

= g

( φβαρ + )

–  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

S = s

–  Nước được lấy ra do bơm hút từ các lỗ rỗng

bS s=

•  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: 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)

S = s

(

) + βαρ

Unconfined Aquifer Confined 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:

p γ

Cao trình (Elevadon head) Cột nước áp suất ψ (Pressure 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)