65
Chương 4
TÀI NGUYÊN NƯỚC DƯỚI ĐẤT
4.1 Khái niệm
4.1.1 Khái niệm chung về nước dưới đất
Luật Tài nguyên nước Việt Nam (1998, điều 3) định nghĩa: Nước dưới đất là nước tồn tại
trong các tầng chứa nước dưới mặt đất. Nước dưới đất chứa trong các lỗ hổng, khe nứt, hang
động ngầm kích thước khác nhau, tồn tại ở ba trạng thái rắn, lỏng, khí và có thể chuyển đổi từ
trạng thái này sang trạng thái kia.
Nước dưới đất là loại tài nguyên ngầm được con người khai thác vào loại sớm nhất và lâu
dài nhất. Tuy nhiên nhiều bí ẩn liên quan đến loại tài nguyên này vẫn còn là câu đố đối với
nhân loại. Theo A.M. Opsinhicôp, thuỷ quyển ngầm phân bố tới độ sâu 12-16km, là độ sâu
phân bố nhiệt độ tới hạn của nước (375 - 450oC), còn theo F.A.Macarenco, V.I.Lianco nó
phải đạt tới độ sâu 70 - 100km. Các kết quả đánh giá trữ lượng nước dưới đất, do vậy, rất
khác nhau. Tuy nhiên, phần nước ngầm nằm sâu có động thái biến đổi chậm, thành phần hóa
học phức tạp, khai thác khó khăn, nên hiện ít có giá trị khai thác.
Nước dưới đất phân bố trên diện rộng và có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với hệ thực
vật và hệ sinh vật đất, bởi đa phần các cá thể này không thể tự vận động đi tìm nước được như
con người và động vật khác. Nước dưới đất là nguồn cung cấp, duy trì sự tồn tại của các thuỷ
vực mặt trong thời kỳ không mưa kéo dài. Nhiều nơi, trong quá trình thăm dò tìm kiếm nguồn
nước đã phát hiện ra những nguồn khoáng sản quý hiếm khác có vai trò thay đổi nền kinh tế
của cả một địa phương, một quốc gia, như sự tìm ra dầu và khí đốt ở Brunây.
4.1.2 Trữ lượng nước dưới đất
Trữ lượng tĩnh (m3): Là lượng nước có mặt thường xuyên trong tầng chứa tại một thời
điểm nhất định, tính với mức nước thấp nhất. Trữ lượng tĩnh trọng lực: Là lượng nước lấp đầy
độ rỗng động lực của tầng chứa nước trong điều kiện không bị nén, tương đương với trữ
lượng của khoáng sản rắn, được tính bằng tích giữa dung tích tầng chứa nước và hệ số nhả
nước trọng lực. Trữ lượng tĩnh đàn hồi: Là phần nước chứa thêm được vào tầng chứa nước,
ngoài phần tĩnh trọng lực, do khi bị nén bởi áp lực phần tĩnh trọng lực này bị co lại.
Trữ lượng điều tiết (m3): Là lượng nước chứa trong phạm vi giữa mực nước thấp nhất và
cao nhất của tầng chứa nước, hay nói cách khác là biến động trữ lượng nước nhiều năm.
Trữ lượng động trong một thời đoạn (m3/s hoặc năm): Là tổng lượng nước lưu thông qua
tầng chứa nước trong thời đoạn đó
Trữ lượng cuốn theo (m3/s hoặc năm): Là khả năng bổ sung nước tự nhiên cho tầng chứa
khi mực nước trong tầng bị giảm đột ngột do các tác động bất thường, như khi khai thác nhân
tạo. Đây là một đại lượng khó xác định cả về mặt giá trị và chất lượng, nên tiềm ẩn những
nguy cơ bất thường cần chú ý đối với chế độ nước dưới đất. Cơ chế cuốn lên theo hình nón
cũng là một nguy cơ làm giảm chất lượng nước vùng khai thác. Cuốn hình nón xảy ra khi một
66
giếng đào tới gần sát tầng nước mặn nằm dưới tầng nước ngọt, nên khi hút khai thác với lưu
lượng đủ lớn thì nước mặn sẽ bị cuốn vào giếng trong một dòng hướng lên có hình nón.
Khả năng tái tạo về mặt lượng của tài nguyên nước dưới đất được tính bằng tổng trữ
lượng động và trữ lượng cuốn theo (tính cho phần nước sạch). Khả năng tái tạo về mặt chất có
thể được đại diện bằng chu kỳ đổi mới.
Từ góc độ khai thác bền vững tài nguyên, chúng ta chỉ được phép khai thác trong phạm vi
khả năng tái tạo này. Kết hợp với yêu cầu chất lượng thì trữ lượng khai thác tự nhiên cho
phép có thể sẽ nhỏ hơn vì cần loại trừ phần nước có chất lượng kém của tầng khai thác và
nguồn cuốn theo. Trữ lượng khai thác kỹ thuật là một phần trong khả năng tái tạo tự nhiên mà
con người có thể khai thác được tuỳ thuộc khả năng kỹ thuật và kinh tế. Ngoài ra bằng các
giải pháp nhân tạo, chúng ta cũng có thể tăng được trữ lượng cuốn theo, từ đó tăng khả năng
cung cấp nước của nước dưới đất.
Những trường hợp có thể cho phép khai thác vào trữ lượng tĩnh là: 1- Trữ lượng tĩnh rất
lớn; 2- Có khả năng bổ sung nhân tạo tương đối thuận lợi; 3- Có khả năng tìm được nguồn
nước thay thế khi trữ lượng tĩnh cạn kiệt. Đối với các loại nước dưới đất không áp trong vùng
đồng bằng, vùng đá nứt nẻ tuyệt đối không nên khai thác vào trữ lượng tĩnh.
4.1.3 Quan hệ giữa nước mặt và nước dưới đất
Giữa nước mặt và nước dưới đất tồn tại các dạng quan hệ sau:
Nước mặt thường xuyên là nguồn nuôi nước dưới đất: Khi thuỷ vực mặt và nước dưới đất
thông nhau và mực nước trong các thuỷ vực mặt cao hơn mực nước (mức áp lực thuỷ tĩnh)
của các tầng chứa nước bão hoà.
Nước dưới đất thường xuyên là nguồn nuôi nước mặt: Khi mực nước của các đới chứa
nước bão hoà trong đất luôn cao hơn mực nước của thuỷ vực mặt.
Nước dưới đất và nước mặt luân phiên nuôi nhau: Xảy ra khi mực nước của các đới chứa
nước bão hoà trong đất cao hơn mực nước của thuỷ vực mặt có lưu thông trực tiếp với nó vào
mùa kiệt và thấp hơn vào mùa lũ. Khi nước trong các thuỷ vực mặt dâng cao trong mùa lũ,
một phần nước lũ sẽ ngấm qua vùng bờ vào các tầng chứa nước chưa bão hoà, một mặt làm
dâng mực nước ngầm, mặt khác làm chậm lại quá trình dâng nước mặt. Khi nước lũ rút, phần
nước lũ đã chứa tạm vào vùng bờ sẽ dần dần được rút ra, trả vào thuỷ vực mặt. Đây là cơ chế
tạo ra quá trình điều tiết bờ, một trong những quá trình tự nhiên quan trọng góp phần làm
giảm cao độ đỉnh lũ, giảm mức độ ác liệt của lũ.
4.2 Phân bố nước dưới đất theo thế nằm
4.2.1 Nước trong đới thông khí
Đới thông khí là tầng đất nằm ngay dưới mặt đất và không bão hoà nước thường xuyên.
Trong đới này có thể có hơi nước, nước mao dẫn, nước bão hoà không thường xuyên xuất
hiện trong quá trình thấm trọng lực và nước thấu kính. Hơi nước có trong các lỗ rỗng, có thể
chuyển dịch theo dòng khí trao đổi với khí quyển, tạo nước hấp phụ và ngưng tụ. Hơi nước
trong đất có vai trò quan trọng đối với việc tạo vi khí hậu, cần thiết cho hệ sinh vật đất và
thành tạo đất.
67
Nước mao dẫn tồn tại trong các mao mạch, khe đất rất nhỏ, hình thành và di chuyển do
tác động của lực mao dẫn gây nên bởi sức căng mặt ngoài của nước. Nước mao dẫn có giá trị
rất lớn đối với sống sinh vật. Trong đất tồn tại các dạng nước mao dẫn khác nhau như mao
dẫn góc, mao dẫn dâng và mao dẫn treo. Mỗi loại đất đá có khả năng dâng nước mao dẫn
khác nhau. Độ cao cột nước dâng mao dẫn cực đại có giá trị tương đối ổn định, phụ thuộc vào
loại đất, kích thước lỗ hổng, thành phần, tính chất hoá học của nước dâng và thời gian nước
dâng. Trong cát thô, độ cao này đạt tới 35cm sau 3 tháng dâng nước liên tục, trong sét -
500cm sau 1 năm dâng nước liên tục. Công thức Druren tính gần đúng độ cao nước dâng cực
đại có dạng sau:
H
max = 0,15 . r-1 (4.1)
trong đó r - bán kính mao mạch.
Nước thấu kính là loại nước bão hoà, bị giữ lại phía trên các thấu kính không thấm nước
nhỏ, phân bố xen kẽ trong đới thông khí. Nước này thường có lượng nhỏ, động thái biến đổi
mạnh và chất lượng kém, chỉ có ý nghĩa cấp nước cục bộ quy mô nhỏ cho các đối tượng dùng
nước không cần chất lượng cao.
Đới thông khí có khả năng chứa nước tạm thời hoặc cho nước đi qua, do đó nó là nhân tố
quyết định đặc điểm quá trình thấm lượng tổn thất nước do thấm trong quá trình hình thành
dòng chảy do mưa, do đó nó là một trong những nhân tố điều tiết phân phối lại dòng chảy
theo không gian và thời gian. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình thấm là thành phần và tính
chất của đất, độ ẩm đất, đặc điểm của quá trình cấp nước cho thấm. Mỗi loại đất đá có một
khả năng thấm qua nhất định, đặc trưng bằng cường độ thấm ổn định, còn lượng nước cần
thiết để bão hòa các lỗ hổng thì phụ thuộc độ rỗng của đất và độ ẩm đất. Cường độ thấm trong
mỗi trận mưa giảm dần theo thời gian, tương ứng với sự tăng dần mức bão hoà nước trong các
lỗ rỗng. Công thức Alecxâyep tính cường độ mưa theo thời gian có dạng:
V = K + a. t-1/2 (4.2)
trong đó: K- cường độ thấm ổn định, t- thời gian thấm; Tham số phụ thuộc tính chất thuỷ
lý, độ hụt ẩm bão hoà của đất.
Quá trình bão hoà nước tạm thời trong đới thông khí có thể xảy ra khi: 1- Nước ngấm
xuống làm tăng dần mực nước ngầm; 2- Trên mặt đất tồn tại lớp nước bão hoà cấp đồng bộ và
liên tục cho quá trình thấm, dẫn đến miền bão hoà đi từ trên xuống. Quá trình bão hoà thứ hai
này là cơ sở cho hình thành dòng chảy treo, hay còn gọi là dòng dưới mặt, dòng thổ nhưỡng,
là loại dòng chảy dưới mặt đất, nhưng lại có điều kiện tập trung khá nhanh về lưới sông, sinh
lũ ác liệt và bất ngờ.
4.2.2 Nước trong đới bão hoà
Đới chứa nước bão hoà bao gồm một số tầng chứa nước bão hoà nằm xen kẽ với các đáy
cách nước. Tầng chứa nước bão hoà nằm trên đáy cách nước thứ nhất gọi là tầng nước ngầm.
Tầng chứa nước trọng lực bão hoà kẹp giữa hai đáy cách nước gọi vỉa nước. Dưới đây là
những dạng nước thường gặp nhất:
Nước ngầm lỗ hổng, có trong các nón phóng vật, bồi tích thung lũng sông, trầm tích ven
biển. Các nón phóng vật hoặc bình nguyên trước núi thường là lớp trầm tích hạt thô khá dày,
phân bố tương đối rộng, thấm và chứa nước tốt, điều kiện cấp nước thuận lợi, nên lượng nước
dồi dào, phục hồi nhanh. Bồi tích thung lũng sông thường sắp xếp có quy luật trong mỗi chu
kỳ địa chất: phần dưới hạt thô hơn, thường là cuội sỏi, lên trên mịn dần, thường là sét, sét pha,
68
do đó các thung lũng sông có khả năng thấm và chứa nước ngầm tốt theo tầng, điều kiện phục
hồi thuận lợi. Chất lượng hai loại nước trên dễ biến động và phụ thuộc nhiều vào các tác động
trên mặt liên quan đến thấm. Trầm tích ven biển có khả năng chứa nước tốt, nhưng phần dưới
thường là nước mặn. Nước ngọt tầng trên có dạng hình nêm ở ven bờ, hoặc thấu kính ở các
đảo. Ranh giới giữa hai phần là một dải chuyển tiếp từ từ, có thể di động tuỳ thuộc tương
quan giữa khả năng cấp và mức tiêu thụ nước ngọt. Do vậy tầng nước này rất nhạy cảm với ô
nhiễm và nhiễm mặn.
Nước ngầm khe nứt, phân bố trong các khe nứt đủ loại như nguyên sinh, phong hoá, kiến
tạo. Trong tầng gần mặt đất có mặt đầy đủ các loại khe nứt, có thể thông nhau tạo thành tầng
chứa nước liên tục, hoặc đã bị lấp một phần bởi các sản phẩm phong hoá bở vụn làm giảm
khả năng chứa và lưu thông nước. Lưu lượng khai thác loại nước này thường không cao,
không quá vài trăm lít/ngày. Trong các tầng đất sâu hơn chủ yếu gặp khe nứt kiến tạo riêng rẽ,
cắt qua nhiều loại đất đá có tính chứa nước khác nhau, do đó nước có thể có tính có áp, có
nhiệt độ và độ khoáng hoá cao. Trong đá phun trào bazan, hệ thống khe nứt nguyên sinh phát
triển khá đều và mở rộng nên khả năng chứa nước tốt, lưu lượng lỗ khoan tới vài trăm
lít/ngày. Tuy nhiên tầng trên cùng, do phong hoá triệt để thành lớp đất đỏ phì nhiêu, nên thấm
nước rất kém.
Nước ngầm caxtơ phân bố trong các hang động caxtơ thường có kích thước lớn và thông
nhau tốt, do đó có trữ lượng lớn và động thái biến đổi mạnh, lan truyền ô nhiễm nhanh.
Nước vỉa là loại nước nằm trong lớp đất đá thấm nước tốt kẹp giữa hai lớp cách nước,
thường phân bố sâu, động thái biến đổi chậm, khả năng tiếp xúc với nguồn ô nhiễm cũng như
khả năng tự làm sạch hạn chế. Nước có thể thuộc loại có áp hoặc không áp.
4.3 Chế độ nước dưới đất
Mức biến động chế độ nước dưới đất phụ thuộc vào các yếu tố sau: 1- Điều kiện khí hậu
miền cấp và miền phân bố; 2- Mức độ và khả năng lưu thông với nước mặt; 3- Khả năng thấm
nước, chứa nước, giữ nước, cấp nước, biến đổi chất lượng nước của tầng đất đá.
Yếu tố nguồn cấp bao gồm cường độ cấp nước, thời gian cấp nước và chất lượng nước
cấp. Đối với nước cấp là mưa, yếu tố này phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, địa hình, thảm phủ
thực vật, kích thước miền cấp và tác động của con người. Đối với nguồn cấp là nước của thuỷ
vực khác, yếu tố nguồn cấp bao gồm đặc điểm chất lượng nước nguồn và mối quan hệ thuỷ
lực giữa hai thuỷ vực, kích thước miền quan hệ. Nhìn chung các tầng nước nằm càng sâu càng
khó có khả năng trao đổi nước tích cực, nên lượng nước biến đổi chậm và khả năng tái tạo
hạn chế. Càng xuống sâu nhiệt độ đất càng cao, do đó nước dưới đất có thể có nhiệt độ cao.
Mức nhiệt độ phụ thuộc vào độ sâu, miền chuyển qua và thời gian chuyển dịch.
Những dao động mực nước do mưa, gây biến động trữ lượng, diễn ra rộng khắp và có
tính quy luật nhất định, phản ánh tính biến động có chu kì theo mùa và nhiều năm của tài
nguyên, nhưng diễn biến chậm, lệch pha về thời gian và nhỏ hơn về biên độ so với chế độ
nước mặt.
Những dao động mực nước gắn với biến động cung cầu bất thường thường diễn ra trong
phạm vi hẹp hơn và mang tính địa phương. Ví dụ như: Trong vùng nước ngầm bị khai thác
nhân tạo bằng giếng, gương nước ngầm có thể bị hạ thấp trên một diện rộng và có dạng hình
phễu. Trong các tầng nước ngầm lưu thông trực tiếp với nước sông, khi mực nước sông lên
cao hơn mực nước ngầm, sẽ xảy ra quá trình điều tiết bờ, trong đó nước sông xâm nhập mạnh
vào tầng ngầm, làm thay đổi độ dốc mặt nước, hướng chảy, làm tăng trữ lượng nước ngầm,
69
đồng thời làm giảm cường suất lũ lên và cao trình đỉnh lũ trong sông. Khi mực nước sông
giảm, lượng nước điều tiết được cấp trả lại sông, làm tăng dòng chảy sông. Những vùng bờ đã
bị bê tông hoá sẽ mất khả năng điều tiết dòng chảy theo cơ chế này.
Nhiệt độ nước dưới đất chịu tác động của điều kiện khí hậu miền cung cấp và phân bố.
Như đã biết, dao động nhiệt độ ngày đêm của đất đá không truyền quá độ sâu 1-2m, theo mùa
không truyền quá độ sâu 8 - 10m và theo năm không truyền quá độ sâu 15 - 30m. Dưới đó là
đới nhiệt độ tăng dần theo độ sâu. Do đó nước dưới đất có chế độ nhiệt phân hoá rõ nét, có thể
được dùng làm cơ sở cho nghiên cứu nguồn gốc của nó. Theo nhiệt độ nước dưới đất được
chia thành sáu loại: lạnh < 30oC; ấm 30 – 35oC; nóng 35 – 50oC; rất nóng 50 – 70oC; quá
nóng 70 - 100oC; nước sôi > 100oC.
Chế độ khoáng của nước dưới đất biến đổi không có quy luật rõ rệt. Độ khoáng hoá của
nước chịu ảnh hưởng trực tiếp của nguồn cấp, môi trường chứa và đặc điểm quá trình tiêu
hao. Thông thường nước dưới đất có độ khoáng hoá cao hơn nước mưa và nước mặt. Do vậy
vùng mặt đất thuận lợi cho bốc hơi nước dưới đất tự nhiên sẽ có nguy cơ bị mặn hoá cao.
Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng nước trong các lớp trầm tích mặn dần theo độ sâu, gần tầng
mặt nước nhiều sulfat, lớp trung gian nhiều muối bicacbonat, ở lớp sâu nhất nước có nồng độ
clo cao hơn.
Theo độ khoáng hóa nước khoáng được chia thành năm loại: rất thấp <1g/l; thấp 1 - 5g/l;
trung bình: 5 - 10g/l; cao 10 - 35g/l; rất cao >35g/l.