Nguyên lý thủy văn ( NXB ĐH Quốc gia Hà Nội ) - Chương 5 pot

Chương Nước Ngầm 5.1 Giới thiệu định nghĩa Hầu hết giáng thuỷ mà đạt tới bề mặt nước ngầm bị hấp thụ lớp đất mặt Phần lại, tích trữ chỗ lõm xuống lấp đầy, chảy tràn mặt dòng chảy tràn chảy tới lòng dẫn sông suối cách nhanh Nước thấm vào đất sau bị bốc hơi, chảy hai bên bờ sông gần tới bề mặt dòng chảy sát mặt Một phần nước có thĨ thÊm d­íi t¸c dơng cđa träng lùc tíi khèi nước ngầm Phần biểu đồ thấm lÃnh thổ thung lũng sông Hình 5.1(a) thể đới nước đất đà phân loại theo cách truyền thống Giáng thuỷ vào đới thổ nhưỡng bề mặt đất di chuyển xuống phía tới mặt nước ngầm đánh dấu bề mặt bên đới bÃo hoà Ngay mặt nước ngầm viền mao dẫn hầu hết tất lỗ hổng bị lấp đầy nước Giữa lớp đới thổ nhưỡng đới trung gian, sù di chun cđa n­íc chđ u lµ h­íng xng phía Những đới thay đổi phần khác lưu vực sông Trên sườn thung lũng, nước thoát từ đới thổ nhưỡng theo quy tắc vào đới trung gian cuối không đạt tới đới bÃo hoà có lẽ sâu vài trăm mét lớp đất bên Tuy nhiên, vùng đồng ngËp lơt, líp mao dÉn th­êng më réng vµo ®íi thỉ nh­ìng hc thËm chÝ tíi chÝnh bỊ mỈt đất, tuỳ thuộc vào độ sâu mặt nước ngầm độ cao lớp mao dẫn Mặc dù tiện lợi giới thiệu, phân loại có xu hướng không làm rõ nghĩa thực tế nước mặt chất hệ thống động lực Cũng thay đổi theo không gian bên lưu vực sông, đới thay đổi qua thời gian, dao động theo mùa mặt nước ngầm vào lớp mao dẫn bên vào đới thổ nhưỡng Nhiều phương sách khác đà thông qua để làm sáng tỏ khác nước đất nước ngầm Những phương sách đà giới hạn xem xét vấn đề nghiên cứu trước tiến hành đo đạc nước ngầm độ sâu lớp đất chøa nh÷ng rƠ thùc vËt (Shaw, 1994; Price, 1996) Tuy nhiên, nước đất thường định nghĩa nước mặt đới thông khí, tức đất chưa bÃo hoà lớp đất nằm bên mặt nước ngầm Nước ngầm định nghĩa nước mặt đất đá đà bÃo hoà hoàn toàn Sự khác biệt điều kiện bÃo hoà chưa bÃo hoà điều quan trọng Trong đới bÃo hoà, không gian lỗ hổng hoàn toàn bị lấp đầy nước áp suất nước lớn áp suất khí Trong đới thông khí, không gian lỗ hổng chứa nước không khí áp suất nước nhỏ áp suất khí 134 Hình 5.1 Nước đất: (a) tầng mà nước đất phân loại theo cách truyền thống; (b) mối quan hệ tầng ngậm nước không ¸p, thÈm thÊu vµ cã ¸p Chó ý r»ng c¸c mực năng, đo đạc thiết bị đo A, B C, khác Tuy nhiên, điều kiện bÃo hoà không bÃo hoà phần liên tục nước mặt mà trạng thái chuyển động liên tục dòng chảy Đới thông khí thực đới chuyển tiếp nước bị hấp thụ, giữ lại hay chuyển đi, xuống phía mặt nước ngầm lên phía bề mặt đất mà từ bị bay Những lần mưa rơi kéo dài có cường độ cao, phận đới thổ nhưỡng trở thành bÃo hoà tạm thời bị chia tách lớp không bÃo hoà từ nước ngầm bên Tính tạm thời vậy, mặt nước ngầm trªn cao cã thĨ dÉn tíi cã mét líp treo lơ lửng đất làm chậm lại thoát nước nước thấm qua, hay lớp mặt đất có khả ngấm chậm để dẫn tới điều kiện bÃo hoà Những vùng thường thời gian ngắn cục tồn bÃo hoà bên đới thông khí quan trọng việc phát sinh dòng chảy thứ cấp tới lòng dẫn sông suối (xem Mục 7.4) Nước ngầm kho chứa nước sử dụng lớn trái đất trừ tảng băng núi băng, đà ước lượng chiếm khoảng 94% toàn nước (xem Bảng 1.1) Bốn mươi phần trăm nước ngầm giữ bên km lớp bề mặt đất Kích thước tuyệt đối kho chứa nước trông thấy 135 chí minh hoạ ấn tượng việc chuyển đổi thành lượng giáng thuỷ tương đương Nếu phân bố toàn bề mặt địa cầu, nước ngầm đạt tới độ sâu 19.6 m Nh­ mét sù lùa chän, nã sÏ bao phủ bề mặt đất trái đất tới độ sâu 67.2 m, so với lượng giáng thuỷ trung bình hàng năm 0.75 m Trong thực tế phân bố biến động như, ví dụ, Hoa Kỳ nơi mà toàn không gian lỗ hổng bị nước, khí gas xăng dầu chiếm giữ thay đổi phạm vi từ m cao nguyên Piedmont tới khoảng 2500 m châu thổ Mississippi (Heath,1983) Vai trò nước ngầm nhân tố điều khiển khổng lồ chu trình thuỷ văn nhìn nhận từ thời gian tồn lớn, trung bình khoảng 300 năm, có khác biệt đáng kể vị trí Nước ngầm trì dòng chảy sông ngòi suốt thời kỳ thời tiết khô hạn lµ mét ngn n­íc chđ u nhiỊu khu vùc khô hạn Do thời gian tồn dài nó, vùng mà có khí hậu khô hạn mà có hội cho nước thấm xuống sâu, nhiên có dự trữ nước ngầm lớn mà kết ngấm thời kỳ mưa trước Ví dụ, có dự trữ nước ngầm khổng lồ, tương đương với 10 km3 nước, vùng sa mạc Sahara Mặc dù ®· cã nhiỊu sù tranh c·i qu¸ khø vỊ nguồn gốc nước ngầm, rõ ràng hầu hết toàn băng, tức lấy từ ẩm khí ngưng tụ mà đà thấm xuống qua đới thông khí Chỉ lượng nhỏ nước ngầm bắt nguồn từ n­íc bÈm sinh, mµ cã ngn gèc nh­ n­íc biĨn bị giữ số đá thời kỳ bị chôn vùi chúng Những tài liệu giá trị phát triển í tưởng thuỷ văn nước ngầm đà Back Herman cung cấp (1997) Narasimhan (1998) 5.2 Cơ sở địa chất Các lớp đá hay trầm tích không vững mà chứa vật chất đà hoà tan đủ để sản xuất lượng nước đáng kể biết đến tầng ngậm nước hình thành nước ngầm rÊt Ýt cã thĨ n­íc thÊm qua vµ trun nước chậm chạp tầng ngậm nước liền kề thường biết đến tầng không thấm Các thuật ngữ mơ hồ ám đặc trưng tương đối tuyệt đối Vì đáy bùn tầng không thấm chuỗi địa tầng học lớp bùn cát xen kẽ liên thông lớp với đáy sét khả thấm hơn, bùn tầng ngậm nước Hầu hết tầng ngậm nước làm thành từ lắng đọng trầm tích hình thành từ xói lở lắng đọng loại đá khác ví dụ đá cát đá vôi.v.v Ngược lại, đá núi lửa đá biến chất, hình thành điều kiện áp suất nhiệt độ cao, nói chung có không gian lỗ hổng liên thông kết hầu hết có khả chứa nước thấp Giới hạn bên nước ngầm xảy độ sâu mà khe nứt nhỏ đến mức mà chuyển động xuống xa gần Biên nước ngầm thường hình thành địa tầng đá đặc, sét, đá phiến hay đá granite, lớp bên đá mẹ nơi mà khối nước ngầm xuất bên trầm tích bề mặt vật chất bị phong hoá Thay vào đó, nén địa tầng độ sâu, mà dẫn đến từ tăng trọng lượng đá nằm bên trên, có ý nghĩa độ sâu cuối đạt tới mà khe nứt đà bị giảm kích thước lẫn số lượng nhiều đến mức mà chuyển động nước xa bị ngăn cản Độ sâu mà điều xảy phụ thuộc vào đặc tính 136 đá ngậm nước đá granite đặc nông đá cát nhiều lỗ rỗng Tuy nhiên, số khe nứt có xu hướng chung giảm theo độ sâu bên khoảng 10 km toàn đá có lẽ là, thực tế, xem thấm qua (Price, 1985) 5.3 Các tầng ngậm nước có áp không áp Biên đới bÃo hoà thay đổi tuỳ theo lượng nước ngầm có áp hay không áp (xem Hình 5.1(b)) Trong trường hợp nước ngầm không áp, biên thường xem mặt nước ngầm, xác định mực nước mà áp suất nước lỗ hổng với áp suất khí Mặt nước ngầm có xu hướng theo sau đường đẳng trị bề mặt đất nằm bên trên, có dạng uyển chuyển Giả sử lượng tương tự thấm xuống từ mưa rơi đất cao thấp, cường độ giảm nhẹ mặt nước ngầm phụ thuộc phần lớn vào kết cấu vật chất có đới bÃo hoà Trong trường hợp đá kết cấu mở, chuyển động nước ngầm nhanh đến mức mà nước thoát phía thung lũng từ bên nước ngầm cao có bổ xung từ giáng thuỷ diễn ra, độ cao tích luỹ bên vùng sâu Xu hướng phóng đại thực tế giáng thuỷ thường tăng ngấm xuống đất Nước ngầm cao biểu thị trường hợp đặc biệt nước ngầm treo, không áp đáy không thấm bán thấm nằm bên không liên tục vùng thật lớn đặt vị trí số vùng cao bên khối nước ngầm Nước ngầm treo thường xảy nơi mà đáy không thấm tồn độ sâu nhỏ phân cắt cạnh đáy thung lũng Trong nhiều vùng nước ngầm không áp bắt gặp việc khoan lỗ khoan vào lòng đất ta bắt gặp nước ngầm đặt cao Như đà trước đây, nước thấm qua đới thông khí sau trận mưa rơi lớn xem khối nước ngầm treo cao tạm thời (cũng xem thảo luận nước sát mặt Chương 7) Biên khối nước ngầm có áp hình thành đáy khả thấm nằm bên (xem Hình 5.1(b)) Sự khác biệt nước ngầm có áp không áp thường làm chênh lệch thuỷ lực dòng nước có áp dòng tự do, nước ngầm không áp Tuy nhiên, mặt thuỷ văn hai dạng phần hệ thống thống nhất, đơn Vì vậy, hầu hết tầng ngậm nước có áp có vùng không áp mà qua cung cấp nước ngầm diễn thấm qua thẩm thấu mặt nước ngầm, đà định nghĩa trên, biểu thị bề mặt đới bÃo hoà Hơn nữa, việc đáy có áp không thấm hình thành chướng ngại thực cho chuyển động nước ngầm thường có số trao đổi độ cấp nước độ dẫn thuỷ lực, nước ngầm có áp bên đáy có áp nước ngầm không áp bên Thực vậy, ý đà vẽ cho cảm nhận tương đối thuật ngữ tầng ngậm nước tầng không thấm phải sử dụng thực tế khối đá hình thành tầng không thấm trường hợp lại hình thành tầng ngậm nước trường hợp khác Từ mặt nước ngầm vùng nước ngầm không áp, qua thấm nước diễn 137 ra, đặt vị trí cao độ cao vùng nước ngầm có áp tầng ngậm nước, theo nước ngầm vùng sau áp suất tương đương với chênh lệch mực thuỷ tĩnh hai lớp Nếu áp suất giải phóng cách cục bộ, hạ thấp giếng vào tầng ngậm nước có áp, mực nước theo lý thuyết giâng lên giếng tới độ cao cột nước thuỷ tĩnh, tức độ cao mặt nước ngầm vùng cấp nước trừ độ cao tương đương tổn thất lượng dẫn đến từ ma sát nước ngầm chuyển động rắn tầng ngậm nước điểm nạp vào điểm lấy nước Bề mặt tưởng tượng mà nước giâng tới giếng khoan tầng ngậm nước có áp gọi bề mặt đo nước (Lohman, 1972; Freeze Cherry, 1979) Thuật ngữ đà thay tên gọi ban đầu, chẳng hạn bề mặt đo áp suất áp dụng cho tầng ngậm nước có áp không áp Trong thực tế, cao độ bề mặt đo đo đạc, không giếng, mà áp kế, mà ống nhựa kín trừ độ dài đáy Trong trường hợp nước ngầm không áp điều kiện trạng thái ổn định, tức dòng chảy, mặt nước ngầm mặt đô xuất cao độ Tuy nhiên, nước ngầm không hạn định chảy, cao độ mặt nước ngầm mặt độ cao khác nhau, độ cong đường dòng hệ thống nước ngầm địa phương Thuật ngữ giếng phun đà sử dụng khác cách để mô tả tầng ngậm nước có áp, hay giếng mà xuyên qua tầng ngậm nước có áp, hay bắt kỳ giếng tạo nước chảy cách tự lên mặt đất Một số loại điều kiện giếng phụ chảy tự phổ biến tìm thấy vùng địa tầng trầm tích uốn nếp chảng hạn vùng tỉnh Artois miền bắc nước Ph¸p, l­u vùc London ë Anh, hay c¸c l­u vùc giếng phun lớn trung đông Austrialia đồng Great Mỹ Ban đầu giếng hai lưu vực cuối bắt gặp nước với áp suất ban đầu có khả để phun vọt cao 45 m bên bề mặt đất, cột áp suất sau bị giảm nhanh (Davis De Wiest, 1966) Các điều kiện giếng phun đà tìm thấy đá kết tinh nứt nẻ đứt gÃy, đặc biệt nơi mà chúng phủ trầm tích mặt tương đối không thấm Các giếng phun tự nhiên kết việc đứt gÃy vùng đá trầm tích uốn nếp Các điều kiện giếng phun không đòi hỏi đáy có áp nằm bên cã thĨ diƠn ë nh÷ng vïng dèc nh­ mét kết điều khiển địa hình (Mục 5.5.4) Việc phân loại nước ngầm thành không áp, có áp, cao (nước treo) có xu hướng nhấn mạnh khác biệt ba loại mà khã nhËn thùc tÕ, thËm chÝ c¸c điều kiện địa lý thuỷ văn đơn giản Trong vùng địa lý thuỷ văn phức tạp thuật ngữ trở nên ý nghĩa Tuy nhiên, loại đà chấp nhận cách rộng rÃi tài liệu nghiên cứu sử dụng chương cấu trúc tiện lợi cho việc đảm bảo thảo luận trữ lượng nước ngầm chuyển động nước ngầm 5.4 Trữ lượng nước ngầm Các tầng ngậm nước xem hồ chứa nhân tạo cho kho nước ngầm đường ống cho chuyển động nước ngầm Bởi phần lớn nước ngầm chuyển động chậm có thời gian cư trú tầng ngậm nước dài, chức lưu trữ thường rõ ràng hơn.Tuối nước số tầng ngậm nước 138 Anh Libya, ví dụ đà đánh giá 20000-30000 năm (Downing người khác, 1977; Wright người khác, 1982) trung Australia số nước ngầm 1.4 triệu năm tuổi (Haberinehl, 1985) Rõ ràng xác định xác tuổi nước ngầm quan trọng cho việc đánh giá tiềm tài nguyên khối nước ngầm tính chất bị tổn thương ô nhiễm (Andrews, 1991) Các phương pháp xác định niên đại thường dựa sử dụng loại chất hoà tan bắt nguồn từ khí từ bên bề mặt đất, ví dụ khí helium (He) argon (Ag) Mục xem xét đặc trưng kho chứa nước ngầm, đặc biệt đặc trưng tầng ngậm nước ảnh hưởng tới nó, chẳng hạn độ rỗng suất khai thác riêng giữ lại chế thay đổi lượng trữ tầng ngậm nước có áp không áp 5.4.1 Độ rỗng Lượng nước ngầm lưu trữ vật chất đà bÃo hoà phụ thuộc vào độ rỗng Độ rỗng thường biển diễn phần trăm tổng thể tích đá hay đất mà biểu thị khe nứt nó, hay khoảng trống Trong hầu hết khe nứt không gian hạt nhỏ số có nhiều hang động Một hiểu biết đặc tính khe nứt rõ ràng cần thiết cho tìm hiều lượng trữ chuyển động nước ngầm, vài phương pháp đà đề xuất để phân loại chúng Sự phân loại sử dụng thường xuyên dựa cách thức nguồn gốc chúng xem xét khe nứt gốc thứ cấp (Todd, 1980; Heath, 1983) Khe nứt gốc, tên ám chỉ, đà tạo thời điểm ban đầu đá mà chúng diễn Vì đá trầm tích chúng xảy đồng thời với không gian hạt, trong đá nham thạch, mà chúng thường dẫn tới từ việc làm nguội macma nóng chảy, chúng phạm vi kích thước từ không gian đá kết tinh nhỏ tới hang động lớn Khe nứt thứ cấp kết hoạt động sau nhân tố địa lý, khí hậu hay sinh học đá gốc Những đứt đoạn nứt nẻ, mở rộng có lẽ việc phong hoá hoà tan phổ biến Các khe nứt thường tìm thấy đá kết tinh cứng, già mà độ rỗng hạt đóng vai trò lưu trữ chuyển động nước ngầm ví dụ qua vùng rộng lớn châu Phi, phía bắc Bắc Mỹ, phía bắc châu Âu ấn Độ Một vấn đề với loại phân loại phát sinh khe nứt không gian hạt gốc thường sau bị điều chỉnh lại trình bao gồm hoà tan xi măng hoá Do phân loại giống, có lẽ thích hợp độ rỗng không gian hạt đất đá (Hình 5.2(a)-(d)) độ rỗng thứ cấp trình hoà tan dọc theo vết nứt xếp tầng mặt phẳng (Hình 5.2(e)) việc nứt nẻ đứt gÃy (Hình 5.2(f)) Sự lẫn lộn nảy sinh ra, trường hợp đá nứt nẻ tốt, ví dụ, độ rỗng đá rắn (mà thấp) độ rỗng toàn địa tầng (mà tương đối cao) Thật quan trọng để nhận tất khe nứt liên quan trong khái niệm độ rỗng, nứt nẻ, mặt xếp tầng nết đứt gÃy, bao gồm khe rỗng mở rộng hoà tan phong hoá, phải bao gồm phần tổng thể tích khe nứt Điều có hàm ý quan trọng cho kích thước mẫu sử dụng việc đo đạc độ rỗng ®é 139 dÉn thủ lùc (xem Mơc 5.5.2 vµ 5.6), mẫu lớn, thích hợp với khe nứt lớn, chẳng hạn khe nứt hay nết đứt gÃy Đôi môi trường rỗng chứa khoảng trống mà không liên kết với khoảng trống khác mặt khác thuỷ văn Những khoảng không phận độ rỗng phát sinh, mà định nghĩa độ rỗng mà hoạt động lượng trữ chuyển động nước ngầm không xem xét kỹ Trong phân tích hệ thống tầng ngậm nước thường giả thiết tầng ngậm nước đồng đẳng hướng Đó thuộc tính cố hữu nước ngầm chẳng hạn độ rỗng, có giá trị vị trí khác tầng ngậm nước (tính đồng nhất) theo hướng khác từ điểm (đẳng hướng) Tuy nhiên, trạng thái tự nhiên trình địa lý trình thứ cấp có ý nghĩa chí trầm tích đồng có định hướng ưu tiên phần tử vết đứt gÃy (bất đẳng hướng) Sự phân tầng hầu hết trầm tích thường phổ biến tính bất đồng đáng kể (Downing Jones, 1985) Hình 5.2 Các loại khe nứt: (a) hạt không thấm xếp tương đối đồng đều, (b) hạt không thấm xếp không đều, (c) hạt có khả thấm, (d) hạt sỏi đà gắn kết phần, (e) hình thành hòa tan dọc theo chỗ nối mặt đáy đá cacbon f(f) hình thành ®øt g·y c¸c ®¸ c¸t kÕt (theo Meinzer, 1923) Độ rỗng môi trường phụ thuộc vào số nhân tố, gồm có dạng, xếp cấp độ hạt việc phân loại phần tử cấu thành phạm vi thay đổi nảy sinh từ hoà tan, gắn kết, nén chặt đứt đoạn đà xảy Ví dụ, vật chất bị phân loại (với phạm vi kích thước hạt lớn) có độ rỗng thấp khe nứt mảnh lớn bị lấp đầy với hạt nhỏ độ rỗng giảm tương ứng so sánh với vật chất gồm hạt kích thước đồng ảnh hưởng kết hợp nhân tố khác minh hoạ Bảng 5.1, thể phạm vi điển hình độ rỗng cho số loại vật chất khác Nói chung, đá đá cát kết, đá phiến sét đá vôi có độ rỗng thấp đất trầm tích chưa trở nên Thoạt đầu lạ đất sét, thường hình thành ngăn cản chuyển động nước, lại có độ rỗng cao, tầng ngậm nước tốt, đá cát kết, có độ rỗng thấp tới trung bình Tuy nhiên xem xét thấy độ rỗng xác định nước môi trường bÃo hoà chứa, nghĩa toàn nước thực sẵn sàng cho chuyển động chu trình thuỷ văn Phần nước ngầm mà lưu động tiềm phụ thuộc phần vào khe nứt liên thông tốt phần vào kích thước khe nứt đó, liên quan tới lực mà nước giữ chúng 5.4.2 Năng suất riêng giữ lại riêng 140 Độ rỗng xác định lượng nước lớn mặt lý thuyết mà tầng ngậm nước giữ bÃo hoà hoàn toàn Trong thực tế, nhiên, phần độ rỗng thực có sẵn để trì lưu lượng nước ngầm chỗ thấm ra, hay chứa giếng Phần suất riêng mà định nghĩa thể tích nước mà thoát tự từ đất đá bÃo hoà tác dụng trọng lực, thường biểu diễn phần trăm tổng thể tích tầng ngậm nước (không không gian rỗng) Nó đo đạc nhiều phương pháp khác nhau, kiểm tra bơm giếng nói chung đưa kết thích hợp (Todd, 1980) suất riêng giếng Thể tích nước lại (cũng thường biểu diễn phần trăm tổng thể tích tầng ngậm nước), mà giữ lại lực ứng suất tiếp mặt xung quanh hạt riêng biệt ống mao dẫn, xem giữ lại riêng Thuật ngữ tương tự với khả mà sử dụng nói tới nước đất (Mục 6.3.4) tương tự mơ hồ theo cảm nhận lượng nước cố định mà thoát nước trọng lực bị ngừng lại Một ví dụ cực hạn khác biệt độ rỗng suất riêng tầng ngậm nước đưa đá phấn Đây loại đá vôi mịn kích thước rỗng chất đặc trưng nhỏ m phần nhỏ nước lỗ hổng thoát tự tác dụng trọng lực (Price người khác, 1976) Tại vị trí phía nam nước Anh, Wellings (1984a) đà tìm thấy độ rỗng đá phấn khoảng 30%, suất riêng khoảng 1% Một phần nước lớn cho thực vật lớp giá trị hút rễ (xem Mục 6.3.1) vượt 1000 kPa đà ghi nhận Mối quan hệ giá trị độ rỗng, suất riêng giữ lại riêng cho loại vật chất chưa nén chặt khác điển hình thể hình 5.3 Hình rằng, kết cấu vật chất trở nên thô hàm ý tầm quan träng cđa c¸c khe nøt cã kÝch th­íc lín tăng lên, giữ lại riêng độ rỗng tổng cộng tăng Mặc dù đất sét có độ rỗng tổng cộng cao, nước sẵn có dạng suất riêng lại nhỏ 5.4.3 Thay đổi lượng trữ Độ rỗng, giữ lại riêng suất riêng điều khiển khả tầng ngậm nước để lưu trữ trì nước, lượng nước thực có mặt thời điểm phản ánh thay đổi lượng trữ mà đến lượt xác định việc thay đổi cân nạp vào tháo từ tầng ngậm nước Nếu nạp vào suốt thời khoảng cho trước lượng tháo ra, lượng nước kho trữ không đổi; nạp vào vượt tháo ra, lượng trữ tăng khi, tháo lớn nạp vào, lượng trữ giảm Điều biểu diễn cách tiện lợi dạng phương trình cân nước đơn giản: S Qr Qd (5.1) Trong S thay đổi trữ lượng nước ngầm, Qr nạp vào cho nước ngầm Qd lượng tháo từ nước ngầm Một hiểu biết thành phần phương trình cân nước ngầm thường điều kiện tiên thử nghiệm thành công để khai thác nước ngầm nguồn tài nguyên 141 Hình 5.3 Mối quan hệ độ rỗng, suất riêng giữ lại riêng cho loại vật chất chưa nén chặt khác nhau, thể giá trị điển hình mà khác biệt với giá trị vị trí riêng (theo sơ đồ Eckis, 1934) Các thành phần cung cấp cho nước ngầm là: - Sự thấm qua giáng thuỷ bề mặt đất mà dẫn tới nước thoát bên đới rễ trở thành sẵn có tiềm cho cung cấp nước ngầm; - Sự thấm qua đáy bờ khối nước mặt hồ, sông, đặc biệt điều kiện khô hạn bán khô hạn chí đại dương; - Sự lọt qua nước ngầm chảy vào từ tầng không thấm tầng ngậm nước liền kề; - Sự cung cấp nước nhân tạo từ thuỷ lợi, hoạt động trải rộng, giếng phun rỉ từ cống đường ống cấp nước Các thành phần thoát là: - Sự bốc hơi, đặc biệt vùng nằm thấp mà mặt nước ngầm gần với bề mặt đất; - Sự tháo tự nhiên theo nghĩa dòng chảy rò rỉ thấm vào khối nước mặt - Nước ngầm thấm chảy qua tầng thấm nước vào tầng ngậm nước liền kề; - Sự rút nhân tạo Lượng nước bổ xung cho tầng ngậm nước lượng bổ sung vào định (hoặc loại bỏ từ tầng ngậm nước lượng tháo định) biểu thị khả trữ, hay hệ số lượng trữ tầng ngậm nước Một cách thức, hệ số định nghĩa thể tích nước mà tầng ngậm nước lấy vào trong, giải phóng từ lượng trữ đơn vị diện tích bề mặt tầng ngậm nước đơn vị thay đổi cột nước Điều minh hoạ đơn giản cho hình lăng trụ tầng ngậm nước không áp Hình 5.4(a) Khi mặt nước ngầm hạ xuống 0.5 m diện tích mặt cắt ngang hình lăng trụ 10 m2 nước ngầm thoát từ m3 (5000000 cc) đá Nếu lượng nước thoát 50 l (50000 cc) giá trị hệ số lượng trữ không thứ nguyên 50000/5000000 = 0.01 Trong điều kiện không áp hệ số lượng trữ tương ứng với suất riêng (Mục 142 5.4.2), miễn thoát trọng lực đầy đủ, thường thay đổi phạm vi từ 0.01 đến 0.03 (Heath, 1983) Trong điều kiện có áp (Hình 5.4(b)) việc chảy ngược nước tầng ngậm nước xảy bề mặt đo dốc nghiêng Để thay thể tích nước giải phóng bề mặt đo hạ xuống kết giảm xuống cấu trúc hạt tầng ngậm nước mét sù më réng rÊt nhá cđa n­íc tÇng ngậm nước (xem Mục 5.4.3.2) Các hệ số lượng trữ tầng ngậm nước có áp có xu hướng nhỏ đáng kể so với cho tầng ngậm nước không áp, giảm xuống vòng phạm vi 0.00005 tới 0.005 (Todd, 1980) Nói cách khác, thay đổi đo gắn liền với thể tích nạp lại hay thoát định tầng ngậm nước có áp lớn nhiều so với thể tích tương tự nạp lại hay thoát tầng ngậm nước áp Rõ ràng, có khác biệt đáng kể chế thay đổi lượng trữ điều kiện có áp không áp khác biệt thảo luận sau Hình 5.4 Sơ đồ minh họa số dạng tính toán thay đổi lượng trữ tầng ngậm nước (a) không áp (b) có áp Hình lăng trụ tầng ngậm nước có diện tích mặt cắt ngang 10m2 suy giảm mặt nước ngầm 0.5m (Theo sơ đồ Tođ, 1980) Những thay đổi lượng trữ tầng ngậm nước không áp Những thay đổi lượng trữ điều kiện không áp tương đối không phức tạp thường phản ánh cách trực tiếp thay đổi mực nước ngầm Khi lượng nạp vào vượt lượng rút ra, cao độ mặt nước ngầm tăng lên lượng rút lớn lượng nạp vào, mặt nước ngầm hạ xuống Lượng nạp vào lượng rút từ hệ thống nước ngầm thường xảy đồng thời, dao động mực nước ngầm phản ánh thay đổi thực lượng trữ tương tác hai thành phần Nghiên cứu làm sáng tỏ dao động mặt nước ngầm phần thiếu nghiên cứu lượng trữ nước ngầm 143 khác kết điều kiện thủy văn học địa hình khác (Maxey, 1968; Maxey Farvolden, 1965) Hình 5.14 Dạng dòng nước ngầm đối xứng qua đường giữa đáy thung lũng phân chia nước ngầm (Theo sơ ®å cña Tãth, Journal of Geophysical Research, 67, trang 4380, Hình Liên hiệp địa chất Hoa Kỳ 1962) Các mô hình nước ngầm không áp đà thảo luận giả sử môi trường lỗ hổng đồng đẳng hướng mặt thuỷ văn Trong nhiều vùng giả thiết không hợp lý Maxey (1969) đà đề nghị, ví dụ, ứng suất kiến tạo lưu vực Great phía tây nam nước Mỹ đà phá vụn đá mà vùng lớn đóng vai trò đơn vị thuỷ văn đồng đẳng hướng theo nhiều cách tương tự dụng cụ đo thấm bị lấp đầy cát 5.5.6 Dòng chảy nước ngầm có áp thái cực khác từ tầng ngậm nước không áp đẳng hướng đồng tình đó, với đáy xen kẽ thạch học khả thấm khác đáng kể, nước ngầm có ápbên lớp không thấm mặt đo trường dòng chảy hoàn toàn độc lập địa hình bề mặt hình thể mặt nước ngầm khối nước ngầm không áp Những thường tìm thấy điều kiện thực hệ thống có áp hoàn toàn hệ thống hoàn toàn không áp, hệ thống dòng chảy mà có đặc trưng riêng biệt hai thái cực (Domenico, 1972) Ví dụ, đà ghi mục 5.3 đáy giới hạn hình thành biên ngăn cách tuyệt đối chuyển động nước thường có số cấp độ tính liên tục thuỷ lực Điều gợi ý phân bố theo độ sâu khối nước ngầm có áp phần bị ảnh hưởng phân bố mặt nước ngầm nằm bên Trong trường hợp không áp, trường dồng chảy có đặc trưng có áp dòng chảy bị khúc xạ việc làm bật lên từ đáy có khả thấm thấp, đến tiếp xúc với bề mặt thấp đáy Điều minh hoạ rõ ràng Hình 5.15 Hình biểu thị hệ thống không áp với tính liên tục thuỷ lực theo hướng thẳng đứng Các đường dòng đáy có khả thấm cao gần tiếp xúc với bề mặt thấp đáy có khả thấm thấp Có khác biệt nước ngầm dọc theo đường thẳng đứng tưởng tượng qua đáy có khả thấm cao, đường kéo dài lên phía trên, cắt ngang qua vài đường đẳng đáy có khả thấm thấp 158 tương đối vật chất có khả thấm trung bình Vì vậy, giếng khoan thẳng đứng khoan từ mặt đất, có gia tăng cột nước đo lớn vào đáy có khả thấm cao mực nước tĩnh tự thiết lập nhanh nơi khác hệ thống Sự gia tăng cột nước thường quy cho có áp nước với áp suất thủy tĩnh, thùc tÕ nã sù chun ®éng cđa n­íc qua đáy có khả thấm thấp Nói cách khác, điều kiện bao hàm thuật ngữ có áp phát sinh khu vực khả thấm thấp nằm khu vực khả thấm cao (Domenico, 1972) Các điều kiện giếng phun trường hợp cực hạn điều kiện (Price, 1996) Hình 5.15 Sự khúc xạ đường dòng hệ thống không áp khác biệt khả thấm (Theo sơ đồ M K Hubbert, Journal of Geology, 48, Đại học Chicago, 1940) 5.5.7 Dòng chảy nước ngầm khu vùc Sù nhËn r»ng n­íc ngÇm cã thĨ thay đổi có áp không áp chảy qua dÃy vật liệu có tính thấm trái ngược nhau, làm cho dễ dàng thích ứng với khái niệm dòng chảy nước ngầm khu vực qua khoảng cách lớn liên quan tới nhiều cho lưu vực địa hình Những khái niệm đà Chamberlin (1885), King (1899), Meinzer(1917) Hubbert (1940) đưa đà nhận tính hệ thống dòng chảy nước ngầm khu vực Tuy nhiên, phát triển đáng kể ý tưởng phải đợi tới phát triển nhứng kỹ thuật mô hình hoá dựa máy tính, có tính cao vào năm 1960 nhóm nhà thuỷ văn Canada gồm có J Tóth, P Meyboom R A Freeze Họ đà có đóng góp quan trọng Tóth (1962, 1963) đà mở rộng đáng kể công việc Hubbert việc ông đà dạng dòng chảy nước ngầm có lời giải toán học toán có giá trị biên đối xứng Ông đà giả sử dòng chảy theo phương thẳng đứng hai chiều môi trường đẳng hướng đồng bao bên đáy nằm ngang bên mặt nước ngầm mô hình địa hình Các biên dòng chảy bên chỗ chia nước ngầm Một hệ thống dòng chảy nước ngầm xác định hệ thống hai đường dòng liền kề điểm kề toàn hệ thống, hệ thống chia cắt chỗ mặt liên tục mà qua dòng chảy diễn theo hướng Tóth (1963) đà nhận ba loại mở rộng hệ thống dòng chảy minh hoạ Hình 5.16 Một hệ 159 thống địa phương, mà trải rộng qua khoảng cách vài kilômét, có nhiều vị trí địa hình cao thấp đạt vùng lấy nước vào thoát nước Ci cïng, mét hƯ thèng khu vùc, vÝ dơ lưu vực Hungarian, mà trải rộng vài trăm kilomét, hệ thống mà vùng lấy nước vào vị trí có địa hình cao vùng thoát vị trí thấp lưu vực Một xem xét hữu ích dòng chảy nước ngầm khu vực lưu vực trầm tích lớn đưa Tóth (1995, 1996) Hình 5.16 Mặt c¾t ngang qua mét l­u vùc réng lín víi kÕt cấu địa chất đồng thể hệ thống dòng chảy địa phương, trung gian khu vực (Theo sơ đồ Tóth, 1995) Thậm chí lưu vực có vật liệu đồng nằm dưới, địa hình tạo hệ thống dòng chảy nước ngầm phức tạp Bên vùng phẳng trải dài, đặc trưng bị làm ngập nước khoáng hoá nước ngầm có nồng độ muối, đà phát triển hệ thống khu vực hệ thống địa phương (Tóth, 1963) Tuy nhiên, hệ thống khu vực phát triển thay đổi nhỏ địa phương bỏ qua có độ dốc địa hình chung Với việc tăng tính địa phương, hệ thống địa phương sâu so với hệ thống khu vực phát triển rằng, vùng thung lũng sông rộng lớn vách phân chia dốc, hệ thống khu vực không bị địa phương phát triển Sự nhìn nhận đà mở rộng cho hệ thống có áp Kudelsky(1990) ông đà đề suất núi uốn nếp thường vùng khu vực cho tầng ngậm nước giếng phun sâu vùng trũng lân cận, loại ngoại lệ xảy rộng rÃi Các chìm lắng thuộc kỳ đệ tứ đóng vai trò tầng ngậm nước với dòng chảy thoát xa khỏi cấu trúc núi Tuy nhiên, có quan điểm giữ rộng rÃi rặng núi đóng vai trò vùng cung cấp nước ngầm hệ thống dòng chảy khu vực Vì dÃy núi Atlas cho có vai trò vùng nguồn cho hệ thống nước ngầm rộng bên phía nam sa mạc Sahara khoảng 1200 km phía nam Tương tự, tầng ngậm nước Ogallala phía bắc Texas cung cấp dòng nước ngầm từ dÃy núi Rocky cách xa 500 km Và miền tây Ghats ấn độ (Naganna Lingaraju, 1990) người ta cho nước ngầm 160 chuyển qua đá uốn nếp sâu qua khoảng cách khoảng vài trăm kilomet Hình 5.17 Các dạng dòng chảy vùng nạp vào thoát trắc diện thảo nguyên (Theo sơ đồ Meyboom, 1963) Meyboom (1963, 1967a) đà mô tả mô hình dòng chảy nước ngầm tổng quát môi trường thảo nguyên mà ông đà rõ mặt cắt thảo nguyên (Hình 5.17) Sự xác định mặt cắt việc xác định vị trí địa hình trung tâm bao quanh hai mặt vùng thoát nước tự nhiên Về mặt địa lý mặt cắt gồm hai lớp có khả thấm khác nhau, lớp bên có khả thấm thấp hơn, với dòng nước ngầm ổn định phía vùng thoát nước Tỉ lệ khả thấm nước dòng nước ngầm xuống qua vật liệu mịn có khả thấm thấp nhỏ thấm qua lớp nằm có khả thấm Vì hầu hết lưu lượng thoát tự nhiên xảy bốc hơi, Meyboom đà khẳng định kiểm tra vùng mà thành phần cân nước ngầm bốc quan trọng Ông đà tập trung đặc biệt vào bốc xảy vòng tròn bốc hơi, vùng đất mặn có lượng bốc nước ngầm bị khoáng hoá, hồ đầm lầy mối quan hệ chúng tới dòng chảy nước ngầm (Meyboom, 1966, 1967a, 1967b) Công việc Tóth Meyboom mở rộng tổng quát hoá Freeze Witherspoon (1966, 1967, 1968) mà kỹ thuật mô hình hoá toán học linh hoạt đà áp dụng lời giải số đà thực Mô hình họ đà xác định dạng dòng chảy ổn định lưu vực nước ngầm chiều không đồng nhất, không đẳng hướng Hình dạng mặt nước ngầm bÊt kú cho ta sù hiĨu biÕt vỊ c¸c kÝch thước lưu vực, hình dạng mặt nước ngầm khả thấm dựa sở hiểu biết địa tầng học mặt Hình 5.18 thể ba sơ đồ điện trường chứng minh ảnh hưởng địa hình địa lý đến hệ thống dòng chảy khu vực Lưới đường đẳng (Các đường nét đứt) tạo từ lời giải số đường dòng biểu thị hướng dòng chảy Hình dạng mặt nước ngầm đường liền nét đỉnh mặt cắt 161 Hình 5.18 Các sơ đồ trường minh họa dạng dòng chảy khu vực, (a) môi trường đồng nhất, đẳng hướng với mặt nước ngầm gồ ghề, (b) với thấu kính có khả thấm cao (c) vùng địa tầng sườn dốc (Theo sơ ®å cđa R.A Freeze vµ P.A Witherspoon, Water Resources Research, 3, trang 625, H×nh 1, trang 629, H×nh 4, trang 630 Hình 5, Liên hiệp địa chất Hoa Kỳ 1967) Hình 5.18(a) thể dòng chảy qua môi trường đồng đẳng hướng mà tình trạng hình dạng mặt nước ngầm lượn sóng dẫn tới nhiều lưu vực bên hệ thống nước ngầm Hình 5.18(b) thể ảnh hưởng tới trường khối nước hình hột đậu khả thấm cao có hình dạng mặt nước ngầm giống hình 5.18(a) Trong trường hợp đường dòng trạng thái chảy tầng Cuối cùng, Hình 5.18(c) thể dạng dòng chảy khu vực vùng địa tầng dốc hai đường dòng vẽ để minh hoạ chênh lệch lớn đến vài mét điểm nhập lưu xác định lượng nước vào lưu vực Thường khó khăn để xác định tính liên tục hoàn toàn dòng chảy nước ngầm khu vực Hình 5.16 5.18 Tuy nhiên, nhiều lưu vực trầm tích tạo thành thành phần thiết yếu hệ thống dòng chảy mô tả Tóth Freeze Witherspoon đà quan trắc Hai ví dụ tốt lưu vực Surat Queensland, Australia (Hình 5.19(a)) l­u vùc ë phÝa nam n­íc Anh (H×nh 5.19(b)) Sù phát triển nguồn liệu lớn để tính toán có ý nghĩa lớn hệ thống dòng chảy nước ngầm đủ tư liệu cho mô hình hoá nhanh chóng linh hoạt sử dụng phần mềm thương mại, hoạt động môi trường Windows Trung tâm nhiều phần mềm chương trình MODFLOW phổ biến xây dựng USGS (US Geological Survey), dòng chảy nước ngầm mô sử dụng cách giải phương pháp sai phân hữu hạn Các lớp lưu vực nước ngầm mô có áp, không áp, hay kết hợp hai Các ảnh hưởng đến dòng chảy nước ngầm giếng khoan, nạp vào thuộc khu vực, bốc hơi, thoát nước sông suối mô Wang Anderson (1995) đà giới thiệu cách sử dụng mô hình dòng chảy ngầm dễ hiểu 162 Hình 5.19 Các hệ thống dòng chảy khu vực a) lòng chảo bồi lắng Surat, Queensland Australia; b) lòng chảo bồi lắng miền nam nước Anh (theo sơ đồ Hitchon Hays, 1971; Rodda, Downing Law, 1976) Việc hiểu biết sâu sắc hệ thống nước ngầm khu vực cho ta hiểu biết hoá học nước ngầm đưa phương pháp đánh dấu ngày tinh vi để xây dựng lại đường dòng nước ngầm (ví dụ Wallick Tóth, 1976) Người ta đà biết từ lâu có tương ứng chặt chẽ hoá học thời gian cư trú nước ngầm đường dòng nước ngầm (xem Mục 8.5.5) Khi nước ngầm chuyển động khỏi từ vị trí nhập lưu vùng lộ thiên, hàm lượng ion tăng trình hoà tan thay trình trao đổi ion Trong điều kiện lý tưởng điều dẫn tới phát triển chuỗi Chebotarev khoáng tướng thuỷ hoá (Chebotarev, 1955) Trong chuỗi nước ngầm nông có nồng độ khoáng chất thấp hàm lượng bicarbonate trội sau đới trung gian nước ngầm sulphate cuối độ sâu, đới khoáng hoá cao nước ngầm chloride Bởi đặc tính động lực học hệ thống nước ngầm, chuỗi lý tưởng quan trắc Tuy nhiên, với khái niệm cấp độ loại khoáng hoá nước ngầm liên quan tới độ dài đường dòng độ sâu nước ngầm Sự 163 hiểu biết có ý nghĩa hữu ích việc xây dựng lại đường dòng phạm vi hệ thống nước ngầm Ví dụ, Smith người khác (1976) đà sử dụng đo đạc Cacbon 14 để khẳng định tồn chuỗi Chebotarev lưu vực Luân Đôn Anh quốc ứng dụng hiểu biết hoá học nước ngầm giúp cho tìm hiểu hệ thống dòng chảy nước ngầm khu vực nâng cao nhanh chóng đá carbonate, sử dụng khoáng học tương đối đơn giản Cách tiếp cận ngày đà áp dụng cho hệ thống silicate phức tạp (Hanshary Back, 1985) Mới gần De Vries Gieske (1990) đà sử dụng nồng độ chloride để xác định lưu lượng nước ngầm vùng đá Precambrian Botswana, Njitchoua người khác (1997) đà sử dụng hiểu biết dấu hiệu khoáng tướng thuỷ hoá để giải thích nguồn gốc chế nạp nước vào nước ngầm tầng ngậm nước đá cát kết phía bắc Cameroon Họ đà phân biệt hướng thấm xuống giáng thuỷ địa phương, thấm hai bên nước sông chuyển động lên nước ngầm tầng sâu Sự tương quan đa dạng 44 biến thuỷ hoá sử dụng để giải hiểu rõ dòng chảy nước ngầm đảo Greek Euboea (Ochsenkuhn người khác, 1997) Cũng khoáng tướng thuỷ hoá, phạm vi rộng phương pháp đánh dấu riêng biệt, chlorofluorocarbons (CFCs), khí nguyên tố phóng xạ, ngày sử dụng để điều tra hệ thống dòng chảy nước ngầm khu vực Ví dụ, CFCs sử dụng chất thị để định tuổi nước ngầm qua thời kỳ 40 năm để đánh giá đường dẫn dòng chảy nước ngầm với độ xác tốt so với kết nhận phương pháp thuỷ lực truyền thống (Cook Solomon, 1997) Các khí bị hoà tan thấm qua nước ngầm độ hoà tan khí phụ thuộc vào nhiệt độ nước ngầm điều kiện khí hậu thịnh hành thời điểm nạp vào Sử dụng chất đồng vị phóng xạ Radon đặc biệt hữu ích việc nghiên cứu (Andrews, 1991) Vì nồng độ hòa tan nước ngầm liên quan tới phạm vi bề mặt đá đơn vị thể tích chất lỏng Nồng độ lớn nước ngầm có chuyển động chậm chạp qua khe nứt nhỏ, khe nứt tìm thấy cát, so với nước ngầm có chuyển động nhanh đường dẫn dòng chảy qua khe nứt lớn khe nứt đá vôi hay đá granite (Hình 5.20) Nồng độ Radon cung cấp thị hữu ích lịch sử đường dẫn dòng nước ngầm Cuối cùng, hệ thống dòng chảy nước ngầm khu vực điều tra việc sử dụng nhiệt độ nước ngầm để đánh dấu chuyển động đường dẫn dòng Nước ngầm tĩnh thường có xu hướng nghiêng phía nhiệt độ cân với đá phản ánh gradient địa nhiệt thịnh hành nhiệt độ tăng khoảng 30 kilomet bên bề mặt Trong hệ thống động lực, nước ngầm chuyển dịch lên phía mặt đất ấm xung quanh nước ngầm chuyển dịch xuống khỏi từ bề mặt lạnh Các dị thường nhiệt độ đà Cartwright (1970) sử dụng để tìm hiểu rõ hệ thống dòng chảy nước ngầm lưu vực Illinois, Hoa Kỳ, Kayane người khác (1985) đồng Nagaoka Nhật Bản Các dị thường nhiệt độ sử dụng theo cách khác để đánh dấu dạng dòng chảy hệ thống nước ngầm tầng nông khác vỊ nhiƯt ®é theo mïa nhiƯt ®é cđa n­íc nạp vào, tầng ngậm nước đóng vai trò chỗ hút nhiệt độ nguồn nhiệt ®é 164 Cartwright (1974) ®· chØ r»ng tèc ®é dòng nước ngầm lớn, chênh lệch nhiệt độ đới nạp vào đới thoát lớn vùng thoát nước xác định dị thường nhiệt độ dương vào mùa đông dị thường nhiệt độ âm vào mùa hè Hình 5.20 Nồng độ Radon nước ngầm từ cát kỷ Jura (dòng chảy hạt: nồng độ trung bình = 22 Bq/l) đá vôi cacbon (dòng chảy ống: nồng độ trung bình = Bq.l) (Theo sơ đồ Andrews, 1991) 5.5.8 Dòng chảy nước ngầm tầng ngậm nước ven biển Lưu lượng nước ngầm trực tiếp tới biển xem nhỏ so với dòng chảy sông ngòi, ước tính khoảng 5% tổng lượng nước chảy từ lục địa (Zekster Dzhamalov, 1981) Tuy nhiên, tầm quan trọng nước ngầm ven biển dường chắn lớn giá trị nhỏ này, mật độ cao dân số đầu người vùng ven biển tính nhạy cảm tầng ngậm nước ven biển tới suy biến xâm nhập nước mặn (UNESCO, 1987) Do đó, cố gắng liên tục để xác định với độ xác cao lưu lượng nước chảy vào tầng nước ngầm ven biển (ví dụ Roxburgh, 1985, Guglielmi Prieur, 1997) vùng ven biển th­êng cã mét gradient thủ lùc h­íng vỊ phÝa biĨn dẫn tới dòng chảy nước ngầm hướng phía biển hạn chế hiệu xâm nhập vào đất liền mặt nước mặn Trong điều kiện nước ngầm không áp, với mặt nước ngầm dốc phía mặt biển đường bờ, khối nước ngầm có dạng thấu kính nước tầng không thấm nước cát ven biển Điều đà Badon Ghijben (1889) Herzberg (1901) khám phá xác định độ cao cột nước thấu kính Giả sử điều kiện thuỷ tĩnh đới xáo trộn không đáng kể quan hệ Ghijben-Herzberg viết bằng: f hs       f  s     h f  h f  (5.7) đó: hs độ sâu nước bên mực nước biển, f mật độ nước ngọt, s mật độ nước biển hf độ cao mặt nước ngầm bên mực nước biển 165 Phương trình nước ngầm mặn bắt gặp, mực nước biển mà độ sâu mực nước biển tương đương với lần cao độ mặt nước ngầm mực nước biển, phản ánh cân thuỷ tĩnh nước ngầm nhẹ nước ngầm mặn nặng (Hình 5.21(a)) Nước có mật độ 1.00 g/cm3 nước mặn có mật độ 1.02-1.03 g/cm3, tuỳ thuộc vào nhiệt độ độ muối Với s =1.025 =40 Trong tầng ngậm nước phân lớp mặt địa tầng học có nhiều nêm mặn Hình 5.21(b) minh hoạ trường hợp đơn giản có mặt lớp bán thấm bị giới hạn giả sử dòng chảy ổn định mặt tiếp xúc rõ ràng nước ngầm mặn Collín Gelhar (1971) đà ý nêm mặn tầng ngậm nước không áp phải xâm nhập đất liền từ đường bờ Tuy nhiên, nêm tầng ngậm nước thấp không xâm nhập chí xa vào đất liền, đà sơ đồ, tồn phía biển đường bờ nÕu cã mét cét n­íc ngät ®đ lín ë ®iĨm kết thúc phía đất liền lớp bán thấm Mặt tiếp xúc nước ngầm mặn xác định rõ ràng hình 5.21 Các giao động thuỷ triều thay đổi lưu lượng nạp vào lượng thoát đà liên tục phá vỡ cân nước nước biển làm cho mặt tiếp xúc giao động (ví dụ Pietrucien, 1985) Những giao động này, với khuyếch tán nước mặn, phá huỷ mặt phân cách rõ ràng tạo đới khuyếch tán truyển tiếp nước lợ thay vào (Stringfield Legrand, 1971) Điều minh hoạ rõ ràng, cho tầng ngậm nước Biscayne gần Miami, Florida, hình 5.22(a) Hubbert (1940) đà chứng minh trạng thái động lực khác xa với cân thuỷ tĩnh phải tồn mặt tiếp xúc phương thức cho nước để thoát vào nước biển Cũng vậy, độ sâu tới mặt phân cách lớn quan hệ Ghijben-Herzberg đơn giản Với gradient thuỷ lực thấp khác biƯt lµ nhá, nh­ng víi gradient thủ lùc cao chóng lớn luôn tồn dòng chảy liên tục nước mặn từ biển vào đới khuyếch tán Chỉ theo cách thức lưu lượng liên tục nước mặn từ đới phân tán vào biển trì, gradient nồng độ ngang qua đới khuyếch tán yếu để tính toán cho vận chuyển muối theo cách thức phân tán háy khuyếch tán Vì muối vận chuyển vào đới khuyếch tán phần lớn dòng chảy nước mặn với tổn thất cột nước hệ môi trường nước mặn (Cooper người khác, 1964) Điều rõ ràng từ đường đẳng tầng ngậm nước Biscayne (Hình 5.22(b)) thể cột nước âm, dạng mật độ nước biển, tồn môi trường nước biển Như kết quả, mặt tiếp xúc nước mặn n­íc ngät sÏ xt hiƯn vỊ phÝa biĨn cđa mỈt nước ngầm đánh giá từ quan hệ Ghijben-Herzberg 166 Hình 5.21 Sơ đồ giản hóa thể quan hệ thđy tÜnh Ghijben-Herzberg (a) mét tÇng ngËm n­íc ven biển đồng (b) tầng ngậm nước ven biển phân tầng Sự giảm nước ngầm từ tầng ngậm nước ven biển giảm dòng nước gây nên hạ thấp cao độ mặt nước ngầm mặt đo Đến lượt, hạ thấp thực dẫn tới xâm nhập nước mặn nhiễm mặn dài hạn tầng ngậm nước Vấn đề đà xảy nhiều vùng, gồm có Hà Lan, Tây Ban Nha, Israel, Pháp, Mỹ, Italy Anh (UNESCO, 1987) Trong số trường hợp tồn nước mặn tÇng ngËm n­íc ven biĨn cã thĨ thĨ hiƯn phÇn lại xâm lấn nước biển trước Hiện tượng xảy vùng đất tương đối thấp xâm nhập mặn có dạng nêm nước mặn cao bên khối nước chảy phía biển mặt Sự có mặt nước mặn tầng đá phấn dọc theo phần ven biển Đông Yorkshire, Norfolk vµ Suffolk cđa n­íc Anh cã lÏ cã thĨ lµ ví dụ theo cách thức (Buchan, 1963), vịnh khác Đại Tây Dương Hoa Kỳ (Siple, 1965) cịng cã tÝnh chÊt t­¬ng tù 5.6 N­íc ngầm đá uốn nếp đứt gÃy Mặc dầu việc nghiên cứu nước ngầm đá uốn nếp đứt gÃy thường xuyên Nhưng từ thảo luận đà điều kiện nghiên cứu chuyển động trữ lượng nước ngầm vùng đất đá giữ nguyên mẫu địa chất có tính đồng dòng chảy đẳng hướng Diện tích loại đất đá chiếm khoảng 40% bề mặt đất trái đất tạo thành nguồn 167 cung cấp nước nhiều vùng nhiệt đới cận nhiệt đới (ví dụ Wright, 1992) Những lộ thiên đá carbonate lớp phủ Châu Âu khoảng 3x10 6km2, tøc lµ 35% diƯn tÝch, nh­ng nhiỊu nước Đức, Pháp, Ba Lan, Rumani Nga, tầng ngậm nước đá vôi tồn bên lớp phủ dầy đá khác (Biondic Bakalowicz, 1995) Hình 5.22 Mối quan hệ thủy động nước ngầm mặn tầng ngậm nước Biscayne, Florida: (a) đường đẳng nồng độ muối (0/00 Cl-) minh họa tầng khuyếch tán (b) đường đẳng (cm) tầng khuyếch tán (theo sơ ®å cđa Kohout vµ Klein, 1967, vµ Stringfield vµ Legrand, 1969) Nhiều khối đá carbonate đá kết tinh chứa hệ thống đứt gÃy, uốn nếp hoà tan, hay nứt nẻ Đặc biệt độ sâu tầng nông, nơi mà đặc trưng phổ biến nhất, khối đá bao gồm tập hợp khối đá nguyên vẹn mà bị chia cắt đặc trưng khác mà mô tả chung khe nứt Những khe nứt thường quan trọng việc xác định lượng trữ chuyển động nước ngầm, tầm quan trọng vai trò chúng phụ thuộc phần vào đóng góp chúng cho độ rỗng tổng cộng phần vào độ rỗng khả thấm khối đá nguyên vẹn xen vào Khả thấm thay đổi từ 0.1 m/năm đá gốc không bị phong hoá đến 1.0m/năm đá vôi mềm đá phấn Thêm vào đó, số khe nứt bị lấp đầy trầm tích mịn có khả thấm cao khối đá nguyên vẹn xen vào, ví dụ đá kết tinh, hay thấm khối đá không kết tinh, ví dụ đá vôi Tuy nhiên hầu hết trường hợp, chuyển động nước qua khe nứt lớn vài bậc cường độ 168 chuyển động nước qua khối đá gốc Do vậy, khái niệm phân loại tầng ngậm nước, mà lượng trữ chuyển động nước ngầm liên quan tới trình thành tạo tới cấu trúc bên nó, không hoàn toàn thích hợp đá carbonate đá nứt nẻ Thực vậy, với đá kết tinh, Gustafson Krasny (1993) đà đề suất thay thuật ngữ tầng ngậm nước chất dẫn thuỷ lực mà bao gồm nếp đứt gÃy đơn giản hay đới đứt gÃy phức tạp trải rộng Hình 5.23 Sự phân loại theo quan niệm (a) tầng ngậm nước karst (b) chế độ gắn liền dòng chảy nước ngầm (Dựa theo sơ đồ Atkinson, 1986) Trong tất hệ thống khối đá-khe nứt có phạm vi rộng tốc độ dòng chảy Trong dòng chảy qua khối đá thường bao gồm dòng chảy khuyếch tán, chảy tầng tuân theo định luật Darcy Qua ống dẫn lớn hơn, siêu mao dẫn qua khe nứt chính, dòng chảy nhanh rối không theo mô hình dòng chảy Darcy Điều minh hoạ cho nước ngầm Caxtơ hình 5.23 Một phức tạp hệ thống lưỡng dòng tính chất quan trọng tương đối dòng chảy qua chất khối đá qua khe nứt thay đổi tuỳ thuộc vào hệ thống đà bÃo hoà hay chưa bÃo hoà Dòng chảy nhanh qua khe nứt chiếm ưu điều kiện bÃo hoà dòng chảy chậm qua địa chất chiếm ưu có điều kiện chưa bÃo hoà Vì vậy, điều kiện làm thay đổi đáng kể chuyển động nước ngầm suốt thời kỳ có dao động nước ngầm lớn, đặc biệt đá có khả thấm tốt đá vôi đá phấn Tuỳ thuộc vào độ sâu mặt nước ngầm, người ta đánh giá nồng độ thuốc trừ sâu lín cã thĨ thÊm 169 tíi tÇng n­íc ngÇm qua đá phấn sau thời gian sử dụng 30 năm sau (IH, 1997) Thuỷ văn nước ngầm núi Yucca phía nam Nevada, Hoa Kỳ, đà nghiên cứu tỷ mỷ đà đánh giá chỗ chứa rác thải phóng xạ Thậm chí người ta giả thiết hệ thống đất đá nứt nẻ chưa bÃo hòa trở thành hệ thống ống dẫn nước ngầm tới tầng địa chất gần trạng thái bÃo hòa Sự chuyển động nước ngầm tầng tốc độ đà bị giảm nhiều lần, điều đà kiểm nghiệm thực tế (Albrecht người khác, 1990) Thay vào đó, nước ngầm chuyển động bên đới gồm khe nứt bÃo hoà, tốc độ chuyển động giảm đáng kể, bị giảm nhiều lần đòi hỏi nghiên cứu số cho điều kiện bên đới không bÃo hoà Hình 5.24 Sự ưu tiên khe nứt dẫn nước độ sâu đá granit Carnmenellis, Troon, Cornwall, Hoa Kỳ Phần lớn dòng chảy nước ngầm chảy qua khe nứt (Dựa theo sơ đồ NERC, 1991) Giao động mặt nước ngầm có ảnh hưởng tới chuyển động nước ngầm Hướng khe nứt độ sâu của khe nứt thay đổi theo độ sâu tầng nước ngầm, đặc biệt đá granite (Hình 5.24) Điều có nghĩa hướng dòng chảy nước ngầm thay đổi đáng kể theo độ sâu Nghiên cứu hỗn hợp trình dòng chảy ngầm hệ thống đá nứt nẻ làm phức tạp cho công việc điều tra thủy văn nước ngầm chí khó xác định phạm vi, quy mô nghiên cứu Ví dụ phạm vi quy mô nhỏ khó xác định khe nứt nhỏ mẫu thể tích đất đá khó đánh giá khả thấm Khi thể tích mẫu thực nghiệm tăng lớn hệ thống đứt gÃy rộng cho khả thấm quan trắc tốc độ thấm tăng lên (xem Mục 5.5.2) Trong số trường hợp, quan hệ thích hợp khoảng trống đặc đạt tới quy mô vĩ mô, nhờ việc tăng thể tích mẫu không ảnh hưởng tới khả thấm trung bình Tuy nhiên tăng thể tÝch mÉu bao gåm mét ®íi chÝnh cđa viƯc ®øt gÃy điều dẫn tới tăng đáng kể khả thấm quy mô vĩ mô trung bình Cuối cùng, quy mô lớn, mẫu lớn nhiều bao gồm nhiều đới đứt gÃy lại biểu lộ khả thấm lớn tương đối đồng Nói cách khác, kích thước mẫu sử dụng để xác định đặc trưng đá không đồng so sánh với diện tích điều tra Tuy nhiên, tất mẫu chứa số khe nứt không tiêu biểu, số tác giả đà đề suất không tích mẫu tiêu biểu vËy (Domenico vµ Schwartz, 1990) Vµ sù xem xÐt thích hợp dòng chảy nước ngầm môi trường nứt nẻ rỗng, Elsworth Mase (1993) đà tranh luận nhiều trường hợp, bất chấp chi phí liên quan, việc kiểm tra kết nghiên cứu phạm vi quy mô lớn ban đầu đà khắc phục kiểm tra phụ thuộc vào môi trường địa lý Barker 170 (1991) đà cung cấp xem xét tổng quát hữu ích điều kiện dòng chảy đá đứt gÃy Tuy nhiên ngạc nhiên nhiều nghiên cứu đà báo cáo tài liệu liên quan đến dòng chảy nước ngầm qua khe nứt riêng (ví dụ Saxena, 1984; Cacas người khác, 1990; Whitaker Smart, 1997) Bởi đá carbonate đứt gÃy đà hạn chế lượng trữ nước ngầm tầng nông, mà có xu hướng làm suy yếu nhanh chóng nước ngầm vật liệu thường phụ thuộc mạnh mẽ vào lượng nước nhËp l­u cïng thêi gian (Gustafson vµ Krasny, 1993) Tuy nhiên, số vùng, kỹ thuật định tuổi đà xác định dòng chảy nước ngầm sâu tầng nông khẳng định phần nước ngầm sâu phải bắt nguồn thời kỳ Pleitstocene muộn (ví dụ Downing người khác, 1977; Silar, 1990) Trong tr­êng hỵp cđa Lincolnshire Limestone ë phÝa động nước Anh, chuyển động nước ngầm trội nước khe nứt Tuy nhiên, nước lâu đời trữ tầng ngậm nước vào hệ thống khe nứt khuyếch tán kết thẩm thấu nhỏ khám phá khai thác nước ngầm (Downing người khác, 1977) Những điều tra gần đà rõ dòng chảy ngầm nhỏ kỳ vọng sông thoát nước lưu vực đá phấn miền nam nước Anh có trữ lượng lớn lượng nước giải phóng khỏi bề mặt hệ thống khe nứt khe nứt nhỏ Hệ thống dòng chảy nước ngầm đá uốn nếp đứt gÃy chưa tìm hiểu đầy đủ nhiều công việc để làm Tuy nhiên ý kiến thức nước ngầm phạm vi rộng điều kiện môi trường liên tục phát triển (ví dụ Pointet, 1997), nhận trình nước ngầm tầng ngậm nước thông thường đá nứt nẻ có tính tương tự suy nghĩ Điều nhấn mạnh cách sinh động nhà biên tập hội thảo năm 1993 địa chất thủy văn vùng đá cứng Các nhà biên tập đà nhắc nhở nhà thuỷ văn rằng: Họ khám phá nhanh chóng tầng ngậm nước cát sỏi mà nhà thủy văn quan tâm ưa thích họ không thực đồng đẳng hướng hoàn toàn có xu hướng thể tồn dòng chảy ngầm thường xuyên hệ thống lỗ hổng nhỏ vi mô bước đầu có tương tự đáng ngạc nhiên với hệ thống đá đứt g·y theo nhiỊu c¸ch kh¸c nhau! (Banks and Banks, 1993) 171 Tóm tắt tập 5.1 Trao đổi vai trò nước ngầm chu kỳ thủy văn 5.2 Những dạng vật liệu tạo nên tầng đất làm cho chất lượng nước ngấm tốt lên 5.3 Giải thích với giúp đỡ đồ dấu hiệu biểu thị dòng chảy ngầm có áp áp chiều cao nước ngầm 5.4 Định nghĩa thuật ngữ sau: hệ số sức chứa, vết lộ đặc biệt 5.5 Giải thích định luật Darcy dòng chảy ngầm 5.6 Định nghĩa thuật ngữ sau đây: gradient thủy lực, sức bền thủy lực, lượng thấm tổn thất, lượng thấm hiệu quả, cân khả nước ngầm 5.7 Tính toán tốc độ dòng chảy ngầm theo công thức Darcy qua cát (k=10 md-1) điện áp mặt cắt sau: mặt cắt 1: z = 0, = 0.5 mặt cắt 2: z = -30, = 0.15 5.8 Xác định tốc độ dòng chảy ngầm qua cát tập 5.7 cho dòng chảy hiệu qua cát 35% 5.9 Giải thích mực nước ngầm phản ảnh điều kiện địa hình bề mặt đất 5.10 Giải thích với giúp đỡ đồ, dấu hiệu biểu thị dòng chảy ngầm vùng khác 5.11 Định nghĩa thuật ngữ sau: Các bề mặt thủy hóa, chuỗi Chebotarev, quan hệ Ghijben Herzberng 5.12 Cái đặc điểm đặc biệt chuyển động nước ngầm qua đá đứt gÃy có nhiều lỗ xốp nhỏ 172 ... tầng mặt phẳng (Hình 5. 2(e )) việc nứt nẻ đứt gÃy (Hình 5. 2(f )) Sự lẫn lộn nảy sinh ra, trường hợp đá nứt nẻ tốt, ví dụ, độ rỗng đá rắn (mà thấp) độ rỗng toàn địa tầng (mà tương đối cao) Thật quan... 199 5) Hình 5. 22 Mối quan hệ thủy động nước ngầm mặn tầng ngậm nước Biscayne, Florida: (a) đường đẳng nồng độ muối (0 /00 Cl -) minh họa tầng khuyếch tán (b) đường đẳng (cm) tầng khuyếch tán (theo... xếp không đều, (c) hạt có khả thấm, (d) hạt sỏi đà gắn kết phần, (e) hình thành hòa tan dọc theo chỗ nối mặt đáy đá cacbon f(f) hình thành đứt gÃy đá cát kết (theo Meinzer, 192 3) Độ rỗng môi trường