nghiên cứu đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất bằng phương pháp mô hình số

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI PHẠM HÒA BÌNH NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TRỮ LƯỢNG KHAI THÁC NƯỚC DƯỚI ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2013... TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI PH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

PHẠM HÒA BÌNH

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TRỮ LƯỢNG KHAI THÁC

NƯỚC DƯỚI ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH SỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

PHẠM HÒA BÌNH

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TRỮ LƯỢNG KHAI THÁC

NƯỚC DƯỚI ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH SỐ

Chuyên ngành : Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước

Mã số : 108.606230.0002

LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: GS.TS DƯƠNG THANH LƯỢNG

Hà Nội – 2013

3.2.2 Phương pháp sai phân hữu hạn33T 31

M Ở ĐẦU

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

đang có tốc độ phát triển mạnh mẽ về công nghiệp, du lịch và dịch vụ tạo đà cho bước phát triển vượt bậc về nhiều mặt, đồng thời dần khẳng định vị thế chính trị trong trường quốc tế Cùng với sự phát triển thì nhu cầu về nguồn nước ngày

một gia tăng

môi trường (ô nhiễm, sụt lún đất)

động thái nước dưới đất tại khu vực Hà Nội cho thấy mực nước dưới đất liên tục

thác nước ở Hà Nội hiện nay là chưa hoàn toàn hợp lý Chính vì vậy việc đánh

thiết

khai thác nước dưới đất bằng phương pháp mô hình số" có tính cấp thiết và

được chọn làm đề tài luận văn tốt nghiệp của học viên để chuẩn bị hoàn thành chương trình đào tạo thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước

2 M ục tiêu nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là đặc điểm địa chất thủy văn liên quan đến các công trình cấp nước tập trung, khai thác đơn lẻ, nhu cầu dùng nước cho sinh hoạt, sản xuất, phòng cháy chữa cháy thời điểm hiện tại và cho tương lai… trong khu vực nghiên cứu, trữ lượng có thể khai thác bền vững tài nguyên nước dưới đất

lượng có thể khai thác bền vữn g tài nguyên nước dưới đất tại khu vực nghiên cứu, phương pháp xử lý và vận dụng các phần mềm phục vụ cho công việc

4 Nội dung nghiên cứu

tài nguyên nước dưới đất

lượng nước dưới đất

5 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp thu thập tài liệu để có các thông tin liên quan về đặc điểm địa chất thủy văn ; các công trình cấp nước t ập trung, khai thác đơn lẻ ; hệ thống quan tr ắc mực nước, chất lượng nước… ; nhu cầu dùng nước cho sinh hoạt, sản xuất, phòng cháy chữa cháy thời điểm hiện tại và cho tương lai…

nước, xác định các thành phần tham gia hình thành tr ữ lượng khai thác nước dưới đất Từ đó đánh giá trữ lượng nước có thể khai thác tại khu vực nghiên cứu và đề xuất phương pháp quản lý bền vững tài nguyên nước dưới đất Trong luận văn chủ yếu sử dụng các phần mềm Visual Modflow 4.2, Mapinfor 10.0

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Điều kiện địa lý tự nhiên kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu

1.1.1 V ị trí địa lý

1.1.2 Đặc điểm địa hình địa mạo

o

P

, độ cao thường từ 5-7m Riêng phía tây và tây nam có địa hình cao hơn, có đỉnh đồi cao

tới 63,8m Đất đá cấu thành nên địa hình chủ yếu là sét, sét bột, cát pha và đôi

Về đặc điểm địa mạo, theo báo cáo “Điều tra địa chất đô thị Hà Đông” cho

+ Phụ vùng đồng bằng tích tụ trong đê: Là toàn bộ phần diện tích trong đê được giới hạn bởi hệ thống đê Sông Đáy có chiều dài tới 128 km Sự xuất hiện các đê này không chỉ ngăn lũ tràn vào đồng bằng mà còn làm cho bề mặt đồng

đồng bằng trong đê chiếm hơn 2/3 diện tích ở phía đông vùng nghiên cứu,gồm đồng bằng thấp không được bồi tụ

Đáy Khi chưa có đập Vân Cốc và đập Phùng, thì hàng năm nước sông Đáy

cao hơn bề mặt trong đê có nơi tới 3 ÷ 4m

ha) và có độ cao không quá 100m

1.1.3 Đặc điểm khí tượng, thủy văn

a Đặc điểm khí hậu, khí tượng

năm trước đến tháng 4 năm sau Theo liệt số liệu khí tượng Láng từ năm 1961 đến 2009 cho thấy các đặc trưng khí hậu trong vùng nghiên cứu như sau:

+ Nhiệt độ không khí cao nhất là 38,8P

+ Lượng bốc hơi nhỏ nhất 828,2 mm/năm (1995), cao nhất 1126,7 mm/năm

+ Lượng mưa hàng năm nhỏ nhất 1033,1 mm/năm (1988), lớn nhất 2536 mm/năm (1994), trung bình nhiều năm 1667,1 mm/năm

3/2009 được trình bày trong bảng 1 và hình 2 dưới đây

b.Đặc điểm thủy văn

Bảng 1 Thống kê lượng mưa, bốc hơi tại trạm Láng - Hà Nội

- Sông Nhuệ: Được bắt nguồn từ cống Thụy Phương là một nhánh của sông

3

P

bicarbonat – calci và không thay đổi theo mùa

sông Nhuệ chứa hàm lượng NOR 2 RP

−2

nước thải hầu hết không được xử lý Về phương diện vi sinh nước sông Nhuệ nhiễm bẩn nặng, hàm coliform rất lớn > 24.000 con/100 ml

0,2m trong đó thành phần cát chiếm 47%, sét là 23% Nước nhạt có kiểu bicarbonat - calci

Cũng theo số liệu điều tra của “Báo cáo Địa chất đô thị Hà Đông” năm

1.1.4 Đặc điểm giao thông, kinh tế - xã hội

a Giao thông vận tải

chính như đường quốc lộ 6 Hà Nội - Hoà Bình chạy qua liên kết với các đường

có chất lượng tốt

Đường sắt Bắc - Nam chạy qua phía Tây thành phố Ngoài ra có thể di

xa Nhìn chung đặc điểm giao thông trong vùng nghiên cứu là rất thuận lợi

b Kinh tế - xã hội

ương và địa phương, rất nhiều các cơ sở thủ công nghiệp, tập trung vào những

nghiên cứu hiện nay đang được xây dựng hàng loạt các khu đô thị như Văn Phú, Văn Quán, Park City, An Hưng và xa hơn nữa là khu đô thị Dương Nội

khi thải ra môi trường

Tổng diện tích đất đai đô thị là 33.3 kmP

2010: 240.000 người; đến 2020 sẽ là khoảng 330.000 người

1.2 Đặc điểm địa chất thủy văn và hiện trạng khai thác nước dưới đất trong khu vực

thung lũng sông miền đồng bằng, nhưng chịu ảnh hưởng của các quá trình biển

tiến, bào xói lục địa Các trầm tích có tướng từ lục địa, hồ đầm lầy đến trầm tích

nước, độ giàu nước các đặc điểm thuỷ động lực, động thái nước dưới đất, tác giả

dưới đất”

1.2.1 Đặc điểm địa chất thủy văn

1 Các tầng chứa nước

a) Tầng chứa nước lỗ hổng không áp Holocen (qh)

nghiên cứu chủ yếu là cát, cát pha sét

nước Pleistocen bên dưới mãnh liệt, vị trí mực nước tĩnh nằm sâu thêm 6,45m

2

P

/ng Lưu lượng lỗ khoan hút thí nghiệm Q = 2,08 - 4,76 l/s, tỷ lưu lượng lỗ khoan q =

Nước tàng trữ và lưu thông trong tầng là nước nhạt (có tổng khoáng hoá từ

0,124 đến 0,703 g/l), chủ yếu là kiểu bicarbonat calci - magne, pH thay đổi từ

mg/l đều vượt chỉ tiêu cho phép nước dùng cho ăn uống sinh hoạt tất cả các

giếng đầu bị nhiễm bẩn NOR 2 RP

nước dùng cho ăn uống, sinh hoạt

Đây là tầng lộ ngay trên mặt hoặc bị phủ bởi lớp sét mỏng, có liên quan

nước tốt nên rất dễ bị nhiễm bẩn hoá học do nước thải sinh hoạt, nước thải công

dưới động thái của nước phụ thuộc theo mùa với biên độ càng gần sông càng

lớn

tưới ruộng, nguồn thoát ra sông hồ, dòng mặt, bay hơi và ngấm xuống cung cấp

cát pha đôi nơi có lẫn sạn sỏi tướng lòng sông Chiều sâu thế nằm nóc lớp thay đổi từ 10 đến 43m Chiều sâu thế nằm đáy lớp là 29,7 đến 50m Lớp có chiều dày thay đổi từ 4 đến 23,5, trung bình 11,67m Tại vùng Ba La – Hà Đông, lớp

chứa nước qpR 2 R có chiều dày biến đổi 2,5 – 11m, trung bình 8,1m, thành phần đất

đá chủ yếu là cát hạt thô có lẫn sạn sỏi nhỉ Giữa lớp chứa nước qpR 2 R và lớp chứa

Bảng 2 Thống kê chiều dày các tầng chứa nước vùng Ba La – Hà Đông

Chiều sâu thế nằm mực nước trong trạng thái tự nhiên thay đổi từ 2,57 đến

Nước tàng trữ và lưu thông trong lớp là nước nhạt, mềm đến cứng vừa

kiểu bicarbonat calci - magne

- Lớp dưới(qpP

1

P

)

nghĩa cung cấp nước cho dân cư đô thị Lớp có chiều dày thay đổi từ 9,5 đến

anh lẫn sạn và cát

lưu lượng thay đổi q = 2,28 ÷ 15,59 l/sm Lớp thuộc loại rất giầu nước Độ dẫn

lượng giếng khoan khá lớn Q = 30,2 – 35,5 l/s ứng với hạ thấp mực nước 2,51 –

nước

Nước tàng trữ và vận động trong lớp là nước nhạt (khoáng hoá từ 0,225 đến 0,503 g/l) nước mềm đến cứng vừa (tổng độ cứng từ 2,092 đến 4,388 mg/l) pH dao động từ 6 đến 8 Hàm lượng các đại nguyên tố đều nằm trong

mòn KR K R + 0,0503 Ca < 0 Nước từ không sủi bọt đến sủi bọt, hệ số sủi bọt từ 27,02 đến 274,97

nước dùng cho ăn uống, sinh hoạt trừ hàm Mn một số nơi cao hơn giới hạn cho phép Nước trong lớp qpR 1 R có hàm lượng sắt rất cao, cần phải xử lí Nước có

Nguồn cung cấp chủ yếu cho lớp là nước mưa, nước tưới, nước sông, hồ và nước các tầng trên ngấm xuống, thoát chủ yếu bằng thấm xuyên và khai thác nước phục vụ dân sinh, một phần thoát ra sông và bay hơi

• Tầng chứa nước khe nứt lỗ hổng trong trầm tích Neogen (mR 4 R)

đến 90m Các lỗ khoan trong vùng Hà Nội có lưu lượng 0,4 đến 1,42 l/s, tỷ lưu lượng < 0,05 l/sm khẳng định tầng chứa nước thuộc loại nghèo đến giàu nước trung bình Nước tàng trữ và vận động trong tầng đa phần là nước nhạt, mềm

kiểu bicarbonat calci - natri

đến đứt gãy sâu Chiều sâu thế nằm mực nước dao động từ 3,5 đến 6m Nguồn

còn lại bị phủ bởi trầm tích trẻ hơn Thành phần là đá vôi

magne -calci

Nước tầng tR 2 Rađg có quan hệ trực tiếp tới nước tầng qp, khi hút nước lỗ

đất tầng tR 2 Rađg được cung cấp bởi nước mưa, nước mặt, nước thấm xuyên từ tầng

(tR 1 Rvn)

kmP

2

bazan màu xám xanh, xám đen, xám lục Chiều dày 400m Tại vùng nghiên cứu

chưa có công trình nghiên cứu nhưng theo tài liệu 02 lỗ khoan hút nước của Hoà Bình cho lưu lượng Q = 4,77 - 8,53 l/s Chiều sâu thế nằm mực nước từ 1 đến 4,21m Nước có chất lượng khá tốt Nước nhạt có kiểu bicarbonat calci - magne

xâm thực địa phương

2 Các lớp thấm nước yếu, cách nước

3

1-2

hh)

Theo tài liệu đổ nước thí nghiệm tại 16 hố đào (Đề án Điều tra địa chất đô thị Hà Đông) cho kết quả hệ số thấm K = 0,0054 - 0,096 m/ng, trung bình 0,049m/ng, điều này chứng tỏ đất đá của tầng có tính thấm nước rất yếu có thể xếp vào loại cách nước

Đất đá cấu thành tầng gồm sét, sét pha có màu loang lổ, có nơi là sét, sét

nước yếu này có chiều dày biến đổi 8 – 14,5m, trung bình 12,7m Thành phần đất đá chủ yếu là sét pha cát màu xám xanh, xám vàng

1.2.2 Hiện trạng khai thác nước dưới đất

máy khai thác nước lớn và 5 trạm cấp nước trung bình với quy mô từ 6.300 –

10.000 mP

3

P

/ngày đêm Tổng lượng khai thác nước dưới đất quy mô lớn vùng phía

/ngày đêm Như vậy tổng lượng

3

P

/ngày đêm, chưa kể các giếng khai thác để cấp nước quy mô hộ gia đình

3

P

/ngày đêm

3

P

/ngày đêm (trước đây có 6 giếng khai thác được

Văn Phú – Hà Đông nên còn lại 4 giếng khai thác)

3

P

/ngày đêm

ảnh hưởng được trình bày trong bảng 6.1 dưới đây Tổng lượng khai thác trong vùng ảnh hưởng của công trình là 31.646 mP

3

P

/ngày đêm

Bảng 3 Bảng tổng hợp vị trí, tọa độ các giếng khai thác nước

G6 579517 2320224 750

Chương 2

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TRỮ LƯỢNG NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất được tiến hành bằng các phương pháp sau đây:

hình

- Phương pháp tương tự địa chất thuỷ văn

phương pháp nêu trên Sau đây chúng tôi xin trình bày một số nét tổng quan của các phương pháp đánh giá trữ lượng khai thác của nước dưới đất

2 1 Phương pháp pháp thủy động lực

2.1.1 Khái quát về phương pháp thủy động lực

Đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất bằng phương pháp thuỷ động

pháp mô hình tương tự (tương tự điện hoặc tương tự thuỷ lực), mô hình số

Trình tự đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất bằng phương pháp

lượng khai thác nước dưới đất Để thực hiện bước này cần phải tiến hành thành

liệu quan trắc động thái, bản đồ giá trị các thông số thấm và chứa)

- Thành lập sơ đồ tính toán

- Tiến hành tính toán công trình lấy nước

luật thay đổi của chúng trên bình đồ và mặt cắt, quy luật thay đổi chất lượng nước dưới đất, đánh giá mức độ chính xác việc xác định các nguồn hình thành

Sơ đồ địa chất thuỷ văn thể hiện cấu tạo địa chất miền thấm và lưu vực thu nước của dòng chảy trên mặt, các điều kiện trên biên giới của diện tích nghiên

nước yếu

đới phá huỷ kiến tạo, sự tiếp xúc giữa các tầng chứa nước với các khối mặt nước v.v

Sơ đồ tính toán được thành lập trên cơ sở phân tích các bản đồ hoặc sơ đồ nêu trên có chú ý đến những nhân tố chủ yếu quyết định quy luật hình thành trữ lượng khai thác nước dưới đất và độ tin cậy của chúng trên cơ sở thực tế Đồng

tính toán đặc trưng cho những nhận định khác nhau về nguồn hình thành trữ lượng

tới các yếu tố sau đây:

mặt cắt nhiều lớp hay một lớp

- Điều kiện trên các biên giới của tầng chứa nước

Đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất bằng phương pháp giải tích được áp dụng khi điều kiện địa chất thuỷ văn tương đối đơn giản (tính chứa và

điều kiện trên biên giới rõ ràng) Trong trường hợp này phương pháp giải tích hoàn toàn đảm bảo độ chính xác để giải các bài toán thực tế.Những điều kiện như thế thường đặc trưng cho các tầng chứa nước có áp nằm dưới sâu, trong

đất

là tối ưu

2.1.2 Phương pháp giải tích

Phương pháp giải tích đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất là sử

QS

π

Trong đó:

SR KT R - Trị số hạ thấp mực nước khi khai thác;

QR KT R - Trữ lượng khai thác nước dưới đất (lưu lượng từ công trình khai thác);

RR C R - Sức cản thấm (thuỷ lực), xác định tương ứng với sơ đồ tính toán khác nhau;

K - Hệ số thấm;

công thức:

Trong đó:

SR ca R - Độ hạ thấp mực nước trong tầng chứa nước có áp;

SR ka R - Độ hạ thấp mực nước trong tầng chứa nước không áp;

Khi sơ đồ khai thác gồm nhiều lỗ khoan hoạt động đồng thời, thì khi đánh

nước hạ thấp tại 1 giếng khoan là:

∑

=

∆+

1 i

i 0

tt S S

Trong đó:

SR tt R - Tổng mực nước hạ thấp tại lỗ khoan;

SR 0 R - Độ hạ thấp mực nước trong lỗ khoan khi nó làm việc đơn độc;

∆SR i R - Độ hạ thấp mực nước bổ sung do các lỗ khoan can nhiễu gây ra

trong trường hợp tầng chứa nước là đồng nhất, phân bố vô hạn Trong thực tế, khi đánh giá trữ lượng tầng chứa nước thường là không đồng nhất và có các điều

Đối với trường hợp tầng chứa nước được ngăn cách bởi biên người ta thường sử dụng “phép chiếu” qua biên và đưa vào sơ đồ tính toán các lỗ khoan

2.1.3 Phương pháp mô hình

Phương pháp mô hình được xem là một phương pháp nhận thức khoa học

rãi trong nghiên cứu địa chất thuỷ văn để giải quyết những nhiệm vụ cụ thể

cũng như nghiên cứu lý thuyết ứng dụng cho các mục đích khác Nó được ứng

vốn có của nó

Phương pháp mô hình có nhiều ưu điểm, đặc biệt là thay vì nghiên cứu các

động học nước dưới đất Chúng bao gồm các mô hình tỷ lệ vật lý, mô hình tương tự và mô hình toán Bản chất của chúng tương đối khác nhau:

tượng nghiên cứu nhưng thường có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với đối tượng Ví dụ khi nghiên cứu quá trình thấm, quá trình lan truyền vật chất trong môi trường nước dưới đất người ta thường xây dựng các mô hình thấm là các

đó tiến hành quan sát các hiện tượng thấm và lan truyền vật chất xảy ra trên mô hình thấm

- Mô hình tương tự là sự mô phỏng sự tương tự về mặt vật lý giữa đối tượng nghiên cứu và đối tượng mô hình hoá Quá trình thấm được khống chế bởi các phương trình vật lý tương tự như quá trình truyền nhiệt, truyền điện Bởi vậy

ta tiến hành nghiên cứu các quá trình truyền điện, truyền nhiệt trên các đối tượng

mô hình hoá tương đương với đối tượng nghiên cứu Phương pháp mô hình tương tự được sử dụng khá rộng rãi trong nghiên cứu địa chất thuỷ văn những năm 60 – 70 Ví dụ như mô hình giấy dẫn điện, mô hình điện và mô hình điện ô

trở theo tỷ lệ để biểu thị cơ cấu các tầng chứa nước, còn tụ điện được mô phỏng cho độ trữ nước Cường độ dòng điện trong ampe kế của mô hình biểu thị lưu lượng dòng thấm Điện thế trong mô hình biểu thị mực nước, còn thể tích nước trong mô hình được thể hiện bằng tổng lượng điện tích Điện trở tỷ lệ nghịch với

lưu lượng và mực nước trong các tầng chứa nước Các mô hình điện tương tự có

được mô phỏng bằng cách nối tiếp một số nhóm nằm ngang với nhau Tuy nhiên

mô hình điện tương tự không mô phỏng được các quá trình phân tán, khuyếch tán trong bài toán lan truyền vật chất

dưới đất là định luật Đacxi Để áp dụng định luật Đacxi chúng ta cần có một mô

phương trình vi phân vận động của nước dưới đất bằng phương pháp số Phương

tham gia vào phương trình là không đổi Sau đó tiến hành thành lập các phương

điều kiện ban đầu chúng ta được nghiệm cần tìm

toánnhanh vượt bậc thì phương pháp mô hình số lại càng được sử dụng rộng rãi

Nhất là trong các nghiên cứu địa chất thuỷ văn

Phương pháp mô hình số có nhiều ưu điểm khi sử dụng để đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất:

khai thác nước dưới đất khu vực trong những vùng có nhiều công trình khai thác nước đang hoạt động, hoặc xem xét nhiều phương án bố trí công trình và thay đổi sơ đồ bố trí công trình khai thác

khai thác nước đang hoạt động có thể cho phép làm chính xác thêm các điều

công trình đang hoạt động Ngoài ra, bằng phương pháp mô hình số có thể đánh giá định lượng các nguồn riêng biệt thành trữ lượng khai thác nước dưới đất

xác cao và nhìn chung là khá linh động

2.2 Phương pháp thuỷ lực

Đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất bằng phương pháp thuỷ lực là xác định lưu lượng tính toán của công trình khai thác nước, hoặc xác định mực nước trong các lỗ khoan theo tài liệu thực nghiệm nhận được trực tiếp trong quá

trình khai thác nước

Phương pháp thuỷ lực được áp dụng trong các trường hợp sau:

lượng thiết kế có thể dựa vào đường cong lưu lượng được xác lập theo tài liệu thí nghiệm hút nước ổn định

(cũng trong chế độ vận động ổn định)

Phương pháp thuỷ lực thường được sử dụng để đánh giá trữ lượng trong vùng có điều kiện địa chất thuỷ văn phức tạp hoặc vùng có mức độ điều tra

phương pháp thuỷ lực có dạng (2.4):

)t(SS

Trong đó:

SR tt R - Hạ thấp mực nước tính toán trong lỗ khoan ứng với lưu lượng thiết kế Qkt vào cuối thời gian khai thác

khai thác từ cuối thời gian thí nghiệm đến cuối thời gian khai thác

Để xác định SR 0 R cần tiến hành hút nước thí nghiệm ổn định với tối thiểu với

khai thác đến cuối thời gian khai thác

Đồ thị quan hệ giữa S và Q có thể là một trong các dạng sau đây:

∆SR 0 R(t) có thể được xác định theo phương pháp của N.N.Bideman hoặc

định theo công thức (2.5):

1 2

2 KT 1

2 0

KT 0

t ln t ln

t ln t

ln ) S S ( Q

Q ) t ( S

QR KT R, QR 0 R - Lưu lượng thiết kế khai thác và lưu lượng thí nghiệm

SR 1 R - Hạ thấp mực nước tại lỗ khoan đến thời điểm tR 1 R tính từ thời điểm bắt đầu hút nước

SR 2 R - Hạ thấp mực nước tại cuối thời điểm thí nghiệm tR 2 R

tR KT R - Thời gian khai thác

(khi trị số hạ thấp mực nước và thời gian có mối quan hệ logarit)

Xác định ∆SR 0 R(t) bằng phương pháp đồ giải có thể dựa vào các mối quan hệ

các công thức (2.6, 2.7, 2.8):

S = a + bt (2.7)

t b a

Trong đó: a, b là những hằng số;

Xác định được quan hệ S = f(t) sẽ ngoại suy trị số hạ thấp mực nước

∆SR 0 R’(t) theo thời gian từ thời điểm kết thúc hút nước đến cuối thời gian tính toán

với lưu lượng thí nghiệm Sau đó xác định ∆SR 0 R(t) theo công thức (2.9):

) t ( S Q

Q ) t (

Trong trường hợp nhóm lỗ khoan khai thác đồng thời, công thức tổng quát để xác định trị số hạ thấp mực nước theo phương pháp thuỷ lực là:

∑∆ +∑∆ +

i

n i i i

' tt

tt S S S ( t )

Trong đó:

SR tt R’ - Hạ thấp mực nước tính toán tại lỗ khoan nào đó đến cuối thời gian

∆SR i R - Trị số hao hụt mực nước trong lỗ khoan tính toán do sự tương tác của

lỗ khoan thứ i vào cuối thời gian thí nghiệm với lưu lượng thiết kế QR i-KT R;

∆SR i R(t) - Trị số hao hụt mực nước trong lỗ khoan tính toán do sự tương tác

của lỗ khoan thứ i cuối thời gian khai thác với lưu lượng thiết kế QR i-KT R;

Nhờ ngoại suy tuyến tính, giá trị ∆SR i Rxác định theo công thức:

' i i

KT i

Khi thay đổi khoảng cách r từ lỗ khoan tính toán đến lỗ khoan tương tác giá

trị hao hụt mực nước ∆SR i R’ được tính theo đồ thị ∆S = f (lnr) xây dựng theo tài

Giá trị ∆SR i R(t) được xác định theo công thức của N.N Bideman tương tự như công thức (2.12) xác định đối với lỗ khoan đơn:

1 2

2 KT

1 2 0

KT i i

t ln t ln

t ln t

ln ) S S ( Q

Q ) t ( S

∆SR 2 R - Giá trị hao hụt mực nước trong lỗ khoan tính toán quan trắc được khi hút nước thí nghiệm với lưu lượng QR i R từ lỗ khoan lỗ khoan tương tác thứ i ở thời điểm tR 2 R;

Giá trị ∆SR i R(t) cũng có thể xác định bằng phương pháp đồ giải giống như trong trường hợp xác định với lỗ khoan đơn

Khi tiến hành hút nước đồng bộ khai thác – thí nghiệm tại tất cả các lỗ

)t(SS

Trong đó:

SR 0 R - Hạ thấp mực nước tại lỗ khoan thứ i vào cuối thời gian hút nước khai thác − thí nghiệm;

∆SR 0 R(t) - Trị số hạ thấp mực nước bổ sung trong vòng thời gian (tR KT R−tR 0 R)

Nếu sự thay đổi mực nước tuân theo hàm logarit thì giá trị ∆SR 0 R(t) tỉ lệ với (lntR KT R−lntR 0 R)

2.3 Phương pháp cân bằng

Đánh giá trữ lượng khai thác bằng phương pháp cân bằng là xác định lưu lượng của nước dưới đất có thể nhận được nhờ các công trình khai thác trong

hút nước từ một số nguồn hình thành trữ lượng Khi đó, mỗi nguồn hình thành

xác định lưu lượng có thể khai thác được của từng lỗ khoan Điều đó cho thấy phương pháp cân bằng chỉ nên sử dụng kết hợp với phương pháp thuỷ động lực

Ngược lại chỉ nhờ phương pháp cân bằng mới có thể xác định được vai trò

đánh giá được mức độ đảm bảo trữ lượng Vì vậy phương pháp cân bằng được

có hiệu quả

Phương pháp cân bằng được sử dụng độc lập để đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất trong các cấu trúc nhỏ hữu hạn có các tầng chứa nước với hệ

trung tâm và rìa diện tích nghiên cứu là không đáng kể

Phương pháp cân bằng thường được sử dụng để đánh giá lưu lượng mạch nước Khi đó, đánh giá trữ lượng khai thác bao gồm việc xác định sự thay đổi lưu lượng các mạch nước theo thời gian trên cơ sở tài liệu quan trắc động thái lưu lượng mạch nước Trong trường hợp thời gian quan trắc ngắn, để dự đoán có

thể sử dụng số liệu của các mạch nước tương tự đã được quan trắc dài hơn, hoặc theo lượng mưa khi đã xác lập được mối tương quan giữa lưu lượng của mạch nước nghiên cứu với lưu lượng của mạch nước tương tự, hoặc với lượng mưa Để làm điều đó nên sử dụng phương pháp tương quan đôi một và nhiều yếu tố

dưới đất

lượng khai thác nước dưới đất của những khu riêng biệt (cục bộ) thì vai trò của

nó tăng lên rất nhiều khi đánh giá khu vực trữ lượng khai thác nước dưới đất, đặc biệt là khi các công trình khai thác nước được bố trí theo diện tích

2 4.Phương pháp tương tự địa chất thuỷ văn

văn trên cơ sở dựa vào những tài liệu về chế độ khai thác nước dưới đất ở những khu có công trình khai thác đang hoạt động áp dụng cho những khu nghiên cứu

có điều kiện tương tự

Phương pháp tương tự địa chất thuỷ văn có thể được sử dụng:

trưng cho toàn bộ quá trình hình thành trữ lượng Thông số có thể là mô đun trữ lượng khai thác được xác định theo tài liệu của các công trình lấy nước tương tự đang hoạt động

- Để điều chỉnh và chọn sơ đồ tính toán

Để dánh giá trữ lượng khai thác bằng phương pháp tương tự thì vấn đề

lượng khai thác nước dưới đất trên diện tích nghiên cứu và diện tích chuẩn phải

giống nhau

định điều kiện hình thành trữ lượng khai thác nước dưới đất và giá trị của chúng (điều kiện thế nằm của tầng chứa nước, các điều kiện biên, thành phần của đá

tương tự trên tất cả các mặt thì mức độ giống nhau về điều kiện địa chất thuỷ văn của khu chuẩn và khu nghiên cứu phải được xác định đối với tất cả các yếu

trên

Chương 3

SỬ DỤNG PHẦN MỀM VISUAL MODFLOW TÍNH TOÁN

CÂN BẰNG NƯỚC VÀ DỰ BÁO MỰC NƯỚC HẠ THẤP

3.1 Gi ới thiệu Visual Modflow

3.1.1 Gi ới thiệu chung

lượng và phân bố dòng chảy ngầm Phần mềm Modpath có chức năng tính hướng và tốc độ các đường dòng khi nó vận động xuyên qua hệ thống các lớp

(Canada) phát hành

3.1.2 Tính năng của phần mềm

- Dễ dàng thiết đặt các đặc tính mô hình và điều kiện biên

- Kiểm tra mô hình bằng tay hoặc tự động

- Kết quả hiển thị dưới dạng 2D hoặc 3D

Các đặc tính mới của VM 4.2:Có thêm gói phần mềm MIKE 11 (dùng cho

mô hình có sông, hồ chứa, kênh )

3.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp mô hình số áp d ụng cho Visual Modflow

3.2.1.Phương trình vi phân vận động của nước dưới đất

tính để giải các phương trình vi phân vận động của nước dưới đất bằng phương pháp số Phương pháp số là phương pháp giải gần đúng các phương trình vi phân đạo hàm riêng bao gồm sai phân hữu hạn hoặc phần tử hữu hạn Vấn đề này đã được Trescott đề cập lần đầu tiên vào năm 1975, sau đó tiếp tục được

W.Harbaugh và Michael G.McDonald phát triển thành chương trình hoàn thiện

đất (Modular Finite Difference Groundwater Flow Model) vào năm 1996 và

MODFLOW-2000 Đến nay hầu hết các phần mềm thương mại về mô hình nước dưới đất trên

phương pháp mô hình số là giải phương trình vi phân đạo hàm riêng vận động

h K z y

h K y x

h K

KR xx R , KR yy R , KR zz R- Các hệ số thấm theo phương x,y và z

SR s R -Hệ số nhả nước

h - Cao độ mực nước tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t

W là mô đun dòng ngầm, hay là các giá trị bổ cập, giá trị thoát đi của nước

ngầm tính tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t W = WR (x,y,z,t) R là hàm số phụ thuộc thời gian và không gian (x,y,z)

Trong đó: K và Ss là hàm số phụ thuộc vào vị trí không gian (x,y,z)

Để giải phương trình (3.1) cần phải tìm hàm số h(x,y,z,t), thoả mãn các điều kiện biên và điều kiện ban đầu Sự biến động của giá trị h theo thời gian sẽ xác định bản chất của dòng chảy và sử dụng để tính toán định lượng phục vụ

Phương trình (3.1) là phương trình vi phân phi tuyến nên việc tìm ra hàm h(x,y,z,t) từ phương trình (3.1) thường rất khó, ngoại trừ một số rất ít trường hợp đặc biệt đơn giản mới có thể tìm ra lời giải giải tích cho phương trình Do vậy

đó người ta buộc phải giải bằng phương pháp gần đúng Một trong các phương

phân hữu hạn

3.2.2 Phương pháp sai phân hữu hạn

Phương pháp sai phân hữu hạn thay vì tìm lời giải cho hàm liên tục h(x,y,z,t), người ta chia nhỏ không gian thành các ô lưới (phần tử), và chia nhỏ bước thời gian tính toán Ở mỗi phần tử trong một bước thời gian các giá trị tham gia vào phương trình được coi là đồng nhất tại mỗi thời điểm trong ô lưới người ta coi cả thông là không thay đổi Thiết lập cân bằng nước cho từng ô lưới

Giải hệ phương trình đại số này ta sẽ tìm được nghiệm là hàm h(x,y,z,t) rời rạc

được thì được đánh dấu là “không hoạt động”

trên cơ sở các qui tắc cân bằng: Tổng tất cả dòng chảy vào và chảy ra từ một ô

môi trường chứa nước không đổi thì cân bằng dòng chảy cho một ô được thể

V t

h S

QR i R- Lượng nước chảy vào ô (nếu chảy ra thì Q lấy giá trị âm);

SR S R - Giá trị của hệ số nhả nước, nó chính là giá trị Ss(x,y,z);

∆V - Thể tích ô;

∆h là giá trị biến thiên của h trong thời gian ∆t tại ô lưới đang xét

Hình 4 mô tả cho một ô lưới (i,j,k) và 6 ô bên cạnh: (i-1,j,k), (i+1,j,k), 1,k), (i,j+1,k), (i,j,k-1), (i,j,k+1) Dòng chảy từ ô (i,j,k) sang các ô bên cạnh (ở đây ngầm định nếu dòng chảy vào ô mang dấu dương, ngược lại ra khỏi ô mang

(i,j-dấu âm)

i,j,k i,j,k-1

i,j,k+1

i+1,j,k i,j-1,k i,j+1,k

i-1,j,k

Theo định luật Darcy, lượng nước qR i,j-1/2,k R chảy từ ô (i,j-1,k) sang ô (i,j,k) sẽ tính được theo phương trình sau:

2 / 1 j

k , , k , 1 j i k i k , 2 / 1 j i k

, 2 / 1 j i

r

)hh

(vcKR

hR i,j,k R là mực nước tại ô (i,j,k)

qR i,j-1/2,k R là thể tích nước chảy qua mặt tiếp giáp giữa ô (i,j,k) và ô (i,j−1,k)

KRR i,j-1/2,k R là hệ số thấm dọc theo dòng chảy giữa các nút lưới (i,j,k) và (i,j−1,k)

∆cR i R∆vR k R là diện tích bề mặt vuông góc với phương dòng chảy

∆rR j-1/2 R là khoảng cách giữa các nút lưới (i,j,k) và (i,j−1,k)

Tương tự ta có các phương trình cân bằng tính cho các nút lưới lân cận khác Dòng chảy chảy qua giữa các nút lưới (i,j,k) và (i,j+1,k) sẽ là:

2 / 1 j

k , , k , 1 j i k i k , 2 / 1 j i k

, 2 / 1 j i

r

)hh

(vcKR

q

+

+ +

Dòng chảy chảy qua các nút lưới (i,j,k) và (i+1,j,k) sẽ là:

2 / 1 i

k , , k , , 1 i k j j 2 / 1 i k

, , 2 / 1 i

c

)hh

(vrKC

q

+

+ +

k , , k , , 1 i k j k , , 2 / 1 i k

, , 2 / 1 i

c

)hh

(vrKC

k , j , i 1 k , j , i i j 2 / 1 k , j , i 2 / 1 k , j , i

v

) h h

( c r KV

q

+

+ +

k , j , i 1 k , j , i i j 2 / 1 k , j , i 2 / 1 k , j , i

v

) h h

( c r KV

nút lưới (i,j-1,k) đến (i,j,k) sẽ là:

CRR i,j-1/2,k R=KRR i,j-1/2,k R∆ci∆vk/∆rR j-1/2 R (3.9) Trong đó:

CRR i,j-1/2,k R: là sức cản thấm trong hàng thứ i, lớp k giữa các nút lưới (i,j-1,k)

và (i,j,k)

Tương tự như vậy ta sẽ có các giá trị sức cản thấm tương ứng:

qR i,j-1/2,k R=CRiR ,j-1/2,k R(hR i,j-1,k R-hR i,j,k R) (3.10)

qR i,j+1/2,k R=CRiR ,j+1/2,k R(hiR ,j+1,k R-hiR ,j,k R) (3.11)

qiR -1/2,j,k R=CCiR -1/2,j,k R(hiR -1,j,k R-hiR ,j,k R) (3.12)

qiR +1/2,j,k R=CCiR +1/2,j,k R(hiR +1,j,k R-hiR ,j,k R) (3.13)

qiR ,j,k-1/2 R=CViR ,j,k-1/2 R(hiR ,j,k-1 R-hiR ,j,k R) (3.14)

qiR ,j,k+1/2 R=CViR ,j,k+1/2 R(hiR ,j,k+1 R-hiR ,j,k R) (3.15) Lưu lượng cung cấp từ biên vào ô được xác định theo phương trình tổng quát sau:

aR i,j,k,n R = pR i,j,k,n R hR i,j,k R + qR i,j,k,n R (3.16) Trong đó:

aR i,j,k,n R biểu diễn dòng chảy từ nguồn thứ n vào trong nút lưới (i,j,k)

hR i,j,k R mực nước của nút (i,j,k)

pR i,j,k,n R , qR i,j,k,n R là các hệ số có thứ nguyên (LP

phương trình

Sau đây, chúng ta sẽ mô tả một số điều kiện biên có thể được viết dưới

dòng chảy từ lỗ khoan thường độc lập với mực nước lúc đó hệ số pR i,j,k,1 R =0 và

qR i,j,k,1 Rlà lưu lượng của lỗ khoan Lúc này, phương trình (3.16)được viết:

aR i,j,k1 R = qR i,j,k1 R (3.17) Đối với nguồn cấp thứ hai (n=2), giả sử rằng mối quan hệ giữa tầng chứa nước và sông thông qua một giá trị sức cản thấm đáy lòng Như vậy, lưu lượng

nước trong sông, hay là:

aR i,j,k2 R = CRIVR i,j,k2 R(RR i,j,k R-hR i,j,k R) (3.18) Trong đó:

- RR i,j,k R là mực nước trong sông

- CRIVR i,j,k,2 R là giá trị sức cản thấm

Từ (3.18) suy ra:

aR i,j,k,2 R = -CRIVR i,j,k2 RhR i,j,k R + CRIVR i,j,k2 RRR i,j,k R (3.19) Như vậy thành phần thứ nhất của vế phải chính là pR i,j,k,2 R và thành phần thứ hai chính là qR i,j,k,2 Rtrong phương trình (3.16)

QSR i,j,k Rthì:

QSR i,j,k R = PR i,j,k RhR i,j,k R + QR i,j,k R (3.20) Trong đó:

PR i,j,k R =ΣpiR ,j,k,n R; Qi,j,k =ΣqR i,j,k,n R(3.21)

Thay các phương trình từ (3.10) đến (3.15) và phương trình (3.20 vàophương trình (3.2) ta có:

CRR i,j-1/2,k R(hR i,j-1,k R-hR i,j,k R)+CRR i,j+1/2,k R(hR i,j+1,k R-hR i,j,k R)+CCR i-1/2,j,k R(hR i-1,j,k R

-hR i,j,k R)+CCR i+1/2,j,k R(hR i+1,j,k R-hR i,j,k R)

+CVR i,j,k-1/2 R(hR i,j,k-1 R-hR i,j,k R)+CVR i,j,k+1/2 R(hR i,j,k+1 R-hR i,j,k R)+PR i,j,k RhR

i,j,k-1 R+QR i,j,k R=SR Si,j,k R(∆rR j R∆cR j R∆vR k R)∆hR i,j,k R/∆t (3.21)

Sai phân giá trị∆hP

i

PR ,j,k R/∆t ta có:

1 m m

1 m k , ,

m k , , m

k , ,

tt

hh

CRR i,j-1/2,k R(hR i,j-1,k R-hR i,j,k R)+CRR i,j+1/2,k R(hR i,j+1,k R-hR i,j,k R)+CCR i-1/2,j,k R(hR i-1,j,k R

-hR i,j,k R)+CCR i+1/2,j,k R(hR i+1,j,k R-hR i,j,k R) + CVR i,j,k-1/2 R(hR i,j,k-1 R-hR i,j,k R)+CVR i,j,k+1/2 R(hR i,j,k+1 R

-hR i,j,k R)+PR i,j,k RhR i,j,k-1 R+QR i,j,k R= SR Si,j,k R(∆rR j R∆cR j R∆vR k R)(hR i,j,k RP

Phương trình trên sẽ được viết cho tất cả các ô có mực nước thay đổi theo

tại thời điểm tR (m-1) R là hR i,j,k RP

chia nhỏ khoảng thời gian (tR m-1 R,tR m R) kết quả nhận được là lời giải gần đúng của hệ phương trình Khi thời gian tăng lên thì h sẽ thay đổi Khi h đạt được sự ổn định

toán Để phương pháp lặp hội tụ, người ta chọn bước thời gian tăng theo cấp số nhân, khi đó thừa số 1/(tR m-1 R - tR m R) sẽ tiến nhanh tới 0 do đó các tổng có liên quan đến thừa số này hội tụ Có thể hình dung cách giải hệ phương trình bằng phương pháp lặp như sơ đồ hình 1.3

lưới mà tại những ô lưới có thể thiết lập các điều kiện biên Có 3 loại điều kiện

giá trị này không đổi trong suốt bước thời gian tính toán

biên được xác định trước trong suốt bước thời gian tính toán Trường hợp không

- Điều kiện biên loại III là điều kiện biên lưu lượng trên biên phụ thuộc vào

dạng biên loại III này như sau:

hình là biên loại I, loại II hoặc loại III

h m-1 =

Kết thúc tính toán cho bước thời gian

B ắt đầu tính toán cho bước thời gian m

h m,0

h m,1

h m,n-1

h m,n

K ết thúc tính toán cho bước thời gian

Bắt đầu tính toán cho bước thời gian

h m-1 =

h m-1,n

C ốt cao mực nước tính được cho bước thời gian m-1

N ếu dao động

| hm,n – hm,n-1 | nh ỏ hơn giá trị

chênh l ệch cho phép thì quá

trình tính toán được coi là

hoàn tất ở đây

3.2.3 Chỉnh lý mô hình

ngược Bài toán ngược chỉnh lý mô hình gồm bài toán ngược ổn định và bài toán ngược không ổn định Chất lượng của việc giải bài toán ngược ảnh hưởng trực

tiếp đến kết quả của bài toán thuận dự báo

+Đánh giá kết quả bài toán ngược

điều kiện biên Sau đó dùng kết quả bài toán ngược không ổn định để chính xác

lại điều kiện biên, thông số trên biên và hệ số nhả nước

ME = 1/n ∑(hR m R - hR s R) (3.24) Trong đó:n là số điểm chỉnh lý

Đại lượng này không được sử dụng rộng rãi để đánh giá sai số bởi vì đôi

thể đạt trị số ME cực tiểu

- Sai số tuyệt đối trung bình (MAE) là giá trị trung bình tuyệt đối giữa hiệu

3.2.4 D ự báo đánh giá trữ lượng khai thác

cũng lớn hơn mực nước động của tầng chứa nước ngay tại vị trí giếng khoan do

mới thì giá trị ∆S nhỏ, ngược lại giếng kết cấu kém hoặc giếng cũ thì giá trị ∆S

để khắc phục điểm hạn chế này của mô hình, khi dự báo hạ thấp mực nước tại

động tại giếng trong thời điểm hiện tại cộng với hạ thấp mực nước bổ sung Điều này được minh họa bằng công thức sau:

t

ht đ

∆SR t R: Hạ thấp mực nước bổ sung tính từ thời điểm hiện tại đến thời điểm t trong tương lai (m)

Khi đó thì giá trị ∆SR t R có thể dễ dàng xác định được khi chạy mô hình số

3.3 Xây dựng và chỉnh lý mô hình

3.3.1 Mô hình khái niệm