Bài giảng địa chất thủy văn

Nghiên cứu nước dưới đất để phục vụ các yêu cầu sau:+ Giải quyết vấn đề địa chất thuỷ văn trong việc thi công các công trình, khái thác hầm mỏ.+ Giải quyết vấn đề cung cấp nước tiêu dùng.+ Tìm nguồn nước khoáng, nước công nghiệp, tìm kiếm các mỏ khoáng sản có ích.

MỞ ĐẦU

- Đối tượng nghiên cứu của Địa chất Thuỷ văn:

Địa chất thuỷ văn là khoa học nghiên cứu nước dưới đất, cụ thể là nghiên cứu:+ Nguồn gốc, sự phân bổ và sự vận động của nước trong các lớp đất đá

+ Nghiên cứu các tính chất vật lý, thành phần hoá học, vi khuẩn và khí của nước dưới đất

Nước dưới đất nằm trong các lớp đất đá và có liên hệ chặt chẽ với chúng nên địa chất thuỷ văn là một bộ phận của khoa học về Trái đất

- Nhiệm vụ: Nghiên cứu nước dưới đất để phục vụ các yêu cầu sau:

+ Giải quyết vấn đề địa chất thuỷ văn trong việc thi công các công trình, khái thác hầm mỏ

+ Giải quyết vấn đề cung cấp nước tiêu dùng

+ Tìm nguồn nước khoáng, nước công nghiệp, tìm kiếm các mỏ khoáng sản có ích

- Phương pháp nghiên cứu:

+ Lập bản đồ Địa chất thuỷ văn

+ Mô tả nguồn nước và quan sát địa chất thuỷ văn trong lỗ khoan, giếng và hầm lò

+ Các phương pháp phân tích và mô hình hoá trong phòng thí nghiệm

+ Các phương pháp địa vật lý, đặt biệt là phương pháp thăm dò điện nhằm phát hiện các tầng chứa nước

Nước dưới đất vận động trong các lỗ hổng và khe nứt của đất đá không những

có tác dụng trực tiếp với chúng mà còn có liên quan mật thiết với nước bề mặt và nước khí quyển Vì vậy muốn nghiên cứu đầy đủ về nước dưới đất, đòi hỏi phải nắm được đặt điểm cấu tạo địa chất của vùng với tư cách là môi trường mà trong đó nước vận động, và phải năm được các quy luật vận động của nước bề mặt và nước khí quyển với

tư cách là nguồn bổ sung cho nước dưới đất

Chương 1: NƯỚC TRONG THIÊN NHIÊN1.1 Vòng tuần hoàn của nước trong thiên nhiên và trong lưu vực

1.1.1 Vòng tuần hoàn của nước trong thiên nhiên.

Nước trên Trái đất phân bố không đều trong các quyển khác nhau: khí quyển, thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển

Nước trong các quyển luôn luôn chuyển động trong bản thân mỗi quyển và đồng thời luôn luôn có một lượng nước nhất định chuyển động từ quyển này sang quyển khác, tạo nên vòng tuần hoàn bất tận

Nhờ năng lượng bức xạ của mặt trời, nước từ thuỷ quyển, sinh quyển và thạch quyển bốc hơi lên khí quyển Trong khí quyển hơi nước gặp lạnh ngưng tụ lại và rơi xuống Lượng mưa này một phần bốc hơi trở lại vào khí quyển, một phần ngấm xuống đất, một phần tạo thành những dòng chảy đổ ra biển Mức độ của quá trình tuần hoàn này tuỳ thuộc vào từng mùa và tuỳ thuộc vào các điều kiện địa lý tự nhiên (hình1)

Tổng thể tích nước trong Trái đất ước tính khoảng 1.8 tỷ km3 Lượng nước này được phân bố như sau:

- Từ mặt đất đến độ sâu 20 km (ranh giới Cônradda) có 570 triệu km3

- Từ độ sâu 20 km đến 35 km (ranh giới Môhô) có 500 triệu km3

Trong vỏ Trái đất nước tồn tại ở những dạng khác nhau và chiếm khoảng 42% toàn bộ nước của Trái đất Nước dưới đất là tác nhân trọng yếu làm dịch chuyển các nguyên tố hoá học trong vỏ Trái đất

Trong vòng tuần hoàn của nước trong thiên nhiên, người ta đã tính toán cụ thể như thế này (những số liệu sau đây được tính trong 1 năm)

- Tổng lượng nước bốc hơi ngoài biển và đại dương là Zb = Xb + Y = 447.980

km3

- Tổng lượng mưa ngoài biển và đại dương là Xb = 411.600 km3

- Tổng lượng nước bốc hơi trong lục địa là Zđ = Xđ - Y = 132.020 km3

- Tổng lượng mưa trong lục địa là Xđ = 168.400 km3

- Tổng lượng nước sông chảy ra biển là Y= 36.380 km3

Phương trình cân bằng nước trên vỏ trái đất: Xb+Xđ = Zb + Zđ

Như vậy hàng năm có một lượng hơi nước là 36.380 km3 di chuyển từ biển, đại dương vào lục địa và từ lục địa, các dòng song đổ ra biển cũng một lượng như vậy Vậy đây là vòng tuần hoàn lớn của nước trong thiên nhiên

Mỗi dòng chảy trên mặt đất đều có phạm vi cung cấp nước, gọi là lưu vực dòng chảy Đường phân chia lưu vực của hai dòng chảy được gọi là đường chia nước (đường phân thủy) Mỗi một dòng chảy đều có một lưu vực trên mặt và lưu vực dưới đất chúng có thể trùng hoặc không trùng nhau.

Mưa rơi xuống mặt đất, một phần bốc hơi; một phần hình thành dòng chảy trên mặt dưới dạng sông, suối, lạch; một phần ngấm xuống cung cấp cho nước dưới đất; nước dưới đất lại chảy lộ ra cung cấp cho sông suối

Tính toán cân bằng nước trong lưu vực:

Tổng lượng nước thu được trong lưu vực: X+K+f

Tổng lượng nước mất đi trong lưu vực: Z+y+p

X-Tổng lượng nước mưa trong lưu vực,mm

K - Tổng lượng nước ở tầng ngầm cung cấp cho lưu vực,mm

f – lượng nước ngầm cung cấp cho dòng chảy trên mặt hay ngược lại, mm

Z – Tổng lượng bốc hơi, mm

y – lượng nước dưới đất thất thoát ra ngoài, mm

p – lượng nước đổ ra biển, mm

1.2 Sự phân bố của nước trong thiên nhiên.

1.2.1 Nước trong khí quyển

Trong khí quyển, tổng lượng nước ước tính 12.300 km 3 Nếu tất cả số nước này tồn tại dưới thể lỏng thì nó sẽ phủ quanh trái đất một lớp dày 25 mm Lượng nước này tồn tái dưới 3 trạng thái: hơi nước, giọt lỏng (mây, sương), và rắn (tuyết, mưa đá)

Tuy khí quyển có bề dày 2000km nhưng nước chủ yếu tồn tại gần mặt đất (trong tầng đối lưu): đến độ cao 3,5 km thì có 70% nước khí quyển, và đến 5 km thì có 90% nước Do đó các hiện tượng mây, mưa đều xảy ra ở nửa phần dưới của tầng đối lưu

Nước trong khí quyển luôn luôn biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác

và có liên hệ chặt chẽ với nước ở thuỷ quyển, sinh quyển và thạch quyển Từ thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển nước bốc hơi lên cao gặp lạnh hơi nước ngưng tụ lại thành mưa, tuyết, mưa đá,… Người ta đã tính lượng nước trong khí quyển bằng 1/41 lượng mưa hang năm và “tuổi thọ” trung bình của phân tử nước trong khí quyển là 9 ngày

Sự vận động của nước trong khí quyển giữ một vai trò rất quan trọng trong việc điều tiết nhiệt độ giữa các vùng trên mặt

1.2.2 Nước trong thuỷ quyển.

Thuỷ quyển bao gồm các dại dương, biển, hồ chiếm một diện tích là 361,45 triệu km2 hay 70,8% diện tích bề mặt Trái đất.

Nước trong quyển này tồn tại dưới hai trạng thái:

Lượng hơi nước cung cấp cho khí quyển chủ yếu là từ thuỷ quyển Thuỷ quyển

là môi trường sản sinh ra sự sống và ngày nay sự sống cũng không tách rời thuỷ quyển Nước chứa trong các tầng đất đá (nước dưới đất) phần lớn cũng do thuỷ quyển cung cấp Ngược lại thuỷ quyển cũng nhận nguồn bổ trợ từ các nguồn khác

Thuỷ quyển chiếm một lượng nước chủ yếu trong tổng số lượng nước có mặt trên trái đất và chi phối số lượng cũng như sự vận động của nước ở các quyển khác

1.2.3 Nước trong sinh quyển.

Việc xác định nước trong quyển này rất phức tạp, bởi vì giới sinh vật có hang chục vạn chủng loại khác nhau sống trong những môi trường khác nhau

Người ta biết rằng:

- Trong cơ thể người có 70% nước

- Trong sinh vật sống miền khô ráo có 60% nước

- Trong sinh vật sống dưới nước có 90% nước

Như vậy, hơn 2/3 khối lượng của sinh vật sống trên trái đất là nước

Nước vô cùng quan trọng đối với sự sống: không có nước thì không có các quá trình sinh hoá được Nếu sinh vật mất 10% nước thì sẽ bị ngộ độc, mất 21% nước thì sẽ chết

Có một điều thú vị là thành phần hoá học của máu người và động vật gần giống với thành phần hoá học của nước biển: (bảng 2)

Bảng 2: Hàm lượng nguyên tố trong máu và trong nước biển

Nguyên tố Thành phần máu Thành phần nước biển

Ta thử đặt câu hỏi: máu người và động vật lập lại thành phần hoá học của môi trường

mà sự sống phát sinh, hay ngược lại, thành phần của môi trường (nước biển) lập lại thành phần của máu người và động vật?

1.2.4 Nước trong vỏ trái đất.

1.2.4.1 Sự phân bố của nước trong vỏ Trái đất.

Vỏ trái đất có bề dày trung bình ở lục địa là 35km, và dưới đáy đại dương là 4,7km

Tổng thể nước trong vỏ trái đất ước tính khoảng 1,8 tỷkm3 Lượng nước này phân bố như sau:

- Từ mặt đất đến độ sâu 20 km (ranh giới Cônrad) có 570 triệu km3

- Từ độ sâu 20km đến 35 km (ranh giới Môhô) có 500 triệu km3

Kamenxki chia vỏ trái đất làm hai tầng mà trong đó nước được chứa trng đó:

Tầng dưới:

Là các loại đá toàn khối chứa nước rất ít

Tầng trên: là tầng chứa nhiều nước, chủ yếu được chứa trong các khe nứt của đá hay

trong các khe hở của vật liệu trầm tích bở rời

1.2.4.2 Các dạng của nước trong đất đá

* Nước dưới dạng hơi:

Hơi nước nằm trong đới thông khí lắp đầy các lỗ hổng và khe nứt

Hơi nước chuyển động từ nơi có sức căng hơi nước lớn đến nơi có sức căng hơi nước

nhỏ hơn Sức căng hơi nước lớn hay nhỏ là do lượng phân tử hơi nước nhiều hay ít

Lượng hơi nước tỷ lệ thuận với nhiệt độ không khí: nhiệt độ không khí càng cao thì

sức căng hơi nước càng lớn và ngược lại, nhiệt độ không khí càng thấp thì sức căng hơi nước càng bé Do đó vào mùa đông khi mặt đất lạnh hơn dưới sâu thì sẽ có

dòng hơi nước chuyển động từ dưới lên và ngược lại, vào mùa hè khi mặt đất nóng hơn dưới sâu thì có dòng hơi nước chuyển động xuống (ở đây ta chỉ nói phần trên cùng của vỏ Trái đất, nơi có nhiệt độ thay đổi theo từng mùa)

Hơi nước có thể chuyển sang thể lỏng khi nhiệt độ hạ thấp và lượng hơi nước quá bảo hòa Vì vậy, tại các vùng sa mạc, nơi lượng mưa hàng năm rất ít thì hơi nước đã là nguồn cung cấp cho nước ngầm

* Nước liên kết (nước liên kết vật lý):

Nước còn liên kết với các hạt thổ nhưỡng (hạt bụi, hat sét) dưới tác dụng của lực hút phân tử và lực hút tĩnh điện Tùy theo lực liên kết mạnh hay yếu giữa các phân tử nước

và hạt sét mà người ta phân ra: nước liên kết chặt và nước liên kết yếu.

Nước liên kết chặt (nước hập phụ): các phân tử nước bám chặt trên bề mặt các hạt sét

Khi nước hấp phụ phủ kín hạt sét thì gọi là nước hấp phụ tối đa Bề dày của nước liên kết chặt bằng bằng đường kính một phân tử nước (2,76 ΑO ) Nước này chỉ tách ra khỏi

hạt thổ nhưỡng dưới tác dụng của nhiệt độ cao (to > 100oC) hay dưới áp suất P > (3000-5000) Kg/cm2

Trong cát, lượng nước hấp phụ không vượt quá 1-2%, và trong sét thì không vượt quá 10%

Nước liên kết yếu (nước màng mỏng): nó bao quang các hạt thổ nhưỡng và có bề dày

bằng vài phân tử nước do tác dụng của lực hút phân tử và lực hút tĩnh điện nhưng nhưng nhỏ hơn so với nước hấp phụ Nước màng mỏng có bề dày khác nhau tùy thuộc vào lượng hơi nước trong đất đá và tùy thuộc vào kích thước của hạt: kích thước hạt càng bé thì bề dày màng mỏng càng lớn

Nước này có thể thách ra khỏi hạt thổ nhưỡng dưới tác áp suất P >65Kg/cm2

Trong cát, lượng nước màng mỏng có từ 1-7%, trong á cát (9-13%), trong á sét 23%), trong sét (25-35%)

(15-Như vậy, nước liên kết chủ yếu nằm trong sét Do chúng không thể tồn tại dưới tác dụng nhiệt độ lớn và áp suất cao nên chúng không thể ở sâu hơn 5 km

* Nước mao dẫn:

(Hình)

Là nước nằm trong các ống mao dẫn dưới tác dụng của lực mao dẫn Các ống mao dẫn

có đường kính nhỏ hơn 1 mm, nếu là khe nứt thì kích thước khe nứt nhỏ hơn 0,25 mm Các ống này có hình thù và kích thước khác nhau tùy thuộc vào kích thước và sự sắp xếp của các hạt Người ta phân ra 3 loại nước mao dẫn: nước mao dẫn treo, nước mao dẫn gốc, và nước ở đới mao dẫn

- Nước mao dẫn treo là nước ở tầng trên không có liên hệ với nước ngầm, nước này hình thành trong các ống mao dẫn có đường kính phía trên và phía dưới không bằng nhau (Hình) Trường hợp này xảy ra khi phía dưới lớp cát chứa nước mao dẫn có lớp cát với kích thước hạt to hơn

- Nước mao dẫn góc tạo thành trong các góc lỗ hổng dưới tác dụng của lực mao dẫn (Hình)

- Nước đới mao dẫn hình thành trực tiếp ngay phía trên gương nước ngầm Đới này thay đổi lên xuống theo sự thay đổi của gương nước ngầm (Hình)

* Nước trọng lực: nước chuyển động trong các lỗ hổng và khe nứt của đất đá dưới tác

dụng của lực hút trái đất gọi là nước trọng lực Nước trọng lực là đối tượng nghiên cứu của địa chất thủy văn

* Nước ở thể rắn: Ở các miền ôn đới và hàn đới, vào mùa đông nhiệt độ không khí hạ

xuống thấp hơn 0oC, nước trong các lỗ hổng và khe nứt của đất đá (phần gần mặt đất) chuyển sang trạng thái rắn

* Nước trong thành phần khoáng vật (nước liên kết hóa học):

Nước này chỉ tách ra khỏi khoáng vật ở nhiệt độ 80-4000C

- Nước kết tinh là nước tham gia vào thành phần khoáng vật dưới dạng các phân tử nước với số lượng nhất định

1.2.4.3 Nguồn gốc của nước dưới đất: để giải thích nguồn gốc của nước dưới đất

người ta đưa ra một số thuyết như sau:

* Thuyết thấm lọc: theo thuyết này thì khi nước mưa rơi xuống mặt đất hoặc nước bề

mặt ngấm vào các tầng đất đá để tạo thành các dạng khác nhau của nước dưới đất

* Thuyết ngưng tụ: theo thuyết này thì hơi nước trong các khe nứt hay lỗ hổng của

đất đá ngưng tụ lại do sự hạ thấp của nhiệt độ Nước dưới đất hình thành do quá trình ngưng tụ khôn nhiều, song tại những miền ít mưa như sa mạc thì nước ngưng tụ giữ vai trò chủ yếu trong việc cung cấp cho nước ngầm

* Thuyết về nước nguyên sinh: theo thuyết này nước khoáng, đặt biệt là nước nóng,

nước phun khí được tạo thành trong quá trình ngưng tụ hơi nước từ magma thoát ra Nước này theo các đứt gẫy sâu đi lên mặt đất và xuất lộ dưới dạng các nguồn nước khoáng

Ngày nay, không phải tất cả các nhà Bác học đều thừa nhận thuyết ấy Nhiệt độ cao, thành phần hóa học phức tạp của một số nguồn nước khoáng chưa đủ chứng minh nguồn gốc của chúng là từ magma Cũng có thể chúng được hình thành từ hai phương thức sau:

- Nước khí quyển ngấm sâu vào lòng đất, ở đây nó được đốt nóng lên do nguồn địa nhiệt và tăng khả năng hòa tan các chất vào trong chúng.

- Tại gần các lò magma trẻ, nước dưới đất có nguồn gốc khí quyển bị đốt nóng lên và tăng khả năng hòa tan các chất vào trong chúng nên làm thành phần trở nên phức tạp

Tính thấm nước là đặt trưng của đất đá cho nước thấm qua Mức độ thấm nước của đất

đá không quyết định bởi độ lỗ hổng ma chỉ phụ thuộc vào kích thước các khe lỗ Đất

đá có độ lỗ hổng lớn có thể không thấm nước, và ngược lại đất đá có độ lỗ hổng bé có thể thấm nước tốt

Dựa vào mức độ thấm nước có thể chia ra 3 nhóm:

- Thấm nước: trầm tích vụn trạng thái rời (cuội, sỏi, cát) và đá nứt nẻ nhiều

- Nửa thấm nước: á cát, hoàng thổ, than bùn, cát gắn kết yếu, đá bị nứt nẻ yếu, granit

bị phong hóa

- Không thấm nước: đá dạng khối không bị nứt nẻ, sét

Độ thấm nước được đo bằng hệ số thấm lọc K Trong việc thành tạo nước trọng lực, đá

thấm nước được tạo nên lớp chứa nước, đá không thấm nước tạo nên lớp cách thủy.

Gía trị trung bình của hệ sô K của một vài loại đất đá

Không thấm nước, thực tế là cách thuỷ (sét) <0,001

* Độ chứa nước: là khả năng của đất đá thu nhận và giữ lại một lượng nước nhất định

Người ta chia ra 3 mức độ chứa nước:

- Chưa nước tốt (than bùn, á sét, và sét)

- Chứa nước kém (đá magma, đá phấn, đá kết xốp, cát hạt nhỏ, đất hoàng thổ).

- Không chứa nước (đá magma, đá trầm tích cấu tạo khối, cuội, sỏi, sạn trạng thái rời)Ứng với các dạng nước chứa trong đất đá, người ta phân biệt các độ chứa nước sau:

- Độ chứa nước mao dẫn, là khả năng của đất đá giữ trong lỗ mao dẫn một lượng nước nhất định

- Độ chứa nước phân tử tối đa, là lượng nước hấp phụ cực đại được đất đá hút từ khí quyển kèm theo sự phóng nhiệt

- Khi toàn bộ lỗ hổng và khe nứt chứa đầy nước, ta có độ chứa nước bảo hòa

Cần phân biệt độ chứa nước và lớp chứa nước trong mặt cắt địa chất: đá có độ chứa nước cao không tạo nên lớp chứa nước mà tạo nên lớp cách thủy

* Lượng phóng thích nước: là hiệu số giữa độ chứa nước bảo hòa và độ chứa nước

phân tử tối đa, tức lượng nước trong đất đá có thể phóng thích ra dưới tác dụng của trọng lực

Đơn vị lượng phóng thích là g/cm3 Lượng phóng thích nước được đặt trưng bởi hệ số phóng thích µn = Wbh - Wnf (%)

Wbh : độ chứa nước bảo hòa

Wnf : độ chứa nước phân tử tối đá

Lượng phóng thích nước của cát, cuội khoảng 27,4%, sét và than bùn thực tế không phóng thích nước Do đó, không thể khai thác nước trong các lớp than bùn, sét, và các loại đá khối khác

Lượng phóng thích nước giữ vai trò rất lớn trong việc hình thành các tầng chứa nước khác nhau

2.2 Tính chất vật lý

2.2.1 Nhiệt độ:

Tùy theo điều kiện tàn trữ mà nước dưới đất có nhiệt độ khác nhau dao động từ dưới

0oC đến trên 100oC Như ta biết, càng xuống sâu nhiệt độ càng tăng: cứ 33m tăng 1oC Theo nhiệt độ người ta phân ra:

- Nước lạnh to < 20oC

- Nước ấm 20o-37oC

- Nước nóng to > 37oC

Nước ngon và mát khi ở nhiệt độ 7-11oC Nước có giá trị chữa bệnh tốt nhất là nước

có nhiệt độ > 20oC, đặt biệt là nước có nhiệt độ gần nhiệt độ cơ thể người (35-37oC)Nhiệt độ của nước có ảnh hưởng rất lớn đến thành phần hóa học của nó Nước lạnh thường là nước Ca còn nước nóng thường là nước Na, K

Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến sự hòa tan của các chất khí trong nước Dưới áp suất và nhiệt độ không khí không đổi, khi nhiệt độ của nước tăng lên thì độ hòa tan của khí giảm xuống

Nhiệt độ của nước

Đổ nước vào xilianh có chia độ Đặt xilanh lên mẫu chữ và mở vòi để nước chảy ra cho đến khi nào nhìn qua lớp nước có thể phân biệt rõ chữa in Độ cao cột nước còn lại (biểu diễn bằng cm) thể hiện mức độ trong suốt của nước.

Nước uống cần phải trong suốt Nếu bị vẫn đục bởi các chất hữu cơ thì không được sử dụng

2.2.3 Màu: nước dưới đất bị nhiễm màu do các chất hữu cơ hoặc các chất thải công

nghiệp Màu nâu đặc trưng cho nước ở các trầm tích mioxen, chứa than nâu Màu vàng gây ra bởi hợp chất mùn Bicacbonat kiềm và kiềm thổ (đặc biệt là Ca) làm cho nước

có màu xanh lá cây

Để xác định màu của nước người ta thường dùng các dung dịch chuẩn Đổ nước vào xi lanh, mặt ngoài xi lanh được che để tránh ánh sáng Khi quan sát người ta so sánh màu của nước thí nghiệm với màu của nước cất Cả hai xi lanh cùng đặt trên cùng nền trắng

2.2.4 Mùi:Mùi của nước thường liên quan tới sự hoạt động của vi khuẩn, hay sự có

mặt các chất hữu cơ Sự khác nhau về hình dạng của các vi khuẩn đó có thể gây ra cho nước có nhiều mùi khác nhau: mùi mốc, mùi chuột, mùi cá,…

Ngoài ra, mùi của nước còn chứng tỏ có nhiều khí có nguồn gốc sinh hoá (H2S có mùi trứng thối)

Để xác định chính xác mùi của nước, người ta đun sôi nước lên khoảng 50 – 600C Nước có thể có các mùi sau:

2.2.5 Vị: Vị của nước liên quan đến thành phần các chất hoà tan trong nước Ví dụ:

- Vị mặn gây ra do: NaCl

- Vị đắng chat do: Mg2SO4

- vị rỉ sắt hay vị mực gây ra do muối sắt

- Vị ngọt và mát thường do khí CO2 tự do

2.3 Tính chất hoá học của nước

2.3.1 Thành phần hóa học của nước.

Trong thành phần hoá học của nước dưới đất có hơn 60 nguyên tố trong bảng tuần hoàn Mendeleep Các nguyên tố này chứa trong nước dưới các dạng:

Ion: Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Cl-, HCO3-, SO42-,…

Phân tử: O2, CO2, H2S, CH4, N2,…

Keo: H2SiO3, Fe(OH)3,…

Ngoài ra trong nước còn có các chất hữu cơ (humin, bittum, axit béo, phênôn,…)

Các chất chứa trong nước thiên nhiên được chia ra làm hai nhóm nguyên tố chính: đại nguyên tố và vi nguyên tố

Trong nhóm đại nguyên tố: gồm các nguyên tố có một số lượng chủ yếu quyết định độ khoáng hoá của nước như: Cl-, HCO3-, SO42, NO3-, Na+, Ca2

, Fe2+, H2SiO3Trong nhóm vi nguyên tố gồm các nguyên tố còn lại và các chất keo

Trong thực tế hiện nay người ta tập trung chú ý đến 6 ion: Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-, HCO3-,

SO4, bởi vì các ion này chứa trong nước dưới đất một lượng lớn và quyết định thành phần hoá học của chúng, các ion còn lại là những ion phụ kèm theo

2.3.2 Tổng độ khoáng hoá của nước:

Tổng lượng các chất hoà tan trong nước gọi là tổng lượng khoáng hoá, thường được biểu diễn bằng g/l (đô khi bằng g/kg-đối với nước nuối)

Tổng lượng khoáng hoá của nước ngọt không quá 1 g/l, nước uống không nên quá 0,5g/l, nước biển phần lớn là 35 g/l

Cách xác định tổng độ khoáng hoá như sau: lấy một lượng nước nhất định (500ml) chưng khô ở nhiệt độ 105-1100C, cân chất cặn đọng lại là được tổng độ khoáng hoá Thực tế tổng độ khoáng hoá xác định theo phương pháp này nhỏ hơn thực tế vì khi chưng khô có một số chất khí và chất dễ bốc hơi bay đi Phương pháp chính xác nhất

là xác định hàm lượng của từng nguyên tố một rồi cộng lại Song phương pháp này rất phức tạp và tốn kém nên ít được dùng

Dựa trên tổng độ khoáng hoá, nước dưới đất được phân loại như sau:

Độ khoáng hoá hơi cao

Thường là Bicacbonat

Bicacbonat-Sunfat1000-3000

3000-10000

10000-35000

>35000

Hơi mặnMặn

Độ mặn caoNước muối

Sunfat-CloruaChủ yếu là CloruaClorua

2.3.3 Độ pH:

pH đặc trưng cho nồng độ ion Hydro trong nước, nó quyết định đặc điểm môi trường nước

Nước trung tính khi Ph = pOH= 7

Nước trong thiên nhiên là một dung dịch chứa nhiều chất hoà tan khác nhau Do đó, nồng độ H+ có thể nhiều hơn hay ít hơn so với [OH-]

Nếu pH > 7, nước có tính kiềm

Nếu pH < 7, nước có tính axit

- Độ pH phụ thuộc vào hàm lượng của: H2CO3, CO2, H2S, các axit khác

- Khí CO2 có vai trò quan trọng trong việc làm tăng nồng độ H+ trong nước:

CO2 + H2O H+ + HCO3-

Nếu nước bảo hoà CO2 thì [H+] có thể tăng lên 300 lần

- Các axit humin cũng làm tăng [H+]

- Nồng độ OH- tăng lên do Na2CO3:

Na2CO3 + H2O 2Na+ + HCO3- + OH

-2.3.4 Đặc tính ăn mòn của nước dưới đất:

Tính chất này thể hiện rõ khi trong nước hiện diện nhiều Cacbonic tự do Sự ăn mòn Cancit trong nước chứa Cacbonic tự do diễn ra theo phương trình sau:

CaCO3 + CO2 + H2O Ca2+ + 2HCO3

-Nếu lượng CO2 thừa sau phản ứng thì gọi là CO2 ăn mòn

Nếu lượng CO2 vừa đủ để hoà tan hết CaCO3 thì gọi là CO2 cân bằng

CO2 ăn mòn có tác dụng phá hoại bêtông và nhiều loại ximăng, hoà tan một số đá (nhất là đá vôi)

2.3.5 Độ cứng của nước.

Độ cứng của nước gây ra do các muối hoà tan của Canxi và Magiê

Người ta phân biệt 3 loại độ cứng sau:

- Tổng độ cứng: gây ra do sự có mặt của tất cả các muối Canxi và Magiê: Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, MgCO3, CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2

- Độ cứng tạm thời gây ra do sự có mặt của các muối Bicacbonat Canxi hay Magiê

- Độ cứng vĩnh viễn gây ra do sự có mặt của các muối Canxi và Magiê còn lại

Ở Liên Xô độ cứng của nước được biểu thị bằng mg-đương luợng của Ca2+ và Mg2+ trong một lít nước Một mg-đl độ cứng ứng với hàm lượng 20,04 mg/l Ca2+ hay 12,16 mg/l Mg2+

Phân loại nước theo độ cứng theo Alôkin như sau:

Nước uống có thể dùng khi độ cứng 7-20mg-đl

2.4 Dấu hiệu nhiễm bẩn của nước

Khái niệm nhiễm bẩn được hiểu là khả năng làm cho nước không còn được sử dụng an toàn cho mục đích ăn uống hay công nghiệp Như vậy, khi đánh giá sự nhiễm bẩn của nước dưới đất chúng ta cần làm rõ tác nhân gây nhiễm bẩn và nguồn gốc của chúng là

từ đâu, có như vậy chúng ta mới tìm ra giải pháp ngăn chặn nhiễm bẩn Tác nhân gây nhiễm bẩn có thể là tác nhân hoá học (thành phần hoá học gây hại) và tác nhân sinh học (thành phần vi khuẩn), nguồn gốc các chất gây nhiễm bẩn nước dưới đất thường là

từ sự phân huỷ các chất hữu cơ

2.4.1 Nguồn gốc một số thành phần nguyên tố gây nhiễm bẩn nước.

K + , Cl - : do sự hoà tan các vỉa muối hay thuỷ phân các đá silicat –nguồn gốc vô cơ Nhưng nếu chúng có nguồn gốc từ sự phân huỷ các chất hữu cơ thì đây là dấu hiệu của

sự nhiễm bẩn nước

SO 4 2- : nếu có nguồn gốc từ chất hữu cơ thì là dấu hiệu nhiễm bẩn nước SO42- từ chất thải công nghiệp hay sinh hoạt, nếu tồn tại trong môi trường kỵ khí sẽ bị phân huỷ theo phương trình:

2SO42- + 4C + 3H2O = H2S + HS + CO2 + 3HCO3

-H2S sinh ra từ phương trình trên gây nhiễm bẩn cho nước

Các hợp chất Nitơ (NH 4 , NO 2 - , NO 3 - ): chúng được sinh ra chủ yếu từ hợp chất hữu

cơ Nếu nguồn gốc của chúng là vô cơ thì chúng không có hại, nhưng nếu nguồn gốc

là hữu cơ thì chúng là dấu hiệu nhiễm bẩn và có khả năng có mặt các vi khuẩn gây bệnh

NO3- không có hại đến sức khoẻ nhưng nếu trong môi trường khử thiếu Oxy thì đi kèm với NO3- còn có NO2-, NH4 gây hại đến sức khoẻ con người

NH4 + O2 NO2

-NO2- + O2 NO3

-Ngoài ra, sự xuất hiện các nguyên tố vi lượng cũng là dấu hiệu của sự nhiễm bẩn

2.4.2 Trạng thái vi khuẩn của nước dưới đất.

Đánh giá mức độ vệ sinh nước ta cần xác định số lượng vi khuẩn (Becterium Coli) Nồng độ nhiễm bẩn vi khuẩn được đặc trưng bằng hệ số Côli Hệ số này biểu thị số lượng centimet khối nước chứa 1 vi khuẩn Coli

Đánh giá nước dựa trên hệ số coli như sau:

- Tốt nhất là nước không có vi trùng

- Nếu hệ số coli trên 50 thì nước tương đối sạch và an toàn

- Nếu hệ số coli từ 10 đến 50 thì nước nhiễm bẩn, song trong một số trường hợp nhất định có thể sử dụng được

- Nếu hệ số coli từ 1 đến 10 thì nước không đảm bảo về mặt vi khuẩn và không nên dùng để ăn uống

- Nếu hệ số coli nhỏ hơn 1, nước bị nhiễm bẩn mạnh không thể sử dụng nó vào mục đích ăn uống và sinh hoạt

Việc lấy mẫu để phân tích vi khuẩn và và cả quá trình phân tích là do cơ quan chuyên môn thực hiện

2.5 Biểu diễn các kết quả phân tích thành phần hoá học của nước dưới đất.

2.5.1.Biểu diễn bằng số:

Người ta dùng 3 dạng để biểu diễn các kết quả phân tích:

- Khối lượng các chất hoà tan trong một lít nước Do lượng hoà tan của các chất thường bé nên đơn vị được chọn là g/l, mg/l hoặc r (r = 1 microgam/l = 0,001 mg/l)

- Gam đương lượng hoặc miligam đương lượng các chất hoà tan trong 1 lít nước (viết tắt là g –đl/l hoặc mg –đl/l)

- Phần trăm đương lượng (% đl)

Để tính phần trăm đương lượng, người ta lấy tổng số mg –đl của tất cả các anion chứa trong một lít nước là 100% và tính phần trăm mg –đl của từng anion so với tổng số

ấy Đối với cation cũng tương tự vậy

Biểu diễn các kết quả phân tích nước dưới đất dưới những dạng khác nhau

Anion Hàm lượng Cation Hàm lượng

nước Chú ý: tổng số mg-đl của anion bằng tổng số mg-đl của cation.

Dạng biểu diễn phần trăm đương lượng nhằm để so sánh các loại nước có độ khoáng hoá khác nhau

2.5.2 Biểu diễn bằng công thức:

Trong số những công thức thông dụng nhất, người ta hay dùng công thức Cuôc-lốp và công thức thành phần muối để biểu diễn thành phần hoá học của nước dưới đất

* Công thức Cuốc-lốp:

Đó là một phân số có tử số biểu diễn % đương lượng các anion được xếp theo thứ tự

giảm dần, còn mẫu số khi được xếp các cation cũng tương tự như vậy Chú ý: hàm

lượng các ion không nhỏ hơn 25% đl Bên trái phân số sắp xếp các chất khí đo bằng g/l và tổng độ khoáng hoá của nước cũng đo bằng g/l đến một con số lẻ Bên phải phân

số đặt nhiệt độ và pH của nước

Ví dụ: phân tích thành phần hoá học của một nguồn nước dưới đất với nhiệt độ 44oC, thu được những số liệu sau, pH = 7.5

Tổng lượng khoáng hoá: M = 3,0 g/l

Cl SO HCO

M

44 10 33 57

20

4 37

3 46 0

Chú ý: Ion >=10% đương lượng được đưa vào công thức nhưng goi tên đối với Ion >=25% Đọc tên Ion âm trước và Ion dương sau.

* Công thức theo thành phần muối:

Công thức này khác công thức Cuốc lốp ở chỗ trong công thức đặt tất cả các cation và anion chính, không phụ thuộc vào hàm lượng của chúng, không ghi nhiệt độ và lượng chất khí của nước Ví dụ:

5 10 30 55

3 2

4 17 20

Na

NO SO Cl

HCO

M

Nước theo công thức này có thể đọc là nước bicacbonat clorua Natri canxi

Chú ý: Khác với công thức Cuôclôp ở chổ công thức đặt tất cả các ion chính mà

không phụ thuộc vào hàm lượng của chúng và không ghi nhiệt độ, lượng chất khí của nước Đọc tên ion có >=20% đương lượng.

2.5.3 Biểu diễn bằng hình vẽ:

2.6 Những nguyên tắc kiểm tra kết quả phân tích nước

Chúng ta có thể kiểm tra kết quả phân tích bằng cách lặp lại nhiều lần việc phân tích trong cùng một phòng thí nghiệm hay so sánh kết quả phân tích thành phần của nước ở một vài phòng phân tích khác nhau Song, trong những trường hợp này cần chú ý:

* Thành phần của nước thay đổi theo thời gian

* Phương pháp lấy và bảo quản mẫu nước bằng những phương pháp khác nhau sẽ cho những kết quả phân tích khác nhau

100%

* Tổng các ion âm tính theo đương lượng bằng tổng các ion dương Nếu hiệu giữa tổng đương lượng ion âm và tổng đương lượng ion dương là nhỏ (1-3%) thì có thể xem kết quả phân tích này là hợp lý Song nếu hiệu số này là đáng kể thì có thể đã bỏ sót một ion nào đó khi phân tích hoặc thiếu chính xác trong quá trình phân tích Trong

cả hai trường hợp này cần phải phân tích lại

* Độ chính xác của kết quả phân tích hoá học có thể đánh giá trên cơ sở những phần khô còn lại Phương pháp này có thể sử dụng cho các phương pháp phân tích toàn phần hay đơn giản (một trong các ion được tính toán dựa vào mối liên hệ giữa số lượng ion âm và ion dương) Phương pháp này dựa trên cơ sở: những phần khô còn lại bằng tổng tất cả các chất hoà tan trong nước ở dạng ion và phân tử Khi tính tổng cần giảm số lượng ion HCO3- đi một nửa vì nó bị phân huỷ khi làm nước bay hơi Sự khác nhau giứa kết quả tính toán và kết quả xác định phần khô còn lại không vượt quá 10%

Chương 3: CÁC LOẠI NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Trong những chương trước, chúng ta đã phân loại nước dưới đất theo những tính chất khác nhau của chúng Cụ thể là:

* Theo nhiệt độ, người ta phân ra 3 loại:

- Nước lạnh với nhiệt độ t0 <200C

- Nước ấm, với nhiệt độ từ 200C đến 370C

- Nước nóng, với nhiệt độ t0 > 370C

* Theo tổng độ khoáng hoá, người ta cũng phân ra 3 loại:

- Nước nhạt (ngọt) có tổng độ khoáng hoá M<1000 mg/l

- Nước mặn, có M = 1000-35.000 mg/l

- Nước muối, có M>35.000mg/l

* Theo thành phần hoá học, thì có bảng phân loại Sucarep (1934) và Alôkin (1946)

Trong chương này chúng ta sẽ phân loại nước theo điều kiện tàng trữ của Opsinicốp (1949)

Năm 1949, Opsinicốp chia tất cả nước dưới đất thành 3 loại cơ bản:

Ngoài ra, tác giả bảng phân loại còn chia ra hai loại đặc biệt:

- Nước vùng đóng băng vĩnh cửu

- Nước vùng hoả sơn trẻ

Loại cơ bản Phụ loại Loại đặc biệt

Nước lỗ hổng Nước khe nứt Nước vùng

đóng băng vĩnh cửu

Nước vùng hỏa sơn trẻ

cỏ (hoang mạc)

- Nước trong các dải cát, đụn cát ở

bờ biển

phong hóa của đá nứt nẻ

khối đá Karto hóa

tầng dung nham

Nước tầng hoạt động

Nước chuyển sinh của mạch nước nóng

- Nước sườn tích,

lũ tích và trầm tích hồ

- Nước trầm tích của vỏ phong hóa

-Nước ngầm khe nứt

- Nước khe nứt dạng tầng của đá trầm tích

- Nước Kasto

- Nước trên băng

- Nước giữa băng

- Nước có nhiệt độ cao, giàu chất khí

- Nước của các lổ phun khí

lưu trong vỉa cát

- Nước dốc tự lưu vùng trước núi

-Nước bồn tự lưu

- Nước dốc tự lưu

Nước dưới băng

Nước khoáng nóng chứa khí (có khi nước sôi) đi lên theo các đứt gãy kiến tạo

Sau đây, chúng ta xem xét đặc điểm cơ bản của từng loại nước:

3.1 Một số nước thượng tầng

3.1.1 Nước thổ nhưỡng:

Là nước nằm trong lớp thổ nhưỡng (là lớp trên cùng của vỏ phong hoá, trong đó thường chứa ít nhiều mùn do cây cỏ bị phân giải thành) Loại nước này tồn tại dưới các dạng: nước liên kết, nước mao dẫn, hơi nước Tất cả chúng đều tạo nên độ ẩm của lớp thổ nhưỡng, song chỉ có nước mao dẫn là giúp cho cây phát triển.

Khi có những cơn mưa rào thì trong lớp thổ nhưỡng còn có nước thấm lọc và nước chảy rò Chính những loại nước này gây ra hiện tượng rửa lủa lớp thổ nhưỡng Kết quả của quá trình rửa lủa là một số cation như K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+,…bị mang xuống sâu khỏi lớp thổ nhưỡng

3.1.2 Nước lầy:

* Khái niệm về lầy:

Lầy là một vùng mặt đất có phần đất đá trên cùng thừa ẩm với sự tạo thành một lớp than bùn dầy (>30cm) và hệ thống rễ cây phát triển chỉ trong lớp than bùn ấy không đạt đến nền đá gốc phía dưới

Cần phân biệt lầy và vùng đất bị lầy hoá Vùng đất bị lầy hoá là vùng có lớp than bùn mỏng (<30cm) và hệ thống rễ cây đạt đến tầng đá gốc bên dưới Tuy nhiên cách chia như vậy chỉ mang tính ước lệ vì thực chất của lầy hoá là giai đoạn đầu của lầy

* Nguồn gốc của lầy:

Người ta có thể phân biệt hai loại nguồn gốc chính của lầy như sau:

- Lầy được xem như giai đoạn kết thúc trong sự phát triển của hồ

- Lầy xuất hiện do sự lầy hoá mặt đất

Khi gặp một điều kiện nào đó, hồ sẽ bị cạn nước đến mức nào đó thì các loại cây ưu nước phát sinh và phát triển Các tàn tích của chúng sẽ tạo nên lớp than bùn và biến hồ thành lầy

Hiện tượng lầy hoá có thể xuất hiện trong những vùng sau đây:

- Trong những vùng có lớp cách thuỷ nằm gần mặt đất Lớp cách thuỷ này ngăn không cho nước trên mặt thấm xuống sâu, do vậy làm cho phần đất trên lớp cách thuỷ này luôn luôn thừa ẩm, gây ra lầy hoá mặt đất ở đấy

- Tại những chỗ lộ nước (nguồn nước) có điều kiện phát triển lầy hoá phần bề mặt quanh nguồn nước

- Tài phần cuối của nón phóng vật: Phần cuối của nón phóng vật là nơi các hạt trầm tích proluvi có kích thước nhỏ hơn so với phần trên Vì vậy phần này trở thành nơi tích nước của trầm tích proluvi Nước này sẽ xuất lộ ra một cách từ từ gây ra thừa ẩm phía dưới nó

- Tại nhiều cửa sông, vùng đất bị lầy hoá dường như là phần không thể tách rời với vùng ấy Các điều kiện gây ra do sự lầy hoá có nhiều, chúng phụ thuộc vào địa hình, cấu trúc địa chất và khí hậu

3.1.3 Nước thượng tầng nằm trên thấu kính không thấm nước:

Nước thượng tầng là nước dưới đất nằm gần mặt đất nhất và phân bố trong đới thông khí (đới không bảo hoà nước) Do vậy, động thái của chúng dao động rất mãnh liệt theo điều kiện khí hậu Mùa khô chúng có thể hoàn toàn bị cạn khô

Nước thượng tầng thường nằm trên các lớp thấm nước yếu hoặc không thấm nước như

á sét, sét Các lớp không thấm nước này nằm giữa lớp thấm nước

Hình 1: Nước thượng tầng (phần ghi chú)

Nguồn cung cấp cho nước thượng tầng là nước khí quyển Địa hình có ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành nước thượng tầng Trên các sườn dốc, nước mưa chủ yếu tạo thành các dòng chảy trên mặt, chỉ có một phần rất ít thấm xuống đất Do vậy, tại những nơi đó nước thượng tầng không có hoặc chúng tồn tại trong một thời gian ngắn

Ở các miền đồng cỏ hay trên các vùng phân thuỷ bằng phẳng hay trên các bậc thềm sông thì có những điều kiện thuận lợi để tạo nên nước thượng tầng

Nước thượng tầng thường có những đặc điểm sau:

- Diện phân bố bị hạn chế bởi kích thước của các thấu kính không thấm nước

- Sự dao động mảnh liệt của mặt nước, thành phần, trữ lượng của chúng thay đổi tuỳ thuộc vào khí hậu

- Rất dễ bị nhiềm bẩn bởi các loại nước khác như nước thổ nhưỡng, nước lầy,…

- Trong đa số trường hợp, nước thuộc loại này không thể làm nguồn cung cấp nước thường xuyên được

Nước thượng tầng

Lớp không thấm nước

3.1.4 Nước trong các dải cát, đụn cát ở bờ biển.

Trong các dải cát, đụn cát ven biển thường có những tầng nước ngọt Bề mặt thoáng của tầng nước lượn theo bề mặt của đụn cát Hình 2:

Hình 2: Sự phân bố của nước trong đụn cát

Nguồn cung cấp cho tầng chứa nước này là nước khí quyển, một phần ít hơn là thấm từ những vùng cao lân cận

Các nguyên cứu đã xác định rằng trong những đụn cát và đảo cát như vậy, nước ngọt sẽ được thay thế dần bởi nước mặn ở độ sâu nào đấy Ta có thể xác định được độ dày của lớp nước ngọt này, hình 3:

Hình 3: Độ dày lớp nước ngọt ở cồn cát

Giả sử nước ngọt phân bố đến độ sâu H so với mặt nước biển và phần dâng lên của nước ngọt là h Do tỷ trọng của nước biển trung bình bằng 1,024, còn nước ngọt bằng 1, nên có thể viết chương trình như sau:

1(H+h) = 1,024 H

Từ đó rút ra: h = 0,024 H

241

Nước này có độ khoáng hoá tăng theo chiều sâu Khi khai thác nước ngọt không nên lấy với lưu lượng lớn, nếu không độ khoáng hoá sẽ tăng lên (thành phần giống nước biển).

3.2 Nước ngầm

3.2.1 Khái niệm nước ngầm:

Nước ngầm là lớp nước đầu tiên kể từ mặt đất xuống Nó được tàng trữ trong lớp chứa nước mà phía dưới nó là lớp không chứa nước (sét, phiến sét,…) Phía trên của lớp nước ngầm không bị phủ bởi lớp cách thuỷ, do đó bề mặt của nước ngầm thì thoáng, không có áp lực Nước ngầm thường không phân bố trong toàn bộ lớp chứa

nước Hình4: Sự tàng trữ của nước ngầm

Bề mặt của nước ngầm được gọi là gương hay mặt thoáng của nước ngầm Lớp đất chứa nước gọi là lớp chứa nước hay tầng chứa nước Lớp không thấm nước phía dưới tầng chứa nước là lớp cách thuỷ (sét, đá nguyên khối) Động thái của nước ngầm thay đổi theo điều kiện khí tượng thuỷ văn Tiếp liền với gương nước ngầm là lớp nước mao dẫn, trên lớp mao dẫn là đới thông khí

Gương nước ngầm thường nghiêng về phía địa hình thấp gần nhất (mương xói, khe nứt, thung lũng sông,…) Chỉ ở đồng bằng thì gương nước ngầm gần như là mặt phẳng nằm ngang Những nơi có gương nước ngầm là mặt phẳng gọi là bồn nước ngầm

Tuỳ thuộc vào đặc điểm cấu trúc địa chất mà nước ngầm có những dạng tàng trữ khác nhau.Người ta chia ra 3 dạng tàng trữ:

- Dòng nước ngầm

- Bồn nước ngầm

- Hỗn hợp dòng nước ngầm với bồn nước ngầm

Dòng nước ngầm là lớp nước không áp lực và nước chuyển động theo hướng độ nghiêng của mặt thoáng (hình 4)

Bồn nước ngầm nằm ở các lòng chảo được lấp đầy đất đá ngấm nước và bảo hoà nước Nước ở bồn nước ngầm có mặt thoáng nằm ngang Hình 5:

Hình 5: Bồn nước ngầm

Những dòng nước ngầm có lớp cách thuỷ phía dưới không bằng phẳng hoặc không nghiêng về một phía thì sẽ tạo nên hỗn hợp giữa dòng nước ngầm và bồn nước ngầm Hình 6:

Hình 6 Hỗn hợp dòng nước ngầm và bồn nước ngầm

Trên bản đồ địa chất thuỷ văn người ta biểu diễn mặt thoáng của nước ngầm bằng đường thuỷ đẳng cao Cách biểu diễn tương tự như đường đồng mức

3.2.2 Các loại nước ngầm chủ yếu:

Có thể chia ra làm 4 loại như sau:

- Nước ngầm bồi tích

- Nước ngầm trầm tích băng hà,

- Nước ngầm ở vùng đồng cỏ, bán sa mạc, sa mạc

- Nước ngầm ở miền núi

ở đây chúng ta cần chú ý loại đầu tiên và cuối cùng

Nước ngầm bồi tích: nằm trong các lớp bồi tích, cát, cuội, Loại nước này quan

sát thấy ở đồng bằng hay ở các bậc thềm sông

Đặc điểm của nó là tốc độ chảy không lớn, độ dốc của mặt thoáng bé, và phân

bố ở độ sâu từ 0 m đến 10 -12m Phần lớn nước ngầm bồi tích thuộc về nước ngọt và

có thành phần là bicacbonat canxi Nguồn cung cấp của nước ngầm là nước khí quyển Đối với các bậc thềm sông miền núi thì ngoài nước khí quyển, nước ngầm còn nhận được lượng nước bề mặt chảy từ sườn thung lũng Loại nước ngầm này được sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt

Nước ngầm ở miền núi: chủ yếu là nước sườn tích, lũ tích, nước khe nứt

Nước di chuyển mạnh Do bị chia cắt xâm thực sâu vào vỏ phong hoá và vào khe nứt chứa nhiều nước ngầm, nước ngầm lộ ra mặt đất khắp nơi dưới dạng nguồn nước xuống

3.2.3 Quan hệ giữa nước ngầm và nước bề mặt:

Nước ngầm thường có quan hệ thuỷ lực với nước bề mặt (sông, hồ, ao,…) Các thung lũng sông có thể được cấu tạo bởi bồi tích mà thành phần là cát, sỏi, cuội Quan

hệ giữa nước ngầm và nước bề mặt có thể khác nhau tuỳ thuộc vào đặc tính của các đường đẳng áp cao

Hình 7: Ba dạng quan hệ thuỷ lực giữa nước ngầm và nước sông (theo P.P tôp)

Cli-men-A –Nước ngầm thoát ra sông; B –Sông cung cấp cho nước ngầm; C –Trên bờ trái sông cung cấp cho nước ngầm và trên bờ phải nước ngầm cung cấp cho sông

Ở khí hậu khô ráo thường sông cung cấp cho nước ngầm (hình 7B) Còn trong trường hợp thứ 7C thì tuỳ thuộc vào lớp cách thuỷ phía dưới của nước ngầm mà một phần sông do nước ngầm cung cấp, phần còn lại nước sông cung cấp cho nước ngầm, trong hình 7C lớp cách thuỷ bên dưới nằm nghiêng từ trái sang phải

Do có quan hệ thuỷ lực với nước sông nên gương nước ngầm ở đới quen bờ luôn thay đổi độ sâu tuỷ thuộc vào mực nước sông, hình 8

Hình 8: vị trí của gương nước ngầm ở đới quen bờ phụ thuộc vào mực nước sông.

3.3 Nước tự lưu.

3.3.1 Định nghĩa

Nước tự lưu là nước dưới đất có áp lực và tàng trữ trong lớp chứa nước nằm giữa hai lớp vật liệu không thấm nước (hình 9) Khí có lỗ khoan được đặt vào tầng chứa nước tự lưu thì nước này dưới áp lực của mình sẽ dâng lên cao khỏi mái tầng chứa nước, có khi dâng lên khỏi mặt đất dưới dạng giếng phun

Hình 9: lát cắt bể nước tự lưu (theo A.M Ôpsinicôp)

A –Phạm vi phân bố nước tự lưu: a –vùng cung cấp; b –vùng áp lực; c –vùng thoát nước

B –Phạm vi phân bố nước ngầm: H1 –Áp lực dương; H2 –Áp lực âm

M –Bề dày vỉa áp lực

Phần lớn nước tự lưu tàng trữ trong phạm vi các cấu trúc địa chất tương đối lớn, cấu tạo bởi các loại đá có tuổi trước Đệ tứ Tuy nhiên có một vài nơi, chúng nằm trong trầm tích Đệ tứ Cũng thường thấy nước tự lưu phân bố tại các đới phá huỷ kiến tạo

3.3.2 Các dạng nước tự lưu

3.3.2.1 Bồn tự lưu

Trong mỗi bồn tự lưu gốm các yếu tố sau: 1 –miền bổ sung; 2 –miền áp lực; 3 –miền thoát nước.

Trong miền bổ sung (miền cấp), tầng chứa nước nằm trồi lên trên mặt đất Ở đây nước có mặt thoáng và trên cơ bản không có gì khác so với nước ngầm

Trong miền áp lực (miền chứa) độ cao mà nước có thể dâng lên nằm cao hơn

nóc tầng chứa nước.Khoảng cách từ nóc tầng chứa nước tới độ cao ấy gọi là cột nước

áp lực (H1, H2) Độ cao mà mực nước áp lực có thể dâng lên gọi là mực nước áp lực Đường nối các điểm cùng một độ cao tuyệt đối của mực áp lực, được gọi là đường thuỷ đẳng áp.

Trong miền áp lực (miền chứa) chiều dày của tầng tự lưu (M) không thay đổi theo thời gian)

Ở miền thoát nước, nước tự lưu chảy ra mặt đất dưới dạng nguồn nước lên

3.3.2.2 Dốc tự lưu

Ngoài các bồn tự lưu, nước ngầm có áp còn thấy dưới dạng các dốc tự lưu Chúng phân bố ở các vùng núi và vùng trước núi Dốc tự lưu là bồn tự lưu đặc biệt không đối xứng, hình 10

Hình 10: sơ đồ dốc tự lưu.

Miền bổ sung (a) và miền thoát (c) trong dốc tự lưu nằm gần nhau Trong ranh giới giữa hai miền ấy có thể lộ ra đồng thời nguồn nước lên và nguồn nước xuống

Trường hợp trong bồn tự lưu không thấy miền thoát rõ rệt (bồn tự lưu đối xứng)

thì ta có bồn tự lưu với sự trao đổi nước chậm chạp, hình 11.

Sở dĩ có trường hợp này vì tầng chứa nước lộ ra mặt đất với cùng một độ cao tạo nên hai miền cung cấp cho cùng một bồn tự lưu

Hình 11: Bồn nước tự lưu với sự trao đổi nước chậm chạp.

Hình 12: sơ đồ phân bố xen kẽ các bồn tự lưu –trường hợp địa hình thuận

Trường hợp ngược lại (địa hình nghịch - thế nằm hướng tà của tầng chứa nước không phù hợp với sự nâng lên của địa hình): mực áp lực của bồn dưới sẽ nằm thấp hơn so với bồn trên, hình 13

Hình 13: trường hợp địa hình nghịch

Ranh giới giữa nước gọt

và nước khoáng

Nếu lỗ khoan hoặc giếng khoan thông qua hai bồn tự lưu để chúng thông với nhau thì nước bồn trên sẽ chảy xuống bồn dưới (trong trường hợp địa hình nghịch) Các lỗ khoan hay giếng khoan như thế này gọi là lỗ khoan hấp thu.

Đối với nước tự lưu, người ta ít chú ý nghiên cứu động thái của chúng vì động thái của nước tự lưu tương đối cố định, không biến đổi theo thời gian Máy nét đặc biệt của nước tự lưu liên quan đến điều kiện tàng trữ của nó:

- Lưu lượng tương đối ổn định không biến đổi theo mùa

- Nhiệt độ thường cao (t0 >370C) do nước tự lưu nằm ở những độ sâu lớn

- Độ khoáng hoá lớn do nhiệt độ cao đồng thời động thái ít thay đổi theo mùa nên làm tăng khả năng hoà tan của chúng

- Chất lượng nước tốt vì phía trên của tầng chứa nước có lớp cách thuỷ, ngăn không cho nước nhiễm bẩn trên mặt ngấm xuống

Ở nước ta, một số nơi đã tổ chức khai thác nước tự lưu từ thập niên 30 của thế kỷ

20, nhằm đáp ứng như cầu nước cho sinh hoạt và công nghiệp Hiện nay, một số khu vực tổng lượng nước khai thác đã vượt qua lượng nước bồi hoàn dẫn đến hiện tượng

hạ thấp mực áp lực Trong tương lai khi công nghiệp của nước ta phát triển cao, những nhu cầu về nước ngày càng tăng, nhất thiết phải điều tra, tính toán lại khả năng cung cấp nước của tầng chứa nước, đồng thời phải có biện pháp quản lý hiệu quả kỹ thuật

và tổng lượng khai thác nhằm hạn chế ở mức tối thiểu những tác động tiêu cực đối với môi trường tự nhiên,…đồng thời, ngay từ bây giờ phải nghỉ đến những biện pháp bổ cập nước nhân tạo cho những vùng có tổng lượng nước khai thác lớn.

3.4 Nước khe nứt

Nước khe nứt là nước tàng trữ trong các khe nứt của đá magma, biến chất, trầm tích

Căn cứ vào nguồn gốc phát sinh, người ta chia ra 3 loại khe nứt chính:

- Khe nứt kiến tạo

- Khe nứt nguyên sinh liên quan đến sự thành tạo đá

- Khe nứt phong hoá được tạo nên liên quan đến các quá trình ngoại sinh

Thường chúng ta gặp tổng hợp ba loại khe nứt trên Mức độ chứa nước của đá nứt

nẻ phụ thuộc rất lớn vào loại khe nứt và sự liên hệ giữa chúng với nhau

Trong các vùng phát triển khe nứt kiến tạo, phần lớn nước được quan sát thấy

trong các đứt gẫy, trong các đới phá huỷ kiến tạo (phay thuận, phay nghịch, địa hoà,

…)

Nước ở vùng này thường là nước áp lực, các nước khoáng và nước nóng có liên quan tới các khe nứt, đứt gẫy sâu

Những khe nứt nguyên sinh phát triển trong toàn bộ tầng đá, tạo điều kiện thuận

lợi cho sự thành tạo các dòng và các bồn nước ngầm Những dòng nước ngầm lớn nhất được quan sát thấy tại các vùng phát triển dung nham đệ tứ Dung nham nứt nẻ thường nằm trên các lớp đá dăm kết và thường lấp đầy các địa hình cổ không bằng phẳng.Trong các lớp đá trầm tích nằm ngang người ta chia ra 3 nhóm khe nứt:

- Khe nứt thẳng góc với mặt phân lớp (trong đá vôi Đôlômit)

- Khe nứt nằm xiên góc với mặt phân lớp (trong cát kết)

- Khe nứt có hình dạng phức tạp (trong đá sét)

Các bồn nước tự lưu cũng thường được tạo thành trong các khe nứt này tại các miền nền

Những khe nứt phong hoá rất phức tạp, có kích thước rất đa dạng và thường bị lấp

đầy bởi các vật liệu sét

Theo mức độ phả huỷ đất đá trong quá trình phong hoá, người ta chia vỏ phong hoá

ra làm nhiều đới:

- Đới nứt nẻ nhất (đới ngậm nước) phân bố ở độ sâu 2-3m

- Đới nứt nẻ kém hơn, phân bố đến độ sâu 20-30m

- Đới sâu hơn thì số lượng khe nứt và độ ngậm nước còn giảm nhiều hơn nữa.Nước trong ba loại khe nứt trên có mối liên hệ thuỷ lực với nhau, vì vậy mà trong nhiều trường hợp thành phần hoá học của chúng nhiều màu sắc

Nguồn bổ sung của nước khe nứt chủ yếu là nước khí quyển Điều kiện bổ sung phụ thuộc vào địa hình và đặc điểm của lớp phủ đệ tứ Nước khí quyển ngấm xuống mạnh nhất tại các vùng phân thuỷ, nơi các đá nứt nẻ lộ ra

Khi thăm dò nước khe nứt nhất thiết phải nhớ rằng có thể giếng hay lỗ khoan xuyên qua bên cạnh các khe nứt chứa nước, hình 14

Hình 14: sơ đồ các lỗ khoan trong tầng đá nứt nẻ

Khe nứt

Lỗ khoan

Trong các lỗ khoan 2,4, không thấy có nước

Trong các lỗ khoan 1,3,5 thấy nước xuất hiện

Do vậy, để tiết kiệm kinh phí trong khoan thăm dò nước khe nứt, người ta thường phải nghiên cứu kỹ hệ thống khe nứt về mặt kích thước, thế nằm,…

Trong trường hợp địa hình không được hạ thấp mà nâng lên thì cường độ của quá trình castơ hoá sẽ tăng lên

Cấu tạo địa chất cũng ảnh hưởng không nhỏ đến quá trình castơ Nếu khối đá vôi bị bao phủ bởi những lớp trầm tích lục nguyên dày thì quá trình castơ trong khối

đá vôi ấy sẽ bị ngăn chặn lại đi rất nhiều, đôi khi nó không xảy ra, Ngược lại, nếu khối đá vôi không bị trầm tích lục nguyên bao phủ thì quá trình castơ có điều kiện phát triển mạnh

Nhân tố trực tiếp gây nên quá trình castơ hoà là sự hiện diện của các thành phần

ăn mòn của nước, phần lớn quá trình ăn mòn xảy ra theo phương trình sau:

CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca2+ + 2HCO3

-Tất cả các nhân tố trên liên hệ chặt chẽ với nhau và xác định quá trình castơ hoá

Đặc điểm của nước castơ:

3.5.1 Tính phân đới của nước castơ

Trong địa chất thuỷ văn, khi nghiên cứu các vùng castơ, người ta tập trung chú

ý đến tính chất phân đới của nước castơ theo chiều thẳng đứng, xác định miền tàng trữ, miền bổ sung và dòng chảy của chúng

Năm 1962, D.S.Xôcôlôp chia ra 4 đới theo chiều thẳng đứng dựa trên điều kiện chuyển động, và động thái của nước castơ:

• Đới thông khí

• Đới dao động mực nước theo mùa

• Đới bảo hoà hoàn toàn

• Đới lưu thông dưới sâu

3.5.2 Động thái và thành phần hoá học của nước castơ

Sự dao động mảnh liệt của mực nước là đặc điểm chính của động thái nước castơ Biên độ dao động đó phụ thuộc vào độ sâu tàng trữ của nước dưới đất và điều kiện cung cấp của chúng

Thành phần hoá học của nước castơ rất đa dạng Nói chung nước có độ khoáng hoá yếu là nước castơ đá vôi, cao hơn là nước castơ thạch cao, còn cao nhất là nước castơ muối

3.6 Nước khoáng và nước chữa bệnh.

Nước khoáng là nước đặc biệt có tác dụng sinh lý đối với cơ thể con người Do trong nước khoáng có một số thành phần đặc biệt có giá trị chữa bệnh

Để đánh giá chất lượng và nghiên cứu nước khoáng thường có các bảng quy định riêng Nước khoáng có các nguồn gốc sau:

- Nguồn gốc rữa lũa

- Liên quan đến hoạt động magma

- Nguồn gốc thẩm thấu

- Nguồn gốc sinh hoá

- Nguồn gốc biến chất

Chương 4: CƠ SỞ ĐỘNG LỰC HỌC NƯỚC DƯỚI ĐẤT

4.1 Hình thức vận động của nước dưới đất trong đới bảo hòa

Trong đới bảo hòa nước vận động dưới ba dạng cơ bản: Chảy tầng, chảy rối, và chảy hỗn hợp

4.1.1 Chảy tầng:

Là hình thức vận động của nước, trong đó các phần tử nước chuyển động theo những quỹ đạo song song với nhau hay nói cách khác là các lớp nước trượt lên nhau Hình thức vận động này thường xảy ra khi kích thước lỗ hổng không lớn hay khe nứt nhỏ

4.1.2 Chảy rối:

Là hình thức vận động của nước trong đó các phần tử nước chuyển động theo những quỹ đạo không song song Hình thức vận động này thường xảy ra khi kích thước lỗ hổng và khe nứt lớn

Hình 15: Thí nghiệm để xác định quy luật vận động của nước qua môi trường có cấu tạo dạng hạt.

Thí nghiệm cho thấy rằng, một lượng nước Q chảy từ ống A sang ống B trong một đơn

vị thời gian tỷ lệ thuận với dH, F và tỷ lệ nghịch với l Mối quan hệ giữa các đại lượng được biểu diễn bằng công thức sau:

l

dH

KF

Q=

K: hệ số thấm lọc, phụ thuộc vào thủy tính của đất đá và tính chất vật lý của nước

Phát biểu định luật Đacxi:

Lượng nước Q chảy qua (ngấm qua) môi trường dạng hạt trong một đơn vị thời gian tỷ

lệ thuận với tiết diện ngang của dòng chảy và đô chênh lệch giữa hai đầu dòng chảy và

tỷ lệ nghịch với độ dài dòng chảy

c: Hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trường và dung dịch.

R: Bán kính thủy lực, bằng tỷ số giữa tiết diện ngang và chu vi thấm ướt

Nếu thay c R =K tthì ta có v=K t I

Đối với môi trường chảy hỗn hợp thì m

h I K

v= (1 < m < 2) – Công thức Smơreke : Hiện nay công thức này không được sử dụng vì thông số m thay đổi và khó xác định theo tài liệu thí nghiệm

4.2.2 Ý nghĩa của các thông số địa chất thủy văn.

* Hệ số thấm lọc K

Phương trình Đacxi : v=KI

Nếu I = 1 thì v=K Vậy K là tốc độ của dòng ngầm khi độ dốc áp lực bằng 1 K phụ thuộc vào tính chất của đất đá chứa nước

Gía trị hệ số thấm K của vài loại đá

<0,001 Không thấm nước (cách thủy)-sét

Vấn đề : Tại sao đối với các loại đá khác nhau thì hệ số K có trị khác nhau ? Làm sáng

tỏ được vấn đề này mới biết được ý nghĩa của hệ số thấm K

Ht = ht + hđ = P y +

g

v

22

Thông thường, để so sánh áp lực của dòng chảy hai điểm, người ta so sánh chúng với một mặt phẳng nằm ngang nào đấy Khoảng cách từ điểm khảo sát tới mặt phẳng nằm ngang được ký hiệu bằng Z Vậy áp lực của dòng chảy tại một điểm nào đó là

Nếu xét tại hai điểm 1 và 2 thì áp lực dòng chảy tại hai điểm này là H1 và H2, như vậy tất nhiên sẽ chênh lệch một giá trị là ∆H và nó chính là phần áp lực dòng chảy mất đi

để thắng lực ma sát khi chất lỏng chuyển động từ điểm 1 đến điểm 2 (thực tế đó là sự chênh lệch mực nước giữa hai điểm)

∆H là dấu hiệu của khả năng sinh ra dòng chảy hay là dấu hiệu của khả năng thấm

lọc Hay nói cách khác chất lỏng chỉ chuyển động khi có sự chênh lệch áp lực.

Phương trình Đặcxi được viết lại:

= , ∆H: độ chênh lệch mực nước giữa hai điểm 1 và 2

∆L: khoảng cách giữa hai điểm 1 và 2

* Mặt thoáng và mặt áp lực của đới chứa nước

- Mặt thoáng và mặt áp lực có ý nghĩa quan trọng khi phân loại nước dưới đất theo điều kiện tàng trữ

4.3 Xác định phương hướng và tốc độ vận động của nước dưới đất.

4.3.1 Xác định phương hướng vận động của nước dưới đất.

Để xác định hướng chảy của nước dưới đất (nước ngầm) ta cần ít nhất 3 lỗ khoan phân

bố tại 3 đỉnh của một tam giác đều Khoảng cách giữa các lỗ khoan được lấy từ 50 đến

200m tùy theo mặt thoáng của của nước có độ nghiêng lớn hay bé, hình 16.