bài giảng địa chất thủy văn

CHƯƠNG IX NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ TÍNH PHÂN ĐỚI NƯỚC DƯỚI ĐẤT, CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT THỦY VĂN VÀ PHÂN VÙNG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN Tính phân đới nước đất Tính phân đới định luật phân bố nước đất Tất loại nước thiên nhiên có tính phân đới Tính phân đới thể đặc điểm lịch sử đới tự nhiên tùy thuộc vĩ độ địa phương vị trí theo phương thẳng đứng nước dướt đất Phân đới theo vĩ độ Đặc trưng cho nước ngầm nước áp lực nơng, có quan hệ chặt chẽ với nước mưa nước mặt Nước ngầm phản ánh nét đặt trưng vĩ độ Các đới nước ngầm tương ứng vời cảnh quan xác định chuyển tiếp rõ rệt từ bắc đến nam Phân đới theo vĩ độ Nếu xét theo trạng thái nước, mức độ ẩm ướt lãnh thổ thay đổi nhiệt độ Bắc bán cầu theo phương từ Bắc đến Nam tồn vĩ đới nước ngầm sau: Vĩ đới băng (băng vĩnh cửu) Vĩ đới ẩm ướt (ẩm, lượng mưa lớn bốc hơi) Vĩ đới khơ hạn (khơ, bốc lớn mưa-> muối hóa, làm mặn nước ngầm) Tính phân đới địa chất Tính phân đới theo chiều sâu bồn nước vỉa (các bồn actezi) Trong mặt cắt thẳng đứng bồn nước vỉa thường quan sát thấy rõ rệt thay đổi từ xuống tốc độ vận động, mức độ khống hóa, thành phần ionmuối khí, nhiệt độ nước đất Tính phân đới thủy động lực Phản ánh thay theo phương thẳng đứng đới có mức độ trao đổi nước khác Đới trao đổi nước mạnh : Nằm phần Vỏ Trái Đất có quan hệ chặt chẽ với dòng khối nước mặt, nằm phạm vi nước mạng thủy văn địa phương chịu tác dụng nhân tố khí hậu đại Chiều dày từ 100-1000m Nước chuyển tốc độ lớn, 1-vài trăm mét/năm Các q trình oxy hóa rửa trơi muối xảy mạnh mẽ Đới trao đổi nước chậm chạp : Thường nằm sâu gốc nước địa phương tầng phức hệ chứa nước Chiều sâu giới hạn đới quy ước chiều sâu xâm cắt bồn biển kéo dài đến mực nước biển Nước chuyển tốc chậm, trao đổi nước xảy thời gian trăm năm hay triệu năm Đới trao đổi nước chậm chạp : Chiếm phần sâu hệ thống chứa nước, sâu 2-3km nên nước yếu gần khơng chịu ảnh hưởng nhân tố khí hậu Những nhân tố định tính phân đới thủ động lực thẳng đứng Sự tương quan cốt cao độ miền cấp miền Tính chất chứa nước đất đá Cường độ phân cắt xâm thực mặt đất chiều sâu xâm cắt thung lũng sơng Đặc điểm khí hậu (nóng, khơ, ẩm ướt) Charbeneau, 2000 Tính phân đới thủy địa hóa Các đới thủy địa hóa thẳng đứng phân biệt với độ khống hóa, thành phần hóa học Năm 1938: V.I Vernadxki khẳng định độ khống hóa tăng theo chiều sâu Năm 1964 K.I.Makov khẳng định nước khống hóa cao tồn phần trung tâm vùng hạ thấp kiến tạo V.N Ivanov cho kiểu hóa học nước thay đổi theo chiều sâu theo sơ đồ: HCO3-Ca, SO4-Ca, SO4-Ca-Cl, Cl-Na, Cl-Na-Ca Freeze and Cherry, 1979 10 Flow Velocity and Potential Potential = acceleration of gravity • hydraulic head = g • h ~ h Flow is always perpendicular to the lines of equal potential 11 Groundwater Flow Velocity Flow velocity is governed by Darcy’s Law    Darcy’s Law states that the velocity is equal to the permeability times the hydraulic gradient, where permeability is the capacity of a porous material to transmit fluid This gives the equivalent flow velocity through an open pipe To correctly apply to real rocks, must divide by the porosity Ground water velocity = perm./porosity • hydraulic gradient   V = (K/n) • (h/L) where K is hydraulic conductivity (a measure of permeability) and n is porosity 12 Ground Water Movement in Permeable Rock Within a uniformly permeable rock, water table tends to mimic surface topography Flow usually parallels sloping water table 13 Aquifers Aquifer: body of saturated rock or sediment through which water can move easily    Examples: Sandstone, conglomerate, well-fractured limestone, bodies of sand and gravel Unconfined aquifer: water table is only partly filled Confined aquifer: water table completely filled with water under pressure Aquitard or aquiclude: body of rock with low permeability, which retards the flow of water across it 14 Confined vs Unconfined Aquifers 15 Các đònh luật thấm nước đất Trên sở thí nghiệm thấm nước qua cát chứa ống thí nghiệm, nhà thủy lực học người Pháp A Darci năm 1856 xác lập quan hệ: ∆H Q = kF L V = kI Với Q – lưu lượng nước qua ống; k – hệ số tỉ lệ (Hệ số thấm); F – tiết diện ngang ống; ∆H – Tổn thất áp lực nước thấm; L – chiều dài đường thấm Ký hiệu tỉ số tổn thất áp lực ∆H với chiều dài đường thấm L gradient thủy lực I, chia hai vế phương trình cho tiết diện ngang ống sử dụng khái niệm vận tốc thấm v=Q/F ta có công thức:v=kI 16 Ở chế độ chảy rối quan sát thấy sai lệch với đònh luật tuyến tính Vận động chảy rối tuân thủ theo quy luật A.A Krasnopolski: v = kk I Với kk – hệ số thấm theo Krasnopolski Từ công thức thấy chảy rối, vận tốc thấm tỉ lệ thuận với bậc hai gradient thủy lực Dòng chảy tầng – rối hỗn hợp thường biểu diễn phương trình Proni: I = av + bv2 Với a b – thông số phụ thuộc vào tính chất môi trường lỗ rỗng chất lỏng vận động (Được xác đònh thực nghiệm) 17 Vận động nước liên kết yếu đất loại sét (động thái dẻo nhớt) đặc trưng phương trình sau: V= k(I – Io) Vơi Io – gradient ban đầu Sự thấm nước liên kết yếu bắt đầu gradient áp lực lớn gradient ban đầu Io Vận tốc thấm vận tốc thấm thực nước đất vận động Lưu lượng dòng thấm xác đònh theo công thức Q=Fv Trong công thức điện tích mặt cắt ngang F vận tốc thấm v – cần hiểu nước vận động không qua toàn diện tích mặt cắt tầng chứa nước mà qua lỗ rỗng (hay khe nứt) đất đá chứa nước v =18 n.u Xác đònh giới hạn để áp dụng đònh luật Darci YêThí uốcầ : tm Nhờ nnghiệ guró o độ đượ2c ta thểtạhiệ n chê n p cc ốn nggcụ đolà náhình Dụ Xátrê c hđònh vậ6.1 n cá tố thấ m átớ p ốiDH từv2,5 tới 87,5cm Đối nhạ g đườ n g kính cm n mà th với(thiế mỗitđộ chêngang nh áp,củ nhờ a ống diễn diệ sựnsai lệch đònh xác đònh ốngF ró t7cm ta đổ luật=thấ m),Darci; Vậđầ nytốc lưusạ lượ n g itheo cô n gnthứ c: n vớ độ rỗ n g = 30% thấm thực u tương tứng cácnđầ ng gắ ngn; vớỞ i vậ tốuc ốthấ Vn m ntớ2i ốhạ t nướ cm 1=và c Nhờ c Q hệrósố thấ k, cá thôcá ng t tạo chênh ngvà rótb có sốốa từthể phương lệ ch Proni á–pThể lực ốncg Độ trình Vớ i Vn tích nướ chê áypcm ∆H đượ c gxá Độ chê nh án ph∆ H, (cm3) chả qua ốn róc t2,5 độ chê 3nh lệch Giá tròđònh lưu thờ lượqua ngi Qgian = Vn/t, /s Theo0,07 tcm (s) cliệ nướ c=trong g đo cácmự sốthủ i đâycá , cxáốcn0,036 Gradient y lựuc Idướ ∆ H/L áp gradient nằ m cáchthủ đònh y lựcLI,= vậ Vậ n tốc thấ m v = Q/F, cm/s 0,01n 70cm I/vtốc thấm v tỉ số I/v 3,6 Hình 6.1 Sơ đồ thiết bò nghiên cứu giới hạn áp dụng đònh luật Darci 7,0 35,0 52,5 70,0 87,5 0,19 0,92 1,32 1,76 2,1 0,1 0,5 0,75 1,0 1,25 0,027 0,131 0,19 0,25 0,30 3,7 3,8 3,95 4,0 4,17 19 Bài giải: v (cm/s) A I/v B cm/s Hình 6.2 Biểu đồ quan hệ: A – v=f(I); B – I/v=f(v) I xâ  I nghiệ  công  ,thứ  yc dựng Để cn n tốctccDarci thấ ichạ vđượ theo thí m Vậnxá Sử dụ gsố thấ đònh mđượ luậ thự u ứ nđònh gtớ xá vớ i đònh vnth biề số xákế cthấ m k:theo Thô ntố gcđònh bvậ xá cm từ uc thứ ctđònh : thhệ −     vu1 vđồ0,173 10 biểu đồ v = f(I) Trênkbiể (hình 6.2A) trụ c tung biể u diễ n v n1 tốc  v   vậ = = = , 26 cm / s = 225 m / ngd u =I =0,38thủ =y577 m /Vậ ngd bc thấ = m tới hạn xác thấm v, trục hoành – gradient lự c n tố 1n 0,3 v − v1 đònh theo đồsốthò điể m đồc thò bòđònh lệch theo rõ rệtđồ khỏ i đườ ng thẳĐể ng Trong Cá c thô n g a b đượ xá c thò I/v=f(v) xâ1ynvà Để xá c đònh hệ số thấ m k cầ n lấ y điể m bấ t kỳ trê n phầ nkỳ đoạ Vớ i (I/v) , (I/v) , v v đượ c lấ y theo hai điể m bấ t v2th = 10,2cm/s trườ ngđồ hợp = 173giá m/ngđ.I/v, Nhưcòvậ , thí nghiệ m cầ n phả i dựnng t trê trục2Từ tung n ytrê nh thẳ g củthò, a đồđặ thò v =nf(I) điểm 1trò đồ thò kéno trụ đườc nhoà g thẳ n–g 4,1v− = 3,8f(t) chuyển sang trê đồ thò (hình 26, B) vậ ,g nthẳ tiế nnhà nh cho tớĐồ i mà đườ nNhư g thẳđườ ngyn trê đồ thò b = =v11,76và vậ n tố c thấ m thò có đượ c n g (hình B) Icắ t trục 20 6.2, góc xuống trục tung trục hoành , ta có cá0c,28 giá trò (hình − 0,11 đường cong [...]... thấm theo Krasnopolski Từ công thức thấy rằng khi chảy rối, vận tốc thấm tỉ lệ thuận với căn bậc hai của gradient thủy lực Dòng chảy tầng – rối hỗn hợp thường được biểu diễn bằng phương trình Proni: I = av + bv2 Với a và b – những thông số phụ thuộc vào tính chất môi trường lỗ rỗng và chất lỏng vận động trong đó (Được xác đònh bằng thực nghiệm) 17 Vận động của nước liên kết yếu trong đất loại sét (động... nước qua cát chứa trong ống thí nghiệm, nhà thủy lực học người Pháp A Darci năm 1856 đã xác lập được quan hệ: ∆H Q = kF L V = kI Với Q – lưu lượng nước qua ống; k – hệ số tỉ lệ (Hệ số thấm); F – tiết diện ngang của ống; ∆H – Tổn thất áp lực khi nước thấm; L – chiều dài đường thấm Ký hiệu tỉ số giữa tổn thất áp lực ∆H với chiều dài đường thấm L bằng gradient thủy lực I, chia hai vế của phương trình cho... số I/v 3,6 Hình 6.1 Sơ đồ thiết bò nghiên cứu giới hạn áp dụng đònh luật Darci 7,0 35,0 52,5 70,0 87,5 0,19 0,92 1,32 1,76 2,1 0,1 0,5 0,75 1,0 1,25 0,027 0,131 0,19 0,25 0,30 3,7 3,8 3,95 4,0 4,17 19 Bài giải: v (cm/s) A I/v B cm/s Hình 6.2 Biểu đồ quan hệ: A – v=f(I); B – I/v=f(v) I xâ  I nghiệ  công  ,thứ  yc dựng Để cn n tốctccDarci thấ ichạ vđượ theo thí m Vậnxá Sử dụ gsố thấ đònh mđượ luậ ... Tính chất chứa nước đất đá Cường độ phân cắt xâm thực mặt đất chiều sâu xâm cắt thung lũng sơng Đặc điểm khí hậu (nóng, khơ, ẩm ướt) Charbeneau, 2000 Tính phân đới thủy địa hóa Các đới thủy địa. .. mạnh : Nằm phần Vỏ Trái Đất có quan hệ chặt chẽ với dòng khối nước mặt, nằm phạm vi nước mạng thủy văn địa phương chịu tác dụng nhân tố khí hậu đại Chiều dày từ 100-1000m Nước chuyển tốc độ lớn,... với bậc hai gradient thủy lực Dòng chảy tầng – rối hỗn hợp thường biểu diễn phương trình Proni: I = av + bv2 Với a b – thông số phụ thuộc vào tính chất môi trường lỗ rỗng chất lỏng vận động (Được