Ebook Địa chất thủy văn: Phần 2

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn sách Địa chất thủy văn giới thiệu tới người đọc các kiến thức về chất lượng nước và sự ô nhiễm nước dưới đất, khảo sát, nghiên cứu nước dưới đất. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

CHƯƠNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÀ SỰ Ô NHIỄM NƯỚC DƯỚI ĐẤT §1 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT Tính chất vật lý nước đất gồm có: nhiệt độ, độ suốt, màu, mùi, vị, tỷ trọng, tính nhớt, tính dẫn điện, tính phóng xạ Nhiệt độ nước biến đổi phạm vi lớn thùy thuộc cấu trúc địa chất địa chất thuỷ văn, lịch sử phát triển địa chất, điều kiện địa lý tự nhiên động thái nguồn cung cấp Ở Việt Nam nhiệt độ nước đất thường biến đổi phạm vi 18-20o đến 26-28oC Ở vùng có hoạt động núi lửa trẻ đại nước đất độ sâu lớn lên, nhiệt độ 100oC Nước có nhiệt độ từ 35-37oC loại nước có giá trị dùng để chữa bệnh (tắm), có nhiệt độ gần với thân nhiệt Độ suốt nước đất tùy thuộc lượng khống chất hòa tan nước, hàm lượng hỗn hợp học, chất hữu chất keo Theo mức độ suốt chia ra: suốt; đục; đục; đục Độ suốt nước xác định cách đổ đầy nước vào ống nghiệm không màu có đáy bằng, cao 30-40cm nhìn từ miệng ống nghiệm xuống, so sánh với dung tích chuẩn nước cất Màu nước đất tùy thuộc thành phần hóa học, tạp chất có mặt Phần lớn nước đất khơng màu, nước cứng có màu phớt xanh da trời, muối oxit sắt hydro sunfua làm cho nước có màu xanh da trời phớt lục, hợp chất humic hữu làm cho nước nhuốm màu phớt vàng, phân tử lơ lửng làm cho nước màu phớt xám Mùi Nước đất thường khơng có mùi Mùi thường liên quan hoạt động vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ: hiđrơ sunfua làm cho nước có mùi trứng thối, nước tù đọng giếng gia cố gỗ có mùi thiu khó chịu, nước đầm lầy có mùi "đầm lầy” đặc biệt Vị nước đất hợp chất muối khống hòa tan, khí tạp chất có mặt nước Nước có chứa bicacbonat canxi magiê khí cacbonic có vị dễ chịu; phần lớn chất hữu làm cho nước có vị ngọt; vị mặn có mặt lượng clorua natri đáng kể; vị đắng có sunfat magiê natri, vị gỉ sắt chứa ion sắt Tỷ trọng nước xác định tỷ số trọng lượng với thể tích nước điều kiện nhiệt độ định Tỷ trọng nước tương ứng tỷ trọng nước cất nhiệt độ 4oC Tỷ trọng nước phụ thuộc vào nhiệt độ, lượng muối khí hòa tan, phần tử lơ lửng Tỷ trọng nước thay đổi từ 1,0 đến 1,4g/cm3 §2 THÀNH PHẦN CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT Nước đất hệ thống hóa lý phức tạp, biến đổi tùy thuộc vào thành phần, mức độ, hoạt tính hợp phần tham gia vào nước điều kiện nhiệt động học Phức hợp muối - ion nước đất bao gồm nguyên tố chính, nguyên tố vi lượng, ngun tố phóng xạ Ngồi 74 chứa hợp chất hữu vi sinh vật, khí hòa tan nước chất keo hỗn hợp học (hình 3.1) Khí (H2O)n Vật chất hữu cơ, vi sinh vật Ion Phân tử Keo Hổn hợp học ĐẤT ĐÁ Hình 3.1 Sơ đồ nước thiên nhiên I.THÀNH PHẦN MUỐI - ION CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT 1.Các cách biểu diễn kết phân tích thành phần hố học nước Để nghiên cứu thành phần nước đất người ta thường tiến hành phân tích thành phần hố học nước Kết phân tích thường biểu diễn cách: trọng lượng ion, đương lượng ion phần trăm đượng lượng Cách biểu diễn thường dùng phổ biến khối lượng ion Bằng cách này, kết phân tích tính gam hay miligam lít nước (g/l; mg/l) nước nhạt nước lợ Đối với nước mặn đất thường biểu diễn theo gam kilôgam hay trăm gam nước Đương lượng ion cách biểu diễn mà cho biết tính chất nước hiểu rõ mối quan hệ ion kết phân tích cụ thể Để chuyển miligam/lit ion thành miligam đương lượng/lit cần lấy số miligam/lit chia cho đương lượng ion Đương lượng ion tỷ số nguyên tử lượng hoá trị nguyên tố Ví dụ, kết phân tích mẫu nước cho thấy khối lượng ion canxi mlg/lit Đương lượng ion canxi 40,08/2=20,04; vậy, miligam đương lượng ion canxi là: 5:20,04 = 0,25 mgđl/lit Để có khái niệm quan hệ ion so sánh loại nước có độ khoáng hoá khác nhau, người ta chuyển dạng biểu diễn theo miligam đương lượng thành phần trăm miligam đương lượng, nghĩa tỷ số phần trăm ion so với tổng cation anion có nước 75 2.Thành phần nguyên tố nước đất Khác với nước mặt, tiếp xúc trực tiếp với đất đá nên nước đất dung dịch hóa học phức tạp, chứa hầu hết nguyên tố có vỏ đất Tuy nhiên, ngun tố ion đóng vai trò chủ yếu khoảng 10 loại, là: Cl-, HCO3-, SO42-, CO32-, CO32-, Ca+2, Mg+2, Na+, K+, NH4+, H+ Ion clo (Cl-) thường chứa lượng vỏ trái đất Clorua hợp phần tồn khoáng vật đá macma biến chất: mica, hoblen, opxidian, Nguồn cung cấp ion clo chủ yếu từ khí núi lửa, bồn biển cổ, hòa tan muối mỏ, Do độ hòa tan muối clorua cao nên trầm đọng đóng băng bốc Các ion clo có khả trao đổi ion hấp thụ tác dụng lên yếu tố sinh vật nên thành phần tương đối ổn định nước đất Ion sunfat (SO42-) tương đối phổ biến nước đất, đặc biệt nước khống hóa yếu Ion sunfat tích tụ nước hòa tan thạch cao anhidrit, oxy hóa hợp chất lưu quỳnh (pririt, ) khoáng vật sunfat khác Ion sunfat nguồn gốc sinh vật không bền vững có mặt oxy tự điều kiện thích hợp thường xảy q trình khử oxy sunfua hydro Ion bicacbonat (HCO3-) cacbonat (CO32-) Các ion này, đặc biệt HCO3phổ biến có mặt nước nhạt nước mặn với hàm lượng không cao Ion bicacbonat có nước đất đá vôi, đolomit, sét vôi bị rữa lửa nước có chứa khí CO2: CaCO3 + CO2 + H2O ↔ Ca2+ + 2HCO3MgCO3 + CO2 + H2O ↔ Mg2+ + 2HCO3Ion cacbonat tồn nước đất có lượng nhỏ so với ion HCO3- Ion natri (Na+) phổ biến rộng rãi nước đất đặc biệt phức hệ chứa nước sâu cation phổ biến Nguồn cung cấp natri nước đất nước biển đại dương, q trình phong hóa đá xâm nhập, hòa tan tinh thể muối phân tán đất, phản ứng trao đổi ion Ion kali (K+) gặp nước đất dù muối kali có độ hòa tan lớn Nguyên nhân kali tham gia vào q trình tạo khống vật thứ sinh, bị đất sét hay thực vật hấp thụ Nguồn ion kali nước đất q trình phong hóa đá xâm nhập khống vật có chứa kali hòa tan muối kali Ion magiê (Mg2+) thường có hàm lượng khơng lớn nước đất Magiê có mặt chủ yếu liên quan với nước biển khí quyển, khống vật chứa magiê bị phân hủy hay đôlômit rữa lũa Ion canxi (Ca2+) gặp nước đất với độ khống hóa khác Trong nước nhạt nước khống hóa cao ion canxi thường tạo nên hợp chất với ion cacbonat (nước bicacbonat) ion sunfat (nước sunfat) loại nước muối nồng độ cao - với ion clo Ion canxi vào nước đất trình phong hóa đá xâm nhập, đặc biệt rữa lũa đá vôi, đôlômit, thạch cao, anhydrit 76 Ca2+ Mg2+ nước làm cho nước có tính cứng, gây đóng cặn cacbonat nồi hơi, ấm nước Tổng lượng Ca2+ Mg2+ có nước tổng độ cứng Phần Ca2+ Mg2+ bị kết tủa đun sôi nước gọi độ cứng tạm thời Phần Ca2+ Mg2+ không bị kết tủa đun sôi gọi độ cứng vĩnh viễn Theo O.A.Alekin chia nước đất theo độ cứng sau: nước mềm < 1,5 mgđl nước mềm 1,5 – mgđl nước mềm 3–6 mgđl nước cứng 6–9 mgđl nước cứng >9 mgđl 1mg đương lượng tương đương 20,04mg/lCa2+ hay 12,16mg/Mg2+ Ion hyđrô (H+) chủ yếu nước axit phân ly ra: H2O = H+ + OHIon H+ nước làm cho nước có tính axit, nồng độ H+ biểu thị độ pH (pH = -lg[H+]) Theo giá trị pH, chia nước đất làm loại: nước có tính axit mạnh nước có tính axit nước trung tính nước có tính kiềm nước có tính kiềm mạnh pH < pH = 5-7 pH = pH = 7-9 pH > Đại phận nước đất có tính kiềm yếu trung tính Chỉ vùng có khống sản kim loại nước thơng thường có tính axit Ion nitrit (NO2-) phân bố rộng rãi nước mặt, nước đất thường lượng nhỏ Hàm lượng axit nitrit nước đất cao q trình oxy hóa hợp chất amoniắc, phân hủy chất hữu hay khử natriat để thành nitrit Sự oxy hoá hợp chất amoniắc thường hoạt động vi khuẩn nitrit gây nên Lượng ion NO2- lớn chứng tỏ vi khuẩn sinh bệnh (dịch tả, thương hàn, ) có nước Ion nitrat (NO3_) có nước đất vật chất hữu chứa nitơ bị oxy hóa hồn tồn Các muối nitrat có hàm lượng nhỏ nước đất không gây hại đến thể người có mặt thường kèm theo ion nitrit amôn nên phải khống chế hàm lượng NO3- sử dụng Ion amơn (NH4+) thành tạo q trình sinh hóa với tham gia vi khuẩn khử nitrit điều kiện khí Sự có mặt ion amơn có nguồn gốc hữu chứng tỏ có phân hủy chất hữu có chứa nitơ dấu hiệu nhiễm bẩn nước Silic độ hòa tan thấp, nên nguyên tố phổ biến vỏ trái đất có hàm lượng nước nhỏ, thường dạng oxit silic axit silic Sắt Trong vỏ Quả đất sắt phổ biến, chứa nhiều khoáng vật piroxen, amfibon, manhêtit, pirit, biotit, granat Khi bị phong hóa chúng giải phóng lượng sắt lớn thường chuyển thành oxit sắt hòa tan yếu vững bền Trong nước đất hợp chất sắt thường tồn dạng protoxit (Fe2+) oxit (Fe3+) Các hợp chất protoxit sắt nước không bền vững, gặp 77 oxy bị oxy hóa tạo thành hydroxit sắt dạng keo nước Các hợp chất chứa sắt nước làm cho nước có vị khó chịu Nhôm phổ biến vỏ trái đất có hàm lượng nhỏ nước khả di chuyển yếu nước đất Thành phần nguyên tố vi lượng nước đất Các nguyên tố vi lượng nguyên tố hóa học hay hợp chất chúng chứa nước đất với hàm lượng nhỏ 10mg/l Các nguyên tố vi lượng thường khơng định kiểu hố học nước, ảnh hưởng lớn đến tính chất đặc trưng cho thành phần nước Mặc dù chiếm lượng nhỏ chúng có ảnh hưởng lớn đến diễn biến trình sinh học Các nguyên tố vi lượng bao gồm nguyên tố Li, B, F, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Br, Sr, Mo, I, Ba, Pb v v Các nguyên tố vi lượng I, F, Zn, Cu, Co, B, có ảnh hưởng lớn đến hoạt động người, động thực vật Trong số vùng thiếu hay thừa số nguyên tố vi lượng nước đất gây số bệnh cho người, ví dụ, bệnh bưới cổ thiếu iốt thể Hàm lượng nguyên tố vi lượng I, Br, B, Li, nước đất cao khai thác nguyên liệu khoáng sản Các nguyên tố phóng xạ Những nguyên tố phóng xạ chủ yếu gồm U, Rn, Ra số đồng vị phóng xạ K40, H3, C14 Chúng thường có lượng nhỏ nước Độ khống hóa nước Độ khống hóa nước tổng hàm lượng chất khống phát phân tích hóa học nước Còn lượng cặn khơ đặc trưng cho hàm lượng muối khống khơng bay hòa tan nước phần hợp chất hữu Độ khoáng hóa tính theo lượng cặn khơ đốt nóng nước nhiệt độ 105-110oC Lượng cặn khơ biểu thị mg/l hay g/l Lượng cặn khô xác định thường khác tổng độ khống hố tính tốn số chất khí bay nung thành phần chất hữu nước Để tránh tượng hydrat hóa làm cho hàm lượng cặn khơ tăng lên, lượng ion magiê, sunfat, clo có nhiều nước thường cho thêm sơđa (Na2CO3) sấy nhiệt độ 180oC, muối clorua, sunfat canxi, magiê chuyển thành cacbonat làm cho cặn khơ khơng có tượng ngậm nước Độ khống hóa nước tiêu quan trọng để phân loại nước đất, độ khống hóa thay đổi, thành phần hóa học chúng thay đổi theo Dựa theo độ khống hóa phân loại nước thành nhóm sau: Siêu nhạt Nhạt Lợ Hơi mặn Mặn Muối 35 g/l g/l g/l g/l g/l g/l 78 Biểu diễn kết phân tích hóa học nước: Cơng thức Kurlov Công thức Kurlov biểu diễn dạng phân số: tử số ghi hàm lượng ion âm (anion) % mgđl/l theo thứ tự giảm dần, mẫu số - ion dương (cation), theo thứ tự ion có hàm lượng lớn 10% mgđl/l Phía trước phân số, từ phải sang trái ghi độ khống hóa M(g/l), thành phần đặc biệt (khí, nguyên tố vi lượng) g/l Phía sau phân số ghi nhiệt độ (T), độ pH lưu lượng nước (m3/ngày) Ví dụ: HBO 0,001 1,9 CO M 2,5 HCO59 SO29 Cl12 T14 pH 6,8 Q300 Ca60 Mg 25 Na14 Tên gọi nước theo thành phần có hàm lượng lớn 25% mgđl/l theo thứ tự từ lớn đến bé, từ anion đến cation Tên nước ví dụ bicacbonat sunfat canxi manhê Đồ thị vòng tròn Tolxtikhin (hình 3.2) Bán kính vòng tròn biểu thị độ khống hóa, anion cation tính % mgđl; anion biểu diễn nửa vòng tròn cation nửa vòng tròn Thứ tự biểu diễn với cation Ca2+, Mg2+, Na+, K+ anion HCO3-, SO42-, Cl- Đơi biểu diễn thành hai vòng tròn, vòng ngồi cation, vòng anion (theo chiều kim đồng hồ) +2 Ca +2 Ca Mg + Na+ HCO -2 SO HCO 3-2 SO 100 CL CL Na+ Mg + Hình 3.2 Đồ thị Tolxtikhil Biểu đồ Piper Các ion nước tự nhiên gồm có Na+, K+, Ca2+, Mg2+ Cl-, CO32-, HCO3 SO42- Nếu gộp hai cation K+ Na+ vào ta có nhóm cation Tương tự ta gộp hai anion HCO3- CO32- có nhóm anion Dùng biểu đồ tam giác ta biểu thị phần trăm cation hay anion (hình 3.3) Sau xác định điểm biểu thị số phần trăm nồng độ cation anion - 79 hai biểu đồ tam giác, chiếu song song với trục Mg SO4 lên trường hình thoi Điểm giao chúng biểu thị thành phần nước 90 90 CO + 90 90 Lo¹i sunfat SO Mg 10 HC O Na +K +C a+ Na Mg +K Ca Ca +M +M g g+ Na +K Cl+ SO g +M Ca O3 HC +K Không có loại Loại Loại bật natri canxi hay kali 10 50 Loại magiê 50 SO Cl+ Na 50 + SO SO Cl+ CO O 3+ O3+ HC HC 10 Cl+ 10 50 50 50 Không có loại bật Loại Loại bicacbonat clorua 50 50 Ca Cl C¸C CATION C¸C ANION Hình 3.3 Biểu đồ Piper Biu Stiff Biu đồ Stiff biểu diễn thông qua hệ trục với trục nằm ngang, có chiều tăng hai phía, biểu diễn thành phần cation bên trái anion bên phải trục thẳng đứng qua giá trị trục nằm ngang Trục thẳng đứng không tỷ lệ, để xác định giá trị trục nằm ngang Thành phần cation anion thể mgđl/l, nối với tạo nên đa giác khép kín (hình 3.4) Trục nằm ngang cho sắt cacbonat tùy chọn nhiều loại nước, chúng gần không Biểu đồ Stiff tiện lợi so sánh nhanh mắt loại nước, vùng đa giác rộng nồng độ ion khác xa nhiều Hình 3.4b trình bày biểu đồ Stiff thể đồ thuỷ địa hoá vùng 80 Na+K Ca Mg Fe 30 25 20 15 Cl HCO3 SO4 CO3 10 5 C¸c cation (mgđl/l) 10 15 20 25 30 Các anion (mgđl/l) Hình 3.4 Biểu đồ Stiff Hỡnh 3.5 Bn thu địa hoá, biểu diễn biểu đồ Stiff 81 II CÁC KHÍ HỊA TAN TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT Các khí phổ biến nước đất oxy (O2), cacbonic (CO2), sunfua hydrro (H2S), hydro (H2), mêtan (CH4), cacbua hyđrơ nặng, nitơ (N2) khí Các khí tồn dạng hòa tan hay tự Khi áp suất giảm, khí hòa tan dễ chuyển sang dạng tự Oxy (O2) chủ yếu có nguồn gốc khí quyển, phần từ thực vật trình quang hợp Trong nước đất, oxy dạng phân tử hòa tan với hàm lượng 0-15mg/l Hàm lượng oxy giảm dần theo chiều sâu Cacbonic (CO2) dạng khí cacbonic tự nước nước hấp thụ từ khơng khí khí q trình sinh hóa xảy lớp đất đá, tách trình núi lửa hoạt động biến chất Khi hàm lượng khí CO2 tự lớn hàm lượng cân nước có tính ăn mòn cacbonat dẫn đến phá hủy đất đá, bê tông bê tông cốt thép Sunfua hydrro (H2S) tồn nước đất dạng khí H2S, ion hydro sunfit HS- sunfua S2- Sunfua hydrơ tích tụ nước đất trình khử sunfat môi trường clorua hydro với tham gia vi khuẩn khí, khử sunfat điều kiện nhiệt độ áp suất cao (nhiệt biến chất) Thông thường hàm lượng sunfua hydro thấp nước đất vượt 50mg/l; mỏ dầu, hàm lượng chúng đạt đến 1000-2000 mg/l Hydro (H2) nước đất hình thành trình phân ly nước, phân hủy chất hữu thuỷ phân muối kim loại nặng (sunfat sắt, đồng, nhôm, ) đới oxy hóa quạng sunfua Mêtan (CH4) cacbua hydro nặng nước đất thành tạo kết q trình sinh hố phân huỷ chất hữu cơ, chủ yếu mỏ dầu, bồn chứa than; ngồi gặp đầm lầy, bể than bùn Hàm lượng CH4 nước đất đạt tới 50cm3/l Nitơ khí (hêli, neon, argon, kripton xenon) khí trơ III.CÁC CHẤT HỮU CƠ VÀ VI SINH VẬT TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT Các chất hữu nước đất đa dạng, phụ thuộc vào giới sinh vật vùng Các chất hữu cần ý gồm có: axit humic, bitum, fenon, axit béo, naptenat, cacbon hữu cơ, nitơ hữu Nguồn cung cấp chất hữu cho nước đất nước mưa, khí quyển, nước mặt, thổ nhưỡng, nước biển, bùn biển, đất đá vỉa dầu, than, than bùn, Trong nước nằm nông thường gặp chất hữu có nguồn gốc động vật sản phẩm phân hủy thực vật Chúng thường hợp chất humic phức tạp dạng dung dịch keo làm cho nước có màu phớt vàng Nước khơng gây tác hại đến thể người có mùi vị khó chịu nên khơng cho phép dùng để ăn uống Nước đất giàu chất hữu không dùng nồi 82 Các vi sinh vật nước đất thường vi khuẩn đơn bào đa bào (hiếm hơn) Các vi khuẩn tham gia tích cực vào thành phần hóa học nước, tác dụng lên hợp chất hữu vô Một số vi khuẩn không gây tác hại, số khác lại gây bệnh cho người Các ví dụ tính tốn Ví dụ 1: Kết phân tích thành phần hóa học mẫu nước cho giá trị (bằng mg/l): Na+=78, K+=9, Ca2+=89, Mg2+=24, Fe2+=0,2, Cl-=125, SO42-=83, NO3=5, HCO3-=276, CO32-=0 Tổng độ khống hóa M=10g/l, nhiệt độ nước ToC=30oC Viết công thức Kurlov gọi tên nước Bài giải Tính %mgđl mẫu nước ghi vào bảng Nội dung tính Cation Anion mg/l mg.đl/l %đl Na+ 78 3,39 34 ClK+ 0,23 SO42+ Ca 89 4,44 44 NO3Mg2+ 24 1,97 20 HCO3Fe2+ 0,2 0,01 CO32Tổng số 200,0 10,04 100 Tổng số Công thức Kurlov mẫu nước là: M 10 mg/l 125 83 276 48,9 Nội dung tính mg.đl/l %đl 3,53 36 1,73 17 0,08 4,52 46 9,86 100 HCO 46 Cl36 SO174 T30 Ca 44 Na 34 Mg 20 Đó loại nước bicacbonat clorua canxi natri magiê Ví dụ Viết cơng thức Kurlov gọi tên nước theo kết phân tích thành phần hóa học nước hai mẫu nước sau: Mẫu nước A: M=1,5g/l, nhiệt độ 22oC, CO2 tự = 0,5mg/l, thành phần ion theo % mgđl Ca2+=58%, Mg2+=25,6%, Na+=14,9%, HCO3-=54%, SO42=37,5%, Cl-=15,4% Mẫu nước B: M=13,8g/l, nhiệt độ 18oC, thành phần ion theo % mgđl Mg2+=25%, Na+=53%, HCO3-=9,3%, SO42-=19,5%, Cl-=69,5% Bải giải Công thức Kurlov: 0,5 - cho mẫu nước A: CO M 1,5 HCO 543 SO374 ,5 Cl15 , Ca 58 Mg 25 , Na14 ,9 T22 o C Tên mẫu nước: "Bicacbonat sunfat canxi magie" - cho mẫu nước B: M 13,85 Cl 69 ,5 SO194 ,5 Na 53 Mg 25 Ca 20 ,1 T18o C Tên nước: Clorua natri magiê Ví dụ Hãy biểu diễn kết phân tích nước sau biểu đồ tam giác Piper Mg2+ Na+ K+ HCO3- CO32SO42ClCa2+ 83 - Theo lượng nước mưa ngấm xuống: (4.7) Qđ =10 α NF đây: Qđ - trữ lượng động bổ xung hàng năm nước mưa ngấm xuống, m3/năm; α - hệ số ngấm, % lượng mưa; N- lượng mưa hàng năm; F- vùng cung cấp cho nước đất, km2 - Theo biến đổi lưu lượng sông nước đất cung cấp: Phương pháp tiến hành vào mùa khơ, sông nước đất cung cấp qđ = q − q1 L (4.8) đây: qđ – trữ lượng động nước đất cho dòng thấm dọc theo bờ có bề rộng đơn vị, l/s.m; q2 – lưu lượng sông nước đất cung cấp tuyến hạ lưu, l/s; q1 – lưu lượng sông nước đất cung cấp tuyến thượng lưu, l/s; L- khoảng cách hai tuyến, m - Theo hệ số thấm, bề dày độ dốc gradien dòng thấm: Qđ = k.J.htbB đây: k- hệ số thấm tầng chứa nước, m/ngđ; htb- bề dày trung bình dòng thấm, m; B- bề rộng dòng thấm, m; J- độ dốc thuỷ lực dòng thấm II.TRỮ LƯỢNG KHAI THÁC (4.9) Trữ lượng khai thác nước đất khối lượng nước đất khai thác hợp lý mặt kinh tế kỹ thuật với chế độ khai thác cho trước xác định, có chất lượng phù hợp với yêu cầu suốt thời gian tính tốn sử dụng nước Trữ lượng khai thác chiếm phần trữ lượng thiên nhiên Tùy thuộc mức độ nghiên cứu mức độ tin cậy việc xác định số trên, người ta chia cấp trữ lượng khai thác nước đất: A, B, C1 C2 (Bảng 4.1) Do thăm dò tỷ mỷ, trữ lượng khai thác cấp A cấp B gọi cấp công nghiệp sở cấp cho phép thiết kế xây dựng nhà máy nước, trữ lượng cấp C1 C2 xác định theo cơng tác tìm kiếm thăm dò sơ bộ, gọi cấp triển vọng dùng để quy hoạch triển vọng khai thác nước đất Thông thường yêu cầu dùng nước nhỏ nhiều so với trữ lượng thiên nhiên tầng chứa nước khơng cần xét đến trữ lượng thiên nhiên Tuy nhiên, trường hợp tầng chứa nước khơng có nguồn cung cấp trị số trữ lượng thiên nhiên có ý nghĩa lớn, trường hợp không nên để cạn phần trữ lượng tĩnh nằm mực nước ngầm thấp Trong trường hợp thật cần thiết phải sử dụng phần trữ lượng kiệt cần có tính tốn kỹ Bảng 4.1: Các cấp trữ lượng khai thác nước đất Cấp trữ Mức độ thăm dò nghiên cứu Cơ sở để tính trữ lượng 122 lượng A B C1 Sáng tỏ hoàn toàn : - điều kiện nằm, cấu trúc địa chất, giá trị mực nước, mực áp lực tầng chứa nước, tính thấm đất đá chứa nước - điều kiện cung cấp tầng chứa nước - khả phục hồi trữ lượng khai thác - quan hệ nước đất tầng nghiên cứu với nước mặt, nước tầng chứa nước khác - khả sử dụng nước có chất lượng theo yêu cầu suốt thời gian sử dụng nước Sáng tỏ đặc điểm chủ yếu về: - điều kiện nằm, cấu trúc địa chất điều kiện cấp nước tầng chứa nước - quan hệ nước đất vùng nghiên cứu với nước mặt nước tầng chứa nước khác - xác định gần nguồn trữ lượng thiên nhiên hình thành nên trữ lượng khai thác - khả sử dụng nước có chất lượng theo mục đích định sáng tỏ đặc tính chung về: - cấu trúc địa chất, điều kiện nằm, phân bố tầng chứa nước - chất lượng nước mức độ đảm bảo giải sơ vấn đề khả sử dụng chúng theo nhiệm vụ đặt - tài liệu lỗ khoan, hút nước thí nghiệm, hút nước khai thác thử lưu lượng nhà máy nước (trường hợp mở rộng nâng công suất nhà máy nước họat động) - phân tích thành phần hóa học nước đất bảo đảm đạt chất lượng theo yêu cầu + lỗ khoan thăm dò để hút nước thí nghiệm đơn lỗ khoan dùng để tính trữ lượng cấp A + theo tổng lưu lượng thực hút lỗ khoan đơn hút nước thí nghiệm thời điểm khác có tính đến tương hỗ chúng + theo tổng lưu lượng tính toán lỗ khoan dùng để lập luận trữ lượng cấp A với giá trị hạ thấp mực nước ngoại suy lớn thực tế (để tính cấp A) có tính đến tương hỗ chúng + theo cơng suất tính tốn nhà máy nước khai thác lỗ khoan thăm dò với trị số hạ thấp mực nước lớn trị số hạ thấp mực nước thực tế đưa vào tính tốn lỗ khoan thiết kế bổ sung mà chúng bố trí theo sơ đồ khai thác chấp thuận diện tích khoảnh khai thác - điều kiện địa chất thủy văn, tài liệu hút nước thử từ lỗ khoan thăm dò – tìm kiếm cho mục đích khác nguồn trữ lượng thiên nhiên (trữ lượng động) mà chúng nguồn phục hồi trữ lượng khai thác nước đất + theo giá trị lưu lượng dòng ngầm tự nhiên, cân nước trữ lượng tĩnh tầng chứa nước xem xét, có tính đến nguồn khác có khả phục hồi trữ lượng khai thác mà trình khai thác trở thành nguồn cung cấp nước đất cho nhà 123 máy nước + tương tự diện tích nghiên cứu với khoảng nghiên cứu kỹ để thiết kế nhà máy khoảng có nhà máy nước họat động theo tỷ cơng suất đơn vị diện tích tỷ cơng suất theo chiều rộng mặt cắt dòng ngầm + ngoại suy tính tốn địa chất thủy văn với trữ lượng cấp cao (A, B) C2 - số liệu chung địa chất - điều kiện địa chất thủy văn cụ thể, từ địa chất thủy văn giá trị trữ lượng động tĩnh - chất lượng nước đất xác cân nước, so sánh tương tự địa định theo kết phân tích mẫu chất thủy văn với diện tích vị trí khác tầng nghiên cứu kỹ ngoại suy từ trữ cách so sánh tương tự lượng cấp cao với khoảng thăm dò - sử dụng tài liệu hút nước thử, thí nghiệm khai thác cơng tầng chứa nước trình có vùng nghiên cứu (lỗ khoan, mỏ, giếng, nhà máy nước ) nguồn lộ liên quan tầng chứa nước cần nghiên cứu Trữ lượng khai thác ước tính cách so sánh tương tự với giếng làm việc tốt điều kiện địa chất địa chất thủy văn tương tự III.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TRỮ LƯỢNG KHAI THÁC NƯỚC DƯỚI ĐẤT Đánh giá trữ lượng khai thác nước đất nhằm thu thập tài liệu, số liệu chứng minh cho khả khai thác nước đất với lưu lượng chất lượng đảm bảo u cầu thời gian tính tốn khoảng 25 – 30 năm (thường lấy 27 năm = 104 ngđ cho dễ tính) dài Dự báo độ giảm hay vị trí mực nước động lỗ khoan nhà máy nước Có bốn phương pháp đánh giá trữ lượng khai thác nước đất chủ yếu: phương pháp thủy động lực, phương pháp thủy lực, phương pháp cân phương pháp tương tự địa chất thủy văn a) Phương pháp thủy động lực: sử dụng cơng thức từ phương trình tốn lý thủy động phù hợp sơ đồ tính mơ điều kiện thực tế Chúng giải phương pháp giải tính, đồ thị mơ hình có sử dụng máy tính điện tử Phương pháp có khả dự báo thay đổi mực nước động lỗ khoan khai thác theo thời gian Xét đến cân nước khả phục hồi trữ lượng điều kiện tự nhiên điều kiện khai thác Nhược điểm phương pháp phải trung bình hóa số liệu tính thấm, đơn giản hố điều kiện thực tế lập sơ đồ tính, khơng có khả xét đến q trình thay đổi mơi trường, bỏ qua nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trữ lượng khai thác nên số liệu dự báo nhiều không sát thực tế 124 b) Phương pháp thủy lực: sử dụng ngoại suy hàm số thực nghiệm thu q trình thí nghiệm thấm Thường áp dụng hữu hiệu điều kiện địa chất thủy văn phức tạp đá nứt nẻ cactơ hóa, đới phá hủy kiến tạo, đất đá bở rời cấu tạo phức tạp tính thấm khơng đồng Bằng phương trình thực nghiệm thể vận động phức tạp nước đất tác động nhiều yếu tố (tính thấm, điều kiện vận động, cung cấp thoát nước, ), dự báo biến đổi mực nước, lưu lượng ảnh hưởng can nhiễu lỗ khoan, Nhược điểm không dự báo mực nước thay đổi theo thời gian khả phục hồi trữ lượng khai thác nước đất Khối lượng cơng tác thí nghiệm tương đối lớn (tiến hành dài ngày với nhiều đợt hạ thấp mực nước ) nên cần kết hợp với phương pháp cân phương pháp thủy động lực c) Phương pháp cân bằng: dựa sở cân nước vùng nghiên cứu nên cho phép đảm bảo phục hồi trữ lượng khai thác nước đất điều kiện dòng ngầm có kích thước hạn chế Trữ lượng khai thác Qkt xác định theo công thức sau: Qkt = α1Qtn + α2 Vtn V + α Q nt + α nt + Q bx t t (4.10) đó: Qtn Qnt- nguồn trữ lượng động thiên nhiên nhân tạo; Vtn Vnt- trữ lượng tĩnh tự nhiên nhân tạo sử dụng thời gian khai thác t; Qbx- nguồn trữ lượng bổ xung thời gian nhà máy nước hoạt động; α1, α2, α3, α4- hệ số sử dụng nguồn trữ lượng thiên nhiên nhân tạo tương ứng Khi Qkt Qtn , nước vận động đến lỗ khoan nhà máy trạng thái không ổn định (do trữ lượng tĩnh tự nhiên bị giảm) nhà máy hoạt động theo chế độ khai thác định kỳ d) Phương pháp tương tự địa chất thủy văn: chứng minh tương tự điều kiện tự nhiên sử dụng nước vùng nghiên cứu kỹ hay khai thác nước với vùng phải khảo sát Mức độ tương tự hồn tồn hay phần về: nguồn hình thành, trữ lượng khai thác, điều kiện tàng trữ nước, cấu trúc địa chất, thành phần đất đá chứa nước, điều kiện cấp nước, Dùng hệ số thể khác hai vùng Phương pháp hữu hiệu so sánh với vùng khai thác, sử dụng nước đất Trong điều kiện địa chất thủy văn phức tạp, cần sử dụng tổng hợp vài phương pháp đánh giá trữ lượng, điều giúp cho việc xác định công tác khảo sát, nghiên cứu cần tiến hành để có số liệu đầy đủ ban đầu cho việc đánh giá trữ lượng IV.QUẢN LÝ NƯỚC DƯỚI ĐẤT 125 Công tác quản lý nước đất bao gồm đề chế độ khai thác hợp lý áp dụng biện pháp làm tăng trữ lượng nước đất, nâng cao suất giếng khai thác nước Bổ sung nhân tạo Bổ sung nhân tạo trữ lượng nước đất dùng biện pháp kỹ thuật để chuyển lượng nước nhạt mặt thành nước đất Việc bổ sung nhân tạo cần thiết vùng khai thác nước mãnh liệt, trữ lượng tự nhiên bị cạn dần vùng mỏ nước có trữ lượng cơng nghiệp Chuyển nước mặt thành nước đất, sau khai thác có nhiều ưu điểm sử dụng tiếp nước mặt: nước lọc hơn, phần lớn vi trùng bị chết thay đổi môi trường sống, thành phần gây bẩn đất đá hấp phụ Để bổ sung nhân tạo trữ lượng nước đất dùng cơng trình chuyển nước nhạt vào tầng chứa nước, cơng trình khai thác nước cơng trình phù trợ cho việc chuyển nước mặt đến vị trí bổ sung trữ lượng, xử lý nước cấp Cơng trình chuyển nước mặt nhạt vào tầng chứa nước gọi cơng trình thấm Chúng dạng hở - mương, hồ dạng kín - lỗ khoan, giếng, galeri lỗ khoan nằm ngang Cơng trình hở xây dựng vùng có tầng chứa nước khơng bị phủ hay có lớp cách nước phủ mỏng Có thể đào đắp thành mương, hồ, ao cho có đáy thấm nước mực nước cao mực nước ngầm hay mực áp lực Nước hồ, mương thấm qua đáy mà không thấm qua bờ Các cơng trình thấm kín lỗ khoan ép nước hay hấp thụ nước dùng để bổ sung nước cho tầng chứa nước có áp nằm sâu Dùng máy bơm để ép nước hay cho nước tự chảy vào lỗ khoan Cơng trình khai thác nước cơng trình phù trợ giống cơng trình thường sử dụng để khai thác nước đất nước mặt Việc cho nước tràn bề mặt cách đắp đập thấp chắn ngang dòng tạm thời từ dãy núi làm mực nước đất dâng cao vùng rộng lớn Biện pháp tiến hành vùng có lớp đất mặt có tính thấm nước, mực nước ngầm sâu, mặt đất phẳng tầng chứa nước bổ sung có khả chuyển nước đủ lớn để chuyển nước khỏi vùng lan truyền Tưới dạng bổ sung nhân tạo nước tưới vượt yêu cầu cối Nước thải từ bể tự hoại ngấm qua đới khơng bão hòa bổ sung cho nước đất Bằng cách bổ sung nhân tạo, ta cải tạo tầng chứa nước lợ phổ biến đồng châu thổ nước ta thành mỏ nước nhạt Sử dụng kết hợp nước mặt nước đất Trong hệ sông suối - tầng chứa nước, rõ ràng không hợp lý chia tách riêng hoạt động quản lý nước mặt nước đất Nước thấm từ sơng vào tầng chứa nước từ tầng chứa nước vào sông nên việc quản lý nước đất nước mặt cho quan riêng biệt làm cạn kiệt tổng nguồn nước sử dụng mức Khi lượng cầu vượt q lượng cung đòi hỏi quản lý nước đất nước mặt thành phần hệ thống nhất, có quan hệ qua lại quan trọng Việc bơm hút mức tầng chứa nước gần sơng làm giảm lượng nước bổ sung bình thường hệ tầng chứa nước Hiệu tích lũy 126 nhiều nguồn bơm hút nước giếng làm sụt giảm nguồn nước tổng Hoàn cảnh xấu thêm việc hút nước đất dẫn đến giảm dòng nước mặt Từ nhận thức rõ ràng phải thống việc quản lý sử dụng tổng hợp nguồn nước nói chung Phải có mơ hình quản lý thống nhất, tối ưu Ở nước ta trước việc quản lý tài nguyên nước thuộc Bộ Nông nghiệp phát triển Nông thôn Từ năm 2003 thành lập Bộ Tài nguyên Môi trường, vấn đề quản lý mặt Nhà nước tài nguyên nước chuyển sang việc xây dựng khai thác sử dụng tài nguyên nước mặt chức Bộ Nông nghiệp phát triển Nông thơn Vì vậy, việc thống quản lý tài ngun nước, sử dụng kết hợp nước mặt nước đất gặp khó khăn định Quản lý nhà nước việc khai thác nước đất Nước đất tài nguyên quốc gia Để bảo đảm phát triển bền vững tài nguyên nước đất cần phải có thiết chế chặt chẽ mặt nhà nước việc quản lý khai thác nước đất Quản lý chặt chẽ khai thác nước đất hạn chế việc khai thác bừa bãi làm suy giảm trữ lượng chất lượng nước đất Trong chưa có điều kiện kinh tế, kỹ thuật để bổ sung nhân tạo nguồn nước đất khai thác trữ nước theo chu kỳ phải tăng cường quản lý việc khai thác nước đất Ở Việt Nam thực việc đăng ký cấp phép khai thác nước đất, nhiên quy mô lớn, cho doanh nghiệp khai thác công nghiệp Đối với việc khai thác quy mô nhỏ, cho giếng đơn lẽ, giếng gia đình chưa thể quản lý Đó xúc cần phải giải sớm §5 MƠ HÌNH HỐ NƯỚC DƯỚI ĐẤT I.KHÁI NIỆM MƠ HÌNH NƯỚC DƯỚI ĐẤT Giới thiệu Nước đất nghiên cứu trực tiếp cơng trình thăm dò, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trường trình bày chương Tuy nhiên, nước đất nghiên cứu cách gián tiếp phương pháp mô hình hố Mơ hình hố phương pháp đại, giải nhiều vấn đề mà phương pháp nghiên cứu trực tiếp đối tượng giải Mơ hình hóa q trình thấm giữ vai trò quan trọng nghiên cứu tính tốn q trình thấm nước đất cho phép xét đến đưa vào tốn hồn cảnh điều kiện tự nhiên kỹ thuật phức tạp giải toán thấm Nếu trước mơ hình hố dùng để nghiên cứu vài trường hợp đơn giản dòng thấm tự nhiên để kiểm nghiệm vài kết phương pháp tính tốn thấm, ngày coi phương pháp tin cậy áp dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực tính tốn địa chất thủy văn Mơ hình hố giải tốn dòng thấm đới thơng khí, dòng dịch chuyển khuyếch tán vật chất hay nhiệt độ đất, giải tốn thuận để dự báo biến đổi áp lực lưu lượng dòng thấm, hay tốn ngược để xác định điều kiện biên thông số địa chất thủy văn mơi trường thấm; giải tốn thấm đến cơng trình cụ thể tốn thấm khu vực với tác dụng tổng hợp hệ thống cơng trình nhân tố tự nhiên khác 127 Thực chất phương pháp mơ hình hố mơ dòng thấm mơ hình tốn học mơ hình vật lý dựa vào tương tự toán học mặt vật lý trình thấm trình vật lý khác Khi nghiên cứu hệ dòng nước đất, ta triển khai mơ hình nhận thức, chẳng hạn mơ tả hệ nước đất tồn trầm tích cát sỏi sạn, mặt đá gốc phẳng Với mơ hình khơng thể mơ tả đầy đủ tất chi tiết nhỏ hệ thực Tuy nhiên, mơ hình nhận thức giúp ta hiểu hành vi hệ thấm Các mơ hình nhận thức tĩnh, mơ tả điều kiện thời hệ thấm Để dự đoán hành vi tương lai, cần sử dụng số mô hình động học: mơ hình tỷ lệ vật lý, mơ hình tương tự mơ hình tốn học Các loại mơ hình động học Để nghiên cứu nước đất áp dụng loại mơ hình sau đây: Mơ hình thực hay gọi mơ hình tỷ lệ tức nghiên cứu đối tượng mơ hình thu nhỏ, chẳng hạn cho nước thấm bể chứa cát Một vấn đề quan trọng nghiên cứu mô hình tỷ lệ phải xác định tỷ lệ mơ hình hợp lý để từ kết thu mơ hình suy thực tế mà khơng làm “biến dạng” chất vấn đề Khi nghiên cứu q trình thấm nước đất mơ hình tỷ lệ cần phải xác định hệ số tỷ lệ sau đây: - Hệ số tỷ lệ kích thước KL: L KL = - Hệ số tỷ lệ vận tốc Kv: - Hệ số tỷ lệ thời gian Kt: Kv = ⎛M ⎞ K T = ⎜⎜ nh ⎟⎟ ⎝ t nh ⎠ nh Lmh Vnh Vmh ⎛ M mh ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ t mh ⎠ Trong công thức Lnh, Vnh, Mnh, tnh tương ứng kích thước, vận tốc, khối lượng nước, thời gian nguyên hình (đối tượng thực); Lmh, Vmh, Mmh, tmh tương ứng kích thước, vận tốc, khối lượng nước, thời gian mơ hình Phải chọn hệ số tỷ lệ nói cách hợp lý Nếu hệ số tỷ lệ chênh lệch làm biến dạng dòng thấm, khơng phản ánh q trình thực tế xảy tự nhiên Mô hình tương tự Mơ hình tương tự dùng loại vật liệu khác thay đưa vào mơ hình để nghiên cứu đối tượng dựa vào tương tự trình vật lý xảy chúng Tuỳ theo loại vật liệu sử dụng người ta chia làm hai loại mơ hình tương tự: a) Mơ hình điện Sự vận động nước đất xảy tác dụng chênh lệch áp lực cột nước tương tự truyền điện xảy tác dụng hiệu điện Trong vật lý, dẫn điện tuân theo định luật Ohm: I = g.U 128 I – cường độ dòng điện; g - độ dẫn điện (conductance), g = 1/R; R - điện trở; U- hiệu điện Trong địa chất thuỷ văn, vận động nước đất tuân theo định luật Darcy: V = kJ V – vận tốc; k – hệ số thấm; J - độ dốc thuỷ lực Rõ ràng trường điện trường vận động nước đất có tương tự Sự tương tự sở để xây dựng mơ hình điện dùng để nghiên cứu nước đất Cường độ dòng điện mơ hình biểu thị vận tốc dòng thấm ngun hình Hiệu điện mơ hình tương ứng thủy lực, độ dẫn điện tương tự hệ số thấm môi trường Trên sở tương tự người ta tổ hợp thiết bị điện để tạo nên mơ hình mơ toán thấm phức tạp tự nhiên Vật liệu dẫn điện dùng mơ hình để nghiên cứu dung dịch, giấy dẫn điện hệ thống tụ điện điện trở Cũng mô hình thực, xây dựng mơ hình tương tự điện phải xác định hệ số tỷ lệ hợp lý để mơ hình phản ánh q trình tự nhiên cần nghiên cứu Các hệ số là: K1 = M ; q K2 = h Q ; K3 = E I M – thể tích nước, m3 h – cột nước, m Q – lưu lượng nước, m3/ngđ q - điện tích, coulomb E - điện thế, volt I – cường độ dòng điện, amp b) Mơ hình chất lỏng nhớt (mơ hình Hele - Shaw) Mơ hình chất lỏng nhớt mơ hình tương tự mà thay nghiên cứu trực tiếp vật liệu nước người ta dùng chất lỏng nhớt, ví dụ glicerin dầu Người ta đặt hai kính dựng đứng song song cách khoảng b, hai đầu gắn thùng đựng chất lỏng Môi trường thấm thay cầu thuỷ tinh đường kính Tạo chênh lệch để chất lỏng vận động mơi trường Loại mơ hình áp dụng tốt để nghiên cứu vận động chất lỏng có trọng lượng riêng khác nhau, ví dụ trường hợp nhiễm mặn vùng bờ biển tiêm nhập nước thải vào tầng chứa nước Hệ số tỷ lệ cần xác định trường hợp hệ số tỷ lệ vận tốc Kv hệ số tỷ lệ chiều dài KL: công thức trên: KV = đó: Vnh- vận tốc nước; V nh = Vnh L ; K L = nh Vmh Lmh ρ n gk dh μ n dx Vmh – vận tốc chất lỏng nhớt mơ hình Vmh = b ρ mh g dh 12 μ mh dx Lnh - chiều dài dòng thấm ngun hình 129 Lmh - chiều dài dòng thấm mơ hình ρn, ρmh, μn, μmh – mật độ độ nhớt nước chất lỏng nhớt g – gia tốc trọng trường k – hệ số thấm nước nguyên hình dh/dx - độ dốc thuỷ lực Mơ hình tốn Mơ hình tốn mơ tả q trình thực khái qt hoá biểu thức toán học Nguyên lý chung mơ hình tốn nước đất dựa vào quy luật chứa chảy Bằng phương pháp giải tích, phương pháp sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn lý thuyết thống kê giải tìm nghiệm phương trình tốn Mơ hình tốn giải phương pháp giải tích gọi ln mơ hình giải tích Mơ hình tốn giải phương pháp sai phân hữu hạn phần tử hữu hạn gọi mơ hình số Để giải mơ hình giải tích, ta cần biết điều kiện ban đầu điều kiện biên toán thấm Các điều kiện cần đơn giản đủ để giải trực tiếp phương trình thấm Các mơ hình giải tích phát triển để mơ dòng thấm tới giếng sơng suối, dòng nhiệt dòng vận chuyển khối Các mơ hình giải tích giải nhanh chóng, xác khơng tốn máy tính tay hay máy vi tính nhỏ có lập trình Chỉ cần số lượng tối thiểu số liệu tất khu vực thuộc thông số cho giá trị (một giá trị hệ số thấm trung bình cho tầng chứa nước) Lý thuyết giếng ảo dùng toán liên quan với biên hay trường hợp nhiều giếng Đối với trường hợp điều kiện biên phức tạp thơng số biến đổi khơng thể giải phương pháp giải tích Trong trường hợp dùng phương pháp sai phân hữu hạn phần tử hữu hạn Các phương trình xếp lại số dạng đại số xấp xỉ số lời giải nhận giá trị gần Các phương trình phổ biến dạng ma trận giải máy tính xử lý số Cũng vậy, phương pháp gọi phương pháp số mơ hình gọi mơ hình số nói Các mơ hình số phát triển quan trọng địa chất thủy văn 15 năm gần Vì vậy, sau đề cập kỹ mơ hình số Mơ hình thống kê dòng thấm mơ hình tốn lập dựa lý thuyết thống kê Chúng dùng để xác định trường cột nước vận tốc toán vận chuyển khối chất hoà tan Trong trường hợp đối tượng nghiên cứu khơng xác lập phương trình lý thuyết số liệu quan trắc xác lập phương pháp xử lý thống kê Các áp dụng mơ hình nước đất Các mơ hình nước đất áp dụng cho bốn loại tốn sau đây: dòng nước đất, dòng vận chuyển chất hòa tan, dòng nhiệt biến dạng tầng chứa nước Các mơ hình số bắt đầu với phương trình dòng nước đất Nó giải để tìm phân bố cột nước tầng chứa nước Các mơ hình vận chuyển chất hòa tan có thêm phương trình biến đổi nồng độ hóa học nước đất Các phương trình vận chuyển nhiệt sử dụng phương trình truyền nhiệt tầng chứa nước Các mơ hình biến dạng tầng chứa nước kết hợp 130 phương trình thấm với phương trình khác mơ tả biến đổi cấu trúc vật lý tầng chứa nước với thay đổi cột nước tầng chứa nước Có hai loại mơ hình: mơ hình liên quan với dòng thấm qua mơi trường lỗ rỗng (tầng cát, sỏi ) mơ hình liên quan dòng thấm qua môi trường nứt nẻ (đá kết tinh nứt nẻ ) Các mơ hình cho dòng thấm có hai hay nhiều chất lỏng khơng thể trộn lẫn cho dòng thấm bão hòa khơng bão hòa Các mơ hình dòng thấm nước đất dùng để nghiên cứu dòng thấm ổn định khu vực hệ tầng chứa nước, biến đổi cột nước thủy lực biến đổi lưu lượng chảy chảy đến; biến đổi cột nước gần bãi giếng, hệ giếng tiêu nước, giếng bơm ép nước hay bồn thấm tương tác nước mặt - nước đất Các mơ hình vận chuyển chất hòa tan dùng nghiên cứu xâm nhập nước biển, chuyển động rữa lũa từ khu chôn rác thải vị trí xử lý chất thải khác, dải ô nhiễm từ hố thấm, chuyển động chất phóng xạ từ điểm chơn chất thải phóng xạ, chuyển động thuốc trừ dịch hại từ cánh đồng nông nghiệp dạng ô nhiễm nước đất khác Các mơ hình vận chuyển nhiệt dược dùng để phân tích tác động nhiệt trữ chất thải mức độ phóng xạ cao, trữ lượng nhiệt tầng chứa nước tác động bơm nhiệt từ nước đất Lún sụt mặt đất bơm hút nước đất nghiên cứu mơ hình biến dạng II CÁC MƠ HÌNH SỐ Mơ hình sai phân hữu hạn Mơ hình sai phân hữu hạn áp dụng cho nhiều toán khác địa chất thuỷ văn Ở đây, để minh hoạ cho việc giải thích chất phương pháp sai phân hữu hạn ta chọn tốn phương trình dòng thấm ngang không áp Ở chương 2, ⁄3, II ta xác lập phương trình tổng qt dòng thấm ngang không áp cho trường hợp động thái không ổn định (công thức 2.17): ∂h ∂ ⎛ ∂h ⎞ ∂ ⎛ ∂h ⎞ ⎜ k x h ⎟ + ⎜⎜ k y h ⎟⎟ + W = μ ∂t ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎝ ∂y ⎠ Đối với trường hợp dòng thấm ổn định phương trình trở thành: ∂ ⎛ ∂h ⎞ ∂ ⎛ ∂h ⎞ ⎜ kxh ⎟ + ⎜ k y h ⎟ + W = ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎜⎝ ∂y ⎟⎠ (4.11) Đây phương trình vi phân đạo hàm riêng hai biến khơng thể giải phương pháp giải tích, vậy, chương đơn giản hoá, đưa tốn hướng mơi trường thấm đồng (K=const) để giải tức ta giải cho trường hợp đặc biệt Ở áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải ln tốn tổng qt 131 Hình 4.5 Lưới sai phân hữu hạn miền thấm a) lưới tâm ô lưới; b) lưới tâm mắt lưới Để tìm lời giải cho phương trình liên tục nêu ta chia miền thấm thành lưới gọi lưới sai phân hữu hạn Trong ô lưới môi trường coi đồng nhất, nghĩa thông số coi không đổi Tại ô lưới viết phương trình dạng (4.11) với ẩn số chiều cao mực nước h điểm nút Điểm nút tâm ô điểm giao đường lưới Khi điểm nút nằm tâm ô lưới lưới gọi lưới tâm lưới (hình 4.5a) trường hợp gọi lưới tâm mắt lưới (hình 4.5b) Việc chọn loại lưới phụ thuộc vào điều kiện biên Lưới tâm ô lưới hữu hiệu lưu lượng xác định qua biên, lưới tâm mắt lưới thích hợp cho trường hợp mà cột nước xác định biên Vị trí nút lưới thể ký hiệu riêng Hình 4.6a cho thấy lưới sai phân hữu hạn, định tâm theo (x, y) Các điểm kề cận lưới đặt cách khoảng Δx phía phải hay trái khoảng Δy phía hay dưới; x dương phía phải y hướng xuống dương Trong mã số máy tính, vị trí nút ký hiệu nút i j, i biểu thị cột j biểu thị hàng Ký hiệu cho i phía phải dương cho j hướng xuống dương Vì hàng hàng j j -1 hàng j +1 132 Hình 4.6 Ký hiệu vị trí lưới lưới thấm a) vị trí ô lưới thấm; b) ký hiệu máy tính cho ô lưới Cột bên trái cột i i -1 bên phải cột i i +1 Với n lưới có n phương trình có chứa ẩn số h điểm nút Các phương trình viết dạng sai phân sau: ( hi −1, j − 2hi , j + hi +1, j ) (Δx ) + ( hi , j −1 − 2hi , j + hi , j +1 ) (Δy ) =− W T (4.12) đó: Δx Δy - khoảng cách nút theo hướng x y; W - lượng nước thấm bổ cập đơn vị; T - hệ số dẫn nước tầng chứa nước Như cách thay môi trường liên tục mô tả phương trình thành tập hợp n mơi trường với hệ n phương trình khác nhau, điều có nghĩa rời rạc hố mơi trường thấm Phương trình vi phân thay phương trình đại số Việc giải khơng khó khăn ngoại trừ khối lượng lớn số phương trình lớn Phương trình sai phân hữu hạn giải phương pháp lặp Dựa sở giá trị cột nước biết biên cộng với dự đốn ban đầu, phương trình (4.12) giải cho nút sở giá trị bốn nút bao quanh Một chương trình máy tính chạy tìm lời giải theo bước sai phân hữu hạn, cho nút, không kể nút thứ nút cuối cùng, có số nút kề giá trị cột nước dựa giả thiết ban đầu nút kề lại, giá trị cột nước tính lại phương trình (4.12) Một cột nước nút tính lại, ta xác định hiệu số cột nước giả thiết ban đầu tính lại Quá trình lặp tiếp diễn hiệu số lớn giá trị cột nước phép lặp so với phép lặp tiếp sau nhỏ số giá trị định trước xem tiêu chuẩn hội tụ Khi lời giải hội tụ phương trình giải Lời giải gần tiêu chuẩn hội tụ giá trị hữu hạn Giá trị nhỏ số phép lặp lớn thời gian cần để đạt lời giải lâu Cần cân nhắc hồn cảnh thực tế độ xác lời giải khoảng thời gian máy tính tiêu phí để đạt Mơ hình phần tử hữu hạn Mơ hình phần tử hữu hạn cách tiếp cận khác mơ hình số dòng nước đất Tầng chứa nước chia thành ô đa giác, tam giác Hình 4.7 cho thấy phần tử hữu hạn tầng chứa nước mơ hình hóa Các tam giác giao nút, điểm mà giá trị chưa biết cột nước tính tốn Giá trị cột nước bên phần tử xác định cách nội suy điểm nút 133 Hình 4.7 Lưới phần tử hữu hạn cho tầng chứa nước Cơ sở toán học cho phương pháp phần tử hữu hạn phức tạp nhiều so với phương pháp sai phân hữu hạn Hầu hết lời giải phần tử hữu hạn dựa phương pháp Galekin Nếu phương pháp sai phân hữu hạn thủ thuật tốn thay phương trình vi phân đạo hàm riêng hệ phương trình sai phân để giải phương pháp phần tử hữu hạn thay phải giải phương trình vi phân giải tìm tích phân Các mơ hình phần tử hữu hạn tỏ có số ưu việc so với mơ hình sai phân hữu hạn tốn có biên di chuyển, chẳng hạn mực nước ngầm dao động, di chuyển chất thải Mơ hình phần tử hữu hạn có ưu điểm linh hoạt mơ dạng hình học hệ tầng chứa nước so với phương pháp sai phân hữu hạn yêu cầu số nút 3.Hiệu chỉnh kiểm tra mơ hình Khi xây dựng mơ hình số, bước quan trọng kiểm tra hiệu chỉnh mơ hình để đánh giá mơ hình đưa có phù hợp thực tế hay khơng trước áp dụng để giải toán thực tế a) Hiệu chỉnh mơ hình Hiệu chỉnh mơ hình thực chất giải tốn ngược Một mơ hình hiệu chỉnh bước đầu cách lấy giá trị ban đầu thơng số mơ hình giải theo mơ hình để xem tái số điều kiện biết tầng chứa nước đến mức Hầu hết mơ hình ban đầu hiệu chỉnh cột nước đất trạng thái ổn định Cần có đồ mực nước ngầm hay mặt thủy đẳng áp cho loại hiệu chỉnh Vì số liệu biết xác phân bố thông số tầng chứa nước lượng bổ sung nước, nên giá trị thông số tầng chứa nước bổ sung nước thay đổi mơ hình tái gần điều kiện mực nước ngầm hay mặt thủy đẳng áp biết b) Kiểm tra mơ hình Một mơ hình lập xong, cần kiểm tra mơ hình thường đạt kết thay đổi đồng thời thông số Việc kiểm tra tiến hành cách so sánh với trường hợp biết Ví dụ hút nước từ giếng, biết mực nước theo thời gian vị trí lưu lượng bơm giếng kiểm tra mơ hình xem có tái biến đổi mực nước biết hay không cách đưa vào diễn biến lấy nước biết Nếu điều biết không tái với độ xác mong muốn phải thay đổi thơng số mơ hình để hiệu chỉnh lại mơ hình nhóm thơng số mơ hình mới, tiến hành kiểm tra lại, thử tự lặp lại đạt yêu cầu 134 Quá trình hiệu chỉnh kiểm tra mơ hình đòi hỏi nhiều thay đổi số liệu thông số lập mô hình Các mơ hình số tính lại dễ dàng với số liệu Đó lý chủ yếu khiến mơ hình số thay tồn dạng mơ hình khác Sự tăng nhanh cơng suất máy tính giảm giá thành máy vi tính đặt khả giải mơ hình số cách tốn dễ dàng III.CÁC MƠ HÌNH THƠNG DỤNG HIỆN NAY Phần lớn mơ hình máy tính phát triển từ quan nghiên cứu từ nhà địa chất thủy văn chuyên nghiệp Việc sử dụng mơ hình cơng bố, "chỉnh lại sai sót" nên cho kết xác điều kiện thực tế phù hợp, thời gian nhanh chóng chi phí thấp Các kết áp dụng dễ thừa nhận mơ hình sử dụng rộng rãi, dùng chương trình mơ hình phát triển hồn tồn Điều quan trọng kết mơ hình dùng để đạo hay giải tranh chấp Dưới trình bầy số mơ hình thơng dụng Mơ hình Mc Donald Harbaugh (MODFLOW) (Mc Donald & Harbaugh, 1984) mơ hình sai phân hữu hạn đa cho dòng nước đất Đó mơ hình dòng thấm ba hướng lớp nước ngầm, nước có áp hay kết hợp hai Mơ hình mơ bổ sung nước, thoát - bốc nước, bổ sung nước khu vực, dòng thấm tới giếng, dòng thấm tới thiết bị tiêu nước dòng thấm qua đáy sơng Nó lập từ loạt môđun riêng rẽ, độc lập; người dùng chọn môđun cần cho hệ riêng nghiên cứu chọn phương pháp giải khác Chương trình viết FORTRAN nên cần có số kiến thức ngơn ngữ để dùng format liệu đưa vào mô hình Mơ hình sử dụng đơn giản có sẵn đĩa mềm để dùng máy tính IBM tương thích Cần nhớ truy nhập ngẫu nhiên 250K, 640K tốt Tốc độ giải tăng nhanh máy tính có đồng xử lý tốn học (một chíp máy tính cắm thêm vào bảng máy tính) Mơ hình Konikow Bredehoeft (MOC) (Konikow & Bredehoeft, 1978) mơ hình vận chuyển chất hòa tan dùng rộng rãi Nó dựa lưới sai phân hữu hạn dùng phương pháp đường đặc trưng cho chất hòa tan Là mơ hình hai hướng tích thay đổi nồng độ theo thời gian gây tác dụng mang theo, khuyếch tán thủy động hỗn hợp Chương trình MOC cải tiến để đưa vào tác dụng phân hủy phóng xạ, hút thấm cân trao đổi ion Chương ghi đĩa mềm để dùng máy vi tính IBM tương thích Cần có nhớ tồn 640K Đã có xử lý trước hỗ trợ cho việc cài đặt chương trình nhật số liệu Mơ hình vận chuyển bão hòa - khơng bão hòa (SUTRA) (Voss 1984) mơ hình phần tử hữu hạn mô chuyển động chất lỏng chuyển chât hòa tan phân hủy vận chuyển lượng điều kiện bão hòa khơng bão hòa Trong kiểu vận chuyển chất hòa tan, bị hấp phụ vào mơi trường rỗng bị phân hủy hay sản sinh Ngoài mơ hình mơ dòng chất lỏng có trọng lượng riêng biến đổi nước biến hay nước rửa lũa Nó có 135 thể mơ kiểu vận chuyển nhiệt dẫn nhiệt đất, hồ chứa địa nhiệt độ trữ nhiệt tầng chứa nước Mơ hình RNDWALK mơ hình khác vận chuyển chất hòa tan sử dụng rộng rãi Đó mơ hình lần theo dấu vết hạt, chương trình máy tính chuyển hạt biểu thị chất ô nhiễm theo phương ngang, sau khuyếch tán chúng theo phân bố chuẩn để xét đến khuyếch tán Mô hình SEEP/W sản phẩm phần mềm phần tử hữu hạn dùng để phân tích dòng thấm nước đất, tiêu tan áp lực nước lỗ rỗng dư tốn cố kết Mơ hình sử dụng cho từ tốn thấm ổn định bão hòa đơn giản tốn thấm khơng ổn định bão hòa - khơng bão hòa phức tạp Mơ hình CTRAN/W sản phần phần mềm phần tử hữu hạn dùng để mơ hình hóa di chuyển chất nhiễm CTRAN/W dùng phân tích tốn đơn giản theo dõi hạt di chuyển nước vận động vấn đề phức tạp liên quan trình khuyếch tán, phân tán, hấp phụ phân hủy phóng xạ Các mơ hình SEEP/W CTRAN/W nằm phần mềm GEO-SLOPE Công ty địa kỹ thuật Quốc tế GEO-SLOPE International phát hành 1997 nhằm giải toán địa kỹ thuật địa kỹ thuật môi trường, sử dụng rộng rãi nước ta nhiều nước giới (Mỹ, Canada, Anh, ) Câu hỏi, tập Mục đích, nội dung giai đoạn thăm dò địa chất thuỷ văn? Thế trữ lượng khai thác nước đất? cấp trữ lượng khai thác? Vì trước sử dụng mơ hình số phải qua bước kiểm tra hiệu chỉnh mơ hình? Cách hiệu chỉnh mơ hình? Y Z 136 ... 19 20 21 22 23 24 25 26 28 30 31 33 34 35 37 39 0, 02 0,04 0,06 0,07 0,09 0,11 0,13 0,16 0,19 0 ,22 0 ,24 0 ,27 0,30 0,33 0,37 0,44 0,46 0,49 0,53 0,57 0,61 17 18 18 18 18 18 18 19 20 21 22 23 21 25 ... 25 27 29 30 31 33 34 36 38 0, 02 0,04 0,05 0,07 0,08 0,10 0, 12 0,14 0,17 0,19 0 ,22 0 ,25 0 ,28 0,31 0,34 0,38 0,41 0,44 0,48 0, 52 0,56 17 18 18 18 18 16 18 19 20 21 22 23 24 25 27 28 29 31 32 33... 0 ,25 0 ,29 0, 32 0,36 0,40 0,44 0,48 0,53 0,58 0,63 0,68 0,73 17 17 18 19 19 20 21 22 23 24 26 27 28 30 32 33 35 37 38 40 42 44 0, 02 0,04 0,06 0,08 0,10 0, 12 0,15 0,17 0 ,20 0 ,23 0 ,26 0 ,29 0,33 0,36