3 Chơng 1 Kháiquátvề nớc ngầm 1.1. Vai trò của nớc ngầm trong đời sống và phát triển kinh tế Nớc luôn luôn giữ một vai trò mang tính sống còn trong lịch sử phát triển loài ngời và phát triển kinh tế xã hội của mỗi quốc gia. Trong thời đại hiện nay do bùng nổ về dân số, do các ngành kinh tế của các nớc trên thế giới thi nhau phát triển nh vũ bão, chất lợng cuộc sống của con ngời ngày một nâng cao vì thế yêu cầu về nớc ngày một lớn, các nguồn nớc đợc khai thác và sử dụng ngày càng nhiều. Nhìn chung trên trái đất có 3 nguồn nớc chính: Nớc ma, nớc mặt, nớc ngầm. ở mọi nơi trên trái đất lợng nớc ma cung cấp hàng năm đều có hạn, mặt khác ma lại phân phối không đều theo cả không gian lẫn thời gian. Những vùng ma nhiều lợng ma năm bình quân cũng chỉ đạt 2000 ữ 2500mm, những vùng ma ít chỉ đạt 400 ữ 500mm, có những vùng không hề có ma. ở những nơi có ma lợng ma cũng phân phối không đều trong năm, nhiều thời gian kéo dài không có ma. ở những vùng có các nớc công nghiệp phát triển, thậm chí nớc ma cũng bị ô nhiễm một cách nặng nề, đôi khi xuất hiện những trận ma acid hoặc ma bùn . Chính vì vậy, nguồn nớc ma từ lâu đã không thể đáp ứng đầy đủ yêu cầu về nớc của con ngời. Nguồn nớc mặt trên trái đất cũng đợc khai thác và sử dụng một cách quá mức nên ngày càng bị hao hụt về khối lợng, suy giảm về chất lợng, có nhiều nơi trên thế giới nguồn nớc mặt không có hoặc rất khan hiếm không đủ để sử dụng, ở nhiều nơi lợng ma hàng năm nhỏ hơn lợng bốc hơi nên nớc mặt hầu nh không có nh các vùng sa mạc hoặc các nớc ở Trung Phi, Nam á . Với những lý do trên, nguồn nớc ngầm trớc mắt cũng nh lâu dài đóng một vai trò rất quan trọng để bổ sung nguồn nớc cho nhân loại, việc khai thác và sử dụng nớc ngầm là một yêu cầu tất yếu và ngày càng lớn. ở một số nớc trên thế giới từ lâu yêu cầu khai thác sử dụng nớc ngầm đã rất lớn đặc biệt sử dụng nớc ngầm vào mục đích sinh hoạt và chăn nuôi. Đan mạch là nớc sử dụng hoàn toàn nớc ngầm để đáp ứng yêu cầu sinh hoạt, một số nớc khác tỷ lệ sử dụng nớc ngầm để đáp ứng yêu cầu sinh hoạt cũng rất cao có thể lấy một số nớc điển hình: Bỉ Tỷ lệ nớc ngầm sử dụng cho sinh hoạt chiếm là : 90% Phần Lan : 85 ữ 90% Hà Lan : 75% Thuỵ Điển : 85 ữ 90% Đức : 75% Ixraen : 95% 4 Trên toàn thế giới nớc ngầm đã đợc khai thác để đáp ứng 50% yêu cầu nớc cho sinh hoạt của nhân loại. Ngoài mục đích khai thác nớc ngầm cho sinh hoạt, nớc ngầm còn đợc khai thác phục vụ cho công nghiệp, trồng trọt, chăn nuôi và các ngành kinh tế khác. Nông nghiệp: nhiều nớc trên thế giới đã sử dụng nớc ngầm để tới cho các diện tích trồng trọt: Diện tích canh tác đợc tới bằng nớc ngầm của một số nớc nh sau: - Brazin có 22.000 ha - Angiêri có 80.000 ha - Hy Lạp có 30.000 ha - Nga, Trung Quốc, Mỹ có 15% lợng nớc tới là nớc ngầm. Nớc ngầm cũng đợc khai thác dể đáp ứng cho yêu cầu cho công nghiệp và chăn nuôi ở hầu hết các nớc trên thế giới. Các nớc lớn nh Nga, Mỹ, Trung Quốc, ấn Độ, Australia, Ai Cập, Nam Phi đều khai thác và sử dụng nớc ngầm với qui mô rất lớn và còn đang tiếp tục đợc mở rộng trong tơng lai để đáp ứng yêu cầu ngày một cao của kinh tế dân sinh. ở Việt Nam, tuy là một nớc nhiệt đới ma nhiều, nguồn nớc mặt tơng đối phong phú nhng yêu cầu khai thác nớc ngầm cũng rất lớn. Từ đầu thế kỷ 20, chúng ta đã bắt đầu khai thác nớc ngầm để phục vụ cho sinh hoạt và công nghiệp ở các thành phố lớn nh: Hà Nội, Hải Phòng, Nam định, Vinh, Huế, Thành phố Hồ Chí Minh . ở nông thôn, các hộ gia đình từ lâu đã sử dụng giếng khoan, giếng đào để khai thác nớc ngầm dùng cho sinh hoạt. Những năm gần đây, ở nớc ta tốc độ phát triển kinh tế và đô thị hoá rất cao, hàng loạt các thành phố lớn, thị xã, thị trấn mới đợc mọc lên, hàng loạt khu dân c, khu chế xuất đã hình thành và đi vào hoạt động, các vùng kinh tế mới ở miền núi phía Bắc, cao nguyên và ven biển đợc thiết lập. Diện tích trồng trọt trong nông nghiệp tăng nhanh, cây trồng đợc đa dạng hoá. Yêu cầu về cấp nớc nói chung rất lớn, yêu cầu khai thác sử dụng nớc ngầm đặc biệt ở những khu vực khan hiếm nớc mặt lại càng lớn và cấp thiết. Riêng ở Hà Nội: những năm 80 của thế kỷ trớc chỉ có 3 nhà máy nớc, nhng tới cuối những năm 90 đã có tới 15 nhà máy nớc cỡ lớn, mỗi ngày khai thác 385.244 m 3 nớc cấp cho nội thành. Theo kế hoạch đến năm 2010 phải khai thác đợc 700.000m 3 trong một ngày đêm, ớc tính đến năm 2010 có 1,2 ữ1,5 tỷ m 3 nớc ngầm đợc khai thác trong một năm để cung cấp cho các yêu cầu của nội thành. Hiện tại cũng nh trong tơng lai, việc khai thác nớc ngầm để đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam là rất lớn. Tuy nhiên để có thể khai thác và sử dụng nớc ngầm một cách bền vững, chúng ta cần nắm vững một số đặc điểm sau đây trong vấn đề khai thác và sử dụng nớc ngầm: u điểm - Nớc ngầm phân bố khắp nơi, nguồn nớc tơng đối ổn định. - Nớc ngầm thờng đợc khai thác và sử dụng tại chỗ, đờng dẫn nớc ngắn tổn thất nớc trong quá trình dẫn nớc ít. - Lu lợng khai thác nớc ngầm nhỏ nên qui mô xây dựng công trình không lớn, phù hợp với nguồn vốn địa phơng và của các hộ nông dân cần khai thác và sử dụng nớc ngầm. 5 - Chất lợng nớc ngầm tốt hơn nớc mặt nên xử lý ít phức tạp. - ở những vùng trũng và lầy thụt, khai thác nớc ngầm dễ dàng, ít tốn kém ngoài ra còn có thể hạ thấp mực nớc ngầm để cải tạo đất. Nhợc điểm: - Lu lợng nhỏ, khả năng cấp nớc nhỏ nên công trình nằm phân tán. - Nớc ngầm có độ khoáng hoá cao, nhiệt độ nớc ngầm thờng không phù hợp với yêu cầu dùng nớc nên phải xử lý nớc trớc khi sử dụng - Đòi hỏi năng lợng để bơm hút để khai thác nớc ngầm. - Nếu nớc ngầm nằm quá sâu công trình khai thác sẽ phức tạp dẫn đến giá thành khai thác nớc sẽ cao. - Việc khai thác nớc ngầm không hợp lý sẽ dẫn đến ô nhiễm môi trờng, làm mất cân bằng sinh thái tự nhiên. ở các vùng duyên hải nếu khai thác nớc ngầm quá mức, mực nớc ngầm hạ thấp, nớc mặn từ biển sẽ xâm nhập làm ô nhiễm nguồn nớc ngầm. Tóm lại: Vai trò của nớc ngầm ngày càng quan trọng trong phát triển Kinh tế - Xã hội của mỗi quốc gia, vì thế cần có kế hoạch khai thác, sử dụng nớc ngầm một cách hợp lý để có thể phát triển nguồn nớc nói chung và phát triển nguồn nớc ngầm nói riêng một cách bền vững. 1.2. Sự hình thành nớc ngầm Có nhiều giả thuyết về sự hình thành nớc ngầm từ xa xa. Giả thuyết đầu tiên cho là: Nớc ma thẩm lậu xuống các tầng đất đá tạo thành những khu vực chứa nớc trong lòng đất, Giả thiết này đợc đa ra vào thế kỷ I trớc công nguyên. Sau đó giả thuyết ban đầu dờng nh bị lãng quên cho đến tận thế kỷ thứ XVII giả thuyết này lại đợc nhắc tới nh một giả thuyết hợp lý nhất hồi bấy giờ. Mãi đến 1877 nhà địa chất học ngời Đức tên là O.Phôn - Gherơ bác bỏ luận đề trên và đa ra giả thuyết mới là do sự ngng tụ nớc trong đất. ông khẳng rằng sự hình thành nớc ngầm trong đất cơ bản không chỉ là do thẩm lậu nớc ma mà còn do quá trình xuyên sâu không khí và hơi nớc vào kẽ rỗng lớp vỏ trái đất và hơi nớc bị ngng tụ khi hấp thu lạnh tạo thành những vùng chứa nớc ngầm trong lòng đất. Sự bàn cãi về giả thuyết này diễn ra rất sôi nổi, nhiều ý kiến phản đối luận điểm trên và không công nhận vì nó cha lý giải đợc chọn vẹn và toàn diện các vấn đề, đơng nhiên luận điểm ban đầu lại đợc bảo vệ, mặc dầu bản thân nó cha giải thích rõ nguồn gốc phát sinh nớc ngầm. Mãi sau này, vào đầu thế kỷ XX nhà bác học ngời Nga A Rebegeb trên cơ sở nghiên cứu thí nghiệm đã chứng minh và giải thích quá trình hình thành nớc ngầm khác với Phôn - Gherơ ở chỗ tính xuyên sâu của không khí đợc ông giải thích là do quá trình chênh lệch độ đàn hồi hơi nớc tồn tại trong các tầng đất tạo ra. Hơi nớc chuyển vị từ vùng có độ đàn hồi cao (ở nhiệt độ cao) xuống vùng có độ đàn hồi thấp (ở nhiệt độ thấp). Ông nhấn mạnh chỉ do hiện tợng ngng tụ hơi nớc cha đủ giải thích mọi hiện tợng trong quá trình hình thành nớc ngầm mà phải kết hợp chặt chẽ với luận điểm ban đầu. Vì vậy, nớc ngầm có nguồn gốc cung cấp một phần là do nớc ma ngấm xuống đất, mặt khác do ngng tụ hơi nớc từ tầng sâu trong lòng đất hoà quyện với nhau mà hình thành nớc ngầm. Nói khác đi nguồn cung cấp cho nớc ngầm chủ yếu do nớc ma và hơi nớc mà động thái của chúng thông qua sự tuần hoàn nớc trong tự nhiên: Nớc trên mặt đất, mặt 6 biển, sông ngòi, hồ ao, kênh mơng bốc hơi nớc lên bầu khí quyển. ở đây chúng tụ lại thành những lớp mây dày đặc và ngng tụ lại rơi xuống mặt đất dới dạng ma. Một bộ phận nớc ma chảy ra sông biển, bộ phận khác bốc hơi lên bầu khí quyển, một bộ phận thẩm lậu sâu vào đất đá dới dạng dòng thấm và hơi nớc xuyên sâu bổ sung cho nớc ngầm. Lợng nớc trong khí quyển khoảng 13.000 km 3 Phân bố nớc của các lục địa Các sông: 40.000 km 3 Hồ nớc ngọt: 90.000 km 3 Tổng cộng nớc mặt: 235.000 km 3 Độ ẩm của đất: 65.000 km 3 Nớc ngầm ở độ sâu dới 800m: 4.000.000 km 3 Nớc ngầm ở độ sâu trên 800m: 4.300.000 km 3 Tổng cộng: 8.600.000 km 3 Băng ở các cực: 29.000.000 km 3 Tổng cộng nớc trên trái đất khoảng 1.390.000.000 km 3 Trong đó: 97,2% trên các Đại dơng 2,2% trên các cực 0,8% trên các lục địa Các đại dơng chiếm 70% diện tích trái đất, chứa 1.350.000.000 km 3 nớc Bốc hơi vo các lục địa 40.000 Km 3 /năm Ma rơi xuống các đại dơng 410.000 Km 3 /năm Bốc hơi từ các đại dơng 450.000 Km 3 /năm Bốc hơi từ các lục địa 70.000 Km 3 /năm Nớc thấm 12.000 Km 3 /năm Ma rơi xuống các lục địa 110.000 Km 3 /năm Hình 1.1- Hệ tuần hoàn của nớc trong tự nhiên 7 Nh vậy, ngoài nớc ma ra nhân tố hình thành nớc ngầm phải kể đến hơi nớc chuyển vị về phía có sự đàn hồi thấp có nghĩa là nơi có nhiệt độ thấp. Nh chúng ta đã biết mùa hè dới mặt đất lạnh hơn trên mặt đất và không khí đem theo hơi nớc bão hoà thấm sâu vào lớp vỏ trái đất. Tại đây hơi nớc có trong không khí dới đất bị ngng tụ thành nớc rồi cung cấp vào tầng trữ nớc. Bởi vậy, ta có thể đi tới kết luận: Sự hình thành nớc ngầm chủ yếu là do nớc ma ngấm xuống đất và hơi nớc trong không khí thấm vào trong đất và đợc ngng tụ trong lòng đất. Vùng hình thành nớc ngầm có thể là vùng di chuyển chậm của nớc trong các kẽ rỗng của đất, trong các vết rạn nứt của nham thạch hoặc trong các hang, động đợc tạo ra trong các tầng nham thạch rắn chắc, tạo thành dòng chảy ngầm trong lòng đất. 1.3. Chế độ nớc ngầm và phân bố nớc ngầm theo chiều sâu 1.3.1. Chế độ nớc ngầm Nớc ngầm là một thành phần trong chu trình tuần hoàn của nớc trong tự nhiên: Nớc trong khí quyển tồn tại dới dạng hơi nớc hay giọt ma ma rơi xuống đất một phần tạo thành dòng chảy mặt một phần bốc hơi trở lại bầu khí quyển còn lại sẽ thấm vào trong lòng đất để bổ sung cho nớc ngầm. Bên cạnh đó hơi nớc từ trong khí quyển cũng đợc thấm sâu vào lòng đất do hiện tợng chênh lệch về nhiệt độ và áp lực đàn hồi cùng với lợng nớc từ sông, biển, hồ, ao ngấm xuống cung cấp cho nguồn nớc ngầm. Trong mùa khô hạn ít ma, nớc ngầm một phần cung cấp cho tầng đất và sẽ đợc bốc hơi qua mặt đất lên tầng khí quyển, một phần lại cung cấp nớc cho ao, hồ, sông, biển và cũng đợc bốc hơi lên bầu khí quyển thông qua hiện tợng bốc hơi mặt nớc. Sự tuần hoàn của nớc trong tự nhiên là một chu trình khép kín. Phân loại các tầng địa chất thuỷ văn Dựa vào tính chứa nớc và tính thoát nớc của các tầng địa chất có thể chia thành 4 loại tầng địa chất thuỷ văn: 1. Tầng ngậm nớc và vận chuyển nớc Tầng ngậm nớc và vận chuyển nớc là một hệ đất đá có khả năng trữ nớc tốt cho phép nớc vận chuyển đợc trong hệ đất đá đó , nh các tầng cát, cát sỏi 2. Tầng ngậm nớc ít và vận chuyển nớc kém Tầng ngậm nớc ít và vận chuyển nớc kém là một hệ đất đá có khả năng chứa nớc nhng vận chuyển nớc kém nh đất sét pha cát, đất sét pha cuội sỏi. 3. Tầng ngậm nớc nhng không vận chuyển nớc Tầng ngậm nớc nhng không vận chuyển nớc là một hệ đất đá có lỗ rỗng lớn, các lỗ rỗng không thông nhau và không cho nớc vận chuyển qua nh các túi nớc trong các hang đá, các khe nứt của nham thạch có chứa nớc hoặc các bộ phận trữ nớc đợc bao bọc bởi tầng đát sét. 8 4. Tầng không ngậm nớc và không vận chuyển nớc Là các tầng địa chất rắn chắc không chứa nớc nh các tầng đá gốc liền khối Nếu dựa theo sự sắp xếp tơng đối giữa các tầng địa chất không thấm và các tầng trữ nớc đồng thời dựa vào cao độ của đờng áp lực nớc ngầm so với tầng không thấm nớc có thể chia tầng trữ nớc làm 2 loại: Tầng trữ nớc có áp Tầng trữ nớc không áp Hình 1.2 - Các tầng địa chất thuỷ văn - Tầng trữ nớc có áp biến thành tầng trữ nớc không áp khi đờng áp lực hạ thấp hơn tầng không thấm phía trên của tầng trữ nớc. - Nớc ngầm treo (túi nớc ngầm) là loại nớc ngầm tồn tại ở dạng các túi nớc nằm trong các tầng địa chất đợc bao bọc bởi các tầng địa chất không thấm nớc. Hình 1.3 - Nớc ngầm treo D ò n g c h ả y c ó áp Giếng phun (Artesian) Tầng không thấm nớc Mặt đất tự nhiên Vùng cung cấp nớc ngầm Mực nớc ngầm không áp Đờng thủy áp Túi nớc ngầm Bề mặt đất Tầng không thấm 9 Trên quan điểm nớc dới đất ngời ta còn phân các tầng địa chất thuỷ văn theo lợng nớc chứa trong đất: 1. Tầng rễ cây Hình 1.4 - Các tầng chứa nớc trong đất Tầng rễ cây là tầng hoạt động tập trung của bộ rễ hút nớc cung cấp cho cây trồng. Nguồn nớc cung cấp chủ yếu do ma ngấm xuống và lợi dụng đợc một phần nớc ngầm cung cấp do nớc ngầm nằm cao nớc ngầm do mao quản leo lên. Tuy nhiên ở tầng này do tiếp xúc với mặt đất lợng bốc thoát nớc tơng đối lớn. Trong đó lợng bốc hơi phụ thuộc chủ yếu vào các nhân tố khí hậu và vị trí mực nớc ngầm. 2. Tầng trung gian Tầng trung gian là tầng nối tiếp giữa tầng rễ cây và tầng nớc mao quản. Khi nớc ngầm nằm nông thì tầng này có khả năng cấp nớc cho tầng rễ cây và có lợng bốc thoát hơi đáng kể. Nếu nớc ngầm nằm sâu thì tầng này có khả năng cấp nớc không đáng kể. Vì vậy lợng bốc thoát nớc gần nh bằng 0, lợng nớc tồn tại trong tầng này rất nhỏ dới dạng hơi nớc ngng tụ 3. Tầng mao dẫn Tầng mao dẫn là tầng chuyển hoá nớc ngầm thành nớc mao quản treo và mao quản leo cấp nớc cho tầng trung gian và tầng rễ cây. Đây là tầng có ý nghĩa quan trọng về sự cân bằng sinh thái giữa đất, nớc và cây trồng. Tuỳ theo tính chất của đất, đờng kính hạt và phân bố cấp hạt của tầng đất mà chiều cao dâng nớc của mao quản khác nhau và có thể tính theo công thức: Mực nớc ngầm Tầng bão hòa Tầng không thấm Tầng mao dẫn Tầng trung gian (tầng đệm) Tầng hoạt động của bộ rễ cây Bề mặt đất Tầng thoáng khí cha bão hòa Tầng mao dẫn Tầng canh tác Tầng bão hòa 1 2 3 4 5 10 = cos r 2 h c Trong đó: h c : Độ leo cao của mao quản tỷ lệ với sức căng mặt ngoài của chất lỏng và tỉ lệ nghịch với bán kính kẽ rỗng giữa các hạt đất trong ống mao dẫn và dung trọng chất lỏng : Sức căng mặt ngoài của chất lỏng r: Bán kính kẽ rỗng : Góc nghiêng bề mặt chất lỏng và thành ống mao dẫn (góc nghiêng giữa tiếp tuyến và mặt cong trong ống mao dẫn) : Dung trọng của chất lỏng Theo Lohmen và A Rebegeb độ leo mao quản trong các mẫu đất đá nh sau: Bảng 1.2 - Độ dâng cao nớc mao quản của một số loại đất đá Loại đất đá Kích thớc hạt d (mm) Độ leo h c (cm) h c giới hạn (cm) (1) (2) (3) (4) Cuội sỏi hạt mịn Cát rất thô Cát thô Cát trung bình Cát mịn Hạt sét Thịt pha sét Than bùn 5,00 ữ 2,00 2,00 ữ 1,00 1,00 ữ 0,50 0,50 ữ 0,20 0,20 ữ 0,10 0,10 ữ 0,05 2,5 6,5 13,5 24,6 42,8 105,5 5 ữ 10 10 ữ 15 15 ữ 26 25 ữ 35 35 ữ 100 400 ữ 500 150 ữ 400 60 ữ 70 4. Tầng bão hoà nớc Tầng bão hoà là tầng đất, đá có nớc chứa đầy trong các khe kẽ rỗng của đất đá. Chiều sâu của tầng bão hoà nớc phụ thuộc vào lợng nớc chứa trong tầng trữ nớc, ngoài ra còn phụ thuộc vào nguồn nớc cung cấp cho nức ngầm nh mực nớc sông, hồ, dòng chảy ngầm, nói cách khác phụ thuộc các đặc tính của các nguồn nớc khác cung cấp cho nớc ngầm. Vùng đất bão hoà nớc thờng chịu tác dụng của áp lực cột nớc chứa trong đất. 5. Tầng không thấm nớc Tầng không thấm nớc là tầng địa tầng không cho nớc ngầm di chuyển qua. Tuỳ vào vị trí tơng đối của tầng không thấm với đờng áp lực và số lợng, độ dày của tầng không thấm mà trạng thái nớc ngầm có thể là không áp hoặc có áp. Thông thờng, tầng không thấm đơn lớp nằm phía dới tầng trữ nớc sẽ xuất hiện nớc ngầm không áp. Tầng không thấm đa lớp sẽ xuất hiện nớc ngầm có áp. 2 h c Hình 1.5 - Hiện tợng mao dẫn . 3 Chơng 1 Khái quát về nớc ngầm 1.1. Vai trò của nớc ngầm trong đời sống và phát triển kinh tế Nớc luôn luôn. chắc, tạo thành dòng chảy ngầm trong lòng đất. 1.3. Chế độ nớc ngầm và phân bố nớc ngầm theo chiều sâu 1.3.1. Chế độ nớc ngầm Nớc ngầm là một thành phần trong