Bài giảng thủy văn nước dưới đất đại học thủy lợi

THỦY VĂN NƯỚC DƯỚI ĐẤT (NƯỚC NGẦM) PGS.TS Nguyễn Mai Đăng • Bộ mơn Thủy văn & Tài ngun nước • Trung tâm đào tạo quốc tế dang@wru.vn GIỚI THIỆU MƠN HỌC • • • • Số tín chỉ : Tổng: 3 (2-1-0) Số tiết : tổng : 45; LT:30; BT:15; Chương trình đào tạo ngành bắt buộc cho ngành: V, G Đánh giá: Điểm q trình: 30% – – – – • • • • • Tham gia học trên lớp Đóng góp xây dựng bài Bài tập Kiểm tra Điểm thi kết thúc: 70% Hình thức thi: Viết Thời gian thi: 90 phút Tài liệu tham khảo [1] Bùi Cơng Quang, Vũ Minh Cát- Giáo trình Thủy văn nước dưới đất, NXB Xây dựng, Năm 2002 [2] David Keith Todd, Ground Water Hydrology, New York Mục đích mơn học • Giới thiệu về thủy văn, thủy lực dịng chảy sát mặt, dịng chảy ngầm và những ứng dụng kỹ thuật của chúng, bao gồm: Nước ngầm trong chu trình thủy văn Các đặc tính trong mơi trường lỗ rỗng (mơi trường đất) Luật Darcy của dịng chảy chất lỏng trong mơi trường lỗ rỗng Các ngun lý liên tục Thủy lực giếng; tầng ngậm nước, lỗ khoan Các ứng dụng kỹ thuật của thủy lực nước ngầm Các đặc tính của nước trong vùng bão hịa; dịng chảy khơng bão hịa – Thấm, phân bố lại, bốc hơi, và cân bằng nước – – – – – – – CHƯƠNG 1: GiỚI THIỆU CHUNG NỘI DUNG CHƯƠNG 1 I II Nước ngầm và các tầng ngậm nước I.1 Thuật ngữ I.1 Lịch sử khai thác nước ngầm I.3 Các lý thuyết truyền thống I.4 Các lý thuyết hiện đại Tài ngun nước tồn cầu II.1 Chu trình nước tồn cầu II.2 Chu trình thủy văn (xét cho 1 lưu vực) III Ví dụ về xác tầng ngậm nước – Edwards – Ogallala – Hà Nội I NƯỚC NGẦM & CÁC TẦNG NGẬM NƯỚC I.1 CÁC THUẬT NGỮ • Thuỷ văn (Hydrology):Nghiên cứu nước đặc tính, phân bố, ảnh hưởng nước bề mặt trái đất, đất, khí • Thủy văn nước đất (groundwater hydrology): Là môn khoa học nghiên cứu xuất hiện, phân bố chuyển động nước bề mặt đất • Quản lý nước – Sử dụng bền vững tài nguyên nước – Khai thác theo chu trình thủy văn • Các cơng trình thủy lợi, cấp nước, xử lý nước sinh hoạt, xử lý nước thải xả thải, tưới, phát điện, kiểm sốt lũ, v.v I.2 Lịch sử khai thác nước ngầm • Giếng cổ (Qanats) – Là đường hầm lòng đất sử dụng để khai thác vận chuyển nước ngầm – Có vùng Trung Đơng, Trung Á (khu vực nói tiếng Ba Tư – Persia) – Dài hàng km – Tới 3000 năm tuổi – Nhiều giếng hoạt động • Giếng cổ (Qnanat) Ba Tư Giếng Trung quốc cổ đại – – – – – 1000 năm trước: Các giếng khoan Sâu 300 mét Dùng óng tre để nhận nước Đến năm 1858: sâu 1000 meters Ngày gọi giếng khoan Giếng Trung Quốc cổ đại I.3 CÁC LÝ THUYẾT TRUYỀN THỐNG — Homer (~1000 BC): — “tất sơng tồn biển cả, tất suối (mạch phun) giếng sâu có nước ngầm” — Seneca (3 BC -65 AD) — “Có thể khẳng định khơng có nước mưa chảy vào sơng lớn mà có đóng góp nước ngầm.” — DaVinci (1452-1519) — Có sự mơ tả chính xác chu trình thủy văn — Descartes (1596-1650) and Becker (1635-1682): — Hơi nước dược bắt nguồn từ trái đất ngưng tụ lại… — Kircher(1615-1680): — Nước từ đại dương bốc hâm nóng trái đất, bay lên, ngưng tụ sườn núi • I.3 LÝ THUYẾT TRUYỀN THỐNG (Cont.) Lý thuyết thấm – – – – – Vitruvius (~80-20 BC) Xuất sách lần thứ nước cống dẫn nước: Mưa tuyết đất thấm xuống bổ sung cho mạch phun sông Palissy (1509-1590) nhà khoa học thợ gốm Pháp có trình bày xác chu trình thủy văn Perrault (1670): Có trình bày cân nước sơng Seine Dịng chảy sông bắt nguồn từ mưa Mariotte(1620-1684) Là nhà vật lý người Pháp Có đánh giá bổ cập nước ngầm đầu tiên: Tương tự mái nhà bị rò rỉ Vallisnieri(1723): Ở độ cao thấp dãy núi Alps, giếng phun phổ biến Độ cao cao dãy núi Alps, suối giảm lượng nước ngầm có nguồn gốc từ mưa Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure) Cách 2: tính Pc Air Negative pressure Positive pressure Solid Water θ Solid r Chất lỏng dâng lên ống lực hút lỗ (áp suất mao dẫn) cân với trọng lực (trọng lực nước lỗ) σ cosθ (2πr ) = γπr ψ (lực hút mao dẫn) 2σ ψ= rγ 2σ 2σ pc = γψ = γ = rγ r Phân bố áp suất tầng sát mặt (Subsurface Pressure Distribution) z — Cột nước do áp suất mão dẫn bên trên mực nước ngầm là: ψ = ψ (θ ) — Phân bố áp suất thủy tĩnh bên dưới mực nước ngầm (nơi p = 0) là: ∂p = −γ ∂z Ground surface Pressure is negative above water table ψ Unsaturated zone Water table Pressure is positive below water table Saturated zone p p=0 p>0 II.5 Đường cong đặc tính của nước trong đất (Soil Water Characteristic Curves) Vùng thấm (Vadose Zone) Porosity Đường cong đặc tính nước đất Capillary Zone • • Cột nước áp suất mao dẫn: Và phụ thuộc vào: – Phân bố kích thước của lỗ – Độ ẩm đất ψ = ψ (θ ) Độ dâng cao mao dẫn trong đất (Capillary Rise in Soils) Độ dâng mao dẫn mẫu vật liệu tự nhiên (không đầm chặt) - Sỏi mịn - Cát thô - Cát thô - Cát trung bình - Cát mịn Very fine sand - cát mịn Clay - sét (sau 72 ngày) (vẫn dâng lên sau 72 ngày) Đô dâng cao mao dẫn đo sau 72 ngày; tất mẫu cố độ rỗng 41% II.6 Hệ số nhả nước (thốt nước & giữ nước(Specific Yield & Retention) • Hệ số nhả nước trọng lực tầng không áp (Specific Yield - SY) – Sy Là tỷ số lượng nước thu (bởi thoát nước trọng lực mực nước ngầm không áp hạ thấp 1 khoảng ∆h) so với tổng dung tích: Sy = – Sy xem độ rỗng hữu hiệu (efective poprosity) • gravity drainage volume total volume Hệ số giữ nước đơn vị (Specific Retention - Sr) – Là lượng nước lại sau thoát do trọng lực (độ ẩm đồng ruộng - field capacity) S r = φ − S y volume drained = S y ΔhA Quan hệ giữa độ rỗng, hệ số nhả nước (thoát nước) và giữ nước đơn vị (Porosity, Specific Yield, & Specific Retention) Sr = φ − S y (đá cuội) III Các loại tầng ngậm nước (Aquifer Types) Vùng bổ cập nước ngầm Giếng phun • Aquifer – Chứa & chuyển nước – Phù sa tự nhiên, cát, sỏi, đá cát • Aquiclude – Chứa, nhưng khơng chuyển nước – Đất sét and pha đá phiến sét – Các biên khơng thấm của các tầng ngậm nước • Aquitard – Chuyển nước, nhưng ko giữ nước – Đá phiến sét và pha sét – Các lớp có áp thấm nước yếu • Tầng chứa nước có áp (Confined aquifer) – Có áp suất lớn hơn áp suất khí – Có biên bởi các lớp khơng thấm • Tầng ngậm nước khơng áp (Unconfined aquifer) – Có tồn tại mực nước ngầm – Có biên bởi mực nước ngầm III.1 Các loại giếng nước ngầm Áp lực từ bên ép nén tầng ngậm nước nước bị phun chênh lệch áp suất (lớp khơng thấm) (lớp khơng thấm) • Confined aquifer – – • Under pressure Bounded by impervious layers Unconfined aquifer – – • Phreatic or water table Bounded by a water table • Aquifer – Store & transmit water – Unconsolidated deposits sand and gravel, sandstones etc Aquitard – Transmit don’t store water – Shales and less clay – Leaky confining layers of aquifers III.2 Hệ số nhả nước tầng ngậm nước (Aquifer Storage) • • • Khả nén ép chất lỏng - Fluid Compressibility (β) ΔV = βφρg Khả nén ép môi trường xốp - Porous Medium Compressibility (α)ΔV = αρg Hệ số thoát nước (nhả nước) đơn vị - Specific Storage (Ss) – Là lượng nước thoát từ 1 thể tích đơn vị tầng ngậm nước sau giảm 1 đơn vị cột nước (mơ tả next slice) • Tầng chứa nước có áp – Nhả nước trọng lực – Nước theo 2 cơ chế (mơ tả slice trước): Do tầng chứa nước bị ép nén tăng áp lực từ bên Nước bị đẩy do áp suất giảm • Tầng khơng áp –> Nhả nước trọng lực – Nước lấy do bơm hút từ lỗ rỗng • S s = ρg (α + φβ ) Ss = S y Hệ số nhả nước tầng ngậm nước - (S) hay còn gọi sức chứa (storativity): tổng lượng nước từ 1 tầng ngậm nước hạ thâp 1 đơn vị cột nước: Chỉ áp dụng tầng có áp b: bề dày tầng ngậm nước S = Ssb III.3 Quan hệ lượng trữ trong các tầng nước ngầm (Storage Relations in Aquifers) Unconfined Aquifer Ss = S y Hệ số nhả nước trọng lực tầng nước ngầm không áp (do mực nước hạ thấp) Confined Aquifer S s = ρg (α + nβ ) Hệ số nhả nước đàn hồi tầng nước ngầm có áp (do cột nước áp suất bị hạ thấp) III.4 Cao trình và cột nước áp suất (Pressure and Elevation Heads) • Mực thủy áp – là năng lượng trên một đơn vị trọng lượng của chất lỏng: h= p γ +z Cột nước áp suất ψ (Pressure head) Cao trình (Elevation head) h = mực thủy áp p = áp suất chất lỏng γ = ρg = Trọng lưc riêng chất lỏng ρ = Khối lượng riêng chất lỏng (nước: 1000 kg/m3) g = gia tốc trọng trường (9.81 m/s2) z = cao trình Mặt chuẩn (MSL) IV Mực thủy áp (Piezometric Head) • Mực thủy áp (Piezometric head) p h= +z γ • Tầng ko áp (Unconfined aquifer) – piezometric head = elevation h= p γ h=z +z p γ Pressure p = head = 0 z IV.1 Hai tầng ngậm nước có áp với các cột nước khác nhau (Two Confined Aquifers with Different Heads) -Nước ngầm có xu thế chảy từ tậng ngậm nước phía trên (có cột nước lớn) xuống tầng ngậm nước phía dưới (cột nước nhỏ) - Hình vẽ này khơng có thơng tin nào liên quan đến chênh lệch cột nước (gradient) theo phương ngang, mà chỉ có gradient theo phương thẳng đứng Tầng thấm nước yếu Do chênh lệch gradient cột nước nên nước chảy từ tầng xuống tầng IV.2 Gradient cột nước thẳng đứng và nằm ngang (Horizontal and Vertical Head Gradients) (Mực nước ngầm) (Mực thủy áp) Tóm tắt chương 2 I Sự xuất nước ngầm Phân bố nước tầng sát mặt II Môi trường lỗ rỗng (Porous Medium) Độ rỗng (Porosity) Độ ẩm đất (Moisture Content) Kích thước hạt (Particle Size) Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure) Đường cong đặc tính độ ẩm đất (Soil Moisture Characteristic Curves) Hệ số thoát nước (nhả nước) giữ nước đơn vị (Specific Yield and Retention) III Các loại tầng chứa nước (Aquifer Types) Lượng trữ tầng ngậm nước (Aqufier Storage) IV Mực nước thủy áp (Piezometric head) ... chuyển động nước bề mặt đất • Quản lý nước – Sử dụng bền vững tài nguyên nước – Khai thác theo chu trình thủy văn • Các cơng trình thủy lợi, cấp nước, xử lý nước sinh hoạt, xử lý nước thải xả... CÁC THUẬT NGỮ • Thuỷ văn (Hydrology):Nghiên cứu nước đặc tính, phân bố, ảnh hưởng nước bề mặt trái đất, đất, khí • Thủy văn nước đất (groundwater hydrology): Là môn khoa học nghiên cứu xuất hiện,... Các lý thuyết hiện đại Tài ngun nước tồn cầu II.1 Chu trình nước tồn cầu II.2 Chu trình thủy văn (xét cho 1 lưu vực) III Ví dụ về xác tầng ngậm nước – Edwards – Ogallala – Hà Nội I NƯỚC NGẦM & CÁC TẦNG NGẬM NƯỚC