Bài giảng thủy văn nước dưới đất (đại học thủy lợi)

THỦY VĂN NƯỚC DƯỚI ĐẤT  THỦY VĂN NƯỚC DƯỚI ĐẤT (NƯỚC NGẦM) TS. Nguyễn Mai Đăng Bộ môn Thủy văn & Tài nguyên nước Việ Thủ ă Mơi t & Biế đổi khí hậ Viện Thủy văn, Mơi trường & Biến đổi khí hậu dang@wru.edu.vn CHƯƠNG 1: GiỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG 1: GiỚI THIỆU CHUNG • Giới thiệu mơn học Giới thiệu mơn học • Nước ngầm và các tầng ngậm nước – Thuật ngữ Thuật ngữ – Lịch sử • Tài ngun nước tồn cầu Tài ngun nước tồn cầu – Chu trình nước tồn cầu • Các tầng ngậm nước Các tầng ngậm nước – Edwards – Ogallala Mục đích mơn học Mục đích mơn học • Giới thiệu về thủy văn, thủy lực dịng chảy sát mặt, dịng  chảy ngầm và những ứng dụng kỹ ả ầ ữ ứ ỹ thuật của chúng, bao  ậ ủ gồm:  – – – – – – – Nước ngầm trong chu trình thủy văn Các đặc tính trong mơi trường lỗ ỗ rỗng (mơi trường đất) ỗ ấ 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 • • • • Số tín chỉ : Tổng: 3 (3‐0‐0)  Số ố tiết ế : tổng : 45;   LT:45;    BT:0;    TN ; ĐA:  ; BTL: .; TQ,TT ổ Chương trình đào tạo ngành bắt buộc cho ngành: V, G Đánh giá: Điểm quá trình:  30%  – – – – • • • • • Tham gia học trên lớp Tham gia học 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 [ ] ùi [1] Bùi Cơng Quang, Vũ Minh Cát‐ ũ i h Giáo trình Thủy văn nước dưới đất,  iá ì h hủ ă d ới đấ NXB Xây dựng, Năm 2002  [2] David Keith Todd, Ground Water Hydrology, New York NƯỚC NGẦM & CÁC TẦNG NGẬM  NƯỚC NGẦM & CÁC TẦNG NGẬM NƯỚC CÁC THUẬT NGỮ CÁC THUẬT NGỮ • Hydrology y gy (η (ηδρολογια) ρ γ ) – ηδρο ‐ “water”; λογια ‐ “study of” – Nghiên cứu về g nước và các đặc tính, phân bố,  p ảnh hưởng của nước trên bề mặt trái đất, trong  đất, và khí quyển • Quản lý nước Q ả lý – Sử dụng bền vững tài nguyên nước – Thao tác với chu trình thủy văn Th ới h ì h hủ ă • Các cơng trình thủy lợi, cấp nước, xử lý nước sinh hoạt, xử lý  nước thải và xả thải, tưới, phát điện, kiểm sốt lũ, v.v Lịch sử ị khai thác nước ngầm g • Giếng cổ Qanats – Là đường hầm lòng đất sử dụng để khai thác vận chuyển nước ngầm – Bắt nguồn từ 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 CÁC LÝ THUYẾT TRUYỀN THÔNG y Homer (~1000 BC): y “tất sơng tồn biển tất suối (mạch phun) cả, giếng sâu có nước ngầm” y Seneca (3 BC -65 AD) y “Có thể khẳng định khơng có nước mưa chảy vào sơng lớn mà có đóng góp nước ngầm.” y DaVinci (1452-1519) y Có sự mơ tả chính xác chu trình thủy văn y Descartes (1596-1650) and Becker (1635-1682): y Hơi nước dược bắt nguồn từ trái đất ngưng tụ lại… y Kircher(1615-1680): y Nước từ đại dương bốc hâm nóng trái đất đất, bay lên lên, ngưng tụ sườn núi • LÝ THUYẾT TRUYỀN THỐNG (Cont.) Lý thuyết ế thấm ấ – – – – – 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 Seine Dịng chảy sơng 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 ấ dãy núi Alps, giếng phun phổ biến Độ cao cao dãy núi Alps, suối giảm lượng nước ngầm có nguồn gốc từ mưa CÁC LÝ THUYẾT HiỆN ĐẠI • Lý thuyết đại – Henri Darcy (1856): Phát triển quan hệ dịng chảy mơi trường cát cát Sự giữ nước tầng ngậm nước Giải tốn dịng không ổn định – Hazen, Slichter, O E Meinzer(1900s): ứng dụng thực tiễn, sở nguyên lý lý thuyết đại chất thủy văn Pháp – King (1899): Đưa đồ g , dòng g chảyy nước nước ngầm, ngầm, mặt cắt – C.V Theis(1930s): Lý thuyết thủy lực giếng – Hubbert(1940) ( ) “…thông gq qua thí nghiệm để viết lý thuyết dịng chảy nước ngầm thuật ngữ vật lý ” – C E Jacob (1940) Phương trình vi phân phần ầ đối ố với dòng chảy ngầm Henri Darcy C.V Theis Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure) Cách 2: tính Pc θ Air Negative pressure Positive pressure Solid Water Solid r Chất lỏng dâng lên ống lực hút lỗ (áp suất mao dẫn) cân với trọng lực σ cos θ (2πr ) = γπr 2ψ (lực hút mao dẫn) (trọng lực nước lỗ) 2σ ψ= rγ 2σ 2σ = pc = γψ = γ rγ r Phân bố áp suất tầng sát mặt (Subsurface Pressure Distribution) z y Cột nước do áp suất  mão dẫn bên trên mực  nước ngầm là: nước ngầm là: ψ = ψ (θ ) y Phân bố áp suất thủy  tĩnh bên dưới mực  nước ngầm (nơi p g ( p = 0)  ) là: ∂p = −γ ∂ ∂z Ground surface Pressure is negative above negative above  water table ψ Unsaturated zone Water table Pressure is  positive below  iti b l water table Saturated zone p p=0 p>0 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 p 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 Cá ấ thô hô - 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% Hệ số thoát nước & giữ nước (Specific Yield & Retention) • Hệ số thốt nước đơn vị (Specific Yield ‐ SY) – Sy Là tỷ ỷ số ố giữa lượng nước thu được (bởi thoát trọng lực khi mực nước  ữ ( ngầm hạ thấp 1 khoảng ∆h) so với tổng dung tích: Sy = gravity drainage volume total volume – Sy cũng được xem là độ S ũ đượ độ rỗng hữu hiệu ỗ hữ hiệ (efective poprosity) ( f ti it ) • Hệ số giữ nước đơn vị (Specific Retention ‐ Sr) – Là lượng nước cịn lại sau khi thốt do trọng lực (độ ẩm đồng ruộng ‐ field  capacity) S r = φ − S y volume drained = S y ∆hA Quan hệ giữa độ rỗng, hệ số thoát nước và giữ nước đơn vị (Porosity, Specific Yield, & Specific Retention) (Porosity Specific Yield & Specific Retention) Sr = φ − S y Các loại tầng ngậm nước (Aquifer Types) Vùng bổ cập nước ngầm Giếng g phun • Aquifer q – Chứa & chuyển nước – Phù sa tự nhiên, cát, sỏi,  đá cát • Aquiclude – Chứa Chứa, nhưng không  không chuyển nước  – Đất sét and pha đá phiến  sét – Các biên khơng thấm của  tầng ngậm nước các tầng ngậm nước • Aquitard – Chuyển nước, nhưng ko  giữ nước – Đá phiến sét và pha sét – Các lớp có áp thấm nước  ấ yếu • Tầng chứa nước có áp  (Confined aquifer) – Có Có áp suất lớn hơn áp suất  áp suất lớn áp suất khí quyển – Có biên bởi các lớp khơng  thấm • Tầng ngậm nước khơng áp  (Unconfined aquifer) – Có tồn tại mực nước ngầm ó ầ – Có biên bởi mực nước ngầm Áp lực từ bên ép nén tầng ngậm nước Aquifer Types nước bị phun chênh lệch áp suất (lớp không thấm) (lớp khơng thấm) • Confined aq ifer Confined aquifer – – • Under pressure Bounded by impervious layers Unconfined aquifer Unconfined aquifer – – Phreatic or water table Bounded by a water table • Aquifer – Store & transmit water – Unconsolidated deposits  sand and gravel,  sandstones etc • Aquitard q – Transmit don’t store water – Shales and less clay – Leaky confining layers of  aquifers Hệ số ố chứa nước (Aquifer Storage) ướ (A if St ) • • • ∆V = βφρg Khả năng nén của chất lỏng ‐ Fluid Compressibility (β) Khả năng nén của môi trường xốp ‐ Porous Medium Compressibility (α) ∆V = αρ g Hệ số chứa nước đơn vị ‐ Specific Storage (Ss) – Là lượng nước thốt ra được từ 1 thể tích đơn vị của tầng ngậm nước sau khi  giảm 1 đơn vị iả đ ị cột nước ộ (mô tả ( ô ả next slice) li ) • Tầng chứa nước có áp ‐ Confined Aquifer – Nước được lấy ra theo 2 cơ chế (mơ tả slice trước): Do tầng chứa nước bị Do tầng chứa nước bị ép nén bởi tăng áp lực từ ép nén tăng áp lực từ bên ngoài bên Nước bị đẩy ra do áp suất giảm • Tầng khơng áp ‐ Unconfined aquifer – • S s = ρg (α + φβ ) Ss = S y Nước được lấy ra do bơm hút từ các lỗ rỗng Hệ số chứa nước ‐ storage coefficient (S) hay cịn gọi là sức chứa (storativity):  là  tổng lượng nước có thể thoát ra được từ 1 tầng ngậm nước khi hạ thâp 1 đơn vị cột nước: S = S sb Chỉ tầng có áp, có bề dày b Quan hệ lượng trữ trong các tầng nước ngầm  (Storage Relations in Aquifers) Unconfined Aquifer q Ss = S y Confined Aquifer q S s = ρ g (α + nβ ) 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 ấ 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) Mực thủy áp ( (Piezometric Head) d) • Mực thủy áp  (Piezometric head) p h= +z γ • Tầng ko áp (Unconfined  Tầ k (U fi d aquifer) – piezometric head =  elevation h= p γ h=z p γ +z Pressure  p = head = 0 z 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 ẽ này khơng có thơng tin  nào liên quan đến chênh lệch  cột nước (gradient) theo  phương ngang mà có  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 Gradient cột nước thẳng đứng và nằm ngang (Horizontal and Vertical Head Gradients) (Mực nước ngầm) (Mực thủy áp) Tóm lại chương học Tóm lại chương 2 đã học • Sự xuất hiện nước ngầm xuất nước ngầm – Phân bố nước trong tầng sát mặt • Mơi trường lỗ rỗng (Porous Medium) – – – – – – Độ rỗng (Porosity) Hàm lượng 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 thốt nước (nhả nước) và giữ nước đơn vị (Specific Yield and  Retention) • Các loại tầng chứa nước (Aquifer Types) Cá l i tầ (A if T ) – Lượng trữ trong các tầng ngậm nước (Aqufier Storage) • Mực nước thủy áp (Piezometric head) ... Giới thiệu mơn? ?học Giới thiệu mơn học • Nước? ?ngầm và các tầng ngậm? ?nước – Thuật ngữ Thuật ngữ – Lịch sử • Tài ngun? ?nước? ?tồn cầu Tài ngun nước tồn cầu – Chu trình? ?nước? ?tồn cầu • Các tầng ngậm? ?nước Các... Giáo trình? ?Thủy? ?văn? ?nước? ?dưới? ?đất,   iá ì h hủ ă d ới đấ NXB Xây dựng, Năm 2002  [2] David Keith Todd, Ground Water Hydrology, New York NƯỚC NGẦM & CÁC TẦNG NGẬM  NƯỚC NGẦM & CÁC TẦNG NGẬM NƯỚC CÁC... g nước và các đặc tính, phân bố,  p ảnh hưởng của? ?nước? ?trên bề mặt trái? ?đất,  trong  đất,  và khí quyển • Quản lý? ?nước Q ả lý – Sử dụng bền vững tài nguyên? ?nước – Thao tác với chu trình? ?thủy? ?văn