Địa chất thuỷ văn

1 MỤC LỤC BÀI MỞ ĐẦU .4 § ĐỐI TƯỢNG VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN .4 § SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN § ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN VỚI CÔNG TÁC THUỶ LỢI Bài tập câu hỏi CHƯƠNG 1:ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN ĐẠI CƯƠNG §1 TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ THUỶ LÝ CỦA ĐẤT ĐÁ .7 I TÍNH CHẤT VẬT LÝ II TÍNH CHẤT THUỶ LÝ .10 §2 SỰ HÌNH THÀNH VÀ TỒN TẠI CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT .12 I.SỰ HÌNH THÀNH NƯỚC DƯỚI ĐẤT 12 II CÁC DẠNG TỒN TẠI CỦA NƯỚC TRONG ĐẤT ĐÁ 12 § HỆ TẦNG CHỨA NƯỚC 16 I KHÁI NIỆM VỀ “TẦNG CHỨA NƯỚC” VÀ “TẦNG NƯỚC DƯỚI ĐẤT” 16 II CÁC THÔNG SỐ ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN CỦA TẦNG CHỨA NƯỚC 17 § PHÂN LOẠI NƯỚC DƯỚI ĐẤT 19 I PHÂN LOẠI CỦA XAVARENXKI F.P 1939 .19 II PHÂN LOẠI CỦA ÔVTSINNICOV A.M VÀ KLIMENTOV P.P 1967 20 III PHÂN LOẠI CỦA DAVIS VÀ DEWIEST 1966 21 § ĐỘNG THÁI CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT 22 § NƯỚC DƯỚI ĐẤT TRONG CÁC VÙNG ĐỊA MẠO KHÁC NHAU 24 Bài tập câu hỏi 30 CHƯƠNG :VẬN ĐỘNG CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT .31 §1 CÁC YẾU TỐ THUỶ ĐỘNG LỰC CỦA DÒNG THẤM .31 1.Áp lực 31 Gradient áp lực .32 Lưu lượng 32 §2 CÁC ĐỊNH LUẬT THẤM .34 I ĐỊNH LUẬT THẤM TUYẾN TÍNH (ĐỊNH LUẬT DARCY) 34 II CÁC ĐỊNH LUẬT THẤM PHI TUYẾN .35 §3 CÁC PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN VẬN ĐỘNG CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT 36 I PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC .36 II.PHƯƠNG TRÌNH DỊNG THẤM NGANG KHƠNG ÁP .38 §4 VẬN ĐỘNG ỔN ĐỊNH CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT .40 I THẤM PHẲNG 40 II DÒNG THẤM TỚI GIẾNG 48 §5 VẬN ĐỘNG KHÔNG ỔN ĐỊNH CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT .58 I PHƯƠNG TRÌNH VẬN ĐỘNG KHƠNG ỔN ĐỊNH CỦA DÒNG THẤM PHẲNG .59 II PHƯƠNG TRÌNH VẬN ĐỘNG KHƠNG ỔN ĐỊNH CỦA DÒNG THẤM ĐẾN GIẾNG 63 Câu hỏi tập 70 CHƯƠNG 74 CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÀ SỰ Ô NHIỄM NƯỚC DƯỚI ĐẤT .74 §1 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT 74 §2 THÀNH PHẦN CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT .74 I.THÀNH PHẦN MUỐI - ION CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT .75 II CÁC KHÍ HỊA TAN TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT 82 §3 CÁC TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC .84 I.TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG NƯỚC CHO MỤC ĐÍCH ĂN UỐNG VÀ SINH HOẠT 84 II.ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC TƯỚI 88 III ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC CHO MỤC ĐÍCH XÂY DỰNG .89 §4 SỰ Ơ NHIỄM NƯỚC DƯỚI ĐẤT 94 I SỰ NHIỄM MẶN 94 II CÁC Ô NHIỄM NƯỚC DƯỚI ĐẤT KHÁC 99 § BẢO VỆ VÀ PHỤC HỒI CHẤT LƯỢNG NƯỚC DƯỚI ĐẤT 104 I CÁC BIỆN PHÁP KHỐNG CHẾ NGUỒN Ô NHIỄM 104 II CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ DẢI Ô NHIỄM 105 III CÁC BIỆN PHÁP BẢO VỆ CHÁT LƯỢNG NƯỚC 107 Câu hỏi, tập: 109 CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT, NGHIÊN CỨU NƯỚC DƯỚI ĐẤT .110 §1 CÁC CƠNG TÁC THĂM DỊ ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN 110 I ĐO VẼ ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 110 II.PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐỊA VẬT LÝ 112 §2 CÁC GIAI ĐOẠN THĂM DÒ ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN 118 I.GIAI ĐOẠN TÌM KIẾM .118 II.THĂM DÒ SƠ BỘ .118 III.THĂM DÒ TỶ MỶ 119 IV.THĂM DÒ KHAI THÁC 120 §3 MỎ NƯỚC DƯỚI ĐẤT 120 I KHÁI NIỆM MỎ NƯỚC .120 II PHÂN CHIA NHÓM MỎ NƯỚC DƯỚI ĐẤT THEO ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT THỦY VĂN .121 §4 TRỮ LƯỢNG NƯỚC DƯỚI ĐẤT .121 I.TRỮ LƯỢNG THIÊN NHIÊN .121 II.TRỮ LƯỢNG KHAI THÁC 122 §5 MƠ HÌNH HỐ NƯỚC DƯỚI ĐẤT .127 I.KHÁI NIỆM MƠ HÌNH NƯỚC DƯỚI ĐẤT 127 II CÁC MƠ HÌNH SỐ 131 III.CÁC MƠ HÌNH THƠNG DỤNG HIỆN NAY 135 Câu hỏi, tập 136 BÀI MỞ ĐẦU § ĐỐI TƯỢNG VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN Nước phân bố rộng rãi địa cầu Nó có mặt tất (khí quyển, thuỷ quyển, địa quyển, sinh quyển) Trái Đất có vai trị vơ quan trọng phát triển tự nhiên đời sống hành tinh Nước nguồn gốc sống, nhu cầu thiếu sinh hoạt hàng ngày, yếu tố quan trọng phát triển kinh tế quốc gia Vì vậy, với phát triển xã hội khoa học kỹ thuật hình thành phát triển ngành khoa học chuyên nghiên cứu nước Xét cách tổng thể, tài nguyên nước tự nhiên chia làm loại: nước mặt đất (thường gọi tắt nước mặt) nước đất Nguồn nước mặt nghiên cứu ngành Thuỷ văn, Hải văn Nước đất ngành Địa chất thuỷ văn chuyên nghiên cứu Như vậy, Địa chất thuỷ văn ngành khoa học chuyên nghiên cứu nguồn gốc thành tạo, quy luật phân bố, tính chất vật lý thành phần hoá học, động lực động thái nước đất lịch sử phát triển Quả Đất nhằm sử dụng hợp lý tài nguyên nước đất Đối tượng nghiên cứu Địa chất Thuỷ văn một, nước đất nội dung nghiên cứu phong phú đa dạng Có thể kể tên số nội dung nghiên cứu chủ yếu ngành sau: - Nghiên cứu nguồn gốc lịch sử thành tạo nước đất, quy luật phân bố vận động chúng - Nghiên cứu tính chất vật lý, thành phần hố học, thành phần khí, quy luật biến đổi nước điều kiện tự nhiên nhân tạo - Nghiên cứu điều kiện thành tạo mỏ nước (nước nhạt, nước khoáng, nước cơng nghiệp, ), vai trị nước việc thành tạo phá huỷ mỏ khoáng sản (khoáng sản cứng, dầu khí) - Nghiên cứu phương pháp tìm kiếm, thăm dị dạng khác mỏ nước, tính tốn trữ lượng chúng, biện pháp bổ sung trữ lượng, điều kiện cân động thái - Nghiên cứu phương pháp bảo vệ tài nguyên nước đất, điều kiện chôn vùi nước thải công nghiệp sinh hoạt Nước nguồn tài nguyên lớn vô tận Tổng lượng nước tự nhiên có khoảng 1.454.703.000 km3 lượng nước mà ta sử dụng chiếm 3-6% Trong số nước ỏi phần đáng kể bị nhiễm khơng sử dụng được, nhu cầu dùng nước xã hội ngày tăng lên không ngừng Ngành Địa chất thuỷ văn đời nhằm mục đích nhằm nghiên cứu sử dụng nước đất cách hợp lý, khai thác mặt hữu ích khắc phục có hiệu mặt có hại chúng hoạt động kinh tế người, ngồi cịn có mục đích lớn lao bảo vệ tài nguyên nước đất § SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN Chúng ta biết khoa học bắt nguồn từ sống Kiến thức, hiểu biết lĩnh vực tích luỹ dần theo thời gian đến lúc phát triển nhanh chóng để trở thành ngành khoa học Khoa học nước đất - Ngành Địa chất thuỷ văn - có lịch sử phát triển Từ cổ xưa người biết tìm khai thác nước đất phục vụ cho sinh hoạt Tại vùng sa mạc tây nam Châu Á Bắc Châu Phi cách ba nghìn năm người biết xây dựng cơng trình thu nước nằm ngang để khai thác nước ngầm Người Trung Quốc cách hàng nghìn năm biết khoan sâu hàng trăm mét để lấy nước Từ thực tế khai thác sử dụng người tiến đến tìm tịi khám phá Bắt đầu có giả thiết hình thành nước đất Thales Mille (650÷548 TCN) cho nước đất từ nước đại dương lên theo khe nứt áp lực bề mặt Platon (427 ÷ 347 TCN) cho nước mạch nước, nước sông nước, xuất liên quan với núi lửa từ sâu lịng đất lên Aristotel (384÷322 TCN) cho nước đất hình thành do ngưng tụ nước từ khí Trải suốt thời gian dài thời kỳ Trung Cổ hiểu biết nước đất dừng giả thuyết hình thành Đến thời kỳ Phục Hưng có đột phá Vào kỷ XVI, lần xuất cơng trình nguồn gốc nước đất sở quan trắc trực tiếp mặt đất B.Palissy (1580) Từ đó, nghiên cứu nước đất diễn ạt Năm 1686 A.E.Mariot xác minh nước mặt ngấm xuống cung cấp cho nước ngầm phương pháp toán học, đặt sở lý thuyết thấm cho nước đất Năm 1711 M.V Lomonoxov tổng độ khoáng hoá nước đất kết q trình hố lý nước với đất đá, đặt móng cho việc nghiên cứu hoá nước Nghiên cứu động lực học nước đất bắt đầu muộn Năm 1783, D.Bernoulli xác lập phương pháp lập phương trình thấm Năm 1856 Darcy- người nghiên cứu trình vận động nước môi trường lổ rỗng phát minh định luật thấm tuyến tính Tiếp sau đó, J Dupuyit sử dụng định luật Darcy tính tốn lưu lượng nước đến giếng, thức tách động lực học nước đất khỏi thuỷ lực chung Từ lý thuyết thấm nhiều nhà khoa học liên tục bổ sung ngày hoàn thiện Ngày nay, ngành Địa chất Thuỷ văn phát triển, đóng vai trị ngày quan trọng ngành khoa học Trái Đất, đóng góp to lớn cho kinh tế quốc gia § ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN VỚI CƠNG TÁC THUỶ LỢI Địa chất thuỷ văn chuyên nghiên cứu nước đất phục vụ cho nhiều mục đích, nhiều ngành khác có ngành Thuỷ lợi Thuỷ lợi có quan hệ mật thiết với Địa chất thuỷ văn Một lĩnh vực quan trọng Thuỷ lợi tưới tiêu, cải tạo đất Để giải vấn đề cung cấp nước cho tưới, ngành Thuỷ lợi chuyên nghiên cứu thiết kế xây dựng hồ chứa, đập dâng Tuy nhiên, để xây dựng hồ chứa đòi hỏi điều kiện địa hình, địa chất phải thuận lợi, mà điều khơng phải chỗ đáp ứng Ở nơi khơng có dịng nước mặt đủ lớn, xây dựng hồ chứa nhiều khai thác nước đất phục vụ cho tưới lại hiệu Trong trường hợp nghiên cứu địa chất thuỷ văn trở nên cần thiết Nghiên cứu địa chất thuỷ văn ngành Thuỷ lợi không nhằm mục đích khai thác nước đất phục vụ cho tưới mà cho cấp nước nói chung Để xây dựng phát triển nông thôn cần phải giải vấn đề cung cấp nước Để làm tốt công tác cung cấp nước cần nghiên cứu địa chất thuỷ văn Một lĩnh vực thứ hai hoạt động ngành Thuỷ lợi liên quan đến nước đất xây dựng cơng trình Một đặc điểm chung cơng trình xây dựng thuỷ lợi liên quan mật thiết đến nước mặt nước đất Hồ chứa, trạm bơm, đê đập, tính tốn, thiết kế xây dựng khơng thể khơng tính đến vận động nước đất Hiểu biết tốt địa chất thuỷ văn giải tốt toán thấm để bảo đảm ổn định lâu dài cho cơng trình Để phục vụ cho cơng tác thuỷ lợi nói trên, đối tượng nước đất nghiên cứu góc độ khác Mơn học Thuỷ văn nước đất nghiên cứu nước đất góc độ thuỷ văn - nghiên cứu chế độ thuỷ văn nước đất Môn học Địa chất thuỷ văn nghiên cứu nước đất góc độ địa chất - nghiên cứu nước đất mối quan hệ tương tác với đất đá môi trường xung quanh Địa chất thuỷ văn cung cấp kiến thức đại cương nước đất (sự hình thành, dạng tồn nước đất; phân bố động thái chúng); trình vận động nước đất; thành phần hoá học nước đất; tìm kiếm thăm dị nước đất cuối vấn đề bảo vệ tài nguyên nước đất (trữ lượng, ô nhiễm giải pháp xử lý ô nhiễm) Các kiến thức làm sở để sinh viên học tốt môn học chuyên môn “cấp nước”, “kỹ thuật khai thác nước ngầm” Ngoài kiến thức địa chất thuỷ văn hỗ trợ tốt cho môn học liên quan “cơng trình xử lý nước thải”, “cơng trình xử lý nước cấp”, “quy hoạch hệ thống thuỷ lợi”, “quy hoạch phát triển nông thôn”, Bài tập câu hỏi Yêu cầu nắm vững mục đích nghiên cứu Địa chất thuỷ văn; nội dung nghiên cứu môn học Hãy chứng minh tầm quan trọng Địa chất thuỷ văn với ngành thuỷ lợi; kiến thức nước đất kỹ sư thuỷ lợi CHƯƠNG 1:ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN ĐẠI CƯƠNG §1 TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ THUỶ LÝ CỦA ĐẤT ĐÁ I TÍNH CHẤT VẬT LÝ Từ mơn học "Địa chất cơng trình" biết vật liệu cấu tạo nên vỏ Quả Đất chia làm loại: đất đá Đất vật thể rời (hạt đất) xếp với theo quy luật định Giữa hạt đất lỗ rỗng Đá môi trường liên tục hơn, nhiên khơng phải tuyệt đối Trong đá có lỗ rỗng khe nứt mức độ kích thước khác Nước đất chứa thân hạt đất, hút giữ lại bao quanh hạt đất nằm khoảng rỗng hạt đất kẽ nứt đá Như vậy, tính chất vật lý mơi trường định hình thức tồn nước khả vận động chúng mơi trường Vì vậy, trước tiên phải nghiên cứu tính chất vật lý môi trường liên quan đến thấm Thành phần hạt Đối với môi trường đất, thành phần hạt định độ lỗ rỗng kích thước lỗ rỗng đất, gián tiếp phản ánh mức độ phân tán hạt đất Chỉ tiêu "thành phần hạt" thể hàm lượng hạt có đường kính khác mơi trường, thường biểu diễn biểu đồ đường cong tích luỹ (hình 1.1) Người ta thường dùng tiêu thành phần hạt để phân loại đất, gọi tên đất Có nhiều phương pháp phân loại áp dụng yêu cầu thực tế khác 100 90 0,011 0,015 0,027 0,042 0,075 0,18 0,425 ##### ##### 4,75 9,5 10,9 16,2 80 20,6 23,7 26,2 31,5 36,4 44,9 57,3 69,2 85,1 94,3 98,4 P hần trăm tích luỹ 0,0016 70 60 50 40 30 20 10 0,00 0,01 0,10 1,00 19 37,5 100 100 10,00 75 100,00 Đờng kính hạt, mm Hình 1.1 Một biểu đồ thành phần hạt đất Một tiêu hỗ trợ việc đánh giá môi trường lỗ rỗng "hệ số không đồng nhất" hạt đất Hệ số không đồng tiêu thể mức độ không đồng đất xác định theo công thức: Cu = D60 D10 (1.1) đó: D60 - đường kính cỡ hạt mà hàm lượng hạt có đường kính nhỏ chiếm 60% trọng lượng D10 - đường kính cỡ hạt mà hàm lượng hạt có đường kính nhỏ chiếm 10% trọng lượng Khi Cu < đất coi hạt; Cu > 5, đất có cấp phối tốt Thành phần hạt đất ảnh hưởng lớn đến vận tốc thấm nước đất Độ lỗ rỗng - độ nứt nẻ Độ lỗ rỗng đất tỷ số thể tích phần rỗng đất so với tổng thể tích đất tính theo cơng thức: n= đó: Vr 100 V (1.2) Vr - tổng thể tích lỗ rỗng mẫu đất V - tổng thể tích mẫu đất Mức độ xốp rỗng đất đặc trưng đại lượng khác gọi hệ số rỗng e Hệ số rỗng tỷ số thể tích phần rỗng đất chia cho thể tích phần hạt rắn đất e= đó: Vr Vh (1.3) Vr - tổng thể tích lỗ rỗng mẫu đất Vh - tổng thể tích phần hạt cứng đất Quan hệ hai đại lượng thể thơng qua phương trình sau: e= n 1− n (1.4) Đối với đá, ngồi khái niệm độ lỗ rỗng cịn phải xét đến độ nứt nẻ - khái niệm đặc trưng cho tính rỗng đá Đối với đá macma phun trào, đặc biệt phun trào đáy biển có độ lỗ rỗng cao Đối với đá macma xâm nhập, đá biến chất độ lỗ rỗng không đáng kể ngược lại độ nứt nẻ lại cao Để đánh giá mức độ nứt nẻ đá người ta đưa số tiêu: - Môđun nứt nẻ M - số lượng kẽ nứt mét dài đo theo phương vng góc với kẽ nứt Căn vào giá trị M người ta phân loại mức độ nứt nẻ đá làm cấp: + Nứt nẻ yếu M< 1,5 1,5 ÷ + Nứt nẻ yếu + Nứt nẻ trung bình ÷ 10 + Nứt nẻ mạnh 10 ÷ 30 + Nứt nẻ mạnh M > 30 Môđun kẽ nứt phản ánh mức độ nứt nẻ đá không phản ánh mức độ suy giảm tính chất đá khơng thể kích thước kẽ nứt Một tiêu khác khắc phục nhược điểm đó, hệ số khe nứt - Hệ số khe nứt Kkn - tổng diện tích khe nứt đơn vị diện tích nghiên cứu: K kn = đó: ∑b l i i F (1.5) bi, li – chiều rộng, chiều dài khe nứt thứ i, m F- diện tích nghiên cứu, m2 Theo hệ số khe nứt Kkn Nayxtat L.I chia mức độ nứt nẽ khác đá (bảng 1.1): Bảng 1.1 Phân loại mức độ nứt nẽ đá Mức độ nứt nẻ Kkn (%) Tính chất khe nứt Nứt nẻ yếu 20 Đá đới cà nát, đá karst hoá, đá đổ, đá trượt Tỷ diện tích bề mặt Tỷ diện tích bề mặt hay gọi tỷ bề mặt, tổng diện tích bề mặt của tất hạt cứng đơn vị thể tích đất biểu diễn đơn vị diện tích Đất hạt mịn, tỷ bề mặt lớn (hình 1.2) Tỷ bề mặt tiêu phụ thuộc vào thành phần hạt đất Cùng hệ số rỗng, hạt bé tỷ bề mặt lớn Tỷ bề mặt ảnh hưởng lớn đến khả vận động nước đất Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn tỷ diện tích bề mặt hạt đất II TÍNH CHẤT THUỶ LÝ Tính chất thuỷ lý đất đá tính chất thể đất đá tiếp xúc với nước Trong chương trình nghiên cứu số tính chất thuỷ lý chủ yếu sau: Tính hút giữ nước Là khả số loại đất đá hút giữ lại lượng nước định thân chúng điều kiện có dịng chảy tự Tuỳ thuộc vào đặc điểm thạch học, mức độ gắn kết, cấu trúc lỗ rỗng người ta chia đất đá làm loại theo mức độ hút giữ nước: Đất đá giữ nước tốt, ví dụ, than bùn, sét, sét pha, Đất đá giữ nước kém, ví dụ, cát pha, đất hồng thổ, macnơ, Đất đá khơng giữ nước, ví dụ, cát, sỏi, đá liền khối Đất đá hút giữ nước bị ẩm, vậy, để đặc trưng cho mức độ giữ nước đất đá người ta đưa tiêu "độ ẩm" Độ ẩm tỷ số khối lượng nước chứa đất đá Gn với khối lượng khối đất đá Gđ W = Gn Gd (1.6) Tính nhả nước Là khả đất đá bão hồ nước cho nước tác dụng lực trọng trường Để đặc trưng cho tính nhả nước người ta dùng hệ số nhả nước hay độ nhả nước, ký hiệu μ: μ = Wbh − W pt ln (1.7) 10 - 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 dịng thấm, m; B- bề rộng dịng 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 dị 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 dị – 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 dịng 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 dịng 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 cịn 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 dịng 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 hịa 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 địi 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 trị 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 dịng 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 dịng 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 dịng 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 dịng nước đất, ta cịn 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 cịn 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 dịng 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 dịng 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 dịng điện mơ hình biểu thị vận tốc dịng 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 dịng 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 dịng 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 dịng thấm tới giếng sơng suối, dịng nhiệt dịng 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 dịng 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: dịng nước đất, dịng vận chuyển chất hòa tan, dòng nhiệt biến dạng tầng chứa nước Các mơ hình số bắt đầu với phương trình dịng nước đất Nó giải để tìm phân bố cột nước tầng chứa nước Các mơ hình vận chuyển chất hịa 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 dịng thấm qua mơi trường lỗ rỗng (tầng cát, sỏi ) mơ hình liên quan dịng thấm qua môi trường nứt nẻ (đá kết tinh nứt nẻ ) Các mơ hình cho dịng thấm có hai hay nhiều chất lỏng khơng thể trộn lẫn cho dịng thấm bão hịa khơng bão hịa 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 hịa 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 dịng thấm ngang không áp Ở chương 2, ⁄3, II ta xác lập phương trình tổng qt dịng 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 dịng 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, cịn 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 cịn 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 dịng 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 cịn 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 địi 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 dịng nước đất Đó mơ hình dịng 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 dịng 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 hịa tan dùng rộng rãi Nó dựa lưới sai phân hữu hạn dùng phương pháp đường đặc trưng cho chất hịa 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 hịa - khơng bão hịa (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 hịa Trong kiểu vận chuyển chất hịa tan, bị hấp phụ vào mơi trường rỗng bị phân hủy hay sản sinh Ngoài mơ hình mơ dịng 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 hịa 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 dịng 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 hịa đơn giản tốn thấm khơng ổn định bão hịa - khơng bão hịa 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 dị 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 ... NGHIÊN CỨU CỦA ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN .4 § SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN § ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN VỚI CƠNG TÁC THUỶ LỢI Bài tập câu hỏi CHƯƠNG 1:ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN ĐẠI CƯƠNG... nghiên cứu Địa chất thuỷ văn; nội dung nghiên cứu môn học Hãy chứng minh tầm quan trọng Địa chất thuỷ văn với ngành thuỷ lợi; kiến thức nước đất kỹ sư thuỷ lợi CHƯƠNG 1:ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN ĐẠI CƯƠNG... § ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN VỚI CÔNG TÁC THUỶ LỢI Địa chất thuỷ văn chuyên nghiên cứu nước đất phục vụ cho nhiều mục đích, nhiều ngành khác có ngành Thuỷ lợi Thuỷ lợi có quan hệ mật thiết với Địa chất