Trữ lƣợng khai thác dự báo ở vùng cụ thể đƣợc tắnh toán theo mạng công trình dự kiến. Ở những vùng lớn, trữ lƣợng khai thác dự báo đƣợc tắnh trên cơ sở sơ đồ hóa công trình khai thác trên mạng ô lƣới. Bản chất của sơ đồ hóa đó là, ngƣời ta bố trắ công trình khai thác ở trung tâm ô vuông và tắnh toán trữ lƣợng khai thác của công trình đó với điều kiện trị số mực nƣớc hạ thấp ở trung tâm ô nhỏ hơn hoặc bằng trị số hạ thấp mực nƣớc cho phép, còn mực nƣớc ở biên các công trình không bị hạ thấp. Để tắnh toán trữ lƣợng khai thác dự báo cần có đủ thông số ĐCTV của các đơn vị chứa nƣớc trong vùng nghiên cứu. Trữ lƣợng khai thác dự báo đƣợc tắnh theo phƣơng trình (1.4 và 1.5) sau [39]:
Đối với nƣớc không áp: * (
) ( )+ (1.4) Đối với nƣớc có áp: * ( )+ (1.5) Trong đó:
Qdb: trữ lƣợng khai thác dự báo (m3/ngày). Scp: trị số hạ thấp mực nƣớc cho phép (m).
Qđtn: trữ lƣợng động tự nhiên (m3/ngày). Tkt: thời gian khai thác (ngày).
Rdd: bán kắnh dẫn dùng (m).
Ro: bán kắnh ảnh hƣởng, đƣợc xác định theo biểu thức Ro=0,565∆L hoặc Ro=(F/π)0,5 (m). ∆L: kắch thƣớc ô mạng (m). F: diện tắch ô mạng (m2). Ì: hệ số nhả nƣớc trọng lực. Ì*: hệ số nhả nƣớc đàn hồi. KH, Km: hệ số dẫn nƣớc, hệ số dẫn áp của tầng chứa nƣớc. 1.1.3. Trữ lượng tĩnh
Trữ lƣợng tĩnh tự nhiên là lƣợng nƣớc trọng lực trong các lỗ hổng, khe nứt và hang hốc Karst của đất đá chứa nƣớc. Trữ lƣợng tĩnh tự nhiên của nƣớc dƣới đất còn gồm cả lƣợng nƣớc trọng lực của đất đá chứa nƣớc trong đới dao động mực nƣớc, phần đó gọi là Ềtrữ lƣợng điều tiếtỂ.
Trong các vỉa có áp, trữ lƣợng tĩnh tự nhiên còn bao gồm cả Ềtrữ lƣợng đàn hồiỂ. Trữ lƣợng đàn hồi là thể tắch nƣớc có thể lấy ra từ các vỉa chứa nƣớc khi hja thấp mực nƣớc dƣới đất do tắnh đàn hồi của nƣớc và đất đá gây ra.
Trữ lƣợng tĩnh đƣợc xác định bởi phƣơng trình (1.6 và 1.7) sau: Đối với nƣớc không áp: Qt = α.F.h./T (1.6)
Đối với nƣớc có áp: Qt = (α.F.H. *+ α.F.m.)/T (1.7) Trong đó:
Qt: trữ lƣợng tĩnh (m3/ngày). α: hệ số xâm phạm trữ lƣợng tĩnh. F: diện tắch tầng chứa nƣớc (m2).
h: chiều dày trung bình tầng chứa nƣớc không áp (m). m: chiều dày trung bình của tầng chứa nƣớc có áp (m).
H: chiều cao áp lực (cột nƣớc tắnh từ mái cách nƣớc tới mực áp lực) đối với nƣớc có áp (m).
T: thời gian khai thác (ngày).
: hệ số nhả nƣớc trọng lực.
*: hệ số nhả nƣớc đàn hồi.
1.1.4. Trữ lượng động
Trữ lƣợng động tự nhiên là lƣợng nƣớc vận động trong tầng chúa nƣớc ở điều kiện tự nhiên. Hoặc có thể hiểu một cách đầy đủ hơn là trữ lƣợng động tự nhiên của nƣớc dƣới đất là lƣợng cung cấp của tầng chứa nƣớc trong điều kiện chƣa bị phá hủy bởi khai thác. Trữ lƣợng động tự nhiên bằng tổng các yếu tố cân bằng tự nhiên của tầng chứa nƣớc (thấm của nƣớc mƣa, thấm từ sông và các khối nƣớc mặt, thấm xuyên từ các tầng chứa nƣớc lân cận,..). Theo các nhà thủy động lực thì trữ lƣợng động tự nhiên cửa tầng chứa nƣớc là lƣợng nƣớc chảy qua mặt cắt của tầng chứa nƣớc trong đơn vị thời gian và đƣợc xác định theo phƣơng trình (1.8) sau [39]:
Qđ = K.F.I (1.8) Trong đó: Qđ: trữ lƣợng động tự nhiên (m3/ngày). K: hệ số thấm của đất đá (m/ngày). F: diện tắch mặt cắt ƣớt tầng chứa nƣớc (m2). I: độ dốc thủy lực của mặt nƣớc.
Phƣơng pháp đánh giá trữ lƣợng động tự nhiên NDĐ đƣợc phân chia thành 6 nhóm phƣơng pháp, gồm: 1) thủy động lực; 2) cân bằng; 3) thủy văn; 4) thực nghiệm đo trực tiếp lƣợng cung cấp thấm; 5) tƣơng tự ĐCTV; 6) phƣơng pháp mô hình. Cụ thể các nhóm phƣơng pháp nhƣ sau:
Nhóm phƣơng pháp thủy động lực
- Phƣơng pháp sai phân hữu hạn: phƣơng pháp này dựa vào phƣơng trình thấm không ổn định dạng sai phân của G.N. Kamenxki để tắnh cung cấp theo diện tắch với cƣờng độ Wm. Để xác định trữ lƣợng theo phƣơng pháp này cần có số liệu
tắnh toán, cần có giá trị quan trắc mực NDĐ theo chu kỳ ắt nhất là 1 năm, và chỉ áp dụng đối với tầng chứa nƣớc đồng nhất. Trong thực tế, phƣơng pháp này ắt đƣợc áp dụng vì khó khăn khi xác định hệ số nhả nƣớc đàn hồi và phải có mạng lƣới quan trắc hợp lý.
- Phƣơng pháp cung cấp thấm theo tài liệu dao động MN trong lỗ khoan: phƣơng pháp này do N.N. Bideman đề ra, đây là phƣơng pháp đánh giá gần đúng lƣợng cung cấp thấm của nƣớc mƣa cho NDĐ từ phƣơng trình sai phân hữu hạn của G.N. Kamenxki. Phƣơng pháp này có ƣu điểm hơn phƣơng pháp của G.N. Kamenxki vì chỉ cần tài liệu 1 lỗ khoan quan trắc tại đỉnh phân thủy hoặc có từ 2 lỗ khoan trở lên trên tuyến măt cắt (tốt nhất là có 4 lỗ khoan).
- Phƣơng pháp dựa vào lời giải của phƣơng trình vi phân chuyển động không ổn định: phƣơng pháp này do A.V. Lebedep đƣa ra trên cơ sở lời giải của phƣơng trình vi phân tuyến tắnh thấm một chiều không ổn định. Phƣơng pháp này có thể áp dụng trong điều kiện: i) lớp chứa nƣớc vô hạn, ii) dòng thấm bán vô hạn với một ranh giới là sông, iii) dạng dải hai phắa là sông, iv) dạng dải một phắa là ranh giới không thấm nƣớc, v) dòng thấm hữu hạn với một ranh giới là sông, một ranh giới hệ số thấm thay đổi. Thực tế đã chứng minh chỉ nên áp dụng các công thức trên trong điều kiện đất đá đồng nhất về tắnh thấm, sự cung cấp phân bố đều trên diện tắch, sự dâng cao MN trên ranh giới với tốc độ không đổi.
- Phƣơng pháp xác định trữ lƣợng động tự nhiên theo lƣu lƣợng dòng ngầm bằng công thức động lực học NDĐ: phƣơng pháp này có thể áp dụng cho cả tầng chứa nƣớc có áp và không áp. Để xác định đƣợc trữ lƣợng động trong trƣờng hợp này cần phải thành lập đƣợc bản đồ thủy đẳng cao hoặc thủy đẳng áp của NDĐ và phải xác định đƣợc hệ số thấm của tầng chứa nƣớc. Tuy nhiên, bản đồ thủy đẳng cao, thủy đẳng áp thƣờng chỉ xác định trong 1 thời điểm nhất định, do đó lƣu lƣợng dòng ngầm xác định đƣợc cũng chỉ là giá trị tại thời điểm đó. Trƣờng hợp, các thông số tắnh toán thay đổi theo từng tiết diện, thì phân chia dòng thấm thành các khoảnh và trong mỗi khoảnh xem chúng là đồng nhất. Khi đó lƣu lƣợng dòng thấm sẽ bằng tổng lƣu lƣợng dòng thấm từng khoảnh.
Khi sử dụng phƣơng pháp này để tắnh toán trữ lƣợng động tự nhiên của NDĐ cần chú ý tới việc lựa chọn mặt cắt tắnh toán. Trong trƣờng hợp tại miền tắnh toán có sự cung cấp thấm thẳng đứng hoặc thoát nƣớc tự nhiên (bốc hơi, thoát ra mạng xâm thực) thì kết quả tắnh toán thƣờng nhỏ hơn trữ lƣợng động trong thực tế.
- Phƣơng pháp thấm xuyên: phƣơng pháp này đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp vùng tắnh toán có từ hai lớp chứa nƣớc trở lên xen kẽ nhau thì quá trình thấm xuyên vào lớp chứa nƣớc nghiên cứu xảy ra qua lớp thấm nƣớc kém do chênh lệch áp lực giữa các lớp chứa nƣớc. Đối với lớp chứa nƣớc có áp hiện tƣợng thấm xuyên có thể xảy ra cả qua mái lẫn qua đáy, đối với nƣớc không áp chỉ qua đáy.
- Phƣơng pháp tắnh toán lƣợng thoát ra sông của Forchheimer: về bản chất, nƣớc sông cung cấp cho tầng chứa nƣớc qua lớp bùn đáy khi có sự chênh áp giữa áp lực nƣớc sông và áp lực tầng chứa nƣớc. Giả sử khi khai thác hình thành phễu hạ thấp MN có độ dốc thuỷ lực là I theo hƣớng vuông góc với sông, diện tắch thấm theo hƣớng song song với sông là F, hệ số thấm của đất đá là K, thì có thể tắnh đƣợc lƣợng bổ cập Q. Điều kiện áp dung đối với tầng chứa nƣớc đồng nhất và có 2 giếng quan sát MN theo tuyến vuông góc với sông.
Nhóm phƣơng pháp cân bằng
- Phƣơng trình cân bằng mặt đất: phƣơng pháp này áp dụng cho vùng khô, khi đó lƣợng nƣớc cung cấp chủ yếu tập trung vào mùa mƣa.
- Phƣơng pháp cân bằng đới thông khắ: phƣơng pháp này đƣợc A.V.Lebedev đƣa ra để tắnh lƣợng cung cấp thấm theo lƣợng mƣa, lƣợng hơi nƣớc ngƣng tụ trên bề mặt và trong đới không khắ, lƣợng bốc hơi từ bề mặt tự nhiên, lƣợng hơi nƣớc chảy đến và chảy đi khỏi khu cân bằng, gia số trữ lƣợng ẩm. Trong thực tế ắt khi áp dụng phƣơng pháp này vì khó xác định lƣợng hơi nƣớc ngƣng tụ và gia số trữ lƣợng ẩm trên bề mặt và trong đới thông khắ.
- Phƣơng pháp sân cân bằng đối với lớp chứa nƣớc: phƣơng pháp này dựa vào lời giải phƣơng trình thấm không ổn định dạng sai phân của G.N. Kamenxki để tắnh cung cấp của nƣớc mƣa cho NDĐ. Để áp dụng phƣơng pháp này, ngƣời ta
thƣờng thiết kế sân cân bằng có 5 lỗ khoan để xác định dòng chảy hai chiều, hoặc tuyến có 3 lỗ khoan để xác định dòng chảy một chiều. Trong thực tế phƣơng pháp áp dụng cho vùng động thái tự nhiên.
- Phƣơng pháp cân bằng nƣớc trung bình nhiều năm: B.I.Kudelin lập luận, phƣơng pháp này đƣợc áp dụng để xác định trữ lƣợng động tự nhiên của nƣớc actezi qua giá trị cung cấp trong miền cung cấp ở phần rìa của bồn và qua giá trị thoát vào các thung lũng sông trong miền thoát. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là có thể dựa vào các tài liệu về địa chất, ĐCTV, thủy văn để tắnh toán dự vào các số liệu lƣợng mƣa, lớp dòng sông, lƣợng bốc hơi trung bình năm. Do ƣu điểm đó, phƣơng pháp này đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong thực tế để đánh giá trữ lƣợng động tự nhiên của NDĐ.
Nhóm phƣơng pháp thủy văn
- Phƣơng pháp xác định trữ lƣợng động tự nhiên qua hiệu số lƣu lƣợng dòng sông tại 2 mặt cắt thủy văn: phƣơng pháp mặt cắt thủy văn đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp NDĐ có mối liên hệ chặt chẽ với dòng mặt, và thƣờng dùng đối với các sông ở vùng núi. Khi đánh giá trữ lƣợng theo phƣơng pháp này cần bố trắ 2 trạm đo lƣu lƣợng trên sông khống chế diện tắch vùng NDĐ cần đánh giá trữ lƣợng động.
- Phƣơng pháp dựa vào kết quả nghiên cứu dòng chảy kiệt của sông: về mùa khô, khi không có sự cung cấp của nƣớc mƣa, lƣu lƣợng đo đƣợc ở các sông suối chắnh là lƣu lƣợng dòng ngầm, chúng đƣợc thoát ra từ các tầng chứa nƣớc. Từ số liệu đo đạc thủy văn và hoàn nguyên số liệu xác định đƣợc dòng chảy mặt nhỏ nhất trên các sông và xác định giá trị mô đun dòng chảy ngầm.
Dựa vào nhiều giá trị modul dòng chảy ngầm xây dựng đƣợc bản đồ modul dòng chảy ngầm, dựa vào bản đồ này xác định đƣợc trữ lƣợng động tự nhiên của toàn vùng hay một tầng chứa nƣớc.
- Phân chia biểu đồ thủy văn của sông: trong biểu đồ thuỷ văn thành phần dòng mặt nằm ở phần trên của biểu đồ còn thành phần dòng ngầm nằm ở phần dƣới cùng. Sự phân bố của thành phần dòng ngầm trong sông phụ thuộc rất lớn vào quan
hệ của NDĐ với nƣớc mặt vào hình thức thoát của NDĐ ra sông và đó đƣợc phân loại trong công trình nghiên cứu của Kudeli.
Phần lớn các sông ở vùng núi, trong suốt chu kỳ thuỷ văn NDĐ luôn cung cấp cho nƣớc mặt. Để xác định thành phần dòng ngầm trong sông ta phải xây dựng biểu đồ lƣu lƣợng theo thời gian, sau đó trên cơ sở quan hệ thuỷ lực giữa sông và NDĐ để phân chia biểu đồ thuỷ văn của sông thành các thành phần dòng mặt và dòng ngầm. Trong phƣơng pháp này, khó khăn nhất là xác định cực đại của dòng ngầm và xác định thời điểm dòng chảy của sông hoàn toàn là dòng ngầm.
- Phƣơng pháp dựa vào kết quả phân tắch chất lƣợng nƣớc mặt, NDĐ: phƣơng pháp này sử dụng để đánh giá gần đúng trữ lƣợng động tự nhiên của NDĐ.
- Phƣơng pháp dựa vào kết quả đo lƣu lƣợng các mạch nƣớc: nếu NDĐ thoát ra hoàn toàn trên mặt đất dƣới dạng mạch nƣớc thì lƣu lƣợng của nó có thể tắnh lƣu lƣợng qua các mạch nƣớc. Có thể sử dụng phƣơng pháp này trong các thung lũng sông, đáy cách nƣớc của lớp chứa nƣớc nằm cao hơn MN cao nhất trong sông, cũng nhƣ trong vùng núi NDĐ xuất lộ trên mặt đất dƣới dạng các mạch nƣớc tập trung.
Nhóm phƣơng pháp thực nghiệm đo trực tiếp lƣợng cung cấp thấm
Đây là phƣơng pháp đo trực tiếp lƣợng cung cấp cho NDĐ do ngấm từ nƣớc mƣa. Để thực hiện phƣơng pháp này ngƣời ta thƣờng bố trắ các bãi thắ nghiệm chuyên môn gọi là Lizimet. Bãi thắ nghiệm đƣợc xây dựng với các điều kiện giống trong điều kiện tự nhiên nhất. Các thiết bị kỹ thuật đƣợc lắp đặt để xác định trực tiếp lƣợng cung cấp cho NDĐ. Để có kết quả chắnh xác, vị trắ bãi thắ nghiệm phải đƣợc lựa chọn tại vị trắ đặc trƣng cho vùng đánh giá, thiết bị đo phải bảo đảm sai số nằm trong giới hạn cho phép.
Nhóm phƣơng pháp tƣơng tự ĐCTV
Trong nhiều trƣờng hợp ngƣời ta áp dụng phƣơng pháp tƣơng tự ĐCTV trên cơ sở dựa vào những tài liệu về đặc điểm ĐCTV ở những khu có đủ thông tin cho những khu nghiên cứu có điều kiện tƣơng tự mà thực tế không thể tiến hành nghiên cứu thực địa, phƣơng pháp này có thể sử dụng:
- Để đánh giá trữ lƣợng khai thác NDĐ theo thông số tổng hợp đặc trƣng cho toàn bộ quá trình hình thành trữ lƣợng. Thông số có thể là mô đun trữ lƣợng khai thác đƣợc xác định theo tài liệu của các công trình lấy nƣớc tƣơng tự đang hoạt động.
- Để xác định các thông số mà không thể xác định chắnh xác đƣợc theo tài liệu thăm dò (hệ số nhả nƣớc trọng lực, hệ số thấm của các lớp thấm nƣớc, thấm nƣớc yếu, ngăn cách).
- Để điều chỉnh và chọn sơ đồ tắnh toán.
- Để đánh giá trữ lƣợng khai thác, vấn đề quan trọng nhất là điều kiện địa chất thuỷ văn và các nguồn hình thành trữ lƣợng khai thác NDĐ trên diện tắch nghiên cứu và diện tắch chuẩn phải giống nhau.
Khi luận chứng cho khả năng tƣơng tự giữa khu chuẩn và khu nghiên cứu cần phải so sánh các yếu tố chủ yếu quyết định điều kiện hình thành trữ lƣợng khai thác NDĐ và giá trị của chúng (điều kiện thế nằm của tầng chứa nƣớc, các điều kiện biên, thành phần của đá chứa nƣớc, điều kiện cung cấp, khả năng sử dụng các thành phần trữ lƣợng, tắnh chất và thành phần trầm tắch của lớp phủ). Sự tƣơng tự có các biểu hiện ở tất cả các mặt hoặc từng phần, sự tƣơng tự trên tất cả các mặt thì mức độ giống nhau về điều kiện địa chất thuỷ văn của khu chuẩn và khu nghiên cứu phải đƣợc xác định đối với tất cả các yếu tố quyết định trữ lƣợng khai thác NDĐ, còn khi tƣơng tự từng phần thì chỉ xem xét theo một số yếu tố kể trên.
Phƣơng pháp mô hình
Trong những điều kiện ĐCTV phức tạp do sự không đồng nhất về tắnh thấm, bởi hình dáng phức tạp của vùng nghiên cứu, bởi sự thay đổi theo thời gian các nguồn hình thành trữ lƣợng NDĐ, do sự có mặt của một số tầng chứa nƣớc có quan hệ thủy lực với nhau thì áp dụng phƣơng pháp mô hình là hợp lắ nhất.
Một trong những phƣơng pháp để nghiên cứu quá trình chuyển động và truyền các phần tử vật chất của NDĐ là phƣơng pháp mô hình. Đó là công cụ để mô phỏng gần đúng các trƣờng hợp thực tế, bao gồm các mô hình vật lý và mô hình toán. Mô hình vật lý có thể phân loại thành mô hình tƣơng tự hình học và tƣơng tự