4.2.1 Nước trong đới thông khí
Đới thông khí là tầng đất nằm ngay dưới mặt đất và không bão hoà nước thường xuyên. Trong đới này có thể có hơi nước, nước mao dẫn, nước bão hoà không thường xuyên xuất hiện trong quá trình thấm trọng lực và nước thấu kính. Hơi nước có trong các lỗ rỗng, có thể
chuyển dịch theo dòng khí trao đổi với khí quyển, tạo nước hấp phụ và ngưng tụ. Hơi nước trong đất có vai trò quan trọng đối với việc tạo vi khí hậu, cần thiết cho hệ sinh vật đất và thành tạo đất.
Nước mao dẫn tồn tại trong các mao mạch, khe đất rất nhỏ, hình thành và di chuyển do tác động của lực mao dẫn gây nên bởi sức căng mặt ngoài của nước. Nước mao dẫn có giá trị
rất lớn đối với sống sinh vật. Trong đất tồn tại các dạng nước mao dẫn khác nhau như mao dẫn góc, mao dẫn dâng và mao dẫn treo. Mỗi loại đất đá có khả năng dâng nước mao dẫn khác nhau. Độ cao cột nước dâng mao dẫn cực đại có giá trị tương đối ổn định, phụ thuộc vào loại đất, kích thước lỗ hổng, thành phần, tính chất hoá học của nước dâng và thời gian nước dâng. Trong cát thô, độ cao này đạt tới 35cm sau 3 tháng dâng nước liên tục, trong sét - 500cm sau 1 năm dâng nước liên tục. Công thức Druren tính gần đúng độ cao nước dâng cực
đại có dạng sau:
Hmax = 0,15 . r-1 (4.1) trong đó r - bán kính mao mạch.
Nước thấu kính là loại nước bão hoà, bị giữ lại phía trên các thấu kính không thấm nước nhỏ, phân bố xen kẽ trong đới thông khí. Nước này thường có lượng nhỏ, động thái biến đổi mạnh và chất lượng kém, chỉ có ý nghĩa cấp nước cục bộ quy mô nhỏ cho các đối tượng dùng nước không cần chất lượng cao.
Đới thông khí có khả năng chứa nước tạm thời hoặc cho nước đi qua, do đó nó là nhân tố
quyết định đặc điểm quá trình thấm lượng tổn thất nước do thấm trong quá trình hình thành dòng chảy do mưa, do đó nó là một trong những nhân tố điều tiết phân phối lại dòng chảy theo không gian và thời gian. Các nhân tốảnh hưởng đến quá trình thấm là thành phần và tính chất của đất, độ ẩm đất, đặc điểm của quá trình cấp nước cho thấm. Mỗi loại đất đá có một khả năng thấm qua nhất định, đặc trưng bằng cường độ thấm ổn định, còn lượng nước cần thiết để bão hòa các lỗ hổng thì phụ thuộc độ rỗng của đất và độẩm đất. Cường độ thấm trong mỗi trận mưa giảm dần theo thời gian, tương ứng với sự tăng dần mức bão hoà nước trong các lỗ rỗng. Công thức Alecxâyep tính cường độ mưa theo thời gian có dạng:
V = K + a. t-1/2 (4.2)
trong đó: K- cường độ thấm ổn định, t- thời gian thấm; Tham số phụ thuộc tính chất thuỷ
lý, độ hụt ẩm bão hoà của đất.
Quá trình bão hoà nước tạm thời trong đới thông khí có thể xảy ra khi: 1- Nước ngấm xuống làm tăng dần mực nước ngầm; 2- Trên mặt đất tồn tại lớp nước bão hoà cấp đồng bộ và liên tục cho quá trình thấm, dẫn đến miền bão hoà đi từ trên xuống. Quá trình bão hoà thứ hai này là cơ sở cho hình thành dòng chảy treo, hay còn gọi là dòng dưới mặt, dòng thổ nhưỡng, là loại dòng chảy dưới mặt đất, nhưng lại có điều kiện tập trung khá nhanh về lưới sông, sinh lũ ác liệt và bất ngờ.
4.2.2 Nước trong đới bão hoà
Đới chứa nước bão hoà bao gồm một số tầng chứa nước bão hoà nằm xen kẽ với các đáy cách nước. Tầng chứa nước bão hoà nằm trên đáy cách nước thứ nhất gọi là tầng nước ngầm. Tầng chứa nước trọng lực bão hoà kẹp giữa hai đáy cách nước gọi vỉa nước. Dưới đây là những dạng nước thường gặp nhất:
Nước ngầm lỗ hổng, có trong các nón phóng vật, bồi tích thung lũng sông, trầm tích ven biển. Các nón phóng vật hoặc bình nguyên trước núi thường là lớp trầm tích hạt thô khá dày, phân bố tương đối rộng, thấm và chứa nước tốt, điều kiện cấp nước thuận lợi, nên lượng nước dồi dào, phục hồi nhanh. Bồi tích thung lũng sông thường sắp xếp có quy luật trong mỗi chu kỳđịa chất: phần dưới hạt thô hơn, thường là cuội sỏi, lên trên mịn dần, thường là sét, sét pha,
do đó các thung lũng sông có khả năng thấm và chứa nước ngầm tốt theo tầng, điều kiện phục hồi thuận lợi. Chất lượng hai loại nước trên dễ biến động và phụ thuộc nhiều vào các tác động trên mặt liên quan đến thấm. Trầm tích ven biển có khả năng chứa nước tốt, nhưng phần dưới thường là nước mặn. Nước ngọt tầng trên có dạng hình nêm ở ven bờ, hoặc thấu kính ở các
đảo. Ranh giới giữa hai phần là một dải chuyển tiếp từ từ, có thể di động tuỳ thuộc tương quan giữa khả năng cấp và mức tiêu thụ nước ngọt. Do vậy tầng nước này rất nhạy cảm với ô nhiễm và nhiễm mặn.
Nước ngầm khe nứt, phân bố trong các khe nứt đủ loại như nguyên sinh, phong hoá, kiến tạo. Trong tầng gần mặt đất có mặt đầy đủ các loại khe nứt, có thể thông nhau tạo thành tầng chứa nước liên tục, hoặc đã bị lấp một phần bởi các sản phẩm phong hoá bở vụn làm giảm khả năng chứa và lưu thông nước. Lưu lượng khai thác loại nước này thường không cao, không quá vài trăm lít/ngày. Trong các tầng đất sâu hơn chủ yếu gặp khe nứt kiến tạo riêng rẽ, cắt qua nhiều loại đất đá có tính chứa nước khác nhau, do đó nước có thể có tính có áp, có nhiệt độ và độ khoáng hoá cao. Trong đá phun trào bazan, hệ thống khe nứt nguyên sinh phát triển khá đều và mở rộng nên khả năng chứa nước tốt, lưu lượng lỗ khoan tới vài trăm lít/ngày. Tuy nhiên tầng trên cùng, do phong hoá triệt để thành lớp đất đỏ phì nhiêu, nên thấm nước rất kém.
Nước ngầm caxtơ phân bố trong các hang động caxtơ thường có kích thước lớn và thông nhau tốt, do đó có trữ lượng lớn và động thái biến đổi mạnh, lan truyền ô nhiễm nhanh.
Nước vỉa là loại nước nằm trong lớp đất đá thấm nước tốt kẹp giữa hai lớp cách nước, thường phân bố sâu, động thái biến đổi chậm, khả năng tiếp xúc với nguồn ô nhiễm cũng như
khả năng tự làm sạch hạn chế. Nước có thể thuộc loại có áp hoặc không áp.
4.3 Chế độ nước dưới đất
Mức biến động chếđộ nước dưới đất phụ thuộc vào các yếu tố sau: 1- Điều kiện khí hậu miền cấp và miền phân bố; 2- Mức độ và khả năng lưu thông với nước mặt; 3- Khả năng thấm nước, chứa nước, giữ nước, cấp nước, biến đổi chất lượng nước của tầng đất đá.
Yếu tố nguồn cấp bao gồm cường độ cấp nước, thời gian cấp nước và chất lượng nước cấp. Đối với nước cấp là mưa, yếu tố này phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, địa hình, thảm phủ
thực vật, kích thước miền cấp và tác động của con người. Đối với nguồn cấp là nước của thuỷ
vực khác, yếu tố nguồn cấp bao gồm đặc điểm chất lượng nước nguồn và mối quan hệ thuỷ
lực giữa hai thuỷ vực, kích thước miền quan hệ. Nhìn chung các tầng nước nằm càng sâu càng khó có khả năng trao đổi nước tích cực, nên lượng nước biến đổi chậm và khả năng tái tạo hạn chế. Càng xuống sâu nhiệt độ đất càng cao, do đó nước dưới đất có thể có nhiệt độ cao. Mức nhiệt độ phụ thuộc vào độ sâu, miền chuyển qua và thời gian chuyển dịch.
Những dao động mực nước do mưa, gây biến động trữ lượng, diễn ra rộng khắp và có tính quy luật nhất định, phản ánh tính biến động có chu kì theo mùa và nhiều năm của tài nguyên, nhưng diễn biến chậm, lệch pha về thời gian và nhỏ hơn về biên độ so với chế độ
nước mặt.
Những dao động mực nước gắn với biến động cung cầu bất thường thường diễn ra trong phạm vi hẹp hơn và mang tính địa phương. Ví dụ như: Trong vùng nước ngầm bị khai thác nhân tạo bằng giếng, gương nước ngầm có thể bị hạ thấp trên một diện rộng và có dạng hình phễu. Trong các tầng nước ngầm lưu thông trực tiếp với nước sông, khi mực nước sông lên cao hơn mực nước ngầm, sẽ xảy ra quá trình điều tiết bờ, trong đó nước sông xâm nhập mạnh vào tầng ngầm, làm thay đổi độ dốc mặt nước, hướng chảy, làm tăng trữ lượng nước ngầm,
đồng thời làm giảm cường suất lũ lên và cao trình đỉnh lũ trong sông. Khi mực nước sông giảm, lượng nước điều tiết được cấp trả lại sông, làm tăng dòng chảy sông. Những vùng bờđã bị bê tông hoá sẽ mất khả năng điều tiết dòng chảy theo cơ chế này.
Nhiệt độ nước dưới đất chịu tác động của điều kiện khí hậu miền cung cấp và phân bố. Nhưđã biết, dao động nhiệt độ ngày đêm của đất đá không truyền quá độ sâu 1-2m, theo mùa không truyền quá độ sâu 8 - 10m và theo năm không truyền quá độ sâu 15 - 30m. Dưới đó là
đới nhiệt độ tăng dần theo độ sâu. Do đó nước dưới đất có chếđộ nhiệt phân hoá rõ nét, có thể được dùng làm cơ sở cho nghiên cứu nguồn gốc của nó. Theo nhiệt độ nước dưới đất được chia thành sáu loại: lạnh < 30oC; ấm 30 – 35oC; nóng 35 – 50oC; rất nóng 50 – 70oC; quá nóng 70 - 100oC; nước sôi > 100oC.
Chế độ khoáng của nước dưới đất biến đổi không có quy luật rõ rệt. Độ khoáng hoá của nước chịu ảnh hưởng trực tiếp của nguồn cấp, môi trường chứa và đặc điểm quá trình tiêu hao. Thông thường nước dưới đất có độ khoáng hoá cao hơn nước mưa và nước mặt. Do vậy vùng mặt đất thuận lợi cho bốc hơi nước dưới đất tự nhiên sẽ có nguy cơ bị mặn hoá cao. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng nước trong các lớp trầm tích mặn dần theo độ sâu, gần tầng mặt nước nhiều sulfat, lớp trung gian nhiều muối bicacbonat, ở lớp sâu nhất nước có nồng độ
clo cao hơn.
Theo độ khoáng hóa nước khoáng được chia thành năm loại: rất thấp <1g/l; thấp 1 - 5g/l; trung bình: 5 - 10g/l; cao 10 - 35g/l; rất cao >35g/l.
Chương 5
HIỆN TRẠNG KHAI THÁC, SỬ DỤNG NƯỚC VÀ
TÁC ĐỘNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG
5.1 Nhu cầu, phương thức khai thác nước và hệ quả
Toàn thế giới hiện tiêu thụ 3.500 km3 nước một năm, tăng 35 lần trong 300 năm gần đây. Thế kỷ trước, lượng nước dùng của Mỹ tăng gấp bốn, châu Âu tăng gấp đôi. Lượng nước dùng của các quốc gia đang phát triển trong những năm 50 tăng 4 - 8%/năm, còn trong những năm 80, 90 tăng chậm hơn, chỉ khoảng 2 - 3%/năm.
Nhu cầu nước dùng của nhân loại tăng do: Gia tăng dân số và đô thị hoá.
Tăng nhu cầu lương thực và hàng hoá công nghiệp. Ô nhiễm nước.
Tại Mỹ, ước tính trong 30% gia tăng lượng nước dùng những năm 70 thì 19% do tăng dân số trực tiếp, còn 11% do tăng nhu cầu dùng nước của các cư dân cũ.
5.1.1 Tiêu thụ nước trong nông nghiệp
Trước đây, hiện nay và trong tương lai gần, nông nghiệp vẫn là đối tượng tiêu thụ nước lớn nhất.
Tưới tạo ra hàng loạt hiệu quả trực tiếp như:
Cải tạo đất và vi khí hậu (tạo độẩm, giữấm, rửa trôi muối và các chất có hại…). Giảm thiệt hại do thiên tai.
Tăng thời vụ và hệ số sử dụng đất.
Thay đổi cơ cấu cây trồng, đa dạng hoá nông sản. Tăng năng suất, sản lượng, giá trị kinh tế của sản phẩm. Tạo việc làm, thu nhập, xoá đói giảm nghèo và làm giàu.
Đảm bảo an ninh lương thực
Theo FAO (1988) 17% diện tích đất canh tác đã được thuỷ lợi hoá, cung cấp cho nhân loại 36% sản lượng lương thực có mức đảm bảo ổn định cao. Do đó tưới là giải pháp chính để
giải quyết vấn đề lương thực trong điều kiện dân số gia tăng và nguy cơ đất canh tác giảm hiện nay.
Diện tích đất được tưới tăng rất nhanh, năm 1800 là 8 triệu ha, 1900 là 48 triệu ha và 1990 là 220 triệu ha. 3/4 đất được tưới nằm ở các nước đang phát triển, nơi sản xuất ra 60%
lượng gạo và 40% lượng lúa mì của các nước này. Nước cấp cho nông nghiệp hiện chiếm >1/2 tổng lượng tiêu thụ, trong đó 30% lấy từ dưới đất.
Nhu cầu lượng nước tưới phụ thuộc vào độ thiếu ẩm thực tế của đất, điều kiện thời tiết, loại cây và giai đoạn sinh trưởng của cây. Lượng cần tưới biến đổi theo thời gian và dao động nhu cầu thường không trùng pha với biến động nước tự nhiên.
Bảng 5.1.
Tỷ trọng dùng nước các khu vực trên thế giới
Vùng Công nghiệp % Nông nghiệp % Sinh hoạt %
Bắc và Trung Mỹ Nam Mỹ Châu Âu Châu Phi Châu Á Châu Đại dương 42 22 54 5 8 2 49 59 33 88 86 34 9 19 13 7 6 64 Toàn thế giới 23 69 8
Mỗi loại cây có những yêu cầu riêng về nước, thích hợp với một phương pháp tưới nhất
định. Nhu cầu nước tưới phụ thuộc loại cây, tuổi cây, điều kiện khí hậu. Ví dụ như: cây ngô thời kỳ nảy mầm và ra lá sử dụng 19%, thời kỳ trổ bông 32%, thời kỳ ra bắp đến khi thu hoạch 49% tổng lượng nước cần. Đối với cây lúa, 3 tuần đầu cần duy trì mức ngập 25mm để
chống cỏ dại và giữđất trong điều kiện khử. Khi ngừng cấp nước vào ruộng thời kỳ ngày thứ
43 - 81, năng suất giảm từ 6,2tấn/ha xuống 4,4 tấn/ha, ngừng cấp nước muộn hơn, từ ngày thứ
63 - 102, năng suất giảm nặng, còn 2,2 tấn/ha. Đáng lưu ý là việc ngừng đưa nước vào ruộng không đồng nghĩa với giảm lượng tưới, vì sau thời kỳ hạn phải tưới một lượng nước lớn hơn
để đưa ruộng về trạng thái bình thường và khi có nước, tốc độ thấm rỉ tăng mạnh. Nghiêm trọng hơn nữa là khi ruộng khô, nitơ sẽ bị ôxy hoá và bay đi.
Các phương pháp tưới phổ biến hiện nay là:
Tưới mặt ngập tạo ra lớp nước ngập tĩnh hoặc chuyển động trên mặt ruộng. Đây là phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng làm tăng thấm, tăng bốc hơi lãng phí nước, tạo nguy cơ
mặn hoá thứ sinh, rửa trôi màu, giảm tính cấu tượng của đất. Tổn thất hệ thống do ngấm ước tính bằng 40%, bốc hơi 20% lượng nước tưới. Chúng thường được biểu thị bằng hệ số lợi dụng kênh mương, là tỷ số giữa nhu cầu tưới của cây (lượng tưới hữu ích hay tưới tinh) và nhu cầu tưới ở công trình đầu mối (nhu cầu tưới thô), biến đổi trung bình từ 0,5 - 0,9.
Tưới ngầm là tưới bằng hệ thống đường ống đặt ngầm cung cấp nước vào đất theo mao dẫn. Ưu điểm của phương pháp là bảo vệ cấu tượng đất, tiết kiệm nước, phù hợp nhu cầu cây trồng, cho phép kết hợp tưới bón không gây ô nhiễm. Nhược điểm là giá thành đắt, hệ thống dễ bị tắc, lớp đất trên mặt bị khô, bất lợi cho cây thời kỳ mọc mầm và còn non.
Tưới phun được thực hiện bằng giàn phun mưa tạo ra sự phân phối nước đều với mức tưới chủđộng, tạo vi khí hậu, rửa sạch không khí, tiết kiệm nước tưới.
Chất lượng nước tưới được đánh giá bằng tổ hợp các chỉ tiêu có tính tới đặc điểm mỗi loại cây, đáng chú ý là các chỉ tiêu sau: 1- Độ khoáng hóa thông thường cho phép ở mức <1g/l
(một số cây chịu mặn cao 2 - 3 g/l); 2- Kích thước phù sa lơ lửng: thích hợp nhất ˜ 0,15mm, lớn hơn gây bồi lắng kênh, nhỏ hơn sinh màng bít lỗ rỗng của đất.
Hàm lượng ion natri và pH có ảnh hưởng nhất định tới chất lượng nước tưới: Khi dung dịch đất có tỷ lệ ion natri cao hơn các ion hoá trị hai thì các khoáng sét trong đất có khuynh