3, trang 625, Hình 1, trang 629, Hình 4, trang 630 Hình 5, Liên hiệp địa chất Hoa Kỳ 1967)
5.5.8. Dòng chảy nước ngầm trong các tầng ngậm nước ven biển
Lưu lượng nước ngầm trực tiếp tới biển được xem là nhỏ so với dòng chảy sông ngòi, ước tính khoảng 5% tổng lượng nước ngọt chảy ra từ lục địa (Zekster và Dzhamalov, 1981). Tuy nhiên, tầm quan trọng của nước ngầm ven biển dường như chắc chắn là lớn hơn giá trị nhỏ này, vì là do mật độ cao của dân số đầu người ở các vùng ven biển và tính nhạy cảm của tầng ngậm nước ven biển tới sự suy biến bởi sự xâm nhập nước mặn (UNESCO, 1987). Do đó, những cố gắng liên tục để xác định với độ chính xác cao hơn lưu lượng nước ngọt chảy vào trong tầng nước ngầm ven biển (ví dụ Roxburgh, 1985, Guglielmi và Prieur, 1997).
ở các vùng ven biển thường có một gradient thuỷ lực hướng về phía biển và dẫn tới dòng chảy nước ngầm hướng về phía biển do đó nó hạn chế hiệu quả sự xâm nhập vào đất liền dưới mặt của nước mặn. Trong các điều kiện nước ngầm không áp, với mặt nước ngầm dốc về phía mặt biển ở đường bờ, khối nước ngầm có dạng một thấu kính nước ngọt “nổi” trên tầng không thấm nước ở các còn cát ven biển. Điều này đã được Badon Ghijben (1889) và Herzberg (1901) khám phá ra và xác định được độ cao của cột nước thấu kính. Giả sử các điều kiện thuỷ tĩnh và một đới xáo trộn không đáng kể quan hệ Ghijben-Herzberg có thể được viết bằng:
f f f s f s h h h (5.7) trong đó: hs là độ sâu của nước ngọt bên dưới mực nước biển, f là mật độ của nước ngọt, slà mật độ nước biển và hf là độ cao của mặt nước ngầm bên dưới mực nước biển.
Phương trình này chỉ ra rằng nước ngầm mặn được bắt gặp, không phải ở mực nước biển mà ở một độ sâu dưới mực nước biển tương đương với lần cao độ của mặt nước ngầm trên mực nước biển, phản ánh sự cân bằng thuỷ tĩnh giữa nước ngầm ngọt nhẹ hơn và nước ngầm mặn nặng hơn (Hình 5.21(a)). Nước ngọt có mật độ bằng 1.00 g/cm3 và nước mặn sẽ có mật độ bằng 1.02-1.03 g/cm3, tuỳ thuộc vào nhiệt độ và độ muối. Với s =1.025 thì =40.
Trong các tầng ngậm nước được phân lớp về mặt địa tầng học có thể có nhiều hơn một nêm mặn. Hình 5.21(b) minh hoạ một trường hợp đơn giản trong sự có mặt của một lớp bán thấm bị giới hạn và giả sử dòng chảy ổn định và mặt tiếp xúc rõ ràng giữa nước ngầm mặn và ngọt. Collín và Gelhar (1971) đã chú ý rằng nêm mặn trong tầng ngậm nước không áp trên cùng phải xâm nhập trong đất liền từ đường bờ. Tuy nhiên, nêm này trong tầng ngậm nước thấp hơn có thể cũng không xâm nhập thậm chí xa hơn vào trong đất liền, như đã chỉ ra trong sơ đồ, có thể tồn tại về phía biển của đường bờ nếu có một cột nước ngọt đủ lớn ở điểm kết thúc về phía đất liền của lớp bán thấm.
Mặt tiếp xúc giữa nước ngầm ngọt và mặn không phải được xác định rõ ràng như trong hình 5.21. Các giao động thuỷ triều cũng như những thay đổi của lưu lượng nạp vào và lượng thoát đã liên tục phá vỡ cân bằng giữa nước ngọt và nước biển và làm cho mặt tiếp xúc này giao động (ví dụ Pietrucien, 1985). Những giao động này, cùng với sự khuyếch tán của nước mặn, phá huỷ mặt phân cách rõ ràng và tạo ra một đới khuyếch tán truyển tiếp của nước lợ thay vào (Stringfield và Legrand, 1971). Điều này được minh hoạ rõ ràng, cho tầng ngậm nước bởi Biscayne gần Miami, Florida, trong hình 5.22(a).
Hubbert (1940) đã chứng minh rằng một trạng thái động lực khác xa với cân bằng thuỷ tĩnh phải tồn tại ở mặt tiếp xúc này hoặc sẽ không có phương thức cho nước ngọt để thoát ra vào trong nước biển. Cũng như vậy, độ sâu tới mặt phân cách sẽ lớn hơn được chỉ ra bởi quan hệ Ghijben-Herzberg đơn giản. Với gradient thuỷ lực thấp sự khác biệt là nhỏ, nhưng với gradient thuỷ lực cao chúng có thể là lớn và luôn luôn tồn tại dòng chảy liên tục của nước mặn từ biển vào trong đới khuyếch tán. Chỉ theo cách thức này lưu lượng liên tục của nước mặn từ đới phân tán vào trong biển có thể được duy trì, gradient nồng độ ngang qua đới khuyếch tán sẽ quá yếu để tính toán cho vận chuyển muối theo cách thức phân tán háy khuyếch tán. Vì vậy muối được vận chuyển vào trong đới khuyếch tán phần lớn bởi một dòng chảy nước mặn với một tổn thất cột nước hệ quả trong môi trường nước mặn (Cooper và những người khác, 1964). Điều này là rõ ràng từ các đường đẳng thế trong tầng ngậm nước Biscayne (Hình 5.22(b)) thể hiện rằng các cột nước âm, dưới các dạng mật độ nước biển, tồn tại trong môi trường nước biển. Như một kết quả, mặt tiếp xúc giữa nước mặn và nước ngọt sẽ xuất hiện về phía biển của mặt nước ngầm được đánh giá từ quan hệ Ghijben-Herzberg.
Hình 5.21 Sơ đồ giản hóa thể hiện quan hệ thủy tĩnh Ghijben-Herzberg trong (a) một tầng ngậm nước ven biển đồng nhất và (b) một tầng ngậm nước ven biển phân tầng
Sự giảm nước ngầm từ các tầng ngậm nước ven biển sẽ giảm dòng nước ngọt và gây nên sự hạ thấp cao độ mặt nước ngầm và mặt đo thế năng. Đến lượt, sự hạ thấp này có thể thực sự dẫn tới sự xâm nhập của nước mặn và sự nhiễm mặn dài hạn của tầng ngậm nước. Vấn đề này đã xảy ra ở nhiều vùng, gồm có Hà Lan, Tây Ban Nha, Israel, Pháp, Mỹ, Italy và Anh (UNESCO, 1987). Trong một số trường hợp sự tồn tại của nước mặn trong các tầng ngậm nước ven biển có thể thể hiện phần còn lại của một sự xâm lấn nước biển trước đây. Hiện tượng này xảy ra ở vùng đất tương đối thấp hơn và sự xâm nhập mặn có dạng của một cái nêm nước mặn cao bên dưới một khối nước ngọt chảy về phía biển ở trên mặt. Sự có mặt của nước mặn trong tầng đá phấn dọc theo các phần của ven biển Đông Yorkshire, Norfolk và Suffolk của nước Anh có lẽ có thể là một ví dụ theo cách thức này (Buchan, 1963), hoặc các vịnh khác ở Đại Tây Dương của Hoa Kỳ (Siple, 1965) cũng có tính chất tương tự.