3, Liên hiệp địa chất Hoa Kỳ)
6.4.4 Sự di chuyển hướng lên phía trên của nước trong đất từ mực nước ngầm
ngầm
Chắc chắn rằng ở phía trên mực nước ngầm, sức căng mao dẫn giữ đầy nước trong các lỗ rỗng của đất. Đây là các tua mao dẫn hay là sức căng của tầng bão hoà. Các nhà thuỷ văn thường quan tâm tới cả quy mô phát triển thẳng đứng của tua mao dẫn và ảnh hưởng của nó lên trắc diện nước trong đất, tốc độ của dòng mao dẫn và khả năng đất cung cấp nước cho sự bốc hơi từ bề mặt đất và từ đới rễ cây. Bề dày của các tua mao dẫn tương ứng với giá trị không khí đi vào, đó là sự hút cần thiết cho không khí đi vào trong các lỗ rỗng lớn nhất. Bề dày này nhìn chung là lớn hơn đối với đất sét và nhỏ hơn cho các loại đất cát. Nhưng khi các loại đất chứa đựng các lỗ mao dẫn trong một điều kiện của kích thước các hạt và không gian lỗ, chiều cao dâng lên của cột mao dẫn sẽ làm thay đổi không gian bên trong của một loại đất nhất định. Trong những vùng nơi mà đỉnh của các tua mao dẫn là dâng lên tới bề mặt đất nó có thể giữ vai trò quan trọng trong sự sản sinh nhanh dòng chảy mặt nói chung (xem “vai trò của nước ngầm” trong chương 7). Từ đó khi ta chỉ thêm một lượng nước nhỏ vào trong đất sẽ làm giảm sức hút của đất và không gây ra một sự dâng lên đột ngột của mực nước ngầm (Sklash và Farvolden, 1979; Gillham, 1984; Jâytilaka và Gillham, 1996).
Sự dâng lên của ống mao dẫn cũng mở rộng lên phía trên tầng hút bão hoà và bằng giá trị trung bình của sự di chuyển của nước qua lớp nước mỏng có hình dạng không đều và có sự thay đổi trong kích thước theo không gian bên trong đới không bão hoà. Tốc độ và chiều của sự di chuyển sẽ được xác định bởi độ lớn của dẫn suất thuỷ lực không bão hoà và bao gồm gradient của các lực hút mao dẫn và trọng lực. Sự bốc hơi tạo ra một sự thúc đẩy làm tăng gradient sức hút ẩm của đất và có hướng di chuyển lên phía trên theo hướng bề mặt đất và đới rễ cây. Trừ khi tốc độ của sự di chuyển hướng lên phía trên là rất nhỏ. Lúc này ở các lớp đất này có sự mất nước do sự bốc hơi.
Tốc độ dâng lên của nước mao dẫn lớn nhất bị chi phối bởi độ sâu của mực nước ngầm và kết cấu đất. Hình 6.16 so sánh tốc độ lớn nhất của dòng mao dẫn ổn định tại các chiều cao khác nhau trong một loại đất có kết cấu thô và kết cấu mịn khác nhau. Thường trong đất có kết cấu thô, hầu hết các đường cong độ cao mao dẫn đều có cao khác nhau và tại độ cao lớn nhất cho biết rằng tốc độ lớn nhất của dòng mao dẫn và phụ thuộc vào chiều cao phía trên mực nước ngầm và ít phụ thuộc vào gradient sức hút đặt tại bề mặt đất. Khả năng bốc thoát hơi nước của trắc diện đất bị giới hạn bởi tốc độ bốc hơi mất đi qua môi trường dẫn suất thuỷ lực và đó là một nét đặc trưng đáng chú ý và bổ ích khi nghiên cứu hệ thống dòng chưa bão hoà (Hillel, 1982). Một ví dụ đối với loại đất ở một độ sâu của mực nước ngầm là 60 cm sẽ tạo ra một dòng mao
dẫn lớn nhất khoảng 5 mm/ngày. Độ cao này suy giảm tới khoảng 1 mm /ngày khi độ sâu mực nước ngầm là 90 cm. Trong đất có cấu trúc mịn, mặt cắt ngang của các đường cong mao dẫn không phát triển tốt, mặc dù ảnh hưởng của độ sâu mực nược ngầm có thể vẫn nhìn thấy một cách rõ ràng.
Hình 6.16 Tốc độ dòng mao dẫn cực đại (mm/ngày) tại những độ cao khác nhau trên mặt nước ngầm, liên quan tới sự hút ẩm tại mặt đất (a) đất có kết cấu hạt thô và (b) đất có kết cấu hạt mịn (theo sơ đồ của Wind,
1961)
Hình 6.16 đề suất rằng, với gradient sức hút thích hợp, tốc độ của dòng mao dẫn rất nhỏ có thể xảy ra tại chiều cao đáng kể phía trên mực nước ngầm. Trong phòng thí nghiệm đã làm thí nghiệm và trong thực tế đã nhận biết sự di chuyển của cột nước mao dẫn theo khoảng cách thẳng đứng quan trắc được tối thiểu 7 m (Gardner và Fireman, 1958). Đặc biệt những vùng khô hạn và bán khô hạn, cột nước mao dẫn dâng cao và tốc độ của sự bốc hơi cao, sự di chuyển nước trong đất có thể dẫn tới sự tích luỹ muối tại bề mặt đất và gây thiệt hại cho sản xuất, thậm chí có nơi mực nước ngầm rất thấp nhưng cũng có hiện tượng này (Wind, 1961). Hiện tượng dâng nước trong ống mao dẫn có thể xảy ra trên một phạm vi của mặt cắt thẳng đứng lên tới đới không bão hoà. ở đây cũng cần nghiên cứu ảnh hưởng của dâng nước mao dẫn theo bề ngang trong trắc diện đất và nghiên cứu tốc độ di chuyển của nước trong các ống mao dẫn (Bloemen, 1980). Sự thảo luận về dẫn suất thuỷ lực trong mục 6.4.1 thể hiện rằng trong các điều kiện ẩm ướt các loại đất có cấu trúc thô có dẫn suất cao hơn đất sét, trong điều kiện khô hạn thì ngược lại với điều này. Phù hợp với tốc độ lớn nhất của sự dâng lên của nước trong ống mao dẫn các loại đất có kết cấu trở nên mịn hơn thì chiều cao của nước mao dẫn có thể dâng cao trên mực nước ngầm (Wind, 1961). Điều này rất quan trọng đối với thuỷ văn ở những vùng khác nhau của Hà Lan vì ở đây có mực nước ngầm nông và sự di chuyển của nước trong đất liên kết chặt chẽ với các điều kiện trong đới bão hoà (cho ví dụ Querner, 1997).