12. Lời cảm ơn
2.4. Đặc điểm của điều kiện biờn sụng Hồng khu vực nghiờn cứu
3.1.2. Xỏc định giỏ trị cỏc thụng số trờn biờn đỏ gốc phớa Tõy Nam
Biờn giữa hai TCN luụn là kiểu điều kiện biờn loại II, nghĩa là lưu lượng nước chảy qua biờn xỏc định (nếu bằng khụng thỡ tầng bờn cạnh TCN nghiờn cứu là tầng khụng chứa nước hoặc là mực nước giữa hai tầng luụn bằng nhau) và khụng phụ thuộc vào mực nước hoặc kiểu điều kiện biờn loại III khi mà lưu lượng thấm qua biờn là hàm số của mực nước của TCN nghiờn cứu. Trong nghiờn cứu này, tỏc giả trỡnh bày cơ sở xỏc định giỏ trị cỏc thụng số ĐCTV, vị trớ của biờn đỏ gốc từ đú xỏc định phõn loại điều kiện biờn và xỏc định giỏ trị cỏc thụng số trờn biờn.
a) Xỏc định giỏ trị cỏc thụng số địa chất thủy văn và vị trớ của biờn đỏ gốc
Trong vựng nỳi và vựng rỡa đồng bằng thường cú sự tiếp xỳc giữa cỏc TCN với hệ số thấm khỏc nhau. Khu vực ven rỡa đồng bằng Tõy Nam thành phố Hà Nội
TCN lỗ hổng phủ trực tiếp lờn cỏc TCN khe nứt hoặc tiếp xỳc với TCN khe nứt - karst, như vậy ở đõy tồn tại biờn cú hệ số thấm khỏc nhau giữa TCN lỗ hổng và TCN khe nứt. Để xỏc định giỏ trị thụng số ĐCTV và vị trớ của biờn đỏ gốc, tỏc giả sơ đồ húa TCN bỏn giới hạn với biờn cỏch nước (biờn khụng dũng chảy) và tớnh toỏn theo phương phỏp giải tớch được tiến hành bằng phộp cộng dũng cú sử dụng lỗ khoan ảo như đối với trường hợp TCN vụ hạn. Trong trường hợp biờn tiếp xỳc với TCN cú chứa nước, khi đú sẽ ỏp dụng đối với điều kiện biờn hệ số thấm khỏc nhau. Sơ đồ minh họa điều kiện ĐCTV đối với vựng được mụ tả như trờn được thể hiện trong Hỡnh 3.1 và Hỡnh 3.2.
Lớp thấm nước yếu Lớp thấm nước yếu Lớp thấm nước yếu Lớp thấm nước yếu Lớp thấm nước yếuLớp thấm nước yếuLớp thấm nước yếuLớp thấm nước yếu
Lớp thấm nước yếu
Tầng chứa nước Tầng chứa nước Tầng chứa nước Tầng chứa nước Tầng chứa nước Tầng chứa nước Tầng chứa nước Tầng chứa nước
Tầng chứa nước
khe nứt khe nứt khe nứt khe nứt khe nứtkhe nứtkhe nứtkhe nứt
khe nứt Ranh giới tầng chứa nước
(T2; a2) (T2; a2) (T2; a2)(T2; a2)(T2; a2)(T2; a2)(T2; a2)(T2; a2)(T2; a2)
Hệ số dẫn nước, Hệ số dẫn nước, Hệ số dẫn nước, Hệ số dẫn nước, Hệ số dẫn nước, Hệ số dẫn nước, Hệ số dẫn nước, Hệ số dẫn nước,
Hệ số dẫn nước,
hệ số truyền áp hệ số truyền áp hệ số truyền áphệ số truyền áphệ số truyền áphệ số truyền áphệ số truyền áphệ số truyền áphệ số truyền áp
Hệ số dẫn nước, Hệ số dẫn nước, Hệ số dẫn nước, Hệ số dẫn nước, Hệ số dẫn nước, Hệ số dẫn nước, Hệ số dẫn nước, Hệ số dẫn nước,
Hệ số dẫn nước,
hệ số truyền áp hệ số truyền áp hệ số truyền áp hệ số truyền áp hệ số truyền áphệ số truyền áphệ số truyền áphệ số truyền áp
hệ số truyền áp
Tầng chứa nước Tầng chứa nước Tầng chứa nước Tầng chứa nước Tầng chứa nước Tầng chứa nước Tầng chứa nước Tầng chứa nước Tầng chứa nước
lỗ hổng lỗ hổng lỗ hổnglỗ hổnglỗ hổnglỗ hổnglỗ hổnglỗ hổnglỗ hổng Lỗ khoan hút nước Mực nước tĩnh (T1; a1) (T1; a1) (T1; a1) (T1; a1) (T1; a1)(T1; a1)(T1; a1)(T1; a1)
(T1; a1)
Hỡnh 3.1. Sơ đồ minh họa mặt cắt ĐCTV trong
vựng cú TCN khụng đồng nhất bỏn vụ hạn trong TCN khụng đồng nhất bỏn vụ hạn Hỡnh 3.2. Sơ đồ tớnh toỏn lỗ khoan
Bài toỏn xỏc định dũng chảy đến lỗ khoan trong một đới nào đú đó được nhiều tỏc giả khỏc nghiờn cứu. Những lời giải này rất phức tạp và khú ỏp dụng vào điều kiện thực tế. Do đú, trong nghiờn cứu này tỏc giả chỉ nghiờn cứu lời giải khi hệ số truyền ỏp của đới thứ nhất (a1) bằng đới thứ hai (a2), tức là a1=a2=a.
Trong quỏ trỡnh hỳt nước thớ nghiệm tại vựng rỡa, nơi cỏc TCN Đệ tứ tiếp xỳc với cỏc TCN khe nứt đặc trưng bởi hệ số thấm khỏc nhau. Điều kiện trờn biờn hệ số thấm khỏc nhau được biểu diễn bởi cụng thức sau [56]:
1 2 2 1 I I T T (3.1)
Trong đú: T1, I1 lần lượt là hệ số dẫn nước và gradien thủy lực của đới thứ nhất; T2 và I2 là hệ số dẫn nước và gradien thủy lực của đới thứ hai. Đới thứ nhất và đới thứ hai đặc trưng cho cỏc TCN cú hệ số thấm khỏc nhau, nằm tiếp xỳc với nhau
qua biờn (được minh họa trong Hỡnh 3.1 và Hỡnh 3.2).
Trong quỏ trỡnh hỳt nước, khi hỡnh phễu hạ thấp mực nước chưa lan đến biờn, đồ thị mực nước hạ thấp theo quy luật hạ thấp trong TCN đồng nhất vụ hạn [68].
) 25 , 2 ( 4 r2 at Ln T Q S (3.2)
Trong đú: S là trị số hạ thấp mực nước tại điểm bất kỳ xung quanh lỗ khoan
hỳt nước (m); Q là lưu lượng hỳt nước (m3/ngày); T là hệ số dẫn nước (m2/ngày); a
là hệ số truyền ỏp (m2/ngày); t là thời gian từ khi bắt đầu bơm (ngày); r là khoảng
cỏch tớnh từ lỗ khoan hỳt nước đến điểm tớnh toỏn (m); Ln là Logarit tự nhiờn. Khi hỡnh phễu hạ thấp đó lan đến biờn, đồ thị hạ thấp mực nước tuõn theo quy luật hạ thấp mực nước trong TCN bỏn vụ hạn. Trong trường hợp TCN nghiờn cứu cú biờn cỏch nước (lưu lượng dũng chảy qua biờn bằng khụng), việc tớnh toỏn bằng phương phỏp giải tớch được tiến hành bằng phương phỏp cộng dũng, cú sử dụng lỗ khoan ảo (lưu lượng lỗ khoan ảo bằng lưu lượng lỗ khoan thực) như đối với TCN cú diện phõn bố vụ hạn. Khi đú hạ thấp mực nước tại lỗ khoan quan sỏt được xỏc định theo cụng thức sau:
(3.3)
Trong đú: S là trị số hạ thấp mực nước tại lỗ khoan quan sỏt (m); Q là lưu
lượng hỳt nước (m3/ngày); T là hệ số dẫn nước (m2/ngày); a là hệ số truyền ỏp
(m2/ngày); t là thời gian từ khi bắt đầu bơm (ngày); r là khoảng cỏch tớnh từ lỗ
khoan hỳt nước đến lỗ khoan quan sỏt (m); ρ là khoảng cỏch từ lỗ khoan ảo đến lỗ khoan quan sỏt (m); Ln là Logarit tự nhiờn.
Trong trường hợp TCN nghiờn cứu tiếp xỳc với TCN khe nứt (minh họa trong Hỡnh 3.1 và Hỡnh 3.2), biờn giữa hai TCN là đường thẳng và hệ số thấm của hai TCN khụng đổi. Khi hỡnh phễu hạ thấp mực nước đó lan đến biờn và phỏt triển sang TCN khe nứt cú hệ số dẫn nước nhỏ hơn (T2), độ dốc của đường hạ thấp mực nước S = f(ln(s)) hay S = f(ln(t)) sẽ bị lệch đi và tuõn theo quy luật trong cụng thức (3.1). Khi đú mực nước hạ thấp sẽ tăng lờn một đại lượng ΔS so với trường hợp TCN đồng nhất cú hệ số dẫn nước là T1. Áp dụng phương phỏp cộng dũng ta cú thể mụ
phỏng sự hạ thấp mực nước khi hỡnh phễu hạ thấp lan đến biờn cú hệ số thấm thay đổi (đới thứ hai) gồm hai thành phần như sau:
- Thành phần thứ nhất: Hạ thấp mực nước (S1) do lỗ khoan hỳt nước tiếp tục gõy ra mà khụng chịu tỏc động của biờn như lỗ khoan hỳt trong tầng chứa nước đồng nhất vụ hạn và được xỏc định theo cụng thức sau:
) 25 , 2 ( 4 2 1 1 r at Ln T Q S (3.4)
Trong đú: S1 là hạ thấp mực nước tại điểm bất kỳ xung quanh lỗ khoan hỳt
nước do lỗ khoan hỳt nước gõy ra (m); Q là lưu lượng hỳt nước (m3/ngày); T1 là hệ
số dẫn nước của đới thứ nhất (m2/ngày); a là hệ số truyền ỏp (m2/ngày); t là thời
gian từ khi bắt đầu bơm (ngày); r là khoảng cỏch tớnh từ lỗ khoan hỳt nước đến điểm tớnh toỏn (m); Ln là Logarit tự nhiờn.
- Thành phần thứ hai: Hạ thấp mực nước (S2) bổ sung gõy ra bởi lỗ khoan ảo do ảnh hưởng của đới thứ hai cú hệ số dẫn nước nhỏ hơn.
Khi hỡnh phễu lan truyền tới đới cú hệ số thấm nhỏ hơn (hoặc lớn hơn), ở đõy ta xột nhỏ hơn (T2<T1), mực nước hạ thấp được tăng lờn do gặp đới cú hệ số thấm nhỏ hơn và gõy ra sức cản thấm bổ sung. Khi đú, độ dốc hỡnh phễu hạ thấp mực nước được tăng lờn do tỏc động của đới cú hệ số thấm nhỏ đi, độ dốc của đường hạ thấp mực nước S=f(lnt)) sẽ tăng lờn với tỷ lệ bằng T1/T2, [68]. Tỏc động của đới thứ hai cú hệ số thấm nhỏ hơn đến độ hạ thấp mực nước tại lỗ khoan quan sỏ được mụ phỏng như là tỏc động của một lỗ khoan ảo. Lưu lượng của lỗ khoan ảo (Qa) được xỏc định theo cụng thức sau [68] :
Qa = C.Q (3.5)
Trong đú: Qa là lưu lượng của giếng ảo (m3/ngày); Q là lưu lượng của lỗ
khoan hỳt nước thực (m3/ngày); C là hệ số khụng thứ nguyờn và được xỏc định theo
cụng thức sau [68] : 1 2 1 2 1 1 T T T T C (3.6)
Mực nước hạ thấp bổ sung gõy ra bởi lỗ khoan ảo được xỏc định theo cụng thức sau: ) 25 , 2 ( 4 . 2 2 2 at Ln T Q C S (3.7)
Trong đú: S2 là hạ thấp mực nước tại điểm tớnh toỏn do lỗ khoan ảo gõy ra
(m); Q là lưu lượng bơm (m3/ngày); C là hệ số khụng thứ nguyờn; T2 là hệ số dẫn
nước của đới thứ hai (m2/ngày); a là hệ số truyền ỏp (m2/ngày); t là thời gian từ khi
bắt đầu bơm (ngày); ρ là khoảng cỏch tớnh từ lỗ khoan ảo đến điểm tớnh toỏn (m). Khi đú tổng mực nước hạ thấp tại điểm tớnh toỏn khi hỡnh phễu hạ thấp lan đến đới thứ hai được xỏc định theo cụng thức sau:
2 2 2 1 2 1 2,25 4 . 25 , 2 4 T Ln at Q C r at Ln T Q S S S (3.8)
Trong đú: S là tổng hạ thấp mực nước tại điểm tớnh toỏn (m); S1 là hạ thấp mực nước tại điểm bất kỳ xung quanh lỗ khoan hỳt nước do lỗ khoan hỳt nước gõy ra (m); S2 là hạ thấp mực nước tại điểm tớnh toỏn do lỗ khoan ảo gõy ra (m); Q là
lưu lượng hỳt nước (m3/ngày); T1 là hệ số dẫn nước của đới thứ nhất (m2/ngày); T2
là hệ số dẫn nước của đới thứ hai (m2/ngày); a là hệ số truyền ỏp (m2/ngày); t là thời
gian từ khi bắt đầu bơm (ngày); r là khoảng cỏch tớnh từ lỗ khoan hỳt nước đến điểm tớnh toỏn (m); ρ là khoảng cỏch tớnh từ lỗ khoan ảo đến điểm tớnh toỏn (m); C là hệ số khụng thứ nguyờn, được xỏc định theo cụng thức (3.6).
Cụng thức (3.8) được sử dụng để tớnh mực nước hạ thấp khi cỏc lỗ khoan hỳt nước nằm gần biờn hệ số thấm khỏc nhau, đồng thời cú thể sử dụng cụng thức (3.7) và (3.8) để xỏc định thụng số ĐCTV và khoảng cỏch từ lỗ khoan quan sỏt tới giếng ảo, cũng như khoảng cỏch tới biờn theo tài liệu hỳt nước thớ nghiệm. Khi cú hai lỗ khoan quan sỏt chỳng ta sẽ xỏc định được vị trớ của lỗ khoan ảo và khoảng cỏch từ lỗ khoan hỳt nước đến lỗ khoan ảo bằng phương phỏp đồ thị [56], hoặc theo phương phỏp giải tớch. Khi hệ số dẫn nước của hai đới như nhau (T1=T2=T), cụng thức (3.8) trở thành cụng thức xỏc định mực nước hạ thấp trong TCN đồng nhất vụ hạn, cũn khi hệ số dẫn nước T2 bằng khụng, cụng thức (3.8) trở thành cụng thức xỏc định mực nước hạ thấp trong TCN bỏn giới hạn với biờn cỏch nước.
b) Xỏc định giỏ trị cỏc thụng số trờn biờn trong điều kiện tự nhiờn
Xỏc định giỏ trị cỏc thụng số trờn biờn trong điều kiện tự nhiờn cú thể sử dụng phương phỏp Darcy để tớnh toỏn khi cú tài liệu quan trắc mực nước dài hạn tại mặt cắt qua hai lỗ khoan trờn tuyến vuụng gúc với biờn. Lưu lượng nước thấm qua biờn trờn một đơn vị chiều dài của biờn vào TCN xỏc định theo cụng thức Darcy [55]:
T L H H q (t) (t) (t) 2 1 2 1 (3.9)
Trong đú: q(t) là lưu lượng thấm qua biờn trờn một đơn vị chiều dài của biờn
vào TCN tại thời điểm t (m3/ngày/m); H1(t) và H2(t) lần lượt là cao độ mực nước tại
lỗ khoan 1 và lỗ khoan 2 tại thời điểm t theo hướng vuụng gúc với biờn (m); L1-2 là
khoảng cỏch giữa 2 lỗ khoan 1 và 2 (m); T là hệ số dẫn của TCN (m2/ngày).
Như vậy, tại tuyến quan trắc vuụng gúc với biờn chỳng ta cú tài liệu quan trắc mực nước theo thời gian tại 2 lỗ khoan và khoảng cỏch giữa chỳng. Khi biết hệ số dẫn nước của TCN, chỳng ta xỏc định được biến thiờn lưu lượng cung cấp (hoặc thoỏt) qua biờn theo thời gian theo cụng thức (3.9). Vấn đề quan trọng để xỏc định lưu lượng cung cấp (hoặc thoỏt) qua biờn trờn một đơn vị chiều dài của biờn vào TCN là xỏc định được mực nước của hai lỗ khoan trờn mặt cắt tớnh toỏn. Để giải quyết được vấn đề này, cần đo đạc, quan trắc mực nước ở cỏc lỗ khoan. Tuy nhiờn thực tế khụng cú nhiều lỗ khoan gần biờn, vuụng gúc hoặc gần vuụng gúc với biờn so với lý thuyết. Mức độ chi tiết của việc tớnh toỏn lưu lượng qua biờn phụ thuộc vào mức độ chi tiết của mặt cắt tớnh toỏn. Trường hợp đoạn biờn tớnh toỏn lưu lượng cung cấp (hoặc thoỏt) qua biờn khụng cú tài liệu quan trắc mực nước tại 2 lỗ khoan trờn tuyến vuụng gúc với biờn, xỏc định giỏ trị gần đỳng dựa trờn cỏc giả thiết sau: Động thỏi mực nước dưới đất tại đoạn biờn khụng cú tài liệu quan trắc tuyến tớnh giống như động thỏi mực nước dưới đất trờn đoạn biờn cú tài liệu quan trắc mực nước. Kết quả nghiờn cứu giai đoạn trước [9], [10], [12],... cho thấy khu vực ven rỡa phớa Tõy Nam thành phố Hà Nội nước dưới đất ớt chịu ảnh hưởng bởi quỏ trỡnh khai thỏc (chủ yếu là khai thỏc nước đơn lẻ và khai thỏc nước nụng thụn), thuộc vựng động thỏi khớ tượng. Vỡ vậy cú thể cho rằng động thỏi mực nước trờn cỏc đoạn biờn
trong vựng là như nhau và phụ thuộc chủ yếu vào hệ số dẫn nước của TCN. Như vậy, đối với đoạn biờn khụng cú tài liệu quan trắc mực nước, lưu lượng đơn vị cung cấp (hoặc thoỏt) qua biờn được xỏc định theo cụng thức sau:
T
T q
q'(t) (t) ' (3.10)
Trong đú: q’(t) là lưu lượng thấm đơn vị tại thời điểm t trờn đoạn biờn khụng
cú tài liệu quan trắc (m3/ngày/m); q(t) là đơn vị tại thời điểm t trờn đoạn biờn cú tài
liệu quan trắc (m3/ngày/m); T’ là hệ số dẫn của tầng chứa nước trờn đoạn biờn
khụng cú tài liệu quan trắc (m2/ngày); T là hệ số dẫn của TCN trờn đoạn biờn cú tài
liệu quan trắc (m2/ngày).
Như vậy, đối với đoạn biờn khụng cú tài liệu quan trắc, cần phải xỏc định hệ số dẫn trung bỡnh của TCN. Để xỏc định hệ số dẫn nước của TCN nghiờn cứu cú thể sử dụng cỏc phương phỏp truyền thống như hỳt nước thớ nghiệm lỗ khoan,... Cơ sở khoa học xỏc định hệ số dẫn nước đó được trỡnh bày trong nhiều sỏch chuyờn mụn [2], [3], [32], [33] nờn tỏc giả khụng trỡnh bày ở đõy.
Đối với cụng trỡnh quan trắc khu vực ven rỡa đỏ gốc thuộc mạng quan trắc quốc gia tài nguyờn nước cú số liệu quan trắc giai đoạn 1995-2018. Đối với cỏc cụng trỡnh quan trắc khu vực ven rỡa thuộc Đề ỏn Bảo vệ nước dưới đất ở đụ thị Hà Nội [23] chỉ cú số liệu quan trắc trong năm 2016. Vỡ vậy để xỏc định lưu lượng cung cấp (hoặc thoỏt) qua biờn phớa Tõy Nam thành phố Hà Nội theo thời gian trung bỡnh thỏng giai đoạn 1995-2018, sử dụng phương trỡnh tuyến tớnh hồi quy bội giữa biến phụ thuộc là lưu lượng cung cấp (hoặc thoỏt) qua biờn với cỏc biến độc lập như: lượng mưa, bốc hơi, độ ẩm, nhiệt độ khụng khớ.
3.2. Cơ sở thực tiễn