Đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất bằng phương pháp thuỷ lực là xác định lưu lượng tính toán của công trình khai thác nước, hoặc xác định mực nước trong các lỗ khoan theo tài liệu thực nghiệm nhận được trực tiếp trong quá trình thí nghiệm hiện trường, có xét đến một cách tổng hợp ảnh hưởng của những nhân tố khác nhau có tính chất quyết định chế độ làm việc của các công trình khai thác nước.
Phương pháp thuỷ lực được áp dụng trong các trường hợp sau:
- Để đánh giá trị số hạ thấp mực nước trong lỗ khoan tương ứng với lưu lượng thiết kế có thể dựa vào đường cong lưu lượng được xác lập theo tài liệu thí nghiệm hút nước ổn định.
- Để xác định độ hao hụt mực nước khi tính toán các lỗ khoan cao nhiễu (cũng trong chế độ vận động ổn định).
- Để xác định trị số hạ thấp mực nước trong lỗ khoan khai thác vào cuối thời hạn tính toán khi lưu lượng không đổi bằng thực nghiệm dựa vào quy luật hạ thấp mực nước theo thời gian đã xác định trong công trình khai thác nước.
Phương pháp thuỷ lực thường được sử dụng để đánh giá trữ lượng trong vùng có điều kiện địa chất thuỷ văn phức tạp hoặc vùng có mức độ điều tra nghiên cứu sơ lược, chưa xác định chính xác được nguồn cấp, miền thoát, giá trị
các thông số ĐCTV và các điều kiện ranh giới của tầng chứa nước.
Công thức tổng quát tính toán hạ thấp mực nước tại lỗ khoan đơn bằng phương pháp thuỷ lực có dạng (2.4):
) t ( S S
Stt = 0 +∆ 0 (2.4)
Trong đó:
Nghiên cứu đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất bằng phương pháp mô hình số
SRttR - Hạ thấp mực nước tính toán trong lỗ khoan ứng với lưu lượng thiết kế Qkt vào cuối thời gian khai thác.
SR0R - Hạ thấp mực nước xác định theo đường cong lưu lượng với lưu lượng dự kiến vào cuối thời gian hút nước thí nghiệm.
∆SR0R(t) - Hạ thấp mực nước bổ sung khi lỗ khoan làm việc với lưu lượng khai thác từ cuối thời gian thí nghiệm đến cuối thời gian khai thác.
Để xác định SR0R cần tiến hành hút nước thí nghiệm ổn định với tối thiểu với 3 bậc lưu lượng. Theo tài liệu hút nước xây dựng đường cong lưu lượng Q = f(S) từ đó xác định được trị số hạ thấp mực nước ứng với lưu lượng thiết kế khai thác đến cuối thời gian khai thác.
Đồ thị quan hệ giữa S và Q có thể là một trong các dạng sau đây:
- Dạng đường thẳng (quan hệ Duypuy): Q = q.S;
- Dạng parabol (quan hệ Keller): S = aQ+ bQP2P; - Dạng hàm mũ (quan hệ Smoreber): m
q S Q
= , 1<m<2;
- Dạng hàm logarit (quan hệ Altovski): Q = a + blg(S);
∆SR0R(t) có thể được xác định theo phương pháp của N.N.Bideman hoặc phương pháp đồ giải. Theo phương pháp của N.N.Bideman thì ∆SR0R(t) được xác định theo công thức (2.5):
1 2
2 KT 1
2 0 KT
0 lnt lnt
t ln t
)ln S S Q ( ) Q t (
S −
− −
=
∆ (2.5)
Trong đó:
QRKTR, QR0R - Lưu lượng thiết kế khai thác và lưu lượng thí nghiệm.
SR1R - Hạ thấp mực nước tại lỗ khoan đến thời điểm tR1R tính từ thời điểm bắt đầu hút nước.
SR2R - Hạ thấp mực nước tại cuối thời điểm thí nghiệm tR2R. tRKTR - Thời gian khai thác.
Công thức trên được áp dụng để tính toán trong các lỗ khoan hút nước trong lớp chứa nước vô hạn, bán vô hạn, hữu hạn, v.v... ở trạng thái gần ổn định (khi trị số hạ thấp mực nước và thời gian có mối quan hệ logarit).
Xác định ∆SR0R(t) bằng phương pháp đồ giải có thể dựa vào các mối quan hệ thực nghiệm giữa trị số hạ thấp mực nước theo thời gian. Tuy thuộc vào điều kiện ranh giới xuất hiện khi hút nước, mối quan hệ S = f(t) có thể là một trong các công thức (2.6, 2.7, 2.8):
S = a + b lnt (2.6)
Nghiên cứu đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất bằng phương pháp mô hình số
S = a + bt (2.7) t
b a
S= + (2.8)
Trong đó: a, b là những hằng số;
Xác định được quan hệ S = f(t) sẽ ngoại suy trị số hạ thấp mực nước
∆SR0R’(t) theo thời gian từ thời điểm kết thúc hút nước đến cuối thời gian tính toán với lưu lượng thí nghiệm. Sau đó xác định ∆SR0R(t) theo công thức (2.9):
) t ( Q S
) Q t (
S '0
0 KT
0 = ∆
∆ (2.9)
Trong đó:
∆SR0R’(t) - Trị số hạ thấp mực nước bổ sung khi giếng khoan làm việc với lưu lượng bằng lưu lượng thí nghiệm QR0R từ cuối thời gian thí nghiệm đến cuối thời gian khai thác.
Trong trường hợp nhóm lỗ khoan khai thác đồng thời, công thức tổng quát để xác định trị số hạ thấp mực nước theo phương pháp thuỷ lực là:
∑∆ +∑∆
+
= n
i
n
i i i
' tt
tt S S S (t)
S (2.10)
Trong đó:
SRttR’ - Hạ thấp mực nước tính toán tại lỗ khoan nào đó đến cuối thời gian khai thác ứng với lưu lượng khai thác khi làm việc đơn độc.
∆SRiR - Trị số hao hụt mực nước trong lỗ khoan tính toán do sự tương tác của lỗ khoan thứ i vào cuối thời gian thí nghiệm với lưu lượng thiết kế QRi-KTR;
∆SRiR(t) - Trị số hao hụt mực nước trong lỗ khoan tính toán do sự tương tác của lỗ khoan thứ i cuối thời gian khai thác với lưu lượng thiết kế QRi-KTR;
Nhờ ngoại suy tuyến tính, giá trị ∆SRiRxác định theo công thức:
' i i
KT i
i S
Q
S = Q ∆
∆ − (2.11)
Trong đó:
QRiR, QRi-KTR - Lưu lượng thí nghiệm và lưu lượng dự kiến khai thác của các lỗ khoan;
∆SRiR’ - Giá trị hao hụt mực nước trong lỗ khoan tính toán do các lỗ khoan trong công trình gây ra;
Khi thay đổi khoảng cách r từ lỗ khoan tính toán đến lỗ khoan tương tác giá trị hao hụt mực nước ∆SRiR’ được tính theo đồ thị ∆S = f (lnr) xây dựng theo tài liệu hút nước thí nghiệm với mỗi lỗ khoan thí nghiệm;
Nghiên cứu đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất bằng phương pháp mô hình số
Giá trị ∆SRiR(t) được xác định theo công thức của N.N. Bideman tương tự như công thức (2.12) xác định đối với lỗ khoan đơn:
1 2
2 KT
1 2 0
KT i
i lnt lnt
t ln t
)ln S S Q (
) Q t (
S −
∆ −
−
∆
=
∆ − (2.12)
Trong đó:
∆SR1R - Giá trị hao hụt mực nước trong lỗ khoan tính toán quan trắc được khi hút nước thí nghiệm với lưu lượng QRiR từ lỗ khoan lỗ khoan tương tác thứ i ở thời điểm tR1R;
∆SR2R - Giá trị hao hụt mực nước trong lỗ khoan tính toán quan trắc được khi hút nước thí nghiệm với lưu lượng QRiR từ lỗ khoan lỗ khoan tương tác thứ i ở thời điểm tR2R;
Giá trị ∆SRiR(t) cũng có thể xác định bằng phương pháp đồ giải giống như trong trường hợp xác định với lỗ khoan đơn.
Khi tiến hành hút nước đồng bộ khai thác – thí nghiệm tại tất cả các lỗ khoan trong hệ thống khai thác. Lưu lượng thí nghiệm bằng lưu lượng khai thác, lúc này công thức tính toán hạ thấp mực nước (2.13):
) t ( S S
Stt = 0 +∆ 0 (2.13)
Trong đó:
SR0R - Hạ thấp mực nước tại lỗ khoan thứ i vào cuối thời gian hút nước khai thác − thí nghiệm;
∆SR0R(t) - Trị số hạ thấp mực nước bổ sung trong vòng thời gian (tRKTR−tR0R).
Nếu sự thay đổi mực nước tuân theo hàm logarit thì giá trị ∆SR0R(t) tỉ lệ với (lntRKTR−lntR0R).
2.3.Phương pháp cân bằng
Đánh giá trữ lượng khai thác bằng phương pháp cân bằng là xác định lưu lượng của nước dưới đất có thể nhận được nhờ các công trình khai thác trong phạm vi một vùng nào đó trong một thời hạn khai thác nhất định bằng cách thu hút nước từ một số nguồn hình thành trữ lượng. Khi đó, mỗi nguồn hình thành trữ lượng được đánh giá bằng các công thức khác nhau một cách riêng biệt rồi cộng các kết quả nhận được.
Khi áp dụng phương pháp cân bằng, người ta nghiên cứu cân bằng của một khu (vùng, diện tích) nói chung theo lượng nước chảy đến và thoát đi trên các ranh giới của khu đó. Vì vậy, phương pháp cân bằng chỉ cho phép xác định trị số hạ thấp mực nước trung bình của tầng khai thác chứ không xác định được trị số hạ thấp mực nước trong các lỗ khoan. Phương pháp cân bằng cũng không thể
xác định lưu lượng có thể khai thác được của từng lỗ khoan. Điều đó cho thấy phương pháp cân bằng chỉ nên sử dụng kết hợp với phương pháp thuỷ động lực.
Nghiên cứu đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất bằng phương pháp mô hình số
Ngược lại chỉ nhờ phương pháp cân bằng mới có thể xác định được vai trò của từng nguồn hình thành trữ lượng khai thác nước dưới đất, và mới có thể
đánh giá được mức độ đảm bảo trữ lượng. Vì vậy phương pháp cân bằng được sử dụng kết hợp với các phương pháp khác để đánh giá trữ lượng khai thác là rất có hiệu quả.
Phương pháp cân bằng được sử dụng độc lập để đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất trong các cấu trúc nhỏ hữu hạn có các tầng chứa nước với hệ số dẫn nước lớn. Trong những cấu trúc đó, khi khai thác, hình phễu hạ thấp lan truyền nhanh chóng trên toàn bộ diện tích và sự khác nhau giữa mực nước ở
trung tâm và rìa diện tích nghiên cứu là không đáng kể.
Phương pháp cân bằng thường được sử dụng để đánh giá lưu lượng mạch nước. Khi đó, đánh giá trữ lượng khai thác bao gồm việc xác định sự thay đổi lưu lượng các mạch nước theo thời gian trên cơ sở tài liệu quan trắc động thái lưu lượng mạch nước. Trong trường hợp thời gian quan trắc ngắn, để dự đoán có thể sử dụng số liệu của các mạch nước tương tự đã được quan trắc dài hơn, hoặc theo lượng mưa khi đã xác lập được mối tương quan giữa lưu lượng của mạch nước nghiên cứu với lưu lượng của mạch nước tương tự, hoặc với lượng mưa.
Để làm điều đó nên sử dụng phương pháp tương quan đôi một và nhiều yếu tố với nhau mà đã được áp dụng rộng rãi khi dự đoán động thái tự nhiên của nước dưới đất.
Nếu như phương pháp cân bằng chỉ có ý nghĩa phụ trợ khi đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất của những khu riêng biệt (cục bộ) thì vai trò của nó tăng lên rất nhiều khi đánh giá khu vực trữ lượng khai thác nước dưới đất, đặc biệt là khi các công trình khai thác nước được bố trí theo diện tích.
2.4.Phương pháp tương tự địa chất thuỷ văn
Do tính phức tạp về điều kiện địa chất thuỷ văn và khả năng thực tế không thể đánh giá định lượng các nguồn hình thành trữ lượng khai thác nước dưới đất, trong nhiều trường hợp người ta áp dụng phương pháp tương tự địa chất thuỷ văn trên cơ sở dựa vào những tài liệu về chế độ khai thác nước dưới đất ở những khu có công trình khai thác đang hoạt động áp dụng cho những khu nghiên cứu có điều kiện tương tự.
Phương pháp tương tự địa chất thuỷ văn có thể được sử dụng:
- Để đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất theo thông số tổng hợp đặc trưng cho toàn bộ quá trình hình thành trữ lượng. Thông số có thể là mô đun trữ lượng khai thác được xác định theo tài liệu của các công trình lấy nước tương tự đang hoạt động.
- Để xác định các thông số mà không thể xác định chính xác được theo tài liệu thăm dò (hệ số nhả nước` trọng lực của đất đá nứt nẻ, hệ số thấm của các lớp thấm nước yếu ngăn cách).
Nghiên cứu đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất bằng phương pháp mô hình số
- Để điều chỉnh và chọn sơ đồ tính toán.
Để dánh giá trữ lượng khai thác bằng phương pháp tương tự thì vấn đề quan trong bậc nhất là điều kiện địa chất thuỷ văn và các nguồn hình thành trữ lượng khai thác nước dưới đất trên diện tích nghiên cứu và diện tích chuẩn phải giống nhau.
Khả năng sử dụng phương pháp tương tự được quyết định bởi sự có mặt của mỏ nước đã khai thác (khu chuẩn). Để luận chứng cho khả năng tương tự giữa khu chuẩn và khu nghiên cứu cần phải so sánh các yếu tố chủ yếu quyết định điều kiện hình thành trữ lượng khai thác nước dưới đất và giá trị của chúng (điều kiện thế nằm của tầng chứa nước, các điều kiện biên, thành phần của đá chứa nước, điều kiện cung cấp, khả năng sử dụng các thành phần trữ lượng, tính chất và thành phần trầm tích của lớp phủ).
Sự tương tự có các biểu hiện ở tất cả các mặt hoặc từng phần. Khi có sự tương 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 được xác định đối với tất cả các yếu tố chủ yếu quyết định trữ lượng khai thác nước dưới đất trong điều kiện tự nhiên nhất định. Còn khi tương tự từng phần thì chỉ xem xét theo một số yếu tố kể
trên.
Trong thực tế, khi đánh giá trữ lượng khai thác người ta thường sử dụng kết hợp các phương pháp với nhau làm tăng độ tin cậy của kết quả tính toán, đồng thời lợi dụng những mặt ưu điểm của phương pháp bổ sung cho những mặt hạn chế của phương pháp kia. Các phương pháp kết hợp thường được sử dụng là thuỷ động lực -thuỷ lực; thuỷ lực - cân bằng; thuỷ động lực - cân bằng, hoặc tổ hợp 4 phương pháp.
Nghiên cứu đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất bằng phương pháp mô hình số
Chương 3.
SỬ DỤNG PHẦN MỀM VISUAL MODFLOW TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC VÀ DỰ BÁO MỰC NƯỚC HẠ THẤP 3.1. Giới thiệu Visual Modflow
3.1.1. Giới thiệu chung