chương 5 nước ngầm

134 Ch­¬ng 5 N­íc NgÇm 5.1. Giíi thiÖu vµ c¸c ®Þnh nghÜa HÇu hÕt gi¸ng thuû mµ ®¹t tíi ®­îc bÒ mÆt n­íc ngÇm bÞ hÊp thô bëi c¸c líp ®Êt trªn mÆt. PhÇn cßn l¹i, mét khi sù tÝch tr÷ ë chç lâm xuèng nµo ®­îc lÊp ®Çy, sÏ ch¶y trµn trªn mÆt nh­ dßng ch¶y trµn ch¶y tíi c¸c lßng dÉn s«ng suèi mét c¸ch kh¸ nhanh. N­íc thÊm vµo trong ®Êt cã thÓ sau ®ã bÞ bèc h¬i, hoÆc ch¶y ra hai bªn bê s«ng gÇn tíi bÒ mÆt nh­ dßng ch¶y s¸t mÆt. Mét phÇn n­íc cã thÓ thÊm d­íi t¸c dông cña träng lùc tíi khèi n­íc ngÇm. PhÇn biÓu ®å thÊm cña l·nh thæ mét thung lòng s«ng trong H×nh 5.1(a) thÓ hiÖn 4 ®íi chÝnh trong ®ã n­íc d­íi ®Êt ®· ®­îc ph©n lo¹i theo c¸ch truyÒn thèng. Gi¸ng thuû ®i vµo ®íi thæ nh­ìng t¹i bÒ mÆt ®Êt vµ di chuyÓn xuèng phÝa d­íi tíi mÆt n­íc ngÇm ®¸nh dÊu bÒ mÆt bªn trªn cña ®íi b·o hoµ. Ngay trªn mÆt n­íc ngÇm lµ viÒn mao dÉn trong ®ã hÇu hÕt tÊt c¶ c¸c lç hæng bÞ lÊp ®Çy n­íc. Gi÷a líp nµy vµ ®íi thæ nh­ìng lµ ®íi trung gian, trong ®ã sù di chuyÓn cña n­íc chñ yÕu lµ h­íng xuèng phÝa d­íi. Nh÷ng ®íi nµy thay ®æi gi÷a c¸c phÇn kh¸c nhau cña mét l­u vùc s«ng. Trªn c¸c s­ên thung lòng, n­íc tho¸t tõ ®íi thæ nh­ìng theo quy t¾c lµ ®i vµo trong ®íi trung gian vµ cuèi cïng cã thÓ hoÆc kh«ng cã thÓ ®¹t tíi ®íi b·o hoµ cã lÏ s©u vµi tr¨m mÐt ë líp ®Êt bªn d­íi. Tuy nhiªn, ë c¸c vïng ®ång b»ng ngËp lôt, líp mao dÉn th­êng më réng vµo trong ®íi thæ nh­ìng hoÆc thËm chÝ tíi chÝnh bÒ mÆt ®Êt, tuú thuéc vµo ®é s©u cña mÆt n­íc ngÇm vµ ®é cao cña líp mao dÉn. MÆc dï tiÖn lîi nh­ mét sù giíi thiÖu, sù ph©n lo¹i nµy cã xu h­íng kh«ng lµm râ nghÜa thùc tÕ r»ng n­íc d­íi mÆt vÒ b¶n chÊt lµ mét hÖ thèng ®éng lùc. Còng nh­ thay ®æi theo kh«ng gian bªn trong mét l­u vùc s«ng, nh÷ng ®íi nµy còng cã thÓ thay ®æi qua thêi gian, nh­ khi nh÷ng dao ®éng theo mïa cña mÆt n­íc ngÇm ®i vµo líp mao dÉn bªn trªn vµo trong ®íi thæ nh­ìng. NhiÒu ph­¬ng s¸ch kh¸c nhau ®· ®­îc th«ng qua ®Ó lµm s¸ng tá sù kh¸c nhau gi÷a n­íc trong ®Êt vµ n­íc ngÇm. Nh÷ng ph­¬ng s¸ch nµy ®· giíi h¹n sù xem xÐt cña vÊn ®Ò nghiªn cøu tr­íc khi tiÕn hµnh ®o ®¹c n­íc ngÇm vµ ®é s©u líp ®Êt chøa nh÷ng rÔ thùc vËt (Shaw, 1994; Price, 1996). Tuy nhiªn, n­íc trong ®Êt th­êng ®­îc ®Þnh nghÜa nh­ n­íc d­íi mÆt trong ®íi th«ng khÝ, tøc lµ ®Êt ch­a b·o hoµ vµ c¸c líp d­íi ®Êt n»m bªn trªn mÆt n­íc ngÇm. N­íc ngÇm ®­îc ®Þnh nghÜa nh­ n­íc d­íi mÆt trong c¸c ®Êt ®¸ ®· b·o hoµ hoµn toµn. Sù kh¸c biÖt gi÷a c¸c ®iÒu kiÖn b·o hoµ vµ ch­a b·o hoµ lµ mét ®iÒu quan träng. Trong ®íi b·o hoµ, c¸c kh«ng gian lç hæng hÇu nh­ hoµn toµn bÞ lÊp ®Çy n­íc vµ ¸p suÊt cña n­íc lµ b»ng hoÆc lín h¬n ¸p suÊt khÝ quyÓn. Trong ®íi th«ng khÝ, c¸c kh«ng gian lç hæng chøa c¶ n­íc vµ kh«ng khÝ vµ ¸p suÊt n­íc lµ nhá h¬n ¸p suÊt khÝ quyÓn. 135 H×nh 5.1 N­íc d­íi ®Êt: (a) c¸c tÇng chÝnh mµ trong ®ã n­íc d­íi ®Êt ®­îc ph©n lo¹i theo c¸ch truyÒn thèng; (b) nh÷ng mèi quan hÖ gi÷a c¸c tÇng ngËm n­íc kh«ng ¸p, thÈm thÊu vµ cã ¸p. Chó ý r»ng c¸c mùc thÕ n¨ng, nh­ ®­îc ®o ®¹c trong c¸c thiÕt bÞ ®o A, B vµ C, cã thÓ lµ kh¸c nhau. Tuy nhiªn, c¶ c¸c ®iÒu kiÖn b·o hoµ vµ kh«ng b·o hoµ ®Òu lµ phÇn liªn tôc cña n­íc d­íi mÆt mµ trong mét tr¹ng th¸i chuyÓn ®éng vµ liªn tôc cña dßng ch¶y. §íi th«ng khÝ thùc sù lµ mét ®íi chuyÓn tiÕp trong ®ã n­íc bÞ hÊp thô, gi÷ l¹i hay chuyÓn ®i, hoÆc xuèng d­íi vÒ phÝa mÆt n­íc ngÇm hoÆc lªn trªn vÒ phÝa bÒ mÆt ®Êt mµ tõ ®ã nã bÞ bay h¬i. Nh÷ng lÇn m­a r¬i kÐo dµi cã c­êng ®é cao, bé phËn cña ®íi thæ nh­ìng cã thÓ trë thµnh b·o hoµ t¹m thêi mÆc dï vÉn bÞ chia t¸ch bëi c¸c líp kh«ng b·o hoµ tõ n­íc ngÇm chÝnh bªn d­íi. TÝnh t¹m thêi nh­ vËy, c¸c mÆt n­íc ngÇm trªn cao cã thÓ dÉn tíi cã mét líp treo l¬ löng trong ®Êt lµm chËm l¹i sù tho¸t n­íc cña n­íc ®ang thÊm qua, hay khi c¸c líp trªn mÆt cña ®Êt cã kh¶ n¨ng ngÊm chËm nh­ ®Ó dÉn tíi c¸c ®iÒu kiÖn b·o hoµ. Nh÷ng vïng th­êng trong thêi gian ng¾n vµ cã thÓ lµ côc bé tån t¹i sù b·o hoµ bªn trong ®íi th«ng khÝ vµ cã thÓ lµ rÊt quan träng trong viÖc ph¸t sinh c¸c dßng ch¶y thø cÊp tíi c¸c lßng dÉn s«ng suèi (xem Môc 7.4). N­íc ngÇm lµ kho chøa n­íc ngät cã thÓ sö dông ®­îc lín nhÊt cña tr¸i ®Êt vµ trõ c¸c t¶ng b¨ng vµ c¸c nói b¨ng, nã ®· ®­îc ­íc l­îng lµ chiÕm kho¶ng 94% toµn bé n­íc ngät (xem B¶ng 1.1). Bèn m­¬i phÇn tr¨m n­íc ngÇm ®­îc gi÷ bªn trong 1 km cña líp bÒ mÆt ®Êt. KÝch th­íc tuyÖt ®èi cña kho chøa n­íc kh«ng thÓ tr«ng thÊy 136 ®­îc nµy thËm chÝ ®­îc minh ho¹ Ên t­îng h¬n bëi viÖc chuyÓn ®æi nã thµnh mét l­îng gi¸ng thuû t­¬ng ®­¬ng. NÕu ®­îc ph©n bè ®Òu trªn toµn bé bÒ mÆt ®Þa cÇu, n­íc ngÇm cã thÓ ®¹t tíi mét ®é s©u 19.6 m. Nh­ mét sù lùa chän, nã sÏ bao phñ c¸c bÒ mÆt ®Êt cña tr¸i ®Êt tíi mét ®é s©u b»ng 67.2 m, so víi l­îng gi¸ng thuû trung b×nh hµng n¨m lµ b»ng 0.75 m. Trong thùc tÕ sù ph©n bè cña nã lµ kh¸ biÕn ®éng nh­, vÝ dô, ë Hoa Kú n¬i mµ toµn bé kh«ng gian lç hæng bÞ n­íc, khÝ gas vµ x¨ng dÇu chiÕm gi÷ thay ®æi trong ph¹m vi tõ 3 m ë d­íi cao nguyªn Piedmont tíi kho¶ng 2500 m ë d­íi ch©u thæ Mississippi (Heath,1983). Vai trß cña n­íc ngÇm nh­ mét nh©n tè ®iÒu khiÓn khæng lå trong chu tr×nh thuû v¨n cã thÓ ®­îc nh×n nhËn tõ thêi gian tån t¹i lín, trung b×nh kho¶ng 300 n¨m, mÆc dï cã sù kh¸c biÖt ®¸ng kÓ gi÷a c¸c vÞ trÝ. N­íc ngÇm duy tr× dßng ch¶y s«ng ngßi trong suèt c¸c thêi kú thêi tiÕt kh« h¹n vµ lµ mét nguån n­íc chñ yÕu trong nhiÒu khu vùc kh« h¹n. Do thêi gian tån t¹i dµi cña nã, c¸c vïng mµ hiÖn nay cã mét khÝ hËu kh« h¹n mµ ë ®ã Ýt cã c¬ héi cho n­íc cã thÓ thÊm xuèng d­íi s©u, tuy nhiªn cã thÓ cã nh÷ng sù dù tr÷ n­íc ngÇm lín mµ lµ kÕt qu¶ cña sù ngÊm trong c¸c thêi kú m­a tr­íc ®©y. VÝ dô, cã nh÷ng sù dù tr÷ n­íc ngÇm khæng lå, t­¬ng ®­¬ng víi h¬n 5105 km3 n­íc, ë vïng sa m¹c Sahara. MÆc dï ®· cã nhiÒu sù tranh c·i trong qu¸ khø vÒ nguån gèc cña n­íc ngÇm, giê ®©y râ rµng r»ng hÇu hÕt toµn bé nã lµ nh­ sao b¨ng, tøc lµ ®­îc lÊy tõ h¬i Èm khÝ quyÓn ®­îc ng­ng tô mµ ®· thÊm xuèng d­íi qua ®íi th«ng khÝ. ChØ nh÷ng l­îng nhá n­íc ngÇm ®­îc b¾t nguån tõ n­íc bÈm sinh, mµ cã nguån gèc nh­ n­íc biÓn bÞ gi÷ trong mét sè ®¸ ë thêi kú bÞ ch«n vïi cña chóng. Nh÷ng tµi liÖu gi¸ trÞ vÒ sù ph¸t triÓn cña nh÷ng Ý t­ëng trong thuû v¨n n­íc ngÇm ®· ®­îc Back vµ Herman cung cÊp (1997) vµ bëi Narasimhan (1998). 5.2. C¬ së ®Þa chÊt C¸c líp ®¸ hay c¸c trÇm tÝch kh«ng v÷ng ch¾c mµ chøa vËt chÊt ®· hoµ tan ®ñ ®Ó s¶n xuÊt ra nh÷ng l­îng n­íc ®¸ng kÓ ®­îc biÕt ®Õn nh­ nh÷ng tÇng ngËm n­íc vµ sù h×nh thµnh n­íc ngÇm rÊt Ýt cã thÓ do n­íc thÊm qua vµ truyÒn n­íc chËm ch¹p h¬n ë c¸c tÇng ngËm n­íc liÒn kÒ th­êng ®­îc biÕt ®Õn nh­ lµ c¸c tÇng kh«ng thÊm. C¸c thuËt ng÷ nµy lµ m¬ hå vµ ¸m chØ nh÷ng ®Æc tr­ng t­¬ng ®èi h¬n lµ tuyÖt ®èi. V× vËy mét ®¸y bïn sÏ lµ mét tÇng kh«ng thÊm trong mét chuçi ®Þa tÇng häc cña c¸c líp bïn vµ c¸t xen kÏ nh­ng nÕu ®­îc liªn th«ng c¸c líp víi c¸c ®¸y sÐt Ýt kh¶ n¨ng thÊm h¬n, bïn sÏ lµ mét tÇng ngËm n­íc. HÇu hÕt c¸c tÇng ngËm n­íc chÝnh ®­îc lµm thµnh tõ c¸c l¾ng ®äng trÇm tÝch ®­îc h×nh thµnh tõ sù xãi lë vµ l¾ng ®äng cña c¸c lo¹i ®¸ kh¸c nhau vÝ dô c¸c ®¸ c¸t vµ ®¸ v«i.v.v. Ng­îc l¹i, c¸c ®¸ nói löa vµ ®¸ biÕn chÊt, h×nh thµnh d­íi c¸c ®iÒu kiÖn ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cao, nãi chung cã Ýt kh«ng gian lç hæng liªn th«ng vµ kÕt qu¶ lµ hÇu hÕt chØ cã kh¶ n¨ng chøa n­íc thÊp. Giíi h¹n bªn d­íi cña n­íc ngÇm x¶y ra ë mét ®é s©u mµ c¸c khe nøt rÊt Ýt vµ rÊt nhá ®Õn møc mµ nh÷ng chuyÓn ®éng xuèng d­íi xa h¬n n÷a gÇn nh­ lµ kh«ng thÓ. Biªn n­íc ngÇm nµy th­êng ®­îc h×nh thµnh bëi mét ®Þa tÇng ®¸ rÊt ®Æc, nh­ lµ sÐt, ®¸ phiÕn hay ®¸ granite, hoÆc bëi líp bªn trªn cña ®¸ mÑ n¬i mµ khèi n­íc ngÇm xuÊt hiÖn bªn trong mét trÇm tÝch bÒ mÆt cña vËt chÊt bÞ phong ho¸. Thay vµo ®ã, sù nÐn cña ®Þa tÇng do ®é s©u, mµ dÉn ®Õn tõ sù t¨ng träng l­îng cña c¸c ®¸ n»m bªn trªn, cã ý nghÜa r»ng mét ®é s©u cuèi cïng ®­îc ®¹t tíi mµ ë ®ã nh÷ng khe nøt ®· bÞ gi¶m c¶ vÒ kÝch th­íc lÉn sè l­îng rÊt nhiÒu ®Õn møc mµ sù chuyÓn ®éng n­íc xa h¬n n÷a hÇu nh­ bÞ ng¨n c¶n. §é s©u mµ t¹i ®ã ®iÒu nµy x¶y ra sÏ phô thuéc vµo ®Æc tÝnh cña 137 ®¸ ngËm n­íc vµ trong ®¸ granite ®Æc sÏ n«ng h¬n lµ trong mét ®¸ c¸t nhiÒu lç rçng. Tuy nhiªn, sè c¸c khe nøt cã xu h­íng chung lµ gi¶m theo ®é s©u vµ bªn d­íi kho¶ng 10 km toµn bé c¸c ®¸ cã lÏ lµ, trong thùc tÕ, ®­îc xem nh­ kh«ng thÓ thÊm qua (Price, 1985). 5.3. C¸c tÇng ngËm n­íc cã ¸p vµ kh«ng ¸p Biªn trªn cïng cña ®íi b·o hoµ thay ®æi tuú theo l­îng n­íc ngÇm lµ cã ¸p hay kh«ng ¸p (xem H×nh 5.1(b)). Trong tr­êng hîp n­íc ngÇm kh«ng ¸p, biªn nµy th­êng ®­îc xem nh­ mÆt n­íc ngÇm, ®­îc x¸c ®Þnh lµ mùc n­íc mµ ¸p suÊt n­íc lç hæng b»ng víi ¸p suÊt khÝ quyÓn. MÆt n­íc ngÇm cã xu h­íng theo sau c¸c ®­êng ®¼ng trÞ cña bÒ mÆt ®Êt n»m bªn trªn, mÆc dï nã cã d¹ng uyÓn chuyÓn h¬n. Gi¶ sö mét l­îng t­¬ng tù cña sù thÊm xuèng tõ m­a r¬i trªn c¶ ®Êt cao vµ thÊp, c­êng ®é sù gi¶m nhÑ cña mÆt n­íc ngÇm phô thuéc phÇn lín vµo kÕt cÊu vËt chÊt cã trong ®íi b·o hoµ. Trong tr­êng hîp cña ®¸ kÕt cÊu rÊt më, sù chuyÓn ®éng n­íc ngÇm sÏ lµ rÊt nhanh ®Õn møc mµ n­íc sÏ vÉn tho¸t vÒ phÝa c¸c thung lòng tõ bªn d­íi n­íc ngÇm cao h¬n khi cã sù bæ xung tõ gi¸ng thuû kÕ tiÕp diÔn ra, v× thÕ ®é cao cña nã ®­îc tÝch luü bªn d­íi c¸c vïng s©u. Xu h­íng nµy ®­îc phãng ®¹i bëi thùc tÕ r»ng sù gi¸ng thuû th­êng t¨ng sù ngÊm xuèng ®Êt. N­íc ngÇm trªn cao biÓu thÞ mét tr­êng hîp ®Æc biÖt cña n­íc ngÇm treo, kh«ng ¸p trong ®ã ®¸y kh«ng thÊm hoÆc b¸n thÊm n»m bªn d­íi kh«ng liªn tôc trªn mét vïng thËt lín vµ ®­îc ®Æt vÞ trÝ ë mét sè vïng cao bªn trªn khèi n­íc ngÇm chÝnh. N­íc ngÇm treo th­êng x¶y ra ë n¬i mµ mét ®¸y kh«ng thÊm hoÆc tån t¹i ë mét ®é s©u nhá hoÆc ph©n c¾t c¹nh ®¸y cña mét thung lòng. Trong nhiÒu vïng n­íc ngÇm kh«ng ¸p ®Çu tiªn ®­îc b¾t gÆp trong viÖc khoan mét lç khoan vµo trong lßng ®Êt ta b¾t gÆp n­íc ngÇm ®­îc ®Æt trªn cao nµy. Nh­ ®· chØ ra tr­íc ®©y, n­íc thÊm qua ®íi th«ng khÝ sau trËn m­a r¬i lín còng cã thÓ ®­îc xem nh­ mét khèi n­íc ngÇm treo trªn cao t¹m thêi (còng xem nh÷ng th¶o luËn vÒ n­íc s¸t mÆt trong c¸c Ch­¬ng 6 vµ 7). Biªn trªn cña mét khèi n­íc ngÇm cã ¸p ®­îc h×nh thµnh bëi mét ®¸y Ýt kh¶ n¨ng thÊm h¬n n»m bªn trªn (xem H×nh 5.1(b)). Sù kh¸c biÖt gi÷a n­íc ngÇm cã ¸p vµ kh«ng ¸p th­êng ®­îc lµm bëi sù chªnh lÖch thuû lùc gi÷a dßng n­íc cã ¸p vµ dßng tù do, n­íc ngÇm kh«ng ¸p. Tuy nhiªn, vÒ mÆt thuû v¨n hai d¹ng ®ã lµ mét phÇn cña mét hÖ thèng thèng nhÊt, ®¬n nhÊt. V× vËy, hÇu hÕt c¸c tÇng ngËm n­íc cã ¸p cã mét vïng kh«ng ¸p mµ qua ®ã sù cung cÊp n­íc ngÇm diÔn ra do thÊm qua vµ thÈm thÊu vµ trong ®ã mét mÆt n­íc ngÇm, nh­ ®· ®Þnh nghÜa ë trªn, biÓu thÞ bÒ mÆt trªn cïng cña ®íi b·o hoµ. H¬n n÷a, viÖc ®¸y cã ¸p kh«ng thÊm hiÕm khi h×nh thµnh mét ch­íng ng¹i thùc sù cho sù chuyÓn ®éng n­íc ngÇm v× r»ng th­êng cã mét sè sù trao ®æi vµ do ®ã mét ®é cÊp n­íc cña ®é dÉn thuû lùc, gi÷a n­íc ngÇm cã ¸p bªn d­íi ®¸y cã ¸p vµ n­íc ngÇm kh«ng ¸p bªn trªn nã. Thùc vËy, sù chó ý ®· ®­îc vÏ ra cho c¶m nhËn t­¬ng ®èi trong ®ã nh÷ng thuËt ng÷ nh­ tÇng ngËm n­íc vµ tÇng kh«ng thÊm ph¶i ®­îc sö dông vµ thùc tÕ r»ng mét khèi ®¸ h×nh thµnh mét tÇng kh«ng thÊm trong tr­êng hîp nµy l¹i cã thÓ h×nh thµnh mét tÇng ngËm n­íc trong tr­êng hîp kh¸c. Tõ mÆt n­íc ngÇm trong vïng n­íc ngÇm kh«ng ¸p, qua ®ã sù thÊm n­íc diÔn 138 ra, ®­îc ®Æt vÞ trÝ ë mét cao ®é cao h¬n vïng n­íc ngÇm cã ¸p cña tÇng ngËm n­íc, theo ®ã n­íc ngÇm ë vïng sau th× d­íi mét ¸p suÊt t­¬ng ®­¬ng víi chªnh lÖch mùc thuû tÜnh gi÷a hai líp. NÕu ¸p suÊt ®­îc gi¶i phãng mét c¸ch côc bé, nh­ bëi sù h¹ thÊp mét giÕng vµo trong tÇng ngËm n­íc cã ¸p, mùc n­íc theo lý thuyÕt sÏ gi©ng lªn trong giÕng tíi ®é cao cña cét n­íc thuû tÜnh, tøc lµ ®é cao cña mÆt n­íc ngÇm trong vïng cÊp n­íc trõ ®i ®é cao t­¬ng ®­¬ng cña tæn thÊt n¨ng l­îng dÉn ®Õn tõ sù ma s¸t gi÷a n­íc ngÇm chuyÓn ®éng vµ nÒn r¾n cña tÇng ngËm n­íc gi÷a ®iÓm n¹p vµo vµ ®iÓm lÊy n­íc ra. BÒ mÆt t­ëng t­îng mµ n­íc gi©ng tíi ®ã trong c¸c giÕng khoan c¸c tÇng ngËm n­íc cã ¸p ®­îc gäi lµ bÒ mÆt ®o thÕ n¨ng cña n­íc (Lohman, 1972; Freeze vµ Cherry, 1979). ThuËt ng÷ nµy ®· ®­îc thay thÕ c¸c tªn gäi ban ®Çu, ch¼ng h¹n nh­ bÒ mÆt ®o ¸p suÊt vµ cã thÓ ®­îc ¸p dông cho c¶ tÇng ngËm n­íc cã ¸p vµ kh«ng ¸p. Trong thùc tÕ, cao ®é cña bÒ mÆt ®o thÕ n¨ng ®­îc ®o ®¹c, kh«ng trong mét giÕng, mµ trong mét ¸p kÕ, mµ lµ mét èng nhùa kÝn trõ ®i mét ®é dµi ë ®¸y. Trong tr­êng hîp n­íc ngÇm kh«ng ¸p ë c¸c ®iÒu kiÖn tr¹ng th¸i æn ®Þnh, tøc lµ khi kh«ng cã dßng ch¶y, mÆt n­íc ngÇm vµ mÆt ®« thÕ n¨ng xuÊt hiÖn ë cïng mét cao ®é. Tuy nhiªn, trong n­íc ngÇm kh«ng h¹n ®Þnh ®ang ch¶y, c¸c cao ®é cña mÆt n­íc ngÇm vµ mÆt ®é cao thÕ n¨ng sÏ kh¸c nhau, v× ®é cong cña c¸c ®­êng dßng trong c¸c hÖ thèng n­íc ngÇm ®Þa ph­¬ng. ThuËt ng÷ giÕng phun ®· ®­îc sö dông kh¸c nhau trong c¸c c¸ch ®Ó m« t¶ chÝnh tÇng ngËm n­íc cã ¸p, hay mét giÕng mµ xuyªn qua mét tÇng ngËm n­íc cã ¸p, hay b¾t kú giÕng nµo t¹o ra n­íc ch¶y mét c¸ch tù do lªn trªn mÆt ®Êt. Mét sè lo¹i vµ c¸c ®iÒu kiÖn “giÕng phô” ch¶y tù do phæ biÕn nhÊt ®­îc t×m thÊy ë c¸c vïng ®Þa tÇng trÇm tÝch h¬i uèn nÕp ch¶ng h¹n nh­ vïng ë tØnh Artois ë miÒn b¾c n­íc Ph¸p, l­u vùc London ë Anh, hay c¸c l­u vùc giÕng phun lín cña trung ®«ng Austrialia vµ ®ång b»ng Great cña Mü. Ban ®Çu c¸c giÕng trong hai l­u vùc cuèi b¾t gÆp n­íc víi ¸p suÊt ban ®Çu cã kh¶ n¨ng ®Ó phun vät cao h¬n 45 m bªn trªn bÒ mÆt ®Êt, mÆc dï cét ¸p suÊt sau ®ã bÞ gi¶m kh¸ nhanh (Davis vµ De Wiest, 1966). C¸c ®iÒu kiÖn giÕng phun còng ®· ®­îc t×m thÊy trong c¸c ®¸ kÕt tinh nøt nÎ vµ ®øt g·y, ®Æc biÖt lµ n¬i mµ chóng ®­îc phñ trªn bëi c¸c trÇm tÝch trªn mÆt t­¬ng ®èi kh«ng thÊm. C¸c giÕng phun tù nhiªn còng cã thÓ lµ kÕt qu¶ cña viÖc ®øt g·y mét vïng c¸c ®¸ trÇm tÝch uèn nÕp. C¸c ®iÒu kiÖn giÕng phun kh«ng lu«n ®ßi hái mét ®¸y cã ¸p n»m bªn trªn vµ cã thÓ diÔn ra ë nh÷ng vïng dèc nh­ mét kÕt qu¶ cña c¸c ®iÒu khiÓn ®Þa h×nh (Môc 5.5.4). ViÖc ph©n lo¹i n­íc ngÇm thµnh “kh«ng ¸p”, “cã ¸p”, “ë trªn cao” (n­íc treo) cã xu h­íng nhÊn m¹nh nh÷ng sù kh¸c biÖt gi÷a ba lo¹i mµ cã thÓ khã nhËn ra trong thùc tÕ, thËm chÝ trong c¸c ®iÒu kiÖn ®Þa lý thuû v¨n ®¬n gi¶n. Trong c¸c vïng ®Þa lý thuû v¨n phøc t¹p c¸c thuËt ng÷ nµy trë nªn hÇu nh­ kh«ng cã ý nghÜa. Tuy nhiªn, nh÷ng lo¹i nµy ®· ®­îc chÊp nhËn mét c¸ch réng r·i trong tµi liÖu nghiªn cøu vµ ®­îc sö dông trong ch­¬ng nµy nh­ mét cÊu tróc tiÖn lîi cho viÖc ®¶m b¶o nh÷ng th¶o luËn vÒ tr÷ l­îng n­íc ngÇm vµ sù chuyÓn ®éng n­íc ngÇm. 5.4. Tr÷ l­îng n­íc ngÇm C¸c tÇng ngËm n­íc cã thÓ ®­îc xem nh­ nh÷ng hå chøa nh©n t¹o cho kho n­íc ngÇm vµ nh­ c¸c ®­êng èng cho sù chuyÓn ®éng n­íc ngÇm. Bëi v× phÇn lín n­íc ngÇm chuyÓn ®éng rÊt chËm vµ cã thêi gian c­ tró trong tÇng ngËm n­íc rÊt dµi, chøc n¨ng l­u tr÷ th­êng lµ râ rµng h¬n.Tuèi cña n­íc trong mét sè tÇng ngËm n­íc 139 ë Anh vµ Libya, vÝ dô ®· ®­îc ®¸nh gi¸ lµ h¬n 20000-30000 n¨m (Downing vµ nh÷ng ng­êi kh¸c, 1977; Wright vµ nh÷ng ng­êi kh¸c, 1982) vµ ë trung Australia mét sè n­íc ngÇm cã thÓ lµ 1.4 triÖu n¨m tuæi (Haberinehl, 1985). Râ rµng sù x¸c ®Þnh chÝnh x¸c tuæi n­íc ngÇm sÏ lµ quan träng cho viÖc ®¸nh gi¸ c¶ tiÒm n¨ng tµi nguyªn cña khèi n­íc ngÇm vµ c¶ tÝnh chÊt cã thÓ bÞ tæn th­¬ng cña nã do sù « nhiÔm (Andrews, 1991). C¸c ph­¬ng ph¸p x¸c ®Þnh niªn ®¹i th­êng ®­îc dùa trªn sö dông c¸c lo¹i chÊt hoµ tan b¾t nguån hoÆc tõ khÝ quyÓn hoÆc tõ bªn d­íi bÒ mÆt ®Êt, vÝ dô c¸c khÝ hiÕm nh­ helium (He) vµ argon (Ag). Môc nµy xem xÐt c¸c ®Æc tr­ng chÝnh cña kho chøa n­íc ngÇm, ®Æc biÖt lµ c¸c ®Æc tr­ng tÇng ngËm n­íc ¶nh h­ëng tíi nã, ch¼ng h¹n nh­ ®é rçng vµ n¨ng suÊt khai th¸c riªng vµ sù gi÷ l¹i vµ c¸c c¬ chÕ cña thay ®æi l­îng tr÷ trong c¶ tÇng ngËm n­íc cã ¸p vµ kh«ng ¸p. 5.4.1. §é rçng L­îng n­íc ngÇm ®­îc l­u tr÷ trong mét vËt chÊt ®· b·o hoµ phô thuéc vµo ®é rçng cña nã. §é rçng nµy th­êng ®­îc biÓn diÔn b»ng phÇn tr¨m cña tæng thÓ tÝch ®¸ hay ®Êt mµ ®­îc biÓu thÞ bëi c¸c khe nøt cña nã, hay c¸c kho¶ng trèng. Trong khi hÇu hÕt c¸c khe nøt lµ c¸c kh«ng gian gi÷a c¸c h¹t nhá mét sè lµ cã nhiÒu hang ®éng. Mét hiÓu biÕt vÒ ®Æc tÝnh cña nh÷ng khe nøt nµy râ rµng lµ cÇn thiÕt cho mét sù t×m hiÒu vÒ l­îng tr÷ vµ sù chuyÓn ®éng cña n­íc ngÇm, vµ mét vµi ph­¬ng ph¸p ®· ®­îc ®Ò xuÊt ®Ó ph©n lo¹i chóng. Sù ph©n lo¹i ®­îc sö dông th­êng xuyªn nhÊt dùa trªn c¸ch thøc vÒ nguån gèc cña chóng vµ xem xÐt c¸c khe nøt gèc vµ thø cÊp (Todd, 1980; Heath, 1983). Khe nøt gèc, nh­ c¸i tªn ¸m chØ, ®· ®­îc t¹o ra t¹i thêi ®iÓm ban ®Çu cña ®¸ mµ chóng diÔn ra trong ®ã. V× vËy trong c¸c ®¸ trÇm tÝch chóng x¶y ra ®ång thêi víi c¸c kh«ng gian gi÷a c¸c h¹t, trong khi trong c¸c ®¸ nham th¹ch, mµ chóng th­êng dÉn tíi tõ viÖc lµm nguéi macma nãng ch¶y, chóng cã thÓ trong ph¹m vi kÝch th­íc tõ kh«ng gian gi÷a c¸c ®¸ kÕt tinh nhá tíi c¸c hang ®éng lín. Khe nøt thø cÊp lµ kÕt qu¶ cña c¸c ho¹t ®éng sau ®ã cña c¸c nh©n tè ®Þa lý, khÝ hËu hay sinh häc trªn ®¸ gèc. Nh÷ng sù ®øt ®o¹n vµ nøt nÎ, ®­îc më réng cã lÏ bëi viÖc phong ho¸ vµ sù hoµ tan lµ phæ biÕn nhÊt. C¸c khe nøt nh­ vËy th­êng ®­îc t×m thÊy ë c¸c ®¸ kÕt tinh cøng, giµ mµ hÇu nh­ kh«ng cã ®é rçng gi÷a c¸c h¹t vµ v× thÕ ®ãng mét vai trß chÝnh trong sù l­u tr÷ vµ chuyÓn ®éng cña n­íc ngÇm vÝ dô qua c¸c vïng réng lín cña ch©u Phi, phÝa b¾c B¾c Mü, phÝa b¾c ch©u ¢u vµ Ên §é. Mét vÊn ®Ò víi lo¹i ph©n lo¹i “ph¸t sinh” nµy cña c¸c khe nøt lµ c¸c kh«ng gian gi÷a c¸c h¹t gèc th­êng sau ®ã bÞ ®iÒu chØnh l¹i bëi c¸c qu¸ tr×nh bao gåm sù hoµ tan vµ sù xi m¨ng ho¸. Do ®ã mét sù ph©n lo¹i rÊt gièng, nh÷ng cã lÏ thÝch hîp h¬n lµ gi÷a ®é rçng c¬ b¶n do kh«ng gian gi÷a c¸c h¹t trong nÒn ®Êt ®¸ (H×nh 5.2(a)-(d)) vµ ®é rçng thø cÊp do c¸c qu¸ tr×nh nh­ hoµ tan däc theo c¸c vÕt nøt vµ sù xÕp tÇng c¸c mÆt ph¼ng (H×nh 5.2(e)) hoÆc do viÖc nøt nÎ vµ ®øt g·y (H×nh 5.2(f)). Sù lÉn lén ®«i khi n¶y sinh ra, trong tr­êng hîp cña c¸c ®¸ nøt nÎ tèt, vÝ dô, gi÷a ®é rçng cña nÒn ®¸ r¾n (mµ cã thÓ lµ rÊt thÊp) vµ ®é rçng toµn bé cña c¶ ®Þa tÇng (mµ cã thÓ lµ t­¬ng ®èi cao). ThËt lµ quan träng ®Ó nhËn ra r»ng tÊt c¶ c¸c khe nøt ®­îc liªn quan trong trong kh¸i niÖm vÒ ®é rçng, v× thÕ nh÷ng sù nøt nÎ, c¸c mÆt xÕp tÇng vµ nÕt ®øt g·y, bao gåm nh÷ng khe rçng ®­îc më réng bëi sù hoµ tan vµ phong ho¸, ph¶i ®­îc bao gåm nh­ mét phÇn cña tæng thÓ tÝch khe nøt. §iÒu nµy cã nh÷ng hµm ý quan träng cho kÝch th­íc mÉu ®­îc sö dông trong viÖc ®o ®¹c ®é rçng vµ ®é 140 dÉn thuû lùc (xem Môc 5.5.2 vµ 5.6), v× mÉu cµng lín, cµng thÝch hîp víi khe nøt lín, ch¼ng h¹n nh­ mét khe nøt hay mét nÕt ®øt g·y. §«i khi m«i tr­êng rçng chøa c¸c kho¶ng trèng mµ kh«ng liªn kÕt víi c¸c kho¶ng trèng kh¸c vµ ®ã lµ mÆt kh¸c cña thuû v¨n. Nh÷ng kho¶ng kh«ng nh­ vËy kh«ng ph¶i lµ bé phËn cña ®é rçng ph¸t sinh, mµ cã thÓ ®­îc ®Þnh nghÜa nh­ ®é rçng mµ t¹i ®ã ho¹t ®éng l­îng tr÷ vµ sù chuyÓn ®éng cña n­íc ngÇm vµ do ®ã kh«ng ®­îc xem xÐt kü h¬n n÷a. Trong c¸c ph©n tÝch cña c¸c hÖ thèng tÇng ngËm n­íc th­êng gi¶ thiÕt r»ng tÇng ngËm n­íc lµ ®ång nhÊt vµ ®¼ng h­íng. §ã lµ c¸c thuéc tÝnh cè h÷u cña n­íc ngÇm ch¼ng h¹n nh­ ®é rçng, cã gi¸ trÞ nh­ nhau ë c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau cña tÇng ngËm n­íc (tÝnh ®ång nhÊt) vµ theo c¸c h­íng kh¸c nhau tõ cïng mét ®iÓm (®¼ng h­íng). Tuy nhiªn, tr¹ng th¸i rÊt tù nhiªn cña c¸c qu¸ tr×nh ®Þa lý lµ rÊt c¬ b¶n vµ c¸c qu¸ tr×nh thø cÊp rÊt cã ý nghÜa vµ thËm chÝ c¸c trÇm tÝch cã vÎ ®ång nhÊt còng cã mét sù ®Þnh h­íng ­u tiªn cña c¸c phÇn tö vµ c¸c vÕt ®øt g·y (bÊt ®¼ng h­íng). Sù ph©n tÇng trong hÇu hÕt c¸c trÇm tÝch th­êng phæ biÕn mét tÝnh bÊt ®ång nhÊt ®¸ng kÓ (Downing vµ Jones, 1985). H×nh 5.2 C¸c lo¹i khe nøt: (a) gi÷a c¸c h¹t kh«ng thÊm s¾p xÕp t­¬ng ®èi ®ång ®Òu, (b) gi÷a c¸c h¹t kh«ng thÊm s¾p xÕp kh«ng ®Òu, (c) gi÷a c¸c h¹t cã kh¶ n¨ng thÊm, (d) gi÷a c¸c h¹t sái ®· ®­îc g¾n kÕt mét phÇn, (e) ®­îc h×nh thµnh bëi sù hßa tan däc theo c¸c chç nèi vµ c¸c mÆt ®¸y trong c¸c ®¸ cacbon vµ f(f) ®­îc h×nh thµnh bëi sù ®øt g·y trong c¸c ®¸ c¸t kÕt. (theo Meinzer, 1923) §é rçng cña mét m«i tr­êng sÏ phô thuéc vµo mét sè c¸c nh©n tè, gåm cã d¹ng, sù s¾p xÕp vµ cÊp ®é h¹t cña viÖc ph©n lo¹i cña c¸c phÇn tö cÊu thµnh vµ ph¹m vi thay ®æi n¶y sinh ra tõ sù hoµ tan, sù g¾n kÕt, sù nÐn chÆt vµ sù ®øt ®o¹n ®· x¶y ra. VÝ dô, vËt chÊt Ýt bÞ ph©n lo¹i (víi mét ph¹m vi kÝch th­íc h¹t lín) sÏ cã mét ®é rçng thÊp v× c¸c khe nøt gi÷a nh÷ng m¶nh lín h¬n sÏ bÞ lÊp ®Çy víi c¸c h¹t nhá h¬n vµ ®é rçng gi¶m t­¬ng øng trong sù so s¸nh víi vËt chÊt gåm c¸c h¹t kÝch th­íc ®ång nhÊt. ¶nh h­ëng kÕt hîp cña nh÷ng nh©n tè kh¸c nhau nµy ®­îc minh ho¹ trong B¶ng 5.1, thÓ hiÖn nh÷ng ph¹m vi ®iÓn h×nh cña ®é rçng cho mét sè lo¹i vËt chÊt kh¸c nhau. Nãi chung, c¸c ®¸ nh­ ®¸ c¸t kÕt, ®¸ phiÕn sÐt vµ ®¸ v«i cã ®é rçng thÊp h¬n ®Êt vµ c¸c trÇm tÝch ch­a trë nªn ch¾c. Tho¹t ®Çu cã vÎ l¹ lµ ®Êt sÐt, th­êng h×nh thµnh mét sù ng¨n c¶n chuyÓn ®éng cña n­íc, l¹i cã mét ®é rçng rÊt cao, trong khi c¸c tÇng ngËm n­íc tèt, nh­ ®¸ c¸t kÕt, cã ®é rçng thÊp tíi trung b×nh. Tuy nhiªn xem xÐt h¬n n÷a thÊy r»ng mÆc dï ®é rçng x¸c ®Þnh bao nhiªu n­íc mét m«i tr­êng b·o hoµ cã thÓ chøa, kh«ng cã nghÜa lµ toµn bé n­íc ®ã sÏ thùc sù s½n sµng cho sù chuyÓn ®éng trong chu tr×nh thuû v¨n. PhÇn n­íc ngÇm mµ lµ “l­u ®éng” tiÒm n¨ng sÏ phô thuéc mét phÇn vµo c¸c khe nøt ®­îc liªn th«ng tèt bao nhiªu vµ mét phÇn vµo kÝch th­íc cña c¸c khe nøt vµ do ®ã, bëi sù liªn quan tíi c¸c lùc mµ n­íc ®­îc gi÷ trong chóng. 5.4.2. N¨ng suÊt riªng vµ sù gi÷ l¹i riªng 141 §é rçng x¸c ®Þnh l­îng n­íc lín nhÊt vÒ mÆt lý thuyÕt mµ mét tÇng ngËm n­íc cã thÓ gi÷ khi ®­îc b·o hoµ hoµn toµn. Trong thùc tÕ, tuy nhiªn, chØ mét phÇn cña ®é rçng nµy thùc sù cã s½n ®Ó duy tr× l­u l­îng n­íc ngÇm ë c¸c chç thÊm ra, hay chøa trong c¸c giÕng. PhÇn nµy lµ n¨ng suÊt riªng mµ cã thÓ ®­îc ®Þnh nghÜa lµ thÓ tÝch n­íc mµ cã thÓ tho¸t ra tù do tõ mét ®Êt ®¸ b·o hoµ d­íi t¸c dông cña träng lùc, vµ nã th­êng ®­îc biÓu diÔn b»ng phÇn tr¨m cña tæng thÓ tÝch tÇng ngËm n­íc (kh«ng chØ kh«ng gian rçng). Nã cã thÓ ®­îc ®o ®¹c b»ng nhiÒu ph­¬ng ph¸p kh¸c nhau, c¸c kiÓm tra b¬m giÕng nãi chung ®­a ra nh÷ng kÕt qu¶ thÝch hîp nhÊt (Todd, 1980) vÒ n¨ng suÊt riªng cña giÕng. ThÓ tÝch n­íc cßn l¹i (còng th­êng biÓu diÔn b»ng phÇn tr¨m cña tæng thÓ tÝch tÇng ngËm n­íc), mµ ®­îc gi÷ l¹i bëi c¸c lùc øng suÊt tiÕp mÆt xung quanh c¸c h¹t riªng biÖt vµ trong c¸c èng mao dÉn, ®­îc xem nh­ sù gi÷ l¹i riªng. ThuËt ng÷ nµy lµ t­¬ng tù víi “kh¶ n¨ng nÒn” mµ ®­îc sö dông khi nãi tíi n­íc trong ®Êt (Môc 6.3.4) vµ t­¬ng tù lµ m¬ hå theo c¶m nhËn r»ng kh«ng cã l­îng n­íc cè ®Þnh mµ t¹i ®ã sù tho¸t n­íc träng lùc bÞ ngõng l¹i. Mét vÝ dô cùc h¹n vÒ sù kh¸c biÖt gi÷a ®é rçng vµ n¨ng suÊt riªng cña mét tÇng ngËm n­íc ®­îc ®­a ra bëi ®¸ phÊn. §©y lµ mét lo¹i ®¸ v«i rÊt mÞn trong ®ã c¸c kÝch th­íc rçng chÊt nÒn ®Æc tr­ng lµ nhá h¬n 1  m vµ chØ mét phÇn rÊt nhá cña n­íc lç hæng cã thÓ tho¸t ra tù do d­íi t¸c dông cña träng lùc (Price vµ nh÷ng ng­êi kh¸c, 1976). T¹i vÞ trÝ phÝa nam n­íc Anh, Wellings (1984a) ®· t×m thÊy r»ng ®é rçng cña ®¸ phÊn lµ kho¶ng 30%, nh÷ng n¨ng suÊt riªng chØ kho¶ng 1%. Mét phÇn n­íc lín h¬n lµ cho thùc vËt vµ trong c¸c líp trªn cïng c¸c gi¸ trÞ cña sù hót cña rÔ c©y (xem Môc 6.3.1) lµ v­ît qu¸ 1000 kPa ®· ®­îc ghi nhËn. Mèi quan hÖ gi÷a c¸c gi¸ trÞ ®é rçng, n¨ng suÊt riªng vµ sù gi÷ l¹i riªng cho nh÷ng lo¹i vËt chÊt ch­a nÐn chÆt kh¸c nhau ®iÓn h×nh ®­îc thÓ hiÖn trong h×nh 5.3. H×nh nµy chØ ra r»ng, khi kÕt cÊu cña vËt chÊt trë nªn th« h¬n vµ bëi hµm ý tÇm quan träng cña c¸c khe nøt cã kÝch th­íc lín t¨ng lªn, c¶ sù gi÷ l¹i riªng vµ ®é rçng tæng céng còng t¨ng. MÆc dï ®Êt sÐt cã mét ®é rçng tæng céng cao, n­íc s½n cã d­íi d¹ng n¨ng suÊt riªng l¹i rÊt nhá. 5.4.3. Thay ®æi l­îng tr÷ §é rçng, sù gi÷ l¹i riªng vµ n¨ng suÊt riªng ®iÒu khiÓn kh¶ n¨ng cña mét tÇng ngËm n­íc ®Ó l­u tr÷ vµ duy tr× n­íc, nh­ng l­îng n­íc thùc sù cã mÆt ë mét thêi ®iÓm nµo ®ã ph¶n ¸nh nh÷ng thay ®æi cña l­îng tr÷ mµ ®Õn l­ît ®­îc x¸c ®Þnh bëi viÖc thay ®æi c©n b»ng gi÷a sù n¹p vµo vµ sù th¸o ra tõ tÇng ngËm n­íc. NÕu sù n¹p vµo trong suèt mét thêi kho¶ng cho tr­íc ®óng b»ng l­îng th¸o ra, l­îng n­íc trong kho tr÷ sÏ vÉn kh«ng ®æi; nÕu sù n¹p vµo v­ît h¬n sù th¸o ra, l­îng tr÷ sÏ t¨ng trong khi, nÕu sù th¸o ra lín h¬n sù n¹p vµo, l­îng tr÷ sÏ gi¶m. §iÒu nµy cã thÓ ®­îc biÓu diÔn mét c¸ch tiÖn lîi d­íi d¹ng mét ph­¬ng tr×nh c©n b»ng n­íc ®¬n gi¶n: dr QQS  (5.1) Trong ®ã S lµ sù thay ®æi tr÷ l­îng n­íc ngÇm, rQ lµ sù n¹p vµo cho n­íc ngÇm vµ dQ lµ l­îng th¸o ra tõ n­íc ngÇm. Mét hiÓu biÕt vÒ c¸c thµnh phÇn chÝnh cña ph­¬ng tr×nh c©n b»ng n­íc ngÇm th­êng lµ mét ®iÒu kiÖn tiªn quyÕt cña nh÷ng thö nghiÖm thµnh c«ng ®Ó khai th¸c n­íc ngÇm nh­ mét nguån tµi nguyªn. 142 H×nh 5.3 Mèi quan hÖ gi÷a ®é rçng, n¨ng suÊt riªng vµ sù gi÷ l¹i riªng cho c¸c lo¹i vËt chÊt ch­a nÐn chÆt kh¸c nhau, thÓ hiÖn c¸c gi¸ trÞ ®iÓn h×nh mµ cã thÓ kh¸c biÖt víi c¸c gi¸ trÞ t¹i mét vÞ trÝ riªng