Thủy văn nước ngầm

Ch−¬ng 8. Thuû v¨n n−íc ngÇm 8.1 Më ®Çu Môc ®Ých cña thuû v¨n häc lµ tËp trung nghiªn cøu c¸c hiÖn t−îng n−íc mÆt bao gåm m−a r¬i, dßng ch¶y trµn, thÊm, bèc h¬i, dßng ch¶y s«ng ngßi vµ tr÷ l−îng n−íc trong hå vµ hå chøa. Mét kü s− thuû v¨n còng ph¶i biÕt dÕn c¸c hiÖn t−îng n−íc ngÇm vµ dång ch¶y ngÇm. Ch−¬ng nµy xem xÐt mét sè ¶nh h−ëng cña n−íc ngÇm gåm thuû lùc n−íc ngÇm vµ kü thuËt m« h×nh n−íc ngÇm. §iÒu nµy kh«ng thuéc ph¹m vi xem xÐt cña thuû v¨n häc ngoµi mét vµi quyÓn s¸ch gi¸o khoa tæng quan ®Õn sù ®a d¹ng cña n−íc ngÇm vµ ¶nh h−ëng cña nã (Bear, 1979, Dewiest, 1965, Fetter, 1988, Freeze vµ Cherry, 1979, Todd, 1980). Thuû v¨n n−íc ngÇm rÊt quan träng bëi viÖc cung cÊp n−íc sö dông ë tÇng chøa n−íc vµ bëi nguy c¬ « nhiÔm t¹i bÒ mÆt ®Êt hoÆc bªn d−íi bÒ mÆt ®Êt. C¸c ®Æc tr−ng cña m«i tr−êng rçng vµ bÒ mÆt ®Þa chÊt ®Òu ¶nh h−ëng ®Õn c−êng ®é vµ h−íng dßng ch¶y ngÇm trong tÇng chøa n−íc hoÆc khi b¬m n−íc cã thÓ thay ®æi thuû lùc m« h×nh dßng ch¶y tù nhiªn. Mét nhµ thuû v¨n ph¶i hiÓu biÕt vÒ c¸c ph−¬ng ph¸p ®· ®−îc ®−a ra ®Ó dù b¸o c−êng ®é dßng ch¶y vµ c¸c h−íng chuyÓn ®éng trong c¸c hÖ thèng n−íc ngÇm. 481 H×nh 8.1 Xu h−íng sö dông n−íc ngÇm ë Mü (1950-1985) H×nh 8.2. PhÇn tr¨m ng−íc ngÇm trong tæng n−íc sö dông, 1985 482 N−íc ngÇm lµ mét nguån quan träng cung cÊp n−íc cho sinh ho¹t, n«ng nghiÖp vµ c«ng nghiÖp. H×nh 8.1 chØ ra phÇn tr¨m n−íc sö dông n−íc ngÇm trong c¸c lÜnh vùc ë Mü, vµ h×nh 8.2 miªu t¶ l−îng sö dông n−íc ngÇm quan hÖ sö dông n−íc t¹i mçi bang ë ®ã. Nh×n nh÷ng con sè ®· chØ ra, nh×n chung c¸c vïng phÝa t©y vµ gi÷a miÒn t©y phô thuéc vµo n−íc ngÇm lín h¬n rÊt nhiÒu. ThiÕt kÕ hÖ thèng cung cÊp n−íc b»ng viÖc sö dông n−íc ngÇm trong tÇng chøa n−íc lµ mét phÇn quan träng cña thuû v¨n c«ng tr×nh. Côc ®Þa chÊt Mü (USGS) cã tr¸ch nhiÖm chñ yÕu trong viÖc thu thËp sè liÖu n−íc ngÇm vµ ®¸nh gi¸ sè liÖu nµy trong ®iÒu kiÖn t¸c ®éng ®Õn viÖc cung cÊp n−íc, l−îng n−íc th¸o vµ sù « nhiÔm n−íc. Theo ®iÒu tra, USGS cung cÊp th«ng tin vÒ sè liÖu mùc n−íc ngÇm vµ l−îng n−íc ë Mü. C¸c nguån th«ng tin c¬ b¶n kh¸c tõ c¸c c¬ quan tµi nguyªn n−íc lµ HiÖp héi ®Þa chÊt Mü vµ HiÖp héi c¸c tµi nguyªn n−íc quèc gia. C¸c c¬ cÊu nh− lµ : n−íc ngÇm, nghiªn cøu tµi nguyªn n−íc vµ nghiªn cøu ®Þa chÊt hµng ngµy lµ c¸c th«ng tin kü thuËt chÝnh ®Ó c¸c c¬ quan trao ®æi. 8.2 nh÷ng tµi nguyªn n−íc ngÇm Sù ph©n bè theo chiÒu th¼ng ®øng cña n−íc ngÇm N¨m 1980 Todd ®· chØ ra r»ng, n−íc ngÇm cã thÓ ®−îc m« t¶ phï hîp víi sù ph©n bè theo chiÒu th¼ng ®øng. H×nh 8.3. CÊu tróc th¼ng ®øng cña c¸c t»ng chøa n−íc 483 H×nh 8.3 chØ ra sù ph©n bè líp n−íc theo mÆt c¾t. §íi thæ nh−ìng lµ ®èi më réng tõ bÒ mÆt ®Êt xuèng qua vïng rÔ c©y, nã thay ®æi tuú thuéc vµo lo¹i ®Êt vµ thùc vËt. Tæng l−îng n−íc cã trong ®íi thæ nh−ìng phô thuéc c¬ b¶n vµo ®Þa chÊt m−a r¬i vµ thÊm. N−íc liªn kÕt chñ yÕu b¸m vµo bÒ mÆt h¹t ®Êt, trong khi n−íc träng lùc ch¶y qua ®Êt d−íi t¸c ®éng cña träng lùc. N−íc mao dÉn ®−îc duy tr× bëi søc c¨ng bÒ mÆt bªn trªn mÆt tÇng n−íc ngÇm. MÆt tÇng n−íc ngÇm ®−îc ®Þnh nghÜa nh− lµ ®é cao t¹i ®ã n−íc sÏ d©ng lªn trong mét c¸i giÕng ®−îc khoan s©u vµo ®íi b·o hoµ. §íi th«ng khÝ më réng tõ giíi h¹n d−íi cña ®íi thæ nh−ìng ®Õn giíi h¹n trªn cña ®íi mao dÉn (xem h×nh 8.3). ChiÒu dµy ®íi cã thÓ thay ®æi tõ 0, nh÷ng n¬i mÆt tÇng n−íc ngÇm cao, ®Õn h¬n 100 m ë nh÷ng vïng kh« nh− lµ Arizona hoÆc New Mexico. C¸c lùc liªn kÕt vµ lùc mao dÉn gi÷ n−íc trong ®íi th«ng khÝ vµ c¸c lùc nµy còng lµm chËm sù vËn chuyÓn cña dßng thÊm vµ dßng ch¶y träng lùc xuèng mÆt tÇng n−íc ngÇm. H×nh 8.4 C¸c ®Æc tr−ng ®é Èm ®Êt Vïng mao dÉn hoÆc ®íi mao dÉn më réng tõ mÆt tÇng n−íc ngÇm lªn phÝa trªn tíi giíi h¹n cña ®é cao mao dÉn. §é cao nµy tû lÖ nghÞch víi cì lç hæng cña ®Êt vµ tû lÖ thuËn víi søc c¨ng bÒ mÆt. §é cao mao ®Én cã thÓ n»m trong ph¹m vi 2.5 cm, víi sái mÞn ®Õn h¬n 200 cm, víi bïn (Lohman, 1972). Bªn trªn mÆt tÇng n−íc ngÇm hÇu hÕt c¸c lç hæng ®Òu chøa n−íc mao dÉn vµ ®é cao n−íc mao ®Én phô thuéc vµo lo¹i ®Êt. H×nh 8.4 chØ ra ®−êng cong Èm cña mét lo¹i ®Êt ®iÓn h×nh. §íi b·o hoµ n»m bªn d−íi mÆt tÇng n−íc ngÇm. §é rçng lµ mét phÐp ®o trùc tiÕp l−îng n−íc chøa trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch, ®ã lµ tû sè cña thÓ tÝch lç hæng víi tæng thÓ tÝch. ChØ mét phÇn n−íc trong ®êi b·o hoµ cã thÓ chuyÓn ®éng b»ng hÖ thèng tiªu n−íc hoÆc b»ng sù phun tõ mét c¸i giÕng. L−u l−îng riªng ®−îc ®Þnh nghÜa lµ thÓ tÝch n−íc nh¶ ra tõ mét tÇng chøa n−íc kh«ng ¸p trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt víi mét ®¬n vÞ h¹ thÊp mÆt n−íc ngÇm ban ®Çu. H¹t mÞn s¶n ra l−îng n−íc nhá, ng−îc l¹i h¹t th« cung cÊp l−îng n−íc kh¸ lín vµ ®¸p øng cho tÇng chøa n−íc. Nh×n chung, l−u l−îng riªng cña cÊu tróc bë rêi n»m trong ph¹m vi tõ 7% ®Õn 25%. Mét c¸i hè ®µo th¼ng ®øng vµo trong ®Êt tíi mét tÇng chøa n−íc gäi lµ giÕng. Nh÷ng giÕng nµy ®−îc sö dông ®Ó lÊy n−íc, thu n−íc, c¸c môc ®Ých kh¸c vµ quan s¸t ®é 484 cao n−íc ngÇm. Th−êng th× mét bé phËn cña giÕng th«ng víi tÇng chøa n−íc vµ ®−îc x©y thµnh ®Ó ng¨n c¶n n−íc trong tÇng chøa n−íc ®i vµo giÕng. Xem h×nh 8.7 ®Ó chi tiÕt h¬n vÒ cÊu tróc cña mét c¸i giÕng. TÇng chøa n−íc Mét tÇng chøa n−íc cã thÓ ®−îc ®Þnh nghÜa nh− lµ mét sù h×nh thµnh bao gåm c¸c vËt chÊt thÊm ®−îc b·o hoµ ®Ó cung cÊp l−îng n−íc kh¸ lín cho c¸c giÕng vµ c¸c nguån n−íc. Nh×n chung, tÇng chøa n−íc cã diÖn tÝch lín cã thÓ n»m bªn trªn hoÆc bªn d−íi mét c¸i ®¸y c¸ch n−íc, lµ mét líp vËt chÊt kh«ng thÊm. TÇng n−íc treo cã quan hÖ víi vËt chÊt kh«ng thÊm n−íc nh− lµ ®Êt sÐt vµ tÇng chøa n−íc, lµ mét ®Þa tÇng thÊm n−íc rÊt nhá nh− lµ c¸t pha sÐt, nã cã thÓ ¨n th«ng víi n−íc ë bªn c¹nh c¸c tÇng c¸t chøa n−íc. TÇng chøa n−íc cã thÓ ®−îc ®Æc tr−ng bëi ®é rçng cña ®Êt ®¸, ®−îc diÔn t¶ nh− lµ tû sè cña thÓ tÝch lç hæng Vv vµ tæng thÓ tÝch V. §é rçng còng cã thÓ ®−îc diÔn t¶: m bv V V n ρ ρ−== 1 (8.1) víi ρ lµ mËt ®é cña c¸c h¹t, ρb lµ mËt ®é tæng céng. B¶ng 8.1 Ph¹m vi ®é rçng cña mét sè lo¹i vËt chÊt trong tÇng chøa n−íc* ChÊt liÖu §é rçng % ChÊt liÖu §é rçng % Sái th« 28 §Êt hoµng thæ 49 Sái võa 32 Than bïn 92 Sái mÞn 34 §¸ phiÕn 38 C¸t th« 39 §¸ bïn 35 C¸t võa 39 §¸ sÐt 43 C¸t mÞn 43 §¸ phiÕn sÐt 6 Bïn 46 SÐt t¶ng l¨n cã bïn 34 SÐt 42 SÐt t¶ng l¨n cã c¸t 31 §¸ c¸t mÞn 33 §¸ nói löa 41 §¸ c¸t võa 37 Bazan 17 DolomiD¸ v«i 30 Gabro 43 Dolomit 26 §¸ granit 45 §ôn c¸t 45 * Theo Morris vµ Johson, 1967 H×nh 8.5 . Ph©n bè cì h¹t khi ph©n tÝch hai mÉu ®Þa chÊt 485 C¸c vËt chÊt cã cÊu tróc kh«ng v÷ng ch¾c th−êng ®−îc ph©n lo¹i theo sù ph©n bè vµ cì cña chóng. C¬ së cña sù ph©n lo¹i cì ®Êt ®−îc chØ ra trong b¶ng 8.2. Cì h¹t ®−îc ®o ®¹c b»ng sµng cho c¸c h¹t nhá h¬n 0.005 mm vµ s¾p xÕp tû lÖ ®o ®¹c cho c¸c h¹t nhá h¬n. §å thÞ ph©n bè cì h¹t ®Æc tr−ng ®−îc chØ ra trong h×nh 8.5. HÖ sè ®ång d¹ng chØ quan hÖ ®ång d¹ng cña vËt chÊt. VËt chÊt ®ång d¹ng nh− lµ c¸t mÞn cã hÖ sè thÊp, trong khi vËt chÊt Graptolit nh− lµ ®Êt phï sa cã hÖ sè cao (h×nh 8.5). KÕt cÊu ®Êt ®−îc ®Þnh nghÜa b»ng tû lÖ t−¬ng ®èi cña c¸t, bïn, sÐt trong ph©n tÝch cì h¹t vµ cã thÓ ®−îc diÔn t¶ mét c¸ch râ nhÊt treong tam gi¸c kÕt cÊu ®Êt (h×nh 8.6) VÝ dô, mét lo¹i ®Êt víi 30% ®Êt sÐt, 60% bïn, 10% c¸t ®−îc chØ ra B¶ng 8.2 Ph©n lo¹i ®Êt c¬ b¶n VËt liÖu Cì h¹t (mm) §Êt sÐt < 0.004 Bïn 0.004-0.062 C¸t rÊt mÞn 0.062-0.125 C¸t mÞn 0.125-0.25 C¸t trung b×nh 0.25-0.5 C¸t th« 0.5-1.0 C¸t rÊt th« 1.0-2.0 Sái rÊt mÞn 2.0-4.0 Sái mÞn 4.0-8.0 Sái trung b×nh 8.0-16.0 Sái th« 16.0-32.0 Sái rÊt th« 32.0-40.0 H×nh 8.6. Ph©n bè tû lÖ cÊu tróc ®Êt ®¸ 486 HÇu hÕt c¸c tÇng chøa n−íc ®−îc xem xÐt nh− tÇng chøa n−íc ngÇm. TÇng chøa n−íc ngÇm nhËn n−íc tõ m−a r¬i hoÆc tõ mét nguån nh©n t¹o. N−íc ch¶y ra tõ mét tÇng chøa n−íc do träng lùc hoÆc sù phun cña c¸c giÕng. C¸c tÇng chøa n−íc cã thÓ ®−îc ph©n chia thµnh tÇng chøa n−íc cã ¸p vµ tÇng chøa n−íc kh«ng ¸p, phô thuéc vµo sù cã mÆt cña mÆt tÇng n−íc ngÇm. Mét tÇng chøa n−íc cã ¸p khe nøt lµ mét ®Þa tÇng cho phÐp n−íc ch¶y qua mÆt ph©n c¸ch n−íc. H×nh 8.7. MÆt c¾t minh ho¹ c¸c dßng ngÇm giíi h¹n vµ kh«ng giíi h¹n H×nh 8.7 chØ ra mét mÆt c¾t ngang th¼ng ®øng minh ho¹ c¸c tÇng chøa n−íc cã ¸p vµ kh«ng ¸p. TÇng chøa n−íc kh«ng ¸p lµ mét tÇng mµ t¹i ®ã tån t¹i mÆt tÇng n−íc ngÇm vµ mÆt ®ã lªn xuèng theo sù thay ®æi cña l−îng tr÷ n−íc ngÇm. TÇng n−íc treo lµ mét vÝ vô vÒ phÇn n−íc cã ¸p n»m trªn ®Ønh cña thÊu kÝnh t¸ch biÖt víi tÇng chøa n−íc chÝnh. TÇng chøa n−íc cã ¸p cßn gäi lµ tÇng chøa n−íc actezi xuÊt hiÖn ë nh÷ng n¬i n−íc ngÇm bÞ giíi h¹n bëi mét ®Þa tÇng kh«ng thÊm ®−îc t−¬ng ®èi vµ n−íc n»m d−íi ¸p suÊt lín h¬n ¸p suÊt khÝ quyÓn. NÕu mét c¸i giÕng khoan s©u vµo tÇng chøa n−íc th× mùc n−íc sÏ t¨ng lªn so víi mùc ë tÇng giíi h¹n. NÕu mùc n−íc t¨ng lªn khái khái mÆt ®Êt th× sÏ t¹o ra mét giÕng phun hoÆc nguån phun vµ gäi lµ giÕng actezi hoÆc nguån actezi. Vïng cung cÊp n−íc cho tÇng chøa n−íc cã ¸p vµ tÇng chøa n−íc cã thÓ vËn chuyÓn n−íc tõ vïng cÊp n−íc nµy ®Õn vÞ trÝ tù nhiªn hoÆc nguån thu nh©n t¹o. MÆt ¸p lùc (hoÆc mÆt ®Þa thÕ vÞ ) cña mét tÇng chøa n−íc cã ¸p lµ mùc ¸p suÊt thuû lùc cña n−íc trong tÇng chøa n−íc. MÆt ¸p lùc ®−îc xem nh− lµ ®−êng mùc n−íc trong giÕng khoan. Chó ý r»ng, tÇng chøa n−íc cã ¸p cã thÓ trë thµnh kh«ng ¸p khi mùc ¸p lùc h¹ thÊp xuèng d−íi ®¸y cña líp gi¬Ý h¹n bªn trªn. B¶n ®å ®−êng ®ång møc hoÆc c¸c mÆt profile cã thÓ lµ mÆt tÇng n−íc ngÇm kh«ng ¸p hoÆc lµ mÆt ¸p lùc cña tÇng chøa n−íc cã ¸p. C¸c ®−êng ®¼ng thÕ nµy sÏ ®−îc tr×nh bµy chi tiÕt h¬n trong phÇn 8.3. Mét ®iÒu ®−îc x¸c ®Þnh tõ hµng lo¹t c¸c giÕng khoan trong mét tÇng chøa n−íc lµ c¸c ®−êng trùc giao cã thÓ ®−îc vÏ ®Ó chØ ra h−íng chung cña dßng n−íc ngÇm theo h−íng gi¶m ¸p suÊt ¸p lùc. Mét th«ng sè quan träng cã liªn quan ®Õn kh¶ n¨ng sinh s¶n n−íc cña tÇng chøa n−íc, hÖ sè tr÷ l−îng S ®−îc ®Þnh 487 nghÜa lµ thÓ tÝch n−íc mµ mét tÇng chøa n−íc nh¶ ra hoÆc nhËn ®−îc trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt mét ®¬n vÞ thay ®æi ¸p suÊt thuû lùc. XÐt mét tÇng chøa n−íc cã ¸p, gi¸ trÞ cña S n»m trong ph¹m vi tõ 0.00005 ®Õn 0.005, chØ ra r»ng sù thay ®æi ¸p suÊt lín cung cÊp tr÷ l−îng cho sù thay ®æi nhá. XÐt c¸c tÇng chøa n−íc kh«ng ¸p, sù thay ®æi tr÷ l−îng ®−îc diÔn ®¹t b»ng sù cung cÊp thÓ tÝch cña tÇng chøa n−íc n»m gi÷a mÆt tÇng n−íc ngÇm t¹i thêi ®iÓm ®Çu vµ thêi ®iÓm cuèi vµ l−u l−îng riªng trung b×nh cña sù h×nh thµnh. Do ®ã, hÖ sè l−u l−îng cho mét tÇng chøa n−íc kh«ng ¸p b»ng l−u l−îng riªng (7% - 25% ). 8.3 Sù chuyÓn ®éng cña n−íc ngÇm §Þnh luËt Darcy ChuyÓn ®éng cña n−íc d−íi ®Êt ®−îc thiÕt lËp bëi c¸c nguyªn lý thuû lùc mµ Henri Darcy ®· ®−a ra vµo n¨m 1856. ¤ng ®· nghiªn cøu kh¶o s¸t dßng ch¶y cña n−íc qua c¸c líp c¸t thÊm ®−îc. Darcy ®· ph¸t hiÖn ra mét trong c¸c ®Þnh luËt quan träng nhÊt cña thuû v¨n häc - ®ã lµ c−êng ®é dßng ch¶y qua m«i tr−êng rçng tû lÖ víi tæn thÊt ban ®Çu vµ tû lÖ nghÞch víi chiÒu dµi dßng ch¶y. §Þnh luËt Darcy phôc vô cho nh÷ng hiÓu biÕt c¬ b¶n vÒ dßng ch¶y ngÇm vµ thuû lùc häc. H×nh 8.8 tr×nh bµy thÝ nghiÖm vÒ ¶nh h−ëng cña hÖ sè tæn thÊt thuû lùc qua mét cét c¸t víi c¸c èng ®o ¸p ®Æt c¸ch nhau mét kho¶ng L. Tæng n¨ng l−îng cña hÖ thèng nµy cã thÓ ®−îc diÔn ®¹t bëi ph−¬ng tr×nh Bernoulli : 2 2 22 1 2 11 22 z g v y P z g v y P ++=++ (8.2) Bëi v× trong m«i tr−êng rçng vËn tèc nhá, do ®ã c¸c cét n−íc l−u tèc cã thÓ bá qua, Cét n−íc tæn thÊt ®−îc x¸c ®Þnh : )()( 22111 zy P z y P h +−+= (8.3) víi P =¸p suÊt g = träng l−îng riªng cña n−íc v = vËn tèc z = mùc n−íc h1 = tæn thÊt cét n−íc Theo ®ã, cét n−íc tæn thÊt phô thuéc vµo ®é nghiªng cña cét c¸t. Darcy ®· liªn hÖ gi÷a c−êng ®é dßng ch¶y ®Õn cét n−íc tæn thÊt vµ chiÒu dµi cét c¸t qua mét tû sè kh«ng ®æi ®−îc gäi lµ K- hÖ sè thÊm thuû lùc, ®Ó ®o kh¶ n¨ng thÊm cña m«i tr−êng rçng. §Þnh luËt Darcy cã thÓ viÕt: dL dh K A Q V −=−= (8.4) 488 DÊu trõ (-) chØ ra dßng ch¶y cña n−íc theo h−íng gi¶m thuû lùc. VËn tèc Darcy ®−îc tÝnh tõ ph−¬ng tr×nh (8.4) lµ vËn tèc trung b×nh qua toµn bé mÆt c¾t ngang cña cét c¸t. Dßng ch¶y thùc sù chØ bÞ giíi h¹n trong kh«ng gian rçng, do dã vËn tèc thÊm Vs b»ng vËn tèc thÊm chia cho ®é rçng. nA Q Vs = (8.5) Theo c«ng thøc trªn, vËn tèc thùc tÕ lín h¬n nhiÒu so víi vËn tèc theo Darcy. H×nh 8.8. Tæn thÊt ®Çu n−íc qua cét c¸t §Þnh luËt Darcy chØ ¸p dông cho dßng ch¶y tÇng trong m«i tr−êng rçng vµ c¸c kinh nghiÖm chØ ra r»ng, ®Þnh luËt Darcy ch¾c ch¾n cho hÖ sè Reynolds nhá h¬n 1 vµ cã lÏ b»ng 0.1. §iÒu nµy lµ giíi h¹n trªn cho sù ¸p dông hîp lý ®Þnh luËt Darcy, ®Þnh luËt Darcy ®−îc sö dông trong hÇu hÕt c¸c hÖ thèng n−íc ngÇm. Sù ph©n chia cã thÓ diÔn ra gÇn giÕng phun vµ trong c¸c hÖ thèng tÇng chøa n−íc khe nøt cã ®é më lín. HÖ sè thÊm thuû lùc HÖ sè thÊm thuû lùc cña c¸t hoÆc ®¸ phô thuéc vµo sù ®a d¹ng cña c¸c nh©n tè vËt lý vµ cã mét yªu cÇu ®èi víi tÇng chøa n−íc lµ sù vËn chuyÓn n−íc. TÇng chøa n−íc c¸t cã gi¸ trÞ K lín h¬n tÇng chøa n−íc ®¸. B¶ng 8.3 chØ ra c¸c gi¸ trÞ ®Æc tr−ng cña hÖ sè thÊm thuû lùc cho c¸c lo¹i vËt chÊt. Nh− ®· nãi ë trªn, K cã thay ®æi nhiÒu gi¸ trÞ trong mét tÇng chøa n−íc mµ tÇng chøa n−íc ®ã cã thÓ chøa nhiÒu lo¹i vËt chÊt kh¸c nhau. Do ®ã vËn tèc vµ c−êng ®é dßng ch¶y cã thÓ thay ®æi trong cïng mét ph¹m vi nh− ®Þnh luËt Darcy ®· diÔn ®¹t. HÖ sè truyÒn lµ mét tham sè sö dông trong thuû lùc n−íc ngÇm khi ¸p dông cho c¸c tÇng chøa n−íc cã ¸p. Nã ®−îc ®Þnh nghÜa nh− lµ tÝch sè cña K vµ chiÒu dµy ®íi b·o hoµ cña tÇng chøa n−íc b. HÖ sè thÊm thuû lùc th−êng cã ®¬n vÞ m/ngµy ( ft/ngµy) vµ hÖ sè truyÒn T cã ®¬n vÞ lµ m2/ngµy (ft2/ngµy ) Mét ®¬n vÞ cò cña T vÉn ®−îc ®−a ra trong mét vµi tr−êng hîp sö dông lµ gal/ngµy/ft. Sù chuyÓn ®æi c¸c ®¬n vÞ cho c¸c th«ng sè nµy ®−îc tr×nh bµy trong phô lôc B. HÖ sè thÊm h×nh häc cña ®¸ vµ sái lµ mét gi¸ trÞ trung b×nh nã phô thuéc vµo c¸c ®Æc tr−ng cña chÊt láng. HÖ sè thÊm h×nh häc k cã thÓ ®−îc tÝnh: 489 g K k ρ µ.= (8.6) víi ρ : MËt ®é chÊt láng µ : HÖ sè nhít ®éng häc g : Gia tèc träng tr−êng HÖ sè thÊm h×nh häc k cã ®¬n vÞ m2 hoÆc Darcy, b»ng 0.987(µm)2, k th−êng ®−îc sö dông trong ngµnh c«ng nghiÖp dÇu, k cßn ®−îc sö dông trong thuû v¨n n−íc ngÇm ®Ó ph©n lo¹i c¸c hÖ thèng tÇng chøa n−íc. B¶ng 8.3 C¸c gi¸ trÞ ®Æc tr−ng cña hÖ sè thÊm thuû lùc TrÇm tÝch bë rêi HÖ sè thÊm thuû lùc (cm/s) Sái 3.0 - 3.10-2 C¸t th« 6.10-1 - 9.10 -5 C¸t trung b×nh 5.10-2 - 9.10 -5 C¸t mÞn 2.10-2 - 2.10-5 Bïn, hoµng thæ 2.10-3 - 1.10-7 SÐt t¶ng l¨n 2.10-4 - 1.10-10 SÐt 5.10-7 - 1.10-9 SÐt biÓn 2.10-7 - 8.10-11 §¸ trÇm tÝch §¸ v«i Karst 2 - 1.10-4 §¸ v«i vµ dolomit 6.10-4 - 1.10-7 C¸t kÕt 6.10-4 - 3.10-8 §¸ phiÕn sÐt 2.10-7 - 1.10-11 §¸ kÕt tinh Bazan thÊm ®−îc 2 - 4.10-5 Macma khe nøt bë rêi 3.10-2 - 8.10 -7 Bazan 4.10-5 - 2.10-9 Macma ngoµi khe nøt bë rêi 2.10-8 - 3.10-12 Granit 3.10-4 - 5.10-3 X¸c ®Þnh hÖ sè thÊm thuû lùc HÖ sè thÊm thuû lùc trong ®íi b·o hoµ cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh bëi mét th«ng sè kü thuËt trong phßng thÝ nghiÖm còng nh− trong m«i tr−êng. ThÊm cã ¸p suÊt kh«ng ®æi vµ thÊm cã ¸p suÊt gi¶m ®−îc sö dông trong phßng thÝ nghiÖm ®Ó ®o K vµ ®−îc tr×nh bµy chi tiÕt h¬n bªn d−íi. Trong mét tr−êng hîp, kiÓm tra toµn diÖn vÒ m¸y b¬m, ®é nhít vµ kho¶ng v¹ch thay ®æi ®Ó x¸c ®Þnh K. Nh÷ng thÝ nghiÖm nµy ®−îc tr×nh bµy trong 8.5 vµ 8.6 theo h−íng dÉn chung cña c¸c giÕng thuû lùc. Mét th«ng sè (h×nh 8.9) ®−îc sö dông trong phßng thÝ nghiÖm ®Ó ®o K b»ng viÖc duy tr× dßng ch¶y qua mét vËt chÊt nhá vµ ®o c−êng ®é dßng ch¶y vµ cét n−íc tæn thÊt. Cho mét th«ng sè ¸p suÊt thuû lùc kh«ng ®æi, ®Þnh luËt Darcy cã thÓ ®−îc ¸p dông mét c¸ch chÝnh x¸c ®Ó t×m K, víi V lµ thÓ tÝch dßng ch¶y trong thêi gian t qua mét mÉu diÖn tÝch A, chiÒu dµi L, vµ cét n−íc kh«ng ®æi h : htA LV K .. .= (8.7) ThÝ nghiÖm vÒ hÖ sè gi¶m cét n−íc bao gåm viÖc ®o c−êng ®é gi¶m cét n−íc trong 490 èng hoÆc trong cét vµ cÇn chó ý : dt dh rQ 2π= (8.8) §Þnh luËt Darcy cã thÓ viÕt cho mét mÉu ®Êt nh− : dt dh KrQ c 2π= (8.9) Sau khi tÝch ph©n, ph−¬ng tr×nh ®−îc: )ln( 2 1 2 2 h h tr Lr K c = (8.10) víi K, r, rc, ®−îc chØ ra trong h×nh 8.9 vµ t lµ kho¶ng thêi gian cho n−íc gi¶m tõ h1 xuèng h2 . ThÝ nghiÖm lç khoan bao gåm viÖc ®o ®¹c sù thay ®æi mùc n−íc sau khi gi¶m ®i hoÆc thªm vµo mét thÓ tÝch n−íc trong lç khoan. Gi¸ trÞ K cã thÓ ¸p dông ®−îc mét c¸ch gÇn ®óng cho c¸c lç vµ nã ®−îc sö dông trong c¸c ®iÒu kiÖn mÆt n−íc ngÇm n«ng. ThÝ nghiÖm Ðp n−íc cho c¸c giÕng n«ng cã t¸c dông trong nhiÒu h×nh d¸ng, vãi sù ®o d¹c viÖc gi¶m hoÆc t¨ng mùc n−íc theo thêi gian. H×nh 8.9. C¸c thiÕt bÞ ®o thÊm thuû lùc d¬n gi¶n ThÝ nghiÖm vÒ giÕng phun bao gåm sù lÊy n−íc ®Òu tõ mét giÕng ®¬n vµ quan tr¾c mùc n−íc gi¶m ë mét vµi c¸i giÕng bªn c¹nh. Theo c¸ch nµy, mét tæ hîp gi¸ trÞ K cña mét bé phËn tÇng chøa n−íc ®−îc x¸c ®Þnh. Nh×n chung, c¸c tr−êng sè liÖu ®−a ra c¸c gi¸ trÞ K kh¸c nhau kh¸ lín so víi c¸c thÝ nghiÖm trong phßng thÝ nghiÖm t−¬ng ®−¬ng ®−îc thùc hiÖn trong mét vÞ trÝ trung t©m di chuyÓn tõ tÇng chøa n−íc. Do ®ã c¸c thÝ nghiÖm ngoµi ®ång thÝch hîp h¬n ®Ó x¸c ®Þnh th«ng sè cña tÇng chøa n−íc. C¸c tÇng chøa n−íc dÞ h−íng HÇu hÕt c¸c hÖ thèng ®Þa chÊt thùc sù cã khuynh h−íng thay ®æi theo mét hoÆc nhiÒu chiÒu do c¸c qu¸ tr×nh trÇm tÝch hoÆc ph©n líp cã thÓ x¶y ra. VËy, vÞ trÝ tr−êng sè liÖu tiªu biÓu lµ trong líp trÇm tÝch phï sa. Chóng ta nhËn thÊy hÖ sè thÊm thuû lùc theo h−íng th¼ng ®øng Kz nhá h¬n hÖ sè thÊm theo h−íng ngang Kx. XÐt tr−êng hîp tÇng chøa n−íc gåm hai líp víi gi¸ trÞ K vµ bÒ dµy hai líp lµ kh¸c nhau, chóng ta cã thÓ 491 ¸p dông ®Þnh luËt Darcy cho dßng ch¶y ngang víi : 21 2211 zz zKzK K x + += (8.11) HoÆc c«ng thøc chung: ∑ ∑= i ii x z zK K . (8.12) Víi Ki = K ë líp i zi = bÒ dÇy cña líp i XÐt tr−êng hîp dßng ch¶y th¼ng ®øng qua hai líp, qz lµ dßng ch¶y t−¬ng tù trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch ngang ë mçi líp. zqK z K z dhdh )( 2 2 1 1 21 +=+ (8.13) nh−ng: z z q K zz dhdh )( 2121 +=+ (8.14) Víi Kz : hÖ sè thÊm thuû lùc cho toµn bé hÖ thèng. Tõ ph−¬ng tr×nh 8.13 vµ 8.14 chóng ta cã: )()( 2 2 1 1 21 K z K z zz K z + += (8.15) HoÆc c«ng thøc chung: ii i z Kz z K /∑ ∑= (8.16) Tû sè Kx/Kz th−êng r¬i trong ph¹m vi tõ 2 ®Õn 10 ®èi víi phï sa, cã gi¸ trÞ h¬n 100 ®èi víi sÐt. Trong sù øng dông ®Ó ph©n líp hÖ thèng, nã cÇn thiÕt ®Ó ¸p dông trong m« h×nh dßng ch¶y ngÇm, c¸c m« h×nh mµ cã thÓ tÝnh chÝnh x¸c cho c¸c ®Þa tÇng phøc t¹p qua sù m« pháng sè trÞ. ViÖc lùa chän c¸c m« h×nh ®−îc tr×nh bµy trong phÇn 8.8. M¹ng l−íi dßng ch¶y Ban ®Çu, ®Þnh luËt Darcy ®−îc ¸p dông cho mét chiÒu, nh−ng bëi v× nhiÒu tr−êng hîp n−íc ngÇm cã hai hoÆc ba chiÒu nªn c¸c ph−¬ng ph¸p thay ®æi ®Ó quyÕt ®Þnh c−êng ®é vµ h−íng dßng ch¶y. XÐt trong tr−êng hîp c¸c ®−êng dßng vµ c¸c ®−êng ®¼ng thÕ ®−îc vÏ víi c¸c ®iÒu kiÖn biªn ®−îc ®Þnh tr−íc ®Ó t¹o thµnh mét m¹ng l−íi dßng ch¶y (h×nh 8.10 ) theo hai chiÒu. C¸c ®−êng ®¼ng thÕ ®Æt c¬ së ®Ó quan s¸t mùc n−íc trong giÕng thÊm vµo mét tÇng chøa n−íc ®¼ng h−íng. Sau ®ã c¸c ®−êng dßng ®−îc vÏ vu«ng gãc ®Ó chØ ra h−íng dßng ch¶y. XÐt m¹ng l−íi dßng ch¶y cña h×nh 8.10, gradient thuû lùc i ®−îc viÕt: ds dh i = (8.17) Vµ dßng ch¶y q trªn mét ®¬n vÞ bÒ dµy gi÷a hai ®−êng dßng c¹nh nhau lµ: dm ds dh Kq = (8.18) 492 NÕu chóng ta gi¶ thiÕt ds = dm cho mét l−íi « vu«ng th× cho n « vu«ng gi÷a hai ®−êng dßng t¹i ®ã tæng cét n−íc ®−îc chia (h=H/n) vµ cho m phÇn dßng ch¶y ®−îc chia: n KmH mqQ == (8.19) víi K: hÖ sè thÊm thuû lùc cña tÇng chøa n−íc m: sè phÇn dßng ch¶y n: sè « vu«ng theo h−íng dßng ch¶y H: tæng tæn thÊt cét n−íc theo h−íng dßng ch¶y H×nh 8.10. M¹ng l−íi dßng ch¶y hiÖu qu¶ H×nh 8.11. S¬ ®å tÝnh nót thuû lùc M¹ng l−íi dßng ch¶y lµ ph−¬ng ph¸p ®å thÞ h÷u hiÖu ®Ó thÓ hiÖn c¸c ®−êng ®ßng vµ c¸c ®−êng ®¼ng thÕ. Bëi v× dßng ch¶y kh«ng thÓ c¾t ngang qua biªn kh«ng thÊm n−íc nªn c¸c ®−êng dßng ph¶i song song víi nã. Còng nh− vËy c¸c ®−êng dßng lµ ngang víi vËt chÊt cã hÖ sè thÊm cao vµ lµ th¼ng ®øng cã hÖ sè thÊm K thÊp bëi v× sù khóc x¹ cña c¸c ®−êng qua mét biªn gi÷a c¸c m«i tr−êng cã hÖ sè thÊm K kh¸c nhau. §iÒu nµy cã thÓ chØ ra ë h×nh 8.7. 2 1 2 1 tan tan θ θ= K K (8.20) M¹ng l−íi dßng ch¶y cho sù thÊm qua mét hÖ thèng ®−îc ph©n líp cã thÓ kh«ng 493 trùc giao vµ ®−îc chØ ra trong h×nh 8.12, trong h×nh 8.12(a) hÇu hÕt dßng ch¶y cã ®¬n vÞ thÊp h¬n vµ trong phÇn (b) nã cã ®¬n vÞ cao h¬n. Chç uèn cong cña c¸c ®−êng dßng trë nªn quan träng trong viÖc x¸c ®Þnh m« h×nh c¶ vïng dßng ch¶y. H×nh 8.12 Dßng ch¶y hiÖu qu¶ tõ kho n−íc vµo kªnh H×nh 8.13. Dßng ngÇm theo c¸c ®íi H×nh 8.13 chØ ra m« h×nh cña tõng phÇn dßng ch¶y vµ m« h×nh cña c¶ vïng dßng 494 ch¶y cã thÓ cã cho mét tÇng chøa n−íc ®¼ng h−íng ®ång nhÊt lµ vïng cã ph©n bè mÆt tÇng n−íc ngÇm d¹ng sin. M¹ng l−íi dång ch¶y cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó tÝnh to¸n sù ¶nh h−ëng cña sù thay ®æi mÆt n−íc ngÇm vµ h−íng dßng ch¶y. H×nh 8.14 miªu t¶ ®−êng viÒn cña b¶n ®å h×nh thµnh tõ giÕng phun m¹nh t¹i Houston Texar, trong kho¶ng thêi gian vµi n¨m. C¸c ®−êng ®¼ng thÕ vµ c¸c ®−êng dßng ®−îc xem xÐt trong phÇn 8.4. H×nh 8.14. §−êng n−íc ngÇm ë c¸c vïng Harris vµ Galveston, Texas 8.4 C¸c ph−¬ng tr×nh dßng ch¶y tæng qu¸t Ph−¬ng tr×nh dßng ch¶y chuÈn cho n−íc ngÇm ®−îc b¾t nguån trong hÇu hÕt c¸c tµi liÖu chuÈn trong hÇu hÕt tr−êng d÷ liÖu (Bear, 1979, De Wiest, 1965, Freeze vµ Cherry, 1979, Todd, 1980). Ph−¬ng tr×nh liªn tôc tõ c¬ häc chÊt láng ®−îc kÕt hîp víi ®Þnh luËt Darcy theo ba chiÒu ®Ó t¹o ra mét ph−¬ng tr×nh tæng qu¸t kh¸c cña dßng ch¶y trong m«i tr−êng rçng nã ®−îc chØ ra trong phÇn tiÕp theo. C¶ hai ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i æn ®Þnh vµ ph−¬ng tr×nh dßng ch¶y tøc thêi cã thÓ nhËn ®−îc. Gi¶i cho c¸c ®iÒu kiÖn biªn cô thÓ ®−îc tÝnh cho ph−¬ng tr×nh dßng ch¶y ngÇm chuÈn. XÐt c¸c hÖ thèng ®ång nhÊt vµ ®iÒu kiÖn biªn phøc t¹p, viÖc gi¶i b»ng m¸y tÝnh ®−îc sö dông. Tr¹ng th¸i æn ®Þnh cña dßng ch¶y trong ®íi b·o hoµ Chó ý mét ®¬n vÞ thÓ tÝch m«i tr−êng rçng (h×nh 8.15) ®−îc gäi lµ thÓ tÝch x¸c ®Þnh c¬ b¶n. §Þnh luËt b¶o toµn khèi l−îng yªu cÇu r»ng: Khèi l−îng vµo - Khèi l−îng ra = Sù thay ®æi khèi l−îng theo thêi gian. 495 H×nh 8.15. C¸c thµnh phÇn thÓ tÝch kiÓm tra Cho ®iÒu kiÖn æn ®Þnh vÕ ph¶i b»ng kh«ng vµ ph−¬ng tr×nh liªn tôc trë thµnh: 0)()()( =∂ ∂−∂ ∂−∂ ∂− z z y y x x VVV ρρρ (8.21) §¬n vÞ cña ρV lµ khèi l−îng / diÖn tÝch/ thêi gian nh− ®· yªu cÇu. Cho mét chÊt láng kh«ng nÐn ®−îc ρ(x, y, z) = const, vµ cã thÓ chia ph−¬ng tr×nh (8.21) cho ρ. Thay ®Þnh luËt Darcy cho Vx, Vy, Vz ta ®−îc: 0)()()( =∂ ∂ ∂ ∂+∂ ∂ ∂ ∂+∂ ∂ ∂ ∂ z h K zy h K h K zy yx x x (8.22) XÐt mét m«i tr−êng ®ång nhÊt ®¼ng h−íng Kx = Ky = Kz = K vµ cã thÓ chia hai vÕ ph−¬ng tr×nh cho K ®−îc: 0 2 2 2 2 2 2 =∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂ z h y h x h (8.23) Ph−¬ng tr×nh 8.23 ®−îc gäi lµ ph−¬ng tr×nh Laplace vµ lµ mét trong nh÷ng ph−¬ng tr×nh quan träng nhÊt. Gi¶i víi h = h(x, y, z) lµ cét n−íc thuû lùc t¹i bÊt kú ®iÓm nµo trong ph¹m vi dßng ch¶y. Trong tr−êng hîp hai chiÒu viÖc gi¶i ph−¬ng tr×nh t−¬ng ®−¬ng víi ®å thÞ m¹ng l−íi dßng ch¶y ®−îc tr×nh bµy trong phÇn 8.3. NÕu kh«ng cã sù thay ®æi cña h vµ z th× ph−¬ng tr×nh sÏ ®−îc rót gän thµnh hai tham biÕn ë vÕ tr¸i cña ph−¬ng tr×nh 8.23. Dßng ch¶y tøc thêi trong ®íi b·o hoµ Ph−¬ng tr×nh tøc thêi liªn tôc cho mét tÇng chøa n−íc cã ¸p trë thµnh: t n t nn t V z V y V x zyx ∂ ∂+∂ ∂=∂ ∂=∂ ∂−∂ ∂−∂ ∂− ρρρρρρ )()()()( (8.24) Tham biÕn ®Çu tiªn ë vÕ ph¶i ph−¬ng tr×nh 8.24 lµ tû lÖ khèi l−îng n−íc ®−îc viÕt bëi sù gi·n në n−íc d−íi sù thay ®æi ρ. Tham biÕn thø hai lµ tû lÖ khèi l−îng n−íc ®−îc xÐt bëi tæ hîp cña m«i tr−êng rçng ( sù thay ®æi n). Tham biÕn thø nhÊt liªn quan tíi hÖ sè nÐn cña chÊt láng β vµ tham biÕn thø hai liªn quan ®Õn hÖ sè nÐn cña tÇng chøa n−íc α. N¨m 1979 Freeze vµ Cherry ®· chØ ra r»ng sù thay ®æi cña h sÏ dÉn tíi sù thay ®æi cña ρ vµ n, vµ thÓ tÝch n−íc ®−îc ®−a ra cho mét ®¬n vÞ gi¶m cét n−íc lµ Ss, tr÷ l−îng ®Æc tr−ng. 496 Theo lý thuyÕt chóng ta cã thÓ chØ ra r»ng: )( βαρ ngSs += (8.25) Vµ tû lÖ khèi l−îng n−íc ®−îc ®−a ra lµ Ss(∂h/∂t). Sau khi thay ph−¬ng tr×nh 8.25 vµ ®Þnh luËt Darcy vµo ph−¬ng tr×nh 8.24 trë thµnh: t h S z h K zy h K yx h K x szyx ∂ ∂=∂ ∂ ∂ ∂+∂ ∂ ∂ ∂+∂ ∂ ∂ ∂ )()()( (8.26) cho m«i tr−êng ®¼ng h−íng vµ ®ång nhÊt. XÐt tr−êng hîp ®Æc biÖt tÇng chøa n−íc cã ¸p n»m ngang dé dµy b: t h K S z h y h x h s ∂ ∂=∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂ 2 2 2 2 2 2 (8.27) S = Ss.b víi S lµ hÖ sè l−u l−îng T= K.b. t h T S h ∂ ∂=∇ 2 theo hai chiÒu Gi¶i ph−¬ng tr×nh 8.28 yªu cÇu biÕt S vµ T ®Ó ®−a ra h(x,y) trong ph¹m vi dßng ch¶y. ViÖc tr×nh bµy 8.28 ®−îc ph¸t triÓn ®Çu tiªn bëi Jacop (1940) víi sù chó ý ®Õn c¸c kh¸i niÖ