Giáo trình chất lượng nước và sự ô nhiễm nước dưới đất

pdf 63 trang huongle 3650
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình chất lượng nước và sự ô nhiễm nước dưới đất", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_chat_luong_nuoc_va_su_o_nhiem_nuoc_duoi_dat.pdf

Nội dung text: Giáo trình chất lượng nước và sự ô nhiễm nước dưới đất

  1. CHƯƠNG 3 CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÀ SỰ Ô NHIỄM NƯỚC DƯỚI ĐẤT §1. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT Tính chất vật lý của nước dưới đất gồm có: nhiệt độ, độ trong suốt, màu, mùi, vị, tỷ trọng, tính nhớt, tính dẫn điện, tính phóng xạ. 1. Nhiệt độ của nước biến đổi trong phạm vi rất lớn thùy thuộc cấu trúc địa chất địa chất thuỷ văn, lịch sử phát triển địa chất, điều kiện địa lý tự nhiên và động thái của nguồn cung cấp. Ở Việt Nam nhiệt độ của nước dưới đất thường biến đổi trong phạm vi 18-20o đến 26-28oC. Ở các vùng có hoạt động núi lửa trẻ và hiện đại hoặc nước dưới đất ở độ sâu lớn đi lên, nhiệt độ có thể trên 100oC. Nước có nhiệt độ từ 35-37oC là loại nước có giá trị nhất dùng để chữa bệnh (tắm), do có nhiệt độ gần với thân nhiệt. 2. Độ trong suốt của nước dưới đất tùy thuộc lượng khoáng chất hòa tan trong nước, hàm lượng các hỗn hợp cơ học, các chất hữu cơ và các chất keo. Theo mức độ trong suốt chia ra: 1. trong suốt; 2. hơi đục; 3. đục; 4. rất đục. Độ trong suốt của nước được xác định bằng cách đổ đầy nước vào một ống nghiệm không màu có đáy bằng, cao 30-40cm rồi nhìn từ trên miệng ống nghiệm xuống, so sánh với dung tích chuẩn bằng nước cất. 3. Màu của nước dưới đất tùy thuộc thành phần hóa học, các tạp chất có mặt. Phần lớn nước dưới đất không màu, nước cứng có màu phớt xanh da trời, các muối oxit sắt và hydro sunfua làm cho nước có màu xanh da trời phớt lục, các hợp chất humic hữu cơ làm cho nước nhuốm màu phớt vàng, các phân tử lơ lửng làm cho nước màu phớt xám. 4. Mùi. Nước dưới đất thường không có mùi. Mùi thường liên quan hoạt động của các vi khuẩn phân hủy các chất hữu cơ: hiđrô sunfua làm cho nước có mùi trứng thối, nước tù đọng trong các giếng gia cố bằng gỗ có mùi thiu ôi khó chịu, nước đầm lầy có mùi "đầm lầy” đặc biệt. 5. Vị của nước dưới đất là do các hợp chất muối khoáng hòa tan, các khí và tạp chất có mặt trong nước. Nước có chứa bicacbonat canxi và magiê và cả khí cacbonic thì có vị dễ chịu; phần lớn các chất hữu cơ làm cho nước có vị ngọt; vị mặn do có mặt lượng clorua natri đáng kể; vị đắng do có sunfat magiê và natri, vị gỉ sắt do chứa các ion sắt. 6. Tỷ trọng của nước xác định bằng tỷ số giữa trọng lượng với thể tích của nước trong điều kiện nhiệt độ nhất định. Tỷ trọng của nước bằng 1 tương ứng tỷ trọng của nước cất ở nhiệt độ 4oC. Tỷ trọng của nước phụ thuộc vào nhiệt độ, lượng muối và khí hòa tan, các phần tử lơ lửng. Tỷ trọng của nước thay đổi từ 1,0 đến 1,4g/cm3. §2. THÀNH PHẦN CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT Nước dưới đất là một hệ thống hóa lý rất phức tạp, luôn biến đổi tùy thuộc vào thành phần, mức độ, hoạt tính của các hợp phần tham gia vào trong nước và các điều kiện nhiệt động học. Phức hợp muối - ion của nước dưới đất bao gồm các nguyên tố chính, các nguyên tố vi lượng, các nguyên tố phóng xạ. Ngoài ra còn 74
  2. chứa các hợp chất hữu cơ và các vi sinh vật, các khí hòa tan trong nước cũng như các chất keo và hỗn hợp cơ học (hình 3.1). Khí (H2O)n Vật chất hữu cơ, vi sinh vật Ion Phân tử Keo Hổn hợp cơ học ĐẤT ĐÁ Hình 3.1. Sơ đồ nước thiên nhiên I.THÀNH PHẦN MUỐI - ION CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT 1.Các cách biểu diễn kết quả phân tích thành phần hoá học của nước Để nghiên cứu thành phần của nước dưới đất người ta thường tiến hành phân tích thành phần hoá học của nước. Kết quả phân tích thường được biểu diễn bằng một trong các cách: trọng lượng ion, đương lượng ion và phần trăm đượng lượng. Cách biểu diễn thường dùng phổ biến nhất là khối lượng ion. Bằng cách này, kết quả phân tích được tính bằng gam hay miligam trong một lít nước (g/l; mg/l) đối với nước nhạt và nước lợ. Đối với nước mặn dưới đất thường biểu diễn theo gam trong một kilôgam hay một trăm gam nước. Đương lượng ion là cách biểu diễn mà cho chúng ta biết được tính chất của nước và hiểu rõ mối quan hệ giữa các ion trong mỗi kết quả phân tích cụ thể. Để chuyển miligam/lit của một ion thành miligam đương lượng/lit cần lấy số miligam/lit chia cho đương lượng của ion đó. Đương lượng ion là tỷ số giữa nguyên tử lượng và hoá trị của nguyên tố. Ví dụ, kết quả phân tích một mẫu nước cho thấy khối lượng của ion canxi là 5 mlg/lit. Đương lượng ion của canxi là 40,08/2=20,04; như vậy, miligam đương lượng của ion canxi là: 5:20,04 = 0,25 mgđl/lit. Để có khái niệm về quan hệ giữa các ion và so sánh các loại nước có độ khoáng hoá khác nhau, người ta chuyển dạng biểu diễn theo các miligam đương lượng thành phần trăm miligam đương lượng, nghĩa là tỷ số phần trăm của một ion nào đó so với tổng cation và anion có trong nước. 75
  3. 2.Thành phần các nguyên tố chính của nước dưới đất Khác với nước mặt, do tiếp xúc trực tiếp với đất đá nên nước dưới đất là một dung dịch hóa học rất phức tạp, chứa hầu hết các nguyên tố có trong vỏ quả đất. Tuy nhiên, các nguyên tố và ion đóng vai trò chủ yếu chỉ khoảng 10 loại, đó là: Cl-, - 2- 2- 2- +2 +2 + + + + HCO3 , SO4 , CO3 , CO3 , Ca , Mg , Na , K , NH4 , H . Ion clo (Cl-) thường chứa một lượng ít trong vỏ trái đất. Clorua là hợp phần cơ bản chỉ tồn tại trong các khoáng vật của đá macma và biến chất: mica, hoblen, opxidian, Nguồn cung cấp ion clo chủ yếu từ các khí núi lửa, các bồn biển cổ, sự hòa tan các muối mỏ, Do độ hòa tan của các muối clorua khá cao nên chỉ trầm đọng khi đóng băng và khi bốc hơi. Các ion clo ít có khả năng trao đổi ion hấp thụ và tác dụng lên các yếu tố sinh vật nên nó là thành phần tương đối ổn định trong nước dưới đất. 2- Ion sunfat (SO4 ) tương đối phổ biến trong nước dưới đất, đặc biệt trong nước khoáng hóa yếu. Ion sunfat có thể được tích tụ trong nước do sự hòa tan thạch cao và anhidrit, sự oxy hóa các hợp chất lưu quỳnh (pririt, ) và các khoáng vật sunfat khác. Ion sunfat nguồn gốc sinh vật không bền vững khi có mặt oxy tự do và trong điều kiện thích hợp thường xảy ra quá trình khử oxy để cho sunfua hydro. - 2- - Ion bicacbonat (HCO3 ) và cacbonat (CO3 ). Các ion này, đặc biệt là HCO3 phổ biến có mặt trong nước nhạt và nước hơi mặn với hàm lượng không cao. Ion bicacbonat có trong nước dưới đất là do đá vôi, đolomit, sét vôi bị rữa lửa bởi nước có chứa khí CO2: 2+ - CaCO3 + CO2 + H2O ↔ Ca + 2HCO3 2+ - MgCO3 + CO2 + H2O ↔ Mg + 2HCO3 Ion cacbonat rất ít khi tồn tại trong nước dưới đất hoặc chỉ có lượng nhỏ so - với ion HCO3 . Ion natri (Na+) phổ biến rộng rãi trong nước dưới đất đặc biệt trong các phức hệ chứa nước dưới sâu và là cation phổ biến nhất. Nguồn cung cấp natri trong nước dưới đất là nước biển và đại dương, quá trình phong hóa của đá xâm nhập, sự hòa tan các tinh thể muối phân tán trong đất, các phản ứng trao đổi ion. Ion kali (K+) ít gặp trong nước dưới đất dù muối kali có độ hòa tan lớn. Nguyên nhân là do kali tham gia vào quá trình tạo khoáng vật thứ sinh, bị đất sét hay các thực vật hấp thụ. Nguồn ion kali của nước dưới đất là do quá trình phong hóa các đá xâm nhập và các khoáng vật có chứa kali hoặc do hòa tan các muối kali. Ion magiê (Mg2+) thường có hàm lượng không lớn trong nước dưới đất. Magiê có mặt chủ yếu liên quan với nước biển hoặc khí quyển, do các khoáng vật chứa magiê bị phân hủy hay đôlômit rữa lũa. Ion canxi (Ca2+) gặp trong nước dưới đất với độ khoáng hóa khác nhau. Trong nước nhạt và nước khoáng hóa cao ion canxi thường tạo nên các hợp chất với ion cacbonat (nước bicacbonat) hoặc ion sunfat (nước sunfat) và trong các loại nước muối nồng độ cao - với ion clo. Ion canxi đi vào trong nước dưới đất do quá trình phong hóa các đá xâm nhập, đặc biệt là sự rữa lũa của đá vôi, đôlômit, thạch cao, anhydrit. 76
  4. Ca2+ và Mg2+ trong nước làm cho nước có tính cứng, gây ra sự đóng cặn cacbonat trong nồi hơi, ấm nước. Tổng lượng Ca2+ và Mg2+ có trong nước là tổng độ cứng. Phần Ca2+ và Mg2+ bị kết tủa khi đun sôi nước gọi là độ cứng tạm thời. Phần Ca2+ và Mg2+ không bị kết tủa khi đun sôi gọi là độ cứng vĩnh viễn. Theo O.A.Alekin có thể chia nước dưới đất theo độ cứng như sau: nước rất mềm 9 mgđl trong đó 1mg đương lượng tương đương 20,04mg/lCa2+ hay 12,16mg/Mg2+. + + - Ion hyđrô (H ) chủ yếu do nước và các axit phân ly ra: H2O = H + OH Ion H+ trong nước làm cho nước có tính axit, nồng độ H+ được biểu thị bằng độ pH (pH = -lg[H+]). Theo giá trị pH, chia nước dưới đất làm 5 loại: nước có tính axit mạnh pH 9 Đại bộ phận nước dưới đất có tính kiềm yếu và trung tính. Chỉ trong những vùng có khoáng sản kim loại nước mới thông thường có tính axit. - Ion nitrit (NO2 ) phân bố khá rộng rãi trong nước mặt, nước dưới đất nhưng thường chỉ một lượng rất nhỏ. Hàm lượng axit nitrit trong nước dưới đất cao là do các quá trình oxy hóa các hợp chất amoniắc, sự phân hủy các chất hữu cơ hay do khử các natriat để thành nitrit. Sự oxy hoá các hợp chất amoniắc thường do các hoạt - động của vi khuẩn nitrit gây nên. Lượng ion NO2 lớn hơn chứng tỏ các vi khuẩn sinh bệnh (dịch tả, thương hàn, ) có trong nước. _ Ion nitrat (NO3 ) có trong nước dưới đất do các vật chất hữu cơ chứa nitơ bị oxy hóa hoàn toàn. Các muối nitrat có hàm lượng rất nhỏ trong nước dưới đất và không gây hại đến cơ thể con người nhưng khi có mặt thường kèm theo các ion - nitrit và amôn nên vẫn phải khống chế hàm lượng NO3 khi sử dụng. + Ion amôn (NH4 ) thành tạo do quá trình sinh hóa với sự tham gia của vi khuẩn khử nitrit trong các điều kiện hiếm khí. Sự có mặt ion amôn có nguồn gốc hữu cơ chứng tỏ có sự phân hủy các chất hữu cơ có chứa nitơ và đó là dấu hiệu nhiễm bẩn của nước. Silic do độ hòa tan thấp, nên tuy là nguyên tố phổ biến nhất trong vỏ trái đất nhưng có hàm lượng trong nước nhỏ, thường ở dạng oxit silic và axit silic. Sắt. Trong vỏ Quả đất sắt khá phổ biến, chứa nhiều trong các khoáng vật như piroxen, amfibon, manhêtit, pirit, biotit, granat Khi bị phong hóa chúng sẽ giải phóng một lượng sắt khá lớn thường chuyển thành các oxit sắt hòa tan yếu và vững bền. Trong nước dưới đất các hợp chất sắt thường tồn tại dưới dạng protoxit (Fe2+) hoặc oxit (Fe3+). Các hợp chất của protoxit sắt trong nước không bền vững, khi gặp 77
  5. oxy sẽ bị oxy hóa tạo thành hydroxit sắt ở dạng keo trong nước. Các hợp chất chứa sắt trong nước làm cho nước có vị tanh khó chịu. Nhôm tuy phổ biến trong vỏ trái đất nhưng có hàm lượng nhỏ trong nước là do khả năng di chuyển yếu trong nước dưới đất. 3. Thành phần các nguyên tố vi lượng của nước dưới đất Các nguyên tố vi lượng là các nguyên tố hóa học hay các hợp chất của chúng chứa trong nước dưới đất với hàm lượng nhỏ hơn 10mg/l. Các nguyên tố vi lượng thường không quyết định kiểu hoá học của nước, nhưng nó ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất đặc trưng cho thành phần của nước. Mặc dù chiếm lượng rất nhỏ nhưng chúng có ảnh hưởng lớn đến sự diễn biến của các quá trình sinh học. Các nguyên tố vi lượng bao gồm các nguyên tố Li, B, F, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Br, Sr, Mo, I, Ba, Pb v. v Các nguyên tố vi lượng như I, F, Zn, Cu, Co, B, có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của người, động và thực vật. Trong một số vùng do thiếu hay thừa một số nguyên tố vi lượng trong nước và đất đã gây một số bệnh cho người, ví dụ, bệnh bưới cổ do thiếu iốt trong cơ thể. Hàm lượng các nguyên tố vi lượng như I, Br, B, Li, trong nước dưới đất cao có thể khai thác như một nguyên liệu khoáng sản. Các nguyên tố phóng xạ. Những nguyên tố phóng xạ chủ yếu gồm U, Rn, Ra và một số đồng vị phóng xạ như K40, H3, C14. Chúng thường có lượng rất nhỏ trong nước. 4. Độ khoáng hóa của nước Độ khoáng hóa của nước là tổng hàm lượng các chất khoáng phát hiện được khi phân tích hóa học nước. Còn lượng cặn khô đặc trưng cho hàm lượng các muối khoáng không bay hơi hòa tan trong nước và một phần các hợp chất hữu cơ. Độ khoáng hóa có thể tính theo lượng cặn khô khi đốt nóng nước ở nhiệt độ 105-110oC. Lượng cặn khô biểu thị bằng mg/l hay g/l. Lượng cặn khô xác định được thường khác tổng độ khoáng hoá tính toán do một số chất khí bay hơi khi nung và do thành phần các chất hữu cơ ở trong nước. Để tránh hiện tượng hydrat hóa làm cho hàm lượng cặn khô tăng lên, khi lượng ion magiê, sunfat, clo có nhiều trong nước thì thường cho thêm một ít sôđa o (Na2CO3) đã sấy ở nhiệt độ 180 C, các muối clorua, sunfat canxi, magiê khi đó sẽ chuyển thành cacbonat làm cho cặn khô không có hiện tượng ngậm nước. Độ khoáng hóa của nước là một chỉ tiêu quan trọng để phân loại nước dưới đất, vì khi độ khoáng hóa thay đổi, thành phần hóa học của chúng cũng thay đổi theo. Dựa theo độ khoáng hóa có thể phân loại nước thành các nhóm sau: 1. Siêu nhạt 35 g/l 78
  6. 5. Biểu diễn các kết quả phân tích hóa học nước: 1. Công thức Kurlov Công thức Kurlov biểu diễn dưới dạng một phân số: tử số ghi hàm lượng các ion âm (anion) bằng % mgđl/l theo thứ tự giảm dần, mẫu số - các ion dương (cation), cũng theo thứ tự như vậy đối với các ion có hàm lượng lớn hơn 10% mgđl/l. Phía trước phân số, từ phải sang trái ghi độ khoáng hóa M(g/l), các thành phần đặc biệt (khí, các nguyên tố vi lượng) bằng g/l. Phía sau phân số ghi lần lượt nhiệt độ (T), độ pH và lưu lượng nước (m3/ngày). Ví dụ: HCO3 SO4 Cl HBO2 CO2 M 59 29 12 T pH Q 0,001 1,9 2,5 Ca Mg Na 14 6,8 300 60 25 14 Tên gọi nước theo thành phần có hàm lượng lớn hơn 25% mgđl/l theo thứ tự từ lớn đến bé, từ các anion đến cation. Tên nước ở ví dụ trên là bicacbonat sunfat canxi manhê. 2. Đồ thị vòng tròn Tolxtikhin (hình 3.2) Bán kính vòng tròn biểu thị độ khoáng hóa, các anion và cation tính bằng % mgđl; anion biểu diễn ở nửa vòng tròn dưới còn cation nửa vòng tròn trên. Thứ tự 2+ 2+ + + - 2- - biểu diễn với cation là Ca , Mg , Na , K còn anion là HCO3 , SO4 , Cl . Đôi khi biểu diễn thành hai vòng tròn, vòng ngoài là cation, vòng trong là anion (theo chiều kim đồng hồ). +2 Ca Mg+ 2 +2 Ca - HCO3 Na+ -2 0 100 SO - 4 HCO3 - - CL CL -2 Na+ + 2 SO4 Mg H×nh 3.2 §å thÞ Tolxtikhil 3. Biểu đồ Piper + + 2+ 2+ - 2- Các ion chính trong nước tự nhiên gồm có Na , K , Ca , Mg và Cl , CO3 , - 2- + + HCO3 và SO4 . Nếu gộp hai cation K và Na vào một thì ta có 3 nhóm cation. - 2- Tương tự nếu ta gộp hai anion HCO3 và CO3 thì có 3 nhóm anion. Dùng 2 biểu đồ tam giác ta có thể biểu thị phần trăm của mỗi cation hay anion (hình 3.3). Sau khi xác định được các điểm biểu thị số phần trăm nồng độ của cation và anion trên 79
  7. hai biểu đồ tam giác, chiếu song song với các trục Mg và SO4 lên trường hình thoi. Điểm giao nhau của chúng biểu thị thành phần của nước. 9 0 90 C a 4 +M O S g l+ 5 C 0 0 g l 5 C C + M K l+ SO + + a a S O 4 C N + 4 + g H 10 M C 0 + O 1 a C 3 H C g O M 1 10 3+ + 0 C a l C + + H SO K C + K O 4 a + N a 3 + N 3 0 C 50 O N 5 O C a 3 + H Lo¹i S K + 3 O O sunfat 4 g Lo¹i magiª C M 50 9 50 0 0 Kh«ng cã 9 Kh«ng cã lo¹i næi Lo¹i lo¹i næi Lo¹i bËt natri Lo¹i bËt Lo¹i canxi hay kali bicacbonat clorua 5 0 0 5 Ca Cl C¸C CATION C¸C ANION H×nh 3.3 BiÓu ®å Piper 4. Biểu đồ Stiff Biểu đồ Stiff được biểu diễn thông qua một hệ trục với 4 trục nằm ngang, có chiều tăng về hai phía, biểu diễn thành phần của các cation ở bên trái và các anion ở bên phải và một trục thẳng đứng đi qua giá trị 0 của các trục nằm ngang. Trục thẳng đứng không tỷ lệ, chỉ để xác định giá trị 0 của các trục nằm ngang. Thành phần của các cation và anion thể hiện bằng mgđl/l, được nối với nhau tạo nên một đa giác khép kín (hình 3.4). Trục nằm ngang dưới cùng cho sắt và cacbonat thì tùy chọn vì trong nhiều loại nước, chúng gần bằng không. Biểu đồ Stiff tiện lợi khi so sánh nhanh bằng mắt các loại nước, vùng đa giác càng rộng thì nồng độ các ion càng khác xa nhiều. Hình 3.4b trình bày các biểu đồ Stiff thể hiện trên bản đồ thuỷ địa hoá của một vùng. 80
  8. Na+K Cl Ca HCO3 Mg SO4 Fe CO3 30 25 20 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 C¸c cation (mg®l/l) C¸c anion (mg®l/l) H×nh 3.4 BiÓu ®å Stiff Hình 3.5 Bản đồ thuỷ địa hoá, biểu diễn bằng biểu đồ Stiff. 81
  9. II. CÁC KHÍ HÒA TAN TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT Các khí phổ biến nhất trong nước dưới đất là oxy (O2), cacbonic (CO2), sunfua hydrro (H2S), hydro (H2), mêtan (CH4), cacbua hyđrô nặng, nitơ (N2) và các khí hiếm. Các khí này tồn tại dưới dạng hòa tan hay tự do. Khi áp suất giảm, khí hòa tan dễ chuyển sang dạng tự do. Oxy (O2) chủ yếu có nguồn gốc khí quyển, một phần được thoát từ thực vật trong quá trình quang hợp. Trong nước dưới đất, oxy ở dạng phân tử hòa tan với hàm lượng 0-15mg/l. Hàm lượng oxy giảm dần theo chiều sâu. Cacbonic (CO2) ở dạng khí cacbonic tự do trong nước do nước hấp thụ từ không khí của khí quyển hoặc do các quá trình sinh hóa xảy ra trong các lớp đất đá, tách ra trong quá trình núi lửa hoạt động và biến chất. Khi hàm lượng khí CO2 tự do lớn hơn hàm lượng cân bằng thì nước có tính ăn mòn cacbonat dẫn đến phá hủy đất đá, bê tông và bê tông cốt thép. Sunfua hydrro (H2S) tồn tại trong nước dưới đất dưới dạng khí H2S, ion hydro sunfit HS- và sunfua S2-. Sunfua hydrô được tích tụ trong nước dưới đất là do quá trình khử sunfat trong môi trường clorua hydro với sự tham gia của các vi khuẩn hiếm khí, khử sunfat hoặc trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao (nhiệt biến chất). Thông thường hàm lượng sunfua hydro thấp trong nước dưới đất ít khi vượt quá 50mg/l; ở các mỏ dầu, hàm lượng của chúng có thể đạt đến 1000-2000 mg/l. Hydro (H2) ở trong nước dưới đất được hình thành do quá trình phân ly nước, do phân hủy các chất hữu cơ hoặc thuỷ phân các muối kim loại nặng (sunfat sắt, đồng, nhôm, ) trong đới oxy hóa các quạng sunfua. Mêtan (CH4) và cacbua hydro nặng trong nước dưới đất được thành tạo do kết quả của quá trình sinh hoá khi phân huỷ các chất hữu cơ, chủ yếu trong các mỏ dầu, các bồn chứa than; ngoài ra còn gặp trong các đầm lầy, bể than bùn. Hàm 3 lượng CH4 trong nước dưới đất có thể đạt tới 50cm /l. Nitơ và các khí hiếm (hêli, neon, argon, kripton và xenon) đều là những khí trơ. III.CÁC CHẤT HỮU CƠ VÀ VI SINH VẬT TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT Các chất hữu cơ trong nước dưới đất rất đa dạng, phụ thuộc vào thế giới sinh vật của vùng. Các chất hữu cơ cần chú ý gồm có: các axit humic, bitum, fenon, các axit béo, naptenat, cacbon hữu cơ, nitơ hữu cơ Nguồn cung cấp các chất hữu cơ cho nước dưới đất là nước mưa, khí quyển, nước mặt, thổ nhưỡng, nước biển, bùn biển, đất đá các vỉa dầu, than, than bùn, Trong nước nằm nông thường gặp các chất hữu cơ có nguồn gốc động vật và sản phẩm phân hủy thực vật. Chúng thường là các hợp chất humic phức tạp dưới dạng các dung dịch keo làm cho nước có màu phớt vàng. Nước này không gây tác hại đến cơ thể con người nhưng do có mùi vị khó chịu nên không cho phép dùng để ăn uống. Nước dưới đất giàu các chất hữu cơ không dùng trong các nồi hơi. 82
  10. Các vi sinh vật trong nước dưới đất thường là các vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào (hiếm hơn). Các vi khuẩn này tham gia tích cực vào thành phần hóa học của nước, tác dụng lên các hợp chất hữu cơ và vô cơ. Một số vi khuẩn không gây tác hại, một số khác lại gây bệnh cho người. Các ví dụ tính toán Ví dụ 1: Kết quả phân tích thành phần hóa học của mẫu nước cho các giá trị + + 2+ 2+ 2+ - 2- - (bằng mg/l): Na =78, K =9, Ca =89, Mg =24, Fe =0,2, Cl =125, SO4 =83, NO3 - 2- o o =5, HCO3 =276, CO3 =0. Tổng độ khoáng hóa M=10g/l, nhiệt độ nước T C=30 C. Viết công thức Kurlov và gọi tên nước đó. Bài giải Tính %mgđl của mẫu nước và ghi vào bảng. Cation Nội dung tính Anion Nội dung tính mg/l mg.đl/l %đl mg/l mg.đl/l %đl Na+ 78 3,39 34 Cl- 125 3,53 36 + - K 9 0,23 2 SO4 83 1,73 17 2+ - Ca 89 4,44 44 NO3 5 0,08 1 2+ - Mg 24 1,97 20 HCO3 276 4,52 46 2+ 2- Fe 0,2 0,01 - CO3 0 - - Tổng số 200,0 10,04 100 Tổng số 48,9 9,86 100 Công thức Kurlov của mẫu nước đó là: 3 4 HCO46 Cl36 SO 17 M 10 T30 Ca44 Na 34 Mg 20 Đó là loại nước bicacbonat clorua canxi natri magiê Ví dụ 2. Viết công thức Kurlov và gọi tên nước theo kết quả phân tích thành phần hóa học nước dưới của hai mẫu nước sau: o Mẫu nước A: M=1,5g/l, nhiệt độ 22 C, CO2 tự do = 0,5mg/l, thành phần các 2+ 2+ + - 2- ion theo % mgđl là Ca =58%, Mg =25,6%, Na =14,9%, HCO3 =54%, SO4 =37,5%, Cl-=15,4%. Mẫu nước B: M=13,8g/l, nhiệt độ 18oC, thành phần các ion theo % mgđl là 2+ + - 2- - Mg =25%, Na =53%, HCO3 =9,3%, SO4 =19,5%, Cl =69,5%. Bải giải Công thức Kurlov: 3 4 2 HCO54 SO37,5 Cl15,4 - cho mẫu nước A: COM5,0 5,1 T22o C Ca58 Mg 25,6 Na 14,9 Tên mẫu nước: "Bicacbonat sunfat canxi magie" 4 Cl69,5 SO 19,5 - cho mẫu nước B: M 13,85 T18o C Na53 Mg 25 Ca 20,1 Tên nước: Clorua natri magiê Ví dụ 3. Hãy biểu diễn các kết quả phân tích nước sau trên biểu đồ tam giác Piper. 2+ 2+ + + - 2- 2- - Ca Mg Na K HCO3 CO3 SO4 Cl 83
  11. mg/l 23 4,7 35 4,7 171 0 1,0 9,5 mgđl/l 1,15 0,39 1,52 0,12 2,80 0 0,02 0,27 Bài giải: Tính phần trăm mgđl của mỗi nhóm cation và anion theo phần trăm tổng Cation mgđl/l %đl Anion mgđl/l %đl Ca+ 1,15 36 Cl- 0,27 9 2+ - Mg 0,39 12 SO4 0,02 1 + + 2- _ Na +K 1,64 52 CO3 +HCO3 2,80 90 Tổng 3,18 100 Tổng 3,09 100 9 0 90 Do sai số khi phân tích và các C thành phần phụ không được a 4 + O M S + g báo cáo nên đương lượng tổng l 50 50 C các cation và anion không phải lúc nào bằng nhau. 10 0 1 Từ các kết quả tính lượng phần trăm đương lượng 0 10 1 của mỗi nhóm ion, trên biểu A 0 0 đồ biểu thị thành phần hoá 3 50 O 80 20 N 50 C 20 80 học của nước (hình 3.3) chiếu a H + + K 3 S 40 O 6 O theo các trục tương ứng chúng 60 C 40 0 g 4 M 9 ta xác định được điểm A . 40 60 0 0 0 40 9 6 Điểm A được đánh dấu trên 80 20 80 20 biểu đồ. A 0 0 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 Ca Cl C¸C CATION C¸C ANION H×nh 3.6 BiÓu ®å Piper §3. CÁC TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC I.TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG NƯỚC CHO MỤC ĐÍCH ĂN UỐNG VÀ SINH HOẠT Khi đánh giá chất lượng nước cho mục đích ăn uống và sinh hoạt thường đánh giá theo các yêu cầu sau: - Nước không chứa các nguyên tố độc hại với hàm lượng quá mức có thể gây tác hại đối với sức khỏe con người; - Nước không chứa các vi khuẩn gây bệnh; - Nước gây cảm giác dễ chịu khi sử dụng; - Thành phần nước không ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và không chứa các thành phần nhiễm bẩn quá quy định. Nước có độ khoáng hóa nhỏ quá hay lớn quá đều không có lợi, vì vậy tùy theo điều kiện của mỗi quốc gia, người ta quy định tiêu chuẩn chất lượng nước tối 84
  12. ưu đối với sức khỏe của con người. Ở Mỹ và một số nước Châu Phi quy định độ tổng khoáng hóa nước dùng cho ăn uống không quá 0,5g/l, ở Liên Bang Nga cho phép tới 1,5g/l, UNESCO quy định nhỏ hơn 1,5g/l. Ở nước ta, tiêu chuẩn nước sạch dùng cho sinh hoạt (không dùng cho mục đích ăn uống) được Bộ Y tế quy định theo Quyết định số 09/2005/QĐ-BYT như sau: TIÊU CHUẨN VỆ SINH NƯỚC SẠCH (Ban hành kèm theo Quyết định số 09/2005/QĐ-BYT Mức độ Đơn vị Giới hạn TT Tên chỉ tiêu Phương pháp thử kiểm tính tối đa tra I. Chỉ tiêu cảm quan và thành phần vô cơ TCVN 6187 -1996 (ISO 1 Màu sắc TCU 15 I 7887 -1985) Không có 2 Mùi vị Cảm quan I mùi vị lạ 3 Độ đục NTU 5 TCVN 6184 -1996 I 4 pH 6,0-8,5 TCVN 6194 - 1996 I 5 Độ cứng mg/l 350 TCVN 6224 -1996 I Amoni (tính TCVN 5988 -1995 (ISO 6 + mg/l 3 I theo NH4 ) 5664 -1984) Nitrat (tính TCVN 6180 -1996 (ISO 7 - mg/l 50 I theo NO3 ) 7890 -1988) Nitrit (tính TCVN 6178 -1996 (ISO 8 - mg/l 3 I theo NO2 ) 6777 -1984) TCVN 6194 -1996 (ISO 9 Clorua mg/l 300 I 9297 -1989) TCVN 6182-1996 (ISO 10 Asen mg/l 0,05 I 6595-1982) TCVN 6177 -1996 (ISO 11 Sắt mg/l 0,5 I 6332 -1988) Thường quy kỹ thuật của Độ ô-xy hoá 12 mg/l 4 Viện Y học lao động và I theo KMn0 4 Vệ sinh môi trường Tổng số chất TCVN 6053 -1995 (ISO 13 rắn hoà tan mg/l 1200 II 9696 -1992) (TDS) TCVN 6193-1996 (ISO 14 Đồng mg/l 2 II 8288 -1986) TCVN 6181 -1996 (ISO 15 Xianua mg/l 0,07 II 6703 -1984) TCVN 6195-1996 (ISO 16 Florua mg/l 1,5 II 10359 -1992) TCVN 6193 -1996 (ISO 17 Chì mg/l 0,01 II 8286 -1986) 18 Mangan mg/l 0,5 TCVN 6002 -1995 (ISO II 85
  13. 6333 -1986) TCVN 5991 -1995 (ISO 19 Thuỷ ngân mg/l 0,001 5666/1 -1983 ISO II 5666/3 -1989) TCVN 6193 -1996 (ISO 20 Kẽm mg/l 3 II 8288 -1989) II. Vi sinh vật Coliform tổng vi khuẩn TCVN 6187 - 1996 (ISO 21 50 I số /100ml 9308 - 1990) E. coli hoặc vi khuẩn TCVN 6187 - 1996 (ISO 22 Coliform chịu 0 I /100ml 9308 -1990) nhiệt Nước dùng cho mục đích ăn uống được Bộ Y tế quy định theo quyết định số 1329/2002/BYT/QĐ: TIÊU CHUẨN VỆ SINH NƯỚC ĂN UỐNG (Ban hành kèm theo Quyết định của Bộ trưởng Bộ Y Tế số 13292002/BYT/QĐ TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Giới hạn Phương pháp thử Mức độ tính tối đa giám sát I. Chỉ tiêu cảm quan và thành phần vô cơ 1 Màu sắc TCU 15 TCVN 6185 -1996 A (ISO 7887 -1985) 2 Mùi vị Không Cảm quan A có mùi vị lạ 3 Độ đục NTU 2 TCVN 6184 -1996 A (ISO 7027 -1990) 4 pH 6,5-8,5 AOAC hoặc A SMEWW 5 Độ cứng mg/l 300 TCVN 6224 -1996 A 6 Tổng chất rắn hoà mg/l 1000 TCVN 6053-1995 B tan (TDS) (ISO 9696 -1992) 7 Nhôm mg/l 0,2 ISO 12020-1997 B 8 Amoni (tính theo mg/l 1,5 TCVN 5988 -1995 B + NH4 ) (ISO 5664 -1984) 9 Antimon mg/l 0,005 AOAC hoặc C SMEWW 10 Asen mg/l 0,01 TCVN 6182-1996 B ISO 6595-1982 11 Bari mg/l 0,7 AOAC hoặc C SMEWW 12 Bo, tính chung cho mg/l 0,3 ISO 9390-1990 C cả Borat và Axit boric 86
  14. 13 Cadimi mg/l 0,003 TCVN 6197-1996 C ISO 5961-1994 14 Clorua mg/l 250 TCVN 6194 -1996 A (ISO 9297 -1989) 15 Crom mg/l 0,05 TCVN 6222-1996 C ISO 9174-1990 16 Đồng mg/l 2 TCVN 8288-1986 C (ISO 6193 -1996) 17 Xianua mg/l 0,07 TCVN 6181 -1996 C (ISO 6703 -1984) 18 Florua mg/l 0,7-1,5 TCVN 6195-1996 B (ISO 10359 -1992) 19 HydroSunfua mg/l 0,05 TCVN 10530- B 1992 20 Sắt mg/l 0,5 TCVN 6177 -1996 A (ISO 6332 -1988) 21 Chì mg/l 0,01 TCVN 6193 -1996 B (ISO 8286 -1986) 22 Mangan mg/l 0,5 TCVN 6002 -1995 A (ISO 6333 -1986) 23 Thuỷ ngân mg/l 0,001 TCVN 5991 -1995 B (ISO 5666/1 - 5666/3 -1983) 24 Molybden mg/l 0,07 AOAC hoặc C SMEWW 25 Niken mg/l 0,02 TCVN 6180-1996 C ISO 8288-1986 26 Nitrat mg/l 50 TCVN 6180 -1996 A (ISO 7890 -1988) 27 Nitrit mg/l 3 TCVN 6178 -1996 A (ISO 6777 -1984) 28 Selen mg/l 0,01 TCVN 6183-1996 C ISO 9964-1-1993 29 Natri mg/l 200 TCVN 6196-1996 B ISO 9964-1-1993 30 Sunphat mg/l 250 TCVN 6200-1996 A ISO 9280-1990 31 Kẽm mg/l 3 TCVN 6193 -1996 C (ISO 8288 -1989) 32 Độ ô-xy hoá mg/l 2 Chuẩn độ bằng A KMnO4 Chú ý rằng các tiêu chuẩn vệ sinh về nước thường được thay đổi theo thời gian theo hướng nâng cao yêu cầu để nhằm mục đích nâng cao chất lượng cuộc sống. 87
  15. II.ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC TƯỚI Khi đánh giá mức độ phù hợp của chất lượng nước dùng để tưới cần xem xét các nhân tố sau: tổng độ khoáng hóa, thành phần muối, tỷ lệ một số loại muối trong nước, bản chất và thành phần thổ nhưỡng và lớp dưới thổ nhưỡng, địa hình vùng tưới, vị trí của mực nước ngầm, lượng nước để tưới và phương pháp tưới, loại thực vật và khí hậu của vùng. Cần lưu ý là phần lớn các chất tan trong nước tưới được giữ lại trong lớp thổ nhưỡng. Để duy trì độ màu mỡ của thổ nhưỡng thì lượng muối bị giữ lại này phải được lấy đi bằng rửa nhạt trên mặt hoặc chuyển xuống nước ngầm ở phía dưới. Nếu mực nước ngầm dâng lên quá cao thì muối thoát xuống nước ngầm có nguy cơ vận chuyển trở lại lên mặt đất do mao dẫn. Vùng thoát nước tự nhiên hay nhân tạo có thể sử dụng nước lợ để tưới (M có thể tới 5÷7 g/l), vùng thường xuyên được rửa nhạt cũng có thể dùng nước lợ để tưới, lượng muối tồn tại trong đất sẽ được nước mưa hòa tan và mang đi. Theo V.A Kôvđa khi hàm lượu ng m ối có hại trong đất lên đến 1,5 ÷ 1,7% thì đa số cây trồng không phát triển và không mọc mầm. Các nước ở Trung Cận Đông, Bắc Phi thường xuyên dùng nước lợ để tưới, ở Mỹ và Isarel còn thử nghiệm dùng nước biển để tưới. Khi tổng độ khoáng hóa của nước lên tới 5 ÷ 7 g/l thì lượng nước tưới nên vượt quá yêu cầu 15 ÷ 20%. Khả năng chịu muối của thực vật khác nhau. Người ta chia thực vật ra các loại có mức chịu đựng khác nhau để có thể sử dụng nước tưới có hàm lượng muối khác nhau: - Kém chịu đựng: chanh, đào, mơ, mận, bưởi, cam, lê, táo; đỗ xanh, cần tây, củ cải, đậu các loại. - Chịu đựng trung bình: dưa đỏ, chà là, vải, lựu; dưa chuột, bí xanh, cà rốt, khoai tây, sup lơ, bắp cải, cà chua, ngô, lúa, thầu dầu, - Chịu đựng tốt: dừa, măng tây, củ cải đường, bông, cói, Hiện nay, để đánh giá chất lượng nước tưới, thường dùng các chỉ số sau: + Tổng độ khoáng hóa. Thường dùng nước có độ khoáng hóa không quá 1÷1,5g/l để tưới. Khi hàm lượng muối từ 1,5÷3g/l cần phải phân tích thành phần các muối hòa tan. Tiêu chuẩn giới hạn của nhiều nước là 5g/l. + Thành phần muối. Muối natri là muối có hại nhất cho cây trồng. Mức độ tác hại các muối natri (theo tỷ số trọng lượng): Na2SO4: NaCl: Na2CO3 = 1: 3: 10. Đối với thổ nhưỡng thoát nước tốt, giới hạn hàm lượng muối natri như sau: Na2CO3 - 1000mg/l, NaCl - 2000 mg/l, Na2SO4 - 5000 mg/l. Khi có măt đồng thời các muối này thì tiêu chuẩn giới hạn cho từng loại muối phải giảm xuống. Nếu hàm lượng xô đa trong nước cao, người ta cho thêm thạch cao vào để biến Na2CO3 thành muối Na2SO4 ít hại hơn. Các hợp chất nitơ, phophat, kali không có hại đối với cây trồng, mà còn tăng độ màu mỡ của đất. Bo là nguyên tố vi lượng đối với cây trồng, tuy nhiên khi hàm lượng Bo vượt quá yêu cầu của cây trồng thì sẽ có hại. Hàm lượng Bo cho phép đối với thực vật chịu Bo kém, trung bình và tốt tương ứng là 1,0; 2,0 và 3,0 mg/l. 88
  16. Bảng 3.1 Công thức tính hệ số tươi Thành phần hóa học của nước Công thức tính hệ số tưới Ka 288 K = Có mặt clorua natri. Hàm lượng a − Na+ nhỏ hơn hàm lượng Cl- 5rCl Có mặt clorua và sunfat natri. 288 + - K = Hàm lượng Na lớn hơn Cl nhưng nhỏ a rNa+ + 4rCl − hơn tổng hàm lượng các axit mạnh 288 Có mặt clorua, sunfat và cacbonat K a = + 10rNa+ − 5rCl− − 9rSO − 2 natri. Hàm lượng Na lớn hơn hàm 4 lượng ion của các axit mạnh Theo tài liệu phân tích hóa học nước, có thể đánh giá chất lượng nước theo hệ số tưới Ka (theo Priklonski V.A). Hệ số tưới được biểu thị bằng chiều cao cột nước (tính bằng insơ, 1 inse bằng 2,54cm), khi cột nước này bốc hơi thì để lại lượng kiểm đủ lớn làm cho thổ nhưỡng trở nên có hại tới chiều sâu 1,2m đối với đa số cây trồng. Hệ số tưới có thể tính theo công thức kinh nghiệm cho các loại nước có thành phần hóa học khác nhau (bảng 3.2). Hàm lượng ion tính theo mgđ/l. Theo giá trị Ka nước tưới rất tốt khi lớn hơn 18 ÷ 6, đạt yêu cầu 5,9 ÷ 1,2 và không đạt yêu cầu < 1,2 Ở Mỹ thường sử dụng tỷ lệ hấp thụ natri (SAR): rNa + SAR = ()rCa 2+ + rMg 2+ 2/ Hàm lượng các ion tính theo mg đ/l. Biểu đồ đánh giá chất lượng nước theo SAR để phục vụ nông nghiệp ở trong hình 3.7. Chất lượng nước đánh giá theo tiêu chuẩn SAR thấp hơn so với tiêu chuẩn hệ số tưới. Ở Hình 3.7. Biểu đồ đánh giá chất lượng Ấn Độ, nưới tưới có độ khoáng hóa nước phục vụ cho tưới dưới 1g/l được coi là tốt, 1÷3 g/l là ít thích hợp, 3÷7g/l là không thích hợp. ở Anh, nước không thích hợp khi độ tổng khoáng hóa trên 1,6 g/l, còn ở Mỹ là trên 2,0 g/l. III. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC CHO MỤC ĐÍCH XÂY DỰNG 89
  17. Đối với bê tông của các kết cấu bê tông và bê tông ít cốt thép, khả năng xâm thực khử kiềm, xâm thực axit nói chung, xâm thực cacbonic, xâm thực magiê, xâm thực sunfat của nước phụ thuộc vào loại công trình (chịu áp lực hay không chịu áp lực), điều kiện môi trường xung quanh bê tông và kích thước của kết cấu mà có các tiêu chuẩn xâm thực khác nhau như ở trong bảng 3.2. Nước được coi là có tính xâm thực nếu trị số ứng với các loại xâm thực nào đó sai khác (lớn hơn, hoặc nhỏ hơn) các trị số ghi trong bảng 3.2. Các giá trị a và b trong bảng 3.2 được xác định theo bảng 3.3. Các tiêu chuẩn xâm thực sunfat của môi trường nước đối với bê tông của các kết cấu bê tông và bêtông ít cốt thép chế tạo bằng ximăng pooclăng và ximăng pooclăng puzơlan chống sunfat cũng như ximăng pooclăng xỉ, nước được coi có 2- tính xâm thực nếu lượng ngậm ion SO4 , tính bằng mg/l, vượt quá các trị số ghi trong bảng 3.4 (không phụ thuộc vào lượng ngậm ion Cl-). 90
  18. Bảng 3.4 Các trị số a và b Độ kiềm Tổng lượng ngậm các ion CL’ và SO’’ (mg/l) bicacbonat Tính 0-200 201-400 401-600 601-800 801-1000 >1000 Tính bằng bằng mg độ đương a b a b a b a b a b a b lượng/ l 3 1,0 0,00 15 4 1,4 0,01 16 0,01 17 0,01 17 0 17 0 17 0 17 5 1,8 0,04 17 0,04 18 0,03 17 0,02 18 0,02 18 0,02 18 6 2,1 0,07 19 0,06 19 0,05 18 0,04 18 0,04 18 0,04 18 7 2,5 0,10 21 0,08 20 0,07 19 0,06 18 0,06 18 0,05 18 8 2,9 0,13 23 0,11 21 0,09 19 0,08 18 0,07 18 0,07 18 9 3,2 0,16 25 0,14 22 0,11 20 0,10 19 0,09 18 0,08 16 10 3,6 0,20 27 0,17 23 0,14 21 0,12 19 0,11 18 0,10 18 11 4,0 0,24 29 0,20 24 0,16 22 0,15 20 0,13 19 0,12 19 12 4,3 0,28 32 0,24 26 0,19 23 0,17 21 0,16 20 0,14 20 13 4,7 0,32 34 0,28 27 0,22 24 0,20 22 0,19 21 0,17 21 14 5,0 0,36 36 0,32 29 0,25 26 0,23 23 0,22 22 0,19 22 15 5,4 0,40 38 0,36 30 0,29 27 0,26 24 0,24 23 0,22 23 16 5,7 0,44 41 0,40 32 0,32 28 0,29 25 0,27 21 0,25 24 17 6,1 0,48 43 0,44 34 0,36 30 0,33 26 0,30 25 0,28 25 18 6,4 0,54 46 0,47 37 0,40 32 0,36 28 0,33 27 0,31 27 19 6,8 0,61 48 0,51 39 0,44 33 0,40 30 0,37 29 0,34 28 20 7,1 0,67 51 0,55 41 0,48 35 0,44 31 0,44 30 0,38 29 21 7,5 0,74 53 0,60 43 0,53 37 0,48 33 0,46 31 0,41 31 22 7,8 0,81 55 0,65 45 0,58 38 0,53 34 0,49 33 0,44 32 23 8,2 0,88 58 0,70 47 0,63 40 0,58 35 0,53 34 0,48 33 24 8,6 0,96 60 0,76 49 0,68 42 0,63 37 0,57 36 0,52 35 25 9,0 1,04 63 0,81 51 0,73 44 0,67 39 0,61 38 0,56 37 Bảng 3.5 -2 Lượng ngậm ion SO 4 (mg/l) Công trình không chịu Công trình chịu áp Kích thước nhỏ áp Điều kiện của nhất (chiều Xi măng Xi măng Xi măng Xi măng môi trường xung dày) của kết pooclăng puzlan, pooclăng puzlan, quanh bê tông cấu (m) chống pooclăng chống pooclăng sunfat xỉ chống sunfat xỉ chống sunfat sunfat Nguồn nước lộ Nhỏ hơn 0,5 3.000 4.000 2.500 3.500 thiên hoặc đất Từ 0,5 đến 2,5 3.500 4.500 3.000 4.000 có hệ số thấm lớn hơn 10 Lớn hơn 3,5 4.000 5.000 3.500 4.500 m/ngđ Đất có hệ số Nhỏ hơn 0,5 3.500 4.500 3.000 4.000 thấm từ 10 đến Từ 0,5 đến 2,5 4.000 5.000 3.500 4.500 93
  19. 0,1 m/ngđ Lớn hơn 3,5 4.500 5.500 4.000 5.000 Đất có hệ số Nhỏ hơn 0,5 4.000 5.000 3.500 4.500 thấm nhỏ hơn Từ 0,5 đến 2,5 4.500 5.500 4.000 5.000 0,1 m/ngđ Lớn hơn 3,5 5.000 6.000 4.500 5.500 §4. SỰ Ô NHIỄM NƯỚC DƯỚI ĐẤT I. SỰ NHIỄM MẶN Ở chương 1, §6, mục 4 đã nói, trong các vùng đồng bằng ven biển hoặc thậm chí ở vùng hải đảo vẫn tìm thấy nước dưới đất là nước ngọt để khai thác sử dụng. Ở các vùng đó tầng nước ngọt nằm trên tầng nước mặn và giữa chúng tồn tại ranh giới mặn – ngọt. Ranh giới mặn – ngọt biến đổi phụ thuộc vào các yếu tố tự nhiên (sự thay đổi dòng cung cấp, lượng nước mưa ngấm xuống, ) và nhân tạo (lượng nước hút ra khi khai thác). Ranh giới mặn – ngọt có thể xác định theo hai phương pháp, đó là phương pháp dựa vào nguyên lý cân bằng thuỷ tĩnh của Ghybel – Herzberg và phương pháp xét bài toán thuỷ động. Sau đây chúng ta xác định ranh giới mặn ngọt theo cả hai phương pháp đó. 1.Xác định ranh giới mặn–ngọt theo nguyên lý cân bằng thuỷ tĩnh của Ghybel – Herzberg Giả sử tầng nước ngọt nằm trên tầng nước mặn không vận động, tồn tại ranh giới mặn - ngọt giữa tầng nước mặn và nước ngọt (bỏ qua đới khuyếch tán). Mùc nuíc ngÇm Mùc nuíc biÓn h Ra nh H g z=H-h ií H-h i m Æn - ng ät A B H×nh 3.8 S¬ ®å x¸c ®Þnh ranh giíi mÆn - ngät theo nguyªn lý Ghybel-Herzberg Lấy điểm A ở độ sâu z dưới mặt nước biển (hình 3.8). Áp lực thủy tĩnh ở điểm A sẽ bằng: PA = (H - h)ρmg (3.1) Ở điểm B trong lục địa trên đường ranh giới mặn – ngọt ở cùng độ sâu, áp lực thủy tĩnh do nước ngọt gây ra sẽ bằng: PB = Hgρn (3.2) Theo nguyên lý Ghybel – Herzberg PA = PB, do đó: 94
  20. (H - h)ρmg = Hgρn (3.3) trong đó: ρm, ρn - mật độ của nước mặn và nước ngọt; g - gia tốc trọng trường. Từ các phương trình trên, chúng ta nhận được: ρ z= H − h = h n = G. h (3.4) ρm− ρ n 3 3 Nếu lấy ρm = 1,025 g/cm ; ρn = 1,000 g/cm thì H = 40h; H-h = 40h. Như vậy, muốn xác định được ranh giới mặn-ngọt ta chỉ việc xác định chiều cao mực nước h. Việc xác định này đơn giản bằng các hố khoan nông. Phương pháp này áp dụng cho cả hai trường hợp: xác định ranh giới mặn – ngọt ở vùng hải đảo và vùng đồng bằng ven biển. 2.Xác định ranh giới mặn – ngọt theo bài toán thuỷ động. Phương pháp xác định ranh giới mặn – ngọt theo nguyên lý cân bằng thuỷ tĩnh nêu trên cho kết quả không chính xác, biểu hiện rõ nhất là ở khu vực đường bờ. Theo phương pháp đó, ranh giới mặn – ngọt phải giao với mực nước ngầm tại đúng vị trí đường bờ, tuy nhiên thực tế ranh giới mặn – ngọt phát triển ra tận ngoài khơi, tại điểm cách đường bờ một đoạn là x0. Điều đó là do dòng nước dưới đất chuyển động theo hướng từ đất liền ra biển đẩy nước mặn ra xa. Khoảng cách x0 càng xa khi lưu tốc của dòng chuyển động càng lớn. Sau đây chúng ta xem xét một cách cụ thể. a/ Trường hợp cho hải đảo. Giả sử hòn đảo có dạng hình tròn bán kính R, được cung cấp bởi lượng mưa thấm bổ cập thường xuyên cho nước ngầm là W (hình 3.9). h r 0 H z r R H×nh 3.9 S¬ ®å x¸c ®Þnh ranh giíi mÆn-ngät cho h¶i ®¶o Theo định luật Darcy, lưu lượng của dòng ngầm thoát ra phía biển là: dh Q= −2π kr ( z + h ) (3.5) dr 95
  21. trong đó k là hệ số thấm; h là chiều cao của nước ngọt trên mực nước biển; z là độ sâu của ranh giới nước ngọt kể từ mực nước biển; z = H – h. Mặt khác, lưu lượng cũng có thể tính theo công thức: Q= π r2 W (3.6) Cân bằng 2 phương trình trên ta có: dh −2πkr ( z + h ) = πr2 W (3.7) dr dz Từ công thức (3.4) ta lại có: dh = ; thay vào phương trình trên và biến G đổi thu được: WG 2 −zdz = rdr (3.8) 2k() 1+ G Tích phân phương trình trên trong khoảng r÷R ta thu được công thức tính độ sâu ranh giới mặn – ngọt: 2 2 2 2 WG( R− r ) z = (3.9) 2k() 1+ G Vì trong phương trình (3.7) có hai hàm h và z đều cùng biến đổi theo r không thể giải được nên đã sử dụng quan hệ (3.4) để chuyển về một hàm, hơn nữa, khi lấy tích phân xác định phương trình (3.8) ta đã gán cho nó điều kiện r → R thì z → 0, vì vậy, theo kết quả tính toán này mực nước ngầm và ranh giới mặn ngọt vẫn giao nhau tại đúng vị trí đường bờ. Sự khác nhau về ranh giới mặn - ngọt xác định theo phương pháp này so với phương pháp cân bằng thuỷ tĩnh nếu có chỉ còn ở phần trên đảo. b/ Trường hợp cho vùng đồng bằng ven biển. Năm 1964 Glover đã giải bài toán này theo một cách khác và đưa ra công thức xác định ranh giới mặn – ngọt như sau: 2 ⎛ G. q ⎞ 2Gqx z 2 = ⎜ ⎟ + (3.10) ⎝ k ⎠ k ở đây: q - lượng tiêu thoát từ tầng chứa nước tại bờ biển trên một đơn vị chiều rộng; k - hệ số thấm của tầng chứa nước. Với kết quả này ranh giới mặn – ngọt không giao nhau tại vị trí đường bờ mà cách bờ một đoạn x0 ra phía biển. Chiều rộng bề mặt thoát nước kể từ đường bờ xo xác định theo công thức: G. q x = (3.11) 0 2k Và chiều cao mực nước ngầm tại khoảng cách x từ bờ biển: 2 ⎛ q ⎞ 2qx h = ⎜ ⎟ + (3.12) ⎝ k ⎠ Gk 96
  22. Tại vị trí đường bờ, độ sâu ranh giới mặn – ngọt z0 là: Gq z = 0 k Hình 3.10. Sơ đồ quan hệ giữa nước nhạt và nước mặn ở bờ biển. Từ các công thức (3.11), (3.12) ta thấy rằng độ sâu ranh giới mặn - ngọt phụ thuộc vào lượng nước thấm bổ cập (đối với trường hợp hải đảo) và lưu lượng dòng nước ngầm. Khi lưu lượng giảm độ sâu ranh giới sẽ giảm. Chính vì vậy, khi ta khai thác nước ngọt từ giếng khoan, ranh giới mặn – ngọt sẽ tiến dần đến hố khoan. Vấn đề là phải thiết kế lưu lượng khai thác sao cho ranh giới chỉ tiến đến một mức độ nào đó thì cố định, tức là tạo được một sự cân bằng mới. 3. Xác định lưu lượng đơn vị của dòng nước ngọt Khi thiết kế khai thác nước dưới đất trong vùng ven biển và hải đảo, lưu lượng khai thác được chọn như sau: Qkt = α.Qtn trong đó α là hệ số sử dụng nguồn nước (α<1). Phải chọn α bảo đảm sao cho tạo được cân bằng mới mà không làm cho giếng bị nhiễm mặn. Để phục vụ cho việc thiết kế, tính toán lưu lượng tự nhiên Qtn có thể sử dụng phương pháp Girinxki N.N. để xác định lưu lượng tự nhiên đơn vị q. Girinxki N.N (1948) đã đưa ra các công thức tính toán để xác định lưu lượng của dòng nước ngầm. Khi thành lập các phương trình này, Girinxki đã dùng các giả thiết sau: - Ranh giới mặn – ngọt là đường cong (không xét đới hổn hợp do khuyếch tán). - Thành phần vận tốc thấm theo phương thẳng đứng và lực mao dẫn không đáng kể; dòng nước dưới đất coi là dòng phẳng 1 chiều, tầng chứa nước đồng nhất. 97
  23. a) Xác định lưu lượng dòng nước ngầm ven bờ biển không xét đến lượng nước thấm bổ cập. Lấy hai mặt cắt thẳng đứng cách nhau một đoạn dx (hình 3.11) theo định luật Đacxi, dh q= − kH dx (3.13) trong đó dh- tổn thất áp lực giữa các mặt cắt, H – chiều dày tầng chứa nước ngọt. Vì khi x biến đổi cả h và H đều cùng biến đổi. Để có thể giải được bài toán cần phải khử một hàm. Chấp nhận sai số, sử dụng quan hệ thuỷ tĩnh theo nguyên lý Ghybel – Herzberg, thay giá trị H từ công thức (3.4) vào công thức (3.13) ta có: ρ m dh q= − k .h ρ m− ρ n dx (3.14) Tách biến số và tích phân từ mặt cắt 1 đến mặt cắt Hình 3.11. Sơ đồ tính toán của 2 cuối cùng ta nhận được: Girinxki. 1. Mực nước biển; 2. 2 2 ρ m h1 − h2 (3.15) Bề mặt tự do của nước ngọt; 3. q= k . ρ− ρ 2L Ranh giới giữa nước ngọt lục m n địa và nước biển Khi mặt cắt 2 ở vị trí đường mực nước biển thì h2=0, ta sẽ có: ρ h 2 q= k m . 1 ρ− ρ 2L m n (3.16) ở đây L - khoảng cách từ đường mực nước biển đến điểm nghiên cứu. Như vậy, chỉ bằng một hố khoan nông ta có thể xác định được lưu lượng của dòng nước ngọt ở dưới đất. b/ Xác định lưu lượng dòng nước ngầm vùng ven biển khi có mưa ngấm xuống Từ chương 2, ⁄3, mục II khi xác định phương trình vi phân cơ bản của dòng thấm ngang không áp ta đi đến công thức (2.16): ∂q ∂q ∂h −x −y +W = μ ∂x ∂y ∂t Vì dòng thấm của nước dưới đất ở đảo là dòng thấm một chiều hướng từ tâm dq y ∂h đảo ra đường bờ nên thành phần = 0 ; vì dòng ổn định nên = 0 và dx ∂t dh q= − kH ; nên công thức trên có thể viết lại: x dx 98
  24. ⎛ ∂h ⎞ ∂ ⎜ H ⎟ ⎝ ∂x ⎠ k +W = 0 ∂x (3.17) Sử dụng công thức (3.4) để đưa về cùng một hàm ta có: ⎛ ∂h ⎞ ∂ ⎜h ⎟ ρ m ⎝ ∂x ⎠ k +W = 0 (3.18) ρm− ρ n ∂x 2 2 k ρ m ∂ h 2 +W = 0 2 ρm− ρ n ∂x 2 2 ∂ h 2 ρm− ρ n 2 = − W ∂x k ρ m 2 ρ m− ρ n 2 h = − Wx+ C1 x + C 2 (3.19) Hình 3.12 kρ m Dùng điều kiện biên để khử các hằng số tích phân và biến đổi ta đi đến công thức: 2 2 2 2 h2 − h1 1 ρm− ρ n h= h1 + x − Wx() L− x L k ρ m (3.20) Đây là công thức tính chiều cao mực nước ngầm ngọt so với mực nước biển. Lấy đạo hàm phương trình trên và biến đổi ta có: dh h2 − h 2 ρ− ρ ⎛ L ⎞ −kh = k 1 2 + m n W ⎜ − x⎟ dx 2L ρ m ⎝ 2 ⎠ Thay h ngoài dấu vi phân ở vế trái bằng H từ công thức (3.4) ta có: dh ρ h2 − h 2 ⎛ L ⎞ −kH = k m 1 2 +W ⎜ − x⎟ (3.21) dx ρm− ρ n 2L ⎝ 2 ⎠ Vế phải của phương trình chính là q, vì vậy, ta có công thức tính lưu lượng của dòng nước ngầm ngọt ở vùng ven biển: ρ h2 − h 2 ⎛ L ⎞ q= k m 1 2 +W ⎜ − x⎟ ρm− ρ n 2L ⎝ 2 ⎠ (3.22) II. CÁC Ô NHIỄM NƯỚC DƯỚI ĐẤT KHÁC Một trong những vấn đề nóng bỏng của thời đại chúng ta là bảo vệ môi trường trong đó có môi trường nước. Những vấn đề chống nhiễm bẩn của nước (nước mặt và nước dưới đất) đang được chú ý đặc biệt. Sự nhiễm bẫn nước dưới đất là sự thay đổi chất lượng của nước (các tính chất vật lý, thành phần hóa học và các tính chất sinh học) làm nước đó không thể sử dụng được nữa. Nồng độ cho phép giới hạn của một thành phần nào đó và độ tổng 99
  25. khoáng hóa của nước là tiêu chuẩn đánh giá mức độ nhiễm bẩn của nước thiên nhiên. Sự nhiễm bẩn của nước dưới đất phụ thuộc vào những nhân tố sau: nguồn nhiễm bẩn (nước thải công nghiệp, sinh họat, bãi rác, ) cường độ khai thác nước dưới đất, điều kiện địa chất thủy văn của tầng chứa nước. Nghiên cứu sự ô nhiễm nước dưới đất để từ đó có biện pháp bảo vệ lâu dài tài nguyên nước dưới đất là rất cần thiết. 1.Các nguồn gây ô nhiễm Nguồn ô nhiễm nước dưới đất rất đa dạng, phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, xã hội của một vùng và có thể thay đổi theo quá trình phát triển kinh tế của vùng đó. Sau đây chúng ta xem xét các nguồn gây ô nhiễm chính. a) Hầm cầu tự hoại và hố ga Nhiều vùng nông thôn và ngoại vi thành phố thường dùng hầm cầu tự hoại thay thế cho “nhà vệ sinh khô” truyền thống trước đây. Hàng ngày một lượng nước lớn chảy qua hầm cầu tự hoại thấm xuống đất. Trong hầm cầu tự hoại diễn ra quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ. Chất thải lỏng thoát ra từ hầm cầu tự hoại thấm qua đới thông khí tới mực nướ c ngầm và lan toả, xâm nhập vào các giếng gia đình. Nước thải hầm cầu tự hoại chứa nhiều vi khuẩn và vi rút, nó là yếu tố chính gây bệnh lây nhiễm như viêm gan vi rút, thương hàn, viêm ruột, dạ dày Các hầm cầu tự hoại có thể làm ô nhiễm nước dưới đất trong các vùng: - Có mật độ dân số cao - Lớp đất thấm nước trên đá gốc quá mỏng - Đất có tính thấm tốt như sỏi, sạn, cát - Mực nước ngầm nông. Trong các vùng có các điều kiện như trên không được dùng hầm cầu tự hoại mà phải có một giải pháp kỹ thuật khác để xử lý chất thải. b) Bãi chứa rác thải Chôn vùi trong đất là cách xử lý phổ biến nhất đối với rác thải thành phố, bùn từ các công trình xử lý nước thải và nước thải công nghiệp. Các chất thải phóng xạ, độc hại và nguy hiểm cũng được xử lý bằng chôn vùi trong đất. Nước mưa thấm qua chất thải, hòa tan với chất lỏng có trong chất thải và rữa lũa các hợp chất tạo ra một chất lỏng rữa lũa. Chất lỏng này có thể ngấm từ bể chứa xuống tới mực nước ngầm gây ra ô nhiễm nước ngầm. Nếu chất thải chôn vùi dưới mực nước ngầm, nước ngầm chuyển động có thể rữa lũa các hộp chất từ chất thải càng làm ô nhiễm nguồn nước ngầm nhanh hơn. Khi dung dịch rữa lữa từ bãi rác hòa trộn với nước dưới đất sẽ hình thành một dải ô nhiễm lan rộng theo hướng chảy của nước dưới đất. Càng đi xa khỏi nguồn ô nhiễm, nồng độ chất ô nhiễm giảm do phân tán thủy động nhưng diện ô nhiễm càng rộng. Thể tích chất lỏng rữa lũa sinh ra là một hàm của lượng nước thấm qua rác thải. Chôn chất thải trong vùng ẩm ướt sẽ tạo ra thể tích chất lỏng rữa lũa lớn hơn trong vùng khô hạn. Biện phát kỹ thuật là phân tích điều kiện địa chất thủy văn cẩn thận để chọn vị trí bãi chôn rác hợp lý, ít có khả năng gây ô nhiễm nước dưới đất nhất. Các bãi rác 100 Hình 3.13 Sự ô nhiễm do bãi chứa rác thải
  26. được thiết kế sao cho giảm tối thiểu sự hình thành chất lỏng rữa lũa cũng như lượng chất lỏng rữa lũa thoát đi từ bãi. Chất lỏng rữa lũa có thể được thu gom và xử lý. Khi thiết kế xây dựng bãi chôn rác thải tuỳ từng điều kiện cụ thể có thể chọn một trong hai kiểu bãi chôn rác thải sau đây: - Bãi chôn rác thải mà sự ô nhiễm giảm tự nhiên. Bãi chôn rác mà sự ô nhiễm giảm tự nhiên là bãi chứa rác dựa hoàn toàn vào các quá trình tự nhiên để làm suy giảm mọi sự hình thành chất lỏng rữa lũa. Những vùng mà nền đất cấu tạo chủ yếu từ đất sét, mực nước ngầm sâu thích hợp cho kiểu bãi này. Khi xây dựng bãi chứa rác trong những vùng đó, chất lỏng rửa lũa thấm qua đới thông khí dày, một mặt do sét có tính thấm nhỏ nên thấm chậm, mặt khác sẽ bị suy giảm nồng độ chất ô nhiễm do quá trình hấp phụ. Đất sét có khả năng hấp phụ các chất ô nhiểm từ chất lỏng rữa lũa rất tốt. Thêm vào đó, dùng đất sét sẵn có phủ lên bãi chứa rác và đầm chặt sẽ hạn chế rất nhiều sự hình thành chất lỏng rữa lũa. - Bãi chôn rác có thu hồi, xử lý chất lỏng rữa lũa. Ở những vùng không có điều kiện thuận lợi như trên thì thường phải xây dựng các bãi chôn rác thải có lớp lót ở đáy (hình 3.14). Người ta thiết kế ở đáy của bãi những lớp lót sao cho thu hồi được chất lỏng rữa lũa tạo ra để hạn chế sự ô nhiễm nước ngầm. Các lớp lót làm bằng đất sét đầm chặt, dày 0,9÷3m, có hệ số thấm nhỏ hơn 10-7 cm/s hoặc màng chất tổng hợp như HDPE. Có một hệ thống thu gom chất lỏng rữa lũa bao gồm lớp phủ bằng cát hay sạn sỏi với các đường ống thoát nước được khoan lỗ nằm trên lớp lót. Đáy lớp lót dốc về phía vùng thấm cho phép. Chất lỏng rữa lũa tiêu thoát qua hệ thống thu gom đến một bể chứa hay hố ga rồi đến nơi xử lý. Hệ thống lớp lót bằng đất sét có thể thu gom 70% đến 80% chất lỏng rữa lũa tạo ra. Phần còn lại sẽ ngấm qua lớp lót. Một lớp lót kép và hệ thống thu gom chất rữa lũa thứ hai nằm dưới (có thể là màng nhựa hay lớp sét) để thu hồi nốt phần còn lại đó. Hình 3.14. Bãi chôn rác có lớp lót kép thu gom chất lỏng rữa lũa Trong các khu vực mực nước ngầm cao và đất thấm kém (10-6 cm/s) có thể đặt hố rác ở đới bão hòa (hình 3.15). Lớp lót ở đáy và vách hố làm bằng đất sét đầm chặt để giảm lượng nước ngầm vào hố. Bố trí hệ thống thu gom chất lỏng rữa lũa lẫn nước ngầm vào hố. 101
  27. Hình 3.15. Bãi chôn rác trong đới bão hòa Để hạn chế lượng nước bị ô nhiễm phải xử lý, trong những vùng có mực nước ngầm cao người ta đặt các thiết bị thoát nước ngầm dưới lớp lót (hình 3.16) để hạ thấp mực nước ngầm xuống dưới lớp lót, không cho thấm vào hố chôn rác. Một hệ thống thu gom chất rữa lũa được đặt ở phía trên lớp lót. Nước thoát từ các thiết bị thoát nước ngầm phải được giám định để xem có bị ảnh hưởng do chất lỏng rữa lũa thoát qua lớp lót không. Nếu có thì phải xử lý trước khi tiến hành thoát nước. Hình 3.16. Bãi chôn rác có hệ thống thoát nước ngầm c) Đổ tràn hóa chất và rò rỉ từ bể ngầm Sự ô nhiễm nước dưới đất bởi các chất vô cơ và hữu cơ khác nhau còn có thể do đổ tràn hóa chất xảy ra do tai nạn giao thông khi vận chuyển hoặc do rò rỉ từ các bể chứa. Các hóa chất di chuyển qua đất với tốc độ không giống nhau tạo các dải ô nhiễm phức tạp. Nếu chất ô nhiễm hòa tan trong nước thì sẽ cũng chảy với nước dưới đất. Tuy nhiên nếu chất lỏng thoát vào đất có tỷ trọng nhỏ hơn nước thì sẽ nổi trên mực nước ngầm (sản phẩm dầu mỏ, hình 3.17 chất lỏng nặng có thể chìm tới đáy tầng chứa nước (hình 3.18). 102
  28. Hình 3.17. Các chất lỏng hữu cơ Hình 3.18. Các chất lỏng hữu cơ như xăng không tan trong nước như trichlroethylene chỉ hòa tan và nhẹ hơn nước có xu hướng nổi ít trong nước và nặng hơn nước, trên mực nước ngầm khi bị đổ rớt có thể lắng chìm xuống đáy tầng chứa nước khi bị đổ rớt d) Công nghiệp khai thác Việc khai thác và chế biến quặng kim loại và than là một nguồn ô nhiễm cho cả nước mặt và nước dưới đất. Việc khai thác và nghiền quặng phơi bày lớp phủ và đá thải cho quá trình ôxy hoá. Ôxy hoá pirit - một khoáng vật phổ biến, sẽ tạo ra axít sunfuric. Nước thoát ra từ các bãi vật liệu thải và quặng thải làm cho nước mặt, nước dưới đất có độ pH thấp. Nước có pH thấp thoát qua vật liệu và quặng thải có thể rữa lũa kim loại nặng, canxi, magiê, natri và sunfat hòa tan. Công nghiệp khai thác và chế biến uran, thori có thể phóng thích các chất đồng vị phóng xạ vào khí quyển, nước mặt, nước dưới đất. Ở vùng than Quảng Ninh, nước ngầm, nước mặt đều bị ô nhiễm bởi than. Trong quá trình khai thác và vận chuyển, than rơi vãi bị nghiền nát thành bụi do xe chạy tung vào không khí sau đó hoà vào nước mưa làm ô nhiễm nước ngầm và nước mặt. e) Các nguồn gây ô nhiễm nước dưới đất khác Các nguồn gây ô nhiễm nước dưới đất khác bao gồm nước thải sinh hoạt, nước thải của các nhà máy, các khu công nghiệp, nghĩa địa và các bãi chôn súc vật, các hoạt động nông nghiệp, các muối làm tan băng đường quốc lộ, 2. Cơ chế ô nhiễm Trong nghiên cứu ô nhiễm nước dưới đất sự hiểu biết lý thuyết cơ bản về chuyển động của các chất hòa tan trong nước dưới đất là rất cần thiết. Đó là một quá trình rất phức tạp và có thể biểu thị bằng toán học. Có hai quá trình cơ bản khống chế sự vận chuyển các chất hòa tan: + Khuyếch tán – là quá trình mà ion cũng như phân tử hòa tan trong nước chuyển động từ vùng có nồng độ cao hơn đến vùng có nồng độ thấp hơn. + Cuốn theo – là quá trình nước dưới đất vận động mang theo chất hòa tan, làm cho các chất hoà tan lan toả. a) Sự khuyếch tán Sự khuyếch tán của một chất hòa tan trong nước được mô tả bằng các định luật Fick. Định luật Fick thứ nhất mô tả dòng chất hòa tan trong điều kiện động thái ổn định: dC FD= − (3.23) dx ở đây: F – dòng khối của chất hòa tan cho đơn vị diện tích trong đơn vị thời gian; D – hệ số khuyếch tán (diện tích/thời gian); C – nồng độ hòa tan (khối lượng/thể tích); 103
  29. dC - gradien nồng độ (khối lượng/thể tích/khoảng cách). dx Dấu âm thể hiện sự chuyển động từ nơi có nồng độ cao hơn tới nơi có nồng độ thấp hơn. Với các cation và anion chính trong nước, D có phạm vi từ 1 x 10-9 đến 2 x 10-9 m2/s. Trong điều kiện động thái không ổn định, tức là nồng độ chất ô nhiễm thay đổi theo thời gian, có thể áp dụng định luật Fick thứ hai: ∂C ∂ 2C = D (3.24) ∂t ∂x 2 ∂C ở đây: - thay đổi nồng độ theo thời gian. ∂t Cả hai định luật trên mô tả sự khuyếch tán trong môi trường chất lỏng của dòng một chiều. Trong môi trường lỗ rỗng, sự khuyếch tán không diễn ra nhanh như ở trong môi trường nước vì các ion phải đi theo các đường đi dài hơn, ngoài ra sự khuyếch tán chỉ xảy ra trong các lổ rỗng mở, do vậy phải dùng hệ số khuyếch tán hiệu quả D*: D* = W.D (3.25) ở đây: W – hệ số kinh nghiệm, được xác định bằng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm; W = 0,5 đến 0,01 với các nhóm chất không bị hấp phụ trên bề mặt khoáng. Lưu ý rằng khi nước dưới đất không chảy, sự khuyếch tán các chất hòa tan vẫn xảy ra. b) Sự cuốn theo Như đã định nghĩa ở trên, sự cuốn theo là quá trình nước dưới đất vận động mang theo các chất hoà tan. Như vậy, tốc độ lan truyền của chất hoà tan bằng tốc độ thấm và được xác định bằng định luật Đarcy: k dh v x = (3.26) ne dl dh ở đây: vx – tốc độ thấm trung bình; k – hệ số thấm; ne - đỗ rỗng hiệu quả; - dl gradien thủy lực. § 5. BẢO VỆ VÀ PHỤC HỒI CHẤT LƯỢNG NƯỚC DƯỚI ĐẤT Một khi nước dưới đất đã bị ô nhiễm thì phải mất nhiều năm sau khi loại trừ nguồn ô nhiễm, các quá trình tự nhiên mới khử được chất ô nhiễm khỏi tầng chứa nước. Vì vậy, chúng ta phải can thiệp để nhanh chóng khôi phục chất lượng của nước dưới đất. Phục hồi chất lượng nước dưới đất là áp dụng các giải pháp để trả lại chất lượng của nước như trạng thái ban đầu khi chưa bị ô nhiễm. Phục hồi chất lượng nước được thực hiện qua hai bước, đó là khống chế nguồn ô nhiễm và xử lý dải ô nhiễm. I. CÁC BIỆN PHÁP KHỐNG CHẾ NGUỒN Ô NHIỄM 104
  30. Khống chế nguồn ô nhiễm là áp dụng các giải pháp nhằm mục đích cách ly nguồn ô nhiễm, loại trừ khả năng chất ô nhiễm lan toả trên diện rộng. Để đạt được mục đích đó có thể áp dụng các biện pháp sau đây: 1/ Đào và di chuyển nguồn ô nhiễm đi. Đây là biện pháp đơn giản nhất nhưng không phải lúc nào cũng thực hiện được vì nhiều lý do như khối chất ô nhiễm lớn, điều kiện đào bỏ không cho phép, 2/ Xử lý nước mặt. Như đã phân tích ở bài §4, II, mục 1, do nước mưa thấm qua nguồn gây ô nhiễm tạo chất lỏng rữa lũa thấm xuống gây ô nhiễm nước dưới đất nên để hạn chế khả năng lây lan, một trong các biện pháp hữu hiệu là không cho nước mặt thấm qua nguồn ô nhiễm bằng hệ thống tiêu thoát hoặc làm các lớp chống thấm che phủ trên nguồn gây ô nhiễm. Lớp che phủ có thể làm bằng đất sét đầm chặt, màng chất dẻo tổng hợp, bê tông, atphan, hình 3.19 cho thấy một nắp phủ nhiều lớp. Biện pháp xử lý nước mặt rất hiệu quả đối với trường hợp khi nguồn gây ô nhiễm nằm trên mực nước ngầm. Trong trường hợp này, khi che phủ tốt, nước mặt không thấm qua thì chất ô nhiễm không có điều kiện đạt đến mực nước ngầm để lan toả gây ô nhiễm trên diện rộng. Hình 3.19. Kết cấu nắp phủ nhiều lớp thấm kém 3/ Xử lý nước ngầm. Đối với trường hợp các nguồn gây ô nhiễm nằm dưới mực nước ngầm, xử lý nước ngầm sẽ là biện pháp hiệu quả hơn. Các biện pháp xử lý nước ngầm gồm có: - Làm tường chống thấm trước nguồ n gây ô nhiễm. Tường chống thấm có thể là tường hào đất sét, khoan phụt vữa, tường cừ (hình 3.20b). Tường chống thấm có tác dụng ngăn không cho nước ngầm thấm qua nguồn ô nhiễm gây ô nghiễm trên diện rộng. - Khoan phụt tạo lớp chắn rò rỉ ở đáy và hai bên thành của nguồn gây ô nhiễm (hình 3.20c). Giải pháp này thường được dùng khi nguồn ô nhiễm ngập không sâu dưới mực nước ngầm. - Bơm hút nước hạ thấp mực nước ngầm thấp hơn nguồn gây ô nhiễm (hình 3.20d). Giải pháp này thường chỉ áp dụng tạm thời để chờ xử lý dải ô nhiễm vì rằng không thể duy trì bơm hút nước lâu dài, sẽ rất tốn kém về kinh phí. II. CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ DẢI Ô NHIỄM 105
  31. Sau khi đã cách ly nguồn ô nhiễm thì nhiệm vụ còn lại là xử lý nước dưới đất đã bị ô nhiễm để phục hồi chất lượng của chúng. Có thể áp dụng các biện pháp sau đây: 1/ Phục hồi tự nhiên. Sau khi đã khống chế nguồn ô nhiễm có thể không áp dụng bất cứ một biện pháp xử lý nào mà để cho các quá trình tự nhiên làm phục hồi chất lượng nước. Do sự bổ sung tự nhiên, nước đã bị ô nhiễm sẽ bị rửa trôi dần khỏi tầng chứa nước. Tuy nhiên, quá trình đó sẽ rất lâu dài, thậm chí có thể hàng chục đến hàng trăm năm mới có thể khôi phục hoàn toàn. Hình 3.20. Các phương pháp khống chế nguồn ô nhiễm. Hình 3.21. Các phương pháp xử lý tại chỗ. 2/ Xử lý dải ô nhiễm tại chỗ bằng hóa học hay sinh học: - Bơm các chất dinh dưỡng và oxy vào tầng chứa nước để thúc đẩy quá trình biến đổi sinh học (hình 3.21a). Các chất này theo dòng thấm đi 106
  32. qua dải ô nhiễm gây ra các phản ứng hoá học hoặc các quá trình sinh học làm loại bỏ chất ô nhiễm. - Đặt một lớp xử lý thấm nước trên đường di chuyển của dải ô nhiễm để tạo điều kiện cho các dạng xử lý tiếp xúc như trao đổi ion hay trung hòa (hình 3.21b). Dòng chất lỏng của dải ô nhiễm khi thấm qua lớp xử lý thấm sẽ được “lọc sạch” trước khi tiếp tụ c hành trình của nó ở trong đất. 3/ Dùng giếng hút để loại bỏ nước bị ô nhiễm (hình 3.22). Nước hút ra sẽ được xử lý trước khi trả lại lòng đất. Các biện pháp xử lý có thể là cho bay hơi vào khí quyển trong một tháp khử khí, hấp thụ trên than hoạt tính và xử lý sinh học. Khi thiết kế hệ thống giếng hút phải tính toán sao cho vừa bắt được dải ô nhiễm nhưng đồng thời vừa phải lấy đi càng ít nước không bị ô nhiễm càng tốt. Hình 3.22. Dùng giếng hút nước để loại bỏ nước ô nhiễm III. CÁC BIỆN PHÁP BẢO VỆ CHÁT LƯỢNG NƯỚC Một trong các vấn đề quan trọng nhất của việc quản lý nước dưới đất là bảo vệ chất lượng nước ở tầng chứa nước. Một khi tầng chứa nước đã bị ô nhiễm thì phải mất rất nhiều thời gian và tiền của mới có thể khôi phục được chất lượng nước, vì vậy, phải có các biện pháp bảo vệ tầng chứa nước không bị ô nhiễm. Một khía cạnh quan trọng để ngăn chặn ô nhiễm nước dưới đất là xác định được miền cung cấp của tầng chứa nước. Cần giám sát chặt chẽ các nguồn có khả năng ô nhiễm ở khu vực này. Giám sát các giếng bỏ hoang, cần lấp lại các giếng này để không tạo điều kiện cho chất ô nhiễm xâm nhập vào tầng chứa nước. Hiện nay ở Hà Nội tầng chứa nước qp (tầng đang khai thác ) đang bị ô nhiễm do các hố khoan 107
  33. khảo sát địa chất công trình cho xây dựng nhà cao tầng không được hoành triệt, tạo điều kiện cho các nguồn ô nhiễm xâm nhập sâu vào tầng chứa nước. Để bảo vệ tầng chứa nước chống nhiễm mặn có thể ngăn chặn bằng cách quy định khoảng cách và lưu lượng hút của các giếng. Mục tiêu nhằm tránh tạo ra một gradien thủy lực nghiêng từ đới nước bị ô nhiễm về phía bãi giếng. Nếu tầng chứa nước nhạt nằm trên nước mặn, lưu lượng bơm phải nhỏ để tránh hút nước mặn từ bên dưới, hình thành phễu ngược. Có thể dùng các giếng bơm ép để tạo một gờ áp lực ngăn chặn nước biển xâm lấn ở tầng chứa nước không áp ven biển (hình 3.23) hoặc bổ sung nước nhân tạo trong vùng các giếng khai thác tạo mực nước ngầm ở trên mực nước biển nhằm ngăn chặn nước mặn xâm nhập vào (hình 3.24), hay dùng các giếng bơm hút tại bờ biển để tạo máng sụt ở mực nước ngầm (hình 3.25) – máng sụt hoạt động như một dải chắn nước mặn xâm nhập xa hơn. Hình 3.23. Bổ sung nước nhân tạo bằng giếng đổ hoặc ép nước ở một tầng chứa nước không áp ven biển. Nước bổ sung nhân tạo duy trì mực nước ngầm ở trên mực nước biển để ngăn chặn nước mặn xâm nhập vào. Hình 3.24. Bổ sung nước nhân tạo bằng các bồn nước ở một tầng chứa nước không áp ven biển. Nước bổ sung nhân tạo duy trì mực nước ngầm ở trên mực nước biển để ngăn chặn nước mặn xâm nhập vào 108
  34. Hình 3.25. Dùng giếng hút ở phía bờ để tạo máng sụt mực nước ngầm ngăn chặn nước mặn xâm nhập vào giếng khai thác. Câu hỏi, bài tập: 1. Kết quả phân tích thành phần hóa học của một mẫu nước cho trong bảng sau: Thành phần, mg/l Nồng độ Thành phần, mg/l Nồng độ Na+ 70 Cl- 121 + -2 K 10 SO4 85 2+ - Ca 82 NO3 7 2+ - Mg 26 HCO3 262 2+ -2 Fe 0,2 CO3 0 Tổng độ khoáng hoá, mg/l 10000 Nhiệt độ 300 a. Biểu diễn kết quả trên dưới dạng công thức Kurlov, đồ thị vòng tròn Tolxtikhin, biểu đồ Piper và biểu đồ Stiff. b. Nhận xét ưu và nhược điểm của mỗi cách biểu diễn 2. Kết quả khảo sát của hai hố khoan bố trí theo tuyến vuông góc với bờ, cách bờ biển 80 và 100m cho thấy cao độ mực nước ngầm theo thứ tự là 3 và 4m. Tuy nhiên, biểu ghi chép kết quả có ghi chú rằng số đọc cao độ mực nước ngầm trong hố khoan ở gần bờ biển hơn có thể có nhầm lẫn. Tầng đất đồng nhất có hệ số thấm K = 15m/ngđ. Khối lượng riêng của nước mặn và nước ngọt lần lượt là 1,025 và 1,00 g/cm3. a. Xác định ranh giới mặn - ngọt tại hai vị trí trên theo nguyên lý cân bằng Ghybel – Herzberg b. Xác định ranh giới mặn - ngọt theo bài toán thuỷ động. So sánh hai kết quả và cho nhận xét. c. Về mùa mưa khi có nước mưa cung cấp thường xuyên người ta đo được mực nước ngầm ổn định trong 2hố khoan dâng cao 109
  35. 0,5m. Xác định ranh giới mặn - ngọt theo bài toán thuỷ động khi cường độ nước mưa cung cấp w = 0,005 m/ngđ. 3. Phân biệt khống chế nguồn ô nhiễm và xử lý giải ô nhiễm và nêu các giải pháp tương ứng. Y Z CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT, NGHIÊN CỨU NƯỚC DƯỚI ĐẤT Nước dưới đất là một tài nguyên thiên nhiên trong vỏ quả đất. Khác với khoáng sản rắn chỉ phân bố từng vùng độc lập, nước dưới đất có thể gặp bất cứ chỗ nào. Tuy nhiên, để có thể khai thác nước dưới đất với khối lượng lớn và lâu dài, chất lượng tốt thì không phải chỗ nào cũng có thể thực hiện được. Vì vậy, cần phải tiến hành khảo sát địa chất thủy văn. Khảo sát địa chất thuỷ văn là tìm kiếm, thăm dò các mỏ nước đạt yêu cầu về trữ lượng và chất lượng. Công tác thăm dò mỏ nước dưới đất bao gồm các dạng công tác khảo sát chủ yếu được trình bày dưới đây. §1. CÁC CÔNG TÁC THĂM DÒ ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN I. ĐO VẼ ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 1. Khái niệm Đo vẽ địa chất thủy văn là tiến hành thu thập các tài liệu về nước dưới đất tại các điểm lộ địa chất thủy văn trong các hành trình đã định trước. Tại các điểm lộ này, cần quan sát, mô tả nghiên cứu và thu thập thông tin về nước dưới đất. Các điểm lộ nước dưới đất có thể là: - Các mạch nước chảy ra - Các giếng và lỗ khoan thăm dò trước đây. 110
  36. - Các công trình thu nước dưới đất đang hoặc không còn hoạt động - Các dòng và vũng nước mặt - Các hiện tượng địa chất do họat động của nước dưới đất gây ra. Ngoài ra trong quá trình đo vẽ địa chất thủy văn cũng cần quan tâm đến đất đá chứa nước, địa mạo, thực vật, vì chúng quyết định đến sự tồn tại các mỏ nước. Nội dung đo vẽ và ghi chép tại các điểm lộ bao gồm: số liệu điểm lộ, vị trí, hình thức xuất lộ, độ cao chỗ xuất lộ mạch nước, độ sâu mực nước dưới đất tại các giếng, hố khoan, cấu trúc địa chất, đặc trưng tầng chứa nước, lưu lượng, lấy mẫu nước để phân tích thành phần hóa học, thành phần khí, động thái và qui mô sử dụng, Công tác đo vẽ địa chất thuỷ văn thường do các kỹ sư địa chất thuỷ văn thực hiện, thông thường là đi bộ theo các hành trình, ngoài ra có thể sử dụng các phương tiện khác mà cho phép tiếp cận được các điểm lộ phân bố trên toàn bộ khu vực đo vẽ. Hiện nay ngoài cách thức đo vẽ theo các tuyến hành trình, còn có thể đo vẽ địa chất thủy văn bằng cách chụp ảnh bằng máy bay hay vệ tinh (viễn thám). Nước dưới đất thường tập trung trong các đới nứt nẻ của đá. Trên ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, có thể xác định được các vệt khe nứt - dạng tuyến tự nhiên theo độ màu thay đổi của đất đá, sự thẳng hàng của các kiểu thực vật, các đoạn sông hay thung lũng thẳng, chỗ sụt lún mặt đất theo tuyến, Khối lượng công tác đo vẽ ĐCTV phụ thuộc vào mức độ phức tạp điều kiện tự nhiên của lãnh thổ đo vẽ, mức độ nghiên cứu, mức độ lộ của đá gốc, của mạch nước và tỷ lệ đo vẽ. Khối lượng công tác đo vẽ được thể hiện ở số lượng các công trình khoan đào, số điểm khảo sát và số km hành trình. Kết thúc công tác đo vẽ kỹ sư địa chất thuỷ văn chỉnh lý các kết quả thu thập được, mang lên bản đồ kết hợp với các kết quả khảo sát của các phương pháp khác để lập nên bản đồ địa chất thuỷ văn. 2. Bản đồ địa chất thủy văn Các kết quả đo vẽ địa chất thủy văn và của các công tác khác trong qúa trình điều tra địa chất thủy văn được chỉnh lý và lập thành bản đồ địa chất thủy văn. Trên bản đồ địa chất thủy văn thể hiện sự phân bố các tầng (hoặc phức hệ) chứa nước có ghi tuổi địa chất, diện tích cung cấp và thoát nước, các vỉa nước xuất lộ trên mặt, lượng và chất nước, độ khoáng hoá của nước đối với tầng chứa nước thứ nhất kể từ mặt đất. Đối với trường hợp trong cùng một vùng có nhiều tầng chứa nước được nghiên cứu, để khỏi làm rối bản đồ người ta thành lập những bản đồ phụ cho các tầng chứa nước đó. Tầng nước dưới đất được thể hiện bằng các đường thuỷ đẳng cao (đối với nước ngầm), thuỷ đẳng áp (đối với nước có áp). Thành phần hoá học của nước được thể hiện bằng các biểu đồ quạt tại vị trí các điểm lộ nghiên cứu nước (các hố khoan, các mạch rỉ, các giếng, ). Độ giàu nước được thể hiện bằng các con số ở các điểm lộ nước, ví dụ, lưu lượng lớn nhất, tỷ lưu lượng của giếng, 111
  37. Ngoài các thông tin nêu trên, trên bản đồ địa chất thuỷ văn còn cần phải phản ánh các yếu tố địa hình, địa chất có liên quan với địa chất thủy văn và có ảnh hưởng đến quy luật hình thành và phân bố của nước dưới đất. Theo tỷ lệ người ta chia bản đồ địa chất thủy văn ra làm các loại: bản đồ địa chất thuỷ văn khái quát, bản đồ địa chất thủy văn khu vực và bản đồ địa chất thủy văn tỉ mỉ. Theo ý nghĩa sử dụng chia làm 2 loại: bản đồ địa chất thủy văn tổng hợp và bản đồ địa chất thủy văn chuyên môn. Bản đồ địa chất thủy văn khái quát (1:100000 – 1:500000 đôi khi 1:200000) và bản đồ địa chất thủy văn khu vực (1:200000 – 1: 100000, đôi khi 1:50000) thường là bản đồ địa chất thủy văn tổng hợp. Nó phản ánh đặc điểm địa chất, địa chất thủy văn trên toàn bộ lãnh thổ hoặc một phần lãnh thổ của cả nước và nhằm những mục đích chung. Để thành lập, dùng bản đồ địa chất cùng tỷ lệ đã được chỉnh lý và tinh giảm đến mức cần thiết theo yêu cầu của bản đồ địa chất thủy văn làm nền và đưa các yếu tố của nước dưới đất lên bản đồ: diện tích phân bố các tầng và phức hệ chứa nước, các lớp cách nước cùng tuổi địa chất của chúng, diện tích các miền cung cấp, dòng chảy và thoát nước dưới đất, chiều sâu thế nằm của các tầng, phức hệ chứa nước và các lớp cách nước, hướng vận động của nước dưới đất; các điểm lộ của nước dưới đất; số lượng và chất lượng nước dưới đất. Bản đồ địa chất thủy văn tỷ mỷ (1:25000 và lớn hơn) thường là bản đồ địa chất thủy văn chuyên môn, trên đó có thể tổng hợp phản ánh các yếu tố địa chất thủy văn hoặc chỉ phản ảnh một số đặc điểm nào đó của nước dưới đất theo yêu cầu sử dụng chuyên môn của bản đồ. Ở vùng lớp phủ Đệ Tứ phát triển thì ngoài bản đồ địa chất thủy văn đối với đá gốc trước Đệ Tứ, còn lập bản đồ địa chất thủy văn riêng đối với lớp phủ Đệ tứ. Cùng với bản đồ địa chất thủy văn còn thành lập các mặt cắt địa chất thủy văn để phản ảnh sự biến đổi các đặc trưng địa chất thủy văn theo chiều sâu ở tuyến cắt nào đó. Các mặt cắt chọn theo phương vận động chủ yếu của nước dưới đất; cắt từ miền cung cấp đến miền thoát nước của tầng hay phức hệ chứa nước chủ yếu hay theo phương cắt qua nhiều đơn vị chứa nước của vùng nghiên cứu. Để tránh rườm rà, đôi khi cần lập ra các bản đồ phù trợ cùng tỷ lệ để phản ánh riêng biệt một số yếu tố nào đó của nước dưới đất: bản đồ thủy đẳng cao, thủy đẳng áp, bản đồ thủy hóa, bản đồ về mức độ phong phú nước, bản đồ phân vùng địa chất thủy văn, II.PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐỊA VẬT LÝ. Phương pháp thăm dò địa vật lý là dựa trên sự nghiên cứu các trường vật lý và các quá trình vật lý khác nhau phân bố theo không gian của vỏ quả đất để thu thập các thông tin về nước dưới đất. Đặc trưng trạng thái và cường độ của các trường vật lý phụ thuộc vào tính chất của đất đá trong sự liên quan chặt chẽ đến nước dưới đất; sự khác biệt về thành phần, tính chất các lớp đất đá chứa nước càng nhiều thì sự khác nhau theo tham số vật lý nào đó (mật độ, điện trở, ) của chúng càng lớn và ranh giới địa chất càng dễ phân biệt. Các trường nghiên cứu có thể là trường thiên nhiên tồn tại trên vỏ quả đất hoặc hình thành bằng phương pháp nhân tạo (trường dao động đàn hồi khi va chạm, nổ, ). 112
  38. Phương pháp thăm dò địa vật lý có thể tiến hành trên mặt đất, trên máy bay, trong giếng khoan. Các phương pháp thăm dò địa vật lý gồm có: thăm dò điện, thăm dò địa chấn; thăm dò nhiệt, thăm dò từ, thăm dò trọng lực, thăm dò phóng xạ, thăm dò rada, thăm dò siêu âm. Trong số các phương pháp trên, trong địa chất thuỷ văn phổ biến nhất là thăm dò điện và thăm dò địa chấn. Sau đây sẽ trình bày tóm lược hai phương pháp thăm dò đó. 1.Phương pháp thăm dò điện. Cơ sở để áp dụng có kết quả thăm dò điện là sự phân dị đất đá theo khả năng truyền điện, được đặc trưng bằng các tham số: điện trở suất, hằng số cách điện, độ phân cực kích thích, trường phân cực tự nhiên. Dựa vào loại điện trường và kỹ thuật tiến hành có các phương pháp đo điện cơ bản sau: dòng điện một chiều; dòng điện xoay chiều tần số thấp, tần số trung, tần số cao, trường không ổn định, Trong số các phương pháp thăm dò địa vật lý điện sử dụng rộng rãi nhất là phương pháp đo điện trở suất và đo độ truyền dẫn điện từ trường. Cơ sở của phương pháp đo điện trở suất là định luật Ôm. Dòng điện một chiều hay dòng điện xoay chiều tần số rất thấp hoặc dòng điện ắc quy được phát trực tiếp qua hai điện cực kim loại vào trong đất. Điện thế trong đất được đo giữa hai điện cực kim loạ i khác cũng đóng vào trong đất. Do đã biết dòng điện chạy qua đất (I) và hiệu điện thế giữa hai điện cực (ΔV) dựa vào định luật Ôm có thể tính điện trở suất của vật liệu đất giữa hai điện cực. Vì vật liệu không bao giờ đồng nhất và truyền điện thẳng đứng nên giá trị tìm được chỉ là điện trở suất biểu kiến R . Các điện cực có thể bố trí theo kiểu cách đều Wenner ( AM= MN = NB ), kiểu Schlumberger ( AB bằng hay lớn hơn 5 lần MN ) hay bố trí theo cặp, trong đó khoảng cách giữa các điện cực trong một cặp là a và khoảng cách giữa các cặp là na (hình 4.1). 113
  39. Hình 4.1: a) kiểu bố trí cách đều Wenner; b) kiểu bố trí Schlumberger; c) Kiểu bố trí theo cặp. Giá trị điện trở suất biểu kiến R được xác định tương ứng cho các kiểu bố trí như sau: ΔV Kiểu cách đều Wenner: R= 2π a I 2 2 ⎛ AB ⎞ ⎛ MN ⎞ ⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎜ 2 ⎟ ⎜ 2 ⎟ ΔV Kiểu bố trí Schlumberger: R = π ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ MN I ΔV Kiểu bố trí theo cặp: R= n( n + 1)( n + 2) a I Từ kết quả đo điện trở suất biểu kiến, thiết bị sẽ diễn giải kết quả để xác định các thông tin địa chất và địa chất thuỷ văn. Phương pháp đo điện trở suất được sử dụng hữu hiệu để nhận biết các đứt gãy kiến tạo, lòng sông bị chôn vùi và vùng nước mặn tiếp xúc với nước ngọt ở dưới đất. 2.Phương pháp thăm dò địa chấn Các phương pháp thăm dò dùng sóng địa chấn nhân tạo truyền trong đất được sử dụng rộng rãi để xác định độ sâu và độ nghiêng của đá gốc, độ sâu mực nước ngầm và trong một số trường hợp, xác định sơ bộ thành phần thạch học. Dưới đây sẽ trình bày một ứng dụng của phương pháp thăm dò địa chấn để xác định chiều dày lớp vật liệu hạt rời phủ trên đá gốc bằng phương pháp địa chấn khúc xạ. Hình 4.2 Đường truyền của sóng khúc xạ và sóng trực tiếp. Sóng trực tiếp đạt đến 5 máy thu đầu trước sóng khúc xạ nhưng từ máy thu thứ sáu thì sóng khúc xạ đến trước. Các chữ số nằm trong ký hiệu chỉ khoảng cách truyền theo các đường sóng 114
  40. Nguồn phát sóng địa chấn có thể là khối thuốc nổ nhỏ nhồi trong một hố khoan nông hay một cú đập búa tạ trên tấm thép nằm trên mặt đất. Sóng địa chấn được thu nhận bởi các máy thu đặt trên mặt đất thành tuyến kéo dài từ nguồn phát. Khi phát nổ, sóng địa chấn lan truyền trong đất đến các máy thu dưới dạng sóng trực tiếp và sóng khúc xạ. Sóng trực tiếp là sóng bề mặt, truyền thẳng từ nguồ n phát đến các nguồn thu. Sóng khúc xạ là sóng lan truyền vào trong đất, khi gặp các ranh giới thì khúc xạ mới đến các máy thu. Khi lớp dưới là vật liệu chặt hơn lớp trên sóng sẽ truyền trong nó với vận tốc nhanh hơn sóng trực tiếp ở lớp trên, vì vậy, các nguồn thu ở gần nguồn phát sẽ nhận được sóng trực tiếp trước (vì quảng đường truyền ngắn hơn) nhưng bắt đầu từ nguồn thu thứ i nào đó sẽ tiếp nhận được sóng khúc xạ trước (hình 4.2). Căn cứ thời điểm phát sóng, thời điểm nguồn thu tiếp nhận được sóng đến trước và khoảng cách Hình 4-3: Đồ thị khoảng cách-thời gian đến của các nguồn thu đến nguồn phát của sóng địa chấn đối với môi trường 2 lớp. sóng sẽ xác định được vận tốc truyền Các chữ số ký hiệu các máy thu của các loại sóng. Lập đồ thị quan hệ giữa thời gian sóng đầu tiên đến máy thu với khoảng cách từ nguồn phát đến máy thu. Kéo dài đồ thị của đoạn sóng khúc xạ cắt trục tung tại điểm có giá trị Ti (gọi là thời gian chặn), chiều dày của lớp đất phía trên có thể tính theo một trong hai công thức dưới đây: Ti1V 1 .V 2 z1 = (4.1) 2 2 2 VV2 − 1 hay X1VV 2− 1 z1 = (4.2) 2 VV1+ 2 Ngoài trường hợp mô hình 2 lớp nêu trên, người ta đã lập được công thức tính chiều dày các lớp đất cho mô hình nhiều lớp. III.KHOAN ĐÀO THĂM DÒ Khoan thăm dò là biện pháp khảo sát phổ biến nhất và có tầm quan trọng dặc biệt khi nghiên cứu sự biến đổi các điều kiện địa chất và địa chất thuỷ văn theo độ sâu: các lớp đất đá, nước dưới đất, hiện tượng địa chất vật lý, Tuỳ thuộc vào giai đoạn thăm dò lỗ khoan địa chất thuỷ văn được chia ra các loại sau: a/ lỗ khoan tìm kiếm; b/ lỗ khoan thăm dò; c/ thăm dò khai thác; d/ lỗ khoan quan trắc. Lỗ khoan tìm kiếm được khoan trong giai đoạn tìm kiếm nước dưới đất. Mục đích của khoan là để nghiên cứu mặt cắt địa chất - địa chất thuỷ văn tổng hợp, để phân chia và nghiên cứu đị nh tính, định lượng các tầng chứa nước được khoan qua. 115
  41. Lỗ khoan thăm dò được khoan trong quá trình thăm dò những đơn vị chứa nước triển vọng đã được vạch ra trong giai đoạn tìm kiếm để nghiên cứu thành phần thạch học, chiều sâu, chiều dày và những đặc trưng về số lượng và chất lượng của những đơn vị chứa nước kể trên. Lỗ khoan thăm dò - khai thác được thực hiện trong giai đoạn thăm dò tỷ mỷ và được bố trí tại những nơi dự định đặt các lỗ khoan khai thác khi mặt cắt địa chất và độ phong phú nước của đất đá tại những vị trí đó đã xác định một cách tin cậy trong những giai đoạn nghiên cứu trước. Các lỗ khoan này sau khi phê chuẩn trữ lượng sẽ được giữ lại làm giếng khai thác nước. Lỗ khoan quan trắc nhằm mục đích quan tr ắc dài ngày động thái của nước hoặc quan trắc mực nước trong quá trình bơm thí nghiệm. Cấu trúc lỗ khoan địa chất thuỷ văn phụ thuộc vào mục đích sử dụng của chúng và phải bảo đảm các yêu cầu sau: 1/ tiến hành khoan có hiệu quả và an toàn; 2/ bảo đảm cho phép nghiên cứu mọi tầng chứa nước khoan qua, khi cần thiết cho phép cách lý tốt giữa các tầng chứa nước; 3/ cho phép sử dụng dễ dàng dụng cụ đo và thiết bị bơm trong lỗ khoan; 4/ ổn định và bền vững trong mục đích sử dụng; 5/ bảo đảm sửa chữa được dễ dàng. Trừ các lỗ khoan thăm dò – khai thác và lỗ khoan quan trắc, các hố khoan còn lại sau khi hoàn thành nhiệm vụ khảo sát cần phải được lấp lại. Trong quá trình khoan thăm dò địa chất thuỷ văn phải: - theo dõi và mô tả các mẫu đất đá, tình trạng dung dịch khoan - đo mực nước xuất hiện và mực nước ổn định - theo dõi tốc độ khoan và những hiện tượng, sự cố xảy ra, đánh dấu các độ sâu mất dung dịch, độ sâu xuất hiện nước dâng, thay đổi tính chất của dung dịch, Tùy theo giai đoạn khảo sát và mức độ phức tạp về điều kiện địa chất thuỷ văn mà mạng lưới thăm dò, cự ly, độ sâu, số lượng công trình thăm dò có thể thay đổi. Trong địa chất thuỷ văn, các hố khoan thăm dò sau khi dùng để nghiên cứu thành phần, tính chất đất đá của tầng chứa nước, chúng được dùng để thí nghiệm địa chất thuỷ văn hiện trường như hút nước, đổ nước, ép nước. IV.THÍ NGHIỆM ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN HIỆN TRƯỜNG Thí nghiệm địa chất thuỷ văn hiện trường là các phương pháp thí nghiệm trong hố khoan, hố đào nhằm xác định các thông số của tầng chứa nước. Các thí nghiệm địa chất thuỷ văn hiện trường bao gồm hút nước, ép nước, đổ nước trong hố khoan. Thí nghiệm đổ nước để xác định hệ số thấm k; thí nghiệm hút nước nhằm xác định các thông số k, T, a, μ; thí nghiệm ép nước để xác định lưu lượng hấp thụ q, hệ số thấm k. Chi tiết về các phương pháp này có thể tham khảo trong các tài liệu “Phương pháp điều tra địa chất thuỷ văn” của Klimentôv P.P, tiêu chuẩn ngành 14TCN 83:2001 “Quy trình xác định tính thấm nước của đất đá bằng phương pháp thí nghiệm ép nước, đổ nước trong hố khoan”, Ở đây chỉ trình bày phương pháp hút nước – là phương pháp chủ yếu trong địa chất thuỷ văn. Thí nghiệm hút nước là phương pháp tin cậy nhất để xác định các thông số tính toán địa chất thủy văn cơ bản của tầng chứa nước. Nó được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu địa chất thuỷ văn phục vụ cung cấp nước và cả khi điều tra địa chất thủy văn cho các lĩnh vực khác. Thực chất thí nghiệm hút nước là dùng các 116
  42. thiết bị bơm hút nước ra từ các giếng khoan. Dựa vào lưu lượng hút ra, kích thước phễu hạ thấp mực nước, đường kính giếng và chiều dày của tầng chứa nước có thể tính các thông số địa chất thủy văn theo các công thức thủy động lực. Thời gian kéo dài hút nước được xác định bởi mục đích hút nước và điều kiện địa chất thủy văn (tính thấm, mức độ đồng nhất, tính chất thủy lực ). Rõ ràng tốt nhất nên thí nghiệm đến khi vận động của nước đến lỗ khoan đạt đến động thái ổn định (điều kiện này nhanh chóng đạt được khi lỗ khoan hút nước ở gần sông hay trong lớp chứa nước rất phong phú nước). Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp để đạt được ổn định phải hút rất lâu dài gây tốn kém nên thường người ta chỉ thí nghiệm với động thái không ổn định. Khi hút nước với 2 hoặc 3 trị số hạ thấp mực nước thì nên bắt đầu từ trị số nhỏ đến lớn. Riêng với tầng chứa nước là đá nứt nẻ, carst hóa có nhiều vật chất lấp nhét và khoan bằng dung dịch sét thì ngược lại, nên hút từ Smax đến Smin nhằm rửa sạch vật chất lấp nhét và dung dịch sét trong các khe nứt ở gần lỗ khoan. Trong quá trình bơm hút nước đo lưu lượng và mực nước hạ thấp theo thời gian. Đồng thời với quan trắc lưu lượng và mực nước tại tất cả các lỗ khoan, cần đo nhiệt độ nước và nhiệt độ khí, lấy mẫu nước để phân tích thành phần hóa học nước, phân tích vi trùng. Từ các kết quả đo tiến hành chỉnh lý và tính toán các thông số địa chất thủy văn. Lập biểu đồ biến đổi lưu lượng, mực nước theo thời gian, tức là các đồ thị quan hệ Q=f(s) và q=f(s) để xác lập phương trình đường công lưu lượng (hình 4.4). Nếu đồ thị Q=f(s) là thẳng thì phương trình đường cong lưu lượng Q = q.S. Nếu đồ thị Q=f(s) là cong thì lập tiếp đồ thị bổ sung: S S = = f() Q , nếu là thẳng dạng phương trình sẽ là: S=aQ+bQ2 (4.3) 0 Q lgQ=f(lgS), nếu là thẳng dạng phương trình là: Q= qm S (4.4) Q=f(lgS), nếu là thẳng dạng phương trình là Q=a+blgS (4.5); a,b,m,q là các hệ số của đường cong lưu lượng xác định bằng đồ thị hoặc bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất. Ở Việt Nam thường chỉ tiến hành hút nước với 2 đến 3 trị số hạ thấp mực nước nên cách duy nhất tìm thông số của phương trình đường cong là phương pháp đồ giải (hình 4.4). Các đường cong lưu lượng xác định được bằng thí nghiệ m hút nước sẽ giúp cho các nhà thiết kế lựa chọn lưu lượng khai thác hợp lý bảo đảm không làm suy thoái nguồn nước. 117 Hình 4.4: Đường cong lưu lượng Q=f(s); q=f(s).
  43. Thí nghiệm hút nước, ngoài mục đích xác định đường cong lưu lượng nêu trên, còn để xác định các chỉ tiêu đặc trưng của tầng chứa nước k, T, μ, a. Cách tính các chỉ tiêu này theo kết quả thí nghiệm hút nước với động thái không ổn định xem chương 2, ⁄5, II. §2. CÁC GIAI ĐOẠN THĂM DÒ ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN Khảo sát địa chất thủy văn tiến hành nhằm bảo đảm lựa chọn hợp lý nguồn nước cấp và vị trí để xây dựng nhà máy nước, đưa ra cơ sở chắc chắn để đánh giá và dự báo điều kiện làm việc của nhà máy nước tương lai trong suốt thời gian khai thác về tất cả các mặt và có được số liệu cần thiết để thiết kế xây dựng nhà máy nước. Thường có các giai đoạn khảo sát nhau: tìm kiếm, thăm dò sơ bộ, thăm dò tỷ mỷ và thăm dò khai thác. Phụ thuộc lượng nước yêu cầu, mức độ phức tạp của điều kiện địa chất thủy văn và mức độ nghiên cứu có thể kết hợp một vài giai đoạn thành một giai đoạn hoặc bỏ qua một số giai đoạn, tuy nhiên phải có cơ sở luận chứng rõ ràng cho việc thực hiện đó. I.GIAI ĐOẠN TÌM KIẾM Giai đoạn tìm kiếm là làm sáng tỏ sơ bộ điều kiện địa chất thủy văn, quy luật hình thành và phân bố nước dưới đất toàn vùng để lựa chọn các khoảnh tiềm năng để tiến hành thăm dò sơ bộ. Công tác tìm kiếm có tác dụng tốt ở vùng có mức độ nghiên cứu địa chất thủy văn chưa đầy đủ, khi số liệu đã có không đủ cơ sở để phân chia các khoảnh có triển vọng khai thác nước dưới đất. Bước quan trọng nhất của công tác tìm kiếm là thu thập tài liệu, tổng hợp và phân tích các tài liệu địa chất - địa chất thủy văn để đánh giá mức độ nghiên cứu của khu vực. Với các vùng có mức độ nghiên cứu tốt về địa chất thủy văn thì đôi khi nhiệm vụ tìm kiếm có thể chỉ bằng công tác phân tích tài liệu trong phòng, còn trong các trường hợp khác, sau khi phân tích định hướng tài liệu đã có, nhiệm vụ tìm kiếm có thể giảm bớt một phần. Ở những vùng có mức độ nghiên cứu địa chất - địa chất thủy văn chưa đầy đủ, công tác tìm kiếm bao gồm đo vẽ địa chất thủy văn hoặc đo vẽ địa chất - địa chất thủy văn tổng hợp tỷ lệ 1:250.000 – 1: 50.000 (chủ yếu là 1: 50.000), khoan các lỗ khoan tìm kiếm, địa vật lý lỗ khoan, bơm thử, phân tích nước và đất đá, theo dõi và phân tích điều kiện làm việc của nhà máy nước đang hoạt động trong vùng, thu thập tài liệu địa chất thủy văn, khí tượng thủy văn, đo đạc thủy văn, tiến hành công tác trắc địa, Diện tích tìm kiếm thường bố trí gần đối tượng sử dụng nước, nếu không có nguồn nước dưới đất ở gần thì chọn vùng tìm kiếm ở xa hơn. Các lỗ khoan tìm kiếm nước và nghiên cứu cấu trúc địa chất nên bố trí thành tuyến vuông góc với phương cấu trúc, vị trí của chúng phụ thuộc vào tài liệu đo vẽ và thăm dò địa vật lý mặt đất. Với vùng có lớp phủ dày thì chủ yếu dựa vào công tác địa vật lý và khoan, kết hợp với hút nước thử. Công tác tìm kiếm cho các số liệu đủ để phân chia các tầng chứa nước và các khoảnh có triển vọng cho công tác thăm dò sơ bộ, đưa ra các dự báo về trữ lượng khai thác trong mỗi khoảnh, xác định tính kinh tế và trình tự khai thác trong mỗi khoảnh, xác định tính kinh tế và trình tự các công tác tiếp theo. II.THĂM DÒ SƠ BỘ 118
  44. Thăm dò sơ bộ là nghiên cứu, xác định các đặc điểm cơ bản về điều kiện địa chất - địa chất thủy văn của tầng chứa nước; xác định và sơ bộ đánh giá các nguồn hình thành trữ lượng khai thác, các thông số địa chất thủy văn tính toán, điều kiện vệ sinh và kinh tế kỹ thuật của việc khai thác nước, tổng trữ lượng nước (trữ lượng động, trữ lượng tĩnh) và trữ lượng khai thác. Đánh giá trữ lượng theo các cấp C1, C2 đôi khi B, trong phạm vi một hoặc một vài khoảnh triển vọng để khai thác. Đo vẽ địa chất thủy văn thường ở tỷ lệ 1:25.000 được tiến hành khi điều kiện tự nhiên phức tạp, các tầng chứa nước nghiên cứu nằm không sâu nhằm làm sáng tỏ điều kiện phân bố, điều kiện cấp và thoát nước, các điều kiện và nhân tố làm ô nhiễm nước. Tài liệu đo vẽ tổng thể và tài liệu địa vật lý theo diện tích làm sáng tỏ vị trí các tuyến hố khoan hoặc hố khoan đơn. Với các mỏ nước khác nhau khoảng cách các tuyến thăm dò từ 1,0 đến 5,0km, khoảng cách các lỗ khoan trên tuyến 0,5 – 3km. Các lỗ khoan thăm dò ngoài nhiệm vụ lấy mẫu đất đá và để đo địa vật lý nhằm nghiên cứu địa chất và phân tầng địa chất thủy văn còn được sử dụng để hút nước thử, lấy mẫu nước (phân tích hóa học đơn giản và toàn diện, phân tích các chất độc hại và đánh giá điều kiện vệ sinh). Tiến hành các nghiên cứu về điều kiện cấp nước của tầng chứa nước, quan hệ thủy lực với nước mặt, giữa các tầng chứa nước với nhau, điều kiện thủy lực học và vệ sinh của các khoảnh. Kết quả của công tác thăm dò sơ bộ là đánh giá được trữ lượng khai thác nước dưới đất của các khoảnh triển vọng, trữ lượng khai thác theo các cấp công nghiệp, so sánh điều kiện thủy động lực, vệ sinh và kinh tế kỹ thuật việc khai thác nước ở từng khoảnh và lập luận để tiến hành thăm dò tỷ mỷ. III.THĂM DÒ TỶ MỶ Thăm dò tỷ mỷ nhằm lập luận cơ sở thiết kế xây dựng nhà máy nước tương lai, đánh giá trữ lượng khai thác nước theo các sơ đồ hợp lý của nhà máy nước thiết kế theo các cấp trữ lượng, luận chứng cơ sở để huy động vốn thiết kế và xây dựng nhà máy nước. Thăm dò tỷ mỷ chỉ tiến hành khi có đơn đặt hàng (của các cơ sở sử dụng nước), có sự đồng ý của Cục Quản lý nước, các cơ quan địa phương và trung ương về vệ sinh và bảo vệ môi trường, Vị trí các diện tích thăm dò tỷ mỷ, được tiến hành trên các khoảnh mà thăm dò sơ bộ đã chỉ ra, có xét đến chất và lượng của cơ sở sử dụng nước, các yêu cầu của cơ sở sở hữu đất đai, có sự tư vấn của cơ quan thiết kế nhà máy nước và sự đồng ý của các cấp chính quyền địa phương (Sở Khoa học và Công nghệ, Sở Nhà đất và chính quyền địa phương). Ở các khoảnh bố trí nhà máy nước, thu được các tài liệu tin cậy để đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất ở cấp cao (A+B) theo yêu cầu và tài liệu để thiết kế nhà máy nước mới hay mở rộng nhà máy n ước đang hoạt động. Tổ hợp công tác trong giai đoạn tỷ mỷ gồm: khoan các lỗ khoan thăm dò, thăm dò – khai thác, quan trắc; tiến hành thí nghiệm hút nước (đơn và chùm), khai thác thử, đo vật lý lỗ khoan, quan trắc động thái nước dưới đất và nước mặt, đo đạc thủy văn và trắc địa, khảo sát chuyên môn khoảnh khai thác, nghiên cứu các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật. Vị trí các hố khoan thăm dò – khai thác (thường dùng để hút nước thí nghiệm – khai thác thử) và cấu trúc của chúng phải đảm bảo sự sử dụng tiếp theo như là một 119
  45. trong những lỗ khoan khai thác của nhà máy nước. Các lỗ khoan thăm dò và quan sát chuyển thành lỗ khoan quan trắc động thái nước dưới đất trong quá trình khai thác. Hút nước tự nhiên được tiến hành ở tất cả các lỗ khoan thăm dò, thăm dò khai thác chủ yếu trên bãi giếng. Kết quả thăm dò tỷ mỷ phải đảm bảo chính xác hóa điều kiện và nguồn hình thành trữ lượng khai thác nước dưới đất, sơ đồ bố trí các lỗ khoan khai thác, các lỗ khoan dự trữ, các lỗ khoan quan trắc, đánh giá trữ lượng cấp cao và lập luận cơ sở dự báo điều kiện làm việc của nhà máy nước tương lai (động thái, lưu lượng các lỗ khoan, sự thay đổi mực nước và chất lượng nước, các chỉ số kinh tế – kỹ thuật của hoạt động nhà máy nước). Kết quả thăm dò tỷ mỷ phải được sử dụng để lập báo cáo tổng kết theo yêu cầu của Hội đồng trữ lượng, kết quả các công tác đã thực hiện và đánh giá trữ lượng khai thác theo các cấp công nghiệp (A+B) và cấp triển vọng (C1, C2). Thăm dò tỷ mỷ được xem là kết thúc khi Hội đồng trữ lượng hoặc các cơ quan địa phương và trung ương có thẩm quyền duyệt trữ lượng khai thác nước dưới đất. IV.THĂM DÒ KHAI THÁC Thăm dò khai thác nhằm mục đích bảo đảm giám sát thích đáng về mặt địa chất thủy văn việc xây dựng các nhà máy nước, lập luận chế độ và phương pháp khai thác hợp lý hơn, chính xác hóa điều kiện địa chất thủy văn mỏ nước dưới đất ở khoảnh khai thác, đánh giá lại trữ lượng khai thác nước dưới đất, lập luận về điều kiện mở rộng, phát triển tiếp theo của nhà máy nước và biện pháp bảo vệ nước dưới đất khỏi bị khô kiệt và nhiễm bẩn. Nghiên cứu địa chất thủy văn giai đoạn này bắt đầu từ việc thu thập tài liệu địa chất thủy văn chuyên môn và thí nghiệm trong thời gian thi công các lỗ khoan khai thác nước và các lỗ khoan quan trắc động thái đến việc tiến hành tổ hợp các nghiên cứu cần thiết để kiểm tra và điều khiển liên tục chế độ hoạt động của nhà máy nước trong suốt thời gian khai thác. Tổ hợp công tác trong giai đoạn này bao gồm: quan trắc có hệ thống động thái nước mặt và nưới dưới đất, chế độ khai thác các lỗ khoan nhà máy nước (thay đổi mực nước, thành phần hóa học của tầng nước khai thác và các tầng nước liên quan, lưu lượng các lỗ khoan). Quá trình tiêu hao trữ lượng; tiến hành thí nghiệm thấm (đặc biệt khi mở rộng diện tích hoặc tăng công suất nhà máy nước), lấy mẫu nước để nghiên cứu và kiểm tra; Khi cần thì phải khoan thêm các lỗ khoan thăm dò và quan trắc bổ sung, tiến hành công tác trắc địa đo đạc thủy văn, công tác thí nghiệm để bổ sung nhân tạo trữ lượng nước dưới đất, áp dụng các biện pháp tăng công suất các lỗ khoan nhà máy nước. Với các nhà máy nước đang hoạt động thì kiểm tra hoạt động và chế độ khai thác từng lỗ khoan khai thác, chính xác hóa điều kiện địa chất thủy văn, đánh giá lại trữ lượng khai thác ở cấp cao hơn, giải quyết hữu hiệu nhiệm vụ mở rộng nhà máy nước, biện pháp bổ sung nhân tạo trữ lượng nước dưới đất và bảo vệ nước dưới đất khỏi bị nhiễm bẩn. §3. MỎ NƯỚC DƯỚI ĐẤT I. KHÁI NIỆM MỎ NƯỚC Mỏ nước dưới đất được hiểu là những phần trên cùng của vỏ quả đất mà trong phạm vi của nó dưới tác động của các nhân tố tự nhiên hay nhân tạo diễn ra sự tích tụ nước dưới đất với khối lượng và chất lượng đảm bảo để sử dụng chúng một 120
  46. cách hợp lý trong nền kinh tế quốc dân. Mỏ nước dưới đất có thể là mỏ nước khoáng, mỏ nước nóng và mỏ nước ngọt. Trong chương trình cấp thoát nước chúng ta quan tâm các mỏ nước ngọt. Quy mô của một mỏ nước ngọt có thể rất khác nhau. Nó có thể là mỏ nước nằm trong các cấu trúc địa chất lớn – các bồn chứa nước actêzi hoặc các mỏ nước nhỏ trong phạm vi một đới đứt gãy kiến tạo hay một lưu vực nước ngầm của một con sông nhỏ, II. PHÂN CHIA NHÓM MỎ NƯỚC DƯỚI ĐẤT THEO ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT THỦY VĂN Nhóm I: Những mỏ có điều kiện địa chất thủy văn đơn giản. Nước dưới đất tàng trữ trong các lớp chứa nước có thế nằm ổn định, chiều dày ít biến đổi, đất đá đồng nhất. Đánh giá chính xác các nguồn hình thành trữ lượng khai thác nước dưới đất trong quá trình thăm dò cũng như tính toán có căn cứ sự thay đổi chất lượng nước trong quá trình khai thác. Nhóm II: Những mỏ có điều kiện địa chất thủy văn phức tạp. Nước tồn tại trong các lớp chứa nước có thế nằm tương đối ổn định, chiều dày biến đổi hoặc không đồng nhất về tính thấm (nứt nẻ hay cách thức không đồng đều). Một phần nguồn hình thành trữ lượng khai thác được nghiên cứu chính xác trong quá trình thăm dò, còn một phần là áng chừng. Xác định gần đúng bằng tính toán sự thay đổi chất lượng nước có thể xảy ra trong quá trình khai thác. Nhóm III: Những mỏ có điều kiện địa chất thủy văn rất phức tạp. Các tầng chứa nước rất không đồng nhất về tính toán, có diện phân bố cục bộ, hoặc trong những nơi có chiều dầy thay đổi và bị phức tạp bởi các phá hủy kiến tạo. Xác định gần đúng các nguồn hình thành trữ lượng khai thác trong quá trình thăm dò và chỉ xác định sơ bộ sự thay đổi chất lượng nước có thể xẩy ra. §4. TRỮ LƯỢNG NƯỚC DƯỚI ĐẤT Trữ lượng nước dưới đất của một vùng là tổng lượng nước dưới đất có ở vùng đó xét theo một khía cạnh nào đó. Khi nghiên cứu nước dưới đất với mục đích khai thác sử dụng người ta chia trữ lượng nước dưới đất thành hai loại: I.TRỮ LƯỢNG THIÊN NHIÊN Trữ lượng thiên nhiên của nước dưới đất là tổng toàn bộ lượng nước dưới đất của một vùng. Dưới góc độ thuỷ động học, trữ lượng thiên nhiên được chia ra trữ lượng tĩnh và trữ lượng động. 1) Trữ lượng tĩnh QT: Trữ lượng tĩnh là thể tích nước trọng lực có trong tầng chứa nước, được xác định theo công thức: QT = μV (4.6) trong đó: μ - hệ số nhả nước của đất đá, V- thể tích đất đá bão hoà nước. 2) Trữ lượng động Qđ: Trữ lượng động là lượng nước chảy qua tiết diện dòng thấm trong môt đơn vị thời gian hay lượng nước cung cấp hàng năm của tầng chứa nước. Trữ lượng động của nước dưới đất được xác định theo các phương pháp sau đây: 121
  47. - Theo lượng nước mưa ngấm xuống: Qđ =10 α NF (4.7) ở đây: Qđ - trữ lượng động được bổ xung hàng năm do nước mưa ngấm xuống, m3/năm; α - hệ số ngấm, % lượng mưa; N- lượng mưa hàng năm; F- vùng cung cấp cho nước dưới đất, km2. - Theo biến đổi lưu lượng sông được nước dưới đất cung cấp: Phương pháp này tiến hành vào mùa khô, khi đó về cơ bản sông được nước dưới đất cung cấp. q− q q = 2 1 (4.8) đ L ở đây: qđ – trữ lượng động của nước dưới đất cho dòng thấm dọc theo bờ có bề rộng là đơn vị, l/s.m; q2 – lưu lượng sông được nước dưới đất cung cấp ở tuyến hạ lưu, l/s; q1 – lưu lượng sông được nước dưới đất cung cấp ở tuyến thượng lưu, l/s; L- khoảng cách giữa hai tuyến, m. - Theo hệ số thấm, bề dày và độ dốc gradien của dòng thấm: Qđ = k.J.htbB (4.9) ở đây: k- hệ số thấm của tầng chứa nước, m/ngđ; htb- bề dày trung bình dòng thấm, m; B- bề rộng dòng thấm, m; J- độ dốc thuỷ lực của dòng thấm. II.TRỮ LƯỢNG KHAI THÁC Trữ lượng khai thác nước dưới đất là khối lượng nước dưới đất được khai thác hợp lý về mặt kinh tế kỹ thuật với chế độ khai thác cho trước xác định, có chất lượng phù hợp với yêu cầu trong suốt thời gian tính toán sử dụng nước. Trữ lượng khai thác chiếm chỉ một phần của trữ lượng thiên nhiên. Tùy thuộc mức độ nghiên cứu và mức độ tin cậy của việc xác định của chỉ số trên, người ta chia ra 4 cấp trữ lượng khai thác nước dưới đất: A, B, C1 và C2 (Bảng 4.1). Do thăm dò tỷ mỷ, trữ lượng khai thác cấp A và cấp B gọi là cấp công nghiệp và trên cơ sở của cấp này cho phép thiết kế và xây dựng nhà máy nước, còn trữ lượng cấp C1 và C2 xác định theo công tác tìm kiếm và thăm dò sơ bộ, được gọi là cấp triển vọng và dùng để quy hoạch triển vọng khai thác nước dưới đất. Thông thường khi yêu cầu dùng nước nhỏ hơn nhiều so với trữ lượng thiên nhiên của tầng chứa nước thì không cần xét đến trữ lượng thiên nhiên. Tuy nhiên, trong trường hợp tầng chứa nước không có nguồn cung cấp thì trị số trữ lượng thiên nhiên sẽ có ý nghĩa rất lớn, và bất kỳ trường hợp nào không nên để cạn mất phần trữ lượng tĩnh nằm dưới mực nước ngầm thấp nhất. Trong trường hợp thật cần thiết phải sử dụng một phần trữ lượng kiệt thì cần có tính toán kỹ hơn. Bảng 4.1: Các cấp trữ lượng khai thác nước dưới đất Cấp Mức độ thăm dò và nghiên cứu Cơ sở để tính trữ lượng trữ 122
  48. lượng A Sáng tỏ hoàn toàn về : - tài liệu các lỗ khoan, hút nước thí - điều kiện thế nằm, cấu trúc địa nghiệm, hút nước khai thác thử hoặc chất, giá trị mực nước, mực áp lưu lượng của các nhà máy nước lực của tầng chứa nước, tính (trường hợp mở rộng hoặc nâng công thấm của đất đá chứa nước. suất nhà máy nước đang họat động) - điều kiện cung cấp của tầng - phân tích thành phần hóa học nước chứa nước dưới đất bảo đảm đạt chất lượng theo - khả năng phục hồi trữ lượng yêu cầu. khai thác - quan hệ nước dưới đất của tầng nghiên cứu với nước mặt, nước của các tầng chứa nước khác. - khả năng sử dụng nước có chất lượng theo yêu cầu trong suốt thời gian sử dụng nước. B Sáng tỏ những đặc điểm chủ yếu + các lỗ khoan thăm dò để hút nước thí về: nghiệm đơn và các lỗ khoan dùng để - điều kiện thế nằm, cấu trúc địa tính trữ lượng cấp A. chất và điều kiện cấp nước của + theo tổng lưu lượng thực hút của các các tầng chứa nước lỗ khoan đơn hút nước thí nghiệm ở - quan hệ nước dưới đất vùng các thời điểm khác nhau có tính đến sự nghiên cứu với nước mặt và tương hỗ giữa chúng nước các tầng chứa nước khác + theo tổng lưu lượng tính toán của các - xác định gần đúng nguồn trữ lỗ khoan dùng để lập luận trữ lượng lượng thiên nhiên hình thành nên cấp A với giá trị hạ thấp mực nước trữ lượng khai thác ngoại suy lớn hơn thực tế (để tính cấp - khả năng sử dụng nước có chất A) có tính đến sự tương hỗ giữa chúng lượng theo mục đích đã định + theo công suất tính toán của nhà máy nước khai thác bằng các lỗ khoan thăm dò với trị số hạ thấp mực nước lớn hơn trị số hạ thấp mực nước thực tế hoặc đưa vào tính toán các lỗ khoan thiết kế bổ sung mà chúng có thể được bố trí theo sơ đồ khai thác đã được chấp thuận trên diện tích khoảnh khai thác C1 sáng tỏ những đặc tính chung về: - điều kiện địa chất thủy văn, tài liệu - cấu trúc địa chất, điều kiện thế hút nước thử từ các lỗ khoan thăm dò – nằm, sự phân bố của các tầng tìm kiếm cho các mục đích khác nhau chứa nước. và nguồn trữ lượng thiên nhiên (trữ - chất lượng nước ở mức độ đảm lượng động) mà chúng có thể là nguồn bảo giải quyết sơ bộ vấn đề về phục hồi trữ lượng khai thác nước dưới khả năng sử dụng chúng theo đất nhiệm vụ đặt ra + theo giá trị lưu lượng của dòng ngầm tự nhiên, cân bằng nước và trữ lượng tĩnh của các tầng chứa nước đang xem xét, có tính đến các nguồn khác có khả năng phục hồi trữ lượng khai thác mà trong quá trình khai thác sẽ trở thành nguồn cung cấp nước dưới đất cho nhà 123
  49. máy nước. + sự tương tự giữa diện tích nghiên cứu với khoảng đã được nghiên cứu kỹ để thiết kế nhà máy hoặc các khoảng đã có nhà máy nước họat động theo tỷ công suất trên đơn vị diện tích hoặc tỷ công suất theo chiều rộng mặt cắt dòng ngầm + ngoại suy tính toán địa chất thủy văn với trữ lượng cấp cao (A, B) C2 - số liệu chung nhất về địa chất - điều kiện địa chất thủy văn cụ thể, từ và địa chất thủy văn các giá trị trữ lượng động và tĩnh của - chất lượng nước dưới đất xác cân bằng nước, so sánh tương tự địa định theo kết quả phân tích mẫu chất thủy văn với các diện tích đã được ở các vị trí khác nhau của tầng nghiên cứu kỹ hơn và ngoại suy từ trữ hoặc bằng cách so sánh tương tự lượng cấp cao hơn. với các khoảng đã được thăm dò - sử dụng tài liệu hút nước thử, thí của tầng chứa nước đó nghiệm hoặc khai thác của bất cứ công trình nào có trong vùng nghiên cứu (lỗ khoan, mỏ, giếng, nhà máy nước ) và các nguồn lộ liên quan tầng chứa nước cần nghiên cứu. Trữ lượng khai thác có thể ước tính bằng cách so sánh tương tự với các giếng làm việc tốt trong điều kiện địa chất và địa chất thủy văn tương tự. III.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TRỮ LƯỢNG KHAI THÁC NƯỚC DƯỚI ĐẤT Đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất nhằm thu thập những tài liệu, số liệu chứng minh cho khả năng khai thác nước dưới đất với lưu lượng và chất lượng đảm bảo yêu cầu trong thời gian tính toán khoảng 25 – 30 năm (thường lấy 27 năm = 104 ngđ cho dễ tính) hoặc dài hơn. Dự báo được độ giảm hay vị trí mực nước động trong các lỗ khoan của nhà máy nước. Có bốn phương pháp đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất chủ yếu: phương pháp thủy động lực, phương pháp thủy lực, phương pháp cân bằng và phương pháp tương tự địa chất thủy văn. a) Phương pháp thủy động lực: sử dụng các công thức từ các phương trình toán lý và thủy động phù hợp sơ đồ tính mô phỏng điều kiện thực tế. Chúng được giải bằng phương pháp giải tính, đồ thị hoặc mô hình có sử dụng máy tính điện tử. Phương pháp này có khả năng dự báo sự thay đổi mực nước động trong lỗ khoan khai thác theo thời gian. Xét đến sự cân bằng nước và khả năng phục hồi trữ lượng trong điều kiện tự nhiên và điều kiện khai thác. Nhược điểm của phương pháp này là phải trung bình hóa số liệu về tính thấm, đơn giản hoá điều kiện thực tế khi lập sơ đồ tính, không có khả năng xét đến quá trình thay đổi của môi trường, bỏ qua nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trữ lượng khai thác nên số liệu dự báo nhiều khi không sát thực tế. 124
  50. b) Phương pháp thủy lực: sử dụng và ngoại suy các hàm số thực nghiệm thu được trong quá trình thí nghiệm thấm. Thường áp dụng hữu hiệu trong những điều kiện địa chất thủy văn phức tạp như đá nứt nẻ và cactơ hóa, đới phá hủy kiến tạo, đất đá bở rời cấu tạo phức tạp và tính thấm không đồng nhất. Bằng các phương trình thực nghiệm thể hiện được sự vận động phức tạp của nước dưới đất do tác động của nhiều yếu tố (tính thấm, điều kiện vận động, cung cấp và thoát nước, ), dự báo sự biến đổi mực nước, lưu lượng và ảnh hưởng do can nhiễu giữa các lỗ khoan, Nhược điểm cơ bản nhất là không dự báo được mực nước thay đổi theo thời gian và khả năng phục hồi trữ lượng khai thác nước dưới đất. Khối lượng công tác thí nghiệm tương đối lớn (tiến hành dài ngày với nhiều đợt hạ thấp mực nước ) nên cần kết hợp với phương pháp cân bằng và phương pháp thủy động lực. c) Phương pháp cân bằng: dựa trên cơ sở cân bằng nước vùng nghiên cứu nên cho phép đảm bảo phục hồi trữ lượng khai thác nước dưới đất trong điều kiện dòng ngầm có kích thước hạn chế. Trữ lượng khai thác Qkt được xác định theo công thức sau: Vtn Vnt Qkt = α1Qtn + α2 + αQ + α + Q (4.10) t 3 nt 4 t bx trong đó: Qtn và Qnt- nguồn trữ lượng động thiên nhiên và nhân tạo; Vtn và Vnt- trữ lượng tĩnh tự nhiên và nhân tạo được sử dụng trong thời gian khai thác t; Qbx- nguồn trữ lượng bổ xung trong thời gian nhà máy nước hoạt động; α1, α2, α3, α4- các hệ số sử dụng nguồn trữ lượng thiên nhiên và nhân tạo tương ứng. Khi Qkt Qtn , nước vận động đến các lỗ khoan nhà máy luôn ở trạng thái không ổn định (do trữ lượng tĩnh tự nhiên luôn bị giảm) và nhà máy chỉ hoạt động theo chế độ khai thác định kỳ. d) Phương pháp tương tự địa chất thủy văn: chứng minh về sự tương tự giữa điều kiện tự nhiên và sử dụng nước của vùng đã được nghiên cứu kỹ hay đang khai thác nước với vùng phải khảo sát. Mức độ tương tự có thể hoàn toàn hay từng phần về: nguồn hình thành, trữ lượng khai thác, điều kiện tàng trữ nước, cấu trúc địa chất, thành phần đất đá chứa nước, điều kiện cấp nước, Dùng các hệ số thể hiện sự khác nhau giữa hai vùng. Phương pháp này khá hữu hiệu khi so sánh với vùng đang được khai thác, sử dụng nước dưới đất. Trong các điều kiện địa chất thủy văn phức tạp, cần sử dụng tổng hợp một vài phương pháp đánh giá trữ lượng, điều này giúp cho việc xác định các công tác khảo sát, nghiên cứu cần tiến hành để có được các số liệu đầy đủ ban đầu cho việc đánh giá trữ lượng. IV.QUẢN LÝ NƯỚC DƯỚI ĐẤT 125