Giáo trình Mô hình nước dưới đất - Chương 1: Các tính chất vật lý của các tầng chứa nước - Nguyễn Mai Đăng

Nội dung text: Giáo trình Mô hình nước dưới đất - Chương 1: Các tính chất vật lý của các tầng chứa nước - Nguyễn Mai Đăng

1. MÔ HÌNH NƯỚC DƯỚI ĐẤT Chương 1: CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC TẦNG CHỨA NƯỚC (Physical Properes of Aquifers) TS. Nguyễn Mai Đăng Bộ môn Thủy văn & Tài nguyên nước dang@wru.vn; 0989.551.699
2. Tóm tắt các đề mục • Sự xuất hiện nước ngầm – Phân bố nước trong tầng sát mặt • Môi trường lỗ rỗng (Porous Medium) – Độ rỗng (Porosity) – Hàm lượng ẩm đất (Moisture Content) – Kích thước hạt (Parcle Size) – Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure) – Đường cong đặc nh độ ẩm đất (Soil Moisture Characterisc Curves) – Hệ số thoát nước (nhả nước) và giữ nước đơn vị (Specific Yield and Retenon) • Các loại tầng chứa nước (Aquifer Types) – Lượng trữ trong các tầng ngậm nước (Aqufier Storage) • Mực nước thủy áp (Piezometric head)
3. Sự xuất hiện nước ngầm Occurrence of Groundwater • Nước ngầm xuất hiện khi nước xâm nhập vào tầng sát mặt thông qua các khe nứt và lỗ hổng trong đất và đá • Mực nước ngầm tầng nông (Shallow water level is called the water table) 3
4. Phân bố nước trong tầng sát mặt • Phân chia thành các vùng Biểu đồ phân bố đất khác nhau Biểu đồ phân bố ẩm – Phụ thuộc vào % không (Moisture Profile) (Soil Profile) Mô tả (Descripon) gian lỗ rỗng thay thế bởi nước • Unsaturated Zone – Nước được lưu giữ bởi các lực hút mao dẫn, độ ẩm vùng này xấp xỉ độ ẩm đồng ruộng (field capacity)trừ khi đang trong quá trình thấm • Soil moisture zone – Nước chuyển động xuống trong khi thấm và lên trong khi bốc hơi • Capillary fringe – Lớp này đạt bão hòa ẩm ở đáy (Saturated at base) Độ ẩm – Đạt độ ẩm đồng ruộng ở bão đỉnh (Field capacity at top) • Saturated Zone hòa – Các lỗ rỗng bão hòa hoàn toàn (Fully saturated pores) Độ ẩm đồng ruông (Field capacity): - Là lượng nước còn giữ lại được sau khi thấm trọng lực (Water remaining aer gravity drainage) Độ ẩm cây héo (Wilng point): - Là lượng nước còn giữ lại được sau khi thấm trọng lực & bốc hơi (Water remaining aer gravity drainage & evapotranspiraon)
5. Môi trường lỗ rỗng (Porous Medium) Mặt cắt ngang của lớp đất • Nước ngầm (Groundwater) – Là tất cả các lượng nước bên dưới bề mặt đất (All waters found beneath the ground surface) – Xâm chiếm các lỗ rỗng (Occupies pores) • Môi trường lỗ rỗng (Porous media ) – Vô số các lỗ rỗng có kích thước nhỏ (Numerous pores of small size) – Các lỗ rỗng chứa chất lỏng như Có kích thước đều) Có kích thước không đều) nước và không khí (Pores contain fluids e.g., water and air) – Các lỗ rỗng đóng vai trò như một đường ống để dẫn nước (Pores act as conduits for flow of fluids) • Các loại đá (Type of rocks) – Số lượng, kích thước, và sự sắp xếp của các lỗ rỗng ảnh hưởng đến sức chứa nước và dòng chảy trong địa tầng. • Các dạng lỗ rỗng không đồng đều (Pores shapes are irregular) – Sự khác biệt trong khoáng chất hình thành nên các loại đá – Quá trình địa chất hình thành nên Đá tinh thể khe nứt (đá Đá có thể hòa tan (đá vôi) các hình dạng lỗ rỗng. granite) Mặt cắt ngang của lớp đá
6. Kích thước hạt của các loại đất (Parcle Size of Some Soils) 6
7. Độ rỗng (Porosity) Soil volume V • Là sự chiếm giữ của khoảng trống (Saturated) Pore trong môi trường xốp (Property of with the voids of the porous medium) water • Nó = % của tổng dung ch bị chiếm giữ bởi các khoảng trống (% of total volume occupied by voids) solid
8. Độ rỗng (Porosity) Độ rỗng: tổng dung ch của Soil volume V đất có thể được lấp đầy bởi (Saturated) Pore nước V V −V with φ = i φ = s V V water V = Tổng dung ch của khối đất đá xem xét solid Vi = Dung ch khoảng trống Vs = Dung ch phần chất rắn ρ − ρ ρ ρm = mật độ hạt (grain density) φ = m d =1− d ρd = mật độ khoảng trống (bulk ρm ρm density) Tỷ lệ khoảng trống V φ e = i = (Void Rao): Vs 1−φ
9. Các giá trị êu biểu của độ xốp Typical Values of Porosity Material Porosity (%) Peat Soil (đất pha than bùn) 60-80 Soils 50-60 Clay 45-55 Silt (phù sa) 40-50 Med. to Coarse Sand (TB đến thô) 35-40 Uniform Sand (cát đều) 30-40 Fine to Med Sand 30-35 Gravel 30-40 Gravel and Sand 30-35 Sandstone (sa thạch) 10-20 Shale (đá phiến sét) 1-10 Limestone 1-10 9
10. Độ ẩm đất (Moisture Content) Độ ẩm đất: = tỷ lệ phần dung Soil volume V (Unsaturated) ch nước trên tổng dung ch khối đất đá xem xét: V Pore θ = W V with air V = Tổng dung ch khối đất đá Vw = Dung ch nước Vi = Dung ch lỗ rỗng Vs = Dung ch phần chất rắn Độ bão hòa của đất V θ (Saturaon, % water content): S = W = 0% < S < 100% Vi φ
11. Phân bố kích thước hạt (Parcle Size Distribuon) Sand 49% Clay 40% Các đặc tính đất Bùn, của một mẫu đất lấy phù sa ở đảo Síp (Cyprus) Đất sét Cát 11
12. Sức căng mặt ngoài (Surface Tension) • Bên dưới bề mặt giao diện (interface) – Lực tác động cân bằng lên tất cả các hướng • Tại bề mặt giao diện Bề mặt giao diện (interface) Không khí – Một số lực bị triệt êu – Các lực cùng kéo các phân tử xuống – Giống như màng tế bào kéo căng bề mặt Nước Lực tổng • Bề mặt giao diện bị uốn cong hợp hướng – Áp suất cao hơn về phía lõm vào bên • Sự tăng lên của áp suất được cân trong bằng bởi sức căng bề mặt Không có lực tổng – σ = 0.073 N/m (tại 20oC) hợp (bị triệt tiêu) • Áp suất mão dẫn – Liên quan đến áp suất trên cả 2 phía của mặt giao diện
13. Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure - Pc) Cách 1: tính Pc P Air The image cannot T ố ấ h Bên trong ng áp su t âm e nên nước bị hút lên Solid Solid (Negative ψ Pressure) Water Tại mặt nước ap suất = 0 P Càng xuống sâu r dưới nước áp suất càng lớn (Positive pressure) ψ: cột nước mao dẫn γ: trọng lượng riêng của nước Áp suất σ: sức căng bề mặt không khí pair = 0 pc = pair − pw = γψ Áp suất p = −γψ nước w 2σ 2σ p = γψ = γ = c rγ r
14. Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure) Cách 2: tính Pc Air θ The ima T h Negative pressure Solid Solid Water Positive r pressure Chất lỏng dâng lên trong ống do lực hút của lỗ (áp suất mao dẫn) cho đến khi cân bằng với trọng lực σ cosθ(2πr) = γπr 2ψ (trọng lực nước trong lỗ) (lực hút mao dẫn) 2σ ψ = rγ 2σ 2σ p = γψ = γ = c rγ r
15. Phân bố áp suất tầng sát mặt (Subsurface Pressure Distribuon) z — Cột nước do áp suất mão Ground surface dẫn bên trên mực nước Pressure is negave above ngầm là: water table ψ =ψ (θ ) ψ Unsaturated zone — Phân bố áp suất thủy Water table z = 0; p = 0 nh bên dưới mực nước Pressure is posive below d ngầm (nơi p = 0) là: water table 1 ∂p = −γ Saturated zone P = γd1 > 0 ∂z p 0
16. Đường cong đặc nh của nước trong đất (Soil Water Characterisc Curves) Vùng thấm (Vadose Zone) Porosity Đường cong đặc tính The image cannot be của nướdisplayed.c Yourtrong computer đất may not have enough Capillary Zone • Cột nước áp suất mao dẫn: ψ =ψ (θ ) • Và phụ thuộc vào: – Phân bố kích thước của lỗ – Độ ẩm đất
17. Độ dâng cao mao dẫn trong đất (Capillary Rise in Soils) Độ dâng mao dẫn trong các mẫu vật liệu tự nhiên (không đầm chặt) - Sỏi mịn - Cát rất thô - Cát thô - Cát trung bình - Cát mịn Very fine sand - cát rất mịn Clay - sét (sau 72 ngày) (vẫn còn dâng lên sau 72 ngày) Đô dâng cao mao dẫn đo được sau 72 ngày; tất cả các mẫu hầu như đều cố cũng độ rỗng 41%
18. Hệ số thoát nước & giữ nước (Specific Yield & Retenon) • Hệ số thoát nước đơn vị (Specific Yield - SY) – Sy Là tỷ số giữa lượng nước thu được (bởi thoát trọng lực khi mực nước ngầm hạ thấp 1 khoảng ∆h) so với tổng dung ch: gravity drainage volume S = y total volume – Sy cũng được xem là độ rỗng hữu hiệu (efecve poprosity) • Hệ số giữ nước đơn vị (Specific Retenon - Sr) – Là lượng nước còn lại sau khi thoát do trọng lực (độ ẩm đồng ruộng - field capacity) S = φ − S r y volume drained = S yΔhA
19. Quan hệ giữa độ rỗng, hệ số thoát nước (nhả nước) và giữ nước đơn vị (Porosity, Specific Yield, & Specific Retenon) Sr = φ − S y φ(%) Sy Sr
20. Các loại tầng ngậm nước (Aquifer Types) Vùng bổ cập nước ngầm Giếng • Aquifer phun – Chứa & chuyển nước – Phù sa tự nhiên, cát, sỏi, đá cát. • Aquiclude – Chứa, nhưng không chuyển nước – Đất sét and pha đá phiến sét – Các biên không thấm của các tầng ngậm nước • Aquitard – Chuyển nước, nhưng ko giữ nước – Đá phiến sét và pha sét – Các lớp có áp thấm nước yếu • Tầng chứa nước có áp • Tầng ngậm nước không áp (Confined aquifer) (Unconfined aquifer) – Có áp suất lớn hơn áp suất khí – quyển Có tồn tại mực nước ngầm – Có biên bởi các lớp không – Có biên bởi mực nước ngầm thấm
21. Các loại giếng nước ngầm Áp lực từ bên ngoài ép nén tầng ngậm nước nước bị phun ra do chênh lệch áp suất (lớp không thấm) (lớp không thấm) • Aquifer • Confined aquifer – Store & transmit water – Under pressure – Unconsolidated deposits – Bounded by impervious layers sand and gravel, sandstones etc. • Unconfined aquifer • Aquitard – Phreac or water table – Transmit don’t store water – Bounded by a water table – Shales and less clay – Leaky confining layers of aquifers
22. Khả năng chứa nước của tầng ngậm nước (Aquifer Storage) • Khả năng nén của chất lỏng - Fluid Compressibility (β) ΔV = βφρg • Khả năng nén của môi trường xốp - Porous Medium Compressibility (α) ΔV = αρg • Hệ số thoát nước đơn vị - Specific Storage (Ss) – Là lượng nước thoát ra được từ 1 thể ch đơn vị của tầng ngậm nước sau khi giảm 1 đơn vị cột nước (mô tả next slice) • Tầng chứa nước có áp - Confined Aquifer Ss = ρg(α +φβ) – Nước được lấy ra theo 2 cơ chế (mô tả slice trước): 1. Do tầng chứa nước bị ép nén bởi tăng áp lực từ bên ngoài 2. Nước bị đẩy ra do áp suất giảm • Tầng không áp - Unconfined aquifer Ss = S y – Nước được lấy ra do bơm hút từ các lỗ rỗng • Hệ số thoát nước của tầng ngậm nước - storage coefficient (S) hay còn gọi là sức chứa (storavity): là tổng lượng nước có thể thoát ra được từ 1 tầng ngậm nước khi hạ thâp 1 đơn vị cột nước: S = Ssb Chỉ áp dụng đối với tầng có áp. b: bề dày tầng ngậm nước.
23. Quan hệ lượng trữ trong các tầng nước ngầm (Storage Relaons in Aquifers) Unconfined Aquifer Confined Aquifer Ss = S y Ss = ρg(α + nβ )
24. Cao trình và cột nước áp suất (Pressure and Elevaon Heads) • Mực thủy áp – là năng lượng trên một đơn vị trọng lượng của chất lỏng: p h = + z γ Cao trình (Elevaon Cột nước áp suất ψ head) (Pressure head) h = mực thủy áp p = áp suất chất lỏng γ = ρg = Trọng lưc riêng chất lỏng ρ = Khối lượng riêng chất lỏng (nước: 1000 kg/m3) Mặt chuẩn (MSL) g = gia tốc trọng trường (9.81 m/s2) z = cao trình
25. Mực thủy áp (Piezometric Head) • Mực thủy áp (Piezometric head) p h = + z γ • Tầng ko áp (Unconfined aquifer) – piezometric head = elevaon p p h = + z γ γ Pressure p = 0 head = 0 h = z z
26. Hai tầng ngậm nước có áp với các cột nước khác nhau (Two Confined Aquifers with Different Heads) -Nước ngầm có xu thế chảy từ tậng ngậm nước phía trên (có cột nước lớn) xuống tầng ngậm nước phía dưới (cột nước nhỏ). - Hình vẽ này không có thông n nào liên quan đến chênh lệch Tầng thấm nước yếu cột nước (gradient) theo phương ngang, mà chỉ có gradient theo phương thẳng đứng. Do chênh lệch gradient cột nước nên nước sẽ chảy từ tầng trên xuống tầng dưới
27. Gradient cột nước thẳng đứng và nằm ngang (Horizontal and Vercal Head Gradients) (Mực nước ngầm) (Mực thủy áp)
28. Tóm lại nội dung chương • Sự xuất hiện nước ngầm – Phân bố nước trong tầng sát mặt • Môi trường lỗ rỗng (Porous Medium) – Độ rỗng (Porosity) – Hàm lượng ẩm đất (Moisture Content) – Kích thước hạt (Parcle Size) – Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure) – Đường cong đặc nh độ ẩm đất (Soil Moisture Characterisc Curves) – Hệ số thoát nước (nhả nước) và giữ nước đơn vị (Specific Yield and Retenon) • Các loại tầng chứa nước (Aquifer Types) – Lượng trữ trong các tầng ngậm nước (Aqufier Storage) • Mực nước thủy áp (Piezometric head)