1. Trang Chủ
  2. Địa Lý
  3. Nguyên lý thủy văn ( NXB ĐH Quốc gia Hà Nội ) - Chương 5

Nguyên lý thủy văn ( NXB ĐH Quốc gia Hà Nội ) - Chương 5

Nước Ngầm 5.1. Giới thiệu và các định nghĩa Hầu hết giáng thuỷ mà đạt tới được bề mặt nước ngầm bị hấp thụ bởi các lớp đất trên mặt. Phần còn lại, một khi sự tích trữ ở chỗ lõm xuống nào được lấp đầy, sẽ chảy tràn trên mặt như dòng chảy tràn chảy tới các lòng dẫn sông suối một cách khá nhanh. Nước thấm vào trong đất có thể sau đó bị bốc hơi, hoặc chảy ra hai bên bờ sông gần tới bề mặt như dòng chảy sát mặt. Một phần nước có thể thấm dưới... Ch­¬ng 5 N­íc NgÇm 5.1. Giíi thiÖu vµ c¸c ®Þnh nghÜa HÇ

Thể loại Tài liệu miễn phí Địa Lý

Số trang 39

Ngày tạo 8/29/2018 11:44:02 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 3.42 M

Tên tệp

Tải Nguyên lý thủy văn ( NXB ĐH Quốc gia Hà Nội ) - Ch... (.pdf)

Xem mẫu

  1. Ch­¬ng 5 N­íc NgÇm 5.1. Giíi thiÖu vµ c¸c ®Þnh nghÜa HÇu hÕt gi¸ng thuû mµ ®¹t tíi ®­îc bÒ mÆt n­íc ngÇm bÞ hÊp thô bëi c¸c líp ®Êt trªn mÆt. PhÇn cßn l¹i, mét khi sù tÝch tr÷ ë chç lâm xuèng nµo ®­îc lÊp ®Çy, sÏ ch¶y trµn trªn mÆt nh­ dßng ch¶y trµn ch¶y tíi c¸c lßng dÉn s«ng suèi mét c¸ch kh¸ nhanh. N­íc thÊm vµo trong ®Êt cã thÓ sau ®ã bÞ bèc h¬i, hoÆc ch¶y ra hai bªn bê s«ng gÇn tíi bÒ mÆt nh­ dßng ch¶y s¸t mÆt. Mét phÇn n­íc cã thÓ thÊm d­íi t¸c dông cña träng lùc tíi khèi n­íc ngÇm. PhÇn biÓu ®å thÊm cña l·nh thæ mét thung lòng s«ng trong H×nh 5.1(a) thÓ hiÖn 4 ®íi chÝnh trong ®ã n­íc d­íi ®Êt ®· ®­îc ph©n lo¹i theo c¸ch truyÒn thèng. Gi¸ng thuû ®i vµo ®íi thæ nh­ìng t¹i bÒ mÆt ®Êt vµ di chuyÓn xuèng phÝa d­íi tíi mÆt n­íc ngÇm ®¸nh dÊu bÒ mÆt bªn trªn cña ®íi b·o hoµ. Ngay trªn mÆt n­íc ngÇm lµ viÒn mao dÉn trong ®ã hÇu hÕt tÊt c¶ c¸c lç hæng bÞ lÊp ®Çy n­íc. Gi÷a líp nµy vµ ®íi thæ nh­ìng lµ ®íi trung gian, trong ®ã sù di chuyÓn cña n­íc chñ yÕu lµ h­íng xuèng phÝa d­íi. Nh÷ng ®íi nµy thay ®æi gi÷a c¸c phÇn kh¸c nhau cña mét l­u vùc s«ng. Trªn c¸c s­ên thung lòng, n­íc tho¸t tõ ®íi thæ nh­ìng theo quy t¾c lµ ®i vµo trong ®íi trung gian vµ cuèi cïng cã thÓ hoÆc kh«ng cã thÓ ®¹t tíi ®íi b·o hoµ cã lÏ s©u vµi tr¨m mÐt ë líp ®Êt bªn d­íi. Tuy nhiªn, ë c¸c vïng ®ång b»ng ngËp lôt, líp mao dÉn th­êng më réng vµo trong ®íi thæ nh­ìng hoÆc thËm chÝ tíi chÝnh bÒ mÆt ®Êt, tuú thuéc vµo ®é s©u cña mÆt n­íc ngÇm vµ ®é cao cña líp mao dÉn. MÆc dï tiÖn lîi nh­ mét sù giíi thiÖu, sù ph©n lo¹i nµy cã xu h­íng kh«ng lµm râ nghÜa thùc tÕ r»ng n­íc d­íi mÆt vÒ b¶n chÊt lµ mét hÖ thèng ®éng lùc. Còng nh­ thay ®æi theo kh«ng gian bªn trong mét l­u vùc s«ng, nh÷ng ®íi nµy còng cã thÓ thay ®æi qua thêi gian, nh­ khi nh÷ng dao ®éng theo mïa cña mÆt n­íc ngÇm ®i vµo líp mao dÉn bªn trªn vµo trong ®íi thæ nh­ìng. NhiÒu ph­¬ng s¸ch kh¸c nhau ®· ®­îc th«ng qua ®Ó lµm s¸ng tá sù kh¸c nhau gi÷a n­íc trong ®Êt vµ n­íc ngÇm. Nh÷ng ph­¬ng s¸ch nµy ®· giíi h¹n sù xem xÐt cña vÊn ®Ò nghiªn cøu tr­íc khi tiÕn hµnh ®o ®¹c n­íc ngÇm vµ ®é s©u líp ®Êt chøa nh÷ng rÔ thùc vËt (Shaw, 1994; Price, 1996). Tuy nhiªn, n­íc trong ®Êt th­êng ®­îc ®Þnh nghÜa nh­ n­íc d­íi mÆt trong ®íi th«ng khÝ, tøc lµ ®Êt ch­a b·o hoµ vµ c¸c líp d­íi ®Êt n»m bªn trªn mÆt n­íc ngÇm. N­íc ngÇm ®­îc ®Þnh nghÜa nh­ n­íc d­íi mÆt trong c¸c ®Êt ®¸ ®· b·o hoµ hoµn toµn. Sù kh¸c biÖt gi÷a c¸c ®iÒu kiÖn b·o hoµ vµ ch­a b·o hoµ lµ mét ®iÒu quan träng. Trong ®íi b·o hoµ, c¸c kh«ng gian lç hæng hÇu nh­ hoµn toµn bÞ lÊp ®Çy n­íc vµ ¸p suÊt cña n­íc lµ b»ng hoÆc lín h¬n ¸p suÊt khÝ quyÓn. Trong ®íi th«ng khÝ, c¸c kh«ng gian lç hæng chøa c¶ n­íc vµ kh«ng khÝ vµ ¸p suÊt n­íc lµ nhá h¬n ¸p suÊt khÝ quyÓn. 134
  2. H×nh 5.1 N­íc d­íi ®Êt: (a) c¸c tÇng chÝnh mµ trong ®ã n­íc d­íi ®Êt ®­îc ph©n lo¹i theo c¸ch truyÒn thèng; (b) nh÷ng mèi quan hÖ gi÷a c¸c tÇng ngËm n­íc kh«ng ¸p, thÈm thÊu vµ cã ¸p. Chó ý r»ng c¸c mùc thÕ n¨ng, nh­ ®­îc ®o ®¹c trong c¸c thiÕt bÞ ®o A, B vµ C, cã thÓ lµ kh¸c nhau. Tuy nhiªn, c¶ c¸c ®iÒu kiÖn b·o hoµ vµ kh«ng b·o hoµ ®Òu lµ phÇn liªn tôc cña n­íc d­íi mÆt mµ trong mét tr¹ng th¸i chuyÓn ®éng vµ liªn tôc cña dßng ch¶y. §íi th«ng khÝ thùc sù lµ mét ®íi chuyÓn tiÕp trong ®ã n­íc bÞ hÊp thô, gi÷ l¹i hay chuyÓn ®i, hoÆc xuèng d­íi vÒ phÝa mÆt n­íc ngÇm hoÆc lªn trªn vÒ phÝa bÒ mÆt ®Êt mµ tõ ®ã nã bÞ bay h¬i. Nh÷ng lÇn m­a r¬i kÐo dµi cã c­êng ®é cao, bé phËn cña ®íi thæ nh­ìng cã thÓ trë thµnh b·o hoµ t¹m thêi mÆc dï vÉn bÞ chia t¸ch bëi c¸c líp kh«ng b·o hoµ tõ n­íc ngÇm chÝnh bªn d­íi. TÝnh t¹m thêi nh­ vËy, c¸c mÆt n­íc ngÇm trªn cao cã thÓ dÉn tíi cã mét líp treo l¬ löng trong ®Êt lµm chËm l¹i sù tho¸t n­íc cña n­íc ®ang thÊm qua, hay khi c¸c líp trªn mÆt cña ®Êt cã kh¶ n¨ng ngÊm chËm nh­ ®Ó dÉn tíi c¸c ®iÒu kiÖn b·o hoµ. Nh÷ng vïng th­êng trong thêi gian ng¾n vµ cã thÓ lµ côc bé tån t¹i sù b·o hoµ bªn trong ®íi th«ng khÝ vµ cã thÓ lµ rÊt quan träng trong viÖc ph¸t sinh c¸c dßng ch¶y thø cÊp tíi c¸c lßng dÉn s«ng suèi (xem Môc 7.4). N­íc ngÇm lµ kho chøa n­íc ngät cã thÓ sö dông ®­îc lín nhÊt cña tr¸i ®Êt vµ trõ c¸c t¶ng b¨ng vµ c¸c nói b¨ng, nã ®· ®­îc ­íc l­îng lµ chiÕm kho¶ng 94% toµn bé n­íc ngät (xem B¶ng 1.1). Bèn m­¬i phÇn tr¨m n­íc ngÇm ®­îc gi÷ bªn trong 1 km cña líp bÒ mÆt ®Êt. KÝch th­íc tuyÖt ®èi cña kho chøa n­íc kh«ng thÓ tr«ng thÊy 135
  3. ®­îc nµy thËm chÝ ®­îc minh ho¹ Ên t­îng h¬n bëi viÖc chuyÓn ®æi nã thµnh mét l­îng gi¸ng thuû t­¬ng ®­¬ng. NÕu ®­îc ph©n bè ®Òu trªn toµn bé bÒ mÆt ®Þa cÇu, n­íc ngÇm cã thÓ ®¹t tíi mét ®é s©u 19.6 m. Nh­ mét sù lùa chän, nã sÏ bao phñ c¸c bÒ mÆt ®Êt cña tr¸i ®Êt tíi mét ®é s©u b»ng 67.2 m, so víi l­îng gi¸ng thuû trung b×nh hµng n¨m lµ b»ng 0.75 m. Trong thùc tÕ sù ph©n bè cña nã lµ kh¸ biÕn ®éng nh­, vÝ dô, ë Hoa Kú n¬i mµ toµn bé kh«ng gian lç hæng bÞ n­íc, khÝ gas vµ x¨ng dÇu chiÕm gi÷ thay ®æi trong ph¹m vi tõ 3 m ë d­íi cao nguyªn Piedmont tíi kho¶ng 2500 m ë d­íi ch©u thæ Mississippi (Heath,1983). Vai trß cña n­íc ngÇm nh­ mét nh©n tè ®iÒu khiÓn khæng lå trong chu tr×nh thuû v¨n cã thÓ ®­îc nh×n nhËn tõ thêi gian tån t¹i lín, trung b×nh kho¶ng 300 n¨m, mÆc dï cã sù kh¸c biÖt ®¸ng kÓ gi÷a c¸c vÞ trÝ. N­íc ngÇm duy tr× dßng ch¶y s«ng ngßi trong suèt c¸c thêi kú thêi tiÕt kh« h¹n vµ lµ mét nguån n­íc chñ yÕu trong nhiÒu khu vùc kh« h¹n. Do thêi gian tån t¹i dµi cña nã, c¸c vïng mµ hiÖn nay cã mét khÝ hËu kh« h¹n mµ ë ®ã Ýt cã c¬ héi cho n­íc cã thÓ thÊm xuèng d­íi s©u, tuy nhiªn cã thÓ cã nh÷ng sù dù tr÷ n­íc ngÇm lín mµ lµ kÕt qu¶ cña sù ngÊm trong c¸c thêi kú m­a tr­íc ®©y. VÝ dô, cã nh÷ng sù dù tr÷ n­íc ngÇm khæng lå, t­¬ng ®­¬ng víi h¬n 5  10 5 km3 n­íc, ë vïng sa m¹c Sahara. MÆc dï ®· cã nhiÒu sù tranh c·i trong qu¸ khø vÒ nguån gèc cña n­íc ngÇm, giê ®©y râ rµng r»ng hÇu hÕt toµn bé nã lµ nh­ sao b¨ng, tøc lµ ®­îc lÊy tõ h¬i Èm khÝ quyÓn ®­îc ng­ng tô mµ ®· thÊm xuèng d­íi qua ®íi th«ng khÝ. ChØ nh÷ng l­îng nhá n­íc ngÇm ®­îc b¾t nguån tõ n­íc bÈm sinh, mµ cã nguån gèc nh­ n­íc biÓn bÞ gi÷ trong mét sè ®¸ ë thêi kú bÞ ch«n vïi cña chóng. Nh÷ng tµi liÖu gi¸ trÞ vÒ sù ph¸t triÓn cña nh÷ng Ý t­ëng trong thuû v¨n n­íc ngÇm ®· ®­îc Back vµ Herman cung cÊp (1997) vµ bëi Narasimhan (1998). 5.2. C¬ së ®Þa chÊt C¸c líp ®¸ hay c¸c trÇm tÝch kh«ng v÷ng ch¾c mµ chøa vËt chÊt ®· hoµ tan ®ñ ®Ó s¶n xuÊt ra nh÷ng l­îng n­íc ®¸ng kÓ ®­îc biÕt ®Õn nh­ nh÷ng tÇng ngËm n­íc vµ sù h×nh thµnh n­íc ngÇm rÊt Ýt cã thÓ do n­íc thÊm qua vµ truyÒn n­íc chËm ch¹p h¬n ë c¸c tÇng ngËm n­íc liÒn kÒ th­êng ®­îc biÕt ®Õn nh­ lµ c¸c tÇng kh«ng thÊm. C¸c thuËt ng÷ nµy lµ m¬ hå vµ ¸m chØ nh÷ng ®Æc tr­ng t­¬ng ®èi h¬n lµ tuyÖt ®èi. V× vËy mét ®¸y bïn sÏ lµ mét tÇng kh«ng thÊm trong mét chuçi ®Þa tÇng häc cña c¸c líp bïn vµ c¸t xen kÏ nh­ng nÕu ®­îc liªn th«ng c¸c líp víi c¸c ®¸y sÐt Ýt kh¶ n¨ng thÊm h¬n, bïn sÏ lµ mét tÇng ngËm n­íc. HÇu hÕt c¸c tÇng ngËm n­íc chÝnh ®­îc lµm thµnh tõ c¸c l¾ng ®äng trÇm tÝch ®­îc h×nh thµnh tõ sù xãi lë vµ l¾ng ®äng cña c¸c lo¹i ®¸ kh¸c nhau vÝ dô c¸c ®¸ c¸t vµ ®¸ v«i.v.v. Ng­îc l¹i, c¸c ®¸ nói löa vµ ®¸ biÕn chÊt, h×nh thµnh d­íi c¸c ®iÒu kiÖn ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cao, nãi chung cã Ýt kh«ng gian lç hæng liªn th«ng vµ kÕt qu¶ lµ hÇu hÕt chØ cã kh¶ n¨ng chøa n­íc thÊp. Giíi h¹n bªn d­íi cña n­íc ngÇm x¶y ra ë mét ®é s©u mµ c¸c khe nøt rÊt Ýt vµ rÊt nhá ®Õn møc mµ nh÷ng chuyÓn ®éng xuèng d­íi xa h¬n n÷a gÇn nh­ lµ kh«ng thÓ. Biªn n­íc ngÇm nµy th­êng ®­îc h×nh thµnh bëi mét ®Þa tÇng ®¸ rÊt ®Æc, nh­ lµ sÐt, ®¸ phiÕn hay ®¸ granite, hoÆc bëi líp bªn trªn cña ®¸ mÑ n¬i mµ khèi n­íc ngÇm xuÊt hiÖn bªn trong mét trÇm tÝch bÒ mÆt cña vËt chÊt bÞ phong ho¸. Thay vµo ®ã, sù nÐn cña ®Þa tÇng do ®é s©u, mµ dÉn ®Õn tõ sù t¨ng träng l­îng cña c¸c ®¸ n»m bªn trªn, cã ý nghÜa r»ng mét ®é s©u cuèi cïng ®­îc ®¹t tíi mµ ë ®ã nh÷ng khe nøt ®· bÞ gi¶m c¶ vÒ kÝch th­íc lÉn sè l­îng rÊt nhiÒu ®Õn møc mµ sù chuyÓn ®éng n­íc xa h¬n n÷a hÇu nh­ bÞ ng¨n c¶n. §é s©u mµ t¹i ®ã ®iÒu nµy x¶y ra sÏ phô thuéc vµo ®Æc tÝnh cña 136
  4. ®¸ ngËm n­íc vµ trong ®¸ granite ®Æc sÏ n«ng h¬n lµ trong mét ®¸ c¸t nhiÒu lç rçng. Tuy nhiªn, sè c¸c khe nøt cã xu h­íng chung lµ gi¶m theo ®é s©u vµ bªn d­íi kho¶ng 10 km toµn bé c¸c ®¸ cã lÏ lµ, trong thùc tÕ, ®­îc xem nh­ kh«ng thÓ thÊm qua (Price, 1985). 5.3. C¸c tÇng ngËm n­íc cã ¸p vµ kh«ng ¸p Biªn trªn cïng cña ®íi b·o hoµ thay ®æi tuú theo l­îng n­íc ngÇm lµ cã ¸p hay kh«ng ¸p (xem H×nh 5.1(b)). Trong tr­êng hîp n­íc ngÇm kh«ng ¸p, biªn nµy th­êng ®­îc xem nh­ mÆt n­íc ngÇm, ®­îc x¸c ®Þnh lµ mùc n­íc mµ ¸p suÊt n­íc lç hæng b»ng víi ¸p suÊt khÝ quyÓn. MÆt n­íc ngÇm cã xu h­íng theo sau c¸c ®­êng ®¼ng trÞ cña bÒ mÆt ®Êt n»m bªn trªn, mÆc dï nã cã d¹ng uyÓn chuyÓn h¬n. Gi¶ sö mét l­îng t­¬ng tù cña sù thÊm xuèng tõ m­a r¬i trªn c¶ ®Êt cao vµ thÊp, c­êng ®é sù gi¶m nhÑ cña mÆt n­íc ngÇm phô thuéc phÇn lín vµo kÕt cÊu vËt chÊt cã trong ®íi b·o hoµ. Trong tr­êng hîp cña ®¸ kÕt cÊu rÊt më, sù chuyÓn ®éng n­íc ngÇm sÏ lµ rÊt nhanh ®Õn møc mµ n­íc sÏ vÉn tho¸t vÒ phÝa c¸c thung lòng tõ bªn d­íi n­íc ngÇm cao h¬n khi cã sù bæ xung tõ gi¸ng thuû kÕ tiÕp diÔn ra, v× thÕ ®é cao cña nã ®­îc tÝch luü bªn d­íi c¸c vïng s©u. Xu h­íng nµy ®­îc phãng ®¹i bëi thùc tÕ r»ng sù gi¸ng thuû th­êng t¨ng sù ngÊm xuèng ®Êt. N­íc ngÇm trªn cao biÓu thÞ mét tr­êng hîp ®Æc biÖt cña n­íc ngÇm treo, kh«ng ¸p trong ®ã ®¸y kh«ng thÊm hoÆc b¸n thÊm n»m bªn d­íi kh«ng liªn tôc trªn mét vïng thËt lín vµ ®­îc ®Æt vÞ trÝ ë mét sè vïng cao bªn trªn khèi n­íc ngÇm chÝnh. N­íc ngÇm treo th­êng x¶y ra ë n¬i mµ mét ®¸y kh«ng thÊm hoÆc tån t¹i ë mét ®é s©u nhá hoÆc ph©n c¾t c¹nh ®¸y cña mét thung lòng. Trong nhiÒu vïng n­íc ngÇm kh«ng ¸p ®Çu tiªn ®­îc b¾t gÆp trong viÖc khoan mét lç khoan vµo trong lßng ®Êt ta b¾t gÆp n­íc ngÇm ®­îc ®Æt trªn cao nµy. Nh­ ®· chØ ra tr­íc ®©y, n­íc thÊm qua ®íi th«ng khÝ sau trËn m­a r¬i lín còng cã thÓ ®­îc xem nh­ mét khèi n­íc ngÇm treo trªn cao t¹m thêi (còng xem nh÷ng th¶o luËn vÒ n­íc s¸t mÆt trong c¸c Ch­¬ng 6 vµ 7). Biªn trªn cña mét khèi n­íc ngÇm cã ¸p ®­îc h×nh thµnh bëi mét ®¸y Ýt kh¶ n¨ng thÊm h¬n n»m bªn trªn (xem H×nh 5.1(b)). Sù kh¸c biÖt gi÷a n­íc ngÇm cã ¸p vµ kh«ng ¸p th­êng ®­îc lµm bëi sù chªnh lÖch thuû lùc gi÷a dßng n­íc cã ¸p vµ dßng tù do, n­íc ngÇm kh«ng ¸p. Tuy nhiªn, vÒ mÆt thuû v¨n hai d¹ng ®ã lµ mét phÇn cña mét hÖ thèng thèng nhÊt, ®¬n nhÊt. V× vËy, hÇu hÕt c¸c tÇng ngËm n­íc cã ¸p cã mét vïng kh«ng ¸p mµ qua ®ã sù cung cÊp n­íc ngÇm diÔn ra do thÊm qua vµ thÈm thÊu vµ trong ®ã mét mÆt n­íc ngÇm, nh­ ®· ®Þnh nghÜa ë trªn, biÓu thÞ bÒ mÆt trªn cïng cña ®íi b·o hoµ. H¬n n÷a, viÖc ®¸y cã ¸p kh«ng thÊm hiÕm khi h×nh thµnh mét ch­íng ng¹i thùc sù cho sù chuyÓn ®éng n­íc ngÇm v× r»ng th­êng cã mét sè sù trao ®æi vµ do ®ã mét ®é cÊp n­íc cña ®é dÉn thuû lùc, gi÷a n­íc ngÇm cã ¸p bªn d­íi ®¸y cã ¸p vµ n­íc ngÇm kh«ng ¸p bªn trªn nã. Thùc vËy, sù chó ý ®· ®­îc vÏ ra cho c¶m nhËn t­¬ng ®èi trong ®ã nh÷ng thuËt ng÷ nh­ tÇng ngËm n­íc vµ tÇng kh«ng thÊm ph¶i ®­îc sö dông vµ thùc tÕ r»ng mét khèi ®¸ h×nh thµnh mét tÇng kh«ng thÊm trong tr­êng hîp nµy l¹i cã thÓ h×nh thµnh mét tÇng ngËm n­íc trong tr­êng hîp kh¸c. Tõ mÆt n­íc ngÇm trong vïng n­íc ngÇm kh«ng ¸p, qua ®ã sù thÊm n­íc diÔn 137
  5. ra, ®­îc ®Æt vÞ trÝ ë mét cao ®é cao h¬n vïng n­íc ngÇm cã ¸p cña tÇng ngËm n­íc, theo ®ã n­íc ngÇm ë vïng sau th× d­íi mét ¸p suÊt t­¬ng ®­¬ng víi chªnh lÖch mùc thuû tÜnh gi÷a hai líp. NÕu ¸p suÊt ®­îc gi¶i phãng mét c¸ch côc bé, nh­ bëi sù h¹ thÊp mét giÕng vµo trong tÇng ngËm n­íc cã ¸p, mùc n­íc theo lý thuyÕt sÏ gi©ng lªn trong giÕng tíi ®é cao cña cét n­íc thuû tÜnh, tøc lµ ®é cao cña mÆt n­íc ngÇm trong vïng cÊp n­íc trõ ®i ®é cao t­¬ng ®­¬ng cña tæn thÊt n¨ng l­îng dÉn ®Õn tõ sù ma s¸t gi÷a n­íc ngÇm chuyÓn ®éng vµ nÒn r¾n cña tÇng ngËm n­íc gi÷a ®iÓm n¹p vµo vµ ®iÓm lÊy n­íc ra. BÒ mÆt t­ëng t­îng mµ n­íc gi©ng tíi ®ã trong c¸c giÕng khoan c¸c tÇng ngËm n­íc cã ¸p ®­îc gäi lµ bÒ mÆt ®o thÕ n¨ng cña n­íc (Lohman, 1972; Freeze vµ Cherry, 1979). ThuËt ng÷ nµy ®· ®­îc thay thÕ c¸c tªn gäi ban ®Çu, ch¼ng h¹n nh­ bÒ mÆt ®o ¸p suÊt vµ cã thÓ ®­îc ¸p dông cho c¶ tÇng ngËm n­íc cã ¸p vµ kh«ng ¸p. Trong thùc tÕ, cao ®é cña bÒ mÆt ®o thÕ n¨ng ®­îc ®o ®¹c, kh«ng trong mét giÕng, mµ trong mét ¸p kÕ, mµ lµ mét èng nhùa kÝn trõ ®i mét ®é dµi ë ®¸y. Trong tr­êng hîp n­íc ngÇm kh«ng ¸p ë c¸c ®iÒu kiÖn tr¹ng th¸i æn ®Þnh, tøc lµ khi kh«ng cã dßng ch¶y, mÆt n­íc ngÇm vµ mÆt ®« thÕ n¨ng xuÊt hiÖn ë cïng mét cao ®é. Tuy nhiªn, trong n­íc ngÇm kh«ng h¹n ®Þnh ®ang ch¶y, c¸c cao ®é cña mÆt n­íc ngÇm vµ mÆt ®é cao thÕ n¨ng sÏ kh¸c nhau, v× ®é cong cña c¸c ®­êng dßng trong c¸c hÖ thèng n­íc ngÇm ®Þa ph­¬ng. ThuËt ng÷ giÕng phun ®· ®­îc sö dông kh¸c nhau trong c¸c c¸ch ®Ó m« t¶ chÝnh tÇng ngËm n­íc cã ¸p, hay mét giÕng mµ xuyªn qua mét tÇng ngËm n­íc cã ¸p, hay b¾t kú giÕng nµo t¹o ra n­íc ch¶y mét c¸ch tù do lªn trªn mÆt ®Êt. Mét sè lo¹i vµ c¸c ®iÒu kiÖn “giÕng phô” ch¶y tù do phæ biÕn nhÊt ®­îc t×m thÊy ë c¸c vïng ®Þa tÇng trÇm tÝch h¬i uèn nÕp ch¶ng h¹n nh­ vïng ë tØnh Artois ë miÒn b¾c n­íc Ph¸p, l­u vùc London ë Anh, hay c¸c l­u vùc giÕng phun lín cña trung ®«ng Austrialia vµ ®ång b»ng Great cña Mü. Ban ®Çu c¸c giÕng trong hai l­u vùc cuèi b¾t gÆp n­íc víi ¸p suÊt ban ®Çu cã kh¶ n¨ng ®Ó phun vät cao h¬n 45 m bªn trªn bÒ mÆt ®Êt, mÆc dï cét ¸p suÊt sau ®ã bÞ gi¶m kh¸ nhanh (Davis vµ De Wiest, 1966). C¸c ®iÒu kiÖn giÕng phun còng ®· ®­îc t×m thÊy trong c¸c ®¸ kÕt tinh nøt nÎ vµ ®øt g·y, ®Æc biÖt lµ n¬i mµ chóng ®­îc phñ trªn bëi c¸c trÇm tÝch trªn mÆt t­¬ng ®èi kh«ng thÊm. C¸c giÕng phun tù nhiªn còng cã thÓ lµ kÕt qu¶ cña viÖc ®øt g·y mét vïng c¸c ®¸ trÇm tÝch uèn nÕp. C¸c ®iÒu kiÖn giÕng phun kh«ng lu«n ®ßi hái mét ®¸y cã ¸p n»m bªn trªn vµ cã thÓ diÔn ra ë nh÷ng vïng dèc nh­ mét kÕt qu¶ cña c¸c ®iÒu khiÓn ®Þa h×nh (Môc 5.5.4). ViÖc ph©n lo¹i n­íc ngÇm thµnh “kh«ng ¸p”, “cã ¸p”, “ë trªn cao” (n­íc treo) cã xu h­íng nhÊn m¹nh nh÷ng sù kh¸c biÖt gi÷a ba lo¹i mµ cã thÓ khã nhËn ra trong thùc tÕ, thËm chÝ trong c¸c ®iÒu kiÖn ®Þa lý thuû v¨n ®¬n gi¶n. Trong c¸c vïng ®Þa lý thuû v¨n phøc t¹p c¸c thuËt ng÷ nµy trë nªn hÇu nh­ kh«ng cã ý nghÜa. Tuy nhiªn, nh÷ng lo¹i nµy ®· ®­îc chÊp nhËn mét c¸ch réng r·i trong tµi liÖu nghiªn cøu vµ ®­îc sö dông trong ch­¬ng nµy nh­ mét cÊu tróc tiÖn lîi cho viÖc ®¶m b¶o nh÷ng th¶o luËn vÒ tr÷ l­îng n­íc ngÇm vµ sù chuyÓn ®éng n­íc ngÇm. 5.4. Tr÷ l­îng n­íc ngÇm C¸c tÇng ngËm n­íc cã thÓ ®­îc xem nh­ nh÷ng hå chøa nh©n t¹o cho kho n­íc ngÇm vµ nh­ c¸c ®­êng èng cho sù chuyÓn ®éng n­íc ngÇm. Bëi v× phÇn lín n­íc ngÇm chuyÓn ®éng rÊt chËm vµ cã thêi gian c­ tró trong tÇng ngËm n­íc rÊt dµi, chøc n¨ng l­u tr÷ th­êng lµ râ rµng h¬n.Tuèi cña n­íc trong mét sè tÇng ngËm n­íc 138
  6. ë Anh vµ Libya, vÝ dô ®· ®­îc ®¸nh gi¸ lµ h¬n 20000-30000 n¨m (Downing vµ nh÷ng ng­êi kh¸c, 1977; Wright vµ nh÷ng ng­êi kh¸c, 1982) vµ ë trung Australia mét sè n­íc ngÇm cã thÓ lµ 1.4 triÖu n¨m tuæi (Haberinehl, 1985). Râ rµng sù x¸c ®Þnh chÝnh x¸c tuæi n­íc ngÇm sÏ lµ quan träng cho viÖc ®¸nh gi¸ c¶ tiÒm n¨ng tµi nguyªn cña khèi n­íc ngÇm vµ c¶ tÝnh chÊt cã thÓ bÞ tæn th­¬ng cña nã do sù « nhiÔm (Andrews, 1991). C¸c ph­¬ng ph¸p x¸c ®Þnh niªn ®¹i th­êng ®­îc dùa trªn sö dông c¸c lo¹i chÊt hoµ tan b¾t nguån hoÆc tõ khÝ quyÓn hoÆc tõ bªn d­íi bÒ mÆt ®Êt, vÝ dô c¸c khÝ hiÕm nh­ helium (He) vµ argon (Ag). Môc nµy xem xÐt c¸c ®Æc tr­ng chÝnh cña kho chøa n­íc ngÇm, ®Æc biÖt lµ c¸c ®Æc tr­ng tÇng ngËm n­íc ¶nh h­ëng tíi nã, ch¼ng h¹n nh­ ®é rçng vµ n¨ng suÊt khai th¸c riªng vµ sù gi÷ l¹i vµ c¸c c¬ chÕ cña thay ®æi l­îng tr÷ trong c¶ tÇng ngËm n­íc cã ¸p vµ kh«ng ¸p. 5.4.1. §é rçng L­îng n­íc ngÇm ®­îc l­u tr÷ trong mét vËt chÊt ®· b·o hoµ phô thuéc vµo ®é rçng cña nã. §é rçng nµy th­êng ®­îc biÓn diÔn b»ng phÇn tr¨m cña tæng thÓ tÝch ®¸ hay ®Êt mµ ®­îc biÓu thÞ bëi c¸c khe nøt cña nã, hay c¸c kho¶ng trèng. Trong khi hÇu hÕt c¸c khe nøt lµ c¸c kh«ng gian gi÷a c¸c h¹t nhá mét sè lµ cã nhiÒu hang ®éng. Mét hiÓu biÕt vÒ ®Æc tÝnh cña nh÷ng khe nøt nµy râ rµng lµ cÇn thiÕt cho mét sù t×m hiÒu vÒ l­îng tr÷ vµ sù chuyÓn ®éng cña n­íc ngÇm, vµ mét vµi ph­¬ng ph¸p ®· ®­îc ®Ò xuÊt ®Ó ph©n lo¹i chóng. Sù ph©n lo¹i ®­îc sö dông th­êng xuyªn nhÊt dùa trªn c¸ch thøc vÒ nguån gèc cña chóng vµ xem xÐt c¸c khe nøt gèc vµ thø cÊp (Todd, 1980; Heath, 1983). Khe nøt gèc, nh­ c¸i tªn ¸m chØ, ®· ®­îc t¹o ra t¹i thêi ®iÓm ban ®Çu cña ®¸ mµ chóng diÔn ra trong ®ã. V× vËy trong c¸c ®¸ trÇm tÝch chóng x¶y ra ®ång thêi víi c¸c kh«ng gian gi÷a c¸c h¹t, trong khi trong c¸c ®¸ nham th¹ch, mµ chóng th­êng dÉn tíi tõ viÖc lµm nguéi macma nãng ch¶y, chóng cã thÓ trong ph¹m vi kÝch th­íc tõ kh«ng gian gi÷a c¸c ®¸ kÕt tinh nhá tíi c¸c hang ®éng lín. Khe nøt thø cÊp lµ kÕt qu¶ cña c¸c ho¹t ®éng sau ®ã cña c¸c nh©n tè ®Þa lý, khÝ hËu hay sinh häc trªn ®¸ gèc. Nh÷ng sù ®øt ®o¹n vµ nøt nÎ, ®­îc më réng cã lÏ bëi viÖc phong ho¸ vµ sù hoµ tan lµ phæ biÕn nhÊt. C¸c khe nøt nh­ vËy th­êng ®­îc t×m thÊy ë c¸c ®¸ kÕt tinh cøng, giµ mµ hÇu nh­ kh«ng cã ®é rçng gi÷a c¸c h¹t vµ v× thÕ ®ãng mét vai trß chÝnh trong sù l­u tr÷ vµ chuyÓn ®éng cña n­íc ngÇm vÝ dô qua c¸c vïng réng lín cña ch©u Phi, phÝa b¾c B¾c Mü, phÝa b¾c ch©u ¢u vµ Ên §é. Mét vÊn ®Ò víi lo¹i ph©n lo¹i “ph¸t sinh” nµy cña c¸c khe nøt lµ c¸c kh«ng gian gi÷a c¸c h¹t gèc th­êng sau ®ã bÞ ®iÒu chØnh l¹i bëi c¸c qu¸ tr×nh bao gåm sù hoµ tan vµ sù xi m¨ng ho¸. Do ®ã mét sù ph©n lo¹i rÊt gièng, nh÷ng cã lÏ thÝch hîp h¬n lµ gi÷a ®é rçng c¬ b¶n do kh«ng gian gi÷a c¸c h¹t trong nÒn ®Êt ®¸ (H×nh 5.2(a)-(d)) vµ ®é rçng thø cÊp do c¸c qu¸ tr×nh nh­ hoµ tan däc theo c¸c vÕt nøt vµ sù xÕp tÇng c¸c mÆt ph¼ng (H×nh 5.2(e)) hoÆc do viÖc nøt nÎ vµ ®øt g·y (H×nh 5.2(f)). Sù lÉn lén ®«i khi n¶y sinh ra, trong tr­êng hîp cña c¸c ®¸ nøt nÎ tèt, vÝ dô, gi÷a ®é rçng cña nÒn ®¸ r¾n (mµ cã thÓ lµ rÊt thÊp) vµ ®é rçng toµn bé cña c¶ ®Þa tÇng (mµ cã thÓ lµ t­¬ng ®èi cao). ThËt lµ quan träng ®Ó nhËn ra r»ng tÊt c¶ c¸c khe nøt ®­îc liªn quan trong trong kh¸i niÖm vÒ ®é rçng, v× thÕ nh÷ng sù nøt nÎ, c¸c mÆt xÕp tÇng vµ nÕt ®øt g·y, bao gåm nh÷ng khe rçng ®­îc më réng bëi sù hoµ tan vµ phong ho¸, ph¶i ®­îc bao gåm nh­ mét phÇn cña tæng thÓ tÝch khe nøt. §iÒu nµy cã nh÷ng hµm ý quan träng cho kÝch th­íc mÉu ®­îc sö dông trong viÖc ®o ®¹c ®é rçng vµ ®é 139
  7. dÉn thuû lùc (xem Môc 5.5.2 vµ 5.6), v× mÉu cµng lín, cµng thÝch hîp víi khe nøt lín, ch¼ng h¹n nh­ mét khe nøt hay mét nÕt ®øt g·y. §«i khi m«i tr­êng rçng chøa c¸c kho¶ng trèng mµ kh«ng liªn kÕt víi c¸c kho¶ng trèng kh¸c vµ ®ã lµ mÆt kh¸c cña thuû v¨n. Nh÷ng kho¶ng kh«ng nh­ vËy kh«ng ph¶i lµ bé phËn cña ®é rçng ph¸t sinh, mµ cã thÓ ®­îc ®Þnh nghÜa nh­ ®é rçng mµ t¹i ®ã ho¹t ®éng l­îng tr÷ vµ sù chuyÓn ®éng cña n­íc ngÇm vµ do ®ã kh«ng ®­îc xem xÐt kü h¬n n÷a. Trong c¸c ph©n tÝch cña c¸c hÖ thèng tÇng ngËm n­íc th­êng gi¶ thiÕt r»ng tÇng ngËm n­íc lµ ®ång nhÊt vµ ®¼ng h­íng. §ã lµ c¸c thuéc tÝnh cè h÷u cña n­íc ngÇm ch¼ng h¹n nh­ ®é rçng, cã gi¸ trÞ nh­ nhau ë c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau cña tÇng ngËm n­íc (tÝnh ®ång nhÊt) vµ theo c¸c h­íng kh¸c nhau tõ cïng mét ®iÓm (®¼ng h­íng). Tuy nhiªn, tr¹ng th¸i rÊt tù nhiªn cña c¸c qu¸ tr×nh ®Þa lý lµ rÊt c¬ b¶n vµ c¸c qu¸ tr×nh thø cÊp rÊt cã ý nghÜa vµ thËm chÝ c¸c trÇm tÝch cã vÎ ®ång nhÊt còng cã mét sù ®Þnh h­íng ­u tiªn cña c¸c phÇn tö vµ c¸c vÕt ®øt g·y (bÊt ®¼ng h­íng). Sù ph©n tÇng trong hÇu hÕt c¸c trÇm tÝch th­êng phæ biÕn mét tÝnh bÊt ®ång nhÊt ®¸ng kÓ (Downing vµ Jones, 1985). H×nh 5.2 C¸c lo¹i khe nøt: (a) gi÷a c¸c h¹t kh«ng thÊm s¾p xÕp t­¬ng ®èi ®ång ®Òu, (b) gi÷a c¸c h¹t kh«ng thÊm s¾p xÕp kh«ng ®Òu, (c) gi÷a c¸c h¹t cã kh¶ n¨ng thÊm, (d) gi÷a c¸c h¹t sái ®· ®­îc g¾n kÕt mét phÇn, (e) ®­îc h×nh thµnh bëi sù hßa tan däc theo c¸c chç nèi vµ c¸c mÆt ®¸y trong c¸c ®¸ cacbon vµ f(f) ®­îc h×nh thµnh bëi sù ®øt g·y trong c¸c ®¸ c¸t kÕt. (theo Meinzer, 1923) §é rçng cña mét m«i tr­êng sÏ phô thuéc vµo mét sè c¸c nh©n tè, gåm cã d¹ng, sù s¾p xÕp vµ cÊp ®é h¹t cña viÖc ph©n lo¹i cña c¸c phÇn tö cÊu thµnh vµ ph¹m vi thay ®æi n¶y sinh ra tõ sù hoµ tan, sù g¾n kÕt, sù nÐn chÆt vµ sù ®øt ®o¹n ®· x¶y ra. VÝ dô, vËt chÊt Ýt bÞ ph©n lo¹i (víi mét ph¹m vi kÝch th­íc h¹t lín) sÏ cã mét ®é rçng thÊp v× c¸c khe nøt gi÷a nh÷ng m¶nh lín h¬n sÏ bÞ lÊp ®Çy víi c¸c h¹t nhá h¬n vµ ®é rçng gi¶m t­¬ng øng trong sù so s¸nh víi vËt chÊt gåm c¸c h¹t kÝch th­íc ®ång nhÊt. ¶nh h­ëng kÕt hîp cña nh÷ng nh©n tè kh¸c nhau nµy ®­îc minh ho¹ trong B¶ng 5.1, thÓ hiÖn nh÷ng ph¹m vi ®iÓn h×nh cña ®é rçng cho mét sè lo¹i vËt chÊt kh¸c nhau. Nãi chung, c¸c ®¸ nh­ ®¸ c¸t kÕt, ®¸ phiÕn sÐt vµ ®¸ v«i cã ®é rçng thÊp h¬n ®Êt vµ c¸c trÇm tÝch ch­a trë nªn ch¾c. Tho¹t ®Çu cã vÎ l¹ lµ ®Êt sÐt, th­êng h×nh thµnh mét sù ng¨n c¶n chuyÓn ®éng cña n­íc, l¹i cã mét ®é rçng rÊt cao, trong khi c¸c tÇng ngËm n­íc tèt, nh­ ®¸ c¸t kÕt, cã ®é rçng thÊp tíi trung b×nh. Tuy nhiªn xem xÐt h¬n n÷a thÊy r»ng mÆc dï ®é rçng x¸c ®Þnh bao nhiªu n­íc mét m«i tr­êng b·o hoµ cã thÓ chøa, kh«ng cã nghÜa lµ toµn bé n­íc ®ã sÏ thùc sù s½n sµng cho sù chuyÓn ®éng trong chu tr×nh thuû v¨n. PhÇn n­íc ngÇm mµ lµ “l­u ®éng” tiÒm n¨ng sÏ phô thuéc mét phÇn vµo c¸c khe nøt ®­îc liªn th«ng tèt bao nhiªu vµ mét phÇn vµo kÝch th­íc cña c¸c khe nøt vµ do ®ã, bëi sù liªn quan tíi c¸c lùc mµ n­íc ®­îc gi÷ trong chóng. 5.4.2. N¨ng suÊt riªng vµ sù gi÷ l¹i riªng 140
  8. §é rçng x¸c ®Þnh l­îng n­íc lín nhÊt vÒ mÆt lý thuyÕt mµ mét tÇng ngËm n­íc cã thÓ gi÷ khi ®­îc b·o hoµ hoµn toµn. Trong thùc tÕ, tuy nhiªn, chØ mét phÇn cña ®é rçng nµy thùc sù cã s½n ®Ó duy tr× l­u l­îng n­íc ngÇm ë c¸c chç thÊm ra, hay chøa trong c¸c giÕng. PhÇn nµy lµ n¨ng suÊt riªng mµ cã thÓ ®­îc ®Þnh nghÜa lµ thÓ tÝch n­íc mµ cã thÓ tho¸t ra tù do tõ mét ®Êt ®¸ b·o hoµ d­íi t¸c dông cña träng lùc, vµ nã th­êng ®­îc biÓu diÔn b»ng phÇn tr¨m cña tæng thÓ tÝch tÇng ngËm n­íc (kh«ng chØ kh«ng gian rçng). Nã cã thÓ ®­îc ®o ®¹c b»ng nhiÒu ph­¬ng ph¸p kh¸c nhau, c¸c kiÓm tra b¬m giÕng nãi chung ®­a ra nh÷ng kÕt qu¶ thÝch hîp nhÊt (Todd, 1980) vÒ n¨ng suÊt riªng cña giÕng. ThÓ tÝch n­íc cßn l¹i (còng th­êng biÓu diÔn b»ng phÇn tr¨m cña tæng thÓ tÝch tÇng ngËm n­íc), mµ ®­îc gi÷ l¹i bëi c¸c lùc øng suÊt tiÕp mÆt xung quanh c¸c h¹t riªng biÖt vµ trong c¸c èng mao dÉn, ®­îc xem nh­ sù gi÷ l¹i riªng. ThuËt ng÷ nµy lµ t­¬ng tù víi “kh¶ n¨ng nÒn” mµ ®­îc sö dông khi nãi tíi n­íc trong ®Êt (Môc 6.3.4) vµ t­¬ng tù lµ m¬ hå theo c¶m nhËn r»ng kh«ng cã l­îng n­íc cè ®Þnh mµ t¹i ®ã sù tho¸t n­íc träng lùc bÞ ngõng l¹i. Mét vÝ dô cùc h¹n vÒ sù kh¸c biÖt gi÷a ®é rçng vµ n¨ng suÊt riªng cña mét tÇng ngËm n­íc ®­îc ®­a ra bëi ®¸ phÊn. §©y lµ mét lo¹i ®¸ v«i rÊt mÞn trong ®ã c¸c kÝch th­íc rçng chÊt nÒn ®Æc tr­ng lµ nhá h¬n 1  m vµ chØ mét phÇn rÊt nhá cña n­íc lç hæng cã thÓ tho¸t ra tù do d­íi t¸c dông cña träng lùc (Price vµ nh÷ng ng­êi kh¸c, 1976). T¹i vÞ trÝ phÝa nam n­íc Anh, Wellings (1984a) ®· t×m thÊy r»ng ®é rçng cña ®¸ phÊn lµ kho¶ng 30%, nh÷ng n¨ng suÊt riªng chØ kho¶ng 1%. Mét phÇn n­íc lín h¬n lµ cho thùc vËt vµ trong c¸c líp trªn cïng c¸c gi¸ trÞ cña sù hót cña rÔ c©y (xem Môc 6.3.1) lµ v­ît qu¸ 1000 kPa ®· ®­îc ghi nhËn. Mèi quan hÖ gi÷a c¸c gi¸ trÞ ®é rçng, n¨ng suÊt riªng vµ sù gi÷ l¹i riªng cho nh÷ng lo¹i vËt chÊt ch­a nÐn chÆt kh¸c nhau ®iÓn h×nh ®­îc thÓ hiÖn trong h×nh 5.3. H×nh nµy chØ ra r»ng, khi kÕt cÊu cña vËt chÊt trë nªn th« h¬n vµ bëi hµm ý tÇm quan träng cña c¸c khe nøt cã kÝch th­íc lín t¨ng lªn, c¶ sù gi÷ l¹i riªng vµ ®é rçng tæng céng còng t¨ng. MÆc dï ®Êt sÐt cã mét ®é rçng tæng céng cao, n­íc s½n cã d­íi d¹ng n¨ng suÊt riªng l¹i rÊt nhá. 5.4.3. Thay ®æi l­îng tr÷ §é rçng, sù gi÷ l¹i riªng vµ n¨ng suÊt riªng ®iÒu khiÓn kh¶ n¨ng cña mét tÇng ngËm n­íc ®Ó l­u tr÷ vµ duy tr× n­íc, nh­ng l­îng n­íc thùc sù cã mÆt ë mét thêi ®iÓm nµo ®ã ph¶n ¸nh nh÷ng thay ®æi cña l­îng tr÷ mµ ®Õn l­ît ®­îc x¸c ®Þnh bëi viÖc thay ®æi c©n b»ng gi÷a sù n¹p vµo vµ sù th¸o ra tõ tÇng ngËm n­íc. NÕu sù n¹p vµo trong suèt mét thêi kho¶ng cho tr­íc ®óng b»ng l­îng th¸o ra, l­îng n­íc trong kho tr÷ sÏ vÉn kh«ng ®æi; nÕu sù n¹p vµo v­ît h¬n sù th¸o ra, l­îng tr÷ sÏ t¨ng trong khi, nÕu sù th¸o ra lín h¬n sù n¹p vµo, l­îng tr÷ sÏ gi¶m. §iÒu nµy cã thÓ ®­îc biÓu diÔn mét c¸ch tiÖn lîi d­íi d¹ng mét ph­¬ng tr×nh c©n b»ng n­íc ®¬n gi¶n: (5.1) S  Qr  Qd Trong ®ã S lµ sù thay ®æi tr÷ l­îng n­íc ngÇm, Qr lµ sù n¹p vµo cho n­íc ngÇm vµ Qd lµ l­îng th¸o ra tõ n­íc ngÇm. Mét hiÓu biÕt vÒ c¸c thµnh phÇn chÝnh cña ph­¬ng tr×nh c©n b»ng n­íc ngÇm th­êng lµ mét ®iÒu kiÖn tiªn quyÕt cña nh÷ng thö nghiÖm thµnh c«ng ®Ó khai th¸c n­íc ngÇm nh­ mét nguån tµi nguyªn. 141
  9. H×nh 5.3 Mèi quan hÖ gi÷a ®é rçng, n¨ng suÊt riªng vµ sù gi÷ l¹i riªng cho c¸c lo¹i vËt chÊt ch­a nÐn chÆt kh¸c nhau, thÓ hiÖn c¸c gi¸ trÞ ®iÓn h×nh mµ cã thÓ kh¸c biÖt víi c¸c gi¸ trÞ t¹i mét vÞ trÝ riªng. (theo s¬ ®å cña Eckis, 1934) C¸c thµnh phÇn chÝnh cña sù cung cÊp cho n­íc ngÇm lµ: - Sù thÊm qua cña gi¸ng thuû ë bÒ mÆt ®Êt mµ cã thÓ dÉn tíi n­íc tho¸t bªn d­íi ®íi rÔ c©y vµ v× vËy trë thµnh s½n cã tiÒm n¨ng cho sù cung cÊp n­íc ngÇm; - Sù thÊm qua ®¸y vµ c¸c bê cña c¸c khèi n­íc trªn mÆt nh­ c¸c hå, s«ng, ®Æc biÖt lµ ë nh÷ng ®iÒu kiÖn kh« h¹n vµ b¸n kh« h¹n vµ thËm chÝ lµ c¸c ®¹i d­¬ng; - Sù lät qua n­íc ngÇm vµ ch¶y vµo trong tõ c¸c tÇng kh«ng thÊm vµ tÇng ngËm n­íc liÒn kÒ; - Sù cung cÊp n­íc nh©n t¹o tõ thuû lîi, c¸c ho¹t ®éng ®ang tr¶i réng, c¸c giÕng phun vµ rØ ra tõ c¸c cèng vµ c¸c ®­êng èng cÊp n­íc. C¸c thµnh phÇn chÝnh cña sù tho¸t ra lµ: - Sù bèc h¬i, ®Æc biÖt lµ trong c¸c vïng n»m d­íi thÊp mµ ë ®ã mÆt n­íc ngÇm lµ gÇn víi bÒ mÆt ®Êt; - Sù th¸o ra tù nhiªn theo nghÜa cña dßng ch¶y rß rØ vµ thÊm ra vµo trong c¸c khèi n­íc trªn mÆt. - N­íc ngÇm thÊm vµ ch¶y ra qua c¸c tÇng thÊm n­íc vµ vµo trong c¸c tÇng ngËm n­íc liÒn kÒ; vµ - Sù rót ra nh©n t¹o. L­îng n­íc ®­îc bæ xung cho mét tÇng ngËm n­íc bëi mét l­îng bæ sung vµo nhÊt ®Þnh (hoÆc lo¹i bá tõ mét tÇng ngËm n­íc bëi mét l­îng th¸o ra nhÊt ®Þnh) cã thÓ ®­îc biÓu thÞ b»ng kh¶ n¨ng tr÷, hay hÖ sè l­îng tr÷ cña tÇng ngËm n­íc. Mét c¸ch chÝnh thøc, hÖ sè nµy ®­îc ®Þnh nghÜa lµ thÓ tÝch n­íc mµ mét tÇng ngËm n­íc lÊy vµo trong, hoÆc gi¶i phãng tõ l­îng tr÷ trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt cña tÇng ngËm n­íc trªn mét ®¬n vÞ thay ®æi cét n­íc. §iÒu nµy ®­îc minh ho¹ ®¬n gi¶n cho mét h×nh l¨ng trô cña tÇng ngËm n­íc kh«ng ¸p trong H×nh 5.4(a). Khi mÆt n­íc ngÇm h¹ xuèng b»ng 0.5 m trªn diÖn tÝch mÆt c¾t ngang cña h×nh l¨ng trô b»ng 10 m2 n­íc ngÇm tho¸t ra tõ 5 m3 (5000000 cc) cña ®¸. NÕu l­îng n­íc tho¸t ra lµ 50 l (50000 cc) th× gi¸ trÞ cña hÖ sè l­îng tr÷ kh«ng thø nguyªn lµ 50000/5000000 = 0.01. Trong c¸c ®iÒu kiÖn kh«ng ¸p hÖ sè l­îng tr÷ t­¬ng øng víi n¨ng suÊt riªng (Môc 142
  10. 5.4.2), miÔn lµ sù tho¸t ra träng lùc lµ ®Çy ®ñ, vµ nã th­êng thay ®æi trong ph¹m vi tõ 0.01 ®Õn 0.03 (Heath, 1983). Trong c¸c ®iÒu kiÖn cã ¸p (H×nh 5.4(b)) kh«ng cã viÖc ch¶y ng­îc n­íc cña tÇng ngËm n­íc x¶y ra khi bÒ mÆt ®o thÕ n¨ng dèc nghiªng. §Ó thay thÕ thÓ tÝch n­íc ®­îc gi¶i phãng khi bÒ mÆt ®o thÕ n¨ng h¹ xuèng lµ kÕt qu¶ cña sù h¬i gi¶m xuèng cña cÊu tróc h¹t cña tÇng ngËm n­íc vµ mét sù më réng rÊt nhá cña n­íc trong tÇng ngËm n­íc (xem Môc 5.4.3.2). C¸c hÖ sè l­îng tr÷ cña tÇng ngËm n­íc cã ¸p cã xu h­íng lµ nhá h¬n ®¸ng kÓ so víi cho c¸c tÇng ngËm n­íc kh«ng ¸p, gi¶m xuèng trong vßng ph¹m vi 0.00005 tíi 0.005 (Todd, 1980). Nãi c¸ch kh¸c, sù thay ®æi ®o thÕ n¨ng g¾n liÒn víi mét thÓ tÝch n¹p l¹i hay tho¸t ra nhÊt ®Þnh trong mét tÇng ngËm n­íc cã ¸p lµ lín h¬n nhiÒu so víi thÓ tÝch t­¬ng tù cña sù n¹p l¹i hay tho¸t ra trong mét tÇng ngËm n­íc kh«ng cã ¸p. Râ rµng, cã nh÷ng kh¸c biÖt ®¸ng kÓ gi÷a c¬ chÕ cña nh÷ng thay ®æi l­îng tr÷ trong c¸c ®iÒu kiÖn cã ¸p vµ kh«ng ¸p vµ nh÷ng sù kh¸c biÖt nµy sÏ ®­îc th¶o luËn sau ®©y. H×nh 5.4 S¬ ®å minh häa mét sè d¹ng c¬ b¶n trong tÝnh to¸n thay ®æi l­îng tr÷ trong c¸c tÇng ngËm n­íc (a) kh«ng ¸p vµ (b) cã ¸p. H×nh l¨ng trô tÇng ngËm n­íc cã diÖn tÝch mÆt c¾t ngang b»ng 10m2 vµ sù suy gi¶m mÆt n­íc ngÇm lµ 0.5m. (Theo s¬ ®å cña To®, 1980) Nh÷ng thay ®æi l­îng tr÷ trong c¸c tÇng ngËm n­íc kh«ng ¸p. Nh÷ng thay ®æi l­îng tr÷ trong c¸c ®iÒu kiÖn kh«ng ¸p t­¬ng ®èi kh«ng phøc t¹p vµ th­êng ®­îc ph¶n ¸nh mét c¸ch trùc tiÕp trong nh÷ng sù thay ®æi cña mùc n­íc ngÇm. Khi l­îng n¹p vµo v­ît qu¸ l­îng rót ra, cao ®é mÆt n­íc ngÇm sÏ t¨ng lªn vµ khi l­îng rót ra lín h¬n l­îng n¹p vµo, mÆt n­íc ngÇm sÏ h¹ xuèng. L­îng n¹p vµo vµ l­îng rót ra tõ cïng hÖ thèng n­íc ngÇm th­êng x¶y ra ®ång thêi, v× thÕ nh÷ng dao ®éng mùc n­íc ngÇm ph¶n ¸nh thay ®æi thùc cña l­îng tr÷ do sù t­¬ng t¸c cña hai thµnh phÇn nµy. Nghiªn cøu vµ sù lµm s¸ng tá vÒ nh÷ng dao ®éng mÆt n­íc ngÇm lµ mét phÇn kh«ng thÓ thiÕu cña nghiªn cøu vÒ l­îng tr÷ n­íc ngÇm. 143
  11. H×nh 5.5 §å thÞ thñy v¨n cña c¸c dao ®éng mùc n­íc ngÇm trong tÇng ngËm n­íc ®¸ phÊn cña miÒn nam n­íc Anh t¹i Rockley, Wiltshire, cho c¸c n¨m 1991-95 (theo s¬ ®å cña IH/BGS, 1996) Sù nèi kÕt thuû v¨n râ rµng gi÷a mét sù kiÖn n¹p vµo tiÒm n¨ng (vÝ dô m­a r¬i qu¸ thÊm) vµ sù t¨ng lªn cña n­íc ngÇm do hÖ qu¶ t¨ng cao ®é mÆt n­íc ngÇm phô thuéc vµo c¸c ®iÒu kiÖn trong ®íi th«ng khÝ. §Æc biÖt quan träng lµ l­îng n­íc vµ ®é dÉn thuû lùc vµ kÝch th­íc còng nh­ sù ph©n bè cña c¸c khe nøt. D­êng nh­ nh÷ng sù kiÖn v­ît thÊm t­¬ng tù t¹i mÆt ®Êt cã thÓ dÉn tíi trong nh÷ng ph¶n øng mÆt n­íc ngÇm rÊt kh¸c nhau. VÝ dô, ph¶n øng nhanh cña cao ®é mÆt n­íc ngÇm ®èi víi gi¸ng thuû, khi l­îng n­íc trong ®Êt cao, hÇu nh­ ch¾c ch¾n do dßng ch¶y chuyÓn ®æi (Hewlett vµ Hibbert, 1967). §©y lµ mét qu¸ tr×nh thay thÕ mµ ®¶m b¶o r»ng n­íc bæ xung cho mÆt n­íc ngÇm trong suèt trËn m­a kh«ng ph¶i lµ m­a r¬i “míi” mµ râ rµng lµ m­a r¬i ®­îc l­u tr÷ mµ ®· bÞ thay thÕ xuèng phÝa d­íi bëi c¸c l­ît kÕ tiÕp cña sù thÊm qua (xem Môc 7.4). Dßng ch¶y chuyÓn ®æi cã ý nghÜa r»ng mÆt n­íc ngÇm cã thÓ ph¶n øng nhanh chãng víi gi¸ng thuû thËm chÝ trong nh÷ng vËt liÖu cã kh¶ n¨ng thÊm thÊp th× tèc ®é cña sù thÊm xuèng d­íi rÊt nhá. Nã kh«ng ¶nh h­ëng trong c¸c ®iÒu kiÖn kh« h¹n h¬n, khi tÝnh liªn tôc cÇn thiÕt cña n­íc khe nøt, tõ mÆt ®Êt tíi mÆt n­íc ngÇm bÞ ph¸ vì. Nh÷ng nghiªn cøu dÊu tÝch ®· chøng tá r»ng sù thÊm qua ®íi th«ng khÝ th­îng bÞ thay ®æi theo kh«ng gian vµ n­íc cã thÓ chuyÓn ®éng ­u tiªn theo nh÷ng ®­êng dßng dÔ dµng h¬n ch¼ng h¹n nh­ nh÷ng khe nøt lín vµ c¸c ®­êng dÉn do rÔ c©y bÞ ph©n huû (xem Môc 6.5.2 phÇn “C¸c lç hæng vÜ m«”). Nh÷ng ®iÒu nµy cã thÓ lµ quan träng trong viÖc vËn chuyÓn c¸c chÊt « nhiÔm ch¼ng h¹n nh­ ph©n bãn, thuèc trõ s©u vµ c¸c vi khuÈn bá qua sù läc vµ lµm s¹ch m«i tr­êng cña ®Êt vµ ®­îc chuyÓn trùc tiÕp tíi n­íc ngÇm. Nh÷ng dao ®éng theo mïa cña mÆt n­íc ngÇm Nh÷ng dao ®éng theo mïa cña mÆt n­íc ngÇm ph¶n ¸nh khi chóng thùc sù thay ®æi theo mïa trong l­îng tr÷ vµ trong kh¶ n¨ng s½n cã n­íc, th­êng lµ cã ý nghÜa thuû v¨n ®¸ng kÓ. Trong nhiÒu vïng, gåm miÒn T©y ¢u, cao ®é mÆt n­íc ngÇm cao diÔn ra trong suèt c¸c th¸ng mïa ®«ng vµ c¸c c¸c ®é thÊp trong c¸c th¸ng mïa hÌ, v× thÕ n¨m thuû v¨n ®­îc xem nh­ b¾t ®Çu vµo th¸ng 10 vµ kÕt thóc vµo th¸ng 9. Cao ®é mÆt n­íc ngÇm trong mét tÇng ngËm n­íc ®¸ phÊn (®¸ th¹ch cao) ë phÝa nam n­íc Anh (H×nh 5.5) lµ kh¸ ®iÓn h×nh, bÊt chÊp nh÷ng thay ®æi tõ n¨m nµy qua n¨m kh¸c. ë mét sè vïng chÕ ®é n­íc ngÇm ®­îc x¸c ®Þnh theo khÝ hËu chuÈn cã thÓ bÞ söa ®æi ®¸ng kÓ bëi c¸c yÕu tè nh©n t¹o ch¼ng h¹n nh­ t­íi vµ tiªu n­íc. 144
  12. H×nh 5.6 Sù suy gi¶m æn ®Þnh cña mùc n­íc ngÇm ë London vµ Birmingham do khai th¸c n­íc ngÇm qu¸ møc. C¸c mùc n­íc ®· ®­îc phôc håi l¹i trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y chñ yÕu bëi viÖc gi¶m khai th¸c n­íc cho c«ng nghiÖp. ((a) lµ dùa vµo sè liÖu cña Marsh vµ Davies, 1983; IH/BGS, 1988, 1993, 1996; (b) lµ theo sè liÖu cña Lerner vµ Barrett, 1996) Còng vÒ ý nghÜa thuû v¨n lµ sù bÊt quy t¾c trong thêi gian dµi h¹n hay c¸c dao ®éng nhiÒu n¨m cña cao ®é mÆt n­íc ngÇm. Nh÷ng dao ®éng nµy chñ yÕu liªn quan tíi nh÷ng thay ®æi nhiÒu n¨m cña m­a r¬i (xem Môc 2.5.3) nh­ng cã thÓ còng do thay ®æi d¹ng khai th¸c n­íc ngÇm cho c¸c môc ®Ých c«ng nghiÖp, n«ng nghiÖp vµ d©n sinh. Sù khai th¸c qu¸ møc qua mét thêi kú kÐo dµi dÉn tíi mét sù h¹ thÊp dÇn dÇn bÒ mÆt ®o thÕ n¨ng trªn mét vïng réng vµ ®iÒu nµy ®· t¸c ®éng tíi nhiÒu l­u vùc n­íc ngÇm chÝnh, ®Æc biÖt lµ ë nh÷ng vïng l­îng m­a thÊp. ThËm chÝ ë Ch©u ¢u sù suy kiÖt n­íc ngÇm lín ®· ®­îc quan tr¾c xung quanh Kharkov (Ukraine), Lille (Ph¸p) vµ ë l­u vùc Ruhr (§øc) (Arnold vµ Willems, 1996). ë l­u vùc Lu©n §«n (Anh), sù khai th¸c n­íc ngÇm liªn tôc tõ nh÷ng n¨m 1820 ®· g©y nªn mét sù suy gi¶m æn ®Þnh ®é cao mÆt n­íc ngÇm cho tíi nh÷ng n¨m 1960. Sau ®ã, mét sù t¨ng mùc n­íc lªn do gi¶m khai th¸c cho c«ng nghiÖp vµ do t¨ng l­îng thÊm ®­îc t¨ng lªn tõ m¹ng l­íi cung cÊp n­íc chÝnh (Mash vµ Davies, 1983) (H×nh 5.6). ë vïng kh¸c cña n­íc Anh sù gi¶m dßng ch¶y s«ng suèi phæ biÕn do khai th¸c n­íc ngÇm v­ît qu¸ tõ c¸c tÇng ngËm n­íc nh­ ®¸ phÊn tr¶i dµi tõ Yorkshire tíi vïng bê biÓn phÝa nam. Trong nhiÒu vïng trªn kh¾p thÕ giíi sù khai th¸c n­íc ngÇm ®· dÉn tíi sù x©m nhËp cña n­íc víi chÊt l­îng thÊp h¬n, mÆn, n­íc ngÇm tõ c¸c tÇng ngËm n­íc liÒn kÒ hay bëi l­îng n­íc thÊm tõ c¸c ®¹i d­¬ng vµo trong tÇng ngËm n­íc ven bê (Môc 5.5.8). Nh÷ng giao ®éng ng¾n h¹n cña cao ®é mÆt n­íc ngÇm Nh÷ng giao ®éng ng¾n h¹n cña cao ®é mÆt n­íc ngÇm th­êng trªn mét quy m« nhá h¬n, Ýt quan träng h¬n trong viÖc gi¶i thÝch nh÷ng thay ®æi l­îng tr÷ nh­ng cã thÓ cung cÊp th«ng tin ®Þa lý thuû v¨n h÷u Ých trong c¸c tr­êng hîp ®Æc biÖt. V× vËy ë nhiÒu vïng ven biÓn vµ cöa s«ng nh÷ng giao ®éng h¹n ng¾n cã quy luËt cña cao ®é mÆt n­íc ngÇm g¾n liÒn víi nh÷ng chuyÓn ®éng thuû triÒu v× nÕu mÆt n­íc biÓn thay ®æi víi mét chuyÓn ®éng ®iÒu hoµ ®¬n gi¶n, mét chuçi sãng h×nh sin ®­îc truyÒn vµo trong ®Êt liÒn tõ sù tråi lªn bÒ mÆt d­íi biÓn cña mét tÇng ngËm n­íc (Todd, 1980). 145
  13. Nh÷ng ®iÒu tra vÒ hiÖn t­îng nµy ®· chøng tá r»ng nh÷ng giao ®éng n­íc ngÇm lµ cña sù gi¶m biªn ®é vµ trÔ pha so víi nh÷ng giao ®éng thuû triÒu, ph¹m vi cña sù gi¶m vµ trÔ pha phô thuéc phÇn lín vµo kho¶ng c¸ch víi biÓn vµ sù kh«ng bÞ rµng buéc mµ víi nã n­íc ngÇm cã thÓ chuyÓn ®éng qua tÇng ngËm n­íc. T¹i nh÷ng vïng ®¸y thung lòng, l­îng n­íc ngÇm tho¸t ®i do bèc h¬i trong phÇn nãng nhÊt cña ngµy cã thÓ v­ît qu¸ tèc ®é mµ t¹i ®ã diÔn ra dßng ch¶y vµo n­íc ngÇm tõ c¸c vïng cao h¬n xung quanh, nh­ mét hÖ qu¶, mÆt n­íc ngÇm h¹ xuèng. Vµo buæi tèi vµ ®ªm, tèc ®é bèc h¬i gi¶m ®i rÊt nhiÒu vµ nã sÏ nhá h¬n dßng vµo n­íc ngÇm, v× thÕ cao ®é mÆt n­íc ngÇm sÏ håi phôc l¹i. NhÞp ®iÖu ngµy ®ªm cã quy t¾c nµy cã thÓ ®­îc duy tr× trong phÇn lín mïa hÌ, mÆc dï nã sÏ bÞ gi¸n ®o¹n bëi nh÷ng thêi kú m­a r¬i vµ gi¶m sù bèc h¬i. NÕu mçi sù rót xuèng hµng ngµy lín h¬n sù håi phôc l¹i sau ®ã, cao ®é mÆt n­íc ngÇm sÏ gi¶m dÇn dÇn cho tíi khi ®¹t tíi mét ®é s©u mµ t¹i ®ã sù d©ng lªn mao dÉn cña n­íc sÏ kh«ng thÓ tho¶ m·n nhu cÇu bèc h¬i t¹i bÒ mÆt ®Êt (xem Môc 6.4.4). Mèi quan hÖ gi÷a l­îng tr÷ vµ cao ®é cña bÒ mÆt ®o thÕ n¨ng sÏ rÊt phøc t¹p bëi thùc tÕ r»ng cao ®é bÒ mÆt ®o thÕ n¨ng ph¶n øng víi c¸c nh©n tè kh¸c h¬n lµ víi nh÷ng thay ®æi l­îng tr÷. §iÒu nµy râ rµng nhÊt trong c¸c ®iÒu kiÖn n­íc ngÇm cã ¸p, khi nh÷ng sù thay ®æi cña bÒ mÆt ®o thÕ n¨ng cã thÓ do, vÝ dô, nh÷ng thay ®æi cña t¶i träng ë bÒ mÆt ®Êt hay tõ nh÷ng chÊn ®éng ®Þa chÊn. Tuy nhiªn, trong mét sè tr­êng hîp, n­íc ngÇm kh«ng ¸p cã thÓ còng bÞ ¶nh h­ëng. V× vËy, vµo cuèi thÕ kû 19, Baldwin Latham ®· nhËn ra r»ng dßng ch¶y gèc trong ®¸ phÊn phÝa nam Lu©n §«n tû lÖ thuËn víi sù gi¶m ®ét ngét cña ¸p suÊt khÝ quyÓn, cã lÏ bëi v× mét sù t¨ng kh«ng ®¸ng kÓ trong cao ®é mÆt n­íc ngÇm, vµ tû lÖ nghÞch víi mét sù t¨ng ¸p suÊt khÝ quyÓn (Slichter, 1902). C­êng ®é cña sù thay ®æi mÆt n­íc ngÇm liªn quan d­êng nh­ lµ rÊt nhá. C¸c b¶n ®å biÓu thÞ thay ®æi theo kh«ng gian cña mùc n­íc qua mét thêi ®o¹n cã thÓ cung cÊp nh÷ng hiÓu biÕt râ cã gi¸ trÞ trong sù n¹p l¹i vµ rót ra cã liªn quan. H×nh 5.7 minh ho¹ mét nguån gèc ®¬n gi¶n cña sù ph©n bè thay ®æi mùc n­íc tõ c¸c b¶n ®å mùc n­íc ban ®Çu vµ cuèi cïng. ë ®©y chØ ra r»ng ¶nh h­ëng cña sù n¹p vµo ®­îc x¸c ®Þnh râ rµng h¬n bëi c¸c ®­êng cong ®¼ng trÞ trong b¶n ®å thay ®æi mùc n­íc ngÇm so víi sù so s¸nh trùc quan cña c¸c ®­êng ®¼ng trÞ mÆt n­íc ngÇm ban ®Çu vµ cuèi cïng. C¸c b¶n ®å thay ®æi mùc n­íc ngÇm cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó tÝnh to¸n nh÷ng thay ®æi trong thÓ tÝch b·o hoµ cña mét tÇng ngËm n­íc kh«ng ¸p vµ nÕu biÕt hÖ sè l­îng tr÷, thay ®æi thùc sù trong l­îng tr÷ n­íc ngÇm. Nh÷ng thay ®æi tr÷ l­îng trong tÇng ngËm n­íc cã ¸p. Trong c¸c ®iÒu kiÖn kh«ng ¸p, tÝnh nÐn ®­îc cña tÇng ngËm n­íc hÇu nh­ lµ kh«ng ®¸ng kÓ. Ng­îc l¹i, trong c¸c ®iÒu kiÖn cã ¸p, tÝnh nÐn vµ tÝnh ®µn håi cña tÇng ngËm n­íc rÊt lµm phøc t¹p bëi nh÷ng quan hÖ gi÷a nh÷ng thay ®æi trong mùc ®o thÕ n¨ng vµ nh÷ng thay ®æi cña tr÷ l­îng n­íc ngÇm. Trong mét tÇng ngËm n­íc cã ¸p, tæng øng suÊt t¹i mét ®é s©u cho tr­íc ®­îc t¹o ra mét phÇn cña øng suÊt hiÖu dông (tøc lµ ¸p suÊt t¹i ®iÓm tiÕp xóc gi÷a c¸c phÇn tö r¾n riªng biÖt, do träng l­îng cña trÇm tÝch n»m trªn) vµ mét phÇn cña øng suÊt kh«ng râ rÖt (lµ do ¸p suÊt cña n­íc ngÇm chøa trong kh«ng gian lç hæng cña tÇng ngËm n­íc). øng suÊt kh«ng râ rÖt ®ãng vai trß nh­ nhau lªn tÊt c¶ c¸c mÆt cña phÇn tö r¾n cña chÊt nÒn tÇng ngËm n­íc vµ Ýt cã ¶nh h­ëng lªn ®é rçng toµn bé cña 146
  14. tÇng ngËm n­íc. Tuy nhiªn, khi n­íc ngÇm bÞ lÊy ra tõ tÇng ngËm n­íc ®ã øng suÊt kh«ng râ rÖt (¸p suÊt n­íc lç hæng) bÞ gi¶m, g©y nªn tÝnh chÊt c¬ lý cña tÇng ngËm n­íc ®Æc biÖt lµ ®é réng th©y ®æi kh«ng ®¸ng kÓ vµ do ®ã gi¶m ®é rçng. Ng­îc l¹i, khi x¶y ra sù n¹p vµo cho tÇng ngËm n­íc, øng suÊt kh«ng râ rÖt bÞ t¨ng, g©y nªn mét chót sù nÐn cña n­íc lç hæng vµ mét sù gi¶m øng suÊt hiÖu dông mµ ®­îc ®i cïng bëi sù më réng tÇng ngËm n­íc vµ t¨ng ®é rçng. Nãi c¸ch kh¸c, sù nÐn tÇng ngËm n­íc ®ßi hái mét sù t¨ng trong ¸p suÊt gi÷a c¸c h¹t bªn trong tÇng chøa n­íc vµ sù më réng tÇng ngËm n­íc ®ßi hái gi¶m ¸p suÊt gi÷a c¸c h¹t (Domenico, 1972). NÕu tÇng ngËm n­íc cã ¸p lµ hoµn toµn ®µn håi vµ mùc n­íc ë chç n¹p vµo vµ rót ra kh«ng thay ®æi, cét n­íc ®o thÕ n¨ng nguyªn thuû vÒ c¬ b¶n sÏ ®­îc hoµn tr¶ l¹i khi sù rót ra ®­îc theo sau bëi mét l­îng c©n b»ng cña l­îng n¹p vµo. Tuy nhiªn, kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c tÇng ngËm n­íc ®Òu hoµn toµn ®µn håi vµ ®Æc biÖt lµ trong c¸c tÇng ngËm n­íc cã hµm l­îng sÐt cao, ®ã cã thÓ lµ mét sè sù kÕt chÆt cè ®Þnh vµ tæn thÊt cña ®é rçng sau mét thêi ®o¹n cña cét n­íc ®o thÕ n¨ng gi¶m m¹nh. H×nh 5.7 S¬ ®å minh häa nguån gèc cña mét b¶n ®å thay ®æi mÆt n­íc ngÇm Th¶o luËn ë tr­íc vµ sù x¸c ®Þnh ban ®Çu cña hÖ sè l­îng tr÷ víi ¸m chØ r»ng, víi mét sù thay ®æi cho tr­íc cña mùc ®o thÕ n¨ng, sù thay ®æi cña tr÷ l­îng n­íc ngÇm trong mét tÇng ngËm n­íc cã ¸p sÏ lµ nhá so víi trong mét tÇng ngËm n­íc kh«ng ¸p. H¬n n÷a, bÊt kú sù thay ®æi nµo cña t¶i träng trªn mét tÇng ngËm n­íc cã thÓ dÉn tíi mét giao ®éng cña bÒ mÆt ®o thÕ n¨ng. Nh÷ng thay ®æi nh­ vËy cña t¶i träng cã thÓ lµ do mét vµi nguyªn nh©n, bao gåm nh÷ng thay ®æi khÝ ¸p, thuû triÒu cã thÓ thay ®æi vµ t¶i träng träng lùc vµ trong nh÷ng hoµn c¶nh nhÊt ®Þnh, do sù x¶y ra mét trËn ®éng ®Êt hay mét vô næ h¹t nh©n. Trong mçi tr­êng hîp trªn chóng cã thÓ cung cÊp th«ng tin cã gi¸ trÞ vÒ tÝnh ®µn håi vµ c¸c thuéc tÝnh l­îng tr÷ cña tÇng ngËm n­íc ®­îc ®Ò cËp tíi. Víi mét sù v­ît qu¸ liªn tôc cña sù rót n­íc ra so víi sù n¹p l¹i n­íc cho mét tÇng ngËm n­íc cã ¸p, viÖc lu«n t¨ng ¸p suÊt gi÷a c¸c h¹t sÏ dÉn tíi sù nÐn tÇng 147
  15. ngËm n­íc mµ cuèi cïng cã thÓ dÉn tíi sù lón xuèng cña mÆt ®Êt n»m bªn trªn. Khi x¶y ra sù lón xuèng nh­ vËy th­êng lµ kh«ng ®µn håi vµ cè ®Þnh. BÒ mÆt ®Êt ®· bÞ lón xuèng 10 m ë c¸c n­íc nh­ Mexico, NhËt B¶n vµ Hoa Kú (vÝ dô Johnson, 1991). Sù lón xuèng 2-4 m ®· x¶y ra ë Osaka vµ Tokyo (NhËt B¶n), Houston-Galveston ë Texas vµ thung lòng Santa Clara, California (Domenico vµ Schwartz, 1990) vµ Ýt h¬n nh­ng vÉn lón ®¸ng kÓ ë nhiÒu vïng kh¸c, nh­ Venice (Carbognin vµ Gatto, 1986), Bangkok (Bergado vµ nh÷ng ng­êi kh¸c, 1986), vµ Th­îng H¶i (Guangxial vµ Yiaoqi, 1986). L­îng sôt lón ë mét vÞ trÝ bÊt kú phô thuéc vµo th¹ch häc d­íi mÆt ®Êt, ®é dµy cña c¸c vËt liÖu cã kh¶ n¨ng nÐn vµ c¸c ®Æc tr­ng l­îng tr÷ cña chóng, còng nh­ phô thuéc vµo c­êng ®é vµ kho¶ng thêi gian cña sù suy gi¶m cét n­íc. HÇu nh­ tÊt c¶ nh÷ng vïng chÝnh ®ang chÞu ®ùng sù sôt lón ®Òu do sù rót n­íc ngÇm ra ®­îc lµm c¬ së cña nh÷ng ch×m l¾ng vËt liÖu trÎ, Ýt ®­îc cñng cã víi ®é rçng cao. NhiÒu sù sôt lón x¶y ra do sù nÐn cña nh÷ng tÇng kh«ng thÊm nh­ ®Êt sÐt (Poland, 1984). Do ®ã kh«ng cã g× lµ ng¹c nhiªn khi mèi quan hÖ gi÷a tæn thÊt cét n­íc vµ sù sôt lón lµ phøc t¹p, víi nh÷ng vÝ dô chÝnh suÊt hiÖn r¬i vµo hai lo¹i ®­îc x¸c ®Þnh râ rµng trong ®ã tØ lÖ sôt lón trªn tæn thÊt cét n­íc th× hoÆc nhá h¬n 1:10 hoÆc lín h¬n 1:40 (Domenico vµ Schwartz, 1990). BÒ mÆt ®o thÕ n¨ng trong mét tÇng ngËm n­íc cã ¸p th­êng ph¼ng h¬n bÒ mÆt mÆt n­íc ngÇm trong mét tÇng ngËm n­íc kh«ng ¸p bëi v× nh÷ng thay ®æi ®Þa ph­¬ng trong cét n­íc ®­îc truyÒn nhanh h¬n nh­ mét sãng n¹p vµo hay rót ra. Tuy nhiªn, nh÷ng b¶n ®é thay ®æi mÆt ®o thÕ n¨ng ®­îc sö dông mét c¸ch cÈn thËn cã thÓ cung cÊp th«ng tin h÷u Ých vÒ nh÷ng thay ®æi l­îng tr÷ trong c¸c tÇng ngËm n­íc cã ¸p. 5.5. Sù chuyÓn ®éng cña n­íc ngÇm N­íc ngÇm ®ãng vai trß chñ ®éng trong chu tr×nh thuû v¨n chuyÓn ®éng mét c¸ch liªn tôc h¬n hay Ýt liªn tôc h¬n tõ c¸c vïng n¹p vµo tíi c¸c vïng tho¸t ra. Mét sè sù chuyÓn ®éng n­íc ngÇm lµ t­¬ng øng víi mét ®é dèc vÒ mÆt ho¸ häc hay ®iÖn tÝch. VÝ dô, n­íc ngÇm chuyÓn ®éng tõ nh÷ng chç hoµ tan chÊt láng lç hæng lo·ng tíi nh÷ng chç tËp trung h¬n, ®Æc biÖt lµ trong ®Êt sÐt, mµ dÉn tíi nh÷ng ®Æc tr­ng thÊm läc biÓu kiÕn phï hîp víi cña c¸c mµng b¸n thÊm. ChuyÓn ®éng n­íc ngÇm bÞ ®iÒu khiÓn b»ng thÊm läc cã thÓ ®ãng mét vai trß quan träng ë mét sè l­u vùc kh« h¹n vµ b¸n kh« h¹n. Tuy nhiªn, trong mét sè tr­êng hîp cã b»ng chøng râ rµng r»ng chuyÓn ®éng n­íc ngÇm do mét ®é dèc nång ®é hoµ tan kh«ng ph¶i lu«n lu«n tõ chç lo·ng tíi chç ®Æc. Trong nh÷ng tr­êng hîp nh­ vËy lùc ®iÒu khiÓn d­êng nh­ lµ tån t¹i ®iÖn tr­êng h¬n lµ ®é dèc nång ®é, mét qu¸ tr×nh mµ cã hiÖu qu¶ h¬n trong c¸c vËt liÖu cã ®Êt sÐt (Olsen vµ nh÷ng ng­êi kh¸c 1989). Tuy nhiªn, phÇn lín sù chuyÓn ®éng n­íc ngÇm lµ do gradient thñy lùc chiÕm ­u thÕ vµ ®ã lµ lo¹i chuyÓn ®éng mµ phÇn cßn l¹i cña ch­¬ng nµy tËp trung vµo nghiªn cøu. Mèi quan t©m vÒ mÆt thuû v¨n ®­îc ®Ò cËp víi c¶ tèc ®é vµ h­íng cña chuyÓn ®éng n­íc ngÇm. Tèc ®é dßng ch¶y n­íc ngÇm lµ rÊt chËm so víi tèc ®é cña n­íc mÆt vµ còng rÊt dÔ thay ®æi. VÝ dô, tèc ®é chuyÓn ®éng n­íc ngÇm qua ®Þa tÇng cã kh¶ n¨ng thÊm ë Anh thay ®æi trong ph¹m vi tõ thÊp b»ng mét phÇn nhá cña mét mm trªn mét ngµy trong mét sè c¸c ®¸ dÔ thÊm qua h¹t mÞn vµ chØ b»ng 5500 m/ngµy qua ®¸ phÊn nøt nÎ (Buchan, 1965). 148
  16. H­íng cña chuyÓn ®éng n­íc ngÇm còng thay ®æi t­¬ng tù v×, gièng nh­ n­íc mÆt, n­íc ngÇm cã xu thÕ ®i theo ®­êng søc c¶n nhá nhÊt. Do ®ã nh÷ng ®iÒu kiÖn kh¸c ®ang c©n b»ng, dßng ch¶y cã xu thÕ tËp trung vµo nh÷ng vïng mµ c¸c khe nøt lín h¬n vµ kÕt nèi tèt h¬n. VÊn ®Ò cña c¸c nhµ thuû v¨n lµ x¸c ®Þnh nh÷ng vïng, th­êng tõ th«ng tin ®Þa lý Ýt ái kh¸c. Nh÷ng ph©n tÝch lý thuyÕt th­êng gi¶ thiÕt nh÷ng ®iÒu kiÖn lý t­ëng vµ bÞ ®¬n gi¶n ho¸ ®i rÊt nhiÒu vµ nh÷ng kÕt qu¶ cña chóng khã cã thÓ ®­îc ¸p dông trong c¸c ®iÒu kiÖn thùc tÕ. VÝ dô, th­êng gi¶ thiÕt r»ng c¸c tÇng ngËm n­íc lµ ®ång nhÊt vµ ®¼ng h­íng vµ hÖ thèng dßng ch¶y n­íc ngÇm lµ hoµn chØnh h¬n hoÆc Ýt h¬n vµ ®éc lËp. VÝ dô, ®­îc bao quanh bëi c¸c ®¸y kh«ng thÊm. Tuy nhiªn trong hÇu hÕt c¸c t×nh huèng thùc tÕ, hÖ thèng dßng ch¶y ®­îc bao quanh bëi c¸c ®¸y b¸n thÊm h¬n lµ bëi c¸c ®¸y hoµn toµn kh«ng thÊm, v× thÕ nh÷ng hÖ thèng rÊt phøc t¹p vµ phæ biÕn cña dßng ch¶y n­íc ngÇm khu vùc ®­îc x©y dùng. Tuy nhiªn, nh÷ng gi¶ thiÕt ®¬n gi¶n ho¸ th­êng lµ hîp lý vµ h÷u Ých, mÆc dï cÇn nhÊn m¹nh lµ nh÷ng hÖ thèng dßng ch¶y n­íc ngÇm “kh«ng ®iÓn h×nh” quan träng ®­îc t×m thÊy trong c¸c vïng ®¸ v«i vµ ®¸ nói löa (®¸ bazan) v¬i mµ hÇu hÕt dßng n­íc ngÇm diÔn ra qua nh÷ng hÖ thèng ®øt g·y (Legrand vµ Stringfield, 1973; Streltsova, 1976; Price, 1987; NERC, 1991). H­íng vµ tèc ®é cña chuyÓn ®éng n­íc ngÇm trong mét m«i tr­êng rçng cã thÓ ®­îc tÝnh tõ gradient thuû lùc chiÕm ­u thÕ vµ ®é dÉn thuû lùc cña vËt liÖu chøa n­íc, sö dông ph­¬ng tr×nh Darcy. 5.5.1. §Þnh luËt Darcy HÇu hÕt chuyÓn ®éng n­íc ngÇm diÔn ra trong c¸c khe nøt nhá v× thÕ søc c¶n dßng ch¶y ®­îc t¹o ra bëi b¶n th©n vËt liÖu cña tÇng ngËm n­íc cã thÓ lµ ®¸ng kÓ. Nh­ mét hÖ qu¶ dßng ch¶y lµ ch¶y tÇng, tøc lµ c¸c phÇn tö chÊt láng lÇn l­ît theo cïng mét ®­êng dÉn hay ®­êng dßng vµ kh«ng x¸o trén víi c¸c phÇn tö kh¸c trong c¸c ®­êng dßng l©n cËn. Khi vËn tèc dßng ch¶y t¨ng, ®Æc biÖt lµ trong vËt liÖu cã ®é rçng lín, sù x¶y ra cña c¸c xo¸y rèi lµm tiªu hao n¨ng l­îng ®éng häc vµ cã ý nghÜa r»ng gradient thuû lùc trë nªn Ýt hiÖu qu¶ trong viÖc g©y ra dßng ch¶y. Trong c¸c khe nøt rÊt lín, nh­ c¸c khe nøt t×m thÊy trong nhiÒu vïng ®¸ v«i vµ nói löa, dßng ch¶y n­íc ngÇm hÇu nh­ gièng víi dßng rèi cña n­íc mÆt. §Þnh luËt biÓu thÞ mèi quan hÖ gi÷a mao dÉn hay dßng ch¶y tÇng vµ gradient thuû lùc ®· ®­îc Poiseuille (1846) ®Ò suÊt vµ thùc ra lµ mét tr­êng hîp riªng cña ®Þnh luËt Darcy (Hubbert, 1956). Sau ®ã, Darcy (1856) ®· kh¼ng ®Þnh sù ¸p dông cña ®Þnh luËt nµy cho chuyÓn ®éng cña n­íc ngÇm qua c¸c vËt liÖu tù nhiªn, víi c¸c nhµ thuû v¨n, ®Þnh luËt nµy cã tõ khi g¾n liÒn víi tªn cña «ng. 149
  17. H×nh 5.8 S¬ ®å chØ ra cét n­íc cao ®é (z), cét n­íc ¸p suÊt ( ) vµ cét n­íc tæng céng (h) cho mét ®iÓm ®o ®¹c trong tr­êng dßng ch¶y n­íc ngÇm §Þnh luËt Darcy cho dßng b·o hoµ cã thÓ ®­îc viÕt b»ng:  h  (5.2) v  K    l  Trong ®ã v ®­îc gäi lµ “vËn tèc vÜ m«” cña n­íc ngÇm (m/ngµy). Trong thùc tÕ ®©y kh«ng ph¶i lµ vËn tèc mµ lµ mét “mËt ®é dßng thÓ tÝch”, tøc lµ mét thÓ tÝch dßng ch¶y (m3) qua mét diÖn tÝch mÆt c¾t ngang (m2) mµ chøa c¶ c¸c khe nøt vµ chÊt nÒn r¾n. K lµ ®é dÉn thuû lùc b·o hoµ vµ h / l lµ gradient thuû lùc biÓu thÞ sù thay ®æi trong cét n­íc thuû lùc (h) víi kho¶ng c¸ch däc theo h­íng dßng ch¶y (l). Do ®ã K còng lµ mét mËt ®é dßng thÓ tÝch trªn mét ®¬n vÞ gradient thuû lùc (khi gradient thuû lùc ®­îc ®Æt ë ®ã). DÊu trõ ngô ý r»ng dßng ch¶y lµ theo h­íng gi¶m cét n­íc. Hai thµnh phÇn chÝnh ®ãng gãp cho cét n­íc thuû lùc tæng céng (mµ t­¬ng ®­¬ng víi cao ®é cña bÒ mÆt ®o thÕ n¨ng) t¹i mét ®iÓm cho tr­íc trong hÖ thèng dßng ch¶y n­íc ngÇm. §ã lµ: (i) ¸p suÊt n­íc lç hæng t¹i ®iÓm ®ã, vÝ dô nh­ ®­îc ®o ®¹c trong mét ¸p kÕ, mµ x¸c ®Þnh cét n­íc ¸p suÊt, vµ (ii) cao ®é trªn mùc n­íc biÓn, hay mét sè mèc tÝnh to¸n ®· lùa chän, mµ x¸c ®Þnh cét n­íc cao ®é. Cét n­íc tæng céng (h) do ®ã ®­îc x¸c ®Þnh b»ng: h   z (5.3) Trong ®ã lµ cét ¸p suÊt vµ z lµ cét n­íc cao ®é trªn mét mèc tÝnh to¸n ®· lùa chän (H×nh 5.8). C¶ ¸p suÊt vµ cao ®é ®Òu lµ c¸c d¹ng cña n¨ng l­îng thÕ n¨ng, mét cã ®­îc bëi t¸c dông cña tr¹ng th¸i vµ mét bëi t¸c dông cña vÞ trÝ. N¨ng l­îng ®éng häc, thµnh phÇn n¨ng l­îng kh¸c cña dßng chÊt láng, ®­îc bá qua v× dßng n­íc ngÇm lµ rÊt chËm. Cét n­íc tæng céng cã thÓ ®­îc chuyÓn sang n¨ng l­îng thÕ n¨ng (  ) bëi viÖc ¸p dông h»ng sè träng tr­êng v× thÕ:   gh hay (5.4)   p  g Trong ®ã p lµ thÕ n¨ng ¸p suÊt vµ  g lµ thÕ n¨ng cao ®é. Sö dông ký hiÖu nµy, ®Þnh luËt Darcy ph¸t biÓu r»ng n­íc sÏ chuyÓn ®éng tõ mét vÞ trÝ mµ n¨ng l­îng thÕ 150
  18. n¨ng cao h¬n tíi vÞ trÝ mµ n¨ng l­îng thÕ n¨ng thÊp h¬n. §Þnh ®Ò nµy cã thÓ ¸p dông c¶ cho c¸c ®iÒu kiÖn kh«ng b·o hoµ hay ®· b·o hoµ, nh­ ®­îc chØ ra trong ch­¬ng 6. §é dÉn thuû lùc, K, trong ph­¬ng tr×nh Darcy biÓu thÞ cho c¸c ®Æc tr­ng cña c¶ m«i tr­êng rçng vµ chÊt láng. §iÒu nµy hÇu nh­ lµ ®ång nghÜa víi thuËt ng÷ hÖ sè kh¶ n¨ng thÊm tr­íc ®©y. Nã kh«ng nªn bÞ nhÇm lÉn víi kh¶ n¨ng thÊm ë bªn trong hay kh¶ n¨ng thÊm riªng. HÖ sè thÊm k chØ phô thuéc vµo c¸c ®Æc tr­ng cña b¶n th©n m«i tr­êng lç rçng. Nh­ ®· chØ ra trong gi¶i thÝch ph­¬ng tr×nh 5.2, ph­¬ng tr×nh Darcy chØ cung cÊp mét gi¸ trÞ vËn tèc biÓu kiÕn, vËn tèc vÜ m«, qua diÖn tÝch mÆt c¾t ngang cña chÊt nÒn r¾n vµ c¸c khe nøt. Râ rµng, c¸c vËn tèc dßng ch¶y qua c¸c khe nøt mét m×nh sÏ cao h¬n gi¸ trÞ vÜ m« v× b¶n th©n c¸c khe nøt thay ®æi vÒ h×nh d¹ng, ®é réng vµ h­íng, vËn tèc thùc trong ®Êt hay ®¸ cã thÓ rÊt biÕn ®éng. H¬n n÷a, do ®Æc tÝnh uèn khóc cña ®­êng dÉn dßng cña phÇn tö n­íc xung quanh vµ gi÷a c¸c h¹t trong tÇng ngËm n­íc, kho¶ng c¸ch thùc ®· di chuyÓn lín h¬n kho¶ng c¸ch biÓu kiÕn ®­îc cho b»ng ®é dµi ®o ®¹c cña m«i tr­êng lç rçng theo h­íng trung b×nh cña dßng ch¶y. V× vËy tèc ®é hiÖu dông cña chuyÓn ®éng n­íc ngÇm qua c¸c khe nøt lµ b»ng víi mËt ®é dßng thÓ tÝch (vËn tèc vÜ m«) chia cho ®é rçng hiÖu dông (Môc 5.4.1). V× vËy, ph­¬ng tr×nh Darcy hoµn toµn chØ cã thÓ ¸p dông cho nh÷ng tr­êng hîp trong ®ã mÆt c¾t ngang ®­îc xem lµ lín h¬n nhiÒu so víi nh÷ng kÝch th­íc cña cÊu tróc vi m« cña nã mét c¸ch hîp lý nã cã thÓ ®­îc xem lµ ®ång nhÊt. Mét nh©n tè kh¸c lÇm phøc t¹p lÜnh vùc øng dông cña ph­¬ng tr×nh Darcy lµ ®é dÉn thuû lùc th× th­êng lµ kh«ng ®¼ng h­íng l¾m, ®Æc biÖt lµ trong c¸c ®¸ ®øt g·y vµ uèn nÕp. H¬n n÷a, c¸c vËn tèc dßng ch¶y cùc h¹n cã thÓ dÉn tíi nh÷ng ®é lÖch víi ®Þnh luËt Darcy. ¶nh h­ëng cña tÝnh rèi trong viÖc hiÖu chØnh mèi quan hÖ gi÷a gradient thuû lùc vµ tèc ®é dßng ch¶y cao ®· ®­îc ®Ò cËp ®Õn. T¹i møc cùc h¹n kh¸c, mét sè nhµ ®iÒu tra ®· kh¼ng ®Þnh r»ng trong ®Êt sÐt, víi c¸c lç hæng nhá vµ gradient thuû lùc thÊp, tèc ®é dßng ch¶y rÊt chËm lµ nhá h¬n sè h¹ng gradient thuû lùc (Miller vµ Low, 1963; Swartzendruber, 1962). Cã thÓ gi¶i thÝch r»ng phÇn lín n­íc trong vËt liÖu nh­ vËy bÞ gi÷ l¹i bëi c¸c lùc hót vµ cã thÓ kh«ng linh ®éng h¬n vµ Ýt l­u ®éng h¬n n­íc gèc (Hillel, 1982). BÊt kÓ mèi quan t©m vÒ tÝnh hîp lÖ ngÆt nghÌo cña nã (vÝ dô Davis vµ nh÷ng ng­êi kh¸c, 1992), ®Þnh luËt Darcy cÊu thµnh mét sù diÔn t¶ thÝch hîp vÒ dßng ch¶y n­íc ngÇm. Nã cã thÓ ®­îc ¸p dông thµnh c«ng cho hÇu nh­ tÊt c¶ c¸c tr­êng hîp th«ng th­êng cña dßng ch¶y n­íc ngÇm vµ cã thÓ ¸p dông nh­ nhau cho c¶ c¸c ®iÒu kiÖn cã ¸p vµ kh«ng ¸p. ViÖc hiÓu biÕt vÒ hÇu hÕt c¸c bµi to¸n n­íc ngÇm ®ßi hái th«ng tin kh«ng chØ vÒ vËn tèc cña chuyÓn ®éng mµ cßn vÒ vËn tèc mµ nh÷ng nhiÔu ®éng cét n­íc (vÝ dô do mét sù kiÖn ®Þa chÊn) ®­îc truyÒn ®i. VËn tèc nµy th­êng lµ nhanh gÊp hµng tr¨m lÇn vµ lµ thµnh phÇn c¨n b×nh ph­¬ng cña ®é ph©n t¸n thuû lùc (a), ®­îc x¸c ®Þnh b»ng: Kb (5.5) a S Trong ®ã K lµ ®é dÉn thuû lùc, b lµ bÒ dÇy b·o hoµ cña tÇng ngËm n­íc vµ S lµ hÖ sè l­îng tr÷ (Môc 5.4.3, phÇn “Thay ®æi l­îng tr÷”). Víi c¸c ®iÒu kiÖn cã ¸p, tû sè nµy do ®ã phô thuéc kh«ng chØ vµo ®é dÉn cña vËt liÖu tÇng ngËm n­íc mµ cßn vµo thuéc tÝnh ®µn håi cña nã. B¶n th©n ®Þnh luËt Darcy chØ ®ñ ®Ó m« t¶ c¸c ®iÒu kiÖn dßng ch¶y æn ®Þnh, v× thÕ víi hÇu hÕt c¸c ph¹m vi øng dông nã ph¶i ®­îc kÕt hîp víi 151
  19. ®Þnh luËt b¶o toµn khèi l­îng (hay tÝnh liªn tôc) ®Ó nhËn ®­îc ph­¬ng tr×nh dßng ch¶y tæng qu¸t hay, víi c¸c ®iÒu kiÖn b·o hoµ lµ ph­¬ng tr×nh Laplace. Mét lêi gi¶i trùc tiÕp ph­¬ng tr×nh liªn tôc cho c¸c ®iÒu kiÖn dßng ch¶y n­íc ngÇm nãi chung lµ kh«ng thÓ v× thÕ cÇn s¾p xÕp l¹i cho xÊp xØ kh¸c hay c¸c ph­¬ng ph¸p gi¸n tiÕp cña ph©n tÝch, mét sè trong ®ã ®­îc ®Ò cËp tíi trong Môc 5.5.4. 5.5.2. Nh÷ng nh©n tè ¶nh h­ëng tíi ®é dÉn thuû lùc §iÒu c¬ b¶n cho ¸p dông ®Þnh luËt Darcy lµ mét sù hiÓu biÕt vÒ ®é dÉn thuû lùc cña m«i tr­êng b·o hoµ. C¸c nh©n tè ¶nh h­ëng tíi ®é dÉn thuû lùc cã thÓ ®­îc nhãm l¹i cho tiÖn lîi thµnh c¸c nh©n tè g¾n liÒn víi b¶n th©n vËt liÖu gi÷ n­íc vµ nh÷ng nh©n tè g¾n liÒn víi n­íc ngÇm nh­ lµ mét chÊt láng. Mét ®iÒu quan träng, mÆc dï th­êng hay bá qua, ®Æc tr­ng tÇng ngËm n­íc liªn quan tíi tÝnh chÊt h×nh häc cña kh«ng gian lç hæng mµ qua ®ã diÔn ra sù chuyÓn ®éng cña n­íc ngÇm. Cã nhiÒu nghiªn cøu ®· sö dông mét c¸c tiÕp cËn gi¸n tiÕp bëi ®ã tÝnh chÊt h×nh häc kh«ng gian lç hæng ®­îc liªn hÖ víi c¸c nh©n tè nh­ sù ph©n bè kÝch th­íc h¹t trªn gi¶ thiÕt kh«ng lu«n lu«n thËt l«gic r»ng ®ã lµ mét quan hÖ cã thÓ x¸c ®Þnh gi÷a nh÷ng thuéc tÝnh nµy vµ sù ph©n bè kÝch th­íc h¹t. Mét ®Æc tr­ng tÇng ngËm n­íc kh¸c liªn quan tíi tÝnh chÊt h×nh häc cña b¶n th©n c¸c phÇn tö ®¸, ®Æc biÖt lµ vÒ khÝa c¹nh, mµ cã thÓ cã mét ¶nh h­ëng quan träng ®èi víi tèc ®é cña dßng n­íc ngÇm. Cuèi cïng, ®é dÉn thuû lùc vµ do ®ã dßng ch¶y n­íc ngÇm cã thÓ bÞ ¶nh h­ëng mét c¸ch ®¸ng kÓ bëi c¸c qu¸ tr×nh ®Þa lý thø cÊp nh­ ®øt g·y vµ uèn nÕp, mµ cã thÓ lµm t¨ng hay gi¶m chuyÓn ®éng n­íc ngÇm, trÇm tÝch thø cÊp, mµ sÏ cã xu h­íng gi¶m kÝch th­íc hiÖu dông cña c¸c khe nøt vµ dßng n­íc, vµ sù hoµ tan thø cÊp trong ®¸ ch¼ng h¹n nh­ ®¸ v«i. ThËt vËy, Heath (1982) ®· vÏ b¶n ®å 5 lo¹i hÖ thèng dßng ch¶y n­íc ngÇm ë Hoa Kú phÇn lín lµ trªn l­u vùc mµ trong ®ã ®é rçng bÞ ¶nh h­ëng bëi c¸c qu¸ tr×nh ®Þa lý thø cÊp. Vïng ®¸ phÊn ë Anh cung cÊp nh÷ng vÝ dô ë c¸c quy m« kh¸c nhau vÒ ¶nh h­ëng cña c¸c ®Æc tr­ng tÇng ngËm n­íc ®èi víi chuyÓn ®éng n­íc ngÇm. ë §«ng Anglia, nh÷ng vïng cã tÝnh truyÒn dÉn cao (s¶n phÈm cña ®é dÉn thuû lùc vµ ®é dµy cña tÇng ngËm n­íc) cã xu thÕ liªn quan tíi c¸c thung lòng ®Þa h×nh, mµ ®Õn l­ît nã l¹i g¾n liÒn víi c¸c cÊu tróc uèn nÕp hay ®øt g·y, hay víi viÖc t¨ng c¸c khe nøt. Trong l­u vùc Lu©n §«n, c¸c vïng nÕp lâm bÞ kÕt l¹i trong ®¸ phÊn ®i ®«i víi tèc ®é dßng ch¶y n­íc ngÇm nhá so víi c¸c vïng nÕp låi cã kÕ cÊu më (Ineson, 1963). MÆc dï c¸c b¶n ®å vÒ tÝnh truyÒn dÉn th­êng dùa trªn nh÷ng kiÓm tra giÕng khoan hay c¸c m« h×nh n­íc ngÇm, Bracq vµ Delay (1997) ®· chØ ra r»ng, ë miÒn B¾c n­íc Ph¸p, tÝnh truyÒn dÉn còng cã thÓ liªn quan tíi nh÷ng ph¸ huû bÒ mÆt cña s­ên dèc mµ ph¶n ¸nh nÕp ®øt g·y theo chiÒu th¼ng ®øng n»m bªn d­íi trong tÇng ngËm n­íc ®¸ phÊn. C¸c nghiªn cøu kh¸c ®· nhÊn m¹nh vai trß cña c¸c hÖ thèng nÕt ®øt g·y trong viÖc x¸c ®Þnh tèc ®é vµ h­íng cña dßng ch¶y n­íc ngÇm lín nhÊt trong c¸c tÇng ngËm n­íc thay ®æi trong ph¹m vi tõ ®Þa h×nh Caxt¬ ë b¸n ®¶o Yucatan, Mexico (Steinich vµ Marin, 1997), tíi ®¸ granite ë Cornwall ë t©y nam n­íc Anh (NERC, 1991). Khi ph¹m vi ®o ®¹c trong nh÷ng ®¸ nh­ vËy t¨ng, vÝ dô, tõ nh÷ng ®iÒu kiÖn c¬ b¶n trong phßng thÝ nghiÖm, th«ng qua nh÷ng kiÓm tra lç khoan trong lßng ®Êt, tíi dßng ch¶y n­íc ngÇm l­u vùc më réng, th­êng cã mét sù gia t¨ng trong ®é dÉn thuû lùc quan tr¾c (vÝ dô Garven, 1958). §iÒu nµy lµ do sù hîp nhÊt vµo trong mÉu ®o ®¹c cña c¸c hÖ thèng nÕp ®øt g·y lín h¬n vµ ph¹m vi réng h¬n (xem Môc 5.6 vµ H×nh 9.2). 152
  20. C¸c ¶nh h­ëng cña nh÷ng ®Æc tr­ng chÊt láng, nh­ tû träng vµ ®é nhít, ®èi víi ®é dÉn thuû lùc cã xu h­íng Ýt quan träng h¬n so víi c¸c ¶nh h­ëng cña nh÷ng ®Æc tr­ng tÇng ngËm n­íc. HiÓn nhiªn, trong mèi liªn hÖ víi c¸c ®iÒu kiÖn b×nh th­êng cña dßng ch¶y n­íc ngÇm, c¸c ®Æc tr­ng vËt lý cña n­íc ngÇm d­êng nh­ chØ bÞ ¶nh h­ëng bëi nh÷ng thay ®æi nhiÖt ®é vµ ®é muèi. NhiÖt ®é, b»ng viÖc ¶nh h­ëng ng­îc l¹i ®é nhít, cã mét ¶nh h­ëng trùc tiÕp ®Õn tèc ®é cña dßng ch¶y n­íc ngÇm. Tuy nhiªn, v× phÇn lín n­íc ngÇm ®­îc ®Æc tr­ng bëi nhiÖt ®é t­¬ng ®èi kh«ng thay ®æi, nh©n tè nµy kh«ng cã vÎ lµ quan träng trõ trong c¸c hoµn c¶nh riªng. Nh÷ng thay ®æi vÒ ®é muèi còng kh«ng cã vÓ lµ ®¸ng kÓ trong c¸c ®iÒu kiÖn n­íc ngÇm b×nh th­êng. Tuy nhiªn, ë nh÷ng n¬i x¶y ra sù ngÊm mÆn, c¸c ®é dÉn thuû lùc cã thÓ bÞ t¸c ®éng bëi c¶ nh÷ng thay ®æi trong nång ®é ion cña n­íc ngÇm vµ bëi ¶nh h­ëng ho¸ häc cña n­íc mÆn ®èi víi b¶n th©n vËt liÖu tÇng ngËm n­íc, ®Æc biÖt lµ nh÷ng n¬i cã mét tr¹ng th¸i tù nhiªn lµ ®Êt sÐt. (Ineson, 1956). ViÖc t¨ng ®é muèi sÏ t¨ng tû träng n­íc vµ v× thÕ cã thÓ ¶nh h­ëng tíi cét n­íc vµ gradient thuû lùc. Cuèi cïng, nh÷ng nghiªn cøu n­íc ngÇm ®· pháng ®o¸n tr­íc mét c¸ch truyÒn thèng r»ng ®é dÉn thuû lùc kh«ng bÞ ¶nh h­ëng bëi l­îng n­íc, v× tÝnh chÊt c¬ lý cña tÇng ngËm n­íc bªn d­íi mÆt n­íc ngÇm ®­îc gi¶ sö lµ ®· b·o hoµ. Nh÷ng c«ng tr×nh nghiªn cøu gÇn ®©y ®· chØ ra r»ng víi mét sè kho¸ng vËt, nh­ than bïn, sù b·o hoµ ®Çy ®ñ cã thÓ bÞ ng¨n c¶n do sù cã mÆt cña c¸c khÝ ch­a hoµ tan. Trong than bïn, khÝ metan ®­îc t¹o ra nh­ mét s¶n phÈm phô cña ph©n huû vi sinh vËt cña than bïn trong c¸c ®iÒu kiÖn thiÕu « xy vµ b»ng viÖc chiÕm gi÷ mét phÇn cña kh«ng gian lç hæng, do vËy gi¶m c¶ l­îng tr÷ n­íc vµ ®é dÉn thuû lùc (Baird, 1997). Mét ¶nh h­ëng t­¬ng tù còng ®· ®­îc quan tr¾c trong c¸c ®Êt muèi má khi kh«ng khÝ bÞ gi÷ trong c¸c lç hæng ®Êt trong thêi kú ngÊm nhanh hay sau khi t¨ng ®ét ngét mÆt n­íc ngÇm n«ng. 5.5.3. M¹ng l­íi dßng ch¶y MÆc dï dßng ch¶y n­íc ngÇm kh«ng thÓ quan tr¾c trùc tiÕp, ng­êi ta cã thÓ x¸c ®Þnh sö dông mèi quan hÖ gi÷a dßng ch¶y vµ gradient thuû lùc hay gradient thÕ n¨ng ®Ó kiÓm tra dßng ch¶y n­íc ngÇm hai chiÒu mét c¸ch gi¸n tiÕp b»ng sù tham kh¶o ph©n bè d­íi mÆt cña thÕ n¨ng n­íc ngÇm. C¸c ®­êng nèi c¸c ®iÓm thÕ n¨ng b»ng nhau (  ) ®­îc gäi lµ c¸c ®­êng ®¼ng thÕ. BÒ mÆt ®o thÕ n¨ng cña mét tÇng ngËm n­íc (cã ¸p hay kh«ng ¸p) bªn trªn mét mÆt b»ng lµm mèc tÝnh to¸n cã thÓ l­în vßng ë ®é lín lªn theo quy luËt cña  bëi mét hä c¸c ®­êng nh­ vËy. §iÒu nµy ®­îc chØ ra trong h×nh 5.9, trong ®ã c¸c ®­êng ®¼ng thÕ t¨ng gi¸ trÞ tõ 1 ®Õn 9 . Trong sù phï hîp víi ®Þnh luËt Darcy, n­íc ngÇm bÞ l¸i däc theo gradient thÕ n¨ng lín nhÊt, tøc lµ vu«ng gãc víi c¸c ®­êng ®¼ng thÕ. §iÒu nµy ®­îc m« t¶ bëi c¸c ®­êng dßng, mµ thÓ hiÖn h­íng cña lùc t¸c ®éng lªn n­íc ®ang chuyÓn ®éng vµ do ®ã biÓu thÞ quü ®¹o cña c¸c ph©n tö n­íc. V× t¹i bÊt kú ®iÓm nµo dßng ch¶y chØ cã thÓ cã mét h­íng, nªn c¸c ®­êng dßng kh«ng bao giê c¾t nhau. M¹ng l­íi ®­îc h×nh thµnh bëi hai hä c¸c ®­êng ®¼ng thÕ vµ c¸c ®­îc dßng gäi lµ mét m¹ng dßng ch¶y. 153
nguon tai.lieu . vn
Toán học Môi trường Vật lý Sinh học Địa Lý Hoá học Nông - Lâm - Ngư Cơ khí - Chế tạo máy Tiếng Anh phổ thông Khoa học ứng dụng Nông - Lâm Kiến thức tổng hợp Giáo dục học Xã hội học