Bài giảng Mô hình nước dưới đất - Chương 1: Các tính chất vật lý của các tầng chứa nước
Tóm tắt Bài giảng Mô hình nước dưới đất - Chương 1: Các tính chất vật lý của các tầng chứa nước: ...e V (Saturated) Độ rỗng: tổng dung ich của đất có thể được lấp đầy bởi nước V = Tổng dung ich của khối đất đá xem xét Vi = Dung ich khoảng trống Vs = Dung ich phần chất rắn ... suất mao dẫn (Capillary Pressure) rr pc σ γ σ γγψ 22 === (lực hút mao dẫn) (trọng lực nước trong lỗ) Cách 2: tính Pc Negative pressure Positive pressure Solid θ Phân bố áp suất tầng sát mặt (Subsurface Pressure Distribu%on) ...ớp không thấm • Tầng ngậm nước không áp (Unconfined aquifer) – Có tồn tại mực nước ngầm – Có biên bởi mực nước ngầm Giếng phun Vùng bổ cập nước ngầm Các loại giếng nước ngầm • Aquifer – Stor...
Nội dung tài liệu Bài giảng Mô hình nước dưới đất - Chương 1: Các tính chất vật lý của các tầng chứa nước, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
MÔ HÌNH NƯỚC DƯỚI ĐẤT Chương 1: CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC TẦNG CHỨA NƯỚC (Physical ProperMes of Aquifers) TS. Nguyễn Mai Đăng Bộ môn Thủy văn & Tài nguyên nước dang@wru.vn; 0989.551.699 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 (Pardcle Size) – Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure) – Đường cong đặc inh độ ẩm đất (Soil Moisture Characterisdc Curves) – Hệ số thoát nước (nhả nước) và giữ nước đơn vị (Specific Yield and Retendon) • Các loại tầng chứa nước (Aquifer Types) – Lượng trữ trong các tầng ngậm nước (Aqufier Storage) • Mực nước thủy áp (Piezometric head) Sự xuất hiện nước ngầm Occurrence of Groundwater 3 • 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) Phân bố nước trong tầng sát mặt • Phân chia thành các vùng khác nhau – Phụ thuộc vào % không 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) – Đạt độ ẩm đồng ruộng ở đỉnh (Field capacity at top) • Saturated Zone – Các lỗ rỗng bão hòa hoàn toàn (Fully saturated pores) Biểu đồ phân bố đất (Soil Profile) Mô tả (Descripdon) Biểu đồ phân bố ẩm (Moisture Profile) 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 (WilMng point): -‐ Là lượng nước còn giữ lại được sau khi thấm trọng lực & bốc hơi (Water remaining aer gravity drainage & evapotranspiradon) Độ ẩm bão hòa Môi trường lỗ rỗng (Porous Medium) • 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 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 các hình dạng lỗ rỗng. Mặt cắt ngang của lớp đất Mặt cắt ngang của lớp đá Đá tinh thể khe nứt (đá granite) Đá có thể hòa tan (đá vôi) Có kích thước đều) Có kích thước không đều) Kích thước hạt của các loại đất (Par%cle Size of Some Soils) 6 Độ rỗng (Porosity) • Là sự chiếm giữ của khoảng trống trong môi trường xốp (Property of the voids of the porous medium) • Nó = % của tổng dung ich bị chiếm giữ bởi các khoảng trống (% of total volume occupied by voids) solid Pore with water Soil volume V (Saturated) Độ rỗng (Porosity) solid Pore with water Soil volume V (Saturated) Độ rỗng: tổng dung ich của đất có thể được lấp đầy bởi nước V = Tổng dung ich của khối đất đá xem xét Vi = Dung ich khoảng trống Vs = Dung ich phần chất rắn V Vi=φ V VV s−=φ m d m dm ρ ρ ρ ρρ φ −= − = 1ρm = mật độ hạt (grain density) ρd = mật độ khoảng trống (bulk density) Tỷ lệ khoảng trống (Void RaMo): φ φ − == 1s i V Ve Các giá trị Mêu biểu của độ xốp Typical Values of Porosity 9 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 Độ ẩm đất (Moisture Content) Pore with air Soil volume V (Unsaturated) Độ ẩm đất: = tỷ lệ phần dung ich nước trên tổng dung ich khối đất đá xem xét: V = Tổng dung ich khối đất đá Vw = Dung ich nước Vi = Dung ich lỗ rỗng Vs = Dung ich phần chất rắn Độ bão hòa của đất (Saturadon, % water content): V VW=θ φ θ == i W V VS 0% < S < 100% Phân bố kích thước hạt (Par%cle Size Distribu%on) 11 Sand 49% Clay 40% Các đặc tính đất của một mẫu đất lấy ở đảo Síp (Cyprus) Bùn, phù sa Đất sét Cát 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 – Một số lực bị triệt dêu – Các lực cùng kéo các phân tử xuống – Giống như màng tế bào kéo căng bề mặt • Bề mặt giao diện bị uốn cong – Áp suất cao hơn về phía lõm • Sự tăng lên của áp suất được cân bằng bởi sức căng bề mặt – σ = 0.073 N/m (tại 20oC) • Áp suất mão dẫn – Liên quan đến áp suất trên cả 2 phía của mặt giao diện Nước Không khí Không có lực tổng hợp (bị triệt tiêu) Lực tổng hợp hướng vào bên trong Bề mặt giao diện (interface) Solid Solid Water Air r T h e Bên trong ống áp suất âm nên nước bị hút lên (Negative Pressure) Càng xuống sâu dưới nước áp suất càng lớn (Positive pressure) The image cannot γψ−= = w air p p 0 γψ=−= wairc ppp Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure -‐ Pc) rr pc σ γ σ γγψ 22 === Áp suất không khí Áp suất nước ψ: cột nước mao dẫn γ: trọng lượng riêng của nước σ: sức căng bề mặt Cách 1: tính Pc Tại mặt nước ap suất = 0 P P ψ Chất lỏng dâng lên trong ống do lực hút của lỗ (áp suất mao dẫn) cho đến khi cân bằng với trọng lực ψγππθσ 2)2(cos rr = γ σ ψ r 2 = Solid Water Air r T h The ima Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure) rr pc σ γ σ γγψ 22 === (lực hút mao dẫn) (trọng lực nước trong lỗ) Cách 2: tính Pc Negative pressure Positive pressure Solid θ Phân bố áp suất tầng sát mặt (Subsurface Pressure Distribu%on) Cột nước do áp suất mão dẫn bên trên mực nước ngầm là: Phân bố áp suất thủy ¢nh bên dưới mực nước ngầm (nơi p = 0) là: 01 >= dP γ 1d Water table z 0>p0<p 0=p 0;0 == pz Pressure is posidve below water table Ground surface Unsaturated zone Saturated zone γ−= ∂ ∂ z p )(θψψ = Pressure is negadve above water table ψ Đường cong đặc nh của nước trong đất (Soil Water Characteris%c Curves) • Cột nước áp suất mao dẫn: • Và phụ thuộc vào: – Phân bố kích thước của lỗ – Độ ẩm đất )(θψψ = The image cannot be displayed. Your computer may not have enough Porosity Vùng thấm (Vadose Zone) Capillary Zone Đường cong đặc tính của nước tr ng đất Độ dâng cao mao dẫn trong đất (Capillary Rise in Soils) - Sỏi mịn - Cát rất thô - Cát thô Very fine sand - cát rất mịn - Cát trung bình - Cát 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% Độ dâng mao dẫn trong các mẫu vật liệu tự nhiên (không đầm chặt) Hệ số thoát nước & giữ nước (Specific Yield & Reten%on) • 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 ich: – Sy cũng được xem là độ rỗng hữu hiệu (efecdve poprosity) • Hệ số giữ nước đơn vị (Specific RetenMon -‐ Sr) – Là lượng nước còn lại sau khi thoát do trọng lực (độ ẩm đồng ruộng -‐ field capacity) volumetotal volumedrainagegravity =yS hASyΔ=drained volumeyr SS −= φ Quan hệ giữa độ rỗng, hệ số thoát nước (nhả nước) và giữ nước đơn vị (Porosity, Specific Yield, & Specific Reten%on) yr SS −= φ φ(%) Sy Sr Các loại tầng ngậm nước (Aquifer Types) • Aquifer – 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 (Confined aquifer) – Có áp suất lớn hơn áp suất khí quyển – Có biên bởi các lớp không thấm • Tầng ngậm nước không áp (Unconfined aquifer) – Có tồn tại mực nước ngầm – Có biên bởi mực nước ngầm Giếng phun Vùng bổ cập nước ngầm Các loại giếng nước ngầm • Aquifer – Store & transmit water – Unconsolidated deposits sand and gravel, sandstones etc. • Aquitard – Transmit don’t store water – Shales and less clay – Leaky confining layers of aquifers • Confined aquifer – Under pressure – Bounded by impervious layers • Unconfined aquifer – Phreadc or water table – Bounded by a water table nước bị phun ra do chênh lệch áp suất Áp lực từ bên ngoài ép nén tầng ngậm nước (lớp không thấm) (lớp không thấm) Khả năng chứa nước của tầng ngậm nước (Aquifer Storage) • Khả năng nén của chất lỏng -‐ Fluid Compressibility (β) • Khả năng nén của môi trường xốp -‐ Porous Medium Compressibility (α) • Hệ số thoát nước đơn vị -‐ Specific Storage (Ss) – Là lượng nước thoát ra được từ 1 thể ich 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 – 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 – 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 (storadvity): là tổng lượng nước có thể thoát ra được từ 1 tầng ngậm nước khi hạ thâp 1 đơn vị cột nước: gV αρ=Δ gV βφρ=Δ )( φβαρ += gSs ys SS = bSS s= Chỉ áp dụng đối với tầng có áp. b: bề dày tầng ngậm nước. Quan hệ lượng trữ trong các tầng nước ngầm (Storage Rela%ons in Aquifers) )( βαρ ngSs +=ys SS = Confined Aquifer Unconfined Aquifer Cao trình và cột nước áp suất (Pressure and Eleva%on Heads) • Mực thủy áp – là năng lượng trên một đơn vị trọng lượng của chất lỏng: zph += γ Cột nước áp suất ψ (Pressure head) Cao trình (Elevadon 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) g = gia tốc trọng trường (9.81 m/s2) z = cao trình Mặt chuẩn (MSL) Mực thủy áp (Piezometric Head) • Mực thủy áp (Piezometric head) • Tầng ko áp (Unconfined aquifer) – piezometric head = elevadon zph += γ zph += γ 0=p zh = Pressure head = 0 γ p z -‐ 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 Mn nào liên quan đến chênh lệch cột nước (gradient) theo phương ngang, mà chỉ có gradient theo phương thẳng đứng. Hai tầng ngậm nước có áp với các cột nước khác nhau (Two Confined Aquifers with Different Heads) Tầng thấm nước yếu Do chênh lệch gradient cột nước nên nước sẽ chảy từ tầng trên xuống tầng dưới Gradient cột nước thẳng đứng và nằm ngang (Horizontal and Ver%cal Head Gradients) (Mực nước ngầm) (Mực thủy áp) 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 (Pardcle Size) – Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure) – Đường cong đặc inh độ ẩm đất (Soil Moisture Characterisdc Curves) – Hệ số thoát nước (nhả nước) và giữ nước đơn vị (Specific Yield and Retendon) • Các loại tầng chứa nước (Aquifer Types) – Lượng trữ trong các tầng ngậm nước (Aqufier Storage) • Mực nước thủy áp (Piezometric head)
File đính kèm:
bai_giang_mo_hinh_nuoc_duoi_dat_chuong_1_cac_tinh_chat_vat_l.pdf
