Tìm hiểu về Nước dưới đất

NƯỚC DƯỚI ĐẤT (NDĐ)Thực hiệnThs. Haø Quoác Ñoâng02/2006Nghiên cứu nước dưới đất nhằm: Tính toán lượng nước khai thác phục vụ công, nông nghiệp, sinh hoạt; Tính toán chọn lựa biện pháp để tháo khô hố móng; Tính toán lượng nước thấm mất của các công trình dẫn giữ nước và tìm giải pháp khắc phụcNỘI DUNGPhần I: CƠ SỞ LÝ THUYẾTPhần II: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN - NƯỚC DƯỚI ĐẤTPhần I: CƠ SỞ LÝ THUYẾTI. Các giả thuyết về nguồn gốc ndđII. Các kiểu nguồn gốc chínhIII. Các dạng nước tồn tại trong đất đáIV. Tính chất vật lý và thành phần hoá học của nước dưới đấtV. Tính chất hoá học của nước dưới đấtVI. Các quá trình thành tạo thành phần hoá học nước dưới đấtVII. Tính chất ăn mòn của nước dưới đấtI. Các giả thuyết về nguồn gốc NDĐ1. Thuyết ngấm2. Thuyết ngưng tụ3. Thuyết trầm tích4. Thuyết nguyên sinhII. Các kiểu nguồn gốc chính1. Nguồn gốc khí quyển (nước ngấm, nước rữa lũa);2. Nguồn gốc biển (nước trầm tích);3. Nguồn gốc macma (nước nguyên sinh);4. Nguồn gốc biến chất (nước tái sinh, nước khử hydrat).III. Các dạng nước tồn tại trong đất đá1. Nước ở trạng thái hơi2. Nước liên kết vật lý 1,23. Nước mao dẫn4. Nước trọng lực5. Nước ở trạng thái rắn6. Nước liên kết hoá họcNước ở trạng thái hơiLấp đầy các phần lỗ hỗng và khe nứt rỗng;Chúng vận động từ nơi có áp lực cao đến nơi có áp lực thấp hơn (độ ẩm cao đến độ ẩm thấp);Hơi nước trong các lỗ hổng và hơi nước trong khí quyển tạo thành một hệ thống cân bằng động.Nước liên kết vật lýĐặc trưng cho đất loại sét, gồm:Nước liên kết chặt (nước hấp phụ): thành tạo do sự hấp phụ các phân tử nước trên bề mặt của các hạt cứng, tạo thành một lớp rất mỏng sát ngay trên bề mặt các hạt. Chỉ dịch chuyển được khi chuyển sang thể hơi;Cây không hấp thụ được;Đất hạt mịn và sét chiếm 15 – 18%;Hạt thô là 5%.Nước liên kết vật lýNước liên kết yếu (nước màng mỏng): phân bố ngay trên lớp nước liên kết chặt bằng mối liên kết phân tử,Cây có thể hấp thụ được;Nước có thể dịch chuyển từ màng dày sang màng mỏng hơn;Không di chuyển được với tác dụng của trọng lực; và cũng không truyền được áp lực thuỷ tĩnh do không lắp đầy lỗ rổng đất đá;Đất sét 25-40%; sét pha 15-23%; cát pha 9-13%; cát 1-7%;Nước lk yếu trong đất loại sét tạo cho chúng có tính chất đặc biệt: tính dẻo, tính dính, tính trương nở, lún,Nước mao dẫnNước mao dẫn treo: không liên hệ với mực nước ngầm; hình thành từ nước mưa;Nước mao dẫn dâng: phân bố phía trên mực nước ngầm, được dâng lên trong các khe lỗ mao dẫn do tác dụng của sức căng bề mặt;Nước mao dẫn góc: tạo thành trong các góc của các lỗ rỗng gần chỗ tiếp xúc của các hạt đất đá;Nước mao dẫn bao quanh, thành tạo chủ yếu trong đất cát, chiếm giữ tất cả những khoảng trống nằm sát các hạt, trung tâm lỗ có các bọt khíNước trọng lựcVận động chủ yếu dưới tác dụng của trọng lực, còn gọi là nước tự do, có khả năng truyền áp lực thuỷ tĩnh;Tác dụng phá huỷ đất đá mà nó đi qua;Khi vận động trong đất đá mà chỉ một phần các lỗ rỗng chứa đầy nước và chỉ vận động qua các lỗ rỗng đó thôi thì gọi là ngấm;Thấm xảy ra trên diện rộng, đất ở trạng thái bảo hoà, nước thấm dưới áp lực mao dẫn và trọng lực;Nước ở trạng thái rắnNước trọng lực và một phần nước liên kết bị đóng băng trở thành nước ở trạng thái rắn, khi nhiệt độ nước 100Độ trong suốtPhụ thuộc vàoCác khoáng chất hoà tanTạp chất cơ họcChất hữu cơChất keo có trong nướcTrong suốtHơi đụcĐụcRất đụcMàu sắcPhụ thuộc vào:Thành phần hoá họcCác tạp chấtPhần lớn nước dưới đất là không màuNước cứng (6-9mgđl/l): màu xanh da trời;Nước chứa: H2S và Fe2O3: màu phớt lục;Các khoáng chất lơ lững: màu xám nhạt.(1mg-đl/l độ cứng ~ 20,04mg Ca2+/1l H2O, ~12,6mg-đl Mg2+/1l H2O)MùiNước dưới đất không mùiLiên quan đến hoạt động vi khuẩn phân hủy hữu cơVịDo sự có mặt của hợp chất hoà tan, các khí và tạp chấtNước chứa Ca(HCO3)2, Mg, CO2, có vị dễ chịu;Chất hữu cơ, nước có vị ngọtMgSO4, nước có vị đắng;NaCl, có vị mặnV. Tính chất hoá học của nước dưới đất1. Độ khoáng hoá2. Độ pH3. Độ cứng4. Độ kiềm của nướcĐộ khoáng hoáLượng cặn khô/ 01lit nước, nung ở to = 110oC (đơn vị mg/l, g/l);Trong điều kiện tự nhiên, nước dưới đất từ 0,1 – 650g/l;Theo độ khoáng hoá ở điều kiện tự nhiên:Siêu nhạt: 35g/lĐộ pH (pH = -lgH+)Đặc trưng cho hoạt tính của nướcNước dưới đất là nước bazơ yếu;Nước ở vùng mỏ sắt, than có tính axit, siêu axit;Siêu axit: 9Nước sinh hoạt: 6.5 9.0Độ kiềm của nướcSự có mặt của các chất: NaOH, Na2CO3, NaHCO3, tạo nên độ kiềm của nước.Biểu diễn bằng mg-đl/l01mg-đl ứng với 40mg/l NaOH, 53mg/l Na2CO3, và 84.22mg/l NaHCO3;Tổng độ kiềm là đặc tính quan trọng, được tính toán khi sử dụng nước cho các thiết bị lạnh, các thiết bị sử dụng năng lượng hơi nước.VI. Các quá trình thành tạo thành phần hoá học NDĐ1. Quá trình rữa lũa và hoà tan2. Quá trình tạo hỗn hợp nước3. Quá trình lắng đọng muối4. Quá trình cô đặc nước5. Quá trình khuếch tán6. Quá trình trao đổi cation7. Các quá trình vi sinh vật Quá trình macma và biến chất cũng làm thay đổi về thành phần, tính chất của nướcQuá trình rữa lũa - hoà tanRửa lũa là quá trình chuyển vào dung dịch một nguyên tố nào đó từ khoáng vật mà không phá hủy mạng tinh thể của chúng;Hoà tan là quá trình đưa vào dung dịch các nguyên tố của khoáng vật và làm tinh thể của chúng bị phá huỷ.Ở điều kiện tự nhiên, nước sẽ rữa lũa, hoà tan các loại đất đá dễ hoà tan, do đó thành phần nước rất phức tạp (giàu các muối Na, K, Ca, Mg)Quá trình tạo hỗn hợp nướcQuá trình xảy ra cùng với quá trình trầm động muối cacbonat canxi, manhê, sắt, thạch cao,Tạo nên các hỗn hợp nước phức tạp từ nhiều nguồn nước có thành phần khác nhauQuá trình lắng đọng muốiXảy ra trong quá trình hỗn hợp muối hay khi điều kiện nhiệt động thay đổi.Sự lắng động muối xảy ra, làm giảm nồng độ muối hoà tan trong nước và sẽ làm thay đổi thành phần hoá học của nước.Quá trình cô đặc nướcLàm tăng lượng các chất dễ hoà tan trong nước do bốc hơi, phát tán,Khi bốc hơi các muối hoá tan sẽ được giữ lại trong đất đá, trong nước dưới đất làm tăng độ muối.Sự tăng độ khoáng hoá cũng một phần do thực vật phát tán hơi nước.Quá trình khuếch tánLà quá trình phân tán nồng độ vật chất, từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn dưới tác động của nhiệt phân tử.Quá trình này làm cân bằng hàm lượng chất hoà tan, thành phần hoá học trong toàn bộ thể tích của hệ thống nào đóQuá trình trao đổi cationQuá trình này liên quan đến khả năng hấp phụ hoá lý của đất đá phân tán hạt mịn (sét, á sét), đường kính hạt nước cứng;Kim loại bị ăn mòn mạnh khi pH 9.0;Khi nhiệt độ và vận tốc dòng chảy tăng, thì khả năng ăn mòn tăngPhần II: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN - NƯỚC DƯỚI ĐẤTI. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toánII. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đấtIII. Bài toán dòng chảy đến giếng khoanI. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toán- Đới thông khí ?(thổ nhưỡng, trung gian, mao dẫn); - Đới bảo hoà ?;I. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toán- Tầng cách nước ?- Tầng chứa nước ?- Nước thượng tầng ?- Nước có áp ?- Nước không áp ?I. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toánI. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toánTầng chứa nước có ápNước có ápI. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toánĐộng thái nước dưới đấtI. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toánDòng chảy nước dưới đấtI. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toánÁp lực thuỷ tỉnhCột nước áp lực thuỷ tĩnh(Chính là chiều cao của cột nước so với mặt chuẩn)I. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toánÁp lực thuỷ độngKhi nước vận động tạo áp lực, cột nước giếng khoan sẽ lớn hơn so với cột nước khi nước không vận động.Trong quá trình vận động từ mc1 đến mc2, thì cột nước áp lực thuỷ động sẽ giảm xuống do năng lượng bị mất đi để thắng lực ma sát.I. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toánGradien thuỷ lực I(độ dốc thủy lực)Khi nước vận động qua lỗ rỗng, một phần áp lực bị tổn thất do ma sát, kết quả tạo nên bề mặt dốc của nước dưới đất theo phương vận động.Nếu đáy cách nước nằm ngang: (h1 = H1, h2 = H2)Các yếu tố của dòng thấm- Tầng chứa nước có thành phần thạch học như nhau thì nó được gọi là tầng chứa nước đồng nhất, nước chảy qua gọi là dòng ổn định.- Tầng chứa nước không áp: đặc trưng bởi mặt thoáng tự do, nước vận động dưới tác động của trọng lực và động thái thấm không đàn hồi.- Sự vận động của nước trọng lực trong môi trường lỗ rỗng của đất đá gọi là thấm.- Vận động ổn định của nước trong đất đá đặc trưng bởi sự ổn định của các yếu tố dòng thấm (V, q, Q, I, đường dòng, đường đẳng áp) theo thời gian.Các yếu tố của dòng thấm- Đường dòng chảy: Là đường mà theo đó nước vận động, có thể song song hoặc không.- Đường đồng áp: vuông góc với đường dòng chảy. Nước ngầm gọi là thuỷ đẳng cao, nước có áp gọi là thuỷ đẳng áp.- Dòng chảy tầng: Các tia riêng biệt của dòng nước song song nhau, tốc độ dòng chảy nhỏ.- Dòng chảy rối: tốc độ dòng chảy lớn, dòng chảy bị xáo trộn và tính liên kết dòng chảy bị phá huỷ.- Diện tích mặt cắt ướt của dòng chảyĐỊNH LUẬT DARCY (1856)Vận tốc dòng chảy (m/s, m/ngđ)Lưu lượng dòng chảy, (m3/s, m3/ngđ)Lưu lượng đơn vị, (m2/s, m2/ngđ)Vận tốc thực của dòng chảyVận tốc chảy qua phần diện tích lỗ rỗng của đất đáII. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đấtDòng chảy không áp đáy cách nước nằm ngangLưu lượng đơn vịPhương trình đường cong mực nướcII. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đấtKhông áp – đáy cách nước nghiêng(Với Zx = i.x; i: độ nghiêng đáy cách nước)II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đấtCó áp – Chiều dày không đổiII. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đấtCó áp – chiều dày thay đổiChiều dày tầng chứa nướcLưu lượngPhương trình đường congII. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đấtKhông áp chiều dày thay đổiII. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đấtKhông áp – dòng chảy song song với mặt phân lớpLập phương trình đường cong mực nước ??II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đấtKhông áp – dòng chảy vuông góc với mặt phân lớpChiều dày dòng chảy tại ranh hai lớpII. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đấtKhông áp – miền ở hai sôngwII. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đấtDòng chảy vào giếngII. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đấtDòng ổn định – giếng hoàn chỉnh – không áp - Gradien - Tiết diện thấm - Lưu lượng - Hệ số thấm - Bán kính ảnh hưởng + Không áp (I. Kusakin) + Có áp (Dikhard)II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đấtKhông ápTheo kozenny, bán kính ảnh hưởng maxn, độ rỗngt, thời gian bơm nước khỏi giếng với lưu lượng QII. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đấtGiếng có ápQuan Hệ Giữa Q và S, tầng chứa nước có ápNếu R = const, thì quan hệ giữa Q và S là quan hệ tuyến tính (khi độ hạ thấp mực nước trong giếng khoan nhỏ).Khi S lớn thì quan hệ là phi tuyến:Hệ số a, b là hệ số phụ thuộc vào sức cản khi nước vận động qua đất đá- a, b được xác định theo tài liệu bơm hút nước thí nghiệm ở hai độ giảm mực nước S1, S2.- Xác định lưu lượng giếng khoan Q tương ứng với độ hạ thấp mực nước S.Nước thượng tầngPhiểu áp lựcXâm nhập mặnÔ nhiễm nước dưới đấtÔ nhiễm nước dưới đất