bài giảng địa chất thủy văn

CHƯƠNG IX

NHỮNG KHÁI NIỆM
VỀ TÍNH PHÂN ĐỚI NƯỚC DƯỚI ĐẤT,
CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT THỦY VĂN
VÀ PHÂN VÙNG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN

1


Tính phân đới của nước dưới đất
Tính phân đới là một trong những định luật cơ bản của sự phân
bố nước dưới đất. Tất cả các loại nước thiên nhiên đều có tính
phân đới. Tính phân đới thể hiện đặc điểm lịch sử các đới tự
nhiên tùy thuộc và vĩ độ của địa phương hoặc vị trí theo phương
thẳng đứng của nước dướt đất.

Phân đới theo vĩ độ
Đặc trưng cho nước ngầm và nước áp lực nông, có quan hệ chặt
chẽ với nước mưa và nước mặt. Nước ngầm phản ánh những nét
đặt trưng của vĩ độ. Các đới nước ngầm sẽ tương ứng vời những
cảnh quan xác định và chuyển tiếp nhau rõ rệt từ bắc đến nam.

2


Phân đới theo vĩ độ
Nếu xét theo trạng thái của nước, mức độ ẩm ướt của lãnh thổ và
những thay đổi nhiệt độ ở Bắc bán cầu theo phương từ Bắc đến
Nam sẽ tồn tại các vĩ đới nước ngầm như sau:
Vĩ đới băng (băng vĩnh cửu)

Vĩ đới ẩm ướt (ẩm, lượng mưa lớn hơn bốc hơi)
Vĩ đới khô hạn (khô, bốc hơi lớn hơn mưa-> muối hóa, làm
mặn nước ngầm)

3


Tính phân đới địa chất
Tính phân đới theo chiều sâu của các bồn nước
vỉa (các bồn actezi). Trong một mặt cắt thẳng
đứng của các bồn nước vỉa thường quan sát thấy
rõ rệt sự thay đổi từ trên xuống dưới của tốc độ
vận động, mức độ khoáng hóa, thành phần ionmuối và khí, nhiệt độ của nước dưới đất.

4


Tính phân đới thủy động lực
Phản ánh sự thay thế tuần tự theo phương thẳng đứng của các đới
có mức độ trao đổi nước khác nhau.
Đới trao đổi nước mạnh : Nằm ở phần trên cùng của Vỏ Trái
Đất và có quan hệ chặt chẽ với các dòng và các khối nước
mặt, nằm trong phạm vi thoát nước của mạng thủy văn địa
phương và chịu tác dụng của các nhân tố khí hậu hiện đại.
Chiều dày từ 100-1000m hoặc hơn.
Nước đi chuyển tốc độ lớn, 1-vài trăm mét/năm.
Các quá trình oxy hóa và rửa trôi muối xảy ra mạnh mẽ.

5

Đới trao đổi nước chậm chạp : Thường nằm sâu hơn gốc thoát
nước địa phương của các tầng và các phức hệ chứa nước.
Chiều sâu giới hạn của đới này có thể quy ước bằng chiều sâu
xâm cắt của các bồn biển hoặc kéo dài đến mực nước biển.
Nước đi chuyển tốc chậm, sự trao đổi nước xảy ra trong thời
gian trăm năm hay triệu năm.
Đới trao đổi nước rất chậm chạp : Chiếm phần sâu nhất của
các hệ thống chứa nước, sâu hơn 2-3km nên sự thoát nước rất
yếu và gần như không chịu ảnh hưởng các nhân tố khí hậu.

6


7


Những nhân tố quyết định tính phân đới thủ động
lực thẳng đứng
1. Sự tương quan về cốt cao độ giữa miền cấp và miền thoát.
2. Tính chất chứa nước của đất đá
3. Cường độ phân cắt xâm thực của mặt đất và chiều sâu
xâm cắt các thung lũng sông.
4. Đặc điểm khí hậu (nóng, khô, ẩm ướt)

8
Charbeneau, 2000.


Tính phân đới thủy địa hóa

Các đới thủy địa hóa thẳng đứng được phân biệt với nhau bởi độ
khoáng hóa, thành phần hóa học.
Năm 1938: V.I Vernadxki khẳng định độ khoáng hóa tăng theo
chiều sâu.
Năm 1964 K.I.Makov khẳng định nước khoáng hóa cao tồn tại ở
phần trung tâm các vùng hạ thấp kiến tạo.
V.N. Ivanov cho rằng các kiểu hóa học của nước thay đổi theo
chiều sâu theo sơ đồ:

HCO3-Ca, SO4-Ca, SO4-Ca-Cl, Cl-Na, Cl-Na-Ca

9
Freeze and Cherry, 1979.


10


Flow Velocity and Potential

Potential = acceleration of gravity • hydraulic head = g • h ~ h
Flow is always perpendicular to the lines of equal potential.
11


Groundwater Flow Velocity
Flow velocity is governed by Darcy’s Law






Darcy’s Law states that the velocity is equal to the permeability
times the hydraulic gradient, where permeability is the capacity of
a porous material to transmit fluid.
This gives the equivalent flow velocity through an open pipe.
To correctly apply to real rocks, must divide by the porosity.

Ground water velocity = perm./porosity • hydraulic
gradient



V = (K/n) • (h/L)
where K is hydraulic conductivity (a measure of permeability) and
n is porosity.

12


Ground Water Movement in Permeable Rock

Within a uniformly permeable rock, water table tends to mimic surface
topography. Flow usually parallels sloping water table.
13


Aquifers
Aquifer: body of saturated rock or sediment through
which water can move easily.





Examples: Sandstone, conglomerate, well-fractured
limestone, bodies of sand and gravel
Unconfined aquifer: water table is only partly filled.
Confined aquifer: water table completely filled with
water under pressure.

Aquitard or aquiclude: body of rock with low
permeability, which retards the flow of water
across it.

14


Confined vs. Unconfined Aquifers

15


Các đònh luật thấm của nước dưới đất.
Trên cơ sở các thí nghiệm thấm của nước qua cát chứa trong ống
thí nghiệm, nhà thủy lực học người Pháp A. Darci năm 1856 đã
xác lập được quan hệ:

∆H
Q = kF
L

V = kI

Với Q – lưu lượng nước qua ống; k – hệ số tỉ lệ (Hệ số thấm); F –
tiết diện ngang của ống; ∆H – Tổn thất áp lực khi nước thấm; L –
chiều dài đường thấm. Ký hiệu tỉ số giữa tổn thất áp lực ∆H với
chiều dài đường thấm L bằng gradient thủy lực I, chia hai vế của
phương trình cho tiết diện ngang của ống và sử dụng khái niệm
vận tốc thấm v=Q/F ta có công thức:v=kI
16


Ở chế độ chảy rối quan sát thấy sự sai lệch với đònh luật
tuyến tính. Vận động chảy rối tuân thủ theo quy luật của
A.A. Krasnopolski:

v = kk I

Với kk – hệ số thấm theo Krasnopolski. Từ công thức thấy
rằng khi chảy rối, vận tốc thấm tỉ lệ thuận với căn bậc hai
của gradient thủy lực. Dòng chảy tầng – rối hỗn hợp
thường được biểu diễn bằng phương trình Proni:
I = av + bv2

Với a và b – những thông

số phụ thuộc vào tính chất môi trường lỗ rỗng và chất lỏng
vận động trong đó (Được xác đònh bằng thực nghiệm).
17

Vận động của nước liên kết yếu trong đất loại sét (động thái
dẻo nhớt) được đặc trưng bằng phương trình sau: V= k(I – Io)
Vơi Io – gradient ban đầu. Sự thấm của nước liên kết
yếu chỉ bắt đầu khi gradient áp lực lớn hơn gradient ban đầu
Io.
Vận tốc thấm và vận tốc thấm thực khi nước dưới đất vận
động. Lưu lượng dòng thấm được xác đònh theo công thức
Q=Fv

Trong công thức này điện tích mặt cắt ngang F và

vận tốc thấm v – cần hiểu đúng vì nước vận động không qua
toàn bộ diện tích mặt cắt của tầng chứa nước mà chỉ qua lỗ
rỗng (hay khe nứt) của đất đá chứa nước.

v =18 n.u


Xác đònh giới hạn trên để áp dụng đònh luật Darci.
YêThí
uốcầ
: tm
Nhờ
nnghiệ
guró
1 và
o độ
đượ2c ta
thểtạhiệ

n
chê
n
p trong
cc ốn
nggcụ
đolà
náhình
Dụ
Xátrê
c hđònh
vậ6.1.
n cá
tố
thấ
m
átớ
p ốiDH
từv2,5
tới khi
87,5cm.
Đối
nhạ
g đườ
n
g
kính
3
cm
n

mà
đó
th
với(thiế
mỗitđộ
chêngang
nh áp,củ
nhờ
a ống
diễn ra diệ
sựnsai
lệch đònh
2 xác đònh được
ốngF ró
t7cm
2 ta
được đổ
luật=thấ
m),Darci;
Vậđầ
nytốc
lưusạ
lượ
n
g itheo
cô
n
gnthứ
c:
n

vớ
độ
rỗ
n
g
=
30%.
thấm thực u tương tứng
cácnđầ
ng gắ
ngn;
vớỞ
i vậ
tốuc ốthấ
Vn m ntớ2i ốhạ
t nướ
cm
1=và
2. c
Nhờ
c
Q
hệrósố
thấ
k, cá
thôcá
ng
t tạo chênh
ngvà
rótb có

sốốa
từthể
phương
lệ
ch Proni.
á–pThể
lực trong
ốncg. Độ
trình
Vớ
i Vn
tích nướ
chê
áypcm
∆H
đượ
c gxá
Độ
chê
nh án
ph∆ H,
(cm3)
chả
ra
qua
ốn
róc t2,5
2
độ
chê

3nh lệch
Giá
tròđònh
lưu thờ
lượqua
ngi Qgian
=
Vn/t,
/s Theo0,07
trong
tcm
(s).
cliệ
nướ
c=trong
g đo
cácmự
sốthủ
i đâycá
, cxáốcn0,036
Gradient
y lựuc Idướ
∆ H/L
áp gradient
nằ
m cáchthủ
nhau
đònh
y lựcLI,= vậ
Vậ

n tốc thấ
m v = Q/F, cm/s
0,01n
70cm.
I/vtốc thấm v và tỉ số I/v.
3,6

Hình 6.1. Sơ đồ thiết bò nghiên
cứu giới hạn áp dụng đònh luật
Darci
7,0

35,0

52,5

70,0

87,5

0,19

0,92

1,32

1,76

2,1

0,1

0,5

0,75

1,0

1,25

0,027

0,131

0,19

0,25

0,30

3,7

3,8

3,95

4,0

4,17

19


Bài giải:
v (cm/s)
A

I/v

B

cm/s

Hình 6.2. Biểu đồ quan hệ: A – v=f(I); B – I/v=f(v)

I xâ
 I nghiệ
 công
 ,thứ
 yc dựng
Để
cn
n
tốctccDarci
thấ
ichạ
vđượ
theo
thí
m

Vậnxá
Sử
dụ
gsố
thấ
đònh
mđượ
luậ
thự
u ứ
nđònh
gtớ
xá
vớ
i đònh
vnth biề
số
xákế
cthấ
m k:theo
Thô
ntố
gcđònh
bvậ
xá
cm
từ
uc thứ
ctđònh
: quả

thhệ
−
 
 
vu1 vđồ0,173
10
biểu đồ v = f(I). Trênkbiể
(hình
6.2A)
trụ
c
tung
biể
u
diễ
n
v n1 tốc
 v  2  vậ
=
=
=
0
,
26
cm
/
s
=
225
m

/
ngd
u =I =0,38thủ
=y577
m. /Vậ
ngd
bc thấ
= m tới hạn được xác
thấm v, trục hoành – gradient
lự
c
n
tố
1n
0,3
v 2 − v1
đònh
theo
đồsốthò
ở
điể
m
đồc thò
bòđònh
lệch theo
rõ rệtđồ
khỏ
i đườ
ng thẳĐể
ng. Trong

Cá
c
thô
n
g
a
và
b
đượ
xá
c
thò
I/v=f(v).
xâ1ynvà 2
Để
xá
c
đònh
hệ
số
thấ
m
k
cầ
n
lấ
y
điể
m
bấ

t
kỳ
trê
n
phầ
nkỳ
đoạ
Vớ
i
(I/v)
,
(I/v)
,
v
và
v
đượ
c
lấ
y
theo
hai
điể
m
bấ
t
1 này v2th = 10,2cm/s
trườ
ngđồ
hợp

= 173giá
m/ngđ.I/v,
Nhưcòvậ
, thí
nghiệ
m cầ
n phả
i
dựnng
t trê
trục2Từ
tung
n ytrê
nh
thẳ
g củthò,
a đồđặ
thò
v =nf(I).
điểm 1trò
trên đồ
thò
kéno trụ
đườc nhoà
g thẳ
n–g
4,1v− =
3,8f(t) chuyển sang
trê
đồ

thò
(hình
26,
B).
vậ
,g nthẳ
tiế
nnhà
nh
cho
tớĐồ
i khi
mà
đườ
nNhư
g là
thẳđườ
ngyn
trê
đồ
thò
b
=
=v11,76và
vậ
n
tố
c
thấ
m

.
thò
có
đượ
c
n
g
(hình
B) Icắ
t trục
20 6.2,
góc xuống trục tung và trục hoành , ta có cá0c,28
giá
trò
(hình
1
− 0,11
đường cong.