Quan trắc Động thái và Cân bằng nước dưới đất

Header Page 1 of 16.

Quan trắc Động thái và Cân bằng nước dưới đất
(Groundwater Fluctuation and Balance)
Đoàn Văn Cánh
Trường Đại học Mỏ - Địa chất.
Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà Nội

1. Động thái và cân bằng nước dưới đất
1.1. Động thái nước dưới đất
Nước dưới đất là tài nguyên đặc biệt quan trọng, là thành phần thiết yếu của sự sống và môi
trường. Tài nguyên nước dưới đất góp phần vào sự phát triển của xã hội và nhu cầu khai thác sử
dụng nước dưới đất ngày càng ra tăng. Trong khi đó tài nguyên nước dưới đất không phải là vô
hạn, việc khai thác ồ ạt đã gây ra nhiều tác động gây suy thoái, cạn kiệt và ô nhiễm nguồn nước
dưới đất. Để ra quyết định đúng đắn trong công tác quản lý tài nguyên nước dưới đất thì các
thông tin, số liệu về sự biến động tài nguyên nước dưới đất là đặc biệt quan trọng. Sự biến động
tài nguyên nước dưới đất theo thời gian ta gọi là động thái nước dưới đất.
“Động thái nước dưới đất” là sự thay đổi (dao động) các đặc trưng về trữ lượng và chất
lượng của nước dưới đất (mực nước, lưu lượng, nhiệt độ, thành phần hoá học và khí …..) theo
thời gian.
Nghiên cứu và phân tích động thái nước dưới đất cho phép xác định mối liên hệ giữa những
nhân tố cơ bản hình thành động thái với các yếu tố động thái, làm sáng tỏ những quy luật thay
đổi của chúng theo thời gian và không gian. Sau khi làm sáng tỏ những nguyên nhân dẫn đến sự
thay đổi, cơ chế tương tác, quy luật xuất hiện mới có thể dự báo đúng đắn sự thay đổi của dòng
thấm theo thời gian, xây dựng mô hình tối ưu sử dụng nước dưới đất và điều tiết dòng thấm theo
ý muốn của con người.
Nghiên cứu động thái nước dưới đất còn cho phép giải quyết các bài toán thực tế trong Địa
chất thủy văn, như xác định các thông số thấm, đánh giá điều kiện biên của tầng chứa nước, xác
định giá trị cung cấp thấm cho nước dưới đất, xác định mối quan hệ thủy lực giữa nước trên mặt
với nước dưới đất, giữa các tầng chứa nước với nhau, đánh giá ảnh hưởng tác động của con
người tới điều kiện Địa chất thủy văn và môi trường xung quanh.

Một trong những nhiệm vụ cơ bản khi nghiên cứu động thái nước dưới đất là xác định các
nhân tố ảnh hưởng và điều kiện hình thành động thái nước dưới đất. Những nhân tố cơ bản hình
thành động thái nước dưới đất có thể phân ra 6 nhóm: địa chất, vũ trụ, khí hậu, sinh vật - thổ
nhưỡng, thủy văn, nhân tạo. Xác định được các nhân tố cơ bản hình thành động thái và khoảng
thời gian tác động của chúng có ý nghĩa rất quan trọng khi phân tích động thái nước dưới đất.
Đó chính là động lực quyết định đặc trưng hay một trong những nét đặc trưng của động thái
nước dưới đất.
Thông tin về động thái nước dưới đất được thu thập từ mạng lưới quan trắc tài nguyên nước
dưới đất. Mạng lưới quan trắc là tập hợp các trạm, điểm và công trình quan trắc được bố trí theo
một trật tự nhất định và thực hiện việc đo đạc, quan trắc theo một quy trình thống nhất nhằm thu
thập các thông tin, số liệu phục vụ các mục tiêu, nhiệm vụ quản lý nhà nước về tài nguyên nước
và các mục đích khác.

Footer Page 1 of 16.

1377


Header Page 2 of 16.
Theo tư liệu nước ngoài chúng ta được biết, mạng quan trắc mực nước dưới đất đã được
thiết lập ở Anh / xứ Wales vào khoảng 1845. Hệ thống quan trắc động thái nước dưới đất ở các
nước khác thuộc châu Âu bắt đầu trong giai đoạn 1950-1980. Nhiều dữ liệu mực nước dưới đất
có chuỗi số liệu dài 20 - 30 năm. Pháp thiết lập mạng lưới nước quan trắc chất lượng nước dưới
đất đầu tiên ở châu Âu vào năm 1902.
Quan trắc nước dưới đất tại Hoa Kỳ đươc bắt đầu từ đầu của thế kỷ XX (USGS, 1985). Để
đáp ứng nhu cầu mới và mạnh mẽ hơn cho thông tin sẵn có và việc sử dụng hiệu quả nguồn
nước dưới đất, quan trắc mực nước dưới đất trong các giếng khoan bắt đầu ở New Jersey vào
năm 1923 và ở Pennsylvania vào năm 1925. Meinzer là người đầu tiên thành lập bản đồ nước
dưới đất mang tên "Phân vùng nước dưới đất ở Mỹ" vào năm 1923 (Meinzer, 1923). Mạng lưới
lỗ khoan quan trắc mực nước dưới đất đã được mở rộng trên toàn quốc vào cuối năm năm 1960.

Ở nhiều nước đang phát triển công tác quan trắc động thái nước dưới đất chỉ được bắt đầu
bằng các dự án quốc tế về cấp nước đô thị từ nguồn nước dưới đất, đánh dấu những bước đầu
tiên trong việc quan trắc nước dưới đất. Đáng tiếc là các dự án này thường kéo dài trong thời
gian ngắn, chuỗi số liệu không dài và cũng ngừng hoạt động không lâu sau khi kết thúc dự án.
Hiện trạng và sự phát triển mạng lưới quan trắc nước dưới đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
Một mặt, mạng lưới quan trắc được điều chỉnh để phát triển khai thác nguồn nước dưới đất và
đánh giá các tác động ngày càng tăng đối với môi trường. Nhận thức vai trò quan trọng của công
tác quan trắc động thái nước dưới đất, Nhà nước Việt Nam đã tiến hành đầu tư, xây dựng và đưa
vào vận hành 3 mạng quan trắc động thái nước dưới đất Quốc gia tại đồng bằng Bắc Bộ, đồng
bằng Nam Bộ và Tây Nguyên từ những 1985. Ngày nay mạng quan trắc này đang được đầu tư
mở rộng ra các vùng khác.
1.2. Phân dạng mạng quan trắc tài nguyên nước dưới đất
Tùy thuộc vào quy mô mạng quan trắc, tùy thuộc vào mục đích, ý nghĩa, nội dung quan
trắc, tham khảo mạng quan trắc tại các nước khác, chúng tôi đề xuất phân biệt ra làm các mạng
quan trắc đông thái nước dưới đất khu vực và mạng quan trắc chuyên.
Mạng quan trắc khu vực (mạng quan trắc cơ sở) là mạng quan trắc được thiết lập để quan
trắc, nghiên cứu động thái nước dưới đất trên một khu vực rộng lớn lãnh thổ của một nước, một
địa phương, một lưu vực .... phục vụ cung cấp những thông tin nền về động thái nước dưới đất.
Tùy thuộc vaò mục đích quan trắc, tùy thuộc vào quy mô mạng quan trắc, mạng quan trắc
khu vực có thể là mạng quan trắc Quốc gia hoặc mạng quan trắc địa phương.
Mạng quan trắc Quốc gia là mạng quan trắc được thiết kế bao trùm toàn bộ diện tích lãnh
thổ quốc gia, hay diện tích một cấu trúc địa chất, một bồn thu nước, một lưu vực sông… nhằm
cung cấp các thông tin nền phục vụ nghiên cứu động thái tài nguyên nước dưới đất nói riêng và
mối quan hệ giữa tài nguyên nước dưới đất với tài nguyên nước mưa, nước mặt nói chung.
Mạng này được thiết kế có chú ý đến các mạng quan trắc tài nguyên nước mưa, nước mặt.
Mạng quan trắc địa phương là mạng quan trắc tài nguyên nước dưới đất tại một địa phương
nhằm nghiên cứu đánh giá động thái tài nguyên nước dưới đất ở địa phương đó. Vì cùng chung
một mục đích, nên mạng quan trắc này khi thiết kế phải trên nền mạng quan trắc quốc gia đã có
trong vùng, hoặc làm nền cho xây dựng mạng quốc gia sau này để giảm thiểu chi phí xây dựng
vận hành và quản lý mạng.

Mạng quan trắc chuyên (mạng quan trắc vận hành) là mạng quan trắc được thiết lập để
quan trắc, nghiên cứu, giám sát sự biến đổi của một hoặc một vài thông số quan trắc mà sự biến
Footer Page 2 of 16.

1378


Header Page 3 of 16.
đổi của các thông số này liên quan đến việc khai thác, sử dụng nước dưới đất hoặc các tác động
của hoạt động kinh tế - xã hội của con người đến tài nguyên nước dưới đất. Ví dụ như mạng
quan trắc động thái phá hủy do khai thác nước dưới đất trong các dô thị; mạng quan trắc động
thái nước dưới đất trong vùng hoạt động của hồ chứa; mạng quan trắc trong vùng tưới, trong
vùng khai thác mỏ ....; quan trắc nước khoáng nước nóng, mạng quan trắc được thiết lập trong
các đề án, dự án điều tra nước dưới đất.
1.3. Mục tiêu của công tác quan trắc dộng thái nước dưới đất (QTĐT NDĐ)
* QTĐT NDĐ nhằm xác định quy luật biến đổi của các yếu tố động thái về số lượng, chất
lượng nước theo thời gian, từ đó xác định mối quan hệ giữa các yếu tố động thái với nhau, giữa
các yếu tố động thái và các yếu tố hình thành động thái (hình thành nước dưới đất) như: quan hệ
với mưa, với nước mặt, quan hệ giữa các tầng chứa nước với nhau…
* QTĐT NDĐ nhằm cung cấp các thông tin cho tính toán cân bằng nước và từ đó giúp cho
việc xác định các nguồn hình thành trữ lượng động tự nhiên của nước dưới đất.
* QTĐT NDĐ nhằm đánh giá tác động của khai thác nước dưới đất và các hoạt động kinh
tế đến số lượng, chất lượng nước dưới đất.
* QTĐT NDĐ nhằm đánh giá xu thế, diễn biến số lượng, chất lượng nước dưới đất theo
thời gian phục vụ quy hoạch khai thác sử dụng nước dưới đất một cách hợp lý, đề xuất biện
pháp phòng chống cạn kiệt, ô nhiễm nguồn nước dưới đất.
* QTĐT NDĐ nhằm phục vụ cho việc cấp phép thăm dò, khai thác và điều chỉnh chế độ
khai thác nước dưới đất.
1.4. Các thông số quan trắc
Các thông số quan trắc bao gồm : thông số về chất lượng nước và thông số về số lượng

nước.
1.4.1. Thông số về chất lượng nước
Tùy vào đặc điểm chất lượng nước và đặc điểm tự nhiên của diện tích quan trắc, các thông
số vật lý, hóa học thông thường về chất lượng nước dưới đất được quan trắc có thể như sau (19):
Nhiệt độ, độ dẫn điện, pH, tổng chất rắn hòa tan, NH4+, Ca2+, Mg2+, Na+, Fe, Fl, CO32, Cl-,
HCO3-, SO42-, Arsen, NO2-, NO3-, vi sinh (tổng coliform, E.coli.)
Tuy nhiên, tùy thuộc vào đặc điểm về chất lượng nước, hiện trạng ô nhiễm, tùy thuộc vào
mục đích quan trắc có thể lựa chọn một số các thông số thông thường về chất lượng nước như
đã liệt kê ở trên, nhưng phải đảm bảo quan trắc các thông số tối thiểu sau (8): Nhiệt độ, pH, độ
dẫn điện, tổng chất rắn hòa tan, Arsen, NH4+, NO3-, E.coli.
1.4.2. Thông số về số lượng nước
Số lượng nước dưới đất được đặc trưng bởi hai thông số quan trắc: mực nước trong các
công trình quan trắc và lưu lượng các mạch lộ, dòng chảy quan trắc.
- Mực nước dưới đất cần được quan trắc và tính toán theo độ cao tương đối và tuyệt đối.
Trong trường hợp tầng chứa nước phân bố nông, cần thiết phải lắp đặt thiết bị đo mưa để
quan trắc lượng mưa trên diện tích bố trí các trạm quan trắc nước dưới đất.
- Quan trắc lưu lượng nguồn lộ bằng cách đặt ván đo hoặc đo lưu lượng mạch lộ bằng
thùng định lượng và đồng hồ bấm giây.

Footer Page 3 of 16.

1379


Header Page 4 of 16.
Hướng dẫn chi tiết về đo mực nước và quan trắc nguồn lộ được trỉnh bày trong các hướng
dẫn hoặc quy phạm hiện hành.
1.5. Tần suất quan trắc
Nhìn chung cần hài hòa tần suất lấy mẫu chất lượng nước với tần suất quan trắc thủ công
mực nước để thực hiện được cùng lúc cả hai nhiệm vụ nhằm tiết kiệm thời gian và nguồn lực

(những trạm quan trắc mực nước tự động thì tần suất quan trắc dược cài đặt trước).
Tần suất lấy mẫu và phân tích chất lượng nước tối thiểu: 2 lần một năm vào giữa mùa khô
và cuối mùa mưa trong đa số trường hợp.
2 lần/năm vào cuối mùa mưa và mùa khô ở những nơi:
+ Chất lượng nước ít thay đổi về thành phần hóa học;
+ Các tầng chứa nước phân bố sâu (trên 100m), có mức độ trao đổi nước chậm.
4 lần/năm (cuối mùa mưa, giữa mùa khô, giữa mùa mưa và mùa khô, giữa mùa mưa) ở
những nơi:
+ Có sự ô nhiễm ở thượng nguồn (công nghiệp, nông nghiệp, chăn nuôi, làng nghề, nghĩa
trang, v.v…);
+ Thành phần hóa học của nước thay đổi mạnh;
+ Các vùng đất ngập nước và vùng ảnh hưởng triều;
+ Trên những diện tích đang triển khai các dự án điều tra;
+ Trong các giếng khoan đồng thời sử dụng phục vụ cấp nước sinh hoạt.
Tại các điểm đặc biệt (tầng chứa dễ bị tổn thương), tần suất lấy mẫu nước có thể dày hơn.
Lấy mẫu nước phải thực hiện theo đúng quy trình đã được hướng dẫn trong các QCVN,
TCVN hiện hành được trình bày trong bảng 1 dưới đây.
2. Cân bằng nước dưới đất
2.1. Khái niệm về cân bằng nước
Sự thay đổi khối lượng và năng lượng của nước trong một thể tích nào đó của hệ thống địa
chất thuỷ văn diễn ra dưới tác động của các mối quan hệ bên trong và bên ngoài được gọi là trao
đổi nước. Các mối quan hệ này liên quan đến sự xuất hiện áp lực thuỷ tĩnh và áp lực địa tĩnh
gây ra bởi các yếu tố như: khí tượng, thuỷ văn, địa chất, kiến tạo... Các mối quan hệ này (quá
trình ngấm, thấm) tạo ra 3 dạng trao đổi nước cơ bản. Trong nghiên cứu cân bằng nước, những
dạng trao đổi nước là đối tượng nghiên cứu chính.
Cân bằng nước dưới đất - đó là mối tương quan định lượng trong một khoảng thời gian
nhất định giữa các thành phần đến và đi của dòng chảy. Các thành phần này được nghiên cứu
trong một diện tích (khu) cân bằng tương ứng. Từ đó để giải quyết bài toán cân bằng có thể sử
dụng một phần hoặc toàn bộ tầng chứa nước, phức hệ chứa nước hay thậm chí cả bồn địa chất
thuỷ văn. Khu cân bằng được chia theo bản đồ thuỷ đẳng cao/đẳng áp. Để phân chia khu cân

bằng cần vạch ra những đường dòng vuông góc với các đường thuỷ đẳng cao/đẳng áp làm ranh
giới. Mặt cắt đứng (tiết diện) trùng với những đường ranh giới này trên bình đồ và là giới hạn
của các thể tích tính cân bằng. Mối tương quan giữa các thành phần đến và đi trong cân bằng
nước sẽ xem xét trên những ranh giới tương đối này của thể tích nghiên cứu. Về mặt cấu trúc,
các điều kiện địa chất thuỷ văn của khu cân bằng cần phải mang tính điển hình hoặc nói cách
Footer Page 4 of 16.

1380


Header Page 5 of 16.
khác là có tính đại diện, nghĩa là phải thể hiện đầy đủ những đặc điểm và tính chất của toàn bộ
hệ thống địa chất thủy văn.
Cân bằng nước dưới đất là sự thể hiện một cách định lượng các quá trình trao đổi nước diễn
ra trong hệ thống địa chất thuỷ văn và mối tương quan của chúng với môi trường bên ngoài và
với các hệ thống địa chất thuỷ văn khác. Cân bằng nước được thiết lập cho những chu kỳ/thời
gian khác nhau như mùa, năm, nhiều năm. Cân bằng nhiều năm thường được nghiên cứu trong
điều kiện vận động ổn định của nước dưới đất, còn cân bằng năm, mùa - trong điều kiện vận
động không ổn định. Cân bằng nước liên quan đến động thái và cũng thể hiện định lượng các
yếu tố hình thành động thái cũng như mối quan hệ của chúng trong phương trình. Các yếu tố
hình thành động thái tồn tại trong một hoàn cảnh địa chất thuỷ văn nhất định và thể hiện là sự
dao động mực nước.
Các thành phần cân bằng - là các yếu tố xác định sự thay đổi lượng nước trong một thể tích
nào đó. Có thể phân chia thành thành phần đến và thành phần đi hoặc cung cấp và phá hủy?
Chúng có thể là tự nhiên hoặc nhân tạo, trong số chúng có thể đặc trưng cho trao đổi nước
ngang hoặc có thể trao đổi thẳng đứng trong một phạm vi thể tích cân bằng đã phân chia. Những
thành phần cân bằng có thể đặc trưng cho mối tương quan giữa hệ thống địa chất thủy văn với
khí quyển, với quyển nước mặt, có thể với hệ thống địa chất thủy văn bên cạnh. Như vậy, các
thành phần cân bằng chính là những yếu tố hình thành động thái nước dưới đất. Chúng được
biểu diễn dưới dạng thể tích nước (m3) hay chiều cao lớp nước (mm, m) trên một đơn vị diện

tích cho trước, hoặc là biểu diễn bằng m/ngày, m3 /năm hoặc cường độ của các yếu tố (m/ngày,
mm/năm, mm/ngày, m/năm).
Trong điều kiện vận động ổn định, lượng nước chảy đến = lượng nước thoát đi. Trong điều
kiện vận động không ổn định, hai đại lượng này không bằng nhau và có thể được thể hiện qua
sự dâng cao mực nước và lưu lượng dòng chảy được gia tăng (qđến>qđi); hoặc giảm lưu lượng
hoặc giảm mực nước diễn ra khi qđến < qđi. Do sự khác nhau giữa tổng lượng nước đến và đi
trong một khoảng thời gian cân bằng đặc trưng cho lượng nước tăng lên hay giảm đi trong thể
tích cân bằng. Lượng nước trong thể tích cân bằng này phụ thuộc vào tính nhả nước của đất đá
trong hệ thống địa chất thủy văn và được xác định qua hệ số nhả nước trọng lực  (Sy: specific
yield) - đối với nước ngầm và hệ số nhả nước đàn hồi * (S: storage coefficient) - đối với nước
có áp.
Các thành phần cân bằng nước tham gia vào phương trình cân bằng được xác định một cách
độc lập. Chính những thành phần này đánh giá định lượng các yếu tố hình thành động thái. Nếu
tất cả các thành phần tham gia vào cân bằng được xem như 100% tương ứng với tổng lượng đến
và đi, thì yếu tố nào chiếm tỷ lệ >50% - được xem như là yếu tố chủ yếu, và yếu tố nào chiếm tỷ
lệ <10% - được xem như yếu tố thứ yếu.
2.2. Thành lập và phân tích phương trình cân bằng nước dưới đất
2.2.1. Mục đích
+ Làm sáng tỏ và đánh giá định lượng các thành phần cân bằng nước, tìm ra mối quan hệ
giữa chúng, xác định các thành phần cân bằng chính, các yếu tố chính hình thành động thái nước
dưới đất trong diện tích nghiên cứu cân bằng;
+ Làm sáng tỏ kiểu động thái nước dưới đất, phân tích xu thế động thái mực nước và lưu
lượng, từ đó dự báo động thái mực nước và sự thay đổi các thành phần tham gia vào cân bằng
nước dưới đất;
Footer Page 5 of 16.

1381


Header Page 6 of 16.

+ Xác định và tính toán định lượng các kiểu trao đổi nước, xác định mối quan hệ giữa cân
bằng nước dưới đất với cân bằng nước trong đới thông khí và với cân bằng nước chung của lục
địa.
2.2.2. Trình tự lập phương trình cân bằng nước dưới đất
Để nghiên cứu cân bằng nước trong mối quan hệ với nghiên cứu động thái nước dưới đất,
chũng ta phải tiến hành theo trình tự các bước như sau:
Bước 1: Xác định diện tích cân bằng và khoảng thời gian nghiên cứu cân bằng.
Bước 2: Thành lập phương trình cân bằng dưới dạng số học các thành phần đến và đi trong
khoảng thời gian nghiên cứu.
Bước 3: Với giá trị các thông số có được theo kết quả điều tra nước dưới đất, xác định định
lượng các thành phần đến và đi tham gia vào phương trinh cân bằng.
Bước 4: Đánh giá kết quả cân bằng, nghĩa là đánh gia sự thay đổi trữ lượng trong khu cân
bằng do tác động của tất cả các yếu tố.
Trong điều kiện vận động ổn định, mực nước trong thời gian nghiên cứu cân bằng không
thay đổi. Trong điều kiện vận động không ổn định sẽ xảy ra quá trình dâng cao hay suy giảm
mực nước (hoặc trữ lượng nước dưới đất).
Bước 5: Làm sáng tỏ mối quan hệ giữa động thái và cân bằng nước dưới đất; phân tich mối
quan hệ giữa thành phần đến và thành phần đi để rút ra yếu tố chính, yếu tố phụ hình thành
động thái nước dưới đất trong khu cân bằng, từ đó dễ dàng xác định kiểu động thái nước dưới
đất.
Bước 6: Phân tích hướng thay đổi/diễn biến động thái mực nước trong diện tích nghiên cứu
(trong qúa trình khai thác sử dụng nước dưới đất, điều kiện cung cấp và thoát nước sẽ biến đổi
như thế nào) và ảnh hưởng của những xu thế này tới cân bằng nước và với môi trường xung
quanh.
Bước 7: Phân tích diễn biến trữ lượng chung của nước dưới đất
Bước 8: Phân tích, phán đoán khả năng bổ sung trữ lượng nước dưới đất và nguồn hình
thành trữ lượng tự nhiên. Đánh giá định lượng các quá trình trao đổi nước, các dạng quan hệ và
tương tác giữa chúng.
Sự bổ sung trữ lượng nước dưới đất diễn ra trong suốt thời kỳ nghiên cứu cân bằng nước.
Chúng được chia thành các nguồn tự nhiên và nguồn nhân tạo liên quan đến hoạt động của con

người.
Một trong những ưu điểm rất cơ bản của nghiên cứu cân bằng nước dưới đất là, bằng việc
nghiên cứu cân bằng nước dưới đất chúng ta có thể xác định được những đại lượng mà trong
điều tra địa chất thủy văn ở ngoài trời chúng ta không thể xác định được một cách dễ dàng và
chính xác. Đó là dại lượng thất thoát nước dưới đất do bốc hơi từ mặt nước ngầm. Chúng ta biết
rằng trong thực tế, đại lượng này có thể đo đếm được trực tiếp tại các bãi thí nghiệm mà người
ta thường gọi là “sân cân bằng”. Tuy nhiên các sân cân bằng thì không thể đại diện cho cả một
diện tích rộng lớn nghiên cứu với điều kiện trên mặt đất rất khác nhau, điều kiện lớp phủ thổ
nhưỡng rất khác nhau. Cho nên đại lượng thoát nước dưới đất do bốc hơi xác định bằng nghiên
cứu cân bằng nước dưới đất là phương pháp hiệu quả và rẻ tiền nhất.

Footer Page 6 of 16.

1382


Header Page 7 of 16.
Để hiểu rõ hơn về giá trị trong việc nghiên cứu cân bằng nước dưới đất, dưới đây chúng tôi
minh họa bằng một bài tập rất cụ thể. Ví dụ này có thể làm mẫu cho việc nghiên cứu cân bằng
nước dưới đất tại các khu vực nghiên cứu rất khác nhau.
2.3. Nghiên cứu lập phương trình cân bằng
2.3.1. Dữ kiện nghiên cứu cân bằng
Hãy nghiên cứu cân bằng nước ngầm trên diện tích một thềm sông được thể hiện trên như
hình 1. Trên diện tích nghiên cứu có canh tác hoa màu và sử dụng nước tưới với lưu lượng tưới
được ký hiệu là Qt, có lỗ khoan khai thác nước ngầm với lưu lượng là Qlk. Chiều sâu phân bố
mực nước ngầm thay đổi theo mùa, và trong một khoảng thời gian quan sát trong năm, người ta
thấy có sự bốc hơi từ bề mặt nước ngầm. Tầng chứa nước ngầm có quan hệ thuỷ lực với tầng
chứa nước có áp phân bố phía dưới và nhận được giá trị cung cấp bằng thấm xuyên qua lớp
thấm nước yếu với chiều dày m0, hệ số thấm k0. Trong hoàn cảnh có khai thác nước như đã trình
bày ở trên, mực nước ngầm giảm đi một đại lượng trung bình là H sau một năm trên diện tích

nghiên cứu. Giả thiết diện tích khu nghiên cứu cân bằng là F, chiều rộng trung bình của khu cân
bằng ký hiệu là y, chiều dài trung bình là x, thời gian nghiên cứu trong khoảng t = 1 năm.
2.3.2. Xây dựng phương trình cân bằng nước ngầm
Để giải bài toán cân bằng này, chúng ta sẽ tiến hành theo trình tự sau.
2.3.2.1. Phân tích điều kiện hình thành cân bằng nước ngầm trên diện tích cân bằng thể
hiện trên hình 1 và xác định các thành phần tham gia vào cân bằng nước ngầm.
Các thành phần đến bao gồm :
- Dòng ngầm đến (Qin) là dòng ngầm chảy qua ranh giới bên phải của khu cân bằng;
- Cung cấp cho nước ngầm qua đới thông khí bao gồm : ngấm từ nước mưa (Qm) và ngấm
từ nước tưới (Qt);
- Cung cấp cho tầng chứa nước ngầm phía trên từ tầng chứa nước có áp phía dưới do thấm
xuyên (Qtx).
Các thành phần đi bao gồm :
- Dòng ngầm chảy đi tự nhiên (Qout) theo phương ngang về phía dòng chảy mặt;
- Mất đi do khai thác nước (Qlk);
- Bốc hơi từ mặt nước ngầm (Qbh).
Hai thành phần này trong điều kiện bình thường trong cân bằng nước phải bằng nhau,
nhưng theo đầu bài, kết quả quan trắc sau một năm mực nước ngầm giảm một đại lượng là H,
nghĩa là xảy ra quá trình tháo khô một phần tầng chứa nước. Lượng nước này được tính cho 1
năm và ký hiệu là Qtk.
2.3.2.2. Viết phương trình cân bằng chung của nước ngầm trong một năm:
(Qin + Qm + Qt + Qtx) – (Qout + Qbh + Qlk) = Qtk

(1)
3

Các thành phần trong phương trình cân bằng trên biểu diễn bằng m /ngày.
Nếu giả dụ như Qin = Qout và mối quan hệ thuỷ lực giữa nước ngầm và nước có áp bên dưới
không tồn tại (Qtx = 0), đồng thời trong 1 năm tổng lượng dòng chảy đến bằng dòng chảy đi,
mực nước ngầm gần như nằm ngang, trong điều kiện đó phương trình (1) sẽ có dạng:

Qm + Qt – Qbh – Qlk = 0
Footer Page 7 of 16.

(2)
1383


Header Page 8 of 16.
Từ phương trình (1, 2) chúng ta hiểu là dạng phương trình cân bằng nước ngầm và số lượng
các thành phần tham gia trong đó sẽ phụ thuộc vào các yếu tố hình thành động thái nước ngầm.
Nếu nhiều nguồn hình thành, đầy đủ các thành phần tham gia phương trình cân bằng thì viết như
phương trình (1), ngược lại, khi có ít các nguồn hình thành hoặc hạn chế thành phần tham gia thì
viết như phương trình (2), nghĩa là phương trình cân bằng phụ thuộc vào các nguồn hình thành
động thái nước dưới đất.
2.3.2.3. Xác định các thành phần cân bằng nước bằng các phương pháp khác nhau
Những đại lượng như cung cấp do ngấm từ nước mưa, cung cấp ngấm từ nước tưới, từ thấm
xuyên, bốc hơi từ bề mặt nước ngầm ... là những đại lượng rất khó xác định. Để đánh giá chúng,
trong phương trình cân bằng cần phải biết tất cả các thành phần còn lại. Kết quả tính toán sẽ
mang tính gần đúng vì sai số xác định các thành phần đến và đi đều dựa trên những giả thiết
nhất định.
Phương trình cân bằng (1) có thể biểu diễn thông qua chiều cao lớp nước (m) như sau:
Qin Qout
Q t
t  (Wm  Wbh )t  Wt t  Wtx t  lk  H
F
F

(3)

Nếu chúng ta đặt Q = Qin - Qout. Đại lượng cung cấp ngấm từ nước mưa xác định theo

mực nước ngầm trong năm: Wpe = Wm - Wbh (trong đó: Wm, Wbh là cường độ cung cấp và bốc hơi
từ mặt nước ngầm, m/ngày). Cường độ khai thác trung bình của lỗ khoan trên diện tích F được
Q
ký hiệu qlk  lk (m/ngày).
F
Phương trình (3) đưa về dạng:



Q
t  W pet  Wt t  Wtx t  qlk t   H
F

(4)

Wt và Wtx - cường độ ngấm từ nước tưới và cường độ cung cấp do thấm xuyên được xác
định theo công thức Dacxi hoặc theo các phương pháp đo đạc trực tiếp.
Vế trái của phương trình (3, 4) thể hiện những thành phần cân bằng nước hay các yếu tố
hình thành động thái. Vế phải là sự biến đổi trữ lượng nước ngầm gây ra bởi sự suy giảm mực
nước ngầm 1 đại lượng H trong 1 năm.  - hệ số nhả nước của đất đá trong diện tích diễn ra
suy giảm mực nước. Dấu  phụ thuộc vào điều kiện địa chất thuỷ văn cụ thể, tùy thuộc vào
nguồn hình thành nước dưới đất ở vùng nghiên cứu. Nếu tổng các nguồn đến lớn hơn đi thì
mang dấu (+); ngược lại tổng các nguồn thoát mà lớn hơn cung cấp thì mang dấu (-).
Chúng ta hãy xác định các đại lượng trên bằng các con số cụ thể.
Chúng ta giả thiết: t = 365 ngày ; x = 1000 m ; y = 1000 m; K = 10 m/ngày; hệ số thấm
của lớp ngăn cách Ko= 10-3 m/ngày và bề dày của lớp ngăn cách m0 = 10 m. Cường độ cung cấp
ngấm từ nước mưa trung bình là Wm = 10-4 m/ngày (xác định bằng nhiều phương pháp khác
nhau, trong đó có phương pháp Bindeman như đã trình bày trong các sách chuyên môn). Cường
độ cung cấp ngấm từ nước tưới trung bình là Wt = 10-3 m/ngày (xác định bằng cách đo trực tiếp
trên diện tích nghiên cứu bằng thực nghiệm trong sân cân bằng-Linhimetr).

Tại trung tâm khu cân bằng có lỗ khoan khai thác nước với lưu lượng trung bình là Qlk=
1300 m3/ngày. Cách lỗ khoan khai thác nước một khoảng x1 = 1000 m về phía thượng lưu, cốt
cao mực nước nhầm là H3 = 121m, chiều dày tầng chứa nước ngầm trung bình h’tb = 20 m.
Cách lỗ khoan một khoảng x2 = 1000 m về phía hạ lưu, cốt cao mực nước là H1 = 117 m, chiều
1384
Footer Page 8 of 16.


Header Page 9 of 16.
dày tầng chứa nước h’’tb = 18 m. Cốt cao mực nước trung bình trong diện tích có lỗ khoan là H2
= 119 m.
Sau 1 năm, tại khu cân bằng do nguồn đến nhỏ hơn nguồn đi (chủ yếu do khai thác nước),
mực nước ngầm giảm đi một đại lượng H = 2 m. Chiều sâu phân bố mực nước ngầm trung
bình từ 2 - 2,5 m và quan sát thấy sự bốc hơi từ bề mặt nước ngầm với cường độ bốc hơi chưa
xác định được. Hệ số nhả nước trọng lực của cát  = 0,1. Cốt cao trung bình mực nước của tầng
chứa nước có áp ở phía dưới là H4 = 121m.
Tính toán những thành phần đến (cung cấp) của cân bằng nước:
- Dòng ngầm đến theo Dacxi:
Qin = v*F= k*I*F= k*I*h’tb*B = 10*20*1000(121-119) /1000 = 400 m3/ngày
- Cung cấp ngấm từ nước mưa: Qm = Wm*F = 106*10-4 = 100 m3/ngày
- Cung cấp ngấm từ nước tưới: Qt = Wt*F = 106*10-3 = 1000 m3/ngày
- Lượng nước cung cấp do thấm xuyên từ tầng dưới lên :
Cường độ thấm xuyên: Wtx = K0*  H/m0 = 10-3*(121-119)/10 = 2*10-4 m/ngày
Lưu lượng thấm xuyên: Qtx = F*Wtx= 106*2*10-4 = 200 m3/ngày
Tính toán những thành phần đi (thoát):
- Dòng ngầm chảy đi theo Dacxi : Qout = 10*18*1000(119 - 117)/1000 = 360 m3/ngày.
- Lưu lượng nước bị tháo khô do hạ thấp mực nước :
Qtháo khô = V/t = F*H*/t = 106*2*0,1/365 = 2*105/365 = 550 m3/ngày.
Từ những số liệu đã biết và xác định được như trên, rõ ràng là từ đây chúng ta có thể xác
định được đại lượng bốc hơi (Qbh) từ mặt nước ngầm dựa vào phương trình cân bằng đã được

xác lập ở trên, một đại lượng rất khó xác định trong thực tế điều tra địa chất thủy văn theo biểu
thức:
Qbh = Qin + Qw + Qt + Qtx – Qout – Qlk + Qtháo khô
Lượng bốc hơi từ nước ngầm:
Qbh = 400 + 100 + 1000 + 200 - 360 - 1300 + 550 = 590 m3/ngày; Cường độ bốc hơi trung
bình năm là: Wbh = Qbh/F = 590/106 = 0,6 x 10-3 m/ngày.
Như vậy bằng nghiên cứu cân bằng nước chúng ta có thể xác định được một đại lượng hình
thành động thái nước dưới đất mà trong công tác điều tra địa chất thủy văn, điều tra đánh giá tài
nguyên nước rất khó xác định. Đó là lượng bốc hơi từ mực nước ngầm.
Tiếp theo, chúng ta tiếp tục phân tích phương trình cân bằng để đánh giá những yếu tố hình
thành động thái chính và yếu tố phụ một cách định lượng, rồi từ đó có thể phán đoán các kiểu
động thái và dự báo động thái nước dưới đất một cách có cơ sở.
Để giải quyết vấn đề đó chúng ta phải xác định tổng các thành phần đến (cung cấp), tổng
các thành phần đi (thoát) và xác định % tham gia của các yếu tố thành phần trong đó.
Tổng các thành phần đến = 1700 m3/ngày (100%), trong đó:
+ Cung cấp do nước mưa chiếm 5,9%;
+ Cung cấp do nước tưới chiếm 58,8%;
+ Dòng ngầm đến chiếm 23,5%
+ Cung cấp do thấm xuyên chiếm 11,76%
Footer Page 9 of 16.

1385


Header Page 10 of 16.
Tổng các thành phần đi = 2800 m3/ngày (100%), trong đó:
+ Dòng ngầm đi chiếm 12,86%
+ Khai thác nước bằng lỗ khoan chiếm 46,4%
+ Bốc hơi từ mực nước ngầm chiếm 21,07%
+ Tháo khô tầng chiếm 19,64%

Từ những số liệu tính toán đó chúng ta thấy rằng, thành phần cơ bản hình thành nên cân
bằng nước ngầm ở đây là cung cấp do ngấm từ nước tưới và do khai thác nước từ lỗ khoan. Các
thành phần có vị trí thấp hơn là dòng chảy đến và dòng chảy đi. Lượng ngấm từ nước mưa và
cung cấp từ thấm xuyên thực tế không đóng vai trò lớn trong phương trình cân bằng ở vùng
nghiên cứu trình bày ở trên.
Như vậy từ tính toán ở trên, chúng ta đã chứng minh được các yếu tố hình thành động thái
chính là do bổ cập từ nước tưới (58,8%) và khai thác từ lỗ khoan (46,4%). Hai yếu tố đó đều là
yếu tố nhân tạo. Và cũng từ đó bằng cách định lượng chúng ta chứng minh được các yếu tố hình
thành động thái ở dây là các yếu tố nhân tạo. Động thái nước dưới đất ở đây là động thái phá
huỷ (nhân tạo).
Yếu tố tự nhiên ở ví dụ này có vai trò nhỏ hơn: bốc hơi 21%, dòng ngầm đi 13%; dòng
ngầm đến 24%. Các yếu tố hình thành động thái chính đã chứng minh rằng trong thời điểm
nghiên cứu động thái nước dưới đất là động thái phá huỷ nhưng yếu tố tự nhiên đã thể hiện
những ảnh hưởng nhất định đối với việc hình thành động thái và đặc tính dao động mực nước
ngầm, đặc biệt là kỳ nước dâng vào mùa xuân - thu.
2.3.3. Phân tích, dự báo sự thay đổi các
yếu tố cân bằng chính, phụ và động thái
nước dưới đất
Tiếp tục phân tích những yếu tố hình
thành động thái diến biến như sau. Nếu tiếp
tục khai thác nước với tốc độ hạ thấp mực
nước ngầm 0,2m/năm. Sau một số năm khai
thác nước, mực nước ngầm sẽ tiếp tục hạ
thấp đến mức tới hạn trên 5 mét kể từ mặt
đất, khi đó sự bốc hới từ bề mặt nước ngầm
sẽ không còn nữa, toàn bộ lượng nước do
bốc hơi 590 m3/ngày sẽ được lôi kéo quay
trở lại hình thành lên dòng chảy vào lỗ
khoan khai thác. Tiếp tục, nếu mực nước
ngầm tiếp tục hạ thấp, sự chênh cao mực

nước giữa hai tầng chứa nước sẽ gia tăng,
nghĩa là gia tăng nguồn nước thấm xuyên,
hình phễu hạ thấp lan truyền đến sông, lôi
kéo dòng mặt tham gia vào dòng chảy đến
lỗ khoan. Tất cả những nguồn bổ sung đo sẽ
làm cho dòng chảy tới lỗ khoan ổn định,
động thái nước dưới đất ở đây ít biến động.

Footer Page 10 of 16.

Hình 1. Mặt bằng và mặt cắt khu nghiên cứu cân bằng

1386


Header Page 11 of 16.
Tài liệu đọc thêm
1. Guideline on Groundwater monitoring for general reference purposes. Editor: Gerrit Jousma, IGRAC, The
Netherlands International Working Group I Utrecht. June 2006. Revised March 2008.
2. Inventory of existing guidelines and protocols for groundwater assessment and monitoring. G. Jousma, F. J.
Roelofsen. Utrecht. August 2003.
3. World-wide inventory on groundwater monitoring by: G. Jousma, F.J. Roelofsen. Utrecht. IGRAC. October 2004
4. A National Framework For Groundwater Monitoring in th United States. June. 2009.
5. Методическое руководство по ведению мониторинга ресурсов подземных вод. Общее научное
руководство работой осуществлял проф. В. М. Шестаков. Россия, 119899, Москва, Воробьевы Горы.
Геологический факультет МГУ. 11.06.2007.

Footer Page 11 of 16.

1387