Nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngầm khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh và đề xuất các giải pháp bảo vệ sử dụng hợp lý

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN ĐỨC NÚI

NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM
KHU VỰC VEN BIỂN TỈNH HÀ TĨNH
VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ SỬ DỤNG HỢP LÝ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN ĐỨC NÚI

NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM
KHU VỰC VEN BIỂN TỈNH HÀ TĨNH
VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ SỬ DỤNG HỢP LÝ

Chuyên ngành: Quản lý Tài nguyên và Môi trường
Mã số: 60850101
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. PHAN VĂN TRƯỜNG

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp cao học, bản thân tôi
đã được sự quan tâm giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong Khoa Địa lý, Ban
giám hiệu trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội và Viện Khoa học vật
liệu.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS Phan Văn Trường người đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt và chỉ bảo những kiến thức về chuyên môn thiết
thực và những chỉ dẫn khoa học quý báu.
Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và bạn bè đồng nghiệp, cơ quan cơng tácvà
gia đình đã động viên, giúp đỡ nhiệttình về mặt thời gian, tinh thần và những kinh
nghiệm chuyên môn đề tơi hồn thành luận văn này.

Hà Nội, ngàytháng năm 2014
Học viên

Nguyễn Đức Núi


MỤC LỤC
Lời cảm ơn………………………………………………………………......................i
Danh mục bảng……………………………………………………………..................ii
Danh mục hình………………………………………………………………………..iii
Danh mục từ viết tắt…………………………………………………………..............iv
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài.............................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................1

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................1
4. Nội dung nghiên cứu .................................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...................................................................................2
6. Cơ sở tài liệu và cấu trúc luận văn ............................................................................2
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM3
1.1. Các khái niệm .........................................................................................................3
1.2. Cơ chế xâm nhập mặn nước dưới đất .....................................................................5
1.2.1. Các q trình dịch chuyển chất hịa tan ......................................................5
1.2.2. Q trình phân tán cơ học ...........................................................................7
1.2.3. Quá trình phân tán thuỷ động lực ...............................................................8
1.2.4. Quá trình hấp phụ .....................................................................................10
1.2.5. Quá trình phân rã ......................................................................................10
1.2.6. Ranh giới mặn - nhạt nước dưới đất vùng ven biển .................................11
1.3. Cơ sở lý thuyết và mơ hình tốn học về dịng ngầm ............................................12
1.4. Mơ hình nhiễm mặn trong nước ngầm .................................................................19
1.4.1. Cơ sở lý thuyết về dịch chuyển vật chất hịa tan ......................................19
1.4.2. Mơ hình dịch chuyển vật chất ...................................................................24
1.5. Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn ...................................................................26
1.5.1. Ngoài nước................................................................................................26
1.5.2. Tại Việt Nam .............................................................................................29
1.6. Lịch sử nghiên cứu ĐC, ĐCTV và xâm nhập mặn vùng nghiên cứu ..................31
1.7. Quy trình nghiên cứu ............................................................................................33
1.8. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................34
CHƯƠNG 2:ĐIỀU KIỆN HÌNH THÀNH XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM KHU
VỰC VEN BIỂN HÀ TĨNH........................................................................................36
2.1. Các nhân tố hình thành xâm nhập mặn nước ngầm vùng ven biển Hà Tĩnh .......36
2.1.1. Vị trí địa lý ................................................................................................36
2.1.2. Đặc điểm địa chất .....................................................................................39

2.1.3. Đặc điểm địa chất thuỷ văn ......................................................................45
2.1.4. Đặc điểm địa hình và quá trình địa mạo ...................................................49
2.1.5. Đặc điểm khí hậu ......................................................................................49
2.1.6. Chế độ thuỷ văn- hải văn ..........................................................................54
2.1.7. Đặc điểm thổ nhưỡng................................................................................55
2.1.8. Thảm thực vật ...........................................................................................56
2.2. Các yếu tố nhân tạo ảnh hưởng tới quá trình xâm nhập mặn nước ngầm khu vực
nghiên cứu ...................................................................................................................57
2.2.1.Hoạt động dân sinh ....................................................................................57
Những ảnh hưởng của các hoạt động nhân sinh đến các nguồn nước vùng ven
biển Hà Tĩnh được tổng hợp như trong Bảng 2.9........................................................57
2.2.2.Hoạt động nông – lâm nghiệp ....................................................................59
2.2.3. Nuôi trồng hải sản .....................................................................................60
2.2.4. Hoạt động công nghiệp .............................................................................61
CHƯƠNG 3:ĐẶC ĐIỂM XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM VÀ CÁC GIẢI PHÁP
BẢO VỆ, SỬ DỤNG HỢP LÝ ...................................................................................63
3.1. Thành lập và chỉnh lý mơ hình nhiễm mặn nước ngầm vùng ven biển Hà Tĩnh .63
3.1.1 Sơ đồ hoá các điều kiện của mơ hình ........................................................63
3.1.2. Xây dựng và cập nhật dữ liệu đầu vào trên mơ hình ................................64
3.2. Kết quả chỉnh lý mơ hình .....................................................................................76
3.2.1. Chỉnh lý bài tốn ổn định..........................................................................76
3.2.2. Chỉnh lý bài tốn khơng ổn định...............................................................77
3.3. Hiện trạng xâm nhập mặn nước ngầm vùng ven biển Hà Tĩnh............................78
3.4. Kết quả dự báo xâm nhập mặn nước ngầm theo thời gian ...................................83
3.5. Đề xuất các giải pháp bảo vệ, sử dụng hợp lý tài nguyên nước ngầm vùng ven biển
Hà Tĩnh ........................................................................................................................89
3.5.1. Các giải pháp hạn chế, khắc phục quá trình xâm nhập mặn .....................89
3.5.2. Một số giải pháp khai thác sử dụng nước và bảo vệ môi trường..............92
KẾT LUẬN ...............................................................................................................100
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................101

PHỤ LỤC ..................................................................................................................107


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Phân loại nước dưới đất theo độ tổng khống hóa .......................................5
Bảng 2.1: Thành phần độ hạt của đất đá và mức độ chứa nước ..................................40
Bảng 2.2: Trữ lượng tĩnh nước dưới đất khu vực nghiên cứu .....................................46
Bảng 2.3: Trữ lượng động nước dưới đất khu vực nghiên cứu ...................................46
Bảng 2.4: Lượng mưa tháng, năm trung bình nhiều năm............................................50
Bảng 2.5: Nhiệt độ khơng khí trung bình nhiều năm ..................................................52
Bảng 2.6: Số giờ nắng trung bình nhiều năm ..............................................................52
Bảng 2.7: Độ ẩm khơng khí trung bình nhiều năm .....................................................53
Bảng 2.8: Thống kê 1 số sơng chính tại khu vực nghiên cứu .....................................54
Bảng 2.9:Các ảnh hưởng của hoạt động nhân sinh đến nước ngầm ...........................58
Bảng 2.10: Dân số theo đơn vị hành chính .................................................................59
Bảng 2.11: Danh mục hồ chứa hiện có tại khu vực nghiên cứu ..................................60
Bảng 2.12: Danh mục đập dâng hiện có tại khu vực nghiên cứu ................................60
Bảng 2.13: Thống kê các khu cơng nghiệp hiện có trong khu vực nghiên cứu ..........61
Bảng 3.1: Điều kiện khai thác nước ngầm vùng ven biển Hà Tĩnh ............................74
Bảng 3.2: Xác định thời gian xâm nhập mặn theo lưu lượng khai thác và khoảng cách
đến ranh giới mặn - nhạt ..............................................................................................95
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Q trình dịch chuyển của chất hịa tan theo thời gian và ảnh hưởng của q
trình khuếch tán .............................................................................................................5
Hình 1.2: Đồ thị dự báo đường nồng độ do quá trình khuếch tán phân tử....................7
Hình 1.3: Đường dịng trong mơi trường lỗ hổng dưới tác dụng của quá trình phân tán
thủy động lực .................................................................................................................8
Hình 1.4: Quá trình phân tán đối lưu của chất hòa tan trong dòng một chiều ..............8
Hình 1.5: Sự dịch chuyển chất hịa tan do quá trình đối lưu và phân tán .....................9
Hình 1.6: Vận động của nước dưới đất vùng ven biển ................................................11

Hình 1.7: Sơ đồ quan hệ giữa nước nhạt – mặn dưới đất vùng ven biển ....................12
Hình 1.8: Ơ lưới và các loại ơ trong mơ hình ..............................................................14
Hình 1.9: Ơ lưới i,j,k và 6 ơ bên cạnh ........................................................................15
Hình 1.10: Sơ đồ giải hệ phương trình vi phân ...........................................................16
Hình 1.11: Mặt cắt biểu diễn điều kiện biên sơng .......................................................17
Hình 1.12: Mơ phỏng trên mơ hình .............................................................................17
Hình 1.13: Điều kiện biên tổng hợp (GHB) trong mơ hình ........................................18
Hình 1.14: Quy trình nghiên cứu .................................................................................34
Hình 2.1: Những nhân tố hình thành xâm nhập mặn vùng ven biển ...........................36
Hình 2.2: Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu ..................................................................38
Hình 2.3: Sơ đồ địa chất khu vực nghiên cứu .............................................................44
Hình 2.4: Sơ đồ địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu ..............................................47
Hình 2.5: Biểu đồ lượng mưa từ 2009 -2013 tại các trạm đo......................................50
Hình 2.6: Biểu đồ nhiệt độ - độ ẩm năm 2013 tại trạm Hà Tĩnh .................................54
Hình 2.7: Tỷ lệ phần trăm các nhóm đất khu vực nghiên cứu ....................................56


Hình 3.1: Lưới phân sai của mơ hình ..........................................................................63
Hình 3.2: Sơ đồ hóa các tầng chứa nước trên bình đồ và trên mặt cắt ........................64
Hình 3.3: Bản đồ phân vùng hệ số thấm lớp 1 ............................................................66
Hình 3.4: Bản đồ phân vùng hệ số thấm lớp 2 ............................................................67
Hình 3.5: Bản đồ phân vùng hệ số thấm lớp 3 ............................................................68
Hình 3.6: Bản đồ phân vùng hệ số nhả nước lớp 1 .....................................................69
Hình 3.7: Bản đồ phân vùng hệ số nhả nước lớp 2 .....................................................70
Hình 3.8: Bản đồ phân vùng hệ số nhả nước lớp 3 .....................................................71
Hình 3.9: Giá trị bổ cập và bốc hơi khu vực nghiên cứu ............................................72
Hình 3.10: Điều kiện biên nồng độ chất tan ................................................................75
Hình 3.11: Mực nước ban đầu tính tốn trên mơ hình ................................................77
Hình 3.15: Dự báo xâm nhập mặn tại thời điểm năm 2020 tầng qh ...........................85
Hình 3.16: Dự báo xâm nhập mặn tại thời điểm năm 2020 tầng qp ...........................86

Hình 3.17: Dự báo xâm nhập mặn tại thời điểm năm 2030 tầng qh ...........................87
Hình 3.18: Dự báo xâm nhập mặn tại thời điểm năm 2030 tầng qp ...........................88
Hình 3.19: Khai thác nước dưới đất bằng giếng tia ....................................................97
Hình 3.20: Khai thác nước dưới đất bằng hành lang thu nước nằm ngang .................97


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BĐKH

Biến đổi khí hậu

KT – XH

Kinh tế - xã hội

ĐBBB

Đồng bằng Bắc Bộ

ĐB – TN

Đông Bắc – Tây Nam

ĐC

Địa chất

ĐCCT

Địa chất cơng trình

ĐCTV

Địa chất thuỷ văn

ĐTS

Điện trở suất

ĐVL

Địa vật lý

GIS

Hệ thống thông tin địa lý

NDĐ

Nước dưới đất

TB- ĐN

Tây Bắc – Đông Nam

TCN

Tầng chưa nuớc

TEM

Transmission electron microscopy

XNM

Xâm nhập mặn

UNICEF

Quỹ nhi đồng Liên Hợp quốc

VAST

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Biến đổi khí hậu (BĐKH) đã làm cho thiên tai ở Việt Nam ngày càng gia tăng về
số lượng, cường độ và phạm vi ảnh hưởng. Lĩnh vực chịu tác động lớn là nông nghiệp,
thuỷ lợi, thuỷ sản, diêm nghiệp, lâm nghiệp và an ninh lương thực. Đặc biệt ở những
đồng bằng và dải cát ven biển dưới tác động của nước biển dâng. Vấn đề cấp thiết hiện
nay là quá trình xâm nhập mặn (XNM) gia tăng nhiều nơi, diện tích đất nông nghiệp bị
thu hẹp và ảnh hưởng lớn đến tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt làm giảm trữ lượng các
nguồn nước trong đó có nước nhạt dưới đất.
Hà Tĩnh là một trong những địa phương chịu ảnh hưởng nhất của BĐKH, trong
đó điển hình là q trình XNM.Vùng ven biểnHà Tĩnh với trên 114km2 diện tích đất bị
nhiễm mặn, vào mùa khơ hạn, diện tích trên cịn gia tăng gây ảnh hưởng không nhỏ
đến các hoạt động dân sinh và phát triển kinh tế của khu vực [11]. Vùng ven biển tỉnh
Hà Tĩnh là nơi tập trung đông dân cư và phát triển các hoạt động KT – XH kéo theo

nhu cầu dùng nước ngày càng tăng, trong khi, nước sử dụng chủ yếu được khai thác tại
chỗ từ nguồn nước ngầm và nước mặt đang dần bị hạn chế về cả chất lượng và trữ
lượng. Do vậy, việc khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước nói chung và nước
ngầm nói riêng đang là vấn đề cần quan tâm.
Hiện nay, khai thác và sử dụng nước ngầm của nhân dân trong vùng cịn mang
tính tự phát, thiếu sự quy hoạch,quản lý, các giải pháp bảo vệ tài nguyên nước ngầm
chưa thích hợp nên đã xảy ra các hiện tượng suy thoái nguồn nước bởi thất thoát và
nhiễm bẩn, cùng với q trình XNM, ở nhiều nơi đã có dấu hiệu thiếu hụt nguồn nước
cấp, nhất là vào mùa khơ hạn. Nhằm góp phần giải quyết những vấn đề cấp thiết nêu
trên, nội dung luận văn “Nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngầm khu vực ven biển
Hà Tĩnh và đề xuất các giải pháp bảo vệ, sử dụng hợp lý” sẽ tập trung nghiên cứu
đánh giá quá trình XNM của nước biển đối với nước ngầm, từ đó đề xuất các giải pháp
bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên quý giá này.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Làm sáng tỏ mối quan hệ giữa các hợp phần tự nhiên và các hoạt động phát triển
kinh tế - xã hội đối với quá trình xâm nhập mặn nước ngầm;
- Đề xuất các giải pháp giảm thiểu xâm nhập mặn và khai thác sử dụng hợp lý nước
ngầm khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1


- Đối tượng nghiện cứu: Xâm nhập mặn của nước biển đối với nước ngầm trong
trầm tích Đệ tứ vùng ven biển Hà Tĩnh.
- Phạm vi nghiên cứu: Khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh vớidiện tích khoảng
1.900km2 trải dài từ huyện Nghi Xuân đến huyện Kỳ Anh.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu đánh giá vai trò của các nhân tố tự nhiên, KT – XH ảnh hưởng tới quá
trình xâm nhập mặn nước ngầm khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh;

- Đánh giá thựctrạng XNM và quá trình sử dụng nước ngầm vùng nghiên cứu;
- Nghiên cứu cơ chế XNM nước ngầm khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh;
- Nghiên cứu đề xuất các giải pháp giảm thiểu xâm nhập mặn và khai thác sử dụng
hợp lý tài nguyên nước ngầm khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Làm sáng tỏ cơ chế XNM nước ngầm trong trầm tích Đệ tứ vùng ven biển tỉnh Hà
Tĩnh;
- Đề xuất các giải pháp khoa học nhằm giảm thiểu xâm nhập mặn và khai thácsử
dụng hợp lý tài nguyên nước ngầm vùng ven biển tỉnh Hà Tĩnh;
- Kết quả nghiên cứu là tài liệu có thể sử dụng để định hướng khai thác, sử dụng tài
nguyên nước ngầm và hỗ trợ công tác quy hoạch cấp nước cho vùng ven biển tỉnh Hà
Tĩnh cũng như các vùng khác có điều kiện tương tự.
6. Cơ sở tài liệu và cấu trúc luận văn
Luận văn được xây dựng trên cơ sở nguồn tài liệu là các báo cáo điều tra tài
nguyên nước dưới đất (NDĐ), các đề tài, dự án nghiên cứu đánh giá xâm nhập mặn
NDĐ và các hợp phần tài nguyên khác liên quan thuộc phạm vi nghiên cứu; Các tạp
chí, báo cáo khoa học chuyên ngành tài nguyên nước, địa lý, địa chất, địa chất thủy
văn (ĐCTV), địa mạo, môi trường trong và ngoài nước, đặc biệt là đề tài cấp Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam mã số: VAST05.05/13-14.
Nội dung của luận văn, ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, sẽ
được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngầm
Chương 2: Điều kiện hình thành xâm nhập mặn nước ngầm khu vực ven
biển Hà Tĩnh
Chương 3: Đặc điểm xâm nhập mặn nước ngầm và các giải pháp bảo vệ, sử
dụng hợp lý
Kết luận

2

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM
1.1. Các khái niệm
1) Nước ngầm
Nước ngầm là loại nước trọng lực dưới đất ở trong tầng chứa nước thứ nhất kể từ
trên mặt xuống.Phía trên tầng nước ngầm thường khơng có lớp cách nước che phủ và
nước trọng lực khơng chiếm tồn bộ bề dày của đất đá thấm nước, nên bề mặt của
nước ngầm là một mặt thoáng tự do. Nước ngầm vận động dưới tác dụng của độ chênh
lệch mực nước, chảy theo hướng từ nơi có mực nước ngầm cao đến nơi có mực nước
ngầm thấp hơn. Nó thường được chứa trong trầm tích bở rời điển hình như trong aluvi,
proluvi hoặc trong các dải cát, đụn cát ven biển.
2) Xâm nhập mặn nước ngầm
Xâm nhập mặn là quá trình làm tăng độ muối (chủ yếu là NaCl) trong nước nhạt
và thu hẹp không gian của các thể chứa nước nhạt. XNM ở vùng ven biển xảy ra khi
cột thuỷ áp của nước ngầm hạ thấp xuống dưới mực nước biển, do thay đổi về điều
kiện cân bằng nước ngầm tự nhiên hay do quá trình khai thác sử dụng nước ngầm quá
mức khiến cho mực nước ngầm hạ thấp, dẫn đến sự dịch chuyển của biên mặn về phía
đất liền.
3) Điện trở suất của tầng chứa nước
Đất đá có thể xem như một tập hợp gồm ba pha: pha cứng (đất đá hay khoáng
vật); pha lỏng (nước trong tầng chứa) và pha khí (khí trong các lỗ hổng). Điện trở suất
(ĐTS) của pha lỏng thường có giá trị nhỏ nhất. Vì vậy, điện trở suất của đất đá chứa
nước chủ yếu do điện trở suất của nước quyết định (trừ trường hợp tầng chứa nước có
xen các lớp sét). Nước tự nhiên là các chất điện phân chứa các loại ion khác nhau.Khi
ta tạo ra điện trường thì các ion đó sẽ chuyển dịch và xuất hiện dòng điện. Mật độ
dòng điện phụ thuộc vào mật độ, loại ion và tốc độ di chuyển của chúng[12, 31]. Điện
trở suất của chất điện phân (nước) ρw được xác định theo công thức sau:
=
nếu ca = cc = C thì

=

)

∑(

với

3

∑(
)

=

∑(

(1.1)

= (1.2)
(1.3)

)


Trong đó: ca và cc - mật độ của anion và cation và hàm lượng anion và cation
thông thường ca = cc = C; va và vc - tốc độ di chuyển của anion và cation; fa và fc - độ
linh động của anion và cation, phụ thuộc vào hàm lượng muối hồ tan và thành phần
hóa học của chúng.

Loại dẫn điện ion xảy ra trong đất, đá lỗ hổng, khe nứt lấp đầy dung dịch. Phần
tử tải điện là các ion. Khi có tác động của trường điện bên ngồi, các ion dịch chuyển
định hướng tạo nên dịng điện. Loại dẫn điện ion thường gặp trong đất đá trầm
tích.Archie (1942) khi nghiên cứu độ dẫn điện của các tầng chứa nước, đã chỉ ra rằng
điện trở suất của một tầng chứa tỷ lệ thuận với điện trở suất của nước lấp đầy trong các
lỗ hổng và tỷ lệ nghịch với độ lỗ hổng của tầng chứa nước. Mối quan hệ này được biểu
diễn dưới dạng định luật Archie như sau:
=

=

=

=
với =

và từ(1.2):

=

(1.4)
(1.5)

,a

Trong đó: ρbuk - điện trở suất của tầng chứa nước, F - hệ số cấu thành tầng chứa
nước; ρw - điện trở suất của nước lấp đầy các lỗ hổng của tầng chứa nước; a - hệ số,
phụ thuộc vào đất (a = 0,4; 1,4); k - độ lỗ hổng của đất đá; n - hệ số cấu trúc (n = 1,3;
2,2).
Đối với tầng chứa nước xác định thì hệ số cấu thành tầng chứa nước (F) không

thay đổi. Như vậy, điện trở suất của các tầng chứa nước chỉ biến đổi do tính chất của
nước trong tầng chứa nước thay đổi (do nhiễm mặn, nhiễm bẩn, ...). Sự biến đổi chất
lượng nước ngầm nói chung trong một lãnh thổ rất phức tạp, cả về không gian và thời
gian. Thông thường, chất lượng nước ngầm bao gồm rất nhiều yếu tố để đánh giá như
hàm lượng các ion, các chất keo, các hợp chất có mặt trong nước… trong đó tổng
khống hố là chỉ tiêu cơ bản nhất và quan trọng nhất để đánh giá chất lượng nước vì
đây là chỉ tiêu dùng để đánh giá chất lượng nước tổng quát nhất.
4) Tổng chất rắn hòa tan (TDS)
Bao gồm khoáng chất, muối hoặc kim loại tồn tại trong một khối lượng nước
nhất định, đơn vị biểu thị thường là mg/lhoặc ppm (phần nghìn). TDS được lấy làm cơ
sở ban đầu để xác định mức độ sạch của nguồn nước. TDS tồn tại dưới dạng các ion
âm và ion dương, do nước ln có tính hồ tan rất cao nên nó thường có xu hướng lấy
các ion từ các vật mà nó tiếp xúc.
Từ mối tương quan giữa giá trị TDS của nước và kết quả đo điện trở suất đất đá
chứa nước có thể xác định được đới mặn/nhạt của nước ngầm [12].

4


Bảng 1.1: Phân loại nước dưới đất theo độ tổng khống hóa
Giới hạn TDS
TT
Phân loại
(g/l)
1
Siêu nhạt
<0.2
2
Nhạt
0.2-1

3
Lợ
1 -3
4
Hơi mặn
3-10
5
Mặn
10-35
6
Muối
>35
Nguồn [1, 22, 24, 27]
1.2. Cơ chế xâm nhập mặn nước dưới đất
1.2.1. Các q trình dịch chuyển chất hịa tan
Vận động của vật chất hịa tan trong mơi trường NDĐ là q trình cơ lý và hóa
học rất phức tạp, được gọi là “di chuyển chất hịa tan” theo các q trình sau:
Q trình di chuyển đối lưu:các chất hồ tan vận chuyển theo dòng chảy NDĐ
với tổng lượng chất hòa tan (Fx) theo một hàm số nồng độ của chúng trong nước (C)
và lượng dòng ngầm. Đối với dòng một chiều, một đơn vị diện tích tiết diện lỗ hổng có
lưu lượng dịng ngầm là:
Fx =C* vxne(1.6)
Trong đó:vxne- độ lỗ hổng hữu hiệu, C - vận tốc thấm trung bình

Phương trình vận chuyển vật chất theo kiểu piston cho dòng một chiều có dạng
(2.2) và thể hiện qua hình dạng của đường nồng độ (hình 1.1).
C
C
 vx
t

x

(1.7)

to

1.0

Nồng 0.8
độ
tương 0.6
quan 0.4
C/Co

t1
t2

0.2

x-a

x+a
x

-

+

Hình 1.1: Q trình dịch chuyển của chất hịa tan theo thời gian và ảnh
hưởng của quá trình khuếch tán

5


Quá trình phân tán: nước mặn (nước biển) di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến
nơi có nồng độ thấp hơn. Sự khuếch tán diễn ra đến khi nào gradient nồng độ cịn tồn
tại, ngay cả khi khơng có dòng chảy. Mức độ khuếch tán tỷ lệ thuận với gradient nồng
độ, tuân theo định luật thứ nhất của Fick:
F = - Dd (dC/dx) (1.8)
Trong đó:
F - dịng vật chất trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian;
Dd - hệ số khuếch tán, m2/s;
C - nồng độ chất tan, g/cm3;
dC/dx - gradient nồng độ (g/cm2).
Dấu trừ thể hiện vận động từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn. Ở
25oC có thể xác định Dd theo bảng có sẵn. Trường hợp chất tan có nồng độ thay đổi
theo thời gian thì áp dụng định luật thứ 2 của Fick:
C
 2C
  Dd 2
t
x

Trong đó:

(1.9)

C
- sự thay đổi nồng độ theo thời gian.
t

Trong mơi trường lỗ hổng, q trình khuếch tán xảy ra khơng nhanh như trong
mơi trường nước vì các ion phải di chuyển quãng đường dài hơn khi đi vòng qua các
hạt đất đá. Hệ số khuếch tán phân tử D* được xác định theo cơng thức:
D* = Dd (1.10)
Trong đó:  - hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào mức độ cong của đường vận chuyển.
Sự khuếch tán làm cho chất tan luôn vận động trong môi trường lỗ hổng ngay cả
khi khơng có dịng chảy tự nhiên. Sự khuếch tán của vật chất có nồng độ Co tại thời
điểm to và vận động từ khoảng (x-a) tới (x+a), đến thời điểm t1 và t2 nồng độ chất tan
giảm nhưng lại tăng ngồi khoảng này (hình 1.1). Nồng độ chất tan phân bố theo quy
luật phân phối chuẩn Gausse đặc trưng bởi nồng độ trung bình và phương sai. Có thể
xác định hệ số khuếch tán hữu hiệu qua hai đại lượng phương sai và thời gian:
D* = c2/2t (1.11)
Quá trình khuếch tán thực tế cần xem xét là các ion chủ yếu phải ở trạng thái
trung hồ điện tích. Nếu chất tan bị hấp phụ vào bề mặt hạt rắn thì tỷ lệ khuếch tán
nhìn chung sẽ nhỏ hơn so với chất không bị hấp phụ. Nếu coi nồng độ vật chất ban đầu
trong chất thải rắn là Co, không đổi theo thời gian, sau thời gian t, tại khoảng cách
nồng độ chất tan là Ci (x,t), nếu tính đến điều kiện biên và điều kiện ban đầu (Grank,

6


1956) thì:
Ci ( x , t )  Co erfc

x
(1.12)
2( D*t )1 / 2

Trong đó: Ci - nồng độ chất tan tại khoảng cách x tính từ nguồn phát tại thời

điểm t và được xác định từ khi quá trình khuếch tán bắt đầu xảy ra;erfc - hàm sai số bù
(hàm này sẽ phụ thuộc vào quy luật phân phối chuẩn hay Gausse), có thể tính gần
đúng theo cơng thức:
  4B 2
erfc ( B )  1  exp 
 


 (1.13)


Giá trị erfc(B) dao động trong khoảng 0 - 2.
Quá trình khuếch tán vật chất diễn ra từ vùng có nồng độ Co tới vùng có nồng độ
Ci=0 được biểu diễn trên hình 1.2.
1.0

0.6
0.50
0.4
0.2

0.16

trung
bình

Nồng độ tương quan
C/Co

0.84

0.8

x

0.0
-

+

Hình 1.2: Đồ thị dự báo đường nồng độ do quá trình khuếch tán phân tử
Từ những nhận định trên cho thấy q trình khuếch tán khơng có ý nghĩa đặc thù
đối với sự di chuyển của chất tan. Nó thể hiện một cơ chế vận động ưu thế trong ĐCTV
khi các đất đá chứa nước có tính thấm kém. Tuy nhiên, nó vẫn có thể diễn ra trong các
khoảng khơng của khe nứt, lỗ hổng lớn, kể cả khi khơng có dịng chảy tự nhiên.
1.2.2. Q trình phân tán cơ học
Q trình phân tán cơ học diễn ra khi các chất hịa tan di chuyển qua mơi trường
lỗ rỗng. Chất hịa tan dọc theo đường dịng gọi là q trình phân tán dọc. Sự trộn lẫn
theo phương vng góc với đường dịng gọi là phân tán ngang.
Q trình phân tán cơ học chịu ảnh hưởng của kích thước lỗ hổng dẫn đến vận
chuyển chậm hay nhanh, chiều dài đường vận chuyển và ma sát trong lỗ hổng. Nếu
toàn bộ nước ngầm chứa chất bẩn vận động cùng nhau thì sẽ thay thế nước sạch và tạo

7


nên một bề mặtt ngăn cách giữa
gi hai loại nước. Hơn nữa, sự xâm nh
nhập chất bẩn không
chuyển động cùng mộtt vận
v tốc với nước xảy ra quá trình hỗnn hhợp trên đường vận

chuyển, dẫn đến sự pha loãng chất
ch bẩn trong dịng chảy.
Nếuu q trình phân tán cơ
c học tuân theo định luậtt Fick như đđối với khuếch tán thì
tổng phân tán là hàm số của vận tốc thấm trung bình,
h, trong đó có tính đđến hệ số phân
tán cơ học. Hệ số này tương đương với
v thông số trung bình, đượcc ggọi đơn giản là phân
tán thấm ().
Hệ số phân tán cơ học
h = hệ số phân tán thấm x vận tốc thấm
m trung bình.
1.2.3.
.3. Quá trình phân tán thuỷ
thu động lực
Quá trình khuếch
ch tán phân tử
t và q trình phân tán cơ họcc trong dịng ng
ngầm ln
có sự kết hợp lẫnn nhau. Thông số
s đặc trưng cho quá trình
ình này ggọi là hệ số phân tán
thủy động lực (D).
Hình 1.3: Đường
ờng dịng
d
trong mơi trường
lỗ hổng dưới
ới tác dụng của quá trình
tr

phân
tán thủy
ủy động lực
Hệ số D được thể hiện
hi qua công thức:
DL = Lvi + D*(1.14)
DT = Tvi + D*

(1.15)

Trong đó: DL - hế số
s phân tán thuỷ động lực
dọc theo dòng chảy;DT - hệ số phân tán thuỷ đơng
lựcc theo phương vng góc dịng
d
chảy; T - hệ số
phân tán dọc; L - hệ sốố phân tán ngang; D* - hệ
số khuếch tán phân tử.
Vai trò của khuếch
ch tán phân tử
t và phân tán cơ học đối vớii ttỷ số Ci/Co của chất
hòa tan hoạt động
ng như một
m chất chỉ thị trong môi trường lỗ hổng
ng vvới điều kiện dịng 1
chiều (hình 1.4).

Nồng độ
tương đối
C/Co

Vị trí V ccủa lượng nước
tạii th
thời điểm t
Khi có q
trình phân tán

Khi chỉ
ch có q trình
khu
khuếch
tán phân tử

khoảng cách x

Hình 1.4:
.4: Q trình phân tán đối lưu của chất hịa
ịa tan trong dòng m
một
chiều

8


Nồng độ tương đối
C/Co

Diễn biến của quá trình phân tán và đối lưu được biểu diễn trên hình 1.5.
to

1.0

t1

0.8
0.6

Hướng vận
chuyển

0.4

t2

t2>t1>to

0.2
0.0

0

a

x1

x2

x

Hình 1.5: Sự dịch chuyển chất hịa tan do q trình đối lưu và phân tán

Lượng chất tan ngay lập tức xuất hiện trong tầng chứa nước vào thời điểm to với
khoảng cách (x=0+a), nồng độ ban đầu là C0. Dòng ngầm vận động theo kiểu piston
đưa chất bẩn đi theo. Trong quá trình vận động, dải chất bẩn mở rộng cùng với lượng
chất bẩn theo thời gian, được biểu thị dưới dạng phương trình sau:
( Fx 

F
Fx
F
dx ) dzdy  ( Fy  y dy ) dxdz  ( Fz  z dz ) dxdy (1.16)
x
y
z

Sự chênh lệch giữa chất bẩn vào và ra khỏi phân tố là:
Fy
Fx
F
dxdzdy
dydxdz z dzdxdy (1.17)
x
y
z

Lượng vật chất thay đổi trong phân tố là: ne (C/t) dx.dy.dz
Theo định luật bảo tồn khối lượng ta có:
Fx Fy Fz
C



 ne
(1.18)
x y z
t

với: Fi  vi neC  ne Di

C
i

nên: Fx  vxneC  ne Dx

C
(1.19)
x

Fy  v y neC  ne D y

C
(1.20)
y

C
z

(1.21)

Fz  vz neC  ne Dz

Từ công thức (1.19, 1.20, 1.21) đưa Fx,Fy,Fz vào phương trình (1.16), ta

9


cóphương trình:
   C    C    C   


 C
   Dz
(1.22)
   Dy
   vxC   vxC   vxC  
  Dx
x
x
 t
 x  x  y  y  z  z   x

Phương trình trên là phương trình vận chuyển vật chất 3 chiều theo định luật bảo
tồn khối lượng, khơng chịu tác động của quá trình sinh học hay phân huỷ phóng xạ.
Trong mơi trường đồng nhất Dx, Dy, Dz khơng thay đổi theo không gian. Hơn nữa
do hệ số phân tán thuỷ động lực là một hàm số của hướng dịng chảy, ngay cả khi mơi
trường đẳng hướng đồng nhất, Dx Dy Dz. Đối với dịng một chiều, trong mơi trường
lỗ hổng, đồng nhất, đẳng hướng, phương trình trên được viết là:
DL

 2C
C C
(1.23)

 vx 2 
2
t
x
x

Đối với dòng hai chiều:
2C
2C
C C
DL 2  DT 2  vx 2 
x
y
x
t

(1.24)

DL - thông số phân tán thuỷ động lực dọc theo phương dịng chảy (dọc);
DT - thơng số phân tán thuỷ động lực vng góc với phương dịng chảy (ngang).
Với dạng toạ độ cực ta có phương trình:
  C  D C
C C
(1.25)
U

D

r   r  r  r
r

t

Trong đó: r - khoảng cách tới giếng; U - vận tốc thấm thực trung bình,
U 

Q
; Q - lưu lượng bơm vào giếng;ne - độ lỗ hổng hữu hiệu;R - chiều dài ống
2ne Rr 2

lọc hay phần thu nước của hố khoan.
1.2.4. Quá trình hấp phụ
Quá trình hấp phụ các chất hòa tan trong nước ngầm bao gồm sự hút bám, sự hấp
phụ hóa học, sự hấp phụ vật lý và trao đổi ion. Hấp phụ hóa học xảy ra khi các chất
hòa tan liên kết chặt chẽ trên đất cát hoặc bề mặt của đá bởi một phản ứng hóa học. Sự
hấp phụ vật lý xảy ra do sự khuếch tán của các chất hòa tan vào bên trong các lỗ rỗng
phân tử của các hạt đất đá. Các quá trình này gọi chung là quá trình hấp phụ.
1.2.5. Quá trình phân rã
Quá trình phân rã bao gồm quá trình các chất hịa tan bị vi khuẩn phân hủy và
tham gia vào các phản ứng ơ xy hóa - khử, q trình phân rã của các chất phóng
xạ.Hầu hết nước ngầm dễ bị ô nhiễm các chất hữu cơ chứa hydrocacbon. Các hydro

10


cacbon tạo điều điều kiệnn cho sự
s phát triển của vi khuẩn,
n, chúng cung ccấp năng lượng
cho vi khuẩn tạoo nên màng sinh học
h trên bề mặt chất rắn trong tầng
ng ch

chứa nước.
NDĐ có thể có chứ
ứa các chất phóng xạ. Những chấtt phóng xxạ mang ion dương
khi tiếp xúc với bề mặtt đất
đ đá sẽ làm cho quá trình di chuyểnn ch
chậm lại. Hơn nữa,
chúng còn bị ảnh hưởng
ng bởi
b q trình phân rã phóng xạ làm giảảm nồng độ của chất
phóng xạ trong cả hai giai đoạn
đo hịa tan và hấp phụ.
1.2.6. Ranh giới
ới mặn - nhạt nước dưới đất vùng ven biển
Khái niệm củaa Baydon W. - Giben (1091) mơ phỏng điềuu ki
kiện hình thành nước
nhạt dưới đấtt vùng ven biển
bi và xác định giữa khối nước nhạtt trong đđất liền ln có sự
cân bằng thủy tĩnh vớii nước
nư biển, ranh giới tiếp xúc giữa nước nhạtt llục địa và nước biển
là đường cong thoải, hướ
ớng từ biển vào lục địa, dọc theo đường tiếếp xúc tồn tại sự cân
bằng thủy tĩnh (hình 1.6).
.6). Độ sâu lý thuyết phân bố ranh giới “m
mặn - nhạt” khu vực
nghiên cứu đượcc tính tốn như sau:
Gọi độ cao mựcc NDĐ so với
v mực nước biển là z; độ sâu củaa nnước nhạt đến nước
mặn tại một điểm A bấtt kỳ
k nào đó dưới mực nước biểnn là h, thì áp llực thủy tĩnh tại
điểm này sẽ bằng:

pA = (h - z)m.g (1.26)
Tại điểm B trên đườ
ờng ranh giới giữa nước mặn và nướcc nh
nhạt ở cùng độ sâu h z, áp lực thủy tĩnh do nướ
ớc nhạt gây ra sẽ là:
pB = (h - z)n.g + z.n.g

(1.27)

Nguồn:
n: theo Fetter C.W. (1993)
Hình 1.6:
.6: Vận
V động của nước dưới đất vùng
ùng ven bi
biển
Theo ngun tắcc Giben thì:
thì
pA = pB, do đó: (h - z)
z)m.g = z.n.g (1.28)
Trong đó: m, n là khối
kh lượng riêng của nước biển (≈1,025g/cm
≈1,025g/cm3) và nước nhạt

11


(≈1,000g/cm3), g - gia tốcc trọng
tr
trường.

Từ các phương trình
ình trên chúng ta nhận
nh được:
hz

m

(1.28)

m  n
n
(1.29)
hz z
m  n

h=42z(1.30)
Như vậy, đối với mộột tầng chứa nước đồng nhất về tính thấm,
m, khi bi
biết z chúng ta có
thể xác định được mộtt cách tương đối
đ ranh giới mặn - nhạtt NDĐ vùng ven bi
biển (hình
1.7).Tuy
Tuy nhiên, trong trong trường
trư
hợp ngược lại, tầng chứa nướcc khơng đđồng nhất, có
nhiều lớp chứa nướcc và cách nước
nư nằm xen kẽ nhau hoặc xuấất hiện các “cửa sổ
ĐCTV” như một số nơi thuộc

thu vùng nghiên cứu thì kết quả tính tốn khơng tn theo
cơng thứcc (2.27). Khi đó, để
đ xác định được ranh giới mặn nhạtt ph
phải cần đến nhiều
thông số kỹ thuật hơn nữaa từ
t nhiều phương pháp khác.

1. Mực nước biển;
n; 2. Bề
B mặt tự do của nước nhạt dưới đất;
t; 3. Ranh gi
giới mặn - nhạt

Hình 1.7: Sơ đồồ quan hệ giữa nước
n
nhạt – mặn dưới
ới đất vvùng ven biển
1.3. Cơ sở lý thuyết vàà mơ hình tốn học
h về dịng ngầm
Mơ hình hố q trình thấm
th
của NDĐ là phương pháp thực
ực nghiệm để giải các
bài toán động
ộng lực học NDĐ bằng việc xác định lưu lượng dòng thấm
ấm vvà sự phân bố áp
lực trên toàn bộộ miền chuyển động của NDĐ, kể cả trên
trên ranh gi
giới.Chuyển động của
NDĐ được

ợc mô phỏng bởi phương
ph
trình vi phân đạo hàm riêng trên cơ ssở phương trình
cân bằng khối lượng
ợng của nước
n
trong thể tích phân bố tầng chứa nư
ước và định luật thấm
Dacxidưới dạng phương
ương trình
tr
3.1.
Bản chất mơ hình
ình tốn là mơ tả đơng thái mực nước
ớc trong điều kiện môi tr
trường
không đồng nhất và dị hư
ướng với các điều kiện biên, điều
ều kiện ban đầu của tầng chứa

12


nước tạo thành một mơ hình tốn học về dịng chảy nước dưới đất.
Toàn bộ sự biến thiên độ cao mực nước ngầm được mơ tả bằng một phương trình
đạo hàm riêng duy nhất sau:

+

+

−

=

(1.31)

Trong đó:
Kxx , Kyy , Kzz: các hệ số thấm theo các hướng x,y và z.
h: cốt cao mực nước tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t;
W là Mơdul dịng ngầm, hay là các giá trị bổ cập, giá trị thốt đi của nước ngầm
tính tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t. W = W(x,y,z,t) là hàm số phụ thuộc thời gian và vị
trí không gian (x,y,z); Ss là hệ số nhả nước đơn vị (1/m); Ss = Ss(x,y,z), Kxx =
Kxx(x,y,z), Kyy = Kyy(x,y,z), Kzz = Kzz(x,y,z) các hàm phụ thuộc vào vị trí khơng gian
x,y,z.
Để giải phương trình (1.31)phải tìm hàm số h(x,y,z,t) thoả mãn (1.31) và thoả
mãn các điều kiện biên. Sự biến động của giá trị h theo thời gian sẽ xác định bản chất
của dịng chảy, từ đó có thể dự báo động thái NDĐ cũng như tính tốn các hướng của
dịng chảy.
Việc tìm lời giải giải tích h(x,y,z,t) của phương trình (1.31) chỉ khi nào miền
nghiên cứu được mơ phỏng bằng sơ đồ toán học. Thực tế, miền thấm có điều kiện rất
phức tạp, do đó buộc phải giải bằng phương pháp gần đúng. Một trong các phương
pháp giải gần đúng được áp dụng rộng rãi là phương pháp sai phân hữu hạn.Khi áp
dụng phương pháp sai phân hữu hạn, không gian nghiên cứu được phân ra hay rời rạc
hóa thành nhiều ơ, trong mỗi ơ, các giá trị tham gia vào phương trình được coi làkhơng
đổi. Giá trị này xấp xỉ với giá trị thực tế. Kết quả h(x,y,z,t) sẽ là một lưới ô các giá trị
h. Bằng cách này đưa phương trình đạo hàm riêng (1.31) về một hệ phương trình tuyến
tính. Số lượng phương trình tương đương với số các ô lưới chia. Rõ ràng nếu bước
lưới càng nhỏ thì kết quả thu được từ lời giải sai phân càng gần với lời giải đúng của
phương trình (1.31). Để hình dung được phương pháp sai phân áp dụng như thế nào, ta

sẽ bắt đầu từ quá trình rời rạc hố.
Khơng gian nghiên cứu được phân theo chiều thẳng đứng z thành các lớp chứa
nước. Mỗi lớp chứa nước lại được chia thành các ô nhỏ hơn. Vùng hoạt động của nước
dưới đất trong mỗi tầng chứa nước sẽ được đánh dấu là “ơ trong miền tính”. Những ơ
cách nước hoặc khơng có dịng chảy thấm qua thì được đánh dấu là “ơ ngồi miền
tính”.

13


Hình 1.8: Ơ lưới và các loại
ại ơ trong mơ h
hình
Hệ phương trình
ình sai phân nhận
nh được từ phương trình (1.31)
31) đư
được thành lập trên
cơ sở
ở lý thuyết cân bằng của Buxines: Tổng dòng
d
chảy đến vàà ch
chảy đi từ một ơ phải
bằng
ằng sự thay đổi thể tích nước
n
có trong ơ. Giả thiết rằng khối lư
ượng riêng của nước
dưới đất là khơng đổi
ổi thì

th qui tắc cân bằng dịng chảy
ảy cho một ơ đđược thể hiện bằng
phương trình sau:
∑

=

∆
∆

∆ (1.32)

Trong đó:
Qi là lượng nước
ớc chảy vào
v ơ (nếu chảy ra thì Q lấy
ấy giá trị âm);
Ss là giá trịị của hệ số nhả nước,
n
nó chính là giá trị Ss(x,y,z);
V là thể tích ơ;
h là giá trịị biến thiên
thi của h trong thời gian t tại ơ lưới
ới đang xét.
Hình 1.9 mơ tảả cho một ô lưới
l
(i,j,k) và 6 ô bên cạnh
ạnh nó, (i
(i-1,j,k), (i+1,j,k), (i,j1,k), (i,j+1,k), (i,j,k-1),
1), (i,j,k+1) dịng chảy

chảy từ ô (i,j,k) sang các ô bbên cạnh (nếu chảy
vào mang dấu dương, chảy
ảy ra mang dấu âm).
Nếu đặt CRi,j-1/2,k
1/2,k là sức cản thấm trong hàng thứ
ứ i, lớp thứ k giữa các nút llưới
(i,j-1,k) và (i,j,k) được
ợc tính theo cơng thức:
thức
CR i,j-1/2,k=KRi,j-1/2,k
1/2,kcivk/rj-1/(1.33)

14


Trong đó:KRi,j-1/2,klà hệ số thấm giữa các nút lưới (i,j,k) và (i,j-1,k); civklà diện
tích bề mặt vng góc với phương dòng chảy; rj-1/2là khoảng cách giữa các nút lưới
(i,j,k) và (i,j-1,k).
Lưu lượng cung cấp cho ô lưới từ biên theo phương trình tổng quát sau:
ai,j,k,n = pi,j,k,n hi,j,k + qi,j,k,n(1.34)

i,j,k-1

i,j-1,k

i-1,j,k

i,j,k
i,j+1,k
i+1,j,k

i,j,k+1

Hình 1.9: Ơ lưới i,j,k và 6 ơ bên cạnh
Trong đó:ai,j,k,nbiểu diễn dòng chảy từ nguồn thứ n vào trong nút lưới (i,j,k); hi,j,k
mực nước của nút (i,j,k); pi,j,k,n , qi,j,k,nlà các hệ số có thứ nguyên (L2t-1) và (L3t-1)
tương ứng của phương trình.
Một cách tổng qt, nếu có N nguồn cấp vào trong ơ lưới, lưu lượng tổng hợp
QSi,j,k có thể được viết như sau:
QSi,j,k = Pi,j,k hi,j,k + Qi,j,k(1.35)
Trong đó:Pi,j,k = pi,j,k,n Qi,j,k = qi,j,k,n
Viết cân bằng cho ơ lưới (i,j,k) từ bước thời gian tm-1 đến tmta có:CRi,j-1/2,k(hmi,j-1,k hmi,j,k) + CRi,j+1/2,k(hmi,j+1,k - hmi,j,k) ++ CCi-1/2,j,k(hmi-1,j,k - hmi,j,k) + CCi+1/2,j,k(hmi+1,j,k hmi,j,k) ++ CVi,j,k-1/2(hmi,j,k-1- hmi,j,k) + CVi,j,k+1/2(hmi,j,k+1 - hmi,j,k) + Pi,j,khmi,j,k-1 + Qi,j,k =
Ssi,j,k(rjcjvk)( hmi,j,k - hm-1i,j,k)/(tm - tm-1)(1.36)
Trong đó:hmi,j,klà cốt cao mực nước tại bước thời gian m của ô (i,j,k); CRi,j-1/2,k là
sức cản thấm trong hàng thứ i, lớp thứ k giữa các nút lưới (i,j-1,k) và (i,j,k); KRi,j-1/2,k là
hệ số thấm giữa các nút lưới (i,j,k) và (i,j-1,k); civklà diện tích bề mặt vng góc với
phương dịng chảy; rj-1/2là khoảng cách giữa các nút lưới (i,j,k) và (i,j-1,k).
Phương trình (1.36) sẽ được viết cho các ơ mà mực nước thay đổi theo thời gian.
Như vậy, ta sẽ lập được một hệ phương trình có số phương trình tương ứng với số ô

15


lưới. Giải hệ phương trình này với điều kiện biết được mực nước hm-1i,j,k (điều kiện ban
đầu) ta sẽ xác định được mực nước hmi,j,k.cứ lần lượt như vậy, ta có thể xác định được
mực nước cho bất kỳ thời điểm nào.Hệ phương trình trên được giải bằngphương pháp
lặp, người ta tiến hành chia nhỏ khoảng thời gian (tm-1,tm), kết quả nhận được là lời giải
gần đúng của hệ phương trình. Khi thời gian tăng lên thì h sẽ thay đổi. Khi h đạt được
sự ổn định (chênh lệch h tính được giữa 2 bước thời gian kế cận nhau sẽ nhỏ hơn một
giá trị cho phép) thì mực nước đạt được sự cân bằng động và tại đây kết thúc q trình

tính tốn.Để phương pháp lặp hội tụ, người ta chọn bước thời gian tăng theo cấp số
nhân, khi đó thừa số 1/(tm-1 - tm) sẽ tiến nhanh tới 0, dẫn đến các tổng có liên quan đến
thừa số này hội tụ.Có thể hình dung cách giải hệ phương trình (3.6) bằng phương pháp
theo hình vẽ sau:
C èt cao m ực nước
tín h đ ư ợ c c h o b ­ í c
th ê i g ia n m -1

h m -1 =
h m -1 ,n

B ¾ t đ ầ u t í n h t o á n c h o b ­ í c th ê i g i a n m + 1
K Õ t th ó c t Ý n h t o ¸ n c h o b ­ í c t h ê i g ia n m
N Õu dao ®éng
| h m ,n – h m ,n-1 | n h á h ơ n g i á
t r ị c h ª n h lÖ c h c h o p h é p t h ì
q u á trìn h tín h to á n đ ư ợ c c o i
là h o à n tấ t ở đ © y

h m ,n

h m ,n - 1

h m ,1

h m ,0

B ắ t đ ầ u tín h to ¸ n c h o b ­ í c th ê i g ia n m
K Õ t t h ó c t Ýn h t o ¸ n c h o b ­ í c t h ê i g i a n m - 1

m -1

h
=
h m - 1 ,n

C è t c a o m ù c n ư ớ c tín h đ ư ợ c c h o b ­ í c th ê i g ia n m -1

Hình 1.10: Sơ đồ giải hệ phương trình vi phân
Trong thực tế, khơng cần thiết phải viết phương trình dạng (3.6) cho tất cả các ơ
lưới khi mà những ơ lưới nào đó có thể thiết lập các điều kiện biên trên đó. Có 3 loại
điều kiện biên chính như sau:
- Điều kiện biên loại I là điều kiện biên áp lực trên đó được xác định trước (còn
gọi là điều kiện biên Dirichlet).
- Điều kiện biên loại II là điều kiện biên lưu lượng được xác định trước (còn gọi
là điều kiện biên Neuman). Trường hợp khơng có dịng chảy thì lưu lượng được xác
định bằng không.
- Điều kiện biên loại III là điều kiện lưu lượng trên biên phụ thuộc vào sự thay
đổi của áp lực (còn gọi là điều kiện biên Cauchy hoặc biên hỗn hợp), biên loại này

16


thường
ờng mô tả cho dạng áp lực là
l sông, hồ hoặc dạng tổng hợp như
ư sau:
a) Biên sông
Biên loại này được
ợc mơ phỏng cho dịng

d
chảy
ảy giữa tầng chứa nnước và nguồn nước
mặt, thường làà sơng hay hồ.
h Nó cho phép dòng chảy
ảy từ tầng chứa vvào dòng mặt, hoặc
nước
ớc cũng có thể chảy từ dịng
d
mặt vào trong tầng chứa nước nhưng
ưng ngu
nguồn thấm này
khơng phụ thuộc vào
ào lưu lượng
lư
của dịng mặt(Hình1.11).

Hình 1.11: Mặt
ặt cắt biểu diễn
điều kiện biên
ên sơng

Hình 1.12:: Mơ ph
phỏng trên mơ
hình

Hệệ số sức cản thấm của biên
bi sơng được
ợc thể hiện trong cơng thức:
CRIV = KrLW/M

(1.37)

Trong đó:CRIV - giá trị
tr sức cản thấm. Kr - hệệ số thấm theo ph
phương thẳng đứng
của lớp trầm tích đáy lịng.
ịng. L - chiều dài lịng sơng trong ơ. W - chi
chiều rộng lịng sơng
trong ơ. M -chiều dày của
ủa lớp trầm tích đáy lịng.
l
Lưu lượng dịng thấm
ấm giữa sơng và
v tầng chứa được
ợc tính theo cơng thức:
QRIV = CRIV (HRIV - h) khi h>RBOT

((1.38)

Trong đó: HRIV - mực nước trong sông. h - mực nước
ớc của tầng chứa ngay ddưới
đáy lịng sơng. RBOT - cốt
c cao đáy sơng.
Trong trường
ờng hợp mực nước
n
của tầng chứa nằm dưới
ới đáy sơng th
thì lúc đó lưu

lượng dịng thấm
ấm sẽ đạt ổn định và
v tính theo công thức:
QRIV = CRIV (HRIV - RBOT) khi h <= RBOT

((1.39)

b) Điều kiện biên tổng
ổng hợp
Điều kiện biên loại
ại này
n cũng tương tự như điều kiện biên
ên sông ho
hoặc biên kênh
thốt (hình 3.6). Lưu lượng
ợng dịng
d
thấm qua biên được
ợc tính theo cơng thức
thức:
Qb = Cb(hb - h)
((1.40)
Sức cản thấm Cb cũng
ũng tương
t
tự như sức cản thấm đáy lòng
òng bi
biểu thị sức cản dòng

17