Bài giảng Mô hình nước dưới  đất - Chương 1: Các tính chất vật lý của các tầng chứa  nước

 MÔ HÌNH NƯỚC DƯỚI ĐẤT 
 Chương 1: 
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC TẦNG 
 CHỨA NƯỚC 
 (Physical Properes of Aquifers) 
 TS. Nguyễn Mai Đăng 
 Bộ môn Thủy văn & Tài nguyên nước 
 dang@wru.vn; 0989.551.699 
 Tóm tắt các đề mục 
•  Sự xuất hiện nước ngầm 
 –  Phân bố nước trong tầng sát mặt 
•  Môi trường lỗ rỗng (Porous Medium) 
 –  Độ rỗng (Porosity) 
 –  Hàm lượng ẩm đất (Moisture Content) 
 –  Kích thước hạt (Parcle Size) 
 –  Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure) 
 –  Đường cong đặc nh độ ẩm đất (Soil Moisture Characterisc Curves) 
 –  Hệ số thoát nước (nhả nước) và giữ nước đơn vị (Specific Yield and 
 Retenon) 
•  Các loại tầng chứa nước (Aquifer Types) 
 –  Lượng trữ trong các tầng ngậm nước (Aqufier Storage) 
•  Mực nước thủy áp (Piezometric head) 
Sự xuất hiện nước ngầm 
 Occurrence of Groundwater 
 •  Nước ngầm xuất hiện 
 khi nước xâm nhập vào 
 tầng sát mặt thông qua 
 các khe nứt và lỗ hổng 
 trong đất và đá 
 •  Mực nước ngầm tầng 
 nông (Shallow water 
 level is called the water 
 table) 
 3 
 Phân bố nước trong tầng sát mặt 
•  Phân chia thành các vùng Biểu đồ phân bố đất 
 khác nhau Biểu đồ phân bố ẩm 
 –  Phụ thuộc vào % không (Moisture Profile) (Soil Profile) Mô tả (Descripon) 
 gian lỗ rỗng thay thế bởi 
 nước 
•  Unsaturated Zone 
 –  Nước được lưu giữ bởi các 
 lực hút mao dẫn, độ ẩm 
 vùng này xấp xỉ độ ẩm 
 đồng ruộng (field 
 capacity)trừ khi đang trong 
 quá trình thấm 
•  Soil moisture zone 
 –  Nước chuyển động xuống 
 trong khi thấm và lên trong 
 khi bốc hơi 
•  Capillary fringe 
 –  Lớp này đạt bão hòa ẩm ở 
 đáy (Saturated at base) Độ ẩm 
 –  Đạt độ ẩm đồng ruộng ở bão 
 đỉnh (Field capacity at top) 
•  Saturated Zone hòa 
 –  Các lỗ rỗng bão hòa hoàn 
 toàn (Fully saturated 
 pores) 
Độ ẩm đồng ruông (Field capacity): - Là lượng nước còn giữ lại được sau khi thấm trọng lực (Water 
remaining aer gravity drainage) 
Độ ẩm cây héo (Wilng point): - Là lượng nước còn giữ lại được sau khi thấm trọng lực & bốc hơi (Water 
remaining aer gravity drainage & evapotranspiraon) 
Môi trường lỗ rỗng (Porous Medium) 
 Mặt cắt ngang của lớp đất 
 •  Nước ngầm (Groundwater) 
 –  Là tất cả các lượng nước bên dưới 
 bề mặt đất (All waters found 
 beneath the ground surface) 
 –  Xâm chiếm các lỗ rỗng (Occupies 
 pores) 
 •  Môi trường lỗ rỗng (Porous media ) 
 –  Vô số các lỗ rỗng có kích thước nhỏ 
 (Numerous pores of small size) 
 –  Các lỗ rỗng chứa chất lỏng như 
 Có kích thước đều) Có kích thước không đều) nước và không khí (Pores contain 
 fluids e.g., water and air) 
 –  Các lỗ rỗng đóng vai trò như một 
 đường ống để dẫn nước (Pores act 
 as conduits for flow of fluids) 
 •  Các loại đá (Type of rocks) 
 –  Số lượng, kích thước, và sự sắp xếp của 
 các lỗ rỗng ảnh hưởng đến sức chứa 
 nước và dòng chảy trong địa tầng. 
 •  Các dạng lỗ rỗng không đồng đều 
 (Pores shapes are irregular) 
 –  Sự khác biệt trong khoáng chất 
 hình thành nên các loại đá 
 –  Quá trình địa chất hình thành nên 
 Đá tinh thể khe nứt (đá Đá có thể hòa tan (đá vôi) các hình dạng lỗ rỗng. 
 granite) 
 Mặt cắt ngang của lớp đá 
Kích thước hạt của các loại đất 
 (Parcle Size of Some Soils) 
 6 
 Độ rỗng (Porosity) 
 Soil volume V 
•  Là sự chiếm giữ của khoảng trống (Saturated) Pore 
 trong môi trường xốp (Property of with 
 the voids of the porous medium) water 
•  Nó = % của tổng dung ch bị chiếm 
 giữ bởi các khoảng trống (% of total 
 volume occupied by voids) solid 
 Độ rỗng (Porosity) 
Độ rỗng: tổng dung ch của Soil volume V 
đất có thể được lấp đầy bởi (Saturated) Pore 
nước V V −V with 
 φ = i φ = s
 V V water 
V = Tổng dung ch của khối 
đất đá xem xét solid 
Vi = Dung ch khoảng trống 
Vs = Dung ch phần chất rắn 
 ρ − ρ ρ
ρm = mật độ hạt (grain density) φ = m d =1− d
ρd = mật độ khoảng trống (bulk ρm ρm
density) 
 Tỷ lệ khoảng trống V φ
 e = i =
 (Void Rao): 
 Vs 1−φ
 Các giá trị êu biểu của độ xốp 
 Typical Values of Porosity 
 Material Porosity (%) 
Peat Soil (đất pha than bùn) 60-80 
Soils 50-60 
Clay 45-55 
Silt (phù sa) 40-50 
Med. to Coarse Sand (TB đến thô) 35-40 
Uniform Sand (cát đều) 30-40 
Fine to Med Sand 30-35 
Gravel 30-40 
Gravel and Sand 30-35 
Sandstone (sa thạch) 10-20 
Shale (đá phiến sét) 1-10 
Limestone 1-10 
 9 
 Độ ẩm đất (Moisture Content) 
Độ ẩm đất: = tỷ lệ phần dung Soil volume V 
 (Unsaturated) 
ch nước trên tổng dung ch 
khối đất đá xem xét: V Pore 
 θ = W
 V with 
 air 
V = Tổng dung ch khối đất đá 
Vw = Dung ch nước 
Vi = Dung ch lỗ rỗng 
Vs = Dung ch phần chất rắn 
Độ bão hòa của đất 
 V θ
(Saturaon, % water content): S = W = 0% < S < 100% 
 Vi φ
 Phân bố kích thước hạt 
 (Parcle Size Distribuon) 
 Sand 49% 
 Clay 40% 
Các đặc tính đất Bùn, 
của một mẫu đất lấy phù sa 
ở đảo Síp (Cyprus) 
 Đất 
 sét 
 Cát 11 
 Sức căng mặt ngoài 
 (Surface Tension) 
•  Bên dưới bề mặt giao diện (interface) 
 –  Lực tác động cân bằng lên tất cả các 
 hướng 
•  Tại bề mặt giao diện Bề mặt giao diện (interface) Không khí 
 –  Một số lực bị triệt êu 
 –  Các lực cùng kéo các phân tử xuống 
 –  Giống như màng tế bào kéo căng bề 
 mặt Nước Lực tổng 
•  Bề mặt giao diện bị uốn cong hợp hướng 
 –  Áp suất cao hơn về phía lõm vào bên 
•  Sự tăng lên của áp suất được cân trong 
 bằng bởi sức căng bề mặt 
 Không có lực tổng 
 –  σ = 0.073 N/m (tại 20oC) 
 hợp (bị triệt tiêu) 
•  Áp suất mão dẫn 
 –  Liên quan đến áp suất trên cả 2 phía của 
 mặt giao diện 
 Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure - Pc) 
Cách 1: tính Pc 
 P Air 
 The 
 image 
 cannot 
 T
 ố ấ h
 Bên trong ng áp su t âm e 
 nên nước bị hút lên Solid Solid 
 (Negative ψ 
 Pressure) Water 
 Tại mặt nước ap suất = 0 
 P 
Càng xuống sâu r 
dưới nước áp suất 
càng lớn (Positive 
pressure) 
 ψ: cột nước mao dẫn 
 γ: trọng lượng riêng của nước 
Áp suất σ: sức căng bề mặt 
không khí pair = 0
 pc = pair − pw = γψ
Áp suất p = −γψ
nước w 2σ 2σ
 p = γψ = γ =
 c rγ r
 Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure) 
Cách 2: tính Pc 
 Air θ 
 The 
 ima
 T
 h
 Negative 
 pressure Solid Solid 
 Water 
 Positive r 
 pressure 
 Chất lỏng dâng lên trong ống do lực hút của lỗ (áp suất mao dẫn) cho đến khi 
 cân bằng với trọng lực 
 σ cosθ(2πr) = γπr 2ψ (trọng lực nước trong lỗ) 
 (lực hút mao dẫn) 2σ
 ψ =
 rγ 2σ 2σ
 p = γψ = γ =
 c rγ r
 Phân bố áp suất tầng sát mặt 
 (Subsurface Pressure Distribuon) 
 z
—  Cột nước do áp suất mão Ground surface 
 dẫn bên trên mực nước Pressure is 
 negave above 
 ngầm là: water table 
 ψ =ψ (θ ) ψ Unsaturated zone 
—  Phân bố áp suất thủy 
 Water table z = 0; p = 0
 nh bên dưới mực nước Pressure is 
 posive below d
 ngầm (nơi p = 0) là: water table 1
 ∂p
 = −γ Saturated zone P = γd1 > 0
 ∂z
 p 0
 Đường cong đặc nh của nước trong đất 
 (Soil Water Characterisc Curves) 
 Vùng thấm 
 (Vadose Zone) Porosity 
 Đường cong đặc tính 
 The image cannot be 
 của nướdisplayed.c Yourtrong computer đất 
 may not have enough 
 Capillary 
 Zone 
•  Cột nước áp suất mao dẫn: ψ =ψ (θ )
•  Và phụ thuộc vào: 
 –  Phân bố kích thước của lỗ 
 –  Độ ẩm đất 
 Độ dâng cao mao dẫn trong đất 
 (Capillary Rise in Soils) 
 Độ dâng mao dẫn trong các mẫu vật liệu tự nhiên (không đầm chặt) 
 - Sỏi mịn 
 - Cát rất thô 
 - Cát thô 
 - Cát trung bình 
 - Cát mịn 
Very fine sand - cát rất mịn 
Clay - sét (sau 72 ngày) 
 (vẫn còn dâng lên sau 72 ngày) 
 Đô dâng cao mao dẫn đo được sau 72 ngày; tất cả các mẫu hầu 
 như đều cố cũng độ rỗng 41% 
 Hệ số thoát nước & giữ nước 
 (Specific Yield & Retenon) 
•  Hệ số thoát nước đơn vị (Specific Yield - SY) 
 –  Sy Là tỷ số giữa lượng nước thu được (bởi thoát trọng lực khi mực nước ngầm 
 hạ thấp 1 khoảng ∆h) so với tổng dung ch: gravity drainage volume
 S =
 y total volume
 –  Sy cũng được xem là độ rỗng hữu hiệu (efecve poprosity) 
•  Hệ số giữ nước đơn vị (Specific Retenon - Sr) 
 –  Là lượng nước còn lại sau khi thoát do trọng lực (độ ẩm đồng ruộng - field 
 capacity) S = φ − S
 r y volume drained = S yΔhA
Quan hệ giữa độ rỗng, hệ số thoát nước (nhả nước) và giữ nước đơn vị 
 (Porosity, Specific Yield, & Specific Retenon) 
 Sr = φ − S y
 φ(%) 
 Sy 
 Sr 
 Các loại tầng ngậm nước (Aquifer Types) 
Vùng bổ cập nước ngầm 
 Giếng •  Aquifer 
 phun –  Chứa & chuyển nước 
 –  Phù sa tự nhiên, cát, sỏi, 
 đá cát. 
 •  Aquiclude 
 –  Chứa, nhưng không 
 chuyển nước 
 –  Đất sét and pha đá phiến 
 sét 
 –  Các biên không thấm của 
 các tầng ngậm nước 
 •  Aquitard 
 –  Chuyển nước, nhưng ko 
 giữ nước 
 –  Đá phiến sét và pha sét 
 –  Các lớp có áp thấm nước 
 yếu 
 •  Tầng chứa nước có áp •  Tầng ngậm nước không áp 
 (Confined aquifer) (Unconfined aquifer) 
 –  Có áp suất lớn hơn áp suất khí – 
 quyển Có tồn tại mực nước ngầm 
 –  Có biên bởi các lớp không –  Có biên bởi mực nước ngầm 
 thấm 
 Các loại giếng nước ngầm 
 Áp lực từ bên ngoài ép 
 nén tầng ngậm nước 
 nước bị phun ra do 
 chênh lệch áp suất 
 (lớp không 
 thấm) 
 (lớp không 
 thấm) 
 •  Aquifer 
•  Confined aquifer –  Store & transmit water 
 –  Under pressure –  Unconsolidated deposits 
 –  Bounded by impervious layers sand and gravel, 
 sandstones etc. 
•  Unconfined aquifer •  Aquitard 
 –  Phreac or water table –  Transmit don’t store water 
 –  Bounded by a water table –  Shales and less clay 
 –  Leaky confining layers of 
 aquifers 
 Khả năng chứa nước của tầng ngậm 
 nước (Aquifer Storage) 
•  Khả năng nén của chất lỏng - Fluid Compressibility (β) ΔV = βφρg
•  Khả năng nén của môi trường xốp - Porous Medium Compressibility (α) ΔV = αρg
•  Hệ số thoát nước đơn vị - Specific Storage (Ss) 
 –  Là lượng nước thoát ra được từ 1 thể ch đơn vị của tầng ngậm nước sau khi giảm 
 1 đơn vị cột nước (mô tả next slice) 
•  Tầng chứa nước có áp - Confined Aquifer 
 Ss = ρg(α +φβ)
 –  Nước được lấy ra theo 2 cơ chế (mô tả slice trước): 
 1.  Do tầng chứa nước bị ép nén bởi tăng áp lực từ bên ngoài 
 2.  Nước bị đẩy ra do áp suất giảm 
•  Tầng không áp - Unconfined aquifer Ss = S y
 –  Nước được lấy ra do bơm hút từ các lỗ rỗng 
•  Hệ số thoát nước của tầng ngậm nước - storage coefficient (S) hay còn gọi là sức 
 chứa (storavity): là tổng lượng nước có thể thoát ra được từ 1 tầng ngậm nước 
 khi hạ thâp 1 đơn vị cột nước: 
 S = Ssb
 Chỉ áp dụng đối với tầng có áp. 
 b: bề dày tầng ngậm nước. 
Quan hệ lượng trữ trong các tầng nước ngầm 
 (Storage Relaons in Aquifers) 
 Unconfined Aquifer Confined Aquifer 
 Ss = S y
 Ss = ρg(α + nβ )
 Cao trình và cột nước áp suất 
 (Pressure and Elevaon Heads) 
 •  Mực thủy áp – là năng lượng trên 
 một đơn vị trọng lượng của chất 
 lỏng: 
 p
 h = + z
 γ
 Cao trình 
 (Elevaon 
Cột nước áp suất ψ head) 
(Pressure head) 
h = mực thủy áp 
p = áp suất chất lỏng 
γ = ρg = Trọng lưc riêng chất lỏng 
ρ = Khối lượng riêng chất lỏng (nước: 
1000 kg/m3) Mặt chuẩn (MSL) 
g = gia tốc trọng trường (9.81 m/s2) 
z = cao trình 
 Mực thủy áp 
 (Piezometric Head) 
•  Mực thủy áp 
 (Piezometric head) 
 p
 h = + z
 γ
•  Tầng ko áp (Unconfined 
 aquifer) 
 –  piezometric head = 
 elevaon p
 p
 h = + z γ
 γ
 Pressure 
 p = 0 head = 0 
 h = z z
 Hai tầng ngậm nước có áp với các cột nước khác nhau 
 (Two Confined Aquifers with Different Heads) 
-Nước ngầm có xu thế chảy từ  
tậng ngậm nước phía trên (có 
cột nước lớn) xuống tầng ngậm 
nước phía dưới (cột nước nhỏ). 
- Hình vẽ này   không có thông n 
nào liên quan đến chênh lệch Tầng thấm nước yếu 
cột nước (gradient) theo 
phương ngang, mà chỉ có 
gradient theo phương thẳng 
đứng. 
 Do chênh lệch gradient cột nước nên nước 
 sẽ chảy từ tầng trên xuống tầng dưới 
Gradient cột nước thẳng đứng và nằm ngang 
 (Horizontal and Vercal Head Gradients) 
 (Mực nước ngầm) 
 (Mực thủy áp) 
 Tóm lại nội dung chương 
•  Sự xuất hiện nước ngầm 
 –  Phân bố nước trong tầng sát mặt 
•  Môi trường lỗ rỗng (Porous Medium) 
 –  Độ rỗng (Porosity) 
 –  Hàm lượng ẩm đất (Moisture Content) 
 –  Kích thước hạt (Parcle Size) 
 –  Áp suất mao dẫn (Capillary Pressure) 
 –  Đường cong đặc nh độ ẩm đất (Soil Moisture Characterisc Curves) 
 –  Hệ số thoát nước (nhả nước) và giữ nước đơn vị (Specific Yield and 
 Retenon) 
•  Các loại tầng chứa nước (Aquifer Types) 
 –  Lượng trữ trong các tầng ngậm nước (Aqufier Storage) 
•  Mực nước thủy áp (Piezometric head)