Bài giảng Nước dưới đất - Hà Quốc Đông

NƯỚC DƯỚI ĐẤT  (NDĐ) 
Thực hiện 
Ths. Haø Quoác Ñoâng 
02/2006 
Nghiên cứu nước dưới đất nhằm: 
	Tính toán lượng nước khai thác phục vụ công, nông nghiệp, sinh hoạt; 
	Tính toán chọn lựa biện pháp để tháo khô hố móng; 
	Tính toán lượng nước thấm mất của các công trình dẫn giữ nước và tìm giải pháp khắc phục 
NỘI DUNG 
Phần I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 
Phần II : NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN - NƯỚC DƯỚI ĐẤT 
Phần I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 
I. Các giả thuyết về nguồn gốc ndđ 
II. Các kiểu nguồn gốc chính 
III. Các dạng nước tồn tại trong đất đá 
IV. Tính chất vật lý và thành phần hoá học của nước dưới đất 
V. Tính chất hoá học của nước dưới đất 
VI. Các quá trình thành tạo thành phần hoá học nước dưới đất 
VII. Tính chất ăn mòn của nước dưới đất 
I. Các giả thuyết về nguồn gốc NDĐ 
1. Thuyết ngấm 
2. Thuyết ngưng tụ 
3. Thuyết trầm tích 
4. Thuyết nguyên sinh 
II. Các kiểu nguồn gốc chính 
1. Nguồn gốc khí quyển (nước ngấm, nước rữa lũa); 
2. Nguồn gốc biển (nước trầm tích); 
3. Nguồn gốc macma (nước nguyên sinh); 
4. Nguồn gốc biến chất (nước tái sinh, nước khử hydrat). 
III. Các dạng nước tồn tại trong đất đá 
1. Nước ở trạng thái hơi 
2. Nước liên kết vật lý 1 , 2 
3. Nước mao dẫn 
4. Nước trọng lực 
5. Nước ở trạng thái rắn 
6. Nước liên kết hoá học 
Nước ở trạng thái hơi 
Lấp đầy các phần lỗ hỗng và khe nứt rỗng; 
Chúng vận động từ nơi có áp lực cao đến nơi có áp lực thấp hơn (độ ẩm cao đến độ ẩm thấp); 
Hơi nước trong các lỗ hổng và hơi nước trong khí quyển tạo thành một hệ thống cân bằng động. 
Nước liên kết vật lý 
Đặc trưng cho đất loại sét, gồm: 
Nước liên kết chặt (nước hấp phụ): thành tạo do sự hấp phụ các phân tử nước trên bề mặt của các hạt cứng, tạo thành một lớp rất mỏng sát ngay trên bề mặt các hạt. 
Chỉ dịch chuyển được khi chuyển sang thể hơi; 
Cây không hấp thụ được; 
Đất hạt mịn và sét chiếm 15 – 18%; 
Hạt thô là 5%. 
Nước liên kết vật lý 
Nước liên kết yếu (nước màng mỏng): phân bố ngay trên lớp nước liên kết chặt bằng mối liên kết phân tử, 
Cây có thể hấp thụ được; 
Nước có thể dịch chuyển từ màng dày sang màng mỏng hơn; 
Không di chuyển được với tác dụng của trọng lực; và cũng không truyền được áp lực thuỷ tĩnh do không lắp đầy lỗ rổng đất đá; 
Đất sét 25-40%; sét pha 15-23%; cát pha 9-13%; cát 1-7%; 
Nước lk yếu trong đất loại sét tạo cho chúng có tính chất đặc biệt: tính dẻo, tính dính, tính trương nở, lún, 
Nước mao dẫn 
Nước mao dẫn treo: không liên hệ với mực nước ngầm; hình thành từ nước mưa; 
Nước mao dẫn dâng: phân bố phía trên mực nước ngầm, được dâng lên trong các khe lỗ mao dẫn do tác dụng của sức căng bề mặt; 
Nước mao dẫn góc: tạo thành trong các góc của các lỗ rỗng gần chỗ tiếp xúc của các hạt đất đá; 
Nước mao dẫn bao quanh, thành tạo chủ yếu trong đất cát, chiếm giữ tất cả những khoảng trống nằm sát các hạt, trung tâm lỗ có các bọt khí 
Nước trọng lực 
Vận động chủ yếu dưới tác dụng của trọng lực, còn gọi là nước tự do, có khả năng truyền áp lực thuỷ tĩnh; 
Tác dụng phá huỷ đất đá mà nó đi qua; 
Khi vận động trong đất đá mà chỉ một phần các lỗ rỗng chứa đầy nước và chỉ vận động qua các lỗ rỗng đó thôi thì gọi là ngấm ; 
Thấm xảy ra trên diện rộng, đất ở trạng thái bảo hoà, nước thấm dưới áp lực mao dẫn và trọng lực; 
Nước ở trạng thái rắn 
Nước trọng lực và một phần nước liên kết bị đóng băng trở thành nước ở trạng thái rắn, khi nhiệt độ nước < 0 0 C; 
Tính chất đất đá bị thay đổi khi đóng băng 
Nước liên kết hoá học 
Nước kết cấu : tham gia vào mạng tinh thể các khoáng vật ở dạng ion OH - , H 3 O + , nhiệt độ tách ra 300 -1.300 o C; 
Các khoáng vật : topaz Al 2 (OH) 2 SiO 2 , Al 2 (OH) 3 , Ca(OH) 2 , 
Nước kết tinh : nước nằm trong mạng tinh thể dưới dạng phân tử nước H 2 O hoặc nhóm phân tử nước, tách ra ở nhiệt độ 250-300 o C, 
Các khoáng vật: thạch cao CaSO 4 .2H 2 O, xôda Na 2 CO 3 .10H 2 O, bisophít MgCl 2 .6H 2 O,. 
IV. Tính chất vật lý và thành phần hoá học của nước dưới đất 
1. Tính chất vật lý 
Nhiệt độ 
Độ trong suốt 
Màu sắc 
Mùi 
Vị 
Bên cạnh còn có tính đàn hồi, tính nhớt, tính dẫn điện, phóng xạ 
2. Thành phần hoá học 
Thành phần muối - ion nước dưới đất (quyết định bởi các ion Cl, SO 4 2- , HCO 3 - , Na + , Mg 2+ , Ca 2+ , các hợp chất N và các nguyên tố K, Si, Fe, Al, P) 
Các chất keo (Các phân tử keo Al 3+ , Fe 2+,3+ , SiO 2 ) 
Các khí hoà tan trong nước dưới đất (O 2 , CO 2 , H 2 S, H 2 , CH 4 , N 2 ,... Các khí hiếm) 
Các chất hữu cơ 
Nhiệt độ 
Phụ thuộc vào: 
Cấu tạo địa chất 
Điều kiện địa lý tự nhiên 
Động thái cung cấp 
Nước lạnh: 0-20 
Nước ấm: 20-37 
Nước nóng: 37-42 
Rất nóng: 42-100 
Nước quá nhiệt: >100 
Độ trong suốt 
Phụ thuộc vào 
Các khoáng chất hoà tan 
Tạp chất cơ học 
Chất hữu cơ 
Chất keo có trong nước 
Trong suốt 
Hơi đục 
Đục 
Rất đục 
Màu sắc 
Phụ thuộc vào: 
Thành phần hoá học 
Các tạp chất 
Phần lớn nước dưới đất là không màu 
Nước cứng (6-9mgđl/l): màu xanh da trời; 
Nước chứa: H 2 S và Fe 2 O 3 : màu phớt lục; 
Các khoáng chất lơ lững: màu xám nhạt. 
(1mg-đl/l độ cứng ~ 20,04mg Ca 2+ /1l H 2 O, ~12,6mg-đl Mg 2+ /1l H 2 O) 
Mùi 
Nước dưới đất không mùi 
Liên quan đến hoạt động vi khuẩn phân hủy hữu cơ 
Vị 
Do sự có mặt của hợp chất hoà tan, các khí và tạp chất 
Nước chứa Ca(HCO 3 ) 2 , Mg, CO 2 , có vị dễ chịu; 
Chất hữu cơ, nước có vị ngọt 
MgSO 4 , nước có vị đắng; 
NaCl, có vị mặn 
V. Tính chất hoá học của nước dưới đất 
1. Độ khoáng hoá 
2. Độ pH 
3. Độ cứng 
4. Độ kiềm của nước 
Độ khoáng hoá 
Lượng cặn khô/ 01lit nước, nung ở t o = 110 o C (đơn vị mg/l, g/l); 
Trong điều kiện tự nhiên, nước dưới đất từ 0,1 – 650g/l; 
Theo độ khoáng hoá ở điều kiện tự nhiên: 
Siêu nhạt: 	< 0.2g/l (Có thành phần Ca(HCO 3 ) 2 ) 
Nhạt:	0.2 – 1.0 (Có thành phần Ca(HCO 3 ) 2 ) 
Lợ:	1.0 – 3.0 (Có thành phần sunfat) 
Hơi mặn:	3.0 – 10 (Có thành phần sunfat và clorua) 
Mặn:	10 – 35 (Có thành phần sunfat và clorua) 
Muối:	> 35g/l 
Độ pH (pH = -lgH + ) 
Đặc trưng cho hoạt tính của nước 
Nước dưới đất là nước bazơ yếu; 
Nước ở vùng mỏ sắt, than có tính axit, siêu axit; 
Siêu axit:	< 5 
Axit:	5 < pH < 7 
Trung tính:	pH = 7 
Bazơ:	7 < pH < 9 
Siêu bazơ:	> 9 
Nước sinh hoạt: 6.5 < pH < 8.5 
Độ cứng 
Độ cứng toàn phần : được xác định bằng sự có mặt của toàn bộ các ion Ca 2+ và Mg 2+ trong nước; 
Độ cứng tạm thời (độ cứng cacbonat) gây nên do các muối hidro cacbonat và cacbonat canxi, Mg; 
Độ cứng vĩnh cửu là hiệu số giữa độ cứng toàn phần và độ cứng tạm thời; 
(1mg-đl/l độ cứng ~ 20,04mg Ca 2+ /1l H 2 O, ~12,6mg-đl Mg 2+ /1l H 2 O) 
Rất mềm:	< 1.5 
Mềm:	1.5 – 3.0 
Tương đối cứng:	3.0 – 6.0 
Cứng:	6.0 – 9.0 
Rất cứng:	> 9.0 
Độ kiềm của nước 
Sự có mặt của các chất: NaOH, Na 2 CO 3 , NaHCO 3 , tạo nên độ kiềm của nước. 
Biểu diễn bằng mg-đl/l 
01mg-đl ứng với 40mg/l NaOH, 53mg/l Na 2 CO 3 , và 84.22mg/l NaHCO 3; 
Tổng độ kiềm là đặc tính quan trọng, được tính toán khi sử dụng nước cho các thiết bị lạnh, các thiết bị sử dụng năng lượng hơi nước. 
VI. Các quá trình thành tạo thành phần hoá học NDĐ 
1. Quá trình rữa lũa và hoà tan 
2. Quá trình tạo hỗn hợp nước 
3. Quá trình lắng đọng muối 
4. Quá trình cô đặc nước 
5. Quá trình khuếch tán 
6. Quá trình trao đổi cation 
7. Các quá trình vi sinh vật 
Quá trình macma và biến chất cũng làm thay đổi về thành phần, tính chất của nước 
Quá trình rữa lũa - hoà tan 
Rửa lũa là quá trình chuyển vào dung dịch một nguyên tố nào đó từ khoáng vật mà không phá hủy mạng tinh thể của chúng; 
Hoà tan là quá trình đưa vào dung dịch các nguyên tố của khoáng vật và làm tinh thể của chúng bị phá huỷ. 
Ở điều kiện tự nhiên, nước sẽ rữa lũa, hoà tan các loại đất đá dễ hoà tan, do đó thành phần nước rất phức tạp (giàu các muối Na, K, Ca, Mg) 
Quá trình tạo hỗn hợp nước 
Quá trình xảy ra cùng với quá trình trầm động muối cacbonat canxi, manhê, sắt, thạch cao,Tạo nên các hỗn hợp nước phức tạp từ nhiều nguồn nước có thành phần khác nhau 
Quá trình lắng đọng muối 
Xảy ra trong quá trình hỗn hợp muối hay khi điều kiện nhiệt động thay đổi. 
Sự lắng động muối xảy ra, làm giảm nồng độ muối hoà tan trong nước và sẽ làm thay đổi thành phần hoá học của nước. 
Quá trình cô đặc nước 
Làm tăng lượng các chất dễ hoà tan trong nước do bốc hơi, phát tán, 
Khi bốc hơi các muối hoá tan sẽ được giữ lại trong đất đá, trong nước dưới đất làm tăng độ muối. 
Sự tăng độ khoáng hoá cũng một phần do thực vật phát tán hơi nước. 
Quá trình khuếch tán 
Là quá trình phân tán nồng độ vật chất, từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn dưới tác động của nhiệt phân tử. 
Quá trình này làm cân bằng hàm lượng chất hoà tan, thành phần hoá học trong toàn bộ thể tích của hệ thống nào đó 
Quá trình trao đổi cation 
Quá trình này liên quan đến khả năng hấp phụ hoá lý của đất đá phân tán hạt mịn (sét, á sét), đường kính hạt < 0.002mm. 
Quá trình trao đổi ion có ý nghĩa quan trọng trong điều kiện phân bố rộng rãi các trầm tích hạt mịn. 
Tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố khi trao đổi sẽ xuất hiện các loại nước có nguồn gốc khác nhau, thành phần và tính chất cũng không giống nhau. 
Các quá trình sinh vật 
Hoạt động của sinh vật làm thành phần khí và muối của nước thay đổi. 
Sinh vật sẽ hoạt động trong môi trường oxi và môi trường khử (thiếu oxi) làm cho thành phần và tính chất nước thay đổi: 
Môi trường oxi hoá vi khuẩn lưu huỳnh và sắt có khả năng oxi hoá sunfua hydro, lưu huỳnh và sắt 
Môi trường khử các vi khuẩn hiếm khí hoạt động khử sunfat và nitơrat 
VI. Tính chất ăn mòn của nước dưới đất 
1. Ăn mòn bêtông 
2. Ăn mòn kim loại 
Ăn mòn bêtông 
Các hợp chất CaCO 3 , CaSO 4 .2H 2 O, MgSO 4 .2H 2 O, và 3CaO.Al 2 O 3 .3CaSO 4 .31H 2 O (sunfua aluminat canxi) có trong nước làm trương nở bê tông; 
Gồm 05 dạng ăn mòn chính 
Sunfat:	Có dấu hiệu hàm lượng SO 4 2- cao; 
Manhê:	Có dấu hiệu hàm lượng Mg 2+ cao; 
Axit:	Giá trị pH thấp; 
Cacbonat:	Có mặt của axit cacbonic; 
Khử kiềm: 	Hàm lượng ion HCO 3 - thấp; 
Bên cạnh đó chúng ta cần chú ý đến khả năng thấm của bê tông, tốc độ vận động của nước, 
Ăn mòn kim loại 
Sự có mặt của: 
Các muối: (Ca(HCO 3 ) 2 ,NaHCO 3 )- nhạt , (CaSO 4 , MgSO 4 )- trung bình , (NaCl, CaCl 2 )- mặn; 
Các khí hoà tan: O 2 ; CO 2 , H 2 S, CH 4 , N 2 , 
Sẽ ăn mòn mãnh liệt Fe và kim loại khác; 
Nước mềm ( nước cứng; 
Kim loại bị ăn mòn mạnh khi pH 9.0; 
Khi nhiệt độ và vận tốc dòng chảy tăng, thì khả năng ăn mòn tăng 
Phần II : NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN - NƯỚC DƯỚI ĐẤT 
I. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toán 
II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đất 
III. Bài toán dòng chảy đến giếng khoan 
I. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toán 
- Đới thông khí ? 
(thổ nhưỡng, trung gian, mao dẫn); 
- Đới bảo hoà ?; 
I. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toán 
- Tầng cách nước ? 
- Tầng chứa nước ? 
- Nước thượng tầng ? 
- Nước có áp ? 
- Nước không áp ? 
I. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toán 
I. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toán 
Tầng chứa nước có áp 
Nước có áp 
I. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toán 
Động thái nước dưới đất 
I. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toán 
Dòng chảy nước dưới đất 
I. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toán 
Áp lực thuỷ tỉnh 
Cột nước áp lực thuỷ tĩnh 
(Chính là chiều cao của cột nước so với mặt chuẩn) 
I. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toán 
Áp lực thuỷ động 
Khi nước vận động tạo áp lực, cột nước giếng khoan sẽ lớn hơn so với cột nước khi nước không vận động. 
Trong quá trình vận động từ mc1 đến mc2, thì cột nước áp lực thuỷ động sẽ giảm xuống do năng lượng bị mất đi để thắng lực ma sát. 
I. Cơ sở lý thuyết và động lực bài toán 
Gradien thuỷ lực I(độ dốc thủy lực) 
Khi nước vận động qua lỗ rỗng, một phần áp lực bị tổn thất do ma sát, kết quả tạo nên bề mặt dốc của nước dưới đất theo phương vận động. 
Nếu đáy cách nước nằm ngang: 
	(h 1 = H 1 , h 2 = H 2 ) 
Các yếu tố của dòng thấm 
- Tầng chứa nước có thành phần thạch học như nhau thì nó được gọi là tầng chứa nước đồng nhất, nước chảy qua gọi là dòng ổn định. 
- Tầng chứa nước không áp: đặc trưng bởi mặt thoáng tự do, nước vận động dưới tác động của trọng lực và động thái thấm không đàn hồi. 
- Sự vận động của nước trọng lực trong môi trường lỗ rỗng của đất đá gọi là thấm. 
- Vận động ổn định của nước trong đất đá đặc trưng bởi sự ổn định của các yếu tố dòng thấm (V, q, Q, I, đường dòng, đường đẳng áp) theo thời gian. 
Các yếu tố của dòng thấm 
- Đường dòng chảy: Là đường mà theo đó nước vận động, có thể song song hoặc không. 
- Đường đồng áp: vuông góc với đường dòng chảy. Nước ngầm gọi là thuỷ đẳng cao, nước có áp gọi là thuỷ đẳng áp. 
- Dòng chảy tầng: Các tia riêng biệt của dòng nước song song nhau, tốc độ dòng chảy nhỏ. 
- Dòng chảy rối: tốc độ dòng chảy lớn, dòng chảy bị xáo trộn và tính liên kết dòng chảy bị phá huỷ. 
- Diện tích mặt cắt ướt của dòng chảy 
ĐỊNH LUẬT DARCY (1856) 
Vận tốc dòng chảy (m/s, m/ngđ) 
Lưu lượng dòng chảy, (m 3 /s, m 3 /ngđ) 
Lưu lượng đơn vị, (m 2 /s, m 2 /ngđ) 
Vận tốc thực của dòng chảy 
Vận tốc chảy qua phần diện tích lỗ rỗng của đất đá 
II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đất 
Dòng chảy không áp đáy cách nước nằm ngang 
Lưu lượng đơn vị 
Phương trình đường cong mực nước 
II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đất 
Không áp – đáy cách nước nghiêng 
(Với Z x = i.x; i: độ nghiêng đáy cách nước) 
II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đất 
Có áp – Chiều dày không đổi 
II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đất 
Có áp – chiều dày thay đổi 
Chiều dày tầng chứa nước 
Lưu lượng 
Phương trình đường cong 
II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đất 
Không áp chiều dày thay đổi 
II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đất 
Không áp – dòng chảy song song với mặt phân lớp 
Lập phương trình đường cong mực nước ?? 
II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đất 
Không áp – dòng chảy vuông góc với mặt phân lớp 
Chiều dày dòng chảy tại ranh hai lớp 
II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đất 
Không áp – miền ở hai sông 
w 
II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đất 
Dòng chảy vào giếng 
II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đất 
Dòng ổn định – giếng hoàn chỉnh – không áp 
	- Gradien 
	- Tiết diện thấm 
	- Lưu lượng 
	- Hệ số thấm 
	- Bán kính ảnh hưởng 
	+ Không áp (I. Kusakin) 
	+ Có áp (Dikhard) 
II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đất 
Không áp 
Theo kozenny, bán kính ảnh hưởng max 
n, độ rỗng 
t, thời gian bơm nước khỏi giếng với lưu lượng Q 
II. Bài toán dòng chảy ổn định nước dưới đất 
Giếng có áp 
Quan Hệ Giữa Q và S , tầng chứa nước có áp 
Nếu R = const, thì quan hệ giữa Q và S là quan hệ tuyến tính (khi độ hạ thấp mực nước trong giếng khoan nhỏ). 
Khi S lớn thì quan hệ là phi tuyến: 
Hệ số a, b là hệ số phụ thuộc vào sức cản khi nước vận động qua đất đá 
- a, b được xác định theo tài liệu bơm hút nước thí nghiệm ở hai độ giảm mực nước S 1 , S 2 . 
- Xác định lưu lượng giếng khoan Q tương ứng với độ hạ thấp mực nước S. 
Nước thượng tầng 
Phiểu áp lực 
Xâm nhập mặn 
Ô nhiễm nước dưới đất 
Ô nhiễm nước dưới đất