CHƯƠNG III: TÀI NGUYÊN NƯỚC NGẦM

Chương III: Tài nguyên nước ngầm



-



Trữ lượng tĩnh tự nhiên: là lượng nước trọng lực trong các lỗ hổng, khe nứt và hang

hốc của đất đá chứa nước, kể cả lượng nước trọng lực của đất đá chứa nước trong đới

dao động mực nước. Trong các vỉa có áp trữ lượng tĩnh tự nhiên là thể tích nước có

thể lấy ra từ các vỉa chứa nước khi hạ thấp mực nước áp lực do tính đàn hồi của nước

và đất đá gây ra.



-



Trữ lượng động tự nhiên: là lượng nước cung cấp của tầng chứa nước trong điều kiện

bị phá hủy do quá trình khai thác, thường được tính bằng tổng các yếu tố cân bằng tự

nhiên của tầng thấm nước mưa, thấm từ sông, thấm xuyên từ các tầng chứa nước lân

cận (gọi chung là tầng chứa nước). Trữ lượng này được xác định bằng lưu lượng của

dòng chảy dưới đất hoặc bằng trữ lượng thoát của các yếu tố cân bằng nước (như

lượng bốc hơi, lượng thoát của mạch nước, lượng thấm xuyên của các tầng lân cận,

lượng thấm ra sông...).



-



Trữ lượng bổ sung: là lượng nước chảy vào tầng chứa nước do hoạt động khai thác.



-



Trữ lượng tĩnh nhân tạo: là thể tích nước dưới đất trong tầng chứa nước có được do sự

xây dựng các công trình để cung cấp bổ sung cho đất đá chưa bão hòa nước.



-



Trữ lượng động nhân tạo: là lượng nước từ kênh đào, hồ chứa, diện tích tưới... thấm

vào tầng chứa nước do tiến hành các biện pháp kỹ thuật để gia tăng nguồn cung cấp

cho nước dưới đất.



Vì vậy, trữ lượng khai thác nước dưới đất được xem là hàm của các biến số nói trên cùng

với thời gian khai thác và hệ số sử dụng các loại trữ lượng tương ứng.

Các mỏ nước dưới đất được phân thành 3 nhóm:

-



Nhóm I: nhóm mỏ nước có điều kiện địa chất thủy văn đơn giản. Đó là mỏ có tầng

chứa nước ổn định, chiều dày không thay đổi, đất đá đồng nhất, các nguồn chính hình

thành trữ lượng khai thác nước dưới đất có thể nghiên cứu chính xác trong quá trình

thăm dò hoặc dự toán có cơ sở.



-



Nhóm II: nhóm mỏ nước có điều kiện địa chất thủy văn phức tạp. Thuộc nhóm này là

các mỏ nước có tầng chứa nước tương đối ổn định, chiều dày biến đổi, không đồng

nhất về tính thấm; một phần nguồn hình thành trữ lượng khai thác có thể được nghiên

cứu chính xác trong quá trình thăm dò, còn lại chỉ có thể dự đoán; chất lượng nước có

thể bị thay đổi và được tính toán gần đúng.



-



Nhóm III: nhóm mỏ có điều kiện địa chất thủy văn rất phức tạp, các tầng chứa nước

rất không đồng nhất và bị các đứt gãy phá hủy chia cắt, các nguồn hình thành trữ

lượng khai thác chỉ có thể xác định gần đúng, chất lượng nước có thể bị thay đổi và

chỉ xác định được một cách sơ bộ.



Tùy theo mức độ thăm dò và điều kiện khai thác, trữ lượng nước dưới đất được phân

thành hai loại là trữ lượng trong bảng cân đối (là trữ lượng được thăm dò và đánh giá có

thể đưa vào khai thác hợp lý về mặt kinh tế và kỹ thuật vào điểm hiện tại) và trữ lượng

ngoài bảng cân đối (là trữ lượng được thăm dò, đánh giá như trên, vào điểm hiện tại khai

thác chưa hợp lý).

Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA



79



Chương III: Tài nguyên nước ngầm



III.1.2. Phân loại hệ tầng ngậm nước

Dựa trên tính ngậm nước và chuyển nước để chia các hệ tầng ngậm nước:

-



Hệ ngậm nước: hệ địa chất trong đó có thể chứa nước trong các lổ rỗng và chuyển

động như cát, cuội, sỏi, đá cát...



-



Hệ ngậm nước yếu: hệ địa chất có tính chứa nước và dẫn nước kém như đất thịt, đất

sét pha cát.



-



Hệ ngậm nước nhưng không chuyển nước: hệ địa chất có khả năng chứa nước mà

không có khả năng dẫn nước như đất sét.



-



Hệ không ngậm nước và không dẫn nước: hệ địa chất không có khả năng chứa nước

và dẫn nước như đá hoa cương.



Trong bốn loại trên hệ ngậm nước có ý nghĩa nhất đối với nước ngầm, nó đóng vai trò

như một kho chứa nước ngầm và điều tiết dẫn cho nước mặt. hệ không ngậm nước đóng

vai trò như vách bồn chứa.

Hầu hết các tầng ngậm nước là một vùng rộng kéo dài và có thể xem là một kho chứa

nước dưới đất. Nước vào kho chứa này từ sự bổ sung ngầm của tự nhiên (mưa, dòng chảy

ngầm) hay nhân tạo (giếng bơm). Nó chảy ra ngoài bề mặt mặt đất dưới tác động của

trọng lực hoặc bơm hút. Thông thường tổng lượng hàng năm của nước ngầm biến đổi rất

ít. Tầng ngậm nước có thể được phân loại thành tầng ngậm nước có áp, tầng ngậm nước

không áp và tầng ngậm nước bán áp.



Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA



80



Chương III: Tài nguyên nước ngầm



-



Tầng ngậm nước có áp: xuất hiện ở những nơi nước ngầm bị nén ép dưới áp suất lớn

hơn áp suất khí quyển. Sự thay đổi mực nước trong giếng có áp trước hết phụ thuộc

vào sự thay đổi áp suất. Tầng ngậm nước có áp sẽ trở thành tầng ngậm nước không áp

khi mực thủy áp hạ thấp hơn đáy trên của tầng ngậm nước có áp. Đường thủy áp là

đường tưởng tượng trùng với đường cột nước thủy tĩnh của tầng ngậm nước.

Nhập ngầm



Giếng có áp

Mặt thủy áp

Giếng phun



Mực nước

ngầm

Tầng không áp

Tầng không thấm

Tầng có áp



Hình 3.1. Sơ đồ mô tả loại tầng ngậm nước

-



Tầng ngậm nước không áp: tầng ngậm nước trong đó có mực nước ngầm biến đổi

dưới dạng sóng và dưới dạng dốc. Nó phụ thuộc vào diện tích của vùng bổ sung nước

ngầm, lưu lượng thoát ra và tính thấm nước của vùng ngậm nước. Sự nâng lên và hạ

xuống của mực nước ngầm tương ứng với sự thay đổi tổng lượng nước trữ trong tầng

ngậm nước. Trong trường hợp đặc biệt, một tầng ngậm nước không có áp có thể xuất

hiện nước ngầm treo (túi nước ngầm) khi bộ phận ngậm nước ngầm bị tách biệt với

vùng nước ngầm chính do các địa tầng không thấm nước. Nước ngầm treo thường có

ở vùng trầm tích cuội sỏi, phía dưới là các dãy sét. Tuy nhiên nguồn nước ngầm ở các

túi nước ngầm thường nhỏ và chỉ là tạm thời.



Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA



81



Chương III: Tài nguyên nước ngầm



-



Tầng ngậm nước bán áp: tầng ngậm nước có áp nhưng địa tầng phía trên của nó

không hoàn toàn là tầng ngậm nước không áp. Nước trong tầng bán áp có thể trao đổi

với bên ngoài tùy thuộc vào tương quan giữa mực nước ngầm và bề mặt thủy áp.

Mặt đất



Mực nước ngầm



Tầng ngậm nước yếu



Tầng không thấm



Hình 3.2. Sơ đồ mô tả tầng ngậm nước bán áp



Mặt đất



Mực nước

ngầm treo



Tầng không thấm



Mực nước ngầm

Tầng ngậm nước không áp



Hình 3.3. Sơ đồ mô tả nước ngầm treo

Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA



82



Chương III: Tài nguyên nước ngầm



III.1.3. Dòng chảy ngầm

Khi các vùng đất khô có mưa thì lượng nước mưa chỉ làm ướt đất mà không chảy sang

nơi khác hoặc ngấm sâu vào đất được. Nếu trời tiếp tục mưa thì khi bề mặt đất đã đủ ướt,

trọng lực sẽ kéo lượng nước thừa ngấm sâu xuống đất xuyên qua lớp cát đá phía dưới. Sự

ngấm này chỉ dừng lại nếu gặp lớp đá hoặc đất sét không có lỗ rỗng; khi đó nước sẽ tích

tụ trong các lỗ rỗng phía trên tạo thành một khu vực bão hòa nước và giới hạn phía trên

của khu vực bão hòa nước gọi là mực thủy cấp. Nước trong khu vực bão hòa gọi là nước

ngầm. Đôi khi nước được giữ lại giữa hai tầng đất hay đá không có lỗ rỗng tạo thành túi

nước ngầm. Nước ngầm sau một thời gian khá dài thấm ngang qua các lớp đất vào sông

hình thành dòng chảy ngầm.

Lượng nước mưa ngấm vào đất sẽ bổ sung nước ngầm có trong đất làm cho mực nước

ngầm tăng lên. Tuy nhiên không phải tất cả nước ngầm đều chảy vào sông, trong quá

trình vận động có một phần bị rễ cây ăn sâu dưới đất hút mất, một phần do hiện tượng

mao dẫn hút nước lên mặt đất rồi bốc hơi. Ngoài ra cũng có một phần chảy sang lưu vực

khác. Trong mùa khô nước ngầm là nguồn bổ sung chủ yếu cho dòng chảy trong sông.



Hình 3.4. Sự hình thành dòng chảy ngầm

[Nguồn: Cục Khảo sát Địa chất Hoa kỳ (7/2008)]

Những sông có dòng chảy mạnh lòng sông bị bào mòn rất sâu, mực nước ngầm cao hơn

mực nước sông nên luôn chảy vào sông, do đó sau khi tạnh mưa rất lâu trên sông vẫn có

dòng chảy. Ở những sông suối nhỏ cạn, đáy sông cao hơn mực nước ngầm không được

bổ sung nước thường xuyên, sau khi mưa tạnh một thời gian nước sông cạn rất nhanh.

Ngoài ra nước ngầm vận chuyển về hệ thống sông với thời gian tập trung lớn tùy thuộc

vào tương quan giữa mực nước sông và mực nước ngầm. Do đó sự tồn tại dòng chảy

Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA



83



Chương III: Tài nguyên nước ngầm



ngầm trên hệ thống sông ngòi kéo dài sau một khoảng thời gian khá dài. Đối với các sông

nhỏ hoặc khe suối, thời gian duy trì dòng chảy ngầm có thể chỉ một vài tháng, còn trên

các sông lớn dòng chảy ngầm sẽ kéo dài suốt cả năm.



III.2. PHÂN BỐ NƯỚC NGẦM THEO PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG

Nước dưới đất có thể được phân chia thành hai vùng là vùng thoáng khí và vùng bão

hòa nước.

III.2.1. Vùng thoáng khí

Vùng thoáng khí (không bão hòa) bao gồm các lỗ rỗng trong đó nước chiếm một phần,

các phần còn lại là không khí.

a) Vùng rễ cây

Nước trong vùng này tồn tại ở mức độ nhỏ hơn độ bão hòa. Trừ trường hợp bão hòa tạm

thời do nước ngầm dâng cao hoặc do mưa - tưới, vùng này kéo dài từ bề mặt mặt đất đến

chiều sâu hoạt động của rễ cây. Bề dày của tầng này thay đổi tùy thuộc vào loại đất và

loại cây trồng. Do tầm quan trọng đối với nông nghiệp, nước ở vùng rễ cây được nghiên

cứu rất nhiều về quy luật phân bố cũng như chuyển động.

Mặt đất



Vùng thoáng khí



Vùng rễ cây



Vùng trung gian



Vùng bão hòa



Vùng mao dẫn

Mực nước ngầm



Tầng không thấm



Hình 3.5. Sơ đồ phân bố theo phương thẳng đứng của nước ngầm

Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA



84



Chương III: Tài nguyên nước ngầm



Độ ẩm của đất trong tầng rễ cây phụ thuộc vào các yếu tố khí tượng. Dưới điều kiện nóng và

khô, bốc hơi và thoát hơi mạnh làm giảm độ ẩm trong vùng rễ cây. Nước trong đất giảm đến

mức độ chỉ còn những màng nước mỏng bao quanh các phân tử đất, ta gọi là nước màng.

Nước trong vùng rễ cây cũng có thể ở dạng nước mao quản. Trong những trường hợp có cấp

nước trên mặt vượt quá khả năng giữ ẩm của đất thì nước trọng lực sẽ xuất hiện.

b) Vùng trung gian

Vùng trung gian kéo dài từ biên giới của tầng rễ cây đến biên trên của tầng mao dẫn. Độ

dày của tầng này có thể bằng 0 khi nước mao dẫn tới sát tầng rễ cây và cũng có thể đạt

tới hàng trăm mét khi mực nước ngầm ở sâu.

Vùng này đóng vai trò nối tiếp giữa vùng sát mặt đất và vùng kề sát nước ngầm. Nước

chuyển động từ trên xuống vùng bão hòa bắt buộc phải qua vùng này. Nước được giữ lại

do lực mao dẫn và lực hút phân tử. Nước trọng lực sẽ di chuyển từ trên xuống dưới khi

độ ẩm đất vượt quá khả năng giữ ẩm của đất.

c) Vùng mao dẫn

Vùng mao dẫn kéo dài từ mực nước ngầm đến giới hạn trên của vùng mao dẫn của nước.

Phía trên mực nước ngầm hầu hết các lỗ rỗng trong đất chứa nước mao dẫn. Càng lên cao

lượng nước trong lỗ càng giảm. Độ dày của tầng mao dẫn tỷ lệ nghịch với kích thước của

các lỗ rỗng trong đất đá.



III.2.2. Vùng bão hòa

Trong vùng bão hòa nước lấp đầy tất cả các lỗ rỗng của đất đá dưới áp lực thủy tĩnh. Do

vậy độ rỗng (hữu ích) sẽ cho biết lượng nước trữ trong một đơn vị thể tích đất đá. Một bộ

phận nước có thể được chuyển ra khỏi địa tầng do tiêu hoặc do bơm hút. Tuy nhiên do

lực hút phân tử và lực hút bề mặt, một phần nước sẽ bị giữ lại trong đất.

Các đặc trưng của vùng bão hòa bao gồm hệ số giữ nước, hệ số thoát nước và hệ số chứa nước.

a) Hệ số giữ nước

Hệ số giữ nước của đất đá Sr là tỷ số giữa lượng nước còn lại (sau khi bão hòa) sau khi

thoát nước do trọng lực đối với thể tích của nó.

(3.1)

trong đó



Wr: thể tích nước còn giữ lại (m³)

V: thể tích mẫu đất đá (m³)



Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA



85



Chương III: Tài nguyên nước ngầm



b) Hệ số thoát nước

Hệ số thoát nước của đất hay đá Sy là tỷ số giữa lượng nước (sau khi bão hòa) có thể

thoát ra do trọng lực và thể tích của nó.

(3.2)

trong đó



Wy: trọng lượng nước có thể tích thoát ra (m³)



Các giá trị của hệ số thoát nước Sy phụ thuộc vào kích thước hạt, hình dạng hạt, sự phân

bố các lỗ rỗng, sự nén chặt của các địa tầng và thời gian thoát nước. Vật liệu có kích

thước hạt nhỏ thì hệ số thoát nước càng nhỏ. Trong trường hợp các vật liệu pha trộn với

nhau, hệ số thoát nước giảm đi từ 7 ÷ 15%.

Giá trị của Sr và Sy có thể biểu thị dưới dạng %.

Quan hệ giữa độ rỗng của đất đá (α) với hệ số giữ nước và thoát nước:

α = Wr + Wy



(3.3)



c) Hệ số chứa nước

Nước chảy ra hay nhập vào một tầng ngậm nước biểu thị qua sự thay đổi tổng lượng

nước chứa trong tầng ngậm nước. Đối với tầng ngậm nước không áp, nó được biểu thị

bởi sự thay đổi lượng nước ngầm nằm trong khoảng mực nước ngầm ở đầu và cuối thời

điểm tính toán. Tuy nhiên giả thuyết trong tầng ngậm nước có áp vẫn duy trì trạng thái

bão hòa, sự thay đổi áp suất chỉ gây ra thay đổi nhỏ trong lượng trữ. Do vậy áp suất thủy

tĩnh có trong tầng ngậm nước gây ra bởi trọng lượng của nước. Khi áp suất thủy tĩnh

giảm (trường hợp bơm hút từ giếng) thì lực nén của địa tầng sẽ tăng lên. Sự nén ép của

tầng ngậm nước gây ra những tác động lên phân tử nước.

Hệ số chứa nước xác định bằng tổng lượng nước thoát ra hay nhập vào trong tầng ngậm

nước trên một đơn vị diện tích bề mặt của tầng ngậm nước khi thay đổi một đơn vị thủy

áp. Trong thực tế người ta thường xác định hệ số chứa nước bằng các thực nghiệm bơm

hút từ giếng.



III.3. CÁC HỆ TẦNG ĐỊA CHẤT NGẬM NƯỚC

Một hệ địa chất sản sinh ra một lượng nước đáng kể gọi là một hệ tầng ngậm nước.

Nhiều loại hệ địa chất hoạt động như một tầng ngậm nước. Yêu cầu chủ yếu là khả năng

trữ nước trong các lỗ rỗng của đất đá. Độ rỗng có thể hình thành do các đứt gãy, nứt nẻ

của đất đá. Dưới đây là một vài loại hệ địa chất ngậm nước:

III.3.1. Bồi tích phù sa

Hầu như 90% các tầng ngậm nước phát triển bao gồm đá sỏi, cuội, cát không nén chặt.

Những loại ngậm nước này dựa trên trạng thái xuất hiện của nó có thể được chia thành:

Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA



86