Lớp ngầm của đá thấm nước
Tầng chứa nước là lớp ngầm của đá thấm nước, vết nứt đá hoặc vật liệu không hợp nhất (sỏi, cát hoặc phù sa). Nước ngầm có thể được khai thác bằng cách sử dụng giếng nước. Nghiên cứu về dòng nước trong tầng chứa nước và đặc tính của tầng chứa nước được gọi là địa chất thủy văn. Các thuật ngữ liên quan bao gồm aquitard là một lớp có độ thấm thấp dọc theo tầng chứa nước, [1] và aquiclude (hoặc aquifuge ), đó là một vật rắn, không thấm nước khu vực bên dưới hoặc quá mức một tầng chứa nước. Nếu khu vực không thấm nước chồng lên tầng chứa nước, áp lực có thể khiến nó trở thành tầng chứa nước bị giới hạn.
Aquifers có thể xảy ra ở các độ sâu khác nhau. Những người ở gần bề mặt không chỉ có nhiều khả năng được sử dụng cho cấp nước và tưới tiêu, mà còn có nhiều khả năng được đứng đầu bởi lượng mưa địa phương. Nhiều khu vực sa mạc có những ngọn đồi hoặc núi đá vôi bên trong chúng hoặc gần với chúng có thể được khai thác làm tài nguyên nước ngầm. Một phần của dãy núi Atlas ở Bắc Phi, dãy Lebanon và Anti-Lebanon giữa Syria và Lebanon, Jebel Akhdar ở Oman, một phần của Sierra Nevada và các dãy lân cận ở Tây Nam Hoa Kỳ, có các tầng chứa nước cạn được khai thác cho chúng Nước. Khai thác quá mức có thể dẫn đến vượt quá năng suất duy trì thực tế; tức là, nhiều nước được lấy ra hơn mức có thể được bổ sung. Dọc theo bờ biển của một số quốc gia, chẳng hạn như Libya và Israel, việc sử dụng nước tăng lên liên quan đến tăng trưởng dân số đã khiến mực nước ngầm hạ thấp và ô nhiễm nước ngầm sau đó với nước mặn từ biển.
Một bãi biển cung cấp một mô hình để giúp hình dung một tầng chứa nước. Nếu một lỗ được đào xuống cát, cát rất ướt hoặc bão hòa sẽ nằm ở độ sâu nông. Hố này là một cái giếng thô, cát ướt tượng trưng cho một tầng chứa nước, và mức nước dâng lên trong lỗ này đại diện cho mực nước ngầm.
Năm 2013, các tầng chứa nước ngọt lớn được phát hiện dưới thềm lục địa ngoài khơi Australia, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Nam Phi. Chúng chứa khoảng nửa triệu km khối nước "có độ mặn thấp" có thể được xử lý kinh tế thành nước uống được. Các khu bảo tồn được hình thành khi mực nước biển thấp hơn và nước mưa chảy xuống mặt đất ở những vùng đất không bị nhấn chìm cho đến khi kỷ băng hà kết thúc 20.000 năm trước. Khối lượng được ước tính gấp 100 lần lượng nước được chiết xuất từ các tầng chứa nước khác kể từ năm 1900. [2][3]
Phân loại [ chỉnh sửa ]
Hệ thống hiển thị hai tầng chứa nước với một tầng chứa nước (một giới hạn hoặc lớp không thấm nước) giữa chúng, được bao quanh bởi lớp vỏ aquiclude tiếp xúc với dòng thu được (điển hình ở vùng ẩm ướt). Bảng nước và vùng chưa bão hòa cũng được minh họa.
Một aquitard là một khu vực trong Trái đất hạn chế dòng chảy của nước ngầm từ tầng này sang tầng khác. Một aquitard đôi khi có thể, nếu hoàn toàn không thấm nước, được gọi là aquiclude hoặc aquifuge . Aquitards bao gồm các lớp đất sét hoặc đá không xốp có độ dẫn thủy lực thấp.
Bão hòa so với không bão hòa [ chỉnh sửa ]
Nước ngầm có thể được tìm thấy ở gần như mọi điểm trong lòng đất nông ở một mức độ nào đó, mặc dù các tầng ngậm nước không nhất thiết phải chứa nước ngọt. Lớp vỏ Trái đất có thể được chia thành hai khu vực: vùng bão hòa hoặc khu vực sinh học (ví dụ, tầng ngậm nước, tầng nước, v.v.), trong đó tất cả các không gian có sẵn đều chứa đầy nước và vùng chưa bão hòa (còn được gọi là vùng vadose), nơi vẫn còn các túi không khí chứa một ít nước, nhưng có thể chứa đầy nước hơn.
bão hòa có nghĩa là đầu áp suất của nước lớn hơn áp suất khí quyển (nó có áp suất đo> 0). Định nghĩa của mực nước là bề mặt nơi đầu áp suất bằng áp suất khí quyển (trong đó áp suất đo = 0).
Điều kiện không bão hòa xảy ra phía trên mực nước nơi áp lực âm (áp suất tuyệt đối không bao giờ có thể âm, nhưng áp suất có thể) và nước lấp đầy không hoàn toàn các lỗ của vật liệu chứa nước . Hàm lượng nước trong vùng chưa bão hòa được giữ bởi các lực dính bề mặt và nó tăng lên trên mực nước (isobar áp suất bằng không) bằng tác động mao dẫn để bão hòa một vùng nhỏ phía trên bề mặt phreatic (rìa mao mạch) hơn áp suất khí quyển. Điều này được gọi là bão hòa căng thẳng và không giống như bão hòa trên cơ sở hàm lượng nước. Hàm lượng nước trong rìa mao mạch giảm khi tăng khoảng cách từ bề mặt phreatic. Đầu mao quản phụ thuộc vào kích thước lỗ rỗng của đất. Trong đất cát có lỗ chân lông lớn hơn, đầu sẽ ít hơn trong đất sét có lỗ chân lông rất nhỏ. Sự tăng mao dẫn bình thường trong đất sét nhỏ hơn 1,8 m (6 ft) nhưng có thể dao động trong khoảng 0,3 đến 10 m (1 và 33 ft). [4]
Sự tăng mao dẫn của nước trong một ống có đường kính nhỏ bao gồm quá trình vật lý tương tự. Bàn nước là mức nước sẽ dâng lên trong một đường ống có đường kính lớn (ví dụ, một cái giếng) chảy xuống tầng chứa nước và mở ra bầu khí quyển.
Aquifers so với aquitards [ chỉnh sửa ]
Aquifers thường là vùng bão hòa của tầng ngầm tạo ra một lượng nước khả thi về mặt kinh tế đối với giếng hoặc suối (ví dụ: cát và sỏi đá gốc thường làm vật liệu tầng nước tốt).
Một tầng nước ngầm là một khu vực trong Trái đất hạn chế dòng chảy của nước ngầm từ tầng này sang tầng khác. Một aquitard hoàn toàn không thấm nước được gọi là aquiclude hoặc aquifuge . Aquitards bao gồm các lớp của đất sét hoặc đá không xốp với độ dẫn thủy lực thấp.
Ở các khu vực miền núi (hoặc gần sông ở khu vực miền núi), các tầng chứa nước chính thường là phù sa chưa hợp nhất, bao gồm hầu hết các lớp vật liệu nằm ngang được lắng đọng bởi các quá trình nước (sông và suối), nằm trong mặt cắt ngang (nhìn vào hai lát cắt hai chiều của tầng chứa nước) dường như là các lớp vật liệu thô và mịn xen kẽ. Các vật liệu thô, vì năng lượng cao cần thiết để di chuyển chúng, có xu hướng được tìm thấy gần nguồn hơn (mặt trước núi hoặc sông), trong khi vật liệu hạt mịn sẽ làm cho nó xa hơn từ nguồn (đến các phần phẳng hơn của lưu vực hoặc trên bờ khu vực đôi khi được gọi là khu vực áp lực). Vì có ít tiền gửi hạt mịn gần nguồn, đây là nơi mà các tầng chứa nước thường không được kiểm soát (đôi khi được gọi là khu vực forebay), hoặc trong giao tiếp thủy lực với bề mặt đất.
Bị giới hạn so với không bị giới hạn [ chỉnh sửa ]
Có hai thành viên cuối trong phổ các loại tầng ngậm nước; không giới hạn và không giới hạn (với bán hạn chế ở giữa). Các tầng ngậm nước không được kiểm soát đôi khi còn được gọi là mực nước hoặc tầng chứa nước phreatic bởi vì ranh giới trên của chúng là mực nước ngầm hoặc mặt phreatic. (Xem Biscayne Aquifer.) Thông thường (nhưng không phải luôn luôn) tầng chứa nước nông nhất tại một vị trí nhất định không được kiểm soát, có nghĩa là nó không có lớp giới hạn (một tầng nước hoặc tầng nước ngầm) giữa nó và bề mặt. Thuật ngữ "đậu" dùng để chỉ nước ngầm tích tụ trên một đơn vị hoặc tầng có độ thấm thấp, chẳng hạn như một lớp đất sét. Thuật ngữ này thường được sử dụng để chỉ một khu vực nhỏ nước ngầm cục bộ xảy ra ở độ cao cao hơn tầng chứa nước rộng khắp khu vực. Sự khác biệt giữa tầng ngậm nước và không được kiểm soát là kích thước của chúng (đậu nhỏ hơn). Tầng chứa nước bị giới hạn là tầng chứa nước được phủ bởi một lớp giới hạn, thường được tạo thành từ đất sét. Lớp giới hạn có thể cung cấp một số bảo vệ khỏi ô nhiễm bề mặt.
Nếu sự khác biệt giữa giới hạn và không giới hạn không rõ ràng về mặt địa chất (nghĩa là, nếu không biết có tồn tại một lớp giới hạn rõ ràng hay không, nếu địa chất phức tạp hơn, ví dụ, tầng chứa nước đá bị nứt vỡ), giá trị lưu trữ được trả về từ một thử nghiệm tầng chứa nước có thể được sử dụng để xác định nó (mặc dù các thử nghiệm tầng chứa nước trong tầng chứa nước không được kiểm soát nên được hiểu khác với các thử nghiệm giới hạn). Các tầng chứa nước có giới hạn có giá trị lưu trữ rất thấp (ít hơn 0,01 và ít nhất là 10 – 5 ), có nghĩa là tầng chứa nước đang lưu trữ nước bằng cách sử dụng các cơ chế mở rộng ma trận tầng chứa nước và khả năng nén của nước, thường là số lượng khá nhỏ. Các tầng chứa nước không được kiểm soát có lưu trữ (thường được gọi là năng suất cụ thể) lớn hơn 0,01 (1% khối lượng lớn); chúng giải phóng nước từ lưu trữ theo cơ chế thực sự hút các lỗ chân lông của tầng chứa nước, giải phóng một lượng nước tương đối lớn (lên đến độ xốp thoát nước của vật liệu tầng chứa nước, hoặc hàm lượng nước thể tích tối thiểu).
Isotropic so với bất đẳng hướng [ chỉnh sửa ]
Trong các tầng ngậm nước đẳng hướng hoặc tầng ngậm nước, độ dẫn thủy lực (K) bằng với dòng chảy trong mọi hướng, trong khi trong điều kiện dị hướng cảm giác ngang (Kh) và dọc (Kv).
Các tầng chứa nước bán hạn chế có một hoặc nhiều tầng hoạt động như một hệ thống dị hướng, ngay cả khi các lớp riêng biệt là đẳng hướng, bởi vì các giá trị hợp chất Kh và Kv khác nhau (xem độ truyền thủy lực và sức cản thủy lực).
Khi tính toán lưu lượng đến cống [5] hoặc chảy vào giếng [6] trong tầng chứa nước, tính bất đẳng hướng sẽ được tính đến vì thiết kế kết quả của hệ thống thoát nước có thể bị lỗi.
Xốp so với karst [ chỉnh sửa ]
Để quản lý đúng một tầng chứa nước, các thuộc tính của nó phải được hiểu. Nhiều đặc tính phải được biết để dự đoán một tầng chứa nước sẽ phản ứng thế nào với lượng mưa, hạn hán, bơm và ô nhiễm. Ở đâu và bao nhiêu nước xâm nhập vào nước ngầm từ lượng mưa và tuyết rơi? Làm thế nào nhanh và nước đi theo hướng nào? Bao nhiêu nước rời khỏi mặt đất như lò xo và bốc hơi? Bao nhiêu nước có thể được bơm ra bền vững? Làm thế nào nhanh chóng một sự cố ô nhiễm sẽ đạt đến một giếng hoặc mùa xuân? Các mô hình máy tính có thể được sử dụng để kiểm tra mức độ hiểu chính xác của các thuộc tính tầng chứa nước phù hợp với hiệu suất của tầng chứa nước thực tế. [7]: 192-193, 233-237 Các quy định môi trường yêu cầu các vị trí có nguồn ô nhiễm tiềm ẩn để chứng minh rằng thủy văn đã được đặc trưng. [7]: 3
Xốp [ chỉnh sửa ]
Các tầng chứa nước xốp thường xảy ra trong cát và sa thạch. Tính chất tầng chứa nước xốp phụ thuộc vào môi trường trầm tích lắng đọng và sau đó là sự kết dính tự nhiên của các hạt cát. Môi trường nơi một khối cát được lắng đọng kiểm soát sự định hướng của các hạt cát, các biến thể ngang và dọc và sự phân bố của các lớp đá phiến. Ngay cả các lớp đá phiến mỏng cũng là rào cản quan trọng đối với dòng nước ngầm. Tất cả các yếu tố này ảnh hưởng đến độ xốp và tính thấm của các tầng chứa nước cát. [8]: 413 Các lớp cát được hình thành trong môi trường biển nông và trong môi trường cồn cát gió có độ thấm từ trung bình đến cao trong khi các lớp cát được hình thành trong môi trường sông đến độ thấm vừa phải. [8]: 418 Lượng mưa và tuyết rơi vào nước ngầm nơi tầng ngậm nước gần bề mặt. Hướng dòng chảy nước ngầm có thể được xác định từ bản đồ bề mặt chiết áp của mực nước trong giếng và suối. Các xét nghiệm Aquifer và các thử nghiệm giếng có thể được sử dụng với các phương trình dòng chảy của luật Darcy để xác định khả năng của một tầng chứa nước xốp để truyền nước. [7]: 177-184 Phân tích loại thông tin này trên một khu vực cho biết cách thức nhiều nước có thể được bơm mà không cần thấu chi và ô nhiễm sẽ di chuyển như thế nào. [7]: 233 Trong các tầng ngậm nước ngầm chảy trong nước khi lỗ rò rỉ chậm trong lỗ chân lông giữa các hạt cát. Tốc độ dòng nước ngầm là 1 feet mỗi ngày (0,3 m / ngày) được coi là tốc độ cao đối với các tầng chứa nước xốp, [9] như được minh họa bởi nước từ từ thấm qua sa thạch trong hình ảnh bên trái.