Các thuộc tính thủy lực quan trọng của đất - nước dưới đất_Phần 2

Độ rỗng - Porosity

Độ ẩm - Moisture content

Lực mao dẫn - Capillarity

Lực tĩnh điện và trạng thái của nước trong lỗ rỗng - Electrostatic forces attraction and states of water in pores

Hệ số nén của nước - Compressibility of water

Hệ số nén vật liệu đất đá - Compressibility of soild earth materials

Cột áp thủy tĩnh - Hydraulic head

Độ lưu trữ - Storage

Tính thấm nội tại - Intrinsic permeability

Độ nhớt - Viscosity

Độ dốc thủy lực - Hydraulic gradient

Hệ số dẫn thủy lực trong môi trường bão hòa - Hydraulic conductivity of saturated media

Hệ số dẫn thủy lực trong môi trường không bão hòa - Hydraulic conductivity of unsaturated media

Bất đẳng hướng và không đồng nhất - Anisotropy and heterogeneity

Độ lưu trữ - Storage

Phương trình cân bằng của dòng chảy qua một đơn vị thể tích trong môi trường lỗ rỗng được viết như sau:

   Q_outΔt = Q_inΔt  ± ΔSΔt    ( 9 )

Trong đó

Q là tổng lưu lượng dòng chảy trong một đơn vị thời gian

ΔS là thể tích trên đơn vị thời gian đi vào hoặc đi ra trong thời gian t.

Trong môi trường lỗ rỗng bão hòa được giới hạn bởi hai lớp đá hoặc sét, nước sẽ được lưu trữ trong môi trường lỗ rỗng bởi sự kết hợp của 2 hiện tượng; đó là nước nén ép và mở rộng tầng chứa nước. Khi nước bị nén ép vào hệ thống với tốc độ lớn hơn tốc độ chiết xuất của tầng chứa nước, nước sẽ nén lại và khối vật liệu sẽ mở rộng để chứa lượng dư thừa. Trong một đơn vị thể tích của khối vật liệu lỗ rỗng bão hòa, thể tích nước sẽ được đưa vào lưu trữ tương ứng dưới một đơn vị tăng cột áp thủy tĩnh, hoặc thể tích sẽ được chiết xuất dưới một đơn vị giảm trong cột áp thủy tĩnh, được gọi là hệ số nhả nước đàn hồi (specific storage), và được thể hiện:

   S_s = ρg(α + nβ)    (10)

Trong đó

α là hệ số nén tầng chứa nước

ρg là trọng lượng riêng của nước

n là độ lỗ rỗng

β là hệ số nén của nước

Độ lưu trữ của một tầng chứa nước, hay đơn giản gọi là storativity (S), được viết như sau:

      S = S_sb = ρgb(α + nβ)   (11)

Trong đó: b là chiều dày bão hòa của tầng chứa nước.

Độ lưu trữ được định nghĩa như thể tích của nước trên đơn vị diện tích bề mặt tầng chứa nước được đưa vào hay chiết xuất khỏi kho lưu trữ trên một đơn vị tăng hoặc giảm cột áp thủy tĩnh tương ứng. Đây là đại lượng không thứ nguyên. Trong tầng chứa nước có áp, giá trị của độ lưu trữ nằm trong khoảng từ 0.005 đến 0.00005.

Trong môi trường lỗ rỗng không bị giới hạn (tầng không áp), độ lưu trữ được định nghĩa như hệ số nhả nước trọng lực (specific yield, S_y). Đó là tỷ số của thể tích nước thoát ra từ khối vật liệu lỗ rỗng bão hòa dưới ảnh hưỡng của trọng lực so với tổng thể tích của khối vật liệu, trên một đơn vị hạ thấp mực nước. Hệ số nhả nước trọng lực thường lớn hơn nhiều hệ số nhả nước đàn hồi, vì nước thoát ra từ lưu trữ đàn hồi (elastic storage) khiến lỗ rỗng vẫn bão hòa. Hệ số nhả nước trọng lực thường nằm trong khoảng 0.2 đến 0.3 hoặc lớn hơn 3 đến 4 lần hệ số nhả nước đàn hồi.

Thoát nước trọng lực sẽ diễn ra cho đến khi lực căng bề mặt và lực hút phân tử giữa các hạt cân bằng với trọng lực. Tỷ số thể tích nước còn lại trong lỗ rỗng so với tổng thể tích khối vật liệu còn được gọi là hệ số giữ nước trọng lực (specific retention, S_r). Trong tầng chứa nước không áp, tổng hệ số nhả nước trọng lực và hệ số giữ nước trọng lực bằng độ rỗng.

Khi một tầng chứa nước không áp rất dày, phần bên dưới có thể chứa nước dưới điều kiện có áp, do sự gia tăng áp lực. Trong trường hợp này, tổng độ lưu trữ được viết như sau:

     S = S_y + S_sb        (12)

Trong đó:  b là chiều dày bão hòa

Tính thấm nội tại – Intrinsic Permeability

Có một số tính chất cơ bản của cả môi trường lỗ rỗng và chất lỏng sẽ xác định được mức độ dễ dàng mà môi trường sẽ truyền dẫn chất lỏng. Tính chất cơ bản nhất trong các tính chất này là tính thấm nội tại, k. Nó chỉ đơn giản là một hàm số của kích thước trung bình  của lỗ rỗng.

      k = Cd^{2   (13)}

   Trong đó:

d là đường kính trung bình lỗ rỗng

C là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào thành phần hạt, cấu trúc sắp xếp, các yếu tố khác.

Tính thấm nội tại là hàm phụ thuộc vào môi trường không liên quan gì đến nhiệt độ, áp suất hoặc các tính chất đặc biệt của chất lỏng đi qua môi trường. Thường được đo lường theo đơn vị darcy.

Mặc dù không phụ thuộc vào chất lỏng, darcy được định nghĩa theo một tiêu chuẩn chất lỏng để định lượng đó là khu vực mà thông qua đó chất lỏng có độ nhớt động lực học 1 centipoise sẽ chảy với lưu lượng 1 cm³ trên giây trên cm² dưới gradient áp suất khí quyển trên cm.

1 darcy = ((1 centipoise x 1 cm³)/ 1 cm²)/(1 atmosphere/1 cm)

1 darcy = 9.87 x 10^-9 cm²

Độ nhớt – Viscosity

Khả năng kháng cắt của chất lỏng được gọi là độ nhớt động lực. Lưu ý rằng một chất lỏng lấp đầy khoảng trống giữa hai tấm; tấm dưới cùng đứng yên và tấm trên cùng di chuyển một cách vô hướng với vận tốc, U. Chất lỏng đang trải qua dòng chảy tầng và do đó có sự thay đổi tuyến tính của vận tốc đi lên từ 0 trên tấm dưới sang U trên tấm trên cùng. Tốc độ thay đổi vận tốc theo hướng thẳng đứng là dU/dy, còn được gọi là tốc độ biến dạng thẳng đứng. Điều này gây ra bởi ứng suất cắt, τ

τ = F/A   (14)
Trong đó F là lực kéo tấm trên cùng với vận tốc U và A là diện tích bề mặt của tấm trên

Từ những quan sát có thể thấy rằng τ tỷ lệ thuận với dU/dy

Và giả sử rằng có một hằng số, μ, công thức trên sẽ thành

    τ = μ(dU/dy)

Và

     μ = τ /(dU/dy)

μ được gọi là độ nhớt động lực (dynamic viscosity), đặc trưng cho chất lỏng và nhiệt độ, nhìn chung, giảm khi nhiệt độ tăng.

Độ nhớt động lực còn được định nghĩa bằng thuật ngữ poise (0.1 Ns/m²).

Độ nhớt động lực không được nhằm lẫn với độ nhớt động học, υ, (kinematic viscosity), đó là độ nhớt động lực chia cho khối lượng riêng chất lỏng.

    υ = μ/ρ

Độ nhớt động học có thứ nguyên gọi là stoke (cm²/s)

Độ dốc thủy lực - Hydraulic gradient

Độ dốc thủy lực là suy giảm cột áp trên đơn vị chiều dài dọc theo dòng thấm, và được viết như sau:

     I = dh/dl    (15)

Hệ số dẫn thủy lực trong môi trường bão hòa - Hydraulic conductivity of saturated media

Mặc dù tính thấm nội tại mô tả là tính chất truyền dẫn nước của môi trường lỗ rỗng, nhưng nó không hoàn toàn mô tả sự dễ dàng tương đối mà một chất lỏng cụ thể sẽ chảy qua môi trường.

Mô tả đầy đủ được đưa ra bởi hệ số dẫn thủy lực, K, kết hợp cả môi trường và đặc tính chất lỏng.

        K = kρg/μ

Thông số này có thứ nguyên của vận tốc, định nghĩa vật lý như sau:

“The volume of liquid flowing perpendicular to a unit area of porous medium per unit time under the influence of a hydraulic gradient of unity.”

Vào giữa thế kỷ 19, một kỹ sư người Pháp, Henri Darcy, đã thử nghiệm các bộ lọc cát cho hệ thống cấp nước cho thành phố Dijon, Pháp. Thông qua một loạt các thí nghiệm với các ống chứa đầy cát, ông ta có thể xác định được các yếu tố kiểm soát tốc độ dòng chảy của nước qua cát (Darcy, 1856).

Ông đã phát hiện ra một trong những mối quan hệ vật lý quan trọng nhất trong khoa học về thủy động lực học của môi trường lỗ rỗng, được biết đến với tên gọi Định luật Darcy.

      q = - K(dh/dl)    (16)

     Trong đó:

q là lưu lượng riêng (specific discharge) hay lưu lượng dòng chảy trên một đơn vị diện tích của môi trường lỗ rỗng vuông góc với hướng dòng chảy

dh/dl là độ dốc thủy lực theo phương dòng chảy

Theo quy ước, dấu âm thể hiện dòng chảy dọc theo hướng giảm độ dốc.

Mặc dù thông thường sử dụng độ dẫn thủy lực theo nghĩa chung trong nghiên cứu hoặc mô tả các tính chất thủy lực của môi trường lỗ rỗng, nhưng sẽ thuận lợi hơn khi sử dụng thuật ngữ, độ truyền dẫn; hệ số truyền dẫn (transmissivity) (hay còn gọi là hệ số truyền áp trong tầng chứa nước áp lực, và hệ số truyền mực nước trong tầng chứa nước không áp) để mô tả sự dễ dàng mà nước di chuyển qua một môi trường lỗ rỗng như một lớp hoặc tầng chứa nước nằm ngang. Hệ số truyền dẫn, T, (đôi khi được gọi là transmissibility) chỉ đơn giản là sự kết hợp của hệ số dẫn thủy lực và độ dày bão hòa của tầng chứa nước.

          T= Kb   (17)

Hệ số dẫn thủy lực trong môi trường không bão hòa – Hydraulic conductivity of unsaturated media

Nước trong môi trường không bão hòa chịu tác động của không chỉ độ dốc thủy lực, mà cả lực hút phân tử và sức căng bề mặt, như được mô tả phần trên. Do đó, độ dẫn thủy lực trong môi trường không bão hòa là một hàm của cột áp (Ψ), trong môi trường không bão hòa sẽ luôn âm. Do đó, độ dẫn thủy không bão hòa sẽ được viết là K (Ψ).

Bất đẳng hướng và không đồng nhất – Anisotropy and Heterogeneity

Các thảo luận cho đến thời điểm này đã cho rằng môi trường lỗ rỗng là đẳng hướng, tức là tính thấm, độ dẫn thủy lực và hệ số truyền dẫn là bằng nhau theo mọi phương tại bất kỳ điểm nào trong môi trường. Nếu các tham số có giá trị khác nhau theo phương tại một điểm, thì môi trường đó gọi là bất đẳng hướng.