Chương Nước đất 6.1 Giới thiệu Nước đất thường tính toán bao gồm nước tầng thông khí sát bề mặt đất nước tầng thông khí giới hạn bề mặt nước ngầm tầng không thấm nước (xem mục 5.1) Như định nghĩa nước đất bao gồm tất nước tầng thông khí tầng sâu Nước đới thông khí sâu tới hàng chục hàng trăm mét mặt đất Tuy nhiên, nước tầng đất nông cối thực hấp thu giữ lại lượng ẩm cho đất nói chung có ý nghĩa thuỷ văn lớn trọng tâm nghiên cứu chương Tầng thông khí gồm lớp đất mỏng có khả thấm không thấm nước, lượng nước mưa chảy nhanh bề mặt, gây nên xói mòn phần thấm vào đất tầng nông, ẩm giữ lại đất để trì sống thực vật động vật tới tận trận mưa Dưới sâu gồm lớp đất thấm được, tương phản, hấp thu tích trữ chất lượng nước lớn cung cấp lượng ẩm dự trữ suốt thời kỳ hạn hán cung cấp lượng nước không đổi cho dòng chảy sông Tầm quan trọng nước đất việc tạo nên cân nước tầng nông phần nhỏ tổng lượng cân nước toàn cầu (bảng 1.1) Đây lượng nước có thời gian tồn trung bình nước đất ngắn, khoảng ba tháng Quan trắc thực tế cho thấy nước đất quay trở lại bốn lần năm Sự đóng góp nước bốn lần hàng năm tạo nên lượng nước lớn biến đổi từ 65x13 tới 260x103 km3 Tuy nhiên, qua nhiều tài liệu quan trắc cho thấy tầm quan trọng nước đất vai trò ®èi víi sù sèng nh­ mét nguån n­íc cho thùc vật Thông thường, hiểu biết nhân tố điều khiển lượng nước trữ di chuyển nước đất yếu tố cần thiết cho hiểu biết khác với phạm vi rộng rÃi trình trao đổi chất, bao gồm không nguồn cung cấp nước cho mà cho phát sinh dòng chảy, phục hồi lại lượng nước ngầm nằm bên di chuyển tích luỹ chất gây ô nhiễm (Bear Verrụit, 1987) Như kết quả, thay đổi ngược lại tình trạng nước đất tạo từ thay đổi vi khí hậu cách tự nhiên hay có nguồn gốc từ người mối quan t©m lín cđa chóng ta (Gleick, 1993a) N­íc đất quan trọng quan tâm nhà thuỷ văn học, nhà nông nghiệp học, khí hậu học, lâm nghiệp học, địa mạo học kỹ sư nông nghiệp 6.2 Những đặc tính vật lý loại đất ảnh hưởng đến nước đất Trắc diện đất mặt cắt ngang lớp đất chạy từ bề mặt xuyên qua lớp đất bình thường bao gồm số lớp hay số mặt nằm ngang có đặc tính vật lý 173 khác đến tầng nước ngầm Bản chất trắc diện đất phụ thuộc vào phạm vi rộng lớn nhân tố bao gồm nguyên liệu có nguồn gốc đầu tiên, chiều dài thời gian phát triển địa chất khí hậu thịnh hành, thảm thực vật địa hình Ba pha hệ thống đất: pha rắn, hay chất đất nền, bao gồm chất khoáng chất hữu môi trường có lỗ rỗng nhỏ li ti Pha thể khí khí đất pha thể lỏng nước đất Gần đà có khái niệm phù hợp nhắc đến hòa tan đất chứa đựng vài vật chất hòa tan Hệ thống nước đất phức tạp, thuộc tính đất thường thay đổi phạm vi nhỏ không giữ nguyên tính bất biến theo thời gian địa tầng, nhân tố nở co lại đất sét, nén chặt nhiễu loạn thực vật, động vật người không nhiều Vì lý nhà vật lý đất thời gian trước đà đề phương pháp để nghiên cứu môi trường lý tưởng hoá bao gồm dọt nước nhỏ kiên kết vật lý cột nước chứa ống mao dẫn Bởi vậy, nhà thuỷ văn học thường áp dụng khái niệm lý luận khái niệm thí nghiệm thực sở thực nghiệm cánh đồng Mục đích chương cung cấp thông tin giới thiệu tượng quan trọng học thuyết nước đất kết thực nghiệm thiết thực cho nhà thuỷ văn Lượng nước giữ thể tích định đất tốc ®é cđa n­íc di chun qua ®Êt phơ thc vµo kết cấu đất, nghĩa thành phần cấp phối hạt vật chất đất vào cấu trúc ®Êt N­íc cã thĨ chøa c¶ cÊu tróc cđa khoảng không trống rỗng khoảng kết cấu (giữa phần nhỏ) chỗ chứa đựng ẩm cao nước chảy qua chỗ cũ bị chi phối, trở nên quan trọng đất trở nên khô Thông thường, lỗ nhỏ lớn xảy khoảng trống khe nứt, dễ dễ cho di chuyển nước không gian Như hai không gian có khả hấp thụ nước chậm dẫn nước chậm Các vật chất sét tự đất quan trọng kích thước thước xác định đặc tích vật lý hoá học đất Cát phù sa nhỏ chủ yếu bao gồm thạch anh vật chất ban đầu khác đà làm biến đổi tính chất hoá học đất sét Trong tương phản, sản phẩm tạo từ phong hoá hoá học xác định vật chất thứ yếu đa dạng lớn đặc tính vật lý đất (White, 1987; Wild, 1988) Một khác biệt lượng nhỏ đất sét vỉa platey bề mặt có hệ số cho nước cao hơn, nghĩa diện tích bề mặt nước ngầm đơn vị thể tích cao (Brady, 1984; Carter cộng sự, 1986) Phần lớn bề mặt đất sét tích điện âm cân với cation bên phần cấu trúc đất sét thay thay đổi cation khác (xem phần 8.5.2) Một số kiểu đất sét liên kết yếu ớt với vỉa liền kề, bề mặt nội hạt đất có phản ứng hấp phụ nước lẫn Đây điều quan trọng cho trì giải phóng n­íc cïng víi chÊt dinh d­ìng vµ mi N­íc cã thể vào vỉa tạo chúng để tồn nước có đặc điểm riêng rẽ phát triển Nhiều loại đất sét nở bị ướt co lại hay vỡ vụn khô, quan trọng tạo nên đặc tính thuỷ lực loại đất 174 Cấu trúc đất tạo từ kết hợp hạt nguyên sinh biểu diễn đơn vị cấu trúc hay bó đất Những đơn vị tách rời khỏi đơn vị khác liên kết bề mặt tinh thể yếu ớt Điều có tầm quan trọng định hướng dòng chảy di chuyển qua trắc diện đất Tính học hình thành cấu trúc đất tính ổn định phức tạp phụ thuộc vào số nhân tố địa tầng mặt đất kết hợp thay đổi theo thời gian thời tiết hoạt động đất canh tác, tầng sâu chúng ổn định h¬n Thùc vËt rÊt quan träng cho cÊu tróc cđa tầng mặt từ dễ kết lại thành phần nhỏ để giúp tạo thành khối liên kết ổn định Ví dụ, bÃi cỏ có tác động phổ biến độ sâu rễ cỏ nằm gần bề mặt đất (White, 1987) Các cấu trúc đất thay đổi mô tả hình học thường mô tả cách định tính giới hạn cấu tạo đất có hình dạng: hột, khối, lăng trụ, trình độ cđa sù ph¸t triĨn cđa thùc vËt (vÝ dơ Hodgson, 1976) Tuy nhiên, mô tả thường thuật lại cách không đầy đủ đặc tính thuỷ lực đất, cấu trúc đất sét Như kết quả, Bouma (1981) đà giới thiệu sử dụng chất phóng xạ để đánh dấu đặc trưng hướng dòng chảy ưu tiên qua lỗ rỗng đất Sự mô tả khái quát thuộc tính đất chủ yếu cung cấp sở cho phần tiếp theo, mô tả trình chủ yếu lượng trữ di chuyển nước điều kiện đất lý tưởng hóa (phần 6.3 6.4 tiếp theo) sau tạo mô hình ẩm đất tốc độ dòng chảy tìm cánh đồng xảy điều kiện tự nhiên (phần 6.5 tiếp theo) 6.3 Lượng trữ nước đất Lời bình luận có ảnh hưởng mạnh đến phát triển sau, Terzaghi (1942) ®· nhËn xÐt r»ng nÕu träng lùc chØ t¸c dơng lên hoạt động nước đất chảy hoàn toàn sau nhập lượng mưa vào nước đất đựơc tìm thấy bên mực nước ngầm Trong tình trạng, cối phát triển hạn chế tới khu vực nơi mà mưa rào xảy thường xuyên hay vị trí nơi mà mực nước ngầm sát bề mặt Trên thực tế loại đất điều kiện tự nhiên chứa đựng nước, chí thời gian cuối thời kỳ khô hạn trước nhiều tháng hay chí nhiều năm Điều cho biết có nhiều lực mạnh để giữ lượng ẩm đất 6.3.1 Các lực giữ nước đất Các lực chịu trách nhiệm chủ yếu để giữ nước đất lực mao dẫn, lực hút tĩnh điện, lực thẩm thấu Các lực mao dẫn gây từ căng bề mặt bề mặt chung không khí đất nước đất Các phân tử chất lỏng hút mạnh phân tử khác so với phân tử nước không khí, tạo xu hướng bề mặt chất lỏng co lại Nếu áp suất mặt chúng bề mặt chung không khí nước phẳng, phân bố áp suất khác tạo đường cong bề mặt chung, áp suất lớn nước, vị trí lòng chảo, vị trí uốn cong áp suất liên kết nhỏ bề mặt chung khoảng trống đất không khí bị giữ lại với áp suất khí quyển, nước áp suất thấp Khi nước rút khỏi mặt đất khác biệt áp suất đường bao quanh bề mặt chung tăng lên giữ lỗ rỗng nhỏ (hình 6.1) Lực với màng mỏng phun lên giữ lai thay đổi đường ống mao dẫn giống nhô 175 lên bÃi cỏ ống tuýp mao dẫn thay đổi với bán kính ống, độ cong bề mặt khum chất lỏng sức căng bề mặt nước Với tính nhớt định sức căng mặt nước định, nước giữ lại mạnh lỗ hổng nhỏ so với lỗ hổng lớn Kể từ sức chứa nước đất giảm lỗ rỗng lớn có sức chứa lớn mặt cắt thấp lỗ rỗng nhỏ có sức chứa nước nhỏ Hình 6.1 Nước giữ lực mao dẫn phân tử đất vµ bëi sù hÊp phơ nh­ mét líp n­íc máng Bên cạnh lực hút mao dẫn, nước đất thể lỏng hay bị hút lên phía bề mặt phân tử đất chủ yếu lực hút tĩnh điện tồn nơi mà phân tử nước gắn kết với tới bề mặt tích điện chất rắn Trong lỗ rỗng nước bị hút lực mao dẫn bề mặt chất rắn, lớp mỏng hạt đất nước bị giữ lại lực hút tĩnh điện (hình 6.1) Tuy nhiên, tổng diện tích bề mặt phần nhỏ (nghĩa bề mặt đặc trưng) lớn, và/hoặc điện tích đơn vị diện tích lớn, tổng lượng nước bám thể tích đáng kể Trong trường hợp nước thể hơi, hút bám làm tăng lượng nước hút bám thay đổi hàng ngày khu vực mưa rào thấp thay đổi lớn khu vùc Ýt m­a (cho vÝ dô Komas cïng céng sự, 1998) Độ lớn nước lớp phủ bề mặt đặc trưng phụ thuộc vào kích thước hình dạng hạt Thể tích tăng kích thước hạt giảm hạt trở thành hình cầu nhỏ dẹt Kích thước hạt sét chất hữu đóng góp phần lớn vào diện tích bề mặt đặc trưng đất, với đường kính hạt sét nhỏ 0.1m2g-1 đại diện cho đất sét mịn đường kính 800 m2g-1 cho lớp đất sét thô (hình 6.1) Điều giúp giải thích khả trì nước ngầm lớn đất sét suốt thời kì kéo dài khô hạn Các lực có tác dụng hấp thụ nước đất làm giảm lượng dư thừa nước ngầm Điều có nghĩa là, nơi đất không bÃo hòa, áp suất nước lỗ rỗng âm (nghĩa nhỏ áp suất khí quyển) Vì lý nên lực hút mao dẫn lực hút điện từ coi tạo nên căng mặt hay hút nước yếu đất Các lực hút quan trọng đất có sét đất có cát trở nên quan trọng tất loại đất lượng ẩm giảm Trong thực tiễn lực trạng thái cân với lực khác dễ dàng đo đạc cách riêng biệt Do để đo đạc tính toán thường kết hợp đo đạc tính toán ảnh hưởng tới đường mặt nước nước giữ lại đất mẹ 176 xem mặt cắt hay mặt cắt (cũng xem phần 6.3.5) Ba lực hoạt động để giữ nước đất tạo từ áp suất thẩm thấu chất tan nước đất Mặc dù, thường lờ đi, đặc biệt môi trường ẩm ướt, áp suÊt thÈm thÊu cã thÓ quan träng cã mét sù kh¸c biƯt sù tËp trung chÊt tan tõ bên sang bên màng thẩm thấu Điều có bề mặt rễ có tác dụng làm cho nước ngầm giảm lượng nước sẵn có cho cây, đặc biệt đất mặn Trong đất mặn tầng đất sang tầng đất khác có lớp đất sét mịn lỗ rỗng chứa đầy không khí làm ngăn cản khuyếch tán nước lớp đất, sau theo di chuyển nước, chất tan, nước di chuyển từ bên sang bên lỗ rỗng loÃng tạo nên hoà tan nồng độ ẩm lỗ rỗng (Hillel, 1982) nơi thiếu vật cản ion chất tan khuếch tán qua đất bÃo hòa tác dụng lượng động lực học nước đất tạo tập trung nước cố định đất (Baver cộng sự, 1972) Tổng lực giữ nước đất tổng lực gốc lực thấm Sự thảo luận trước đà thể lực giữ lại thay đổi với lượng ẩm Phần lớn, loại đất có mật độ lớn lỗ rỗng phụ thuộc vào thay đổi hình dạng hình học kích thước hạt đất Trong đất lòng dẫn lớn nơi có độ rỗng lớn thường mặt cắt đất cao Ngược lại mặt cắt thấp lòng dẫn hẹp độ rỗng nhỏ Mối liên hệ mặt cắt ẩm đất lượng ẩm rõ ràng có tầm quan trọng chủ yếu cho hiểu biết hoạt động nước đất 6.3.2 Các đặc tính ẩm đất (các đường cong trì) Nếu mặt cắt phân cách nước không khí tăng chậm áp dụng để tìm đới đất bÃo hòa, bề mặt chung không khí nước bắt đầu giảm xuống bên bề mặt đất lực giữ nước đất có ảnh hưởng lớn đến mặt phân cách nước không khí Trước tiên, lỗ rỗng lớn rỗng mặt cắt thấp, lỗ rỗng hẹp chống đỡ bề mặt chung không khí nước mặt cong lớn nhiều không rỗng tận sức hút lớn tăng cường Sự kết hợp hút tổng lượng nước chủ yếu đất xác định qua thực nghiệm phòng thí nghiệm sử dụng đường cấp phối hạt đất (Klute, 1986b) Hàm thể đường cấp phối hạt biết đến thể đặc tính ẩm (hay đường cong giữ nước trường hợp đất khô) Ví dụ đường đặc tính ẩm đại biểu cho kiểu đất khác thể hình 6.2 Hình dạng đường cong liên quan đến phân loại kích thước hạt đất hay lỗ rỗng đất (Bouma, 1977) Nói chung đất có chứa nhiều cát đường cong cấp phối hạt - đường cong giữ ẩm cong nhiều so với đất có nhiều thành phần sét Đất có sét kích thước lỗ rỗng bị thu nhỏ lại Ngoài cách phân loại độ rỗng theo độ cong có cách phân loại độ rỗng theo dốc ổn định đường cấp phối hạt Cơ chế giữ lại nước đất thay đổi với hút bám hạt nước xung quanh hạt đất liên quan đến đường cấp phối hạt Sự hút bám nước thấp phụ thuộc vào sức căng bề mặt lực mao dẫn tác động sau phân chia kích thước lỗ kết cấu đất liên quan đến hút bám loại đất có hút bám cao (lượng ẩm thấp hơn) giữ nước tăng sức hút bám bị ảnh hưởng lớn kết cấu bề mặt đặc trưng vật chất Vì số lỗ mịn nhiều lên hút bám lớn hơn, đất sét có khuynh hướng chứa lượng nước lớn sức hút lớn sức hút loại đất khác 177 Hình 6.2 Các đặc trưng ẩm đất loại đất khác (được vẽ lại theo đồ thị gốc Bouma, 1977) Khi mà sức hút nước tăng lên tác dụng làm cho đất bÃo hòa nước không nước giải phóng Một sức hút tới hạn chắn phải đạt trước tiên không tác động vào lỗ lớn làm cho nước thoát Điều gọi sủi tăm tiếp nhận áp suất không khí Sức hút tới hạn hiển nhiên lớn loại đất cấu tạo bời vật chất có kết cấu mịn sét so với cho cát thô với kích thước lỗ lớn Tuy nhiên, năm gần thường chọn đất có kích thước lỗ ổn định nên đặc tính ẩm chúng thể hiện tượng tiếp nhận không khí rõ ràng đất có kết cấu mịn Sự hút tới hạn thực tế phụ thuộc vào đường dẫn vào lỗ thay đổi nghịch đảo với bán kính lỗ nghĩa phụ thuộc vào đặc tính ẩm, khả chứa nước đặc trưng hay khả chứa nước riêng biệt lỗ thường cho biết lỗ có ảnh hưởng tới phân chia kích thước lỗ đất Nếu sức hút tăng lên đường kính mẫu đất nhỏ, thể tích nước rút khỏi từ mẫu gia tăng lượng tương ứng Sức hút có thể tích chiếm giữ lỗ phụ thuộc vào đường kính lỗ định phạm vi sức hút Trong trình đánh giá sức hút phải nhớ sức hút lớn hút bám hơn, lực căng bề mặt chiếm ưu hướng dòng chảy thường quanh co qua môi trường đất Một mẫu đất có chứa đầy nước bao gồm lỗ lớn lỗ nhỏ hơn, thoát nước mẫu đất thực theo thứ tự không khí nước thoát qua lỗ lớn Nước lỗ nhỏ thoát sau Hiện tượng xảy thường xuyên đặc tính cđa n­íc ®Êt víi søc hót thÊp (Corey, 1977) Bouma (1977) đà lưu ý tương ứng phân loại kích thước lỗ có ảnh hưởng tới sức hút nước phân loại kích thước lỗ đạt phép phân tích hình thái học vi mô lỗ liên quan đến sức hút Điều cho kết tốt việc sử dụng phân tích đặc tính ẩm thu từ mẫu đất bị ẩm ướt hay từ mẫu khô 6.3.3 Hiện tượng trễ Một giới hạn chủ yếu để sử dụng đường cong đặc tính ẩm đất 178 lượng nước sức hút định phụ thuộc không vào giá trị sức ẩm mà phụ thuộc vào lượng ẩm ghi lịch sử đất Sự hút ẩm lớn cho đất khô hạn so với đất ẩm ướt (hình 6.3) Sự hút ẩm phụ thuộc vào trạng thái trước nước đất dẫn tới điều kiện cân trạng ẩm gọi tượng trễ Những lỗ rỗng hút nước lớn lỗ đầy khác biệt phần lớn thể rõ loại đất có hút thấp loại đất có cấu trúc thô Hiện tượng trễ cho số nhân tố ảnh hưởng bao gồm phức tạp không gian lỗ hình học, áp suất, độ ẩm không khí lỗ, co lại vµ sù phång cđa gradient nhiƯt (Feddes cïng céng sự, 1988) Hai nguyên nhân quan trọng tượng trễ ảnh hưởng nước mao dẫn ảnh h­ëng cđa ‘gãc tiÕp xóc’ (Bever cïng céng sù, 1972; bear Verruijk, 1987) Cả hai phụ thuộc vào vận động nước lỗ Các kết trước từ thực tế cho thấy hút lớn cho phép không khí vào cổ lỗ hẹp từ dẫn tới lỗ khác Tình trạng ẩm ướt đất định ảnh hưởng đến độ cong bề mặt không khí nước thân tầng đất có lỗ réng lín (Childs, 1969) ¶nh h­ëng cđa ‘gãc tiÕp xóc’ t¹o tõ thùc tÕ r»ng gãc tiÕp xóc cđa bề mặt lỏng đất rắn có xu hướng lớn diện tích tiếp xúc bề mặt chung tăng lên (nghĩa tình trạng ẩm ướt) Điều có xu thê ngược lại rút (tình trạng khô hạn), tình trạng khô hạn có lượng hút nước lớn định so với tình trạng ẩm ướt (Bear Verruijt, 1987) ảnh hưởng không khí giả làm giảm lượng nước đất ẩm ướt mới, tình trạng không thích hợp để đạt cân tương đối điều kiện thí nghiệm tạo độ ẩm 80 90% đất xốp (Corey, 1986b), độ ẩm tăng theo thời gian biến đổi dòng chảy ngưng tụ ẩm không khí biến thành nước Trong đất sét hạt mịn, tình trạng ẩm ướt tình trạng khô hạn cung cấp thêm phồng lên co lại thể tích mẫu đất Điều dẫn tới thay đổi kích thước lỗ tỷ trọng đất từ tạo nên khác biƯt thĨ tÝch l­ỵng n­íc ë mét sù hót định cấu tạo vật chất ổn định Khi nước rút khỏi từ khe hở phân tử phiến đá (phiến mỏng), phân tử gần giống hơn, làm giảm toàn thể tích nước Trong số điều kiện đất có xuất phiến đá kéo dài gần giống nhau, chúng thay đổi trạng thái thân chúng tình trạng không ẩm ướt tạo lượng nước tích thấp Tuy nhiên, phồng lên hoạt động co lại đất sét phản ánh không xác lượng nước chúng sức hút nước có ảnh hưởng lẫn lực hút lực đẩy phiến đá Điều bị ảnh hưởng so sánh tập trung, hòa tan vật chất có đất đặc biệt kiểu đất sét Một số phương pháp cho xây dựng mô hình tượng trễ đường cong quét xem xét Jaynes (1985) áp dụng loại đường cong đất trạng thái ẩm ướt đường cong đất trạng thái khô hạn Tuy nhiên, thực tiễn có nhiều vấn đề liên quan đến đo đạc đặc tính ẩm xác Hiện tượng trễ thường không ý (Béê Van der Ploeg, 1976; Hillel, 1982) Mặc dù phân loại kích thước lỗ liên quan chặt chẽ với đường cong biểu thị trạng thái ẩm ướt (chi phối kích thước lỗ vào rÃnh), đường cong trạng thái khô hạn (khả giữ lại) Nhưng thiết lập đường thực nghiệm dễ nhiều sử dụng thường xuyên Đây lý mà đường đặc tính 179 ẩm thường cho đường cong giữ ẩm Hình 6.3 Hiện tượng trễ đặc tính ẩm, thể làm ẩm ướt đường cong danh giới khô đường cong quét (vẽ lại theo Childs, 1969) 6.3.4 H»ng sè cđa n­íc d­íi ®Êt Mét sè h»ng số nước đất đà đựơc sử dụng có tính chất truyền thống để thuận tiện cho việc so sánh trạng thái thuỷ văn loại đất khác số nước đất Các số giả thiết phù hợp với giá trị cụ thể hút đất biểu thị qua đường đặc tính hút ẩm Đường hàm số tính chất thủy lý đất Hơn nữa, ảnh hưởng điều kiện tự nhiên mưa giáng thuỷ hiếm, xảy lượng nước đất cho phép tạo trạng thái cân tất trắc diện Do tính chất độc đoán tượng này, số nước đất sử dụng giải vấn đề thực tế nghiên cứu nước đất Những vấn đề liên quan tới rút nước, tưới việc xây dựng mô hình thuỷ văn cho lưu vực Các số thường xuyên sử dụng nghiên cứu cấp nước tự có khả khai thác đồng ruộng Lượng cung cấp nước tự có định nghĩa lượng nước nhỏ đất nơi mà cối rút nước Mặc dù lượng nước thay đổi loại trạng thái phát triển chúng, khác biệt thực xảy tổng lượng nước đất nhỏ lượng nước thấp Khả khai thác đồng ruộng thường quan tâm đến tổng lượng nước giữ lại đường dẫn đất sau hấp thơ, di chun cđa n­íc dõng MỈc dï mét sè loại đất tiếp tục dẫn cho nhiều tuần, khả khai thác đồng ruộng thường phản ánh lượng nước ®Êt 48h sau ngõng trËn m­a rµo lóc đất hoàn toàn trạng thái ẩm ướt Trong thực tiễn, loại đất thấm tốt dẫn nhanh loại đất không thấm đạt tới trạng thái bÃo hòa nhanh ngược lại loại đất thấm ít, đất bÃo hòa chậm hút thấp (Smedema rycroft, 1983) Các nghiên cứu giả thiết giáng thuỷ không mực nước ngầm đủ sâu để xem xét lượng nước trắc diện đất bên mặt đất Mặc dù nhiều vấn đề hạn chế, số nước đất sử 180 dụng rộng rÃi (ví dụ Rao, 1998) nghiên cứu khác biệt lượng ẩm khả khai thác đồng ruộng lượng cấp nước tự có, ví dụ, dùng phép tính xấp xỉ để đánh giá khả chứa nước sinh trưởng cối loại đất khác (hình 6.4) Trong sử dụng khái niệm hữu ích cho so sánh, khái quát hóa quy hoạch bố trí đồng ruộng chung am hiểu đầy đủ hoạt động nước đất phụ thuộc vào chất động lực học hệ thống Những hiểu biết sở cho việc đưa khái niệm định luật vật lý đất 6.3.5 Năng lượng nước đất (tiềm năng) Nước đất di chuyển chậm lượng động lực học không quan trọng Tuy nhiên, lượng tiềm có khả tạo dòng nước ngầm nóng phun từ lòng đất phụ thuộc vào điều kiện nội bên quan trọng việc xác định trạng thái di chuyển Các thông số tiềm nước đất mô tả lượng tiềm nước đất liên quan tới nước trạng thái nước đất Tiềm nước đất định nghĩa công đơn vị khối lượng cần thiết để di chuyển ngược lại vi phân khối lượng nước từ vũng nước tinh khiết chỗ nâng lên đặc trưng (thường bề mặt đất) áp suất khí tới vị trí nước đất định (ISSS, 1976) Tổng lực tiềm đất ( ) điểm định bao gồm tổng vài thành phần, bao gồm lực hấp dẫn tiềm (vg), áp suất tiềm (vp) lực thấm tiềm (v0) thường tính toán sau:  v g  v p  v0 (6.1) Ngoµi việc gộp khả thấm, phương trình 6.1 tất nhiên với phương trình 5.4 cho nước ngầm, nhấn mạnh gradient lượng điện cho nước bề mặt tiếp tục khắp độ sâu đới không bÃo hoà bÃo hoà Khả hút tăng tạo nên chuyển động, nâng lên nước ngầm lực giữ không mạnh nhân tố gây cản trở chuyển động nước dẫn từ nơi cao đến nơi thấp Tuy nhiên, lực giữ nước (phần 6.3.1), khả áp suất âm đới không bÃo hoà phía mực nước ngầm Trong điều kiện khô hạn áp suất hoạt động để giữ nước hút nước vào đất tổng nước ngầm thấp Nước di chuyển từ điểm có tổng lượng cao tới điểm nơi mà tổng lượng thấp Vì tổng lượng hoàn toàn quan trọng phần tương xứng với mực nước ngầm vùng khác đất Sự khác biệt tổng điện điểm phụ thuộc vào khác biệt lực giữ nước lực nâng lên nước ngầm Những điện lực hợp thành không cần thiết có đồng lớp đất điều quan trọng không cần cân điện nguyên nhân tạo dòng chảy 181 Hình 6.4 Mối quan hệ tổng quát thể độ rỗng tổng cộng, khả chứa nước điểm suy giảm loại đất khác Các thể tích trích dẫn minh họa, chứng tỏ gia tăng khả nước sẵn có cho cỏ (giữa khả chứa nước điểm suy giảm) từ cát tới loại đất sét (Theo sơ đồ Dunne cộng sự, 1975) Trong mô tả lượng phân bổ đới không thấm thường biểu lộ (luôn rõ ràng) qua giá trị lượng nước mối liên hệ để tạo trường dòng chảy xem xét (xem phần 5.5.3) Tuy nhiên, nghiên cứu đới không thấm, phân bố nước ngầm phổ biến sử dụng bề mặt đất mức đà biết thay cho giá trị lượng nước đất Đặc biệt, cho nhìn nhận trường dòng chảy snapshot, hay điều kiện nâng mực nước ngầm ổn định, mực nước ngầm sử dụng để thay cho giúp cho đánh giá khả hút, khả nén không mốc tính toán Tuy nhiên, chất động lực học trường dòng chảy không bÃo hoà thực Một ví dụ tổng lượng trắc diện nhận từ việc sử dụng bề mặt đất mốc tính toán thể hình 6.5 áp suất thấm đà bị bỏ qua, tính đến vùng nơi mà kết bốc cao thành phẩm nước đất Khả hút (vg) giảm dần với độ sâu bên bề mặt đất đới bÃo hoà không bÃo hoà Do tất giá trị âm nhắc đến để ám giá trị bề mặt đất không Khả nén (vp) tăng theo mực nước ngầm bên trở thành dương biểu đồ mở rộng tới độ sâu đủ lớn phía mực nước ngầm khả nén âm tăng dần đới rễ gần mặt đất bị làm khô bốc Tổng điện nước đất ( ) tổng khả hút khả nén ví dụ phần lớn nhận giá trị âm bề 182 Hình 6.15 Các mặt cắt nước đất cột đất sau tưới 50mm Các giá trị thời gian ngày từ kết thúc tưới (a) Sự phân bố lại mà bốc hơi, (b) phân bố lại bốc hơi, (c) có bốc (Theo sơ đồ W.R Gardner, D Hillel vµ Y Benyamini, Water Resources Research, 6, trang 1149, Hình 2, Liên hiệp địa chất Hoa Kỳ) Trong trường hợp bốc từ đới rễ bề mặt đất tăng lên tạo gradient tổng cộng có tác dụng thúc đẩy di chun cđa n­íc cã h­íng lªn phÝa trªn tõ ®íi dÉn n­íc vµ ®iỊu nµy gióp cho viƯc lµm gi¶m nhanh theo thêi gian sù di chun cđa n­íc xuống phía Hình 6.15 thể phát triển phân bố ẩm ba trạng thái: (a) phân bố lại ẩm mà bốc hơi, (b) bốc phân bố lại ẩm xảy đồng thời, (c) có bốc Các đường cong trình xảy đồng thời phân bố lại có tính tương tự đó, trừ trường hợp có lượng giáng thuỷ lớn ảnh hưởng tới lớp bề mặt Cụ thể, phần thấp đường cong cho biết bốc ảnh hưởng tới hình dạng tốc độ chuyển động lên phía trước mặt ướt phía trước Trong thực tế, bốc xuất làm gi¶m sù rót n­íc chØ b»ng kho¶ng 10%, thËm chÝ qua phân bố lại làm giảm bốc rÊt lín b»ng 75% (Gardner cïng céng sù, 1970) BiĨu đồ thể phần phía trắc diện, bị ướt suốt trình thấm, đường rút nước đơn điệu tăng cách chậm chạp Trong lớp mặt gần nhÊt trë nªn Èm ­ít tr­íc tiªn tr­íc sù rút nước bắt đầu Nó phần xảy tượng trễ làm phức tạp thí nghiệm khó khăn để đo đạc hay đánh giá trình phân bố lại độ ẩm Tuy nhiên, tượng trễ đưa vÊn ®Ị chung, theo ý ®ã st 201 thêi gian có phân bố lại lượng ẩm đà thể phần phía trắc diện khô qua giảm ẩm bốc tăng phần thấp trở nên ẩm ướt Mối liên hệ lượng nước hút ẩm khác độ sâu khác phụ thuộc vào trình diễn biến trạng thái ẩm ướt trạng thái khô điểm khác đất (cũng xem phần 6.3.3 6.5.1) Những nghiên cứu phân chia lại tính truyền thấm nước vào đất thường giả thiết trắc diện sâu thường không bị ảnh hưởng phân chia nước trắc diện đất 6.4.4 Sự di chuyển hướng lên phía nước đất từ mực nước ngầm Chắc chắn phía mực nước ngầm, sức căng mao dẫn giữ đầy nước lỗ rỗng đất Đây tua mao dẫn sức căng tầng bÃo hoà Các nhà thuỷ văn thường quan tâm tới quy mô phát triển thẳng đứng tua mao dẫn ảnh hưởng lên trắc diện nước đất, tốc độ dòng mao dẫn khả đất cung cấp nước cho bốc từ bề mặt đất từ đới rễ Bề dày tua mao dẫn tương ứng với giá trị không khí vào, hút cần thiết cho không khí vào lỗ rỗng lớn Bề dày nhìn chung lớn đất sét nhỏ cho loại đất cát Nhưng loại đất chứa đựng lỗ mao dẫn điều kiện kích thước hạt không gian lỗ, chiều cao dâng lên cột mao dẫn làm thay đổi không gian bên loại đất định Trong vùng nơi mà đỉnh tua mao dẫn dâng lên tới bề mặt đất giữ vai trò quan trọng sản sinh nhanh dòng chảy mặt nói chung (xem vai trò nước ngầm chương 7) Từ ta thêm lượng nước nhỏ vào đất làm giảm sức hút đất không gây dâng lên đột ngột mực nước ngầm (Sklash Farvolden, 1979; Gillham, 1984; Jâytilaka Gillham, 1996) Sự dâng lên ống mao dẫn mở rộng lên phía tầng hút bÃo hoà giá trị trung bình di chuyển nước qua lớp nước mỏng có hình dạng không có thay đổi kích thước theo không gian bên đới không bÃo hoà Tốc độ chiều di chuyển xác định độ lớn dẫn suất thuỷ lực không bÃo hoà bao gồm gradient lực hút mao dẫn trọng lực Sự bốc tạo thúc đẩy làm tăng gradient sức hút ẩm đất có hướng di chuyển lên phía theo hướng bề mặt đất đới rễ Trừ tốc độ di chuyển hướng lên phía nhỏ Lúc lớp đất có nước bốc Tốc độ dâng lên nước mao dẫn lớn bị chi phối độ sâu mực nước ngầm kết cấu đất Hình 6.16 so sánh tốc độ lớn dòng mao dẫn ổn định chiều cao khác loại đất có kết cấu thô kết cấu mịn khác Thường đất có kết cấu thô, hầu hết đường cong độ cao mao dẫn có cao khác ®é cao lín nhÊt cho biÕt r»ng tèc ®é lín dòng mao dẫn phụ thuộc vào chiều cao phía mực nước ngầm phụ thuộc vào gradient sức hút đặt bề mặt đất Khả bốc thoát nước trắc diện đất bị giới hạn tốc độ bốc qua môi trường dẫn suất thuỷ lực nét đặc trưng đáng ý bổ ích nghiên cứu hệ thống dòng chưa bÃo hoà (Hillel, 1982) Một ví dụ loại đất độ sâu mực nước ngầm 60 cm tạo dòng mao 202 dẫn lớn khoảng mm/ngày Độ cao suy giảm tới khoảng mm /ngày độ sâu mực nước ngầm 90 cm Trong đất có cấu trúc mịn, mặt cắt ngang đường cong mao dẫn không phát triển tốt, ảnh hưởng độ sâu mực nược ngầm nhìn thấy cách rõ ràng Hình 6.16 Tốc độ dòng mao dẫn cực đại (mm/ngày) độ cao khác mặt nước ngầm, liên quan tới hút ẩm mặt đất (a) đất có kết cấu hạt thô (b) đất có kết cấu hạt mịn (theo sơ đồ Wind, 1961) Hình 6.16 ®Ị st r»ng, víi gradient søc hót thÝch hỵp, tèc độ dòng mao dẫn nhỏ xảy chiều cao đáng kể phía mực nước ngầm Trong phòng thí nghiệm đà làm thí nghiệm thùc tÕ ®· nhËn biÕt sù di chun cđa cột nước mao dẫn theo khoảng cách thẳng đứng quan trắc tối thiểu m (Gardner Fireman, 1958) Đặc biệt vùng khô hạn bán khô hạn, cột nước mao dẫn dâng cao tốc độ bốc cao, di chuyển nước đất cã thĨ dÉn tíi sù tÝch l mi t¹i bỊ mặt đất gây thiệt hại cho sản xuất, chí có nơi mực nước ngầm thấp có tượng (Wind, 1961) Hiện tượng dâng nước ống mao dẫn xảy phạm vi mặt cắt thẳng đứng lên tới đới không bÃo hoà cần nghiên cứu ảnh h­ëng cđa d©ng n­íc mao dÉn theo bỊ ngang trắc diện đất nghiên cứu tốc độ di chuyển cđa n­íc c¸c èng mao dÉn (Bloemen, 1980) Sù th¶o ln vỊ dÉn st thủ lùc mơc 6.4.1 thể điều kiện ẩm ướt loại đất có cấu trúc thô có dẫn suất cao đất sét, điều kiện khô hạn ngược lại với điều Phù hợp với tốc độ lớn dâng lên nước ống mao dẫn loại đất có kết cấu trở nên mịn chiều cao nước mao dẫn dâng cao mực nước ngầm (Wind, 1961) Điều quan trọng thuỷ văn vùng khác Hà Lan có mực nước ngầm nông di chuyển nước đất liên kết chặt chẽ với điều kiện đới bÃo hoà (cho ví dụ Querner, 1997) 6.5 Hoạt ®éng cđa n­íc ®Êt d­íi c¸c ®iỊu kiƯn cánh đồng 203 Nhiều thảo luận trước giữ nước đất, trữ di chuyển vấn đề để nghiên cứu nước cánh đồng điều kiện để nghiên cứu Những điều đòi hỏi loại đất phải đồng loại đất nhân tạo đà có trước đây, lượng nước ban đầu không đổi, nước tạo thành ao hồ bề mặt đất môi trường nghiên cứu có thực vật bao phủ, bốc ảnh hưởng mực nước ngầm thường không tồn nơi mà mưa rơi với tốc độ cố định Trên thực tế, trắc diện đất cánh đồng phức tạp hệ thống cánh đồng đồng hạn chế đơn giản hoá áp dụng để làm công việc đo đạcđơn giản phòng thí nghiệm hay thí nghiệm vật lý xây dựng mô hình Thậm chí nghiên cứu toán học n­íc ®Êt cịng cã xu h­íng më réng tíi giả thiết đơn giản hoá đáng kể điều kiện biên (cho ví dụ De Jong, 1981) Các phần chủ yếu chương dựa sở thí nghiệm thực tế phòng thí nghiệm vị trí cánh đồng có thực Nó hy vọng chóng sÏ cung cÊp mét sù hiĨu biÕt tèi thiĨu phần số tượng liên quan ®Õn sù nghiªn cøu tÝnh chÊt vËt lý cđa ®Êt vị trí cụ thể Nhiều tượng có liên hệ chặt chẽ có ý nghĩa quan trọng vận chuyển chất ®Êt (xem mơc 8.5.3) 6.5.1 HiƯn t­ỵng trƠ cđa n­íc đất Hiện tượng trễ có mối liên hệ hút ẩm đất lượng nước đất (xem mục 6.3.3) phụ thuộc vào trạng ẩm đất mà phụ thuộc dạng trao đổi độ ẩm đất Mặc dù tượng trễ thường bỏ qua nghiên cứu nước đất điều kiện nghiên cứu cánh đồng yếu tố quan trọng (ví dụ Royer vµ Vachaud, 1975; Beese vµ Van der Ploeg, 1976) So sánh đường cánh đồng có xuất hiện tượng trễ giảm nhiều dẫn suất thuỷ lực không bÃo hoà, K( ) Dưới điều kiện tự nhiên tồn lượng nước ổn định qua trắc diện không thấy, chí đất đồng Sau lượng giáng thuỷ trực tiếp vào lớp đất bề mặt nước xuống chỗ sâu trình thấm hướng chuyển động nước xuống phía có phân bố lại lượng ẩm đất Với lượng giáng thuỷ giống nhau, đặt trạng thái khô lớp đất bề mặt lượng ẩm tăng theo độ sâu Kiểu phân bố tiếp diễn trận bÃo ảnh hưởng bÃo lại tăng thêm, phân chia nước đất trắc diện không ổn định tiếp tục thay đổi Như kết quả, lượng nước thay đổi độ sâu khác đất theo đường thâm nhập nước khác (hình 6.17) Trạng thái rõ ràng làm phức tạp loại đất không đồng Các vấn đề thủy văn thường quan tâm tới độ sâu mặt đất có thay đổi lượng nước ngầm nhìn thấy thay đổi theo tỷ lệ khác Những thay đổi thực bao gồm lưu lượng nước chảy lưu vực hay lưu vực Có khác biệt theo hướng xuống trắc diện đất thể tích nhỏ đất theo hướng nằm ngang trắc diện 204 Hình 6.17 Các đường cong làm khô nước đất độ sâu khác (cm) trắc diện đất đồng (được vẽ lại theo đồ thị Vachaud Thony, 1971) Sự thay đổi theo không gian Các thuộc tính thay đổi lượng nước đất tiếp tục có xu hướng khác bề mặt đất có vài thay đổi rõ rệt Bởi nhà thổ nhưỡng thường chọn vùng đất nghiên cứu có địa hình thay đổi thoai thoải vùng nghiên cứu có thảm phủ thực vật khác có đặc trưng đất Như đơn vị đất thí nghiệm thường sử dụng nông nghiệp đầu tiên, đặc trưng vùng nghiên cứu giải cách dễ hiểu rõ ràng người chuyên vẽ đồ địa cánh đồng Điều có nghĩa thuộc tính vật lý đất ghi đầy đủ vài yếu tố mà nhà thuỷ văn quan tâm chiếm vai trò nhỏ tất yếu tố đà nêu (Warrick Nielsen, 1980) Thậm chí, đơn vị thí nghiệm cánh đồng đáp ứng thích đáng yêu cầu có nghiên cứu tài liệu điều kiện biên bÃi thí nghiệm đà sử dụng rông rÃi thuỷ văn học (cho ví dụ Farquharson cộng sự, 1978; Bouma, 1986) Nghiên cứu cánh đồng có diện tích không đổi 150ha, tương ứng với hệ đất Trong không gian đà thể nhiều thay đổi lớn theo không gian vài thuộc tính vật lý đất dẫn suất thuỷ lực khuếch tán nước đất Khi phân tích đất thường sử dụng mẫu giấy loga (Nielsen công sự, 1973) Khi sử dụng loại giấy kết cấu, mật độ kích thước lượng nước thể thay đổi nhiều so với loại giấy phân chia thông thường theo số 10 Phương pháp địa máng Kriging sử dụng để nội suy giá trị 205 đo đạc khái niệm địa tầng giống sử dụng hệ số tỷ lệ để mô tả tính không đồng từ vị trí đến vị trí khác địa tầng (Warrick Nielsen, 1980) Hopmans (1987) cung cấp so sánh phương pháp tỷ lệ khác cho thuộc tính thuỷ văn đất lưu vực nghiên cứu miền đông Netherlands Price Bauer (1984) đà phát thay đổi nhỏ kết cấu bên lớp cát mang đến phun lượng nước lên khác nhau, đặc biệt đới có giữ lại nước lớn (kết cấu mịn) thấm qua lớn đất thô (kết cấu thô) khoảng độ sâu vài mét Các lớp đất Nhiều trắc diện đất dọc ngang có nhiều lớp, loại đất khác rõ tạo trình hình thành đất tự nhiên Vì theo chiều ngang có khác rõ rệt dẫn suất thuỷ lực trạng thái xốp Sự phân tầng ảnh hưởng lớn tới di chuyển nước qua trắc diện đất vùng ẩm ướt nhiều, ví dụ phân tử khoáng phân tử mịn lọc tốt từ lớp đất bề mặt lắng xuống tới độ sâu lớn hơn, lọc giảm rõ rệt trong số lỗ rỗng lớn tầng tích tụ thô Trong trường hợp cuối lắng đọng nước mưa tạo tầng đất rắn hay tầng đất có dẫn suất thuỷ lực gần không tạo úng nước hậu lớp bề mặt đá rắn Thậm chí hình thành tầng đất có tính thấm yếu, lớp đất phía có xu hướng có độ dẫn suất thủy lực thấp lớp đất bề mặt Tuy nhiên, trường hợp không xảy bề ngang đất hạn chế khả chuyển nước xuống tầng sâu trắc diện đất Nhìn chung, lớp trắc diện đất có kết cấu tốt làm giảm khả thấm bề mặt đất Trong trường hợp đất có lớp đất thô dẫn suất thuỷ lực bÃo hoà lớp đất có kết cấu thô lớn khả thấm phụ thuộc trước tiên lớp đất thô Một mặt thấm ướt lớp đất mịn có ảnh hưởng tới di chuyển nước làm giảm khả thấm rõ Sau đó, trình thấm kéo dài ra, trục thẳng đứng chuyển động tầng nước ngầm phát triển lớp đất thô trực tiếp phía với địa hình dốc, dòng chảy xuyên qua tạo (xem mục 7.4.2 hình 7.6(d)) Trong trường hợp ngược lại, nơi mà phân tử khoáng mịn nằm phân tử thô, khả thấm thấp có tác dụng ngược trở lại lớp đầu tiên, chí giảm khả thấm lớn front ướt có phân tử khoáng thô nằm bên Ngoài ảnh hưởng đáng ngạc nhiên gây hút ẩm đất front ướt cao để lượng nước theo mà vào lỗ rỗng lớn phân tử khoáng thô Khả thấm tiếp tục nâng lượng ẩm lên lớp phía trước tới tận lớp đất giảm xuống đáng kể nước thâm nhập vào lớp thô Một lớp cát đất có cấu trúc mịn thực tế lớp làm cản trë sù thÊm vµ sù di chun cđa n­íc qua trắc diện đất (Brady, 1984; Hillel, 1982) Các mô hình lượng nước đất nước đất thời kỳ cố định với cung cấp nước bị hạn chế trình thấm nước vào lớp đất (lớp cát mịn nằm lớp cát thô) thể hình 6.18 Dẫn suất bÃo hoà hai lớp lớn đáng kể so víi tèc ®é thÊm (Varchaud cïng céng sù, 1973) Từ di chuyển nước xảy hai lớp, nước đất đà làm cho nước tiếp tục ngang qua đường biên nơi có gián đoạn áp suất tạo mét gradient thủ lùc rÊt lín (Corey, 1977) Sù giống lớp đất 206 có thông lượng trái ngược thấm nguyên nhân khác biệt đặc tính ẩm hai lớp đất Khi trình thÊm tiÕp tơc, front ­ít di chun xng d­íi vµ lượng nước lớp tăng tương ứng với dẫn suất thuỷ lực đủ để mang dòng chảy xng phÝa d­íi (xem mơc 6.4.2 ë d­íi “sù thay đổi theo thời gian khả thấm) Hình 6.18 Các mặt cắt thay đổi theo thời gian (giờ) (a) trữ lượng nước (b) hút nước với tốc độ sử dụng nước không đổi cho vùng đất phân tầng (vẽ lại theo sơ đồ Vachaud cộng sự, 1973) Ngoài vùng ẩm ướt điều kiện khí hậu lớp biên xác định khả thấm tầng trắc diện đất Khi lớp biên có bốc vượt giáng thuỷ có di chuyển nước lên phía chất tan tạo lắng đọng bề mặt tượng sương mặt đất gặp lạnh hình thành lớp bề mặt có vỏ cứng hay bị làm cứng băng Các lớp bị làm cứng thấy phổ biến Châu Phi Australia Các lớp bề mặt bị làm cứng lèn chặt giät m­a hay tõ sù vơn cđa khèi ®Êt st thêi kú Èm ­ít Líp vá cøng bỊ mặt mỏng làm giảm đáng kể trình thÊm (Ben-Hur cïng céng sù, 1985; Poesen, 1986; Romkens cïng céng sù, 1990) Mét sù ¶nh h­ëng cđa líp vá cứng tìm thấy vùng có vĩ độ cao vùng vĩ độ cao có đất bị đóng băng làm cản trở trình thấm di chuyển nước qua trắc diện đất ảnh hưởng đất đóng băng lên tốc độ trình thấm phụ thuộc lớn vào lượng nước đất thời điểm đóng băng Nước đất bị đóng băng điểm kết hợp với lượng đóng băng mặt lớn tọa nên lượng băng đóng băng lớn, tốc độ thấm điểm gần không Các lỗ lớn Một lý chủ yếu để giải thích đất tự nhiên không vận dụng phương trình Darcy, trường hợp rõ ràng, di chuyển nước bị chi phối dòng chảy qua vài khe hổng lớn hay không gian trống có kích thước lớn dòng chảy chảy qua khác trường hợp mà phương trình Darcy áp dụng khe hë cã cÊu tróc rÊt nhá cđa nỊn ®Êt Những kẽ hở lớn bao gồm khe nứt hay chỗ đứt gÃy cấu tạo chỗ trống gần giống hình trụ gây chỗ sâu đất hang hốc sinh vật tạo nên phân rà rễ Sự chuyển động nước tăng dần nơi có lỗ rỗng lớn 207 có phạm vi kích thước lớn giới hạn lỗ rỗng đà quy định chung Các lỗ rỗng lớn nối liền với với kẽ hở ống mao dẫn phía với đường kính lớn 30 m làm tăng đáng kể tốc độ vận chuyển ®­êng dÉn n­íc ®Êt vµ thËm chÝ cã thĨ đủ để mang đến vận tốc cho dòng nước giữ nước ống mao dẫn xa đường kính lỗ mao dẫn Vì Beven Germann (1982) đà xem xét ảnh hưởng sâu sa lỗ lớn tác động đến dòng chảy nước qua đất, đà tìm nước đất 0.1 kPa lỗ tương đương có đường kính lớn khoảng mm Jones (1997a) đà gộp ống dẫn khí đất nghiên cứu lỗ lớn đà mở rộng đáng kể phạm vi nghiên cứu với nhiều loại ống có kích thước khác Sự gộp vào ống dẫn khí đất nằm lớp đất có đường kính lỗ khác chịu tác động sức căng mao dẫn Sự tác động lực mao dẫn thuỷ văn cho lỗ rỗng lớn tác động phụ thuộc nhiều vào liên kết bên lỗ tiếp tục phụ thuộc vào phong phú đường kính, hình dạng lỗ Trong hầu hết trường hợp, lỗ rỗng lớn có gần 2% thể tích đất Sự biến đổi thuỷ văn chúng thay đổi với lượng nước nước lỗ Cho ví dụ, đất trạng thái khô ngưỡng đo 0.1 kPa trì phần lớn thời gian hầu hết loại đất nước chảy nhanh qua lỗ rỗng lớn không thấy lỗ nhỏ Trong thông tin khác cho biết vai trò tầm quan trọng lỗ lớn trình thấm phân chia lại nước trắc diện đất thời kỳ có trận mưa lớn hay tưới nhân tạo Trong trương hợp ta thấy tốc độ nước vượt khả thấm vùng đất liền kề, mặt đất nước chảy qua hệ thống lỗ rỗng lớn mặt đất di chuyển xa xuống phía trắc diện mặt trước ướt đà định nghĩa xác trước Điều chứng minh Blake cộng (1973), người đà đo đạc 50 mm nước Triti (nước nặng) chuyển động tới bề mặt đất sét khô (hình 6.19) Họ tìm thấy tập trung nước nặng mặt cao nhiều so với nước khe nứt lớp đất Một ví dụ sâu thay đổi trạng thái ẩm chuyển động thấm lỗ rỗng lớn theo kiểu đà Hodnect Bell tìm vào năm 1986 Hai ông đà phát thấy phồng lên đất sét trung tâm ấn Độ họ tìm thấy trận mưa gió mùa bÃo hoà xuất độ sâu khoảng 1.6m Độ sâu sâu độ sâu sách kinh điển đà nêu bÃo hoà từ bề mặt h­íng xng d­íi (h×nh 6.20) Sù di chun nhanh chãng nước chiếm ưu lỗ lớn điển hình trắc diện đất sau số kết nghiên cứu thủy văn: Những lỗ rỗng lớn tăng lên đáng kể khả thấm đất giúp làm giảm dòng chảy mặt đất Nước chảy qua lỗ rỗng lớn làm thành đường vòng không làm ẩm ướt đất điều làm giảm lượng nước trung bình sẵn có lớp bề mặt mà cối hút 208 Hình 6.19 Sự phân bố Tritium xuống trắc diện đất thời điểm 24 15 ngày sau sử dụng bề mặt đất Dòng chảy lỗ lớn cho phép thấm lọc xuống sâu khôi phục lại dòng chảy ngầm, đất nằm phía khô Đây điều đặc biệt mà lỗ rỗng lớn tiếp tục mở rộng toàn độ sâu trắc diện đất, ví dụ điển hình loại đất sét nông bị thâm nhập đầy khe nứt lớn mở rộng (Hodnett Bell, 1986) =0 Hình 6.20 Chu trình hàng năm chuyển động n­íc mét vïng ®Êt sÐt ë Ên ®é, thĨ tiến trình điều kiện bÃo hòa độ sâu 1.6m thấm xuống qua khe nứt (Theo sơ đồ Hodnett Bell, 1986) Do dòng chảy lỗ rỗng lớn không trải qua lọc tự nhiên lọc bên đất nên bị ô nhiễm lượng n­íc ngÇm cung cÊp cho viƯc sư dơng 209 Trong vài loại đất có độ dốc lớn trận mưa lớn dòng chảy lỗ rỗng lớn đóng vai trò quan trọng phát triển dòng chảy qua mặt cắt đất, định di chuyển sâu hay nông xuống bề mặt đất (xem mục 7.4.2) Tiếp tục nghiên cứu lỗ rỗng lớn quan trọng trình dòng chảy lỗ rỗng phát triển, lỗ rỗng bị khép kín chứa đầy ắp nước suốt trận mưa Quá trình dòng chảy phần lớn gắn liền với chuyển động nước lỗ hổng lớn chứa đầy không khí, ống dẫn khí đất, hang động vật đường dẫn nhân tạo Cũng vậy, tầm quan trọng thuỷ văn lỗ rỗng lớn thay đổi theo thời gian lượng nước lỗ lớn Ví dụ, biến đổi theo mùa lượng nước quan trọng, đặc biệt loại đất lỗ rỗng bị co lại mùa đông mà Robinson Beven (1983) đà tìm thấy Đối với loại đất sét vào mùa mưa cạnh xung quanh hạt sét bị làm phồng lên - co lại đường kính lỗ hổng làm cho dòng chảy từ đường dẫn nước bị co lại lòng dẫn nước ngầm phản ứng nhanh trận bÃo mùa hè, đặc biệt mặt đất trạng thái khô nứt nẻ Trong mùa đông tầng đất mặt khép kín băng tuyết đạt đến bÃo hoà vận chuyển nước ngầm bị giảm Tương tự vậy, theo dõi việc hình thành dòng chảy mặt Luxembourg (Hendriks, 1993) thể dòng chảy mặt trực tiếp suốt bÃo mùa hè thấp từ lưu vực trồng rừng so với lưu vực đất đồng cỏ đất trồng trọt Điều có có phát triển lỗ rỗng đồi, lỗ rỗng lớn nứt hang động vật Dòng chảy lỗ rỗng lớn có xu hướng mở rộng chi phối trình dòng chảy nước đất suốt thời gian dài sau thời gian ngắn, mưa giảm vai trò mưa quan trọng dòng chảy lớp đất suốt thời kỳ có phân bố lại dòng chảy ngầm tầng đất Hiện cần thành lập phương trình để biểu diễn tồn chuyển động nước lỗ rỗng lớn hoạt động nước đất có lỗ rỗng lớn tương xứng với điều kiện áp dụng phương trình dựa sở định luật Darcy Lúc cần thiết giả định thuộc tính thuỷ lực nước đất đồng gradient thuỷ lực định nghĩa xác áp dụng (Beven Germann, 1982; Feddes cïng céng sù, 1988) Tuy nhiªn, gradient thuỷ lực không đà quan sát suốt trình thấm dòng chảy lỗ rỗng lín (cho vÝ dơ De Vies vµ Chow, 1978) vµ chất biến đổi hệ thống dòng chảy lỗ rỗng lớn nói chung cần nghiên cứu để chọn mô hình thích hợp hoạt động nước đất điều kiện khác (ví dụ Villholth cộng sự, 1998; Villholth Jensen, 1998) Một số người đầu đà thành công công việc xây dựng mô hình hệ thống lỗ rỗng lớn , đáng ý Germann (1990), ông đà nghiên cứu, sử dụng cột nước phòng thí nghiệm, đà quản lý chúng thấy vai trò thủy văn lỗ rỗng lớn nhân tạo đất phù sa cát (Buttle Leigh, 1997) Nhưng thảo thuận lớn phát triển hệ thống dòng chảy lỗ lớn vai trò cần thiết cần hiểu xác đầy đủ hơn, thủy văn bề mặt mà thuỷ văn nước ngầm với khía cạnh cụ thể khác vấn đề chất lượng nước liên quan với lọc qua Nitrat thành phần khác đất nông nghiệp tượng mưa axít ảnh hưởng đến chất lượng nước (Jones, 1997a) 6.5.3 Địa hình 210 Trong thảo luận hoạt động nước đất tính toán đến phần lớn nghiên cứu di chuyển nước theo phương thẳng đứng trắc diện đất nằm ngang hoàn toàn Trong điều kiện thế, hoạt động nước đất bị chi phối thuộc tính đất điều không thật xác chỗ đất nghiêng, nơi mà có quan hệ chặt chẽ với địa hình Trong thực tế, độ dỗc mặt đất ảnh hưởng tới độ lớn, tốc độ chiều dòng chảy ngầm đất Điều thể rõ ảnh hưởng đến thay đổi tỷ lệ lớn theo không gian lượng nước đất bên đường dẫn nước lưu vực đặc biệt định độ dốc mặt nước ngầm đất Hình 6.21 Dạng tổng quát hóa thé áp suất sườn dốc thẳng (vẽ lại theo sơ ®å cđa Weyman, 1973) Sù di chun n­íc theo h­íng dốc xuống loại đất đất tạo thành lớp lớp có xu hướng mở rộng chệch hướng độ nghiêng xuống phía đường biên ngang, đặc biệt nơi có độ nghiêng lớn gây nên thấm lớn tầng (Warrick cộng sự, 1997) Các nhà nghiên cứu đà xác nhận tầm quan trọng dòng chảy song song với bề mặt đất liên quan chặt chẽ với địa hình đặc biệt, đất đá cứng, có nghiêng đủ lớn (cho ví dụ Buchter cộng sự, 1997) Trong thực tế, nhà khoa học đất đà thừa nhận chuỗi thuỷ văn truyền thống thay đổi với điều kiện đường dẫn bị làm giảm dần giá trị độ dốc (Cruikshank, 1972; White, 1987) Do đồ địa hình đồ đất cung cấp cho nhà thủy văn thông tin hữu ích ban đầu nghiên cứu phân bố nước đất diện tÝch l­u vùc (cho vÝ dô Bouma, 1986) Sù thay ®ỉi c¸c tham sè cđa sù hót n­íc d­íi ®Êt trắc diện đất sườn đồi ổn định, suốt bÃo, thể hiện, sơ đồ chung hình thành dòng chảy, xem hình 6.21 Trước tiên trạng thái nước đất liên quan chặt chẽ với đường dẫn nước trọng lực (a) sức hút tăng theo mặt chiếu đứng trọng trường xấp xỉ cân với lúc gây chun ®éng träng lùc trõ ®i ®é 211 dèc gần đáy, nơi mà có vài dòng bên bÃo hoà Một trận mưa bắt đầu (b), lớp mặt đất trở nên ẩm ướt hút bị giảm Sau thấm qua lớp ẩm ướt sâu (c) lớp bÃo hoà bắt đầu phát triển cung cấp dòng chảy theo phương thẳng đứng dòng chảy bên Sau mưa kết thúc (d), đường dẫn nước từ lớp xuống lớp tiếp tục, trạng thái khô hạn tầng phía giảm dần phát triển xa tầng bÃo hoà Trong phạm vi đới bÃo hoà đáy độ dốc nhân tố quan trọng phát sinh dòng chảy mưa bÃo (xem mục 7.4) Cuối cùng, với ống dẫn nước đất nước tiếp tục di chun sau trËn b·o gièng nh­ kiĨu n­íc đất trở lại trạng thái (a) Việc nghiên cøu sù di chun cđa n­íc ®Êt dèc xng theo hai chiều đơn giản cung cấp sở tốt cho giải thích phân chia nước đất diện tích lưu vực Tuy nhiên, chúng thường bỏ qua xem xét tác động lên việc phân chia hội tụ dòng chảy bÃo hoà bề mặt đất thảo luận trình sản sinh dòng chảy mặt mục 7.4.2 Tại phần ý đến tính lõm theo độ dốc mặt cắt dọc mặt cắt ngang, đà ứng dơng mét thêi kú dµi (cho vÝ dơ Kirkby Chorley, 1967) xem nguyên nhân hội tụ dòng chảy mặt lõm dẫn tới dòng chảy nước đất vượt khả truyền chuyển động trắc diện đất Mặt lõm dốc mở rộng, kết hợp với lượng nước đất cao (cho ví dụ Zaslavsky Sinai, 1981), đặc biệt địa hình dốc lớn cheo leo cuối lượng nước dư có xu hướng mở rộng làm cho dòng chảy di chuyển theo hướng bề mặt đất, tạo bÃo hoà bề mặt, tương tự ảnh hưởng xảy diện tích đất mỏng (xem hình 7.6) Một ví dụ cho thay đổi kiểu phân bố lượng nước đất theo không gian, bao gồm diện tích bÃo hoà bề mặt, sườn đồi, xác định Anderson Burt (1978) từ đo đạc áp suất hệ thống đường đồng mức điểm (hình 6.22) Tương tự phân chia nước đất sườn dốc đà Dunne (1978) OLoughlin (1981) tạo từ mô hình máy tính Lượng nước đất cao, bao gồm diện tích bÃo hoà bề mặt, thường đo đạc rÃnh bÃi dòng chảy khép kín Những điều kiện ẩm kết hợp đặc biệt với tính lõm địa hình phản ánh có mặt mực nước ngầm trì độ sâu nông mực nước rÃnh liền kề Thêm vào nâng lên mực nước ngầm ven sông từ điều kiện biên nước mạch lộ có áp suất nước chảy từ đất chất lỏng rỉ từ bề mặt, rÃnh nước hai bên bờ sông, đường dẫn nước cánh đồng hay lỗ rỗng lớn Nguyên nhân tạo rÃnh nước rò rỉ áp suất nước đất vượt áp suất khí (Freeze Cherry, 1979) ảnh hưởng đường biên áp suất cao đến nâng lên mực nước ngầm đánh dấu thời điểm tạo dòng chảy sở trận bÃo (Troendle, 1985) điều đà công nhận từ lâu (cho ví dụ richards, 1950), thường bị lờ (ví dụ Anderson Burt, 1977) 212 Hình 6.22 Dạng áp suất nước đất (cm), đo độ sâu 60cm, qua mét s­ên ®åi mét trËn lị: (a) thêi kỳ mưa rơi, (b) lúc gần kết thúc mưa, (c) lúc đỉnh lũ sông, (d) ngày sau trận lũ (Theo sơ đồ Anderson Burt, 1978) Địa hình diện tích lưu vực, đặc biệt gradient độ dốc tính lõm có tác động không làm thay đổi chất lỏng rỉ nước từ bề mặt đất, ta dự báo lượng nước rò rỉ số yếu tố tính không đồng phân bố không gian lượng nước đất Tuy nhiên nhìn chung khu vực phẳng hay khu vực có địa hình thoai thoải, mô hình nước đất thường khó dự báo đo đạc nhiỊu u tè dù b¸o (vÝ dơ Baird, 1997; Ragab vµ Cooper, 1993a vµ 1993b; Youngs, 1991) Trong nhiỊu khu vực lượng nước đất bị giảm hoạt ®éng cđa ng­êi, bao gåm viƯc ®µo nhiỊu èng dẫn nước, khai thác nước ngầm tưới cho đất nông nghiệp Thảm thực vật tự nhiên thuộc tính đất cung cấp thông tin hữu ích cho nhà quản lý nước ngầm mở rộng điều kiện bÃo hoà (Dunne cộng sự, 1975) kỹ thuật viễn thám (Schmugge cộng sự, 1980) cung cấp giá trị trung bình yếu tố khí tượng thay đổi theo không gian khu vực lớn 6.5.4 Sụ bổ sung nước ngầm Các thành phần bổ sung nước ngầm tạo từ qua trình thấm sau mưa hay trình thấm bề mặt đất mưa (cũng xem mục 5.4.3) trình tính nước đất Nước đất bổ sung cho đới bÃo hoà qua thấm lọc Do nhận thức nguồn gốc chế di chuyển nước đất đà làm sáng tỏ giúp cho việc đánh giá lượng n­íc ngÇm bỉ sung (cho vÝ dù Lerner, 1997) Sù cố gắng tìm cách đánh giá đơn giản bổ sung nước ngầm dựa giả thiết đồng kết cấu đất dẫn suất thuỷ lực bÃo hoà đất nằm bên 213 Trong điều kiện lý tưởng hoá, có trình đổi chỗ xảy nước thêm vào mực nước ngầm suốt trận mưa không lượng mưa trữ thời gian trước đà di chuyển xuống phía đới thông khí đợt thấm có hiệu (Horton Hawkins, 1965) Quá trình dòng chảy ống píttông liên quan tới dòng dịch chuyển nước đất mục 7.4 Nó nhân tố chủ yếu cho giải thích tốc độ phản ứng mực nước ngầm liên quan đến giáng thuỷ, chí đất thấm kém, đặc biệt lượng nước đất bị nén hay ẩm ướt Một kết dòng chảy dịch chuyển độ sâu mực nước ngầm liên hệ nhanh chóng với giáng thuỷ tốc ®é thÊm rÊt chËm (cho vÝ dơ Bonell cïng c¸c cộng sự, 1983; Bengttsson, 1987) Tuy nhiên, phòng thí nghiệm trường đo đạc nghiên cứu đà vạch (cho ví dụ Gee Hillel, 1988; De Vries Gieske, 1990) Kết đà thể trình thấm tới mực nước ngầm thường bị cô lập theo không gian thời gian có khác biệt nhỏ độ sâu mực nước ngầm, lớp đất, dẫn suất thuỷ lực lượng nước tạo khác biệt lớn trình bổ sung nước ngầm (cho ví dụ Freeze Banner, 1970) Hơn nữa, mục 6.5.2 thể nhiều loại đất có hướng dòng chảy chiếm ưu dòng qua hệ thống lỗ rỗng lớn liên thông với Những điều quan trọng, đặc biệt điều kiện gần bÃo hoà Sự bổ sung nước cho phép nhiều chất độc chất phù dưỡng, thuốc trừ sâu vi khuẩn gây hại xâm nhập môi trường nước đất truyền trực tiếp xuống nước ngầm Tuy nhiên, đo đạc tỉ mỉ tầng ngậm nước phía đông nước Anh (Welling, 1984a, 1984b) thĨ hiƯn r»ng, sù tån t¹i hệ thống lỗ rỗng lớn, di chuyển nước không tăng lượng nước bị ô nhiễm xuống tầng nước ngầm 214 Tóm tắt vấn đề tập 6.1 Tại nước đất lại mô tả yếu tố quan trọng tổng tài nguyên nước 6.2 Mô tả vai trò thủy văn khối đất đá, cấu tạo đất, cấu trúc đất, lớp bề mặt nước ngầm 6.3 Định nghĩa thuật ngữ khoa học sau: Sức căng mặt ngoài, sức giữ nước, mặt ngoài, đặc tính ẩm 6.4 Giải thích nguyên nhân ý nghĩa thủy văn biến đổi đột ngột nước ngầm 6.5 Giải thích vai trò tổng bề mặt chuyển động nước ngầm 6.6 Cái vấn đề đo đạc nước đất 6.7 Giải thích khác dẫn suất thủy lực bÃo hòa không bÃo hòa 6.8 Mô tả trình thấm cố gắng việc ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu thấm 6.9 Cái yếu tố ảnh hưởng đến phân bố lại nước đất sau có mưa gây thấm 6.10 Thảo luận vai trò lỗ rỗng lớn đến chuyển động nước ngầm 215 ... nén (vp) bù lại cách xác giảm khả hút (vg) Hình 6. 5 Mặt cắt lượng nước đất tổng cộng ( ) bên mặt đất, biểu thị thành phần trọng trường ( g ) áp suất ( p ) Trong trắc diện tổng điện thể hình 6. 5... (6 . 5) Độ nghiêng đặc tÝnh Èm   /  v lµ søc chøa nước đặc trưng C( ), theo ta có D    K   C   (6 . 6) Sau mối liên hệ thông lượng gradient lượng nước là: v D (dßng ngang) x (6 . 7). .. Hình 6. 16 Tốc độ dòng mao dẫn cực đại (mm/ngày) độ cao khác mặt nước ngầm, liên quan tới hút ẩm mặt đất (a) đất có kết cấu hạt thô (b) đất có kết cấu hạt mịn (theo sơ đồ Wind, 1 96 1) Hình 6. 16 đề