Bài giảng Mô hình nước dưới đất - Chương 4: Truyền dẫn thủy lực
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Mô hình nước dưới đất - Chương 4: Truyền dẫn thủy lực", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Tài liệu đính kèm:
- bai_giang_mo_hinh_nuoc_duoi_dat_chuong_4_truyen_dan_thuy_luc.pdf
Nội dung text: Bài giảng Mô hình nước dưới đất - Chương 4: Truyền dẫn thủy lực
- Chương 4: Truyền Dẫn Thủy lực TS. Nguyễn Mai Đăng Bộ môn Thủy văn & Tài nguyên nước Viện Thủy văn, Môi trường & Biến đổi khí hậu dang@wru.vn
- Summary • Truyền dẫn thủy lực – Khả năng thấm – Phương trình Kozeny‐Carman – Thiết bị đo thấm có cột nước không đổi – Thiết bị đo thấm có cột nước giảm dần • Môi trường không đồng nhất và không đẳng hướng – Môi trường xốp xếp theo tầng • Flow Nets • Refraction of Streamlines • Generalized Darcy’s Law
- Khả năng truyền dẫn thủy lực • Khả năng truyền dẫn thủy lực: – là một tính chất kết hợp giữa môi trường đất và chất lỏng – Làm cho chất lỏng dễ dàng di chuyển trong môi trường đất ρg K = k µ Đặc tính môi trường lỗ rỗng k =khả năng thấm nội tại ρ =khối lượng riêng (mật độ) Đặc tính chất lỏng: Nước ≠ NAPL µ =hệ số nhớt động lực Nước ≠ Không khí g =gia tốc trọng trường NAPL(Non-Aqueous Phase Liquid): ch ấtlt lỏng không hòa tan trong nước
- Khả năng truyền dẫn thủy lực Vertical flow • Hệ số truyền dẫn thủy lực (K) = Lưu lượng đơn vị (q) Q q = = −K trên một đơn vị gradient thủy lực: A • Nhờ khẳ năng truyền dẫn thủy lực mà chất lỏng dễ dàng chuyển động trong môi trường xốp ρg • Phụ thuộc vào các tính chất của cả môi trường xốp và chất lỏng K = k µ – Tính chất của chất lỏng: • Khối lượng riêng (mật độ chất lỏng) ρ • Độ nhớt µ – Các tính chất của môi trường xốp • Phân bố kích thước lỗ rỗng • Hình dạng lỗ rỗng • Độ quanh co của các lỗ rỗng Quyết định: k= Khả năng thấm nội tại [L2] • Diện tích bề mặt • Độ rỗng
- Đánh giá khả năng truyền dẫn (theo phương trình Kozeny – Carman) • Khả năng truyền dẫn là tính chất kết hợp của môi trường xốp và chất lỏng • Nó làm cho chất lỏng dễ dàng chuyển động trong môi ρg trường xốp K = k µ k =khả năng thấm nội tại của môi trường xốp, Xác định k theo phương trình Kozeny – Carman: ⎛ φ3 ⎞ k = cd 2 = ⎜ ⎟d 2 ⎜ 2 ⎟ ρ =mật độ chất lỏng ⎝180(1−φ) ⎠ g = gia tốc trọng trường µ =hệ số nhớt động lực c: tham số, được xác d =kích thước hạt trung bình định theo biểu thức: φ = độ rỗng
- Đo khả năng truyền dẫn trong phòng thí nghiệm (thiết bị đo thấm – permeameter) • Định luật Darcy chỉ có tác dụng khi chúng ta có thể đo được các tham số • Thiết lập một mô hình dòng chảy mà có thể: – thu được dung dịch – tạo ra mô hình dòng chảy thực nghiệm • Hệ số truyền dẫn thủy lực được đo trong phòng thí nghiệm bằng một thiết bị đo thấm – Dòng chảy 1 chiều không ổn định hoặc ổn định – Mẫu đất hìn h trụ nhỏ
- Đo khả năng truyền dẫn trong phòng thí nghiệm sử dụng thiết bị đo thấm có cột nước không đổi Continuous Flow • Dòng chảy ổn định Cấp nước Đảmbm bảo liên tục • Mẫu đất thí nghiệm: đặt trong ống cột nước xi lanh tròn không đổi – Chiều dài: L OflOverflow – Diện tích: A Nếu đầy sẽ • Thí nghiệm đảm bảo chênh cột tràn ra ngoài nước không đổi (b), và tạo ra lưu Nước lượng Q • Theo định luật Darcy: A b QL Q = KA K = Outflow L Ab Q Mẫu đất thí nghiệm
- Đo khả năng truyền dẫn trong phòng thí nghiệm sử dụng thiết bị đo thấm có cột nước giảm dần tube • Lưu lượng chảy qua ống = lưu lượng chảy qua cột đất Nước chảy trong ống Nước chảy trong cột đất (tube): dh (column) nên theo Darcy: Q = πr 2 tube tube 2 h dt và Q = πr K column column L h = b0 khi t = 0; h = b1 khi t = t 2 ⎛ rtube ⎞ ⎛ L ⎞ dh ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ = dt column ⎝ rcolumn ⎠ ⎝ K ⎠ h Tích phân 2 vế phương trình trên theo (h) và (t) với các cận: + khi t=0 thì h = bo 2 Outflow + khi t = t thì h = b1 Q ⎛ rtube ⎞ ⎛ L ⎞ ⎛ b0 ⎞ K = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ln⎜ ⎟ ⎝ rcolumn ⎠ ⎝ t ⎠ ⎝ b1 ⎠
- Môi trường không đồng nhất & không đẳng hướng (Heterogeneity and Anisotropy ) • Tầng ngậm nước đồng nhất: – Các tính chất như nhạu ở mọi điểm • Tầng ngậm nước không đồng nhất – Các tính chất khác nhau ở mọi điểm • Tầng ngậm nước đẳng hướng (Isotropic aquifer) – Các tính chất như nhau theo mọi hướng • Tầng ngậm nước không đẳng hướng (Anisotropic aquifer) – Các tính chất khác nhau theo mọi hướng • Sự phân tầng thông thường là do quá trình lắng đọng trầm tích Khorizontal > Kvertical www.usgs.gov
- Môi trường xốp xếp theo tầng (dòng chảy song song theo các tầng) (1) 3 h2 Q = Q W ∑ i h1 i=1 3 K Q ∂h b1 1 1 = ∑(−bi Ki ) i=1 ∂x Q 3 b b K Q h2 − h1 2 2 2 = − ∑(bi Ki ) W i=1 b K Q3 (2) h − h 3 3 Q = − 2 1 bK W 3 1 3 K Parallel = (b K ) bi Ki = bK ∑ i i ∑ b i=1 i=1
- Môi trường xốp xếp theo tầng (dòng chảy xuyên qua các tầng) ∆h (1) i Q Q = −KiW bi W b Q Q 3 ⎛ b ⎞ ∆h = − i = − ⎜ i ⎟ ∆h i ∑⎜ b K1 1 KiW W i=1 ⎝ Ki ⎠ 1 ∆h b K ∆h (2) Q = −KW b 2 2 2 b Q b b K ∆h ∆h = − 3 3 3 W K Cân bằng (1) và (2): Q 3 Perpendicular b b ⎛ bi ⎞ K = = ⎜ 3 ⎛ b ⎞ K ∑⎜ K ⎟ i i=1 ⎝ i ⎠ ∑⎜ ⎟ i=1 ⎝ Ki ⎠
- Đơn vị của các tham số • Hệ số truyền dẫn thủy lực – K [L/T] • m/s • gg(yal/(day‐ft2) gal m 1 = 4.72x10−7 day − ft 2 s • Khả năng thấm – k[L2] • m2 • ft2 • darcy
- Các điều kiện biên dam • Biên mực nước h = h(t) boundary reservoir • Biên lưu lượng q = q(t) Biên mựcnc nước không đổi n boundary Biên dòng chảy xác định (biên không có dòng chảy) • Biên không có dòng chảy q = 0 Biên mực nước không đổi n boundary
- Phân tích lưới dòng chảy (Flow Net) đơn giản • Đường dòng chảy (Flow Line ) – là một đường mà vector vận tốc tiếp tuyến với nó • Lưới dòng chảy (Flow net) –là một tập hợp các Flow lines và Equipotentials (đẳng thế) giao nhau • Đường dòng chảy kết thúc tại đường đẳng thế (mà nó mô tả ranh giới của miền dòng chảy) • Lưu lượng của bất kỳ một Flowtube (phần diện tích giữa 2 đường dòng chảy) trong một đơn vị chiều rộng là: Flow net Flow line ∆Q =ψ 2 −ψ 1 = ∆ψ h h-∆h • Do vậy dòng chảy đơn vị là ∆b ∆Q ∆Q ∆ψ ∆h q = = = −K ∆b ∆b ∆l ∆l flowtube • ∆Q = dòng chảy cho một Flowtube • ∆H = tổn thất cột nước cho một Flow tu be • l = chiều dài tổng cộng của flow tube Equipotential • b = chiều rộng tổng cộng của dòng chảy
- Xây dựng các lưới dòng chảy (tti(constructing Flow Nt)Nets) Q = n f ∆ Q = n f ∆ ψ = n d ∆ h = n d Kb ∆ h • nf = số lượng Flowtubes • nd = số lượng đường đẳng thế equittilipotential • ∆Q = dòng chảy cho một Flowtube • ∆H = tổn thất cột nước cho một Flowtube • b = chiều rộng tổng cộng của dòng chảy ∆H n ∆h = Q = Kb f ∆H n d nd
- Phân tích lưới dòng chảy (Flow Net) đơn giản n Q = Kb f ∆H nd Q Q
- Lưới dòng chảy bên dưới một đập dâng (l(Flow Net Under a Dam) • Dòng chảy xuất hiện khi: – Cột nước bên trên đập > cột nước bên dưới đập • Dưới đáy hồ chứa có hiện tượng: – Xuất hiện các đường đẳng thế – Dòng chảy hướng về phía hạ lưu • Nền đập cũng là dam – Một Streamline – Và cũng không có dòng chảy reservoir • Biên không thấp phía dưới: – Một Streamline – Và không có dòng chảy Equipotential Flowline • Mặt nước bên dưới đập hình thành – Đường đẳng thế EiEquipotent ilial – Và có cột nước bằng nhau
- Hướng dòng chảy ngầm (Groundwater Flow Direction) • Đo mực nước ngầm từ các giếng này có thể giúp xác định hướng dòng chảy ngầm Cao trình mực nước ngầm đường đẳng trị nước ngầm Hướng dòng chảyngy ngầm
- Bản đồ đẳng trị mực nước ngầm (Contour Map of Groundwater Levels) • Đường đẳng trị nước recharge ngầm (đường đẳng thế discharge equipotential) và đường dòng chảy Flllowlines ((ôvuông góc với đường đẳng thế equipotiential) chỉ ra các khu vực được bổ ậ ướ ầ c p n c ng m đường đẳng trị (recharge) và khu vực nước ngầm mà nước ngầm chảy đi (discharge)
- Sự khúc xạ của các đường Streamliens (Refraction of Streamlines) y • Thành phần thẳng đứng của vận tốc phải bằng q Lớp đất đá phía trên nhau ở cả hai phía của mặt 1 Upper Formation K θ tiếp xúc 1 1 qy = qy 1 2 θ x K2 2 q1 cosθ1 = q2 sinθ2 q K2 >> K1 2 • Cột nước liên tục và không LớLowerp đất đ Formationá phía dưới đổi dọc theo mặt tiếp xúc h1 = h2 tai y = 0 • Do vậy K tanθ 1 = 1 K2 tanθ2
- Định luật Darcy ∆h q = −K Phươnggy trình này biểu • Định luật Darcy L diễn theo 1 chiều • Biểu diễn theo 1 chiều ⎡q ⎤ ⎢ x ⎥ • Khi dòng chảy không q = q vector với3i 3 ⎢ y ⎥ thành phần ⎢ ⎥ phải là 1 chiều, q là một ⎣qz ⎦ vector với 3 thành phần Phương trình này bi ểu q = −K∇h diễn theo 3 chiều ⎡∂h⎤ ⎢ ⎥ ⎡ ⎤ ∂x ⎡qx ⎤ K xx K xy K xz ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ∂h ⎢q ⎥ = − K K K ⎢ ⎥ ⎢ y ⎥ ⎢ yx yy yz ⎥⎢∂y ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣qz ⎦ ⎣K zx K zy K zz ⎦⎢∂h⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ∂z ⎦
- Định luật Darcy ⎡∂h⎤ ⎢ ⎥ • Thông thường chúng ta sắp ⎡qx ⎤ ⎡K xx 0 0 ⎤ ∂x ⎢∂h⎥ xếp các trục tọa độ theo các ⎢q ⎥ = −⎢ 0 K 0 ⎥⎢ ⎥ ⎢ y ⎥ ⎢ yy ⎥⎢∂y ⎥ hướng chủ đạo của lớp đất ⎢q ⎥ ⎢ 0 0 K ⎥ ⎣ z ⎦ ⎣ zz ⎦⎢∂h⎥ đá ⎢ ⎥ ⎣∂z ⎦ • Sự truyền dẫn theo phương ∂h q = −K ngang thường lớn hơn rất x xx ∂x ề ề ẫ nhi u truy n d n theo ∂h phương đứng q = −K y yy ∂y ∂h K xx = K yy >> K zz q = −K z zz ∂z
- Summary • Hydraulic Conductivity – Permeability – Kozeny‐Carman Equation – CttConstant HHdead PtPermeameter – Falling Head Permeameter • Heterogeneity and Anisotropy – Layered Porous Media • Flow Nets • Refraction of Streamlines • Generalized Darcy’s Law