Độ dẫn thủy lực – Khái niệm, cách đo và ưu nhược điểm của các phương pháp phổ biến.
Độ dẫn thủy lực: Tại sao bạn cần nó?
Độ dẫn thủy lực của đất, hay khả năng truyền nước của đất. Ảnh hưởng đến hầu hết mọi ứng dụng của đất. Nó rất quan trọng để hiểu được sự cân bằng nước hoàn chỉnh và cũng được sử dụng để ước tính lượng nước ngầm được bổ sung qua vùng không bão hòa. Các nhà thủy văn học cần giá trị độ dẫn thủy lực để lập mô hình. Và các nhà nghiên cứu sử dụng nó để xác định sức khỏe của đất hoặc dự đoán cách nước sẽ chảy qua đất tại các địa điểm khác nhau. Các quyết định trong nông nghiệp dựa trên độ dẫn thủy lực để xác định lượng nước tưới hoặc dự đoán xói mòn hoặc rửa trôi chất dinh dưỡng.
Và nó được sử dụng để xác định hiệu quả của lớp phủ bãi chôn lấp. Các kỹ sư địa kỹ thuật cần nó để thiết kế ao chứa nước, nền đường. Vườn mưa hoặc bất kỳ hệ thống nào được thiết kế để thu gom nước chảy tràn. Và nó cũng được sử dụng để hiểu lượng nước có sẵn cho cây trồng trong các chất nền không có đất. Về cơ bản, nếu bạn muốn dự đoán cách nước sẽ di chuyển trong hệ thống đất của mình . Bạn cần hiểu độ dẫn thủy lực vì nó chi phối dòng chảy của nước. Làm thế nào để đo nó? Bài viết này sẽ khám phá cách đo độ dẫn thủy lực. Nó là gì và ưu/nhược điểm của các phương pháp phổ biến.
Độ dẫn thủy lực của đất là gì?
Về mặt khoa học, độ dẫn thủy lực được định nghĩa là khả năng của môi trường xốp ( ví dụ như đất) truyền nước trong điều kiện bão hòa hoặc gần bão hòa. Phương trình 1 minh họa điều đó. Nếu i biểu thị lưu lượng nước (lượng nước trên một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian). Thì nó bằng K (độ dẫn thủy lực) nhân với độ dốc cột nước dh/dz . Độ dốc cột nước (hoặc độ dốc thế năng nước) là lực gây ra sự chuyển động của nước trong đất. K là hệ số tỷ lệ giữa lực đẩy đó và lưu lượng nước trong đất.
Phương trình 1
Áp suất mao dẫn (thế năng nước) có thể được phân tích thành hai thành phần chính: h <sub>m </sub> là áp suất mao dẫn (thế năng mao dẫn) và h <sub>g</sub> là áp suất trọng trường (thế năng trọng trường). Nói cách khác, có lực mao dẫn gây ra sự chuyển động của nước trong đất và cả lực trọng trường.
Phương trình 2
Độ dốc trọng trường dh g /dz bằng 1. Ban đầu, khi nước được tưới vào đất. Lực mao dẫn sẽ hút nước vào đất một cách nhanh chóng (xem Hình 2 bên dưới).
Nhưng nếu quá trình thấm diễn ra trong một thời gian dài đến mức đất rất ẩm ướt,…
Nhưng nếu quá trình thấm diễn ra trong một thời gian dài đến mức đất rất ẩm ướt. Thì cột áp mao dẫn sẽ trở thành 0.
Phương trình 3
Như vậy, sau một thời gian dài. Tốc độ thấm nước xấp xỉ bằng độ dẫn thủy lực của đất. Điều này giúp ta hiểu rõ hơn ý nghĩa của độ dẫn thủy lực của đất. Nếu tưới nước trong thời gian dài. Tốc độ nước thấm vào đất sẽ xấp xỉ bằng độ dẫn thủy lực.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn thủy lực
Độ dẫn thủy lực phụ thuộc vào các yếu tố như kết cấu đất. Phân bố kích thước hạt, độ nhám, độ uốn khúc, hình dạng và mức độ liên kết của các lỗ rỗng dẫn nước. Nếu chỉ xét đến kết cấu đất. Đất có kết cấu thô thường có độ dẫn thủy lực cao hơn đất có kết cấu mịn. Tuy nhiên, cấu trúc đất và cấu trúc lỗ rỗng có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng truyền nước của đất.
Đất có cấu trúc tốt thường chứa các lỗ rỗng lớn. Trong khi đất không có cấu trúc tốt có các lỗ rỗng nhỏ hơn. Hình 1 (bên dưới) minh họa sự khác biệt giữa đất sét có cấu trúc tốt và đất sét có cấu trúc kém. Cũng như tầm quan trọng của cấu trúc đối với độ dẫn thủy lực, đặc biệt là ở trạng thái bão hòa hoặc gần bão hòa.
Các lỗ sinh học, kênh rễ hoặc hang động của động vật làm tăng độ dẫn thủy lực bão hòa nếu chúng chứa nước. Nếu chúng không chứa đầy nước vì không vươn tới bề mặt, chúng có thể làm giảm độ dẫn. Độ nén chặt hoặc mật độ của đất cũng là một yếu tố ảnh hưởng. Cũng như hàm lượng nước hoặc thế năng nước của đất.
Đường cong dẫn thủy lực: công cụ dự báo quan trọng
Đất có thể ở trạng thái bão hòa hoặc không bão hòa. Do đó độ dẫn thủy lực của đất được ký hiệu là độ dẫn thủy lực bão hòa (K <sub>s</sub> /K<sub> fs </sub>) hoặc độ dẫn thủy lực không bão hòa (K(Ψ)). Các nhà nghiên cứu sử dụng các thiết bị trong phòng thí nghiệm (KSAT và HYPROP) để tạo ra các đường cong độ dẫn thủy lực. Biểu diễn giá trị độ dẫn của một loại đất cụ thể ở các mức độ bão hòa/không bão hòa khác nhau. Những đường cong này dự đoán dòng chảy của nước trong các loại đất khác nhau ở các thế năng nước khác nhau.
Hình 1. Đường cong độ dẫn thủy lực của ba loại đất khác nhau. Các giá trị bên phải trục tung biểu thị giá trị độ dẫn bão hòa. Các giá trị bên trái biểu thị giá trị độ dẫn chưa bão hòa. Lưu ý rằng trục tung là trục logarit. Do đó, sự khác biệt là sự khác biệt về bậc độ lớn (hệ số 10. Chứ không phải hệ số 1 hoặc 2).
Hình 1 thể hiện đường cong độ dẫn thủy lực của đất cho ba loại đất khác nhau.
Trục tung biểu thị mức cột nước bằng 0 ( thế năng nước ).
Trục tung biểu thị mức cột nước bằng 0 (thế năng nước). Các giá trị bên phải biểu thị giá trị độ dẫn bão hòa. Các giá trị bên trái biểu thị giá trị độ dẫn chưa bão hòa. Đất sét có cấu trúc kém (đường dưới) có độ dẫn bão hòa thấp hơn nhiều so với đất cát. Điều này là do đất sét bao gồm các lỗ rỗng nhỏ và đường dẫn dòng chảy bị hạn chế hơn. Nhưng nếu đất sét đó (đường chấm) có cấu trúc tốt (tức là nó chứa các hạt kết tụ với các lỗ rỗng lớn giữa các hạt kết tụ đó tạo ra các đường dẫn dòng chảy tốt hơn) thì độ dẫn thủy lực bão hòa của nó có thể cao hơn độ dẫn của đất cát.
Ở phía bên trái của Hình 1, nơi áp suất (thế năng nước) âm. Đất bắt đầu bị mất bão hòa và các lỗ rỗng bị lấp đầy. Khi các lỗ rỗng (đặc biệt là các lỗ rỗng lớn) bị lấp đầy, độ dẫn thủy lực giảm mạnh. Do đó, độ dẫn thủy lực ở trạng thái chưa bão hòa luôn thấp hơn. Và trong hầu hết các trường hợp, thấp hơn nhiều bậc so với khi đất bão hòa.
Lưu ý rằng độ dẫn thủy lực không bão hòa của đất sét có cấu trúc kém và đất sét có cấu trúc tốt cuối cùng sẽ gặp nhau.
Điều này là do tại một điểm nhất định, các lỗ rỗng lớn ngừng đóng góp vào dòng…
Điều này là do tại một điểm nhất định, các lỗ rỗng lớn ngừng đóng góp vào dòng chảy. Và sau đó dòng chảy chỉ xảy ra trong các lỗ rỗng trung bình giữa các hạt đất. Cũng cần lưu ý rằng đường cong độ dẫn thủy lực không bão hòa của đất cát không có cấu trúc ban đầu cao hơn so với đất sét. Nhưng khi đất khô, độ dẫn thủy lực không bão hòa trở nên thấp hơn so với đất sét.
Hiện tượng bão hòa trường không phải là bão hòa
Độ dẫn thủy lực bão hòa (K<sub> s</sub> ) không giống với độ dẫn thủy lực bão hòa ngoài thực địa (K <sub>fs</sub> ). Điều này là do khi đo độ dẫn thủy lực bão hòa trong phòng thí nghiệm. Các mẫu đất có thể được đưa đến trạng thái bão hòa hoàn toàn. Tuy nhiên, ngoài thực địa, rất khó để đưa đất đến trạng thái bão hòa hoàn toàn. Tại sao? Thông thường khi nước thấm từ trên xuống, không có chỗ cho không khí thoát ra. Vì vậy đất sẽ bị giữ lại không khí (Hình 2).
Hình 2. Khi đất hấp thụ nước, nó tạo ra một lớp màng nước bám vào các hạt đất. Ngoài ra còn có các khoảng trống chứa đầy không khí.
Trong điều kiện thực địa, rất khó để loại bỏ các khoảng trống không khí này. Sự giữ lại không khí này là lý do tại sao phần trăm độ bão hòa hiếm khi bằng với độ bão hòa tối đa lý thuyết đối với bất kỳ loại đất nào.
Điều này dẫn đến tình trạng không hoàn toàn bão hòa. Do đó nó được gọi là độ dẫn thủy lực bão hòa tại hiện trường (K fs ). K fs thường thấp hơn K s do không khí bị giữ lại làm chậm chuyển động của nước.
Cách đo độ dẫn thủy lực
Các nhà nghiên cứu đo độ dẫn thủy lực của đất bão hòa và không bão hòa bằng nhiều kỹ thuật khác nhau trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa. Bài viết này sẽ tìm hiểu một số phương pháp phổ biến nhất.
KỸ THUẬT THÍ NGHIỆM: ĐỘ DẪN THỦY LỰC BÃO HÒA
Buồng dòng chảy (K s ) : Cách thức hoạt động
Các phép đo bằng buồng dòng chảy thường được thực hiện trên các mẫu lõi đất được mang đến phòng thí nghiệm. Chúng đo các mẫu đất nguyên trạng hoặc bị xáo trộn. Nhưng kích thước mẫu phụ thuộc vào thiết kế của buồng dòng chảy. Chúng có thể sử dụng kỹ thuật đo cột áp không đổi hoặc cột áp giảm dần.
Hình 3. Sơ đồ buồng dòng chảy
Hình 3 minh họa cách hoạt động của một buồng đo lưu lượng điển hình (có những thiết kế khác). Lõi đất được bão hòa trước khi đưa vào buồng đo lưu lượng. Nước từ nguồn nước chảy qua đỉnh của lõi đất, và tốc độ dòng chảy ổn định được đo. Giá trị đó sau đó được sử dụng để xác định tốc độ thấm. Các hiệu chỉnh được thực hiện cho cả kỹ thuật cột nước không đổi và cột nước giảm dần để chuyển từ i (tốc độ thấm) sang giá trị K <sub>s</sub> (đại diện cho ảnh hưởng của cột áp bằng 0).
Ưu điểm và nhược điểm của buồng dòng chảy
| Thuận lợi | Nhược điểm |
|---|---|
| Tính toán đơn giản | Đất trương nở bị giới hạn |
| Không có hiệu chỉnh nào cho dòng chảy 3 chiều | Các giá trị có thể khác với phương pháp thực địa. |
| Phân tách các chân trời khác nhau | Cần có thêm thiết bị để tự động hóa. |
| Có thể đo đồng thời nhiều mẫu. | Không gian phòng thí nghiệm chuyên dụng |
| Thiết lập tương đối dễ dàng | Diện tích bề mặt nhỏ |
Các phép tính bằng tế bào dòng chảy rất đơn giản vì nước thấm qua một khu vực đã biết. Loại bỏ dòng chảy ba chiều (theo chiều ngang). Một ưu điểm khác là các tầng đất có thể được phân tách – bạn có thể lấy mẫu từ các lớp đất khác nhau để xác định tầng nào có thể là yếu tố hạn chế.
Thiết bị đo lưu lượng dòng chảy dễ lắp đặt. Nhưng việc tự động hóa thiết bị lại phức tạp hơn. Nó đòi hỏi không gian phòng thí nghiệm chuyên dụng do thiết bị tự động hóa lớn cần được đặt cố định. Một hạn chế khác của thiết bị đo lưu lượng dòng chảy là khi đất trương nở bị làm ướt. Nó sẽ nở ra trong lõi đất bị giới hạn, làm nén các lỗ rỗng trong đất và thay đổi các đặc tính của đất.
Điều này có thể dẫn đến việc đánh giá thấp độ dẫn thủy lực của đất.
Điều này có thể dẫn đến việc đánh giá thấp độ dẫn thủy lực của đất. Để khắc phục vấn đề này, hãy lấy mẫu khi đất gần bão hòa.
Một vấn đề với các tế bào dòng chảy (và tất cả các kỹ thuật thí nghiệm) là giá trị trong phòng thí nghiệm khác với giá trị thực địa . Một lỗ rỗng lớn bị bịt kín trong thực địa có thể bị mở ra trong quá trình lấy mẫu lõi đất. Vì nước chảy dễ dàng hơn qua một lỗ rỗng không bị bịt kín. Nên có thể dẫn đến việc đánh giá quá cao độ dẫn thủy lực. Ngoài ra, một lõi đất nhỏ không thể hiện được sự biến đổi không gian. Do đó, cần nhiều mẫu hơn để có được sự đại diện chính xác cho thực địa.
KSAT (K s): Cách thức hoạt động
Thiết bị KSAT của METER tương tự như buồng đo lưu lượng. Ngoại trừ việc nó đơn giản hóa và tăng tốc quá trình đo vì hệ thống tự động hóa được tích hợp sẵn trong thiết bị.
Hình ảnh nhìn từ phía trước của thiết bị phòng thí nghiệm KSAT dùng để đo độ dẫn thủy lực bão hòa.
Nó có khả năng thực hiện cả kỹ thuật thả nước và kỹ thuật giữ mực nước ổn định. KSAT sử dụng một lõi đất nhỏ và có một cột nước với một ống đong để kiểm soát lưu lượng nước (Hình 4).
Hình 4. Mặt cắt ngang của KSAT
Nước chảy qua ống đong, đi vào đáy mẫu và chảy ra phía trên mẫu. Thiết bị KSAT sử dụng cảm biến áp suất tự động đo cột áp suất của nước. Máy tính sẽ lấy các số liệu từ bộ chuyển đổi áp suất. Và phần mềm sẽ tự động tính toán và hiệu chỉnh sự thay đổi độ nhớt của nước ở các nhiệt độ khác nhau. Khi sử dụng kỹ thuật cột áp giảm dần, bộ chuyển đổi áp suất sẽ đo sự thay đổi trong cột nước. Và phần mềm sẽ tính toán lưu lượng và độ dẫn thủy lực của mẫu đó.
Giống như các buồng đo lưu lượng. Những hạn chế của KSAT là do diện tích bề mặt nhỏ và mẫu được chứa trong không gian hạn chế.
Vì vậy, cần lưu ý những điều tương tự khi lấy mẫu cho thiết bị này.
Vì vậy, cần lưu ý những điều tương tự khi lấy mẫu cho thiết bị này.
Ưu điểm lớn của KSAT là mọi thứ đều được tự động hóa. Giúp tiết kiệm thời gian và không cần nhiều không gian phòng thí nghiệm. Ngoài ra, nó có thể được kết hợp với HYPROP để tự động tạo ra các điểm trên cả đường cong dẫn thủy lực bão hòa và không bão hòa. Xem video để biết cách thực hiện.
KỸ THUẬT THỰC ĐỊA: ĐỘ DẪN THỦY LỰC BÃO HÒA TRONG THỰC ĐỊA
Máy đo độ thấm vòng (K fs)
Các kỹ thuật thực địa cung cấp sự mô tả tốt hơn về những gì thực sự xảy ra ngoài thực địa. Máy đo độ thấm vòng là một hình trụ thành mỏng, hở hai đầu. Được cắm vào đất đến một độ sâu nhất định (thường khoảng 5 cm) để đo độ dẫn thủy lực bão hòa tại hiện trường. Nước thấm qua vòng (hoặc các vòng) bằng cách sử dụng kỹ thuật cột nước không đổi hoặc cột nước giảm dần. Việc này được thực hiện thủ công. Hoặc hệ thống có thể được tự động hóa để cho phép thực hiện nhiều phép đo cùng một lúc. Có nhiều cách bố trí hình trụ khác nhau. Bao gồm máy đo độ thấm vòng đơn và vòng đôi (hoặc đồng tâm).
Máy đo độ thấm vòng đơn (K fs)
Máy đo độ thấm vòng đơn sử dụng một ống đong duy nhất (Hình 5). Và nước được thấm qua ống đong bằng kỹ thuật cột nước không đổi hoặc cột nước giảm dần. Khi thực hiện kỹ thuật cột nước không đổi. Người ta thường sử dụng một bể chứa có vòi phun Mariotte để kiểm soát lưu lượng và mực nước bên trong vòng. Khi nước thấm qua vòng, nó sẽ di chuyển theo chiều ngang cũng như chiều dọc vào đất. Do đó cần phải hiệu chỉnh cho dòng chảy ba chiều.
Hình 5. Mặt cắt ngang của thiết bị đo độ thấm dạng vòng đơn.
Đường kính của các vòng đo độ thấm đơn dao động từ 10 đến 50 cm. Đường kính vòng càng lớn thì diện tích đo được càng rộng. Cho phép thể hiện tốt hơn sự biến thiên không gian.
Máy đo độ thấm vòng đôi (K fs)
Máy đo độ thấm vòng đôi (hoặc vòng đồng tâm) có một ống đong đặt bên trong một ống đệm lớn hơn. Ống đệm có tác dụng ngăn dòng chảy lệch hướng từ ống đong để đơn giản hóa quá trình phân tích. Về lý thuyết, ống đong chỉ đo dòng chảy thẳng đứng của nước, không tính dòng chảy ngang. Phương pháp này sử dụng kỹ thuật cột nước giảm dần hoặc không đổi. Và mực nước phải được duy trì ở mức như nhau trong cả hai ống để có cùng độ chênh lệch áp suất, điều này thường đòi hỏi một lượng nước lớn.
Hình 6. Mặt cắt ngang của thiết bị đo độ thấm dạng vòng kép hoặc vòng đồng tâm.
Ưu điểm và nhược điểm của máy đo độ thấm vòng
Các vòng đo độ thấm lớn hơn của máy đo độ thấm dạng vòng thể hiện sự biến thiên không gian lớn hơn. Do đó chúng phản ánh điều kiện thực địa tốt hơn so với các thiết bị trong phòng thí nghiệm, điều này có nghĩa là chúng hữu ích hơn cho việc lập mô hình. Tuy nhiên, phép đo đòi hỏi rất nhiều nước—khoảng 60 đến 100 lít nước mỗi giờ. Giả sử tốc độ thấm khoảng 30 cm/giờ (đất có độ dẫn điện cao có thể cần hơn 300 lít/giờ), điều này rất khó khăn để vận chuyển. Và phép đo tốn nhiều thời gian—hai đến ba giờ tùy thuộc vào kích thước vòng.
Một vấn đề khác là cần phải ước tính hệ số chiều dài mao dẫn vĩ mô của đất (gọi tắt là Alpha) để hiệu chỉnh dòng chảy ba chiều.
Có các bảng để ước tính tham số Alpha này. Nhưng nếu ước tính sai, sẽ dẫn đến ước tính không chính xác về độ dẫn thủy lực.
Và, thường thì xi lanh đệm không hiệu quả trong việc ngăn chặn dòng chảy ngang. Điều này đã được chứng minh trong các tài liệu nghiên cứu thông qua phân tích thí nghiệm và mô hình hóa. Vì vậy, các tính toán dựa trên giả định chỉ có dòng chảy thẳng đứng có thể dẫn đến ước tính quá cao.
SATURO (K FS): Cách thức hoạt động
Hệ thống SATURO của METER tự động hóa phương pháp đo hai đầu đã được kiểm chứng. Đo độ thấm ở hai áp suất khác nhau, giúp đơn giản hóa quá trình đo và tránh sai sót do con người gây ra.
Thiết lập máy đo thâm nhập SATURO
Thiết bị này tích trữ nước trên bề mặt đất, sử dụng áp suất không khí để tạo ra hai cột áp. Và một máy bơm tự động duy trì mực nước chính xác. Bộ xử lý bên trong tự động tính toán độ dẫn thủy lực bão hòa tại hiện trường ngay trên thiết bị. Loại bỏ việc xử lý dữ liệu sau đó.
Hình 7. Mặt cắt SATURO
Ưu điểm và nhược điểm của SATURO
SATURO kết hợp tự động hóa và phân tích dữ liệu đơn giản trong cùng một hệ thống. Nó được thiết kế để một người có thể mang vác và lắp đặt. Và vì nó tự động duy trì mực nước chính xác, nên loại bỏ việc đo lường và điều chỉnh liên tục.
Quá trình đo mất một chút thời gian. Nhưng ít hơn nhiều so với máy đo độ thấm vòng, và nó hoạt động tự động. Bạn có thể vận hành nhiều thiết bị cùng lúc. Và nó tránh được việc phải ước tính hệ số Alpha, loại bỏ một nguồn lỗi thường gặp. Nó sử dụng hai túi nước 20 lít nhưng cần ít nước hơn nhiều so với máy đo độ thấm vòng đôi vì nó không cần vòng ngoài lớn.
Trong buổi hội thảo trực tuyến sau đây, Tiến sĩ Gaylon S. Campbell sẽ trình bày những kiến thức cơ bản về độ dẫn thủy lực và nguyên lý khoa học đằng sau máy đo độ thấm tự động hai đầu SATURO.
Máy đo độ thấm áp suất (K fs)
Máy đo độ thấm áp suất tương tự như máy đo độ thấm vòng đơn. Ngoại trừ việc một bộ phận gắn vào đỉnh vòng cho phép kiểm soát áp suất tác dụng lên vòng (Hình 8).
Hình 8. Mặt cắt ngang của thiết bị đo độ thấm vòng áp suất
Người dùng sử dụng một áp suất đầu ra duy nhất trong một khoảng thời gian nhất định. Sau đó chuyển sang áp suất đầu ra cao hơn trong một khoảng thời gian nhất định, rồi lại chuyển về áp suất đầu ra thấp hơn trong một khoảng thời gian nhất định. Quá trình này được lặp lại cho đến khi đạt được tốc độ thấm gần như ổn định ở cả hai áp suất đầu ra. Tốc độ thấm ở các áp suất đầu ra khác nhau sau đó có thể được sử dụng để ước tính các giá trị như giá trị Alpha hoặc hệ số hấp phụ.
Ưu điểm và nhược điểm của máy đo độ thấm áp suất
| Thuận lợi | Nhược điểm |
|---|---|
| Việc đo (𝛂) cải thiện phân tích K fs | Thiết bị đo lường phức tạp hơn |
| Cũng có thể được sử dụng để xác định khả năng hấp phụ và tiềm năng dòng chảy ma trận. | Kỹ thuật nhiều đầu cần nhiều thời gian hơn |
| Không tự động hóa — cần thêm công sức |
Kỹ thuật này cho phép bạn thực hiện phân tích nhiều đầu mao dẫn. Từ đó giúp bạn thực hiện các phép đo khác như hệ số hấp phụ và tiềm năng thông lượng ma trận. Ngoài ra, bạn có thể đo hệ số chiều dài mao dẫn vĩ mô (giá trị Alpha) thay vì ước tính. Giúp loại bỏ một nguồn lỗi tiềm ẩn khi hiệu chỉnh dòng chảy ba chiều.
Nhưng đó là một thiết bị đo phức tạp hơn. Nó đòi hỏi nhiều tự động hóa hơn, đặc biệt là để chuyển đổi giữa các đầu đo áp suất. Và việc đạt được tốc độ thấm ổn định ở cả hai đầu đo áp suất cũng tốn nhiều thời gian.
Máy đo độ thấm giếng khoan (K FS)
Có nhiều thiết kế máy đo độ thấm giếng khoan khác nhau (điều này nằm ngoài phạm vi bài viết này). Nhưng ở đây chúng ta sẽ tìm hiểu những nguyên tắc cơ bản.
Hình 9. Mặt cắt ngang của thiết bị đo độ thấm lỗ khoan.
Máy đo độ thấm giếng khoan sử dụng phương pháp cột nước không đổi để tránh sai sót khi kiểm tra mực nước trong giếng khoan. Để sử dụng máy đo độ thấm giếng khoan, người ta khoan một lỗ đến độ sâu mong muốn, lắp đặt máy đo độ thấm phía trên giếng. Và đưa bộ sục khí Mariotte vào để duy trì cột nước không đổi bên trong giếng khoan. Sau đó, tính toán lưu lượng dòng chảy vào, chờ đến khi đạt trạng thái ổn định. Và sử dụng các giá trị đó để tính toán độ dẫn thủy lực, sau đó hiệu chỉnh cho dòng chảy ba chiều. Có thể thực hiện phân tích cột nước đơn và đa cột bằng cách thay đổi mực nước và áp suất cột nước bên trong lỗ khoan.
Ưu điểm và nhược điểm của máy đo độ thấm
| Thuận lợi | Nhược điểm |
|---|---|
| Việc đo (𝛂) cải thiện phân tích K fs (chỉ khi sử dụng phân tích nhiều đầu) | Diện tích bề mặt nhỏ |
| Phân tích các tầng đất khác nhau | Thời gian đo dài |
| Có thể được sử dụng để xác định khả năng hấp phụ và tiềm năng dòng chảy ma trận. | Nguy cơ bám bẩn và lắng đọng bùn |
| Không nhìn thấy bề mặt đo |
Nếu bạn sử dụng phương pháp phân tích nhiều cột nước tích tụ, máy đo độ thấm cho phép bạn đo hệ số Alpha, loại bỏ một nguồn sai số tiềm ẩn. Và nó có thể xác định khả năng hấp thụ và tiềm năng dòng chảy ma trận. Việc đo đạc các lớp đất khác nhau cũng dễ dàng hơn vì bạn chỉ cần khoan một lỗ nhỏ. Trái ngược với máy đo độ thấm dạng vòng, vốn yêu cầu đào một hố lớn.
Máy đo độ thấm chỉ đo được một diện tích bề mặt nhỏ. Do đó cần nhiều phép đo hơn để có được hình ảnh đại diện cho toàn bộ khu vực.
Và thời gian đo khá dài, đặc biệt là khi thực hiện phân tích nhiều cột áp.
Và thời gian đo khá dài, đặc biệt là khi thực hiện phân tích nhiều cột áp.
Một vấn đề khác là hiện tượng bám bẩn và lắng đọng bùn bên trong giếng khoan (ví dụ. Việc khoan có thể làm bẩn bề mặt khi cắt). Điều này làm tắc nghẽn các lỗ rỗng và khiến chúng không thể dẫn nước. Dẫn đến việc đánh giá thấp độ sâu giếng. Vì không thể quan sát bằng mắt thường. Nên rất khó để biết liệu hiện tượng bám bẩn hay lắng đọng bùn có xảy ra hay không. Tuy nhiên, có những phương pháp để giảm thiểu những vấn đề này.
KỸ THUẬT THÍ NGHIỆM: ĐỘ DẪN THỦY LỰC CHƯA BÃO HÒA
Các tế bào dòng chảy (K(Ψ))
Các tế bào dòng chảy cũng được sử dụng để đo độ dẫn thủy lực không bão hòa (K(Ψ)). Nhưng không giống như độ dẫn thủy lực bão hòa, phép đo này yêu cầu máy đo sức căng (Hình 10).
Hình 10. Mặt cắt ngang của buồng đo lưu lượng và máy đo sức căng bề mặt.
Nước chảy từ nguồn nước, qua mẫu đất và thoát ra khỏi lõi đất. Hai máy đo sức căng bề mặt theo dõi thế năng nước. Và người dùng điều khiển tốc độ dòng chảy từ thấp đến cao để cho phép đất truyền nước trong điều kiện chưa bão hòa. Tốc độ dòng chảy không đổi được duy trì cho đến khi cả hai máy đo sức căng bề mặt đều đọc cùng một thế năng nước (lực hút của đất).
Các phép đo này và tốc độ dòng chảy được sử dụng để xác định độ dẫn thủy lực chưa bão hòa ở thế năng cụ thể đó. Để có được các đặc tính giữ nước, người dùng cũng đo hàm lượng nước trong lõi đất. Các bước này được lặp lại để xác định các điểm khác nhau dọc theo đường cong độ dẫn thủy lực chưa bão hòa.
Ưu điểm và nhược điểm của buồng dòng chảy
| Thuận lợi | Nhược điểm |
|---|---|
| Khả năng truyền và giữ nước đồng thời | Cần có phương pháp duy trì dòng chảy ổn định. |
| Ước tính các thông số dòng chảy bão hòa và không bão hòa trên cùng một cột đất. | Hoạt động phức tạp |
Thiết bị đo lưu lượng cho phép bạn đo đồng thời độ dẫn thủy lực và khả năng giữ nước của đất chưa bão hòa. Từ đó tạo ra đường cong giải phóng độ ẩm đất một phần. Thêm vào đó, bạn có thể đo cả các thông số dòng chảy bão hòa và chưa bão hòa trên cùng một cột đất.
Tuy nhiên, kỹ thuật này đòi hỏi phải có máy bơm để điều khiển và thay đổi tốc độ dòng chảy. Và quá trình vận hành khá phức tạp. Các buồng dòng chảy cũng cần không gian trong phòng thí nghiệm. Và việc tự động hóa đòi hỏi các thiết bị đo lường phức tạp.
Phương pháp bay hơi (K(Ψ))
Phương pháp bay hơi được Wind giới thiệu lần đầu vào năm 1968. Phương pháp này yêu cầu một lõi đất có gắn các thiết bị đo sức căng bề mặt ở các độ sâu khác nhau. Lõi đất ban đầu bão hòa, được mở ở phía trên và đóng ở phía dưới. Chỉ cho phép bay hơi từ bề mặt. Điều này tạo ra một gradient thế năng ma trận trong lõi đất.
Khối lượng của lõi đất và gradient được đo khi nước bay hơi theo thời gian. Cho phép tính toán thế năng dòng chảy ma trận hoặc độ dẫn thủy lực không bão hòa. Kỹ thuật này yêu cầu tốc độ bay hơi không đổi để có được các phép đo đồng thời về cột áp ma trận và hàm lượng nước. Cho phép đo cả độ dẫn thủy lực không bão hòa và tạo ra đường cong giải phóng độ ẩm của đất.
HYPROP (K(Ψ))
Thiết bị HYPROP của METER là một dụng cụ thí nghiệm dựa trên phiên bản đơn giản hóa của kỹ thuật bay hơi Wind/Schindler.
HYPROP 2 tạo ra đường cong giải phóng độ ẩm trong đất
Bên trong HYPROP có hai máy đo sức căng ở các độ cao khác nhau bên trong một lõi đất chỉ hở ở bề mặt (Hình 11).
Hình 11. Mặt cắt ngang bên trong xi lanh HYPROP
Thiết bị HYPROP được đặt trên một cái cân và đo khối lượng lõi đất khi nó bay hơi theo thời gian. Nó tạo ra cả các đặc tính giữ nước của đất và độ dẫn thủy lực không bão hòa. Độ dẫn thủy lực không bão hòa được tính bằng cách đảo ngược phương trình Darcy (Phương trình 4).
Phương trình 4
Ưu điểm và nhược điểm của HYPROP
| Thuận lợi | Nhược điểm |
| Khả năng truyền và giữ nước đồng thời | Dữ liệu K(Ψ) không đáng tin cậy gần điểm bão hòa |
| Đo lường tự động | Đường cong học tập |
| Độ phân giải đo lường tuyệt vời | Chỉ có đặc tính giải hấp |
Ưu điểm của HYPROP so với tế bào dòng chảy là khả năng đo lường hoàn toàn tự động trên toàn bộ phạm vi độ ẩm. HYPROP tiết kiệm thời gian bằng cách tự động tạo ra đường cong độ dẫn thủy lực không bão hòa trong khi bạn làm những việc khác. Nó cung cấp đồng thời các đặc tính truyền và giữ nước với độ phân giải cao (hơn 200 điểm dữ liệu) ngoại trừ gần điểm bão hòa.
Kết hợp nó với KSAT cho phần bão hòa của đường cong. Và với thiết bị đo thế năng nước WP4C (đất khô) để tạo ra các đường cong giải phóng độ ẩm đất hoàn chỉnh. Tìm hiểu thêm về các đường cong giải phóng độ ẩm đất trong video sau.
Máy HYPROP cần thời gian làm quen. Nhưng một khi bạn đã biết cách nạp khí vào máy đo sức căng bề mặt, việc thiết lập sẽ rất dễ dàng. Và một khi đã thiết lập xong, nó hoàn toàn tự động. Lưu ý rằng HYPROP chỉ đo đặc tính giải hấp (mất nước) vì nó là phương pháp bay hơi. Do đó có thể có sự khác biệt so với đặc tính hấp phụ (thêm nước).
KỸ THUẬT THỰC ĐỊA: ĐỘ DẪN THỦY LỰC CHƯA BÃO HÒA
Máy đo độ căng xuyên thấu (K(Ψ))
Máy đo độ thấm căng chỉ đo độ dẫn thủy lực không bão hòa. Một tấm xốp được đặt trên đất (Hình 12). Và nước được hút ra dưới lực hút được điều khiển bởi một tháp chứa thiết bị sục khí kiểu Mariotte.
Hình 12. Mặt cắt ngang của thiết bị đo độ thấm chịu lực căng.
Nó kiểm soát lực hút âm bằng cách đưa ống tạo bọt khí sâu hơn vào nước để tăng năng lượng cần thiết để hút không khí vào thay thế lượng nước đã bị hút qua thiết bị. Kỹ thuật này cho phép phân tích bằng cả phương pháp trạng thái chuyển tiếp và trạng thái ổn định.
Phương pháp biến đổi theo thời gian: đo tốc độ thấm khi nó thay đổi theo thời gian và ngoại suy đến trạng thái ổn định.
Phương pháp trạng thái ổn định : theo thời gian, tốc độ thấm đạt đến trạng thái ổn định.
Máy đo độ thấm bằng lực hút cho phép nước thấm vào đất dưới tác động của lực hút. Nhờ đó có thể đo tốc độ thấm ở các lực hút âm khác nhau để phân loại kích thước lỗ rỗng. Lực hút càng cao, lỗ rỗng càng phải nhỏ để hút được nước. Đây cũng là kỹ thuật thấm ba chiều, do đó cần phân tích dòng chảy ba chiều.
Ưu điểm và nhược điểm của máy đo độ thấm bằng ứng suất
| Thuận lợi | Nhược điểm |
|---|---|
| Hút có kiểm soát | Các phương pháp trạng thái ổn định tốn nhiều thời gian. |
| Các đĩa lớn hơn thể hiện sự biến thiên không gian lớn hơn. | Cần ước tính các đặc tính của đất để hiệu chỉnh dòng chảy ba chiều. |
| Ước tính khả năng hấp thụ và khả năng đẩy lùi |
Ảnh chụp một thiết bị đo độ thấm ứng suất.
Ưu điểm của máy đo độ thấm bằng lực căng là khả năng kiểm soát lực hút cho phép đo độ dẫn thủy lực không bão hòa ở một thế năng ma trận cụ thể . Sử dụng đĩa lớn hơn sẽ giải thích được sự biến thiên không gian lớn hơn. Tuy nhiên, điều này có thể không quá quan trọng vì các lỗ rỗng lớn là nguồn chính gây ra sự biến thiên không gian. Và chúng thoát nước ở lực hút rất thấp. Máy đo độ thấm bằng lực căng cũng được sử dụng để ước tính khả năng hấp thụ và khả năng đẩy nước – hữu ích cho các nghiên cứu về tính kỵ nước trong các tình huống sau cháy rừng.
Hạn chế của phương pháp trạng thái ổn định là tốn thời gian và, giống như phương pháp trạng thái chuyển tiếp. Có thể xảy ra sai sót (đặc biệt là trong đất rất khô với tốc độ thấm ban đầu cao hơn). Vì vậy, nên thực hiện nhiều phép đo. Kỹ thuật này yêu cầu ước tính Alpha để hiệu chỉnh dòng chảy ba chiều – một nguồn sai số tiềm tàng. Nhưng nhìn chung, đây là một kỹ thuật thực địa tốt.
Các yếu tố cần xem xét khi đo độ dẫn thủy lực
Đừng cho rằng bạn có thể sử dụng cùng một giá trị độ dẫn thủy lực của đất cho cùng một loại đất trong cùng một cánh đồng. Điều này không đúng, đặc biệt là với các mục đích sử dụng đất và vị trí địa hình khác nhau. Một nhà nghiên cứu đã phát hiện ra những thay đổi mạnh mẽ về đặc tính thủy lực trong cùng một loại đất. Địa điểm nghiên cứu của ông bao gồm đồng cỏ tự nhiên, đồng cỏ cải tiến và canh tác truyền thống. Và có sự thay đổi rõ rệt về vị trí địa hình trên cả ba cánh đồng.
Hình 13. Giá trị độ dẫn thủy lực cho ba loại hình sử dụng đất và vị trí địa hình khác nhau trong vùng đất đen của Texas.
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện ba phép đo độ dẫn thủy lực bão hòa tại hiện trường bằng cách sử dụng máy đo độ thấm vòng đôi tại mỗi điểm.
Hình 13 cho thấy xu hướng tương tự ở cả đồng cỏ và thảo nguyên trên đỉnh đồi. Sườn dốc phía sau và chân đồi. Giá trị độ dẫn thủy lực của đất cao hơn ở sườn dốc phía sau và thấp nhất ở chân đồi. Điều này một phần là do hiệu ứng catina (sự thay đổi về tính chất thủy lực của đất và thành phần hóa học của đất do sự rửa trôi chất hòa tan từ đỉnh đồi và sự kết tủa chất hòa tan ở chân đồi). Điều thú vị là xu hướng này không rõ ràng ở khu vực canh tác thông thường. Có lẽ là do khu vực này đã bị xáo trộn (được cày xới thường xuyên).
Bạn nên đo ở đâu? Cần đo bao nhiêu lần?
Một chiến lược là đo độ dẫn điện (EC) tổng thể trên toàn bộ cánh đồng để ước tính sự biến thiên không gian thực tế. Với thông tin này, bạn có thể đưa ra quyết định về vị trí đo và số lượng phép đo cần thiết để bao quát sự biến thiên không gian của cánh đồng. Hình 14 là bản đồ EC của một cánh đồng được tạo ra bằng thiết bị EM38 để đo độ dẫn điện tổng thể.
Hình 14. Bản đồ EC thể hiện sự biến thiên trong một cánh đồng ở Texas.
Bản đồ này giúp các nhà nghiên cứu chia khu vực nghiên cứu thành các phần và quyết định vị trí tiến hành đo đạc. Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu đã chọn thực hiện ba lần đo độ dẫn thủy lực bão hòa tại mỗi điểm được chọn (dấu thập trắng).
(Theo trang https://metergroup.com/)