ชั้นหินอุ้มน้ำและกฎของดาร์ซี

ชั้นหินอุ้มน้ำคือหน่วยธรณีวิทยาที่กักเก็บและส่งผ่านน้ำใต้ดิน และกฎของดาร์ซีคือความสัมพันธ์พื้นฐานที่ควบคุมการไหลของน้ำผ่านชั้นหินเหล่านี้

Definition

ชั้นหินอุ้มน้ำคือหน่วยธรณีวิทยาอิ่มตัวที่มีความซึมผ่านได้มากพอที่จะให้น้ำในปริมาณที่ใช้งานได้ กฎของดาร์ซีระบุว่าการไหลของน้ำผ่านตัวกลางที่มีรูพรุนดังกล่าวเป็นสัดส่วนโดยตรงกับสภาพนำน้ำ (hydraulic conductivity) และความชันของระดับน้ำใต้ดิน (hydraulic gradient)

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมประเภทและคุณสมบัติของชั้นหินอุ้มน้ำ แนวคิดเกี่ยวกับระดับน้ำใต้ดิน (hydraulic head) สภาพนำน้ำ (conductivity) และการกักเก็บน้ำ (storage) รวมถึงกฎของดาร์ซีในฐานะสมการพื้นฐานสำหรับการไหลในตัวกลางที่มีรูพรุน เป็นการวางรากฐานสำหรับการศึกษาการไหลของน้ำใต้ดิน อุทกวิทยาของบ่อน้ำ และการเคลื่อนที่ของสารปนเปื้อน

Core questions

• ชั้นหินอุ้มน้ำมีกี่ประเภท และชั้นหินอุ้มน้ำแบบถูกจำกัดกับแบบไม่ถูกจำกัดแตกต่างกันอย่างไร?
• ระดับน้ำใต้ดินคืออะไร และทำไมน้ําใต้ดินจึงไหลจากระดับสูงไปสู่ระดับต่ำ?
• กฎของดาร์ซีเชื่อมโยงการไหลกับความชันและสภาพนำน้ำอย่างไร?
• คุณสมบัติใดของชั้นหินอุ้มน้ำที่ควบคุมการกักเก็บและการส่งผ่านน้ำ?

Key concepts

• ชั้นหินอุ้มน้ำแบบถูกจำกัดและไม่ถูกจำกัด
• ชั้นหินกึ่งอุ้มน้ำ (Aquitards) และชั้นหินกันน้ำ (aquicludes)
• ระดับน้ำใต้ดินและความชันของระดับน้ำใต้ดิน
• สภาพนำน้ำและการส่งผ่านน้ำ (transmissivity)
• ความพรุน (Porosity), ผลผลิตจำเพาะ, ค่าการกักเก็บน้ำ
• กฎของดาร์ซี

Key theories

กฎของดาร์ซี

การทดลองของดาร์ซีในปี 1856 ได้แสดงให้เห็นว่าอัตราการไหลจำเพาะผ่านตัวกลางที่มีรูพรุนเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความชันของระดับน้ำใต้ดินคูณด้วยสภาพนำน้ำ ซึ่งเป็นรากฐานเชิงประจักษ์ของการศึกษาการไหลของน้ำใต้ดินเชิงปริมาณ

การกักเก็บและการส่งผ่านน้ำของชั้นหินอุ้มน้ำ

ชั้นหินอุ้มน้ำมีลักษณะเฉพาะด้วยสภาพนำน้ำ (และสภาพส่งผ่านน้ำ) ที่ควบคุมการไหล และด้วยค่าการกักเก็บน้ำ (ผลผลิตจำเพาะหรือสัมประสิทธิ์การกักเก็บ) ที่ควบคุมปริมาณน้ำที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยการเปลี่ยนแปลงระดับน้ำใต้ดิน ซึ่งแยกความแตกต่างระหว่างพฤติกรรมของชั้นหินอุ้มน้ำแบบถูกจำกัดและไม่ถูกจำกัด

Mechanisms

น้ำใต้ดินเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีระดับน้ำใต้ดินสูงกว่าไปยังบริเวณที่ต่ำกว่า ซึ่งเป็นการรวมกันของระดับความสูงและความดัน อัตราการไหลถูกกำหนดโดยกฎของดาร์ซี: อัตราการไหลจำเพาะเท่ากับสภาพนำน้ำ ซึ่งเป็นคุณสมบัติของทั้งตัวกลางและของเหลว คูณด้วยความชันของระดับน้ำใต้ดิน ชั้นหินอุ้มน้ำแบบถูกจำกัด (confined aquifers) ปล่อยน้ำส่วนใหญ่โดยการอัดตัวและการขยายตัวของน้ำ ทำให้มีค่าการกักเก็บน้ำ (storativity) ต่ำ ในขณะที่ชั้นหินอุ้มน้ำแบบไม่ถูกจำกัด (unconfined aquifers) ปล่อยน้ำโดยการระบายออกจากรูพรุน ทำให้มีผลผลิตจำเพาะ (specific yield) ที่สูงกว่ามาก

Clinical relevance

คุณสมบัติของชั้นหินอุ้มน้ำและกฎของดาร์ซีเป็นตัวกำหนดปริมาณน้ำที่ได้จากบ่อ อัตราและทิศทางการเคลื่อนที่ของน้ำใต้ดินและสารปนเปื้อน การออกแบบบ่อน้ำและการระบายน้ำ และขีดจำกัดการสกัดน้ำใต้ดินอย่างยั่งยืน

History

การศึกษาของดาร์ซีในปี 1856 เกี่ยวกับระบบน้ำประปาของเมืองดีฌงได้นำไปสู่กฎที่ตั้งชื่อตามเขา งานวิจัยในภายหลังได้กำหนดรูปแบบของระดับน้ำใต้ดิน สภาพนำน้ำ และการกักเก็บน้ำ และแยกความแตกต่างระหว่างชั้นหินอุ้มน้ำแบบถูกจำกัดและไม่ถูกจำกัด ซึ่งเป็นรากฐานที่ได้รับการรวบรวมไว้ในตำราอุทกธรณีวิทยามาตรฐานในช่วงปลายศตวรรษที่ 20

Key figures

• Henry Darcy
• R. Allan Freeze
• John A. Cherry

Seminal works

• darcy1856
• freeze1979
• fetter2001

Frequently asked questions

อะไรทำให้หน่วยหินกลายเป็นชั้นหินอุ้มน้ำ?

หน่วยหินจะเป็นชั้นหินอุ้มน้ำได้ก็ต่อเมื่อมันอิ่มตัวและมีความซึมผ่านได้มากพอที่จะกักเก็บและส่งผ่านน้ำในปริมาณที่ใช้งานได้ไปยังบ่อน้ำหรือน้ำพุ วัสดุเดียวกันอาจเป็นชั้นหินอุ้มน้ำในสภาพแวดล้อมหนึ่ง และเป็นชั้นหินกึ่งอุ้มน้ำในอีกสภาพแวดล้อมหนึ่งหากมีความซึมผ่านได้น้อยเกินไป

ทำไมน้ําใต้ดินจึงไหลแม้ไม่มีความลาดชันที่มองเห็นได้?

น้ำใต้ดินไหลตอบสนองต่อความแตกต่างของระดับน้ำใต้ดิน ซึ่งเป็นการรวมกันของระดับความสูงและความดัน การไหลจะไปจากระดับสูงไปยังระดับต่ำ ดังนั้นน้ำสามารถเคลื่อนที่ในแนวนอนหรือแม้กระทั่งขึ้นไปด้านบนได้หากความชันของระดับน้ำใต้ดินกำหนด โดยไม่คำนึงถึงความลาดชันของพื้นผิวดิน