Nước trong đất

173 Ch­¬ng 6 N­íc trong ®Êt 6.1. Giíi thiÖu N­íc trong ®Êt th­êng ®­îc tÝnh to¸n bao gåm c¶ n­íc trong tÇng th«ng khÝ s¸t bÒ mÆt ®Êt vµ n­íc d­íi tÇng th«ng khÝ ®­îc giíi h¹n bëi bÒ mÆt n­íc ngÇm vµ tÇng kh«ng thÊm n­íc (xem môc 5.1). Nh­ vËy ®Þnh nghÜa n­íc trong ®Êt bao gåm tÊt c¶ n­íc trong tÇng th«ng khÝ vµ tÇng s©u. N­íc trong ®íi th«ng khÝ cã thÓ s©u tíi hµng chôc hoÆc hµng tr¨m mÐt ë d­íi mÆt ®Êt. Tuy nhiªn, n­íc trong tÇng ®Êt n«ng c©y cèi thùc sù hÊp thu ®­îc vµ gi÷ l¹i l­îng h¬i Èm cho ®Êt nãi chung vµ cã ý nghÜa vÒ thuû v¨n rÊt lín vµ do ®ã lµ träng t©m chÝnh cña nghiªn cøu trong ch­¬ng nµy. TÇng th«ng khÝ gåm c¸c líp ®Êt máng cã kh¶ n¨ng thÊm hoÆc kh«ng thÊm n­íc, l­îng n­íc m­a ch¶y nhanh trªn bÒ mÆt, thØnh tho¶ng g©y nªn sù xãi mßn vµ mét phÇn thÊm vµo trong ®Êt tÇng n«ng, do ®ã mét Ýt h¬i Èm ®­îc gi÷ l¹i trong ®Êt ®Ó duy tr× sù sèng cña thùc vËt vµ ®éng vËt tíi tËn trËn m­a tiÕp theo. D­íi s©u h¬n gåm c¸c líp ®Êt thÊm ®­îc, trong sù t­¬ng ph¶n, cã thÓ hÊp thu vµ tÝch tr÷ chÊt l­îng n­íc lín vµ cung cÊp l­îng h¬i Èm dù tr÷ trong suèt thêi kú h¹n h¸n vµ cung cÊp mét l­îng n­íc kh«ng ®æi cho dßng ch¶y trong s«ng. TÇm quan träng cña n­íc d­íi ®Êt ngoµi viÖc t¹o nªn sù c©n b»ng n­íc tÇng n«ng th× cßn lµ mét phÇn nhá trong tæng l­îng cña c©n b»ng n­íc toµn cÇu (b¶ng 1.1). §©y lµ mét l­îng n­íc cã thêi gian tån t¹i trung b×nh cña n­íc trong ®Êt ng¾n, kho¶ng ba th¸ng. Quan tr¾c thùc tÕ cho thÊy n­íc trong ®Êt quay trë l¹i bèn lÇn trong mét n¨m. Sù ®ãng gãp n­íc bèn lÇn hµng n¨m cã thÓ t¹o nªn mét l­îng n­íc lín vµ biÕn ®æi tõ 65x133 tíi 260x103 km3. Tuy nhiªn, qua nhiÒu tµi liÖu quan tr¾c cho thÊy tÇm quan träng cña n­íc d­íi ®Êt vµ vai trß cña nã ®èi víi sù sèng nh­ mét nguån n­íc cho thùc vËt. Th«ng th­êng, hiÓu biÕt vÒ nh÷ng nh©n tè ®iÒu khiÓn l­îng n­íc tr÷ vµ sù di chuyÓn cña n­íc trong ®Êt lµ yÕu tè cÇn thiÕt cho sù hiÓu biÕt kh¸c víi ph¹m vi réng r·i cña c¸c qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt, bao gåm kh«ng chØ lµ nguån cung cÊp n­íc cho c©y mµ cßn cho sù ph¸t sinh dßng ch¶y, phôc håi l¹i l­îng n­íc ngÇm n»m bªn d­íi vµ sù di chuyÓn vµ sù tÝch luü cña chÊt g©y « nhiÔm (Bear vµ Verrôit, 1987). Nh­ mét kÕt qu¶, nh÷ng thay ®æi ng­îc l¹i cña t×nh tr¹ng n­íc trong ®Êt cã thÓ t¹o ra tõ nh÷ng thay ®æi vi khÝ hËu mét c¸ch tù nhiªn hay cã nguån gèc tõ con ng­êi vµ ®ã lµ mèi quan t©m lín cña chóng ta (Gleick, 1993a). N­íc trong ®Êt rÊt quan träng do ®ã ®­îc sù quan t©m cña c¸c nhµ thuû v¨n häc, c¸c nhµ n«ng nghiÖp häc, khÝ hËu häc, l©m nghiÖp häc, ®Þa m¹o häc vµ c¸c kü s­ n«ng nghiÖp. 6.2. Nh÷ng ®Æc tÝnh vËt lý cña c¸c lo¹i ®Êt ¶nh h­ëng ®Õn n­íc trong ®Êt Tr¾c diÖn cña ®Êt lµ mÆt c¾t ngang líp ®Êt ch¹y tõ bÒ mÆt ®Êy xuyªn qua c¸c líp ®Êt b×nh th­êng bao gåm mét sè líp hay mét sè mÆt n»m ngang cã ®Æc tÝnh vËt lý 174 kh¸c nhau ®Õn tÇng n­íc ngÇm. B¶n chÊt cña c¸c tr¾c diÖn ®Êt phô thuéc vµo mét ph¹m vi réng lín cña c¸c nh©n tè bao gåm nh÷ng nguyªn liÖu cã nguån gèc ®Çu tiªn, chiÒu dµi thêi gian cña sù ph¸t triÓn ®Þa chÊt vµ cña khÝ hËu ®ang thÞnh hµnh, còng nh­ th¶m thùc vËt vµ ®Þa h×nh. Ba pha trong hÖ thèng ®Êt: pha r¾n, hay chÊt ®Êt nÒn, bao gåm mét Ýt chÊt kho¸ng vµ mét Ýt chÊt h÷u c¬ cña m«i tr­êng cã c¸c lç rçng nhá li ti. Pha thÓ khÝ cña khÝ trong ®Êt vµ pha thÓ láng cña n­íc trong ®Êt. GÇn ®©y ®· cã mét kh¸i niÖm phï hîp h¬n ®ã lµ nh¾c ®Õn “sù hßa tan” cña ®Êt bëi v× nã lu«n chøa ®ùng mét vµi vËt chÊt hßa tan. HÖ thèng n­íc trong ®Êt lµ hÕt søc phøc t¹p, nhÊt lµ v× c¸c thuéc tÝnh trong ®Êt th­êng thay ®æi trong ph¹m vi nhá vµ cã thÓ kh«ng gi÷ nguyªn tÝnh bÊt biÕn theo thêi gian cña ®Þa tÇng, bëi v× c¸c nh©n tè nh­ lµ sù në ra vµ co l¹i cña ®Êt sÐt, sù nÐn chÆt vµ sù nhiÔu lo¹n bëi thùc vËt, ®éng vËt vµ con ng­êi lµ kh«ng nhiÒu. V× lý do nµy c¸c nhµ vËt lý ®Êt trong thêi gian tr­íc ®· ®Ò ra ph­¬ng ph¸p ®Ó nghiªn cøu m«i tr­êng “lý t­ëng ho¸” bao gåm c¸c dät n­íc nhá do kiªn kÕt vËt lý vµ nh÷ng cét n­íc chøa trong c¸c èng mao dÉn. Bëi vËy, c¸c nhµ thuû v¨n häc th­êng ¸p dông nh÷ng kh¸i niÖm lý luËn vµ kh¸i niÖm thÝ nghiÖm ®­îc thùc hiÖn ë c¸c c¬ së thùc nghiÖm trªn c¸c c¸nh ®ång. Môc ®Ých cña ch­¬ng nµy lµ cung cÊp c¸c th«ng tin giíi thiÖu vÒ c¸c hiÖn t­îng quan träng cña häc thuyÕt n­íc trong ®Êt vµ c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm thiÕt thùc cho c¸c nhµ thuû v¨n. L­îng n­íc ®ã cã thÓ ®­îc gi÷ trong mét thÓ tÝch nhÊt ®Þnh cña ®Êt vµ tèc ®é cña n­íc di chuyÓn qua ®Êt phô thuéc vµo c¶ kÕt cÊu ®Êt, nghÜa lµ thµnh phÇn cÊp phèi h¹t cña vËt chÊt trong ®Êt vµ vµo cÊu tróc ®Êt. N­íc cã thÓ chøa trong c¶ cÊu tróc cña kho¶ng kh«ng trèng rçng vµ kho¶ng kh«ng cã kÕt cÊu (gi÷a c¸c phÇn nhá). ë nh÷ng chç chøa ®ùng h¬i Èm cao n­íc ch¶y qua nh÷ng chç cò cã thÓ bÞ chi phèi, nh­ng trë nªn kÐm quan träng h¬n khi ®Êt trë nªn kh« h¬n. Th«ng th­êng, nh÷ng lç nhá lín h¬n sÏ x¶y ra gi÷a c¸c kho¶ng trèng do c¸c khe nøt, dÔ c©y vµ nã sÏ dÔ h¬n cho sù di chuyÓn cña n­íc trong kh«ng gian nµy. Nh­ vËy c¶ hai kh«ng gian nµy ®Òu cã kh¶ n¨ng hÊp thô n­íc chËm h¬n vµ dÉn n­íc chËm h¬n. C¸c vËt chÊt sÐt tù do trong ®Êt lµ quan träng nhÊt v× kÝch th­íc th­íc cña nã x¸c ®Þnh c¶ ®Æc tÝch vËt lý vµ ho¸ häc cña ®Êt. C¸t vµ phï sa nhá chñ yÕu bao gåm th¹ch anh vµ c¸c vËt chÊt ban ®Çu kh¸c ®· lµm biÕn ®æi tÝnh chÊt ho¸ häc trong ®Êt sÐt. Trong sù t­¬ng ph¶n, c¸c s¶n phÈm t¹o ra tõ sù phong ho¸ ho¸ häc x¸c ®Þnh c¸c vËt chÊt thø yÕu lµ mét sù ®a d¹ng lín cña c¸c ®Æc tÝnh vËt lý cña ®Êt (White, 1987; Wild, 1988). Mét sù kh¸c biÖt lµ l­îng nhá ®Êt sÐt ë c¸c vØa platey vµ bÒ mÆt cã hÖ sè cho n­íc cao h¬n, nghÜa lµ diÖn tÝch bÒ mÆt n­íc ngÇm trªn ®¬n vÞ thÓ tÝch cao h¬n (Brady, 1984; Carter cïng céng sù, 1986). PhÇn lín bÒ mÆt cña ®Êt sÐt tÝch ®iÖn ©m vµ c©n b»ng víi c¸c cation bªn ngoµi ®ã kh«ng ph¶i lµ mét phÇn cña cÊu tróc ®Êt sÐt vµ nã cã thÓ ®­îc thay thÕ hoÆc thay ®æi bëi c¸c cation kh¸c (xem phÇn 8.5.2). Mét sè kiÓu ®Êt sÐt chØ liªn kÕt yÕu ít víi c¸c vØa liÒn kÒ, vµ c¸c bÒ mÆt “néi bé” cña c¸c h¹t ®Êt còng cã c¸c ph¶n øng hÊp phô n­íc lÉn nhau. §©y lµ ®iÒu quan träng cho sù duy tr× vµ sù gi¶i phãng n­íc cïng víi chÊt dinh d­ìng vµ muèi. N­íc cã thÓ ®i vµo gi÷a c¸c vØa t¹o ra chóng ®Ó tån t¹i n­íc cã ®Æc ®iÓm riªng rÏ vµ ph¸t triÓn. NhiÒu lo¹i ®Êt sÐt në ra khi bÞ ­ít vµ co l¹i hay vì vôn ra khi kh«, nã rÊt quan träng t¹o nªn c¸c ®Æc tÝnh thuû lùc cña c¸c lo¹i ®Êt. 175 CÊu tróc ®Êt t¹o ra tõ sù kÕt hîp c¸c h¹t nguyªn sinh ®­îc biÓu diÔn trong c¸c ®¬n vÞ cÊu tróc hay trong c¸c bã ®Êt. Nh÷ng ®¬n vÞ nµy t¸ch rêi khái ®¬n vÞ kh¸c bëi liªn kÕt bÒ mÆt tinh thÓ yÕu ít nã. §iÒu nµy cã tÇm quan träng quyÕt ®Þnh h­íng dßng ch¶y di chuyÓn qua tr¾c diÖn ®Êt. TÝnh c¬ häc cña sù h×nh thµnh cÊu tróc ®Êt vµ tÝnh æn ®Þnh lµ rÊt phøc t¹p vµ phô thuéc vµo mét sè c¸c nh©n tè ®Þa tÇng mÆt cña ®Êt vµ sù kÕt hîp sÏ thay ®æi theo thêi gian do thêi tiÕt vµ ho¹t ®éng ®Êt canh t¸c, nh­ng ë nh÷ng tÇng s©u h¬n chóng sÏ æn ®Þnh h¬n. Thùc vËt rÊt quan träng cho cÊu tróc cña c¸c tÇng mÆt tõ c¸c dÔ c©y kÕt l¹i thµnh nh÷ng phÇn nhá ®Ó gióp t¹o thµnh khèi liªn kÕt æn ®Þnh. VÝ dô, nh÷ng b·i cá cã t¸c ®éng phæ biÕn v× ®é s©u cña rÔ c©y cá n»m gÇn bÒ mÆt ®Êt (White, 1987). C¸c cÊu tróc cña ®Êt còng thay ®æi trong sù m« t¶ h×nh häc vµ th­êng ®­îc m« t¶ mét c¸ch ®Þnh tÝnh trong giíi h¹n cña sù cÊu t¹o cña ®Êt cã h×nh d¹ng: hét, khèi, l¨ng trô,... vµ bëi tr×nh ®é cña sù ph¸t triÓn cña thùc vËt (vÝ dô Hodgson, 1976). Tuy nhiªn, c¸c m« t¶ th­êng chØ thuËt l¹i mét c¸ch kh«ng ®Çy ®ñ c¸c ®Æc tÝnh thuû lùc trong ®Êt, nhÊt lµ trong cÊu tróc cña ®Êt sÐt. Nh­ kÕt qu¶, Bouma (1981) ®· giíi thiÖu sö dông chÊt phãng x¹ ®Ó ®¸nh dÊu ®Æc tr­ng h­íng dßng ch¶y ­u tiªn qua nh÷ng lç rçng trong ®Êt. Sù m« t¶ kh¸i qu¸t cña c¸c thuéc tÝnh ®Êt chñ yÕu cung cÊp c¬ së cho c¸c phÇn tiÕp theo, m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh ®Çu tiªn chñ yÕu lµ l­îng tr÷ vµ sù di chuyÓn cña n­íc trong c¸c ®iÒu kiÖn ®Êt lý t­ëng hãa (phÇn 6.3 vµ 6.4 tiÕp theo) vµ sau ®ã t¹o ra c¸c m« h×nh h¬i Èm trong ®Êt vµ tèc ®é dßng ch¶y cã thÓ t×m ®­îc c¸c c¸nh ®ång x¶y ra trong c¸c ®iÒu kiÖn tù nhiªn (phÇn 6.5 tiÕp theo). 6.3. L­îng tr÷ cña n­íc trong ®Êt Lêi b×nh luËn cã ¶nh h­ëng m¹nh ®Õn nh÷ng ph¸t triÓn vÒ sau, Terzaghi (1942) ®· nhËn xÐt r»ng nÕu träng lùc chØ t¸c dông lªn ho¹t ®éng cña n­íc trong ®Êt th× nã sÏ ch¶y hoµn toµn sau khi nhËp l­îng m­a vµo v× thÕ n­íc trong ®Êt sÏ ®ù¬c t×m thÊy chØ ë bªn d­íi mùc n­íc ngÇm. Trong t×nh tr¹ng, c©y cèi ph¸t triÓn sÏ h¹n chÕ tíi c¸c khu vùc nµy n¬i mµ m­a rµo x¶y ra th­êng xuyªn hay ë nh÷ng vÞ trÝ n¬i mµ mùc n­íc ngÇm s¸t bÒ mÆt. Trªn thùc tÕ c¸c lo¹i ®Êt trong ®iÒu kiÖn tù nhiªn lu«n chøa ®ùng mét Ýt n­íc, thËm chÝ ë thêi gian cuèi cña thêi kú kh« h¹n tr­íc trong nhiÒu th¸ng hay thËm chÝ nhiÒu n¨m. §iÒu nµy cho biÕt r»ng cã rÊt nhiÒu lùc kh¸ m¹nh ®Ó gi÷ l­îng h¬i Èm trong ®Êt. 6.3.1. C¸c lùc gi÷ n­íc trong ®Êt C¸c lùc chÞu tr¸ch nhiÖm chñ yÕu ®Ó gi÷ n­íc trong ®Êt lµ lùc mao dÉn, lùc hót tÜnh ®iÖn, vµ lùc thÈm thÊu. C¸c lùc mao dÉn g©y ra tõ sù c¨ng bÒ mÆt ë bÒ mÆt chung gi÷a kh«ng khÝ trong ®Êt vµ n­íc trong ®Êt. C¸c ph©n tö trong chÊt láng hót m¹nh h¬n ®èi víi mçi ph©n tö kh¸c so víi c¸c ph©n tö h¬i n­íc trong kh«ng khÝ, t¹o ra xu h­íng bÒ mÆt chÊt láng co l¹i. NÕu ¸p suÊt nh­ nhau trªn c¸c mÆt cña chóng th× bÒ mÆt chung kh«ng khÝ – n­íc sÏ b»ng ph¼ng, nh­ng ph©n bè ¸p suÊt kh¸c nhau t¹o ra ®­êng cong trªn bÒ mÆt chung, ¸p suÊt lín h¬n ë trong n­íc, ë vÞ trÝ lßng ch¶o, ë c¸c vÞ trÝ uèn cong ¸p suÊt liªn kÕt nhá h¬n. ë bÒ mÆt chung trong c¸c kho¶ng trèng cña ®Êt kh«ng khÝ sÏ bÞ gi÷ l¹i víi ¸p suÊt khÝ quyÓn, nh­ng n­íc cã thÓ ë ¸p suÊt thÊp h¬n. Khi n­íc rót khái mÆt ®Êt th× sù kh¸c biÖt ¸p suÊt ë ®­êng bao quanh bÒ mÆt chung t¨ng lªn vµ cã thÓ chØ gi÷ trong nh÷ng lç rçng nhá (h×nh 6.1). Lùc víi nh÷ng mµng máng phun lªn ®­îc gi÷ lai sÏ thay ®æi. ë nh÷ng ®­êng èng mao dÉn gièng nhau nh« 176 lªn trªn b·i cá c¸c èng tuýp mao dÉn nµy thay ®æi cïng víi b¸n kÝnh cña èng, ®é cong cña bÒ mÆt khum chÊt láng vµ søc c¨ng bÒ mÆt cña n­íc. Víi mét tÝnh nhít nhÊt ®Þnh vµ søc c¨ng mÆt n­íc nhÊt ®Þnh, n­íc sÏ gi÷ l¹i m¹nh ë nh÷ng lç hæng nhá h¬n so víi nh÷ng lç hæng lín h¬n. KÓ tõ ®©y khi søc chøa n­íc cña ®Êt gi¶m th× ë nh÷ng lç rçng lín h¬n cã søc chøa lín h¬n vµ t¹i c¸c mÆt c¾t thÊp h¬n nh÷ng lç rçng nhá h¬n cã søc chøa n­íc nhá h¬n. H×nh 6.1 N­íc ®­îc gi÷ bëi lùc mao dÉn gi÷a c¸c ph©n tö ®Êt vµ bëi sù hÊp phô nh­ mét líp n­íc máng Bªn c¹nh lùc hót mao dÉn, n­íc trong ®Êt ë thÓ láng hay h¬i cã thÓ bÞ hót lªn phÝa trªn bÒ mÆt cña c¸c ph©n tö ®Êt chñ yÕu do c¸c lùc hót tÜnh ®iÖn tån t¹i n¬i mµ ph©n tö n­íc ®­îc g¾n kÕt víi nhau tíi bÒ mÆt tÝch ®iÖn cña chÊt r¾n. Trong khi c¸c lç rçng n­íc bÞ hót bëi lùc mao dÉn th× t¹i bÒ mÆt cña chÊt r¾n, chØ nh÷ng líp rÊt máng cña h¹t ®Êt n­íc cã thÓ bÞ gi÷ l¹i bëi lùc hót tÜnh ®iÖn (h×nh 6.1). Tuy nhiªn, nÕu tæng diÖn tÝch bÒ mÆt cña nh÷ng phÇn rÊt nhá nµy (nghÜa lµ bÒ mÆt ®Æc tr­ng) lµ lín, vµ/hoÆc c¸c ®iÖn tÝch trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch lµ lín, th× tæng l­îng n­íc b¸m trong mét thÓ tÝch lµ ®¸ng kÓ. Trong tr­êng hîp n­íc ë thÓ h¬i, sù hót b¸m cã thÓ lµm t¨ng vµ l­îng n­íc hót b¸m nµy thay ®æi hµng ngµy trong nh÷ng khu vùc m­a rµo thÊp vµ sù thay ®æi lín h¬n trong khu vùc Ýt m­a (cho vÝ dô Komas cïng céng sù, 1998). §é lín cña n­íc líp phñ bÒ mÆt ®Æc tr­ng phô thuéc vµo kÝch th­íc vµ h×nh d¹ng cña c¸c h¹t. ThÓ tÝch cña nã t¨ng khi kÝch th­íc cña c¸c h¹t gi¶m vµ khi c¸c h¹t trë thµnh c¸c h×nh cÇu nhá vµ dÑt h¬n. KÝch th­íc cña c¸c h¹t sÐt vµ c¸c chÊt h÷u c¬ ®ãng gãp phÇn lín vµo diÖn tÝch bÒ mÆt ®Æc tr­ng cña ®Êt, víi ®­êng kÝnh cña h¹t sÐt nhá h¬n 0.1m2g-1 ®¹i diÖn cho ®Êt sÐt mÞn vµ ®­êng kÝnh trªn 800 m2g-1 cho c¸c líp ®Êt sÐt th« (h×nh 6.1). §iÒu nµy gióp gi¶i thÝch kh¶ n¨ng duy tr× cña n­íc ngÇm lín trong ®Êt sÐt trong suèt thêi k× kÐo dµi cña sù kh« h¹n. C¸c lùc nµy cã t¸c dông hÊp thô gi÷a n­íc vµ ®Êt vµ lµm gi¶m n¨ng l­îng d­ thõa cña n­íc ngÇm. §iÒu nµy cã nghÜa lµ, ë n¬i ®Êt kh«ng b·o hßa, ¸p suÊt cña n­íc trong c¸c lç rçng lµ ©m (nghÜa lµ nhá h¬n ¸p suÊt khÝ quyÓn). V× lý do nµy nªn c¶ lùc hót mao dÉn vµ lùc hót ®iÖn tõ ®Òu cã thÓ coi nh­ chØ t¹o nªn mét sù c¨ng mÆt ngoµi hay sù hót n­íc rÊt yÕu trong ®Êt. C¸c lùc hót trªn lµ quan träng trong ®Êt cã sÐt lµ trong ®Êt cã c¸t vµ trë nªn quan träng h¬n ë trong tÊt c¶ c¸c lo¹i ®Êt khi l­îng Èm gi¶m. Trong thùc tiÔn c¸c lùc nµy lu«n ë tr¹ng th¸i c©n b»ng víi c¸c lùc kh¸c vµ kh«ng thÓ dÔ dµng ®o ®¹c mét c¸ch riªng biÖt. Do ®ã ®Ó ®o ®¹c tÝnh to¸n th­êng kÕt hîp ®o ®¹c tÝnh to¸n ¶nh h­ëng tíi ®­êng mÆt n­íc trong ®ã n­íc ®­îc gi÷ l¹i ®Êt mÑ 177 vµ ®­îc xem nh­ lµ nh÷ng mÆt c¾t c¬ b¶n hay mÆt c¾t nÒn (còng xem phÇn 6.3.5). Ba lùc nµy ho¹t ®éng ®Ó gi÷ n­íc trong ®Êt t¹o ra tõ ¸p suÊt thÈm thÊu v× c¸c chÊt tan cña n­íc trong ®Êt. MÆc dï, th­êng ®­îc lê ®i, ®Æc biÖt trong m«i tr­êng Èm ­ít, ¸p suÊt thÈm thÊu cã thÓ quan träng khi cã mét sù kh¸c biÖt trong sù tËp trung chÊt tan tõ bªn nµy sang bªn kia cña mµng thÈm thÊu. §iÒu nµy cã thÓ cã ë bÒ mÆt rÔ c©y vµ cã t¸c dông lµm cho n­íc ngÇm gi¶m vµ lµ l­îng n­íc s½n cã cho c©y, ®Æc biÖt trong c¸c ®Êt mÆn. Trong ®Êt mÆn gi÷a tÇng ®Êt nµy sang tÇng ®Êt kh¸c cã líp ®Êt sÐt mÞn vµ trong c¸c lç rçng chøa ®Çy kh«ng khÝ lµm ng¨n c¶n sù khuyÕch t¸n h¬i n­íc gi÷a c¸c líp ®Êt, sau ®ã theo sù di chuyÓn cña h¬i n­íc, nh­ng kh«ng ph¶i lµ chÊt tan, h¬i n­íc di chuyÓn tõ bªn nµy sang bªn kia lç rçng lo·ng h¬n t¹o nªn sù hoµ tan nång ®é h¬i Èm trong lç rçng (Hillel, 1982). ë nh÷ng n¬i thiÕu vËt c¶n c¸c ion chÊt tan sÏ khuÕch t¸n qua ®Êt b·o hßa nh­ t¸c dông cña n¨ng l­îng ®éng lùc häc cña n­íc trong ®Êt vµ t¹o ra trong sù tËp trung n­íc cè ®Þnh trong ®Êt (Baver cïng céng sù, 1972). Tæng c¸c lùc gi÷ n­íc trong ®Êt lµ tæng cña c¸c lùc gèc vµ lùc thÊm. Sù th¶o luËn tr­íc ®· thÓ hiÖn c¸c lùc gi÷ l¹i ®­îc nµy thay ®æi nh­ thÕ nµo víi l­îng Èm. PhÇn lín, c¸c lo¹i ®Êt cã mËt ®é lín c¸c lç rçng vµ phô thuéc vµo sù thay ®æi h×nh d¹ng h×nh häc vµ kÝch th­íc cña h¹t ®Êt. Trong ®Êt lßng dÉn lín lµ n¬i cã ®é rçng lín vµ th­êng ë mÆt c¾t ®Êt cao. Ng­îc l¹i ë c¸c mÆt c¾t thÊp lßng dÉn hÑp vµ ®é rçng sÏ nhá. Mèi liªn hÖ nµy gi÷a mÆt c¾t Èm trong ®Êt vµ l­îng Èm lµ râ rµng cã tÇm quan träng chñ yÕu cho sù hiÓu biÕt c¸c ho¹t ®éng cña n­íc trong ®Êt. 6.3.2 C¸c ®Æc tÝnh Èm trong ®Êt (c¸c ®­êng cong duy tr×) NÕu c¸c mÆt c¾t ph©n c¸ch gi÷a n­íc vµ kh«ng khÝ t¨ng chËm ®­îc ¸p dông ®Ó t×m ®íi ®Êt b·o hßa, bÒ mÆt chung kh«ng khÝ – n­íc b¾t ®Çu gi¶m xuèng bªn d­íi bÒ mÆt ®Êt vµ c¸c lùc c¬ b¶n cña sù gi÷ n­íc trong ®Êt cã ¶nh h­ëng lín ®Õn mÆt ph©n c¸ch n­íc vµ kh«ng khÝ nµy. Tr­íc tiªn, nh÷ng lç rçng lín sÏ rçng ë c¸c mÆt c¾t thÊp, trong khi nh÷ng lç rçng hÑp chèng ®ì bÒ mÆt chung kh«ng khÝ – n­íc lµ mÆt cong lín h¬n nhiÒu sÏ kh«ng rçng cho tíi tËn khi søc hót lín h¬n ®­îc t¨ng c­êng. Sù kÕt hîp gi÷a sù hót vµ tæng l­îng n­íc chñ yÕu trong ®Êt cã thÓ x¸c ®Þnh qua thùc nghiÖm trong phßng thÝ nghiÖm b»ng sö dông ®­êng cÊp phèi h¹t ®Êt (Klute, 1986b). Hµm thÓ hiÖn ®­êng cÊp phèi h¹t ®­îc biÕt ®Õn nh­ thÓ hiÖn ®Æc tÝnh Èm (hay ®­êng cong gi÷ n­íc trong tr­êng hîp ®Êt kh«). VÝ dô ®­êng ®Æc tÝnh Èm ®¹i biÓu cho c¸c kiÓu ®Êt kh¸c nhau ®­îc thÓ hiÖn trong h×nh 6.2. H×nh d¹ng cña c¸c ®­êng cong liªn quan ®Õn sù ph©n lo¹i kÝch th­íc h¹t ®Êt hay c¸c lç rçng trong ®Êt (Bouma, 1977). Nãi chung ®Êt cã chøa nhiÒu c¸t th× ®­êng cong cÊp phèi h¹t - ®­êng cong gi÷ Èm cong h¬n rÊt nhiÒu so víi ®Êt cã nhiÒu thµnh phÇn sÐt. §Êt cã sÐt kÝch th­íc c¸c lç rçng bÞ thu nhá l¹i. Ngoµi c¸ch ph©n lo¹i ®é rçng theo ®é cong trªn cßn cã c¸ch ph©n lo¹i ®é rçng theo dèc æn ®Þnh cña ®­êng cÊp phèi h¹t. C¬ chÕ cña sù gi÷ l¹i n­íc trong ®Êt thay ®æi cïng víi sù hót b¸m h¹t n­íc xung quanh h¹t ®Êt liªn quan ®Õn ®­êng cÊp phèi h¹t. Sù hót b¸m n­íc rÊt thÊp nã phô thuéc vµo søc c¨ng bÒ mÆt cña lùc mao dÉn t¸c ®éng ®Çu tiªn vµ sau ®©y lµ sù ph©n chia kÝch th­íc lç vµ kÕt cÊu ®Êt liªn quan ®Õn sù hót b¸m. ë nh÷ng lo¹i ®Êt cã sù hót b¸m cao h¬n (l­îng Èm thÊp h¬n) sù gi÷ n­íc t¨ng søc hót b¸m vµ nã bÞ ¶nh h­ëng rÊt lín bëi kÕt cÊu vµ bÒ mÆt ®Æc tr­ng cña vËt chÊt. V× sè c¸c lç mÞn nhiÒu lªn th× sù hót b¸m lín h¬n, ®Êt sÐt cã khuynh h­íng chøa l­îng n­íc lín h¬n v× søc hót lín h¬n søc hót c¸c lo¹i ®Êt kh¸c. 178 H×nh 6.2 C¸c ®Æc tr­ng Èm trong ®Êt cña c¸c lo¹i ®Êt kh¸c nhau (®­îc vÏ l¹i theo ®å thÞ gèc bëi Bouma, 1977) Khi mµ søc hót n­íc t¨ng lªn th× t¸c dông ®Çu tiªn lµm cho ®Êt b·o hßa vµ rÊt Ýt n­íc hoÆc kh«ng n­íc cã thÓ ®­îc gi¶i phãng. Mét søc hót tíi h¹n ch¾c ch¾n ph¶i ®¹t ®­îc tr­íc tiªn nh­ng kh«ng cã thÓ t¸c ®éng vµo nh÷ng lç lín nhÊt lµm cho n­íc tho¸t ®i. §iÒu nµy ®­îc gäi lµ sù sñi t¨m hay lµ sù tiÕp nhËn ¸p suÊt kh«ng khÝ. Søc hót tíi h¹n sÏ hiÓn nhiªn lín h¬n ®èi víi lo¹i ®Êt ®­îc cÊu t¹o bêi vËt chÊt cã kÕt cÊu mÞn nh­ lµ sÐt so víi cho c¸t th« víi kÝch th­íc lç lín nhÊt. Tuy nhiªn, trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y th­êng chän ®Êt cã kÝch th­íc lç æn ®Þnh h¬n nªn ®Æc tÝnh Èm cña chóng cã thÓ thÓ hiÖn hiÖn t­îng tiÕp nhËn kh«ng khÝ râ rµng h¬n trong c¸c ®Êt cã kÕt cÊu mÞn. Sù hót tíi h¹n thùc tÕ phô thuéc vµo ®­êng dÉn vµo c¸c lç vµ thay ®æi nghÞch ®¶o víi b¸n kÝnh lç nghÜa lµ phô thuéc vµo ®Æc tÝnh Èm, kh¶ n¨ng chøa n­íc ®Æc tr­ng hay kh¶ n¨ng chøa n­íc riªng biÖt cña c¸c lç vµ nã th­êng cho biÕt c¸c lç cã ¶nh h­ëng tíi sù ph©n chia kÝch th­íc lç cña ®Êt. NÕu søc hót dÇn dÇn t¨ng lªn khi ®­êng kÝnh cña mét mÉu ®Êt nhá, th× thÓ tÝch n­íc rót khái tõ c¸c mÉu còng gia t¨ng mét l­îng t­¬ng øng. Søc hót hiÖn cã trong thÓ tÝch chiÕm gi÷ bëi c¸c lç nµy phô thuéc vµo ®­êng kÝnh cña c¸c lç vµ quyÕt ®Þnh ph¹m vi cña søc hót. Trong qu¸ tr×nh ®¸nh gi¸ søc hót ph¶i lu«n nhí r»ng ë nh÷ng søc hót lín h¬n th× sù hót b¸m kh¸ h¬n, c¸c lùc c¨ng bÒ mÆt cã thÓ chiÕm ­u thÕ h¬n vµ h­íng dßng ch¶y th­êng quanh co qua m«i tr­êng ®Êt. Mét mÉu ®Êt cã chøa ®Çy n­íc bao gåm c¸c lç lín vµ nh÷ng lç nhá h¬n, sù tho¸t n­íc trong mÉu ®Êt nµy ®­îc thùc hiÖn theo thø tù kh«ng khÝ vµ n­íc ®­îc tho¸t qua c¸c lç lín. N­íc trong c¸c lç nhá tho¸t sau cïng. HiÖn t­îng nµy cã thÓ x¶y ra th­êng xuyªn trong ®Æc tÝnh cña n­íc trong ®Êt víi søc hót thÊp (Corey, 1977). Bouma (1977) ®· l­u ý r»ng sù t­¬ng øng gi÷a sù ph©n lo¹i kÝch th­íc lç cã ¶nh h­ëng tíi søc hót n­íc vµ sù ph©n lo¹i kÝch th­íc c¸c lç ®¹t ®­îc bëi phÐp ph©n tÝch h×nh th¸i häc vi m« cña lç liªn quan ®Õn søc hót. §iÒu nµy cho kÕt qu¶ tèt h¬n viÖc sö dông ph©n tÝch ®Æc tÝnh Èm thu ®­îc tõ mÉu ®Êt bÞ Èm ­ít hay tõ mét mÉu kh« h¬n. 6.3.3. HiÖn t­îng trÔ Mét sù giíi h¹n chñ yÕu ®Ó sö dông nh÷ng ®­êng cong ®Æc tÝnh Èm trong ®Êt lµ 179 l­îng n­íc ë mét søc hót nhÊt ®Þnh phô thuéc kh«ng chØ vµo gi¸ trÞ ®ã cña søc Èm mµ cßn phô thuéc vµo c¶ l­îng Èm ®­îc ghi trong lÞch sö cña ®Êt. Sù hót Èm sÏ lín h¬n cho ®Êt kh« h¹n so víi ®Êt Èm ­ít (h×nh 6.3). Sù hót Èm phô thuéc vµo tr¹ng th¸i tr­íc cña n­íc trong ®Êt dÉn tíi c¸c ®iÒu kiÖn c©n b»ng hiÖn tr¹ng Èm vµ ®­îc gäi lµ hiÖn t­îng trÔ. Nh÷ng lç cßn rçng th× sù hót n­íc sÏ lín h¬n nh÷ng lç ®Çy vµ sù kh¸c biÖt nµy phÇn lín ®­îc thÓ hiÖn râ ë nh÷ng lo¹i ®Êt cã sù hót thÊp vµ nh÷ng lo¹i ®Êt cã cÊu tróc th«. HiÖn t­îng trÔ ®­îc cho lµ do mét sè c¸c nh©n tè ¶nh h­ëng bao gåm sù phøc t¹p cña kh«ng gian lç h×nh häc, ¸p suÊt, ®é Èm cña kh«ng khÝ trong lç, sù co l¹i vµ sù phång ra cña gradient nhiÖt (Feddes cïng céng sù, 1988). Hai nguyªn nh©n quan träng cña hiÖn t­îng trÔ lµ ¶nh h­ëng cña n­íc mao dÉn vµ ¶nh h­ëng cña ‘gãc tiÕp xóc’ (Bever cïng céng sù, 1972; bear vµ Verruijk, 1987). C¶ hai ®Òu phô thuéc vµo sù vËn ®éng cña h¬i n­íc trong c¸c lç. C¸c kÕt qu¶ tr­íc ®©y tõ thùc tÕ cho thÊy sù hót lín h¬n cho phÐp kh«ng khÝ ®i vµo nh÷ng cæ lç hÑp vµ tõ ®©y dÉn tíi lç kh¸c. T×nh tr¹ng Èm ­ít cña ®Êt quyÕt ®Þnh sù ¶nh h­ëng ®Õn ®é cong cña bÒ mÆt kh«ng khÝ – n­íc ë trong chÝnh b¶n th©n tÇng ®Êt cã lç réng lín (Childs, 1969). ¶nh h­ëng cña ‘gãc tiÕp xóc’ t¹o ra tõ thùc tÕ r»ng gãc tiÕp xóc cña bÒ mÆt láng trªn ®Êt r¾n cã xu h­íng lín h¬n khi diÖn tÝch tiÕp xóc bÒ mÆt chung t¨ng lªn (nghÜa lµ t×nh tr¹ng Èm ­ít). §iÒu nµy cã xu thª ng­îc l¹i khi nã rót ®i (t×nh tr¹ng kh« h¹n), v× thÕ trong t×nh tr¹ng kh« h¹n cã mét l­îng hót n­íc lín h¬n nhÊt ®Þnh so víi t×nh tr¹ng Èm ­ít (Bear vµ Verruijt, 1987). ¶nh h­ëng cña kh«ng khÝ gi¶ sÏ lµm gi¶m l­îng n­íc cña ®Êt Èm ­ít míi, vµ t×nh tr¹ng kh«ng thÝch hîp ®Ó ®¹t ®­îc c©n b»ng t­¬ng ®èi trong c¸c ®iÒu kiÖn thÝ nghiÖm cã thÓ t¹o ra khi ®é Èm lµ 80 – 90% ®èi víi ®Êt xèp (Corey, 1986b), nh­ng ®é Èm cã thÓ t¨ng theo thêi gian v× sù biÕn ®æi dßng ch¶y vµ sù ng­ng tô Èm kh«ng khÝ biÕn thµnh n­íc. Trong ®Êt sÐt h¹t mÞn, t×nh tr¹ng Èm ­ít vµ t×nh tr¹ng kh« h¹n cã thÓ ®­îc cung cÊp thªm bëi sù phång lªn vµ co l¹i cña thÓ tÝch mÉu ®Êt. §iÒu nµy dÉn tíi sù thay ®æi trong kÝch th­íc lç vµ tû träng cña ®Êt vµ tõ ®©y t¹o nªn sù kh¸c biÖt trong thÓ tÝch l­îng n­íc ë mét sù hót nhÊt ®Þnh nÕu cÊu t¹o vËt chÊt cña nÒn vÉn cßn æn ®Þnh. Khi n­íc rót khái tõ khe hë gi÷a c¸c ph©n tö nh­ phiÕn ®¸ (phiÕn máng), c¸c ph©n tö gÇn gièng nhau h¬n, do ®ã lµm gi¶m toµn bé thÓ tÝch n­íc. Trong mét sè ®iÒu kiÖn trong ®Êt cã xuÊt hiÖn c¸c phiÕn ®¸ kÐo dµi gÇn gièng nhau, chóng cã thÓ thay ®æi tr¹ng th¸i trong chÝnh b¶n th©n chóng th× t×nh tr¹ng kh«ng Èm ­ít cã thÓ t¹o ra mét l­îng n­íc cã thÓ tÝch thÊp h¬n. Tuy nhiªn, sù phång lªn vµ ho¹t ®éng co l¹i cña ®Êt sÐt ph¶n ¸nh kh«ng chÝnh x¸c l­îng n­íc cña chóng vµ søc hót n­íc còng cã sù ¶nh h­ëng lÉn nhau cña lùc hót vµ lùc ®Èy gi÷a c¸c phiÕn ®¸. §iÒu nµy bÞ ¶nh h­ëng bëi sù so s¸nh gi÷a sù tËp trung, sù hßa tan vËt chÊt cã trong ®Êt ®Æc biÖt lµ c¸c kiÓu ®Êt sÐt. Mét sè ph­¬ng ph¸p cho x©y dùng m« h×nh hiÖn t­îng trÔ c¸c ®­êng cong quÐt ®­îc xem xÐt bëi Jaynes (1985) vµ cã thÓ ®­îc ¸p dông ®èi víi c¸c lo¹i ®­êng cong cña ®Êt ë tr¹ng th¸i Èm ­ít vµ c¸c ®­êng cong cña ®Êt ë tr¹ng th¸i kh« h¹n. Tuy nhiªn, trong thùc tiÔn cã nhiÒu vÊn ®Ò liªn quan ®Õn sù ®o ®¹c ®Æc tÝnh Èm chÝnh x¸c. HiÖn t­îng trÔ th­êng kh«ng ®­îc chó ý (BЪ vµ Van der Ploeg, 1976; Hillel, 1982). MÆc dï sù ph©n lo¹i kÝch th­íc lç còng liªn quan chÆt chÏ víi ®­êng cong biÓu thÞ tr¹ng th¸i Èm ­ít (chi phèi bëi kÝch th­íc lç ®i vµo c¸c r·nh), ®­êng cong tr¹ng th¸i kh« h¹n (kh¶ n¨ng gi÷ l¹i). Nh­ng sù thiÕt lËp c¸c ®­êng nµy b»ng thùc nghiÖm dÔ h¬n nhiÒu vµ do ®ã nã ®­îc sö dông th­êng xuyªn h¬n. §©y chÝnh lµ lý do mµ ®­êng ®Æc tÝnh 180 Èm th­êng ®­îc cho lµ ®­êng cong gi÷ Èm. H×nh 6.3 HiÖn t­îng trÔ trong ®Æc tÝnh Èm, thÓ hiÖn sù lµm Èm ­ít chÝnh vµ c¸c ®­êng cong danh giíi kh« vµ c¸c ®­êng cong quÐt gi÷a (vÏ l¹i theo Childs, 1969) 6.3.4. H»ng sè cña n­íc d­íi ®Êt Mét sè h»ng sè cña n­íc d­íi ®Êt ®· ®ù¬c sö dông cã tÝnh chÊt truyÒn thèng vµ ®Ó thuËn tiÖn cho viÖc so s¸nh gi÷a nh÷ng tr¹ng th¸i thuû v¨n cña c¸c lo¹i ®Êt kh¸c nhau ®ã lµ h»ng sè n­íc cña ®Êt. C¸c h»ng sè nµy ®­îc gi¶ thiÕt phï hîp víi c¸c gi¸ trÞ cô thÓ cña sù hót c¬ b¶n cña ®Êt vµ ®­îc biÓu thÞ qua ®­êng ®Æc tÝnh hót Èm. §­êng nµy lµ mét hµm sè cña tÝnh chÊt thñy lý cña ®Êt. H¬n n÷a, d­íi ¶nh h­ëng cña c¸c ®iÒu kiÖn tù nhiªn nh­ m­a vµ gi¸ng thuû lµ rÊt hiÕm, nÕu x¶y ra th× nh÷ng l­îng n­íc trong ®Êt cho phÐp t¹o ra tr¹ng th¸i c©n b»ng trªn tÊt c¶ c¸c tr¾c diÖn. Do tÝnh chÊt ®éc ®o¸n cña hiÖn t­îng nµy, c¸c h»ng sè n­íc cña ®Êt cã thÓ sö dông trong gi¶i quyÕt nh÷ng vÊn ®Ò thùc tÕ cña nghiªn cøu n­íc trong ®Êt. Nh÷ng vÊn ®Ò nµy liªn quan tíi sù rót n­íc, sù t­íi vµ viÖc x©y dùng c¸c m« h×nh thuû v¨n cho l­u vùc. C¸c h»ng sè nµy th­êng xuyªn ®­îc sö dông khi nghiªn cøu cÊp n­íc tù cã vµ kh¶ n¨ng khai th¸c ®ång ruéng. L­îng cung cÊp n­íc tù cã ®­îc ®Þnh nghÜa lµ l­îng n­íc nhá nhÊt cña ®Êt ë n¬i mµ c©y cèi cã thÓ rót n­íc ra. MÆc dï l­îng n­íc nµy sÏ thay ®æi gi÷a c¸c lo¹i c©y vµ tr¹ng th¸i ph¸t triÓn cña chóng, sù kh¸c biÖt thùc sù x¶y ra khi tæng l­îng n­íc trong ®Êt lµ rÊt nhá vµ ë l­îng n­íc thÊp. Kh¶ n¨ng khai th¸c ®ång ruéng th­êng quan t©m ®Õn tæng l­îng n­íc gi÷ l¹i ë trong nh÷ng ®­êng dÉn trong ®Êt sau khi sù hÊp thô, di chuyÓn cña n­íc dõng. MÆc dï mét sè lo¹i ®Êt tiÕp tôc dÉn cho nhiÒu tuÇn, kh¶ n¨ng khai th¸c ®ång ruéng th­êng ph¶n ¸nh l­îng n­íc trong ®Êt trong 48h sau khi ngõng trËn m­a rµo lóc ®ã ®Êt hoµn toµn ë tr¹ng th¸i Èm ­ít. Trong thùc tiÔn, c¸c lo¹i ®Êt thÊm tèt sÏ dÉn nhanh h¬n c¸c lo¹i ®Êt kh«ng thÊm vµ ®¹t tíi mét tr¹ng th¸i b·o hßa nhanh h¬n vµ ng­îc l¹i ë lo¹i ®Êt thÊm Ýt, ®Êt b·o hßa chËm h¬n vµ sù hót thÊp h¬n (Smedema vµ rycroft, 1983). C¸c nghiªn cøu nµy còng gi¶ thiÕt r»ng gi¸ng thuû kh«ng mÊt ®i vµ mùc n­íc ngÇm ®ñ s©u ®Ó xem xÐt l­îng n­íc cña tr¾c diÖn ®Êt bªn d­íi mÆt ®Êt. MÆc dï cßn nhiÒu vÊn ®Ò h¹n chÕ, nh­ng c¸c h»ng sè n­íc trong ®Êt ®­îc sö 181 dông réng r·i (vÝ dô Rao, 1998) trong nghiªn cøu sù kh¸c biÖt trong l­îng Èm gi÷a kh¶ n¨ng khai th¸c ®ång ruéng vµ l­îng cÊp n­íc tù cã, vÝ dô, ®­îc