เรียนรู้

ชั้นน้ำใต้ดินและการเคลื่อนที่

จากคุณสมบัติ ความพรุน (porosity) และ ความสามารถในการซึมผ่าน (permiability) ของชั้นดินหรือชั้นหินในแต่ละพื้นที่ นักธรณีวิทยาจำแนกชั้นหินตามศักยภาพในการเป็นชั้นน้ำบาดาลออกเป็น 2 ชนิด หลักๆ

1) ชั้นหินต้านน้ำ (aquitard) คือ ชั้นหินที่มีความสามารถในการซึมผ่านได้ต่ำหรือไม่สามารถซึมผ่านได้เลย เช่น ชั้นหินดินดานหรือหินแปรเนื้อแน่น

2) ชั้นหินอุ้มน้ำ (aquifer) คือ ชั้นหินที่น้ำสามารถซึมผ่านได้อย่างอิสระ เช่น ชั้นหินทรายที่มีการคัดขนาดดี ชั้นกรวด โดยชั้นหินอุ้มน้ำยังสามารถแบ่งย่อยได้อีกออกเป็น 2 ชนิด ตามคุณสมบัติการมีแรงดันในชั้นน้ำ

ส่วนต่างๆ ของชั้นน้ำใต้ดิน

2.1) ชั้นหินอุ้มน้ำไม่มีขอบเขต (unconfined aquifer) คือ ชั้นหินอุ้มน้ำที่ไม่มีชั้นหินต้านน้ำปิดทับอยู่ด้านบน ระดับน้ำใต้ดินในชั้นหินชนิดนี้ขึ้นอยู่กับระดับน้ำใต้ดินในบริเวณนั้น เป็นชั้นหินที่รองรับการซึมผ่านของน้ำลงมาจาก น้ำผิวดิน (surface water) โดยตรง ดังนั้นจึงเป็นชั้นน้ำใต้ดินที่นำมาใช้ได้ง่ายที่สุด แต่เนื่องจากเป็นชั้นน้ำใต้ดินชั้นบนสุด จึงมีโอกาสปนเปื้อนได้ง่ายจากการซึมผ่านลงมาของสารเคมีต่างๆ ที่ตกค้างอยู่บนผิวดิน

บางครั้งหากมีชั้นหินต้านน้ำวางตัวรองรับชั้นหินอุ้มน้ำบนเขาสูง เหนือระดับน้ำใต้ดินปกติ อาจทำให้เกิดลักษณะที่เรียกว่า ระดับน้ำใต้ดินลอย (perched water table) ซึ่งเมื่อน้ำไหลออกมาตามรอยแตกบนเขา ทำให้เกิด น้ำซับ (spring) ไหลหรือตกลงมาจากบนเขาสูงได้

(ซ้าย) น้ำซับ บริเวณเทือกเขาเทียนฉาน (Tien Shan) ประเทศคีร์กีซสถาน (ที่มา : Miller M.) (กลาง) บ่อน้ำพุ ที่เกิดจากแรงดันในชั้นหินอุ้มน้ำมีขอบเขต (ขวา) น้ำพุร้อนที่เกิดจากน้ำใต้ดินได้รับความร้อน ขยายตัวจนเกิดแรงดันสูบฉีดขึ้นมา

2.2) ชั้นหินอุ้มน้ำมีขอบเขต (confined aquifer) คือ ชั้นหินอุ้มน้ำที่มีชั้นหินต้านน้ำปิดทับอยู่ด้านบน ทำให้น้ำมีแรงดันจากการกดทับมากกว่าชั้นหินอุ้มน้ำไม่มีขอบเขต บางครั้งเรียกว่า ชั้นหินอุ้มน้ำแรงดัน (pressure aquifer) หรือ ชั้นหินอุ้มน้ำลึก (artesian aquifer) ระดับน้ำใต้ดินในชั้นหินอุ้มน้ำมีขอบเขตถูกควบคุมโดยโครงสร้างทางธรณีวิทยาของชั้นหินต้านน้ำ เช่น การเอียงเทของชั้นหิน รอยแตกหรือรอยเลื่อน

ระดับน้ำใต้ดินลอย น้ำซับในรัฐไอดาโฮ ประเทศสหรัฐอเมริกา

เนื่องจากมีชั้นหินต้านน้ำปิดทับอยู่ด้านบน น้ำในชั้นหินอุ้มน้ำมีขอบเขตจึงถูกปนเปื้อนได้ยาก แต่หากปนเปื้อนจะใช้เวลานานมากในการกลับมาเป็นน้ำบริสุทธิ์เหมือนเดิม ซึ่งหากเจาะชั้นหินอุ้มน้ำมีขอบเขตในบริเวณที่อยู่ภายใต้ ความดันการไหล (hydrostatic pressure) น้ำจะพุ่งไหลขึ้นมาเอง โดยไม่ต้องใช้เครื่องมือสูบน้ำ เรียกว่า บ่อน้ำพุ (artesian well) คล้ายกับการสูบน้ำขึ้นไปบนแทงค์น้ำบนอาการ เพื่อให้มีแรงดันในการจ่ายน้ำไปยังพื้นที่ต่างๆ

อย่างไรก็ตาม น้ำพุซึ่งเป็นน้ำที่มีแรงดันและพุ่งขึ้นมานั้น ไม่ได้เกิดจากความแตกต่างของระดับน้ำเสมอไป ตัวอย่างเช่นในกรณีของ น้ำพุร้อน (hot spring หรือgreyser) เกิดจากน้ำใต้ดินที่ซึมผ่านลงไปและสัมผัสกับแหล่งความร้อนใต้พื้นดิน เช่น กะเปาะแมกมา ทำให้น้ำร้อนมีแรงดันและพุ่งขึ้นมา คล้ายกับการปะทุของภูเขาไฟ โดยส่วนใหญ่การปะทุหรือพุ่งขึ้นมาของน้ำพุร้อนไม่ได้พุ่งขึ้นมาอย่างต่อเนื่องเหมือนกับน้ำพุที่มนุษย์ทำขึ้นดังที่พบเห็นตามสวนสาธารณะ แต่จะพุ่งขึ้นมาเป็นจังหวะ นอกจากนี้ในบางครั้งอาจพบ โคลนภูเขาไฟ (mud volcano) ซึ่งเป็นผลมาจากน้ำใต้ดินผสมกับโคลนที่สะสมตัวอยู่ใต้พื้นดินและได้รับแรงดันทำให้โคลนผุดขึ้นมา

แบบจำลองการไหลเวียนของน้ำในพื้นที่ใกล้เคียงกะเปาะแมกมา ทำให้เกิดน้ำพุร้อน
น้ำพุร้อนในอุทยานแห่งชาติเยลโลว์สโตน ประเทศสหรัฐอเมริกา

การเคลื่อนที่ของน้ำใต้ดิน

อย่างที่บอกไปในตอนต้น ว่าน้ำใต้ดินคือน้ำได้จากการซึมผ่านของน้ำผิวดิน ดังนั้นในการพิจารณาการเคลื่อนที่ของน้ำใต้ดิน นักธรณีวิทยาจึงจำแนกพื้นที่บนผิวดินออกเป็น 2 ชนิด

1) พื้นที่รับน้ำ (recharge area) เป็นพื้นที่ซึ่งรับน้ำจากผิวดินหรือฝนที่ตกลงมาและไหลซึมเข้าเติมในระบบของน้ำใต้ดิน ซึ่งโดยส่วนใหญ่จะเป็นที่สูง

2) พื้นที่จ่ายน้ำ (discharge area) ซึ่งเป็นพื้นที่ลุ่มต่ำ ที่น้ำใต้ดินจ่ายน้ำให้กับธารน้ำหรือน้ำผิวดินอื่นๆ โดยเมื่อมีการเติมน้ำเข้าสู่ระบบน้ำใต้ดินจากพื้นที่รับน้ำ น้ำจะซึมผ่านชั้นหินต่างๆ และมีการไหลของน้ำใต้ดินเป็นชั้นๆ โดยระยะเวลาที่น้ำใช้ในการไหลจากพื้นที่รับน้ำไปยังพื้นที่ซึ่งจ่ายน้ำจะขึ้นอยู่กับอัตราการไหลและระยะทางซึ่งอาจใช้เวลาเพียงไม่กี่วันหากเป็นชั้นน้ำในระดับตื้น หรืออาจใช้เวลาหลายพันปีสำหรับชั้นน้ำในระดับลึก

แบบจำลองแสดงการจำแนกชั้นหินตามศักยภาพในการเป็นชั้นน้ำบาดาล พื้นที่รับและจ่ายน้ำ ตลอดจนระยะเวลาการไหลของน้ำในแต่ละชั้นน้ำ

ในส่วนของทิศทางการไหลของน้ำใต้ดินจะขึ้นอยู่กับ ความต่างศักดิ์ของแรงดันน้ำใต้ดิน (hydraulic gradient, HG) ที่เกิดขึ้นในแต่ละพื้นที่ ซึ่งในทางอุทกวิทยา สามารถคำนวณความต่างศักดิ์ดังกล่าวได้จากสมการด้านล่าง (ดูรูปประกอบ)

กำหนดให้ h1-h2 คือ ความแตกต่างของระดับน้ำใต้ดินในแต่ละจุดศึกษา และ d คือ ระยะทางจากจุดตรวจวัดความสูงทั้ง 2 จุด โดยน้ำจะไหลจากจุดที่มี HG สูงไปยังจุดที่มี HG ต่ำ ด้วยอัตราการไหลของน้ำใต้ดินที่เพิ่มขึ้นตามความความต่างศักดิ์ของแรงดันน้ำใต้ดิน

แบบจำลองแสดงระดับน้ำใต้ดินลอย (perched water table) บ่อน้ำบาดาล (well) และตัวแปรสำหรับการวิเคราะห์ ความต่างศักดิ์ของแรงดันน้ำใต้ดิน (hydraulic gradient)

และเพื่อที่จะศึกษาประสิทธิภาพการให้น้ำของแหล่งน้ำใต้ดินในแต่ละพื้นที่ ปี พ.ศ. 2399 อังรี ดาร์ซี่ (Darci H.) วิศวกรชาวฝรั่งเศส ได้นำเสนอสมการความสัมพันธ์แสดงอัตราการไหลของน้ำใต้ดิน เรียกว่า กฏของดาร์ซี่ (Darcy’s Law) ดังแสดงในสมการด้านล่าง

กำหนดให้ Q คือ อัตราการไหลของน้ำ (ลูกบาศก์เมตร/วัน) K คือ ค่าสัมประสิทธิ์การซึมผ่าน (hydraulic conductivity) i คือ ความต่างศักดิ์ของแรงดันน้ำใต้ดิน (hydraulic gradient) และ A คือ ภาพตัดขวางพื้นที่ซึ่งน้ำใต้ดินไหลผ่าน

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth

Share: