ตอนที่ 3 ความพรุนและความซึมได้ (Porosity and Permeability)

ตามที่ได้กล่าวมาแล้วว่าชั้นหินที่ประกอบเป็นเปลือกโลกอาจจะเป็นชั้นหินอุ้มน้ำที่ดีหรือไม่ดี สามารถจ่ายน้ำออกมาเพื่อสูบน้ำใช้ได้มาก หรือน้อยแค่ไหน ขึ้นอยู่กับสภาพธรณีวิทยา พื้นฐานของชั้นหินนั้นๆ กล่าวคือ จะขึ้นอยู่กับความพรุน (porosity) และความซึมได้ (permeability) เป็นสำคัญ

ความพรุน (Porosity )
                หมายถึง  จำนวนช่องว่างที่มีอยู่ในหินทั้งหมด โดยคิดเป็นเปอร์เซ็นต์ของปริมาณทั้งหมดของหินนั้น  ตัวอย่างเช่น หินทรายก้อนหนึ่งมีปริมาตร 100 ลบ.นิ้ว มีช่องว่างคิดเป็น 20 ลบ.นิ้ว หินทรายก้อนนี้ก็จะมีความพรุนเท่ากับ 20เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากน้ำบาดาลเป็นน้ำที่ถูกกักเก็บหรือแทรกตัวอยู่ในช่องว่างของหินในโซนอิ่มตัว ดังนั้น ขนาดของความพรุนก็จะเป็นตัวบ่อบอกถึงจำนวนปริมาณของน้ำบาดาลที่ถูกกักเก็บอยู่ในชั้นหินอุ้มน้ำต่างๆ ตัวอย่างของค่าความพรุนในหินชนิดต่างๆแสดงไว้ในตารางที่ 1

 ความพรุนของหินตะกอนจะขึ้นอยู่กับ (รูปที่ 5)
1.รูปร่างและการเรียงตัวของ rock particles
2.ความดี เลวในการคละและแยกระหว่าง rock particles เครื่องกรองน้ำ3.การเชื่อมประสานกันของ rock particles ในขณะที่เกิดและหลังการสะสมตัว
4.การละลายออกของแร่บางชนิดจากหิน โดยน้ำบาดาลที่ไหลหมุนเวียน
5.รอยแตกของหินทั้งแนวเอียงและแนวนอน

รูปที่ 5  ความสัมพันธ์ของช่องว่าง เนื้อหิน และความพรุน

        (a)    หินที่มีการคัดขนาดดี และมีความพรุนสูง

(b)    หินที่มีการคัดขนาดเลว มีความพรุนต่ำ

(c)    หินที่มีการคัดขนาดดี และเนื้อหินเป็นหินเนื้อพรุนอยู่แล้ว ความพรุนจะสูงมากขึ้น

(d)   หินที่มีการคัดขนาดดี แต่มีสารละลายแร่ธาตุอื่นมาตกผลึกแทรกตามช่องว่าง ความพรุนจะลดลง

(e)   หินที่มีความพรุนสูง เนื่องจากตัวของมันเป็นหินละลายน้ำได้

(f)    หินที่มีความพรุน เนื่องจากรอยแตกในเนื้อหิน

ความซึมได้ (Permeability)
                หมายถึง ความสามารถของชันหินอุ้มน้ำที่จะยอมให้น้ำภายใต้ความกดดันไหลผ่านไปมาได้ ดังนั้นพวกที่มีความซึมได้ต่ำจึงเป็นชั้นหินอุ้มน้ำที่เลว กล่าวคือ จะยอมปล่อยให้น้ำส่วนน้อยที่ตัวมันเองกักเก็บอยู่ออกมาใช้ประโยชน์  โดยปกติความซึมได้ของหินจะวัดด้วยอัตราความเร็วของการไหลของน้ำคิดเป็นแกลลอนต่อวัน ผ่านพื้นที่ตัดของหิน 1 ตารางหน่วย ภายใต้ความกดดันต่างกัน 1 หน่วย (unit of hydraulic gradient) ต่อระยะทาง 1 ฟุต ค่าที่วัดได้ จะเรียกว่า สัมประสิทธิ์ของความซึมได้
                ความซึมได้จะมีส่วนสัมพันธ์กับขนาดการเรียงตัวและการคลุกเคล้าของ rock particles กล่าวคือ พวกที่มีขนาดใหญ่ เรียงตัวและคลุกเคล้ากันอย่างมีระเบียบจะมีความซึมได้สูงกว่าหินที่มี rock particles ขนาดเล็กและเรียงตัวกันอย่างไม่มีระเบียบ ซึ่งเป็นเหตุผลอธิบายได้ว่าทำไมชั้นหินอุ้มน้ำที่มีช่องว่างขนาดใหญ่ สามารถจ่ายน้ำได้มากกว่าพวกที่มีช่องว่างขนาดเล็ก ตัวอย่างเช่น ในกรณีชั้นกรวด จะให้น้ำมากกว่าชั้นทราย ทั้งๆที่ความพรุนอาจจะเท่าๆกัน หินที่ไม่ยอมให้น้ำไหลซึมผ่าน (impermeable rocks) มักจะเป็นหินที่ปราศจากช่องว่าง หรือถ้ามีก็จะเป็นช่องว่างที่ไม่ต่อเนื่องกัน หรือช่องว่างก็มีขนาดเล็กเกินไป จนน้ำที่ถูกกักเก็บหรือแทรกอยู่ถูกแรงดึงระหว่างอณู (molecular force)ของหินดึงดูดเอาไว้ ดินเหนียว (clay) หรือ หินดินดาน (shale)

การเคลื่อนที่ของน้ำบาดาลตามธรรมชาติและบริเวณบ่อน้ำบาดาล (Ground water Movements and Flow from Wells)
                เนื่องจากการเคลื่อนที่ หรือการไหลของน้ำบาดาลจะอยู่ในลักษณะที่ต้องเคลื่อนที่ผ่านช่องว่างต่างๆ ซึ่งตัวมันเองแทรกหรือถูกกักเก็บอยู่ การไหลของน้ำบาดาลจึงอยู่ในลักษณะของ flow through porous media และโดยปกติอัตราการไหลจะช้ามาก ยกเว้นในพวกที่ไหลในช่องว่างขนาดใหญ่ๆ เช่น โพรง solution channel ในหินปูน เป็นต้น ทิศทางการไหลของน้ำบาดาลโดยทั่วๆไป อาจจะแสดงให้เห็นดังในรูปที่ 6

รูปที่ 6  การไหลของน้ำโดยทั่วๆไป
 

ทิศทางการไหลและเส้นแสดงระดับความดันของน้ำบาดาล (Ground water   Flow line and  equipotential lines )
               เราสามารถที่จะหาทิศทางการไหลของน้ำบาดาลในบริเวณใดบริเวณหนึ่งได้ ถ้าทราบระดับน้ำบาดาลตั้งแต่ 3 บ่อขึ้นไป การทราบระดับน้ำบาดาลจะทำให้เราสามารถเขียนเส้นแสดงระดับความดันในชั้นหินอุ้มน้ำ (equipotential lines) และเขียนเส้นแสดงทิศทางการไหล (Flow lines) ของน้ำบาดาลในบริเวณนั้นได้ โดยถือหลักง่ายๆ 2 ข้อ (รูปที่ 7 ) คือ เครื่องกรองน้ำราคาถูก
                1.เส้นแสดงทิศทางการไหลจะตั้งฉากกับเส้นทางระดับความดันเสมอ
                2.การไหลจะไหลจากบริเวณที่มีความดันสูงไปสู่บริเวณที่มีความดันต่ำ

 

รูปที่ 7 การประเมินระดับ ตำแหน่ง และทิศทางการไหลของน้ำบาดาลจากบ่อ 3 บ่อ

ตอนที่ 2 ชั้นหินอุ้มน้ำ (Aquifer)

   ตามที่ได้กล่าวมาแล้วว่า  ชั้นดินและหินจะมีช่องว่างที่สามารถกักเก็บน้ำได้ในทางธรณีวิทยาแล้ว หินเหล่านี้จะเรียกรวมๆกันว่า หินกักเก็บน้ำ (water – bearing rocks) แต่หินกักเก็บน้ำเหล่านี้อาจจะจ่ายน้ำได้ไม่เพียงพอ ในการสูบน้ำมาใช้สอย ขึ้นอยู่กับลักษณะธรณีวิทยาพื้นฐาน ซึ่งได้แก่ ความพรุน (porosity) และความซึมได้ (permeability) ของหินเหล่านั้นเป็นสำคัญ  ชั้นหินที่สามารถจ่ายน้ำบาดาลให้ได้เป็นปริมาณมากและพียงพอต่อการสูบน้ำขึ้นมาใช้สอยเรียกว่า ชั้นหินอุ้มน้ำ(Aquifer) ดังนั้น ชั้นหินทุกประเภทที่ประกอบเป็นเปลือกโลกจึงอาจจะเป็นได้ทั้งชั้นหินอุ้มน้ำที่ดีและเลว  ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางธรณีวิทยาของชั้นหินนั้นๆ นั่นเอง ชั้นหินอุ้มน้ำสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ชนิดใหญ่ๆ ด้วยกัน ขึ้นอยู่กับสภาพทางธรณีวิทยาและแรงกดดัน (pressure) ที่มีอยู่ภายในน้ำบาดาลและชั้นดินอุ้มน้ำนั่นเอง ดังนี้
                1.Unconfined (Water Table) Aquifer : ได้แก่ ชั้นหินอุ้มน้ำที่ไมอยู่ภายใต้แรงกดดัน และจะมีระดับของน้ำบาดาลอยู่ตอนบนสุดของส่วนที่อิ่มด้วยน้ำ ระดับน้ำบาดาลอาจสูงขึ้นหรือต่ำลง ขึ้นอยู่กับปริมาณของน้ำบาดาลที่ถูกกักเก็บไว้อยู่ การไหลของน้ำบาดาลในชั้นหินอุ้มน้ำลักษณะนี้จะไหลไปตามความชันหรือความเอียงเท (gradient) ของระดับน้ำบาดาลในชั้นหินอุ้มน้ำ กล่าวคือ ไหลตาม hydrostatic pressure และแรงดึงดูดของโลกนั่นเอง เครื่องกรองน้ำ
                2.Confined (Artesian) Aquifer : ได้แก่ ชั้นหินอุ้มน้ำ ที่มีหินเนื้อแน่นวางทับข้างบนและรองอยู่ข้างล่าง ทำให้ชั้นหินอุ้มน้ำ และน้ำบาดาลที่ถูกกักเก็บอยู่ อยู่ภายใต้ความกดดันเนื่องจากน้ำหนักของหินที่กดทับ การไหลของน้ำบาดาลใน Confined aquifer จะมีลักษณะคล้ายๆการไหลของน้ำในท่อเพราะถูกประกบด้วยชั้นหินเนื้อแน่น ทั้งข้างบนและข้างล่าง  ถ้าเจาะบ่อบาดาลผ่านเข้าไปใน confined  aquifer ระดับน้ำที่ปรากฏให้เห็นในบ่อ จะแสดงระดับของความกดดันที่มีอยู่ในชั้นหินอุ้มน้ำ และจะมีระดับสูงกว่าส่วนที่อิ่มตัวด้วยน้ำเสมอ แนวหรือระดับที่แสดงความกดดันนี้ เรียกว่า Piezometric  surface (line of equal pressure) (รูปที่ 3)              3.Perched Aquifer: ในทางธรณีวิทยา จะถือว่าเป็นชั้นหินอุ้มน้ำปลอม กล่าวคือ ถ้าหากในบริเวณส่วนสัมผัสอากาศ มีชั้นหินเนื้อแน่น ซึ่งน้ำซึมผ่านไม่ได้ เป็นรูปโค้งงอคล้ายแอ่ง (lens shaped) เกิดร่วมอยู่ด้วย เมื่อฝนตกและน้ำไหลซึมลงไปใต้ดินสู่ส่วนสัมผัสอากาศ น้ำส่วนหนึ่งก็จถูกกักเก็บไว้เหนือชั้นหินเนื้อแน่นนี้ ในขณะที่อีกส่วนหนึ่งจะไหลซึมลงไปสู่โซนอิ่มตัวข้างล่าง ส่วนของน้ำที่ถูกกักเก็บอยู่ในแอ่งเหนือชั้นหินเนื้อแน่นนี้เรียกว่า น้ำบาดาลปลอม ( perched water) ระดับของน้ำเรียกว่า perched water table น้ำบาดาล เครื่องกรองน้ำ ปลอมนี้ เมื่อขุดบ่อลงไปครั้งแรกอาจจะทำให้เข้าใจผิดว่าเป็นชั้นน้ำบาดาลจริงๆ แต่เมื่อตักน้ำขึ้นมาใช้นานๆเข้า น้ำอาจจะหมดไปได้ ขึ้นอยู่กับขนาดของชั้นดินเนื้อแน่นและแอ่งที่เกิด (ดูรูปที่ 3 และ 4)

รูปที่ 3

รูปที่ 4

ตอนที่ 1 กำเนิดของน้ำบาดาล (Occurrence of ground water)

น้ำในโลกเรานี้  สามารถแบ่งได้เป็น 3 ประเภทใหญ่ๆด้วยกัน คือ

             1.น้ำในบรรยากาศ (Atmospheric or meteoric water) ซึ่งอาจจะอยู่ในสถานะที่เป็นของแข็ง เช่น ลูกเห็บ หิมะ หรือของเหลว เช่น ฝน น้ำค้าง หรือไอ เช่นหมอก เมฆ
2.น้ำผิวดิน (2.น้ำผิวดิน (Surface water) ซึ่งได้จากน้ำในบรรยากาศ กลั่นตัวเป็นฝน ตกลงบนพื้นโลก และถูกกักขังอยู่ตามแม่น้ำ ลำคลอง หนอง บึง สระ ทะเลสาบ ในลักษณะของน้ำจืดและตามทะเล มหาสมุทร ในลักษณะของน้ำเค็ม
3.น้ำใต้ดิน (3.น้ำใต้ดิน (Subsurface water) ได้แก่ น้ำที่ไหลซึมผ่านชั้นดินลงไปกักเก็บอยู่ใต้ดิน ซึ่งจะรวมถึงน้ำบาดาลด้วย

                น้ำทั้งสามประเภทนี้ มีความสัมพันธ์เกี่ยวโยงเป็นลูกโซ่ เพราะได้กำเนิดหมุนเวียนจากประเภทหนึ่งไปเป็นอีกประเภทหนึ่งตลอดเวลา การหมุนเวียนเหล่านี้เรียกว่า วัฎจักรของน้ำ (hydrologic cycle) ซึ่งพอจะอธิบายได้คือ น้ำฝน (precipitation) ที่ตกลงบนพื้นดิน บางส่วนจะถูกพืชดูดไว้ บางส่วนไหลล้นไปตามผิวดิน (surface run-off) ลงสู่แม่น้ำ ลำธาร หรือทะเล กลายเป็นน้ำผิวดิน  ในขณะเดียวกันบางส่วนจะไหลซึมลงไปใต้ดินกลายเป็นน้ำใต้ดิน ทั้งน้ำผิวดินและใต้ดินจะไหลไปจุดเดียวกัน คือ ทะเล จากน้ำทะเลก็จะระเหยกลายเป็นไอขึ้นในอากาศ ไอน้ำในอากาศจะได้รับเพิ่มเติมเป็นบางส่วนจากการระเหยเป็นไอของน้ำจืด จากแม่น้ำลำคลอง และการคายน้ำของพืช เมื่อไอน้ำในอากาศถึงจุดอิ่มตัว ก็จะกลั่นตัวตกลงมาเป็นฝนลงสู่พื้นโลกอีกต่อไป (รูปที่ 1)ปรากฏการณ์เช่นนี้จะเกิดขึ้นตลอดเวลาและตลอดไป และแสดงให้เห็นว่าน้ำจะไม่มีวันสูญหายไปจากโลก เครื่องกรองน้ำ

การแบ่งชนิดของน้ำใต้ดิน

                ในทางธรณีวิทยา สามารถแบ่งน้ำใต้ดิน(Subsurface water) ออกเป็นหลายลักษณะด้วยกัน ขึ้นอยู่กับตำแหน่งและความลึกที่น้ำนั้นถูกกักเก็บอยู่  โดยทั่วๆไปแล้ว  ดินและหินจะประกอบด้วยช่องว่าง (voids or interstices) ซึ่งน้ำสามารถแทรกเข้าไปอยู่หรือถูกกักเก็บไว้ตลอดจนมีการเคลื่อนไหวไปมาได้ น้ำที่แทรกอยู่ในช่องว่างของหินและดินจะเรียกรวมๆกันว่าน้ำใต้ดิน  นอกจากนี้แล้ว ในทางธรณีวิทยายังแบ่งชั้นของดินและหินที่อยู่ใต้ผิวดินลงไปเป็น 2 ส่วน (zone) ใหญ่ๆ ด้วยกัน กล่าวคือ บริเวณที่เป็นส่วนสัมผัสอากาศ (zone of aeration) และบริเวณส่วนที่อิ่มตัวด้วยน้ำ (zone of saturation) (ดูรูปที่ 2) ในบริเวณของส่วนสัมผัสอากาศช่องว่างบางส่วนจะมีน้ำกักเก็บอยู่ และบางส่วนจะมีอากาศแทรกอยู่ น้ำใต้ดินส่วนนี้จะถูกเรียกว่า Vadose or Suspended water ซึ่งสามารถแบ่งย่อยออกเป็น 3 ชนิด ขึ้นอยู่กับลักษณะที่มันถูกกักเก็บอยู่ คือ
              1.soil water  เป็นน้ำที่กักเก็บอยู่ในส่วนบนสุดของส่วนสัมผัสอากาศ เป็นน้ำที่ใช้สำหรับการเกษตรกรรม และยังชีพของพืช และต้นไม้ต่างๆ
              2. gravitational water เป็นน้ำส่วนที่อยู่ลึกถัดลงไป รากไม้หยั่งไม่ถึง
              3.Capillary  water เป็นส่วนที่อยู่ติดกับส่วนอิ่มตัวด้วยน้ำ น้ำส่วนนี้จะถูกยึดไว้ในช่องว่างของชั้นหินและดิน โดยแรงดึงระหว่างช่องว่าง หรือสภาพคะปิลล่ารี (Capillary) เครื่องกรองน้ำ

 ในขณะเดียวกัน  ในส่วนที่อิ่มตัวด้วยน้ำ ช่องว่างทุกช่องที่มีอยู่ จะมีน้ำแทรกกักเก็บอยู่ทั่วหมด ไม่มีอากาศหลงเหลืออยู่ น้ำใต้ดินส่วนนี้จะเป็นส่วนที่เรียกว่า น้ำบาดาล (ground water) ที่ระดับผิวบนของส่วนที่อิ่มตัวด้วยน้ำหรือส่วนของน้ำบาดาล จะเรียกว่า ระดับน้ำบาดาล (water table) ซึ่งส่ามารถสังเกตและหาได้จากระดับน้ำนิ่งในบ่อขุดหรือบ่อเจาะไปถึงชั้นน้ำบาดาล โดยปกติแล้ว ส่วนล่างของส่วนอิ่มตัวด้วยน้ำจะเป็นชั้นหินเนื้อแน่น  (impermeable rocks) ซึ่งไม่ยอมให้น้ำไหลซึมลงไปข้างล่างได้อีกต่อไป

                นอกจากชนิดต่างๆของน้ำใต้ดินที่กล่าวมาแล้วข้างต้น อาจจะมีน้ำใต้ดินอีก 2 ลักษณะ ซึ่งถูกกักเก็บอยู่ในช่องว่างของชั้นหินต่างๆ แต่ว่าน้ำนี้จะมีลักษณะพิเศษแตกต่างออกไป กล่าวคือ จะไม่มีการหมุนเวียนตามกฏวัฏจักรของน้ำได้แก่

             1.Magmatic (Juvenile)water น้ำพวกนี้มีต้นกำเนิดมาจากภายในโลก หรือจากการเย็นตัวของหินเหลวร้อนภายในโลก (magma) โดยปกติแล้วน้ำพวกนี้จะไม่ค่อยมีการเคลื่อนที่เพราะอยู่ที่ระดับความลึกมาก ช่องว่างที่มีอยู่ไม่ต่อเนื่องกัน
             2.Conate water (น้ำตกค้าง) เป็นน้ำที่ตกค้างอยู่ในช่องว่างของหินตกตะกอน ตั้งแต่ครั้งหินตกตะกอนนั้นๆ โดยปกติมักจะเป็นพวกที่มีเกลือแร่ละลายอยู่สูง จนกลายเป็นน้ำแร่ (mineralized water) เครื่องกรองน้ำ NSF