น้ำบาดาล
น้ำเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับมนุษย์และสัตว์ในการดำรงชีวิต การใช้น้ำบนโลกได้เพิ่มขึ้นทุกวัน เพราะจำนวนประชากรโลกที่เพิ่มขึ้นและการขยายตัวของภาคอุตสาหกรรมที่ใช้น้ำเป็นปัจจัยสำคัญในการผลิตสินค้า รวมทั้งการใช้น้ำในภาคเกษตรกรรม แหล่งน้ำตามธรรมชาติแบ่งออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ น้ำในบรรยากาศ (atmospheric water) น้ำผิวดิน (surface water) และน้ำใต้ดิน(subsurface water) น้ำฟ้าที่ตกลงมาสู่พื้นผิวโลกจะถูกกักเก็บเป็นน้ำในแม่น้ำ ลำคลอง ทะเลสาบและมหาสมุทร ซึ่งก็คือน้ำผิวดิน น้ำผิวดินบางส่วนจะไหลซึมลงสู่ใต้ดิน ไปถูกกักเก็บไว้ในช่องว่างระหว่างเม็ดดิน ในหิน ชั้นหิน ชั้นตะกอนหรือชั้นกรวด จนเกิดเป็นน้ำใต้ดินต่อไป
การหมุนเวียนของน้ำในแหล่งต่าง ๆ จะเกิดขึ้นเป็นวัฏจักร เรียกว่า วัฏจักรน้ำ (hydrologic cycle) เมื่อน้ำบนผิวโลกได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์จะระเหยเป็นไอลอยขึ้นสู่บรรยากาศ จนถึงระดับที่อุณหภูมิต่ำพอที่จะเกิดการควบแน่นเป็นละอองน้ำ กลายเป็นเมฆและเกิดเป็นฝนตกลงสู่พื้นผิวโลก เมื่อน้ำตกลงสู่พื้นผิวโลกส่วนหนึ่งจะเป็นหิมะหรือธารน้ำแข็งที่พบในบริเวณภูเขาสูงและบริเวณขั้วโลก และน้ำส่วนหนึ่งจะไหลล้นไปตามผิวดินลงสู่แม่น้ำ ลำคลองและไหลออกสู่ทะเลและมหาสมุทร ส่วนหนึ่งจะถูกพืชดูดไปใช้และคายน้ำออกสู่บรรยากาศ ส่วนหนึ่งจะไหลซึมลงสู่ใต้ดินกลายเป็นน้ำใต้ดิน และส่วนหนึ่งจะระเหยเป็นไอลอยกลับไปสู่บรรยากาศหมุนเวียนเป็นวัฏจักรน้ำไม่มีที่สิ้นสุด ดังรูปที่ 1
รูปที่ 1 วัฏจักรน้ำ (ดัดแปลงภาพจากหนังสือ Richard M. Pearl. 1966. Geology. A Division of Harper & Row, Publishers. New York. 262 p. หน้าที่ 120)
แหล่งน้ำบนโลกจะเป็นน้ำเค็มในทะเลและมหาสมุทรร้อยละ 97.2 เป็นน้ำจืดร้อยละ 2.8 ซึ่งน้ำจืดจะอยู่ในรูปของธารน้ำแข็งร้อยละ 2.14 อยู่ในรูปของน้ำบาดาลร้อยละ 0.61 อยู่ในรูปของน้ำในแม่น้ำ ลำธารร้อยละ 0.009 และอยู่ในรูปของความชื้นในดินและในบรรยากาศร้อยละ 0.006 จะเห็นได้ว่าน้ำบาดาลเป็นแหล่งน้ำจืดที่อยู่ในสถานะของเหลวที่มีปริมาณมากที่สุดบนโลก
การเกิดน้ำบาดาลและระดับน้ำใต้ดิน
น้ำฟ้าที่ตกลงมาสู่พื้นผิวโลกจะถูกกักเก็บเป็นน้ำในแม่น้ำ ลำคลอง ทะเลสาบและมหาสมุทรน้ำที่ถูกกักเก็บไว้ดังกล่าว เรียกว่า น้ำผิวดิน น้ำผิวดินบางส่วนจะไหลซึมลงสู่ใต้ดินกลายเป็นน้ำใต้ ดิน ซึ่งแบ่งออกเป็นน้ำในดินและน้ำบาดาล กล่าวคือ น้ำผิวดินที่ไหลซึมลงสู่ใต้ดินส่วนแรกจะไหลซึมอยู่ตามช่องว่างระหว่างเม็ดดิน เรียกว่า น้ำในดิน (soil water) ในฤดูแล้งน้ำในดินอาจถูกแดดเผาให้ระเหยแห้งไปได้ น้ำที่เหลืออยู่ในดินจะไหลซึมลงต่อไปอีก สุดท้ายจะไปถูกกักเก็บไว้อยู่ตามช่องว่างระหว่างตะกอนหรือตามรอยแตกและรอยแยกที่อยู่ต่อเนื่องกันของหิน ชั้นหิน ชั้นตะกอนหรือชั้นกรวด จนกระทั่งหิน ชั้นหิน ชั้นตะกอนหรือชั้นกรวดดังกล่าวอิ่มตัวด้วยน้ำหรือมีน้ำบรรจุอยู่เต็มช่องว่างนั้น ๆ น้ำที่ถูกกักเก็บไว้ในเขตอิ่มน้ำนี้เรียกว่า น้ำบาดาล (ground water) ระดับบนสุดของน้ำบาดาลจะเป็นระดับน้ำใต้ดิน (water table) ซึ่งจะเป็นพื้นผิวหรือแนวระดับน้ำใต้ผิวดินที่อยู่ระหว่างเขตอิ่มน้ำกับเขตอิ่มอากาศ (บริเวณที่มีอากาศถ่ายเทได้) ณ ระดับน้ำใต้ดินนี้แรงดันน้ำในชั้นหินหรือในชั้นตะกอนจะเท่ากับแรงดันของบรรยากาศ และในตำแหน่งที่ลึกลงไปจากระดับน้ำใต้ดิน แรงดันของน้ำจะเพิ่มมากขึ้นเนื่องจากน้ำหนักของน้ำที่กดทับอยู่ ระดับน้ำใต้ดินนี้จะเปลี่ยนแปลงขึ้นลงไปตามฤดูกาล โดยในฤดูแล้งระดับน้ำใต้ดินจะอยู่ลึกกว่าระดับปกติ ระดับน้ำใต้ดินส่วนใหญ่จะเอียงเทหรือวางตัวสอดคล้องไปตามลักษณะภูมิประเทศและจะไปบรรจบกับระดับน้ำในแม่น้ำหรือทะเลสาบ ดังรูปที่ 2
การแบ่งหิน ชั้นหิน ชั้นตะกอนและชั้นกรวดโดยใช้ระดับน้ำใต้ดินเป็นแนวแบ่งเขต จะแบ่งออกเป็น 2 ส่วน ดังรูปที่ 2 ได้แก่
1) เขตอิ่มอากาศหรือบริเวณที่มีอากาศถ่ายเทได้ (zone of aeration) คือ ส่วนบนตั้งแต่ผิวดินลงไปจนถึงระดับน้ำใต้ดิน ช่องว่างในดิน ในตะกอนและในหินเขตนี้บางส่วนจะมีน้ำกักเก็บอยู่และบางส่วนจะมีอากาศแทรกอยู่ น้ำในเขตนี้จะถูกยึดอยู่ในช่องว่างด้วยแรงตึงผิวของอนุภาคดิน
2) เขตอิ่มน้ำ (zone of saturation) เป็นเขตที่อยู่ต่อจากเขตอิ่มอากาศลงไปหรืออยู่ใต้ระดับน้ำใต้ดินลงไป ช่องว่างในตะกอนหรือในหินเขตนี้จะมีน้ำอยู่เต็มทุกช่องว่างหรืออิ่มตัวไปด้วยน้ำ น้ำที่ถูกกักเก็บอยู่ในเขตนี้จะเป็นน้ำบาดาล4
รูปที่ 2 ภาพตัดขวางแสดงระดับน้ำใต้ดิน เขตอิ่มอากาศ เขตอิ่มน้ำและระดับน้ำใต้ดินที่ลดลงในฤดูแล้ง
(ดัดแปลงภาพจากหนังสือ Anatole Dolgoff. 1996. Physical geology. D. C. Heath and Company. Toronto. 628 p. หน้าที่ 412)
ชั้นหินอุ้มน้ำและชั้นหินกันน้ำ
ชั้นหินอุ้มน้ำ (aquifer) เป็นชั้นหินหรือชั้นตะกอนที่เป็นแหล่งกักเก็บน้ำบาดาล ที่มีสมบัติยอมให้น้ำซึมผ่านได้โดยง่ายและมีความพรุนสูง เนื่องจากชั้นหินหรือชั้นตะกอนดังกล่าวมีช่องว่างระหว่างตะกอนกว้างหรือมีรอยแตกและรอยแยกที่อยู่ต่อเนื่องกัน จึงทำให้สามารถกักเก็บน้ำไว้ได้เป็นปริมาณมาก จนกลายเป็นแหล่งน้ำใต้ดิน ชั้นหินนี้จะอยู่ในเขตอิ่มน้ำและวางตัวอยู่ติดกับชั้นหินกันน้ำ ตัวอย่างชั้นหินอุ้มน้ำ เช่น หินทราย ชั้นตะกอนทรายหรือชั้นกรวดที่ยังไม่แข็งตัวเป็นหิน
ชั้นหินกันน้ำ (confining bed) เป็นชั้นหินที่รองรับแหล่งน้ำบาดาล เป็นชั้นหินหรือชั้นตะกอนที่มีเนื้อแน่นจำพวกหินเนื้อตัน (impermeable rock) ซึ่งมีสมบัติเป็นเหมือนวัสดุกันน้ำ ไม่ยอมให้น้ำซึมผ่านหรือซึมผ่านได้แต่น้อยมาก เนื่องจากชั้นหินหรือชั้นตะกอนดังกล่าวไม่มีช่องว่างระหว่างตะกอนที่ต่อเนื่องกัน ชั้นหินกันน้ำส่วนใหญ่จะวางตัวอยู่ติดกับชั้นหินอุ้มน้ำที่อยู่ด้านบนหรือด้านล่างชั้นใดชั้นหนึ่งหรือทั้งสองชั้น ตัวอย่างชั้นหินกันน้ำ เช่น หินทรายแป้ง หินดินดาน
บริเวณหนึ่งๆ อาจมีแหล่งน้ำบาดาลหลายแหล่งหรือหลายชั้นก็ได้ โดยชั้นหินในบริเวณนั้นจะต้องวางตัวเอียงเทกับผิวดิน ซึ่งจะทำให้น้ำผิวดินสามารถไหลซึมเข้าสู่ชั้นหินอุ้มน้ำแต่ละชั้นที่วางตัวเอียงเทและถูกขนาบด้วยชั้นหินกันน้ำทั้งด้านบนและด้านล่างได้โดยตรง และจะทำให้เกิดแรงดันของน้ำขึ้นในชั้นหินอุ้มน้ำที่ถูกขนาบด้วยชั้นหินกันน้ำทั้งจากด้านบนและด้านล่าง ดังนั้นถ้ามีการเจาะบ่อบาดาลในบริเวณชั้นหินอุ้มน้ำดังกล่าวจะเกิดบ่อน้ำบาดาลมีแรงดันขึ้น ดังรูปที่ 3
รูปที่ 3 แสดงชั้นหินอุ้มน้ำที่ถูกขนาบด้วยชั้นหินกันน้ำทั้งด้านบนและด้านล่าง
(ดัดแปลงภาพจากหนังสือ Graham R. Thompson, and Jonathan Turk, 1991. Modern Physical geology. Saunders College Publishing. USA. 608 p. หน้าที่ 441)
สมบัติของตะกอนและหินที่มีส่วนเกี่ยวข้องกับปริมาณน้ำที่ถูกกักเก็บหรือปล่อยออกมาจากชั้นหินอุ้มน้ำ ได้แก่ รูปร่าง การเรียงตัวของตะกอน การคัดขนาด (sorting) ของตะกอน ปัจจัยต่างๆ เหล่านี้จะมีผลต่อขนาดช่องว่างระหว่างตะกอนหรือช่องว่างในหิน
ความพรุน (porosity) ของหินเป็นปริมาณช่องว่างในหิน หินจะมีความพรุนมากหรือน้อยจะขึ้นอยู่กับการคัดขนาด รูปร่าง การเรียงตัวของตะกอน การเชื่อมประสานของตะกอนและรอยแตกที่เกิดขึ้นในหิน การคัดขนาด (sorting) เป็นกระบวนการที่ทำให้เกิดการจัดหรือคัดขนาดของตะกอนให้แบ่งออกเป็นกลุ่ม ๆ ตามขนาด รูปร่างและความถ่วงจำเพาะของตะกอนชนิดนั้น ๆ โดยมีกระแสน้ำหรือลมเป็นปัจจัยในการคัดขนาด หินที่ประกอบด้วยตะกอนที่มีการคัดขนาดดี คือ มีขนาดของตะกอนใกล้เคียงกัน เมื่อตะกอนตกทับถมกันจะทำให้มีช่องว่างระหว่างตะกอนมากส่งผลให้หินมีความพรุนสูงและทำให้มีพื้นที่ในการกักเก็บน้ำมาก ส่วนหินที่ประกอบด้วยตะกอนที่มีการคัดขนาดไม่ดี คือ ขนาดของตะกอนมีทั้งขนาดเล็กและขนาดใหญ่ปนอยู่รวมกัน เมื่อตะกอนตกทับถมกันจะมีช่องว่างระหว่างตะกอนน้อย ส่งผลให้หินมีความพรุนต่ำ และทำให้มีพื้นที่ในการกักเก็บน้ำลดน้อยลง และถ้ามีการเชื่อมประสานตะกอนด้วยวัตถุประสานตะกอนเกิดขึ้นด้วย จะยิ่งทำให้ความพรุนของหินลดลง แต่ถ้าเนื้อหินถูกละลายหรือเกิดรอยแตกขึ้นจะทำให้หินมีความพรุนสูงขึ้น รูปที่ 4 แสดงการคัดขนาดของตะกอนที่ส่งผลต่อความพรุนของหิน
รูปที่ 4 การคัดขนาดของตะกอนที่ส่งผลให้ความพรุนของหินแตกต่างกัน
(ดัดแปลงภาพจากหนังสือ Anatole Dolgoff. 1996. Physical geology. D. C.Heath and Company. Toronto. 628 p. หน้าที่ 413)
หินที่ประกอบด้วยตะกอนที่มีรูปร่างเป็นเหลี่ยมเป็นมุมเมื่อตะกอนตกทับถมกันจะไม่มีช่องว่างระหว่างตะกอนเกิดขึ้น ทำให้หินมีความพรุนต่ำ ส่วนตะกอนที่มีรูปร่างกลมมน เมื่อตะกอนตกทับถมกันจะเกิดช่องว่างระหว่างตะกอนขึ้น ทำให้หินมีความพรุนสูง ดังรูปที่ 5
รูปที่ 5 รูปร่างของตะกอนที่ส่งผลให้ความพรุนของหินแตกต่างกัน
(ดัดแปลงภาพจากหนังสือ Anatole Dolgoff. 1996. Physical geology. D. C. Heath and Company. Toronto. 628 p. หน้าที่ 413)
การเจาะบ่อน้ำบาดาลลงไปในชั้นหินกันน้ำหรือหินเนื้อตัน เช่น หินดินดาน หรือหินแกรนิตที่มีรอยแตกและรอยแยกที่ไม่ต่อเนื่องกัน หรือการเจาะบ่อบาดาลลงไปในชั้นทรายแต่ยังไม่ถึงแหล่งน้ำบาดาลที่แท้จริง จะทำให้ไม่ได้น้ำขึ้นมาขณะสูบน้ำ แต่ถ้าเราเจาะบ่อบาดาลลงไปในชั้นทรายที่เป็นแหล่งน้ำบาดาลโดยตรง จะทำให้ได้น้ำเป็นปริมาณมากและทำให้การสูบน้ำเป็นไปอย่างต่อเนื่อง หรือถ้าเจาะบ่อบาดาลลงไปในหินแกรนิตที่มีรอยแตกและรอยแยกที่ต่อเนื่องกันและมีน้ำบรรจุอยู่ในรอยแตกและรอยแยกเหล่านั้นหรือเจาะบ่อบาดาลลงไปในชั้นทรายที่ยังไม่ใช่แหล่งน้ำบาดาลที่แท้จริงแต่มีชั้นหินกันน้ำหรือหินเนื้อตันจำพวกหินดินดานมารองรับ ก็จะทำให้มีน้ำบาดาลกักเก็บอยู่ในแหล่งนั้นได้และสามารถสูบน้ำขึ้นมาใช้ได้พอสมควร ดังรูปที่ 6
รูปที่ 6 การเจาะบ่อบาดาลลงไปในชั้นตะกอนแบบต่าง ๆ
credit: http://secondsci.ipst.ac.th/ , https://www.youtube.com
