Phương pháp xác định lượng bổ cập tự nhiên nước dưới đất

Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 19 - năm 201838 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LƯỢNG BỔ CẬP TỰ NHIÊN NƯỚC DƯỚI ĐẤT Lê Việt Hùng1, Phạm Quý Nhân1, Trần Quốc Cường2 1 Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội 2 Viện Địa chất, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Tóm tắt Tài nguyên nước ở Việt Nam phân bố không đều theo không gian và thời gian cũng như ẩn chứa nhiều yếu tố không bền vững. Nước dưới đất có thể được khai thác sử dụng phục vụ cho sinh hoạt, sản xuất tuy nhiên lượng nước được khai thác phụ thuộc rất nhiều vào khả năng bổ cập cho tầng chứa nước. Bổ cập nước dưới đất là quá trình mà nước thấm, ngấm trong các lỗ hổng, khe nứt của đất đá đến vùng bão hòa nước bằng con đường tự nhiên hoặc nhân tạo. Lượng bổ cập cho nước dưới đất là thông số cơ bản trong phương trình cân bằng nước lưu vực cũng như cho hầu hết các mô hình tính toán tài nguyên nước dưới đất. Lượng bổ cập nước dưới đất thường được xác định bằng phương pháp trực tiếp như lysmeter hoặc gián tiếp như cân bằng nước, dao động mực nước ngầm, sử dụng chất chỉ thị hóa học và cân bằng nồng độ chất hòa tan, kỹ thuật đồng vị, ứng dụng viễn thám và GIS, Tuy nhiên, mỗi phương pháp xác định lượng bổ cập đều có những ưu nhược điểm riêng. Từ khóa: Bổ cập nước dưới đất, cân bằng nước, ứng dụng viễn thám và GIS Abstract Method of determining for groundwater recharge Water resources in Vietnam distribute unevenly in the space and the time, as well as contain many unstable factors. The groundwater can be exploited and used to serve living and economic activity; however, the exploitation depends on groundwater recharge rate of the aquifer. Groundwater recharge is the process by which water seepage by the fl aw of the soil, the crack of the rocks to zone saturation by natural or artifi cial way. Groundwater recharge is the fundamental component in the water balance of the watershed and is the funamental parameter in the most model to evaluate groundwater resources. The quantifi tion of groundwater recharge is usually determined by directly method such as lysmeter, seepage or indirectly method such as water balance, groundwater level fl uctuation, using chemical indicator and balance solute concentration, using remote sensing and GIS,... However, each of the complementary measures has its limitation and also has its advantages. Keywords: Groundwater recharge; Water balance; Remote sensing and GIS application I. Giới thiệu Tài nguyên nước ở Việt Nam phân bố không đều theo không gian và thời gian cũng như ẩn chứa nhiều yếu tố không bền vững: (i) gần 60% lượng nước ở Việt Nam có nguồn gốc bên ngoài lãnh thổ, (ii) tốc độ tăng dân số nhanh làm lượng nước bình quân đầu người giảm từ 3800m3/người/năm hiện nay xuống còn 2800m3/người/năm vào 2025, (iii) thu hẹp đáng kể diện tích rừng đầu nguồn làm suy giảm khả năng giữ nước và bổ sung nước cho các tầng chứa nước dưới đất... [5]. Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 19 - năm 2018 39 Nước dưới đất, tồn tại trong các tầng chứa nước dưới đất [1], được khai thác sử dụng phục vụ cho sinh hoạt, sản xuất ở những nơi mà nước mặt không đáp ứng được nhu cầu sử dụng nước. Lượng nước dưới đất được khai thác phụ thuộc rất nhiều vào khả năng bổ cập cho nước dưới đất từ nước mặt, nước mưa. Bổ cập nước dưới đất là quá trình mà nước thấm và ngấm trong các lỗ hổng, khe nứt của đất đá đến vùng bão hòa nước bằng con đường tự nhiên hoặc nhân tạo. Lượng bổ cập cho nước dưới đất có vai trò quan trọng để đảm bảo khôi phục một phần trữ lượng nước dưới đất bị lấy đi [4]. Lượng bổ sung cho nước dưới đất này gọi là trữ lượng động tự nhiên của nước dưới đất, là giá trị cung cấp tự nhiên từ nước mưa, nước mặt cho nước dưới đất qua quá trình thấm, thấm xuyên,... Lượng bổ cập cho nước dưới đất phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo địa chất của khu vực nghiên cứu (vị trí của các tầng chứa nước trong cấu tạo địa chất, loại đất đá chứa nước và đất đá của đới thông khí, sự tồn tại hay không tồn tại các đới phá huỷ kiến tạo v.v...), điều kiện địa lý (khí hậu, đặc điểm thuỷ văn, kớp phủ thổ nhưỡng và thực vật), nhân tố địa chất thuỷ văn (tính thấm và bề dày của tầng chứa nước, đất đá của đới thông khí và các lớp ngăn cách, chiều sâu thế nằm của nước ngầm) v.v... Xác định lượng bổ cập tự nhiên cho nước dưới đất (tính toán trữ lượng động tự nhiên) nhằm thành lập sơ đồ sử dụng tổng hợp tài nguyên nước, lập kế hoạch sử dụng nước trong tương lai và đánh giá trữ lượng khai thác của nước dưới đất, đánh giá tương quan của tài nguyên nước mặt và tài nguyên nước dưới đất Một số nghiên cứu thông qua việc xác định bổ cập nước dưới đất đã đánh giá được tiềm năng khai thác nước dưới đất ở một khu vực như i) Phạm Quý Nhân (2000), xác định tổng trữ lượng khai thác tiềm năng toàn vùng Đồng bằng Bắc Bộ là 8.115.600 m3/ ngày. Tổng lưu lượng khai thác dự báo theo các phương án quy hoạch đến 2015 là 1.129.956 m3/ ngày. ii) Đoàn Văn Cánh (2015) đã tính toán được lượng bổ cập tự nhiên từ nước mưa cho nước dưới đất chiếm 42,9% tổng lượng bổ cập cho TCN Đệ tứ vùng Đồng bằng Bắc Bộ. Tiềm năng nước dưới đất tầng chứa nước qp hệ tầng Hà Nội giả ước khai thác trong 27 năm là: 12.829.261,82 m3/ngày còn dự báo theo phương pháp mô hình là 11.023.721,00m3/ngày Theo tác giả, hiện trạng khai thác và trữ lượng tiềm năng của các tầng chứa nước đã được thống kê và đánh giá thì trữ lượng khai thác hiện nay so với trữ lượng khai thác tiềm năng chỉ chiếm một phần nhỏ (bảng 1). Tuy nhiên trong các giếng khoan khai thác, mực nước liên tục suy giảm, một số nơi xảy ra hiện tượng nhiễm bẩn. Bảng 1. Hiện trạng khai thác sử dụng nước dưới đất Đồng bằng Bắc Bộ, Hà Nội và Việt Nam [2] TT Thành phố, tỉnh Lượng nước đang khai thác, m3 /ngày Trữ lượng khai thác tiềm năng, m3 /ngày % khai thác so với tiềm năng 1 Đồng bằng Bắc Bộ 2.264.898,00 17.191.102,00 13,17 2 Hà Nội 1.779.398,00 8.362.000,00 21,27 3 Toàn lãnh thổ Việt Nam 8.364.513,00 172.599.897,00 4,85 Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 19 - năm 201840 Bảng 2. Đặc điểm thạch học môi trường chứa nước và phương pháp xác định lượng bổ cập [11] TT Môi trường chứa nước Phương pháp xác định Khu vực nghiên cứu 1 Trầm tích lòng sông và trầm tích trước núi thành phần gồm đá, sỏi, cuội Cân bằng nước, đồng vị, mô hình, thủy động lực, thủy văn Sabarmati, Ấn Độ; thung lũng Namoa, Úc; Lybia; Syria 2 Cát và đá cát Thủy động lực, mô hình Nubian, Bắc Phi; Niger, Nigeria; Các tiểu vương quốc Ả rập; New Mexico 3 Đá vôi và đá đô lô mít Thủy văn, mô hình, cân bằng nước Cao nguyên Gambier, Úc; Portigal, Brasil; Kabwe, Zambia; 4 Đá phấn Thủy động lực London, Anh; Negev, Isrel; 5 Đá núi lửa Thủy văn, cân bằng, thực nghiệm Khối bazan Deccan Trap, Ấn Độ; Idaho, Nhật; Djibouti, Đông Phi; 2. Thạch học môi trường chứa nước Lượng bổ cập nước dưới đất phụ thuộc nhiều vào điều kiện địa chất, địa chất thủy văn của khu vực, nhất là thành phần thạch học của môi trường chứa nước. Thạch học của môi trường chứa nước được phân thành i) các trầm tích lòng sông và trầm tích trước núi gồm đá, sỏi; ii) cát và đá cát; iii) đá vôi và đá đô lô mít; iv) đá phấn; v) đá núi lửa. Một vùng có thể có một hoặc nhiều thành phần thạch học nêu trên. Trong mỗi trường hợp, đặc điểm lượng bổ cập nước dưới đất của mỗi thành tạo đá sẽ được xác định riêng. 3. Các phương pháp xác định bổ cập nước dưới đất Nước mặt gồm nước mưa và nước sông, hồ là các nguồn nước tự nhiên chính bổ cập cho nước dưới đất hay còn gọi là nguồn bổ cập tự nhiên cho nước dưới đất. Bổ cập nhân tạo cho nước dưới đất là nước dưới đất được bổ sung trữ lượng dưới sự can thiệp của con người hoặc các nguồn bổ sung có nguồn gốc nhân tạo như sự rò rỉ từ hệ thống đường ống cấp nước, rò rỉ từ hệ thống thoát nước thải, hố ga, tưới cho nông nghiệp,[4]. Tính toán bổ cập tự nhiên nước dưới đất là công việc không thể thiếu khi tiến hành điều tra đánh giá tài nguyên nước dưới đất của một khu vực. Tuy nhiên lựa chọn phương pháp xác định lượng bổ cập tự nhiên nước dưới đất lại tương đối khó khăn do lượng bổ cập nước dưới đất phụ thuộc vào nhiều dữ liệu khác nhau về điều kiện địa hình, địa mạo, độ dốc, độ lỗ hổng, tính chất của đất đá, địa chất, lượng mưa, nhiệt độ, độ bốc hơi, sử dụng đất hiện có của khu vực nghiên cứu,[2]. Các phương pháp ước lượng lượng bổ cập nước dưới đất thể dựa vào: - Đặc điểm địa chất thủy văn hay môi trường chứa nước của khu vực (các vùng có điều kiện tương tự về khí hậu và địa chất với cùng lịch sử địa mạo): môi trường địa chất chứa nước là trầm tích cát và cát kết; là trầm tích lòng sông và bồi tích sông hoặc núi lửa,[14]; - Đặc điểm về thủy văn của khu vực: điều kiện khí quyển, nước mặt (sông, hồ), vùng bão hòa và không bão hòa [10]; Theo cách tiếp cận, các phương pháp có thể được phân chia thành: - Phương pháp trực tiếp như Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 19 - năm 2018 41 phương pháp thủy tiêu hóa (lysmeter) hoặc phương pháp gián tiếp như phương pháp cân bằng nước, phương pháp dao động mực nước ngầm, phương pháp mô hình số,; - Phương pháp sử dụng nguyên tố vết như phương pháp sử dụng chất chỉ thị hóa học (Chemical Signatures), phương pháp cân bằng nồng độ chất hòa tan (Solute Balances), phương pháp sử dụng kỹ thuật đồng vị; - Phương pháp ứng dụng viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) như sử dụng ảnh Landsat, MODIS, Sentinel, và công cụ ArcGIS, MapInfo để xây dựng các lớp bản đồ và cơ cơ dữ liệu phục vụ tính toán. 3.1. Nhóm phương pháp thủy động lực 3.1.1. Phương pháp sai phân hữu hạn (G.N.Kamenxki, 1940) Phương pháp này dự a trên cơ sở nghiên cứu động thái mực nước ngầm trong một nhóm các lỗ khoan để dự báo mực nước dưới đất và giá trị cung cấp của nước ngầm những thành phần tham gia vào cân bằng nước trong khu cân bằng bao gồm hiệu số lượng nước chảy đến và chảy đi theo phương x - ∆Qx, theo phương y - ∆Qy, giá trị cung cấp hoặc bốc hơi từ bề mặt nước dưới đất: ± W∆Qx∆Qy. Sự thay đổi giá trị cung cấp và thoát theo các phương đã dẫn đến sự dâng cao hay hạ thấp mực nước dưới đất và đi liền là sự thay đổi thể tích nước trong phân tố nghiên cứu: (1) Trong đó : ∆x, ∆y là khoảng cách giữa các lỗ khoan quan trắc trong sân cân bằng theo phương x và y; W là cường độ cung cấp của nước mưa (hoặc bốc hơi) từ bề mặt nước dưới đất trên một đơn vị diện tích. μ là hệ số nhả nước trọng lực (khi mực nước hạ thấp) hoặc hệ số thiếu hụt bão hòa (khi mực nước dâng cao); ΔH là biên độ dao động mực nước ứng với khoảng thời gian Δt Trong phương pháp sai phân hữu hạn, không gian khu vực nghiên cứu được phân ra thành nhiều ô. Trong mỗi ô, các giá trị tham gia vào phương trình được coi là không đổi. Bằng cách này, người ta đưa phương trình đạo hàm về một hệ phương trình tuyến tính với số lượng các phương trình tương đương với số các ô lưới được phân chia. Nếu như bước lưới càng nhỏ thì kết quả thu được từ lời giải sai phân càng gần đúng với lời giải của phương trình đạo hàm riêng phần và gần xấp xỉ với giá trị thực tế. Kết quả H(x,y,z,t) sẽ là một lưới ô chứa các giá trị h khác nhau. 3.1.2. Phương pháp tính lượng bổ cập dao động mực nước tại lỗ khoan quan trắc - Phương pháp Binđeman Đây là phương pháp đánh giá gần đúng lượng thấm của nước mưa trong điề u kiệ n lỗ khoan quan trắ c đượ c bố trí trong cá c vù ng phân thủ y đối với dòng thấm không áp nằm ngang, giá trị thấm trung bình năm: (2) (3) Trong đó: W - Cường độ ngấm của nước mưa cung cấp cho nước dưới đất (mm/ngày) ∆H - Đại lượng dâng cao mực nước trong thời gian t (mm) Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 19 - năm 201842 ∆z - Đại lượng ngoại suy theo tốc độ hạ thấp mực nước của thời kỳ liền trước (mm) t - Thời gian quan trắc (ngày) Mn - Modul dòng chảy nước dưới đất (l/s km2)  - Hệ số nhả nước của đất đá xác định theo kết quả thí nghiệm thấm 2.1.3. Phương pháp theo lưu lượng dòng ngầm bằng công thức của động lực học nước dưới đất Sử dụng định luật Darcy có thể xác định được lượng bổ cập nước dưới đất của một tầng chứa nước nếu như xác định được độ cao cột nước và hệ số thấm ở nguồn vào và nguồn ra của tầng chứa nước. Lượng bổ cập của một tầng chứa nước bão hòa nước được xác định theo công thức sau [8]: (4) Trong đó: K(θ) là hệ số thấm H là chiều cao cột nước tổng h là chiều cao bề mặt mực nước ngầm z là khoảng cách giữa hai điểm đo chiều cao cột nước Việc áp dụng luật của Darcy đòi hỏi phải đo được hoặc ước lượng được độ dốc thủy lực và độ dẫn nước không bão hòa của môi trường chứa nước xung quanh, thường được sử dụng trong môi trường khô hạn hoặc bán khô hạn. 3.2. Nhóm phương pháp cân bằng 3.2.1. Phương pháp cân bằng nước mặt Phương pháp cân bằng nước (Thornthwaite (1948)) xem lượng bổ cập như là phần nước dư thừa của tất cả dòng chảy đi và đến tầng chứa nước. Một số phương pháp thường sử dụng để xác định lượng nước dư thừa này như phương pháp xác định độ ẩm đất, phương pháp độ dâng mực nước ngầm, Phương pháp cân bằng nước có thể được xác định theo công thức sau [5]: (5) Trong đó: R i là lượng bổ cập (mm) P là lượng mưa (mm) E a là độ bốc thoát hơi nước hiện tại (mm) ΔW là thay đổi độ ẩm (mm) R n là lượng mưa chảy tràn bề mặt (mm) Trên một lưu vực, khi tính toán bổ cập nước dưới đất bằng phương pháp cân bằng, cần xác định với các thông số khác nhau về lượng mưa, độ bốc thoát hơi nước, loại cây trồng và kiểu đất. Trong phương pháp này, việc xác định và hiểu chỉnh mô hình là tương đối khó khăn do các tham số trong mô hình khó đo trực tiếp ngoài hiện trường như độ bốc thoát hơi nước, độ ẩm, tốc độ thấm. 3.2.2. Phương pháp cân bằng nồng độ chất hòa tan Một trong những phương pháp cân bằng nồng độ chất hòa tan là phương pháp cân bằng Clo (Chloride mass balance). Phương pháp này sử dụng hàm lượng Clo 36, 36Cl, trong nước mưa khí quyển và trong nước dưới đất để xây dựng các phương trình cân bằng và tính toán lượng bổ cập nước. Wood (1999) đã đưa ra phương trình cân bằng Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 19 - năm 2018 43 hàm lượng Clo trong nước mưa và nước dưới đất như sau: (6) Trong đó: Ri là lượng bổ cập của nước mưa cho nước dưới đất (mm/năm) P là lượng mưa trung bình năm (mm/năm) Cl r là hàm lượng Clo trong nước mưa (ppm) Cl gw là hàm lượng Clo trong nước ngầm (ppm) Tuy nhiên, khi xác định lượng bổ cập nước dưới đất bằng phương pháp này cần lưu ý sự sai lệch nồng độ Clo ở những nơi có lượng mưa lớn, xảy ra trong thời gian dài. Vì ở những vùng này, nồng độ Clo trong nước ngầm thường rất cao và ảnh hưởng đến việc xác định lượng bổ cập. 3.3. Phương pháp ứng dụng kỹ thuật đồng vị Các đồng vị và thường được sử dụng trong các nghiên cứu bổ cập nước dưới đất. Trong đó các đồng vị mô phỏng chính xác nhất sự di chuyển của nước dưới đất vì chúng tạo thành một phần của phân tử nước [6]. Phân tử nước có công thức hóa học là H 2 O. Hydro có ba đồng vị là proti , deuteri và triti . Oxy có 3 đồng vị có ý nghĩa nghiên cứu là . Về lý thuyết, có thể sử dụng bất kỳ nguyên tố vết nào để xác định lượng bổ cập, nhưng đồng vị bền gồm D ( ), và đồng vị phóng xạ thường được sử dụng hơn cả. Đối với 3H thì mố i quan hệ giữ a nồng độ (hoạ t độ ) đo được của triti tại thời điểm t, C(t) với nồng độ ban đầu C 0 theo phương trình sau: (7) Trong đó: C(t) là hàm lượng triti tại thời điểm t (TU) C 0 là hàm lượng triti tại thời điểm ban đầu (TU) f(τ) là hàm phân bố thời gian lưu (năm) τ là tuổi của nước (năm) (8)  là hằng số phân rã phóng xạ Tuy nhiên sử dụng kỹ thuật đồng vị thường tốn kém và đòi hỏi phải có kỹ thuật chuyên sâu. Đối với tritium, các nghiên cứu định lượng rất khó đạt được vì khó xác định cân bằng khối lượng tritium. 3.4. Phương pháp mô hình số Mô hình hoá quá trình thấm và lan truyền chất của nước dưới đất là phương pháp thực nghiệm để giải các bài toán động lực học và lan truyền nước dưới đất bằng việc xác định lưu lượng dòng thấm và sự phân bố áp lực trên toàn bộ miền chuyển động của nước dưới đất, kể cả trên ranh giới cũng như phân bố nồng độ các chất hòa tan trong tầng chứa nước. Bản chất mô hình toán là mô tả đông thái mực nước, nồng độ các chất hòa tan trong điều kiện môi trường không đồng nhất và dị hướng với các điều kiện biên, điều kiện ban đầu của tầng chứa nước tạo thành một mô hình toán học về dòng chảy nước dưới đất [3]. Các mô hình về vận chuyển dòng chảy và ô nhiễm nước dưới đất đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về các tầng chứa nước dưới đất. Một số mô hình được sử dụng như mô hình một chiều, hai chiều, ba Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 19 - năm 201844 Trong đó: Kxx, Kyy, Kzz là các hệ số thấm nước theo phương x,y và z (phương đứng); h là cốt cao mực nước tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t W là các giá trị bổ cập hay thoát của nước dưới đất tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t W = W (x,y,z,t) là hàm số phụ thuộc vào thời gian t và không gian (x,y,z). SS là hệ số nhả nước; SS = SS (x,y,z), Kxx = Kxx( x,y,z), Kyy = Kyy (x,y,z), Kzz = Kzz (x,y,z) các hàm phụ thuộc vào vị trí không gian x,y,z. Giải phương trình trên bằng cách xác định giá trị của h(x,y,z,t) thoả mãn (9) và thoả mãn các điều kiện biên. Giá trị độ cao mực nước h sẽ biến động theo thời gian và đặc trưng cho tính chất cũng như hướng của dòng chảy và có thể sử dụng để dự báo động thái nước dưới đất. 3.5. Phương pháp ứng dụng viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) Phương pháp này không thể xác định trực tiếp lượng bổ cập nước dưới đất mà thông qua việc xác định độ bốc thoát hơi nước từ lượng mưa, chúng ta xác định được tổng lượng dòng chảy hàng năm. Từ tổng lượng nước chảy hàng năm, nếu xác định được lưu lượng dòng chảy bề mặt, sẽ xác định được dòng chảy cơ bản, nó tương đương với lượng nước bổ sung cho tầng chứa nước hàng năm. Nghiên cứu viễn thám và GIS có thể xác định được các thông số khí tượng thủy văn như độ bốc thoát hơi nước, nhiệt độ, lượng mưa, hay các thông số về môi trường chứa nước tại khu vực nghiên cứu như sử dụng đất, loại đất, độ dốc, hệ thống đứt gãy, độ ẩm đất, Đây là các thông số đầu vào của hầu hết các mô hình được sử dụng để xác định bổ cập nước dưới đất. Sử dụng GIS thành lập bản đồ mực nước dưới đất và chồng xếp các bản đồ chuyên đề để xác định độ nhạy của các yếu tố này đến bổ cập nước dưới đất. GIS dựa trên đặc tính phân tích không gian, lập bản đồ và viễn thám dựa trên đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng cho phép - Xác định tiềm năng của tầng chứa nước dựa trên đặc điểm tự nhiên, đặc điểm khí tượng thủy văn và đặc điểm địa chất của khu vực - Cấu trúc địa chất, địa hình địa mạo của khu vực để xác định mối liên hệ với hệ thống địa chất thủy văn - Xác định và khoanh vùng bổ cập, vùng thoát của tầng chứa nước - Mối liên hệ giữa nước dưới đất và các thành phần khác của khu vực (nước mặt, thực vật, nguồn ô nhiễm,) chiều của dòng chảy hoặc phương trình Richard. Mô hình thủy lực, số hóa và phân tích, xác định mối liên hệ giữa thấm, mưa và bổ cập. Phương pháp mô hình dòng nước dưới đất coi toàn bộ sự biến thiên độ cao mực nước dưới đất được mô tả bằng một phương trình đạo hàm sau: (9) Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 19 - năm 2018 45 Hình 1: Phương trì nh cân bằ ng nướ c khi không có và có lượ ng nướ c bổ sung nhân tạ o tạ i mỗ i ô lướ i Xác định lượng bổ cập tự nhiên cho