Nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngầm khu vực ven biển tỉnh hà tĩnh và đề xuất các giải pháp bảo vệ sử dụng hợp lý

Nội dung của luận văn, ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, sẽ được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngầm Chương 2: Điều kiện

MỤC LỤC

Lời cảm ơn……… i

Danh mục bảng……… ii

Danh mục hình……… iii

Danh mục từ viết tắt……… iv

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

6 Cơ sở tài liệu và cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM3 1.1 Các khái niệm 3

1.2 Cơ chế xâm nhập mặn nước dưới đất 5

1.2.1 Các quá trình dịch chuyển chất hòa tan 5

1.2.2 Quá trình phân tán cơ học 7

1.2.3 Quá trình phân tán thuỷ động lực 8

1.2.4 Quá trình hấp phụ 10

1.2.5 Quá trình phân rã 10

1.2.6 Ranh giới mặn - nhạt nước dưới đất vùng ven biển 11

1.3 Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học về dòng ngầm 12

1.4 Mô hình nhiễm mặn trong nước ngầm 19

1.4.1 Cơ sở lý thuyết về dịch chuyển vật chất hòa tan 19

1.4.2 Mô hình dịch chuyển vật chất 24

1.5 Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn 26

1.5.1 Ngoài nước 26

1.5.2 Tại Việt Nam 29

1.6 Lịch sử nghiên cứu ĐC, ĐCTV và xâm nhập mặn vùng nghiên cứu 31

1.7 Quy trình nghiên cứu 33

1.8 Phương pháp nghiên cứu 34

CHƯƠNG 2:ĐIỀU KIỆN HÌNH THÀNH XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM KHU VỰC VEN BIỂN HÀ TĨNH 36

2.1 Các nhân tố hình thành xâm nhập mặn nước ngầm vùng ven biển Hà Tĩnh 36

2.1.1 Vị trí địa lý 36

2.1.2 Đặc điểm địa chất 39

2.1.3 Đặc điểm địa chất thuỷ văn 45

2.1.4 Đặc điểm địa hình và quá trình địa mạo 49

2.1.5 Đặc điểm khí hậu 49

2.1.6 Chế độ thuỷ văn- hải văn 54

2.1.7 Đặc điểm thổ nhưỡng 55

2.1.8 Thảm thực vật 56

2.2 Các yếu tố nhân tạo ảnh hưởng tới quá trình xâm nhập mặn nước ngầm khu vực nghiên cứu 57

2.2.1.Hoạt động dân sinh 57

Những ảnh hưởng của các hoạt động nhân sinh đến các nguồn nước vùng ven biển Hà Tĩnh được tổng hợp như trong Bảng 2.9 57

2.2.2.Hoạt động nông – lâm nghiệp 59

2.2.3 Nuôi trồng hải sản 60

2.2.4 Hoạt động công nghiệp 61

CHƯƠNG 3:ĐẶC ĐIỂM XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM VÀ CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ, SỬ DỤNG HỢP LÝ 63

3.1 Thành lập và chỉnh lý mô hình nhiễm mặn nước ngầm vùng ven biển Hà Tĩnh 63 3.1.1 Sơ đồ hoá các điều kiện của mô hình 63

3.1.2 Xây dựng và cập nhật dữ liệu đầu vào trên mô hình 64

3.2 Kết quả chỉnh lý mô hình 76

3.2.1 Chỉnh lý bài toán ổn định 76

3.2.2 Chỉnh lý bài toán không ổn định 77

3.3 Hiện trạng xâm nhập mặn nước ngầm vùng ven biển Hà Tĩnh 78

3.4 Kết quả dự báo xâm nhập mặn nước ngầm theo thời gian 83

3.5 Đề xuất các giải pháp bảo vệ, sử dụng hợp lý tài nguyên nước ngầm vùng ven biển Hà Tĩnh 89

3.5.1 Các giải pháp hạn chế, khắc phục quá trình xâm nhập mặn 89

3.5.2 Một số giải pháp khai thác sử dụng nước và bảo vệ môi trường 92

KẾT LUẬN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

PHỤ LỤC 107

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Phân loại nước dưới đất theo độ tổng khoáng hóa 5

Bảng 2.1: Thành phần độ hạt của đất đá và mức độ chứa nước 40

Bảng 2.2: Trữ lượng tĩnh nước dưới đất khu vực nghiên cứu 46

Bảng 2.3: Trữ lượng động nước dưới đất khu vực nghiên cứu 46

Bảng 2.4: Lượng mưa tháng, năm trung bình nhiều năm 50

Bảng 2.5: Nhiệt độ không khí trung bình nhiều năm 52

Bảng 2.6: Số giờ nắng trung bình nhiều năm 52

Bảng 2.7: Độ ẩm không khí trung bình nhiều năm 53

Bảng 2.8: Thống kê 1 số sông chính tại khu vực nghiên cứu 54

Bảng 2.9:Các ảnh hưởng của hoạt động nhân sinh đến nước ngầm 58

Bảng 2.10: Dân số theo đơn vị hành chính 59

Bảng 2.11: Danh mục hồ chứa hiện có tại khu vực nghiên cứu 60

Bảng 2.12: Danh mục đập dâng hiện có tại khu vực nghiên cứu 60

Bảng 2.13: Thống kê các khu công nghiệp hiện có trong khu vực nghiên cứu 61

Bảng 3.1: Điều kiện khai thác nước ngầm vùng ven biển Hà Tĩnh 74

Bảng 3.2: Xác định thời gian xâm nhập mặn theo lưu lượng khai thác và khoảng cách đến ranh giới mặn - nhạt 95

DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Quá trình dịch chuyển của chất hòa tan theo thời gian và ảnh hưởng của quá trình khuếch tán 5

Hình 1.2: Đồ thị dự báo đường nồng độ do quá trình khuếch tán phân tử 7

Hình 1.3: Đường dòng trong môi trường lỗ hổng dưới tác dụng của quá trình phân tán thủy động lực 8

Hình 1.4: Quá trình phân tán đối lưu của chất hòa tan trong dòng một chiều 8

Hình 1.5: Sự dịch chuyển chất hòa tan do quá trình đối lưu và phân tán 9

Hình 1.6: Vận động của nước dưới đất vùng ven biển 11

Hình 1.7: Sơ đồ quan hệ giữa nước nhạt – mặn dưới đất vùng ven biển 12

Hình 1.8: Ô lưới và các loại ô trong mô hình 14

Hình 1.9: Ô lưới i,j,k và 6 ô bên cạnh 15

Hình 1.10: Sơ đồ giải hệ phương trình vi phân 16

Hình 1.11: Mặt cắt biểu diễn điều kiện biên sông 17

Hình 1.12: Mô phỏng trên mô hình 17

Hình 1.13: Điều kiện biên tổng hợp (GHB) trong mô hình 18

Hình 1.14: Quy trình nghiên cứu 34

Hình 2.1: Những nhân tố hình thành xâm nhập mặn vùng ven biển 36

Hình 2.2: Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu 38

Hình 2.3: Sơ đồ địa chất khu vực nghiên cứu 44

Hình 2.4: Sơ đồ địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu 47

Hình 2.5: Biểu đồ lượng mưa từ 2009 -2013 tại các trạm đo 50

Hình 2.6: Biểu đồ nhiệt độ - độ ẩm năm 2013 tại trạm Hà Tĩnh 54

Hình 2.7: Tỷ lệ phần trăm các nhóm đất khu vực nghiên cứu 56

Hình 3.1: Lưới phân sai của mô hình 63

Hình 3.2: Sơ đồ hóa các tầng chứa nước trên bình đồ và trên mặt cắt 64

Hình 3.3: Bản đồ phân vùng hệ số thấm lớp 1 66

Hình 3.4: Bản đồ phân vùng hệ số thấm lớp 2 67

Hình 3.5: Bản đồ phân vùng hệ số thấm lớp 3 68

Hình 3.6: Bản đồ phân vùng hệ số nhả nước lớp 1 69

Hình 3.7: Bản đồ phân vùng hệ số nhả nước lớp 2 70

Hình 3.8: Bản đồ phân vùng hệ số nhả nước lớp 3 71

Hình 3.9: Giá trị bổ cập và bốc hơi khu vực nghiên cứu 72

Hình 3.10: Điều kiện biên nồng độ chất tan 75

Hình 3.11: Mực nước ban đầu tính toán trên mô hình 77

Hình 3.15: Dự báo xâm nhập mặn tại thời điểm năm 2020 tầng qh 85

Hình 3.16: Dự báo xâm nhập mặn tại thời điểm năm 2020 tầng qp 86

Hình 3.17: Dự báo xâm nhập mặn tại thời điểm năm 2030 tầng qh 87

Hình 3.18: Dự báo xâm nhập mặn tại thời điểm năm 2030 tầng qp 88

Hình 3.19: Khai thác nước dưới đất bằng giếng tia 97

Hình 3.20: Khai thác nước dưới đất bằng hành lang thu nước nằm ngang 97

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BĐKH Biến đổi khí hậu

UNICEF Quỹ nhi đồng Liên Hợp quốc

VAST Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Biến đổi khí hậu (BĐKH) đã làm cho thiên tai ở Việt Nam ngày càng gia tăng về

số lượng, cường độ và phạm vi ảnh hưởng Lĩnh vực chịu tác động lớn là nông nghiệp, thuỷ lợi, thuỷ sản, diêm nghiệp, lâm nghiệp và an ninh lương thực Đặc biệt ở những đồng bằng và dải cát ven biển dưới tác động của nước biển dâng Vấn đề cấp thiết hiện nay là quá trình xâm nhập mặn (XNM) gia tăng nhiều nơi, diện tích đất nông nghiệp bị thu hẹp và ảnh hưởng lớn đến tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt làm giảm trữ lượng các nguồn nước trong đó có nước nhạt dưới đất

Hà Tĩnh là một trong những địa phương chịu ảnh hưởng nhất của BĐKH, trong

đó điển hình là quá trình XNM.Vùng ven biểnHà Tĩnh với trên 114km2 diện tích đất bị nhiễm mặn, vào mùa khô hạn, diện tích trên còn gia tăng gây ảnh hưởng không nhỏ đến các hoạt động dân sinh và phát triển kinh tế của khu vực [11] Vùng ven biển tỉnh

Hà Tĩnh là nơi tập trung đông dân cư và phát triển các hoạt động KT – XH kéo theo nhu cầu dùng nước ngày càng tăng, trong khi, nước sử dụng chủ yếu được khai thác tại chỗ từ nguồn nước ngầm và nước mặt đang dần bị hạn chế về cả chất lượng và trữ lượng Do vậy, việc khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước nói chung và nước ngầm nói riêng đang là vấn đề cần quan tâm

Hiện nay, khai thác và sử dụng nước ngầm của nhân dân trong vùng còn mang tính tự phát, thiếu sự quy hoạch,quản lý, các giải pháp bảo vệ tài nguyên nước ngầm chưa thích hợp nên đã xảy ra các hiện tượng suy thoái nguồn nước bởi thất thoát và nhiễm bẩn, cùng với quá trình XNM, ở nhiều nơi đã có dấu hiệu thiếu hụt nguồn nước cấp, nhất là vào mùa khô hạn Nhằm góp phần giải quyết những vấn đề cấp thiết nêu

trên, nội dung luận văn “Nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngầm khu vực ven biển

Hà Tĩnh và đề xuất các giải pháp bảo vệ, sử dụng hợp lý” sẽ tập trung nghiên cứu

đánh giá quá trình XNM của nước biển đối với nước ngầm, từ đó đề xuất các giải pháp bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên quý giá này

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Làm sáng tỏ mối quan hệ giữa các hợp phần tự nhiên và các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội đối với quá trình xâm nhập mặn nước ngầm;

- Đề xuất các giải pháp giảm thiểu xâm nhập mặn và khai thác sử dụng hợp lý nước ngầm khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiện cứu: Xâm nhập mặn của nước biển đối với nước ngầm trong trầm tích Đệ tứ vùng ven biển Hà Tĩnh

- Phạm vi nghiên cứu: Khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh vớidiện tích khoảng 1.900km2 trải dài từ huyện Nghi Xuân đến huyện Kỳ Anh

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu đánh giá vai trò của các nhân tố tự nhiên, KT – XH ảnh hưởng tới quá trình xâm nhập mặn nước ngầm khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh;

- Đánh giá thựctrạng XNM và quá trình sử dụng nước ngầm vùng nghiên cứu;

- Nghiên cứu cơ chế XNM nước ngầm khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh;

- Nghiên cứu đề xuất các giải pháp giảm thiểu xâm nhập mặn và khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước ngầm khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Làm sáng tỏ cơ chế XNM nước ngầm trong trầm tích Đệ tứ vùng ven biển tỉnh Hà Tĩnh;

- Đề xuất các giải pháp khoa học nhằm giảm thiểu xâm nhập mặn và khai thácsử dụng hợp lý tài nguyên nước ngầm vùng ven biển tỉnh Hà Tĩnh;

- Kết quả nghiên cứu là tài liệu có thể sử dụng để định hướng khai thác, sử dụng tài nguyên nước ngầm và hỗ trợ công tác quy hoạch cấp nước cho vùng ven biển tỉnh Hà Tĩnh cũng như các vùng khác có điều kiện tương tự

6 Cơ sở tài liệu và cấu trúc luận văn

Luận văn được xây dựng trên cơ sở nguồn tài liệu là các báo cáo điều tra tài nguyên nước dưới đất (NDĐ), các đề tài, dự án nghiên cứu đánh giá xâm nhập mặn NDĐ và các hợp phần tài nguyên khác liên quan thuộc phạm vi nghiên cứu; Các tạp chí, báo cáo khoa học chuyên ngành tài nguyên nước, địa lý, địa chất, địa chất thủy văn (ĐCTV), địa mạo, môi trường trong và ngoài nước, đặc biệt là đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam mã số: VAST05.05/13-14

Nội dung của luận văn, ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, sẽ được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngầm

Chương 2: Điều kiện hình thành xâm nhập mặn nước ngầm khu vực ven biển Hà Tĩnh

Chương 3: Đặc điểm xâm nhập mặn nước ngầm và các giải pháp bảo vệ, sử dụng hợp lý

Kết luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM

1.1 Các khái niệm

1) Nước ngầm

Nước ngầm là loại nước trọng lực dưới đất ở trong tầng chứa nước thứ nhất kể từ trên mặt xuống.Phía trên tầng nước ngầm thường không có lớp cách nước che phủ và nước trọng lực không chiếm toàn bộ bề dày của đất đá thấm nước, nên bề mặt của nước ngầm là một mặt thoáng tự do Nước ngầm vận động dưới tác dụng của độ chênh lệch mực nước, chảy theo hướng từ nơi có mực nước ngầm cao đến nơi có mực nước ngầm thấp hơn Nó thường được chứa trong trầm tích bở rời điển hình như trong aluvi, proluvi hoặc trong các dải cát, đụn cát ven biển

2) Xâm nhập mặn nước ngầm

Xâm nhập mặn là quá trình làm tăng độ muối (chủ yếu là NaCl) trong nước nhạt

và thu hẹp không gian của các thể chứa nước nhạt XNM ở vùng ven biển xảy ra khi cột thuỷ áp của nước ngầm hạ thấp xuống dưới mực nước biển, do thay đổi về điều kiện cân bằng nước ngầm tự nhiên hay do quá trình khai thác sử dụng nước ngầm quá mức khiến cho mực nước ngầm hạ thấp, dẫn đến sự dịch chuyển của biên mặn về phía đất liền

3) Điện trở suất của tầng chứa nước

Đất đá có thể xem như một tập hợp gồm ba pha: pha cứng (đất đá hay khoáng vật); pha lỏng (nước trong tầng chứa) và pha khí (khí trong các lỗ hổng) Điện trở suất (ĐTS) của pha lỏng thường có giá trị nhỏ nhất Vì vậy, điện trở suất của đất đá chứa nước chủ yếu do điện trở suất của nước quyết định (trừ trường hợp tầng chứa nước có xen các lớp sét) Nước tự nhiên là các chất điện phân chứa các loại ion khác nhau.Khi

ta tạo ra điện trường thì các ion đó sẽ chuyển dịch và xuất hiện dòng điện Mật độ dòng điện phụ thuộc vào mật độ, loại ion và tốc độ di chuyển của chúng[12, 31] Điện trở suất của chất điện phân (nước) ρw được xác định theo công thức sau:

Trong đó: ca và cc - mật độ của anion và cation và hàm lượng anion và cation thông thường ca = cc = C; va và vc - tốc độ di chuyển của anion và cation; fa và fc - độ linh động của anion và cation, phụ thuộc vào hàm lượng muối hoà tan và thành phần hóa học của chúng

Loại dẫn điện ion xảy ra trong đất, đá lỗ hổng, khe nứt lấp đầy dung dịch Phần

tử tải điện là các ion Khi có tác động của trường điện bên ngoài, các ion dịch chuyển định hướng tạo nên dòng điện Loại dẫn điện ion thường gặp trong đất đá trầm tích.Archie (1942) khi nghiên cứu độ dẫn điện của các tầng chứa nước, đã chỉ ra rằng điện trở suất của một tầng chứa tỷ lệ thuận với điện trở suất của nước lấp đầy trong các

lỗ hổng và tỷ lệ nghịch với độ lỗ hổng của tầng chứa nước Mối quan hệ này được biểu diễn dưới dạng định luật Archie như sau:

với = (1.5)

và từ(1.2): = , a

Trong đó: ρbuk - điện trở suất của tầng chứa nước, F - hệ số cấu thành tầng chứa

nước; ρw - điện trở suất của nước lấp đầy các lỗ hổng của tầng chứa nước; a - hệ số, phụ thuộc vào đất (a = 0,4; 1,4); k - độ lỗ hổng của đất đá; n - hệ số cấu trúc (n = 1,3; 2,2)

Đối với tầng chứa nước xác định thì hệ số cấu thành tầng chứa nước (F) không thay đổi Như vậy, điện trở suất của các tầng chứa nước chỉ biến đổi do tính chất của nước trong tầng chứa nước thay đổi (do nhiễm mặn, nhiễm bẩn, ) Sự biến đổi chất lượng nước ngầm nói chung trong một lãnh thổ rất phức tạp, cả về không gian và thời gian Thông thường, chất lượng nước ngầm bao gồm rất nhiều yếu tố để đánh giá như hàm lượng các ion, các chất keo, các hợp chất có mặt trong nước… trong đó tổng khoáng hoá là chỉ tiêu cơ bản nhất và quan trọng nhất để đánh giá chất lượng nước vì đây là chỉ tiêu dùng để đánh giá chất lượng nước tổng quát nhất

4) Tổng chất rắn hòa tan (TDS)

Bao gồm khoáng chất, muối hoặc kim loại tồn tại trong một khối lượng nước

nhất định, đơn vị biểu thị thường là mg/lhoặc ppm (phần nghìn) TDS được lấy làm cơ

sở ban đầu để xác định mức độ sạch của nguồn nước TDS tồn tại dưới dạng các ion

âm và ion dương, do nước luôn có tính hoà tan rất cao nên nó thường có xu hướng lấy các ion từ các vật mà nó tiếp xúc

Từ mối tương quan giữa giá trị TDS của nước và kết quả đo điện trở suất đất đá chứa nước có thể xác định được đới mặn/nhạt của nước ngầm [12]

Bảng 1.1: Phân loại nước dưới đất theo độ tổng khoáng hóa

1.2 Cơ chế xâm nhập mặn nước dưới đất

1.2.1 Các quá trình dịch chuyển chất hòa tan

Vận động của vật chất hòa tan trong môi trường NDĐ là quá trình cơ lý và hóa

học rất phức tạp, được gọi là “di chuyển chất hòa tan” theo các quá trình sau:

Quá trình di chuyển đối lưu:các chất hoà tan vận chuyển theo dòng chảy NDĐ

với tổng lượng chất hòa tan (Fx) theo một hàm số nồng độ của chúng trong nước (C)

và lượng dòng ngầm Đối với dòng một chiều, một đơn vị diện tích tiết diện lỗ hổng có lưu lượng dòng ngầm là:

F x =C* v x n e(1.6)

Trong đó:v x n e - độ lỗ hổng hữu hiệu, C - vận tốc thấm trung bình

Phương trình vận chuyển vật chất theo kiểu piston cho dòng một chiều có dạng (2.2) và thể hiện qua hình dạng của đường nồng độ (hình 1.1)

x

C v t

Hình 1.1: Quá trình dịch chuyển của chất hòa tan theo thời gian và ảnh

hưởng của quá trình khuếch tán

t o

x+a x-a

Quá trình phân tán: nước mặn (nước biển) di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến

nơi có nồng độ thấp hơn Sự khuếch tán diễn ra đến khi nào gradient nồng độ còn tồn tại, ngay cả khi không có dòng chảy Mức độ khuếch tán tỷ lệ thuận với gradient nồng

độ, tuân theo định luật thứ nhất của Fick:

Dấu trừ thể hiện vận động từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn Ở

25oC có thể xác định Dd theo bảng có sẵn Trường hợp chất tan có nồng độ thay đổi theo thời gian thì áp dụng định luật thứ 2 của Fick:

2 2

x

C D t

- sự thay đổi nồng độ theo thời gian

Trong môi trường lỗ hổng, quá trình khuếch tán xảy ra không nhanh như trong môi trường nước vì các ion phải di chuyển quãng đường dài hơn khi đi vòng qua các hạt đất đá Hệ số khuếch tán phân tử D* được xác định theo công thức:

D * = D d (1.10)

Trong đó:  - hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào mức độ cong của đường vận chuyển

Sự khuếch tán làm cho chất tan luôn vận động trong môi trường lỗ hổng ngay cả khi không có dòng chảy tự nhiên Sự khuếch tán của vật chất có nồng độ Co tại thời điểm to và vận động từ khoảng (x-a) tới (x+a), đến thời điểm t1 và t2 nồng độ chất tan giảm nhưng lại tăng ngoài khoảng này (hình 1.1) Nồng độ chất tan phân bố theo quy luật phân phối chuẩn Gausse đặc trưng bởi nồng độ trung bình và phương sai Có thể xác định hệ số khuếch tán hữu hiệu qua hai đại lượng phương sai và thời gian:

D * = c 2 /2t (1.11)

Quá trình khuếch tán thực tế cần xem xét là các ion chủ yếu phải ở trạng thái trung hoà điện tích Nếu chất tan bị hấp phụ vào bề mặt hạt rắn thì tỷ lệ khuếch tán nhìn chung sẽ nhỏ hơn so với chất không bị hấp phụ Nếu coi nồng độ vật chất ban đầu trong chất thải rắn là Co, không đổi theo thời gian, sau thời gian t, tại khoảng cách nồng độ chất tan là Ci (x,t), nếu tính đến điều kiện biên và điều kiện ban đầu (Grank,

1956) thì:

2 / 1

* )

(

) (

x erfc C

C i x t  o (1.12)

Trong đó: Ci - nồng độ chất tan tại khoảng cách x tính từ nguồn phát tại thời điểm t và được xác định từ khi quá trình khuếch tán bắt đầu xảy ra;erfc - hàm sai số bù (hàm này sẽ phụ thuộc vào quy luật phân phối chuẩn hay Gausse), có thể tính gần đúng theo công thức:

Giá trị erfc(B) dao động trong khoảng 0 - 2

Quá trình khuếch tán vật chất diễn ra từ vùng có nồng độ Co tới vùng có nồng độ

Ci=0 được biểu diễn trên hình 1.2

Hình 1.2: Đồ thị dự báo đường nồng độ do quá trình khuếch tán phân tử

Từ những nhận định trên cho thấy quá trình khuếch tán không có ý nghĩa đặc thù đối với sự di chuyển của chất tan Nó thể hiện một cơ chế vận động ưu thế trong ĐCTV khi các đất đá chứa nước có tính thấm kém Tuy nhiên, nó vẫn có thể diễn ra trong các khoảng không của khe nứt, lỗ hổng lớn, kể cả khi không có dòng chảy tự nhiên

1.2.2 Quá trình phân tán cơ học

Quá trình phân tán cơ học diễn ra khi các chất hòa tan di chuyển qua môi trường

lỗ rỗng Chất hòa tan dọc theo đường dòng gọi là quá trình phân tán dọc Sự trộn lẫn theo phương vuông góc với đường dòng gọi là phân tán ngang

Quá trình phân tán cơ học chịu ảnh hưởng của kích thước lỗ hổng dẫn đến vận chuyển chậm hay nhanh, chiều dài đường vận chuyển và ma sát trong lỗ hổng Nếu toàn bộ nước ngầm chứa chất bẩn vận động cùng nhau thì sẽ thay thế nước sạch và tạo

nên một bề mặt ngăn cách gi

chuyển động cùng một v

chuyển, dẫn đến sự pha loãng ch

Nếu quá trình phân tán c

tổng phân tán là hàm số

tán cơ học Hệ số này tương đương v

tán thấm ()

Hệ số phân tán cơ h

1.2.3 Quá trình phân tán thu

Quá trình khuếch tán phân t

Vai trò của khuếch tán phân t

hòa tan hoạt động như m

chiều (hình 1.4)

Hình 1.4: Quá trình phân tán

Khi ch khu

t ngăn cách giữa hai loại nước Hơn nữa, sự xâm nh

t vận tốc với nước xảy ra quá trình hỗn hpha loãng chất bẩn trong dòng chảy

u quá trình phân tán cơ học tuân theo định luật Fick như đ

của vận tốc thấm trung bình, trong đó có tính đnày tương đương với thông số trung bình, được g

phân tán cơ học = hệ số phân tán thấm x vận tốc thấm trung bình

.3 Quá trình phân tán thuỷ động lực

ch tán phân tử và quá trình phân tán cơ học trong dòng ng

n nhau Thông số đặc trưng cho quá trình này g

ờng dòng trong môi trường

ới tác dụng của quá trình phân

hệ số phân tán thuỷ đông

c theo phương vuông góc dòng chảy; T - hệ số

ố phân tán ngang; D* - hệ

ch tán phân tử và phân tán cơ học đối với t

ng như một chất chỉ thị trong môi trường lỗ hổng v

.4: Quá trình phân tán đối lưu của chất hòa tan trong dòng m

chiều

khoảng cách x

Khi chỉ có quá trình khuếch tán phân tử

Vị trí V c tại th Khi có quá trình phân tán

i tỷ số Ci/Co của chất

ng với điều kiện dòng 1

òa tan trong dòng một

trí V của lượng nước

i thời điểm t Khi có quá trình phân tán

Diễn biến của quá trình phân tán và đối lưu được biểu diễn trên hình 1.5

Hình 1.5: Sự dịch chuyển chất hòa tan do quá trình đối lưu và phân tán

Lượng chất tan ngay lập tức xuất hiện trong tầng chứa nước vào thời điểm to với khoảng cách (x=0+a), nồng độ ban đầu là C0 Dòng ngầm vận động theo kiểu piston đưa chất bẩn đi theo Trong quá trình vận động, dải chất bẩn mở rộng cùng với lượng chất bẩn theo thời gian, được biểu thị dưới dạng phương trình sau:

dxdy dz z

F F dxdz dy y

F F dzdy dx x

F

z y

y x

F dydxdz y

F dxdzdy x

Lượng vật chất thay đổi trong phân tố là: ne (C/t) dx.dy.dz

Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có:

t

C n z

F y

F x

F

e z y x

cóphương trình:

t

C C

v x C v x C v x z

C D z y

C D y x

C D

do hệ số phân tán thuỷ động lực là một hàm số của hướng dòng chảy, ngay cả khi môi trường đẳng hướng đồng nhất, Dx Dy Dz Đối với dòng một chiều, trong môi trường

lỗ hổng, đồng nhất, đẳng hướng, phương trình trên được viết là:

t

C x

C v x

C v y

C D x

2

2

2

(1.24)

DL - thông số phân tán thuỷ động lực dọc theo phương dòng chảy (dọc);

DT - thông số phân tán thuỷ động lực vuông góc với phương dòng chảy (ngang) Với dạng toạ độ cực ta có phương trình:

t

C r

C U r

C r

D r

C D

1.2.5 Quá trình phân rã

Quá trình phân rã bao gồm quá trình các chất hòa tan bị vi khuẩn phân hủy và tham gia vào các phản ứng ô xy hóa - khử, quá trình phân rã của các chất phóng xạ.Hầu hết nước ngầm dễ bị ô nhiễm các chất hữu cơ chứa hydrocacbon Các hydro

cacbon tạo điều điều kiện cho s

cho vi khuẩn tạo nên màng sinh h

cân bằng thủy tĩnh với nư

là đường cong thoải, hướ

n cho sự phát triển của vi khuẩn, chúng cung c

o nên màng sinh học trên bề mặt chất rắn trong tầng ch

ứa các chất phóng xạ Những chất phóng x

t đất đá sẽ làm cho quá trình di chuyển ch

ng bởi quá trình phân rã phóng xạ làm giảhai giai đoạn hòa tan và hấp phụ

ới mặn - nhạt nước dưới đất vùng ven biển

a Baydon W - Giben (1091) mô phỏng điều ki

t vùng ven biển và xác định giữa khối nước nhạt trong đ

i nước biển, ranh giới tiếp xúc giữa nước nhạt lớng từ biển vào lục địa, dọc theo đường tiế

.6) Độ sâu lý thuyết phân bố ranh giới “m

c tính toán như sau:

c NDĐ so với mực nước biển là z; độ sâu của n

t kỳ nào đó dưới mực nước biển là h, thì áp l

pAờng ranh giới giữa nước mặn và nước nh

ớc nhạt gây ra sẽ là:

pB = (h - z)n

Nguồn: theo Fetter C.W (1993)

.6: Vận động của nước dưới đất vùng ven bi

c Giben thì:

pA = pB, do đó: (h - z)

là khối lượng riêng của nước biển (≈1,025g/cm

n, chúng cung cấp năng lượng

ng chứa nước

t phóng xạ mang ion dương

n chậm lại Hơn nữa,

ảm nồng độ của chất

u kiện hình thành nước

t trong đất liền luôn có sự

t lục địa và nước biển

(≈1,000g/cm3), g - gia tốc tr

Từ các phương trình trên chúng ta nh

Như vậy, đối với mộ

thể xác định được một cách tương đ

1.7).Tuy nhiên, trong trong trư

nhiều lớp chứa nước và cách nư

ĐCTV” như một số nơi thu

công thức (2.27) Khi đó, đ

thông số kỹ thuật hơn nữa t

1 Mực nước biển; 2 B

Hình 1.7: Sơ đồ quan hệ giữa n

1.3 Cơ sở lý thuyết và mô hình toán h

Mô hình hoá quá trình th

bài toán động lực học NDĐ

lực trên toàn bộ miền chuyển động của NDĐ, kể cả tr

NDĐ được mô phỏng bởi ph

cân bằng khối lượng của n

Dacxidưới dạng phương tr

Bản chất mô hình toán là

không đồng nhất và dị hư

c trọng trường ình trên chúng ta nhận được:

h

ột tầng chứa nước đồng nhất về tính thấm, khi bi

t cách tương đối ranh giới mặn - nhạt NDĐ vùng ven biTuy nhiên, trong trong trường hợp ngược lại, tầng chứa nước không đ

c và cách nước nằm xen kẽ nhau hoặc xuấnơi thuộc vùng nghiên cứu thì kết quả tính toán không tuân theo

c (2.27) Khi đó, để xác định được ranh giới mặn nhạt ph

a từ nhiều phương pháp khác

n; 2 Bề mặt tự do của nước nhạt dưới đất; 3 Ranh gi

ồ quan hệ giữa nước nhạt – mặn dưới đất v

à mô hình toán học về dòng ngầm

trình thấm của NDĐ là phương pháp thực nghiệm để giải các ộng lực học NDĐ bằng việc xác định lưu lượng dòng thấm v

ộ miền chuyển động của NDĐ, kể cả trên ranh gi

ợc mô phỏng bởi phương trình vi phân đạo hàm riêng trên cơ s

ợng của nước trong thể tích phân bố tầng chứa nưương trình 3.1

ình toán là mô tả đông thái mực nước trong điều kiện môi trướng với các điều kiện biên, điều kiện ban đầu của tầng chứa

n m

m

z h

n

z z

ên ranh giới.Chuyển động của

trên cơ sở phương trình ước và định luật thấm

ớc trong điều kiện môi trường

ều kiện ban đầu của tầng chứa

nước tạo thành một mô hình toán học về dòng chảy nước dưới đất

Toàn bộ sự biến thiên độ cao mực nước ngầm được mô tả bằng một phương trình đạo hàm riêng duy nhất sau:

Trong đó:

Kxx , Kyy , Kzz: các hệ số thấm theo các hướng x,y và z

h: cốt cao mực nước tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t;

W là Môdul dòng ngầm, hay là các giá trị bổ cập, giá trị thoát đi của nước ngầm tính tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t W = W(x,y,z,t) là hàm số phụ thuộc thời gian và vị trí không gian (x,y,z); Ss là hệ số nhả nước đơn vị (1/m); 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

Để giải phương trình (1.31)phải tìm hàm số h(x,y,z,t) thoả mãn (1.31) và thoả mãn các điều kiện biên Sự biến động của giá trị h theo thời gian sẽ xác định bản chất của dòng chảy, từ đó có thể dự báo động thái NDĐ cũng như tính toán các hướng của dòng chảy

Việc tìm lời giải giải tích h(x,y,z,t) của phương trình (1.31) chỉ khi nào miền nghiên cứu được mô phỏng bằng sơ đồ toán học Thực tế, miền thấm có điều kiện rất phức tạp, do đó buộc phải giải bằng phương pháp gần đúng Một trong các phương pháp giải gần đúng được áp dụng rộng rãi là phương pháp sai phân hữu hạn.Khi áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn, không gian nghiên cứu được phân ra hay rời rạc hóa thành nhiều ô, trong mỗi ô, các giá trị tham gia vào phương trình được coi làkhông đổi Giá trị này xấp xỉ với giá trị thực tế Kết quả h(x,y,z,t) sẽ là một lưới ô các giá trị

h Bằng cách này đưa phương trình đạo hàm riêng (1.31) về một hệ phương trình tuyến tính Số lượng phương trình tương đương với số các ô lưới chia Rõ ràng nếu bước lưới càng nhỏ thì kết quả thu được từ lời giải sai phân càng gần với lời giải đúng của phương trình (1.31) Để hình dung được phương pháp sai phân áp dụng như thế nào, ta

sẽ bắt đầu từ quá trình rời rạc hoá

Không gian nghiên cứu được phân theo chiều thẳng đứng z thành các lớp chứa nước Mỗi lớp chứa nước lại được chia thành các ô nhỏ hơn Vùng hoạt động của nước

dưới đất trong mỗi tầng chứa nước sẽ được đánh dấu là “ô trong miền tính” Những ô cách nước hoặc không có dòng chảy thấm qua thì được đánh dấu là “ô ngoài miền

tính”

Hình

Hệ phương trình sai phân nh

cơ sở lý thuyết cân bằng của Buxines: Tổng d

1,k), (i,j+1,k), (i,j,k-1), (i,j,k+1) dòng ch

vào mang dấu dương, chảy ra mang dấu âm)

Nếu đặt CRi,j-1/2,k

(i,j-1,k) và (i,j,k) được tính theo công thức

Hình 1.8: Ô lưới và các loại ô trong mô h

ình sai phân nhận được từ phương trình (1.31) đư

ở lý thuyết cân bằng của Buxines: Tổng dòng chảy đến và ch

ằng sự thay đổi thể tích nước có trong ô Giả thiết rằng khối lư

ổi thì qui tắc cân bằng dòng chảy cho một ô đ

∑

ớc chảy vào ô (nếu chảy ra thì Q lấy giá trị âm);

ị của hệ số nhả nước, nó chính là giá trị Ss(x,y,z);

ị biến thiên của h trong thời gian t tại ô lưới đang xét.

ả cho một ô lưới (i,j,k) và 6 ô bên cạnh nó, (i1), (i,j,k+1) dòng chảy từ ô (i,j,k) sang các ô b

ảy ra mang dấu âm)

ạnh nó, (i-1,j,k), (i+1,j,k),

(i,j-ảy từ ô (i,j,k) sang các ô bên cạnh (nếu ch(i,j-ảy

ứ i, lớp thứ k giữa các nút lưới

1/2,kc iv k/r j-1/(1.33)

Trong đó:KR i,j-1/2,klà hệ số thấm giữa các nút lưới (i,j,k) và (i,j-1,k); c iv klà diện tích bề mặt vuông góc với phương dòng chảy; r j-1/2là khoảng cách giữa các nút lưới (i,j,k) và (i,j-1,k)

Lưu lượng cung cấp cho ô lưới từ biên theo phương trình tổng quát sau:

a i,j,k,n = p i,j,k,n h i,j,k + q i,j,k,n(1.34)

Hình 1.9: Ô lưới i,j,k và 6 ô bên cạnh

Trong đó:a i,j,k,n biểu diễn dòng chảy từ nguồn thứ n vào trong nút lưới (i,j,k); h i,j,k mực nước của nút (i,j,k); p i,j,k,n , q i,j,k,n là các hệ số có thứ nguyên (L2 t-1 ) và (L3 t-1) tương ứng của phương trình

Một cách tổng quát, nếu có N nguồn cấp vào trong ô lưới, lưu lượng tổng hợp QSi,j,k có thể được viết như sau:

QS i,j,k = P i,j,k h i,j,k + Q i,j,k(1.35)

Trong đó:P i,j,k = p i,j,k,n Q i,j,k = q i,j,k,n

Viết cân bằng cho ô lưới (i,j,k) từ bước thời gian t m-1 đến t m ta có:CR i,j-1/2,k (h mi,j-1,k -

h mi,j,k ) + CR i,j+1/2,k (h mi,j+1,k - h mi,j,k ) ++ CC i-1/2,j,k (h mi-1,j,k - h mi,j,k ) + CC i+1/2,j,k (h mi+1,j,k -

h mi,j,k ) ++ CV i,j,k-1/2 (h mi,j,k-1 - h mi,j,k ) + CV i,j,k+1/2 (h mi,j,k+1 - h mi,j,k ) + P i,j,khmi,j,k-1 + Q i,j,k =

Ss i,j,k (r jc jv k )( h mi,j,k - h m-1i,j,k )/(t m - t m-1 )(1.36)

Trong đó:h mi,j,k là cốt cao mực nước tại bước thời gian m của ô (i,j,k); CR i,j-1/2,k là

sức cản thấm trong hàng thứ i, lớp thứ k giữa các nút lưới (i,j-1,k) và (i,j,k); KR i,j-1/2,k là

hệ số thấm giữa các nút lưới (i,j,k) và (i,j-1,k); c iv klà diện tích bề mặt vuông góc với phương dòng chảy; r j-1/2là khoảng cách giữa các nút lưới (i,j,k) và (i,j-1,k)

Phương trình (1.36) sẽ được viết cho các ô mà mực nước thay đổi theo thời gian Như vậy, ta sẽ lập được một hệ phương trình có số phương trình tương ứng với số ô

i,j,k i,j,k-1

i,j,k+1

i+1,j,k

i-1,j,k

lưới Giải hệ phương trình này với điều kiện biết được mực nước h m-1i,j,k (điều kiện ban

đầu) ta sẽ xác định được mực nước h mi,j,k cứ lần lượt như vậy, ta có thể xác định được

mực nước cho bất kỳ thời điểm nào.Hệ phương trình trên được giải bằngphương pháp

lặp, người ta tiến hành chia nhỏ khoảng thời gian (t m-1 ,t m), kết quả nhận được là lời giải

gần đúng của hệ phương trình Khi thời gian tăng lên thì h sẽ thay đổi Khi h đạt được

sự ổn định (chênh lệch h tính được giữa 2 bước thời gian kế cận nhau sẽ nhỏ hơn một

giá trị cho phép) thì mực nước đạt được sự cân bằng động và tại đây kết thúc quá trình tính toán.Để phương pháp lặp hội tụ, người ta chọn bước thời gian tăng theo cấp số

nhân, khi đó thừa số 1/(t m-1 - t m ) sẽ tiến nhanh tới 0, dẫn đến các tổng có liên quan đến

thừa số này hội tụ.Có thể hình dung cách giải hệ phương trình (3.6) bằng phương pháp theo hình vẽ sau:

Hình 1.10: Sơ đồ giải hệ phương trình vi phân

Trong thực tế, không cần thiết phải viết phương trình dạng (3.6) cho tất cả các ô lưới khi mà những ô lưới nào đó có thể thiết lập các điều kiện biên trên đó Có 3 loại điều kiện biên chính như sau:

- Điều kiện biên loại I là điều kiện biên áp lực trên đó được xác định trước (còn gọi là điều kiện biên Dirichlet)

- Điều kiện biên loại II là điều kiện biên lưu lượng được xác định trước (còn gọi

là điều kiện biên Neuman) Trường hợp không có dòng chảy thì lưu lượng được xác định bằng không

- Điều kiện biên loại III là điều kiện lưu lượng trên biên phụ thuộc vào sự thay đổi của áp lực (còn gọi là điều kiện biên Cauchy hoặc biên hỗn hợp), biên loại này

thường mô tả cho dạng áp lực l

a) Biên sông

Biên loại này được mô phỏng cho d

mặt, thường là sông hay h

trong ô M -chiều dày của lớp trầm tích đáy l

Lưu lượng dòng thấm giữa sông v

QRIV = CRIV (HRIV

Trong đó: HRIV -

đáy lòng sông RBOT - c

Trong trường hợp mực n

lượng dòng thấm sẽ đạt ổn định v

QRIV = CRIV (HRIV

b) Điều kiện biên tổng hợp

Điều kiện biên loại n

thoát (hình 3.6) Lưu lượng d

Sức cản thấm Cb cũng t

ờng mô tả cho dạng áp lực là sông, hồ hoặc dạng tổng hợp như sau:

ợc mô phỏng cho dòng chảy giữa tầng chứa n

à sông hay hồ Nó cho phép dòng chảy từ tầng chứa v

ớc cũng có thể chảy từ dòng mặt vào trong tầng chứa nước nhưng ngu

ào lưu lượng của dòng mặt(Hình1.11)

ủa lớp trầm tích đáy lòng

ấm giữa sông và tầng chứa được tính theo công thức:

QRIV = CRIV (HRIV - h) khi h>RBOT (

mực nước trong sông h - mực nước của tầng chứa ngay d

cốt cao đáy sông

ờng hợp mực nước của tầng chứa nằm dưới đáy sông th

ư sau:

ảy giữa tầng chứa nước và nguồn nước

ảy từ tầng chứa vào dòng mặt, hoặc

ưng nguồn thấm này

: Mô phỏng trên mô hình

ợc thể hiện trong công thức:

ớc của tầng chứa ngay dưới

ới đáy sông thì lúc đó lưu

RBOT) khi h <= RBOT (1.39)

ên sông hoặc biên kênh

ợc tính theo công thức:

h) (1.40)

òng biểu thị sức cản dòng

chảy giữa biên và tầng chứa n

Hình 1.13

Để chính xác hóa tr

ngược ổn định và không

lý hệ số thấm và các điều kiện bi

định để chính xác lại điều kiện bi

Kết quả giải bài toán ngư

độ tin cậy của bài toán ngư

quan trắc thực tế Mục đích cuối c

số Có 3 loại sai số để đánh giá sự sai khác mực n

(i) Sai số trung bình (

1.13: Điều kiện biên tổng hợp (GHB) trong mô h

ể chính xác hóa trường thấm (K,Ss) và điều kiện biên thường phải giải b

à không ổn định Mục đích của bài toán ngược ổn định l

ều kiện biên Sau đó dùng kết quả bài toán ngưịnh để chính xác lại điều kiện biên và hệ số nhả nước

ài toán ngược cần phải được đánh giá một cách định l

ài toán ngược được xác định qua sai số mực nư

ắc thực tế Mục đích cuối cùng của bài toán chỉnh lý là cực tiểu hóa giá trị sai

ố Có 3 loại sai số để đánh giá sự sai khác mực nước giữa quan trắc v

ình (ME) là sai số trung bình giữa mực nước quan trắc (

ước giữa mô hình và

ực tiểu hóa giá trị sai

ớc giữa quan trắc và mô hình là :

Sai số MAE và RMS thường được sử dụng để đánh giá chất lượng của mô hình (khi RMS< 15% thì mô hình đạt yêu cầu)

1.4 Mô hình nhiễm mặn trong nước ngầm

Vật chất hòa tan, cụ thế là muối NaCl và các nguyên tố hòa tan là những hợp phần không thể thiếu trong nước dưới đất Việc di chuyển, biến đổi hàm lượng các vật chất hòa tan này trong nước dưới đất phụ thuộc rất nhiều yếu tố Tuy vào từng vật chất hòa tan mà đó có thể là quá trình phân tán cơ học thuần túy hay cơ - hóa học, hấp thụ hay hấp phụ

1.4.1 Cơ sở lý thuyết về dịch chuyển vật chất hòa tan

Vận động của vật chất hoà tan trong nước dưới đất và được gọi là “Di chuyển vật

chất”

1) Vận chuyển theo gradient nồng độ

Vật chất hòa tan sẽ di chuyển từ nơi có nồng dộ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn

Quá trình này gọi là “khuếch tán phân tử”.Sự khuếch tán sẽ tồn tại đến khi nào

gradient nồng độ còn tồn tại, ngay cả khi không có dòng chảy Khối lượng dòng khuếch tán tỷ lệ thuận với gradient nồng độ, tuân theo định luật Fick:

F = - Dd (dC/dx) (1.44)

Trong đó: F - dòng vật chất trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian;

Dd - hệ số khuếch tán, m2/s (L2/T); C - nồng độ chất tan, g/cm3 (M/L3); dC/dx - gradient nồng độ, g/cm4 (M/L3/L)

Dấu trừ thể hiện vận động từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn Ở

25oC có thể xác định Dd theo bảng có sẵn Các giá trị trong bảng này không khác nhau nhiều song phụ thuộc vào nhiệt độ và giảm đi 50% khi nhiệt độ là 5oC

Với hệ thống có nồng độ thay đổi theo thời gian thì áp dụng định luật thứ 2 của Fick:

Trong đó: - sự thay đổi nồng độ theo thời gian

Trong môi trường lỗ hổng, quá trình khuếch tán xảy ra không nhanh như trong môi trường nước vì các ion phải di chuyển quãng đường dài hơn khi đi vòng qua các hạt Tính đến điều này đã sử dụng hệ số khuếch tán hữu hiệu:

Trong đó:  - hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào mức độ dích dắc của đường vận chuyển

Sự dích dắc của đường vận chuyển xác định ảnh hưởng của hình dạng đường đối với sự phân tán phân tử nước trong môi trường lỗ hổng Nếu khoảng cách vận chuyển

L là đường thẳng và Le là chiều dài đoạn vận chuyển cong thì độ cong T=Le/L.Trong môi trường lỗ hổng, T luôn >1 vì dòng chảy luôn phải đi vòng qua các phần tử rắn Các trầm tích có độ chọn lọc tốt sẽ có quãng đường vận chuyển ngắn hơn so với trầm tích với độ chọn lọc kém (Tw<Tp).Sự khuếch tán làm cho vật chất hòa tan luôn vận động trong môi trường lỗ hổng ngay cả khi không có dòng chảy tự nhiên Quá trình khuếch tán là một cơ chế vận động ưu thế trong địa chất thuỷ văn khi các đơn vị ĐCTV có tính thấm kém Mặc dù vậy nhưng nó vẫn có thể diễn ra trong các khoảng không của khe nứt, lỗ hổng lớn, kể cả khi không có dòng chảy tự nhiên

2) Di chuyển vật chất theo dòng thấm

Các chất rắn hoà tan được vận chuyển theo dòng chảy nước dưới đất Quá trình này gọi là vận chuyển đối lưu.Tổng số chất tan (Fx) được vận chuyển sẽ là hàm số của nồng độ (C) và lượng dòng ngầm Đối với dòng một chiều, thông thường 1 đơn vi diện tích tiết diện lỗ hổng có lượng dòng ngầm bằng vận tốc thấm trung bình nhân với độ lỗ hổng hữu hiệu (vxne):

Fx = vxneC (1.47) Phương trình vận chuyển vật chất theo kiểu piston trong dòng 1 chiều có dạng: = − Phương trình này được thể hiện qua hình dạng của đường nồng độ

thế nước sạch và tạo nên một bề mặt ngăn cách giữa hai loại nước Hơn nữa, sự xâm nhập vật chất hòa tan không chuyển động cùng một vận tốc với nước xảy ra quá trình hỗn hợp trên đường vận chuyển Quá trình hỗn hợp này gọi là phân tán cơ học và kết quả là sự pha loãng vật chất hòa tan trong dòng chảy Sự hỗn hợp xảy ra dọc theo đường vận chuyển gọi là phân tán dọc và theo phương vuông góc với dòng chảy gọi là phân tán ngang

Quá trình phân tán cơ học tuân theo định luật Fick như đối với khuếch tán thì tổng phân tán là hàm số của vận tốc thấm trung bình, trong đó có tính đến hế số phân tán cơ học Hệ số này tương đương với thông số trung bình được gọi là phân tán động lực hay đơn giản là phân tán thấm ().Hệ số phân tán cơ học (Dm) = hệ số phân tán thấm() x vận tốc thấm trung bình (ν)

4) Phân tán thuỷ động lực

Quá trình khuếch tán phân tử không thể phân tách từ phân tán cơ học trong dòng ngầm mà gồm cả hai quá trình kết hợp nhau (phân tán và khuếch tán), được nhận biết thông qua thông số gọi là hệ số phân tán thuỷ động lực (D).D thể hiện qua công thức:

DL = Lvi + D*; DT = Tvi + D* (1.48)

Trong đó: DL - hế số phân tán thuỷ động lực dọc theo dòng chảy; DT - hệ số phân tán thuỷ đông lực theo phương vuông góc dòng chảy; T - hệ số phân tán dọc; L

- hệ số phân tán ngang; D* - hệ số khuếch tán phân tử

Nếu lượng chất hòa tan ngay lập tức xuất hiện trong tầng chứa nước vào thời điểm to với khoảng cách (x=0+a), nồng độ ban đầu là C0 Dòng ngầm vận động theo kiểu piston đưa chất bẩn đi theo Trong quá trình vận động, dải chất bẩn mở rộng (Di chuyển) cùng với lượng chất bẩn theo thời gian:

+ + = − ∁ (1.52)

= ∁ − ∁ Từ đó:

∁+ ∁ + ∁ − ( ∁) + ( ∁) + ( ∁) = ∁(1.53)

Phương trình trên là phương trình vận chuyển vật chất 3 chiều theo định luật bảo toàn khối lượng, nghĩa là 1 trong số đó không ảnh hưởng lẫn nhau do môi trường lỗ hổng và quá trình sinh học hay phân huỷ phóng xạ

Trong môi trường đồng nhất Dx, Dy, Dz không thay đổi theo không gian Hơn nữa

do hệ số phân tán thuỷ động lực là một hàm số của hướng dòng chảy, ngay cả khi môi trường đẳng hướng đồng nhất, Dx Dy Dz Khi vx đều trong không gian, phương trình trên thể hiện cho dòng một chiều, trong môi trường lỗ hổng, đồng nhất, đẳng hướng là:

− = ∁(1.54)Đối với dòng hai chiều:

Trong đó: r - khoảng cách tới giếng; U - vận tốc thấm thực trung bình

U = (1.57)

Trong đó: Q - lưu lượng bơm vào giếng; ne - độ lỗ hổng hữu hiệu; R - chiều dài

ống lọc hay phần thu nước của hố khoan

5) Quan hệ giữa khuếch tán và phân tán

Quá trình phân tán thuỷ động lực là tổng hợp của quá trình phân tán cơ học và khuếch tán.Hai quá trình này được thể hiện trong phương trình.Trong những trường hợp cá biệt, dưới những điều kiện chủ yếu của dòng ngầm, quá trình khuếch tán không quan trọng và có thể bỏ qua.Điều đó có thể được đánh giá qua sự tương quan giữa phương trình phân tán cơ học và khuếch tán trong vận chuyển vật chất hòa tan

Số Peclet là một đại lượng không đơn vị thể hiện mối quan hệ giữa hiệu quả của

sự vận chuyển vật chất theo phương thức đẩy piston so với hiệu quả của sự vận chuyển

vật chất bằng phương thức phân tán hay khuếch tán Số Peclet có dạng chung là:

hay (1.58)

Trong đó: vx - vận tốc dòng chảy (theo phương thức đẩy piston); d và L là đặc tính về chiều dài dòng chảy; D* - hệ số khuếch tán phân tử; DL - hệ số phân tán cơ học theo phương dọc

Số Peclet P được xác định qua tỷ số giữa khả năng vận chuyển vật chất theo kiểu đẩy piston và khả năng vận chuyển theo phương thức khuếch tán phân tử trong cột

mẫu đất đá nghiên cứu, là thông số không có đơn vị:

Trong đó: d - đường kính trung bình của hạt; D* - hệ số khuếch tán phân tử

Số Peclet có giá trị trong khoảng từ 0,4 đến 6 là khu vực chuyển tiếp, trong đó vai trò của khuếch tán và phân tán cơ học theo phương ngang (dọc theo dòng chảy) tương đương nhau Nếu số Peclec nhỏ hơn 0,4 thì khuếch tán chiếm ưu thế và khi >6 thì phân tán cơ học chiếm ưu thế

6) Dịch chuyển chất hòa tan với mật độ chất lỏng thay đổi (Density flow)

Dịch chuyển chất hòa tan với mật độ chất lỏng thay đổi chủ yếu bị điều khiển bởi lực hấp dẫn Trong một hệ thống nước dưới đất, hiện tượng này có thể xuất hiện khi một chất lỏng có mật độ lớn hơn (nước muối) nằm phủ lên trên một chât lỏng khác có mật độ nhỏ hơn (nước nhạt) Chính điều này gây nên sự di chuyển của vật chất hòa tan dưới tác dụng của áp lực và đối lưu tự do cho nên có thể gọi là hệ thống đối lưu hỗn hợp (Simmons & nnk, 2001) Trong mô hình này, chất lỏng nặng hơn sẽ tạo thành các dòng xâm nhập xuống chất lỏng nhẹ hơn Điều này cho thấy nước muối sẽ tạo thành các dòng xâm nhập vào nước nhạt nằm bên dưới do tính phân dị trong lực anh hưởng bởi sự khác nhau về mật độ (Koori & nnk, 2000) Tuy nhiên sự bất của một hệ thống đối lưu hỗn hợp lại phụ thuộc vào tỷ lệ Buoyancy.Tỷ lệ này còn được gọi là số Rayleigh.Nếu số Rayleigh vượt quá giá trị tới hạn 4π2 ≈ 40 (Lapwood, 1984; Groen & nnk 2000; Holzbecher, 2005) thì toàn bộ hệ thống sẽ ở trong trạng thái đối lưu tự do với các dòng đối lưu ổn định Nếu số Rayleigh đạt tới 390, thì hệ thống sẽ bị ảnh hưởng bởi biến động đối lưu tự do (Diersch, 2005):

*

D

d v

Trong đó:K-Hệ số thấm thủy lực (m/s); ΔC – Khác biệt về nồng độ (kg/m3); C0- Nồng độ ban đầu (kg/m3); Cs - Nồng độ lớn nhất (kg/m3); α - Tỷ lệ khác biệt về mật độ; d- Chiều dày tầng chứa nước (m); D - Hệ số khuếch tán (m2/s); Φ - Hệ số rỗng; Δρ

- Mật độ tham khảo (kg/m3); k - Độ thấm qua (m2); g – Gia tố hấp dẫn (m2/s); De - Hệ

số khuếch tán hữu hiệu; µ - Độ nhớt (N*s/m2)

Tuy nhiên, dòng thấm dạng này có thể bị thay đổi bởi nhiều tham số không có trong công thức 3.29 Schincariol & nnk (1997) và Shikaze & nnk (1998) cho rằng sự bất đồng nhất trong trầm tích có thể tăng cường hoặc giảm bớt các chùm xâm nhập Simmons & nnk (2001) còn cho rằng chỉ với một ít khác biệt về hình dạng lỗ hổng dẫn tới sự bất đồng nhất trong vùng chất lỏng nặng hơn cũng gây nên bất ổn Simmons & nnk (2005) còn nhấn mạnh việc phải lứu ý khi sử dụng số Rayleigh, bởi số này không thể dự đoán được sự bất ổn trong môi trường bất đồng nhất dưới tác dụng của dòng không ổn định

1.4.2 Mô hình dịch chuyển vật chất

Như đã nói ở trên nước dưới đất chứa nhiều thành phần hòa tan, như muối được tìm thấy chủ yếu trong nước biển Ở nồng độ tương đối thấp thì các thành phần hòa tan này không ảnh hưởng đáng kể đến mật độ chất lỏng Khi nồng độ tăng lên, khối lượng của của các thành phần hòa tan sẽ ảnh hưởng đáng kể đến mật độ chất lỏng Nếu các thay đổi trong không gian là tối thiểu với bất kể giá trị mật độ như thế nào thì định lượng thực tế cũng như phương pháp toán học cho dòng ngầm là tương đối đơn giản Trong trường hợp các thay đổi không gian trong mật độ chất lỏng tồn tại như là các tầng chứa nước ven biển thì quá trình nghiên cứu dòng ngầm trở nên phức tạp hơn bởi

sự thay đổi trong mật độ có thể ảnh hưởng đến lưu lượng và phân bố của dòng chất lỏng Trong rất nhiều điều kiện ĐCTV thì sự biểu diễn chính xác của sự thay đổi mật

độ dòng ngầm là cần thiết cho đặc trưng và dự đoán lưu lượng, con đường di chuyển của dòng ngầm và thời gian tồn tại

Các thay đổi trong không gian trong mật độ chất lỏng tác động lên dòng ngầm đã được quan sát diện rộng trong các điều kiện ĐCTV khác nhau Ví dụ trong tầng chứa nước ven biển, tồn tại ranh giới giữa nước nhạt từ lục địa đi ra và nước mặn từ biển đi vào Cắt ngang ranh giới này thì mật độ tăng từ nước nhạt (khoảng 1000kg/m3) cho tới nước biển (khoảng 1025kg/m3), sự thay đổi vào khoảng 2,5% Các quan sát thực tế và phân tích toán học đã chỉ ra biển đổi tương đối nhỏ trong mật độ chất lỏng cũng tạo ra ảnh hưởng đối với lưu lượng dòng ngầm và sự phân bố của nó Hiểu được dòng ngầm

với sự thay đổi mật độ rất quan trong đối với các nghiên cứu đối với tầng chứa nước ven biển, như là nghiên cứu xâm nhập mặn và vấn đề nước dưới đất thoát ra biển

Có hai cách xây dựng mô hình xâm nhập mặn hiện nay hay được sử dụng trên thế giới Đầu tiên là sự kết hợp giữa MODFLOW (Harbaugh and McDonald, 1983) và MT3DMS (Zheng and Wang, 1999) để tính toán xâm nhập mặn mà không cần quan tâm đến sự thay đổi của mật độ chất lỏng Cách thứ hai là sử dụng SEAWAT (Guo and Langevin, 2008) là phiên bản mới nhất cho phép mô phỏng dòng ngầm và vận chuyển vật chất hòa tan trong không gian 3 chiều có tính đến sự thay đổi mật độ chất lỏng trong môi trường lỗ rỗng

Chương trình SEAWAT được xây dựng trên 2 chương trình chính đó MODFLOW và MT3DMS đồng thời bổ sung thêm module kết nối giữa chúng Module kết nối này có nhiệm vụ tính toán sự biến đổi của mật độ và cập nhật kết quả vào 2 chương trình chính Đồng thời nó còn có nhiệm vụ tính chính xác các kết quả đầu ra của 2 chương trình chính Vòng lặp này được lặp đến khi nào các kết quả là bằng nhau thì SEAWAT sẽ tiếp tục tính đối với bước thời gian tiếp theo

1) Công thức toán học về dòng ngầm có tính đến mật độ chất lỏng thay đổi được

sử dụng trong chương trình SEAWAT

Bên trong chương trình SEAWAT, công thức toán học để tính toán cho dòng ngầm được điều chỉnh lại theo hướng có tính đến sự thay đổi mật độ chất lỏng

Thực tế, miền thấm có điều kiện rất phức tạp, do đó buộc phải giải bằng phương pháp gần đúng Một trong các phương pháp giải gần đúng được áp dụng rộng rãi là phương pháp sai phân hữu hạn.Khi áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn, không gian nghiên cứu được phân ra hay rời rạc hóa thành nhiều ô Trong mỗi ô, các giá trị tham gia vào phương trình được coi là không đổi Giá trị này xấp xỉ với giá trị thực tế

2) Công thức di chuyển vật chất hòa tan có mật độ thay đổi

Với sự di chuyển của nước dưới đất sẽ kéo theo sự phân bố lại nồng độ các chất hòa tan và sự phân bố lại này sẽ là thay đổi miền mật độ từ đó tác động lên dòng ngầm Do đó vấn đề dòng ngầm và vận chuyển vật chất hòa tan trong tầng chứa nước

là hai quá trình gắn với nhau, chính vì thế hai công thức phải được giải cùng với nhau Công thức tổng quát về vận chuyển vật chất hòa tan được viết như sau:

= ∇ × ( × ∇ ) − ∇ × ( ⃗ ) − + ∑ (1.61)

Trong đó:D là hệ số phân tán thủy động lực, với D =Dm+D*, mà D* là hệ số khuếch tán phân tử và Dm là hệ số phân tán cơ học liên quan tới vận tốc tuyến tính chất lỏng ⃗ với Dm= (αL’,αT)×⃗(Bear, 1979) với αL’ và αT là phân tán chiều dọc và ngang;

Cs là nồng độ chất hòa tan của nước được đưa vào từ nguồn; Rk (k=1,…,N) là tỉ lệ của sản phẩm hòa tan hay phân rã trong phản ứng k của N phản ứng khác nhau, đối với nghiên cứu nồng độ nước mặn thì được chọn bằng không

3) Công thức chuyển đổi giữa mật độ và nồng độ

Trong điều kiện đẳng nhiệt, mật độ chất lỏng chủ yếu bị ảnh hưởng bởi nồng độ chất hòa tan và áp suất chất lỏng lỗ rỗng Phương trình thực nghiệm giữa mật độ nước mặn và nồng độ có thể được viết như sau:

(1.62)

Trong đó xấp sỉ 0,7143 được xác định bằng thực nghiệm là độ dốc của quan

hệ tuyến tính giữa mật độ và nồng độ muối Công thức (1.62) thiết lập mối quan hệ giữa công thức nồng độ (1.62) và công thức dòng chảy (1.61)

1.5 Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn

1.5.1 Ngoài nước

1) Đánh giá hiện trạng và xác định nguyên nhân xâm nhập mặn NDĐ

Trong công trình nghiên cứu của J.J De Vries (1981)[41], tác giả đã kết hợp nghiên cứu cấu trúc địa chất và lịch sử phát triển địa chất, địa mạo để giải thích cho sự phân bố các thể chứa nước mặn, nhạt ở các vùng ven biển Hà Lan Tác giả W K Zubari (1991)[61] đã phân ra một số kiểu nhiễm mặn tầng chưa nước (TCN) và đề xuất các khả năng quản lý chất lượng nước được xem xét và xếp thứ tự ưu tiên tại Bahrain Cũng trên cơ sở phân tích, đánh giá, các tác giả H Kooi và J Groen (2000)[50] trường Đại học Vrije, Hà Lan đã nghiên cứu về cơ chế xâm nhập mặn liên quan tới quá trình biển tiến bằng các phương pháp mô hình hóa điều kiện thủy địa hóa,

C C

ĐCTV qua thí nghiệm máng thấm hai lớp với các trường hợp tính thấm khác nhau, quan trắc sự biến đổi độ mặn theo thời gian trên cơ sở thay đổi áp lực

E Edet(2004) [43] đã sử dụng phương pháp đo sâu điện kết hợp với số liệu phân tích thành phần hóa học NDĐ để nghiên cứu sự phân bố mặn nhạt tầng chứa nước ở vùng ven biển Nigeria Việc xác định ảnh hưởng của khai thác NDĐ đến xâm nhập mặn ở đồng bằng Burdekin, Australia do K A Naraya (2007)[51] nghiên cứu và xác định nguyên nhân chính là do khai thác nước quá mức với 1.800 máy bơm hút nước phục vụ tưới Tại Hàn Quốc, Sung Ho Song (2007)[57] sử dụng phương pháp đo sâu điện để xác định xâm nhập mặn vùng Byunsan Ngoài số liệu về ĐTS, tác giả còn sử dụng kết hợp với các số liệu phân tích thành phần hóa học của mẫu nước và tài liệu đo

độ dẫn của các mẫu nguyên dạng theo chiều sâu (mẫu lõi) để kiểm chứng và thiết lập tương quan giữa ĐTS và TDS Trong nghiên cứu đã xác định hiện trạng nhiễm mặn vùng Đông Nam đảo Sicily, tác giả Evgeny A Kontar (2006)[45] đã sử dụng kết quả kết hợp các kết quả đo độ dẫn điện và thành phần hóa học của nước lỗ rỗng với các tính chất vật lý khác của đất đá chưa nước trong phòng thí nghiệm, từ đó xác định ảnh hưởng của môi trường cho từng loại đất đá khác nhau, đánh giá hiện trạng nhiễm mặn cho các lớp đất đá phân bố theo diện cũng như theo chiều sâu.Trong nghiên cứu của Eloisa Di Sipio (2011)[44] đã sử dụng tổ hợp phương pháp nghiên cứu hiện trạng nhiễm mặn NDĐ ở Venice, Italia, đưa ra đánh giá về tác động của quá trình xâm nhập mặn đến cơ sở hạ tầng đô thị và dự báo về sự biến đổi của hiện trạng nhiễm mặn trong vùng trên cơ sở sử dụng các tài liệu ĐVL lỗ khoan như độ dẫn điện của TCN và nhiệt

ở đáy hồ Salton Sea sâu 35 m cho thấy sự phân bố độ mặn tăng dần theo chiều sâu Trên cơ sở áp dụng định luật khuếch tán phân tử Fick,kết quả tính toán cho thấy phân

bố độ mặn theo chiều sâu là do cơ chế khuếch tán với giá trị từ0,422g - 0,613 /cm2/năm

D W Bridger và D M Allen (2006)[38] đã nghiên cứuảnh hưởng của quá trình khuếch tán đến sự phân bố mặn tại đồng bằng Fraser, Canada Tác giả sử dụng phương pháp ĐVL xác định sự phân bố độ dẫn điện của TCN, với việc phân tích môi trường thành tạo Địa chất và ĐCTV, tác giả đã đưa ra mô hình khái niệm về quá trình hình thành và phân bố độ mặn theo chiều thẳng đứng khu vực cửa sông: nước mặn từ cửa sông xâm nhập vào TCN và từ TCN khuếch tán xuống lớp thấm nước yếu bên dưới

J Groen, J Velstra, A G C A Meesters (2000)[47] xác định quá trình muối hoá TCN ven biển Suriname qua việc phân tích thành phần đồng vị 37Cl và mô hình khuếch tán Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng xâm nhập mặn ở đây không phải do nước mặn trong thời kỳ hiện tại mà là do quá trình vận chuyển vận chất xảy ra trong bản thân các tầng trầm tích, dẫn đến NDĐ bị nhiễm mặndo quá trình khuếch tán xảy ra

từ lớp sét biển tuổi Holocen ở bên trên và tầng trầm tích tuổi Kreta bên duới Vincent E.A Post (2004)[58] đề cập đến quá trình xâm nhập mặn NDĐ ở vùng ven biển Hà Lan do quá trình biển tiến trong thời kỳ Holocen, tác giả đã phân tích mối quan hệ giữa quá trình xâm nhập mặn NDĐ và lịch sử phát triển địa chất trong vùng nghiên cứu, xác định mức độ ảnh hưởng của tuổi và nguồn gốc của NDĐ (lợ, mặn) trên cơ sở đồng vị bền 2H/18O và đồng vị phóng xạ3H, 14C.Tương tự Dongmei Han và Claus Kohfahl (2011)[42] kết hợp với phương pháp thuỷ địa hoá nghiên cứu sự xâm nhập mặn của nước biển cổ vào các tầng trầm tích Đệ tứ vùng vịnh Laizhou phía Đông

Trung Quốc

3) Dự báo và đánh giá xâm nhập mặn NDĐ bằng mô hình số

D S Oki, W R Souza, E L Bolke và G R Bauer (1988)[52] đã tiến hành khảo sát vùng ven biển phía Nam đảo Oahu (Hawaii - Mỹ) trên cở sởsử dụng phần mềm SUTRA thiết lập mô hình 2D đánh giá các yếu tố về tính thấm và sự phân tầng ảnh hưởng đến dòng chảy cũng như sự phân bố nồng độ muối trong các TCN Tương tự như vậy, Koch và Zhang (1998)[49] sử dụng phần mềm SUTRA kết hợp mô hình dòng chảy do chênh lệch tỷ trọng và mô hình dịch chuyển vật chất đã xây dựng mô hình xâm nhập mặn thẳng đứng do chênh lệch nồng độ Ngoài ra,Voss và Koch(2001)[59] đã xây dựng mô hình 2D có tính đến và không tính đến ảnh hưởng của nồng độ nhằm mô phỏng ảnh hưởng của quá trình khai thác NDĐ đến sự dịch chuyển biên mặn

Luận án Tiến sĩ của Phatcharasak Arlai (2007)[54] mô hình hoá các cơ chế xâm

nhập mặn các TCN ven biển Vịnh Thái Lan bằng phần mềm SEAWAT – 2000 và MODFLOW/MT3DMS trên cơ sở xây dựng mô hình 5 lớp Với việc đánh giá điều kiện địa chất, ĐCTV trong vùng, tác giả đã xác định nguồn gốc xâm nhập mặn chính

là do nước biển cổ và nước biển hiện tại xâm nhập xuống các TCN.Vấn đề này còn được nghiên cứu bởi Bithin Datta (2009)[37] sử dụng mô hình FEMWATER để mô hình hoá và điều chỉnh xâm nhập mặn vùng Andhra Pradesh, Ấn Độ Wolfgang Gossel (2010) [62] đã sử dụng phương pháp mô hình để nghiên cứu sự xâm nhập mặn do nước biển cổ chứa trong các tầng trầm tích ở vùng Nubian

4) Nghiên cứu các giải pháp hạn chế xâm nhập mặn NDĐ

Kalpan, Choudhury (2001)[40] thuộc trung tâm địa vật lý, Cục Điạ chất Ấn Độ

đã sử dụng các phương pháp ĐVL nghiên cứu hiện trạng mặn - nhạt của các TCN trong các trầm tích phía Tây vịnh Bengal và khoanh vùng cấm, hạn chế và được phép khai thác Zeynel Demirel (2006)[62] đã tiến hành nghiên cứu tại vùng công nghiệp ven biển Mersin, Thổ Nhĩ Kỳ cho thấy nguyên nhân chính dẫn đến xâm nhập mặn NDĐ ở đây là do khai thác quá mức, kết quảquan trắc thành phần hoá học của NDĐ từ năm 1984 đến năm 2000, hàm lượng Cl- đã đạt tới 3,0g/l Qua việc phân tích cấu trúc ĐCTV, đặc điểm ĐCTV, xác định nguồn bổ cập và tính toán cân bằng giữa lưu lượng khai thác cho phép và lưu lượng khai thác thống kê qua các năm, các tác giả đã tính toán tốc độ xâm nhập mặn theo thời gian, không gian vàđã khuyến cáo hạn chế trữ lượng khai thác Nghiên cứu của Sherif (2002) [56] tại khu vực ven biển Libya, Sudan

và Ai Cập (giáp biển Địa Trung Hải) cho thấy tầng chứa nước mặn ở độ sâu tương đối nông nên trong quá trình khai thác sử dụng không hợp lý đã khoan vào các tầng chứa nước này

1.5.2 Tại Việt Nam

Năm 1985, Đỗ Trọng Sự và Nguyễn KimNgọc[28] trên cơ sở phân tích các đặc điểm ĐC, ĐCTV, địa hình, thuỷ văn, lịch sử phát triển ĐC và các yếu tố cổ địa lý đã vạch ra ranh giới mặn - nhạt của TCN Pleistocen vùng ĐBBB chạy từ Thanh Oai qua Vạn Điểm, xuống gần Hưng Yên và vòng lên Mỹ Hào - Quế Võ, ranh giới mặn - nhạt

có dạng chữ “M” Nguyễn Kim Ngọc đã đề xuất cơ chế nhiễm mặn và chống nhiễm mặn của NDĐ trong TCN Pleistocen Quá trình nhiễm mặn xảy ra bao gồm xâm nhặp mặn theo phương nằm ngang trong bản thân TCN, xâm nhập mặn theo phương thẳng đứng do sự khuếch tán của nước mặn, do nước mặn bị chìmnén từ các tầng sét nguồn gốc biển nằm trên hoặc dưới trầm tích Pleistocen và còn do quá trình dị trọng lực của nước mặn Tuy nhiên, cơ chế này chưa được chứng minh bằng các kết quả nghiên cứu

cụ thể.Đến năm 1996, Đặng Hữu Ơn[25,26] đã tính toán, dự báo khả năng nhiễm mặn đối với công trình khai thác NDĐ ở Bà Rịa – Vũng Tàu bằng thí nghiệm bơm hút nước

đã xác định độ lỗ hổng hữu hiệu và dựa trên sơ đồ phễu hạ thấp mực nước khi công trình đưa vào hoạt động mà xác định vận tốc dòng thấm trung bình theo hướng từ biển vào công trình và từ đó tính được thời gian nướcmặn xâm nhập vào công trình khai thác Ngô Ngọc Cát, Đoàn Văn Cánh (1999) [4]đã sơ bộ đánh giá hiện trạng xâm nhập mặn, khả năng khai thác các nguồn nước và các đề xuất giải pháp khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên dải ven biển từ Hải Phòng đến Ninh Bình.Nguyễn Văn Hoàng (2000) [8] đã áp dụng mối tương quan giữa lưu lượng NDĐ thoát ra biển và chiều sâu xâm nhập mặn của nướcbiển vào TCN để xác định trữ lượng động tự nhiên của TCN Pleistocen vùng ĐBBB và đã đưa ra giải pháp dung tường chắn xâm nhập mặn đối với công trình khai thác NDĐ phục vụ sinh hoạt vùng ven biển với ba phương ánthiết kế tối ưu, phân tích độ nhạy và thiết kế thông thường Ảnh hưởng của nước biển dâng tới xâm nhập mặn TCN ven biển Thái Bình cũng được Nguyễn Văn Hoàng phân tích đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường NDĐ theo các kịch bản biển đổi khí hậu, nước biển dâng

Phạm Quý Nhân(1996) [20]đã nghiên cứu xâm nhập mặn đồng bằng Hà Nội bằng mô hình dịch chuyển MT3D hay Ứng dụng phần mềm SUTRA để xác định sự dịch chuyển của dòng thấm với tỷ trọng biến đổi trong TCN có tính đến quá trình

XNM cho đảo Cồn Cỏ (2010) [21] Với công trình “Cơ chế hình thành các đới nhiễm

mặn nước dưới đất vùng Bắc sông Tiền” của Nguyễn Việt Kỳ (2003)[17] đã chỉ ra các

đới nhiễm mặn và cơ chế xâm nhập mặn của khu vực Đặng Tiến Dũng (2004)[7] đã nghiên cứu, phân tích cơ sở toán học các quá trình lan truyền vật chất, các quá trình vật lý, địa hóa, phóng xạ, vi sinh trong môi trường nước dưới đất Tác giả cũng đưa ra các phương pháp xác định thông số lan truyền vật chất và các thí nghiệm trong phòng xác định hệ số phân tán động lực, hệ số trễ Bằng phương pháp giải tích, Nguyễn Văn Lâm (2006)[18] đã xác định ranh giới mặn – nhạt vùng Hải Triều, Tiên Lữ, Hưng Yên phục vụ công tác cấp nước cho các thị trấn nhỏ thuộc chương trình nước sạch và vệ sinh môi trường của Phần Lan Nguyễn Đình Tiến & nnk (2005) [30] đã chỉ ra cơ chế xâm nhập mặn nước ngầm tại khu vực này Hoàng Văn Hoan (2013) [12]đã sử dụng phương pháp trường chuyển (transient electromagnetic - TEM), kết hợp phân tầng ĐCTV và kết quả phân tích thành phần hóa học NDĐ đã làm sáng tỏ sự phân bố mặn - nhạt của nước trong các tầng chứa nước trầm tích Đệ tứ vùng cửa sông ven biển

vùngNam Định

Nguyễn Như Trung (2007) [31] đã dự báo khả năng xâm nhập mặn NDĐ vùng Hải Phòng bằng phương pháp mô hình hóa điện trở và ĐCTV Các kết quả thăm dò ĐVL đã phản ánh sự phân bố hàm lượng TDS của TCN qp tại thời điểm 1984 và 2004 Kết quả cho thấy TCN qp đã bị suy thoái nghiêm trọng, từ đó đưa ra các khu vực hạn chế khai thác nhằm hạn chế hiện trạng xâm nhập mặn Phan Văn Trường (2011) [32]đã chỉ ra cơ chế xâm nhập mặn nước dưới, đưa ra định hướng sử dụng hợp lý tài nguyên NDĐ tạikhu vực ven biển thành phố Hải Phòng.Năm 2012, Phan Văn Trường[33] đã đưa ra giải pháp sử dụng có hiệu quả, bền vững nước nhạt dưới đất bằng các giải pháp kỹ thuật công nghệ, giải pháp bảo vệ, phòng chống suy thoái nguồn nước, giảm thiểu XNM, giải pháp điều tra, quản lý PTBV tài nguyên NDĐvùng cátven biển Quảng Bình

Ngoài ra, các công trình khác của Nguyễn Trường Giang, Hồ Vương Bính, Lê Thị Lài, Nguyễn Văn Đản[2, 3, 5, 10, 13, 14, 15, 16, 23, 27]…và các nhà khoa học khác đã và đang thực hiện các đề tài, dự án nghiên cứu xác định và dự báoxâm nhập mặn đối với các TCN nhạt trong các vùng ven biển miền Trung và hai đồng bằng lớn Sông Hồng và Sông Cửu Long

1.6 Lịch sử nghiên cứu ĐC, ĐCTV và xâm nhập mặn vùng nghiên cứu

Trong phạm vi tỉnh Hà Tĩnh, công tác điều tra ĐCTV nói chung và NDĐ nói riêng đã được tiến hành trên nhiều lĩnh vực, cụ thể như sau:

- Từ năm 1978 đến 1983, đoàn địa chất 9T đã đo vẽ lập bản đồ ĐCTV-ĐCCT tỷ

lệ 1/200.000 tờ Hà Tĩnh – Kỳ Anh, trên diện tích 6400 km2, tiến hành thí nghiệm với

34 lỗ khoan (tổng cộng 2685,5m), phân tích mẫu nước các loại 1039 mẫu, đo thủy văn

107 trạm

- Năm 1993, Nguyễn Văn Đản và tập thể tác giả thuộc liên đoàn 2 ĐCTV đã

hoàn thành chuyên khảo“Nước dưới đất các đồng bằng ven biển Bắc Trung Bộ”,trong

đó có phần đồng bằng Hà Tĩnh

- Năm 1994, Nguyễn Kim Ngọcđã hoàn thành báo cáo “Tài nguyên nước dưới

đất vùng Bắc Trung Bộ” Tuy vậy phần nói về Hà Tĩnh còn sơ lược

- Từ 1985 đến 1990, Nguyễn Văn Thìn,đoàn 2F thuộc Liên đoàn 2 ĐCTV đã đo

vẽ ĐTCV-ĐCCT tỷ lệ 1/50.000 vùng Can Lộc, Thạch Hà trên diện tích 540 km2 Công tác tìm kiếm thăm dò NDĐ còn ít do không có yêu cầu

- Năm 1985,đoàn 2F đã tìm kiếm NDĐ vùng bãi Vọt trên diện tích 63 km2, với 7

lỗ khoan có tổng chiều sâu 841,4m Kết quả cho thấy vùng này NDĐ rất khan hiếm, không thể đáp ứng yêu cầu cung cấp nước quy mô lớn

- Năm 1982, ở nông trường 20-4, xí nghiệp khai thác nước ngầm thuộc Bộ nông nghiệp cũng đã tìm kiếm NDĐ trong đá vôi C-P Kết quả đã phát hiện được nguồn nước để cấp cho ăn uống và sinh hoạt khu vực nông trường

- Chương trình Nước sạch nông thôn (UNICEF) đã khoan hàng loạt các lỗ khoan nông lấy nước phục vụ dân cư và nông thôn ở các huyện Khả năng khai thác ở các lỗ khoan này không lớn, một số chúng lại mặn không thể dùng để uống được.Ngoài ra trong phạm vi mỏ sắt Thạch Khê cũng đã tiến hành khối lượng lớn công tác điều tra ĐCTV phục vụ tháo khô khi khai thác mỏ

- Năm 2007, nhóm tác giả Nguyễn Hữu Oanh, Trịnh Ngọc Kiêm, Hồ Quyết và Nguyễn Ngọc Tám thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường, Cục Địa chất và khoáng sản Việt Nam, Liên đoàn Địa chất thủy văn - địa chất công trình miền Bắc, Đoàn Địa chất

thủy văn - Địa chất công trình 2F đã thành lập “Báo cáo tổng hợp kết quả điều tra địa

chất thủy văn tỉnh Hà Tĩnh”

Ngoài ra, có một số nghiên cứu khác về điều kiện tự nhiên của tác giả Nguyễn

Quang Tuấn (2013) “Cơ sở địa lí của việc sử dụng hợp lý TN thiên nhiên và bảo vệ

môi trường huyện Kỳ Anh, tỉnh Hà Tĩnh”

- Năm 2010, Đề tài “Nghiên cứu sự lan truyền, xác định nguyên nhân ô nhiễm

môi trường nước trên địa bàn 2 huyện Nghi Xuân và Hương Sơn, tỉnh Hà Tĩnh và đề xuất các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường” do Quách Đức Tín chủ trì đã đề

cập đến xâm nhập mặn nước ngầm của huyện Nghi Xuân

Nghiên cứu cụ thể về XNM, hiện có Đề tài cấp Viện Hàn lâm KHCNVN

“Nghiên cứu đánh giá quá trình xâm nhập mặn và đề xuất các giải pháp khai thác sử

dụng hợp lý tài nguyên nước (nước mặt và nước dưới đất) phục vụ phát triển kinh tế –

xã hội khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh” đang triển khai thực hiện nghiên cứu

Nhận xét chung:

Các nghiên cứu xâm nhập mặn thường được kết hợp trong các báo cáo đánh giá tài nguyên NDĐ, chủ yếu là điều tra khảo sát, xác định ranh giới mặn nhạt (TDS = 1g/l) và tính toán thời gian, tốc độ dịch chuyển ranh giới trên cơsở điều kiện ĐCTV của vùng nghiên cứu với lưu lượng khai thác yêu cầu

Các đề tài, dự án đã thực hiện tại khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh đã cho thấy bức tranh tổng quát về điều kiện địa chất và ĐCTV Qua công tác thống kê, tổng hợp các kết quả nghiên cứu trước đây về nước dưới đất khu vực nghiên cứu, học viên nhận thấy những vấn đề đã được thực hiện:

- Điều tra, khảo sát hiện trạng phân bố mặn nhạt, ranh giới mặn nhạt theo diện và chiều sâu tại một số vùng nhỏ, được lồng ghép vào các chương trình tìm kiếm nguồn nước từ nhiều năm trước

Tuy nhiên, hiện nay hiện trạng nhiễm mặn NDĐ nói chung và nước ngầm nói riêng tại khu vực nghiên cứu đã có thay đổi

Vì vậy, nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngầm khu vực ven biển Hà Tĩnh đóng vai trò hết sức quan trọng nhằm góp phần nâng cao tính hiệu quả trong khai thác sử dụng tài nguyên phục vụ phát triển KT - XH của khu vực, chính vì vậy, nhất thiết cần phải nghiên cứu sâu hơn, toàn diện hơn, đặc biệt là nghiên cứu cơ chế xâm nhập mặn

và đề xuất các giải pháp giảm thiểu và sử dụng hợp lý tài nguyên

1.7 Quy trình nghiên cứu

Đề tài luận văn được thực hiện theo quy trình sau: Tổng quan nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngầm nhằm xác định mục tiêu, nội dung, nhiệm vụ và lựa chọn phương pháp nghiên cứu; Sau công tác nội nghiệp, tiến hành triển khai khảo sát thực địa nhằm xác định các nhân tố tự nhiên và nhân sinh ảnh hưởng tới quá trình xâm nhập mặn khu vực nghiên cứu và đánh giá hiện trạng xâm nhập mặn khu vực nghiên cứu;

Từ đóxác định không gian địa lý tự nhiên bị xâm nhập mặn nước ngầm tiến tới làm rõ

cơ chế xâm nhập mặn nước ngầm; Trên cơ sở hiện trạng và cơ chế XNM đề xuất các giải pháp bảo vệ, sử dụng hợp lý tài nguyên nước ngầm khu vực nghiên cứu

Hình 1.14: Quy trình nghiên cứu 1.8 Phương pháp nghiên cứu

- Nhóm các phương pháp nghiên cứu ngoài thực địa: Nghiên cứu XNM nước

ngầm của mỗi lãnh thổ nói chung phải xác định được thực trạng XNM thông qua các nghiên cứu điều tra, phân tích mẫu, xác định nguyên nhân đích thực của quá trình này nhằm đánh giá và dự báo diễn biến theo không gian và thời gian và nhất là phân tích, đánh giá ảnh hưởng đến dân sinh, phát triển sản xuất, kinh tế, thay đổi sinh thái và cuối cùng qua đó đề xuất được giải pháp khắc phục, các giải pháp ổn định, phù hợp nhất Các phương phápđược sử dụng như sau: Các phương pháp khảo sát ngoài thực

Tổng quan nghiên cứu về XNMnước ngầm

Xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Nhân tố tự nhiên ảnh

hưởng tới XNM

Đánh giá hiện trạng

XNM nước ngầm

Xác định cơ chế XNM nước ngầm khu vực nghiên cứu

Nhân tố nhân sinh ảnh hưởng tới XNM

Xác định không gian địa lý

tự nhiên của nước ngầm bị

nhiễm mặn Khảo sát thực địa

Đề xuất giải pháp bảovệ,sử dụng hợp lý nước ngầm Lựa chọn phương pháp nghiên cứu

địa;Phương pháp điều tra nghiên cứu thu thập tài liệu; Phương pháp phân tích đánh giá tổng hợp các số liệu và thông tin thu thập

- Phương pháp kế thừa: Đề tài kế thừa các dữ liệu và thông tin trong các nghiên

cứu có nội dung liên quan đến BĐKH, rừng ngập mặn,rừng phòng hộ ven biển và đặc điểm vùng ven biển Hà Tĩnh đã thực hiện trước đây

- Phương pháp bản đồ và GIS: Trong nghiên cứu, đánh giá xâm nhập mặn, sự

liên kết giữa các lớp dữ liệu địa lý dạng vector và raster của GIS có vai trò quan trọng trong việc xác định không gian địa lý cụ thể thông qua việc tổng hợp thông tin cùng một lúc trên nhiều đối tượng nền địa lý khác nhau, như mạng lưới thuỷ văn, đặc điểm thạch học, lớp vỏ thổ nhưỡng…Ngoài khả năng trong lưu trữ, quản lý và tích hợp thông tin, đồng thời nó có thể đưa ra rất nhiều các phương án kết hợp khác nhau là một tính năng quan trọng có thể giúp các nhà quản lý đưa ra những quyết định cuối cùng cho công tác dự báo và phòng chống xâm nhập mặn

- Phương pháp địa vật lý: Dựa trên đặc tính dẫn điện của đất đá và nước, phương

pháp trên được áp dụng nhằm thể hiện giá trị điện trở suất ứng với các thành phần đất

đá cũng như các vật chất khác Độ dẫn điện của đất đá bở rời bão hòa nước có mối tương quan chặt chẽ với độ dẫn điện của nước trong tầng chứa nước và phụ thuộc vào hàm lượng muối hòa tan, thành phần hóa học của chúng, đặc trưng là TDS Căn cứ vào giá trị điện trở suất của môi trường đất đá và hàm lượng TDS trong nước để thiết lập ranh giới mặn – nhạt tầng chưa nước là một đới (theo diện) và có chiều sâu bề mặt tiếp xúc thay đổi từ nông đến sau hướng về vùng chứa nước nhạt (theo chiều thảng đứng) Trong khuôn khổ luận văn, học viên lựa chọn phương pháp đo sâu điện đối xứng dòng một chiều Công tác đo địa vật lý được tiến hành theo các tuyến hoặc theo mạng lưới tùy thuộc điều kiện địa chất thủy văn – địa vật lý của vùng nghiên cứu Hệ thiết bị trong khoảng AB/2 = 100m đến AB/2 = 1.000m, khoảng cách giữa các điểm đo trong khoảng 100 – 1.000m được xác định cụ thể theo điều kiện thực tế phân bố các tầng chứa nước

Phương pháp mô hình toán: Mô hình lan truyền vật chất ba chiều MT3D là một

moldun trong mô hình dòng ngầm ba chiều VISUALMODFLOW do hãng WATERLOO (Canada) xây dựng dựa trên mô hình MODFLOW của Tổng cục Địa chất Hoa Kỳ