Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng đập ngầm ở các hải đảo phục vụ khai thác và bảo vệ tài nguyên nước dưới đất, ứng dụng cho đảo Phú Quý tỉnh Bình Thuận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN ĐÌNH THANH NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG ĐẬP NGẦM Ở CÁC HẢI ĐẢO PHỤC VỤ KHAI THÁC VÀ BẢO VỆ TÀI NGUYÊ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN ĐÌNH THANH

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG

ĐẬP NGẦM Ở CÁC HẢI ĐẢO PHỤC VỤ KHAI THÁC VÀ BẢO VỆ TÀI NGUYÊN NƯỚC DƯỚI ĐẤT, ỨNG DỤNG CHO

ĐẢO PHÚ QUÝ TỈNH BÌNH THUẬN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN ĐÌNH THANH

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG

ĐẬP NGẦM Ở CÁC HẢI ĐẢO PHỤC VỤ KHAI THÁC VÀ BẢO VỆ TÀI NGUYÊN NƯỚC DƯỚI ĐẤT, ỨNG DỤNG CHO

ĐẢO PHÚ QUÝ TỈNH BÌNH THUẬN

Chuyên ngành: Phát triển nguồn nước

Mã số: 62 44 92 01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 PGS TS Nguyễn Cao Đơn

2 TS Lê Viết Sơn

HÀ NỘI, NĂM 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Đình Thanh

ii

LỜI CÁM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ môn Thuỷ văn và Tài nguyên nước, Khoa Thuỷ văn

và Tài nguyên nước, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Phòng Khoa học Công nghệ - Trường Đại học Thuỷ Lợi, Cục Quản lý Tài nguyên nước đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả được học tập và thực hiện luận án

Với lòng biết ơn sâu sắc tác giả xin cảm ơn PGS.TS Nguyễn Cao Đơn và TS Lê Viết Sơn đã hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập, tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành Luận án

Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các cơ quan: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bình Thuận, Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn quốc gia đã giúp đỡ tác giả trong quá trình thu thập tài liệu, các thông tin cần thiết liên quan đến vấn đề nghiên cứu

Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án

Tác giả luận án

Nguyễn Đình Thanh

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP DÂNG NƯỚC NGẦM 7

1.1 Một số khái niệm 7

1.2 Tổng quan về giải pháp đập ngầm trên thế giới 8

1.3 Tổng quan về các giải pháp bổ cập nước dưới đất ở Việt Nam 18

1.4 Ưu điểm và ý nghĩa thực tiễn của giái pháp đập ngầm 19

1.5 Những khoảng trống trong nghiên cứu đập ngầm ở Việt Nam 20

1.6 Định hướng và phương pháp nghiên cứu 21

1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 22

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC XÂY DỰNG ĐẬP NGẦM TRÊN ĐẢO 23

2.1 Một số đặc điểm về tài nguyên nước trên các đảo 23

2.1.1 Sự hình thành thấu kính nước ngọt trên các đảo 24

2.1.2 Nhận xét chung 27

2.2 Thí nghiệm trong phòng để đánh giá hiệu quả của đập ngầm 28

2.2.1 Mục đích của thí nghiệm 28

2.2.2 Mô tả thí nghiệm 28

2.2.3 Kết quả thí nghiệm và mô phỏng bằng mô hình toán 31

2.2.4 Nhận xét 35

2.3 Điều kiện cần thiết để nghiên cứu xây dựng đập ngầm 36

2.3.1 Cơ sở lý luận 36

2.3.2 Cơ sở thực tiễn 36

2.3.3 Một số yếu tố khác cần xem xét khi lựa chọn vị trí đập 38

2.3.4 Cường độ chịu lực của đập ngầm 38

2.3.5 Tính chống thấm của đập ngầm 38

2.3.6 Độ sâu chân răng 39

iv

2.4 Mô hình tích hợp nước mặt – nước ngầm để lượng hóa hiệu quả của đập ngầm

trên đảo Phú Quý 41

2.4.1 Các tiêu chí để đánh giá hiệu quả của đập ngầm 41

2.4.2 Phát triển mô hình tích hợp nước mặt – nước ngầm 42

2.5 Mô phỏng dòng chảy ngầm trước và sau khi có đập ngầm 57

2.5.1 Thu thập và xử lý số liệu 57

2.5.2 Xây dựng mô hình số 58

2.5.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 58

2.5.4 Phân tích kết quả và mô phỏng các kịch bản 60

2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 60

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN TỔNG HỢP ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC CHO ĐẢO PHÚ QUÝ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẬP NGẦM 62 3.1 Giới thiệu về vùng nghiên cứu 62

3.1.1 Vị trí và phạm vi nghiên cứu 62

3.1.2 Đặc điểm kinh tế, xã hội 63

3.1.3 Đặc điểm địa hình khu vực 64

3.1.4 Đặc điểm khí tượng, hải văn 66

3.1.5 Đặc điểm tài nguyên nước 68

3.2 Sự phù hợp của giải pháp đập ngầm với đảo Phú Quý 72

3.2.1 Điều kiện về địa chất 72

3.2.2 Điều kiện về địa chất thủy văn 73

3.2.3 Điều kiện về chất lượng nước 74

3.2.4 Lựa chọn vị trí dự kiến xây dựng đập ngầm 74

3.3 Thiết lập mô hình số để tính toán hiệu quả của đập ngầm đảo Phú Quý 75

3.3.1 Tài liệu cơ bản 75

3.3.2 Thiết lập mô hình 78

3.3.3 Thông số địa chất thủy văn 80

3.3.4 Hiện trạng khai thác 82

3.3.5 Điều kiện biên 82

3.3.6 Điều kiện ban đầu 84

3.3.7 Thời đoạn tính toán 85

v

3.4 Phương pháp xác định lượng nước bổ cập thấm xuống tầng chứa nước dưới

đất 85

3.4.1 Phương pháp sử dụng mô hình SWAT 85

3.4.2 Phương pháp sử dụng mô đun RCH (Recharge) của MODFLOW 89

3.4.3 Phương pháp biến động mực nước cải biên (WTFM) 90

3.4.4 Kết quả tính toán lượng nước bổ cập 92

3.4.5 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 93

3.4.6 Kết quả mô phỏng mực nước 95

3.5 Tính toán mô phỏng kịch bản khi chưa có đập 97

3.5.1 Diễn biến quá trình động lực học dòng chảy giai đoạn 1995 - 2011 97

3.5.2 Diễn biến quá trình động lực học dòng chảy giai đoạn 2012 - 2020 102

3.5.3 Diễn biến quá trình xâm nhập mặn 106

3.5.4 Tính toán cân bằng nước 108

3.5.5 Đề xuất giải pháp làm gia tăng trữ lượng nước dưới đất 110

3.6 Tính toán mô phỏng kịch bản khi có đập ngầm 111

3.6.1 Điều kiện đầu vào của mô hình 112

3.6.2 Kết quả tính toán mô phỏng 113

3.6.3 Ảnh hưởng của hệ số thấm thân đập 118

3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 119

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121

1 Những nội dung chính đã được thực hiện trong luận án 121

2 Những đóng góp mới của luận án 123

3 Hướng phát triển và kiến nghị 123

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

PHỤ LỤC 130

Phụ lục 1: Kết quả tổng quan và số liệu cơ bản 130

Phụ lục 2: Lượng nước mặt bổ cập xuống nước dưới đất từ tháng 1 đến tháng 12 136 Phụ lục 3: Địa tầng và kết cấu một số giếng khoan thăm dò, khai thác 139

Phụ lục 4: Sơ đồ vị trí các giếng quan trắc nước dưới đất hiện đang hoạt động trên địa bàn huyện đảo Phú Quý 151

Phụ lục 5: Một số hình ảnh về lõi khoan địa chất thu thập 152

vi

Phụ lục 6: Thiết lập mô hình và kết quả 154Phụ lục 7: Thiết kế các giếng khoan quan trắc hiện đang hoạt động trên địa bàn đảo Phú Quý 164Phụ lục 8: Dữ liệu quan trắc thực đo trên các giếng khoan quan trắc 165

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mặt cắt ngang đập ngầm 7

Hình 1.2 Đập trữ nước vùng cát, Kitui (2006) 10

Hình 1.3 Phụ nữ sử dụng lỗ đào lấy nước, quận Kitui, Kenya (M Hoogmoed, 2007 [9]) 11

Hình 1.4 Người đàn ông lấy nước từ giếng gần đập trữ nước vùng cát ở Kitui (M Hoogmoed, 2007 [9]) 11

Hình 1.5 Đập ngầm theo chương trình tạo việc làm khẩn cấp chống hạn [11] 13

Hình 1.6 Sơ đồ vị trí các công trình dự án làng Nare 16

Hình 1.7 Sơ đồ đập ngầm ở đảo Miyako Jima, Nhật Bản 17

Hình 2.1 Mô tả lý thuyết về mối quan hệ Ghyben – Herzberg [21] 25

Hình 2.2 Ảnh hưởng của nước mưa đến tầng chứa nước dưới đất 26

Hình 2.3 Sơ đồ thí nghiệm 28

Hình 2.4 Thiết bị thí nghiệm 29

Hình 2.5 Đo lưu lượng thoát ra của đường ống thoát trạng thái ổn định ban đầu 30

Hình 2.6 So sánh trực quan kết quả tính toán và thí nghiệm trạng thái cân bằng của nêm mặn ngọt 31

Hình 2.7 So sánh trực quan kết quả tính toán và thí nghiệm trạng thái của nêm mặn ngọt, T=1,2 ngày 32

Hình 2.8 So sánh trực quan kết quả tính toán và thí nghiệm trạng thái của nêm mặn ngọt, T=2,4 ngày 33

Hình 2.9 So sánh trực quan kết quả tính toán và thí nghiệm trạng thái của nêm mặn ngọt, T ≥ 3,6 ngày 34

Hình 2.10 So sánh khả năng dâng cao mực nước và tăng dung tích trữ nước của tường chắn 35

Hình 2.11 Mô tả mặt cắt phân tích thấm và xâm nhập mặn 39

Hình 2.12 Khả năng dâng cao mực nước, gia tăng trữ lượng nước và gia tăng thể tích nước ngọt của đập ngầm 41

Hình 2.13 Mô hình tích hợp nước mặt và nước ngầm 43

Hình 2.14 Ô lưới và các loại ô trong mô hình 50

Hình 2.15 Ô lưới i, j, k và 5 ô bên cạnh 51

Hình 2.16 a) Mặt cắt biểu diễn điều kiện biên sông b) Mô phỏng trên mô hình 53

Hình 2.17 Điều kiện biên kênh thoát 54

Hình 2.18 Điều kiện biên bốc hơi trong mô hình 55

Hình 2.19 Điều kiện biên tổng hợp (GHB) trong mô hình 56

Hình 2.20 Sơ đồ khối giải bài toán tích hợp nước mặt-nước ngầm 57

Hình 3.1 Vị trí đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận 63

Hình 3.2 Sơ đồ địa hình đảo Phú Quý 65

Hình 3.3 Giá trị trung bình tháng của một số yếu tố khí tượng tại đảo Phú Quý 66

viii

Hình 3.4 Sơ đồ địa chất khu vực đảo Phú Quý 70

Hình 3.5 Địa tầng và cấu trúc giếng khoan PQII-1A 73

Hình 3.6 Sơ đồ mô phỏng tuyến đập ngầm khu vực đảo Phú Quý 75

Hình 3.7 Bản đồ cao độ địa hình và hiện trạng sử dụng đất 76

Hình 3.8 Một số mặt cắt địa chất thuỷ văn khu vực đảo Phú Quý 77

Hình 3.9 Cấu trúc giếng khoan LK1 78

Hình 3.10 Sơ đồ mô phỏng lớp 2 79

Hình 3.11 Bản đồ đẳng cao độ bề mặt và đáy lớp 2 79

Hình 3.12 Mô hình 3D thể hiện các lớp chính trên mô hình đảo Phú Quý 80

Hình 3.13 Sơ đồ phân vùng thông số ĐCTV lớp 1 81

Hình 3.14 Sơ đồ phân bố giếng khai thác của lớp 1 82

Hình 3.15 Mô phỏng lượng bốc hơi nước dưới đất trên mô hình 83

Hình 3.16 Mực nước biển trung bình ngày 84

Hình 3.17 Mô phỏng biên thủy triều trên mô hình 84

Hình 3.18 Mực nước ban đầu trên mô hình 85

Hình 3.19 Dữ liệu thổ nhưỡng và độ dốc trong mô hình SWAT 86

Hình 3.20 Sơ đồ ứng dụng mô hình SWAT 87

Hình 3.21 Lượng nước mặt bổ cập xuống nước dưới đất từ tháng 1 đến tháng 4 88

Hình 3.22 Mô phỏng lượng nước bổ cập cho nước dưới đất trên mô hình 89

Hình 3.23 Mực nước trung bình trong giếng quan trắc PQIII-2B 91

Hình 3.24 Quan trắc mực nước với giếng quan trắc PQI-1C 92

Hình 3.25 Lượng nước bổ cập xuống các vùng 92

Hình 3.26 So sánh sai số giữa mực nước quan trắc và mực nước tính toán trên mô hình thời điểm tháng 1/2005 (hiệu chỉnh mô hình) 94

Hình 3.27 So sánh sai số giữa mực nước quan trắc và mực nước tính toán trên mô hình thời điểm tháng 10/2005 (kiểm định mô hình) 94

Hình 3.28 Dao động mực nước từ năm 1995 - 2011 tại giếng khoan 14GK và L-04GK 95

Hình 3.29 Bản đồ đẳng cao độ mực nước thời điểm tháng 3 và tháng 10 năm 2005, lớp 2 trên mô hình 96

Hình 3.30 Vị trí các điểm quan trắc (giếng khoan) 98

Hình 3.31 Đồ thị dao động mực nước tại điểm QT1 (đỉnh phân thủy) 98

Hình 3.32 Đồ thị dao động mực nước tại điểm QT2, 3, 4, 5 (ven rìa đảo) tầng chứa nước βq 99

Hình 3.33 Đồ thị dao động mực nước tại điểm QT2, 3, 4, 5 (ven rìa đảo) tầng chứa nước qp1 99

Hình 3.34 Đồ thị dao động mực nước tại điểm QT6 (khu vực khai thác) 100

Hình 3.35 Bản đồ đẳng cao độ mực nước lớp 2 thời điểm tháng 4/2005 và 11/2010 101 Hình 3.36 Sơ đồ công trình khai thác nước dưới đất 103

Hình 3.37 Bản đồ đẳng cao độ mực nước lớp 2 thời điểm tháng 2 và 11 năm 2020 104

ix

Hình 3.38 Bản đồ phân bố TDS tầng chứa nước βq và qp1 các thời điểm mùa khô 107Hình 3.39 Mặt cắt ngang (Đông - Tây) phân bố nồng độ TDS các thời điểm mùa khô 109Hình 3.40 Đồ thị lượng bổ cập nước dưới đất từ mưa và lượng nước thoát ra biển năm

2020 110Hình 3.41 Sơ đồ công trình khai thác nước dưới đất 113Hình 3.42 Bản đồ đẳng cao độ mực nước mô phỏng thời điểm tháng 2 năm 2020 115Hình 3.43 Bản đồ đẳng cao độ mực nước mô phỏng thời điểm tháng 10 năm 2020 115Hình 3.44 Lượng bổ cập từ mưa và lượng nước thoát ra biển 116Hình 3.45 Xâm nhập mặn a) khi chưa có đập và b) khi có đập sâu 5m 117

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thông số địa chất thuỷ văn các tầng chứa nước tại các giếng khoan 81

Bảng 3.2 Các giá trị quan trắc theo chuỗi số liệu trung bình tháng 90

Bảng 3.3 Kết quả lượng nước bổ cập xuống tầng chứa nước dưới đất 93

Bảng 3.4 Vị trí một số giếng khoan quan trắc tại đảo Phú Quý 93

Bảng 3.5 Lượng mưa, bốc hơi giai đoạn 2012-2020 theo kịch bản biến đổi khí hậu 103 Bảng 3.6 Kết quả tính toán cân bằng nước các năm 2020 108

Bảng 3.7 Lượng mưa, bốc hơi trung bình tháng giai đoạn 2012-2020 112

Bảng 3.8 Kết quả tính cân bằng nước năm 2020 trên đảo Phú Quý 114

Bảng 3.9 Chênh lệch lượng nước thoát ra biển khi có đập 5m so với lúc chưa có đập 117

Bảng 3.10 Lượng nước thoát và xâm nhập từ biển vào các tầng chứa nước năm 2020 ứng với các hệ số thấm của đập 119

xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường

ĐCCT Địa chất công trình

ĐCTV Địa chất thủy văn

GMS Mô hình hệ thống nước dưới đất (Groundwater Modeling System) LATS Luận án tiến sĩ

NCS Nghiên cứu sinh

MODFLOW Mô hình dòng chảy ngầm hữu hạn 3 chiều (Modular Three Dimensional

Finite-Difference Groundwater Flow Model) MT3D Mô hình lan truyền chất 3 chiều (Modular Three Dimensional Transport

Model) KHCN Khoa học công nghệ

KHTL Khoa học thủy lợi

KTTV Khí tượng thủy văn

RCH Gói bổ cập thấm của MODFLOW (Recharge Package)

SWAT Công cụ đánh giá đất và nước (Soil and Water Assessment Tool)

TCN Tầng chứa nước

TDS Tổng chất rắn hoà tan

TS Tiến sĩ

GS, PGS Giáo sư, Phó giáo sư

UBND Ủy ban nhân dân

UNEP Chương trình Môi trường Liên hợp quốc

WTF Phương pháp biến động mực nước

WTFM Phương pháp biến động mực nước cải biên

Tại những vùng ven biển và hải đảo, hiện tượng xâm nhập mặn vào tầng chứa nước dưới đất cũng xảy ra dẫn đến làm suy giảm tài nguyên nước và làm giảm khả năng khai thác Hơn nữa, khi các hoạt động khai thác nước dưới đất ở đây diễn ra vượt quá khả năng tái tạo, thì nguồn nước dưới đất sẽ bị suy giảm, mực nước dưới đất bị hạ thấp và giao động lớn Đây là một trong những tác nhân gây ra những vấn đề môi trường liên quan đến sự sụt lún đất trên diện rộng và xâm nhập mặn vào các tầng chứa nước Điều này đòi hỏi

sự quan tâm tới việc khai thác hợp lý và phát triển bền vững tài nguyên nước dưới đất, thực hiện các giải pháp bổ sung nhân tạo, ngăn mặn giữ ngọt Một trong số các giải pháp hữu ích này là việc xây dựng các đập dâng nước ngầm dưới đất với mục đích trữ nước

và ngăn mặn Cho đến nay việc tính toán cụ thể và đưa ra cơ sở khoa học của việc tính toán khi xây dựng đập ngầm hầu như chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ

Vùng biển nước ta có trên 4000 hòn đảo lớn nhỏ trong đó, vùng biển Đông Bắc có trên 3.000 đảo, vùng Bắc Trung Bộ có trên 40 đảo, số lượng đảo còn lại nằm ở vùng biển Nam Trung Bộ, vùng biển Tây Nam và hai quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa Căn cứ vào vị trí chiến lược và các điều kiện địa lý kinh tế, dân cư,… Các đảo, quần đảo được phân chia thành các nhóm: (a) Hệ thống đảo tiền tiêu có vị trí quan trọng trong sự nghiệp xây dựng và bảo vệ Tổ quốc Trên các đảo có thể lập những căn cứ kiểm soát vùng biển, vùng trời nước ta, kiểm tra hoạt động của tàu, thuyền, bảo đảm an ninh quốc phòng, xây dựng kinh tế, bảo vệ chủ quyền và toàn vẹn lãnh thổ của đất nước ta Đó là các đảo, quần đảo như: Hoàng Sa, Trường Sa, Chàng Tây, Thổ Chu, Phú Quốc, Côn Đảo, Phú Quý, Lý Sơn, Cồn Cỏ, Cô Tô, Bạch Long Vĩ (b) Các đảo lớn có điều kiện tự nhiên thuận lợi cho phát triển kinh tế-xã hội Đó là các đảo như: Cô Tô, Cát Bà, Cù Lao Chàm,

2

Lý Sơn, Phú Quý, Côn Đảo, Phú Quốc (c) Các đảo ven bờ gần có điều kiện phát triển nghề cá, du lịch và cũng là căn cứ để bảo vệ trật tự, an ninh trên vùng biển và bờ biển nước ta Đó là các đảo thuộc huyện đảo Cát Bà, huyện đảo Bạch Long Vĩ (Hải Phòng), huyện đảo Phú Quý (Bình Thuận), huyện đảo Côn Sơn (Bà Rịa-Vũng Tàu), huyện đảo

Lý Sơn (Quảng Ngãi), huyện đảo Phú Quốc (Kiên Giang) [1]

Đảo và quần đảo của Việt Nam có ý nghĩa quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước và đóng vai trò lớn lao trong công cuộc bảo vệ chủ quyền và toàn vẹn lãnh thổ của Tổ quốc, là vị trí chiến lược, là cầu nối vươn ra biển cả, là điểm tựa khai thác các nguồn lợi biển Nhờ có hệ thống đảo ven bờ được vận dụng làm các điểm

cơ sở của hệ thống đường cơ sở thẳng nên đã tạo ra vùng nội thủy rộng lớn, do đó vùng lãnh hải, vùng đặc quyền kinh tế và thềm lục địa cũng được mở rộng ra hướng biển Trong định hướng phát triển đến năm 2020 của Chính phủ về biển đảo có nêu “tiếp tục nâng cấp, xây dựng hồ chứa cho các đảo lớn, đông dân hoặc có vị trí quan trọng… đẩy mạnh điều tra trữ lượng nước dưới đất của một số đảo lớn để có kế hoạch khai thác, đồng thời nghiên cứu các biện pháp trữ nước mưa kết hợp khai thác nước dưới đất ở các đảo, nhất là tại các đảo nhỏ”

Nguồn nước chính trong các đảo vừa và nhỏ bao gồm nước mưa, nước mặt và nước dưới đất Nước mưa rơi trên bề mặt đảo phần lớn theo bề mặt thoát ra biển, một phần thấm xuống đất Phần thấm xuống đất một phần được trữ trong các lớp không bão hòa nằm trên mực nước ngầm, một phần thấm xuống cung cấp cho nước ngầm, một phần nhỏ được trữ trên mặt đất Do vậy, cần có giải pháp hợp lý để bảo vệ, phát triển và khai thác hợp lý tài nguyên nước nhằm cung cấp nước cho các nhu cầu sử dụng nước trên đảo Vùng nghiên cứu được chọn là Đảo Phú Quý tỉnh Bình Thuận [2] Huyện đảo Phú Quý (còn gọi là Cù Lao Thu) là một quần đảo gồm 10 đảo chính: Phú Quý, Hòn Tranh, Hòn Trứng, Hòn Đen, Hòn Giữa, Hòn Đỏ, Hòn Đồ lớn, Hòn Đồ nhỏ, Hòn Tí và Hòn Hải tổng diện tích tự nhiên 17,81km2 Trong số đó, đảo Phú Quý là lớn nhất, có diện tích hơn 16 km2, chiếm đến 97% diện tích nổi của toàn huyện đảo và bằng khoảng 0,2% diện tích toàn tỉnh tổng dân số khoảng 27,7 nghìn dân (Theo niên giám thống kê huyện Phú Quý năm 2015) Từ vị trí đảo Phú Quý, với trạm ra-đa quan sát biển có thể kiểm soát toàn bộ tuyến đường hàng hải quốc tế từ Thái Bình Dương qua Ấn Độ Dương Vì vậy, Phú Quý có vị trí cực kỳ quan trọng về an ninh quốc phòng… Ngoài vai trò đảo tiền tiêu bao quát vùng thềm lục địa và vùng biển quan trọng ở Nam Trung Bộ, Phú Quý còn giữ vai trò của một điểm trung chuyển chủ yếu giữa đất liền, đồng thời là hậu cần quan trọng đối với quần đảo Trường Sa Với vị trí địa lý và tiềm năng phát triển lớn lao như vậy, trong Chiến lược biển và Chương trình phát triển kinh tế Biển Đông và hải đảo, Phú

độ cao để Phú Quý và tỉnh Bình Thuận có điều kiện đẩy nhanh tốc độ phát triển kinh tế

- xã hội trong thập niên tới Tuy nhiên, là một hòn đảo diện tích không lớn, bao quanh bởi biển cả và xa đất liền, nước ngọt cho nhu cầu tiêu dùng trong sinh hoạt, sản xuất và dịch vụ là yếu tố, điều kiện vật chất quan trọng có ý nghĩa quyết định bậc nhất sống còn đối với phát triển kinh tế, xã hội và đời sống của nhân dân trên đảo Phú Quý

Do cấu tạo địa hình nên trên đảo không có dòng chảy mặt thường xuyên Dòng chảy mặt chỉ tồn tại chỉ từ 1 đến 2 giờ sau những trận mưa lớn Dòng chảy mặt không thường xuyên tập trung ở khu vực phía Bắc đảo Khu vực này có các đặc điểm: địa hình dốc; diện tích lưu vực thu nước khoảng 3km2; tính thấm của lớp đất đá bề mặt nhỏ hơn nhiều

so với khu vực phía Nam đảo; tầng chứa nước trong khu vực này chủ yếu là tầng chứa nước bazan có khả năng chứa nước kém; tầng chứa nước trong khu vực này có mối liên

hệ thuỷ lực ở mức độ kém với các tầng chứa nước khác ở khu vực phía Nam đảo; khu vực này hầu như không có dân cư Từ những đặc điểm trên cho thấy phân phối nguồn nước mặt ở khu vực phía Bắc đảo khó có thể đảm bảo trong việc cung cấp nước cho mục đích sản xuất và sinh hoạt

Hiện nay nước ngầm là nguồn cấp nước chính cho toàn đảo Khi xây dựng các giếng khai thác nước ngầm, nước từ các giếng sẽ được đưa về trạm xử lý nước và sau đó cung cấp cho việc sinh hoạt của dân Cùng với sự phát triển của dân sinh, kinh tế thì nhu cầu

sử dụng nước ngày càng gia tăng dẫn đến việc không đảm bảo trữ lượng nước dưới đất

và nguy cơ xâm nhập mặn nếu không có biện pháp phát triển nguồn nước dưới đất và ngăn chặn xâm nhập mặn vào các tầng chứa nước khai thác Hơn nữa, tình hình xâm nhập mặn vào mùa khô đang diễn ra Do vậy, việc nghiên cứu các giải pháp phát triển nguồn nước, như định hướng trong luận án là sử dụng đập ngầm để ngăn mặn và giữ ngọt cho đảo Phú Quý là rất cần thiết Hơn nữa, ở Việt Nam chưa có hồ chứa nước ngầm nào được xây dựng nên chưa có các nghiên cứu chuyên sâu về tính toán khi xây dựng đập ngầm cũng như cơ sở khoa học của việc xây dựng đập Các nghiên cứu về tài nguyên nước dưới đất ở Việt Nam chủ yếu thông qua điều tra, khảo sát và chưa có các đánh giá về xâm nhập mặn với phương án cụ thể dùng đập ngầm để ngăn đẩy mặn và trữ ngọt Do vậy, việc thực hiện đề tài nghiên cứu như đã đặt ra là mới và mang tính khoa học và có giá trị thực tiễn cao

4

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng đập ngầm phục vụ khai thác và bảo vệ tài nguyên nước trên các đảo; Ứng dụng cơ sở khoa học đã xây dựng cho đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là tài nguyên nước dưới đất và giải pháp đập ngầm Phạm vi nghiên cứu của luận án là đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận án có kế thừa, áp dụng có chọn lọc sản phẩm khoa học và công nghệ hiện có trên thế giới/trong nước, kế thừa và sử dụng các số liệu, dữ liệu có sẵn Luận án sử dụng phương pháp thí nghiệm trong phòng để định tính hóa khả năng ngăn mặn giữ ngọt của đập ngầm, và sử dụng phương pháp mô hình mô phỏng thông qua việc phát triển mô hình tích hợp nước mặt – nước ngầm thông qua việc áp dụng các mô hình SWAT, MODFLOW, SEAWAT và các mô hình khác để tính toán lượng nước bổ cập là đầu vào

và cơ sở để tính toán thủy văn nước dưới đất, phân tích chất lượng nước dưới đất, cân bằng nước, xâm nhập mặn, cho các kịch bản, từ đó đi sâu phân tích hiệu quả của việc xây dựng đập ngầm cũng như khai thác bền vững tài nguyên nước trong khu vực Luận

án còn sử dụng các công cụ hỗ trợ khác như hệ thống thông tin địa lý thông qua các phần mềm MapInfo, ArcGIS, Surfer v.v… để hỗ trợ xử lý số liệu và kết quả tính toán

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Ý nghĩa khoa học

Luận án xây dựng được tiêu chí để xây dựng đập ngầm, cơ sở lý thuyết để đánh giá tổng hợp tài nguyên nước mặt, nước dưới đất và xâm nhập mặn, từ đó đánh giá một cách khoa học và định lượng được ảnh hưởng của việc xây dựng đập ngầm tới tài nguyên nước khu vực Các kết quả này là cơ sở quan trọng cho việc đánh giá tính hiệu quả về mặt ngăn mặt trữ ngọt, dâng cao mực nước của đập ngầm Dựa vào các việc phân tích tính ưu việt, tính khả dụng, và hiệu quả của đập ngầm, đề tài đã tính toán áp dụng cho việc xây dựng đập ngăn nước ngầm lần đầu tiên tại đảo Phú Quý, Bình Thuận Cơ sở khoa học này không những có thể được áp dụng cho các vùng hải đảo mà còn có thể áp dụng cho các vùng ven biển, vùng khô hạn khác

 Ý nghĩa thực tiễn

5

Việt Nam có rất nhiều hải đảo quan trọng nhưng đang gặp vấn đề về khan hiếm nước

Do vậy giải pháp đập ngầm với cơ sở khoa học đầy đủ là giải pháp hữu ích, sáng tạo, sẽ

có tiềm năng phát triển và có thể được ứng dụng rộng rãi trong tương lai

Việc tính toán mô phỏng nguồn nước dưới đất khu vực đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận với trường hợp có đập ngầm và chưa có đập ngầm khẳng định tính đúng đắn của phương pháp tính toán và hiệu quả của giải pháp đập ngầm đối với đảo Phú Quý nói riêng và với các vùng ven biển và hải đảo nói chung Giúp cho các cơ quan quản lý tỉnh Bình Thuận và huyện đảo Phú Quý có thêm một phương án hiệu quả nhằm gia tăng tài nguyên nước dưới đất

6 Cấu trúc của luận án

Để thể hiện các kết quả nghiên cứu của luận án, ngoài phần Mở đầu và Kết luận kiến nghị, bố cục của luận án gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về xây dựng đập ngầm Trong chương này đã tổng quan được

tình hình áp dụng giải pháp đập ngầm trên thế giới và ở Việt Nam, đánh giá được đặc tính, ưu thế của đập ngầm Ở Việt Nam chưa có hồ chứa nước ngầm nào được xây dựng nên chưa có các nghiên cứu chuyên sâu về tính toán khi xây dựng đập ngầm Do vậy, việc thực hiện nghiên cứu như đã đặt ra là mới và mang tính khoa học và thực tiễn cao

Chương 2: Cơ sở khoa học của việc xây dựng đập dâng nước ngầm Chương này

phân tích mối quan hệ tương tác giữa mưa, bốc hơi, lượng nước khai thác, nước mặt, nước dưới đất và nước biển Các phương pháp giải tích được xây dựng cho các quan hệ đơn giản và chỉ áp dụng được cho một số trường hợp lý tưởng Thí nghiệm mô hình được thực hiện để định tính hóa khả năng ngăn mặn và giữ ngọt của đập Chương này cũng mô tả các điều kiện cần thiết khi nghiên cứu xây dựng đập ngầm và xây dựng ba tiêu chí đánh giá hiệu quả và xây dựng được phương pháp tổng quát giải bài toán tích hợp nước mặt, nước dưới đất, xâm nhập mặn, lan truyền chất Từ đó định hướng đến việc sử dụng phương pháp số để có thể giải được rất nhiều bài toán phức tạp mà phương pháp lý thuyết, giải tích không có phương pháp giải được Chương này đã xây dựng được phương pháp tổng quát giải bài toán tích hợp nước mặt, nước dưới đất, xâm nhập mặn và lan truyền chất ô nhiễm Các điều kiện cần thiết để có thể ứng dụng giải pháp xây dựng đập ngầm cũng được phân tích và thảo luận

Chương 3: Ứng dụng mô hình toán tổng hợp đánh giá tài nguyên nước cho đảo Phú Quý và đề xuất giải pháp đập ngầm Chương 3 giới thiệu vùng nghiên cứu và

đánh giá sự phù hợp của giải pháp đập ngầm đối với đảo Phú Quý, sau đó đi sâu vào

6

việc thiết lập bài toán tương tác nước mặt - nước ngầm cho đảo Phú Quý Mô hình sau khi được kiểm định đã được sử dụng để mô phỏng các kịch bản chưa có đập, có đập, có xét tới biến đổi khí hậu và nước biển dâng, từ đó đánh giá được hiệu quả của việc xây dựng đập ngầm

- Vật liệu xây dựng

Tùy theo quy mô, cấu tạo đập, có thể sử dụng các loại vật liệu sau để xây dựng bao gồm: đất sét, bê tông, đá tảng, bê tông cốt thép, gạch, nhựa, nhựa đường, thép tấm, tôn hoặc PVC… Mặt cắt ngang điển hình của đập ngầm được minh hoạ trên Hình 1.1 Đập đất sét: Phù hợp cho các dự án có qui mô nhỏ trong vùng địa chất có tính thấm cao và độ sâu giới hạn Đập đất sét có hiệu quả về kinh tế cao, do chi phí thấp trong việc đào và vận chuyển Để tránh nguy cơ xói mòn mái đập, người ta sử dụng thêm các tấm nhựa không thấm để bảo vệ; Đập bê tông: Vật liệu chủ yếu được sử dụng để xây dựng đập bao gồm cát và đá dăm Loại đập này đòi hỏi kỹ thuật và nhân công phải có tay nghề cao [4]; Đập đá xây : Vật liệu chủ yếu là đá, cát, xi măng Loại đập này đòi hỏi kỹ thuật

và nhân công tay nghề cao [4]; Đập bê tông cốt thép: Vật liệu chủ yếu xây dựng đập bao gồm: Cát, đá, xi măng, thép Loại đập này có ưu điểm: cường độ chịu lực lớn Tuy nhiên, chi phí xây dựng khá lớn [5]

Hình 1.1 Mặt cắt ngang đập ngầm

8

1.2 Tổng quan về giải pháp đập ngầm trên thế giới

Có một số công trình áp dụng công nghệ đập ngầm được sử dụng ở một số nước như Nhật Bản, Brazin, các nước Châu Phi… sẽ được xem xét và phân tích ngắn gọn trong nội dung này Dưới đây là bảng tổng hợp các đập ngầm trên thế giới đã được xây dựng trong thời gian từ những năm 1970 trở lại đây

Bảng 1-1 Một số đập ngầm đã được xây dựng

dựng

Chiều cao đập

Chiều dài đập

Tổng trữ lượng (1000 m 3 )

Phương pháp thi công đập ngầm

Nhật Bản Kabashima 1973,79-80 24.8 58.5 20 Phụt vữa

Minafuku 1977-1979 16.5 500 700 Phụt vữa

Tsunekami 1982-1984 21.5 202 73 Tường vữa

ximăng Tengakuma 1987-1988 12.5 129 17 Phụt vữa

Ryorigawa 1991 4.2 151.6 42 Tấm thép mỏng Nakajima 1991-1992 24.8 88 27 Tường bêtông

trộn tại chỗ Waita 1991-1992 7.5 105.3 12 Tường vữa

ximăng Sunagawa 1988- 1993 49 1677 9.500 Tường bêtông

trộn tại chỗ Miko 1995 39.3 192 23 Tường bêtông

trộn tại chỗ Fukusato 1994-1998 27 1790 10.500 Tường bêtông

trộn tại chỗ Kikai 1993-1999 35 2281 1.800 Tường bêtông

trộn tại chỗ Giiza 1999-2001 53 969 390 Tường bêtông

trộn tại chỗ Komesu 1993-2003 69.4 2,320 3.460 Tường bêtông

trộn tại chỗ Kaniin 1995-2005 52.1 1,088 1.580 Tường bêtông

trộn tại chỗ Yokatsu 1999-2008 67.6 705 3.963 Tường bêtông

trộn tại chỗ

Ie 2004 55.9 2612 1.408 Tường bêtông

trộn tại chỗ Izena 2005-2008 14 488.4 238 Cọc thép tấm Okinoerabu 2007 48.2 2414 1.085 Tường bêtông

trộn tại chỗ Nakahara 2009 55 2350 10.500 Tường bêtông

trộn tại chỗ

9

dựng

Chiều cao đập

Chiều dài đập

Tổng trữ lượng (1000 m 3 )

Phương pháp thi công đập ngầm

Bora 2009- 26 2600 2.200 Tường bêtông

trộn tại chỗ Hàn quốc Eean 1983 5-7 230 4.143 Phụt vữa , Tường

ximăng Namsong 1986 10-20 89 4.017 Phụt vữa

Okseong 1986 10 482 2.850 Phụt vữa

Gocheon 1986 7.5 192 1.543 Tường bêtông

ximăng đông cứng nhanh Wooeel 1986 6-7 778 2.457 Tường đất sét Ssangcheon 1995-1998,

2000

4-27 840 Tường vữa

ximăng Trung

Quốc

Sông Balisha 1987 756 Phụt vữa

Sông Huangshui -1995 40.1 5.996 Phụt vữa

Sông Jia - 2001 31 3.890 Phụt vữa

Sông Wang 2004 3.500 Phụt vữa

Sông Dagu 2004 2.600 Tường đất sét

Ấn Độ Anangana 1979 5 160 15 Gạch xây, Tấm

nhựa Ottapaiam 1962-1964 5-9 155 Gạch xây có trát

vữa Ootacamund 1981 3.5 Tấm nhựa

Shenbagathope 1987 3.5 15 Đá xây khối tảng Ethiopia Bombas 1981 3.8 Bê tông khối tảng

Gursum 1981 Đá xây khối tảng Burikna

-Faso

Nare 1997-1998 3-11 210 1.800 Đập đất chôn

ngầm Brazil 500 đập 1990s 3-110

Kenya 500 đập 1990s Đá gạch xây U.S.A Pacoima

10

lượng mưa vào khoảng 250 -750 mm/năm, lượng bốc hơi mặt nước là 2000 mm/năm Nền địa chất của vùng khá phức tạp, chủ yếu là sự kết hợp giữa đá mắcma và đá biến chất, được bao phủ bởi lớp đất phong hóa Phía Nam của Kitui là hệ địa chất Pecmi trong khi trầm tích núi lửa kỷ đệ tam nằm ở phía tây.Nguồn nước ngầm của khu vực rất khan hiếm và các dòng sông chỉ chảy trong mùa mưa Phía Tây của khu vực bao phủ bởi đất xốp đen phong hóa, phần còn lại là đất cát đỏ có độ phì thấp

a) Quá trình xây dựng đập

Tại quận Kitui, hơn 500 đập với kích thước lớn nhỏ khác nhau (phụ thuộc vào hướng lưu vực và áp lực dòng chảy mặt) đã được xây dựng Trong suốt giai đoạn thi công, khu vực đập và bờ sông được đào đến tầng địa chất không thấm nước và rắn chắc, và đập ngầm tại Kitui có độ cao trung bình từ 2-4 m và chiều dài đập khoảng 500m, loại đập lớn thường có độ cao 7m và chiều dài 2000m

Các công trình đập ngầm ở địa phương bao gồm hai loại chính: Hình thức đập thứ nhất

sử dụng tường gạch hoặc đá tảng, loại thứ hai sử dụng khung gỗ được lấp đầy đá và vữa (trong trường hợp nguồn trữ lượng đá không đủ thì có thể sử dụng vật liệu thay thế như

lá chất dẻo, sắt mạ kẽm, đất sét) [7]

b) Sử dụng và đánh giá

Rất nhiều đập ngầm tại Kitui đã vận hành được 25 năm, và phần lớn các đập này vẫn vận hành đủ công suất SASOL đã tiến hành một số nghiên cứu về việc sử dụng và hiệu quả kinh tế của các công trình đập ngầm này

Nguồn: The GW•MATE [8]

Hình 1.2 Đập trữ nước vùng cát, Kitui (2006)

11

c) Lợi ích về kinh tế xã hội

Ưu điểm chính của các đập ngầm tại Kitui đó là các đập này được xây dựng bằng kỹ thuật đơn giản không tốn kém bởi người dân địa phương và nguồn vật liệu có sẵn tại địa phương Chi phí cho đập với tuổi thọ trung bình là 50 năm và có khả năng tích trữ ít nhất 2000m3 là vào khoảng 7500$US

Mặc dù các thông tin điều tra thủy văn không đầy đủ nhưng những đánh giá ban đầu cho thấy sự cung cấp nước của đập trữ nước vùng cát ổn định và bảo đảm trong suốt mùa khô, giúp cho sản lượng nông nghiệp của vùng tăng cao Ví dụ điển hình như ở khi vực Wii chỉ có 2 giếng nước nông hoạt động hiệu quả vào năm 1999, nhưng đến nay đã có

39 giếng nước cấp nước sau khi 14 đập ngầm được xây dựng

Tại Kitui, SASOL đã tiến hành xây dựng một chuỗi đập cách nhau đều đặn một khoảng

từ 0,5 đến 1km dọc theo dòng chảy mặt, giúp cho hơn 200.000 hộ dân giảm được đáng

kể thời gian đi lấy nước, từ hơn 5 giờ/ ngày xuống còn hơn 1 giờ/ ngày (công việc này thường do người phụ nữ đảm nhận) Khoảng thời gian tiết kiệm, được người dân sử dụng vào các hoạt động sản xuất như sản xuất nông nghiệp qui mô nhỏ (trồng rau, chăm sóc cây) góp phần nâng cao đời sống kinh tế gia đình

Số liệu báo cáo của một cuộc khảo sát tại vùng Ithumula/ Maluma cho thấy sự gia tăng thu nhập bình quân của người dân, đặc biệt là vào mùa khô, 38% chủ hộ cho biết họ đã

có thể trồng rau màu với năng suất tăng thêm ¾ sản lượng ngay trong năm đầu đập được hoàn thành

Hình 1.3 Phụ nữ sử dụng lỗ đào lấy nước,

quận Kitui, Kenya (M Hoogmoed, 2007 [9])

Hình 1.4 Người đàn ông lấy nước từ giếng gần đập trữ nước vùng cát ở Kitui (M Hoogmoed, 2007 [9])

12

2) Borana, Nam Ethiopia

Vùng Borana, phía nam Ethiopia, là một khu vực bán khô hạn, trong đó cộng đồng nông thôn phụ thuộc chủ yếu vào việc chăn nuôi gia súc nuôi (chủ yếu là người chăn gia súc)

và nông nghiệp quy mô nhỏ Cả hai hoạt động này phụ thuộc vào sự sẵn có của nguồn nước Các cộng đồng sống ở các vùng rất xa, không có điện, nước hoặc công trình vệ sinh Trẻ em trong khu vực này có tỷ lệ đi học thấp nhất trong cả nước, vì dành nhiều thời gian để tìm và lấy nước Do khu vực này có mưa ít, không đồng đều và nguồn nước hạn chế, giải pháp đập ngầm trở nên hấp dẫn cho người dân Borana Cộng đồng đã được biết đến với phương pháp thu gom nước từ lòng sông phù du Sự kết hợp sáng tạo của

cơ sở hạ tầng, trữ nước ngầm và thu gom nước mặt, đảm bảo nước cho sinh hoạt, và sản xuất cho cộng đồng (ERHA, 2008, Beekman, 2003 [10])

3) Brazil

Tại Brazil, hơn 500 đập có quy mô nhỏ dưới lòng đất cũng đã được xây dựng trong những năm 1990, cho phép các hộ gia đình nông dân có thể canh tác thêm một vài hecta đất trong mùa khô và bán khô hạn ở bang Pernambuco đông bắc Brazil

Đập dưới đất có thể xem như là một thân đập có hệ số thấm rất nhỏ được xây dựng có chiều cao từ bề mặt tầng không thấm lên đến bề mặt đất để giữ cho nước không chảy khỏi vùng đất cát Đập tạo các hồ nhỏ, có chiều sâu trung bình khoảng 4m, rộng 50m, dài 50m và trữ được khoảng 10.000 m3 nước Người dân địa phương trồng nhiều loại trái cây và cây trồng trong các khu vườn nhỏ gần khu đập

Ở vùng đông bắc Brazil, do lượng mưa không đều và hạn hán kéo dài, tình trạng khan hiếm nước nhằm đáp ứng nhu cầu nước trở nên rất nghiêm trọng Khu vực bán khô hạn này của Brazil có điều kiện địa chất thuận lợi cho việc xây dựng đập nước ngầm, và do

hồ chứa ngầm có lượng bốc hơi ít hơn so với hồ trên mặt đất Các chi phí liên quan tới việc xây dựng đập nước ngầm tùy thuộc vào các yếu tố như chiều dài của đập, vật liệu

sử dụng, độ sâu của lớp không thấm nước, tính sẵn có của nhân lực Đập dưới đất với diện tích lòng hồ khoảng 1 ha, được xây dựng bằng tường nhựa polyethylene, thì cần chi phí trung bình khoảng 500$US (UNEP, 1997 [11])

a) Các điều kiện về địa chất thủy văn

Bang Pernambuco có diện tích 88.000 km2 với mật độ dân cư vào khoảng 25-75 người/km2, thuộc vùng khí hậu bán khô hạn với lượng mưa trung bình năm dưới 600mm/năm, dòng chảy mặt nhiều nơi chỉ xuất hiện vào mùa mưa từ tháng 3 đến tháng5,

 Nhóm thứ hai có kích thước tương tự như nhóm công trình thứ nhất nhưng được xây dựng theo sáng kiến của các tổ chức phi chính phủ và các chuyên gia tư vấn Công trình được lấp đầy đất sét được đầm lại và không có giếng để thu nước

Hình 1.5 Đập ngầm theo chương trình tạo việc làm khẩn cấp chống hạn [11]

14

 Nhóm công trình cuối có độ sâu lên tới 10m (trong khu vực có lớp phủ trầm tích dày) được xác định vị trí theo tiêu chuẩn kỹ thuật với mục đích hỗ trợ tưới cho vùng nông nghiệp có quy mô nhỏ đã có sẵn hệ thống canh tác phục vụ tưới Quá trình đào đập,

cố định tấm nhựa và xây giếng cấp nước có đường kính miệng giếng rộng được tiến hành bằng máy và một số thiết bị kỹ thuật hiện đại Dung tích của đập điển hình (trung bình có độ sâu 4m, rộng 50m và dài 500m) vào khoảng 10.000m3, tuy nhiên dung tích này không đủ để cung cấp phục vụ đa nhu cầu Lượng nước trữ thêm được có thể đảm bảo cho việc tưới phục vụ nông nghiệp với qui mô nhỏ vào mùa khô, làm phong phú thêm sản xuất mùa vụ

Vị trí công trình không nên chọn tại vùng đất nhiễm mặn Tuy khả năng giảm độ mặn thông qua việc sử dụng liên tục nguồn nước là khả thi, nhưng quá trình này đỏi hỏi sự vận hành phức tạp vượt quá khả năng của người dân địa phương Trong thời kỳ khô hạn,

để giảm xu hướng nhiễm mặn một cách hiệu quả, người dân cần việc hút cạn nước trong

hồ chứa ngầm hoặc duy trì mực nước ngầm luôn thấp hơn lớp địa chất nhiễm mặn bề mặt

c) Đánh giá hoạt động của công trình

Một cuộc khảo sát thực địa đã được tiến hành theo hai giai đoạn để đánh giá hoạt động của các công trình đập ngầm địa phương Giai đoạn đầu người ta đã tiến hành đánh giá rộng rãi 151 đập trong tổng số hơn 500 đập được xây, thu về những kết quả ban đầu về tình trạng hiện tại, những vấn đề trong giai đoạn thi công, chất lượng và trữ lượng nguồn nước ngầm, các dạng sử dụng và những lợi ích cũng như nhóm người hưởng lợi từ công trình Từ kết quả ban đầu, một nhóm nhỏ các công trình đập thuộc các khu vực như Sao Caetano, Ouricuri và Mutuca đại diện cho các tình huống điển hình đã được lựa chọn để nghiên cứu chi tiết hơn Trong số các công trình này, nhóm 19 đập ngầm thuộc khu vực Mutucal được xây dựng với mục đích ban đầu là phục vụ tưới cho quy mô nhỏ đã được đánh giá về hiệu quả kinh tế xã hội

 Hiện trạng sử dụng: Trong số 151 đập ngầm được tiến hành khảo sát thuộc giai đoạn

1 có tới 37% công trình cơ bản không hoạt động, phần lớn là do những vấn đề về xây dựng khiến cho cộng đồng dân cư không thể sử dụng, hơn 13% công trình ở trạng thái tốt nhưng được ít sử dụng vì nguồn nước mặt sẵn có 50% công trình còn lại đang được sử dụng phục vụ nhu cầu cấp nước sinh hoạt, chăn nuôi gia súc và cấp nước tưới quy mô nhỏ

 Lợi ích kinh tế - xã hội: Giai đoạn thứ hai các nhà khảo sát tập trung hơn vào khía cạnh kinh tế xã hội và rút ra một số kết luận quan trọng: Lợi ích của đập ngăn nước

15

ngầm xét theo quan điểm phát triển đời sống người dân là vô cùng to lớn, đây là một

hệ quả tất yếu nhờ sự gia tăng chất lượng và độ phong phú của lương thực thực phẩm

có thể sản xuất được nhờ có đủ nước dùng Các đập ngầm có vai trò quan trọng trong việc tưới nước chăn nuôi và sản xuất thức ăn cho động vật vào mùa khô, kể cả khu vực nước lợ phát triển

 Các công trình đập có quy mô lớn hơn, ví dụ như ở vùng Mutuca, có thể duy trì cấp nước tưới quy mô nhỏ trong mùa khô, giúp tăng thu nhập cho chủ đất và cộng đồng,

và canh tác 3 vụ/ năm đã có khả năng tiến hành

4) Nare, Burkina Faso

Sa mạc hóa được coi là vấn đề môi trường toàn cầu, ảnh hưởng tới 25% diện tích và 1/6 dân số thế giới Hiện tượng này ảnh hưởng nghiêm trọng đến các nước đang phát triển, đặc biệt là các nước Châu Phi, đe dọa đến sự sống của người dân.Ở các khu vực khô hạn hoặc bán khô hạn, nơi mà quá trình sa mạc hóa đang tiếp diễn mạnh mẽ, việc khai thác nguồn nước tập trung chủ yếu và nguồn nước mặt và nguồn nước ngầm sâu Việc xây dựng đập để khai thác nước mặt trong khu vực này nảy sinh một số vấn đề như di dời dân cư, và địa hình đặc trưng của khu vực là bề mặt khá bằng phẳng sẽ làm cho khu vực

hồ chứa bề rộng mặt nước lớn hơn nhiều so với chiều sâu đập, làm cho độ bốc hơi mặt nước khá nhanh Do đó, giải pháp xây đập (mặt đất) trữ nước cấp cho mùa khô (thời gian nhu cầu nước là lớn nhất trong năm) không khả thi Giải pháp khai thác nguồn nước ngầm tự nhiên nằm sâu dưới bề mặt cũng không bền vững do dung lượng ít, khả năng mặn hóa cao và thêm vào đó là vì hình thức khai thác này thường được sắp đặt theo điểm nên rất dễ tạo ra sự tập trung dân cư và vật nuôi, hậu quả là sa mạc hóa gia tăng nhanh hơn

Để tránh những vấn đề phát sinh trong việc khai thác nguồn nước mặt và nước ngầm sâu, các nhà khoa học tập trung vào khả năng khai thác nguồn nước ngầm nông (nguồn nước tồn tại ở gần bề mặt đất tự nhiên và dòng chảy ngầm có lưu lượng khá lớn) Biện pháp sử dụng đập ngầm để tích trữ nguồn nước ngầm nông là một trong những biện pháp được quan tâm

Dự án thử nghiệm xây dựng đập ngăn nước ngầm để chống sa mạc hóa do Nhật Bản thực hiện từ năm 1995 đến 2004 tại làng Nare và sau đó được nhân rộng ra toàn bộ vùng Burkina Faso (một nước nhỏ ở châu Phi)

a) Quá trình xây dựng đập

b) Tình hình trữ nước

Theo số liệu tính toán của mô hình hồ chứa đơn giản, diện tích khu vực hồ chứa, mực nước ngầm thì năng lực hồ chứa có dung tích lớn nhất là 1,8 triệu m3, chiều rộng khoảng 150m, chiều dài là 13,4 km Sau khi dự án hoàn thành, nước ngầm được trữ từ từ vào khu vực hồ chứa nhưng với tốc độ thấp hơn so với dự đoán, nguyên nhân là do có sự dò

rỉ nước Sự dò rỉ này là do nền đá địa chất khu vực, không phải là do lỗi thi công chống thấm thân đập

Với dự án này, người Nhật cũng rút ra kết luận rằng đập ngầm có một số ưu điểm so với đập nước mặt thông thường như không chiếm đất, tránh được bốc hơi, ổn định và an toàn, sử dụng nguồn nước tái tạo từ nước mưa Tuy vậy việc xây dựng đập ngầm cũng

có một số nhược điểm như có thể bị mặn hóa khó chọn tuyến (Fujiwara và Fujita, 2006 [12]) (sự dò rỉ nước xuống đáy nền khu vực hồ chứa cũng cho thấy cần thiết phải tiến hành khảo sát chi tiết tình hình địa chất thủy văn trong giai đoạn lựa chọn vị trí xây dựng đập)

Hình 1.6 Sơ đồ vị trí các công trình dự án làng Nare

17

5) Miyakojima, Japan

Tại Nhật Bản, đã có một số đập ngăn nước ngầm được xây dựng dưới lòng đất Từ năm

1990, trên quần đảo Miyakojima, Cơ quan Phát triển đất nông nghiệp của Nhật Bản (JALDA) đã thực hiện một dự án xây dựng hai đập nước ngầm Sunagawa (đập chính)

và Fukuzato (1 đập chính và 2 đập phụ) và được coi là lớn nhất thế giới tại thời điểm

đó

Đập tạo dung tích khoảng 20 triệu m3, và cung cấp lượng nước 5.000 m3/ngày với 147 giếng bơm Cả hai đập đã được hoàn thành xây dựng vào tháng 11 năm 1993 để giảm bớt gánh nặng của hạn hán và hiện đại hóa quản lý nông nghiệp, một dự án thủy lợi đã được triển khai từ năm 1987 Diện tích hưởng lợi từ dự án là 8.400 ha, chiếm một nửa tổng diện tích bề mặt của các đảo và chiếm khoảng 90% diện tích đất canh tác Tổng chi phí dự án ước tính năm 1986 là 89 tỷ Yên (Osuga, 1997 [13])

Theo kết quả quan sát, dự án sau khi hoàn thành gây tác động nhỏ đến chất lượng nước ngầm mặc dù có sự gia tăng lớn trong tổng lượng phân bón sử dụng trong khu vực Ngay sau khi đập ngầm hoàn thành, mật độ nitrate nitrogen tăng cao tại khu vực thượng nguồn đập ngầm, tuy nhiên việc khai thác nước ngầm bằng hệ thống bơm áp lực đã làm giảm mật độ nitrate nitrogen và mật độ này có xu hướng ngày càng giảm

Nguồn: Osuga, 1997 [13]

Hình 1.7 Sơ đồ đập ngầm ở đảo Miyako Jima, Nhật Bản

18

* Nhận xét về các vấn đề thường gặp khi xây dựng đập

Trong quá trình ứng dụng biện pháp kỹ thuật đập ngăn nước ngầm, có thể phát sinh một

số vấn đề, tuy nhiên, theo kinh nghiệm thực tế của các công trình đập ngầm trên thế giới

có thể chia ra làm 2 nhóm chính sau:

- Vấn đề nảy sinh do hoạt động của con người: Ertsen và cộng sự (2009) [14] đã chỉ việc lựa chọn sai vị trí đập ngầm dẫn đến trữ lượng nước ngầm tiềm năng của khu vực không được khai thác đầy đủ Ngoài ra, sau khi đập được hoàn thành, các trang thiết

bị không được vận hành đúng tiêu chuẩn qui định làm cho lũ lụt hoặc thiếu hụt nước xảy ra Việc quản lý chất lượng nước ngầm cũng là một chủ đề cần quan tâm trong thời gian tới, do có rất ít nghiên cứu về biến đổi chất lượng nước dưới đất sau khi đập hoàn thành

- Vấn đề do sự phức tạp của địa chất: Đập ngăn nước ngầm thường được xây dựng trong khu vực đá vôi nên dự báo chính xác về tình hình địa chất của khu vực này là rất khó khăn bởi vì sự không đồng nhất đáng kể giữa các tầng chứa nước và đáy nền Công trình thử nghiệm xây dựng đập ngăn nước ngầm để chống sa mạc hóa do Nhật Bản thực hiện từ năm 1995 đến 2004 và sau đó được nhân rộng ra toàn bộ vùng Burkina Faso (một nước nhỏ ở châu Phi) là một bài học điển hình thể hiện sự đòi hỏi tính kỹ thuật cao và cẩn trọng trong công tác quan trắc địa chất

Thông thường, việc xây dựng đập ngăn nước ngầm không tốn kém và biện pháp này được coi là rất hiệu quả trong việc tích trữ nước cho mùa khô Tuy nhiên, trong một số trường hợp, có thể xảy ra sự mất nước do thấm hoặc công trình không cung cấp đủ trữ lượng thiết kế hoặc chất lượng nước kém Những hình thức thất bại này có thể lường trước nhưng điều này cũng thể hiện rõ ràng những vấn đề này cần phải được tìm hiểu

kỹ lưỡng trước nghiên cứu, xây dựng Thông tin về địa hình bề mặt, độ dày tầng chứa nước, và loại trầm tích thường không đủ độ đảm bảo trong việc lựa chọn vị trí và xây dựng đập với quy mô lớn Đập ngầm làm thay đổi mạnh mẽ điều kiện tự nhiên mực nước ngầm và dòng chảy mặt Do đó, việc đánh giá chất lượng nước ngầm do tác động của đập ngầm là cần thiết

1.3 Tổng quan về các giải pháp bổ cập nước dưới đất ở Việt Nam

Các nghiên cứu về xây dựng đập ngầm ở Việt Nam, đặc biệt là ở các vùng hải đảo không

có nhiều (thể hiện qua các công bố trong và ngoài nước), mà chủ yếu tập trung vào các

đề tài nghiên cứu gắn với công tác điều tra đánh giá tài nguyên nước ngầm và đề xuất giải pháp bổ cập nước ngầm Dưới đây tổng quan một số đề tài chủ yếu:

19

Năm 2002 – 2005, PGS Đoàn Văn Cánh đã thực hiện nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học và đề xuất các giải pháp bảo vệ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước vùng Tây Nguyên [15] và 2007- 2010 thực hiện đã nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp thu gom nước mưa đưa vào lòng đất phục vụ chống hạn và bổ sung nhân tạo nước ngầm [16] Kết quả nghiên cứu nêu trên đã làm sáng tỏ được bức tranh tài nguyên nước ở Tây Nguyên và đã kiến nghị được các giải pháp công nghệ lưu giữ nước nhằm mục đích tăng cường nguồn nước cho mùa khô hạn ở Tây Nguyên Nhiều vấn đề thu nhận được qua kết quả nghiên cứu này cần được nhân rộng ra toàn vùng lãnh thổ

TS Ngô Hà Sơn (2008) [17] đã nghiên cứu đề xuất giải pháp kỹ thuật thu giữ nước ngọt trong các lớp địa tầng san hô trên đảo nổi Trường Sa Đông và sử dụng có hiệu quả nước ngọt trên đảo nhằm cải tạo môi trường, môi sinh tiến hành nghiên cứu xác định đường ranh giới nước ngọt - mặn của đảo làm cơ sở qui hoạch khai thác nước ngọt và đề xuất một số giải pháp kỹ thuật thu giữ nước ngọt và nâng cao hiệu suất thu giữ nước bằng biện pháp công trình Nghiên cứu thiết kế và xây dựng thử nghiệm khu vệ sinh kiểu máng trượt phục vụ sinh hoạt và góp phần cải tạo môi trường trên đảo Trong nghiên cứu cũng mô phỏng quá trình động lực học của nước ngầm và lan truyền chất trong môi trường cát đá san hô Tuy vậy, kết quả của nghiên cứu cũng chỉ đặc trưng cho vùng đảo Trường Sa Đông mà không có khái quát hoá thành lý thuyết cho các vùng đảo khác có thể ứng dụng công nghệ này

TS Nguyễn Quốc Dũng (2012) [18] đã nghiên cứu xây dựng các tường hào thu nước từ mái đồi và thu nước từ các đập ngầm trên suối kết hợp với các hồ treo để tạo nguồn cấp nước cho dân khu vực Phong Thổ, Sìn Hồ tỉnh Lai Châu

1.4 Ưu điểm và ý nghĩa thực tiễn của giái pháp đập ngầm

Thông qua việc tổng quan về các đập ngầm trên thế giới và vai trò của đập ngầm sau khi đi vào vận hành, có thể nói biện pháp công trình này mang lại những lợi ích to lớn

về mặt kinh tế xã hội, góp phần bảo đảm an ninh lương thực Đập ngầm có rất nhiều ưu điểm lớn sau:

- Vấn đề ngập đất lòng hồ thường liên quan với việc xây đập trên mặt nhưng không xảy ra với đập ngầm Vì nước được tích trữ dưới lòng đất nên việc làm ngập đất đai

là có thể tránh được Sau giai đoạn xây dựng, đất trên bề mặt khu vực đập có thể tiếp tục được khai thác phục vụ cho các mục đích sử dụng như trước khi xây đập

- Không giống như đập trên mặt đất, những thảm họa tiềm tàng liên quan tới vỡ đập hầu như không xảy ra trường hợp xây đập ngầm

20

- Nước được tích trữ dưới mặt đất nên lượng bốc hơi mặt nước thấp Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với khu vực khô hạn Khi mực nước ngầm trong khu vực hồ chứa hạ thấp dần, bốc hơi nước giảm dần và thậm chí có thể ngưng hẳn khi nước giảm xuống sâu hơn so với mặt đất

- Nguy cơ ô nhiễm của nguồn nước trữ từ bề mặt giảm bởi vì các vi sinh vật không thể hô hấp trong nước ngầm Sự ô nhiễm nước bởi vi khuẩn và động vật cũng không xảy ra

- Không giống như đập trên mặt đất, việc lắng đọng bùn cát đối với hồ chứa ngầm hầu như không xảy ra

- Vì đập ngầm được chôn dưới đất nên đập gần như là không bị phá hủy hoặc ăn mòn, tuổi thọ và chức năng của đập ngầm gần như là vĩnh cửu nhờ sự tích lũy của trầm tích

- Đập ngầm không chỉ có hiệu quả sử dụng nguồn nước mà còn có thể dùng để kiểm soát mực nước dưới đất [19]

- Giải pháp kỹ thuật phù hợp với cộng đồng bởi một số lý do: giải pháp này gia tăng năng lực của các giếng thu nước có sẵn, xây dựng đơn giản và chi phí thấp, những công trình có quy mô nhỏ có thể nhân ra sử dụng rộng rãi và duy trì dễ dàng bởi cộng đồng dân cư

- Sau được xây dựng, việc duy tu bảo dưỡng đập ngầm là đơn giản, chi phí thấp, thậm chí là không có

1.5 Những khoảng trống trong nghiên cứu đập ngầm ở Việt Nam

Ở Việt Nam chưa có các nghiên cứu chuyên sâu về tính toán để xây dựng đập ngầm, hầu hết các nghiên cứu là các đề tài khoa học với các giải pháp đề xuất đi kèm, cũng như chưa có các đánh giá cụ thể, định lượng về khả năng và hiệu quả của đập ngầm Các nghiên cứu về địa chất, địa chất thuỷ văn hầu hết chỉ đánh giá riêng về nước dưới đất, không có những đánh giá về sự liên kết giữa nước mặt và nước dưới đất

Các đập được xây dựng ở Việt Nam gần đây hầu hết là các đập được xây dựng thô sơ

để chặn nước trên lòng sông suối sau đó các đập này bị cát cuội sỏi bồi lấp tạo ra “đập ngầm” Trong thực tế, chưa có đập ngầm nào được xây dựng trên các vùng hải đảo ở Việt Nam Chưa có hồ chứa nước ngầm nào được xây dựng, nên chưa có cơ sở khoa học nào được đưa ra

Trên thế giới các đập ngầm chủ yếu được xây dựng trong những năm 70, 80, 90 của thế

kỷ trước, khi đó công cụ tính toán và máy tính chưa phát triển Các tính toán đều áp dụng mô hình hồ chứa đơn giản hoặc theo các phương pháp giải tích Hơn nữa chưa có

1.6 Định hướng và phương pháp nghiên cứu

Để xây dựng được cơ sở khoa học khi nghiên cứu xây dựng đâp ngầm, luận án trước hết

đã xây dựng thí nghiệm trong phòng để kiểm chứng về mặt định tính các khả năng của đập ngầm về các mặt: nâng cao mực nước dưới đất, gia tăng trữ lượng nước ngọt và ngăn, đẩy mặn Tiếp đó, luận án xây dựng các các điều kiện cần thiết để có thể xác định được sơ bộ vị trí xây dựng đập ngầm Để đánh giá hiệu quả của đập ngầm cũng như chính xác hóa việc chọn tuyến, vị trí xây dựng, luận án cũng đã xây dựng ba tiêu chí đánh giá hiệu quả và xây dựng được phương pháp tổng quát giải bài toán tích hợp nước mặt, nước dưới đất, xâm nhập mặn, lan truyền chất

Các tính toán trước đây chủ yếu dựa vào các mô hình hồ chứa đơn giản hoặc theo các phương pháp giải tích đơn giản Do vậy các kết quả tính toán đã không phản ánh được tính không gian và thời gian của dòng chảy ngầm cũng như lượng nước khai thác Phương pháp chính trong luận án là xây dựng mô hình số ba chiều (3-D) tích hợp nước mặt, nước dưới đất và xét đến quá trình nhập mặn Sau đó, tiến hành ứng dụng bộ mô hình tích hợp để tính toán tài nguyên nước và ảnh hưởng của đập ngầm đối với tài nguyên nước vùng nghiên cứu (đảo Phú Quý tỉnh Bình Thuận) Đầu vào cơ bản của mô hình là các bản đồ cao độ số DEM, các số liệu, tài liệu về thành phần đất đá, hệ số thấm, các tầng chứa nước trên địa bàn vùng nghiên cứu Các số liệu về bản đồ sử dụng đất, bản đồ độ dốc, bản đồ thổ nhưỡng, các tài liệu về khí tượng, thủy văn: mưa, bốc hơi, dòng chảy

Luận án sử dụng tổng hợp các phương pháp tính toán lượng nước bổ cập xuống tầng chứa nước dưới đất như xác định lượng nước thấm thông qua việc sử dụng mô hình dòng chảy mặt, phương pháp biến động mực nước ngầm cải biên, phương pháp bổ cập RCH Sau khi tính toán được lượng nước bổ cập từ nguồn nước mặt, sử dụng mô hình MODFLOW cùng mô hình SEAWAT để mô phỏng dòng chảy nước dưới đất và xâm nhập mặn vào tầng chứa nước cho các kịch bản chưa có đập và có đập Từ đó định lượng

Đập ngầm khi so sánh với đập ngăn nước mặt có một số lợi thế điển hình đó là: không chiếm đất, tránh được bốc hơi, ổn định và an toàn, sử dụng nguồn nước tái tạo từ nước mưa, việc xây dựng đập không kéo theo hệ lụy là xuất hiện lũ lụt bề mặt đồng thời đảm bảo sự vắng mặt của hầu hết các tác động tiêu cực về sử dụng đất và hệ sinh thái, và việc xây dựng đập ngầm không hình thành trầm tích như đập trên bề mặt, cho phép đập ngầm hoạt động gần như vĩnh viễn Việc mất nước hồ chứa do bốc hơi cũng giảm Nhờ đặc tính này, đập ngầm được đánh giá cao hơn các phương pháp phát triển nguồn nước khác trong vùng khô hạn và bán khô hạn

Các đập ngầm chủ yếu được xây dựng trong những năm 70, 80, 90 của thế kỷ 20, khi

đó công cụ tính toán và máy tính chưa phát triển Các tính toán theo mô hình hồ chứa đơn giản và chưa có cơ sở khoa học nào được công bố Về sau, các nghiên cứu về thủy văn nước ngầm với sự hỗ trợ của máy tính chủ yếu dựa vào mô hình MODFLOW

Ở Việt Nam chưa có hồ chứa nước ngầm nào được xây dựng nên chưa có các nghiên cứu chuyên sâu về tính toán khi xây dựng đập ngầm Các nghiên cứu về tài nguyên nước dưới đất ở Việt Nam chủ yếu thông qua điều tra, khảo sát và chưa có các đánh giá về xâm nhập mặn với phương án cụ thể dùng đập ngầm để ngăn đẩy mặn và trữ ngọt Do vậy, việc thực hiện nghiên cứu như đã đặt ra là mới và mang tính khoa học và thực tiễn cao

23

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC XÂY DỰNG ĐẬP NGẦM TRÊN ĐẢO

2.1 Một số đặc điểm về tài nguyên nước trên các đảo

Những đặc điểm chính của biển đảo Việt Nam là có khí hậu nhiệt đới tạo điều kiện cho sinh vật biển phát triển và tồn tại tốt, biển có tài nguyên sinh vật và khoáng sản phong phú, đa dạng và quý hiếm Nguồn nước trong các đảo vừa và nhỏ bao gồm: nước mưa, nước mặt và nước dưới đất Nước mưa rơi trên bề mặt đảo phần lớn theo bề mặt thoát

ra biển, một phần thấm xuống đất Phần thấm xuống đất một phần được trữ trong các lớp không bão hòa nằm trên mực nước ngầm, một phần thấm xuống cung cấp cho nước ngầm, một phần nhỏ được trữ trong các hồ ao hoặc các vùng trũng

Nước trữ trong các lớp đất không bão hòa thường xuyên nằm trên mực nước ngầm Nước dưới đất cũng như nước mưa trữ trong các vùng trũng được thoát dần ra biển đồng thời bị bốc hơi Do được bao quanh bởi biển, diện tích đảo không lớn vì vậy một phần khá lớn nước mưa rơi trên đảo được thoát trực tiếp ra biển, đặc biệt đối với các đảo địa hình ít phân cắt, ít các thung lũng cũng như các vùng trũng có khả năng trữ nước, giữ nước tạm thời cũng như không có các tầng cách nước để chặn nước dưới đất không thoát trực tiếp ra biển nên trên các đảo dòng mặt không phát triển, thường chỉ tồn tại các dòng chảy tạm thời, ít các dòng chảy thường xuyên có lưu lượng lớn

Tài nguyên nước dưới đất đóng vai trò hết sức quan trọng trong cung cấp nước phục vụ

ăn uống sinh hoạt và sản xuất trên đảo Đất đá nằm dưới mặt đất là các bể chứa nước ngầm có vai trò trữ nước mưa để cung cấp cho đảo Nước dưới đất trên đảo có các đặc điểm cơ bản như nguồn cung cấp cho nước dưới đất là nước mưa rơi trực tiếp trên bề mặt đảo, một phần từ các hồ ao, vùng trũng chứa nước trên đảo

Hướng thoát của nước dưới đất theo các con đường: theo dòng ngầm thoát ra biển; thoát trực tiếp ra trên đảo tại nơi địa hình cắt vào tầng chứa nước hoặc có các tầng chắn nước hình thành các mạch nước; bốc hơi Tuy nhiên cũng như dòng mặt, do bị biển bao quanh, biển là nơi thoát nước rất thuận tiện của nước dưới đất vì vậy phần lớn nước dưới đất thoát trực tiếp ra biển Ngoài ra con đường thoát quan trọng của nước dưới đất là bốc hơi

Nước dưới đất luôn nằm trong cân bằng động Xác định các thành phần cân bằng để tính toán lượng nước mưa, nước mặt cung cấp cho nước dưới đất cũng như lượng dòng chảy của nước ngầm trên đảo là hết sức cần thiết Một đặc điểm rất quan trọng khi nghiên

Các đảo vừa và nhỏ tài nguyên nước mặt hạn chế, nước dưới đất được bao quanh bởi nước mặn nếu khai thác không hợp lý sẽ dẫn tới xâm nhập mặn Từ đó để khai thác có hiệu quả tài nguyên nước cần thiết tiến hành các công tác nghiên cứu một cách toàn diện các nguồn nước, mà quan trọng nhất là điều tra đánh giá nước dưới đất bao gồm: (i) Cấu trúc địa chất, diện tích chiều sâu phân bố, chiều dày và tính thấm, chứa nước, dẫn nước của các tầng chứa nước; (ii) Diện tích, chiều sâu phân bố, chiều dày, tính thấm của các tầng cách nước, thấm nước yếu; (iii) Xác định chiều sâu và cao độ mực nước, hướng dòng chảy, vùng thoát của nước ngầm; (iv) Quan trắc sự thay đổi của mực nước, chất lượng nước ngầm theo thời gian; (v) Xác định lượng cung cấp của nước mưa cho nước ngầm; (vi) Phân tích chất lượng nước ngầm, xác định bề mặt phân chia giữa nước mặn

và nước ngầm

2.1.1 Sự hình thành thấu kính nước ngọt trên các đảo

2.1.1.1 Quan hệ Ghyben – Herzberg

Nghiên cứu về sự hình thành thấu kính nước ngọt trên các đảo nhỏ, phân bố và quan hệ mặn nhạt trong các cồn cát ven biển lần đầu tiên được Badon – Ghyben (1888, 1889) và Herzberg (1901) công bố Các thí nghiệm và nghiên cứu của các tác giả này đã chứng minh ảnh hưởng của tỷ trọng chất lỏng, do nước ngọt có tỷ trọng f thấp hơn tỷ trọng của nước mặn s nên có xu hướng nổi lên trên bề mặt nước biển (Hình 2.1) Với các đảo có nước mặn bao quanh, quan hệ Ghyben – Herzberg được xác định theo công thức:

𝐻 = 𝜌𝑓

Trong đó: f – Tỷ trọng của nước ngọt; s – Tỷ trọng của nước mặn

H: là độ sâu đến mặt phân cách (biên mặn, nhạt); h: Mực nước ngầm trên mặt nước biển

Từ phía biển, do sự lên-xuống của thủy triều, nước mặn lại có xu hướng xâm nhập vào đất liền Hai quá trình nghịch đối đó tạo ra một thấu kính mặn-nhạt ở phía hạ lưu theo nguyên lý Ghyben-Herzberg kể trên Trong điều kiện bình thường, khối mặn-nhạt đó tồn tại ở thế cân bằng động với độ xê dịch không lớn lắm về phía này hay phía kia

25

Hình 2.1 Mô tả lý thuyết về mối quan hệ Ghyben – Herzberg [21]

Nhưng khi mực nước biển dâng cao thì cân bằng sẽ bị phá vỡ, nước mặn sẽ thắng thế, lấn sâu vào đất liền và tràn ngập trên diện rộng Các điều kiện theo nguyên lý Ghyben-Herzberg chỉ phù hợp trong điều kiện lý tưởng

Trong thực tế nguyên lý Ghyben-Herzberg và phương pháp này thể được sử dụng để dự kiến sơ bộ bề mặt phân cách giữa nước mặn và nước ngọt Lý thuyết của Ghyben-Herzberg chỉ là bước khởi đẩu cho những nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu về vấn đề này

Ngược với các điều kiện lý tưởng trong lý thuyết Ghyben-Herzberg, Hubbert đã giải quyết các vấn đề về mặt phân cách nước mặn-nước ngọt trong điều kiện dòng chảy ổn định thực tế năm 1940 Năm 1954 Keulegan phát triển các lý thuyết về mặt phân cách nghiêng Bear và Dagan đã nghiên cứu về các giải pháp dịch chuyển biên mặn-ngọt Dupuit đã nghiên cứu về vị trí tức thời của các mặt phân cách do sự thay đổi đột ngột của lưu tốc dòng chảy Dagan và Bear đã phát triển các giải pháp nêm hình nón, giả thiết rằng các nêm hình nón của các mặt phân cách do một phễu các điểm và sử dụng các kỹ thuật nhiễu loạn để đưa ra được các giải pháp

Điều kiện ứng dụng của nguyên lý Ghyben – Herzberg có kết quả phù hợp là phải có nền đồng chất, nền đáy có chiều sâu vô hạn và đúng với phương trình Dupuit Để ứng dụng được nguyên lý Ghyben-Herzberg cần phải có điều kiện là cân bằng tương đối giữa nước mặn và nước ngọt đòi hỏi mực nước ngầm (trong trường hợp tầng chứa nước không áp) hoặc mực thủy áp (trong tầng chứa nước có áp) phải thỏa mãn điều kiện: nằm phía trên mực nước biển và đường mực nước có hướng chảy ra biển)

h

H Nước ngầm nhạt

Nước ngầm nhiễm mặn Nước ngầm nhiễm mặn

26

2.1.1.2 Quan hệ của nước mặt và nước dưới đất khi xét đến ảnh hưởng của mưa

Xét một hòn đảo có sơ đồ mặt cắt như Hình 2.2 Đảo có tầng chứa nước không

áp, với chiều dày hữu hạn

Hình 2.2 Ảnh hưởng của nước mưa đến tầng chứa nước dưới đất

Mực nước trên đảo tại vị trí x là hx đượctính theo công thức sau [22]:

2 2

W ( )

W2

Mực nước lớn nhất trên đảo được tính theo biểu thức

2 2 max

W4

27

- Trong thực tế lượng nước bổ cập xuống tầng chứa nước dưới đất chỉ chiếm một phần lượng nước mưa rơi xuống khu vực, do vậy sử dụng công thức: W*=A.W, trong đó: W là cường độ mưa, A là tỷ lệ %

2.1.2 Nhận xét chung

Trên các hải đảo, tồn tại mối quan hệ mật thiết giữa nước mặt, nước dưới đất và nước biển Nước mặt xuất hiện trên đảo chủ yếu do mưa, tuy nhiên trên một số đảo, đất đá có tính thấm nước tốt; lượng bốc hơi tương đối lớn, nên trên đảo không hình thành dòng chảy mặt thường xuyên Nguồn nước mưa rơi xuống đảo, phần lớn thấm xuống đất cung cấp cho nước dưới đất, một phần tạo thành dòng chảy mặt tạm thời đổ ra biển và một phần còn lại bốc hơi trở lại khí quyển

Các mối quan hệ giữa mưa, bốc hơi, lượng nước khai thác, nước mặt, nước dưới đất và nước biển được thuyết minh ở trên chỉ có ý nghĩa lý thuyết và chỉ được áp dụng trong một số trường hợp đặc biệt Đảo được lý thuyết hóa là hình trụ, vách xung quanh của đảo là thẳng đứng, tầng chứa nước của đảo là một tầng chứa nước có đáy nằm ngang không áp, đồng nhất và đẳng hướng, số lượng bơm khai thác nước là rất nhỏ, mưa trên đảo phân bố đều theo cả không gian và thời gian, tương tác giữa hệ thống nước mặt-và

hệ thống nước ngầm bị bỏ qua, v.v

Trong thực tế, khi các yếu tố mưa, bốc hơi, lượng khai thác, lượng bổ cập, mực nước ngầm…thay đổi theo thời gian và không gian, và khi số lượng giếng khai thác tăng lên rất nhiều, tầng chứa nước gồm nhiều lớp phức tạp và không đồng nhất, không đẳng hướng, hình dạng của đảo là bất kỳ và địa hình mặt đất phức tạp, tương tác giữa hệ thống nước mặt-và hệ thống nước ngầm cần được xem xét thì việc áp dụng các phương pháp giải tích gặp nhiều khó khăn Từ đó dẫn đến việc phát triển các phương pháp số (numerical methods) để tính toán thủy động lực dòng chảy ngầm cho phép xét đến các yếu tố kể trên

Phương pháp số với sự hỗ trợ của công cụ máy tính có nhiều ưu điểm hơn phương pháp nghiên cứu lý thuyết như có thể xét nhiều yếu tố tác động vào bài toán và có thể giải được rất nhiều bài toán phức tạp mà phương pháp lý thuyết, giải tích khác không cho lời giải