Nghiên cứu quá trình bổ cấp của nước mưa cho tầng chứa nước holocene ở vùng đan phượng hà tây bằng kỹ thuật đồng vị và kỹ thuật liên quan

NGUYỄN VĂN HOÀN NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH BỔ CẤP CỦA NƯỚC MƯA CHO TẦNG CHỨA NƯỚC HOLOCENE Ở VÙNG ĐAN PHƯỢNG – HÀ TÂY BẰNG KỸ THUẬT ĐỒNG VỊ VÀ KỸ THUẬT LIÊN QUAN Chuyên ngành: ĐỊA CHẤT THỦY

NGUYỄN VĂN HOÀN

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH BỔ CẤP CỦA NƯỚC MƯA CHO TẦNG CHỨA NƯỚC HOLOCENE Ở VÙNG ĐAN PHƯỢNG – HÀ TÂY BẰNG KỸ THUẬT ĐỒNG VỊ

VÀ KỸ THUẬT LIÊN QUAN

Chuyên ngành: ĐỊA CHẤT THỦY VĂNlo

Mã số: 60.44.63

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 TS Đặng Đức Nhận

2 PGS.TS Flemming Larsen

HÀ NỘI - 2008

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các tài liệu trích dẫn

và số liệu sử dụng trong luận văn là trung thực, được trình bày đầy đủ trong phần phụ lục Các kết quả nghiên cứu cũng như các luận điểm của luận văn chưa được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Hoàn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

hyđrua hoá mẫu

Đại học Khoa học tự nhiên

ĐCTV-ĐCCT Địa chất thuỷ văn - Địa chất công trình

Mỹ GEMS UNEP Chương trình quan trắc môi trường Liên hiệp quốc

IAEA Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế

INST Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân

LKQT Lỗ khoan quan trắc

và khống chế chất lượng Quốc tế

qh Tầng chứa nước Holocene

qp Tầng chứa nước Pleistocene

UNICEF Tổ chức văn hóa giáo dục của Liên hiệp Quốc

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN

trong các năm 2003-2007

72

Bảng 4.7: Lượng mưa trung bình theo mùa và theo năm trong nước mưa

khu vực Sơn Tây trong 5 năm từ 2003-2007

74

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN

Tên hình vẽ Trang

Hình 1.1: Phân bố toàn cầu về hiện trạng As trong nước ngầm do các

nguồn khác nhau gây ra Điểm chấm đỏ là do khai khoáng, điểm

chấm xanh là do nước địa nhiệt gây ra ở khu vực hồ, vùng đỏ là

nước ngầm ở các lưu vực sông, nguồn [85]

14

Hình 1.3: Dãy biến đổi các giá trị δP

13

C trong các hợp phần tự nhiên khác nhau [101]

19

Hình1.4: Sự thay đổi thành phần đồng vị trong chu trình thủy văn 23

Hình 1.5: Mối liên hệ giữa P

Hình 2.5: Đồ thị dao động mực nước theo thời gian của sông Hồng và sông

Đáy từ 1995-2000, nguồn [37]

40 Hình 4.1: Sự biến đổi hàm lượng D, P

Hình 4.6: Sự thay đổi thành phần đồng vị δD theo mùa trong năm 2006

của nước sông chính và sông nhánh

Hình 4.10: Sự thay đổi thành phần đồng vị δD theo thời gian giữa 4 đợt lấy

mẫu của các lỗ khoan dãy K

Hình 4.15: Các lớp trầm tích thuộc đới thông khí quan sát ngay trên bở

phải sông nhánh phía Nam, theo [61]

60 Hình 4.16: Sự thay đổi thành phần đồng vị δP

Hình 4.22: Mối liên hệ giữa δD và δP

Hình 4.31: Tương quan giữa lượng mưa (R) và hàm lượng Clo (Cl) tương

ứng theo tháng của mùa mưa

75

Hình 4.32: Tương quan giữa lượng mưa (R) và hàm lượng Clo (Cl) tương

ứng theo tháng của mùa khô

75

Hình 4.33: Sự tồn tại của As trong môi trường phụ thuộc vào Eh và pH,

nguồn [44]

80

Hình 4.34: Phân bố As trong các lưu vực sông Nam Hymalaya theo [81],

vùng đỏ là vùng có nước ngầm bị ô nhiễm As

Hình 4.38: Tương quan hàm lượng giữa [AsP

Hình 4.41: Sự biến đổi hàm lượng AsP

3+

Hình 4.43: Sự biến đổi hàm lượng FeP

2+

Hình 4.45: Sự biến đổi hàm lượng NHB 4 PB

+

Hình 4.47: Sự biến đổi hàm lượng HCOB 3 PB

Hình 4.54 Mối quan hệ giữa [ΣFe] và [ΣAs] trong các mẫu nước nghiên

Hình 4.56 Mối quan hệ giữa [NHB 4 PB

13

C) và hàm lượng bicacbonat trong các mẫu nước nghiên cứu (11/2007)

98

Hình 4.71: Đường biểu diễn Gradient thủy lực của nước sông

và nước ngầm theo [61]

103

Danh mục các bảng biểu được sử dụng trong luận văn

Danh mục các hình vẽ được sử dụng trong luận văn

Mục lục Lời cám ơn

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu quá trình bổ cấp nước cho nước

ngầm

8

1.1.1 Các phương pháp phi đồng vị 8

1.1.1.1 Phương pháp địa chất thuỷ văn 8

1.1.1.2 Phương pháp cân bằng clo đánh giá lượng nước bổ cấp cho

tầng Holocene

10

1.1.2 Các phương pháp đồng vị 12

1.2 Vấn đề đặt ra và hướng giải quyết 16

1.3.1 Sử dụng đồng vị bền trong nghiên cứu bổ cấp nước 17

1.3.3.2 Phân tách đồng vị của nước trong chu trình thủy văn 22

1.3.4 Cơ sở lý thuyết nhận diện các nguồn bổ cấp nước 25

1.3.5 Cơ sở lý thuyết định lượng các nguồn bổ cấp nước 27

CHƯƠNG 2: CÁC ĐIỀU KIỆN VÀ NHÂN TỐ CHÍNH ẢNH

HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH BỔ CẤP

31

2.1 Các điều kiện tự nhiên ảnh hưởng tới quá trình bổ cấp 31

2.1.1 Vị trí địa lý vùng nghiên cứu 31

2.1.3 Đặc điểm địa chất 32

2.1.3.2 Đặc điểm Địa tầng 32 2.1.4 Đặc điểm địa chất thuỷ văn 34

2.2 Các nhân tố tự nhiên ảnh hưởng tới quá trình bổ cấp 38

2.2.1 Đặc điểm khí tượng 38 2.2.2 Đặc điểm thủy văn 39 2.3 Các nhân tố nhân tạo ảnh hưởng tới quá trình bổ cấp 40

2.3.1 Hoạt động khai thác nước dưới đất 40

2.3.2 Các hoạt động kinh tế 41 2.4 Các quá trình liên quan tới khả năng bổ cấp nước 42

2.4.1 Quá trình ngấm 42 2.4.2 Quá trình bốc hơi 42 2.4.3 Quá trình pha trộn nước 42

2.4.5 Quá trình trao đổi hấp phụ 43

2.4.7 Các quá trình vi sinh vật 44 2.5 Các nguồn bổ cấp cho nước ngầm tầng Holocen vùng nghiên cứu 44

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45

3.1 Phương pháp tiến hành và kỹ thuật sử dụng 45

3.3 Thiết bị lấy mẫu, quy trình lấy mẫu và bảo quản mẫu 46

CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH BỔ CẤP CỦA NƯỚC MƯA CHO TẦNG

CHỨA NƯỚC HOLOCENE

51

4.1 NHẬN DIỆN CÁC NGUỒN BỔ CẤP NƯỚC CHO TẦNG CHỨA

NƯỚC HOLOCENE BẰNG KỸ THUẬT ĐỒNG VỊ

51

4.1.1 Đặc điểm đồng vị của nước mưa 51

4.1.3.1 Sự thay đổi thành phần đồng vị của nước ngầm tầng Holocene

theo thời gian

56

4.1.3.2 Sự thay đổi thành phần đồng vị của nước ngầm tầng Holocene

theo không gian và độ sâu

57

4.1.4.2 Mối quan hệ thủy lực giữa sông chính, sông nhánh và nước

4.3.1.1 Hàm lượng Clo trong nước mưa 71

4.4 MỐI QUAN HỆ GIỮA QUÁ TRÌNH BỔ CẤP NƯỚC VỚI VẤN ĐỀ

Ô NHIỄM AS TRONG TẦNG CHỨA NƯỚC HOLOCENE

4.5.1.1 Sự tồn tại của As trong trầm tích vùng nghiên cứu 77

4.5.1.2 Sự tồn tại của As trong môi trường nước 79

4.5.2 Đặc điểm địa hóa môi trường 82

4.5.3 Các quá trình giải phóng và di chuyển As từ trầm tích vào nước

ngầm vùng nghiên cứu

84

4.5.3.2 Quá trình sinh hoá (vi khuẩn) 85

4.5.9 Cơ chế giải phóng và di chuyển của As từ trầm tích vào nước

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 109

PHỤ LỤC

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ được hoàn thành tại bộ môn Địa chất thủy văn, Trường Đại học Mỏ - Địa chất dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Đặng Đức Nhận và PGS.TS Flemming Larsen Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất tới hai thầy hướng dẫn đặc biệt là TS Đặng Đức Nhận - Thầy giáo, người hướng dẫn chuyên môn cho

em từ năm 2005 đến nay Dưới sự dìu dắt của Thầy, học viên không chỉ thấy niềm tin mà còn luôn tự động viên mình phải cố gắng vươn lên nhiều hơn nữa, trở thành một nhà khoa học Em sẽ mãi ghi nhớ công lao dìu dắt, dạy bảo của Thầy

Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới tổ chức DANIDA – Đan Mạch, GS.TSKH Bùi Học, PGS.TS Phạm Quý Nhân, GS.TS Phạm Hùng Việt, GS.TS Dieke P cùng các nhà khoa học khác thuộc dự án VietAs – DANIDA đã tạo mọi điều kiện cả về vật chất và tinh thần cho học viên thực hiện khóa luận

Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, TS Trịnh Văn Giáp – Viện trưởng Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, tập thể Phòng thí nghiệm Thủy văn Đồng vị đã tạo điều kiện cho học viên thực hiện

đề tài cơ sở lấy số liệu thực hiện khóa luận

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Lâm - chủ nhiệm Khoa Địa chất, các thầy cô giáo đến từ bộ môn Địa chất thủy văn, phòng Đại học và sau Đại học - Trường Đại học Mỏ - Địa chất; Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước miền Bắc; Phòng lưu trữ - Viện Khí tượng Thủy văn; Chị Vũ Quỳnh Hoa và các cán bộ thuộc phòng Phân tích Môi trường – Trung tâm Mạng lưới KT-TV-MT; Các bạn đồng nghiệp: Đặng Hoàng Hà, Hoàng Văn Hoan, Triệu Đức Huy, Nguyễn Bách Thảo, Nguyễn Minh Huệ, Mai Thanh Đức, Trần Thị Lựu, Lê Quỳnh Hoa đến

từ dự án VietAs-DANIDA; Cuối cùng là gia đình, bạn bè, người thân đã khích lệ, động viên học viên trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn thạc sĩ

Em xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đối với tất cả những sự giúp đỡ quý báu đó!

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận văn

Nghiên cứu quá trình bổ cấp cho các tầng chứa nước là những thủ tục phức tạp không chỉ vì phải định tính và định lượng nguồn bổ cấp mà còn phải nhận diện các quá trình địa hóa, sinh địa hóa, thủy địa hóa xảy ra trong mối tương tác địa tầng -nước dẫn đến sự hình thành thành phần hóa học nước dưới đất, đồng thời tạo nên các cân bằng vật chất cũng như các dị thường hóa học và gây ra ô nhiễm tầng chứa nước Tầng chứa nước Holocene là tầng nước ngầm đầu tiên tính từ mặt đất Đây là tầng giàu nước được sử dụng như một nguồn nước ngầm quan trọng cung cấp cho nhu cầu sinh hoạt của nhân dân ở các vùng nông thôn Tầng chứa nước Holocene thông với mặt đất qua đới thông khí Do vậy, nó rất dễ bị nhiểm bẩn bởi các nguồn

ô nhiễm nhân tạo do thấm theo phương thẳng đứng cùng với nước mưa

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế-xã hội, nhu cầu sử dụng nước sạch ngày càng tăng Nước mưa là một trong hai thành phần chính bổ cấp cho các tầng nước ngầm Mực nước dưới đất có liên quan chặt chẽ tới trữ lượng nguồn tài nguyên nước của tất cả các quốc gia trên thế giới Đảm bảo mực nước dưới đất, một mặt cho phép đảm bảo khai thác và cung cấp đủ nước sinh hoạt cho dân chúng, mặt khác giữ bình ổn cấu tạo địa tầng không gây lún sụt địa chất ảnh hưởng đến các công trình kiến trúc dân sinh cũng như quốc phòng Chính vì lý do đó, nhiều nhà khoa học trên thế giới đã quan tâm nghiên cứu giải pháp ổn định mực nước dưới đất cũng như các quá trình địa hóa, sinh địa hóa, thủy địa hóa xảy ra trong mối tương tác địa tầng - nước Có rất nhiều phương pháp để nghiên cứu quá trình bổ cấp nước mưa xuống nước ngầm như phương pháp địa chất thuỷ văn, phương pháp cân bằng clo (CMB) và phương pháp đồng vị, trong đó, phương pháp đồng vị được coi là một cách tiếp cận độc đáo, có hiệu quả và đang được nhiều nhà nghiên cứu áp dụng để giải thích các quá trình thủy địa hóa trong các tầng chứa nước

Trong lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng, quy hoạch khai thác nước ngầm ở Việt Nam, bài toán về sự đóng góp của nước mưa cho nước ngầm vẫn chưa được đề cập

đúng mức Các kết quả nghiên cứu trước đây chỉ nhận diện quá trình bổ cấp mà chưa định lượng được nguồn bổ cấp cho nước ngầm Mặt khác, ô nhiễm As trong các tầng chứa nước – một ví dụ điển hình của các quá trình địa hóa, sinh địa hóa, thủy địa hóa xảy ra trong mối tương tác địa tầng - nước tuy đã được nghiên cứu ở Việt Nam trong nhiều năm qua, song các nghiên cứu mới chỉ tập trung vào điều tra hiện trạng ô nhiễm, đánh giá nguồn gốc cũng như các giải pháp phòng ngừa, xử lý nước ngầm bị ô nhiễm As mà chưa có những nghiên cứu chi tiết để giải thích cơ chế giải phóng và di chuyển của As từ trầm tích vào các nguồn nước ngầm Điều đó đòi hỏi cần phải có những nghiên cứu sâu về nhận diện các nguồn bổ cấp cho nước ngầm, định lượng các quá trình bổ cấp và giải thích động học của các quá trình địa hóa, sinh địa hóa, thủy địa hóa xảy ra trong mối tương tác địa tầng - nước để tìm ra

cơ chế giải phóng và di chuyển (mobilization) của As từ trầm tích vào trong nước ngầm ở Việt Nam nói chung và ở vùng đồng bằng Bắc Bộ nói riêng Vì vậy đề tài: “ Nghiên cứu quá trình bổ cấp của nước mưa cho tầng chứa nước Holocene ở vùng Đan Phượng - Hà Tây bằng kỹ thuật đồng vị và kỹ thuật liên quan” hoàn toàn có tính thời sự và cấp thiết

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Từ những vấn đề thực tiễn của công tác khai thác, sử dụng nguồn nước ngầm, đối tượng nghiên cứu được xác định là tầng chứa nước Holocene trong trầm tích Đệ

Tứ khu vực Đan Phượng – Hà Tây, nơi chưa bị ảnh hưởng nhiều của các yếu tố nhân sinh để chỉ tập trung nghiên cứu mối tương tác nước - địa tầng Bên cạnh đó, các mẫu nước của sông chính và các sông nhánh xung quanh khu vực bãi giếng thí nghiệm cũng được thu thập theo tháng; các mẫu nước mưa thu thập theo tháng được thực hiện tại trạm quan trắc của Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân Một số mẫu trầm tích trong đới thông khí, trong các tầng chứa nước và cách nước cũng được thu thập theo độ sâu khi tiến hành khoan Phạm vi nghiên cứu của luận văn được khu trú trên bãi thí nghiệm ở xã Trung Châu - Đan Phượng nơi mà một mặt cắt địa chất thuỷ văn tiêu biểu đã được lựa chọn

3 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của luận văn là nghiên cứu quá trình bổ cấp của nước mưa cho tầng

chứa nước Holocene ở vùng Đan Phượng - Hà Tây bằng kỹ thuật tính toán cân bằng clo và kỹ thuật địa hóa kết hợp với kỹ thuật đồng vị

4 Nội dung nghiên cứu

Luận văn tập trung giải quyết những nội dung sau:

- Tổng quan các kết quả nghiên cứu về địa chất thủy văn, thuỷ địa hoá và đồng

vị có liên quan đến nội dung nghiên cứu

- Nhận diện các nguồn bổ cấp nước cho nước ngầm tầng Holocene khu bãi giếng thí nghiệm và định lượng lượng bổ cấp bằng phương pháp đồng vị

- Đối sánh kết quả trên với kết quả tính theo phương pháp cân bằng clo (CMB)

- Nghiên cứu mối quan hệ giữa quá trình bổ cấp nước với các quá trình địa hóa, sinh địa hóa, thủy địa hóa xảy ra trong mối tương tác địa tầng -nước dẫn đến quá trình giải phóng và di chuyển As từ trầm tích vào nước

- Nghiên cứu sự tồn tại của As trong trầm tích và trong nước ngầm tầng Holocene để hiểu rõ tương tác địa tầng - nước và đưa ra quy luật phân bố của As trong nước ngầm tầng Holocene

- Nghiên cứu mối quan hệ của As với pH, Eh để xác định đặc điểm địa hoá môi trường nước ngầm tầng Holocene và dạng tồn tại của nó trong TCN Holocene

- Nghiên cứu mối quan hệ của As với CH4,NH4+ để làm rõ vai trò của vi sinh vật trong quá trình giải phóng và di chuyển của As từ trầm tích vào nước ngầm

- Nghiên cứu mối quan hệ của As với DOC và với Fe2+, Ca2+, Mg2+, HCO3- để hiểu rõ hơn quá trình hòa tan – kết tủa trong hệ HCO3- - Fe2+ - DOC góp phần luận giải vai trò của DOC trong quá trình giải phóng và di chuyển As từ trầm tích vào nước ngầm

- Nghiên cứu nguồn gốc bicarbonate trong nước ngầm bằng phương pháp đồng vị 13C để xác định cơ chế giải phóng và di chuyển As từ trầm tích vào nước ngầm

5 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng

a Cách tiếp cận

Để đạt được mục tiêu đặt ra, luận văn sẽ sử dụng những cách tiếp cận sau:

- Cách tiếp cận hệ thống

- Cách tiếp cận Môi trường – Sinh thái

- Cách tiếp cận khoa học, kỹ thuật hiện đại

b Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu và các nội dung đề ra, tác giả phối hợp sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu

- Phương pháp trao đổi chuyên gia

- Phương pháp khảo sát thực địa và tiến hành đo đạc tại hiện trường

- Phương pháp lấy mẫu phân tích và xử lý kết quả

lượng bổ cấp của nước mưa cho nước ngầm tầng chứa nước Holocene vùng nghiên cứu Cũng có thể nói, đây là một trong những công trình đầu tiên sử dụng phương pháp đồng vị 13C kết hợp với phương pháp thủy địa hoá để nghiên cứu cơ chế giải phóng và di chuyển As từ trầm tích vào nước ngầm Vì vậy, kết quả nghiên cứu của luận văn bước đầu xây dựng phương pháp luận kết hợp phương pháp đồng vị và phương pháp tính toán cân bằng clo để nhận diện các nguồn bổ cấp và tính toán lượng bổ cấp cũng như xây dựng phương pháp luận kết hợp phương pháp đồng vị

13C với phương pháp thủy địa hoá để nghiên cứu cơ chế giải phóng và di chuyển As

từ trầm tích vào nước ngầm

Kết quả nghiên cứu chứng minh kỹ thuật đồng vị có hiệu quả trong việc giải thích các quá trình thủy địa hóa trong các tầng chứa nước Đồng thời minh chứng cho sự kết hợp chặt chẽ nhiều phương pháp khác nhau trong việc giải quyết các bài toán thuỷ địa hoá phức tạp và khó khăn trên quan điểm địa hoá môi trường và địa hoá thuỷ văn đồng vị

Kết quả nghiên cứu khẳng định khả năng thiết bị cũng như lực lượng khoa học của tập thể các nhà khoa học Địa chất thủy văn, Thủy địa hóa, Thuỷ văn đồng vị Việt Nam trong phối hợp nghiên cứu triển khai giải quyết các bài toán địa chất thủy

văn và môi trường

6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả tính toán lượng bổ cấp cho phép tính toán lượng nước vào, lượng nước ra trong cân bằng trữ lượng nguồn nước ngầm để có biện pháp bổ sung nguồn nước ngầm và có kế hoạch khai thác nước ngầm hợp lý vừa để đảm bảo cung cấp

đủ nước sinh hoạt cho dân chúng vừa để giữ bình ổn cấu tạo địa tầng không gây ra các tác động tiêu cực do quá trình khai thác nước gây ra

Các kết quả nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ cơ chế giải phóng và di chuyển

As từ trầm tích vào nước ngầm để từ đó đưa ra những nhận định toàn diện hơn mối

tương tác giữa ô nhiễm As với việc khai thác và sử dụng nước ngầm, giúp cho việc quy hoạch, xây dựng các bãi giếng khai thác nguồn tài nguyên nước ngầm một cách hợp lý và hiệu quả Bên cạnh đó, hiểu rõ nguồn gốc phát sinh và cơ chế giải phóng,

di chuyển của As là cơ sở để phát triển công nghệ xử lý, đề xuất kỹ thuật thích hợp, phù hợp với điều kiện kinh tế ở các vùng nông thôn để lấy nước sạch cung cấp cho người tiêu dùng nhằm giảm thiểu nguy cơ ảnh hưởng của As đến sức khoẻ cộng đồng

7 Cơ sở tài liệu của luận văn

- Các số liệu địa tầng, địa chất, địa chất thuỷ văn được thu thập chủ yếu từ Liên Đoàn Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước Miền Bắc và từ dự án VietAs - DANIDA

- Các số liệu về khí tượng thuỷ văn trong 5 năm từ 2003-2007 được lấy từ Trung tâm Quan trắc Mạng lưới Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường Quốc Gia

- Các số liệu phân tích thành phần hóa học trong các mẫu nước ngầm phân tích trong các năm 2006-2007; Các số liệu phân tích thành phần khoáng vật; loại trầm tích; hàm lượng As trong các loại trầm tích lỗ khoan và trầm tích sông; các chỉ số CEC được lấy từ dự án VietAs – Danida

- Các số liệu phân tích đồng vị của nước ngầm và nước sông trong 3 năm từ 5/2005 đến 5/2008, của nước mưa khu vực Hà Nội trong 5 năm từ 2003-2007, các

số liệu phân tích thành phần hóa học bổ sung trong các tháng đầu năm 2008 được Phòng Thuỷ văn đồng vị - Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân cung cấp

- Các số liệu về thành phần hóa học trong nước mưa khu vực Hà Nội theo tháng trong 5 năm từ 2003-2007 được lấy từ Phòng Thuỷ văn đồng vị - Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân cung cấp

- Các số liệu về thành phần hóa học trong nước biển trạm Hòn Dấu theo tháng trong 5 năm từ 2003-2007 được Phòng lưu trữ, Viện Khí tượng thủy văn Quốc Gia cung cấp

- Một số dữ liệu và vấn đề liên quan tới luận văn cũng được trích dẫn từ các bài báo và tài liệu đã được công bố trong những năm gần đây (trong nước và trên thế giới) mà tác giả là đồng tác giả của các công bố ấy

8 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 47 trang, 16 bảng biểu, 51 hình vẽ, 14 ảnh được viết trong 04 chương ngoài phần mở đầu và kết luận Chương 1 trình bày tổng quan tài liệu, tình hình nghiên cứu quá trình bổ cấp nước trên thế giới và ở Việt Nam, đồng thời đưa

ra các ý tưởng khoa học mà luận văn tập trung giải quyết và cơ sở lý thuyết để áp dụng các phương pháp nghiên cứu Chương 2 nêu một cách khái quát các điều kiện

tự nhiên như địa hình, địa chất , các nhân tố tự nhiên như khí tượng, thủy văn ảnh hưởng tới quá trình bổ cấp nước, các quá trình liên quan tới khả năng bổ cấp nước Chương 3 trình bày tỉ mỉ tất cả các quá trình khảo sát thực địa, lấy mẫu phân tích,

đo đạc hiện trường, các chỉ tiêu phân tích và các phương pháp phân tích các chỉ tiêu

đó Chương 4 trình bày rõ ràng tất cả các vấn đề mà luận văn tập trung giải quyết, kết quả nghiên cứu và bàn luận kết quả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Trên cơ sở phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong nước và ngoài nước có liên quan tới luận văn, tác giả sẽ trình bày một số nhận định

cá nhân về những vấn đề còn mới trong lĩnh vực nghiên cứu và đưa ra một số ý tưởng khoa học trong giới hạn của luận văn

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu quá trình bổ cấp nước cho nước ngầm

Nghiên cứu bổ cấp nước mưa cho nước ngầm tầng chứa nước Holocene đã được nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới nghiên cứu trên cơ sở sử dụng các phương pháp khác nhau mà có thể chia thành hai nhóm phương pháp chủ yếu,

đó là nhóm phương pháp phi đồng vị và nhóm phương pháp đồng vị

1.1.1 Các phương pháp phi đồng vị

Một trong các vấn đề nghiên cứu bổ cấp nước mưa cho tầng Holocene là định lượng mức đóng góp của nước mưa trong tổng thể trữ lượng của tầng chứa nước này Các phương pháp phi đồng vị được sử dụng để định tính và định lượng mức bổ cấp nước mưa cho nước ngầm là các phương pháp địa chất thuỷ văn và phương pháp cân bằng clo

1.1.1.1 Phương pháp địa chất thuỷ văn

Từ những năm đầu thế kỷ 20, khi mà các phương pháp hiện đại chưa phổ cập thì phương pháp địa chất thuỷ văn là một trong những phương pháp nghiên cứu chủ đạo và hiệu quả để giải quyết các bài toán về động lực học nước dưới đất (NDĐ), động thái nước ngầm, đặc điểm địa chất thủy văn khu vực, thủy địa hóa và đánh giá trữ lượng nước ngầm Có thể tham khảo chi tiết trong những nghiên cứu điển hình của Ovtsinnicov A.M (1963, 1970), Kleczwski A.S (1968), Vagin X.B (1969), Klimentov P.P (1977) [23]

Ngày nay, nhiều cách tiếp cận có độ tin cậy cao trên cơ sở kết hợp phương pháp địa chất thuỷ văn với các phương pháp nghiên cứu hiện đại đã được áp dụng cho những hướng nghiên cứu nêu trên với những công trình nghiên cứu điển hình của Basmaci Y (1988), David N Lerner (1990), Kruseman G.P (1994), Clark, I., Fritz, P (1997), Bruggeman G A.(1999), Ian D (1999), Thomas J (2000), Kinniburgh D.G (2001), Peter G Cook (2001), Willis D.(2001), Robert G (2002), Franklin W.(2004), Schwartz, F W.(2006) [44, 46, 55, 68, 70, 86].

Trên cơ sở nhận định rằng, thành phần hóa học của NDĐ có quan hệ trực tiếp với thành phần hóa học của các nguồn bổ cấp trong đó có nước mưa, vì vậy, nghiên cứu sự hình thành thành phần hóa học NDĐ đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm, ví dụ như J.W.LLoyd và I.A.Heathcote (1985), C.W.Fetter (1999, 2002), Appelo và D.Postma (2002, 2003, 2005) [62, 43] Kết quả của những nghiên cứu này là sự ra đời những tổng kết được viết thành sách tham khảo cho nhiều nhà nghiên cứu về địa chất thủy văn, thủy địa hóa và môi trường như: Contaminant Hydrogeology (C.W.Fetter, 2002) [62]; Geochemistry, Groundwater and Pollution (Appelo C.A.J và Postma D., 2005) [43]

Ở Việt Nam, đã có nhiều công trình nghiên cứu về sự hình thành thành phần hóa học NDĐ bằng các phương pháp địa chất thủy văn, ví dụ như Nguyễn Thượng Hùng (1975), Vũ Ngọc Kỷ (1975, 1976, 1980, 1982, 1990, 1992), Nguyễn Kim Ngọc (1983, 1988, 1995, 1997, 2000, 2003, 2006), Đỗ Trọng Sự (1985, 1996, 2001) [16, 23, 33, 34] Nhìn chung, các nghiên cứu này đã cho cái nhìn tổng quan về sự hình thành thành phần hóa học NDĐ, các quá trình hình thành và yếu tố ảnh hưởng, phân vùng thủy địa hóa, hiện trạng nhiễm bẩn cũng như con đường di chuyển các chất nhiễm bẩn từ nguồn gây bẩn vào TCN ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam Cũng trong thời gian này, một số luận án tiến sĩ nghiên cứu về đặc điểm thủy địa hóa, sự hình thành thành phần hóa học NDĐ ở các vùng khác nhau của Việt Nam đã được bảo vệ thành công, như Hoàng Văn Hưng (1990) [22], Nguyễn Văn Lâm (1996) [24], Đỗ Tiến Hùng (1996) [21], Nguyễn Thị Hạ (2006)[16]

Đoàn Văn Cánh (2006) đã sử dụng thành công các phương pháp Địa chất thuỷ văn để đánh giá khả năng bổ sung nhân tạo của nước mưa xuống nước ngầm vùng Tây Nguyên Tác giả đã đưa ra các giải pháp để lưu giữ nước mưa lâu hơn trên mặt đất bằng cách xây dựng các bồn thấm, kênh thấm dự trữ nước mưa để nước mưa thấm xuống nước ngầm Song, tác giả chưa đánh giá lượng bổ cấp mà nước mưa có thể thấm xuống nước ngầm theo các bồn thấm và kênh thấm [5]

1.1.1.2 Phương pháp cân bằng clo đánh giá lượng nước bổ cấp cho tầng Holocene

Phương pháp cân bằng Clo, viết tắt là CMB (Chloride mass balance) sử dụng hàm lượng ion Clo trong các nguồn nước khác nhau để xây dựng mô hình cân bằng

và tính toán lượng nước bổ cấp Wilson and Guan (2004) khi nghiên cứu sự bổ cấp nước đã chỉ ra rằng, để có thể quản lý tốt nguồn nước, điều rất quan trọng phải biết

là mức bổ cấp hàng năm của các nguồn nước cấp cũng như sự thay đổi theo không gian và thời gian của các thông số thủy lực [85] Do vậy, cho dù quản lý nguồn nước chỉ là nhiệm vụ trước mắt hoặc là lâu dài, vấn đề tính toán mức bổ cấp cũng như tốc độ bổ cấp của các nguồn nước cấp phải được coi trọng

Các phương pháp truyền thống áp dụng để mô tả các thông số thủy lực trong phạm vi lưu vực sông rất khó có được các thông số có thể đo trực tiếp để mô hình hóa hoặc tính toán Có thể nêu một số thông số điển hình như lượng nước bốc hơi mặt thoáng và qua lá (EvapoTranspiration: ET), các thông số nước ngầm v.v Trong khi đó các phương pháp đánh dấu (như phương pháp clo) sử dụng thông số hàm lượng clo trong các nguồn nước là thông số có thể đo trực tiếp được Hơn nữa, các thông số liên quan khác như lượng mưa, lưu lượng dòng chảy cũng như các yếu

tố đồng vị hoặc hóa học nước đều có thể phân tích xác định trực tiếp với độ chính xác cao Do vậy, các phương pháp đánh dấu thường có độ tin cậy cao trong tính toán bổ cấp và mô tả các thông số thủy lực trong phạm vi lưu vực sông

Những nghiên cứu sớm nhất có sử dụng phương pháp cân bằng clo trong đó

có các phân tích xác định hàm lượng clo trong nước mưa, nước sông và nước ngầm

đã được Anderson (1945) và Eriksson (1960) thực hiện [59] Eriksson (1960) đã phân tích hàm lượng Clo trong nước sông và trong các dòng chảy cùng với hàm lượng Clo trong không khí và trong nước mưa để tính lượng bổ cấp của nước ngầm cho nước sông và ngược lại Phương pháp này cũng đã được ông và Khunakasem (1969) sử dụng để tính tốc độ bổ cấp nước ở vùng đồng bằng ven biển của Israel [60] Từ sau năm 1969, ứng dụng phương pháp đã được đẩy mạnh và một số các nhà khoa học sử dụng nó để nghiên cứu bổ cấp nước cho những vùng địa hình có các đặc điểm khí hậu khác nhau như vùng khô hạn, vùng đồng bằng trước núi, đặc biệt là tính toán trong đới thông khí Đặc biệt là Wood (1999) đã đưa ra một phương trình cân bằng để tính lượng bổ cấp của nước mưa cho nước ngầm liên quan tới việc nghiên cứu mực nước ngầm và các dòng chảy trong đới thông khí [102] Theo đó, phương trình cân bằng hàm lượng Clo trong nước mưa và nước ngầm tầng chứa nước Holocene được thiết lập như sau:

P = R*(Cl p / Cl gw) (1.1) Trong đó:

P là lượng bổ cấp của nước mưa cho nước ngầm tầng Holocene (mm/năm)

R là lượng mưa trung bình năm (mm/năm)

Cl p là hàm lượng Clo trong nước mưa (mg/L)

Cl gw là hàm lượng Clo trong nước tầng Holocene (mg/L)

Cũng trong khoảng thời gian ấy, nhiều các nghiên cứu khác cũng đã được thực hiện

ở các vùng khác nhau của Mỹ (Stephens 1993) (Wood and Sanford, 1995) Russell and Minor, 2002; Thomas and Albright, 2003; Zhu và cs., 2003), của Australia (Allison và cs.,1994; Tyler và Walker, 1994) hay ở châu Phi và vùng Địa trung hải (De Vries and Von Hoyer, 1988; Bazuhair and Wood, 1996) [85]

CMB không chỉ được sử dụng một cách rộng rãi để tính toán lượng bổ cấp cũng như tốc độ bổ cấp mà nó còn được coi là một trong những phương pháp hiện đại để giải quyết các bài toán liên quan tới sự bổ cấp nước Sở dĩ như vậy là bởi bản chất bảo thủ của ion này (conservative nature) Trong phạm vi đới thông khí, nó được thấm qua và đi vào tầng chứa nước cùng với sự thấm thẳng đứng của nước

mưa, một mặt không bị hấp thụ bởi các vật chất trầm tích kể cả vật chất hữu cơ, mặt khác nó không tham gia vào bất cứ phản ứng hoá học nào trên con đường thấm

Trên cơ sở nhận thấy tính hữu ích của phương pháp, cùng với các số liệu phân tích hàm lượng Clo trong nước mưa theo tháng và nước ngầm theo mùa cũng như các số liệu về khí tượng thủy văn ở khu vực nghiên cứu trong thời gian 5 năm

từ 2003-2007, phương pháp CMB đã được lựa chọn để tính lượng bổ cấp của nước mưa cho nước ngầm tầng Holocene trong nghiên cứu này

1.1.2 Các phương pháp đồng vị

Kỹ thuật đồng vị được coi là tiên tiến và cũng chỉ mới được áp dụng trong vài thập niên gần đây Tính toán bổ cấp nước đã được giải quyết thành công (IAEA, 1983) bằng sử dụng đồng vị tự nhiên của nước như oxy 18 (18O) hoặc deuterium (2H), hoặc tritium (T) làm chỉ thị vì chúng là thành phần của phân tử nước Có thể kể

ra một số nhà khoa học sử dụng phương pháp đồng vị để nghiên cứu bài toán bổ cấp nước là: De Vries and Von Hoyer, (1988); Allison et al., (1994); Clark I D and Fritz P., (1997); Russell and Minor, (2002); Thomas and Albright, (2003); Zhu et al., (2003); Subyani A M, (2004) [55, 85, 95]

Nước mưa không chỉ bổ cấp nước cho nước ngầm, mà thông qua bổ cấp hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp nó tạo ra các biến đổi hóa lý, hóa học, sinh hóa tạo nên các cân bằng vật chất mới, các dị thường hóa học, đặc biệt là có tiềm năng gây ra ô nhiễm cho tầng chứa nước được bổ cấp Áp dụng kỹ thuật đồng vị để xác định nguyên nhân và cơ chế nhiễm mặn nước trong tầng chứa nước ngầm đã thu hút nhiều nhà nghiên cứu như G Conrad và J Ch Fonte ( 1970): vùng Tây Bắc Sahara; Gat (1975): vùng duyên hải Israel; Payne và nnk (1979) nghiên cứu cơ chế nhiễm mặn nước ngầm vùng thung lũng Mexicali ( Mexico) [85]

Có thể nói, kỹ thuật đồng vị trong nghiên cứu bài toán thấm của nước mưa xuống nước ngầm đã được triển khai rất thành công ở nước ngoài và trở thành một

phương pháp nghiên cứu hiệu quả để định lượng mức nước bổ cấp của nước mưa cho các tầng nước ngầm Tuy nhiên, trong lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng, quy hoạch khai thác nước ngầm ở Việt Nam, bài toán về sự đóng góp của nước mưa cho nước ngầm vẫn chưa được đề cập đúng mức Các kết quả nghiên cứu trước đây chỉ nhận diện (định tính) các nguồn bổ cấp mà chưa định lượng được nguồn bổ cấp cho nước ngầm Thủy văn đồng vị vẫn chưa có một nghiên cứu nào cụ thể làm tiền đề đánh giá phần đóng góp của nước mưa đối với tầng chứa nước Holocene cả về mặt

định tính và định lượng

Kỹ thuật đồng vị đã được ứng dụng để giải quyết các bài toán về tuổi, xác định nguồn gốc của nước dưới đất và các vấn đề liên quan tới nước địa nhiệt, nước khoáng (Bùi Học, 1981); nguồn gốc, thời gian lưu, tốc độ vận động và mức độ bảo

vệ của NDĐ (Bùi Học, 1992, 1997, 2005) [19, 20]; tính toán lượng bổ cấp theo mùa của dòng ngầm (Base flow) cho sông Hồng (Bùi Học, 2007); cơ chế nhiễm mặn nước ngầm (Nguyễn Kiên Chính và nnk, 2002, 2005) [7]; mối quan hệ thủy lực giữa nước sông Hồng và nước ngầm khu vực Hà Nội (Trịnh Văn Giáp và nnk,

2003, 2005) [15]; nguồn gốc ô nhiễm amoni (Trịnh Văn Giáp và nnk, 2008; Phạm Quý Nhân và nnk, 2008) Song, có lẽ một trong những quá trình điển hình nhất trong mối tương tác địa tầng -nước là sự giải phóng và di chuyển của As từ trầm tích vào nước ngầm, mà khu vực Đan Phượng- Việt Nam cũng là một ví dụ Ô nhiễm As trong nước ngầm đã được phát hiện từ những năm đầu của thập niên 80 của thế kỷ 20 khi hàm lượng As trong nước khai thác >50 µg/l và đến nay nó đã trở thành vấn đề được rất nhiều nhà khoa học và quản lý trên thế giới quan tâm Có thể nói hầu như nguồn nước ngầm của châu lục nào cũng có “vấn đề” về As (hình 1.1)

Năm 1993, tổ chức y tế thế giới WHO đã hạ tiêu chuẩn khuyến cáo nồng độ tối đa của As trong nước từ 0,05mg/l xuống 0,01mg/l Từ cuối thế kỷ 20 đến nay, việc nghiên cứu As đã đạt được nhiều kết quả Có thể tóm lược các tác giả và công trình nghiên cứu As tiêu biểu trên thế giới trong phụ lục 9

Hình 1.1: Phân bố toàn cầu về hiện trạng As trong nước ngầm

do các nguồn khác nhau gây ra

Điểm chấm đỏ là do khai khoáng, điểm chấm xanh là do nước địa nhiệt gây ra ở khu vực hồ, vùng đỏ là nước ngầm ở các lưu vực khác nhau, nguồn [94]

Nhìn chung, các công trình nghiên cứu về As khá đa dạng đã bước đầu làm sáng tỏ một số vấn đề như: Nguồn gốc của As trong nước dưới đất; As đi vào nước như thế nào?; Khi nào thì nước dưới đất bị ô nhiễm As?; As ảnh hưởng đến sự sống như thế nào?; Làm thế nào để giảm hàm lượng As trong nước? Song, nghiên cứu quá trình giải phóng và di chuyển As từ trầm tích vào nước ngầm vẫn chưa được giải quyết thỏa đáng

Hình 1.2: Bản đồ phân bố As trong nước ngầm khu vực Hà Nội, theo [50]

Khu vực nghiên cứu nằm

trong vùng đồng bằng Bắc Bộ của

Việt nam – nơi cũng đã có dấu đỏ

trên bản đồ ô nhiễm As trong nước

ngầm của thế giới [50] Nghiên cứu

về As ở Việt Nam đã được một số

tác giả đề cập trong các báo cáo địa

chất, địa chất thuỷ văn, địa hoá cũng

như thuỷ địa hoá Tuy nhiên, việc

nghiên cứu As chỉ mang tính khái quát và kết hợp khi nghiên cứu chung với những nguyên tố khác Các mẫu phân tích As chỉ có tính chất đơn lẻ và rải rác chứ chưa có

hệ thống Kể từ khi As trở nên vấn đề ‘nóng” của thế giới thì việc nghiên cứu về chúng mới được chú ý đặc biệt khi mà đồng bằng Bắc Bộ của Việt Nam lại có điều kiện về địa chất, địa chất thuỷ văn, thuỷ địa hoá giống như điều kiện ở một số lưu vực mà nước ngầm có hàm lượng As cao như Tây Bengan và Banglades [28, 50]

Nhìn chung, phần lớn các nghiên cứu trong thời gian gần đây thường quan tâm nhiều hơn tới việc xác định hàm lượng As trong nguồn nước dưới đất và sự phân bố của chúng trong nước ngầm Từ những năm đầu thế kỷ 21, nhóm các nhà khoa học tại Trung tâm Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD) thuộc Trường Đai học Khoa học Tự nhiên đã phối hợp với các nhà khoa học đến từ Thuỵ Sĩ, Đan Mạch và Nhật Bản nghiên cứu ô nhiễm As ở Việt Nam đã đạt được những thành tựu trong việc tìm ra nguồn gốc cũng như cơ chế giải phóng và di chuyển As trong nước ngầm bằng kỹ thuật địa hoá [17, 26, 29, 31, 32, 33, 35, 38, 39] Bên cạnh đó, một số nhà khoa học trẻ đã có những nghiên cứu riêng của mình

về ô nhiễm As được trình bày trong luận văn thạc sỹ và tiến sỹ [2, 3, 25, 31] Trong các công trình này, các nhà khoa học đã giải thích As trong nước ngầm ở các khu vực nghiên cứu có nguồn gốc tự nhiên, hay còn được gọi là nguồn gốc địa chất Phân bố As trong nước tầng Holocene có quy luật như sau: Nước ngầm ở những khu vực bồi tụ phù sa hạt mịn dọc sông Hồng và trong bồi tụ có nhiều tàn dư hữu cơ thực vật thường có hàm lượng As cao

Được sự tài trợ kinh phí từ Cơ quan Hỗ trợ phát triển của Đan Mạch (DANIDA) từ năm 2005, một đề tài phối hợp giữa các nhà khoa học Đan Mạch từ Đại học Tổng hợp Công nghệ (DTU) và Việt Nam từ Đại học Mỏ-Địa chất, Đại học Khoa học tự nhiên, Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân đã được triển khai nghiên cứu cơ chế di chuyển As từ trầm tích Holocen vào nước ngầm vùng châu thổ sông Hồng Địa điểm nghiên cứu được lựa chọn là xã Trung Châu, huyện Đan Phượng-

Hà Tây sát bờ sông Hồng [61, 90]

Cũng từ những năm 2006 đến nay, nhóm nghiên cứu của Đặng Đức Nhận triển khai cùng các đồng nghiệp từ Thụy Điển nghiên cứu quá trình di chuyển ô nhiễm As trong tầng chứa nước Holocene và Pleistocene vùng Nam Hà Nội bằng kỹ thuật đồng vị và các kỹ thuật liên quan [28, 72]

1 2 Vấn đề đặt ra và hướng giải quyết

Có thể nói, kỹ thuật đồng vị trong nghiên cứu bài toán thấm của nước mưa xuống nước ngầm đã được triển khai rất thành công ở nước ngoài Song, nghiên cứu mức đóng góp của nước mưa vào nước ngầm bằng kỹ thuật đồng vị ở Việt Nam chưa có nhóm tác giả nào nghiên cứu

Mặt khác, nghiên cứu vai trò các hợp chất hữu cơ tan trong nước đến quá trình di chuyển As từ trầm tích vào nước trên cơ sở kết hợp giữa kỹ thuật đồng vị và

kỹ thuật địa hóa trong nước ngầm mới chỉ có nhóm nghiên cứu của Đặng Đức Nhận đang triển khai nghiên cứu [28, 72] Cần phải có những nghiên cứu sâu, tiên tiến và chuẩn hóa (về QA/QC) trên các thiết bị và kỹ thuật hiện đại kết hợp với các kỹ thuật truyền thống để nghiên cứu và đưa ra quy luật di chuyển của As trong nước ngầm ở Việt Nam và từ đó đưa ra các biện pháp quản lý và khai thác bền vững nguồn nước ngầm

Trong luận văn này hai bài toán cơ bản: 1) xác định lượng bổ cấp của nước

mưa cho nước ngầm bằng kỹ thuật đồng vị và CMB có đối sánh các kết quả tính toán của luận văn với kết quả của các nghiên cứu bằng các phương pháp địa chất

thủy văn và mô hình hóa; 2) nghiên cứu vai trò của các hợp chất hữu cơ tan trong

nước (DOM) đến quá trình giải phóng và di chuyển của As từ trầm tích vào nước ngầm trên cơ sở kết hợp phương pháp đồng vị 13C và phương pháp thủy địa hóa trong nước ngầm sẽ được tập trung giải quyết đồng thời Việc kết hợp các phương pháp này chắc chắn sẽ cho phép hiểu rõ hơn quá trình hòa tan-kết tủa trong hệ

“Carbonat-Fe-NOM” cũng như nguồn hình thành bicarbonat - tác nhân chính gây ra

sự di chuyển của As trong nước ngầm

1.3 Cơ sở lý thuyết của phương pháp đồng vị

Trong phạm vi của luận văn, tác giả sẽ sử dụng đồng thời 3 đồng vị bền gồm

D (2H), 18O và 13C trên cơ sở kết hợp với các phương pháp khác để giải quyết các bài toán đặt ra Do vậy, đặc điểm của các đồng vị này trong chu trình thủy sinh địa hóa, các quy luật đồng vị trong tự nhiên của chúng cũng như các quá trình làm thay đổi thành phần đồng vị sẽ được trình bày trong chương này

1.3.1 Sử dụng đồng vị bền trong nghiên cứu bổ cấp nước

1.3.1.1 Giới thiệu đồng vị bền D ( 2 H), 18 O

Các nguyên tố oxy, hydro, cacbon là những nguyên tố chính cấu tạo nên phần lớn khí quyển, thủy quyển và địa quyển Các quyển này bị tác động mạnh mẽ bởi bức xạ mặt trời, các tia vũ trụ và sự tương tác giữa các hành tinh nên luôn xảy ra

các quá trình vật lý, hóa học để tạo nên các cân bằng vật chất [55, 68] Các đồng vị

bền D, 18O là những thành tố tạo nên phân tử nước, do vậy, sự biến đổi hàm lượng của chúng có quan hệ mật thiết với vòng tuần hoàn nước trong tự nhiên Phân tử nước có 5 đồng vị đặc biệt có ý nghĩa thực tiễn, đó là 1H, 2H, 3H (T), 16O và 18O Thành phần tương đối của chúng được biểu diễn qua giá trị delta (δ)

Những quá trình chính ảnh hưởng đến các giá trị δD và δ18O là bốc hơi, ngưng tụ và trao đổi đồng vị Thông qua đó sẽ xuất hiện sự phân tách đồng vị trong vòng tuần hoàn của nước Điều này sẽ được trình bày kỹ trong mục 1.2.3 và 1.2.4

Sự thay đổi giá trị đồng vị của δD và δ18O không chỉ có quan hệ chặt chẽ với nhiệt

độ mà còn phụ thuộc vào các hiện tượng biến đổi thời tiết, sự bốc hơi, ngưng tụ từ đại dương, sự vận động theo phương thẳng đứng và nằm ngang của hơi nước, sự bốc hơi của nước mưa và tuyết, sự trao đổi đồng vị giữa nước mưa và hơi nước khi xảy ra quá trình hỗn hợp nước [55, 68]

Độ lệch δ của các đồng vị bền trong mẫu nước nghiên cứu (mẫu đo) so với mẫu chuẩn (nước đại dương) có thể đo được bằng kỹ thuật khối phổ và biểu diễn dưới dạng công thức

R mẫu đo - R mẫu chuẩn

δ = x 1000 o/oo (1.2)

R mẫu chuẩn

Trong đó R mẫu đo và R mẫu chuẩn tương ứng là tỷ số đồng vị của mẫu đo (2H/1H,

18O/16O, 13C/12C ) và của mẫu chuẩn Hỗn hợp nước từ các đại dương được Phòng Thủy văn đồng vị của Cơ quan Năng lượng quốc tế IAEA đóng tại thủ đô nước Áo (Vienna) chuẩn bị là mẫu nước chuẩn (Vienna Standard Mean Ocean Water với

δVSMOW= 0) hiện được sử dụng rộng rãi cho các nghiên cứu về thủy văn đồng vị trên thế giới Ngoài ra, một số mẫu nước khác cũng đang được sử dụng như các mẫu chuẩn ví dụ Standard Light American Precipitation – SLAP, hoặc National Bureau

18

VSMOW

S R

R O

δ (x 103‰) (1.3)

) ( 2

2

VSMOW

S R

R H

δ (x 103‰) (1.4)

Với: δ18O, δ2H là thành phần đồng vị O-18 và H-2 của mẫu

18RS là tỷ số đồng vị O-18/O-16 trong mẫu

2RS là tỷ số đồng vị H-2/H-1 trong mẫu

18R(VSMOW) là tỷ số đồng vị O-18/O-16 trong mẫu chuẩn VSMOW

2R(VSMOW) là tỷ số đồng vị H-2/H-1 trong mẫu chuẩn VSMOW

Thành phần 13C trong các sản phẩm phản ứng liên quan mật thiết với chu trình carbon trong tự nhiên, cùng với chu trình của sinh quyển và khí CO2 của khí quyển Thành phần đồng vị Carbon-13 được ký hiệu là delta (δ13C) và được định nghĩa như sau:

R

R C

std

sample

1000

*]1[

trong đó

] [

] [

12 13

sample

sample sample

C

C

][

][

12 13

std

std std

do Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) cung cấp [65, 68, 101]

Hình 1.3: Dãy biến đổi giá trị δ 13 C trong các hợp phần tự nhiên khác nhau [101]

Với đặc điểm, giá trị δ13C đặc trưng cho từng đối tượng cụ thể (Hình 1.3), do vậy, bằng việc luận giải kết quả đo δ13C kết hợp với các phép phân tích thủy địa hóa, đặc biệt là phân tích vai trò của DOC sẽ cho phép làm sáng tỏ quá trình hòa tan hydroxit sắt (Hfo) giải phóng As và quá trình kết tủa Siderite làm tăng quá trình giải phóng As cũng như hiểu được cơ chế nào là cơ chế khống chế chính quá trình giải phóng và di chuyển của As từ trầm tích vào nước ngầm

1.3.2 Một số quy luật đồng vị trong tự nhiên được sử dụng trong luận văn

a Hiệu ứng lượng mưa

Thành phần các đồng vị bền của nước mưa chịu ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng, đặc biệt là lượng mưa Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi mưa nhiều thành phần các đồng vị nặng trong nước sẽ giảm [55] Thực tế cho thấy vào mùa mưa giá trị δD và δ18O trong nước mưa, bị giảm đi cỡ 3-5 lần so với chính nó vào mùa khô Theo Yurtsever [1976], khi lượng mưa tăng 100mm/ tháng thì thành phần các đồng vị nặng giảm đi -1,0 đến - 1,5‰

b Hiệu ứng bốc hơi

Khi bốc hơi từng phần, không có mưa (thường gặp ở vùng nhiệt đới, á nhiệt đới) và bốc hơi từ nước mặt thì mối tương quan giữa các giá trị δD và δ18O nằm trên đường thẳng phía dưới, bên phải đường Craig [55, 68]

c Hiệu ứng độ cao

Nước mưa càng nghèo thành phần đồng vị nặng khi độ cao càng cao Theo Fontes [65, 68] thì cứ lên cao 100m các giá trị δD giảm đi 0,2‰ còn δ18O giảm đi 0,3‰ Từ những quan sát thành phần đồng vị trong nước mưa ở những vùng có độ cao khác nhau các nhà thủy văn đồng vị nhận thấy, δ18O và δD giảm theo độ cao như sau:δ 18O: -0,15 to -0,5‰/100 m;δ D : -1,5 to –4‰ /100 m

d Hiệu ứng nhiệt độ

Thành phần đồng vị nặng trong nước mưa càng giàu khi nhiệt độ môi trường càng tăng Các giá trị thực nghiệm cho thấy, khi nhiệt độ tăng thêm 1oC thì giá trị

18O tăng thêm 0,5‰ Điều này được giải thích là do những hạt mưa rơi từ khí quyển xuống mặt đất nó còn tự bốc hơi và như vậy thành phần các đồng vị nặng sẽ được làm giàu thêm Sự thay đổi theo thời gian trong năm của các giá trị δD và δ18O trong nước mưa thường tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ Theo Yursever(1976) thì δ18Otb trong nước mưa có quan hệ như sau: δ18O tb = 0,34 Ttb – 12 (‰) Do

đó có thể tính được nhiệt độ không khí khi tạo thành mưa nếu biết các giá trị δD và

δ18O [68] Đây là nguyên lý của phương pháp hồi tưởng khí hậu trong quá khứ, tức

là nghiên cứu biến đổI khí hậu mà ngay nay nhiều nhà môi trường học đang áp dụng

e Hiệu ứng lục địa

Càng xa nguồn nước bay hơi tạo mưa (thường là biển), nước mưa càng nghèo đồng vị nặng Điều này đã được quan sát rõ từ các giá trị thực nghiệm đo thành phần đồng vị 18O trong nước mưa Colombia [68]

f Hiệu ứng theo mùa và vĩ độ

Thành phần đồng vị 18O và D trong nước mưa còn thay đổi theo mùa trong cùng một vùng, hoặc thay đổi theo các vùng có vĩ độ khác nhau Các giá trị thực nghiệm đo thành phần đồng vị 18O và D ở các vùng khác nhau theo mùa cho thấy

δD và δ18O trong nước mưa ở các vùng ở bắc bán cầu thay đổi theo mùa rõ rệt hơn

so với các vùng ở Nam bán cầu [55, 68]

1.3.3 Các quá trình làm thay đổi thành phần đồng vị trong chu trình thủy văn 1.3.3.1 Trao đổi đồng vị

a Khái niệm

Trao đổi đồng vị là sự phân bố lại thành phần các đồng vị của một nguyên tố trong một phân tử, hoặc giữa các phân tử hoặc giữa các pha khác nhau, nhưng

không dẫn đến những thay đổi khác về thành phần phân tử, tức là không làm thay đổi các tính chất hóa học của hệ

b Một vài đặc điểm của quá trình trao đổi đồng vị

Quá trình trao đổi đồng vị liên quan mật thiết với sự tồn tại và trạng thái của các pha khác nhau Sự trao đổi đồng vị có thể diễn ra trong một pha duy nhất (trao đổi đồng vị đồng thể) hoặc diễn ra trong hệ nhiều pha, ở đó có sự di chuyển các đồng vị xuyên qua ranh giới giữa các pha (trao đổi đồng vị dị thể)

Quá trình trao đổi đồng vị xảy ra thông qua các quá trình:

- Quá trình phân ly: Nếu hai hợp chất hoặc hai pha của một hợp chất bị điện ly hoặc nhiệt phân tạo thành các tiểu phân cùng loại (ion, gốc tự do (radical) hoặc nguyên tử) chứa các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố thì phản ứng trao đổi đồng

vị sẽ xảy ra giữa các hợp chất hoặc các pha đã cho

- Quá trình kết hợp: Sự trao đổi đồng vị có thể xảy ra khi hai hợp chất chứa các đồng vị của cùng một nguyên tố kết hợp với nhau tạo thành một phức trung gian

- Quá trình trao đổi electron hoặc các quá trình hoá - lý thuận nghịch khác

Các phản ứng trao đổi đồng vị đơn giản là loại chỉ xẩy ra đối với hai loại đồng vị của duy nhất một nguyên tố:

Trong nước : 2HS- + 1H2O ↔ 1HS- + 2H1HO (1.6) Trong pha khoáng chất–Dung di: CaC16O3 + H218O ↔ CaC18O16O2 + H216O (1.7) Trong pha khí – dung di: 1H2H + 1H2O ↔ 1H2 + 1H2HO (1.8)

1.3.3.2 Phân tách đồng vị của nước trong chu trình thủy văn

Năm 1953, lần đầu tiên Friedman đã chỉ ra rằng, trong nước mưa, sự thay đổi hàm lượng của H218O luôn kèm theo sự thay đổi hàm lượng 2HHO Năm

1961, Craig đã công bố các kết quả nghiên cứu về sự phân chia đồng vị của hai đồng vị bền 18O và 2H trong các quá trình khí tượng thủy văn [55, 68] Ở đây luận văn sẽ đi khái quát về sự phân tách đồng vị sử dụng 18O và 2H trong chu trình thủy văn

a Khái niệm

tố trong một hợp chất hoặc ion bị thay đổi trong quá trình chuyển di từ một hợp chất hoặc trạng thái vật lý này sang hợp chất hoặc trạng thái vật lý khác

b Một vài đặc điểm của quá trình phân tách đồng vị

Trong chu trình nước tự nhiên, trạng thái của nước thay đổi do có quá trình bay hơi và ngưng

ẩm càng cao, mức độ thay đổi càng nhỏ [55, 68]

Hình 1.4: Sự thay đổi thành phần đồng vị trong

chu trình thủy văn, nguồn [15]

Ảnh hưởng của các quá trình bay hơi và ngưng tụ nước đã tạo ra “đường nước khí tượng” Khi có phân tách đồng vị, tỷ lệ các đồng vị sẽ thay đổi trong các

phản ứng hóa học và trong các quá trình thay đổi pha Mức độ thay đổi phụ thuộc vào mức độ khác nhau về khối lượng giữa các đồng vị

Quá trình phân tách đồng vị xảy ra thông qua các quá trình:

- Quá trình hóa lý: Phân tách đồng vị trong quá trình hóa lý chính là sự trao đổi đồng vị (ví dụ 18O và 16O) giữa 2 loại phân tử hoặc hai pha tham gia phản ứng

- Quá trình khuyếch tán: Một quá trình khác cũng dẫn đến sự phân tách đồng vị là quá trình khuyếch tán của các nguyên tử hoặc phân tử do chênh lệch về hàm lượng

Sở dĩ có hiện tượng phân tách đồng vị là do có sự khác nhau về vận tốc khuyếch tán của các đồng vị [55, 68]

1.3.3.3 Cân bằng đồng vị

Trong các điều kiện cân bằng, hệ số phân tách đồng vị có thể được tính hoặc

đo bằng thực nghiệm Điều kiện để có cân bằng đồng vị là:

- Phải có cân bằng hoá học, tức là tốc độ phản ứng thuận và nghịch là ngang bằng nhau

- Các phản ứng hoá học diễn ra theo chiều thuận và nghịch với thời gian đủ lớn để

có sự pha trộn các đồng vị giữa môi trường tham gia phản ứng và môi trường sản phẩm phản ứng

- Cả môi trường chất tham gia phản ứng và sản phẩm phản ứng phải hòa trộn dễ dàng Nếu không có điều kiện này thì sự cân bằng đồng vị chỉ tồn tại đối với chất tham gia và tạo thành ở vùng lân cận phản ứng (ở bề mặt không khí – nước đối với cân bằng hơi – nước)

Ví dụ : Cân bằng hóa học giữa CO2 và nước được biểu diễn như sau: