uftai-ve-tai-day26571

Trong bối cảnh hiện nay, các yếu tố kể trên bị thay đổi nhanh chóng, kết hợp với những tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu và nước biển dâng, ảnh hưởng trực tiếp đến tài nguyên nước

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

TRẦN THÀNH LÊ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, MÔI TRƯỜNG VÀ KINH TẾ XÃ HỘI ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÙNG GIO LINH, QUẢNG TRỊ CÓ XÉT ĐẾN TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ ĐỊA LÝ TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG

Hà Nội - 2018

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

TRẦN THÀNH LÊ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, MÔI TRƯỜNG VÀ KINH TẾ XÃ HỘI ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÙNG GIO LINH, QUẢNG TRỊ CÓ XÉT ĐẾN TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG

Chuyên ngành: Địa lý tài nguyên môi trường

Mã số: 9.44.02.20

LUẬN ÁN TIẾN SỸ ĐỊA LÝ TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Phạm Quý Nhân

2 PGS.TS Đặng Xuân Phong

Hà Nội - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu độc lập của tôi dưới

sự hướng dẫn của các nhà khoa học có uy tín, nội dung luận án không trùng lặp với các công trình khoa học khác trước đây Nếu có gì sai phạm, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật Nhà nước

Tác giả luận án

Trần Thành Lê

LỜI CẢM ƠN

Luận án được hoàn thành tại Khoa Địa lý- Học viện Khoa học và Công nghệ- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong sự cố gắng nỗ lực của Nghiên cứu sinh dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Quý Nhân (Trường đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội) và PGS.TS Đặng Xuân Phong (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam)

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại Khoa Địa lý, NCS luôn được sự động viên giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong Khoa Địa lý- Học viện KHCN, Ban chủ nhiệm đề tài hợp tác Việt- Bỉ, Khoa Tài nguyên nước- Trường đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Trung tâm Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước quốc gia và các bạn đồng nghiệp

Qua đây, nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn đến Khoa Địa lý (Học viện Khoa học và Công nghệ), Khoa Tài nguyên nước (Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội), Trung tâm Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước quốc gia (Bộ Tài nguyên và Môi trường), Quỹ Nafosted, Quỹ FWO (Vương quốc Bỉ), Đề tài KHCN cấp Bộ Tài nguyên và Môi trường Mã số TNMT2016.02.20” và Học viện Khoa học và Công nghệ (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam)

Đặc biệt, nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến sự giúp đỡ tận tình và quý báu của thầy giáo PGS.TS Phạm Quý Nhân, PGS.TS Đặng Xuân Phong, TS Vũ Thanh Tâm, PGS.TS Lại Vĩnh Cẩm, TS Đào Đình Châm đã tạo điều kiện giúp đỡ nghiên cứu sinh trong suốt quá trình hoàn thành luận án Xin gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp, anh chị đã giúp đỡ nghiên cứu sinh trong quá trình làm luận án: ThS Đỗ Dương Quảng, ThS Nguyễn Thế Chuyên, ThS Trần Vũ Long, ThS Phạm Hoàng Anh, TS Tạ Thị Thoảng, NCS Ine Beyen, GS.TS Okke Batelaan và nnk

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết luận án 1

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 2

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2

2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

4.1 Ý nghĩa khoa học 4

4.2 Ý nghĩa thực tiễn 4

5 Các luận điểm bảo vệ 4

6 Điểm mới của luận án 4

7 Cơ sở tài liệu, số liệu nghiên cứu của Luận án 4

7.1 Tài liệu tham khảo, cập nhật có nội dung liên quan đến luận án 4

7.2 Các đề tài nghiên cứu, công trình khoa học NCS tham gia thực hiện có liên quan đến luận án 5

7.3 Tài liệu, số liệu do luận án bổ sung, tính toán trực tiếp 5

8 Cấu trúc luận án 6

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN MÔI TRƯỜNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC DƯỚI ĐẤT 7

1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu ảnh hưởng tự nhiên, môi trường BĐKH và NBD đến nước dưới đất 7

1.1.1 Trên thế giới 7

1.1.2 Trong nước 12

1.2 Cơ sở lý luận 15

1.2.1 Các vấn đề khoa học cần giải quyết trong bài toán đánh giá ảnh hưởng điều kiện tự nhiên, môi trường, KTXH và BĐKH-NBD đến tài nguyên nước dưới đất 15

1.2.2 Tổ hợp các công cụ và kỹ thuật được sử dụng để giải quyết bài toán đánh giá ảnh hưởng điều kiện tự nhiên, môi trường, KTXH và BĐKH-NBD đến tài nguyên nước dưới đất 17

1.3 Quan điểm, phương pháp và các bước nghiên cứu 27

1.3.1 Quan điểm nghiên cứu 27

1.3.2 Các phương pháp nghiên cứu 30

1.3.3 Các bước nghiên cứu 31

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM TÀI NGUYÊN NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN, KTXH, MÔI TRƯỜNG, BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG VÙNG GIO LINH, QUẢNG TRỊ 33

2.1 Đặc điểm tài nguyên nước dưới đất 33

2.1.1 TCN lỗ hổng trầm tích gió biển Holocen trên (qh2) 33

2.1.2 TCN lỗ hổng trầm tích sông biển Holocen dưới- giữa (qh1) 34

2.1.3 TCN lỗ hổng trầm tích sông biển Pleistocen giữa - trên (qp) 34

2.1.4 Lớp cách nước Pleistocen giữa trên 37

2.1.5 TCN lỗ hổng trầm tích hỗn hợp Pleistocen dưới - giữa (qp) 37

2.1.6 Phức hệ chứa nước khe nứt hệ tầng Đồng Hới (Nđh) 37

2.1.7 Phức hệ chứa nước trầm tích Ocdovic trên - Silua dưới 37

2.1.8 Tính toán tài nguyên nước dưới đất vùng nghiên cứu 38

2.2 Ảnh hưởng của các yếu tố địa lý tự nhiên tới tài nguyên nước dưới đất 42

2.2.1 Địa chất 42

2.2.2 Vị trí địa lý 47

2.2.3 Địa mạo 48

2.2.4 Khí hậu 50

2.2.5 Thủy văn 52

2.2.6 Thảm phủ thực vật 55

2.2.7 Đặc điểm thổ nhưỡng 56

2.3 Ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường 59

2.3.1 Diễn biến mực nước các tầng chứa nước Đệ tứ trong vùng 59

2.3.2 Diễn biến xâm nhập mặn 60

2.4 Ảnh hưởng của các yếu tố kinh tế- xã hội 64

2.4.1 Dân số 64

2.4.2 Các hoạt động kinh tế 65

2.4.3 Hiện trạng sử dụng đất 68

2.4.4 Hiện trạng khai thác sử dụng nước dưới đất 71

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ CÁC ẢNH HƯỞNG ĐẾN NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP SỬ DỤNG HỢP LÝ, BẢO VỆ TÀI NGUYÊN NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÙNG GIO LINH, QUẢNG TRỊ 75

3.1 Mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của BĐKH- NBD 75

3.1.1 Tạo chuỗi dữ liệu mưa vùng Gio Linh bằng phương pháp chi tiết hóa thống kê 75

3.1.2 Mô phỏng xác định lượng bổ cập bằng mô hình số thủy văn Wetspass theo các kịch bản BĐKH-NBD 86

3.2 Đánh giá lượng bổ cập 93

3.2.1 Xác định hệ số thấm bề mặt và đới thông khí bằng thí nghiệm đổ nước hố đào 93

3.2.2 Xác định quan hệ thủy lực nước mặt với nước dưới đất bằng thí nghiệm thấm Seepage 95

3.2.3 Xác định quan hệ nước mưa với nước dưới đất bằng phương pháp cân bằng Clo 96

3.2.4 Xác định con đường bổ cập và hướng di chuyển nước dưới đất bằng mô hình số 3D 101

3.3 Mô phỏng và dự báo sự biến đổi mực nước, xâm nhập mặn theo các kịch bản BĐKH- NBD 106

3.3.1 Xây dựng đầu vào mô hình 1063.3.2 Kết quả mô hình dòng chảy và mô hình dịch chuyển biên mặn nước dưới đất 111

3.3.3 Kết quả hiệu chỉnh bài toán ổn định 1133.3.4 Kết quả dự báo dự báo mực nước và sự dịch chuyển biên mặn nước dưới đất ứng với các kịch bản biến đổi khí hậu 115

3.4 Đề xuất các giải pháp sử dụng hợp lý, bảo vệ tài nguyên nước dưới đất 117

3.4.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn cho đề xuất 1173.4.2 Định hướng không gian sử dụng hợp lý, bảo vệ tài nguyên nước dưới đất 118

3.4.3 Định hướng các giải pháp sử dụng hợp lý, bảo vệ tài nguyên nước dưới đất 131KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 137DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN aCÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO bPHỤ LỤC - 1 -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa đầy đủ

BĐKH-NBD Biến đổi khí hậu- nước biển dâng

BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường

TCN qp Tầng chứa nước Pleistocen

VBqh Lỗ khoan Việt-Bỉ tầng chứa nước Holocen

VBqp Lỗ khoan Việt-Bỉ tầng chứa nước Pleistocen

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu trúc và các quá trình thủy văn được mô phỏng trong mỗi ô vuông tính toán của

mô hình WetSpasss 20

Hình 1.2 Sơ đồ khối mô tả tiến trình xây dựng xây dựng mô hình khối 3D địa tầng ĐCTV 27

Hình 1.3 Sơ đồ quy trình các bước nghiên cứu 32

Hình 2.1 Bản đồ tài nguyên nước dưới đất và mặt cắt ĐCTV vùng nghiên cứu 41

Hình 2.2 Cấu trúc mặt cắt trầm tích Đệ tứ vùng biển Vĩnh Linh (Băng địa chấn nông T93-36 vuông góc với bờ), La Thế Phúc (2002) [64] 42

Hình 2.3 Trầm tích sông cấu tạo thềm bậc 1 thống Pleistocen phân bố dọc phần trên cùng đồng bằng giáp núi 44

Hình 2.4 Thành phần chủ yếu cuội sạn sỏi, dày từ 3-10m, phần đáy là đá gốc tuổi O3-S1 44

Hình 2.5 Bản đồ và mặt cắt địa chất vùng Gio Linh [5] 46

Hình 2.6 Sơ đồ vị trí vùng đồng bằng Gio Linh, Quảng Trị 48

Hình 2.7 Đồ thị tương quan giữa độ cao địa hình với mực nước ngầm tầng qh đồng bằng Bắc bộ và Bắc Trung bộ năm 1994 đến nay 49

Hình 2.8 Đồ thị tương quan giữa độ cao địa hình với mực nước ngầm tầng qp đồng bằng Bắc bộ và Bắc Trung bộ năm 1994 đến nay 50

Hình 2.9 Đồ thị lượng mưa trung bình trạm Đông Hà từ năm 2010 đến 2017.[7],[68] 51

Hình 2.10 Đồ thị đặc trưng quan hệ nước mưa - bốc hơi vùng Gio Linh- QT [7] 52

Hình 2.11 Dao động mực nước sông Thạch Hãn tại trạm Cửa Việt với mực nước quan trắc TCN qh tại giếng VBqh thời kỳ 2012-2016 [63] 53

Hình 2.12 Bản đồ đất khu vực Gio Linh- Quảng Trị [69] 58

Hình 2.13 Đồ thị quan hệ nước dưới đất TCN Holocen với lượng mưa 59

Hình 2.14 Đồ thị quan hệ nước dưới đất TCN Pleistocen với lượng mưa 60

Hình 2.15 Biểu đồ đo TDS sông Thạch Hãn theo chiều rộng và sâu 61

Hình 2.16 Biểu đồ đo TDS sông Bến Hải theo chiều rộng và sâu 61

Hình 2.17 Sơ đồ hiện trạng XNM tại hệ thống sông Bến Hải, Thạch Hãn đo tháng 8/2016 theo độ sâu 62

Hình 2.18 Sơ đồ phân bố XNM TCN qh theo tài liệu ĐVL và khảo sát thực tế Gio Linh[63] 63

Hình 2.19 Cơ cấu kinh tế năm 2016 và năm 2017 [68] 65

Hình 2.20 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất khu vực Gio Linh, Quảng Trị [69] 70

Hình 3.1 So sánh lượng mưa (tính bằng mm) ngày lớn nhất, lượng mưa trung bình tháng và độ lệch chuẩn của chuỗi dữ liệu quan trắc, chuỗi dữ liệu tính theo 2 phương án XTMĐ và XTCĐ cho giai đoạn cơ sở 1961 - 2000 78

Hình 3.2 So sánh độ dài trung bình (tính bằng ngày) của một đợt mưa trong tháng và độ lệch chuẩn của đợt mưa của chuỗi dữ liệu quan trắc, chuỗi dữ liệu tính theo 2 phương án XTMĐ và XTCĐ cho giai đoạn cơ sở 1961 - 2000 79

Hình 3.3 So sánh độ dài trung bình (ngày) của một thời kỳ không mưa trong tháng và độ lệch chuẩn của thời kỳ không mưa của chuỗi dữ liệu quan trắc, chuỗi dữ liệu tính theo 2 phương án XTMĐ và XTCĐ cho giai đoạn cơ sở 1961 - 2000 79

Hình 3.4 Lượng mưa trung bình tháng (mm/tháng) theo kịch bản RCP4.5 trong các giai đoạn của thế kỷ 21 82

Hình 3.5 Lượng mưa trung bình tháng (mm/tháng) theo kịch bản RCP6.0 trong các giai đoạn của thế kỷ 21 82

Hình 3.6 Lượng mưa trung bình tháng (mm/tháng) theo kịch bản RCP8.5 trong các giai đoạn của thế kỷ 21 83

Hình 3.7 Độ dài trung bình một đợt mưa trong tháng (ngày) theo kịch bản RCP8.5 trong các giai đoạn của thế kỷ 21 83

Hình 3.8 So sánh lưu lượng dòng chảy sông quan trắc với kết quả tính toán được tại vị trí trạm thủy văn Gia Vòng sau khi đã hiệu chỉnh mô hình WetSpass Tháng/Ngày/Năm 87

Hình 3.9 Sơ đồ lượng bổ cập nước dưới đất tính trung bình theo ngày tính cho mùa khô tháng I – VII năm 1981 (hình phải) và diện tích phân bổ lượng bổ cập đến từng tầng chứa nước (hình phải) 87

Hình 3.10 So sánh lượng mưa trung bình tháng (hình trái), độ dài trung bình một thời kỳ mưa (hình giữa) và độ dài trung bình một thời kỳ không mưa (hình phải) của giai đoạn 1981 – 2010 với 3 kịch bản BĐKH của giai đoạn 2011 – 2035 91

Hình 3.11 Đồ thị suy giảm mực nước TCN qp tại giếng G11 Nhà máy nước Gio Linh 92

Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ lượng bổ cập với lượng khai thác các TCN 93

Hình 3.13 Sơ đồ vị trí bãi thí nghiệm 96

Hình 3.14 Sự biến đổi hàm lượng Clo trong nước khu vực Gio Linh, Quảng Trị 97

Hình 3.15 Sơ đồ vị trí lấy mẫu phân tích hàm lượng Clo TCN qh khu vực Gio Linh 98

Hình 3.16 Lượng mưa trung bình các tháng trong năm tại trạm Đông Hà 99

Hình 3.17 Mối quan hệ nước mưa với NDĐ TCN Holocen năm 2012- 2016 101

Hình 3.18 Kết quả phân tích nhóm đối với các khoảng chiều sâu khoan của các lỗ khoan được lựa chọn 103

Hinh 3.19 Mặt cắt khối 3D địa tầng ĐCTV toàn vùng nghiên cứu 103

Hình 3.20 Mực nước TCN Pleistocen (qp)- Holocen (qh) với mưa 105

Hình 3.21 Độ dẫn điện TCN Pleistocen (qp) và Holocen (qh) 105

Hình 3.22 Mặt cắt khối 3D địa tầng ĐCTV vùng nghiên cứu 106

Hình 3.23 Mô hình số địa hình DEM độ phân giải 50m được xây dựng cho diện tích nghiên cứu và các vùng phụ cận 107

Hình 3.24 Phân vùng hệ số thấm tầng chứa nước qh trên mô hình 108

Hình 3.25 Phân vùng hệ số thấm tầng chứa nước qp trên mô hình 108

Hình 3.26 Sơ đồ lượng bổ cập nước dưới đất từng TCN khu vực Gio Linh 108

Hình 3.27 Các loại biên trong lớp 1 qh 109

Hình 3.28 Các loại biên trong lớp 2,3qp 109

Hình 3.29 Lưới sai phân của mô hình đặt trên ảnh vệ tinh 110

Hình 3.30 So sánh kết quả chỉnh lý mô hình hiện trạng với tài liệu quan trắc 112

Hình 3.31 So sánh mực nước trên mô hình và mực nước tại các công trình quan trắc VBqh và VBqp 112

Hình 3.32 Mực nước TCN qh năm 2016 114

Hình 3.33 Mực nước TCN qp năm 2016 114

Hình 3.34 Xâm nhập mặn TCN qh năm 2016 114

Hình 3.35 Kết quả xác định tổn thương tầng chứa nước dựa vào chỉ số GOD 121

Hình 3.36: Bản đồ khoanh vùng dễ bị tổn thương nước dưới đất vùng Gio Linh, Quảng Trị 123 Hình 3.37 Bản đồ phân vùng khai thác bền vững nước dưới đất khu vực nghiên cứu 130

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Một số đặc trưng của tầng chứa nước Pleistocen 34

Bảng 2.2 Kết quả hút nước thí nghiệm một số công trình trong khu vực nghiên cứu 35

Bảng 2.3 Kết quả hút nước thí nghiệm các giếng trong phức hệ chứa nước O3-S1 lđ 38

Bảng 2.4 Kết quả tính toán trữ lượng khai thác tiềm năng NDĐ khu vực 40

Bảng 2.5 Đặc trưng mưa, bốc hơi và mưa -bốc hơi vùng Gio Linh thời kỳ 1974-2017 51

Bảng 2.6 Một số đặc trưng dòng chảy năm các lưu vực sông vùng Gio Linh 53

Bảng 2.7 Đặc trưng tổng hợp chiều sâu mực nước tầng qh năm 2012-2016 59

Bảng 2.8 Nhu cầu cấp nước cho sinh hoạt theo QCXDVN 01:2008/BXD 64

Bảng 2.9 Cơ cấu kinh tế ngành qua các năm 65

Bảng 2.10 Sản phẩm chủ yếu của ngành công nghiệp trên địa bàn 67

Bảng 2.11 Tình hình khai thác nước dưới đất huyện Gio Linh 71

Bảng 3.1 Các đại lượng mưa cực trị theo các kịch bản BĐKH trong giai đoạn 2046 - 2065 tính theo phương án XTCĐ 80

Bảng 3.2 Các đại lượng mưa cực trị theo các kịch bản BĐKH trong giai đoạn 2080 - 2099 tính theo phương án XTCĐ 81

Bảng 3.3 Lượng mưa trung bình tháng (mm/tháng) ở vùng Gio Linh theo các kịch bản và giai đoạn 83

Bảng 3.4 Độ dài trung bình một đợt mưa trong tháng ở vùng Gio Linh theo các kịch bản BĐKH và giai đoạn 84

Bảng 3.5 Lượng bổ cập trung bình ngày (m3/ng) theo các giai đoạn và kịch bản BĐKH88 Bảng 3.6 Các thông tin cơ bản của vị trí thí nghiệm trong khu vực 94

Bảng 3.7 Kết quả tính toán hệ số thấm khu vực 94

Bảng 3.8 Hàm lượng Clo trong nước mưa khu vực Gio Linh theo mùa trong các năm 2012-2014, mg/L 97

Bảng 3.9 Hàm lượng Clo trong các lỗ khoan của TCN Holocen 98

Bảng 3.10 Lượng mưa trung bình theo mùa trạm Đông Hà các năm 2011- 2014 99

Bảng 3.11 Kết quả tính toán giá trị bổ cập TCN Holocen bằng phương pháp cân bằng Clo 100 Bảng 3.12 Biến động mực nước TCN Holocen và Pleistocen theo các kịch bản 115

Bảng 3.13 Diện tích nước mặn tầng chứa nước Holocen từng năm và từng giai đoạn theo các kịch bản phát thải 116Bảng 3.14 Xác định các giá trị trọng số theo GOD được phân theo vùng 121Bảng 3.15 Kết quả phân vùng bảo vệ nước dưới đất vùng nghiên cứu 121Bảng 3.16 Tổ hợp các tiêu chí khoanh định các vùng khai thác NDĐ phục vụ ăn uống sinh hoạt 126Bảng 3.17 Kết quả phân vùng khai thác bền vững NDĐ vùng đồng bằngG io Linh, Quảng Trị 128

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết luận án

Tài nguyên nước dưới đất chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố tự nhiên và kinh tế

xã hội: mở rộng vùng sản xuất nông nghiệp, chặt phá rừng, phát triển kinh tế xã hội,

ô nhiễm môi trường, thiên tai và biến đổi khí hậu ngăn cản sự di chuyển ảnh hưởng tới quá trình thấm, chất lượng của nước dưới đất [1] Trong bối cảnh hiện nay, các yếu tố kể trên bị thay đổi nhanh chóng, kết hợp với những tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu và nước biển dâng, ảnh hưởng trực tiếp đến tài nguyên nước dưới đất và ảnh hưởng gián tiếp tới các đối tượng sử dụng nước [2] Dải đồng bằng ven biển Việt Nam trải dọc 3.260 km đường bờ biển, là khu vực chịu tổn thương do thiên tai và BĐKH: tăng diện tích ngập lụt, khó khăn cho thoát nước, tăng xói lở bờ biển, nhiễm mặn nguồn nước, [3] Thực tế tại dải ven biển Miền Trung, trữ lượng nước ngọt có thể khai thác từ các tầng nông bị suy giảm, ảnh hưởng đến sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, giao thông, xây dựng, các đô thị và khu vực dân

cư ven biển [4].Về mặt khoa học và thực tiễn, nghiên cứu đánh giá sự suy giảm và khả năng đáp ứng của các TCN này đối với nhu cầu cấp nước theo các kịch bản BĐKH - NBD sẽ giúp các cơ quan hoạch định chính sách lập các quy hoạch phân

bổ sử dụng nguồn nước hợp lý và tìm kiếm các phương án, nguồn nước thay thế [5]

Đồng bằng Gio Linh (tỉnh Quảng Trị) thuộc dải ven biển miền Trung, có chiều dài đường bờ biển là 15,5 km từ thị trấn Cửa Việt đến xã Trung Giang Có ranh giới tự nhiên phía Bắc là sông Bến Hải, phía Nam là sông Thạch Hãn, sông Hiếu, phía Đông là biển Đông và phía Tây là đồi núi bazan Đây là vùng đồng bằng trước núi ven biển, chịu ảnh hưởng các chế độ thủy văn của các con sông lớn Thạch Hãn, Bến Hải trong khu vực và chế độ hải văn của biển Đông [6] Đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa, thời kỳ thiếu hụt nước từ tháng 1 đến tháng 7, thời kỳ dư thừa nước từ tháng 8 đến tháng 12 [7] Sử dụng nước rất khác nhau giữa các ngành sản xuất đặc thù: ngành nông nghiệp sử dụng 100% nguồn nước mặt; trong khi đó, ngành công nghiệp sử dụng 11% nước mặt và 89% nước ngầm, sinh hoạt sử dụng 100% nước ngầm [8] Với 2 tầng chứa nước (TCN) chính là Pleistocen (qp) và Holocen (qh) hiện được khai thác phục vụ cho sinh hoạt và sản xuất Tuy nhiên, tài nguyên nước dưới đất suy giảm trong giai đoạn gần đây Thiếu hụt nước và xâm

nhập mặn gia tăng vào mùa khô năm 2012-2013 do biến động lượng mưa ảnh hưởng đến việc tích nước tại các hồ chứa lớn trên địa bàn (Sở TNMT tỉnh Quảng Trị, 2014) Xác định được căn cứ khoa học cho đề xuất các giải pháp sử dụng hợp

lý và bảo vệ tài nguyên nước dưới đất có ý nghĩa quan trọng trong tiến trình phát triển bền vững của khu vực

Tại vùng đồng bằng Gio Linh, để giải quyết được bài toán về sử dụng hợp lý

và bảo vệ tài nguyên NDĐ, cần thực hiện nghiên cứu, đánh giá tổng hợp về yếu tố ảnh hưởng, tính toán lượng bổ cập, xâm nhập mặn, dự tính các tác động tiềm tàng

theo các kịch bản của BĐKH-NBD Do đó, đề tài luận án tiến sỹ "Nghiên cứu ảnh

hưởng của điều kiện tự nhiên, môi trường và kinh tế xã hội đến tài nguyên nước dưới đất vùng Gio Linh, Quảng Trị có xét đến tác động của BĐKH-NBD" đã

được lựa chọn nghiên cứu và hoàn thành

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Xác lập được các luận cứ khoa học và thực tiễn trong đề xuất các biện pháp

sử dụng hợp lý, bảo vệ tài nguyên NDĐ trên cơ sở phân tích, đánh giá và dự tính tác động của các yếu tố địa lý tự nhiên, KTXH, môi trường, BĐKH và NBD tại vùng Gio Linh, Quảng Trị

2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để thực hiện mục tiêu đề ra, các nhiệm vụ nghiên cứu sau đây cần hoàn thành:

- Tổng quan và xây dựng cơ sở lý luận về phân tích, đánh giá và dự tính ảnh hưởng của các điều kiện địa lý, môi trường, BĐKH và NBD đến tài nguyên NDĐ tại vùng đồng bằng ven biển

- Nghiên cứu đặc điểm tài nguyên NDĐ vùng Gio Linh, Quảng Trị

- Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố địa lý tự nhiên, KTXH, môi trường, BĐKH và NBD đến tài nguyên NDĐ

- Mô phỏng và dự báo lượng bổ cập cho NDĐ theo các kịch bản NBD bằng mô hình số thủy văn

BĐKH Xác định lượng bổ cập của nước mưa, nước sông, hồ cho các TCN

- Xác định mối quan hệ thủy lực giữa TCN Pleistocen và TCN Holocen, giữa nước mưa, nước mặt với NDĐ

- Sử dụng mô hình số NDĐ đánh giá định lượng và mô phỏng biến động mực nước và chất lượng NDĐ theo các kịch bản ĐBKH và NBD

- Đề xuất các giải pháp sử dụng hợp lý và bảo vệ tài nguyên NDĐ vùng Gio Linh phù hợp với những biến động về tự nhiên, KTXH, môi trường trong bối cảnh BĐKH và NBD hiện nay

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: nước dưới đất trong 2 TCN Holocen và Pleistocen

- Phạm vi nghiên cứu: khu vực được lựa chọn nghiên cứu là vùng đồng

bằng ven biển Gio Linh, tỉnh Quảng Trị có diện tích khoảng 204 km2, dân số 73.588 người, mật độ dân số 160 người/km2, các lĩnh vực kinh tế chủ yếu là nông nghiệp,

du lịch, dịch vụ và sản xuất công nghiệp Phía bắc là sông Bến Hải, phía Nam là sông Thạch Hãn, sông Hiếu, phía Đông là biển Đông và phía Tây là đồi núi, khối bazan Vĩnh linh- Gio Linh

- Phạm vi khoa học: trong phạm vi của luận án, những vấn đề khoa học sau

được giới hạn nghiên cứu, bao gồm:

+ Tập trung nghiên cứu tầng chứa nước đệ Tứ (Holocen và Pleistocen) + Diễn biến các yếu tố khí hậu trong quá khứ được đánh giá bằng chuỗi số liệu 42 năm (1974-2016) của 3 ba trạm khí tượng (Đông Hà, Khe Sanh và A Lưới)

Số liệu quan trắc mực nước dưới đất tại công trình VB_qp, VB-qh từ năm 2012 đến

2016, mực nước sông Thạch Hãn từ năm 2012-2016 Đánh giá và dự tính tác động tiềm tàng trên cơ sở sử dụng kịch bản BĐKH và NBD năm 2016 cho Việt Nam do

Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố

+ Biến động tài nguyên NDĐ vùng Gio Linh được đánh giá, mô phỏng thông qua 3 đại lượng: lượng bổ cập, biến động mực nước và chất lượng nước

+ Sử dụng hợp lý và bảo vệ tài nguyên NDĐ vùng Gio Linh được đề xuất với các không gian định hướng lồng ghép giải pháp sử dụng, giải pháp bảo vệ và giải pháp thích ứng BĐKH và NBD

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

4.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của luận án đã bổ sung những luận chứng về mối quan

hệ giữa các TCN, các thành phần tham gia vào hình thành trữ lượng nước dưới đất

và tác động tổng hợp của các yếu tố tự nhiên, KTXH, môi trường đến NDĐ tại vùng đồng bằng ven biển Gio Linh, Quảng Trị trong bối cảnh BĐKH và NBD

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của luận án cung cấp cơ sở khoa học cho các nhà quản lý hoạch định chính sách phát triển về việc quy hoạch, quản lý, khai thác và sử dụng TNN tại vùng đồng bằng ven biển Gio Linh, Quảng Trị

5 Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Tài nguyên nước dưới đất trong các TCN đệ Tứ vùng Gio Linh, tỉnh Quảng Trị có trữ lượng hạn chế, dễ bị tổn thương

Luận điểm 2: Lượng bổ cập NDĐ đóng vai trò quan trọng trong hình thành trữ lượng các TCN Đệ tứ tại vùng Gio Linh, Quảng Trị Trong bối cảnh các TCN này dễ bị tổn thương do tác động của các yếu tố xâm nhập mặn, cạn kiệt, BĐKH và NBD, việc duy trì và phát triển lượng bổ cập là các giải pháp chủ yếu trong định hướng sử dụng hợp lý và bảo vệ tài nguyên NDĐ

6 Điểm mới của luận án

Sử dụng tổ hợp các phương pháp (thực nghiệm, chi tiết hóa thống kê, mô hình

số, …) để đánh giá lượng bổ cập tự nhiên đến các TCN Đệ tứ ven biển Gio Linh, Quảng Trị

Chứng minh được sự biến động ranh giới mặn nhạt TCN Holocen trong vùng nghiên cứu vẫn đang tiếp diễn do tác động BĐKH và NBD

7 Cơ sở tài liệu, số liệu nghiên cứu của Luận án

7.1 Tài liệu tham khảo, cập nhật có nội dung liên quan đến luận án

- Các báo cáo tìm kiếm thăm dò NDĐ, thi công bãi giếng Gio Linh, bản đồ địa chất, ĐCTV vùng Gio Linh, Đông Hà, Hồ Xá, Cam Lộ từ năm 1978 đến nay Gồm có: 3 Báo cáo tìm kiếm nước dưới đất; 2 báo cáo nghiên cứu tài nguyên nước dưới đất; 4 báo cáo thăm dò nước dưới đất; 2 báo cáo kết quả thi công công trình

khai thác nước dưới đất; 2 Báo cáo lập bản đồ địa chất; 1 báo cáo lập bản đồ ĐCTV; 1 báo cáo về Dioxin; 1 báo cáo quy hoạch sử dụng nước

- Kịch bản BĐKH-NBD cho Việt Nam năm 2016 cho Việt Nam năm 2016 của

Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố

- Chuỗi số liệu khí tượng tại các trạm: Đông Hà, Khe Sanh, Huế và A Lưới từ năm 1974 đến 2017; Chuỗi số liệu thủy văn tại các trạm: Cửa Việt, Gia Vòng và Thạch Hãn từ năm 1976 đến 2017; Số liệu trạm hải văn Cồn cỏ từ năm 1981 đến 2017

- Niên giám thống kê tỉnh Quảng Trị 2012 và 2017; Báo cáo kinh tế xã hội huyện Gio Linh năm 2017

7.2 Các đề tài nghiên cứu, công trình khoa học NCS tham gia thực hiện có liên quan đến luận án

- Đề tài: “Nghiên cứu xây dựng bộ công cụ đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến tài nguyên nước dưới đất và khả năng đáp ứng nhu cầu sử dụng nước cho người dân ở các vùng ven biển Việt Nam” Đề tài NCKH cơ bản do Quỹ Nafosted và FWO tài trợ, mã số FWO.2011.38 (Vũ Thanh Tâm chủ trì)

- Đề tài: “Ứng dụng kỹ thuật đồng vị trong điều tra đánh giá tài nguyên nước,

áp dụng vùng Gio Linh, Quảng Trị” Đề tài cấp Bộ Tài nguyên và Môi trường (2016-2018) (Trần Thành Lê chủ trì)

7.3 Tài liệu, số liệu do luận án bổ sung, tính toán trực tiếp

Luận án tiến hành trực tiếp các công việc thí nghiệm hiện trường, quan trắc, phân tích từ đó có kết quả tin cậy sử dụng cho việc định lượng các ảnh hưởng đến NDĐ và đề xuất xây dựng bản đồ phân vùng khai thác bền vững nước dưới đất khu vực tỷ lệ 1:50.000 Từ đó, đưa ra được định hướng các giải pháp khai thác sử dụng hợp lý, bảo vệ tài nguyên nước dưới đất khu vực

Bảng các số liệu do nghiên cứu sinh thực hiện:

TT Các nội dung thực hiện Đơn vị Số lượng

1 Khoan địa chất thủy văn Lỗ khoan 2

5 Thí nghiệm thấm seagage Điểm 28

7 Đo địa vật lý (đo sâu điện) Tuyến/điểm

đo

3/116

8 Cấu trúc luận án

Luận án được trình bày trong 139 trang Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận án gồm 3 chương:

Chương 1 Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện tự nhiên môi trường và BĐKH-NBD đến tài nguyên nước dưới đất

Chương 2 Đặc điểm tài nguyên nước dưới đất và ảnh hưởng của các yếu tố địa lý tự nhiên, KTXH, môi trường và BĐKH- NBD vùng Gio Linh, Quảng Trị

Chương 3 Đánh giá các ảnh hưởng đến nước dưới đất và đề xuất giải pháp

sử dụng hợp lý, bảo vệ tài nguyên nước dưới đất vùng Gio Linh, Quảng Trị

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN MÔI TRƯỜNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC

a Các công trình nghiên cứu ảnh hưởng đến xâm nhập mặn TCN

Sherif và nnk, 1999, [10] khảo sát tác động có thể của BĐKH tới sự xâm nhập mặn vào các TCN ven biển Sử dụng hai TCN ven biển, một ở Ai Cập, một ở

Ấn Độ, nghiên cứu này khảo sát tác động của BĐKH tới sự xâm nhập mặn (XNM) Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, một trong các hậu quả rõ ràng của BĐKH tới tài nguyên NDĐ là sự di chuyển nước mặn sâu vào đất liền trong các TCN ven biển

Groen và nnk, 2000, [11] xác định quá trình muối hóa TCN ven biển qua việc phân tích thành phần đồng vị và mô hình khuếch tán Quá trình XNM bởi nước biển cổ phân bố trong trầm tích ven biển ở Suriname được phân tích bằng việc sử dụng phương pháp đồng vị 37Cl và mô hình khuếch tán

Bobba và nnk, 2002 [12] phân tích các tác động của các hoạt động con người

và thay đổi mực nước biển tới biên mặn nhạt ở đồng bằng Godavari (Ấn Độ) Quá trình XNM được mô phỏng bằng mô hình SUTRA (Saturated-Unsaturated TRAnsport) Các thông số tự nhiên, mực nước ban đầu và các điều kiện biên của đồng bằng được xác định dựa vào số liệu thực địa Mô hình NDĐ trạng thái ổn định được xây dựng và hiệu chỉnh dựa vào giá trị mực nước quan trắc Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên sau khi hiệu chỉnh mô hình được dùng để đánh giá mực nước trạng thái ổn định Những thay đổi trong phân bố mực nước áp lực dưới các điều kiện bổ cập và thoát được tính toán và vị trí biên mặn nhạt hiện hữu được dự báo Phân bố mực nước áp lực được đánh giá thông qua sự mô phỏng kéo dài 20 năm

Kết quả chỉ ra rằng XNM tiến vào sâu trong đất liền liên tục và đáng kể nếu giữ nguyên mức độ khai thác

Ảnh hưởng của khai thác NDĐ đến XNM ở đồng bằng Burdekin, Australia được Narayan (2004) xem xét Kết quả nghiên cứu chỉ ra nguyên nhân chính là do khai thác nước quá mức với 1.800 máy bơm hút nước phục vụ tưới [13]

Demirel, 2006, [14] chỉ ra nghiên cứu nguyên nhân chính của XNM NDĐ ở một vùng công nghiệp ven biển ở Mersin (Thổ Nhĩ Kỳ) là do khai thác không hợp

lý Kết quả phân tích cấu trúc ĐCTV, nguồn bổ cập và cân bằng giữa lưu lượng khai thác cho phép và lưu lượng khai thác thống kê qua các năm là cơ sở tính toán tốc độ XNM

Khomine, 2011 [15] sử dụng phương pháp mô hình số nghiên cứu giải pháp hạn chế quá trình XNM ở vùng ven biển Syria Quá trình khai thác nước quá mức đã làm cho nước biển xâm nhập vào các TCN Trữ lượng tiềm năng và chất lượng của NDĐ được đánh giá Giải pháp đặt hệ thống lỗ khoan ép được đề xuất nhằm cải thiện và hạn chế quá trình XNM vào nước biển

b Các công trình nghiên cứu ảnh hưởng đến bổ cập cho NDĐ

Fayer và nnk (1996) [16] đánh giá sự phân bố của lượng bổ cập tự nhiên ở vùng Hanford, Tây Nam bang Washington, Hoa Kỳ GIS được sử dụng để phân loại đất, lớp phủ thực vật và xác định giá trị bổ cập thích hợp cho từng loại đất

Nicholson và nnk (1997) [17] sử dung mô hình khí tượng Lettau tính toán cân bằng nước ở Châu Phi Bộ số liệu quan trắc trong 60 năm của gần 1400 trạm đo mưa được sử dụng Kết quả cho thấy sự thay đổi hàng năm của lượng bốc thoát hơi nước, dòng chảy mặt và bốc hơi của đất

Stone và nnk (2001) [18] kết hợp phân tích GIS, mô hình dòng chảy mặt thực nghiệm và tính toán cân bằng nước để đánh giá lượng bổ cập trong lưu vực ở vùng Great Basin, Tây Nam Hoa Kỳ

Jyrkama và nnk (2002) [19] đã phát triển một phương pháp để kết hợp với

mô hình thủy văn HELP3 nhằm đưa ra điều kiện biên về lượng bổ cập chi tiết cho

mô hình NDĐ Mô hình sử dụng lượng mưa và nhiệt độ hàng ngày cùng với các dữ liệu về sử dụng đất, lớp phủ thực vật và thổ nhưỡng

Alemaw và nnk (2003) [20] đã ứng dụng mô hình thủy văn nền tảng GIS để đánh giá lượng thoát hơi từ đất, bốc thoát hơi thực tế và dòng chảy mặt theo mùa ở khu vực phía Nam Châu Phi Mô hình được xây dựng dựa trên việc xem xét các quá trình diễn ra ở lớp bề mặt và sát mặt cũng như đánh giá sự thay đổi theo không gian

và thời gian của các thành phần cân bằng nước của mỗi thành phần thủy văn tại mỗi

ô lưới trên toàn vùng nghiên cứu

Brunner và nnk (2004) [21] phát triển phương pháp xây dựng bản đồ lượng

bổ cập cho 2 khu vực ở Botswana, Nam Phi Sự phân bố tương quan của lượng bổ cập thu được bằng cách sử dụng phương pháp cân bằng nước bề mặt, có hiệu chỉnh lượng bổ cập bằng phương pháp cân bằng Clorua Một thuật toán đơn giản được sử dụng để đánh giá lượng bốc thoát hơi nước có tính đến tác nhân bức xạ hàng ngày

và hệ số bốc hơi Các hệ số tương quan giữa các giá trị lượng bổ cập được xác định dựa trên mô hình cân bằng nước và phương pháp cân bằng Clorua Các hệ số tương quan này là cơ sở để xây dựng bản đồ lượng bổ cập

Allen và nnk (2004) [22] sử dụng TCN Grand Forks, ở phía Nam British Columbia, Canada để mô phỏng tính nhạy cảm của TCN với những thay đổi của lượng bổ cập và mực nước sông theo các kịch bản khí hậu của vùng này Kết quả chỉ ra rằng những thay đổi của lượng bổ cập vào TCN trong mô hình trạng thái ổn định dưới các kịch bản BĐKH khác nhau có tác động nhỏ hơn tác động của thay đổi cao độ mực nước trong các sông Kettle và Granby

Brouyere, (2004) [23] sử dụng mô hình tích hợp thủy văn (MOHISE) để nghiên cứu tác động của BĐKH tới chu kỳ thủy văn trong các bồn chứa nước ở Bỉ

Mô hình này xem xét hầu hết các quá trình thủy văn theo cách phù hợp về mặt tự nhiên, dòng chảy NDĐ được mô phỏng theo cách phần tử hữu hạn phân bố không gian

Szilagyi và nnk (2005) [24] đánh giá lượng bổ cập trung bình năm dài hạn cho NDĐ ở Nebraska bằng giải pháp sử dụng các lớp bản đồ GIS về sử dụng đất, địa hình, lượng bổ cập cơ sở, lượng bổ cập tiềm năng và các dữ liệu khí tượng hàng tháng

Holman (2006) [25] mô tả cách tiếp cận tổng hợp để đánh giá các tác động của BĐKH và KTXH tới lượng bổ cập NDĐ tại Đông Anglia, Anh Các yếu tố ảnh

hưởng tới lượng bổ cập NDĐ được xác định bao gồm chế độ nhiệt độ và mưa, ngập lụt ven biển, đô thị hóa và trồng rừng

Mall (2006) [26] khảo sát tiềm năng phát triển bền vững tài nguyên nước mặt

và NDĐ dưới các áp lực của BĐKH và các nghiên cứu cần thiết trong tương lai ở

Ấn Độ Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, tại Ấn Độ, nhu cầu nước đã ra tăng nhiều lần trong các năm do đô thị hóa, mở rộng nông nghiệp, phát triển công nghiệp và kinh tế Hiện nay, thay đổi trong cách thu hoạch, sử dụng đất, khai thác quá mức NDĐ, tưới tiêu đang làm thay đổi chu kỳ thủy văn trong nhiều vùng khí hậu và lưu vực sông ở quốc gia này

Ranjan (2006) [27] đánh giá tác động của BĐKH tới tài nguyên NDĐ, đặc biệt là sự XNM trong các TCN ven biển Các đánh giá sử dụng mô hình khí hậu Hadley Centre, HadCM3 với các kịch bản phát xạ cao và thấp (SRES A2 and B2) trong giai đoạn 2000–2099 Các tác động do tổn thất tài nguyên NDĐ tới các hoạt động kinh tế xã hội được xem xét theo hai kịch bản BĐKH

c Các công trình nghiên cứu ảnh hưởng đến NDĐ bằng liên kết các mô hình khí hậu với mô hình NDĐ

Scibek và Allen (2006) [28] triển khai một phương pháp liên kết các mô hình khí hậu với các mô hình NDĐ để đánh giá các tác động BĐKH tới tài nguyên NDĐ tại vùng phía nam British Columbia, Canada Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, các

dự báo khí hậu tương lai được chi tiết hóa từ mô hình CGCM1 cho kết quả lượng bổ cập nhiều hơn vào TCN không áp trong thời gian từ mùa xuân đến mùa hè Tuy nhiên tác động toàn bộ của lượng bổ cập tới cân bằng nước là nhỏ vì tương tác giữa TCN với sông và lượng bổ cập từ sông chiếm ưu thế

Woldeamlak và nnk (2007) [29] mô phỏng các tác động của BĐKH tới hệ thống NDĐ ở lưu vực Grote-Nete, Vương quốc Bỉ Kết quả nghiên cứu cho thấy không có bổ cập trong mùa hè do lượng bốc hơi cao và lượng mưa thấp Mực NDĐ trung bình hàng năm giảm 0,5m, giảm lớn nhất 3,1m ở phần Đông của cao nguyên Campine, đe dọa các hệ sinh thái thủy vực, rừng tự nhiên và sản xuất nông nghiệp

Hsu và nnk (2007) [30] sử dụng cách tiếp cận mô hình số để đánh giá phản ứng của hệ thống NDĐ với sự thay đổi của khí hậu để quản lý hiệu quản tài nguyên NDĐ ở đồng bằng Pingtung, Đài Loan Một mô hình ĐCTV được xây dựng dựa

trên các thông tin địa chất, ĐCTV, và thủy địa hóa Kết quả áp dụng mô hình hồi quy tuyến tính của lượng mưa cho hai thập kỷ tới đã chỉ ra rằng việc giảm mực NDĐ ở phần thượng lưu đồng bằng là một cảnh báo đối với việc giảm lượng NDĐ dưới áp lực của BĐKH, và việc mở rộng của vùng mực NDĐ bị hạ thấp về phía biển là dấu hiệu của sự suy giảm số lượng và chất lượng trong tương lai

Fu và nnk (2007) [31] sử dụng ArcGIS Geostatistical Analyst đánh giá tác động của BĐKH toàn cầu tới chế độ thủy văn lưu vực sông Spokane Các kết quả chỉ ra rằng tăng lượng mưa 30% làm lượng dòng chảy tăng 50% ở nhiệt độ bình thường, tuy nhiên nếu nhiệt độ không khí trung bình năm cao hơn bình thường 1,5oC thì lượng dòng chảy chỉ tăng 20–30% Ngược lại, lượng mưa giảm 20% dẫn đến giảm lượng dòng chảy nhỏ hơn 25–30% ở nhiệt độ bình thường, nhưng lượng dòng chảy giảm 45% nếu nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bình thường 1.5°C

Toews (2007) [32] mô phỏng các tác động của BĐKH tới nguồn bổ cập NDĐ tại vùng sa mạc và bán sa mạc nam Okanagan, British Columbia, Hoa Kỳ Kết quả nghiên cứu cho thấy nhu cầu nước theo mùa và tưới tiêu nông nghiệp gia tăng sẽ tạo thêm áp lực sử dụng nước trong vùng Một mô hình NDĐ trạng thái không ổn định xây dựng bằng MODFLOW mô phỏng sự gia tăng mực NDĐ trong các giai đoạn thời gian tương lai chủ yếu do tưới gây ra Lượng bổ cập theo không gian cũng được sử dụng trong mô hình NDĐ để xác định vùng ảnh hưởng do khai thác nước Kết quả nghiên cứu được khuyến nghị lồng ghép trong quy hoạch vùng

Nhận xét chung:

Kết quả tổng quan các công trình nghiên cứu trên thế giới có liên quan tới đề tài luận án cho thấy:

- Các nghiên cứu XNM của TCN do ảnh hưởng điều kiện địa lý, môi trường

và BĐKH-NBD đã chỉ ra các nguyên nhân chính dẫn tới XNM cho TCN ven biển là: cấu trúc địa chất, ĐCTV, do khai thác quá mức, thay đổi điều kiện bổ cập, miền thoát Hướng nghiên cứu này được thực hiện thử nghiệm tại Hà Lan, Úc, Ấn Độ,

- Các nghiên cứu bổ cập NDĐ do ảnh hưởng điều kiện địa lý, môi trường và BĐKH-NBD tập trung vào nghiên cứu phân loại đất, thảm phủ thực vật, mưa, nhiệt

độ, bốc thoát hơi nước, tính toán cân bằng, GIS và mô hình số độ cao Tính toán

lượng bổ cập cho các TCN dựa trên kết quả mô hình cùng với các kịch bản BĐKH

đã được sử dụng tại Bỉ, Hà Lan, Anh, Ấn Độ

- Các nghiên cứu về liên kết mô hình NDĐ với mô hình khí hậu được nghiên cứu khá chi tiết thông qua các mô hình CGCM1, mô hình mưa, bổ cập liên kết với GIS, mô hình thủy văn HELP, WetSpass, mô hình NDĐ Modflow, GMS, mô hình khí hậu GCMs Việc liên kết các mô hình cho hiệu quả cao về đánh giá dự báo biến động NDĐ thông qua các kịch bản BĐKH-NBD

- Đánh giá chung, ba cách tiếp cận trên về ảnh hưởng của điều kiện địa lý, môi trường, BĐKH-NBD đến tài nguyên NDĐ đều có chung một bản chất là đánh giá vào các yếu tố động ảnh hưởng đến NDĐ từ đó có các giải pháp bảo vệ TCN trước tác động tiêu cực của BĐKH-NBD Ba cách tiếp cận này được phân biệt về tính chất, nguồn tác động, mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố

1.1.2 Trong nước

Tại Việt Nam, cho đến nay có một số tài liệu công bố về tác động của BĐKH đến nhiều lĩnh vực chuyên ngành như khí tượng, thủy văn, tài nguyên nước mặt, sinh thái

Các kịch bản BĐKH-NBD cho Việt Nam được được xây dựng từ năm 1994

do Ngân hàng phát triển Châu Á tài trợ Tiếp theo đó là các kịch bản BĐKH được xây dựng bằng các phương pháp khác nhau cho Việt Nam được Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn, Môi trường và BĐKH thực hiện vào các năm 2003, 2006, 2007,

2008 Dựa trên nền tảng các kịch bản BĐKH đã xây dựng trước đây, Bộ Tài nguyên

và Môi trường công bố Kịch bản BĐKH- NBD cho Việt Nam vào các năm 2009,

Trong tài liệu về BĐKH và tác động ở Việt Nam (Viện Khoa học Khí tượng thủy văn, Môi trường và BĐKH, 2010) [4] Trong tài liệu Hướng dẫn Đánh giá tác động của BĐKH và xác định các giải pháp thích ứng (Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và Môi trường, 2011), các tác động chính của BĐKH từng vùng địa lý và theo ngành, lĩnh vực được xem xét: TNN, nông nghiệp, sức khỏe y tế, giao thông,

hạ tầng kỹ thuật, cấp thoát nước,… [34]

Các nghiên cứu đánh giá tác động trực tiếp của BĐKH tới tài nguyên NDĐ còn hạn chế Một số nghiên cứu được thực hiện làm cơ sở cho công tác nghiên cứu tác động của BĐKH tới tài nguyên NDĐ như các kịch bản BĐKH- NBD Dự án DANIDA (Đan Mạch) “Tác động của BĐKH đến TNN ở Việt Nam và các biện pháp thích ứng” do Viện Khoa học Khí tượng thủy văn, Môi trường và BĐKH (2009) thực hiện hướng tới mục tiêu tăng cường năng lực của các ban ngành, tổ chức và người dân Việt Nam trong việc thích nghi với tác động của BĐKH đến TNN, giảm thiểu đến mức thấp nhất các tác động xấu cũng như thiệt hại do BĐKH gây ra; khôi phục có hiệu quả các tác động này hoặc tận dụng các tác động tích cực của BĐKH Trong phạm vi của dự án, các tác động của BĐKH đến tài nguyên nước mặt được đánh giá cho một số lưu vực sông của Việt Nam, làm cơ sở cho đề xuất các giải pháp thích ứng với sự thay đổi TNN do BĐKH gây ra [3] Đỗ Huy Cường (2012) nghiên cứu các dạng tai biến tự nhiên tiềm năng do BĐKH và các giải pháp chiến lược thích ứng đối với cộng đồng dân cư vùng lưu vực Sông Hồng Kết quả chỉ ra có ảnh hưởng của quá trình XNM đến tài nguyên nước ngầm Các giải pháp thích ứng cho cộng đồng dân cư được đề xuất phục vụ công tác quy hoạch tổng thể, phát triển bền vững, phòng chống giảm thiểu thiên tai [35] Trần Thanh Xuân (2011) nghiên cứu đánh giá tác động của BĐKH đến TNN thành phố Hà Nội và tỉnh Lạng Sơn Biến đổi của các yếu tố khí hậu chính trong tương lai được tính toán bao gồm: nhiệt độ không khí, lượng mưa, lượng bốc hơi tiềm năng, sự biến đổi chỉ

số khô đến sự biến đổi về lưu lượng và chế độ dòng chảy đối với TNN Hạn chế của công trình này là mới chỉ tập trung đánh giá cho tài nguyên nước mặt, các con sông lớn trên địa bàn nghiên cứu và cũng chưa đề cập đến ảnh hưởng của NBD và quá trình XNM do BĐKH đến các sông [36]

Nguyễn Văn Hoàng, 2012, [2] đánh giá ảnh hưởng của NBD do BĐKH đến tài nguyên nước mặt, nước ngầm, ổn định bờ sông, bờ biển và đê sông, đê biển Mô hình số độ cao được sử dụng để xác định chiều dài XNM vào sông Hồng ứng với điều kiện NBD và thời gian XNM vào các công trình khai thác nước ngầm tầng Pliestocen khu vực ven biển huyện Thái Thụy cách bờ biển khoảng trên dưới 1 km,

cụ thể là 2 công trình ở xã Thái Xuyên, Thụy Trường và Thụy An Nghiên cứu còn đánh giá nguy cơ trượt lở ở bờ sông Hồng dưới tác động của NBD, từ đó đề xuất giải pháp thực hiện các biện pháp gia cố nhằm tăng cường độ ổn định bờ sông Kết quả nghiên cứu đã xây dựng được sơ đồ dự báo XNM do NBD theo 3 kịch bản BĐKH với nước mặt, nước ngầm và sơ đồ phân vùng phân vùng mức độ dễ bị tổn thương bờ biển, đê sông, đê biển

Phạm Quý Nhân, 2014, [37] nghiên cứu ứng dụng phần mềm SUTRA để tính toán xác định dịch chuyển của dòng thấm với mật độ vào tầng chứa nước, án dụng cho vùng đảo Cồn Cỏ, Quảng Trị Tác giả sử dụng phần mềm SUTRA xây dựng mô hình dịch chuyển vật chất với mật độ thay đổi Ranh giới mặn nhạt xác định theo tài liệu khảo sát địa vật lý, lấy mẫu nước tại các lỗ khoan trên đảo Cồn Cỏ

và tính toán theo lý thuyết cho thấy diện phân bố của nước mặt chỉ tập trung phần ven biển phía nam của đảo Diện tích phân bố nước nhạt chiếm khoảng 450.000m2, chiếm khoảng 25% tổng diện tích đảo Ranh giới mặn nhạt theo chiều sâu phân bố tương đối phức tạp, biến đổi tương đối phức tạp, từ chiều sâu khoảng 20m ở phần ven biển phía tây nam (lỗ khoan LK3) cho đến trên 40m tại các lỗ khoan ở trung tâm khoảnh nước nhạt, giữa đồi 37 và đồi 63 (lỗ khoan HQ1, LK9), chiều sâu trung bình khoảng 30m tại các lỗ khoan HĐ1, HĐ2, LK8, LKC Kết quả tính toán và dự báo dịch chuyển mặn nhạt bằng phương pháp giải tích và mô hình với mật độ thay đổi cho thấy trữ lượng khai thác dự báo trên đảo Cồn Cỏ có thể đạt 1950,26m3/ngày, có thể đáp ứng cho nhu cầu phát triển của đảo trong thời gian hiện tại và tương lai

Bùi Trần Vượng, 2013 [38] đánh giá tác động và đề xuất giải pháp ứng phó BĐKH đến tài nguyên NDĐ vùng đồng bằng sông Cửu Long Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, dưới tác động của BĐKH, sự thay đổi về lượng mưa, lượng bốc hơi đã gây ảnh hưởng đến lượng bổ cập các TCN cũng như mối quan hệ tương tác giữa

NDĐ với các khối nước mặt như sông hồ Sự thay đổi này đã làm cho các giai đoạn mực NDĐ dâng cao hoặc hạ thấp, XNM vào các TCN ven biển kéo dài và thường xuyên hơn

Nhận xét chung:

- Nhìn chung ở nước ta hiện nay các công trình nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của BĐKH đến tài nguyên NDĐ còn rất ít, hầu hết các nghiên cứu mới chỉ tập trung nghiên cứu đến môi trường, kinh tế - xã hội và tài nguyên nước mặt

- Các nghiên cứu đối với nước ngầm mới chỉ tập trung xác định ranh giới mặn nhạt, XNM, tính toán thời gian và tốc độ dịch chuyển của ranh giới trên cơ sở điều kiện ĐCTV của vùng nghiên cứu, lưu lượng khai thác yêu cầu cũng như mối quan hệ giữa nước biển với nước ngầm ở những khu vực ven biển

- Hầu hết các nghiên cứu chưa đề cập đến ảnh hưởng của lượng bổ cập tự nhiên đến NDĐ do tác động của BĐKH-NBD Đặc biệt việc sử dụng tổ hợp các công cụ đánh giá lượng bổ cập, quan hệ thủy lực giữa nước mưa, nước mặt với NDĐ dưới tác động của điều kiện địa lý tự nhiên môi trường KTXH và BĐKH-NBD còn hạn chế

1.2 Cơ sở lý luận

1.2.1 Các vấn đề khoa học cần giải quyết trong bài toán đánh giá ảnh hưởng điều kiện tự nhiên, môi trường, KTXH và BĐKH-NBD đến tài nguyên nước dưới đất

Vấn đề đánh giá tác động của BĐKH-NBD đến NDĐ chỉ mới được nghiên cứu trong thời gian gần đây Đánh giá sự biến đổi lượng bổ cập và chất lượng NDĐ được chú trọng trong nội dung đánh giá tác động của điều kiện tự nhiên, môi trường, KTXH và BĐKH-NBD đến tài nguyên NDĐ Để thực hiện được đánh giá ảnh hưởng đến NDĐ Luận án sử dụng nhiều công cụ và kỹ thuật nghiên cứu khác nhau Từ đó, định lượng được các giá trị, mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến tài nguyên NDĐ

Trong phạm vi luận án, các vấn đề khoa học cần giải quyết và các phương pháp, kỹ thuật áp dụng bao gồm:

- Nghiên cứu sự biến động lượng bổ cập cho NDĐ do các yếu tố ngoại cảnh:

các yếu tố môi trường, tự nhiên, tốc độ phát triển kinh tế, xã hội, đô thị hóa ngày càng tăng thêm vào đó là các tác động của BĐKH làm thay đổi lượng bổ cập này;

- Nghiên cứu XNM NDĐ, xu thế biến đổi chất lượng NDĐ hiện nay so với quá khứ: nhằm đánh giá, dự tính biến đổi ranh giới mặn - nhạt trong tương lai dưới

tác động của BĐKH-NBD;

- Nghiên cứu mối quan hệ giữa các tầng chứa NDĐ với nước mưa: trong đó

tập trung đánh giá mối quan hệ thủy lực giữa mực NDĐ với nước mưa theo thời gian, xác định xu thế biến đổi mực NDĐ với nước mưa Để thực hiện công tác này cần tiến hành thu thập số liệu quan trắc lượng mưa theo thời gian cùng các số liệu quan trắc về biến đổi mực NDĐ để so sánh, xác định mối quan hệ giữa chúng Trên

cơ sở những biến đổi trong quá khứ xây dựng hàm quan hệ giữa NDĐ với nước mưa, xác định lượng bổ cập của nước mưa cho NDĐ để từ đó làm cơ sở khoa học đánh giá, dự báo trong tương lai;

- Nghiên cứu mối quan hệ của nước biển với NDĐ: trên cơ sở thu thập số liệu

đồng thời thực hiện các công tác thực địa cần thiết để tập hợp các số liệu về dao động mực nước sông, nước biển và mực NDĐ theo chuỗi thời gian để nghiên cứu mối quan

hệ thủy lực giữa mực NDĐ với nước biển, nước sông Thiết lập mối quan hệ giữa mực NDĐ với nước biển, nước sông để xem xét vai trò của nước biển, nước sông trong sự hình thành NDĐ Trên cơ sở kết quả đánh giá này dự báo những ảnh hưởng của NBD đến các TCN vùng ven biển trong tương lai;

- Sử dụng mô hình dòng 3 chiều toán học và mô hình số để nghiên cứu mức

độ XNM các TCN ven biển do lượng mưa bổ cập: xác định nguyên nhân do mực

nước ngầm dâng cao hay do sự ảnh hưởng của nước sông, nước biển Để tính toán cân bằng nước, luận án đã tính toán lượng bổ cập cho NDĐ Khi lượng mưa vượt quá lượng bốc hơi thực tế thì lượng nước ngầm được bổ sung sẽ là một phần chênh lệch giữa lượng mưa và bốc hơi Sự dịch chuyển trung bình hàng năm của ranh giới mặn - nhạt đã được sử dụng để ước tính sự thay đổi chất lượng nước nhạt bị XNM trong khoảng thời gian 100 năm Việc nghiên cứu đã đề cập đến một cách nhìn mới về biến đổi thời gian trong tài nguyên nước ngầm ven biển do các yếu tố khí hậu, đặc biệt là lượng mưa Lượng mưa, nguồn cơ bản bổ sung cho nước ngầm là một yếu tố lớn nhất trong cân bằng nước, luôn biến đổi theo thời gian và không gian Do

đó, sự biến đổi lượng mưa trong tương lai sẽ quyết định sự biến đổi tài nguyên nước ngầm Sự gia tăng lượng mưa tạo điều kiện bổ sung thêm cho tài nguyên nước ngầm và ngược lại Để đánh giá vai trò của lượng mưa, luận án tiến hành tạo chuỗi

dữ liệu mưa vùng Gio Linh theo các kịch bản BĐKH dựa trên các trạm quan trắc khí tượng khu vực

1.2.2 Tổ hợp các công cụ và kỹ thuật được sử dụng để giải quyết bài toán đánh giá ảnh hưởng điều kiện tự nhiên, môi trường, KTXH và BĐKH-NBD đến tài nguyên nước dưới đất

a Xây dựng kịch bản BĐKH cho vùng nghiên cứu nhỏ

* Phương pháp chi tiết hóa thống kê (SD)

Chi tiết hóa là một phương pháp để thu thập những thông tin khí hậu hoặc BĐKH phân giải cao từ mô hình khí hậu toàn cầu (GCMs) có độ phân giải tương đối thô Mặc dù GCM ngày càng được hoàn thiện trên phạm vi không gian và thời gian, tuy nhiên vẫn chưa đảm bảo để đánh giá tác động của BĐKH cho một khu vực nhỏ Ví dụ như: có sự khác nhau quan trọng giữa thực tế với mô phỏng của các mô hình toàn cầu GCM, điều kiện quy mô nhỏ như địa hình, mặt đệm có ảnh hưởng lớn đến khí hậu địa phương nhưng ít được thể hiện trong GCM

Chi tiết hóa thống kê là công cụ phát triển mối quan hệ định lượng giữa các biến khí quyển quy mô lớn, đóng vai trò là các nhân tố dự báo và các biến lớp bề mặt của địa phương - đối tượng dự báo Cho đến nay chi tiết hóa thống kê đã phát triển khá mạnh trong dự báo nói chung, dự báo hạn dài nói riêng Ứng dụng SD vào xây dựng các kịch bản về BĐKH được coi như một trường hợp đặc biệt của SD trong dự báo hạn dài Phát triển chi tiết hóa trong lĩnh vực xây dựng các kịch bản BĐKH đang được sự quan tâm ở nhiều nước trong những năm gần đây Có 3 phương pháp được nêu ra trong SD:

Các mô hình hồi quy (Regression models);

Các sơ đồ phân loại thời tiết (Weather Classification schemes hoặc Weather Typing);

Các "máy" tạo thời tiết (Weather Generators);

* Các mô hình ứng dụng xây dựng kịch bản BĐKH cho vùng nhỏ

- Phần mềm SDSM:

SDSM là một công cụ hỗ trợ, đánh giá sự thay đổi khí hậu ở quy mô địa phương bằng cách sử dụng kỹ thuật ”downscaling” thống kê Cấu trúc hoạt động của SDSM bao gồm: kiểm soát chất lượng và chuyển đổi dữ liệu thống kê; kiểm tra các nhân tố dự báo; hiệu chỉnh mô hình; tổ hợp các dữ liệu hiện tại bằng các nhân tố trong quan trắc; đưa đầu ra của mô hình lên công cụ đồ họa; tổ hợp các dự tính khí hậu tương lai (kịch bản BĐKH)

- Phần mềm SIMCLIM: SIMCLIM có 2 chức năng chính đó là chức năng tạo các kịch bản (Scenarios Generation) và chức năng đánh giá tác động (Impact model) Dựa trên sản phẩm của các mô hình toàn cầu (GCM) theo từng kịch bản và

chuỗi số liệu của các yếu tố khí hậu, mực NBD ở các địa phương, phần mềm SIMCLIM có thể tạo các kịch bản về các yếu tố khí hậu và mực NBD cho các địa phương đó

Chức năng đánh giá tác động cho phép giải quyết các bài toán về đánh giá tác động tới môi trường nước, nông nghiệp, xói lở đường bờ và tổng lượng nước

- Mô hình AGCM/MRI: Mô hình được Viện Nghiên cứu Khí tượng Nhật Bản

và Cục Khí tượng Nhật Bản (JMA) phát triển Mô hình này là sự kết hợp giữa mô hình dự báo thời tiết thời đoạn ngắn với mô hình khí hậu thế hệ mới mô phỏng khí hậu thời gian dài tại MRI Mô hình độ phân giải 20km và 60km được chạy bằng hệ thống mô phỏng trái đất (Earth Simulator) tại Cục Công nghệ và Khoa học Trái đất

- Đại dương, Nhật Bản (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC)) AGCM/MRI dùng số liệu 25 năm từ năm 1979 - 2003 để mô phỏng khí hậu quá khứ nhằm tính toán các đặc trưng khí hậu cho thời kỳ cơ sở Tương lai gần được mô tả từ 2015 đến 2039 (25 năm) và tương lai xa được mô phỏng từ 2075 đến 2099 (25 năm) Sản phẩm của mô hình gồm khoảng 70 yếu tố khí hậu theo kịch bản nồng độ khí nhà kính RCP4.5

- Mô hình PRECIS: PRECIS (Providing Regional Climates for Impacts

Studies) là mô hình động lực khí hậu khu vực, được xây dựng bởi Trung tâm Nghiên cứu Khí hậu Toàn cầu Hadley và có thể chạy trên máy tính cá nhân (PC) nhằm phục vụ việc xây dựng các kịch bản BĐKH cho khu vực nhỏ Tiền thân của

mô hình PRECIS là mô hình HadRM3P xây dựng từ năm 1991 và được phát triển,

cải tiến để dự tính BĐKH

b Mô phỏng và đánh giá lượng bổ cập cho NDĐ bằng mô hình số thủy văn

Theo đặc điểm ĐCTV của vùng nghiên cứu, thông tin số liệu, phạm vi và mức độ đánh giá, có nhiều phương pháp xác định lượng bổ cập cho NDĐ, bao gồm: phương pháp thủy động lực (sai phân hữu hạn Kamenxki, dao động mực nước tại lỗ khoan Bindeman, ); phương pháp cân bằng (theo phương trình cân bằng nước trên mặt đất, theo phương trình cân bằng độ ẩm trong đới thông khí, theo phương trình cân bằng Clo); phương pháp thủy văn (theo phương pháp 2 mặt cắt trên sông, theo dòng kiệt, theo phân chia thủy đồ, theo sự thay đổi chất lượng nước mặt và NDĐ, lưu lượng); phương pháp đồng vị; phương pháp mô hình số

Trong thực tế lượng bổ cập được xem là một biến số phụ thuộc vào thổ nhưỡng, sử dụng đất, độ dốc, địa hình, các điều kiện khí tượng, thủy văn,…thông qua các phương trình mô tả sự tác động của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo đến lượng bổ cập, có thể đánh giá được diễn biến của lượng bổ cập theo không gian và thời gian Các nhà khoa học trên thế giới đã có nhiều nỗ lực trong việc xây dựng và phát triển các công cụ mô hình số nhằm mô tả chi tiết các yếu tố trên

WetSpass là một trong những mô hình số có nhiều ưu điểm: được tích hợp trên nền GIS, mô tả được tác động của các yếu tố chính ảnh hưởng đến lượng bổ cập (điều kiện khí hậu, thủy văn, thổ nhưỡng, độ dốc,…), cho phép đánh giá lượng

bổ cập trong tương lai với các kịch bản BĐKH khác nhau

WetSpass là một mô hình thủy văn phân bố không ổn định theo lưới ô vuông được tích hợp sử dụng trên nền phần mềm ArcView 3.2 do Khoa Thủy văn và Thủy lực công trình Đại học VUB (Vương quốc Bỉ) phát triển (Liu và nnk, 2004) [39] Mỗi ô vuông của mô hình theo chiều thẳng đứng được phân thành 4 lớp và đới như sau: lớp thực vật (vegetation zone), lớp đất thổ nhưỡng (root zone), đới truyền dẫn (transmission zone) và đới bão hòa (saturated zone); tương ứng với các lớp và đới

này là mô phỏng các quá trình thủy văn được thể hiện ở hình 1.1 Theo sơ đồ này

WetSpass tính cân bằng nước ở đới thổ nhưỡng và đới bão hòa; dòng chảy tràn được tính theo phương pháp Modified Rational Method (Kuichling, 1889 [40]; Poertner, Herbert G [41]) và vận động trên toàn hệ thống theo lời giải xấp xỉ của phương trình khuếch tán sóng (Liu và n.n.k, 2003) [42]; toàn bộ hệ thống nước ngầm được đơn giản hóa bằng một TCN đặc trưng bởi một thông số duy nhất là sức

chứa và NDĐ từ ô vuông này không vận chuyển sang ô vuông khác như các mô hình số NDĐ chuyên sâu khác

Hình 1.1 Cấu trúc và các quá trình thủy văn được mô phỏng trong mỗi ô vuông

tính toán của mô hình WetSpasss

WetSpass là mô hình dựa trên các quá trình vật lý vì các mô hình toán sử dụng mô tả các thành phần dựa trên các nguyên tắc vật lý như bảo toàn khối lượng

và động lượng Các quá trình được bắt đầu từ mưa, các con đường đi của nước mưa

sẽ được mô phỏng tính toán như sau:

Quá trình tổn thất do sự chặn lại của lớp phủ

(1.1) Phương trình cân bằng cho tổn thất của lớp phủ

SI (t) = SI(t-1) + I (t) – EI (t) (1.2)

Trong đó: I(t) - Tổn thất do lớp phủ tại mỗi ô trong một bước thời gian (mm);

Io - Lượng tổn thất lớp phủ tối đa (mm) phụ thuộc vào mùa và thảm phủ; SI(t-s) - Lượng trữ tổn thất lớp phủ tại bước thời gian trước đó (mm); P(t)- Tổng lượng mưa rơi xuống mỗi ô (mm); EI(t)- Bốc thoát hơi từ lượng trữ tổn thất lớp phủ (mm)

Quá trình sinh dòng chảy mặt và tích đọng

(1.4)

Trong đó: PE(t) – Lượng mưa vượt thấm; F(t) - Lượng nước thấm xuống lớp đất; I(t) – Lượng tổn thất do làm ướt lá cây; θ(t)- Lượng ẩm trong lớp đất tại thời gian t; θs - Độ rỗng của lớp đất; α - Hệ số mũ đặc trưng cho cường độ mưa

Tổn thất do tích đọng

(1.5) Trong đó: SD(t) – Lượng tích đọng tại thời điểm t; SDo - Lượng tích động tối đa phụ thuộc vào loại đất, độ dốc và thảm phủ; PC – Lượng mưa tích lũy trên bề mặt đất PE(t)– Lượng mưa vượt thấm; ∆SD (t) - Số gia của tổn thất tích đọng; Lượng tích đọng tối đa phụ thuộc vào loại đất, độ dốc và thảm phủ

Dòng chảy mặt

(1.6) Trong đó: RS(t)- Dòng chảy mặt tại thời điểm t; PE(t)- Lượng nước vượt thấm; SDo - Lượng tích đọng tối đa

Cân bằng nước trong lớp đất

(1.7) Trong đó:

∆θ - Chênh lệch độ ẩm trong lớp đất; F(t) - Lượng nước thấm xuống lớp đất RI(t) - Dòng chảy sát mặt; RG(t) - Lượng nước thấm xuống TCN; Es(t) – Lượng bốc hơi từ đới thông khí

Lượng nước thấm xuống tầng ngầm

(1.8) Trong đó : K(θ(t)- Hệ số dẫn suất thủy lực hiệu quả tương ứng với lượng ẩm trung bình của lớp đất tại thời gian t (mm/h) ; θs- Độ rỗng của lớp đất (m3/m3) ; θr-

Lượng ẩm dư (m3/m3); Ks – Hệ số dẫn suất thủy lực bão hòa (mm/h); B – Chỉ số phân bố kích thước độ rỗng ; ∆t – Bước thời gian (h)

Dòng chảy sát mặt

(1.9.) Trong đó: RI(t) - Tổng lượng dòng chảy sát mặt ra khỏi mỗi ô trong khoảng thời gian ∆t (mm); K(θ(t)- Hệ số thấm tương ứng với lượng ẩm trung bình của lớp đất tại thời gian t (mm/h); So- Độ dốc của ô (m/m) ; D- Độ sâu lớp đất (m); Cs –

Hệ số đặc trưng cho tác động của mạng lưới sông, các vật chất hữu cơ và tác động của hệ thống rễ cây đến hệ số thấm của lớp đất

Bốc hơi trên mặt đất

(1.10) Trong đó: E – Lượng bốc hơi thực tế trên lớp đất; Ep- Lượng bốc thoát hơi tiềm năng; Ce– Hệ số thực vật được xác định theo các lớp phủ và biến đổi trong năm; θ(t)- Lượng ẩm trong lớp đất tại thời gian t; θf - Lượng ẩm trong lớp đất lớn nhất; θw- Lượng ẩm trong lớp đất tại điểm tính

Dòng chảy ngầm

Phương trình cân bằng vùng nước ngầm

(1.11)

(1.12) Trong đó: Sg(t)– Trữ lượng nước ngầm của tiểu lưu vực tại thời điểm t (mm); Sg(t-1)– Trữ lượng nước ngầm của tiểu lưu vực tại thời điểm t -1(mm); Qg (t) – Lượng dòng chảy ngầm trung bình tại đầu ra của một lưu vực nhỏ; RG(t) – Lượng nước thấm xuống tầng ngầm của mỗi ô; Eg(t) – Bốc thoát hơi từ tầng nước ngầm của tiểu lưu vực; Ai - Diện tích của mỗi ô; As – Diện tích của tiểu lưu vực

Qg = (cg Sg As/1000)m (1.13)

Trong đó: Qg – Lượng dòng chảy ngầm trung bình tại đầu ra của một tiểu lưu vực (m3/s); Sg(t) – Trữ lượng nước ngầm của tiểu lưu vực tại thời điểm t (mm);

cg – Hệ số triết giảm nước ngầm (1/s) có tính đến diện tích lưu vực; As – Diện tích tiểu lưu vực; Công thức tính bốc hơi từ tầng ngầm

(1.14) Trong đó: Eg(t)- Bốc thoát hơi từ tầng nước ngầm của tiểu lưu vực; Es(t)- Lượng bốc hơi thực tế trên lớp đất; Ep- Lượng bốc thoát hơi tiềm năng; Ce- Hệ số thực vật được xác định theo các lớp phủ và biến đổi trong năm; Sg(t)- Lượng nước ngầm của tiểu lưu vực tại thời điểm t (mm); Smax- Trữ lượng nước ngầm lớn nhất của tiểu lưu vực

Dữ liệu đầu vào cho mô hình là chuỗi số liệu về khí tượng (lượng mưa, bốc hơi tiềm năng, nhiệt độ, tỷ lệ che phủ, hệ số nhám bề mặt, hệ số thấm, hệ số dẫn nước, hệ số nhả nước, đỗ lỗ rống đất đá, độ ẩm) Các loại bản đồ: Bản đồ loại đất; Bản đồ địa hình (DEM); Bản đồ độ dốc; Bản đồ sử dụng đất; Bản đồ về nhiệt độ không khí trung bình năm; Bản đồ về lượng mưa trung bình năm; Bản đồ về lượng bốc hơi tiềm năng; Bản đồ tốc gió trung bình năm; Bản đồ độ sâu NDĐ tầng trên cùng Các bảng biểu: Bảng thông số về đất; Bảng hệ số dòng chảy mặt; Bảng thông

số sử dụng đất

Số liệu đầu ra của mô hình: Bản đồ về lượng bổ cập; Bản đồ dòng chảy mặt; Bản đồ bốc thoát hơi nước tổng cộng; Bản đồ lượng nước bị giữ lại; Bản đồ sai số; Bản đồ lượng bốc hơi của đất; Bản đồ bốc thoát hơi nước của thực vật; Bản đồ của bước thời gian trước

c Sử dụng mô hình số tài nguyên NDĐ tính toán dự báo mực nước, dịch chuyển biên mặn theo thời gian và các kịch bản BĐKH-NBD

Để xây dựng mô hình dòng ngầm và thay đổi độ mặn (một trường hợp trong dịch chuyển vật chất hòa tan trong môi trường ngầm) trong môi trường lỗ rỗng, trên thế giới sử dụng rất nhiều hệ phần mềm cơ sở khác nhau Ví dụ như FEFLOW (Hans-Jörg G Diersch, 2014) [43] , MODFLOW (McDonald M.G và Harbaugh, A.W, 1988) [44] kết hợp với MT3D (Zheng and Wang, 1999) [45], SUTRA (Clifford I Voss, 1984) [46] hoặc SEAWAT (Weixing Guo, 1998) [47] Các hệ phần mềm cơ sở này chủ yếu khác nhau về giải thuật nhưng vẫn dựa trên công thức

vi phân tổng quát chung Tới thời điểm hiện tại có thể nói hai hệ phần mềm cơ sở

được sử dụng phổ biến nhất là FEFLOW, MT3D và SEAWAT trong việc mô phỏng dịch chuyển biên mặn trong môi trường lỗ rỗng [48], [49], [50]

Tại Việt Nam, việc tiếp cận với mô hình số trong môi trường lỗ rỗng được bắt đầu khá sớm vào những năm 90 của thế kỷ trước với hệ phần mềm cơ sở đầu tiên là MODFLOW Đến nay, MODFLOW cũng như module MT3D được sử dụng phổ biến trong các công tác nghiên cứu ĐCTV Trước đây, việc mô phỏng dịch chuyển biên mặn được thực hiện bằng cách kết hợp mô hình dòng ngầm MODFLOW với mô hình dịch chuyển vật chất hòa tan MT3D Luận án đã lự chọn

và sử dụng mô hình MODFLOW - MT3D trên nền tảng phần phềm GMS.10.0 để

dự báo sự ảnh hưởng của BĐKH-NBD đến nước dưới đất trong các thành tạo Đệ tứ vùng đồng bằng ven biển Gio Linh – Quảng Trị

d Thí nghiệm đổ nước hố đào

Sử dụng phương pháp Nesterov

Mục đích: xác định hệ số thấm trong đới thông khí phục vụ phân vùng hệ số thấm sử dụng cho mô hình số nước dưới đất và hiệu chỉnh mô hình số thủy văn WetSpass

Nguyên lý: thí nghiệm đổ nước hố đào có hai vòng chắn đặt đồng tâm, vòng

to ngoài đường kính 50cm, vòng nhỏ trong đường kính 25cm; khống chế mực nước không đổi 10cm, đo lưu lượng thấm qua đáy vòng nhỏ đến khi đạt lưu lượng ổn định thì dừng lại Áp dụng định luật Darcy có xét đến mao dẫn để tính hệ số thấm của đất đá

Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm: Hai bình định lượng, có van khóa khống chế lưu lượng; đồng hố bấm giây, thước mét, phễu rót nước Sơ đồ thí nghiệm và thí nghiệm thực tế ngoài thực địa (Xem hình Phụ lục)

Khối lượng thực hiện: 6 hố đào đặc trưng cho các loại đất đá trong khu vực đồng bằng Gio Linh, Quảng Trị: cát trắng nguồn gốc gió biển, cát pha, sét, sét pha, bazan, cuội sỏi, sạn sỏi hạt thô lẫn sét

e Thí nghiệm thấm Seepage

Mục đích: xác định quan hệ thủy lực giữa NDĐ và nước mặt sông Thạch Hãn, Bến Hải, Cánh Hòm và hồ Trúc Kinh, vị trí các điểm thí nghiệm được lựa chọn dựa trên những nguyên tắc sau:

- Phân bố dọc theo bờ tả ngạn sông Thạch Hãn từ khu vực Trạm KTTV Cửa Việt đến cầu Hiếu Giang trên sông Hiếu; hữu ngạn sông Bến Hải từ vị trí gần tiếp giáp sông cụt tại xã Sơn Hải đến khu vực gần cầu Hiền Lương; tại sông Cánh Hòm

từ điểm đầu, giữa, cuối sông; tại hồ Trúc Kinh thực hiện tại vị trí gần cửa xả phục

vụ tưới cho nông nghiệp

- Chiều sâu đáy sông thoải đảm bảo tiến hành lắp đặt thiết bị và cho kết quả thí nghiệm chính xác;

- Không bị ảnh hưởng bởi các dòng chảy cục bộ như sông nhánh, những hệ thống thoát nước ra sông;

- Thành phần thạch học đáy sông đồng nhất, không lẫn cuội sỏi, không có cây và rễ cây;

- Mực nước sông tại vị trí thí nghiệm phải làm ngập bộ dụng cụ thí nghiệm

và thuận tiện thao tác, thông thường chọn những vị chí có chiều sâu mực nước khoảng 60cm

f Sử dụng phương pháp cân bằng Clo

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 các phương trình cân bằng và tính toán giá trị bổ cập cho TCN [51]

Phương trình cân bằng giữa hàm lượng Clo trong nước mưa và nước ngầm TCN Holocen được thiết lập như sau:

P = R*(Clp/Clgw) (1.15) Trong đó: P: lượng bổ cập của nước mưa cho nước ngầm TCN Holocen (mm/năm); R: lượng mưa trung bình năm (mm/năm); Clp: hàm lượng Clo trong nước mưa (mg/l); Clgw: hàm lượng Clo trong nước ngầm TCN Holocen (mg/l)

CMB không chỉ được sử dụng một cách rộng rãi để tính toán giá trị bổ cập cũng như tốc độ thấm mà nó còn được coi là một trong những phương pháp hiện đại

để giải quyết các bài toán liên quan tới sự bổ cập cho NDĐ Sở dĩ như vậy là bởi chính do bản chất “trơ” của ion này Trong phạm vi đới thông khí, nó được thấm qua đới thông khí đi vào TCN cùng với sự thấm thẳng đứng của nước mưa, một mặt không bị hấp thụ bởi các vật liệu trầm tích kể cả vật liệu hữu cơ, mặt khác nó không tham gia bất cứ phản ứng hoá học nào trong suốt quá trình thấm

Trên cơ sở nhận thấy tính hữu ích của phương pháp, cùng với các số liệu đo 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 3 năm từ 2012

2014, Luận án lựa chọn phương pháp này để tính toán lượng bổ cập của nước mưa cho nước ngầm tầng chứa Holocen trên bằng việc sử dụng phương trình cân bằng Clo đã nêu ở trên

g Xây dựng mô hình số 3D

Phần lớn các mô hình mô phỏng quá trình mưa - ngấm bổ cập NDĐ - dòng chảy mặt hiện nay đều mô hình hóa toàn bộ hệ thống NDĐ như là một TCN Đối với hệ thống gồm nhiều tầng chứa khác nhau, khi sử dụng kết quả ngấm bổ cập từ các mô hình này cần phải hiểu rõ diện phân bố cũng như con đường bổ cập để phân chia lượng bổ cập tính được đến từng tầng chứa [52], [53], [54] Trong nghiên cứu này, luận án xây dựng mô hình khối 3D địa tầng ĐCTV của vùng nghiên cứu và sử dụng nó như là một công cụ để luận giải phân bố diện tích và con đường bổ cập của nước mưa và nước mặt đến từng TCN Tài liệu để xây dựng mô hình là bản đồ và mặt cắt địa chất - ĐCTV, đặc biệt là tài liệu cột địa tầng lỗ khoan của các dự án đo

vẽ bản đồ địa chất, thăm dò, tìm kiếm NDĐ [55] Quá trình xây dựng mô hình 3D

được mô phỏng theo sơ đồ Hình 1.2 dưới đây