Ứng dụng phần mềm visual modflow xây dựng mô hình và đánh giá tiềm năng trữ lượng nước ngầm tỉnh an giang

Trên cơ sở dữ liệu địa chất thủy văn và các giếng khai thác nước ngầm luậnvăn đã sử dụng module ArcHydro Groundwater của ArcGIS để xây dựng mô hình cấutrúc địa chất thủy văn 3D địa bàn t

H C VI N NÔNG NGHI P VI T NAM ỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

VŨ HOÀI THU

NG D NGPH N M M VISUAL MODFLOW ỨNG DỤNGPHẦN MỀM VISUAL MODFLOW ỤNGPHẦN MỀM VISUAL MODFLOW ẦN MỀM VISUAL MODFLOW ỀM VISUAL MODFLOW

XÂYD NG MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ ỰNG MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ

TI MNĂNGTR L ỀM VISUAL MODFLOW Ữ LƯỢNG NƯỚC NGẦM TỈNH AN ƯỢNG NƯỚC NGẦM TỈNH AN NG N ƯỚC NGẦM TỈNH AN C NG M T NH AN ẦN MỀM VISUAL MODFLOW ỈNH AN

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào.

Tôi cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả luận văn

Vũ Hoài Thu

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhậnđược sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên củabạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Nhân dịp hoàn thành luận văn, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết

ơn sâu sắc TS Nguyễn Duy Bình đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thờigian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo,

Bộ môn Quản lý đất đai, Khoa Quản lý đất đai - Học viện Nông nghiệp Việt Nam đãtận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn

Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi hoàn thành luận văn./.

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả luận văn

Vũ Hoài Thu

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục chữ viết tắt vi

Danh mục bảng vii

Danh mục hình viii

Trích yếu luận văn ix

Thesis astract xi

Phần 1 Mở đầu 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Giả thiết khoa học 2

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.4 Phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học thực tiễn 2

Phần 2 Tổng quan tài liệu 4

2.1 Cơ sở lý luận nghiên cứu nước ngầm 4

2.1.1 Khái quát về nước ngầm 4

2.1.2 Lịch sử phát triển nghiên cứu địa chất thủy văn 7

2.1.3 Sử dụng nguồn nước ngầm 10

2.2 Tổng quan ứng dụng phần mềm visual modflow trong đánh giá chất lượng nước ngầm 13

2.2.1 Các phương pháp đánh giá trữ lượng nước ngầm 14

2.2.2 Giới thiệu phần mềm Visual MODFLOW 16

2.2.3 Phương pháp tính toán 18

2.2.4 Điều kiện biên 20

2.2.5 Ứng dụng phần mềm Visual MODFLOW đánh giá trữ lượng nước ngầm 22

Phần 3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 25

3.1 Địa điểm nghiên cứu 25

3.2 Thời gian nghiên cứu 25

3.3 Đối tượng nghiên cứu 25

3.4 Nội dung nghiên cứu 25

3.4.1 Khu vực nghiên cứu 25

3.4.2 Địa chất 25

3.4.3 Địa chất thủy văn 26

3.4.4 Xây dựng mô hình 26

3.4.5 Tính toán cân bằng nước tỉnh An Giang 27

3.4.6 Tính toán cân bằng nước theo các kịch bản phát triển nguồn nước 27

3.5 Phương pháp nghiên cứu 27

3.5.1 Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu, số liệu 27

3.5.2 Phương pháp xử lý số liệu với GIS và Excel 27

3.5.3 Phương pháp xây dựng mô hình cấu trúc 3D 28

3.5.4 Phương pháp xây dựng mô hình bằng phần mềm Visual MODFLOW 28

3.5.5 Phương pháp đánh giá tiềm năng nước ngầm 29

Phần 4 Kết quả nghiên cứu và thảo luận 30

4.1 Khu vực nghiên cứu 30

4.1.1 Giới thiệu chung 30

4.1.2 Khí hậu 31

4.1.3 Thổ nhưỡng và sử dụng đất 32

4.1.4 Thủy văn 36

4.1.5 Dân số và sử dụng nước 38

4.2 Địa chất 40

4.2.1 Lịch sử thành tạo địa chất 40

4.2.2 Lỗ khoan thăm dò 41

4.2.3 Mô tả địa chất 41

4.3 Địa chất thủy văn 46

4.3.1 Phân tầng địa chất thủy văn 46

4.3.2 Tình hình khai thác nước ngầm 52

4.4 Xây dựng mô hình 54

4.4.1 Dữ liệu đầu vào 54

4.4.2 Thiết lập mô hình cấu trúc 3D 58

4.4.3 Thiết lập mô hình nước ngầm MODFLOW 61

4.4.4 Hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình 66

4.4.5 Kết quả hiệu chỉnh mô hình 69

4.4.6 Tính toán trữ lượng nước ngầm 73

4.5 Tính toán cân bằng nước tỉnh An Giang 76

4.5.1 Phân vùng tính cân bằng nước 77

4.5.2 Căn cứ tính toán nhu cầu sử dụng nước 78

4.5.3 Tổng hợp dự báo nhu cầu sử dụng nước cho các ngành trong các kỳ quy hoạch 79 4.5.4 Sử dụng nước ngầm trong nông nghiệp 80

4.5.5 Sử dụng nước ngầm trong công nghiệp 82

4.5.6 Sử dụng nước ngầm trong sinh hoạt 83

4.6 Tính toán cân bằng nước theo các kịch bản phát triển nguồn nước 84

Phần 5 Kết luận và kiến nghị 93

5.1 Kết luận 93

5.2 Kiến nghị 94

Tài liệu tham khảo 95

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Mười năm quốc gia dẫn đầu thế giới về khai thác sử dụng nước ngầm 11

Bảng 2.2 Tỷ trọng khai thác tài nguyên nước ngầm tại Việt Nam 12

Bảng 4.1 Tổng lượng mưa tại An Giang qua một số năm 31

Bảng 4.2 Đặc điểm khai thác nước ngầm các vùng 53

Bảng 4.3 Tổng hợp thông tin về các thông số 55

Bảng 4.4 Khai thác nước ngầm tại 11 huyện, thành phố thuộc tỉnh An Giang năm 2015 65 Bảng 4.5 Giá trị hệ số độ rỗng của các tầng địa chất thủy văn 74

Bảng 4.6 Kết quả tính toán trữ lượng khai thác tiềm năng của từng tầng 75

Bảng 4.7 Bảng tính chiều sâu mực nước hạ thấp cho phép của từng huyện thị 75

Bảng 4.8 Trữ lượng nước ngầm (nước nhạt) có thể khai thác 76

Bảng 4.9 Dự báo nhu cầu sử dụng nước cho các ngành năm 2020 79

Bảng 4.10 Dự báo nhu cầu sử dụng nước cho các ngành năm 2025 80

Bảng 4.11 Tỷ lệ sử dụng nước ngầm trong nuôi trồng thủy sản tỉnh An Giang năm 2015 81 Bảng 4.12 Tỷ lệ sử dụng nước ngầm trong công nghiệp tỉnh An Giang năm 2015 82

Bảng 4.13 Tỷ lệ sử dụng nước ngầm trong sinh hoạt tỉnh An Giang năm 2015 83

Bảng 4.14 Tỷ lệ sử dụng nước ngầm so với tổng nhu cầu nước cho các ngành đến năm 2020 theo kịch bản giảm 15% mỗi năm 86 Bảng 4.15 Tỷ lệ sử dụng nước ngầm so với tổng nhu cầu nước cho các ngành đến năm 2020 theo kịch bản tăng 5% mỗi năm87 Bảng 4.16 Tỷ lệ sử dụng nước ngầm so với tổng nhu cầu nước cho các ngành đến năm 2020 theo kịch bản tăng 10% mỗi năm 87 Bảng 4.17 Tỷ lệ sử dụng nước ngầm so với tổng nhu cầu nước cho các ngành đến năm 2025 theo kịch bản giảm 15% mỗi năm 88 Bảng 4.18 Tỷ lệ sử dụng nước ngầm so với tổng nhu cầu nước cho các ngành đến năm 2025 theo kịch bản tăng 5% mỗi năm 88 Bảng 4.19 Tỷ lệ sử dụng nước ngầm so với tổng nhu cầu nước cho các ngành đến năm 2025 theo kịch bản tăng 10% mỗi năm 89 Bảng 4.20 Khả năng đáp ứng nước ngầm cho các ngành đến năm 2020 90

Bảng 4.21 Khả năng đáp ứng nước ngầm cho các ngành đến năm 2025 90

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Phân bố nước trên Trái Đất 4

Hình 2.2 Các đơn vị địa chất thủy văn 6

Hình 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trữ lượng nước ngầm 7

Hình 2.4 Mô hình lan truyền chất độc hại dạng 3D được xây dựng bằng phần mềm Visual MODFLOW Flex 17

Hình 2.5 Ô lưới và các loại ô trong mô hình 20

Hình 2.6 Minh họa biên sông trong mô hình MODFLOW 21

Hình 4.1 Bản đồ địa giới hành chính tỉnh An Giang 30

Hình 4.2 Sơ đồ phân bố vùng nguồn gốc nước ngầm tầng Holocen. 57

Hình 4.3 Mô hình cấu trúc 3D các tầng nước ngầm 58

Hình 4.4 Mặt cắt ngang từ mô hình ArcHydro Groundwater 60

Hình 4.5 Các lỗ khoan và mạng lưới các mặt cắt thể hiện trong mô hình 61

Hình 4.6 Mặt cắt thể hiện ranh giới các tầng địa chất thủy văn trong mô hình Visual MODFLOW 62

Hình 4.7 Kết quả sai số giữa chỉ số mực nước trên mô hình với chỉ số mực nước thực tế sau 10 năm khai thác của hai lỗ khoan quan trắc a) 203-II và b) Q204010 trước (ảnh bên trái) và sau (ảnh bên phải) khi hiệu chỉnh 67

Hình 4.8 Mực nước ngầm tỉnh An Giang đến năm 2024 tại ba tầng nước ngầm a) Tầng nước ngầm Pleistocen thượng; b) Tầng nước ngầm Pleistocen trung-thượng; c) Tầng nước ngầm Pliocen trung 68

Hình 4.9 Giá trị hệ số dẫn nước thủy lực (k) của ba tầng nước ngầm: a) Pleistocen thượng, b) Pleistocen trung-thượng, c) Pliocen trung Màu sắc thể hiện các giá trị của hệ số dẫn nước thủy lực theo như trong hình 4.10 71

Hình 4.10 Giá trị hệ số dẫn nước thủy lực sau hiệu chỉnh mô hình 71

Hình 4.11 Giá trị hệ số nhả nước trọng lực của ba tầng nước ngầm: a) Pleistocen thượng, b) Pleistocen trung-thượng, c) Pliocen trung.Màu sắc thể hiện các giá trị của hệ sốnhả nước trọng lực theo như trong hình 4.10 73

Hình 4.12 Giá trị hệ số dẫn nước thủy lực sau hiệu chỉnh mô hình 73

Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi mực nước tại điểm879-III (tọa độ 532308.6m, 1148918.96m) nằm trong vùng 1 85

Hình 4.14 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi mực nước tại điểm CD014 (tọa độ532308.6m,1166435.15m) nằm trong vùng 2 85

Hình 4.15 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi mực nước tại LK 08 (tọa độ 514927m, 1196463m) nằm trong vùng 3 86

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Tên tác giả: Vũ Hoài Thu

Tên Luận văn: “Ứng dụng phần mềm Visual MODFLOW xây dựng mô hình và đánh giá tiềm năng trữ lượng nước ngầm tỉnh An Giang”

Ngành: Quản lý đất đai Mã số: 60:85.01.03

Tên cơ sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt

Nam Mục đích nghiên cứu:

- Áp dụng phần mềm visual MODFLOW xây dựng mô hình nước ngầm trên địa bàn tỉnh An Giang

- Đánh giá tiềm năng trữ lượng nước ngầm trên địa bàn tỉnh An Giang, qua đó tínhtoán cân bằng nước làm cơ sở phục vụ cho công tác quy hoạch, khai thác và quản lý nguồn nướcngầm trên địa bàn tỉnh, đảm bảo cho sự phát triển bền vững

Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu, số liệu;

- Phương pháp xử lý số liệu với GIS và Excel;

- Phương pháp xây dựng mô hình cấu trúc 3D;

- Phương pháp xây dựng mô hình bằng phần mềm Visual MODFLOW;

- Phương pháp đánh giá tiềm năng nước ngầm

Kết quả chính và kết luận

Dữ liệu thông tin về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội tỉnh An Giang liên quanđến tài nguyên nước ngầm, đặc biệt dữ liệu thông tin về lịch sử địa chất, đặc điểm khítượng, thủy văn, địa hình, địa chất thủy văn của tỉnh

Trên cơ sở dữ liệu địa chất thủy văn và các giếng khai thác nước ngầm luậnvăn đã sử dụng module ArcHydro Groundwater của ArcGIS để xây dựng mô hình cấutrúc địa chất thủy văn 3D địa bàn tỉnh An Giang, qua đó đã thực hiện kiểm tra trựcquan các dữ liệu thu thập được từ các nguồn khác nhau

Luận văn đã xây dựng thành công mô hình MODFLOW, để mô tả các điềukiện địa chất thủy văn, kể cả dòng chảy nước ngầm tỉnh An Giang Thông qua quátrình hiệu chỉnh bộ thông số và kiểm định mô hình, bước đầu đã khẳng định được môhình có khả năng mô phỏng điều kiện thực tế, tạo cơ sở cho việc tính toán trữ lượngkhai thác tiềm năng nguồn nước ngầm của tỉnh

Xây dựng các kịch bản khai thác nước ngầm phục vụ cho phát triển tại địa

phương Nguồn nước ngầm trước hết được ưu tiên phục vụ cho sinh hoạt của ngườidân, tùy theo đặc điểm từng địa phương mà tiếp tục khai thác phục vụ cho côngnghiệp và thậm chí là các hoạt động sản xuất khác như tưới tiêu, chăn nuôi Trongquá trình khai thác cần chú ý đến sự giảm mực nước của các tầng địa chất, đảm bảo sựbền vững của nguồn tài nguyên cũng như phát triển kinh tế, xã hội.

THESIS ABSTRACT

Master candidate: Vu Hoai Thu

Thesis title: “Visual MODFLOW software application for modeling and assessment

of potential groundwater resource, An Giang province”

Major:Land Management Code: 60:85.01.03

Educational organization: Vietnam National University of Agriculture (VNUA)

Methods

- Methods of collecting, sumarizing documents, data;

- Methods of processing data by GIS and Execl;

- Methods of modeling 3D structure model;

- Methods of modeling by Visual MODFLOW software;

- Methods of assessing potential groundwater resource

Main results and conclusions

The data base about natural socio-economic conditions of An Giang related togroundwater resources, particularly the data about geological history, characteristics

of meteorology, hydrology, topography, hydro-geology was built

Basing on data about hydrogeology and supplying wells, the thesis used module of ArcGIS ArcHydro Groundwater to build hydrogeological structure 3D model of An Giang province, making a visual survey to test data collected from various sources.

Thesis has built successfully MODFLOW model, to describe thehydrogeological conditions, including groundwater flows in An Giang area Throughthe process of adjusting the parameters and test models, initially confirmed the model

is capable of simulating real conditions, provide the basis for calculating the potentialreserve of underground water resources of the province

Construction of groundwater extraction scenarios to serve the local development was built First priority of the groundwater sources is used for activities of people,

depending on the characteristics of each locals, continuing to serve the industry andeven other productive activities such as irrigation, livestock In the extractionprocess, paying attention to the water level decreasing of geological layers, ensuringthe sustainability of natural resources as well as economic development and socialdevelopment.

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nước là nguồn tài quyết định đối với sự tồn tại và phát triển của sự sốngtrên Trái Đất Đặc điểm của tài nguyên nước là được tái tạo theo quy luật thời gian

và không gian Nhưng ngoài quy luật tự nhiên, hoạt động của con người đã tácđộng không nhỏ đến vòng tuần hoàn của nước

Các nguồn cung cấp nước trên Trái đất rất đa dạng Tuy chỉ chiếm 3% trongtổng số nước trên Trái đất, nước ngọt đóng vai trò rất lớn đối với sự sống và pháttriển của các sinh vật trên Trái đất Trong đó có 68,7% là từ các núi băng và sôngbăng, 30,1% là nước ngầm, 0,3% nước mặt ngọt và 0,9% từ các nguồn khác

Từ xưa, con người đã sử dụng nguồn nước ngầm (hay nước ngầm) để đápứng những nhu cầu sinh hoạt hàng ngày, và đến bây giờ thì nước ngầm vẫn lànguồn nước quan trọng cung cấp cho sinh hoạt và sản xuất của con người Tuynhiên, tỉ lệ thuận với sự phát triển của đất nước và xã hội là việc đẩy mạnh khaithác nước ngầm, khiến nguồn nước quý giá này ngày càng trở lên kiệt quệ, cả về

số lượng lẫn chất lượng Vấn đề đặt ra cấp bách hiện nay là cần phải đánh giáchính xác trữ lượng nước ngầm ở hiện tại, để làm cơ sở cho công tác quản lý cácnguồn nước ngầm, kiểm soát được các hoạt động khai thác để cân bằng được trữlượng nước ngầm, đảm bảo cung cấp cho thế hệ tiếp sau sử dụng và cho sự pháttriển bền vững của môi trường

An Giang là tỉnh ở miền Tây Nam Bộ, thuộc đồng bằng sông Cửu Long,một phần nằm trong vùng Tứ giác Long Xuyên, có biên giới Việt Nam –Campuchia, là một địa phương có sự đa dạng về dân tộc và tôn giáo

Với tốc độ phát triển của tỉnh trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụngnước cho các hoạt động trong phát triển kinh tế và sinh hoạt của người dân là rấtlớn Tỉnh có hai con sông lớn là sông Tiền và sông Hậu chảy qua, nhưng, trên thực

tế, tình trạng suy kiệt nguồn nước trong hệ thống sông, hạ lưu các hồ chứa và nướcngầm ở tỉnh đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng Trữ lượng nước ngầm của tỉnh

An Giang không nhiều và phân bố không đồng đều Nguồn nước ngầm tập trungchủ yếu tại các huyện ven sông Hậu, sông Tiền và tương đối thấp

ở các huyện khác Theo kết quả điều tra, khảo sát, lượng nước ngầm khai thác và sử dụng chiếm khoảng hơn 10% tổng trữ lượng nước ngầm của toàn tỉnh

Trước thực tế đó, nhu cầu xác định hiện trạng nguồn tài nguyên quý giá này

cả về số lượng và chất lượng để có các biện pháp đúng đắn trong việc quản

lý và bảo vệ, tránh các nguy cơ suy thoái và cạn kiệt cho nguồn nước ngầm, hướngtới mục tiêu phát triển bền vững là hết sức cấp thiết và chính đáng.

Với sự phát triển của công nghệ thông tin cùng với các phương pháp giảisai phân và các tiến bộ về thủy động lực, một xu hướng mới trong việc đánh giátrữ lượng nước ngầm là sử dụng các mô hình toán để mô phỏng lại động thái củacác thành phần nước ngầm Visual MODFLOW là một phần mềm ứng dụng cungcấp môi trường xây dựng mô hình hoàn thiện nhất đối với dòng chảy nước ngầmtheo ba chiều và chuyển vận của chất ô nhiễm

Với những lý do trên, tôi thực hiện đề tài: “Ứng dụng phần mềm Visual MODFLOW xây dựng mô hình và đánh giá tiềm năng trữ lượng nước ngầm tỉnh An Giang”.

1.2 GIẢ THIẾT KHOA HỌC

Đánh giá trữ lượng là bài toán thường gặp trong quản lý và quy hoạch khaithác nước ngầm Phương pháp truyền thống chỉ đánh giá truyền thống chỉ đánh giátrữ lượng nước ngầm tĩnh (dòng chảy không thay đổi theo thời gian), trong khiphương pháp mô hình hóa cho phép tính toán động thái với nhiều kịch bản khaithác nước ngầm khác nhau Phương pháp mô hình đã được thực hiện trong nhiềunghiên cứu trên thế giới và thu được những kết quả tích cực Mô hình dòng chảynước ngầm tại tỉnh An Giang để đánh giá tiềm năng trữ lượng nước ngầm trong đềtài này là nghiên cứu đầu tiên áp dụng cho tỉnh An Giang

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Áp dụng phần mềm visual MODFLOWxây dựng mô hình nước ngầm trên địa bàn tỉnh An Giang

- Đánh giá tiềm năng trữ lượng nước ngầm trên địa bàn tỉnh An Giang, qua đótính toán cân bằng nước làm cơ sở phục vụ cho công tác quy hoạch, khai thác và quản lý nguồnnước ngầm trên địa bàn tỉnh, đảm bảo cho sự phát triển bền vững

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Tập trung nghiên cứu tài nguyên nước ngầm trên toàn bộ tỉnh An Giang và các vấn đề cân bằng nước liên quan

1.5 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC THỰC TIỄN

Trước các thách thức của quá trình phát triển và hội nhập, nhu cầu sử dụng nguồn tài nguyên nước ngầm ngày càng tăng Tuy nhiên, đây cũng là một

2

nguồn tài nguyên dễ bị tổn hại, kéo theo hiện tượng sụt lún đất và nhiễm mặn nếukhông được quản lý và khai thác hợp lý, thậm chí là cạn kiệt Nghiên cứu này nỗlực ứng dụng mô hình MODFLOW, nhằm mục đích tính toán tiềm năng trữ lượngnước ngầm phục vụ công tác quy hoạch, quản lý và khai thác nước ngầm tỉnh AnGiang, đáp ứng mục tiêu bảo vệ tài nguyên và phát triển bền vững.

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU NƯỚC NGẦM

2.1.1 Khái quát về nước ngầm

Khoảng 30,1% tổng lượng nước ngọt trên Trái đất nằm bên dưới bề mặtđất Hầu hết lượng nước ngọt dạng này được tìm thấy dưới các lớp đá và đất bãohòa nước, hay nói cách khác, đây chính là lượng nước trong các khe rỗng, khe hở,vết nứt trong các tầng địa chất Ta gọi lượng nước trong khu vực bão hòa dưới bềmặt đất là nước ngầm

Hình 2.1 Phân bố nước trên Trái Đất

Nguồn: water.usgs.gov/edu/watercyclevietnameseCác tầng địa chất nằm bên dưới bề mặt đất có cấu trúc sắp xếp phức tạp,bao gồm các vật liệu khác nhau cùng với các đặc điểm địa chất thủy văn riêng biệt.Cấu trúc vật liệu có ảnh hưởng lớn đến các tính chất lý, hóa học của nước ngầm.Các nhà thủy văn học nghiên cứu dòng chảy ngầm thường quan tâm đến ảnhhưởng của sự phân bố các vật chất khác nhau trong tầng nước ngầm đối với hìnhdạng, tốc độ di chuyển của nước ngầm và cách thức mà nước tương tác hóa họcvới vật chất tự nhiên (Vũ Ngọc Kỷ, 2008)

Trong đất đá bão hòa nước, có tất cả các dạng nước tham gia vào cấu trúccủa vật chất khoáng, lấp đầy các lỗ hổng mao dẫn và tạo thành những mặt lồi ởnhững nơi tiếp giáp các hạt rắn Phần không gian còn lại của lỗ hổng và khe nứt

chứa đầy nước trọng lực có thể chuyển động tự do dưới ảnh hưởng của lực trọngtrường và chảy từ nơi này đến nơi khác dưới tác dụng của sự chênh lệch áp lựcthủy tĩnh Sự chuyển động như vậy của nước trong môi trường lỗ hổng là hìnhthức chuyển động chủ yếu của nước ngầm Môi trường lỗ hổng nước thấm qua gọi

là môi trường thấm

Trong môi trường lỗ hổng, nước ngầm chỉ chuyển động dọc theo hệ thốngkhe hở có kích thước, hình dáng và sự phân bố rất khác nhau, nhưng lối liền vớinhau tạo thành kênh dẫn Do tính chất khúc khuỷu phức tạp của kênh dẫn và sựbiến đổi tương ứng của tốc độ chuyển động của nước dọc theo các kênh dẫn đó,nên không thể nghiên cứu chính xác sự chuyển động của nước theo từng điểmtrong không gian của kênh hoặc dọc theo từng kênh dẫn riêng biệt, mà phải nghiêncứu trên toàn bộ mặt cắt ngang môi trường thấm nói chung

Chuyển động của nước ngầm trong lỗ hổng của đất đá có thể dưới dạngchảy tầng hoặc chảy rối Chảy tầng là sự chuyển động mà các tia dòng dịch chuyểnđồng đều, song song với nhau không cắt nhau và không bị rối loạn, mật độ dòngchảy liên tục Chảy rối là sự chuyển động của nước với tốc độ lớn, các tia dòng rốiloạn, đứt đoạn và cắt lẫn nhau Trong điều kiện tự nhiên, chuyển động của nướcngầm trong môi trường thấm thường là chảy tầng Chỉ trong hang hốc và các khenứt có kích thước lớn hoặc trong những đới cục bộ do tác dụng của các công trìnhlấy nước với cường độ lớn, thì vận động của nước ngầm mới chuyển sang trạngthái chảy rối

Không phải tất cả các lớp địa chất đều là tầng nước ngầm Tầng địa chất ítthấm (aquiclude) là một dạng địa chất mà có thể chứa nước nhưng không dẫn nướcvới khối lượng đáng kể Đất sét và đá phiến sét là những ví dụ của tầng địa chất ítthấm Tầng địa chất không chứa/ dẫn nước (aquifuse) là một dạng địa chất khôngchứa cũng không dẫn nhiều nước Đá tinh thể không gắn kết thuộc dạng địa chấtnày Thuật ngữ phổ biến hơn, tầng địa chất cách nước (aquitard), thường được sửdụng để biểu thị dạng địa chất có độ thấm rất thấp, và có thể bao gồm cả tầng địachất ít thấm và tầng địa chất không chứa/ dẫn nước

Tầng nước ngầm được phân loại dựa trên điều kiện thủy lực cũng như loạivật liệu Nước ngầm theo định nghĩa liên quan đến nước trong vùng bão hòa dưới

bề mặt đất; một loại tầng nước ngầm là một tầng nước ngầm tự do hoặc tầng nướcngầm không áp (unconfined aquifer) Nếu ta đào sâu vào đất, lớp đất gần bề

mặt thường không bão hòa (vùng không bão hòa) Xuống sâu hơn phẫu diện đất,điều kiện bão hòa chiếm ưu thế (khu vực bão hòa) Mực nước ngầm được địnhnghĩa là một bề mặt có áp suất bằng không dưới mặt đất và là ranh giới giữa khuvực bão hòa và không bão hòa Nước sẽ chảy vào hố đào hay giếng nước lên đếnmức này; mực nước ngầm tươg đương với một bề mặt tự do Một tầng nước ngầm

có mực nước ngầm như là bề mặt giới hạn trên của tầng nước ngầm có tên gọi làtầng nước ngầm tự do, không bị giới hạn

Hình 2.2 Các đơn vị địa chất thủy văn

Nguồn: desertfm.comLoại tầng nước ngầm thứ hai là tầng nước ngầm có áp (confined aquifer).Đây là loại tầng nước ngầm được bao bọc phía trên bởi một lớp địa chất có độthấm nước nước rất nhỏ, gần bằng không (tầng địa chất ít thấm) Nước trong tầngnước ngầm có áp thường chịu áp lực và, trong một giếng khoan xâm nhập vào sâutrong tầng nước ngầm này, nước trong giếng sẽ dâng lên vượt qua phần đỉnh củatầng Bề mặt áp hay mặt áp thủy lực ứng với mực nước trong một giếng khoan cóđáy thông với tầng nước ngầm có áp (Nguyễn Duy Bình, 2012)

Hình 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trữ lượng nước ngầm

Nguồn: Emily S.Siegel (2014)Các yếu tố ảnh hưởng đến trữ lượng nước ngầm:

- Yếu tố tự nhiên: khả năng chứa nước của các tầng địa chất, lượng mưa, lượng bốc hơi, địa hình, khả năng cấp từ các dòng mặt (sông, suối, ao, hồ…)

- Yếu tố nhân tạo: các hoạt động khai thác nước ngầm của con người phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và phát triển của đất nước

2.1.2 Lịch sử phát triển nghiên cứu địa chất thủy văn

Ngoài nước:

Tại hầu hết các nước phương Tây, quản lý tổng hợp tài nguyên nước nóichung và quản lý nước ngầm nói riêng đã được thực hiện từ những năm 1980 Mộtcách tóm tắt quản lý thống nhất tài nguyên nước là việc quản lý một cách hài hòa 3yếu tố: 1) Tài nguyên nước sẵn có, 2) Hệ thống kinh tế - xã hội - con người, 3) Cơ

sở hạ tầng Cụ thể hóa 3 yếu tố này trong quản lý, qui hoạch, sử dụng, phát triển vàbảo vệ bền vững tài nguyên nước ngầm là: 1) Các hệ thống nước ngầm, 2) Nhucầu sử dụng nước ngầm bao gồm cả các ảnh hưởng của con người tới nguồn nướcngầm như: nhiễm bẩn nước ngầm, hạ thấp quá mức mực

nước ngầm, 3) Toàn bộ các lỗ khoan khai thác nước ngầm hiện có và dự kiến sẽthực hiện trong tương lai.

Hội quốc tế các nhà địa chất thủy văn (International Association forHydrologeologists - IAH) đã tổ chức nhiều cuộc hội thảo và ban hành nhiều phươngpháp lập bản đồ địa chất thủy văn và phương pháp nghiên cứu đánh giá nước ngầm,đặc biệt là chú giải lập bản đồ địa chất thủy văn được xuất bản năm 1995

Ở Mỹ và Canada, việc nghiên cứu tin học trong địa chất đang rất phát triển Cáccông ty và viện nghiên cứu như Boss International và Waterloo Hydrologic sản xuất các phầnmềm đang được ứng dụng rộng rãi trong việc lập mô hình nước ngầm như là GMS vàMODFLOW (Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước miền Nam, 2007)

Trong nước:

Nước ngầm là nguồn tài nguyên rất quan trọng trong sự nghiệp phát triểnkinh tế của mỗi địa phương

Nghiên cứu điều tra nguồn tài nguyên này, Nhà nước đã đầu tư các đề án,

đề tài nghiên cứu về điều kiện địa chất thủy văn, lập bản đồ địa chất thủy văn,đánh giá chất lượng và trữ lượng nước ngầm, ứng dụng tin học trong phân tíchquản lý từ đó đề ra các giải pháp quản lý, qui hoạch, phát triển và bảo vệ bền vữngtài nguyên nước ngầm Trong những công trình nghiên cứu từ sau năm 1975 đếnnay, đáng chú ý là các công trình (Theo Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra tàinguyên nước miền Nam, 2007):

- Năm 1983, Liên đoàn Địa chất thủy văn- Địa chất công trình miền Nam thựchiện Báo cáo thành lập Bản đồ Địa chất thủy văn Việt Nam tỷ lệ 1:500.000 do tiến sĩ Trần HồngPhú làm chủ biên Kết quả nghiên cứu đã chia đất đá chứa nước trong vùng An Giang ra làm 3phức hệ chứa nước lỗ hổng là

Holocen (QIV), Pleistocen (QI-III), Pliocen (N2) và phức hệ chứa nước khe nứt

Mesozoi (Mz)

- Năm 1992, Liên đoàn Địa chất thủy văn- Địa chất công trình miền Nam thànhlập mạng quan trắc quốc gia động thái nước ngầm đồng bằng Nam Bộ do kỹ sư Trần Văn Lã làmchủ biên Trong tỉnh An Giang có 03 cụm quan trắc đặt tại xã Vĩnh Thạnh Trung-huyện ChâuPhú (cụm Q407), thành phố Long Xuyên (cụm Q408) và thị xã Châu Đốc (Q004) nghiên cứu cácđộng thái các tầng nước ngầm

8

- Năm 1993, Liên đoàn Địa chất thủy văn- Địa chất công trình miền Nam lậpBản đồ Địa chất thủy văn Nam Bộ tỷ lệ 1:200.000 do kỹ sư Bùi Thế Định làm chủ biên Tác giả

đã chia đất đá chứa nước có trong vùng An Giang ra làm 5

đơn vị chứa nước: QIV, QII-III, QI,N2, MZ Trong đó, các tầng nước ngầm QII-III,

Q I, N2 có khả năng chứa nước từ trung bình đến giàu

- Năm 1992-1995 Liên đoàn Địa chất thuỷ văn 8 (nay là Liên đoàn Quy hoạch

và điều tra tài nguyên nước miền Nam) đã lập báo cáo tìm kiếm-đánh giá trữ lượng khai thácnước ngầm vùng Long Xuyên tỉ lệ 1:50.000 do kỹ sư Phạm

Văn Giắng làm chủ biên Kết quả nghiên cứu đã tìm thấy tầng nước ngầm có triển vọng khai thác nước là tầng Pliocen giữa (n22)

- Năm 2004, Liên đoàn Bản đồ Địa chất miền Nam lập Báo cáo phân chia địatầng N-Q vùng đồng bằng Nam Bộ do Thạc sĩ Nguyễn Huy Dũng và Trần Văn Khoáng làm chủbiên Kết quả của báo cáo là cơ sở để các công trình nghiên cứu tiếp theo trong vùng An Giangphân chia lại các phân vị địa tầng địa chất thủy văn

Nhìn chung, các công trình nghiên cứu trước đây đã cung cấp có hệ thống

về phân chia địa tầng địa chất thủy văn, đặc điểm phân bố, mức độ chứa nước, chấtlượng và trữ lượng tiềm năng của các tầng nước ngầm Tuy nhiên, do các báo cáonày được thực hiện ở các thời điểm khác nhau, qui mô và phục vụ cho các mụcđích khác nhau nên cách thành lập các loạt bản đồ địa chất thủy văn cũng khácnhau, không theo một chú giải thống nhất, cụ thể:

- Các báo cáo thăm dò khai thác nước ngầm, bản đồ địa chất thủy văn có tỷ lệ1:25.000 hay 1:50.000 được thành lập theo phương pháp lập bản đồ của Liên Xô, phương phápnày lấy thang màu địa chất làm cơ sở, làm cho bản đồ địa chất thủy văn dễ lẫn lộn với bản đồ địachất, những thông tin cơ bản của tầng nước ngầm được thể hiện một cách mờ nhạt

- Cách phân chia địa tầng địa chất thủy văn qua từng thời kỳ còn khác nhaunhiều cần phải thống nhất lại mới có thể sử dụng được Mặt khác, công tác lập bản đồ địa chấtthủy văn ở An Giang cần phải được thành lập theo Quy chế lập bản đồ địa chất thủy văn tỷ lệ1:50.000 đến 1:25.000 do Bộ Công nghiệp ban hành (năm 2001) để thống nhất và dễ sử dụng

Từ những năm 1990 đến nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, việc ứng dụng tin học trong nghiên cứu nước ngầm được đẩy

9

mạnh, tin học đã hỗ trợ rất hiệu quả trong lưu trữ, xử lý số liệu, tính toán, mô hìnhhoá về địa chất thủy văn Nhiều công trình đã được nghiên cứu và áp dụng rộngrãi, đáng chú ý là các công trình sau:

- Năm 1998 - 2000, được tài trợ của Quỹ Miliev, Công ty Haskoning - Hà Lan

và Liên đoàn Địa chất thủy văn- Địa chất công trình miền Nam hợp tác nghiên cứu nước ngầmđồng bằng sông Cửu Long Đề tài đã thành lập cơ sở dữ liệu, xây dựng mô hình dòng chảy nướcngầm trên toàn đồng bằng Kết quả đề tài đã đưa ra những kinh nghiệm quí báu, đạt hiệu quả caotrong công tác nghiên cứu quản lý địa chất thủy văn đồng bằng Nam Bộ

- Năm 2000 - 2001: Liên đoàn Địa chất thủy văn- Địa chất công trình miềnNam đã thực hiện Đề án quy hoạch và sử dụng nước ngầm TP Hồ Chí Minh; đề án đã điều trahiện trạng khai thác nước, lập Bản đồ Địa chất thủy văn TP Hồ Chí Minh tỷ lệ 1:50.000, xâydựng cơ sở dữ liệu và mô hình nước ngầm bằng phần mềm GMS

Tóm lại, điều tra hiện trạng, quy hoạch khai thác và xây dựng cơ sở dữ liệuthực ra là biên hội loạt bản đồ địa chất thủy văn, ứng dụng tin học trong quản lýnước ngầm và mô hình hoá trong địa chất thủy văn đang được tiến hành rộng rãi ởcác địa phương trong cả nước, thực tế đã hỗ trợ cho quản lý và quy hoạch tàinguyên nước ngầm

2.1.3 Sử dụng nguồn nước ngầm

Từ lâu, con người đã biết sử dụng nguồn nước ngầm cho các hoạt động sinhhoạt, sản xuất hàng ngày Đặc biệt ở những vùng khí hậu khô hạn, vào mùa cạnkhi nguồn nước mặt khan hiếm thì nước ngầm trở nên vô cùng quý giá

Hoạt động khai thác nước ngầm bắt nguồn từ sự phát triển các giếng và kỹthuật bơm từ những năm 1950 Trước đây, hoạt động này chỉ được sử dụng

ở các vùng khô cằn nhưng sau đó nhanh chóng lan ra các vùng có khí hậu ẩm ướt hơn

ở châu Á Mức độ khai thác nước ngầm đã lên đến đỉnh điểm ở Mexico, Tây Ban Nha, Bắc Phi

và Mỹ Ở khu vực Nam Á, dưới áp lực gia tăng dân số, nhu cầu sử dụng nước tăng nhanh chóng,gây nguy cơ suy thoái nguồn tài nguyên nước ngầm

10

Bảng 2.1 Mười năm quốc gia dẫn đầu thế giới về khai thác sử dụng nước ngầm

Dân số 2010

Lượng nước ngầm khai thác

11

Bình quân trên thế giới, tỷ lệ khai thác nước ngầm chiếm 20% so với lượng nước mặt được khai thác.

- Khu vực Trung Đông nơi nguồn nước mặt khan hiếm, người ta đã khai thác

tối đa nguồn nước ngầm để phục vụ cho các nhu cầu nên ở khu vực này tỷ lệ sử dụng nước ngầm

cao như: Kuwai tỷ lệ nước ngầm được khai thác chiếm tới 88% lượng nước mặt được khai thác,

Ả-rập Xê-út chiếm 85,3%, Tiểu vương quốc Ả Rập chiếm 79%, Israel chiếm 70%

- Nhiều nước Nam Á cũng chiếm tỷ lê cao về khai thác nước ngầm so với nước

mặt như: Bangladesh chiếm trên 70%, Ấn Độ chiếm 85,3%, ngay cả lĩnh vực tưới cho nông

nghiệp là khu vực sử dụng nhiều nước như Bangladesh, Ấn Độ, Pakistan thì tỷ lệ diện tích tưới

bằng nước ngầm cũng chiếm trên 40% so với diện tích được tưới bằng nước mặt

Việt Nam là quốc gia có tài nguyên nước ngầm khá lớn, đứng thứ 34 so với

155 quốc gia và vùng lãnh thổ theo liệt kê của 3 tổ chức quốc tế WR1, VNDP,

UNEP, WB đăng trên World Resources xuất bản năm 2001, nhưng việc khai thác

sử dụng nước ngầm ở Việt Nam còn ở mức thấp so với nước mặt

Ở Việt Nam, tài nguyên dự báo nước ngầm trong các thành tạo chứa nước chính

(thành tạo bở rời, đá vôi, lục nguyên, bazan…) ước tính khoảng 172,6 triệu m3/ngày, trong khi

đó tỷ trọng sử dụng nước ngầm chưa nhiều (Theo tài liệu điều tra thống kê của Cục Quản lý Tài

nguyên nước, Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước miền Bắc, miền Nam, 2013)

Bảng 2.2 Tỷ trọng khai thác tài nguyên nước ngầm tại Việt Nam

Lượng nước

Tài nguyên dự

% khai thác

Nguồn: Cục Quản lý Tài nguyên nước, Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra

Tài nguyên nước miền Bắc, miền Nam (2013)

Việt Nam tuy là quốc gia có nguồn nước ngầm chất lượng tốt với trữ lượnglớn nhưng ở nhiều nơi, nguồn tài nguyên này bị khai thác tập trung nên đang cómức sụt giảm nghiêm trọng Tại Hà Nội và nhiều khu vực ở TP Hồ Chí Minh, mựcnước ngầm đã giảm 30m so với mực nước tự nhiên Tình trạng khai thác quá mứccũng diễn ra ở Tây Nguyên và vùng Đồng bằng sông Cửu Long.Theo đánh giá củacác nhà khoa học, một số tầng nước ngầm hiện nay chỉ còn tồn tại được trongkhoảng thời gian ngắn nữa.

Hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu đang và sẽ tác động không nhỏ đến tàinguyên nước Tổng lượng mưa hằng năm dự kiến sẽ tăng ở khắp mọi nơi, có thểtăng 10% ở vùng Đồng bằng châu thổ sông Hồng vào năm 2050 Trái lại, trong cáctháng mùa khô, nhất là ở các vùng phía Nam, lượng mưa bình quân dự kiến có thểgiảm 20% Mặt khác, mực nước biển dâng sẽ ảnh hưởng lớn đến Đồng bằng sôngCửu Long và TP Hồ Chí Minh, nhiều vùng ở Đồng bằng sông Hồng và một dảiđồng bằng lớn ven biển Những yếu tố trên đều tác động đến trữ lượng nguồn nướcngầm quốc gia, từ đó ảnh hưởng đến hoạt động khai thác nước ngầm của các địaphương Nếu như trước kia, chỉ cần đào sâu khoảng 100m đã có thể khai thác đượcnguồn nước ngọt đáp ứng nhu cầu sinh hoạt Tuy nhiên, hiện nay phải đào sâu gấpđôi và vẫn có một tỷ lệ lớn nguồn nước ngầm đó bị nhiễm mặn, nhiễm hóa chấtkhông sử dụng được (Hồng Hiếu và Diễm Trang, 2016)

2.2 TỔNG QUAN ỨNG DỤNG PHẦN MỀM VISUAL MODFLOW TRONG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC NGẦM

Visual MODFLOW được sử dụng trong nhiều nghiên cứu về chất lượngcủa nước ngầm Đề tài này tiến hành ứng dụng phần mềm vào xây dựng mô hìnhđánh giá tài nguyên dự báo nước ngầm khu vực tỉnh An Giang

Đánh giá tài nguyên dự báo nước ngầm khu vực (hay trữ lượng khai tháctiềm năng nước ngầm) để biết được tiềm năng nước ngầm một lãnh thổ nghiên cứu(một vùng thăm dò, một cấu trúc địa chất chứa nước, một lưu vực sông…)

Tài nguyên dự báo là lượng nước có chất lượng và giá trị xác định có thểnhận được trong giới hạn một cấu trúc địa chất thủy văn, một lưu vực sông haymột vùng lãnh thổ có tiềm năng khai thác sử dụng sau này

Đối tượng đánh giá tài nguyên dự báo nước ngầm là các tầng nước ngầmtrong giới hạn một cấu trúc địa chất thủy văn hay một thung lũng sông theo kết quả

mô hình hóa điều kiện địa chất thủy văn khu vực

2.2.1 Các phương pháp đánh giá trữ lượng nước ngầm

Theo Nguyễn Văn Đản (2013) trước khi có sự tác động của con người (quátrình khai thác nguồn nước ngầm), ta có phương trình đánh giá cân bằng trungbình nhiều năm của tầng nước ngầm: Tổng đến được hình thành từ tất cả cácnguồn cung cấp bằng tổng đi được hình thành từ các thành phần thoát:

- Làm giảm thể tích nước trong tầng nước ngầm một lượng bằng ∆V

- Làm tăng tổng lượng cung cấp đến đại lượng bằng Qcc + ∆Qcc Do:

+ Chênh lệch áp lực dẫn đến quá trình thấm xuyên từ các tầng nước ngầm khác, lôi kéo nước từ sông…

+ Hạ thấp mực nước không áp, sự thấm cũng gia tăng do giảm thoát do

bay hơi

- Làm giảm tổng lượng phá hủy đến đại lượng bằng Qph -∆Qph Do:

+ Nếu phá hủy tự nhiên diễn ra với sự chênh áp lực nào đấy trên ranh giới pháhủy (thoát nước vào sông, ao hồ, mạch lộ…) thì khi khai thác sẽ làm cho sự thoát ấy giảm dần và

QBS - trữ lượng cuốn theo: Khi khai thác, mực nước của tầng nước ngầm hạthấp xuống có thể lôi cuốn nguồn nước khác vào trong tầng nước ngầm và thamgia vào lượng nước khai thác Lượng nước bị cuốn trôi vào do quá trình khai thácgây ra, gọi là trữ lượng cuốn theo Trong thực tế bao giờ cũng mong muốn chấtlượng nước cuốn theo phải tốt để không ảnh hưởng tới chất lượng khai thác Nhiềukhi trữ lượng cuốn theo này vô cùng quan trọng, nó làm tăng đáng kể lượng nướckhai thác Tất nhiên để làm được vậy thì các lỗ khoan khai thác nước phải bố trígần sông, nếu bố trí trong khu vực dân cư, nước cuốn theo từ các lớp chứa nướcnằm nông sẽ không đảm bảo chất lượng vì lớp nước nằm nông thường dễ bị ônhiễm Có hai khả năng phát sinh nguồn trữ lượng cuốn theo:

- Trong miền cung cấp tự nhiên: Được tăng cường do hạ thấp mực nước khai thác

- Trong miền thoát nước tự nhiên: Thu hồi dần phần thoát của nước ngầm từ cácmạch lộ, do bay hơi

Tuy nhiên, tính toán theo công thức này mặc dầu cho kết quả tổng quát và

15

đầy đủ nhất nhưng lại đòi hỏi sự chi tiết của các số liệu quan trắc, cần thể hiệnđược không chỉ thể tích chứa nước tĩnh, sự dao động của mực nước theo thời gian

mà còn yêu cầu các số liệu về độ thấm, hệ số nhả nước đàn hồi, hệ số nhả nướctrọng lực cho tất cả các tầng đất đá và sự phân bố của nó theo không gian

Trữ lượng nước ngầm của một khu vực nào đó cũng có thể được tính toándựa trên phương trình cân bằng nước, tức là trữ lượng khai thác được tính trên cơ

sở lượng nước bổ cập và cho phép vi phạm một phần trữ lượng dự trữ, thườngđược sử dụng theo biểu thức:

Đánh giá trữ lượng khai thác nước ngầm được tiến hành chủ yếu theo cácphương pháp sau: phương pháp thuỷ động lực, phương pháp thuỷ lực, phươngpháp cân bằng và phương pháp tương tự địa chất thuỷ văn Hiện nay các phươngpháp này được mô hình hoá và được xử lý bằng máy tính

Trong thời gian gần đây, với sự phát triển của công nghệ thông tin cùng vớicác phương pháp giải sai phân và các tiến bộ về thủy động lực, một xu hướng mớitrong việc đánh giá trữ lượng nước ngầm là sử dụng các mô hình toán để môphỏng lại động thái của các thành phần nước ngầm Có nhiều mô hình đã được xâydựng để mô tả dòng chảy nước ngầm, sự tham gia của nó vào dòng chảy mặt Khixây dựng mô hình sẽ đòi hỏi một khối lượng lớn các số liệu về các tầng nướcngầm, về điều kiện địa chất, địa chất thủy văn trên khu vực nghiên cứu cũng nhưcác số liệu về hệ số thấm, hệ số nhả nước

2.2.2 Giới thiệu phần mềm Visual MODFLOW

Bộ phần mềm Visual MODFLOW bao gồm ba thành phần chính và nhiềumô-đun phụ trợ Thành phần MODFLOW dùng để tính toán trữ lượng, chất lượng

và phân bố dòng chảy ngầm Thành phần ModPath có chức năng tính

hướng và tốc độ các đường dòng khi nó vận động xuyên qua hệ thống các lớp chứanước Thành phần MT3D phối hợp với MODFLOW có chức năng tính toán sựbình lưu, sự phân tán và các phản ứng hóa học khác nhau của các vật chất hòa tantrong hệ thống dòng chảy ngầm.

Bản phần mềm gốc do Nilson Guiguer, Thomas Franz, Partrick Delaney vàSerguei Shmakov viết bằng ngôn ngữ FORTRAN Phiên bản giao diện cho người

sử dụng như hiện nay do hãng Waterloo Hydrogeologic cung cấp

Phần mềm cung cấp cho người sử dụng các công cụ phân tích với một hệthống menu được sắp xếp phù hợp Các công cụ đồ họa này cho phép người dùng(Waterloo Hydrogeologic Inc, 2006):

- Nhanh chóng xác định phạm vi mô hình và lựa chọn các thông số;

- Thuận tiện trong việc gán các điều kiện thuộc tính và điều kiện biên của mô hình;

- Chạy các mô hình giả định đối với dòng chảy và quá trình lan truyền của các chất độc hại;

- Kiểm tra mô hình bằng tay hoặc bằng các phương pháp kỹ thuật tự

động;

- Xác định vị trí, mức khai thác của các giếng và máy bơm một cách khách quan;

- Mô phỏng kết quả bằng hình ảnh 2D hoặc 3D

Hình 2.4 Mô hình lan truyền chất độc hại dạng 3D được xây dựng bằng phần

mềm Visual MODFLOW Flex

Nguồn: www.swstechnology.com

Đặc điểm của phần mềm MODFLOW:

- MODFLOW có nhiều mô-đun đảm nhận một thuộc tính riêng trong hệ thốngthủy văn, như giếng, lượng bốc hơi, lượng bổ cập Việc phân chia chức năng này cho phép người

sử dụng phân tích các đặc tính thủy văn của mô hình một các độc lập;

- Mô hình MODFLOW là một trong những mô hình nước ngầm linh hoạt nhất

và được sử dụng rộng rãi nhất;

- Được chú trọng sử dụng tại những khu vực có điều kiện địa chất thủy vănkhông đồng nhất vì mô hình cho phép sự thay thế các thuộc tính địa chất thủy văn theo chiềuthẳng đứng giữa các tầng, cũng như dòng chảy ngang trong các tầng nước ngầm;

- Hệ thống ô lưới biến đổi ảnh hưởng đến tốc độ tính toán;

- Được áp dụng cho hàng trăm mô hình thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau, có thể

xử lý được một lượng lớn dữ liệu các chất độc hại khác nhau, đồng thời các dữ liệu có thể sửađổi trong quá trình lập mô hình

2.2.3 Phương pháp tính toán

Luận văn sử dụng Hệ thống mô hình nước ngầm (GMS) của Aquaveophiên bản 4.2 thiết lập mô hình số tại An Giang, trong đó mô-đun MODFLOW làtrọng tâm đầu tiên để tính toán cân bằng nước trong phạm vi mô hình.MODFLOWsử dụng phương trình Darcy và phương pháp sai phân hữu hạn dòngchảy nước ngầm theo 3 chiều

Lưới tính toàn trong MODFLOW được dựng theo cấu trúc của các mô-đunlập thể Phép nội suy được triển khai với tùy chọn Matching Boundary Điều này

có nghĩa là mặt trên và mặt dưới của lưới bị biến dạng để phù hợp với các đỉnh vàđáy của các khối Các lớp lưới bên trong cũng bị biến dạng để phù hợp với ranhgiới của các khối Đặc tính địa chất ô lưới được thiết lập để phù hợp với các khối ở

vị trí trung tâm của ô lưới Tùy chọn The Boundary Matching tạo nên mức độ phùhợp tốt nhất giữa lưới tính toán và các khối địa tầng, đồng thời thể hiện được cấutrúc ban đầu tốt hơn

Trong các công cụ thuộc tính của MODFLOW, Layer Property Flow được

sử dụng để gán các thông số lớp và thực hiện tính toán từng cell một Tính toánđược triển khai trực tiếp và với điều kiện thay đổi theo thời gian Trong trường hợpnày ta sử dụng giải pháp Preconditioned Conjugate Gradient Method

18

Các giải pháp cho điều kiện biên sau đây đã được sử dụng: Specific Head(Biên cột áp không đổi) và No Flow Boundary (Biên không có dòng chảy) đượctích hợp vào mô-đun MODFLOW chính; ngoài ra còn sử dụng General HeadPackage GHPI (Cột áp chung) và Well Package (Giếng khoan khai thác).

Có ba giải pháp số có sẵn để thao tác với các điều kiện biên, đó là giảipháp dạng Dirichlet, Neumann và Cauchy Giải pháp Dirichlet gồm một cột áp cụthể mà áp xuất được xác định là một hàm của thời gian và không gian, và một cột

áp không đổi ở một vị trí xác định Biên được sử dụng là cột áp không đổi Giảipháp Neumann gồm một dòng chảy cụ thể nơi mà lưu lượng dòng chảy thay đổitheo không gian và thời gian sẽ là một trườg hợp đặc biệt không có dòng chảy nơilưu lượng dòng chảy bằng không Biên được sử dụng là biên không có dòng chảy

và biên giếng Giải pháp Cauchy là một sự kết hợp của hai giải pháp trên và baogồm một hàm lưu lượng phụ thuộc vào cột áp, biên bột áp chung được sử dụngtrong mô hình là giải pháp kiểu Cauchy

Phương trình cơ bản:

(2.1)Trong đó:

- K x , K y , K z : Hệ số dẫn nước theo phương x, y, z

- W : Giá trị đại diện cho lượng bổ cập hoặc khai thác của nước ngầm tại vị trí

(x, y, z) ở thời điểm t;

- S s :Hệ số nhả nước riêng của vật liệu xốp;

- h: Chiều cao cột áp tại vị trí ( x,y,z ) ở thời điểm t.

Phương trình cùng với các điều kiện biên, điều kiện ban đầu của tầng nước ngầm tạo thành một mô hình toán học về dòng chảy nước ngầm

Hình 2.5 Ô lưới và các loại ô trong mô hình

Nguồn: water.usgs.gov/ogw/MODFLOW/

Để giải phương trình (2.1), người ta phải tìm hàm số h(x,y,z) thỏa mãn (2.1)

và thỏa mãn các điều kiện biên Sự biến động của giá trị h theo thời gian sẽ xácđịnh bản chất của dòng chảy, từ đó tính được trữ lượng của tầng nước ngầm cũngnhư tính toán các hướng của dòng chảy

Việc tìm lời giải hàm số h(x,y,z) của phương trình (2.1) thực hiện được chỉ

khi nào miền nghiên cứu được mô phỏng bằng sơ đồ toán học Thực tế, miền thấm

có điều kiện rất phức tạp, do đó người ta buộc phải sử dụng phương pháp gần đúng

để giải phương trình (2.1) Có nhiều phương pháp giải phương trình (2.1), trong

mô hình MODFLOW sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn theo ba chiều

2.2.4 Điều kiện biên

Theo Nguyễn Thu Hiền (2009):

a Biên sông (River)

Biên loại này cho phép mô tả dòng chảy giữa tầng nước ngầm và nguồnmặt, thường là sông hay hồ Nó cho phép dòng chảy vào dòng mặt hoặc nước cóthể chảy từ dòng mặt vào trong tầng nước ngầm nhưng nguồn thấm này không phụthuộc lưu lượng của dòng mặt

Hệ số sức cản thấm của sông được tính theo công thức:

Trong đó:

- K là hệ số thấm theo chiều thẳng đứng của lớp trầm tích đáy sông

Lưu lượng dòng thấm giữa sông và lớp chứa được tính theo công thức:

Trong đó:

Hình 2.6 Minh họa biên sông trong mô hình MODFLOW

Nguồn: Emily S.Siegel (2014)

b Biên kênh tiêu thoát nước (Drain)

Cơ chế hoạt động của loại biên này không khác mấy so với biên sông, ngoạitrừ không có nguồn thấm từ kênh vào lớp chứa Điều này cũng có nghĩa rằng dòngthoát ra khỏi kênh sẽ bằng không khi mực nước ở trong ô nhỏ hơn

hoặc bằng cốt cao đáy kênh:

Trong đó D BOT là cốt cao đáy kênh và hệ số sức cản thấm C D được tínhtương tự như tính với sông

c Biên bốc hơi (Evapotranpiration)

Biên loại này đòi hỏi phải gán giá trị mô-đun bốc hơi lớn nhất RETM chocác ô xảy ra quá trình bốc hơi Giá trị này đạt được khi mực nước trong ô bằng bềmặt địa hình (hs) Quá trình bốc hơi sẽ không xảy ra khi mực nước trong ô nằmdưới mực tính theo công thức:

d Giếng hút nước hoặc ép nước (Well)

Để mô phỏng các giếng nước trên mô hình, lưu lượng của các lỗ khoan

trong ô lưới được đặt là lưu lượng tổng cộng Q WT Q WT chính bằng tổng lưu lượngcủa lỗ khoan đặt trong các lớp khác nhau

e Biên mực nước không đổi (Constant Head)

Các ô có mực nước không đổi là những ô mà tại đó mực nước được xácđịnh như là đầu vào của mô hình, phải có ít nhất một ô có mực nước không đổi

Nó cung cấp mực nước tham khảo để tính toán các mực nước tại các ô khác trong

mô hình

f Lượng bổ cập/ bổ sung nước ngầm (Recharge)

Thông thường lượng nước bổ cập này là do sự ngấm nước mưa hoặc từnguồn tưới vào mô hình

2.2.5 Ứng dụng phần mềm Visual MODFLOW đánh giá trữ lượng nước ngầm

Đã có nhiều dự án sử dụng phần mềm Visual MODFLOW để xây dựng môhình nước ngầm theo ba chiều, qua đó đánh giá trữ lượng nước ngầm trong địa bànnghiên cứu, phục vụ cho nhiều lĩnh vực như quy hoạch, khai thác, bảo vệ và đánhgiá nguồn tài nguyên này, như:

- Dự án “Tác động của hoạt động khai thác nước ngầm đối với chuyển động củanước trong các tầng nước tại thung lũng Sacramento và xây dựng mô hình phân tích ảnh hưởnglẫn nhau giữa các tầng nước ngầm” của Kyle Morgado, Đại học Bang California, Hoa Kỳ, năm

2013 Các dữ liệu về chuyển động của dòng chảy tại Thung lũng Sacramento đã được xây dựng

từ Dự án Thung lũng Trung tâm và Dự án Nước của bang Các dữ liệu thu thập ở giai đoạn saunày được cân nhắc kỹ lưỡng để bổ sung cho mô hình số Modflow, gồm các nguồn cung cấp chonước ngầm tại thung lũng Sacramento Dự án tập trung vào tác động của việc khai thác nướcngầm tại thung lũng Sacramento, với mục đích gia tăng hiểu biết về nguồn nước ngầm từ đó cócác biện pháp quản lý nguồn tài nguyên này hợp lý hơn Dự án đã mô phỏng được sự tác độngqua lại giữa các tầng nước ngầm và xây dựng được các kịch bản khai thác tác động đến nguồnnước ngầm

- Dự án “ Xây dựng mô hình dòng chảy ngắn hạn đánh giá trữ lượng nước ngầmtại Aynalem (Mekele, Ethiopia)” của Gebrehaweria Gebrekirstos Teferi, năm 2009 Dữ liệu vềđặc điểm địa chất thủy văn của các tầng nước ngầm được kế thừa từ các dự án trước củaDEVECON và Water Work Design and Supervision Enterprise Từ kết quả xây dựng mô hình sốModflow, dự án đưa ra ba kịch bản: thay đổi mực nước ngầm các tầng khi ngưng khai thác; tácđộng nếu duy trì khai thác trong vòng 05 và 10 năm kế tiếp; tác động khi mở rộng các giếng khaithác Các kịch bản trên là cơ sở để đưa ra phương hướng quản lý và bảo vệ bền vững nguồn tàinguyên của địa phương

- Dự án “Quản lý trữ lượng nước ngầm tại Mahvelat-Faizabad và tính toánphạm vi nhiễm mặn bằng phương pháp xây dựng mô hình” của Hossein Parsasadr, VahidNikpeyman và Hamid Reza Nassery, Iran, năm 2016 Các dữ liệu, số liệu sử dụng trong dự ánchủ yếu được cung cấp bởi chuyên gia thủy lực vùng Khorasan Razavi Mục đích chính của dự

án là thông qua mô hình số Modflow xây dựng được, thực hiện nghiên cứu các kịch bản quản lýkhác nhau như kịch bản đánh giá chất lượng nước ngầm để thay đổi tỷ lệ khai thác hay kịch bảnkiểm soát khu vực nhiễm mặn trong khu vực nghiên cứu Hai kịch bản được đưa ra trong dự ánlà: Dự đoán tình trạng nguồn nước ngầm trong 4 năm kế tiếp; Thay đổi lưu lượng khai thác nướcngầm tại các vùng mà tình trạng nguồn tài nguyên nước ngầm đang bị đe dọa và hiện tượng khaithác quá mức tại khu vực nước ngầm bị nhiễm mặn

23

- Dự án “Khả năng áp dụng mô hình MODFLOW tính toán và dự báo trữ lượngnước ngầm miền đồng bằng tỉnh Quảng Trị” của Trần Ngọc Anh, Nguyễn Trần Hoàng, NguyễnThanh Sơn và Nguyền Tiền Giang, đăng trên Tạp trí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoahọc Tự nhiên và Công nghệ, năm 2009 Dự án đã xây dựng và ứng dụng thành công mô hình sốModflow, để tính toán tiềm năng nước ngầm theo các vùng và tiểu vùng trên miền đồng bằngtỉnh Quảng Trị và xây dựng bản đồ mô đun dòng ngầm phục vụ cho công tác quy hoạch và pháttriển kinh tế xã hội trên khu vực Đây cũng là tài liệu quan trọng phục vụ cho việc quy hoạchphát triển và bảo vệ nguồn tài nguyên nước ngầm của tỉnh, làm cơ sở cho việc quản lý khai thácnước ngầm trên địa bàn.

- Dự án “Đánh giá trữ lượng khai thác tiềm năng các tầng nước ngầm dưới đấttại thành phố Tam Kỳ, tỉnh Quảng Nam bằng phân mềm Visual MODFLOW” của Trần ThịNgọc Quỳnh và Nguyễn Đình Tiến, đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, trường Đại họcKhoa học Huế, năm 2014 Dựa trên cơ sở đánh giá khả năng cung cấp nước bằng phần mềmModflow, dự án đã tính toán được lưu lượng nước ngầm có thể khai thác của khu vực nghiêncứu, từ đó đưa ra các kế hoạch, quy hoạch khai thác nước ngầm của địa phương, đảm bảo chosinh hoạt và sản xuất

Tuy vậy như tôi được biết thì cho đến nay chưa có nghiên cứu xây dựng môhình cho hệ thống nước ngầm tỉnh An Giang

24

PHẦN 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU

Đề tài thực hiện nghiên cứu trên địa bản tỉnh An Giang nằm ở miền TâyNam Bộ với diện tích 3.536,76km2 Địa hình chủ yếu là đồng bằng bằng phẳng.Tỉnh có hai con sông lớn chảy qua là sông Tiền và sông Hậu, cung cấp một lượngnước lớn cho các hoạt động sinh hoạt và sản xuất hàng ngày của người dân Ngoàinguồn nước mặt, nước ngầm cũng đóng một vai trò quan trọng đối với sự pháttriển của tỉnh Trên địa bàn tỉnh có sáu tầng nước ngầm là Holocen, Pleistocenthượng, Pleistocen trung-thượng, Pleistocen hạ, Pliocen trung và Pliocen hạ Tuynhiên do khai thác quá mức nên trữ lượng nước ngầm của tỉnh sụt giảm nhanhchóng trong những năm gần đây Trước đây Liên đoàn Địa chất thủy văn 8 (nay làLiên đoàn Quy hoạch và điều tra tài nguyên nước miền Nam Bộ, Bộ Tài nguyên vàMôi trường) đã tính toán trữ lượng nước ngầm cho địa bàn tỉnh nhưng chỉ bằngphương pháp tính toán trữ lượng tĩnh Do đó cần có một mô hình toán để môphỏng và đánh giá trữ lượng nước ngầm của tỉnh, đảm bảo cho phát triển bềnvững

3.2 THỜI GIAN NGHIÊN CỨU

- Thời gian thực hiện đề tài: từ tháng 12/2015 đến tháng 10/2016;

- Thời gian thu thập số liệu: tháng 12/ 2015, tháng 1/2016

3.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tài nguyên nước ngầm tỉnh An Giangbao gồm: Điều kiện thủy văn, khí tượng, tình hình sử dụng và khai thác nướcngầm, đặc điểm địa chất thủy văn của các tầng nước ngầm

3.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

3.4.1 Khu vực nghiên cứu

- Điều kiện tự nhiên tỉnh An Giang;

- Tình hình sử dụng đất tỉnh An Giang;

- Nhu cầu sử dụng nước tỉnh An Giang

3.4.2 Địa chất

- Lịch sử thành tạo địa chất tỉnh An Giang;

- Lỗ khoan thăm dò trên địa bàn tỉnh An Giang;

- Mô tả địa chất tỉnh An Giang