1914-Fulltext-5041-1-10-20200328

Science & Technology Development, Vol 14, No.M2- 2011 MƠ HÌNH PILOT BỔ SUNG NHÂN TẠO NƯỚC DƯỚIðẤT BẰNG NƯỚC MƯA TẠI KÝ TÚC XÁðẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM Nguyễn Việt Kỳ, Nguyễn ðình Tứ (1) Trường ðại học Bách Khoa, ðHQG-HCM (2) ðHQG-HCM (Bài nhận ngày 05 tháng 11 năm 2010, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 25 tháng 04 năm 2011) TĨM TẮT: Bài báo trình bày khả bổ cập nước mưa cho nước ñất dựa kết đo, quan trắc phân tích lượng mưa, bốc hơi, kết ño ñịa vật lý, mực nước giếng thu gom, giếng quan trắc hệ thống quan trắc mưa bốc hơi, hệ thống thu gom bổ cập nước ñất nguồn nước mưa khuôn viên ký túc xá ðại học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh từ tháng 11/2007 tháng 2/2009 khu vực KTX, Tại khu vực nghiên cứu bố trí ðẶC ðIỂM MƯA VÀ BAY HƠI TẠI KHU 01 trạm khí tượng (Hình 1) thực cơng tác VỰC NGHIÊN CỨU quan trắc từ tháng 11/2007 tới tháng 2/2009 ðể nghiên cứu, ñánh giá khả thu gom nước mưa bổ sung nhân tạo cho nước đất Hình Trạm khí tượng thuộc đề tài KTX ðHQG Tp.HCM Theo kết ño lượng bay thời gian quan trắc (Hình 2), nhìn chung, lượng bay ngày cao ban ñêm, năm 2008, lượng bay cao ghi nhận ñược tháng (120,9mm), tháng từ 12/2007 ñến tháng 4/2008, lượng bay ñều 100mm Vào tháng mùa mưa, lượng bay có giảm song khơng nhiều, thường dao ñộng khoảng 70 ñến 90mm/tháng Với lượng bay vậy, ñất mặt trạng Trang 16 thái thiếu ẩm hồn tồn có khả tiếp nhận nước mưa ngấm tự nhiên Cũng theo kết quan trắc, mưa ño ñược vào tháng 6, 7, năm 2008 có cường độ cao tập trung vào tháng 7, tháng với nhiều mưa tới 50mm (Hình 3) Trong mùa mưa, theo quy luật, lượng bay ngày không lớn, có số ngày bề mặt đất bị thừa ẩm (Hình 4) Về thành phần hóa học nước, tiến hành lấy mẫu nước mưa trạm quan trắc khí tượng TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 14, SOÁ M2 - 2011 bể thu gom nước mưa Nhìn chung nước mưa nước thu gom bể ñều thuộc loại hình nước HCO3-Cl-Na-Ca; HCO3-Cl-Ca-Na Nếu biểu diễn theo cơng thức Curlov, mẫu nước mưa có cơng thức sau: M 0, 05 HCO75 Cl23 pH 6,95 ( Na + K )47Ca44 Công thức Curlov nước mưa thu gom bể: M 0, 04 HCO70 Cl27 pH 6,8 Ca 60( Na + K )24 Hình Kết quan trắc lượng bay KTX ðHQG Nhìn chung, thành phần nước mưa có thay ñổi ñáng kể nước mưa tiếp xúc với mái nhà, ống dẫn trữ bể xây xi măng, thành phần cation (Na+K) ñã nhường chỗ cho ion Ca ñứng ñầu Thành phần tương quan anion khơng thay đổi Quan hệ lượng mưa dòng chảy tràn khu vực nghiên cứu Dựa vào bảng “Hệ số dòng chảy tràn cho phương trình suy luận” Hội kỹ sư xây dựng dân dụng Mỹ “Thiết kế xây dựng hệ thống cống vệ sinh nước mưa bão”, theo khu KTX ðHQG thuộc nhóm “Khu nhà cách nhau” với hệ số dịng chảy tràn 0,4 – 0,6, đặc tính bề mặt khu vực thuộc nhóm bãi cỏ, ñất ñá ñộ dốc tới 2%, ñó hệ số dòng chảy tràn bổ sung 0,05 – 0,10 Như vậy, tổng hợp đặc điểm, hệ số dịng chảy tràn KTX ðHQG lấy 0,7 (hệ số cao nhất), có nghĩa là, 70% lượng mưa rơi xuống bề mặt tạo thành dòng chảy tràn, 30% lượng mưa cịn lại ngấm xuống đới thơng khí tạo thành dịng ngầm Nếu mưa có cường độ 100mm khu vực KTX, có 30mm bổ sung cho dòng ngầm 70mm tạo thành dòng chảy tràn Diện tích khu Trang 17 Science & Technology Development, Vol 14, No.M2- 2011 KTX khoảng 20ha (400m x 500m), lượng mưa chảy tràn là: Qct = w*S*C1 = 0,1 * 200.000 * 0,7 = 14.000 m3 Lượng mưa ngấm xuống bổ cấp cho dòng ngầm bằng: Qn = w*S*C2 = 0,1 * 200.000 * 0,3 = 6.000 m3 Trong ñó, w - lượng mưa mưa lớn (100mm) S - Diện tích khu vực nghiên cứu (KTX nằm lưu vực ñược xem tiểu lưu vực với hướng nghiêng đơng bắc) C1 - Hệ số dòng chảy tràn C2 - Hệ số lượng mưa cung cấp cho dòng ngầm Những số cho thấy, tương lai, xây dựng hoàn chỉnh KTX, diện tích bị nhựa hóa, bê tơng hóa tăng, lượng dòng chảy tràn tăng nữa, lượng mưa ngấm xuống cung cấp cho dòng ngầm suy giảm, tầng chứa nước khu ðHQG ñã nghèo lại nghèo thêm ðẶC ðIỂM CẤU TRÚC ðỊA CHẤT - ðỊA CHẤT THỦY VĂN KHU VỰC KTX ðể nghiên cứu cấu trúc ñịa chất – ñịa chất thủy văn khu vực bố trí mơ hình pilot, tiến hành cơng tác đo sâu điện đo ảnh điện Kết ño ñịa vật lý thu ñược gồm: - 03 mặt cắt ñẳng ñiện trở suất khu vực khảo sát; - 01 mặt cắt ảnh ñiện mặt cắt ñịa ñiện ñịa chất lớp trên; - 01 mặt cắt ñịa ñiện – ñịa chất qua tuyến trung tâm Từ cho thấy – KTX có hai đơn vị có thành phần cát chứa nước: * Tầng gặp ñộ sâu 11m tới 24m, bề dày trung bình – 4m Có xu hướng vát mỏng ñầu tuyến * Tầng gặp ñộ sâu 35m đến bề mặt móng 64m, bề dày trung bình ñạt 12m Từ ñồ ñẳng sâu mặt móng nhận thấy tồn vùng trũng mặt móng gần ñầu tuyến 2, cuối tuyến 2, vùng trũng nhỏ cuối tuyến trung tâm cuối tuyến (Hình 6) Hình Sơ đồ đẳng sâu bề mặt móng đá gốc KTX Trang 18 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 14, SỐ M2 - 2011 Hình Hình dạng bề mặt móng ðịa điện - ðịa chất khu vực KTX Tổng hợp tài liệu ñịa vật lý tài liệu khoan khảo sát nhận định xác cấu trúc địa chất khu vực nghiên cứu * Cấu trúc ñịa chất Tại khu vực KTX tồn tầng cấu trúc a) Tầng cấu trúc trên: Gồm thành tạo trầm tích Pleistocen muộn, Pleistocen muộn, Pleistocen sớm b) Tầng cấu trúc dưới: Tầng cấu trúc bao gồm đá trầm tích tuổi Jura sớm, đá trầm tích-núi lửa tuổi Jura muộn-Kreta sớm, đá xâm nhập tuổi Kreta sớm (Hình 7) * Cấu trúc ñịa chất thủy văn Theo kết ño ñịa vật lý kết khoan thăm dò, khu vực ký túc xá tồn hai tầng chứa nước c) Tầng chứa nước lỗ hổng Pleistocen - muộn Tầng gồm tập - Tập - gồm cát mịn pha sét màu nâu, trạng thái bở rời dày khoảng 3m; - Tập - gồm sét pha nâu vàng, nâu ñỏ phân bố ñộ sâu – 11m, bề dày ñạt tới 8m - Tập - gồm cát mịn lẫn sét màu xám trắng, phân bố từ ñộ sâu 11m tới 15m, bề dày ñạt 4m Theo kết bơm thí nghiệm giếng khoan thử nghiệm, hệ số thấm tập ñạt 5,16m/ngñ, mực nước sâu 8m cách mặt ñất Chất lượng nước tốt, nước nhạt, thuộc loại hình hóa học HCO3-ClCa-Na Cơng thức Curlov sau: M 0,05 HCO77 Cl21 pH 6,5 Ca59( Na + K )22Mg19 d) Tầng chứa nước lỗ hổng Pleistocen sớm - Tầng chứa nước nằm tầng chứa nước Pleistocen - muộn từ ñộ sâu 15m tới bề mặt ñá gốc - Nước thuộc loại hình hóa học HCO3-Cl-CaNa, nước siêu nhạt Mặt cắt ñịa chất thủy văn theo kết đo sâu điện trình bày hình Hình Mặt cắt ðịa điện - ðịa chất thủy văn theo tuyến Trang 19 Science & Technology Development, Vol 14, No.M2- 2011 KẾT CẤU HỆ THỐNG PILOT TẠI KTX Hình Hệ thống thu gom nước mưa hệ thống bổ cập chọn Hình 10 Sơ đồ bố trí Pilot KTX ðHQG Hình 11 Sơ đồ vị trí Pilot trạm khí tượng Sơ đồ hệ thống thu gom nước mưa ñược lựa chọn hình 9; 10 Tại khu KTX, góc nhà A1 ñã bố trí 01 giếng thu nước 02 giếng quan trắc Giếng thu nước có đường kính Trang 20 168mm với hai ñoạn ống lọc vào 02 tầng chứa nước: ñoạn nằm ñộ sâu 11 – 15m; ñoạn nằm ñộ sâu 46 -54m Hai giếng quan trắc nằm cách giếng thu nước m 10m TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 14, SỐ M2 - 2011 Hình 12 Cấu trúc bể điều tiết chứa nước mưa Tại mơ hình thí nghiệm, ñã xây bể ñiều tiết 10m3 Trước ñưa nước vào bể ñiều tiết chứa nước, nước mưa ñược dẫn qua bể lọc, lắng sơ dung tích m3 Trước đưa nước vào giếng, nước mưa ñược dẫn qua ñồng hồ ño lưu lượng nhằm xác định xác lưu lượng nước vào giếng (Xem hình 12) CƠNG TÁC ðO ðẠC, QUAN TRẮC VÀ KẾT QUẢ Cơng tác đo đặc lượng mưa bay giai đoạn đầu chưa có hệ thống thu gom nước mưa giao cho nhóm SV khoa KT ðịa chất Dầu khí thực Cơng tác ño ñược tiến hành lần ngày: trưa tối Hình 13 Biểu đồ tương quan lượng mưa mực nước giếng Trang 21 Science & Technology Development, Vol 14, No.M2- 2011 Khi xây dựng xong hệ thống, cơng tác đo mực nước giếng thu giếng quan trắc, ño lượng mưa bay ñược giao lại cho Ban Quản lý KTX thực theo Hợp ñồng trách nhiệm thỏa thuận Tần suất ño lần ngày Thời gian ño từ tháng 04/2008 kéo dài tháng 4/2009 Lượng mưa thu ñược lớn ứng với mưa lớn 103mm đạt 50m3 (Hình 13) Kết quan trắc mực nước giếng cho thấy mối quan hệ chặt chẽ lượng mưa mực nước ñất Những giai đoạn khơng mưa, mực nước đất suy giảm dần (mùa khô), phục hồi tăng dần vào mùa mưa Ngay sau mưa lớn, mực nước giếng thu nước tăng ñột biến, giếng quan trắc ghi nhận gia tăng mực nước tương ñối ñiều hòa song xu tăng trùng với ñợt mưa Biên ñộ dao ñộng mực nước giếng thu nước đạt tới 10m, cịn giếng quan trắc, biên ñộ dao ñộng lớn ñạt tới 5m, bình quan 2,5 – 3,0m Hình 14 Diễn biến mực nước quan trắc giếng quan trắc ðHKHTN Kết quan trắc giếng quan trắc khu ðại học khoa học tự nhiên (do nhóm ThS Nguyễn Phát Minh thuộc Trung tâm nghiên cứu ứng dụng ðịa chất theo dõi, ño ñạc ghi nhận gia tăng mực nước với đợt mưa (Hình 14) Dựa vào thực tế ñặc ñiểm lớp chứa nước kết cấu giếng đây, sử dụng cơng thức Duypuy để tính tốn lượng nước mà giếng thu nhận ñược: + ðối với giếng trung tâm (Thu nước) Q= 2πkm( H e − hg ) 2,73kmS g = R R ln lg rg rg + ðối với giếng trung tâm giếng quan trắc: Q= 2,73km( S1 − S g ) r lg rg + ðối với giếng quan trắc Trang 22 Q= 2,73km( S1 − S ) r lg r1 Với m - Bề tầy tầng chứa nước (m); k - Hệ số thấm (m/ngñ); He - Mực nước tự nhiên giếng; hg - Mực nước ñưa nước mưa vào giếng; R – Bán kính ảnh hưởng; rg – Bán kính giếng; r1 - khoảng cách từ giếng quan trắc ñến giếng trung tâm; r2 - khoảng cách từ giếng quan trắc tới giếng trung tâm; Sg - Mực nước dâng giếng trung tâm; S1, S2 - mực nước dầng giếng quan trắc (Hình 14) Với hai tầng chứa nước tầng có áp đồng thời nhận bổ sung nước mưa (qua đoạn ống lọc) Ta coi chúng tầng chứa nước với bề dày tổng bề dày chúng, tức m = m1 + m2 = 4,0m + 8,0m = 12m Hệ số thấm hai tầng chứa nước ñây, theo kết thí nghiệm gần 5,2 m/ngđ Mực nước He = 43m; Giả sử mực nước dâng giếng lên tới mặt ñất (trong trường hợp lớn nhất), ta có S = 11m Khoảng cách từ giếng quan trắc tới giếng thu nước r1 = 5m; r2 =10m, bán TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 14, SỐ M2 - 2011 kính giếng thu nước r = 0,168/2 = 0,084 m Các thơng số tính tốn trình bày bảng Bảng Các thơng số tính tốn K(m/ng) 5,2 m (m) 12 km 62,4 rg 0,084 r1 5,0 r2 10,0 lg(r1/rg) 1,77 lg(r2/r1) 0,30 Bảng Kết tính tốn lượng nước hấp thụ GTT-GQT1 GQT1-GQT2 km 62,4 62,4 Stt - S1 11 11 Như vậy, nói, qua kết tính toán cho giếng trung tâm - giếng quan trắc giếng quan trắc - giếng quan trắc trường hợp mực nước giếng trung tâm ngang mặt ñất (lượng nước hấp thụ lớn nhất) cho thấy khả hấp thụ giếng với đường kính 168mm đạt tối ña 44 m3/h tối thiểu 30m3/h (Bảng 2) Muốn tăng khả hấp thụ giếng ứng với lượng nước mưa thu gom mái nhà ứng với ñộ sâu mực nước trước ñưa nước mưa vào, ta cần tăng đường kính giếng Giả sử điều kiện thơng số khác khơng thay ñổi, lưu lượng Q ứng với lưu lượng nước mưa thu gom mái KTX với diện tích 500m2, mưa đạt 100mm, từ cơng thức ta có: lg rg = lg r1 − ,73 km ( S − S g ) Q = lg − ,73 * 62 , * (11 − ) = − 86 50 * 24 ⇒ rg = ,138 Vậy, bán kính giếng khoan phải đạt 138mm tiếp nhận lượng nước 50m3/h NHẬN XÉT Từ kết cấu hệ thống thu gom nước mưa kết quan trắc mực nước giếng thu nước giếng quan trắc có số nhận xét sau: Thu gom nước mưa từ mái nhà ñể bổ sung cho nước đất mơ hình hồn tồn khả thi cơng trình có mặt tương đối rộng rãi S2 12,25 lg (r1/rg) 1,77 - lg(r2/r1) 0,30 Q(m3/h) 44 30 Những cơng trình có diện tích mái lớn, lượng nước mưa thu gom lớn địi hỏi phải có kết cấu hệ thống bể chứa ñiều tiết, giếng hấp thụ nước phù hợp Khả bổ sung nước ñất nước mưa thu gom phụ thuộc vào yếu tố sau: - Bề dày tầng chứa nước – bề dày tầng chứa lớn, khả hấp thụ tầng chứa lớn từ – kích thước giếng khơng thiết phải thật lớn chiều dài ống lọc khơng đỏi hỏi phải dài - Tương tự vậy, tầng chứa nước có hệ số thấm lớn cho phép khả hấp thụ nước tầng chứa tăng cao dẫn tới yêu cầu khác kết cấu giếng - Chiều sâu mực nước – ñây yếu tố làm tăng ñộ chênh áp từ mặt ñất tới mực nước đất, từ dẫn đến tăng khả hấp thụ nước tầng chứa nước Nếu ñưa trực tiếp nước mưa từ mái nhà xuống giếng hấp thụ qua hệ thống lọc treo, ñộ chênh áp tăng cao, cần giếng bán cơng nghiệp bổ sung lượng lớn nước mưa cho nước ñất - ðể thiết kế giếng thu gom địi hỏi phải có tất thông số bề dày tầng chứa, hệ số thấm, chiều sâu mực nước, diện tích mái nhà, lượng mưa cường độ mưa lớn (ðây hạn chế đề tài - chưa tính cường độ mưa chưa ño ñược thời gian mưa) Trang 23 Science & Technology Development, Vol 14, No.M2- 2011 THE PILOT MODEL OF CAPACITY OF SUPPLEMENT FOR GROUNDWATER BY RAINFALL RESOURCE IN DORMITORY AREA OF VNU-HCM Nguyen Viet Ky(1), Nguyen Dinh Tu(2) (1) University of Technology, VNU-HCM (2) VNU-HCM ABSTRACT: This paper reveals the capacity of supplement for groundwater by rainfall resource based on the monitoring and analyzing result of rainfall, evaporate, groundwater table of central-collecting well and monitoring wells as well as the geophysical test result in dormitory area of VNU-HCM from November 2007 to February 2009 giá trữ lượng tiềm tính tốn bổ sung nhân tạo tầng chứa nước Plioxen TÀI LIỆU THAM KHẢO thượng khu vực thành phố Hồ Chí Minh” Thư viện ðHBK Tp HCM, [1] American Sosiety of civil engineers (2004) Stadard Guidelines for Artificial Recharge of Ground water ASCE, [5] ðỗ Tiến Hùng, Bùi Trần Vượng ðặc EWRI/ASCE 34-01, (2001) ñiểm ðCTV cần thiết bổ sung nhân tạo NDð ñồng Nam Bộ Tuyển [2] Anderson M.P., W.W Woesseer tập báo cáo HTKH UNESCO - Việt Applied ground water modeling, Nam: “Tăng cường nguồn nước ngầm Academic Press Inc., New York, (1992) giải pháp bổ sung nhân tạo NDð [3] ðồn Văn Cánh, Nguyễn Thị Thanh ðơng Nam Á”, Tp HCM, 15Thủy Thu gom nước mưa ñưa vào long 17/12/2004, NXB KH & KT, Hà Nội, ñất bổ sung nhân tạo NDð chống trang 165-186, (2005) ngập thành phố Nhà xuất KH&KT, [6] Nguyễn Việt Kỳ nnk Khai thác (2008) bảo vệ tài ngun nước đất Nhà [4] Ngơ ðức Chân Luận văn thạc sỹ “Xây xuất ðHQG Tp HCM, (2006) dựng mơ hình dịng chảy NDð để đánh Trang 24