NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT ĐẾN LƯỢNG MƯA BỔ CẬP CHO NƯỚC NGẦM TRÊN ĐỊA BÀN THỊ XÃ THUẬN AN LƯƠNG VĂN VIỆT* TÓM TẮT Mục đích của bài báo này là nghiên cứu về ảnh hưởng sự thay đổi sử[.]
Lương Văn Việt TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT ĐẾN LƯỢNG MƯA BỔ CẬP CHO NƯỚC NGẦM TRÊN ĐỊA BÀN THỊ XÃ THUẬN AN LƯƠNG VĂN VIỆT* TĨM TẮT Mục đích báo nghiên cứu ảnh hưởng thay đổi sử dụng đất đến lượng nước mưa bổ cập vào nguồn nước đất địa bàn thị xã Thuận An Kết nghiên cứu cho thấy có giảm đáng kể lượng bổ cập nước mưa vào nguồn nước đất Từ năm 1989 đến năm 2014, tỉ lệ thấm tổng lượng mưa địa bàn thị xã Thuận An giảm 17,86% Từ khóa: thị hóa, thấm, nước ngầm, SCS ABTRACT The effect of landuse change on rainfall recharge to groundwater in Thuan An Town The purpose of this paper is to study the effects of landuse change on rainfall recharge to the ground water resources in Thuan An town The study results show a significant reduction of the amount of recharge rainwater into underground water sources From 1989 to 2014, the proportion of total rainfall infiltration on Thuan An town dropped by 17,86% Keywords: urbanization, infiltration, groundwater, SCS Đặt vấn đề Thuận An thị xã tỉnh Bình Dương, thuộc khu vực kinh tế trọng điểm phía Nam có diện tích tự nhiên 8369 ha, chiếm 3,11% diện tích tự nhiên tỉnh Bình Dương Theo niên giám thống kê tỉnh Bình Dương [1], năm 2014 dân số thị xã 453.389 người, mật độ dân số trung bình 5417 người/km2 Tỉ lệ tăng dân số Thuận An giai đoạn 1999-2014 5,7%/năm, mức cao so với nước Trong giai đoạn 2009-2013, tốc độ tăng trưởng GDP tỉnh Thuận An cao, bình qn 13,6%/năm Tốc độ thị hóa cơng nghiệp hóa cao Thuận An làm tăng đáng kể diện tích mặt khơng thấm Theo báo cáo xác định vùng cấm, tạm cấm hạn chế khai thác nước đất tỉnh Bình Dương [2] địa bàn thị xã Thuận An có khoảng 21.576 giếng khai thác với tổng lưu lượng khoảng 70.437m3/ngày Theo báo cáo trạng mơi trường tỉnh Bình Dương giai đoạn 20112015 [3], địa bàn thị xã Thuận An mực nước tầng khai thác có tốc độ giảm trung bình 0,5m/năm lượng khai thác vượt mức so với lượng nước bổ cập vào nguồn nước đất Điều tiềm ẩn nhiều nguy gây sụt lún nhanh làm ổn định cho cơng trình xây dựng * TS, Trường Đại học Cơng nghiệp TPHCM; Email: lgviet@yahoo.com Ngồi ra, Thuận An có 20% diện tích đất có độ cao 2m, sụt lún nhanh kết hợp với mực nước biển dâng nguy tiềm tàng dẫn đến ngập lụt thị Việc thị hóa ngun nhân dẫn tới tỉ lệ diện tích bề mặt tự nhiên giảm xuống diện tích bề mặt khơng thấm tăng lên khiến cho lượng nước mưa bổ cập vào nguồn nước đất giảm Để phục vụ cho việc quản lí tài ngun nước, cần tính tốn ảnh hưởng thay đổi sử dụng đất trình thị hóa đến bổ cập nước mưa vào nguồn nước đất Số liệu phương pháp nghiên cứu - Số liệu sử dụng Việc đánh giá ảnh hưởng q trình thị hóa đến khả bổ cập vào nguồn nước thực qua mốc thời gian 1989, 1995, 2002, 2004 2014 Số liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm lớp sử dụng đất phân loại từ ảnh LandSat mốc thời gian Các số liệu lấy báo cáo [4] định dạng theo chuẩn quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kì Số liệu mưa sử dụng để tính tốn số liệu mưa ngày từ năm 1989 đến năm 2014 trạm đo mưa Thuận An - Phương pháp tính lượng mưa bổ cập Việc đánh giá ảnh hưởng q trình thị hóa đến lượng mưa bổ cập (thấm) vào nguồn nước đất thực giai đoạn 28 năm, từ năm 1989 đến năm 2014 Phương pháp tính lượng mưa bổ cập lựa chọn mơ hình đường cong thấm SCS Phương pháp quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kì phát triển phù hợp với việc đánh giá ảnh hưởng thay đổi sử dụng đất trình thị hóa đến lượng thấm Lượng mưa hiệu dụng phương pháp phụ thuộc vào lượng mưa tích lũy, độ che phủ đất, loại hình sử dụng đất, thổ nhưỡng độ ẩm kì trước Các yếu tố thể qua số hiệu đường cong thấm CN Các biến số phương pháp SCS thể Hình C ườ ng độ m ưa P = Pe + Ia + Fa Pe Ia Fa Ia : Độ sâu tổn thất ban đầu Pe: Độ sâu mưa hiệu dụng Fa: Độ sâu thấm liên tục P: Tổng độ sâu mưa Thời gian mưa Hình Các biến số phương pháp SCS Trong phương pháp người ta giả thiết tỉ số độ sâu thấm liên tục Fa độ sâu mưa hiệu dụng Pe độ sâu thấm tối đa S (khả nước lớn loại đất) hiệu tổng độ sâu mưa P trừ độ sâu tổn thất ban đầu Ia, hay: Fa S = Pe P − I a Từ ngun lí bảo tồn P = Pe + Ia + Fa nên Pe = P - Fa - Ia, thay vào phương trình ta có: S (P − I ) Fa = P − Ia + aS Đó phương trình phương pháp SCS để tính độ sâu mưa hiệu dụng hay dòng chảy trực tiếp từ trận mưa Qua nghiên cứu kết thực nghiệm nhiều lưu vực nhỏ, Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kì xây dựng quan hệ thực nghiệm: Ia = 0,2*S (1) (2) Fa = S (P − 0,2S ) P + 0,8S Lập đồ thị quan hệ P Pe số liệu nhiều lưu vực, người ta tìm họ đường cong Để tiêu chuẩn hóa đường cong này, người ta sử dụng số liệu đường cong CN làm thơng số Đó số khơng thứ nguyên, lấy giá trị khoảng (0 - 100) Đối với bề mặt không thấm nước mặt nước, CN = 100; bề mặt tự nhiên, CN < 100 Khả giữ nước lớn lưu vực (S) đặc tính lưu vực có quan hệ với thông qua tham số số hiệu đường cong CN: 1000 − S = 25,4 (3) 10CN CN Độ ẩm đất trước trận mưa gọi độ ẩm thời kì trước Độ ẩm phân chia thành nhóm theo độ ẩm thời kì trước: + Điều kiện ẩm (khơ), kí hiệu AMC I; + Điều kiện ẩm bình thường, kí hiệu AMC II; + Điều kiện ướt, kí hiệu AMC III Tiêu chuẩn phân loại điều kiện nêu Bảng Các số hiệu đường cong CN quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kì lập thành bảng tính sẵn dựa phân loại đất tình hình sử dụng đất Đất phân thành nhóm theo định nghĩa sẵn sau: + Nhóm A: cát tầng sâu, hoàng thổ sâu phù sa kết tập; + Nhóm B: hồng thổ nơng, đất mùn pha cát; + Nhóm C: mùn pha sét, mùn pha cát tầng nơng, đất có hàm lượng chất hữu thấp đất pha sét cao; + Nhóm D: đất nở rõ rệt ướt, đất sét dẻo nặng đất nhiễm mặn Bảng giá trị CN tình hình sử dụng đất khác theo nhóm đất phân loại kể trên: Bảng Tiêu chuẩn phân loại nhóm độ ẩm thời kì trước [5] Tổng lượng mưa ngày trước Nhóm AMC Mùa không hoạt động Mùa trồng phát triển (Inche) (mm) (Inche I 2,1 (mm) 53 Bảng Giá trị CN ứng với điều kiện ẩm trung bình (nhóm ACM II) [5] Mơ tả sử dụng đất Đất trồng lâu năm Bãi cỏ Khu công nghiệp Khu nhà Mặt nước Nhóm đất phân loại theo A B 62 71 30 58 81 88 77 85 100 100 thủy văn C D 78 81 71 78 91 93 90 92 100 100 Bảng bảng tra CN cho nhóm AMC II (CNII), nhóm cịn lại, CN tính theo CNII sau: CN ( I ) CN ( III ) 4,2CN ( II ) = 10 − 0,0568CN = ) ( II ) (5) 23CN ( II 10 + 0,13CN (4) ( II ) Trong nghiên cứu này, giá trị CN II tính từ số liệu sử dụng đất thổ nhưỡng khu vực nghiên cứu dựa Bảng Phần mềm sử dụng xác định CN HEC-GeoHMS, phần mềm Trung tâm Kĩ thuật Thủy văn (Hydological Engineering Center - HEC) Hoa Kì xây dựng HEC-GeoRAS phần mềm chạy ArcGis, xử lí lớp thơng tin địa hình, sử dụng đất thổ nhưỡng nhằm cung cấp số liệu đầu vào cho tính tốn thủy văn Sau có CNII, dựa vào tổng lượng mưa ngày trước để tính toán giá trị CN cho phù hợp với độ ẩm đất Dựa vào giá trị CN thu được, giá trị S tính theo cơng thức (3), sau tính lượng nước bổ cập tổng lượng thấm ban đầu lượng thấm liên tục theo công thức (1) (2) 3 Kết thảo luận - Đánh giá thay đổi cấu sử dụng đất từ năm 1989-2014 Dựa vào kết phân loại lớp thực phủ từ ảnh LandSat phần mềm ENVI 4.5 báo cáo [4], bảng thống kê biến động lớp thực phủ giai đoạn từ 1989-2014 thể Bảng Bảng Bảng diện tích phần trăm diện tích lớp thực phủ Diện tích (ha) Loại lớp phủ Năm 1989 Mặt nước, sông, ao hồ Đất trồng lâu năm Bãi cỏ Đất đô thị Đất công nghiệp Năm 2014 437,9 2359,82 2787,74 2137,8 645,74 152,31 1850,36 844,31 4028,02 1494 Diện tích biến động (ha) -285,59 -509,46 -1943,43 1890,22 848,26 Phần trăm biến động (%) -65,22% -21,59% -69,71% 88,42% 131,36% Dựa vào kết Bảng cho thấy có biến động rõ rệt loại sử dụng đất giai đoạn 1989-2014, đặc biệt lớp phủ: bãi cỏ - bụi, đất xây dựng đô thị đất cơng nghiệp Diện tích đất cơng nghiệp có mức tăng nhanh với mức tăng 131,36%, mức tăng diện tích đất thị với mức tăng 88,42% Điều làm cho diện tích lớp thực phủ cịn lại giảm đáng kể: Diện tích thực phủ bãi cỏ giảm 69,71%, diện tích mặt nước giảm 65,22% diện tích đất trồng lâu năm giảm 21,59% Như q trình thị hóa cơng nghiệp hóa giai đoạn 1989-2014 làm thay đổi cảnh quan bề mặt đất, làm giảm nhanh chóng lớp phủ tự nhiên Một phần lớp phủ có bề mặt thấm nước mở bãi cỏ, đất trồng cây, nơi cho phép nước mưa chảy tràn bổ cập vào lòng đất sâu thay lớp phủ nhân tạo, dạng bề mặt không thấm nước vật liệu xây dựng Điều dẫn đến khả bổ cập nước ngầm giảm lượng nước mưa chảy tràn tăng, làm suy giảm mực nước ngầm tăng nguy ngập lụt có mưa có cường độ lớn - Kết xác định CN cho năm Dựa số liệu sử dụng đất từ phân loại ảnh viễn thám số liệu thổ nhưỡng, kết xác định giá trị CN minh họa đồ Hình Từ đồ này, giá trị trung bình CN theo đơn vị hành thống kê trình bày Bảng Bảng Giá trị CN tính trung bình theo năm Năm CN Mức tăng CN giai đoạn 1989 76,3 1989-2014 2004-2014 1995 80,4 2002 82,7 14,15% 2,61% 2004 84,1 2014 86,3 Từ kết thống kê Bảng cho thấy, giai đoạn từ 1989 đến 2014 mức tăng CN cao Tính trung bình cho tồn thị xã, mức tăng CN toàn giai đoạn 14,15% hay tăng 0,42% năm Mức tăng CN cao kết việc chuyển đổi mục đích sử dụng đất cho phát triển đô thị khu cơng nghiệp Hình Lưới CN theo năm 1989 2014 Bảng Giá trị CN tính trung bình theo năm Mức tăng giai đoạn Năm 1989 1995 2002 2004 2014 CN 76,3 80,4 82,7 84,1 86,3 CN 1989-2014 14,15% 2004-2014 2,61% Mức tăng CN 10 năm gần (2004-2014) 2,61%, hay mức tăng trung bình năm 0,26% năm Như so với toàn giai đoạn, mức tăng CN năm gần có mức độ chậm hơn, nhiên điều không đồng nghĩa với việc mức giảm lượng thấm giai đoạn thấp - Kết nội suy CN cho năm khơng có số liệu Dựa số liệu CN cho năm 1989, 1995, 2002, 2004, 2014 2020, giá trị CN cho năm lại nội suy theo hàm logarithm sau: CNt = a ln(t + b) + c Trong đó, CNt giá trị CN năm t; a, b, c tham số Việc xác định hệ số phương trình dựa việc kết hợp phương pháp bình phương tối thiểu phương pháp lặp Kết xác định hệ số phương trình thể Hình phương trình thu có dạng sau: CNt = 6,290ln(t −1982,39) + 64,41 (6) Đây phương trình logarithm cải tiến với tham số nên cho độ xác cao, hệ số xác định phương trình R2 = 0,995 Dựa cơng thức (6), giá trị CNt xác định cho năm giai đoạn 1989-2014 Các giá trị CN sử dụng tính tốn lượng nước mưa bổ cập cho nước ngầm nêu 88 C 86 N 84 82 80 78 CNt = 6.290ln(t-1982.39)+64.41 R² = 0.995 76 74 1989 Năm 1994 1999 2004 2009 2014 Hình Đường cong CN qua năm Lượng mưa Lượng thấm mm 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 1989 1990 Năm Hình Lượng mưa thực đo lượng thấm tính tốn cho tháng - Kết xác định lượng mưa bổ cập Từ giá trị CNt thu cho năm số liệu mưa giai đoạn 19892014 trạm Thuận An, lượng nước mưa bổ cập cho nước ngầm tính tốn với bước thời gian ngày Từ lượng mưa thực đo lượng thấm ngày, kết thống kê cho tháng trình bày Hình kết thống kê cho năm trình bày Bảng Theo kết Bảng 5, lượng nước mưa bổ cập cho nước ngầm trung bình giai đoạn 1989-2014 502,0mm/năm, giai đoạn 2002-2014 425,3mm/năm Như vậy, lượng thấm giai đoạn 2002-2014 giảm trung bình 76,68mm/năm so với giai đoạn 1989-2014 Mức giảm không nhiều so với mức độ tăng diện tích mặt khơng thấm Lượng mưa trung bình giai đoạn 1989-2001 thấp so với giai đoạn 2002-2014 130mm với nguyên nhân biến động khí hậu, điều làm cho lượng thấm giảm không rõ rệt Trong Bảng 5, tỉ lệ thấm tính phần trăm lượng thấm lượng mưa Bảng cho thấy tỉ lệ thấm trung bình giai đoạn 1989-2014 34,63%, giai đoạn 2002-2014 26,52% Như vậy, so với giai đoạn trước, tỉ lệ thấm giai đoạn 2002-2014 giảm 8,1%, hay trung bình năm giảm khoảng 0,6% gia tăng bề mặt không thấm Bảng Lượng mưa lượng thấm tính tốn theo năm Năm 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Trung bình Lượng mưa (mm) 1464,9 974,8 958,3 653,8 1370,0 1020,1 1528,6 1744,3 1483,0 1374,3 1471,6 2219,7 1606,2 1502,4 Lượng thấm (mm) 541,1 376,2 427,6 318,1 549,9 434,2 503,7 569,6 480,8 429,3 498,5 632,6 467,9 502,0 Tỉ lệ thấm (%) 36,94 38,59 44,63 48,65 40,14 42,56 32,95 32,65 32,42 31,24 33,88 28,50 29,13 34,63 Năm 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 Trung bình Lượng Lượng mưa thấm (mm) (mm) 1337,2 394,1 1401,4 401,9 1467,8 423,1 1533,5 457,6 1373,2 360,8 2190,9 468,7 1911,0 457,7 1634,0 439,7 2173,1 435,8 1742,3 475,9 1549,2 398,2 1329,0 401,1 1579,2 414,0 1632,4 425,3 Tỉ lệ thấm (%) 29,47 28,68 28,82 29,84 26,28 21,39 23,95 26,91 20,06 27,31 25,70 30,18 26,21 26,52 - Xu giảm tỉ lệ thấm Để thấy rõ mức giảm tỉ lệ thấm, phương trình xu tỉ lệ thấm xây dựng dựa số liệu Bảng trình bày Hình Phương trình có dạng: TLTt 21 −0,023t (7) = 2,93.10 e Trong đó, TLTt tỉ lệ thấm năm t Từ phương trình cho ta mức giảm tỉ lệ thấm (∆TLT) giai đoạn 19892014 là: 21 −0,023*1989 −0,023*2014 ) = 17,86% ∆TLT = 2,93.10 (e −e Cũng từ phương trình (7) với giả thiết phương trình cịn năm 2020 2030 ta có tỉ lệ thấm cho năm có giá trị Bảng Bảng Dự báo tỉ lệ thấm Năm 2020 20,04 Tỉ lệ thấm (%) Như vậy, so với tỉ lệ thấm trung bình giai đoạn 1989-2001 36,33% tỉ lệ thấm theo dự báo tới năm 2020 20,04% giảm 16,29% tới năm 2030 15,92% giảm 20,41% Đây giá trị đáng báo động cho suy giảm mực nước ngầm khơng có biện pháp hạn chế khai thác nước ngầm 55 50 Tỷ lệ th ấ m (% 45 TLTt = 2.97E+21e-2.30E-02t R² = 0.678 40 35 30 25 20 t(Năm) 15 1989 1990 Hình Lượng mưa thực đo lượng thấm tính tốn Kết luận Sự phát triển nhanh khu đô thị khu công nghiệp địa bàn thị xã Thuận An làm thay đổi đáng kể sử dụng đất Trong giai đoạn từ 1989-2014, diện tích đất cơng nghiệp tăng 131,36%, diện tích đất thị tăng 88,42%, điều làm giảm đáng kể lượng nước bổ cập vào nguồn nước đất từ nước mưa So với giai đoạn 1989-2001, tỉ lệ thấm giai đoạn 2002-2014 giảm 8,1%, hay trung bình năm giảm khoảng 0,6% gia tăng bề mặt không thấm So với tỉ lệ thấm trung bình giai đoạn 1989-2001 34,63% tỉ lệ thấm theo dự báo tới năm 2020 20,04% tới năm 2030 15,92% Để đảm bảo không suy giảm nguồn nước đất cần tính tốn chi tiết cân nước, có quy hoạch quản lí chặt chẽ việc khai thác nước đất Đối với quy hoạch đô thị, cần đảm bảo cân đối diện tích mặt nước xanh 2030 15,92 TÀI LIỆU THAM KHẢO Cục Thống kê Bình Dương (2014), Niên giám thống kê tỉnh Bình Dương, Nxb Thanh niên Liên hiệp Khoa học-Sản xuất Địa chất-Môi trường Miền Nam (2009), Xác định vùng cấm, tạm cấm hạn chế khai thác nước đất tỉnh Bình Dương, Sở Tài ngun Mơi trường Bình Dương Uỷ ban nhân dân tỉnh Bình Dương (2015), Hiện trạng mơi trường tỉnh Bình Dương giai đoạn 2011-2015, Sở Tài ngun Mơi trường Bình Dương Viện Quy hoạch Xây dựng Miền Nam (2015), Quy hoạch cao độ nước mặt thị Bình Dương đến năm 2030 tầm nhìn đến năm 2050, Đồ án quy hoạch thị - Sở Xây dựng Bình Dương Chow, Ven Te, David, R Maidment, & Larry, W, Mays (1998), Applied Hydrology, McGraw-Hill (Ngày Tòa soạn nhận bài: 14-4-2016; ngày phản biện đánh giá: 12-5-2016; ngày chấp nhận đăng: 13-6-2016) ... cho lượng nước mưa bổ cập vào nguồn nước đất giảm Để phục vụ cho việc quản lí tài nguyên nước, cần tính tốn ảnh hưởng thay đổi sử dụng đất q trình thị hóa đến bổ cập nước mưa vào nguồn nước đất. .. 2014 trạm đo mưa Thuận An - Phương pháp tính lượng mưa bổ cập Việc đánh giá ảnh hưởng q trình thị hóa đến lượng mưa bổ cập (thấm) vào nguồn nước đất thực giai đoạn 28 năm, từ năm 1989 đến năm 2014... nghiên cứu - Số liệu sử dụng Việc đánh giá ảnh hưởng trình thị hóa đến khả bổ cập vào nguồn nước thực qua mốc thời gian 1989, 1995, 2002, 2004 2014 Số liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm lớp sử dụng