Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khai thác nước thấm lọc từ sông phục vụ cấp nước sinh hoạt và sản xuất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC NƯỚC THẤM LỌC TỪ SÔNG PHỤC VỤ CẤP NƯỚC SINH HOẠT VÀ SẢN XUẤT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC NƯỚC THẤM LỌC TỪ SÔNG PHỤC VỤ CẤP NƯỚC SINH HOẠT VÀ SẢN XUẤT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật cấp thoát nước Mã số: 9580213 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS ĐOÀN THU HÀ HÀ NỘI, NĂM 2023 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Nguyễn Trung Hiếu i LỜI CÁM ƠN Trong trình thực luận án năm học vừa qua, tác giả nhận bảo hướng dẫn tận tâm PGS.TS Đoàn Thu Hà Em xin gửi tới cô lời cảm ơn chân thành sâu sắc Ngoài ra, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo, cán Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, Phòng đào tạo trường Đại học Thủy lợi Hà Nội, Bộ môn Khoa học nước, Khoa xây dựng kiến trúc, Trường khoa học Ứng dụng Dresden (HTWD) tận tình đóng góp ý kiến cho việc soạn thảo tài liệu Luận án tiến sĩ Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè động viên, khuyến khích tạo điều kiện cho em q trình học tập trình thực luận án ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4 Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn kết nghiên cứu Cấu trúc luận án CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan sử dụng nước thấm từ sông làm nguồn nước cấp 1.1.1 Giải pháp sử dụng nước thấm từ sông làm nguồn nước cấp giới 1.1.2 Giải pháp sử dụng nước thấm từ sông làm nguồn nước cấp Việt Nam 10 1.2 Các cơng trình nghiên cứu dự án khai thác nước thấm từ sông 14 1.2.1 Tổng quan công nghệ nước thấm lọc từ sông 14 1.2.2 Những nghiên cứu giới .14 1.2.3 Những nghiên cứu Việt Nam .17 1.3 Tình hình cung cấp nước nhu cầu dùng nước Việt Nam 19 1.3.1 Tình hình cấp nước thị .19 1.3.2 Tình hình cấp nước nơng thơn 20 1.4 Tổng quan nguồn nước mặt, nước ngầm, đặc điểm chất lượng, trữ lượng khả khai thác 21 1.4.1 Nguồn nước mặt 21 1.4.2 Nguồn ngước đất .25 1.4.3 Các giải pháp khai thác nước mặt, nước ngầm .31 1.4.4 Hiện trạng khai thác sử dụng nguồn nước Việt Nam 32 1.4.5 Tổng quan xử lý nước mặt, nước ngầm 34 1.5 Định hướng nghiên cứu .37 iii CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC THẤM LỌC TỪ SÔNG .39 2.1 Cơ sở lý thuyết thực tiễn giải pháp công nghệ thấm lọc từ sông RBF 39 2.1.1 Mô tả công nghệ RBF .39 2.1.2 Khả cải thiện chất lượng nước 42 2.1.3 Vấn đề tắc nghẽn tự làm RBF 49 2.1.4 Khả khôi phục khả thấm nhờ dịng chảy xói 50 2.2 Lựa chọn khu vực nghiên cứu, đặc điểm khu vực nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng 51 2.2.1 Lựa chọn khu vực nghiên cứu 51 2.2.2 Đặc điểm dịng chảy sơng Hồng khu vực nghiên cứu 53 2.2.3 Đặc điểm địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu 53 2.2.4 Chất lượng nước sông Hồng vùng Hà Nội 61 2.2.5 Chất lượng nước ngầm vùng Hà Nội 62 2.2.6 Địa chất thủy văn nước ngầm khu vực ven sông Cẩm Giàng 63 2.3 Cơ sở khoa học xác định tiềm khai thác nước thấm từ sông .64 2.3.1 Cơ sở khoa học 64 2.3.2 Phương pháp xác định tiềm khai thác nước thấm từ sông .65 2.4 Cơ sở khoa học xác định vị trí lưu lượng nước thấm từ sông 78 2.4.1 Cơ sở xác định vị trí khai thác nước thấm 78 2.4.2 Cơ sở xác định lưu lượng khai thác nước thấm 79 2.5 Các hình thức cơng trình khai thác nước thấm lọc từ sơng phương pháp tính tốn giếng thấm 80 2.5.1 Các hình thức cơng trình khai thác nước thấm lọc từ sông .80 2.5.2 Phương pháp tính tốn giếng thấm 82 2.6 Cơ sở khoa học phương pháp nghiên cứu tính khả thi việc loại bỏ sắt, mangan amoni lòng đất công nghệ RBF .87 2.6.1 Sơ đồ bãi giếng thí nghiệm 87 2.6.2 Cấu tạo giếng thí nghiệm 88 2.6.3 Đánh giá diễn biến chất lượng nước thấm so với nước sông địa điểm nghiên cứu .89 2.6.4 2.7 Phương pháp lấy mẫu phân tích 90 Kết luận chương 92 iv CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC NƯỚC THẤM TỪ SÔNG PHỤC VỤ CẤP NƯỚC 93 3.1 Đánh giá tiềm khai thác nước thấm từ sơng khu vực nghiên cứu điển hình 93 3.1.1 Vị trí khu vực lựa chọn nghiên cứu tiềm khai thác nước thấm 93 3.1.2 Kết nghiên cứu cấu trúc địa chất, địa chất thủy văn 94 3.1.3 Tiềm khai thác nước thấm vùng nghiên cứu .97 3.1.4 Các nội dung thực xác định lưu lượng khai thác nước thấm 04 địa điểm nhằm xác định tiềm khai thác nước thấm vùng nghiên cứu 99 3.1.5 Kết đánh giá tiềm khai thác nước thấm ven sông Hồng thuộc khu vực nghiên cứu điển hình .103 3.2 Đánh giá xác định vị trí lưu lượng khai thác nước thấm địa điểm nghiên cứu Tân Trường, Cẩm Giàng, Hải Dương 104 3.2.1 Đánh giá điều kiện địa tầng, khả thấm ven sông khu vực Cẩm Giàng, Hải Dương .104 3.2.2 Chất lượng nước sông nước đất .106 3.2.3 Vị trí nghiên cứu RBF sông Cẩm Giàng tỉnh Hải Dương 107 3.2.4 Các toán nghiên cứu 108 3.2.5 Thuyết minh mơ hình 109 3.2.6 Kết mơ hình 113 3.3 Đánh giá hiệu cải thiện chất lượng nước nhờ tầng thấm lọc ven sông địa điểm nghiên cứu Tân trường, Cẩm Giàng, Hải Dương .120 3.3.1 Đánh giá chất lượng nước sông Cẩm Giàng nước ngầm khu vực nghiên cứu 120 3.3.2 Kết phân tích mẫu nước sơng nước thấm lọc từ sơng vị trí nghiên cứu 120 3.3.3 Đánh giá thay đổi chất lượng nước nước sông nước thấm 124 3.3.4 Đánh giá khả loại bỏ sắt, mangan, amoni chất hữu nhờ tầng thấm lọc ven sông 130 3.4 Đề xuất công nghệ xử lý nước thấm từ sông 132 3.4.1 Cơ sở đề xuất công nghệ xử lý nước thấm từ sông .132 3.4.2 Tiêu chí đề xuất cơng nghệ xử lý nước thấm từ sông 132 3.4.3 Đặc điểm chất lượng nước thấm cần xử lý 133 v 3.4.4 Công suất trạm xử lý .133 3.4.5 Các sơ đồ công nghệ xử lý nước thấm từ sông .134 3.5 Đề xuất quy trình áp dụng cơng nghệ RBF 135 3.5.1 Xác định khu vực áp dụng công nghệ RBF 136 3.5.2 Xác định vị trí xây dựng cơng trình khai thác nước thấm .137 3.5.3 Thiết kế cơng trình khai thác nước thấm .139 3.5.4 Thiết kế cơng trình xử lý nước thấm .142 3.6 Kết luận chương .143 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 145 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .149 TÀI LIỆU THAM KHẢO .150 PHỤ LỤC 158 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình M.1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu luận án Hình 1.1 Nhà máy khai thác nước thấm Mainz- Đức Hình 1.2 Các giếng khai thác nước thấm từ sông dọc theo sông Ruhn Hattingen Đức Hình 1.3 Các cơng trình thấm lọc ven sơng Yamuna-Delhi-Ấn Độ [9] 10 Hình 1.4 Các bãi giếng khai thác nhà máy xử lý nước ngầm ven sông Hồng khu vực Hà nội .11 Hình 1.5 Một số bãi giếng ven sông Hồng, TP Hà Nội .11 Hình 1.6 Vị trí bãi giếng cung cấp nước cho thành phố Bắc Ninh gần sông Cầu 12 Hình 1.7 Mặt hệ thống giếng giảm áp khu vực Sen Chiểu 13 Hình 1.8 Nguyên lý làm việc giếng giảm áp lọc nước thấm ven sơng bảo vệ đê 13 Hình 1.9 Mặt cắt địa chất thủy văn qua sông Hồng với cơng trình khai thác nước thấm lọc theo phương án khác 18 Hình 1.10 Bản đồ lưu vực hệ thống sông Việt Nam 22 Hình 1.11 Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước mặt 35 Hình 1.12 Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước ngầm 36 Hình 2.1 Nguyên lý bổ cập Nước thấm lọc từ sơng 39 Hình 2.2 Nguyên lý thu nước từ trình thấm lọc từ sơng 40 Hình 2.3 Các hình thức vị trí khai thác nước thấm lọc từ sơng 41 Hình 2.4 Tổng hợp quy trình loại bỏ chất nhiễm trình RBF 42 Hình 2.5 Các trạng thái tồn amoni theo pH .45 Hình 2.6 Những thay đổi hóa học nước vùng thấm ban đầu [1] 48 Hình 2.7 Cấu trúc địa chất thủy văn khu vực Hà Nội 54 Hình 2.8 Bản đồ đẳng bề dày tầng chứa nước qh .55 Hình 2.9 Bản đồ địa chất thủy văn tầng qh 56 Hình 2.10 Bản đồ đẳng bề dày tầng chứa nước qp2 58 Hình 2.11 Bản đồ địa chất thủy văn tầng chứa nước qp2 .58 Hình 2.12 Bản đồ đẳng bề dày tầng chứa nước qp1 59 Hình 2.13 Bản đồ địa chất thủy văn tầng chứa nước qp1 .60 Hình 2.14 Bản đồ địa chất thủy văn thị Hải Dương 63 Hình 2.15 Cơ sở khoa học xác định tiềm khai thác nước thấm từ sơng .64 Hình 2.16 Phương pháp xác định tiềm khai thác nước thấm từ sơng 65 Hình 2.17 Cửa sổ địa chất thủy văn 66 Hình 2.18 Các kiểu quan hệ thủy lực nước sông nước đất [120] .67 Hình 2.19 Sơ đồ hóa tính tốn lượng thấm từ sơng .68 Hình 2.20 Điều kiện biên sông (River) 73 Hình 2.21 Các lưới sai phân hai chiều xung quanh có lỗ khoan .74 Hình 2.22 Điều kiện biên kênh thoát (Drain) 76 vii Hình 2.23 Điều kiện biên bốc mơ hình (ET) 76 Hình 2.24 Điều kiện biên tổng hợp mơ hình (GHB) 77 Hình 2.25 Sơ đồ Tiêu chí xác định địa điểm vị trí khai thác nước thấm 79 Hình 2.26 Cơ sở xác định lưu lượng khai thác nước thấm 79 Hình 2.27 Cơ sở khoa học phương pháp xác định lưu lượng nước thấm từ sơng .80 Hình 2.28 Các hình thức giếng đứng .81 Hình 2.29 Cấu tạo giếng đứng điển hình .82 Hình 2.30 Sơ đồ giếng khoan 83 Hình 2.31 Sơ đồ ống lọc 86 Hình 2.32 Mơ hình tính giếng khơng hồn chỉnh thu nước có áp 86 Hình 2.33 Sơ đồ chùm lỗ khoan thí nghiệm mặt xã Tân Trường, huyện Cẩm Giàng, tỉnh Hải dương 88 Hình 2.34 Cấu tạo giếng thí nghiệm Tân Trường, Cẩm Giàng, Hải Dương 89 Hình 3.1 Bản đồ vị trí vùng nghiên cứu đánh giá khả khai thác nước thấm từ sông Hồng 93 Hình 3.2 Sơ đồ vị trí tuyến mặt cắt địa chất thủy văn vùng nghiên cứu .94 Hình 3.3 Mặt cắt địa chất thủy văn tuyến IV 95 Hình 3.4 Mặt cắt địa chất thủy văn tuyến II 95 Hình 3.5 Mặt cắt địa chất thủy văn tuyến VIII 96 Hình 3.6 Phân vùng cấu trúc địa chất ven sông Hồng khu vực nghiên cứu 97 Hình 3.7 Diện tích xây dựng mơ hình vùng nghiên cứu xác định tiềm năm khai thác nước thấm 100 Hình 3.8 Đồ thị tương quan kết tính tốn mơ hình với giá trị đo thực tế lỗ khoan quan sát toán chỉnh lý ổn định 103 Hình 3.9 Bản đồ phân vùng khả khai thác nước thấm ven sông Hồng thuộc khu vực nghiên cứu 104 Hình 3.10 Sơ đồ khối cấu trúc địa chất thủy văn đô thị Hải Dương 105 Hình 3.11 Sơ đồ khối lớp địa tầng qh qp huyện Cẩm Giàng .105 Hình 3.12 Bản đồ vị trí nghiên cứu RBF Thơn Tràng Kỹ, xã Tân Trường, huyện Cẩm Giàng, tỉnh Hải Dương 108 Hình 3.13 Mặt cắt địa chất thủy văn ngang sông Cẩm Giàng .108 Hình 3.14 Giới hạn phạm vi mơ hình 109 Hình 3.15 Các lớp mơ hình mơ theo tài liệu khoan khảo sát Tân Trường .110 Hình 3.16 Một số hình ảnh khoan lấy mẫu thi cơng giếng vị trí thí điểm Tân Trường .110 Hình 3.17 Phân bổ hạt lớp 12-12.5m 112 Hình 3.18: Độ hạ thấp tối đa 11m .113 Hình 3.19: Độ hạ thấp thiết kế giếng đặt máy bơm 7m 114 Hình 3.20 Sơ đồ mơ giếng với khoảng cách từ giếng đến sơng khác .115 viii Hình PL Lỗ khoan cách sông 15,9m, mực nước động Hđ = 10,18m Hình PL Lỗ khoan cách sơng 5,0m, mực nước động Hđ = 9,96m 163 Hình PL 10 Lỗ khoan cách sông 3,5m, mực nước động Hđ = 9,87m Mô kịch di chuyển lỗ khoan đến sông theo khoảng cách tăng lưu lượng hút nước - Lỗ khoan hút nước cách sông 3,5m tăng lưu lượng hút nước lên Q =1000m3/ngày Hình PL 11 Lỗ khoan cách sơng 3,5m, mực nước động Hđ = 10,07m - Lỗ khoan hút nước cách sông 3,5m tăng lưu lượng hút nước lên Q =1200m3/ngày 164 Hình PL 12 Lỗ khoan cách sơng 3,5m, mực nước động Hđ = 10,26m - Lỗ khoan hút nước cách sông 3,5m tăng lưu lượng hút nước lên Q =1500m3/ngày Hình PL 13 Lỗ khoan cách sơng 3,5m, mực nước động Hđ = 10,59m - Lỗ khoan hút nước cách sông 3,5m tăng lưu lượng hút nước lên Q =1800m3/ngày 165 Hình PL 14 Lỗ khoan cách sông 3,5m, mực nước động Hđ = 10,89m - Lỗ khoan hút nước cách sông 3,5m tăng lưu lượng hút nước lên Q =1950m3/ngày Hình PL 15 Lỗ khoan cách sông 3,5m, mực nước động Hđ = 11,03m - Lỗ khoan hút nước cách sông 3,5m tăng lưu lượng hút nước lên Q =2000m3/ngày 166 Hình PL 16 Lỗ khoan cách sông 3,5m, mực nước động Hđ = 11,09m Khi mô kịch dịch chuyển lỗ khoan gần sông giữ mực nước động (Hđ =11,3m) cho thấy lưu lượng khai thác lỗ khoan gần sông tăng lên từ 810m3/ngày (cách sông 25,6m) lên 1950m3/ngày (cách sông 3,5m) Vùng 3: Phía Nam vùng bãi ven sơng Hồng thuộc xã Thượng Cát Theo kết bơm thí nghiệm cách sơng 24,6m Từ kết bơm hút nước thí nghiệm, đo chênh mực nước sơng Hồng nước đất, khoảng cách đến sông Sau đưa kết bơm hút nước thí nghiệm với Q = 4.320m3/ngày mực nước động quan trắc lúc bơm thí nghiệm Hđ = 18,93m Kết mô phù hợp với thực tế ngồi trường 167 Hình PL 17 Kết mực nước động sau hiệu chỉnh thông số Mô kịch di chuyển lỗ khoan đến sông theo khoảng cách lưu lượng không đổi - Tiến hành mô giữ nguyên lưu lượng hút nước Q = 4.320m3/ngày di chuyển lỗ khoan gần sơng: Hình PL 18 Lỗ khoan cách sông 213m, mực nước động Hđ = 12,55m 168 Hình PL 19 Lỗ khoan cách sơng 100m, mực nước động Hđ = 10,12m Hình PL 20 Lỗ khoan cách sơng 50m, mực nước động Hđ = 9,33m Hình PL 21 Lỗ khoan cách sông 20m, mực nước động Hđ = 8,96m Mô kịch di chuyển lỗ khoan đến sông theo khoảng cách tăng lưu lượng hút nước 169 - Lỗ khoan hút nước cách sông 20m tăng lưu lượng hút nước lên Q =4.800m3/ngày Hình PL 22 Lỗ khoan cách sơng 20m, mực nước động Hđ = 18,79m - Lỗ khoan hút nước cách sông 50m tăng lưu lượng hút nước lên Q =4.600m3/ngày Hình PL 23 Lỗ khoan cách sông 50m, mực nước động Hđ = 18,86m - Lỗ khoan hút nước cách sông 100m tăng lưu lượng hút nước lên Q =4.390m3/ngày 170 Hình PL 24 Lỗ khoan cách sông 100m, mực nước động Hđ = 18,91m Khi mô kịch dịch chuyển lỗ khoan gần sông giữ mực nước động ổn định (Hđ =18,93m) cho thấy lưu lượng khai thác lỗ khoan gần sông tăng lên từ 4.320m3/ngày (cách sông 450m) lên 4.800m3/ngày (cách sông 20m) Vùng 4: Phía Bắc vùng bãi ven sơng Hồng thuộc xã Tầm Xá Theo kết bơm thí nghiệm cách sơng 90m Từ kết bơm hút nước thí nghiệm, đo chênh mực nước sơng Hồng nước đất, khoảng cách đến sông Sau đưa kết bơm hút nước thí nghiệm với Q = 2.263m3/ngày mực nước động quan trắc lúc bơm thí nghiệm Hđ = 18,38m Kết mô phù hợp với thực tế ngồi trường 171 Hình PL 25 Kết mực nước động sau hiệu chỉnh thông số Mô kịch di chuyển lỗ khoan đến sông theo khoảng cách lưu lượng không đổi - Tiến hành mô giữ nguyên lưu lượng hút nước Q = 2.263m3/ngày di chuyển lỗ khoan gần sơng: Hình PL 26 Lỗ khoan cách sông 58m, mực nước động Hđ = 16,79m Hình PL 27 Lỗ khoan cách sơng 30m, mực nước động Hđ = 13,3m 172 Hình PL 28 Lỗ khoan cách sông 10m, mực nước động Hđ = 10,91m Mô kịch di chuyển lỗ khoan đến sông theo khoảng cách tăng lưu lượng hút nước - Lỗ khoan hút nước cách sông 30m tăng lưu lượng hút nước lên Q =3.000m3/ngày Hình PL 29 Lỗ khoan cách sông 30m, mực nước động Hđ = 15,97m - Lỗ khoan hút nước cách sông 30m tăng lưu lượng hút nước lên Q =3.500m3/ngày 173 Hình PL 30 Lỗ khoan cách sơng 30m, mực nước động Hđ = 17,79m - Lỗ khoan hút nước cách sông 30m tăng lưu lượng hút nước lên Q =3.650m3/ngày Hình PL 31 Lỗ khoan cách sơng 30m, mực nước động Hđ = 18,33m - Lỗ khoan hút nước cách sông 30m tăng lưu lượng hút nước lên Q =3.800m3/ngày 174 Hình PL 32 Lỗ khoan cách sơng 30m, mực nước động Hđ = 18,88m - Lỗ khoan hút nước cách sông 30m tăng lưu lượng hút nước lên Q =4.000m3/ngày Hình PL 33 Lỗ khoan cách sông 30m, mực nước động Hđ = 19,86m - Lỗ khoan hút nước cách sông 10m tăng lưu lượng hút nước lên Q =3.000m3/ngày 175 Hình PL 34 Lỗ khoan cách sông 10m, mực nước động Hđ = 12,96m - Lỗ khoan hút nước cách sông 10m tăng lưu lượng hút nước lên Q =3.500m3/ngày Hình PL 35 Lỗ khoan cách sông 10m, mực nước động Hđ = 14,07m - Lỗ khoan hút nước cách sông 10m tăng lưu lượng hút nước lên Q =5.000m3/ngày 176 Hình PL 36 Lỗ khoan cách sông 10m, mực nước động Hđ = 18,13m Khi mô kịch dịch chuyển lỗ khoan gần sông giữ mực nước động ổn định (Hđ =18,38m) cho thấy lưu lượng khai thác lỗ khoan gần sông tăng lên từ 2.263/ngày (cách sông 90m) lên 5.000m3/ngày (cách sông 5m) 177