Nghiên cứu một số bài toán tương tác nước mặt - nước ngầm và thử nghiệm áp dụng vào thực tế ở Việt Nam

Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu các cơ chế tương tác nước mặt nước ngầm, ứng dụng mô hình MODFLOW vào tính toán mô phỏng cho các trường hợp thực tế, làm cơ sở cho v

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÙI HUY HOÀNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC NƯỚC MẶT – NƯỚC NGẦM VÀ THỬ NGHIỆM

ÁP DỤNG VÀO THỰC TẾ Ở VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KỸ THUẬT

Hà Nội - 2012

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÙI HUY HOÀNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC NƯỚC MẶT – NƯỚC NGẦM VÀ THỬ NGHIỆM

ÁP DỤNG VÀO THỰC TẾ Ở VIỆT NAM

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả đạt được trong luận văn này là do tôi nghiên cứu, sưu tầm, tổng hợp và sắp xếp lại phù hợp với yêu cầu của luận văn Toàn bộ những điều được trình bày trong khóa luận hoặc là của cá nhân, hoặc được tham khảo

và tổng hợp từ các nguồn tài liệu khác nhau Tất cả tài liệu tham khảo, tổng hợp đều được trích dẫn với nguồn gốc rõ ràng

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan của mình Nếu có điều gì sai trái, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo qui định

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Học viên

Bùi Huy Hoàng

Trang 4

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH 3

DANH MỤC BẢNG 5

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC QUÁ TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN TƯƠNG TÁC NƯỚC MẶT NƯỚC NGẦM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MÔ HÌNH HÓA 8

1.1 Quá trình gây ra bởi dòng ngầm 8

1.2 Quá trình gây ra bởi dòng mặt 9

1.3 Quá trình gây ra do dòng mặt và dòng ngầm 11

1.3.1 Tương tác nước mặt nước ngầm trong đất ngập nước 11

1.3.2 Bốc hơi 12

1.4 Các mô hình mô phỏng tương tác nước mặt nước ngầm 12

1.4.1 Mô hình nước ngầm tổng quát 12

1.4.2 Mô hình nước mặt có tính đến nước ngầm 17

1.4.3 Mô hình ghép nối nước mặt – nước ngầm 18

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH MODFLOW 21

2.1 Mô hình toán học 21

2.2 Phương pháp giải 22

2.3 Phương trình vi phân 24

2.4 Điều kiện biên trong mô hình 26

2.4.1 Biên Bốc hơi 26

2.4.2 Biên sông 27

2.4.3 Biên tổng hợp 29

2.4.4 Biên kênh thoát (Drain) 30

2.4.5 Lỗ khoan hút và ép nước 30

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ BÀI TOÁN MẪU VỀ TƯƠNG TÁC NƯỚC MẶT - NƯỚC NGẦM 32

Trang 5

3.1 Tổng quan vể các nghiệm giải tích 32

3.2 Kiểm định mô hình MODFLOW với một số bài toán

tương tác nước mặt-nước ngầm 36

3.3 Sử dụng mô hình MODFLOW đánh giá các đặc trưng

tương tác nước mặt- nước ngầm 38

3.3.1 Sự phụ thuộc vào các đặc trưng thấm của đáy sông 39

3.3.2 Sự phụ thuộc vào độ rộng của sông 41

3.3.3 Sự phụ thuộc vào kích thước của vỉa nước ngầm 41

3.4 Kết luận 42

CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG MÔ HÌNH MODFLOW TÍNH TOÁN TƯƠNG TÁC NƯỚC MẶT NƯỚC NGẦM THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG 44

4.1 Thiết lập mô hình 44

4.1.1 Lưới sai phân của mô hình 44

4.1.2 Phân chia các lớp trên mô hình 45

4.1.3 Dữ liệu các yếu tố về địa hình địa chất và địa chất thủy văn: 46

4.1.4 Dữ liệu về khí tượng thủy văn 48

4.1.5 Biên và điều kiện biên của mô hình 51

4.1.6 Hệ thống lỗ khoan quan trắc 53

4.2 Tính toán hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 54

4.3 Nghiên cứu tương tác nước mặt nước ngầm vùng Đà Nẵng 56

4.3.1 Phương án 1: Phương án khai thác với lưu lượng khai thác

tại các giếng không đổi 58

4.3.2 Phương án 2: Phương án khai thác theo quy hoạch

đến năm 2020 của thành phố Đà Nẵng 65

4.3.3 Đánh giá trao đổi nước mặt nước ngầm theo hai phương án 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

DANH MỤC CÁC BÀI BÁO 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

PHỤ LỤC 82

Trang 6

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Những quá trình liên quan đến tương tác nước ngầm - nước mặt 8

Hình 2.1 Ô lưới và loại ô trong mô hình 23

Hình 2.2 Ô lưới và nút lưới 24

Hình 2.3 Ô lưới (i,j,k) và 6 ô bên cạnh 24

Hình 2.4 Điều kiện biên bốc hơi cho mô hình 27

Hình 2.5 Tính toán lượng bốc hơi 27

Hình 2.6 a) mặt cắt biểu diễn điều kiện biên sông

b) Mô phỏng trên mô hình 28

Hình 2.7 Biểu diễn một ô đáy sông 28

Hình 2.8 Biên tổng hợp 29

Hình 2.9 Điều kiện biên kênh thoát 30

Hình 2.10 Các ô lưới sai phân hai chiều xung quanh ô có lỗ khoan 31

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống trong mô hình 34

Hình 3.2 Đặt bài toán trong Theis (1941) 35

Hình 3.3 Đặt bài toán theo Hantush (1965) 35

Hình 3.4 Đặt bài toán của Hunt (1999) 36

Hình 3.5 Đồ thị so sánh kết quả mô hình với lời giải giải tích 38

Hình 3.6 Tốc độ suy giảm dòng chảy với từng trường hợp B với α=1 39

Hình 3.7 Tốc độ suy giảm dòng chảy ứng với từng trường hợp B và α 40

Hình 3.8 Tốc độ suy giảm d ng chảy theo thời gian ứng với độ rộng

của sông 41

Hình 3.9 Tốc độ suy giảm d ng chảy theo thời gian ứng với các

kích thước của vỉa nước ngầm 42

Hình 4.1 Bản đồ khu vực tính và lưới sai phân trong mô hình MODFLOW 44

Hình 4.2 Mặt cắt thẳng đứng theo hướng Bắc Nam mô phỏng trên mô hình 45

Hình 4.3 Mặt cắt thẳng đứng theo hướng Đông Tây mô phỏng trên mô hình 45

Hình 4.4 Bản đồ đẳng bề mặt địa hình khu vực lập mô hình 46

Hình 4.5 Bản đồ phân vùng hệ số thấm lớp 1 47

Hình 4.6 Bản đồ phân vùng hệ số nhả nước lớp 1 47

Hình 4.7 Biểu đồ phân bố lượng mưa tại một số trạm 48

Hình 4.8 Biều đồ phân bố lượng bốc hơi trung bình tháng tại Đà Nẵng 49

Hình 4.9 Sơ đồ phân bố lượng bổ cập 50

Hình 4.10 Sơ đồ phân bố lượng bốc hơi 50

Hình 4.11 Sơ đồ phân bố điều kiện biên mực nước các tầng chứa nước

(qh,qp1), qp1, (-O1) 52

Hình 4.12 Vị trí các lỗ khoan quan trắc trong vùng tính 53

Trang 7

Hình 4.13 So sánh cốt cao mực nước thực đo và tính toán tại các giếng 54

Hình 4.14 Bản đồ mực nước tầng (qh,qp2) bài toán chỉnh lý ổn định 55

Hình 4.15 Bản đồ mực nước tầng (qp1) bài toán chỉnh lý ổn định 55

Hình 4.16 Bản đồ mực nước tầng (ε-o1) bài toán chỉnh lý ổn định 56

Hình 4.17 Vị trí các giếng khai thác trong khu vực tính toán được mô phỏng trên mô hình 57

Hình 4.18 Phân v ng tính toán trên mô hình 58

Hình 4.19 Lưu lượng trao đổi giữa sông và tầng chứa nước v ng 2 59

Hình 4.20 Biểu đồ so sánh lưu lượng trao đổi giữa sông và tầng chứa

v ng 2 dự báo đến n m 2016 60

Hình 4.22 Biểu đồ lưu lượng trao đổi giữa sông và tầng chứa nước

Hình 4.24.Biểu đồ lưu lượng trao đổi giữa sông và tầng chứa nước

Hình 4.25 Biểu đồ lưu lượng nước trao đổi giữa sông và tầng chứa nước

Hình 4.26.Biểu đồ lưu lượng nước trao đổi giữa sông và tầng chứa nước

Hình 4.27 Biểu đồ lưu lượng nước trao đổi giữa sông và tầng chứa nước

Hình 4.28 Biểu đồ so sánh lưu lượng trao đổi giữa sông và tầng chứa theo 2 phương án dự báo n m 2016 tại v ng 2 72

Trang 8

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Liệt kê các mô hình theo từng tác động được đề cập ở trên 13

Bảng 3.1 Các tham số không thứ nguyên 38

Bảng 4.1 Lượng mưa trung bình tháng và n m (mm) 48

Bảng 4.2 Phân bố lượng bốc hơi trung bình tháng tại Đà Nẵng 49

Bảng 4.3 Vị trí các lỗ khoan quan trắc trong mô hình 53

Bảng 4.4 Quy hoạch khai thác nguồn nước TP Đà Nẵng đến n m 2020 57

Bảng 4.5 Lưu lượng nước trung bình trao đổi giữa sông và tầng chứa nước

theo qu các n m theo dự báo v ng 2 (m3/ngày) 59

Bảng 4.6 Lưu lượng trung bình trao đổi giữa sông và tầng chứa nước

Bảng 4.11 Lưu lượng trao đổi giữa sông và tầng chứa nước phương án 1

các v ng tính n m 2016 (m3/ngày) 70

Bảng 4.12 Lưu lượng trao đổi giữa sông và tầng chứa nước phương án 2

các v ng tính n m 2016 (m3/ngày) 71

Trang 9

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Nước dưới đất là nguồn cung cấp nước ngọt quan trọng phục vụ đời sống sinh hoạt và các hoạt động sản xuất của xã hội loài người Nước dưới đất là một

bộ phận trong chu trình thủy v n được hình thành do nước mặt xâm nhập vào hệ thống đất đá từ bề mặt đất hoặc từ ao hồ sông suối trên mặt đất Các nguồn cung cấp cho nước dưới đất gồm có: nước mưa, d ng chảy mặt, hồ ao, sông suối và các phương pháp bổ sung nước nhân tạo

Thông thường thì việc quản l tài nguyên nước thường coi nước mặt và nước ngầm là hai thành phần tách biệt Một điều phải chú đó là nước dưới đất

và nước trên bề mặt không thể tách rời và cô lập trong chu trình thủy quyển, chúng là một chu trình kín Cả hai loại tài nguyên này đều ảnh hưởng đến số lượng và chất lượng lẫn nhau Sự trao đổi giữa nước mặt và nước dưới đất xảy

ra ở mọi nơi như sông, hồ, ao, đầm lầy… Sự ảnh hưởng qua lại giữa nước mặt

và nước dưới đất là vấn đề quan trọng của môi trường, vì ô nhiễm tầng nước mặt

có thể gây nhiễm bẩn tầng nước ngầm Trong nhiều trường hợp, nước mặt thu thêm nước và các chất hòa tan từ hệ thống nước ngầm và trong trường hợp khác thì nước mặt là nguồn của cung cấp cho nước ngầm và gây ra thay đổi chất lượng nước ngầm Kết quả là, mực nước trong sông suối cạn có thể gây ra sự cạn kiệt nguồn nước ngầm hoặc ngược lại, và việc bơm hút nước ngầm có thể gây cạn kiệt nguồn nước trong ao hồ sông suối hoặc vùng ngập nước Ô nhiễm nước mặt có thể gây ra sự suy thoái chất lượng nước dưới đất và ngược lại ô nhiễm nước ngầm có thể làm suy thoái chất lượng nước mặt Vì vậy, việc quản

lý tài nguyên nước một cách hiệu quả yêu cầu sự hiểu biết rõ ràng về mối liên

hệ giữa nước dưới đất và nước mặt

Mục tiêu nghiên cứu

- Mục tiêu tổng quát

Nghiên cứu các cơ chế tương tác nước mặt nước ngầm, ứng dụng mô hình MODFLOW vào tính toán mô phỏng cho các trường hợp thực tế, làm cơ sở cho việc quy hoạch sử dụng nguồn nước ngầm một cách bền vững

- Mục tiêu cụ thể

+ Tìm hiểu về các quá trình tương tác nước mặt nước ngầm và các

mô hình toán liên quan

+ Kiểm chứng mô hình MODFLOW với các bài toán tương tác nước mặt nước ngầm

+ Áp dụng mô hình MODFLOW để tính toán tương tác nước mặt nước ngầm khu vực Đà Nẵng

Trang 10

+ Trên cơ sở kết quả của mô hình MODFLOW, đưa ra các phân tích nhận xét về tương tác nước mặt nước ngầm, những tác động qua lại giữa nước mặt nước ngầm khu vực Đà Nẵng, làm cơ sở cho quy hoạch sử dụng nước

Nội dung nghiên cứu và cấu trúc luận văn

Luận v n có cấu trúc gồm 3 phần (Mở đầu, nội dung nghiên cứu, kết luận

- kiến nghị) Phần nội dung nghiên cứu gồm 4 chương như sau:

Chương 1 Tổng quan về các quá trình liên quan đến tương tác nước mặt nước ngầm và các phương pháp tiếp cận mô hình hóa: Phần này trình bày về các quá trình gây ra bởi nước mặt và nước ngầm, tương tác giữa nước mặt và nước ngầm, và những mô hình đã được sử dụng trong các nghiên cứu trước đó để tính toán tương tác nước mặt nước ngầm

Chương 2 Mô hình MODFLOW: Phần này trình bày về l thuyết về mô hình MODFLOW – mô hình được sử dụng trong luận v n để tính toán đánh giá tương tác nước mặt nước ngầm

Chương 3 Một số bài toán mẫu về tương tác nước mặt nước ngầm: Phần này trình bày về một số bài toán tương tác nước mặt nước ngầm, các nghiệm giải tích và mô hình, so sánh các kết quả tính toán giữa mô hình và giải tích

Chương 4 Áp dụng mô hình MODFLOW tính toán tương tác nước mặt nước ngầm cho thành phố Đà Nẵng

Trang 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC QUÁ TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN TƯƠNG TÁC NƯỚC MẶT NƯỚC NGẦM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

TIẾP CẬN MÔ HÌNH HÓA

Chương này trình bày về những quá trình quan trọng liên quan đến tương tác giữa nước ngầm và nước mặt và những công cụ mô hình hóa chúng Các quá trình này có thể phân loại như sau: (1) Quá trình gây ra bởi dòng ngầm; (2) Quá trình gây ra bởi dòng mặt; (3) Quá trình gây ra bởi dòng ngầm và dòng mặt Một vài trong số những quá trình tương tác giữa nước ngầm và nước mặt được chỉ ra trên hình 1, gồm có tương tác giữa nước ngầm và một số hệ thống nước mặt: như sông, suối, hồ, đầm… Các công cụ để mô phỏng các quá trình được phân loại và phân tích ở các mục sau

Hình 1.1 Những quá trình liên quan đến tương tác nước ngầm - nước mặt

1.1 Quá trình gây ra bởi dòng ngầm

Sự suy giảm dòng chảy trong sông do bơm hút nước ngầm được xác định

do sự thấm của nước sông vào các tầng chứa nước Vấn đề tương tác sông-tầng ngầm là rất quan trọng trong việc quản lý nguồn nước và phát triển vùng ven sông Khái niệm tương tác này chỉ giới hạn trong trường hợp sông tiếp xúc với tầng ngầm qua lớp đất hoàn toàn bão hòa (Hantush 2005) [23]

Trang 12

Việc bơm hút nước ngầm gần sông suối đã cho thấy ảnh hưởng đáng kể đến việc cung cấp nước, chất lượng nước, và các quy định về quản lý nguồn nước Sự suy giảm dòng chảy này thực sự tác động lớn với những dòng sông suối nhỏ (Hunt 2003) [26] Trong quá trình bơm hút khai thác nước ngầm và trong khi phễu hạ thấp tiến đến gần sông sẽ dẫn đến lượng nước ngầm cung cấp cho sông sẽ giảm, và nước mặt bắt đầu thấm vào tầng chứa nước làm suy giảm dòng chảy trong sông Sau một khoảng thời gian dài bơm, phễu hạ thấp đạt tới trạng thái ổn định, quá trình bơm sẽ được cân bằng bởi sự suy giảm hoặc dẫn đến việc đảo dòng chảy từ tầng chứa nước vào sông (thấm từ tầng chứa nước vào sông) Sự tương quan giữa bơm hút và suy giảm dòng chảy phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, trong đó khoảng cách từ giếng khoan khai thác đến sông đóng vai tr quan trọng Những yếu tố rất quan trọng khác có thể ảnh hưởng đáng kể đến suy giảm dòng chảy trong sông đó là sự tích tụ b n đáy sông, độ sâu của dòng chảy mặt, địa chất thủy v n tầng chứa

Nếu nước mặt ô nhiễm, thì chất lượng nước trở thành một vấn đề quan trọng Trong trường hợp này cần phải xác định cấu trúc hình học của khu vực ảnh hưởng trong quá trình bơm để cung cấp thông tin bảo vệ giếng khoan Ví dụ, khi bơm theo mùa (cho mục đích tưới tiêu), cần xem xét dòng nhiễm bẩn có đến vị trí bơm không hay nó vẫn còn trong tầng chứa nước mà sau

đó sẽ chảy về sông suối trong thời gian phục hồi vào m a mưa

1.2 Quá trình gây ra bởi dòng mặt

a Dòng chảy tràn và dòng ngầm bề mặt

Dòng chảy trong sông, phụ thuộc vào các dòng chảy trong lưu vực, bao gồm mưa trực tiếp trên sông, dòng chảy tràn và dòng chảy xuyên (through-flow) ở tầng nông bên dưới lớp mặt, và dòng chảy ngầm Dòng chảy trên bề mặt được mô tả là nước chảy trên mặt đất hoặc là dòng chảy trong các con lạch, con suối, trong khi đó, d ng chảy ngầm bề mặt, đề cập đến những dòng chảy dưới lớp mặt mà chảy từ nhiều hướng đến sông thông qua lớp đất không bão hòa

Dòng chảy tràn bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi địa hình, thảm thực vật, đặc tính của đất và địa chất (Jenkins et al 1994) [28] Dòng chảy tràn xuất hiện khi cường độ mưa vượt quá khả n ng thấm của đất (Horton 1933) [24] hay khi đất trở nên bão hòa, và khi vùng trũng chứa nước được làm đầy Dòng chảy ngầm

bề mặt về cơ bản là một phần của dòng chảy tại lớp bên dưới lớp mặt chảy vào sông mà không phải từ hệ thống nước ngầm trong khu vực Dòng chảy ngầm bề mặt được t ng cường bởi tầng thấm yếu của đất hoặc bởi tính dị hướng trong

Trang 13

tính thấm của đất, và điều này đặc biệt quan trọng trong môi trường rừng ôn đới (Ward and Robinson 2000) [50]

Các đặc trưng của dòng chảy tràn và dòng ngầm bề mặt ảnh hưởng quan trọng đến quá trình tương tác nước ngầm nước mặt

b Suy giảm dòng lũ trong sông

Liên quan đến những trường hợp dòng chảy trong sông, việc t ng lượng trữ trong sông làm t ng sự suy giảm dòng chảy trong sông, tức là giảm mực nước đỉnh và t ng khoảng thời gian giữa hai đỉnh

Sự suy giảm của mực nước trong sông liên quan chặt chẽ đến tương tác nước mặt nươc ngầm Tốc độ trao đổi nước m t nước ngầm phụ thuộc vào gradient thủy lực qua mặt phân cách giữa nước mặt nước ngầm Trong khi đó, gradient thủy lực nước mặt- nước ngầm phụ thuộc vào mực nước mặt, là một hàm của dòng chảy mặt và do dó phụ thuộc sự suy giảm dòng chảy lũ trong sông

c Lượng trữ trong sông và vận hành hồ chứa

Lượng trữ trong sông ảnh hưởng trực tiếp đến mực nước sông và do đó ảnh hưởng đến quá trình tương tác nước mặt nước ngầm

Trong một vài trường hợp, lượng trữ trong sông được thiết kế để t ng cường lượng thấm bổ sung cho các tầng ngầm kế cận, dòng bổ sung này còn được gọi là “bổ cấp nước ngầm nhân tạo” (Abu-Taleb 2003 [5]; Bouwer 2000 [11])

Vận hành hồ chứa cũng có vai tr quan trọng liên quan tương tác nước ngầm nước mặt Một cuộc thảo luận chung về điều hành hồ chứa được đưa ra bởi Shaw (1988) [41] Việc xả hồ chứa có thể có khả n ng kiểm soát việc trao đổi dòng chảy giữa hạ lưu sông và hệ thống nước ngầm liền kề bên cạnh Trong nhiều trường hợp, việc phân tích điều hành hồ chứa nhất thiết phải kết hợp tương tác hồ chứa-nước ngầm, và lượng nước xả từ hồ chứa có thể thay đổi đáng

kể thủy v n nước ngầm và sau đó tác động đến tương tác nước sông-nước ngầm

Tất cả các đập có thể thấm, qua móng hoặc chỗ tiếp xúc, hoặc qua bờ kè đối với trường hợp đập đất và đập đá Một vài nghiên cứu đã phát hiện ra tác động của thấm từ hồ chứa đến cả hai quá trình thủy v n nước ngầm và tương tác nước mặt nước ngầm (Ruiz và Rodriguex 2002) [40] Hồ chứa nước mặt có thể được sử dụng để làm t ng trữ lượng nước ngầm thông qua bổ cấp nhân tạo

Trong một vài trường hợp, hồ chứa có thể là một dạng đất ngập nước Đất ngập nước có nhiều vai trò thủy v n, trong đó sự tương tác nước mặt- nước ngầm liên kết với đất ngập nước thường là rất phức tạp

d Lượng trữ của bãi ven sông

Trang 14

Khi mực nước lũ trong sông lên cao, nước có thể ngập các bãi sông và cung cấp nước cho các vỉa nước ngầm ở bãi sông Nước được trữ tạm thời trong các vỉa nước ngầm này và sau đó chảy dần ra sông Lượng trữ của bãi sông phụ thuộc vào (1) mực nước lũ t ng cao; (2) đặc tính đất đá (tính thấm) của bãi sông

và (3) kích thước của vỉa chứa nước

Lượng trữ bãi sông có ảnh hưởng quan trọng đến động lực dòng chảy cơ

sở trong sông Theo Chen et al 2006 [13], với lũ 5 ngày dâng cao 2 m có thể tạo ra dòng chảy 46 m3/ ngày đêm cho 1 m dài bờ sông Ở sông Carmel, California, bãi sông cung cấp nước sau 2 tháng kể từ trận lũ lớn nhất trong mùa

m a mưa, là thời gian quan trọng đối với sự phát triển của cá hồi Tuy nhiên trong những n m nhiều nước, ảnh hưởng của bãi sông là không đáng kể so với dòng cấp từ thượng nguồn (Kondolf et al 1987) [29]

1.3 Quá trình gây ra do dòng mặt và dòng ngầm

1.3.1 Tương tác nước mặt nước ngầm trong đất ngập nước

Winter et al (1998) [52] chỉ ra rằng các yếu tố tác động chính của thuỷ

v n đất ngập nước là: mưa, bốc hơi, và tương tác nước mặt và nước ngầm Lượng nước đầu vào chính chảy vào v ng đất ngập nước bao gồm: lượng mưa, thấm từ sông vào, lũ tràn bờ, và dòng ngầm vào- ra bao gồm: bốc hơi, thấm từ sông, dòng chảy bề mặt (Andersen 2004) [6] Thủy v n của đất ngập nước phần lớn bị chi phối bởi vị trí của chúng trong hệ thống dòng chảy ngầm (Todd et al 2006) [47], sự tương tác của các đất ngập nước với nước ngầm và mặt nước cũng bị ảnh hưởng bởi các đặc tính địa chất của các tầng chứa, và các đặc tính khí hậu (Winter 1999) [51]

Nhiều v ng đất ngập nước có liên quan đến lớp trầm tích mà tại đó d ng vào của v ng nước ngầm đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì tính ổn định của bề mặt bão hòa (Waddington et al 1993) [49] Một số khác thì được đặt bên trên hệ thống dòng chảy nước ngầm khu vực ở những v ng địa hình lõm với địa chất có độ thấm yếu

Nhiều v ng đất ngập nước tồn tại bởi vì chúng nằm trên v ng đất không thấm nước hoặc đá nơi mà có rất ít tương tác với nước ngầm Tuy nhiên, Raisin

et al (1999) [37] đã nhấn mạnh tầm quan trọng của nước ngầm trong cân bằng nước và ngân quỹ dinh dưỡng cho một v ng đất ngập nước ở Úc; điều tra của họ cho thấy vùng đất ngập nước ở thung lũng Kiewa ở phía đông bắc Victoria là một khu vực có lượng thấm đáng kể, nơi nước ngầm chiếm 97% lượng nước (lượng nước mặt do nước ngầm cung cấp) và 50% của tổng số nitơ mất đi của hệ thống

Trang 15

1.3.2 Bốc hơi

Bốc hơi tiềm n ng (PET) là lượng nước tối đa có thể bốc hơi và thoát ra

từ một thảm thực vật dày đặc, thấp, đồng đều, trong điều kiện nước cung cấp cho đất không hạn chế Việc xác định lượng bốc hơi thực (AET) thường được tính thông qua việc sử dụng mô hình phụ AET được tham số hóa trong mô hình thủy v n AET có thể được mô hình hóa ở một vài mức độ phức tạp khác nhau, phụ thuộc vào độ phức tạp của hệ thống thủy v n được mô phỏng và những dữ liệu có thể có

Sự quan trọng của AET có tính quyết định đến việc quản lý nguồn nước bởi vì nó chiếm một phần lớn trong quỹ nước AET sẽ trả lại khoảng 64% lượng mưa trên mặt đất về không khí Có một nghiên cứu với sông Shashe ở Botswana [9] chỉ ra rằng lượng nước bị lấy đi bởi bốc hơi lớn hơn nhiều so với lượng bơm

từ các nguồn cung cấp nướcTại tầng nông, sự thoát hơi nước từ thực vật gần bờ

có thể chặn không cho nước ngầm ngấm ra sông

Bốc hơi thực tế phụ thuộc vào đặc tính của đất và điều kiện môi trường Ngay cả khi đất bị bao phủ bởi thực vật, bốc hơi vẫn có thể ít nhất 10% lượng bốc thoát hơi Bốc hơi là một thành phần quan trọng trong quỹ nước, đặc biệt trong nông nghiệp ở những vung đất khô và đất sa mạc Bốc hơi và thoát hơi nước thực tế đối với lớp mô hình này được mô phỏng bằng cách sử dụng những quan hệ kinh nghiệm (empirical relationship)

1.4 Các mô hình mô phỏng tương tác nước mặt nước ngầm

1.4.1 Mô hình nước ngầm tổng quát

Sự biến thiên độ cao mực nước dưới đất được mô tả bằng phương trình đạo hàm riêng tổng quát 3 chiều (1.1)[32]

 Kxx,Kyy,Kzz, là các hệ số thấm theo phương x,y,z (LT-1)

 h(x,y,z,t): Cốt cao mực nước tại vị trí (x,y,z) tại thời điểm t (L)

 W: Giá trị bổ cập (recharge), giá trị thoát đi của nước ngầm tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t (t-1)

W = W(x,y,z,t) là hàm số phụ thuộc thời gian và không gian (x,y,z)

 S: Hệ số nhả nước (L-1)

Ss = Ss(x,y,z), Kxx = Kxx (x,y,z), Kyy = Kyy (x,y,z), Kzz = Kzz (x,y,z) là các hàm phụ thuộc thời gian và không gian (x,y,z)

Trang 16

Phương trình (1) mô tả động thái mực nước trong điều kiện môi trường dị hướng tổng quát

Dưới đây, sẽ liệt kê một số mô hình dòng chảy nước ngầm

1.4.1.1 Mô hình dòng chảy 1 chiều (1D)

 Xấp xỉ Dupuit-Forchheimer

Đối với dòng chảy trong hệ thống không áp bị bao quanh bởi mặt thoáng, thì một tiếp cận được đưa ra bởi Dupuit (1863) [16] và phát triển bởi Forchheimer (1930) [18] thường được sử dụng Nó dựa trên 2 giả thiết: (1) đường d ng được giả thiết là nằm ngang và đẳng thế theo chiều đứng; (2) gradien thủy lực được giả thiết là bằng độ dốc mặt thoáng và không đổi theo độ sâu Lý thuyết bỏ qua thành phần dòng chảy thẳng đứng, do đó rút gọn hệ 2 chiều về 1 chiều cho mục tiêu giải tích Kỹ thuật này cho ta một nghiệm xấp xỉ tốt trong những trường hợp mà độ dốc mặt thoáng là nhỏ và khi độ sâu của trường dòng chảy không áp là nông

 Những mô hình giải tích với suy giảm dòng chảy trong sông

Các phương pháp giải tích cho suy giảm dòng chảy trong sông có thể giải quyết một tác động hoặc kết hợp của các tác động được kể ra sau đây:

- Mức độ thâm nhập của dòng mặt; toàn bộ hay một phần

- Hệ số dẫn đáy sông nhỏ

- Ảnh hưởng của độ rộng sông

- Ảnh hưởng của tầng chứa bao quanh (biên không thấm)

- Giếng khoan

- Xử lý những dao động chiều cao mực nước, vd: điều kiện biên sông

 T ng công suất bơm

 Kế hoạch bơm

 Dao động hình sin

 Dao động ngẫu nhiên

Bảng 1.1 Liệt kê các mô hình theo từng tác động được đề cập ở trên

Phát triển mô hình

Độ sâu lòng sông

Độ thấm đáy sông

K

Độ rộng sông

Biên không thấm

Trang 17

Hantush (1965) Hoàn toàn v x v

Hantush (1967) Hoàn toàn x x x cong vuông góc Đoạn sông uốn

Rassam et al.(2005a) Hoàn toàn x x x khúc sông uốn hình chữ U Singh(2005);

Bakker và Andeson (2003) [8] đã đưa ra lời giải giải tích hiện đối với dòng chảy ổn định, dòng chảy ngầm 2 chiều đến giếng gần sông(độ sâu của sông nhỏ hơn chiều dày tầng chứa) Phương pháp này được sử dụng để kiểm tra tương tác giữa nước sông và nước ngầm, những ảnh hưởng của việc bơm lên

v ng đối ngược sông, và ảnh hưởng của thấm lòng sông vào vùng giữ nước bao quanh giếng

Ảnh hưởng của các điều kiện biên như: xả từ đoạn uốn vuông góc của sông và sông uốn khúc hình chữ U được chỉ ra bởi Hantush (1967) [22] và Rasam (2005)[38;39]

Trang 18

 Những Mô hình phân tích phần tử (Analytic Element Model)

Phương pháp phân tích phần tử (AEM) là một phương pháp số được sử dụng dể giải phương trình đạo hàm riêng được đưa ra bởi Strack (1989) [44] Phương pháp này tránh được sự rời rạc của phạm vi dòng chảy nước ngầm do lưới hay phần tử lưới Thay vào đó, chỉ những đặc trưng nước mặt trong khu vực được rời rạc hóa, được chia thành các mặt cắt, và được đưa vào mô hình như dữ liệu đầu vào GFLOW là một chương trình dựa trên phương pháp này GFLOW

mô phỏng dòng chảy ở trạng thái ổn định trong tầng chứa đồng nhất đơn bằng cách sử dụng giả thiết Dupuit-Forrchheimer Trong khi GFLOW hỗ trợ một số

mô hình dòng chảy tức thời (transient flow) và dòng chảy 3 chiều, nó đặc biệt thích hợp đối với mô phỏng miền dòng chảy ngang Để thuận tiện cho việc chi tiết hóa mô phỏng dòng chảy, GFLOW hỗ trợ một option để tự động tạo file MODFLOW với các đặc tính tầng chứa và điều kiện biên được cung cấp bởi mô hình GFLOW GFLOW cũng hỗ trợ mô phỏng kết nối nước mặt và nước ngầm bằng cách sử dụng mạng lưới sông suối với dòng chảy cơ sở đã được tính toán

Mô hình này hiện tại có một vài hạn chế như: cả dòng chảy tức thời (transient flow) và dòng 3 chiều (three-dimensional flow) chỉ được thực hiện 1 phần trong mô hình này GFLOW không hỗ trợ mô phỏng dòng chảy đa tầng chứa

TWODAN [17] có một bộ các mô hình phân tích cho phép người dùng

mô phỏng mọi thứ từ giếng đơn trong trường dòng chảy đồng nhất đến những hệ thống bổ sung phưc tạp với nhiều giếng, tường chắn, bề mặt nước, và tính không đồng nhất Tầng chứa nước được mô phỏng bởi TWODAN có thể bao gồm 1 hoặc 2 lớp liên kết thủy lực Tầng chứa nước có thể là có áp hoặc không áp, có thể đồng nhất hay không đồng nhất Việc tính toán giải tích đối các thành phần tường chắn đưa ra nhiều tính chính xác hơn là với phương pháp số TWODAN cũng có khả n ng tối ưu hóa việc xả của giếng trạng thái ổn định dựa trên mực nước xác định và điều kiện xả của tầng chứa nước

WinFlow là một mô hình tương tác, giải tích mô phỏng dòng chảy nước ngầm ở trạng thái ổn định và tức thời 2 chiều (cả có áp và không áp) Mô hình này sử dụng phương trình phát triển bởi Theis với tầng chứa có áp và Hantush cho tầng thấm-có áp

 Mô hình số

 Mô hình dòng chảy bão hòa

PLASM, được phát triển bởi IGWMC, là một gói chương trình dựa trên

bộ PLASM lần đầu được công bố bởi Prickett and Lonnquist (1971) [36] Nó bao gồm 3 chương trình mô phỏng sai phân hữu hạn và một bộ tiền xử lý

Trang 19

Những chương trình này mô phỏng dòng chảy nước ngầm 2D không ổn định trong tầng chứa đồng nhất đẳng hướng, với điều kiện không thấm, thấm có áp Bao gồm cả những lựa chọn về thời gian bơm, thấm từ sông hoặc tầng nông, và bốc hơi phụ thuộc độ sâu mực nước Phương trình sai phần hữu hạn được giải bằng cách sử dụng phương pháp luân hướng sửa đổi (alternating direction method)

FLOWNET [53] được sử dụng cho việc mô phỏng tương tác của dòng chảy ổn định 2 chiều trong biểu diễn mặt cắt ngang hay mặt vuông góc của một tầng chứa nước đồng nhất đẳng hướng Nó tạo ra mạng dòng chảy, gồm có đường d ng và đường đẳng thế, thu được thông qua xấp xỉ sai phân hữu hạn 5 điểm để tính toán mực nước và nội suy tuyến tính để xác định đường đẳng Phương trình ma trận được giải bằng cách sử dụng phương pháp gradien liên hợp Dòng chảy được xác định từ hàm dòng, nói cách khác, nó được xác định bằng cách sử dụng hàm liên hợp của hàm thế

 Mô hình dòng chảy biến thiên bão hòa

HYDRUS-2D [42] là chương trình sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

để mô phỏng dòng chảy và lan truyên chất trong môi trường biến thiên bão hòa Dòng chảy có thể được mô phỏng theo 3 loại khác nhau: dòng chảy thẳng đứng, dòng chảy đối xứng trục và dòng chảy ngang Lựa chọn sau mô phỏng dòng chảy ở trạng thái ổn định, bão hòa trong tầng chứa đơn hoặc bất cứ một hình dạng diện tích nào Kết quả đầu ra của mực nước có thể được đưa vào mộtchương trình để biểu diễn đường mực nước ngầm 3 chiều trạng thái ổn định

1.4.1.3 Mô hình Dòng chảy 3 chiều

MODFLOW [20] là một mô hình, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn Cấu trúc bao gồm 1 chương trình chính và các gói chương trình con tính toán các đặc trưng khác nhau của hệ thống thủy v n như diện tích xả, bốc hơi,

d ng đến sông, hồ… Tương tác nước mặt nước ngầm trong MODFLOW được tính toán bằng cách sử dụng cả gói chương trình sông và suối Phần này sẽ trình bày trong chương 2

MicroFEM là chương trình tính toán các quá trình mô phỏng nước ngầm,

từ việc tạo ra lưới sai phân qua các bước tiền xử lý, tính toán, sau xử lý, biểu diễn đồ thị, vẽ bản đồ Hệ thống tầng chứa không áp, có áp, phân tầng, thấm có thể được mô phỏng với độ lớn là 20 tầng chứa nước Chương trình sử dụng lưới không đều được sử dụng trong sai phân hữu hạn, có một vài ưu điểm hơn so với lưới đều Phụ thuộc vào loại mô hình mà có thể được mở rộng với độ dày của lớp, hay một số tham số người dùng có thể tự đưa vào

Trang 20

DYNFLOW là code sai phân hữu hạn mô phỏng hệ đa lớp 3D hoàn chỉnh

và cho phép một khoảng rộng về áp và điều kiện biên thay đổi Nó cũng có thành phần 1D, và 2D Nó có thể chạy ở trạng thái ổn định hay theo thời gian, và cho phép cập nhật dữ liệu tại bất cứ bước thời gian nào trong quá trình chạy không ổn định DYNFLOW có điều kiện biên mực nước chuẩn cố định, lưu lượng cố định và điều kiện biên loại 3

FEFLOW [33] là gói phần mềm mô phỏng dòng chảy chất lỏng và lan truyền chất trong nước ngầm Code 3D có thể giải với bước thời gian không đổi hoặc điều kiện biên thay đổi FEFLOW có thêm những đặc trưng khác so với các code sai phân khác đó là khả n ng mô phỏng dòng chảy mật độ thay đổi, và dòng chảy khe nứt

1.4.2 Mô hình nước mặt có tính đến nước ngầm

AQUATOR [35] là mô hình thủy v n nguồn nước theo thành phần sử dụng những quy tắc vận hành để đưa ra quản l tài nguyên nước và mô phỏng hệ thống động lực học theo bước thời gian ngày Code dựa trên VBA, do đó các thành phần có thể được chỉnh sửa AQUATOR có 24 thành phần chuẩn, được sử dụng để biểu diễn các yếu tố thủy v n trong hệ thống như: trạm bơm, hồ chứa, nhánh sông, hợp lưu, lưu vực… Ngoài ra nó cũng có thành phần về nước ngầm, được sử dụng để biểu diễn những nguồn nước ngầm đơn giản, nó không mô phỏng trữ lượng nước ngầm, bơm hút, theo cách trực tiếp

REALM [48] là mô hình thủy v n sông được phát triển để mô phỏng hoạt động và tối ưu hóa hệ thống cung cấp nước REALM được áp dụng rộng rãi trong các dự án về quản lý và quy hoạch tài nguyên nước REALM thông qua một nút liên kết gần như là mô phỏng thủy v n sông và có thể biểu diễn hồ chứa, trạm cung cấp, đường nước, ống và hầu hết những đặc tính của vùng ven sông

IQQM [12] là một công cụ mô phỏng thủy v n được thiết kế để mô phỏng động thái hệ thống ống và những tác động của các chính sách quản lý nguồn nước hay những thay đổi trong chính sách của nhà chức trách Khả n ng của IQQM phần nào phụ thuộc vào phiên bản, nhưng nói chung, các quá trình chính được mô phỏng gồm:

- Dòng chảy trong sông suối

Trang 21

- Vùng ngập nước

IQQM biểu diễn hệ thống sông thông qua các liên kết và các nút, và GUI (giao diện đồ họa) có sẵn để hỗ trợ dữ liệu đầu vào cho mô hình nhập tất cả các lớp GIS IQQM được sử dụng để mô phỏng tương tác nước mặt nước ngầm bằng cách biểu diễn các tầng chứa nước như là những hồ chứa tại các nhánh sông phụ bằng cách sử dụng hàm IQQM “thông thường” – như sự kết hợp của các modul nước mặt chứ không phải là modul nước ngầm

SWAT là mô hình lưu vực sông được phát triển bởi USDA Mô hình được phát triển để dự báo những tác động của quản l đất đai đối với nước, lưu lượng trầm tích và chất hóa học nông nghiệp SWAT yêu cầu những thông tin

dữ liệu về thời tiết, đặc tính đất, thảm thực vật và các thói quen quản l đất trong lưu vực Lưu vực được chia ra thành các lưu vực con, được đặc trưng bởi các dữ liệu về khí hậu, các đơn vị thủy v n, ao hồ, đầm, nước ngầm và các con kênh liên quan trong lưu vực con Việc mô phỏng thủy v n lưu vực sông được chia t hành 2 phần chính: (1) Giai đoạn chu kỳ thủy v n trên mặt đất (vd: lượng nước, trầm tích, chất dinh dưỡng, thuốc trừ sâu đưa vào các kênh chính), (2) Giai đoạn trong nước và kênh (vd: chuyển động của nước, trầm tích,…) qua mạng lưới kênh đến đầu ra của lưu vực

1.4.3 Mô hình ghép nối nước mặt – nước ngầm

Những mô hình lưu vực sông được áp dụng để giải quyết việc quản lý nước mặt mà không chú ý nhiều đến nước ngầm Mô hình nước mặt thường giả thiết rằng sự thấm từ đất là do mất đi từ hệ thống và bỏ qua nó Tương tự vậy, các mô hình nước ngầm được sử dụng để giải quyết các vấn đề liên quan đến quản lý tầng chứa nước mà không tính nhiều đến nước mặt Trong cả hai trường hợp, quá trình thứ cấp (vd: quá trình nước ngầm trong mô hình nước mặt, hay quá trình nước mặt trong mô hình nước ngầm) cũng được xử lý giống với đầu vào hoặc các tham số đã biết được xác định từ quá trình hiệu chỉnh

Trong những vùng, khu vực với hệ thống nước mặt và nước ngầm liên kết tốt về động lực và thủy lực, tương tác nước mặt nước ngầm nên được mô phỏng bằng cách sử dụng những đặc trưng tất định của cả hệ thống được kết nối tại bề mặt chuyển tiếp nước mặt – tầng chứa nước

Việc tích hợp việc quản lý cả nguồn nước mặt và nước ngầm là rất cần thiết Có những khó kh n nhất định trong việc tích hợp các mô hình nước mặt nước ngầm để có thể ứng dụng vào giải quyết các vấn đề thực tế Những mô hình liên kết nước mặt nước ngầm cần không chỉ tính đến đầu vào hệ thống nước ngầm mà c n tính đến tác động của hệ thống nước ngầm lên đới không bão

h a bên trên và đặc biệt là “đới rễ”

Trang 22

Hầu hết các mô hình nước ngầm đều là mô hình phân bố theo không gian

và dựa trên các quá trình vật lý Chúng bao gồm các lời giải số của các phương trình vi phân trong đó miền dòng chảy được rời rạc hóa vào từng ô lưới mà kích

cỡ của chúng phụ thuộc vào hình dạng, tính sẵn có của dữ liệu, và yêu cầu lời giải số phải hội tụ Trong khi đó, hầu hết các mô hình lưu vực sông thuộc loại

mô hình tham số tập trung

 Những mô hình Hybrid

Một mô hình ghép nối được phát triển bằng việc kết hợp 2 mô hình MODFLOW và BRANCH, gọi chung là MODBRANCH [45] BRANCH là mô hình số 1 chiều mô phỏng dòng chảy không ổn định trong mạng kênh mở bằng cách giải phương trình St Venant Mô hình BRANCH tính toán giá trí mực nước mới trong sông tại mỗi khoảng thời gian dựa trên các điều kiện biên thượng nguồn, các thuộc tính của sông, và giá trị ban đầu của mực nước tầng chứa Sau đó, mực nước tầng chứa được tính toán trong MODFLOW dựa trên mực nước sông được tính từ BRANCH Quá trình lặp tiếp tục cho đến khi hội tụ

mô hình nước ngầm mô phỏng d ng cơ sở và đưa nó đến các modul lũ trong mô hình HBV

Lin và Medina Jr(2003) [31] đã kết hợp 3 mô hình của USGS lại với nhau: (1) MODFLOW tính toán dòng chảy ngầm trong tầng chứa; (2) DAFLOW tính toán dòng chảy không ổn định trong sông bằng phương pháp sóng phân tán, cũng như trao đổi giữa sông-tầng chứa được mô phỏng như là thấm đáy sông, và (3) MOC3D tính toán lan truyền chất trong nước ngầm

 Mô hình tích hợp hoàn toàn

Monninkhoff (2002) [33] đã ghép 2 mô hình nước ngầm FEFLOW và nước mặt MIKE11 Sau mỗi bước thời gian, lượng xả được tính bằng FEFLOW tại các điểm trên biên ghép nối được xuất ra và đưa vào MIKE11 như là một điều kiện biên bổ sung MIKE11 tính những bước thời gian của mình để đạt được mức thời gian thực tế trong FEFLOW Mực nước thực trong MIKE11 sau

đó được xuất ra và đưa vào FEFLOW tại các nút biên kết nối và tính toán với bước thời gian tiếp

Trang 23

GSFLOW [34] là một mô hình mới của USGS về tương tác nước mặt – nước ngầm GSFLOW ghép nối PRMS vào MODFLOW cùng với một tập các modul cho các quá trình mô phỏng trong vùng không bão hòa Nó bao gồm các cải tiến để cả PRMS và MODFLOW dễ dàng ghép nối GSFLOW sử dụng các phương trình vật l cơ bản để mô tả các quá trình quan trọng trong đất, gồm thấm, tạo dòng chảy, và dòng liên trong vùng bão hòa tạm thời

MIKE SHE [15] là một hệ thống mô hình thủy v n tích hợp Nó mô phỏng dòng chảy trên mặt đất dựa trên vòng tuần hoàn thủy v n từ mưa đến dòng chảy trong sông, thông qua các quá trình dòng chảy khác nhau như, d ng chảy trên bề mặt, thấm vào đất, bốc thoát hơi từ thực vật, và dòng chảy ngầm

MIKE SHE được ghép nối mặc định với MIKE11

Trang 24

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH MODFLOW

MODFLOW là một mô hình số (chương trình) mô phỏng động thái nước ngầm được sử dụng rộng rãi trên thế giới, do Michael G.McDonald và Arlen W.Harbaugh [20] xây dựng MODFLOW giải các bài toán về động thái nước ngầm 3 chiều bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn Trong luận v n này, mô hình MODFLOW được sử dụng để tính toán, mô phỏng tương tác giữa nước mặt với nước ngầm, đánh giá tác động của việc bơm hút khai thác nước đến dòng chảy trong sông và những tác động qua lại giữa sông và tầng chứa nước

- Kxx,Kyy,Kzz: các hệ số thấm theo phương x,y,z (LT-1)

- h: cốt cao mực nước tại vị trí (x,y,z) tại thời điểm t (L)

- W: giá trị bổ cập (recharge), giá trị thoát đi của nước ngầm tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t (t-1)

- S: hệ số nhả nước (L-1)

- W = W(x,y,z,t) là hàm số phụ thuộc thời gian t và không gian (x,y,z)

- Ss = Ss(x,y,z), Kxx = Kxx (x,y,z), Kyy = Kyy (x,y,z), Kzz = Kzz (x,y,z) là các hàm phụ thuộc không gian (x,y,z) và thời gian

Phương trình (2.1) mô tả động thái mực nước trong điều kiện môi trường

dị hướng

Thông thường, phức hệ chứa nước ngầm được chia thành các lớp chứa nước có các tính chất tương đối đồng nhất, được ng n cách bởi các lớp thấm yếu Ta có phương trình riêng đối với từng lớp có áp và lớp không áp bằng cách lấy tích phân trên bề dày của từng lớp

Đối với lớp có áp phương trình mô tả chuyển động của nước ngầm có dạng:

Trang 25

- zb: cốt cao đáy của lớp không áp

- w: lượng bổ cập bề mặt do mưa, tưới

Phương trình (2.1) cùng với các điều kiện biên, điều kiện ban đầu của tầng chứa nước lập thành một mô hình toán học về dòng chảy nước dưới đất

2.2 Phương pháp giải

Để giải phương trình trên người ta phải tìm hàm số h(x,y,z,t), thỏa mãn (2.1) và thỏa mãn các điều kiện biên Sự biến thiên của giá trị h theo thời gian sẽ xác định các đặc trưng của dòng chảy, từ đó có thể tính được trữ lượng động của tầng chứa nước cũng như tính toán các hướng dòng chảy

Việc tìm ra hàm h(x,y,z,t) cho Phương trình (2.1) là rất phức tạp Trên thực tế, ngoại trừ một số rất ít trường hợp, Phương trình (2.1) là phương trình không thể giải được bằng phương pháp giải tích Do đó người ta buộc phải giải bằng các phương pháp gần đúng Một trong các phương pháp gần đúng ở đây được áp dụng cho bài toán này là phương pháp sai phân hữu hạn

Trong phương pháp này, thay vì tìm lời giải cho hàm liên tục h(x,y,z,t), người ta chia nhỏ khoảng không gian và thời gian thành nhiều ô, mỗi ô không gian được coi là có tính đồng nhất, nghĩa là ở đó tất cả các giá trị tham gia vào phương trình được coi là không đổi Giá trị này là xấp xỉ của các giá trị thực tế Quá trình phân chia không gian thành các ô này được gọi là quá trình rời rạc hóa

Bằng cách này, người ta đưa phương trình đạo hàm riêng (2.1) về một hệ phương trình tuyến tính Tại mỗi bước thời gian, số phương trình tham gia bằng với số các ô lưới chia theo các chiều không gian x, y, z

Rõ ràng nếu bước lưới càng nhỏ thì kết quả thu được từ lời giải sai phân càng gần với lời giải đúng của phương trình (2.1) Thế nhưng khối lượng tính toán sẽ lớn hơn gấp bội, nên người ta phải tìm cách chọn ra độ lớn thích hợp cho

Trang 26

ô Nếu trong ô lưới, các giá trị tham gia tính toán trong phương trình không thay đổi đáng kể, thì phép chia ô được coi là hợp lý

Hình 2.1 mô tả quá trình rời rạc không gian, khu vực địa chất thủy v n được phân chia theo chiều thẳng đứng z thành các lớp chứa nước Mỗi lớp chứa nước lại được chia thành các ô nhỏ hơn Như trên hình 2 ta thấy vùng tính toán được chia thành 5 hàng, 9 cột và 5 lớp Vùng hoạt động của nước ngầm trong mỗi tầng chứa nước sẽ được đánh dấu “hoạt động”, ở đó mực nước biến thiên và

nó sẽ tham gia vào tính toán trong phương trình Những ô thuộc vùng không có nước hoặc nước không thể thấm qua được thì được đánh dấu “không hoạt động”

Trong hình 2.2 ta thấy, trong mỗi ô có một điểm được gọi là “nút” tại nơi

mà mực nước được tính Người ta đưa ra 2 quy ước để định nghĩa cho cấu trúc hình dạng của những ô về vị trí của các nút đó là: tâm khối (block-centered) và tâm điểm (point-centered) Cả hai hệ này giống nhau là tầng chứa được chia bằng những đường thẳng song song và trực giao Trong hệ “tâm khối” (block-centered), những khối được tạo ra bằng các đường thẳng song song; những nút nằm ở giữa ô lưới Đối với hệ tâm điểm (point-centered), thì những nút là những điểm giao nhau giữa các đường thẳng song song, và những ô xung quanh nút đó

sẽ lấy một nửa ô giữa các nút Phương trình sai phân hữu hạn được khai triển cho cả hai hệ trên, tu nhiên chỉ có “tâm khối” (Block-centered) được sủ dụng trong mô hình MODFLOW

Hình 2.1 Ô lưới và loại ô trong mô hình

Trang 27

Hình 2.2 Ô lưới và nút lưới

2.3 Phương trình vi phân

Hệ phương trình sai phân nhận được từ Phương trình (2.1) được thành lập trên cơ sở các quy tắc cân bằng: tổng tất cả dòng chảy vào và chảy ra từ một ô phải bằng sự thay đổi thể tích nước trong ô đó

Hình 2.3 Ô lưới (i,j,k) và 6 ô bên cạnh

Theo định luật Darcy, lượng nước qi,j-1/2,k chảy từ ô (i,j-1,k) vào ô (i,j,k) được tính theo phương trình

, 1, , , , 1/2, , 1/2,

Trang 28

Trong đó:

- hi,j,k: cốt cao mực nước tại ô (i,j,k) (L)

- qi,j-1/2,k : thể tích nước chảy qua mặt tiếp giáp giữa ô (i,j,k) và ô 1,k) (L3T-1)

(i,j KRi,j-1/2,k: hệ số thấm dọc theo dòng chảy giữa nút lưới (i,j,k) và 1,k) (LT-1)

(i,j ΔciΔvk: diện tích bề mặt vuông góc với phương d ng chảy

- Δrj-1/2: khoảng cách giữa các nút lưới (i,j,k) và (i,j-1,k) (L)

Tương tự, ta có các phương trình cân bằng đối với các nút lưới lân cận Đặt giá trị sức cản thấm theo phương nằm ngang từ nút lưới (i,j-1,k) đến (i,j,k) là:

và các phương trình tương tự đối với các nút lân cận

Lưu lượng cung cấp cho ô lưới từ biên có thể được viết theo phương trình tổng quát sau:

, , , , , , , , , , ,

i j k n i j k n i j k i j k n

Trong đó:

- Ai,j,k,n biểu diễn dòng chảy từ nguồn thứ n vào nút lưới (i,j,k)

- hi,j,k: mực nước tại nút lưới

- pi,j,k,n, qi,j,k,n: các hệ số có thứ nguyên (L2T-1) và (L3T-1)

Phương trình trên có thể được biến đổi thành:

Trang 29

Sai phân giá trị , ,

m

i j k

h t

Trong thực tế không cần phải viết phương trình dạng (2.10) cho tất cả các

ô lưới khi mà tại ô lưới đó có thể thiết lập các điều kiện biên

2.4 Điều kiện biên trong mô hình

Các phương trình trên được giải cùng với các điều kiện biên sau:

- Điều kiện biên loại 1: cho trước mực nước (hay điều kiện biên Dirichlet), được áp dụng cho những sông, hồ tiếp xúc trực tiếp với lớp Tại ô lưới, mực nước được xác định trước và giá trị này không đổi trong một bước thời gian tính toán

- Điều kiện biên loại 2: là điều kiện biên dòng chảy xác định trước (điều kiện biên Neumann) Tại các ô lưới, lưu lượng dòng chảy qua biên được xác định trước trong một bước thời gian tính toán Trường hợp không có dòng chảy thì lưu lượng được cho bằng 0

- Điều kiện biên loại 3: là điều kiện biên lưu lượng phụ thuộc vào mực nước (điều kiện biên Cauchy hoặc điều kiện biên hỗn hợp), áp dụng cho trường hợp vỉa tiếp xúc không trực tiếp với các nguồn bổ cấp khác

2.4.1 Biên Bốc hơi

Biên này đ i hỏi phải gán giá trị mô đun bốc hơi lớn nhất RETM cho các ô xảy ra quá trình bốc hơi Giá trị này đạt được khi mực nước trong ô bằng với bề mặt địa hình (hS) Quá trình bốc hơi sẽ không xảy ra khi mực nước trong ô nằm dưới mực nước bốc hơi cho phép (d) Giữa hai giá trị này, lượng bốc hơi sẽ được nội suy tuyến tính theo công thức:

Q ET Q ETM với h h s (2.11)

Trang 30

Hình 2.4 Điều kiện biên bốc hơi cho mô hình

Hình 2.5 Tính toán lượng bốc hơi

2.4.2 Biên sông

Biên này được mô phỏng cho dòng chảy giữa tầng chứa nước và nguồn chứa nước thường là sông hay hồ,… Nó cho phép d ng chảy từ tầng chứa vào trong nguồn chứa Nước cũng có thể chảy từ nguồn chứa vào trong tầng chứa nước, nhưng nguồn thấm này không phụ thuộc vào lưu lượng của sông hay suối

Trang 31

Hình 2.6 a) mặt cắt biểu diễn điều kiện biên sông b) Mô phỏng trên mô hình

Hình 2.7 Biểu diễn một ô đáy sông

Hệ số sức cản thấm của biên sông được thể hiện trong công thức:

r

K LW CRIV

Trang 32

- L là chiều dài lòng sông trong ô

- W là chiều rộng của lòng sông trong ô

- M là chiều dày của lớp trầm tích đáy sông

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

- HRIV là mực nước trong sông

- h là mực nước của tầng chứa nước ngay dưới đáy sông

- RBOT: cốt cao đáy sông

Trong trường hợp mực nước của tầng chứa nằm dưới đáy sông thì lúc đó lưu lượng dòng thấm sẽ đạt ổn định và tính theo công thức:

Trang 33

2.4.4 Biên kênh thoát (Drain)

Cơ chế hoạt động của biên loại này không khác mấy so với biên sông, ngoại trừ không có nguồn thấm từ kênh vào tầng chứa (hình 2.9) Điều này cũng không có nghĩa rằng dòng thoát ra kênh QD sẽ bằng 0 khi mực nước trong ô nhỏ hơn hoặc bằng cốt cao mực nước đáy kênh:

Khi mực nước nằm cao hơn đáy kênh thì lưu lượng dòng thoát ra kênh

QD sẽ được tính theo công thức:

Hình 2.9 Điều kiện biên kênh thoát

Đối với kênh thoát, giá trị sức cản thấm CD được tính như đối với sức cản thấm của biên sông CRIV

2.4.5 Lỗ khoan hút và ép nước

Để mô phỏng các lỗ khoan hút nước hoặc ép nước trên mô hình, lưu lượng của các lỗ khoan trong ô lưới được đặt là lưu lượng tổng cộng QWT chính bằng tổng lưu lượng của các lỗ khoan hoặc các đoạn ống lọc của các lỗ khoan đặt trong các tầng chứa nước khác nhau ΣQi,j,k (McDonald và Harbaugh, 1988) Lưu lượng đơn lẻ cho các tầng chứa nước khác nhau được tính theo công thức:

- Ti,j,k là hệ số dẫn nước của tầng chứa nước (LT-2)

- ΣTi,j,k: là hệ số dẫn nước tổng cộng cho tất cả các lớp mà lỗ khoan khoan qua

Tính hoàn chỉnh hay không hoàn chỉnh của lỗ khoan được mô phỏng bằng việc xác định vị trí đoạn ống lọc nằm trong tầng chứa nước mà lỗ khoan có trong thực tế

Bán kính của lỗ khoan được mô phỏng trên mô hình lúc này sẽ là bán kính hiệu dụng re Độ lớn của nó phụ thuộc vào kích thước của ô lưới và xác định theo công thức:

Re = 0.208a khi bước lưới đều a=Δx=Δy (2.22)

Trang 34

Khi bước lưới không đều theo phương x, re được tính theo công thức:

,

i j e

Trong đó: C là hệ số phụ thuộc vào trị số N = Δxi+1,j / Δxi,j

Ta có thể chứng minh công thức (2.20) ta xét một phân tố (i,j,k) như hình trong trường hợp lưới đều:

Hình 2.10 Các ô lưới sai phân hai chiều xung quanh ô có lỗ khoan

Theo định luật Darcy, lưu lượng từ mỗi ô phân tố bên cạnh được tính theo công thức:



Chính vì vậy kết quả dự báo trị số hạ thấp mực nước tại giếng khai thác sẽ được hiệu chỉnh theo công thức giải tích từ giếng được mô phỏng

Trang 35

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ BÀI TOÁN MẪU VỀ TƯƠNG TÁC NƯỚC MẶT -

NƯỚC NGẦM

Tương tác nước mặt nước ngầm là một quá trình tương tác quan trọng tại nhiều lưu vực sông Trong lưu vực sông, do sự phát triển của việc khai thác nước ngầm, lượng nước trong sông hồ mất đi (suy giảm hay cạn d ng) thường phần lớn là do tương tác nước mặt nước ngầm Rất nhiều trong số các phương pháp tiếp cận hiện nay đang được sử dụng để xác định lượng trao đổi dựa trên các mô hình lý thuyết l tưởng hóa, mà thường có ít hệ thống đó tồn tại trong tự nhiên Trong phần này, đưa ra một số phương pháp giải tích theo thời gian dựa trên đặc trưng thực tế của hệ thống nước mặt nước ngầm Những phương pháp này có thể được sử dụng để dự đoán mực nước hạ thấp, sự suy giảm dòng chảy mặt tạo ra do bơm hút tại vùng lận cận dòng chảy mặt (sông, suối) với độ rộng hữu hạn và nông Mặc d phương pháp tiếp cận giải tích không thể đại diện cho tương tác nước mặt nước ngầm tại cùng mức độ chi tiết như mô hình số, nhưng

nó có thể cung cấp cho ta một công cụ sàng lọc hữu ích để xem xét đến những ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau và để từ đó xác định được những ước tính tương ứng với mức độ dữ liệu chúng ta sẵn có

3.1 Tổng quan vể các nghiệm giải tích

Suy giảm dòng chảy trong sông (Stream depletion (SD)) là một trong những khái niệm địa chất thủy v n được sử dụng rộng rãi nhất trong quản lý nguồn nước Những n m gần đây, hạn hán và việc gia t ng các giếng bơm hút khai thác nước công suất lớn đã khiến cho khái niệm SD này được quan tâm nhiều Sự suy giảm dòng chảy nước ngầm vào sông hay t ng lên của mất mát dòng chảy trong sông vào tầng chứa nước là những ví dụ về sự thay đổi trong tự nhiên Việc tính toán trực tiếp tốc độ suy giảm (stream depletion rate (SDR)) bằng cách sử dụng các dữ liệu đo đạc là rất khó kh n Do đó các phương pháp

mô hình toán học được sử dụng để tính toán SDR Trong những trường hợp mà tại đó ta có những dữ liệu thích hợp, mô hình số được sử dụng để xác định SDR

và quỹ nước (water budget) bằng cách sử dụng mực nước hạ thấp và các đặc tính dòng chảy để hiệu chỉnh Tuy nhiên những dữ liệu này thường có hạn chế,

do đó nhiều mô hình giải tích đơn giản được sử dụng để tính toán SDR

Có nhiều lời giải giải tích để tính toán suy giảm dòng chảy mặt bắt nguồn

từ sự đa dạng trong các hệ thống khái niệm về bơm hút Theis (1941) [46] đã thu được lời giải không ổn định đầu tiên cho sự việc tính toán suy giảm dòng chảy trong sông do việc bơm hút tại giếng khai thác Glover và Balmer (1954) [19] đã

Trang 36

tổng quát hóa lời giải của Theis dưới dạng bổ sung hàm “sai b erfc” Bài toán

cơ bản này giả thiết tầng chứa nước có 1 lớp đồng nhất, độ sâu lòng sông bằng với độ dày tầng chứa Singh (2000) [43] đã chỉ ra rằng 2 phương pháp giải tích đều giống nhau về nghĩa toán học, bằng cách giải các tích phân trong nghiệm Theis để đạt được nghiệm Balmer và Glover Hantush (1965) [21] tính toán với giả thiết tầng chứa tiếp xúc với sông qua môt lớp thấm yếu Hunt (1999) [25] cũng đưa ra lời giải giải tích với bài toán độ rộng của sông là xác định, lòng sông nông, độ thấm yếu của lớp đáy sông dựa trên giả thiết Dupuit

Trong tất cả các phương pháp, cách tiếp cận, các tác giả sử dụng các giả thiết khác nhau để giảm thiểu áp dụng chung trong các phương pháp, cách tiếp cận của họ

Đặt bài toán

Vấn đề cần quan tâm trong bài toán này đó là mực nước hạ thấp (drawdown) và suy giảm dòng chảy trong sông (stream depletion) sinh ra do việc bơm hút tại giếng gần sông Các đặc trưng d ng chảy được giả thiết là đồng nhất Tầng chứa giả thiết có áp Sơ đồ hệ thống được mô tả như trong hình 3.1 Phương trình tính liên quan:

Trong đó i là chỉ số vùng (i=1,2,3), Si: là hệ số nhả nước vùng i, Ti là hệ

số thấm vùng i, si(x,y,t) là mực nước hạ thấp v ng i, k‟ là hệ số dẫn thủy lực đáy

Trang 37

sông, b‟ là chiều dày lớp đáy sông, Q là lưu lượng bơm của giếng đặt tại vị trí (a,0), xlb, xrb là khoảng cách từ sông đến biên bên trái và phải tương ứng, w là độ rộng sông

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống trong mô hình

Tốc độ suy giảm dòng chảy (SDR) (là lưu lượng trao đổi giữa sông và tầng chứa nước tại thời điểm t) được tính theo công thức:

w

'

, t>0 '

Trong đó: k‟: là hệ số dẫn thủy lực đáy sông,

b‟: là chiều dày lớp đáy sông

s2: mực nước hạ thấp vùng 2 w: độ rộng của sông

Phương pháp giải đối với bài toán không ổn định được đưa ra đầu tiên bởi Theis (1941) Sơ đồ hệ thống trong bài toán của Theis được mô tả như trong hình 3.2

Trang 38

Hình 3.2 Đặt bài toán trong Theis (1941)

Như hình 3.2, sông được giả thiết là dài và rộng vô hạn với mực nước hạ thấp bằng 0, sông được giả thiết là xâm nhập hoàn toàn tầng chứa (độ sâu bằng

dộ dày tầng chứa), tầng chứa nước là đồng nhất và sự thay đổi độ cao mực nước được giả thiết là đủ nhỏ để có thể sử dụng các dạng phương trình tuyến tính từ xấp xỉ Dupuit Theis (1941) đã thu được lời giải ở dạng tích phân 13 n m sau, cũng vẫn lời giải này được viết lại bởi Glover và Balmer (1954) theo dạng hàm sai bù erfc (3.2)

và l là khoảng cách từ giếng hút đến bờ sông

Sau Glover and Balmer, thì Hantush (1965) cũng đưa ra một lời giải cho bài toán này với giả thiết thêm vào là sông và vỉa bị ng n cách bởi 1 lớp thấm (semipervious) như hình 3.3

Hình 3.3 Đặt bài toán theo Hantush (1965)

Trang 39

Lời giải của Hantush được đưa ra theo công thức sau:

Phương trình sẽ được rút gọn thành phương trình 1 khi L->0 có nghĩa cho b‟->0 và giữ nguyên K/K‟

Một lời giải nữa cũng được đưa ra bởi Hunt (1999) với giả thiết là sông thấm sâu không hoàn toàn (hình 3.4)

Hình 3.4 Đặt bài toán của Hunt (1999)

Lời giải của Hunt được trình bày như phương trình dưới

Sơ đồ hệ thống được thiết lập như hình 3.1.V ng tính được giới hạn như trong hình vẽ, Sông và tầng chứa nước được ng n cách bởi một lớp có độ dẫn thủy lực nhỏ, có thể coi như một tầng chứa không áp rất nhỏ Tầng chứa nước bên dưới sông là có áp Các đặc tính của dòng chảy được giả thiết là đồng nhất

Trang 40

tại mọi nơi, d ng chảy thẳng đứng trong tầng chứa có thể bỏ qua (giả thiết Dupuit) Có một giếng hút trong khu vực tính Sông được giả thiết là có độ sâu bằng với độ dày tầng chứa Khu vực tính toán được chia thành 3 vùng tính toán như trên hình 3.1

Thiết lập mô hình

Mô hình được thiết lập với lưới không đều, chiều dài không giới hạn (y=∞) và chiều rộng giới hạn Mô hình có 1 lớp Các thông số của mô hình được cho như sau:

- K=20 m/ngày

- S=4.3x10-4 m-1

- Độ rộng của sông: w=9m

- Độ dày đáy sông b‟=0,5m

- Hệ số dẫn đáy sông K‟=0,5 m/ngày

- Giếng hút, lưu lượng Q=210 m3/ngày

So sánh kết quả mô hình với kết quả từ lời giải giải tích

Mô hình tính được xây dựng cho từng bài toán theo Glover và Balmer, Hantush (1965), Hunt(1999) Sau khi thiết lập mô hình với các tham số như trên, chúng tôi chạy mô hình theo thời gian, lấy các kết quả về độ suy giảm dòng chảy (stream depletion) So sánh với các kết quả thu được từ giải tích với các cách tiếp cận của Glover và Balmer (1954), Hantush (1965) và Hunt (1999) Hình 3.5 biểu diễn kết quả tính toán từ mô hình MODFLOW với kết quả tính toán từ các bài toán của Glover và Balmer (1954), Hantush (1965) và Hunt (1999) Như trên hình, ta nhận thấy, những đường liền nét là kết quả tính toán từ nghiệm giải tích, những điểm chấm là kết quả tính toán của mô hình tương ứng với từng hệ thống được mô tả trong bài toán mẫu của Glover và Balmer (1954), Hantush (1965) và Hunt (1999); kết quả bài toán chạy bằng mô hình tương đối phù hợp với kết quả nghiệm giải tích của bài toán Là cơ sở để tiến hành tính toán với các trường hợp sau

Định dạng
Số trang	90
Dung lượng	7,86 MB