Quan trắc Động thái và Cân bằng nước dưới đất

Header Page of 16 Quan trắc Động thái Cân nước đất (Groundwater Fluctuation and Balance) Đoàn Văn Cánh Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà Nội Động thái cân nước đất 1.1 Động thái nước đất Nước đất tài nguyên đặc biệt quan trọng, thành phần thiết yếu sống môi trường Tài nguyên nước đất góp phần vào phát triển xã hội nhu cầu khai thác sử dụng nước đất ngày tăng Trong tài nguyên nước đất vô hạn, việc khai thác ạt gây nhiều tác động gây suy thoái, cạn kiệt ô nhiễm nguồn nước đất Để định đắn công tác quản lý tài nguyên nước đất thông tin, số liệu biến động tài nguyên nước đất đặc biệt quan trọng Sự biến động tài nguyên nước đất theo thời gian ta gọi động thái nước đất “Động thái nước đất” thay đổi (dao động) đặc trưng trữ lượng chất lượng nước đất (mực nước, lưu lượng, nhiệt độ, thành phần hoá học khí … ) theo thời gian Nghiên cứu phân tích động thái nước đất cho phép xác định mối liên hệ nhân tố hình thành động thái với yếu tố động thái, làm sáng tỏ quy luật thay đổi chúng theo thời gian không gian Sau làm sáng tỏ nguyên nhân dẫn đến thay đổi, chế tương tác, quy luật xuất dự báo đắn thay đổi dòng thấm theo thời gian, xây dựng mô hình tối ưu sử dụng nước đất điều tiết dòng thấm theo ý muốn người Nghiên cứu động thái nước đất cho phép giải toán thực tế Địa chất thủy văn, xác định thông số thấm, đánh giá điều kiện biên tầng chứa nước, xác định giá trị cung cấp thấm cho nước đất, xác định mối quan hệ thủy lực nước mặt với nước đất, tầng chứa nước với nhau, đánh giá ảnh hưởng tác động người tới điều kiện Địa chất thủy văn môi trường xung quanh Một nhiệm vụ nghiên cứu động thái nước đất xác định nhân tố ảnh hưởng điều kiện hình thành động thái nước đất Những nhân tố hình thành động thái nước đất phân nhóm: địa chất, vũ trụ, khí hậu, sinh vật - thổ nhưỡng, thủy văn, nhân tạo Xác định nhân tố hình thành động thái khoảng thời gian tác động chúng có ý nghĩa quan trọng phân tích động thái nước đất Đó động lực định đặc trưng hay nét đặc trưng động thái nước đất Thông tin động thái nước đất thu thập từ mạng lưới quan trắc tài nguyên nước đất Mạng lưới quan trắc tập hợp trạm, điểm công trình quan trắc bố trí theo trật tự định thực việc đo đạc, quan trắc theo quy trình thống nhằm thu thập thông tin, số liệu phục vụ mục tiêu, nhiệm vụ quản lý nhà nước tài nguyên nước mục đích khác Footer Page of 16 1377 Header Page of 16 Theo tư liệu nước biết, mạng quan trắc mực nước đất thiết lập Anh / xứ Wales vào khoảng 1845 Hệ thống quan trắc động thái nước đất nước khác thuộc châu Âu bắt đầu giai đoạn 1950-1980 Nhiều liệu mực nước đất có chuỗi số liệu dài 20 - 30 năm Pháp thiết lập mạng lưới nước quan trắc chất lượng nước đất châu Âu vào năm 1902 Quan trắc nước đất Hoa Kỳ đươc đầu kỷ XX (USGS, 1985) Để đáp ứng nhu cầu mạnh mẽ cho thông tin sẵn có việc sử dụng hiệu nguồn nước đất, quan trắc mực nước đất giếng khoan bắt đầu New Jersey vào năm 1923 Pennsylvania vào năm 1925 Meinzer người thành lập đồ nước đất mang tên "Phân vùng nước đất Mỹ" vào năm 1923 (Meinzer, 1923) Mạng lưới lỗ khoan quan trắc mực nước đất mở rộng toàn quốc vào cuối năm năm 1960 Ở nhiều nước phát triển công tác quan trắc động thái nước đất bắt đầu dự án quốc tế cấp nước đô thị từ nguồn nước đất, đánh dấu bước việc quan trắc nước đất Đáng tiếc dự án thường kéo dài thời gian ngắn, chuỗi số liệu không dài ngừng hoạt động không lâu sau kết thúc dự án Hiện trạng phát triển mạng lưới quan trắc nước đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố Một mặt, mạng lưới quan trắc điều chỉnh để phát triển khai thác nguồn nước đất đánh giá tác động ngày tăng môi trường Nhận thức vai trò quan trọng công tác quan trắc động thái nước đất, Nhà nước Việt Nam tiến hành đầu tư, xây dựng đưa vào vận hành mạng quan trắc động thái nước đất Quốc gia đồng Bắc Bộ, đồng Nam Bộ Tây Nguyên từ 1985 Ngày mạng quan trắc đầu tư mở rộng vùng khác 1.2 Phân dạng mạng quan trắc tài nguyên nước đất Tùy thuộc vào quy mô mạng quan trắc, tùy thuộc vào mục đích, ý nghĩa, nội dung quan trắc, tham khảo mạng quan trắc nước khác, đề xuất phân biệt làm mạng quan trắc đông thái nước đất khu vực mạng quan trắc chuyên Mạng quan trắc khu vực (mạng quan trắc sở) mạng quan trắc thiết lập để quan trắc, nghiên cứu động thái nước đất khu vực rộng lớn lãnh thổ nước, địa phương, lưu vực phục vụ cung cấp thông tin động thái nước đất Tùy thuộc vaò mục đích quan trắc, tùy thuộc vào quy mô mạng quan trắc, mạng quan trắc khu vực mạng quan trắc Quốc gia mạng quan trắc địa phương Mạng quan trắc Quốc gia mạng quan trắc thiết kế bao trùm toàn diện tích lãnh thổ quốc gia, hay diện tích cấu trúc địa chất, bồn thu nước, lưu vực sông… nhằm cung cấp thông tin phục vụ nghiên cứu động thái tài nguyên nước đất nói riêng mối quan hệ tài nguyên nước đất với tài nguyên nước mưa, nước mặt nói chung Mạng thiết kế có ý đến mạng quan trắc tài nguyên nước mưa, nước mặt Mạng quan trắc địa phương mạng quan trắc tài nguyên nước đất địa phương nhằm nghiên cứu đánh giá động thái tài nguyên nước đất địa phương Vì chung mục đích, nên mạng quan trắc thiết kế phải mạng quan trắc quốc gia có vùng, làm cho xây dựng mạng quốc gia sau để giảm thiểu chi phí xây dựng vận hành quản lý mạng Mạng quan trắc chuyên (mạng quan trắc vận hành) mạng quan trắc thiết lập để quan trắc, nghiên cứu, giám sát biến đổi một vài thông số quan trắc mà biến Footer Page of 16 1378 Header Page of 16 đổi thông số liên quan đến việc khai thác, sử dụng nước đất tác động hoạt động kinh tế - xã hội người đến tài nguyên nước đất Ví dụ mạng quan trắc động thái phá hủy khai thác nước đất dô thị; mạng quan trắc động thái nước đất vùng hoạt động hồ chứa; mạng quan trắc vùng tưới, vùng khai thác mỏ ; quan trắc nước khoáng nước nóng, mạng quan trắc thiết lập đề án, dự án điều tra nước đất 1.3 Mục tiêu công tác quan trắc dộng thái nước đất (QTĐT NDĐ) * QTĐT NDĐ nhằm xác định quy luật biến đổi yếu tố động thái số lượng, chất lượng nước theo thời gian, từ xác định mối quan hệ yếu tố động thái với nhau, yếu tố động thái yếu tố hình thành động thái (hình thành nước đất) như: quan hệ với mưa, với nước mặt, quan hệ tầng chứa nước với nhau… * QTĐT NDĐ nhằm cung cấp thông tin cho tính toán cân nước từ giúp cho việc xác định nguồn hình thành trữ lượng động tự nhiên nước đất * QTĐT NDĐ nhằm đánh giá tác động khai thác nước đất hoạt động kinh tế đến số lượng, chất lượng nước đất * QTĐT NDĐ nhằm đánh giá xu thế, diễn biến số lượng, chất lượng nước đất theo thời gian phục vụ quy hoạch khai thác sử dụng nước đất cách hợp lý, đề xuất biện pháp phòng chống cạn kiệt, ô nhiễm nguồn nước đất * QTĐT NDĐ nhằm phục vụ cho việc cấp phép thăm dò, khai thác điều chỉnh chế độ khai thác nước đất 1.4 Các thông số quan trắc Các thông số quan trắc bao gồm : thông số chất lượng nước thông số số lượng nước 1.4.1 Thông số chất lượng nước Tùy vào đặc điểm chất lượng nước đặc điểm tự nhiên diện tích quan trắc, thông số vật lý, hóa học thông thường chất lượng nước đất quan trắc sau (19): Nhiệt độ, độ dẫn điện, pH, tổng chất rắn hòa tan, NH4+, Ca2+, Mg2+, Na+, Fe, Fl, CO32, Cl-, HCO3-, SO42-, Arsen, NO2-, NO3-, vi sinh (tổng coliform, E.coli.) Tuy nhiên, tùy thuộc vào đặc điểm chất lượng nước, trạng ô nhiễm, tùy thuộc vào mục đích quan trắc lựa chọn số thông số thông thường chất lượng nước liệt kê trên, phải đảm bảo quan trắc thông số tối thiểu sau (8): Nhiệt độ, pH, độ dẫn điện, tổng chất rắn hòa tan, Arsen, NH4+, NO3-, E.coli 1.4.2 Thông số số lượng nước Số lượng nước đất đặc trưng hai thông số quan trắc: mực nước công trình quan trắc lưu lượng mạch lộ, dòng chảy quan trắc - Mực nước đất cần quan trắc tính toán theo độ cao tương đối tuyệt đối Trong trường hợp tầng chứa nước phân bố nông, cần thiết phải lắp đặt thiết bị đo mưa để quan trắc lượng mưa diện tích bố trí trạm quan trắc nước đất - Quan trắc lưu lượng nguồn lộ cách đặt ván đo đo lưu lượng mạch lộ thùng định lượng đồng hồ bấm giây Footer Page of 16 1379 Header Page of 16 Hướng dẫn chi tiết đo mực nước quan trắc nguồn lộ trỉnh bày hướng dẫn quy phạm hành 1.5 Tần suất quan trắc Nhìn chung cần hài hòa tần suất lấy mẫu chất lượng nước với tần suất quan trắc thủ công mực nước để thực lúc hai nhiệm vụ nhằm tiết kiệm thời gian nguồn lực (những trạm quan trắc mực nước tự động tần suất quan trắc dược cài đặt trước) Tần suất lấy mẫu phân tích chất lượng nước tối thiểu: lần năm vào mùa khô cuối mùa mưa đa số trường hợp lần/năm vào cuối mùa mưa mùa khô nơi: + Chất lượng nước thay đổi thành phần hóa học; + Các tầng chứa nước phân bố sâu (trên 100m), có mức độ trao đổi nước chậm lần/năm (cuối mùa mưa, mùa khô, mùa mưa mùa khô, mùa mưa) nơi: + Có ô nhiễm thượng nguồn (công nghiệp, nông nghiệp, chăn nuôi, làng nghề, nghĩa trang, v.v…); + Thành phần hóa học nước thay đổi mạnh; + Các vùng đất ngập nước vùng ảnh hưởng triều; + Trên diện tích triển khai dự án điều tra; + Trong giếng khoan đồng thời sử dụng phục vụ cấp nước sinh hoạt Tại điểm đặc biệt (tầng chứa dễ bị tổn thương), tần suất lấy mẫu nước dày Lấy mẫu nước phải thực theo quy trình hướng dẫn QCVN, TCVN hành trình bày bảng Cân nước đất 2.1 Khái niệm cân nước Sự thay đổi khối lượng lượng nước thể tích hệ thống địa chất thuỷ văn diễn tác động mối quan hệ bên bên gọi trao đổi nước Các mối quan hệ liên quan đến xuất áp lực thuỷ tĩnh áp lực địa tĩnh gây yếu tố như: khí tượng, thuỷ văn, địa chất, kiến tạo Các mối quan hệ (quá trình ngấm, thấm) tạo dạng trao đổi nước Trong nghiên cứu cân nước, dạng trao đổi nước đối tượng nghiên cứu Cân nước đất - mối tương quan định lượng khoảng thời gian định thành phần đến dòng chảy Các thành phần nghiên cứu diện tích (khu) cân tương ứng Từ để giải toán cân sử dụng phần toàn tầng chứa nước, phức hệ chứa nước hay chí bồn địa chất thuỷ văn Khu cân chia theo đồ thuỷ đẳng cao/đẳng áp Để phân chia khu cân cần vạch đường dòng vuông góc với đường thuỷ đẳng cao/đẳng áp làm ranh giới Mặt cắt đứng (tiết diện) trùng với đường ranh giới bình đồ giới hạn thể tích tính cân Mối tương quan thành phần đến cân nước xem xét ranh giới tương đối thể tích nghiên cứu Về mặt cấu trúc, điều kiện địa chất thuỷ văn khu cân cần phải mang tính điển hình nói cách Footer Page of 16 1380 Header Page of 16 khác có tính đại diện, nghĩa phải thể đầy đủ đặc điểm tính chất toàn hệ thống địa chất thủy văn Cân nước đất thể cách định lượng trình trao đổi nước diễn hệ thống địa chất thuỷ văn mối tương quan chúng với môi trường bên với hệ thống địa chất thuỷ văn khác Cân nước thiết lập cho chu kỳ/thời gian khác mùa, năm, nhiều năm Cân nhiều năm thường nghiên cứu điều kiện vận động ổn định nước đất, cân năm, mùa - điều kiện vận động không ổn định Cân nước liên quan đến động thái thể định lượng yếu tố hình thành động thái mối quan hệ chúng phương trình Các yếu tố hình thành động thái tồn hoàn cảnh địa chất thuỷ văn định thể dao động mực nước Các thành phần cân - yếu tố xác định thay đổi lượng nước thể tích Có thể phân chia thành thành phần đến thành phần cung cấp phá hủy? Chúng tự nhiên nhân tạo, số chúng đặc trưng cho trao đổi nước ngang trao đổi thẳng đứng phạm vi thể tích cân phân chia Những thành phần cân đặc trưng cho mối tương quan hệ thống địa chất thủy văn với khí quyển, với nước mặt, với hệ thống địa chất thủy văn bên cạnh Như vậy, thành phần cân yếu tố hình thành động thái nước đất Chúng biểu diễn dạng thể tích nước (m3) hay chiều cao lớp nước (mm, m) đơn vị diện tích cho trước, biểu diễn m/ngày, m3 /năm cường độ yếu tố (m/ngày, mm/năm, mm/ngày, m/năm) Trong điều kiện vận động ổn định, lượng nước chảy đến = lượng nước thoát Trong điều kiện vận động không ổn định, hai đại lượng không thể qua dâng cao mực nước lưu lượng dòng chảy gia tăng (qđến>qđi); giảm lưu lượng giảm mực nước diễn qđến < qđi Do khác tổng lượng nước đến khoảng thời gian cân đặc trưng cho lượng nước tăng lên hay giảm thể tích cân Lượng nước thể tích cân phụ thuộc vào tính nhả nước đất đá hệ thống địa chất thủy văn xác định qua hệ số nhả nước trọng lực  (Sy: specific yield) - nước ngầm hệ số nhả nước đàn hồi * (S: storage coefficient) - nước có áp Các thành phần cân nước tham gia vào phương trình cân xác định cách độc lập Chính thành phần đánh giá định lượng yếu tố hình thành động thái Nếu tất thành phần tham gia vào cân xem 100% tương ứng với tổng lượng đến đi, yếu tố chiếm tỷ lệ >50% - xem yếu tố chủ yếu, yếu tố chiếm tỷ lệ