Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng đập ngầm ở các hải đảo phục vụ khai thác và bảo vệ tài nguyên nước dưới đất, ứng dụng cho đảo Phú Quý tỉnh Bình Thuận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN ĐÌNH THANH NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG ĐẬP NGẦM Ở CÁC HẢI ĐẢO PHỤC VỤ KHAI THÁC VÀ BẢO VỆ TÀI NGUYÊN NƯỚC DƯỚI ĐẤT, ỨNG DỤNG CHO ĐẢO PHÚ QUÝ TỈNH BÌNH THUẬN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN ĐÌNH THANH NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG ĐẬP NGẦM Ở CÁC HẢI ĐẢO PHỤC VỤ KHAI THÁC VÀ BẢO VỆ TÀI NGUYÊN NƯỚC DƯỚI ĐẤT, ỨNG DỤNG CHO ĐẢO PHÚ QUÝ TỈNH BÌNH THUẬN Chuyên ngành: Phát triển nguồn nước Mã số: 62 44 92 01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Nguyễn Cao Đơn TS Lê Viết Sơn HÀ NỘI, NĂM 2017 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 Đình Thanh i LỜI CÁM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ môn Thuỷ văn Tài nguyên nước, Khoa Thuỷ văn Tài nguyên nước, Phòng Đào tạo Đại học Sau Đại học, Phòng Khoa học Công nghệ - Trường Đại học Thuỷ Lợi, Cục Quản lý Tài nguyên nước tạo điều kiện thuận lợi để tác giả học tập thực luận án Với lòng biết ơn sâu sắc tác giả xin cảm ơn PGS.TS Nguyễn Cao Đơn TS Lê Viết Sơn hướng dẫn tác giả suốt trình học tập, tìm hiểu, nghiên cứu hồn thành Luận án Tác giả xin trân trọng cảm ơn quan: Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Bình Thuận, Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn quốc gia giúp đỡ tác giả trình thu thập tài liệu, thông tin cần thiết liên quan đến vấn đề nghiên cứu Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trình học tập, nghiên cứu thực luận án Tác giả luận án Nguyễn Đình Thanh ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP DÂNG NƯỚC NGẦM .7 1.1 Một số khái niệm 1.2 Tổng quan giải pháp đập ngầm giới 1.3 Tổng quan giải pháp bổ cập nước đất Việt Nam 18 1.4 Ưu điểm ý nghĩa thực tiễn giái pháp đập ngầm 19 1.5 Những khoảng trống nghiên cứu đập ngầm Việt Nam .20 1.6 Định hướng phương pháp nghiên cứu 21 1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 22 CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC XÂY DỰNG ĐẬP NGẦM TRÊN ĐẢO .23 2.1 Một số đặc điểm tài nguyên nước đảo 23 2.1.1 Sự hình thành thấu kính nước đảo .24 2.1.2 Nhận xét chung 27 2.2 Thí nghiệm phòng để đánh giá hiệu đập ngầm 28 2.2.1 Mục đích thí nghiệm 28 2.2.2 Mơ tả thí nghiệm .28 2.2.3 Kết thí nghiệm mơ mơ hình tốn 31 2.2.4 Nhận xét 35 2.3 Điều kiện cần thiết để nghiên cứu xây dựng đập ngầm 36 2.3.1 Cơ sở lý luận 36 2.3.2 Cơ sở thực tiễn 36 2.3.3 Một số yếu tố khác cần xem xét lựa chọn vị trí đập 38 2.3.4 Cường độ chịu lực đập ngầm 38 2.3.5 Tính chống thấm đập ngầm 38 2.3.6 Độ sâu chân .39 iii 2.4 Mơ hình tích hợp nước mặt – nước ngầm để lượng hóa hiệu đập ngầm đảo Phú Quý .41 2.4.1 Các tiêu chí để đánh giá hiệu đập ngầm 41 2.4.2 Phát triển mơ hình tích hợp nước mặt – nước ngầm 42 2.5 Mơ dịng chảy ngầm trước sau có đập ngầm 57 2.5.1 Thu thập xử lý số liệu 57 2.5.2 Xây dựng mơ hình số 58 2.5.3 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình 58 2.5.4 Phân tích kết mơ kịch 60 2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 60 CHƯƠNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TỐN TỔNG HỢP ĐÁNH GIÁ TÀI NGUN NƯỚC CHO ĐẢO PHÚ QUÝ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẬP NGẦM 62 3.1 Giới thiệu vùng nghiên cứu 62 3.1.1 Vị trí phạm vi nghiên cứu .62 3.1.2 Đặc điểm kinh tế, xã hội 63 3.1.3 Đặc điểm địa hình khu vực 64 3.1.4 Đặc điểm khí tượng, hải văn .66 3.1.5 Đặc điểm tài nguyên nước 68 3.2 Sự phù hợp giải pháp đập ngầm với đảo Phú Quý 72 3.2.1 Điều kiện địa chất 72 3.2.2 Điều kiện địa chất thủy văn 73 3.2.3 Điều kiện chất lượng nước 74 3.2.4 Lựa chọn vị trí dự kiến xây dựng đập ngầm .74 3.3 Thiết lập mô hình số để tính tốn hiệu đập ngầm đảo Phú Quý 75 3.3.1 Tài liệu 75 3.3.2 Thiết lập mơ hình .78 3.3.3 Thông số địa chất thủy văn 80 3.3.4 Hiện trạng khai thác 82 3.3.5 Điều kiện biên 82 3.3.6 Điều kiện ban đầu 84 3.3.7 Thời đoạn tính tốn 85 iv 3.4 đất Phương pháp xác định lượng nước bổ cập thấm xuống tầng chứa nước 85 3.4.1 Phương pháp sử dụng mơ hình SWAT .85 3.4.2 Phương pháp sử dụng mô đun RCH (Recharge) MODFLOW 89 3.4.3 Phương pháp biến động mực nước cải biên (WTFM) 90 3.4.4 Kết tính tốn lượng nước bổ cập 92 3.4.5 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình 93 3.4.6 Kết mô mực nước 95 3.5 Tính tốn mơ kịch chưa có đập .97 3.5.1 Diễn biến trình động lực học dòng chảy giai đoạn 1995 - 2011 97 3.5.2 Diễn biến q trình động lực học dịng chảy giai đoạn 2012 - 2020 102 3.5.3 Diễn biến trình xâm nhập mặn 106 3.5.4 Tính tốn cân nước 108 3.5.5 Đề xuất giải pháp làm gia tăng trữ lượng nước đất 110 3.6 Tính tốn mơ kịch có đập ngầm 111 3.6.1 Điều kiện đầu vào mơ hình .112 3.6.2 Kết tính tốn mơ 113 3.6.3 Ảnh hưởng hệ số thấm thân đập .118 3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 119 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .121 Những nội dung thực luận án .121 Những đóng góp luận án .123 Hướng phát triển kiến nghị .123 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO 125 PHỤ LỤC .130 Phụ lục 1: Kết tổng quan số liệu 130 Phụ lục 2: Lượng nước mặt bổ cập xuống nước đất từ tháng đến tháng 12 136 Phụ lục 3: Địa tầng kết cấu số giếng khoan thăm dò, khai thác 139 Phụ lục 4: Sơ đồ vị trí giếng quan trắc nước đất hoạt động địa bàn huyện đảo Phú Quý .151 Phụ lục 5: Một số hình ảnh lõi khoan địa chất thu thập .152 v Phụ lục 6: Thiết lập mơ hình kết 154 Phụ lục 7: Thiết kế giếng khoan quan trắc hoạt động địa bàn đảo Phú Quý 164 Phụ lục 8: Dữ liệu quan trắc thực đo giếng khoan quan trắc .165 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mặt cắt ngang đập ngầm Hình 1.2 Đập trữ nước vùng cát, Kitui (2006) 10 Hình 1.3 Phụ nữ sử dụng lỗ đào lấy nước, quận Kitui, Kenya (M Hoogmoed, 2007 [9]) 11 Hình 1.4 Người đàn ông lấy nước từ giếng gần đập trữ nước vùng cát Kitui (M Hoogmoed, 2007 [9]) 11 Hình 1.5 Đập ngầm theo chương trình tạo việc làm khẩn cấp chống hạn [11] .13 Hình 1.6 Sơ đồ vị trí cơng trình dự án làng Nare 16 Hình 1.7 Sơ đồ đập ngầm đảo Miyako Jima, Nhật Bản .17 Hình 2.1 Mơ tả lý thuyết mối quan hệ Ghyben – Herzberg [21] 25 Hình 2.2 Ảnh hưởng nước mưa đến tầng chứa nước đất 26 Hình 2.3 Sơ đồ thí nghiệm 28 Hình 2.4 Thiết bị thí nghiệm 29 Hình 2.5 Đo lưu lượng đường ống thoát trạng thái ổn định ban đầu 30 Hình 2.6 So sánh trực quan kết tính tốn thí nghiệm trạng thái cân nêm mặn 31 Hình 2.7 So sánh trực quan kết tính tốn thí nghiệm trạng thái nêm mặn ngọt, T=1,2 ngày 32 Hình 2.8 So sánh trực quan kết tính tốn thí nghiệm trạng thái nêm mặn ngọt, T=2,4 ngày 33 Hình 2.9 So sánh trực quan kết tính tốn thí nghiệm trạng thái nêm mặn ngọt, T ≥ 3,6 ngày 34 Hình 2.10 So sánh khả dâng cao mực nước tăng dung tích trữ nước tường chắn 35 Hình 2.11 Mơ tả mặt cắt phân tích thấm xâm nhập mặn 39 Hình 2.12 Khả dâng cao mực nước, gia tăng trữ lượng nước gia tăng thể tích nước đập ngầm 41 Hình 2.13 Mơ hình tích hợp nước mặt nước ngầm 43 Hình 2.14 Ơ lưới loại mơ hình 50 Hình 2.15 Ơ lưới i, j, k ô bên cạnh 51 Hình 2.16 a) Mặt cắt biểu diễn điều kiện biên sông b) Mô mô hình 53 Hình 2.17 Điều kiện biên kênh .54 Hình 2.18 Điều kiện biên bốc mơ hình 55 Hình 2.19 Điều kiện biên tổng hợp (GHB) mơ hình 56 Hình 2.20 Sơ đồ khối giải tốn tích hợp nước mặt-nước ngầm 57 Hình 3.1 Vị trí đảo Phú Q, tỉnh Bình Thuận 63 Hình 3.2 Sơ đồ địa hình đảo Phú Quý 65 Hình 3.3 Giá trị trung bình tháng số yếu tố khí tượng đảo Phú Quý 66 vii Hình 3.4 Sơ đồ địa chất khu vực đảo Phú Quý 70 Hình 3.5 Địa tầng cấu trúc giếng khoan PQII-1A 73 Hình 3.6 Sơ đồ mô tuyến đập ngầm khu vực đảo Phú Quý 75 Hình 3.7 Bản đồ cao độ địa hình trạng sử dụng đất 76 Hình 3.8 Một số mặt cắt địa chất thuỷ văn khu vực đảo Phú Quý 77 Hình 3.9 Cấu trúc giếng khoan LK1 .78 Hình 3.10 Sơ đồ mơ lớp 79 Hình 3.11 Bản đồ đẳng cao độ bề mặt đáy lớp 79 Hình 3.12 Mơ hình 3D thể lớp mơ hình đảo Phú Q 80 Hình 3.13 Sơ đồ phân vùng thơng số ĐCTV lớp .81 Hình 3.14 Sơ đồ phân bố giếng khai thác lớp 82 Hình 3.15 Mơ lượng bốc nước đất mơ hình 83 Hình 3.16 Mực nước biển trung bình ngày 84 Hình 3.17 Mơ biên thủy triều mơ hình 84 Hình 3.18 Mực nước ban đầu mơ hình 85 Hình 3.19 Dữ liệu thổ nhưỡng độ dốc mơ hình SWAT 86 Hình 3.20 Sơ đồ ứng dụng mơ hình SWAT 87 Hình 3.21 Lượng nước mặt bổ cập xuống nước đất từ tháng đến tháng 88 Hình 3.22 Mơ lượng nước bổ cập cho nước đất mô hình 89 Hình 3.23 Mực nước trung bình giếng quan trắc PQIII-2B 91 Hình 3.24 Quan trắc mực nước với giếng quan trắc PQI-1C 92 Hình 3.25 Lượng nước bổ cập xuống vùng 92 Hình 3.26 So sánh sai số mực nước quan trắc mực nước tính tốn mơ hình thời điểm tháng 1/2005 (hiệu chỉnh mơ hình) 94 Hình 3.27 So sánh sai số mực nước quan trắc mực nước tính tốn mơ hình thời điểm tháng 10/2005 (kiểm định mơ hình) 94 Hình 3.28 Dao động mực nước từ năm 1995 - 2011 giếng khoan L-14GK L04GK 95 Hình 3.29 Bản đồ đẳng cao độ mực nước thời điểm tháng tháng 10 năm 2005, lớp mơ hình 96 Hình 3.30 Vị trí điểm quan trắc (giếng khoan) .98 Hình 3.31 Đồ thị dao động mực nước điểm QT1 (đỉnh phân thủy) 98 Hình 3.32 Đồ thị dao động mực nước điểm QT2, 3, 4, (ven rìa đảo) tầng chứa nước βq 99 Hình 3.33 Đồ thị dao động mực nước điểm QT2, 3, 4, (ven rìa đảo) tầng chứa nước qp1 99 Hình 3.34 Đồ thị dao động mực nước điểm QT6 (khu vực khai thác) 100 Hình 3.35 Bản đồ đẳng cao độ mực nước lớp thời điểm tháng 4/2005 11/2010.101 Hình 3.36 Sơ đồ cơng trình khai thác nước đất 103 Hình 3.37 Bản đồ đẳng cao độ mực nước lớp thời điểm tháng 11 năm 2020 104 viii Phụ lục 4: Sơ đồ vị trí giếng quan trắc nước đất hoạt động địa bàn huyện đảo Phú Quý 151 Phụ lục 5: Một số hình ảnh lõi khoan địa chất thu thập 152 153 Phụ lục 6: Thiết lập mơ hình kết Phụ lục 6.1 Sơ đồ mô lớp 154 Phụ lục 6.2 Sơ đồ mô lớp 155 Phụ lục 6.3 Bản đồ đẳng cao độ bề mặt cao độ đáy lớp 156 Phụ lục 6.4 Bản đồ đẳng cao độ bề mặt đáy lớp 157 Phụ lục 6.5 Sơ đồ phân vùng thông số ĐCTV lớp Phụ lục 6.6 Sơ đồ phân vùng thông số ĐCTV lớp 158 Phụ lục 6.7 Bản đồ đẳng cao độ mực nước thời điểm tháng tháng 10 năm 2005, lớp khơi phục mơ hình 159 Phụ lục 6.8 Bản đồ đẳng cao độ mực nước thời điểm tháng tháng 10 năm 2005, lớp khôi phục mơ hình 160 Phụ lục 6.9 Bản đồ đẳng cao độ mực nước lớp thời điểm tháng 4/2005 tháng 11/2010 161 Phụ lục 6.10 Bản đồ đẳng cao độ mực nước lớp thời điểm tháng 4/2005 11/2011 162 Phụ lục 6.11 Bản đồ đẳng cao độ mực nước lớp thời điểm tháng tháng 10 năm 2020 163 Phụ lục 7: Thiết kế giếng khoan quan trắc hoạt động địa bàn đảo Phú Quý 164 Phụ lục 8: Dữ liệu quan trắc thực đo giếng khoan quan trắc Giếng PQI-1B PQI-1C PQI-2B PQI-2C PQI-3B PQI-3C PQI-4B PQI-4C Giếng PQI-1B PQI-1C PQI-2B PQI-2C PQI-3B PQI-3C PQI-4B PQI-4C 4,68 4,73 6,27 4,70 6,45 9,35 8,21 8,47 0,86 6,86 8,95 7,07 0,86 0,88 0,85 8,65 4,33 4,54 6,13 4,61 6,32 9,24 8,07 8,36 0,80 6,09 8,09 6,20 0,80 0,82 0,79 8,48 4,21 4,38 5,92 4,42 6,27 9,23 8,03 8,34 0,83 5,75 7,67 5,88 0,83 0,85 0,82 8,48 4,19 4,27 5,79 4,29 6,22 9,20 7,98 8,31 0,77 6,28 8,22 6,34 0,77 0,80 0,77 8,45 4,14 4,19 5,70 4,19 6,14 9,13 7,91 8,23 0,72 5,83 7,79 5,92 0,72 0,75 0,73 8,30 Năm 2010 4,30 4,25 4,25 4,23 5,76 5,75 4,22 4,21 6,12 6,10 9,11 9,12 7,90 7,88 8,21 8,20 4,41 4,33 5,84 4,28 6,16 9,15 7,94 8,24 4,66 4,52 6,02 4,40 6,21 9,17 8,00 8,26 10 11 12 7,15 6,14 0,80 7,21 9,15 7,85 8,88 11,11 10,40 6,96 9,31 8,65 7,37 6,51 0,80 9,52 7,61 0,83 9,06 7,52 0,80 8,77 9,05 8,75 Năm 2011 0,67 0,67 5,61 5,36 7,51 7,22 5,65 5,38 0,66 0,67 0,69 0,70 0,67 0,68 8,24 8,20 0,70 5,27 7,06 5,22 0,70 0,73 0,69 8,24 0,72 5,23 7,02 5,18 0,71 0,74 10 0,78 5,26 7,06 5,20 0,77 0,80 11 0,76 1,50 1,78 1,49 0,75 0,78 8,26 8,32 2,07 165 12 0,72 5,83 7,79 5,92 0,72 0,75 0,73 8,30 ... đề tài nghiên cứu đặt mang tính khoa học có giá trị thực tiễn cao Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu sở khoa học xây dựng đập ngầm phục vụ khai thác bảo vệ tài nguyên nước đảo; Ứng dụng sở khoa học. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN ĐÌNH THANH NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG ĐẬP NGẦM Ở CÁC HẢI ĐẢO PHỤC VỤ KHAI THÁC VÀ BẢO VỆ TÀI NGUYÊN NƯỚC DƯỚI ĐẤT, ỨNG. .. học xây dựng cho đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án tài nguyên nước đất giải pháp đập ngầm Phạm vi nghiên cứu luận án đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận