Nghiên cứu hiện trạng phân bố tổng độ khoáng hóa tầng chứa nước pleistocen khu vực ven biển tỉnh Nam Định

Xâm nhập mặn nước dưới đất khu vực ven biển tỉnh Nam Định đã và đang gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động kinh tế và đời sống dân sinh. Việc xác định phân bố tổng độ khoáng hóa và ranh giới mặn nhạt ở khu vực ven biển là cần thiết, có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn, nhất là trong hoạch định chính sách và giải pháp quản lý tài nguyên nước dưới đất.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Biển; Tập 16, Số 2; 2016: 151-157 DOI: 10.15625/1859-3097/16/2/7383 http://www.vjs.ac.vn/index.php/jmst NGHIÊN CỨU HIỆN TRẠNG PHÂN BỐ TỔNG ĐỘ KHỐNG HĨA TẦNG CHỨA NƯỚC PLEISTOCEN KHU VỰC VEN BIỂN TỈNH NAM ĐỊNH Trịnh Hoài Thu1*, Nguyễn Như Trung1, Đỗ Văn Thăng1, Vũ Văn Mạnh2, Nguyễn Thu Hằng2 Viện Địa chất Địa vật lý biển-Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội * E-mail: hoaithu0609@hotmail.com Ngày nhận bài: 19-10-2015 TÓM TẮT: Xâm nhập mặn nước đất khu vực ven biển tỉnh Nam Định gây nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động kinh tế đời sống dân sinh Việc xác định phân bố tổng độ khống hóa ranh giới mặn nhạt khu vực ven biển cần thiết, có ý nghĩa mặt khoa học thực tiễn, hoạch định sách giải pháp quản lý tài nguyên nước đất Trên sở phân tích mẫu nước xây dựng phương trình tương quan độ dẫn điện nước tầng chứa nước (nước tầng), tổng độ khống hóa hàm lượng Clorua (Cl-) phân tích variogram (dựa phân bố không gian điểm mẫu) ứng dụng phương pháp nội suy Kriging, thành lập đồ trạng phân bố TDS tầng chứa nước Pleistocen cho toàn khu vực nghiên cứu Bản đồ trạng cho thấy, nước nhạt đất phân bố chủ yếu khu vực phía nam phần nhỏ khu vực phía bắc tỉnh Nam Định Từ khóa: Xâm nhập mặn, Nam Định, tầng chứa nước Pleistocen MỞ ĐẦU Tài nguyên nước đất đóng vai trò quan trọng việc phát triển đời sống dân sinh kinh tế Việt Nam Tuy nhiên tác động tiêu cực xâm nhập mặn khai thác nước mức, biến đổi khí hậu, hay nước thải chưa qua xử lý từ nguồn nước bề mặt làm gia tăng nguy đe dọa đến nguồn nước ngầm Nam Định tỉnh nơng nghiệp nằm phía nam đồng sơng Hồng, với diện tích 1.669 km² Theo số liệu Tổng cục thống kê (2013) [1], tổng dân số tỉnh Nam Định 1.833.500 người, với mật độ dân số 1.100 người/km2, đứng thứ dân số tỉnh thành phố toàn quốc Do dân số đông, nên nhu cầu sử dụng nước phục vụ cho sinh hoạt nước uống tăng cao Ở đây, tầng chứa nước Pleistocen tầng có trữ lượng nước lớn, bị khai thác mức dẫn đến tượng xâm nhập mặn nhanh Theo QCVN01:2009/BYT [2] việc ban hành Tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống Bộ Y tế tổng độ khống hóa (TDS) phải nhỏ 1.000 mg/l Cl- nhỏ 300 mg/l vùng ven biển Trên sở tổng hợp kết nghiên cứu điều kiện địa chất, địa chất thủy văn giai đoạn trước (chủ yếu từ kết “Lập đồ địa chất thủy văn 1:50.000 vùng Nam Định” năm 1996 Nguyễn Văn Độ) phân chia đơn vị ĐCTV từ xuống sau: Tầng chứa nước lỗ hổng trầm tích Holocen (qh2); Các thành tạo nghèo nước Holocen dưới; 151 Trịnh Hoài Thu, Nguyễn Như Trung, … Tầng chứa nước lỗ hổng trầm tích Holocen (qh1); Các thành tạo nghèo nước Pleistocen trên; Tầng chứa nước lỗ hổng trầm tích Pleistocen (qp); Tầng chứa nước lỗ hổng - khe nứt vỉa trầm tích Pliocen (n2) Nghiên cứu tập trung vào phân bố mặn nhạt tầng chứa nước Pleistocen có trữ lượng lớn khoảng 300.000 m3/ngày [3] Nếu xâm nhập mặn kiểm sốt ngăn chặn cách có hiệu nguồn nước đất tầng qp khai thác sử dụng cách bền vững ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT THỦY VĂN TẦNG CHỨA NƯỚC LỖ HỔNG PLEISTOCEN Tầng chứa nước Pleistocen phân bố rộng khắp diện tích vùng nghiên cứu khơng lộ mặt mà bắt gặp nhờ lỗ khoan Thành phần thạch học đất đá chứa nước bao gồm cát sạn sỏi lẫn cuội đa khống thuộc hệ tầng Vĩnh Phúc (aQ13vp), Hà Nội (Q11-2hn) Lệ Chi (Q11lc) Chiều dày biến đổi từ 10 m đến 78 m, trung bình 45 m Nóc tầng chứa nước nằm tiếp thành tạo chứa nước hệ tầng Vĩnh Phúc (amQ13vp2) Đáy tiếp giáp với trầm tích Neogen, phía tây nằm trực tiếp lên bề mặt đá vôi T2a đg Nước tầng có áp lực, cột áp lực lớn từ 50 m đến 70 m, mực nước nằm không sâu cách mặt đất từ 0,0 m đến 2,5 m Qua kết thí nghiệm, lỗ khoan vào tầng cho lưu lượng lớn Các lỗ khoan có lưu lượng lớn l/s chiếm 66% Độ tổng khoáng hoá nước đất biến đổi khoảng rộng từ nhạt đến mặn Vùng có độ tổng khống hố lớn g/l nằm phía bắc đơng khu vực nghiên cứu, lớn g/l chiếm diện tích nhỏ phía đơng bắc Vùng nước có độ tổng khống hố < g/l nằm phía tây nam, vùng giáp biển thuộc huyện Hải Hậu, Nghĩa Hưng nước nhạt Tầng chứa nước có quan hệ thuỷ lực yếu với tầng chứa nước (qh2 qh1) thể chỗ tất lỗ khoan bơm thí nghiệm tầng qp, lỗ khoan quan sát tầng qh1 qh2 không bị ảnh 152 hưởng Động thái nước đất thay đổi, biên độ dao động/năm mực nước đất khoảng 0,2 - 0,5 m, độ tổng khống hóa thành phần hố học chúng biến đổi Điều kiện cung cấp cho tầng chứa nước đến có nhiều giả thuyết phân tích để loại trừ số giả thuyết Mực nước tầng chứa qp cao tầng qh2 qh1, loại trừ khả nước cấp từ xuống Như nguồn cung cấp từ xa từ tầng chứa bên gồm: n, t2a, pr Có ý kiến cho nguồn cung cấp chủ yếu phía tây bắc trầm tích t2a vùng Ninh Bình, nước chuyển động theo phương tây bắc đông nam theo đứt gãy kiến tạo đới Karst, cung cấp lên cho tầng chứa nước Neogen Pleistocen nên đẩy ranh giới mặn nhạt xa lên phía đơng bắc phía biển (Nguyễn Văn Độ, 1996) Tầng chứa nước Pleistocen có ý nghĩa cung cấp nước, với vùng ven biển khan nguồn nước nhạt, nhiên việc khai thác tự phát, tuỳ tiện, cần điều tra đánh giá đầy đủ có quy hoạch khai thác sử dụng cách hợp lý TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Mẫu nước Hình Vị trí khu vực nghiên cứu điểm lấy mẫu Bài báo sử dụng 284 mẫu nước tầng chứa nước Pleistocen để thành lập đồ phân Nghiên cứu trạng phân bố tổng độ … bố hàm lượng TDS (hình 1) Trong đó, 204 mẫu tất huyện (biểu tượng hình tam giác màu xanh đồ) tổng hợp từ dự án trước [4-6]; 80 mẫu lại (biểu tượng hình chấm tròn đỏ) tiến hành lấy mẫu thực địa vào tháng năm 2014 xung quanh ranh giới mặn-nhạt nghiên cứu trước Các mẫu phân tích phương pháp đo độ dẫn điện nước trường phân tích hóa học hàm lượng TDS Clorua phòng thí nghiệm Các kết phân tích sử dụng với mục đích chuẩn hóa ranh giới mặn-nhạt khu vực nghiên cứu Phân tích mẫu nước xác định TDS Để xác định hàm lượng TDS, nghiên cứu sử dụng phương pháp sấy khô Nguyên tắc chung phương pháp lọc mẫu nước qua lọc chuẩn, nước lọc làm bay cốc thuỷ tinh biết trước khối lượng sấy tới khối lượng không đổi nhiệt độ 180  20C Khối lượng tăng lên cốc tổng lượng chất rắn hồ tan (TDS) Ngồi ra, đo trực tiếp độ dẫn điện nước tầng: vị trí có giếng khoan tiến hành lấy mẫu nước, đo độ dẫn điện nước sở phương trình quan hệ độ dẫn điện tổng chất khoáng hòa tan xác định tổng chất khống hòa tan Địa thống kê phép nội suy Kriging Việc xác định phân bố TDS tầng chứa nước Pleistocen thực kỹ thuật nội suy Kriging từ số liệu tổng hợp, lấy mẫu phân tích [7, 8] Kriging nhóm phương pháp địa thống kê dùng để nội suy giá trị trường ngẫu nhiên điểm chưa biết giá trị từ giá trị biết điểm lân cận Để sử dụng phương pháp nội suy cần phải tính tốn thơng số Hàm cấu trúc variogram Theo đó, Hàm cấu trúc variogram định nghĩa nửa kỳ vọng toán biến ngẫu nhiên [Z(x) - Z(x+h)]2, nghĩa là: Hàm cấu trúc thực nghiệm xác định:  h     Z  x   Z  x  h  2N  h   N h i 1 N(h) - số lượng cặp điểm tính tốn Hàm cấu trúc cơng cụ để định lượng tính ổn định hay liên tục hay tương quan không gian đối tượng nghiên cứu cách nghiên cứu giá trị bình phương trung bình hiệu hai giá trị cách khoảng cách h theo hướng xác định Các bước tiến hành nội suy Kriging Khảo sát đặc trưng thống kê tập liệu, đặc biệt ý đến tính phân bố chuẩn liệu Nếu liệu phân bố chuẩn phải chuyển dạng liệu để thỏa mãn yêu cầu Xây dựng biểu đồ Biểu đồ phản ánh mối quan hệ biến thiên liệu với khoảng cách điểm Lựa chọn mơ hình thích hợp với tập liệu Quy luật quan hệ biến động liệu với khoảng cách chúng xấp xỉ hàm số xác định trước (hàm cầu, hàm Gauss, hàm lũy thừa, …) bảng Tiến hành nội suy theo mơ hình chọn Bảng Một số mơ hình tập liệu Mơ hình Dạng đồ thị Cầu Lũy thừa Gauss γ(h) = E [Z(x) – Z(x+h)]2 Trong đó: Z(x), Z(x+h) hai đại lượng hai điểm nghiên cứu x (x+h) cách đoạn h theo hướng xác định Đánh giá độ tin cậy kết nội suy Trên thực tế để đánh giá độ tin cậy kết nội suy thường thông qua phương pháp: 153 Trịnh Hoài Thu, Nguyễn Như Trung, … So sánh đồ nội suy với đồ thành lập trước So sánh kết nội suy với kết khảo sát trực tiếp trường KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Từ kết phân tích tổng chất khống hòa tan, hàm lượng Cl- độ dẫn mẫu nước giếng khoan cho phép thiết lập mối tương quan độ dẫn điện nước tầng, tổng chất khống hòa tan Cl- hình Mối quan hệ TDS, độ dẫn điện nước tầng hàm lượng Cl- (a) Mối quan hệ TDS, độ dẫn điện nước tầng hàm lượng Cl- theo cặp mơ tả đồ thị phương trình hình Ba phương trình xây dựng biểu diễn theo phương trình tuyến tính có hệ số tương quan R2 lớn xấp xỉ có độ lệch chuẩn khơng vượt q 15% Bằng cách tính tốn này, giá trị biến biết kết giá trị lại tính tốn mà khơng cần đo đạc Hơn nữa, giá trị độ lệch chuẩn đảm bảo đầu vào cho mơ hình địa chất thủy văn để dự báo kịch nhiễm mặn xảy tương lai (b) (c) Hình Mối quan hệ giữa: a) TDS với độ dẫn điện nước tầng, R =0,92, SD (Độ lệch chuẩn)=15%; b) TDS với Cl-, R2=0,98, SD (Độ lệch chuẩn)=11%; c) Cl- với độ dẫn điện nước tầng, R2=0,88, SD (Độ lệch chuẩn)=11% Bản đồ phân bố hàm lượng Tổng độ khống hóa tầng chứa nước Pleistocen Sự phân bố mặn-nhạt với đường ranh giới TDS=1 g/l nội suy từ mẫu nước nghiên cứu trước để có nhìn tổng quan xâm nhập mặn Trong số 204 mẫu nước kể có mẫu dường xuất dị thường gỡ bỏ trình lỗi thô bỏ với khoảng ý nghĩa 95% Kết phân tích biến động khơng gian muốn có độ tin cậy cao số liệu đầu vào cần có phân phối chuẩn Cách nhận biết đơn giản để xem chuỗi số liệu có phân bố chuẩn hay không lập bảng phân phối xác suất 154 thống kê tập liệu Nếu liệu phân phối chuẩn trị trung bình (mean) trung vị (median) gần (dao động từ -1 đến +1) Do đó, việc chuyển liệu TDS sang hàm logarit TDS với phân bố gần chuẩn tốt (hình 3) độ lệch chuẩn nhỏ từ giá trị cố định (trung bình = -0,221138; phương sai = 0,331773) Đồ thị Log TDS tạo dựa phép nội suy Odinary Kriging Sau đó, sử dụng cơng cụ tốn học phần mềm ArcGIS 9.3 tính tốn giá trị điểm lưới grid, kết thành lập đồ phân bố hàm lượng TDS tầng Pleistocen vùng nghiên cứu với ranh giới mặn TDS = g/l hình Nghiên cứu trạng phân bố tổng độ … Diện tích chiếm khoảng 772,6 km2 (chiếm 1/2 diện tích toàn tỉnh) gồm toàn huyện Hải Hậu Nghĩa Hưng, phía nam Ý Yên, Nam Trực, Trực Ninh, Xuân Trường phần nhỏ huyện Giao Thủy Khu vực nghiên cứu có phần nhỏ diện tích nước nhạt nằm huyện Vụ Bản thành phố Nam Định chiếm diện tích khoảng 58,73 km2 Đối sánh hai đồ trước sau chuẩn hóa, có khác đáng ý phân bố TDS huyện Giao Thủy Xuân Trường xác định chi tiết dựa kết phân tích thêm 80 mẫu đo (hình 6) Hình Phân phối chuẩn đồ thị LogTDS Trong hai đồ (hình hình 5), diện tích phân bố TDS < 0,5g/l từ 0,5 - g/l diện tích vùng nước nhạt sử dụng cho ăn uống sinh hoạt vùng nghiên cứu Diện tích nước nhạt đồ trước chuẩn hóa (hình 4), tức từ nguồn số liệu thu thập giai đoạn trước liên tục, với tổng diện tích 859,76 km2, đồ sau chuẩn hóa (hình 5) diện tích vùng nước nhạt lại gián đoạn nhỏ hơn, với diện tích 831,33 km2 Hình Bản đồ phân bố hàm lượng TDS tầng Pleistocen từ tài liệu thu thập trước Bản đồ phân bố tổng độ khống hóa sau chuẩn hóa 80 mẫu nước đo đạc vào tháng năm 2014 kết hợp với 201 mẫu nghiên cứu trước sử dụng chuẩn hóa đồ gốc Kết đồ trạng phân bố TDS chuẩn hóa thể hình Hình Bản đồ phân bố hàm lượng TDS tầng chứa nước Pleistocen vùng Nam Định Theo kết tính tốn nội suy, TDS thay đổi từ 0,04 g/l đến 9,24 g/l Phía đơng tỉnh Nam Định (huyện Giao Thủy phần huyện Xuân Trường) có hàm lượng TDS cao Mặc dù gần biển phần phía nam tỉnh Nam Định không bị xâm nhập mặn Bản đồ phương sai dự báo (hình 7) sử dụng để kiểm tra tính xác kết nội suy Bản đồ cho thấy vị trí có điểm lấy mẫu với mật độ cao phương sai thấp, điều có nghĩa độ xác cao 155 Trịnh Hoài Thu, Nguyễn Như Trung, … b) a) Hình Bản đồ phân bố hàm lượng Clorua b) Tương tự đồ phân bố hàm lượng TDS, đồ phân bố hàm lượng Clorua (hình 8) xây dựng dựa tính tốn điểm mẫu sử dụng phương trình tương quan TDS Cl- (hình 2b) KẾT LUẬN Kết nghiên cứu rằng: Hình Phân bố TDS trước chuẩn hóa (a) sau chuẩn hóa (b) Giá trị TDS tầng chứa nước Pleistocen nằm khoảng từ 0,04 g/l đến 9,24 g/l Diện tích tầng chứa Pleistocen khoảng 831,33 km2, phân bố chủ yếu phần phía nam phần nhỏ trung tâm phía bắc tỉnh Nam Định Dựa kết nghiên cứu khoanh định cách chi tiết vùng có hàm lượng TDS cao thấp khác khu vực nghiên cứu Mối quan hệ tuyến tính TDS, độ dẫn điện nước tầng qp hàm lượng Clorua xác định có hệ số tương quan cao độ lệch chuẩn thấp (nhỏ 15%), sở đầu vào cho việc tính tốn, nghiên cứu xây dựng mơ hình dự báo xâm nhập mặn tầng chứa nước Pleistocen Nam Định Bản đồ phân bố hàm lượng Clorua xây dựng dựa cơng thức tính tốn Hình Phương sai đồ dự báo Bản đồ phân bố hàm lượng Clorua 156 Lời cảm ơn: Các tác giả xin cảm ơn đề tài VAST: “Nghiên cứu mức độ xâm nhập mặn tầng chứa nước Pleistocen khu vực ven biển Nam Định khai thác mức nước đất”, mã số: VAST06.06/14-15 hỗ trợ điều kiện cần thiết để hồn thành cơng trình nghiên cứu Nghiên cứu trạng phân bố tổng độ … TÀI LIỆU THAM KHẢO Tổng cục Thống kê, 2013 Niên giám thống kê tỉnh Nam Định năm 2012 Bộ Y tế, 2009 QĐ số QCVN 01: 2009/BYT việc ban hành Tiêu chuẩn chất lượng nước ăn uống Bộ Y tế Nguyễn Văn Đản, 2013 Nước đất vùng ven biển Nam Định định hướng điều tra, khai thác sử dụng Tạp chí Tài nguyên Môi trường, kỳ 1, tháng 3/2010, 46-49, Hà Nội Tống Ngọc Thanh, 2004 Hiện trạng môi trường nước đất vùng Đồng Bắc Bộ Tạp chí Địa chất, 280(1-2): 21-31 Trịnh Hoài Thu, Nguyễn Như Trung, 2012 Xác định ranh giới xâm nhập mặn tầng chứa nước Pleistocen khu vực ven biển Đồng sông Hồng theo kết phân tích hóa đo sâu điện Tạp chí Khoa học Cơng nghệ biển, 12(4A): 163-170 Nguyen Nhu Trung and Trinh Hoai Thu, 2013 Investigation of the saltwater intrusion in the Pleistocene aquifer in the coastal zone of Red River Delta Proceedings of the 11th SEGJ International Symposium, Japan pp 134-136, ISSN: 2159-6832, doi: 10.1190/segj112013-034 P.K Kitanidis, 1997, Introduction to Geostatistics: Applications in Hydrogeology, Cambridge University Press, 249 pages Randal Barned, 2003 “Variogram Turorial”, Golden Software Inc STUDY CURRENT STATUS OF TDS DISTRIBUTION IN THE PLEISTOCENE AQUIFER IN COASTAL ZONE OF NAM DINH PROVINCE Trinh Hoai Thu1, Nguyen Nhu Trung1, Do Van Thang1, Vu Van Manh2, Nguyen Thu Hang2 Institute of Marine Geology and Geophysics-VAST University of Science-VNU ABSTRACT: Saltwater intrusion has occurred in coastal aquifers in Nam Dinh province, Vietnam, which causes many negative effects on economic activities and especially residential life Determining fresh-saltwater distribution is therefore necessary for authorities to have fundament to release policies and solutions promptly to prevent this issue Based on the analysis of samples, regression equations of each couple of the conductivity, total dissolved solids (TDS) and chloride concentration were formulated and displayed on graphs, these can be applied to calculate TDS from available conductivity or chloride concentration values in any areas Calculating all input data, a variogram was created, which indicates the spatial correlation between points Then, Kriging interpolation was applied in map-making process Finally the spatial distribution of fresh and saltwater was delineated Freshwater regions are located in the southern part and a small area in the north of Nam Dinh province Keywords: Saltwater intrusion, Nam Dinh province, Pleistocene aquifer 157 ... PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Mẫu nước Hình Vị trí khu vực nghiên cứu điểm lấy mẫu Bài báo sử dụng 284 mẫu nước tầng chứa nước Pleistocen để thành lập đồ phân Nghiên cứu trạng phân bố tổng độ … bố hàm lượng... Nghiên cứu mức độ xâm nhập mặn tầng chứa nước Pleistocen khu vực ven biển Nam Định khai thác mức nước đất”, mã số: VAST06.06/14-15 hỗ trợ điều kiện cần thiết để hồn thành cơng trình nghiên cứu. .. lượng Tổng độ khống hóa tầng chứa nước Pleistocen Sự phân bố mặn-nhạt với đường ranh giới TDS=1 g/l nội suy từ mẫu nước nghiên cứu trước để có nhìn tổng quan xâm nhập mặn Trong số 204 mẫu nước