Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng đập ngầm ở các hải đảo phục vụ khai thác

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 NCS 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, Phịng Khoa học Cơng 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 NCS xin cảm ơn PGS.TS Nguyễn Cao Đơn TS Lê Viết Sơn hướng dẫn NCS suốt trình học tập, tìm hiểu, nghiên cứu hồn thành Luận án NCS xin trân trọng cảm ơn quan: Sở Tài ngun Mơi trường tỉnh Bình Thuận, Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn quốc gia giúp đỡ tác giả q trình thu thập tài liệu, thơng tin cần thiết liên quan đến vấn đề nghiên cứu Cuối cùng, NCS 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 VÀ VÙNG NGHIÊN CỨU 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 19 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 Tổng quan vùng nghiên cứu 22 1.7.1 Vị trí phạm vi nghiên cứu 22 1.7.2 Đặc điểm kinh tế, xã hội 23 1.7.3 Đặc điểm địa hình khu vực 24 1.7.4 Đặc điểm khí tượng, hải văn 26 1.7.5 Đặc điểm tài nguyên nước 28 1.8 Kết luận chương 33 CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC XÂY DỰNG ĐẬP NGẦM TRÊN ĐẢO 34 2.1 Một số đặc điểm tài nguyên nước đảo 34 2.1.1 Sự hình thành thấu kính nước đảo 35 2.1.2 Nhận xét chung 38 2.2 Thí nghiệm phịng để đánh giá hiệu đập ngầm 39 2.2.1 Mục đích thí nghiệm 39 2.2.2 Mô tả thí nghiệm 39 2.2.3 Kết thí nghiệm mơ mơ hình tốn 42 2.2.4 Nhận xét 46 2.3 Điều kiện cần thiết để nghiên cứu xây dựng đập ngầm 47 iii 2.3.1 Cơ sở lý luận 47 2.3.2 Cơ sở thực tiễn 47 2.3.3 Một số yếu tố khác cần xem xét lựa chọn vị trí đập 49 2.3.4 Cường độ chịu lực đập ngầm 49 2.3.5 Tính chống thấm đập ngầm 49 2.3.6 Độ sâu chân 50 2.4 Mơ hình tích hợp nước mặt – nước ngầm để lượng hóa hiệu đập ngầm đảo Phú Quý 52 2.4.1 Các tiêu chí để đánh giá hiệu đập ngầm 52 2.4.2 Phát triển mơ hình tích hợp nước mặt – nước ngầm 53 2.5 Mơ dịng chảy ngầm trước sau có đập ngầm 68 2.5.1 Thu thập xử lý số liệu 68 2.5.2 Xây dựng mơ hình số 69 2.5.3 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình 69 2.5.4 Phân tích kết mơ kịch 71 2.6 Kết luận chương 71 CHƯƠNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TOÁN TỔNG HỢP ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC CHO ĐẢO PHÚ QUÝ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẬP NGẦM 73 3.1 Sự phù hợp giải pháp đập ngầm với đảo Phú Quý 73 3.1.1 Điều kiện địa chất 73 3.1.2 Điều kiện địa chất thủy văn 74 3.1.3 Điều kiện chất lượng nước 74 3.1.4 Lựa chọn vị trí dự kiến xây dựng đập ngầm 75 3.2 Thiết lập mô hình số để tính tốn hiệu đập ngầm đảo Phú Quý 76 3.2.1 Tài liệu 76 3.2.2 Thiết lập mơ hình 79 3.2.3 Thông số địa chất thủy văn 80 3.2.4 Hiện trạng khai thác 83 3.2.5 Điều kiện biên 83 3.2.6 Điều kiện ban đầu 85 3.2.7 Thời đoạn tính tốn 86 iv 3.3 đất Phương pháp xác định lượng nước bổ cập thấm xuống tầng chứa nước 86 3.3.1 Phương pháp sử dụng mô hình SWAT 86 3.3.2 Phương pháp sử dụng mô đun RCH (Recharge) mơ hình MODFLOW 90 3.3.3 Phương pháp biến động mực nước cải biên (WTFM) 91 3.3.4 Kết tính tốn lượng nước bổ cập 93 3.3.5 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình 94 3.3.6 Kết mô mực nước 96 3.4 Tính tốn mơ kịch chưa có đập 98 3.4.1 Diễn biến q trình động lực học dịng chảy giai đoạn 1995 - 2015 98 3.4.2 Diễn biến q trình động lực học dịng chảy giai đoạn 2015 - 2020 103 3.4.3 Diễn biến trình xâm nhập mặn 106 3.4.4 Tính tốn cân nước 109 3.4.5 Đề xuất giải pháp làm gia tăng trữ lượng nước đất 111 3.5 Tính tốn mơ kịch có đập ngầm 112 3.5.1 Điều kiện đầu vào mơ hình 113 3.5.2 Kết tính tốn mơ 114 3.5.3 Ảnh hưởng hệ số thấm thân đập 119 3.6 Kết luận chương 120 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121 Những nội dung thực luận án 121 Những đóng góp luận án 122 Hướng phát triển kiến nghị 122 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG 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 v Phụ lục 5: Một số hình ảnh lõi khoan địa chất thu thập 152 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 ơng 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] 14 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 1.8 Vị trí đảo Phú Q, tỉnh Bình Thuận 23 Hình 1.9 Sơ đồ địa hình đảo Phú Quý 25 Hình 1.10 Giá trị trung bình tháng số yếu tố khí tượng đảo Phú Quý 26 Hình 1.11 Sơ đồ địa chất khu vực đảo Phú Quý 30 Hình 2.1 Mơ tả lý thuyết mối quan hệ Ghyben – Herzberg [26] 36 Hình 2.2 Ảnh hưởng nước mưa đến tầng chứa nước đất [27] 37 Hình 2.3 Sơ đồ thí nghiệm 39 Hình 2.4 Thiết bị thí nghiệm 40 Hình 2.5 Đo lưu lượng đường ống thoát trạng thái ổn định ban đầu 41 Hình 2.6 So sánh trực quan kết tính tốn thí nghiệm trạng thái cân nêm mặn 42 Hình 2.7 So sánh trực quan kết mơ thí nghiệm trạng thái nêm mặn ngọt, T=1,2 ngày 43 Hình 2.8 So sánh trực quan kết tính tốn thí nghiệm trạng thái nêm mặn ngọt, T=2,4 ngày 44 Hình 2.9 So sánh trực quan kết tính tốn thí nghiệm trạng thái nêm mặn ngọt, T ≥ 3,6 ngày 45 Hình 2.10 So sánh khả dâng cao mực nước tăng dung tích trữ nước tường chắn mơ mơ hình tốn 46 Hình 2.11 Mơ tả mặt cắt phân tích thấm xâm nhập mặn 50 Hình 2.12 Khả dâng cao mực nước, gia tăng trữ lượng nước gia tăng thể tích nước đập ngầm 52 Hình 2.13 Mơ hình tích hợp nước mặt nước ngầm 54 Hình 2.14 Ơ lưới loại mơ hình 61 Hình 2.15 Ơ lưới i, j, k ô bên cạnh 62 Hình 2.16 a) Mặt cắt biểu diễn điều kiện biên sơng b) Mơ mơ hình 64 Hình 2.17 Điều kiện biên kênh 65 Hình 2.18 Điều kiện biên bốc mơ hình 66 Hình 2.19 Điều kiện biên tổng hợp (GHB) mơ hình 67 vii Hình 2.20 Sơ đồ khối giải tốn tích hợp nước mặt-nước ngầm 68 Hình 3.1 Địa tầng cấu trúc giếng khoan PQII-1ª 73 Hình 3.2 Sơ đồ mơ tuyến đập ngầm khu vực đảo Phú Quý 75 Hình 3.3 Bản đồ cao độ địa hình trạng sử dụng đất 77 Hình 3.4 Một số mặt cắt địa chất thuỷ văn khu vực đảo Phú Quý 78 Hình 3.5 Cấu trúc giếng khoan LK1 78 Hình 3.6 Sơ đồ mô lớp 79 Hình 3.7 Bản đồ đẳng cao độ bề mặt đáy lớp 80 Hình 3.8 Mơ hình 3D thể lớp mơ hình đảo Phú Quý 80 Hình 3.9 Sơ đồ phân vùng thông số ĐCTV lớp 82 Hình 3.10 Sơ đồ phân bố giếng khai thác lớp 82 Hình 3.11 Mơ lượng bốc nước đất mơ hình 84 Hình 3.12 Mực nước biển trung bình ngày 85 Hình 3.13 Mơ biên thủy triều mơ hình 85 Hình 3.14 Mực nước ban đầu mơ hình 86 Hình 3.15 Dữ liệu thổ nhưỡng độ dốc mơ hình SWAT 87 Hình 3.16 Sơ đồ ứng dụng mơ hình SWAT 88 Hình 3.17 Lượng nước mặt bổ cập xuống nước đất từ tháng đến tháng 89 Hình 3.18 Mơ lượng nước bổ cập cho nước đất mơ hình 90 Hình 3.19 Mực nước trung bình giếng quan trắc PQIII-2B 92 Hình 3.20 Quan trắc mực nước với giếng quan trắc PQI-1C 93 Hình 3.21 Lượng nước bổ cập xuống vùng 93 Hình 3.22 So sánh sai số mực nước quan trắc mực nước tính tốn mơ hình thời điểm tháng 1/2005 (hiệu chỉnh mơ hình MODFLOW) 95 Hình 3.23 So sánh sai số mực nước quan trắc mực nước tính tốn mơ hình thời điểm tháng 10/2005 (kiểm định mơ hình MODFLOW) 95 Hình 3.24 Dao động mực nước từ năm 1995 - 2011 giếng khoan L-14GK L04GK 96 Hình 3.25 Bản đồ đẳng cao độ mực nước thời điểm tháng tháng 10 năm 2005, lớp mơ hình 97 Hình 3.26 Vị trí điểm quan trắc (giếng khoan) 99 Hình 3.27 Đồ thị dao động mực nước điểm QT1 (đỉnh phân thủy) 99 Hình 3.28 Đồ thị dao động mực nước điểm QT2, 3, 4, (ven rìa đảo) tầng chứa nước βq 100 Hình 3.29 Đồ thị dao động mực nước điểm QT2, 3, 4, (ven rìa đảo) tầng chứa nước qp1 100 Hình 3.30 Đồ thị dao động mực nước điểm QT6 (khu vực khai thác) 101 Hình 3.31 Bản đồ đẳng cao độ mực nước lớp thời điểm tháng 4/2005 11/2010 102 Hình 3.32 Sơ đồ cơng trình khai thác nước đất 104 Hình 3.33 Bản đồ đẳng cao độ mực nước lớp thời điểm tháng 11 năm 2020 105 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 ... dùng đập ngầm để ngăn đẩy mặn trữ Do vậy, việc thực 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. .. 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... Hơn nữa, Việt Nam chưa có hồ chứa nước ngầm xây dựng nên chưa có nghiên cứu chun sâu tính toán xây dựng đập ngầm sở khoa học việc xây dựng đập Các nghiên cứu tài nguyên nước đất Việt Nam chủ yếu