Khai thác bền vững tài nguyên nước dưới đất vùng ven biển Quảng Trị trong bối cảnh biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng

Khai thác b ền vững tài nguyên nước dưới đất vùng ven bi ển QuảngT r ị trong b ối cảnh biến đổi khí hậu ..... Khai thác b ền vững tài nguyên nước dưới đất vùng ven bi ển QuảngT r ị tr[r]

160

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE DOI: 10.18173/2354-1059.2017-0020

Natural Sci 2017, Vol 62, No 3, pp 160-170

This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn

KHAI THÁC BỀN VỮNG TÀI NGUYÊN NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÙNG VEN BIỂN QUẢNG TRỊ TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

VÀ MỰC NƯỚC BIỂN DÂNG Nguyễn Sơn1 Tống Phúc Tuấn2

Phòng Tài nguyên nước đất, Viện Địa Lí, Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam

Phịng Địa mạo - Địa động lực Viện Địa Lí, Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam Tóm tắt: Biến đổi khí hậu mực nước biển dâng gây nhiều thách thức quản lí khai thác tài nguyên nước Quảng Trị có vùng ven biển với vai trò đặc biệt quan trọng phát triển kinh tế xã hội việc đánh giá tài nguyên cách toàn diện nhằm tổ chức khai thác bền vững bối cảnh mực nước biển dâng đặt cấp thiết Sử dụng mơ hình Visual ModFlow xác định lưu lượng khai thác nước bền vững vùng nghiên cứu 77600 m3/ngày đêm, cụm giếng khai thác xác định mực nước hạ thấp giếng khoan sau năm khai thác chu kì 27 năm Lần đềtài tính đến ảnh hưởng biến đổi hậu đến khảnăng khai thác bền vững tài nguyên nước đất

Từ khóa: Trữlượng khai thác (Qkt), nước đất, địa chất thủy văn

1 Mở đầu

Vùng ven biển Quảng Trị gồm huyện ven biển (Vĩnh Linh, Gio Linh, Triệu Phong, Hải Lăng) thành phố Quảng Trị, giới hạn phía Đơng Biển Đơng, phía Tây vùng gị đồi, phía Nam tỉnh Thừa Thiên - Huế, phía Bắc tỉnh Quảng Bình (Hình 1) Đây trục động lực phát triển kinh tế - trị - xã hội quan trọng tỉnh, nơi tập trung đô thị, khu dân cư, sở sản xuất, hạ tầng dịch vụ biển [1], vùng chịu ảnh hưởng nặng nề biến đổi khí hậu mực nước biển dâng [2] Nghiên cứu nước đất (NDĐ) vùng ven biển Quảng Trị có gồm: Tìm kiếm NDĐ Tây Đơng Hà, chủ biên Lê Quang Mạnh, 1990 Thăm dị NDĐ vùng Gio Linh, chủ biên Nguyễn Trường Giang, 1995 Đặc điểm địa chất thuỷvăn vùng thị xã Đông Hà, Nguyễn Trường Giang 1999 Tài nguyên NDĐ tỉnh Quảng Trị, Đoàn Văn Cánh Lê Tiến Dũng, 2002 Quy hoạch quản lí, khai thác sử dụng bảo vệtài nguyên NDĐ miền đồng tỉnh Quảng Trị, chủ biên Nguyễn Thanh Sơn, 2008

Các nghiên cứu trước năm 2000, sử dụng chủ yếu phương pháp khoan xem xác có nhược điểm thời gian kinh phí thực hiện, khó khăn điều chỉnh khảnăng khai thác cho kịch phát triển kinh tế xã hội Những nghiên cứu sau năm 2000 ứng dụng mơ hình Visual ModFlow tính tốn, cịn có số vấn đề cần đề cập: Đồn Văn Cánh (2002), chưa tính đến tác động biến đổi khí hậu mơ hình tính tốn; Nguyễn Thanh Sơn (2008), tính trữlượng động tựnhiên, chưa tính tới trữlượng khai thác

Ngày nhận bài: 18/1/2017 Ngày nhận đăng: 27/2/2017

Khai thác bền vững tài nguyên nước đất vùng ven biển QuảngTrị bối cảnh biến đổi khí hậu

161 Thơng số khí hậu sử dụng đểđánh giá trữlượng khai thác nước đất Theo kịch biến đổi khí hậu, lượng mưa hàng năm Quảng Trị thời điểm năm 2020, 2030, 2040 tăng 1,6%, 2,4%, 3,3% so với thời kì 1980 - 1999 [2] Với lượng mưa trung bình năm trạm khí tượng vùng ven biển Quảng Trị kết hợp với hệ sốtăng lượng mưa biến đổi khí hậu, cho phép xác định lượng mưa vùng ven biển sau 27 năm kể từnăm 2016 2400 - 2500 mm/năm Lượng bốc 1500 - 1600 mm/năm

Đặc điểm địa hình tự nhiên nhân tác Vùng ven biển Quảng Trị góp phần làm gia tăng tác động tiêu cực BĐKH Các dải cát ven biển cao bị xói mịn mực nước biển dâng, làm giảm nguồn tài nguyên nước tầng không áp Hệ thống đường ven biển cắt qua đồi cát góp phần làm suy giảm nguồn nước cồn cát Hệ thống đường bộ, đường sắt bề mặt đồng tự biến thành đê nhân tạo, tác động phức tạp vào nguồn tài nguyên nước, mà trước tiên nước khơng áp Tính phân mảnh phát triển lãnh thổ làm suy giảm khảnăng tự làm tựnhiên ngày làm suy thoái nguồn nước không áp sử dụng lâu đời khu vực Thêm vào đó, đặc điểm sơng vùng ven biển Quảng Trị có lượng dịng chảy biến đổi mạnh mùa năm nên có khảnăng đáp ứng nhu cầu phát triển khu vực

Như vậy, thực tiễn phát triển bối cảnh biến đổi khí hậu mực nước biển dâng cho thấy nguồn nước không áp ven biển Quảng Trị chịu sức ép mạnh, cần thiết phải tìm kiếm giải pháp bền vững tầng chứa nước khác Nghiên cứu lần xác định trữlượng khai thác bền vững có tính đến ảnh hưởng biến đổi khí hậu thơng qua lượng mưa cấp độ chi tiết lưới tính tốn mơ hình đạt tới mức cao so với nghiên cứu trước (50 m × 50 m)

2 Nội dung nghiên cứu

2.1 Phương pháp nghiên cứu

Việc sử dụng mơ hình Visual ModFlow nghiên cứu NDĐ chưa thực phổ biến nước ta, trước áp dụng mơ hình, chúng tơi giới thiệu tổng quát chất tính mơ hình, làm sở áp dụng nghiên cứu Những thơng số khí hậu đầu vào mơ hình trích xuất theo kịch biên đổi khí hậu; thơng số hiệu chỉnh mơ hình dựa lỗ khoan có quan trắc đề tài

Bộ phần mềm Visual Modflow bao gồm ba phần mềm ( Modflow, ModPath, MT3D) nhiều mơ-đun phụ trợ [3] Phần mềm Modflow dùng để tính tốn trữ lượng, chất lượng phân bố dòng chảy ngầm; Phần mềm ModPath có chức tính hướng tốc độ đường dịng vận động xun qua hệ thống lớp chứa nước; Phần mềm MT3D phối hợp với Modflow có chức tính tốn q trình khuếch tán vận chuyển phản ứng hoá học khác vật chất hoà tan hệ thống dòng chảy ngầm Trong nghiên cứu sử dụng phần mềm Modflow

Thực chất phần mềm ModFlow giải phương trình đạo hàm riêng biến thiên độ cao mực nước đất [3]:

t h Ss W z h T z y h T y x h T

x xx yy zz 

Nguyễn Sơn Tống Phúc Tuấn

162

Để giải phương trình (1), phải tìm hàm số h(x, y, z,t ) thoả mãn (1) thoả mãn điều kiện biên Sự biến động giá trị h theo thời gian xác định chất dòng chảy, từđó tính trữ lượng lớp chứa nước hướng dịng chảy Việc tìm lời giải giải tích h(x, y, z , t)của phương trình (1) thực miền nghiên cứu mô tường minh hàm toán học Tuy nhiên thực tế, miền thấm có điều kiện phức tạp, người ta buộc phải giải phương pháp gần Có nhiều phương pháp giải phương trình (1), mơ hình Modflow sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn theo chiều [4]

Các điều kiện biên tham số khơng thể thiếu tính tốn chia thành nhóm: nhóm biên theo phương ngang (các biên xung quanh miền tính tốn chủ yếu biên mô tả gia nhập dịng ngầm từ vùng lân cận); nhóm biên “nội” bề mặt (đối tượng điều kiện cấp/thoát nước đất; mực nước không đổi biển, hồ lớn; giếng hút ép nước); nhóm biên theo phương đứng liên quan tới yếu tốkhí tượng (lượng bốc thoát nước bổ cập)

2.2 Kết nghiên cứu đánh giá trữlượng khai thác nước đất

Đánh giá trữlượng khai thác phương pháp mơ hình số dựa sở giải phương trình vi phân, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn theo chiều môi trường lỗ hổng khơng liên tục Hiện có nhiều chương trình máy tính viết để giả vấn đề này, ởđây sử dụng phầm mềm MODFLOW Công ti Waterloo Hydrogeologic Hoa Kỳđi kèm với phần mềm Visual ModFlow Nội dung nghiên cứu thực qua bước: mơ hình hóa trường thấm; hiệu chỉnh mơ hình phù hợp với hệ thống giếng khoan có từcác đềtài trước đề tài [5] đưa kết mơ hình

2.2.1 Mơ hình hố trường thấm

Trên sở tổng hợp, phân tích tài liệu điều tra thăm dị địa chất, địa chất thuỷvăn tỉnh Quảng Trị từtrước đến chúng tơi tiến hành mơ hình hố điều kiện địa chất thuỷvăn vùng nghiên cứu sau:

* Trên bình đồ

Vùng nghiên cứu giới hạn phía Đơng biển, phía Tây gị đồi, địa hình có xu hướng dốc phía biển Phần trung tâm đồng nơi phát triển hai hệ thống sông, hệ thống sông Bến Hải hệ thống sông Quảng Trị Các tầng chứa nước cách nước có xu hướng dốc phía biển, vùng nghiên cứu sơ đồhố sau

Biên giới phía Đơng tầng chứa nước tiếp súc với biển mơ hình hoá biên loại I với H = const Cốt cao mực nước biên H = m

Ởphía Tây, nơi địa hình núi cao, tầng chứa nước lỗ hổng gối lên tầng chứa nước khe nứt không đồng hệ tầng Long Đại mô hình hố thành biên loại II Biên Q = Q = const, sẽđược xác hố việc giải tốn ngược mơ hình

Hệ thống sông Bến Hải Quảng Trị sẽđược sơ đồ hoá thành biên loại I biên loại III tuỳ thuộc vào kết chỉnh lí tốn ngược

* Trên mặt cắt

Mặt cắt nghiên cứu mơ hình hố thành hệ thống gồm lớp chứa nước cách nước [1] Lớp tầng chứa nước Holocen bao gồm toàn trầm tích phân bố khơng liên tục Thành phần thạch học cát thạch anh màu xám trắng, xám vàng, cát bột nguồn gốc biển, sơng, sơng biển, gió biển Chiều dày từ2,5 đến 20 m, trung bình 12 m Hệ số thấm biến đổi từ0,47 đến 16,31 m/ng, trung bình 5,22 m/ng, Hệ số nhảnước trọng lực 0,005

Khai thác bền vững tài nguyên nước đất vùng ven biển QuảngTrị bối cảnh biến đổi khí hậu

163 Chiều dày thay đổi 10 - 20 m, trung bình 15m, hệ số thấm nhỏ từ 0,0001 - 0,001 m/ng, hệ số nhảnước 0,0001

Lớp tầng chứa nước gồm trầm tích thống Pleistocen phân bố liên tục tồn vùng nghiên cứu Thành phần thạch học gồm cát thạch anh màu xám trắng, xám đen, cát lẫn sạn màu vàng, cuội sỏi, cát sét nguồn gốc sông, biển, sông biển mQ12, mQ11, aQ1, aQ11 amQ11 Chiều dày từ 10 - 25 m, hệ số thấm thay đổi từ 2,04 - 30,95 m/ng, trung bình 9,2 m/ng, hệ số nhảnước 0,0085

Lớp tầng chứa nước trầm tích Neogen phân bố khơng liên tục Thành phần thạch học gồm cát lần sét, cát hạt thô màu xám trắng, xám tro, sạn sỏi Ở trung tâm có chiều dày lớn kéo dài biển, phía Nam Bắc tầng chứa nước có chiều dày mỏng bị bào mịn tồn Chiều dày biến đổi từ10 đến 60 m Hệ số thấm thay đổi từ 8,06 - 37,69 m/ng, trung bình 15,53 m/ng, hệ số nhảnước 0,03

Lớp lót tầng chứa nước Neogen trầm tích O3 - S1 hệ tầng Long Đại Thành phần thạch học cát kết, bột kết chứa nước không liên tục, phụ thuộc vào phát triển hệ thống đứt gãy Trong giới hạn đồng chưa có lỗ khoan gặp nước tầng nên sơ đồ hoá thành lớp cách nước

* Lưới sai phân

Sử dụng lưới sai phân dạng vng 250 × 250 m với lưới tương ứng lớp theo mặt cắt đứng, phủ tồn diện tích vùng nghiên cứu khoảng 1200 km2 Những vị trí cần nghiên cứu chi tiết sử dụng lưới nhỏhơn, kích thước 50 × 50 m

* Yếu tố địa hình

Các yếu tố vềđịa hình gồm cốt cao bề mặt địa hình, cốt cao đáy lớp tầng chứa nước lấy sở đồđịa hình tỉ lệ 1:50000 hệ toạđộvà cao độnhà nước, độ cao tọa độ lỗ khoan thăm dò địa chất, địa chất thuỷvăn, phương án trước

* Yếu tố khí tượng, thuỷ văn

Giá trị bổ cập lượng mưa bốc lấy theo tài liệu quan trắc trạm khí tượng thuỷ văn Đơng Hà Các giá trịđưa vào mơ hình lấy theo số liệu trung bình 41 năm (1973-2013) yếu tốkhí tượng, với giá trị tổng lượng mưa trung bình năm 2366,7 mm/năm; lượng bốc trung bình năm 1303,9mm/năm [2] Mực nước sông lấy theo số liệu quan trắc trạm thuỷvăn Bến Hải, Đông Hà, Thạch Hãn, Quảng Trị [3]

Nguyễn Sơn Tống Phúc Tuấn

164

Mặt cắt nghiên cứu mơ hình hố thành hệ thống gồm lớp chứa nước cách nước (Hình Hình 3) Hệ số thấm hệ số nhả nước lấy từ số liệu Báo cáo tìm kiếm NDĐ vùng Hồ Xá, Đơng Hà, Tây Đơng Hà, Gio Linh [6-8]

Hình Mặt cắt dọc (A-A) mơ hình theo hệ số thấm K

Hình Mặt cắt ngang (B-B) mơ hình theo hệ số thấm K 2.2.2 Hiệu chỉnh mô hình

Trước dự báo trữlượng khai thác NDĐ, chúng tơi tiến hành giải tốn ngược để xác hố thơng sốđịa chất thủy văn xác định thí nghiệm thấm ngồi trời, kiểm tra biên điều kiện biên cho

Do điều kiện tài liệu không cho phép, ởđây chúng tơi tiến hành giải tốn ngược ổn định để chỉnh lí hệ số thấm điều kiện biên Hệ số nhảnước lấy theo tài liệu hút nước thí nghiệm chùm phương án thăm địa chất thủy văn trước đây, đồng thời vùng nghiên cứu khơng có mạng lưới quan trắc động thái mực NDĐ, nên mực nước đưa vào mơ hình để chỉnh lí chúng tơi lấy theo mực nước tĩnh đo lỗkhoan thăm dò địa chất, địa chất thuỷvăn từ phương án thăm dò trước [9, 10] lấy theo kết đợt khảo sát thực địa năm 2016 đềtài [5] Sau dựa vào cốt cao bề mặt địa hình từđó tính chuyển từ mực nước tĩnh sang cốt cao mực nước tầng chứa nước để chỉnh lí

Khai thác bền vững tài nguyên nước đất vùng ven biển QuảngTrị bối cảnh biến đổi khí hậu

165 trắc thực tế, sai số mơ hình với thực tếvượt giá trị cho phép lại lặp lại từđầu, cách thay đổi giá trị thông số thấm điều kiện biên Quá trình lặp lặp lại nhiều lần đến sai số mực nước mơ hình thực tếđạt giá trị cho phép dừng lại kết thúc tốn Trong q trình giải tốn ngược ổn định, biên phía Tây gán cho điều kiện Q = const

Nghiên cứu sử dụng 20 lỗ khoan để hiệu chỉnh Do lỗ khoan phải phân bố theo phương ngang theo phương thẳng đứng tầng chứa nước nguồn số liệu có hạn nên không lấy theo thời điểm, báo cáo tìm kiếm NDĐ mà lấy theo báo cáo tìm kiếm NDĐ phương án thăm dò trước [9, 10] lấy theo kết đợt khảo sát thực địa năm 2016 đề tài [5] Bộ thông số cần hiệu chỉnh bao gồm hệ số thấm theo phương ngang phương thẳng đứng Mực nước tính tốn mơ hình so sánh với tài liệu thực đo mực nước lỗ khoan Kết tính tốn trình bày (Bảng 1) (Hình 5), với sai số RMS 10.83 %, đạt yêu cầu

Bảng Mực nước ngầm lỗ khoan quan sát lỗ khoan tính tốn

Stt Kí hiệu lỗ khoan

Tọa độ lỗ khoan Lỗ khoan quan sát

(m)

Lỗ khoan tính tốn

(m)

X Y

1 LK604 716972 1894003 0.80 8.50

2 LK610 713245 1888710 1.75 1.80

3 LK404 710490 1891436 1.90 1.95

4 LK608 724179 1884229 1.00 1.10

5 LK605 716725 1880314 2.00 1.70

6 LK405 725194 1870163 3.00 3.50

7 LK423 732691 1863108 2.10 1.70

8 LK424 739057 1858975 2.00 2.40

9 LK429 728761 1855916 4.00 3.54

10 IIIB 744423 1852189 2.20 2.35

11 IVB 748004 1854321 1.70 1.40

12 VB 739188 1853189 3.00 2.60

13 QT3 718821 1869858 3.00 3.30

14 QT11 722461 1871802 2.20 2.00

15 QT 723577 1871584 2.10 1.80

16 LK432 726376 1873339 2.20 2.50

17 QT14 726695 1869090 2.10 2.45

18 VA 741646 1854313 2.10 2.40

19 IIA 742980 1848571 3.00 2.75

Nguyễn Sơn Tống Phúc Tuấn

166

Giá trị chênh lệch giới hạn cho phép xác định từ sai số:

- Các sai số từ số liệu nhập vào mơ hình đo máy GPS cầm tay: độ cao mặt đất, độ cao mực nước, độcao mái, đáy chiều dày tầng chứa nước, hệ số thấm nằm ngang thẳng đứng… lấy sai số = 0,3 m;

- Các sai số tính tốn thành phần cân nước sai số từlượng mưa, lượng bốc hơi, lượng nước cung cấp từsông, độ cao mực nước gán biên lấy = 0,2m

Với nhận xét giá trị chênh lệch cho phép ± 0,5m

Hình Sai số mực nước tính tốn lỗ khoan quan trắc 2.2.3 Kết quảđánh giá trữlượng khai thác nước đất

Sử dụng biên lượng mưa, bốc theo kịch biến đổi khí hậu, hiệu chỉnh mơ hình dựa theo tài liệu lỗ khoan có kết hợp với bổ sung đề tài, thay đổi từ cụm lỗ khoan (Đoàn Văn Cánh, 2002) sang cụm lỗ khoan cho thấy kết ranh giới xâm nhập mặn giảm trung bình từ 200 - 500 m, có ý nghĩa bối cảnh mực nước biển dâng Các kết cụ thể mơ hình gồm:

* Bố trí cụm lỗ khoan

Dựa vào phân bốvà đặc điểm tầng chứa nước triển vọng, dựa vào đặc điểm phân bố dân cư, dựa vào nhu cầu sử dụng nước địa phương, tầng chứa nước Pleistocen - Neogen khai thác bãi giếng tập trung với cơng suất khai thác trình bày Bảng Hình

Bảng Thiết kế khai thác bãi giếng Gio Linh Hải Lăng

Stt Tên bãi giếng Sốlượng LK

khai thác

Công suất khai thác m3/ngày

1 Gio Linh 11 17600