NƯỚC DƯỚI ĐẤT
3.1. Chọn phương pháp nghiên cứu khả năng khai thác NDĐ
Trước khi xác định khả năng khai thác NDĐ cuả vùng nghiên cứu cần phải làm rõ về khái niệm “Khả năng khai thác nước dưới đất”. Khi điều tra và đánh giá trữ lượng khai thác NDĐ và trữ lượng được xếp vào trữ lượng khai thác phải thỏa các điều kiện về kỹ thuật cơng nghệ hiện tại cho phép, giá thành nước hợp lý, chất lượng nước ổn định trong suốt thời gian khai thác, khơng làm suy thối chất lượng nước, cạn kiệt nguồn nước và khơng gây ra những tác động xấu đến mơi trường. Trữ lượng khai thác của một khu vực được tính thơng qua mực nước tính tốn với lưu lượng đặt ra trước. Nếu mực nước tính tốn nhỏ hơn mực nước hạ thấp cho phép được coi như phép tính đúng, lưu lượng ứng với mực nước hạ thấp thiết kế là trữ lượng khai thác của tầng chứa nước. Mực nước hạ thấp cho phép ở đây ta hiểu là mực nước tối đa cĩ thể hạ thấp trong quá trình khai thác, lưu lượng khai thác ứng với mực nước cho phép cĩ phải là trữ lượng khai thác cho phép, hay là khả năng khai thác của tầng chứa nước hay khơng. Do việc quy định về mực nước hạ thấp cho phép đến nay chưa cĩ sự thống nhất, điều đĩ cĩ nghĩa là trữ lượng khai thác cho phép hay khả năng cho phép khai thác cũng chưa thống nhất.
Theo các nhà khoa học Liên Xơ, mực nước hạ thấp cho phép là mực nước được xác định phụ thuộc vào các yếu tố ĐCTV và điều kiện kinh tế kỹ thuật. Hầu hết các trường hợp, mực nước cho phép được tính đến chiều
sâu mực nước động khi khai thác mà khơng vượt quá chiều cao nâng nước cuả máy bơm, nghĩa là cột nước trong cơng trình khai thác phải đủ để máy bơm hoạt động bình thường. Đối với các tầng chứa nước áp lực phân bố ở sâu chỉ cần chú ý đến yếu tố kinh tế kỹ thuật. Mực nước cho phép được xác định đối với tầng chứa nước khơng áp hoặc áp lực nơng thường lấy bằng 50 % đến 70 % bề dày tầng chứa nước; đối với tầng chứa nước cĩ áp lấy bằng trị số áp lực đến mái tầng chứa nước cộng với 50 % đến 70% bề dày tầng chứa nước. Theo Cục quản lý nước thuộc Bộ Tài nguyên và Mơi trường, mực nước hạ thấp cho phép các tầng chứa nước cĩ áp là chiều sâu mực áp lực tính đến mái tầng chứa nước, đối với tầng chứa nước khơng áp là lấy bằng 50 % bề dày tầng chứa nước. Với điều kiện chung là khơng chú ý đến sụt lún mặt đất và khả năng lan truyền ơ nhiễm trong quá trình khai thác nguồn nước[34].
Ngồi khái niệm mực nước hạ thấp cho phép cịn cĩ một số quan điểm khác, theo giáo sư J.H.Kop người Hà Lan đưa ra khái niệm “ Trữ lượng khai thác lớn nhất” là lượng nước cĩ thể khai thác với mực nước hạ thấp lớn nhất, diện tích vùng cấp cuả tầng chứa nước lớn nhất, lượng nước thốt ra khỏi tầng chứa nước bằng khơng và khơng chú ý đến sự xâm nhập của nước chất lượng nước xấu vào tầng chứa nước[55]. Theo giáo sư Nguyễn Kim Cương, khả năng khai thác của các tầng chứa nước bao gồm trữ lượng động và trữ lượng cuốn theo, ở những vùng các loại trữ lượng trên hạn chế cĩ thể lấy thêm 30 % trữ lượng tĩnh, nhưng chỉ tính tốn khả năng khai thác của các tầng chứa nước trong thời gian 25 năm[6].
Từ những phân tích trên chúng ta cĩ thể thấy nếu việc tính khả năng khai thác của NDĐ dựa trên mực nước hạ thấp cho phép như trình bày ở trên để đưa vào xây dựng kế hoạch khai thác sử dụng TNN theo hướng bền vững thì khĩ lường trước được những hậu quả bất lợi, để khắc phục chúng đối với NDĐ là vơ cùng khĩ khăn, tốn kém.
Cách tiếp cận cuả luận án về khả năng khai thác NDĐ là lượng nước cĩ thể khai thác được lớn nhất của tầng chứa nước với mực nước hạ thấp tối đa, bảo đảm an tồn nguồn nước và duy trì hoạt động cuả các cơng trình khai thác nước hiện cĩ trong khu vực nghiên cứu và ít tác động đến mơi trường xung quanh trong giới hạn cho phép.
Hiện nay, các phương pháp thường dùng để xác định khả năng khai thác cuả NDĐ cĩ thể dùng độc lập hay phối kết hợp của các phương pháp thủy lực, phương pháp cân bằng, phương pháp thủy động lực và phương pháp mơ hình hĩa. Tùy thuộc vào mức độ phức tạp của điều kiện ĐCTV của vùng nghiên cứu, mức độ nghiên cứu và yêu cầu của kết quả tính tốn trữ lượng chọn phương pháp tính cho hợp lý. Ở những vùng nghiên cứu cĩ điều kiện ĐCTV đơn giản thường dùng phương pháp cân bằng, phương pháp thủy động lực. Ở những vùng cĩ điều kiện ĐCTV phức tạp thì cĩ thể sử dụng phương pháp thủy động lực và phương pháp mơ hình hĩa.
Vùng nghiên cứu cĩ điều kiện ĐCTV rất phức tạp và là nơi cĩ rất nhiều cơng trình khai thác nước. Vùng nghiên cứu đã cĩ nhiều cơng trình nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu được sử dụng là tất cả các phương pháp đã nêu ở trên. Khối lượng cũng như chất lượng tài liệu đã cĩ hiện nay là đáng tin cậy. Bên cạnh đĩ phần mềm Modflow đã được áp dụng phổ
biến trên thế giới và nước ta cho kết quả đáng tin cậy. Mặt khác phần mềm này cĩ thể sử dụng miễn phí. Từ những phân tích trên phương pháp mơ hình hố bằng phần mềm Modflow được chọn để xác định khả năng khai thác NDĐ của vùng nghiên cứu.
3.2. Cơ sở lý thuyết mơ hình dịng chảy nước dưới đất 3.2.1. Mơ hình tốn học
Sự thay đổi độ cao mực nước của NDĐ được biểu diễn bằng phương trình đạo hàm riêng duy nhất sau:
t h S W z h K z y h K y x h K x xx yy zz s (3.1)
Trong đĩ: Kxx , Kyy , Kzz là hệ số thấm theo phương x,y, z (m/ngày); h-cốt cao mực nước ở vị trí x,y,z (m) tại thời điểm t; W-mơ đun dịng ngầm (lượng bổ cập hay thốt) của NDĐ tại vị trí (x,y,z) và thời điểm t. S- độ nhả nước và Ss = Ss(x,y,z), Kxx = Kxx(x,y,z), Kyy = Kyy(x,y,z), Kzz = Kzz(x,y,z) là các hàm phụ thuộc vào vị trí khơng gian x,y,z. Phương trình (3.1) mơ tả động thái mực nước trong điều kiện mơi trường khơng đồng nhất và dị hướng. Phương trình này cùng với các điều kiện biên, điều kiện ban đầu của tầng chứa nước tạo thành một mơ hình tốn học về dịng chảy NDĐ.
3.2.2. Điều kiện biên
Việc xác định điều kiện biên trong xây dựng mơ hình hệ thống NDĐ đĩng vai trị rất quan trọng và thường gặp 3 loại điều kiện biên chính như sau:
Điều kiện biên loại I: là điều kiện biên mực nước được xác định trước (cịn gọi là điều kiện biên Dirichlet). Đĩ là ơ mà mực nước được xác định trước và giá trị này khơng đổi trong suốt bước thời gian tính tốn.
Điều kiện biên loại II: là điều kiện biên dịng chảy được xác định trước (cịn gọi là điều kiện biên Neumann). Đĩ là các ơ mà lưu lượng dịng chảy qua biên được xác định trước trong suốt bước thời gian tính tốn. Trường hợp khơng cĩ dịng chảy thì lưu lượng được xác định bằng khơng.
Điều kiện biên loại III: là điều kiện biên lưu lượng trên biên phụ thuộc vào mực nước (cịn gọi là điều kiện biên Cauchy hoặc biên hỗn hợp). Các dạng biên thường gặp biên sơng, biên kênh thốt, biên bốc hơi và giếng khoan hút nước.
3.2.3. Phương pháp giải
Để giải phương trình (3.1) tức là đi tìm hàm số h(x,y,z,t) thoả mãn phương trình và thoả mãn các điều kiện biên. Biết được sự thay đổi của (h) theo thời gian tức là xác định bản chất của dịng chảy, từ đĩ cĩ thể xác định được trữ lượng và hướng của dịng ngầm. Trong thực tế phương trình (3.1) khơng thể giải được bằng phương pháp giải tích thơng thường mà buộc phải giải bằng phương pháp gần đúng và phương pháp thường dùng là phương pháp sai phân hữu hạn. Phương pháp sai phân hữu hạn là phương pháp chia nhỏ vùng nghiên cứu thành nhiều ơ nhỏ và ở mỗi ơ được coi là đồng nhất và tất cả các giá trị tham gia vào tính tốn được coi là khơng đổi. Từ đĩ người ta đưa phương trình (3.1) về một hệ phương trình tuyến tính và số phương trình đưa vào tính tốn bằng số ơ được chia (Hình 3.1). Cấu trúc ĐCTV được phân chia theo chiều thẳng đứng (z) thành các
lớp chứa nước và mỗi lớp chứa nước lại được chia thành các ơ nhỏ hơn. Để thuận tiện trong tính tốn, người ta lấy trục x,y làm chiều của lưới ơ. Các ơ cĩ hoạt động của NDĐ sẽ được đánh dấu “hoạt động”, ở đây mực nước thay đổi và ơ này sẽ tham gia vào quá trình tính tốn. Những ơ khơng hoạt động của NDĐ thì được đánh dấu là “khơng hoạt động”
Hình 3.1 - Ơ lưới và các loại ơ trong mơ hình
Đánh giá kết quả hiệu chỉnh mơ hình:
Đến nay vẫn chưa cĩ một tiêu chuẩn chung để đánh giá kết quả hiệu chỉnh mơ hình (National Research Council, 1990). Việc đánh giá sai số giữa mực nước mơ hình (mực nước tính tốn) và mực nước quan trắc (mực nước thực tế) là một chỉ tiêu rất tốt, tuy nhiên khơng phải lúc nào cũng
thực hiện dễ dàng. Mục đích cuối cùng của bài tốn chỉnh lý là cực tiểu hĩa giá trị sai số. Cĩ 3 loại sai số để đánh giá sự sai khác mực nước giữa quan trắc và mơ hình là:
Sai số trung bình (ME) là sai số trung bình giữa mực nước quan trắc (hm) và mực nước mơ hình (hs):
ME = 1/n (hm - hs) (3.2) Trong đĩ: n là số điểm chỉnh lý
Sai số tuyệt đối trung bình (MAE) là giá trị trung bình tuyệt đối giữa hiệu số mực nước quan trắc và mực nước mơ hình:
MAE = 1/n (hm - hs) (3.3)
Sai số trung bình quân phương (RMS) hay là độ lệch chuẩn được tính theo cơng thức:
RMS = [1/n (hm - hs)2]0,5 (3.4)
Sai số MAE và RMS là chỉ tiêu tốt để đánh giá chất lượng của mơ hình.
3.3. Xây dựng mơ hình dịng chảy nước dưới đất 3.3.1. Phân chia các lớp của mơ hình
3.3.1.1. Phân lớp của mơ hình
Dựa vào đặc điểm ĐCTV, mơ hình dịng chảy NDĐ vùng nghiên cứu được xây dựng gồm 6 lớp để mơ phỏng các tầng chứa nước như sau:
Lớp 1: Tương ứng với tầng chứa nước Holocen và phần hạt mịn phía trên của tầng chứa nước Pleistocen. Lớp này được xem là lớp thấm nước yếu nằm trên cùng của mơ hình. Chiều dày từ 30-40 m ở phía Nam Bình Chánh, Nhà bè và Bến Lức, dày từ 20-30m phân bố ở Bình Chánh, phía
Nam Quận 2, Quận 7 và phía Nam Đức Hịa, dày 5-15 m phân bố ở Hĩc Mơn, Củ Chi, Thủ Đức và phía Nam Bình Dương. Hệ số thấm thẳng đứng của lớp này được thí nghiệm từ các lỗ khoan cho giá trị từ 0,001 đến 0,002 m/ngày.
Lớp 2: Tương ứng phần hạt thơ chứa nước của tầng chứa nước Pleistocen. Chiều dày thay đổi từ 3,2-72,0 m và dày nhất gặp ở Bình Chánh, Bến Lức (45-69m), nhỏ hơn 25,0 m phân bố ở Củ Chi, Hĩc Mơn và khu vực nội thành. Hệ số dẫn nước từ 544 m2/ngày đến 1.508 m2/ngày. Độ nhả nước đàn hồi thay đổi từ 5,12x10-4 đến 4,31x10-3, Độ nhả nước trọng lực trung bình 0,257. Hệ số thấm ngang từ 20-30 m/ngày phân bố từ phía Tây Bình Chánh, Bến Lức, phía Nam Nhà Bè, Quận 7 kéo xuống Cần Giờ, từ 10-15 m/ngày là khá phổ biến.
Lớp 3: Tương ứng với phần hạt mịn nằm trên cùng của tầng chứa nước Pliocen trên và được xem như là lớp thấm nước yếu. Chiều dày từ 5- 10 m phân bố hầu khắp thành phố và vùng phụ cận thành phố, từ 10-34 m gặp ở Nhà Bè, Bình Chánh. Hệ số thấm của các mẫu đất thí nghiệm trong phịng lấy từ các lỗ khoan thay đổi từ 0,000162 đến 0,15 m/ngày, từ kết quả phân tích thí nghiệm bơm cho hệ số thấm thẳng đứng từ 0,002 đến 0,978 m/ngày.
Lớp 4: Tương ứng phần hạt thơ chứa nước của tầng chứa nước Pliocen trên. Bề dày lớp thay đổi từ 20-30 m gặp ở Thủ Đức, và phần Đơng bắc Củ Chi, từ 40-80 m phát triển rộng khắp thành phố; dày lớn hơn 80 m gặp ở Bình Chánh và phần phía Tây nam Nhà Bè và Bến Lức. Hệ số dẫn nước thay đổi từ 500 m2/ngày đến 1.000 m2/ngày gặp ở nội thành, Hĩc Mơn, Gị
Vấp, từ 1.000 m2/ngày đến 1.500 m2/ngày gặp ở Củ Chi, Bình Chánh, Nhà Bè, Bến Lức và Cần Giờ. Độ nhả nước đàn hồi thay đổi từ 2,54x10-4 đến 2,14x10-2, Độ nhả nước trọng lực trung bình 0,268. Hệ số thấm ngang từ 5- 15 m/ngày gặp ở phần Đơng Bắc thành phố, từ Bình Mỹ-Củ Chi về Hĩc Mơn, Tân Bình và Nhà Bè. Hệ số thấm từ 2-30 m/ngày phân bố phía Tây bắc Củ Chi kéo qua Đức Hịa và về phía Tây bắc Bình Chánh.
Lớp 5: Tương ứng với phần hạt mịn nằm trên cùng của tầng chứa nước Pliocen dưới và được xem như là lớp thấm nước yếu. Chiều dày lớp thay đổi từ 5-10 m phân bố hầu khắp thành phố, dày từ 10-34 m gặp ở Nhà Bè, Bình Chánh và vùng lân cận. Hệ số thấm thẳng đứng của lớp này theo kết quả thí nghiệm từ các lỗ khoan cĩ giá trị từ 0,0001 đến 0,0002 m/ngày.
Lớp 6: Tương ứng phần hạt thơ chứa nước của tầng chứa nước Pliocen dưới. Chiều dày từ 20-50 m gặp phía Đơng nội thành và huyện Nhà Bèø, chiều dày từ 50-100 m phát triển rộng khắp thành phố, dày lớn hơn 100 m gặp ở Bình Chánh, Bến Lức. Hệ số dẫn nước từ 544 m2/ngày đến 1.508 m2/ngày. Độ nhả nước đàn hồi thay đổi từ 5,12x10-4 đến 4,31x10-3, Độ nhả nước trọng lực trung bình 0,259. Hệ số thấm ngang từ 5-10 m/ngày gặp ở Quận 2, phần cịn lại hệ số thấm thay đổi từ 10-15 m/ngày.
3.3.2. Dữ liệu đầu vào mơ hình 3.3.2.1. Chiều sâu phân bố các lớp
Độ cao nĩc của lớp 1 là cao độ mặt đất được xác định từ bản đồ địa hình tỉ lệ 1:100.000. Đáy của lớp 1 và mái và đáy của các lớp cịn lại, sử
dụng tài liệu của khoảng 120 cột địa tầng giếng khoan (Phụ lục 3) để xác định. Các khu vực khơng cĩ cột đia tầng giếng khoan tham khảo từ các tài
liệu nghiên cứu trước đây về đẳng mái và nĩc các tầng chứa nước[23], sau đĩ dùng phần mềm Surfer để nội suy mái và đáy của các lớp cho tồn diện tích vùng xây dựng mơ hình.
3.3.2.2. Các thơng số địa chất thủy văn
Các thơng số ĐCTV được đưa vào mơ hình gồm Hệ số thấm (Kh- chiều ngang và Kv- theo chiều đứng), Độ nhả nước đàn hồi (Ss) và Độ nhả nước trọng lực (Sy).
+Hệ số thấm:
Hệ số thấm ngang (Kh) của các lớp chứa nước được tính từ các tài liệu bơm hút nước thí nghiệm [23]. Từ giá trị hệ số thấm của các lỗ khoan, dùng phần mềm Surfer để nội suy cho tồn vùng xây dựng mơ hình. Hệ số thấm thẳng đứng của các lớp chứa nước lấy bằng 1/10 hệ số thấm nằm ngang và sẽ được thay đổi phù hợp khi hiệu chỉnh mơ hình.
Hệ số thấm thẳng đứng (Kv) của các lớp thấm nước yếu được lấy theo kết quả thí nghiệm thấm các mẫu đất trong vùng nghiên cứu [23] và sẽ thay đổi cho phù hợp trong quá trình hiệu chỉnh mơ hình.
+Độ nhả nước trọng lực:
Độ nhả nước trọng lực (Sy) là thể tích nước cĩ thể chảy ra tự do từ một đơn vị thể tích đất đá bão hịa nước. Đối với lớp 1, 3, 5 cĩ thành phần là sét, bùn sét, bột, bột cát lấy bằng 0,06 (J.Boonstra và N.A de Ridder, 1981). Lớp 2, 4, 6 lấy theo kết quả nghiên cứu của Đỗ Tiến Hùng (2001) lần lượt là 0,257, 0,268 và 0,259. Các giá trị này sẽ được điều chỉnh trong quá trình hiệu chỉnh mơ hình.
+Độ nhả nước đàn hồi:
Độ nhả nước đàn hồi (Ss) là thể tích nước nhả ra từ một thể tích tầng