NGHIÊN CỨU LÚN MẶT ĐẤT DO KHAI THÁC
NƯỚC DƯỚI ĐẤT
2.1. Tổng quan về nghiên cứu trữ lượng nước dưới đất
Để giải quyết các vấn đề khai thác và sử dụng NDĐ của một lãnh thổ, nội dung chủ yếu trong nghiên cứu ĐCTV gồm: (i) xác định sự phân bố khơng gian theo diện, theo chiều sâu, đánh giá lượng và chất của NDĐ; (ii) làm rõ nguồn gốc, lịch sử hình thành, phát triển và biến đổi của NDĐ và (iii) nghiên cứu các quy luật hình thành thành phần của NDĐ. Trong đĩ vấn đề đánh giá trữ lượng NDĐ là khĩ khăn và phức tạp nhất. NDĐ khác với các khống sản cĩ ích khác (sắt, than, dầu và khí…) khi đánh giá trữ lượng là: (1) trữ lượng NDĐ được phục hồi và khơng bị mất đi hồn tồn khi khai thác. Trong nhiều trường hợp trữ lượng cịn được bổ sung thêm làm tăng gía trị cung cấp cho NDĐ và khai thác cĩ thể làm thay đổi tận gốc điều kiện cung cấp và thốt của NDĐ; (2) sự vận động của NDĐ cĩ liên quan chặt chẽ với mơi trường xung quanh, thể hiện ở điều kiện biên trên bình diện và trên mặt cắt. Mối liên hệ chặt chẽ giữa NDĐ và mơi trường xung quanh cũng như giữa các tầng chứa nước với nhau cĩ thể làm thay đổi chất lượng nước khi khai thác; (3) khi khai thác tại một nơi nào đĩ cĩ thể làm ảnh hưởng đến mực nước và chất lượng nước ở những vùng cách xa tới hàng chục kilơmét và (4) lưu lượng khai thác hợp lý khơng chỉ phụ thuộc vào lượng nước chứa trong tầng, chảy vào tầng trong điều kiện
tự nhiên mà cả vào tính thấm của đất đá chứa nước. Do đĩ khi xác định khả năng khai thác nước phải chú ý đến hai khía cạnh là cân bằng nước quyết định khả năng cung cấp trong quá trình khai thác nước và thủy động lực của nước quyết định về kỹ thuật khai thác nước hợp lý bằng các cơng trình [34].
Việc nghiên cứu trữ lượng NDĐ liên quan chặt chẽ với việc nghiên cứu và hồn thiện phương pháp đánh giá chúng, những hiểu biết về quy luật thấm trong điều kiện ĐCTV khác nhau. Phương pháp đánh giá trữ lượng khai thác NDĐ mới được nghiên cứu trong những năm 20-30 của thế kỷ XX (ở Liên Xơ cũ). Sự hiểu biết về trữ lượng NDĐ được phát triển theo hai hướng một là nghiên cứu trữ lượng tĩnh, trữ lượng động và hai là nghiên cứu trữ lượng khai thác[34].
Năm 1887-1888, V.G.Sukhov, E.K.Kiorre và K.Le.Lemke đã đi sâu nghiên cứu đánh giá trữ lượng động tự nhiên của NDĐ bằng việc nghiên cứu lượng NDĐ thốt vào mạng sơng suối. Năm 1930 N.X.Gokabev và D.I.Segobev đã đánh giá trữ lượng động tự nhiên qua nghiên cứu mơđun và hệ số dịng ngầm. Năm 1937-1938 Ph.A.Makarenko đã đánh giá trữ lượng động tự nhiên theo tài liệu dịng kiệt của những con sơng. Năm 1949, phương pháp cân bằng nước đã được áp dụng nghiên cứu giá trị cung cấp thấm của NDĐ. Những năm sau này nhiều nhà khoa học đặc biệt là các nhà khoa học Liên Xơ đã cĩ rất nhiều đĩng gĩp cho việc nghiên cứu phương pháp đánh giá trữ lượng động tự nhiên và nguồn cung cấp cho NDĐ [34].
Nghiên cứu về trữ lượng khai thác NDĐ được bắt đầu từ những năm 30 và được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất vào đầu những năm 50 khi cơng nghiệp phát triển, nhu cầu nước nhiều hơn. Cơ sở khoa học để đánh giá trữ lượng khai thác là lý thuyết chuyển động ổn định. Trữ lượng khai thác NDĐ được đánh giá bằng phương pháp thủy lực qua việc xác định lưu lượng của dịng thấm tự nhiên, tính tốn cơng suất các lỗ khoan theo đường cong lưu lượng và tính tốn sự tương tác lẫn nhau giữa các lỗ khoan. Từ thực tiễn và tổng hợp thí nghiệm thăm dị NDĐ trong các điều kiện ĐCTV khác nhau, phân tích quá trình làm việc các cơng trình khai thác nước lớn đã chứng minh rằng phương pháp thủy lực và phương pháp cân bằng sử dụng để đánh giá trữ lượng dựa trên lý thuyết chuyển động ổn định trong nhiều trường hợp là khơng phù hợp với điều kiện tự nhiên cụ thể.
Năm 1959, N.I.Plotnikov đã nghiên cứu phân loại các mỏ NDĐ đầu tiên và cơng trình này cĩ ý nghĩa rất lớn đối với sự phát triển học thuyết về trữ lượng NDĐ. Cũng trong thời gian này khái niệm về điều kiện biên của các lớp chứa nước đã được sử dụng. Những dạng cơ bản của điều kiện biên của lớp chứa nước đã được Ph.M.Botrever nghiên cứu và được N.N.Binđeman bổ sung. Từ phân tích điều kiện hình thành trữ lượng các loại mỏ NDĐ cho phép sử dụng phương pháp thủy động lực để tính tốn sự hoạt động của các cơng trình khai thác và xây dựng phương pháp thí nghiệm thấm. Trong giai đoạn này về nguyên tắc đã hình thành phương pháp mới đánh giá trữ lượng khai thác NDĐ trên cơ sở lý thuyết động thái đàn hồi và thấm khơng ổn định. Sau này khi đánh giá trữ lượng khai thác
NDĐ người ta bắt đầu chú ý đến quá trình thấm xuyên qua các trầm tích thấm nước yếu[34].
Trước những năm 60 việc nghiên cứu trữ lượng khai thác NDĐ (cả lý thuyết cũng như thực tế) chủ yếu tiến hành cho những vùng riêng biệt với mục đích cung cấp nước cho những đối tượng cụ thể. Sau năm 60 các cơng trình nghiên cứu, đánh giá dự báo trữ lượng NDĐ được tiến hành cho cả một khu vực lớn. Các nhà khoa học Liên Xơ (N.N.Binđeman, Ph.M.Botrever) đã thảo ra phương pháp đánh giá và đo vẽ lập bản đồ trữ lượng khai thác NDĐ-phương pháp cân bằng[34].
Ngồi các phương pháp nghiên cứu trữ lượng NDĐ như đã trình bày trên (phương pháp thủy lực, phương pháp thủy động lực, phương pháp cân bằng), phương pháp mơ hình tốn cũng đã được áp dụng rộng rãi trong thực tế nghiên cứu ĐCTV như cơng trình của V.M.Sextakov, I.K.Gavitr, I.E.Gienov…. Lúc đầu chủ yếu sử dụng mơ hình tương tự, những năm sau bắt đầu áp dụng các mơ hình số hoặc kết hợp mơ hình số với mơ hình tương tự.
Trong những năm gần đây việc nghiên cứu tiếp tục đi vào các khía cạnh cĩ liên quan đến vấn đề bảo vệ NDĐ khỏi bị cạn kiệt và nhiễm bẩn (Ph.M.Botrever, K.X.Bogoliubxki, N.N.Lapsin…); vấn đề dự báo chất lượng nước khi khai thác và luận chứng ĐCTV đới phịng hộ vệ sinh của cơng trình khai thác (Ph.M.Botrever, V.M.Gonberg, E.L.Minkin…); soạn thảo phương pháp đánh giá trữ lượng khai thác NDĐ để tưới (X.S.Mirdaev 1974); đánh giá ảnh hưởng của khai thác NDĐ đến dịng mặt và mơi trường xung quanh (E.L.Minkin 1973).
Ngồi các cơng trình nghiên cứu về trữ lượng NDĐ của các nhà khoa học Liên Xơ cũ cịn cĩ các nhà khoa học Châu Âu, Châu Mỹ. Năm 1935, Theis đã giải bài tốn xác định lượng nước chảy đếân lỗ khoan đơn trong lớp chứa nước cĩ áp trong mơi trường thấm khơng ổn định. Hantush và Jacob nghiên cứu quá trình chuyển động của nước tới lỗ khoan trong điều kiện thấm xuyên. N.Bunton nghiên cứu quá trình thấm tỏa tia phức tạp trong tầng chứa nước khơng áp. Năm 1976, Konikow đã sử dụng mơ hình sai phân hữu hạn hai chiều để nghiên cứu tầng chứa nước Madison thuộc lưu vực sơng Powder nằm ở vùng Tây nam của Montana Mỹ [48]. Năm 1986, Cooley và đồng nghiệp đã áp dụng mơ hình dịng ngầm hồi quy phi tuyến tính để mơ phỏng cho chính hệ thống NDĐ của vùng nghiên cứu này [48]. Năm 1994, Reilly và đồng nghiệp đã kết hợp sử dụng cả hai phương pháp đánh dấu mơi trường và mơ hình số để phân tích và đánh giá lượng cung cấp, hướng và thời gian vận động cuả dịng ngầm, nghiên cứu sự xáo trộn của hệ thống nước ngầm nơng gần vùng Locust về phía Đơng Maryland [49]. Lines (1976) đã dùng mơ hình sai phân hữu hạn hai chiều để dự báo sự thay đổi của tầng nước ngầm vùng phía Nam Wyong giai đoạn 1974-1979. Lindner và Reilly (1983), dùng mơ hình phân tán phân tử hữu hạn để phân tích tài liệu thí nghiệm nước ở Long Island, New York. Le Blanc (1984), dùng mơ hình hai chiều nghiên cứu sự di chuyển của lưỡi nước ơ nhiễm dài 6 km ở Cape Cod, Massachusetts. Garabedian (1986) đã dùng mơ hình ngược tự động do Cooley viết năm 1977-1979 để nghiên cứu tầng chứa nước bazan vùng Idaho. Kernodle và đồng nghiệp (1995), đã dùng mơ hình dịng ngầm ba chiều để nghiên cứu lưu vực Albuqueque ở
New Mexico [48]. Balley (1988) đã dùng mơ hình theo mặt cắt để nghiên cứu hệ thống dịng ngầm tại thung lũng Bear Creak ở Tennessee và dùng Modflow ở điều kiện ổn định để dự báo hướng vận động cuả dịng ngầm [48]. Eberts và Bair (1990) dùng mơ hình khơng gian ba chiều để nghiên cứu hệ thống NDĐ do tác động từ khai thác mỏ, tháo khơ mỏ và khai thác nước của thành phố tại Columbus, Ohio [48]. Barlow (1994), dùng mơ hình để nghiên cứu vùng cấp cho các giếng cấp nước cơng cộng ở Cape Cod, Massachusetts [48]. Fleck và Vroblesky (1996), dùng mơ hình dịng ngầm ba chiều để nghiên cứu NDĐ vùng đồng bằng ven biển phía Đơng bắc Mỹ[48]. Lambert (1996), dùng mơ hình ba chiều nghiên cứu ơ nhiễm NDĐ ở Utah [48]. A.Gieske, M.Miranzadeh (2000), dùng Modflow ở điều kiện ổn định để nghiên cứu tầng chứa nước Lenjenent thuộc lưu vực Zayanden Rud, Iran và nghiên cứu các thành phần lưu lượng tham gia vào cân bằng nước [48].
Ở nước ta vào những năm 60 của thế kỷ XX, được sự giúp đỡ của các chuyên gia Liên Xơ, cơng tác tìm kiếm, thăm dị và đánh giá trữ lượng NDĐ mới bắt đầu được chú ý. Các phương pháp đánh giá trữ lượng NDĐ được sử dụng là phương pháp thủy lực, thủy động lực, cân bằng và sau này phương pháp mơ hình. Kết quả nghiên cứu được trình bày chủ yếu trong các báo cáo tìm kiếm, thăm dị NDĐ. Đến năm 80 trên cơ sở áp dụng phương pháp giải tích hoặc mơ hình tương tự, một số nhà ĐCTV nước ta đã đánh giá trữ lượng NDĐ cho một số vùng cụ thể và kết quả nghiên cứu được trình bày trong các luận án tiến sĩ của Tơ Văn Nhụ, Đặng Hữu Ơn, Nguyễn Hồng Đức. Dùng phương pháp cân bằng để tính trữ lượng tiềm
năng và phương pháp mơ hình đánh giá trữ lượng khai thác cho cấp vùng và kết quả được trình bày trong Báo cáo NDĐ đồng bằng sơng Cửu Long (Vũ Văn Nghi và Trần Hồng Phú, 1987) và đồng bằng Bắc Bộ (Lê Văn Hiển và đồng nghiệp, 2000), Báo cáo NDĐ đồng bằng Nam Bộ (Đỗ Tiến Hùng và đồng nghiệp, 1998). Sau này cùng với sự phát triển của tin học, phương pháp mơ hình số được áp dụng để đánh giá trữ lượng khai thác NDĐ cho một cơng trình cụ thể và kết quả nghiên cứu được trình bày trong các bản luận án tiến sĩ của Đồn Văn Cánh, Vũ Văn Nghi, Nguyễn Đức Tiến, Phạm Quý Nhân, các báo cáo của Wim Boehmer (2000) [49], Đỗ Tiến Hùng (2001, 2004)[23, 24], Vũ Văn Nghi (2003), Phan Văn Tuyến (2004)[44], Nguyễn Thị Sinh (2002)[38]...
Đối với TP.HCM, cơng tác đánh giá trữ lượng NDĐ chỉ mới được thực sự quan tâm sau năm 1975. Các cơng trình nghiên cứu đánh giá trữ lượng chung cho cả Thành phố đáng chú ý là của Đồn Văn Tín (1989) về Báo cáo kết quả lập bản đồ ĐCTV-ĐCCT TP.HCM tỷ lệ 1/50.000. Tác giả đã dùng phương pháp cân bằng để tính trữ lượng khai thác tiềm năng của NDĐ và phương pháp thủy động lực đánh giá trữ lượng khai thác dự báo [40]. Đỗ Tiến Hùng (2001) về Báo cáo quy hoạch và sử dụng nước ngầm TP.HCM. Tác giả đã sử dụng phương pháp thủy động lực đánh giá trữ lượng khai thác của các tầng chứa nước, phương pháp cân bằng đánh giá trữ lượng khai thác tiềm năng và phương pháp mơ hình để nghiên cứu mực nước và khả năng xâm nhập mặn các tầng chứa nước. Ngồi ra cịn hàng loạt các cơng trình nghiên cứu cho riêng các tầng chứa nước, cho từng khu vực của Thành phố, cho các nhà máy nước như của Cơng ty tư vấn xây
dựng tổng hợp (2001) về Báo cáo kết quả nghiên cứu NDĐ cho cụm cấp nước khu cơng nghiệp Vĩnh Lộc-Bình Chánh [5]. Lê Thế Hưng (1999) về Báo cáo kết quả đánh giá trữ lượng cho nhà máy nước Gị Vấp [1]. Nguyễn Quốc Dũng (1998) về Báo cáo kết quả thăm dị sơ bộ NDĐ vùng Củ Chi-Hĩc Mơn [11]. Lương Quang Luân (1993) về Báo cáo kết quả tìm kiếm, đánh giá NDĐ vùng Bình Chánh [28]. Vũ Văn Nghi (1988) về Báo cáo tính trữ lượng NDĐ nhà máy nước Hĩc Mơn [31], năm 1994 về Báo cáo tính trữ lượng NDĐ nhà máy nước Bình Chánh [32] và năm 2003 về Báo cáo kết quả bước 1 thăm dị khai thác nước ngầm giai đọan 1 cơng suất 15.000 m3/ngày vùng Bình Chánh [33]. Trần Văn Lã (1998) về Đề án thăm dị NDĐ vùng xa lộ nam Sài Gịn [26 ]. Lê Thế Hưng (1997) về Báo cáo kết quả thăm dị kết hợp khai thác NDĐ vùng Bình Trị Đơng-Bình Chánh. Vương Đình Đước (2005) về Báo cáo kết quả nghiên cứu đánh giá tài nguyên NDĐ để cung cấp nước sinh hoạt cho nhân dân huyện Nhà Bè. Một số luận văn thạc sĩ của Phạm Ngọc Sang (2003), Phan Chu Nam (2003), Ngơ Đức Chân (2004). Một số cơng trình nghiên cứu dùng phương pháp cân bằng và phương pháp thủy động lực để tính trữ lượng khai thác tiềm năng và trữ lượng khai thác cho một cụm giếng thiết kế khai thác. Một số cơng trình dùng mơ hình trong đánh giá trữ lượng hoặc nghiên cứu sự thay đổi mực nước với trữ lượng khai thác đã tính ở Cụm giếng khai thác nước dưới đất khu cơng nghiệp Vĩnh Lộc, nhà máy nước Bình Hưng và các luận văn thạc sĩ khác.
Từ những thành tựu nghiên cứu về ĐCTV nĩi chung và trữ lượng NDĐ nĩi riêng trên thế giới, ở Việt Nam và ở thành phố Hồ Chí Minh cĩ thể rút ra một số kết luận như sau:
+ Phương pháp nghiên cứu đánh giá trữ lượng NDĐ ngày càng được cải thiện. Với thời đại cơng nghệ thơng tin, thành quả của ngành khoa học này đã được ứng dụng để cải tiến nhằm giải bài tốn rất phức tạp trong lĩnh vực ĐCTV. Đáng chú ý hiện nay cĩ nhiều phần mềm ứng dụng trong lĩnh vực ĐCTV (Modflow, GMS…), và chúng đã và đang trở thành phương pháp khơng thể thiếu trong nghiên cứu.
+ Trên địa bàn TP.HCM, phương pháp thường dùng đánh giá trữ lượng nước dưới đấtlà phương pháp cân bằng, thủy lực, phương pháp thủy động lực. Phương pháp mơ hình bước đầu được áp dụng nghiên cứu trữ lượng theo kịch bản khai thác hoặc kiểm chứng kết quả tính tốn trữ lượng của các phương pháp khác.
+ Vấn đề hiện nay cần được tiếp tục nghiên cứu: (i) khả năng khai thác NDĐ của cả Thành phố, của các khu vực trọng điểm. (ii) Với khả năng khai thác của NDĐ luận giải bố trí các cơng trình khai thác để cĩ thể khai thác được một lượng nước tối đa nhưng ít ảnh hướng đến mơi trường và đến chính nguồn nước.
2.2. Tổng quan về lún mặt đất do khai thác nước dưới đất
Hiện tượng LMĐ do khai thác NDĐ là khá phổ biến trên thế giới. LMĐ xảy ra ở những nơi tập trung khai thác với lưu lượng lớn, đất đá chứa nước là các trầm tích chưa cố kết hoặc bán cố kết và thường phân bố ở các đồng bằng châu thổ ven biển. Nhiều thành phố lớn trên thế giới đã và
đang phải chịu ảnh hưởng của LMĐ, nĩ đã gây ra bao nhiêu khĩ khăn và tổn thất khơng lường. Để hiểu về nĩ, dự báo, đề xuất các giải pháp phịng, chống và hạn chế đến mức tối đa tác động xấu, nhiều cơng trình nghiên cứu đã thực hiện và một số kết quả nghiên cứu đáng ghi nhận của các nhà khoa học của một số nước như sau.
Pratt and Johnson (1926), Doyel (1954), Winslow and Wood (1959), Gabrysch (1969) đã nghiên cứu LMĐ vùng Houston-Galvesto thuộc Texas cho thấy hệ thống NDĐ bị nén ở độ sâu nhỏ hơn 610,0 m từ mặt đất và xảy ra chủ yếu đối với các lớp đất hạt mịn.
Năm 1956, các nhà khoa học Mỹ đã triển khai nhiều chương trình nghiên cứu LMĐ ở khu vực Santa Clara và San Joaquin thuộc California và đã xác định được nguyên nhân chính gây ra LMĐ của vùng nghiên cứu là do khai thác NDĐ và khai thác dầu khí[56].
S.A.Leake (2002) đã cơng bố kết quả thống kê 13 khu vực bị LMĐ do khai thác nước vùng Tây nam của Mỹ (Arizona, Nevada, New Mexico, California, Texas) với độ lún từ nhỏ hơn 0,3 m đến 8,7 m.
Ở Nhật Bản LMĐ do khai thác NDĐ đã xảy ra các khu vực đồng