STT Thành phố/ Vùng Lượng nước đang khai thác (m3/ngày) Tài nguyên dự báo (m3/ngày) % khai thác so với tài nguyên 1 Đồng bằng Bắc Bộ 2.264.898,00 17.191.102,00 13,17 Trong đó: Hà Nội 1.779.398,00 8.362.000,00 21,27 2 Đồng bằng Nam Bộ 3.602.447,00 23.843.731,00 15,11 Trong đó: TP. Hồ Chí Minh 850.000,00 2.501.059,00 33,98 3 Tây Nguyên 985.000,00 18.489.000,00 5,33 4 Tây Bắc Bộ 5.000,00 15.521.338,00 0,30 5 Đông Bắc Bộ 20.000,00 27.995.378,00 0,07
6 Bắc Trung Bộ (Từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế) 1.000.000,00 8.941.093,00 5,84 7 Nam Trung Bộ (Từ Đà Nẵng đến Bình Thuận) 24.5000,00 8.941.093,00 0,27
Toàn lãnh thổ Việt Nam 10.531.243,00 172.599.897,00 6,10
Nguồn: Cục Quản lý Tài nguyên nước, Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước miền Bắc, miền Nam (2013)
Việt Nam tuy là quốc gia có nguồn nước ngầm chất lượng tốt với trữ lượng lớn nhưng ở nhiều nơi, nguồn tài nguyên này bị khai thác tập trung nên đang có mức sụt giảm nghiêm trọng. Tại Hà Nội và nhiều khu vực ở TP Hồ Chí Minh, mực nước ngầm đã giảm 30m so với mực nước tự nhiên. Tình trạng khai thác quá mức cũng diễn ra ở Tây Nguyên và vùng Đồng bằng sông Cửu Long.Theo đánh giá của các nhà khoa học, một số tầng nước ngầm hiện nay chỉ còn tồn tại được trong khoảng thời gian ngắn nữa.
Hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu đang và sẽ tác động không nhỏ đến tài nguyên nước. Tổng lượng mưa hằng năm dự kiến sẽ tăng ở khắp mọi nơi, có thể tăng 10% ở vùng Đồng bằng châu thổ sông Hồng vào năm 2050. Trái lại, trong các tháng mùa khô, nhất là ở các vùng phía Nam, lượng mưa bình quân dự kiến có thể giảm 20%. Mặt khác, mực nước biển dâng sẽ ảnh hưởng lớn đến Đồng bằng sông Cửu Long và TP Hồ Chí Minh, nhiều vùng ở Đồng bằng sông Hồng và một dải đồng bằng lớn ven biển. Những yếu tố trên đều tác động đến trữ lượng nguồn nước ngầm quốc gia, từ đó ảnh hưởng đến hoạt động khai thác nước ngầm của các địa phương. Nếu như trước kia, chỉ cần đào sâu khoảng 100m đã có thể khai thác được nguồn nước ngọt đáp ứng nhu cầu sinh hoạt. Tuy nhiên, hiện nay phải đào sâu gấp đôi và vẫn có một tỷ lệ lớn nguồn nước ngầm đó bị nhiễm mặn, nhiễm hóa chất không sử dụng được (Hồng Hiếu và Diễm Trang, 2016).
2.2. TỔNG QUAN ỨNG DỤNG PHẦN MỀM VISUAL MODFLOW TRONG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC NGẦM TRONG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC NGẦM
Visual MODFLOW được sử dụng trong nhiều nghiên cứu về chất lượng của nước ngầm. Đề tài này tiến hành ứng dụng phần mềm vào xây dựng mô hình đánh giá tài nguyên dự báo nước ngầm khu vực tỉnh An Giang.
Đánh giá tài nguyên dự báo nước ngầm khu vực (hay trữ lượng khai thác tiềm năng nước ngầm) để biết được tiềm năng nước ngầm một lãnh thổ nghiên cứu (một vùng thăm dò, một cấu trúc địa chất chứa nước, một lưu vực sông…).
Tài nguyên dự báo là lượng nước có chất lượng và giá trị xác định có thể nhận được trong giới hạn một cấu trúc địa chất thủy văn, một lưu vực sông hay một vùng lãnh thổ có tiềm năng khai thác sử dụng sau này.
Đối tượng đánh giá tài nguyên dự báo nước ngầm là các tầng nước ngầm trong giới hạn một cấu trúc địa chất thủy văn hay một thung lũng sông theo kết quả mô hình hóa điều kiện địa chất thủy văn khu vực.
2.2.1. Các phương pháp đánh giá trữ lượng nước ngầm
Theo Nguyễn Văn Đản (2013). trước khi có sự tác động của con người (quá trình khai thác nguồn nước ngầm), ta có phương trình đánh giá cân bằng trung bình nhiều năm của tầng nước ngầm: Tổng đến được hình thành từ tất cả các nguồn cung cấp bằng tổng đi được hình thành từ các thành phần thoát:
Qcc = Qph
Trong đó: Qcc là tổng lượng nước đến được cung cấp và Qph là tổng lượng nước đi do các thành phần thoát.
Tuy nhiên, quá trình khai thác nguồn nước ngầm sẽ làm xuất hiện một thành phần cân bằng mới làm thay đổi về chất của cấu trúc cân bằng. Thể hiện ở:
- Làm giảm thể tích nước trong tầng nước ngầm một lượng bằng ∆V - Làm tăng tổng lượng cung cấp đến đại lượng bằng Qcc + ∆Qcc. Do: + Chênh lệch áp lực dẫn đến quá trình thấm xuyên từ các tầng nước ngầm khác, lôi kéo nước từ sông…
+ Hạ thấp mực nước không áp, sự thấm cũng gia tăng do giảm thoát do bay hơi.
- Làm giảm tổng lượng phá hủy đến đại lượng bằng Qph -∆Qph. Do:
+ Nếu phá hủy tự nhiên diễn ra với sự chênh áp lực nào đấy trên ranh giới phá hủy (thoát nước vào sông, ao hồ, mạch lộ…) thì khi khai thác sẽ làm cho sự thoát ấy giảm dần và đi đến ngừng thoát.
+ Nếu sự thoát là do bốc hơi thì khi khai thác do hạ thấp mực nước mà sự bốc hơi cũng giảm, đến một độ sâu nào đấy thì bốc hơi ngừng hẳn.
Khi đó phương trình cân bằng tầng nước ngầm khi có hoạt động khai thác được viết như sau:
∆V + (Qcc+∆Qcc)tkt = (Qph - ∆Qph)tkt + Qkttkt
Trong đó Qkt là lưu lượng nước ngầm khai thác trong một đơn vị thời gian; tkt là thời gian khai thác.
Suy ra, phương trình cơ bản cân bằng trữ lượng khai thác có dạng: Qkt = + ∆Qph + ∆Qcc
QKTTN = α QTTN + QDTN + QBS
QTTN - trữ lượng tĩnh tự nhiên: Số lượng nước trong lớp. Đại lượng này phụ thuộc vào kích thước của thành tạo chứa nước (diện tích, chiều dày) và các thông số chứa (độ nhả nước). Đơn vị đo là khối lượng nhưng trong phương trình được xác định như lưu lượng (lấy ra theo thời gian khai thác) (m3/ngày ).
α - hệ số xâm phạm trữ lượng tĩnh. Để phục vụ khai thác ổn định, lâu dài thường cho phép lấy α= 0,3.
QDTN - trữ lượng động tự nhiên: Tổng đại lượng cung cấp của tầng nước ngầm trong điều kiện tự nhiên. Trữ lượng động là lượng nước lưu thông trong đất đá, lượng nước chảy qua tiết diện dòng thấm trong một đơn vị thời gian hay lượng nước được cung cấp hàng năm của tầng nước ngầm. Ví dụ như nước mưa hay nước mặt ngấm xuống bổ sung cho nước ngầm. Ngoài ra, để cho nước ngầm có thể lưu thông được ngoài nguồn bổ sung cần có miền thoát, nước thoát đi thường chậm hơn so với nguồn bổ sung, lượng nước thoát đi không kịp sẽ nâng cao mực nước của tầng nước ngầm. Ngược lại, khi nguồn bổ sung ngừng, quá trình thoát nước sẽ làm cho mực nước của tầng nước ngầm thấp dần xuống. Do đó lượng nước lưu thông trong tầng nước ngầm luôn luôn thay đổi theo thời gian ( m3/ngày).
QBS - trữ lượng cuốn theo: Khi khai thác, mực nước của tầng nước ngầm hạ thấp xuống có thể lôi cuốn nguồn nước khác vào trong tầng nước ngầm và tham gia vào lượng nước khai thác. Lượng nước bị cuốn trôi vào do quá trình khai thác gây ra, gọi là trữ lượng cuốn theo. Trong thực tế bao giờ cũng mong muốn chất lượng nước cuốn theo phải tốt để không ảnh hưởng tới chất lượng khai thác. Nhiều khi trữ lượng cuốn theo này vô cùng quan trọng, nó làm tăng đáng kể lượng nước khai thác. Tất nhiên để làm được vậy thì các lỗ khoan khai thác nước phải bố trí gần sông, nếu bố trí trong khu vực dân cư, nước cuốn theo từ các lớp chứa nước nằm nông sẽ không đảm bảo chất lượng vì lớp nước nằm nông thường dễ bị ô nhiễm. Có hai khả năng phát sinh nguồn trữ lượng cuốn theo:
- Trong miền cung cấp tự nhiên: Được tăng cường do hạ thấp mực nước khai thác.
- Trong miền thoát nước tự nhiên: Thu hồi dần phần thoát của nước ngầm từ các mạch lộ, do bay hơi.
đầy đủ nhất nhưng lại đòi hỏi sự chi tiết của các số liệu quan trắc, cần thể hiện được không chỉ thể tích chứa nước tĩnh, sự dao động của mực nước theo thời gian mà còn yêu cầu các số liệu về độ thấm, hệ số nhả nước đàn hồi, hệ số nhả nước trọng lực cho tất cả các tầng đất đá và sự phân bố của nó theo không gian.
Trữ lượng nước ngầm của một khu vực nào đó cũng có thể được tính toán dựa trên phương trình cân bằng nước, tức là trữ lượng khai thác được tính trên cơ sở lượng nước bổ cập và cho phép vi phạm một phần trữ lượng dự trữ, thường được sử dụng theo biểu thức:
QKTTN = αQĐTN +βQTTN
Trong đó:
- QĐTN - Trữ lượng động tự nhiên của nước ngầm; - QTTN - Trữ lượng tĩnh tự nhiên;
- α,β - Các hệ số cho phép khai thác (<1).
Đánh giá trữ lượng nước ngầm nhằm thu thập những tài liệu, số liệu chứng minh cho khả năng khai thác nước ngầm với lưu lượng và chất lượng đảm bảo yêu cầu trong thời gian khai thác tính toán khoảng 20 – 30 năm.
Đánh giá trữ lượng khai thác nước ngầm được tiến hành chủ yếu theo các phương pháp sau: phương pháp thuỷ động lực, phương pháp thuỷ lực, phương pháp cân bằng và phương pháp tương tự địa chất thuỷ văn. Hiện nay các phương pháp này được mô hình hoá và được xử lý bằng máy tính.
Trong thời gian gần đây, với sự phát triển của công nghệ thông tin cùng với các phương pháp giải sai phân và các tiến bộ về thủy động lực, một xu hướng mới trong việc đánh giá trữ lượng nước ngầm là sử dụng các mô hình toán để mô phỏng lại động thái của các thành phần nước ngầm. Có nhiều mô hình đã được xây dựng để mô tả dòng chảy nước ngầm, sự tham gia của nó vào dòng chảy mặt... Khi xây dựng mô hình sẽ đòi hỏi một khối lượng lớn các số liệu về các tầng nước ngầm, về điều kiện địa chất, địa chất thủy văn trên khu vực nghiên cứu cũng như các số liệu về hệ số thấm, hệ số nhả nước ...
2.2.2. Giới thiệu phần mềm Visual MODFLOW
Bộ phần mềm Visual MODFLOW bao gồm ba thành phần chính và nhiều mô-đun phụ trợ. Thành phần MODFLOW dùng để tính toán trữ lượng, chất lượng và phân bố dòng chảy ngầm. Thành phần ModPath có chức năng tính
hướng và tốc độ các đường dòng khi nó vận động xuyên qua hệ thống các lớp chứa nước. Thành phần MT3D phối hợp với MODFLOW có chức năng tính toán sự bình lưu, sự phân tán và các phản ứng hóa học khác nhau của các vật chất hòa tan trong hệ thống dòng chảy ngầm.
Bản phần mềm gốc do Nilson Guiguer, Thomas Franz, Partrick Delaney và Serguei Shmakov viết bằng ngôn ngữ FORTRAN. Phiên bản giao diện cho người sử dụng như hiện nay do hãng Waterloo Hydrogeologic cung cấp.
Phần mềm cung cấp cho người sử dụng các công cụ phân tích với một hệ thống menu được sắp xếp phù hợp. Các công cụ đồ họa này cho phép người dùng (Waterloo Hydrogeologic Inc, 2006):
- Nhanh chóng xác định phạm vi mô hình và lựa chọn các thông số;
- Thuận tiện trong việc gán các điều kiện thuộc tính và điều kiện biên của mô hình;
- Chạy các mô hình giả định đối với dòng chảy và quá trình lan truyền của các chất độc hại;
- Kiểm tra mô hình bằng tay hoặc bằng các phương pháp kỹ thuật tự động;
- Xác định vị trí, mức khai thác của các giếng và máy bơm một cách khách quan;
- Mô phỏng kết quả bằng hình ảnh 2D hoặc 3D.
Hình 2.4. Mô hình lan truyền chất độc hại dạng 3D được xây dựng bằng phần mềm Visual MODFLOW Flex
Đặc điểm của phần mềm MODFLOW:
- MODFLOW có nhiều mô-đun đảm nhận một thuộc tính riêng trong hệ thống thủy văn, như giếng, lượng bốc hơi, lượng bổ cập. Việc phân chia chức năng này cho phép người sử dụng phân tích các đặc tính thủy văn của mô hình một các độc lập;
- Mô hình MODFLOW là một trong những mô hình nước ngầm linh hoạt nhất và được sử dụng rộng rãi nhất;
- Được chú trọng sử dụng tại những khu vực có điều kiện địa chất thủy văn không đồng nhất vì mô hình cho phép sự thay thế các thuộc tính địa chất thủy văn theo chiều thẳng đứng giữa các tầng, cũng như dòng chảy ngang trong các tầng nước ngầm;
- Hệ thống ô lưới biến đổi ảnh hưởng đến tốc độ tính toán;
- Được áp dụng cho hàng trăm mô hình thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau, có thể xử lý được một lượng lớn dữ liệu các chất độc hại khác nhau, đồng thời các dữ liệu có thể sửa đổi trong quá trình lập mô hình.
2.2.3. Phương pháp tính toán
Luận văn sử dụng Hệ thống mô hình nước ngầm (GMS) của Aquaveo phiên bản 4.2 thiết lập mô hình số tại An Giang, trong đó mô-đun MODFLOW là trọng tâm đầu tiên để tính toán cân bằng nước trong phạm vi mô hình. MODFLOWsử dụng phương trình Darcy và phương pháp sai phân hữu hạn dòng chảy nước ngầm theo 3 chiều.
Lưới tính toàn trong MODFLOW được dựng theo cấu trúc của các mô- đun lập thể. Phép nội suy được triển khai với tùy chọn Matching Boundary. Điều này có nghĩa là mặt trên và mặt dưới của lưới bị biến dạng để phù hợp với các đỉnh và đáy của các khối. Các lớp lưới bên trong cũng bị biến dạng để phù hợp với ranh giới của các khối. Đặc tính địa chất ô lưới được thiết lập để phù hợp với các khối ở vị trí trung tâm của ô lưới. Tùy chọn The Boundary Matching tạo nên mức độ phù hợp tốt nhất giữa lưới tính toán và các khối địa tầng, đồng thời thể hiện được cấu trúc ban đầu tốt hơn.
Trong các công cụ thuộc tính của MODFLOW, Layer Property Flow được sử dụng để gán các thông số lớp và thực hiện tính toán từng cell một. Tính toán được triển khai trực tiếp và với điều kiện thay đổi theo thời gian. Trong trường hợp này ta sử dụng giải pháp Preconditioned Conjugate Gradient Method.
Các giải pháp cho điều kiện biên sau đây đã được sử dụng: Specific Head (Biên cột áp không đổi) và No Flow Boundary (Biên không có dòng chảy) được tích hợp vào mô-đun MODFLOW chính; ngoài ra còn sử dụng General Head Package GHPI (Cột áp chung) và Well Package (Giếng khoan khai thác).
Có ba giải pháp số có sẵn để thao tác với các điều kiện biên, đó là giải pháp dạng Dirichlet, Neumann và Cauchy. Giải pháp Dirichlet gồm một cột áp cụ thể mà áp xuất được xác định là một hàm của thời gian và không gian, và một cột áp không đổi ở một vị trí xác định. Biên được sử dụng là cột áp không đổi. Giải pháp Neumann gồm một dòng chảy cụ thể nơi mà lưu lượng dòng chảy thay đổi theo không gian và thời gian sẽ là một trườg hợp đặc biệt không có dòng chảy nơi lưu lượng dòng chảy bằng không. Biên được sử dụng là biên không có dòng chảy và biên giếng. Giải pháp Cauchy là một sự kết hợp của hai giải pháp trên và bao gồm một hàm lưu lượng phụ thuộc vào cột áp, biên bột áp chung được sử dụng trong mô hình là giải pháp kiểu Cauchy.
Phương trình cơ bản:
(2.1) Trong đó:
- Kx, Ky, Kz: Hệ số dẫn nước theo phương x, y, z
- W : Giá trị đại diện cho lượng bổ cập hoặc khai thác của nước ngầm tại
vị trí (x, y, z) ở thời điểm t;
- Ss:Hệ số nhả nước riêng của vật liệu xốp;
- h: Chiều cao cột áp tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t.
Phương trình cùng với các điều kiện biên, điều kiện ban đầu của tầng nước ngầm tạo thành một mô hình toán học về dòng chảy nước ngầm.
Hình 2.5. Ô lưới và các loại ô trong mô hình
Nguồn: water.usgs.gov/ogw/MODFLOW/
Để giải phương trình (2.1), người ta phải tìm hàm số h(x,y,z) thỏa mãn
(2.1) và thỏa mãn các điều kiện biên. Sự biến động của giá trị h theo thời gian sẽ xác định bản chất của dòng chảy, từ đó tính được trữ lượng của tầng nước ngầm cũng như tính toán các hướng của dòng chảy.
Việc tìm lời giải hàm số h(x,y,z) của phương trình (2.1) thực hiện được chỉ khi nào miền nghiên cứu được mô phỏng bằng sơ đồ toán học. Thực tế, miền thấm có điều kiện rất phức tạp, do đó người ta buộc phải sử dụng phương pháp gần đúng để giải phương trình (2.1). Có nhiều phương pháp giải phương trình (2.1), trong mô hình MODFLOW sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn