Nguồn: Emily S.Siegel (2014)
b. Biên kênh tiêu thoát nước (Drain)
Cơ chế hoạt động của loại biên này không khác mấy so với biên sông, ngoại trừ không có nguồn thấm từ kênh vào lớp chứa. Điều này cũng có nghĩa rằng dòng thoát ra khỏi kênh sẽ bằng không khi mực nước ở trong ô nhỏ hơn
hoặc bằng cốt cao đáy kênh:
Trong đó DBOT là cốt cao đáy kênh và hệ số sức cản thấm CD được tính tương tự như tính với sông.
c. Biên bốc hơi (Evapotranpiration)
Biên loại này đòi hỏi phải gán giá trị mô-đun bốc hơi lớn nhất RETM cho các ô xảy ra quá trình bốc hơi. Giá trị này đạt được khi mực nước trong ô bằng bề mặt địa hình (hs). Quá trình bốc hơi sẽ không xảy ra khi mực nước trong ô nằm dưới mực tính theo công thức:
d. Giếng hút nước hoặc ép nước (Well)
Để mô phỏng các giếng nước trên mô hình, lưu lượng của các lỗ khoan trong ô lưới được đặt là lưu lượng tổng cộng QWT. QWT chính bằng tổng lưu lượng của lỗ khoan đặt trong các lớp khác nhau.
e. Biên mực nước không đổi (Constant Head)
Các ô có mực nước không đổi là những ô mà tại đó mực nước được xác định như là đầu vào của mô hình, phải có ít nhất một ô có mực nước không đổi. Nó cung cấp mực nước tham khảo để tính toán các mực nước tại các ô khác trong mô hình.
f. Lượng bổ cập/ bổ sung nước ngầm (Recharge)
Thông thường lượng nước bổ cập này là do sự ngấm nước mưa hoặc từ nguồn tưới vào mô hình.
2.2.5. Ứng dụng phần mềm Visual MODFLOW đánh giá trữ lượng nước ngầm nước ngầm
Đã có nhiều dự án sử dụng phần mềm Visual MODFLOW để xây dựng mô hình nước ngầm theo ba chiều, qua đó đánh giá trữ lượng nước ngầm trong địa bàn nghiên cứu, phục vụ cho nhiều lĩnh vực như quy hoạch, khai thác, bảo vệ và đánh giá nguồn tài nguyên này, như:
- Dự án “Tác động của hoạt động khai thác nước ngầm đối với chuyển động của nước trong các tầng nước tại thung lũng Sacramento và xây dựng mô hình phân tích ảnh hưởng lẫn nhau giữa các tầng nước ngầm” của Kyle Morgado, Đại học Bang California, Hoa Kỳ, năm 2013. Các dữ liệu về chuyển động của dòng chảy tại Thung lũng Sacramento đã được xây dựng từ Dự án Thung lũng Trung tâm và Dự án Nước của bang. Các dữ liệu thu thập ở giai đoạn sau này được cân nhắc kỹ lưỡng để bổ sung cho mô hình số Modflow, gồm các nguồn cung cấp cho nước ngầm tại thung lũng Sacramento. Dự án tập trung vào tác động của việc khai thác nước ngầm tại thung lũng Sacramento, với mục đích gia tăng hiểu biết về nguồn nước ngầm từ đó có các biện pháp quản lý nguồn tài nguyên này hợp lý hơn. Dự án đã mô phỏng được sự tác động qua lại giữa các tầng nước ngầm và xây dựng được các kịch bản khai thác tác động đến nguồn nước ngầm.
- Dự án “ Xây dựng mô hình dòng chảy ngắn hạn đánh giá trữ lượng nước ngầm tại Aynalem (Mekele, Ethiopia)” của Gebrehaweria Gebrekirstos Teferi, năm 2009. Dữ liệu về đặc điểm địa chất thủy văn của các tầng nước ngầm được kế thừa từ các dự án trước của DEVECON và Water Work Design and Supervision Enterprise. Từ kết quả xây dựng mô hình số Modflow, dự án đưa ra ba kịch bản: thay đổi mực nước ngầm các tầng khi ngưng khai thác; tác động nếu duy trì khai thác trong vòng 05 và 10 năm kế tiếp; tác động khi mở rộng các giếng khai thác. Các kịch bản trên là cơ sở để đưa ra phương hướng quản lý và bảo vệ bền vững nguồn tài nguyên của địa phương.
- Dự án “Quản lý trữ lượng nước ngầm tại Mahvelat-Faizabad và tính toán phạm vi nhiễm mặn bằng phương pháp xây dựng mô hình” của Hossein Parsasadr, Vahid Nikpeyman và Hamid Reza Nassery, Iran, năm 2016. Các dữ liệu, số liệu sử dụng trong dự án chủ yếu được cung cấp bởi chuyên gia thủy lực vùng Khorasan Razavi. Mục đích chính của dự án là thông qua mô hình số Modflow xây dựng được, thực hiện nghiên cứu các kịch bản quản lý khác nhau như kịch bản đánh giá chất lượng nước ngầm để thay đổi tỷ lệ khai thác hay kịch bản kiểm soát khu vực nhiễm mặn trong khu vực nghiên cứu. Hai kịch bản được đưa ra trong dự án là: Dự đoán tình trạng nguồn nước ngầm trong 4 năm kế tiếp; Thay đổi lưu lượng khai thác nước ngầm tại các vùng mà tình trạng nguồn tài nguyên nước ngầm đang bị đe dọa và hiện tượng khai thác quá mức tại khu vực nước ngầm bị nhiễm mặn.
- Dự án “Khả năng áp dụng mô hình MODFLOW tính toán và dự báo trữ lượng nước ngầm miền đồng bằng tỉnh Quảng Trị” của Trần Ngọc Anh, Nguyễn Trần Hoàng, Nguyễn Thanh Sơn và Nguyền Tiền Giang, đăng trên Tạp trí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, năm 2009. Dự án đã xây dựng và ứng dụng thành công mô hình số Modflow, để tính toán tiềm năng nước ngầm theo các vùng và tiểu vùng trên miền đồng bằng tỉnh Quảng Trị và xây dựng bản đồ mô đun dòng ngầm phục vụ cho công tác quy hoạch và phát triển kinh tế xã hội trên khu vực. Đây cũng là tài liệu quan trọng phục vụ cho việc quy hoạch phát triển và bảo vệ nguồn tài nguyên nước ngầm của tỉnh, làm cơ sở cho việc quản lý khai thác nước ngầm trên địa bàn.
- Dự án “Đánh giá trữ lượng khai thác tiềm năng các tầng nước ngầm dưới đất tại thành phố Tam Kỳ, tỉnh Quảng Nam bằng phân mềm Visual MODFLOW” của Trần Thị Ngọc Quỳnh và Nguyễn Đình Tiến, đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, trường Đại học Khoa học Huế, năm 2014. Dựa trên cơ sở đánh giá khả năng cung cấp nước bằng phần mềm Modflow, dự án đã tính toán được lưu lượng nước ngầm có thể khai thác của khu vực nghiên cứu, từ đó đưa ra các kế hoạch, quy hoạch khai thác nước ngầm của địa phương, đảm bảo cho sinh hoạt và sản xuất.
Tuy vậy như tôi được biết thì cho đến nay chưa có nghiên cứu xây dựng mô hình cho hệ thống nước ngầm tỉnh An Giang.
PHẦN 3. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU
Đề tài thực hiện nghiên cứu trên địa bản tỉnh An Giang nằm ở miền Tây Nam Bộ với diện tích 3.536,76km2. Địa hình chủ yếu là đồng bằng bằng phẳng. Tỉnh có hai con sông lớn chảy qua là sông Tiền và sông Hậu, cung cấp một lượng nước lớn cho các hoạt động sinh hoạt và sản xuất hàng ngày của người dân. Ngoài nguồn nước mặt, nước ngầm cũng đóng một vai trò quan trọng đối với sự phát triển của tỉnh. Trên địa bàn tỉnh có sáu tầng nước ngầm là Holocen, Pleistocen thượng, Pleistocen trung-thượng, Pleistocen hạ, Pliocen trung và Pliocen hạ. Tuy nhiên do khai thác quá mức nên trữ lượng nước ngầm của tỉnh sụt giảm nhanh chóng trong những năm gần đây. Trước đây Liên đoàn Địa chất thủy văn 8 (nay là Liên đoàn Quy hoạch và điều tra tài nguyên nước miền Nam Bộ, Bộ Tài nguyên và Môi trường) đã tính toán trữ lượng nước ngầm cho địa bàn tỉnh nhưng chỉ bằng phương pháp tính toán trữ lượng tĩnh. Do đó cần có một mô hình toán để mô phỏng và đánh giá trữ lượng nước ngầm của tỉnh, đảm bảo cho phát triển bền vững.
3.2. THỜI GIAN NGHIÊN CỨU
- Thời gian thực hiện đề tài: từ tháng 12/2015 đến tháng 10/2016; - Thời gian thu thập số liệu: tháng 12/ 2015, tháng 1/2016.
3.3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tài nguyên nước ngầm tỉnh An Giang bao gồm: Điều kiện thủy văn, khí tượng, tình hình sử dụng và khai thác nước ngầm, đặc điểm địa chất thủy văn của các tầng nước ngầm.
3.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3.4.1. Khu vực nghiên cứu 3.4.1. Khu vực nghiên cứu
- Điều kiện tự nhiên tỉnh An Giang; - Tình hình sử dụng đất tỉnh An Giang; - Nhu cầu sử dụng nước tỉnh An Giang.
3.4.2. Địa chất
- Lịch sử thành tạo địa chất tỉnh An Giang; - Lỗ khoan thăm dò trên địa bàn tỉnh An Giang; - Mô tả địa chất tỉnh An Giang.
3.4.3. Địa chất thủy văn
- Phân tầng địa chất thủy văn: gồm 6 tầng nước ngầm và 6 tầng cách nước: tầng cách nước Holocen, tầng nước ngầm Holocen, tầng cách nước Pleistocen thượng, tầng nước ngầm Pleistocen thượng, tầng cách nước Pleistocen trung- thượng, tầng nước ngầm Pleistocen trung- thượng, tầng cách nước Pleistocen hạ, tầng nước ngầm Pleistocen hạ, tầng cách nước Pliocen trung, tầng nước ngầm Pliocen trung, tầng cách nước Pliocen hạ và tầng nước ngầm Pliocen hạ.
- Tình hình khai thác nước ngầm tỉnh An Giang.
3.4.4. Xây dựng mô hình
3.4.4.1. Nguyên lý mô hình
Sử dụng phần mềm Visual MODFLOW 4.2 với phương trình Darcy và phương sai phân hữu hạn dòng chảy nước ngầm theo 3 chiều để thiết lập hình số tại An Giang. Mô-đun MODFLOW được cho là trọng tâm đầu tiên để tính toán cân bằng nước trong phạm vi mô hình.
Trong đó Kxx, Kyy, Kzz là hệ số dẫn nước; S là hệ số nhả nước trọng lực và W là lượng nước khai thác hoặc bổ sung. Ý nghĩa các đại lượng trong phương trình trên cũng đã được trình bày ở mục 2.2.1.
3.4.4.2. Dữ liệu đầu vào
- Cấu trúc mô hình: Dựa vào điểm địa tầng liên quan đến lịch sử kiến tạo địa chất; Đơn vị tầng đá gốc chủ yếu là các đá trước Cenozoic; Các tầng nước ngầm Holocen, Pleistocen và Pliocen, v.v. với giá trị phân bố độ dày, giá trị các thông số địa chất thủy văn. Đặc điểm các vùng bổ cập nước ngầm.
- Điều kiện biên: Biên không có dòng chảy (giáp tầng đá mẹ và ranh giới vùng núi), biên áp lực nước ngầm từ các giếng khoan quan trắc nằm ở các tỉnh lân cận.
- Dữ liệu các giếng khoan khai thác trong địa bàn tỉnh.
- Bản đồ số độ cao (DEM), bản đồ mạng lưới sông ngòi và giao động mực nước
- Số liệu khí tượng về mưa, bốc hơi nước.
3.4.4.3. Thiết lập mô hình cấu trúc 3D
Groundwater trong ArcMap trước khi thiết lập mô hình nước ngầm MODFLOW. Mô hình 3D giúp ta có cái nhìn trực quan về cấu trúc địa tầng trong địa bàn nghiên cứu, kiểm tra trực quan các dữ liệu về cấu trúc địa chất thủy từ đó phân tích và thiết lập ranh giới các tầng nước ngầm với mức độ tin cậy cao hơn.
3.4.4.4. Thiết lập mô hình nước ngầm MODFLOW
Sử dụng phần mềm Visual MODFLOW phiên bản 4.2 thiết lập mô hình số tại An Giang. Dựa trên mô hình cấu trúc 3D thiết lập và kiểm tra ranh giới các địa tầng trong mô hình số. Xác định các biên và các thông số đặc trưng của từng địa tầng. Nhập dữ liệu của các giếng quan trắc và giếng bơm trên địa bàn tỉnh.
3.4.4.5. Hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình
Thực hiện điều chỉnh các giá trị thông số của từng tầng địa chất sao cho sự chênh lệch kết quả giữa mô phỏng và số đo quan trắc là nhỏ nhất.
3.4.5. Tính toán cân bằng nước tỉnh An Giang
Thực hiện tính toán cân bằng nước trên địa bàn tỉnh An Giang để xây dựng các kịch bản khai thác nước ngầm cho mô hình, từ đó giúp ta đánh giá, khai thác và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước ngầm nhằm mang lại lợi ích lâu dài và bền vững.
3.4.6. Tính toán cân bằng nước theo các kịch bản phát triển nguồn nước
Từ kết quả mô hình, thực hiện các kịch bản khai thác nước ngầm để đảm bảo tính ổn định của nguồn tài nguyên.
3.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.5.1. Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu, số liệu
• Thu thập các thông tin về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội tỉnh An Giang.
• Kế thừa bản đồ, bản vẽ địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu.
• Kế thừa số liệu độ cao của các tầng nước ngầm và các tầng cản nước khu vực nghiên cứu.
• Kế thừa giá trị các thông số địa chất thủy văn của các tầng nước ngầm.
• Thu thập các thông tin, thừa kế số liệu về hệ thống các lỗ khoan khu vực nghiên cứu.
3.5.2. Phương pháp xử lý số liệu với GIS và Excel
1) Trên cơ sở dữ liệu điều tra thu thập được, nghiên cứu này sử dụng Arc Map và Map Info để:
• Sử dụng ứng dụng Arc Map 10.2.2 dựng các điều kiện biên của mô hình: Giới hạn mô hình, ranh giới khu vực nghiên cứu, ranh giới tỉnh, ranh giới quốc gia
• Sử dụng ứng dụng MapInfor Professional 9.0 xuất dữ liệu các lỗ khoan từ các bản vẽ đuôi *.TAB và *. WOR
- Tên công trình - Tọa độ
- Độ sâu
2) Dùng Excel xử lý dữ liệu giếng khai thác.
3.5.3. Phương pháp xây dựng mô hình cấu trúc 3D
Sử dụng công cụ ArcHydro Groundwater của ESRI thiết lập mô hình cấu trúc 3D thể hiện ranh giới các địa tầng trong khu vực nghiên cứu, nhằm kiểm tra trực quan cấu trúc địa tầng sử dụng các nguồn tài liệu khác nhau. Mô hình 3D giúp ta có cái nhìn trực quan về cấu trúc địa tầng trong địa bàn nghiên cứu, kiểm tra trực quan các dữ liệu về cấu trúc địa chất thủy văn. Mô hình 3D cũng cho phép ta kiểm tra mức độ tin cậy của dữ liệu các giếng khai thác và quan trắc nước ngầm, như kiểm tra độ sâu giếng và độ sâu tầng khai thác.
Việc thành lập mô hình 3D trực quan là xu hướng mới trên thế giới về nghiên cứu mô phỏng nước ngầm trong thập kỷ qua.
3.5.4. Phương pháp xây dựng mô hình bằng phần mềm Visual MODFLOW
Nghiên cứu này sử dụng mô hình Visual Modfow để xây dựng mô hình nước ngầm cho tỉnh An Giang. Phần mềm Visual MODFLOW được công ty Waterloo Hydrogeologic, Canada phát triển và cho ra mắt vào năm 1994. Đây là phần mềm đã được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Chi tiết về phần mềm Visual MODFLOW được trình bày chi tiết ở phần Tổng quan, trang 13.
Quá trình lập mô hình số bao gồm nhiều giai đoạn và quyết định có tầm quan trọng như nhau trước khi đạt được các kết quả đáng tin cậy. Trong toàn bộ quá trình này, tham khảo tài liệu cần phải được hoàn thiện để thực hiện các bước và lựa chọn trong quá trình mô hình hóa. Cần đặc biệt chú ý việc xử lý dữ liệu. Danh sách dưới trình bày các bước theo quy trình đã được thực hiện trong quá trình thiết lập mô hình.
- Thảo luận về mục tiêu của mô hình và quyết định giải pháp số phù hợp nhất với dữ liệu sẵn có, chất lượng và mục tiêu;
- Kiểm tra ban đầu các nguồn dữ liệu thu thập;
- Hiểu rõ được tình trạng địa chất và thiết lập một mô hình cấu trúc địa chất thủy văn;
- Tổng hợp các thông số cần thiết và xác định các điều kiện biên cũng như chuẩn bị dữ liệu đầu vào cho các điều kiện biên, đưa vào mô hình số;
- Tìm kiếm hoặc yêu cầu thông tin bổ sung và xử lý nếu có thể; - Kiểm chứng mô hình và kiểm tra về độ nhạy các thông số; - Tính toán kịch bản;
- Xử lý dữ liệu và kết quả.
3.5.5. Phương pháp đánh giá tiềm năng nước ngầm
Chạy mô hình đã được kiểm định cho nhiều kịch bản sử dụng nước khác nhau. Xác định kịch bản không ảnh hưởng đáng kể đến áp suất các tầng nước ngầm.
Nguyên lý bền vững: Tổng lượng khai thác nước ngầm phải tương đương với tổng lượng nước bổ sung cho các tầng nước ngầm, tuy vậy phương pháp sử dụng mô hình là xác định các kịch bản với tổng lượng khai thác là khác nhau cả về lượng và phân bố theo thời gian và không gian khác nhau, sau đó chạy mô hình để xác định được kịch bản nào không làm giảm sút áp lực nước ở các tầng chứa nước ngầm.
Phương pháp xây dựng kịch bản: