3. Yêu cầu của đề tài
2.2. Phạm vi nghiên cứu
+ Phạm vi không gian: Nghiên cứu được thực hiện trên tại tỉnh Cà Mau
(gồm 8 huyện và 1 thành phố), được giới hạn bởi tọa độ địa lý: từ 8030' – 9010' vĩ
Bắc và 1040
80' – 10505' kinh Đông
+ Phạm vi thời gian: Nghiên cứu về sự biến động độ mặn nước dưới đất tầng
Pleistocen từ 2004 cho đến năm 2017.
Hình 12. Sơ đồ tổng hợp vị trí lấy mẫu nƣớc năm 2009 và mẫu nƣớc năm 2017 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu
Thu thập, hệ thống hóa tài liệu, số liệu, thông tin được tổng hợp từ nhiều nguồn khác nhau, các sách, các bài báo trong các tạp chí, luận án,... liên quan đến nội dung đề tài như:
+ Đặc điểm cấu trúc địa chất, lịch sử phát triển địa chất, các đặc điểm về địa chất thủy văn của khu vực nghiên cứu.
+ Các báo cáo điều tra, đánh giá nguồn nước dưới đất đã được tiến hành tại tỉnh Cà Mau qua các năm.
Nghiên cứu đã sử dụng các dữ liệu thứ cấp, bao gồm dữ liệu nền địa lý, các báo cáo về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của tỉnh Cà Mau. Các số liệu của đề tài và dự án nghiên cứu có liên quan tại khu vực nghiên cứu bao gồm: Báo cáo Đánh giá nguồn nước dưới đất vùng thị xã Cà Mau; Điều tra hiện trạng khai thác, sử dụng nước dưới đất, đánh giá chất lượng và biện pháp xử lý ô nhiễm nguồn nước dưới đất trên địa bàn tỉnh Cà Mau; dự án “Quy hoạch tài nguyên nước dưới đất tỉnh Cà Mau đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2045” [13][14][15].
2.3.2. Phương pháp phân tích mẫu
Các mẫu nước được lấy tại các giếng khoan có độ sâu đến tầng chứa nước Pleistocen trên tồn bộ khu vực nghiên cứu. Chỉ tiêu để đánh giá độ mặn của nước được sử dụng trong nghiên cứu là chỉ tiêu tổng độ khống hóa (TDS)
Mẫu nước sau khi lấy về được bảo quản, tiến hành phân tích chỉ tiêu TDS (g/l) bằng phương pháp sấy khô. Nguyên tắc chung của phương pháp là lọc mẫu nước qua một bộ lọc chuẩn, nước lọc được làm bay hơi trong một cốc thuỷ tinh đã
biết trước khối lượng và sấy tới khối lượng không đổi ở nhiệt độ 180 20C. Khối
lượng tăng lên của cốc chính là tổng lượng chất rắn hoà tan (TDS).
Ngoài ra, tiến hành đo trực tiếp độ dẫn điện: tại các vị trí có giếng khoan lấy mẫu nước đo độ dẫn điện của nước và trên cơ sở phương trình mối quan hệ giữa độ dẫn điện và tổng chất khống hịa tan có thể xác định được tổng chất khống hịa tan thông qua độ dẫn điện của nước.
2.3.3. Phương pháp xử lý và thành lập bản đồ
Quá trình xử lý và thành lập bản đồ gồm 3 bước chính như sau: (1) thu thập số liệu phân tích về chỉ tiêu tổng độ khống hóa TDS (g/l) cùng với tọa độ, độ sâu (m) và độ dẫn điện EC (mS/cm) tại các giếng khoan, lỗ khoan khảo sát địa chất thủy văn. (2) Nội suy dữ liệu đã thu thập được bằng phương pháp Kriging. (3) Thành lập bản đồ mặn nhạt.
Hình 13. Sơ đồ quá trình thành lập bản đồ biến động ranh giới mặn
Phương pháp này sử dụng phần mềm Mapinfo 15.0 và phần mềm Arcgis 10.3 để xây dựng các bản đồ lịch sử và hiện trạng dựa trên các số liệu, dữ liệu đã được thu thập và xử lý.
2.3.4. Phương pháp nội suy dữ liệu Kriging
Đề tài nghiên cứu đã áp dụng phương pháp nội suy dữ liệu để khảo sát mối quan hệ giữa sự biến động dữ liệu theo vị trí trong khơng gian, từ đó dự báo được các giá trị dữ liệu ở những vị trí chưa có số liệu khảo sát thực tế. Phương pháp nội suy dữ liệu khơng gian có nhiều thuật toán khác nhau như IDW (Inverse Distance Weight), Kriging, Spline,… Phương pháp IDW xác định giá trị của các điểm chưa
biết bằng cách tính trung bình trọng số khoảng cách giá trị của các điểm đã biết trong vùng lân cận của mỗi pixel. Những điểm càng cách xa điểm cần tính giá trị càng ít ảnh hưởng đến giá trị tính tốn. Phương pháp Spline là phương pháp nội suy tổng quát, sử dụng một hàm toán học giảm thiểu độ cong tổng thể của bề mặt; từ đó đưa ra kết quả hiển thị mơ hình khơng dao động nhiều ở giữa các điểm lấy mẫu, phù hợp với dữ liệu theo khoảng thời gian dài hàng tháng, hàng năm. Trong các thuật toán trên, Kriging là phương pháp phổ biến nhất, kết quả sai số nhỏ nhất và kết quả nội suy khơng gian có tính khách quan cao hơn.
Phương pháp Kriging là một cơng cụ phân tích địa thống kê để nội suy giá trị TDS từ các điểm lấy mẫu. Phép nội suy Kriging giả sử rằng khoảng cách hoặc hướng giữa các điểm mẫu phản ánh một mối tương quan khơng gian có thể được dùng để luận giải sự thay đổi trong bề mặt. Công cụ Kriging sử dụng một hàm toán học đối với một số điểm chuẩn, hoặc tất cả các điểm trong một bán kính chuẩn, để xác định giá trị đầu ra với từng vị trí. Cơng thức tổng quan được tính tốn dựa trên tổng các dữ liệu có trọng lượng như sau:
Trong đó: Z(si) = giá trị đo được tại vị trí thứ i
λi = một ảnh hưởng chưa biết của giá trị đo được tại vị trí thứ i
so = vị trị dự đoán
N = số giá trị đo được
Quá trình nội suy nhiều bước của Kriging bao gồm: phân tích thơng kê khai thác dữ liệu, xây dựng mơ hình variogram, tạo bề mặt và khai thác một bề mặt biến thiên.
Các bước tiến hành nội suy trong thiết lập bản đồ phân bố hiện trạng mặn nhạt tầng chứa nước Pleistocen giữa - trên bằng Kriging cụ thể như sau:
Bước 1. Khảo sát các đặc trưng thống kê của tập dữ liệu, đặc biệt chú ý đến
tính phân bố chuẩn của dữ liệu. Nếu dữ liệu khơng có phân bố chuẩn thì phải chuyển dạng dữ liệu để thỏa mãn yêu cầu này.
- Tạo biểu đồ histogram của giá trị TDS tầng chứa nước qp2-3, biểu đồ có sự phân bố bất thường, đỉnh bị lệch về phía bên trái, giá trị trung bình và phương sai biến đổi đáng kể (hình 2.3).
Hình 14. Biểu đồ histogram của TDS tầng chứa nƣớc qp2-3
Do đó, tốt hơn nên chuyển đổi giá trị TDS thành dạng logarit với sự phân bố gần với phân bố chuẩn (Hình 14) và đỉnh biểu đồ lệch ít (giá trị trung bình = - 0,0607992; phương sai = 0,0496892)
Hình 15. Biểu đồ histogram của LogTDS tầng chứa nƣớc qp2-3
Bước 2. Xây dựng biểu đồ semi-variogram.
Biểu đồ semi-variogram phản ánh mối quan hệ giữa sự biến thiên của dữ liệu với khoảng cách giữa các điểm này. Lựa chọn mơ hình semi-variogram thích hợp với tập dữ liệu, quy luật quan hệ của sự biến động dữ liệu với khoảng cách giữa chúng được tính xấp xỉ bằng một trong các hàm số đã được xác định trước (hàm cầu, hàm mũ, hàm Gauss, hàm lũy thừa...). Đặc trưng của variogram gồm:
Sill: giá trị tại đó mức variogram kết thúc.
Range: khoảng cách trễ tại đó variogram tiến đến giá trị sill.
Nugget: biểu diễn sự biến thiên tại các khoảng cách nhỏ hơn so với khoảng trống mẫu thông thường, gồm lỗi đo đạc. Theo lý thuyết, giá trị variogram tại gốc tọa độ bằng 0; giá trị này sẽ khác 0 đối với các trễ đến rất gần 0.
Sau đó các mơ hình semi-variogram của logarit TDS của tầng chứa nước qp2-
3 được tạo ra với các góc phương vị (azimuth) thay đổi từ 0 đến 180 độ. Tại góc
chọn hàm cầu (Spherical) với các thông số: Sill =0.0338; Range = 16500; Nugget = 0.009 (Hình 2.5).
Hình 16. Variogram của giá trị logTDS tầng chứa nƣớc qp2-3
Bước 3. Tiến hành nội suy theo mơ hình semi-variogram đã chọn. Bước 4. Đánh giá độ tin cậy của kết quả nội suy và thành lập bản đồ.
CHƢƠNG 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
Phần kết quả sẽ trình bày sự phân bố nước mặn và nước nhạt của giai đoạn trước đây và hiện nay với ranh giới mặn (TDS = 1g/l) được nội suy từ các mẫu nước lấy ngoài thực địa và mẫu nước của các nghiên cứu trước (dữ liệu từ năm 2004 đến 2009). Bản đồ phân bố TDS trước đây (2004-2009) và bản đồ phân bố TDS hiện trạng (2017) đã được xử lý, phân tích và xây dựng bản đồ với cùng cơ sở dữ liệu và phương pháp nội suy dữ liệu để xác định mức độ xâm nhập mặn và sự biến động ranh giới mặn trong khu vực nghiên cứu.
3.1. Bản đồ phân bố tổng độ khống hóa của giai đoạn 2004-2009
Dữ liệu TDS giai đoạn 2004-2009 được thu thập từ các nghiên cứu trước đây của Tống Đức Liêm, 2004 và Nguyễn Kim Quyên, 2009
Dữ liệu này được tổng hợp và biểu diễn dưới dạng đồ thị. Xem hình .
Hình 17. Đồ thị hàm lƣợng TDS của mẫu nƣớc giai đoạn 2004-2009
Theo Thông tư số 04/2009/TT-BYT ngày 17/6/2009 của Bộ Y tế ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống, chỉ tiêu tổng chất rắn hịa tan (TDS) có giới hạn tối đa cho phép là 1000mg/l hay 1g/l. So sánh với các giá trị
TDS thu thập được, thấy rằng số lượng mẫu nước có hàm lượng TDS vượt quy chuẩn (>1g/l) tương đối lớn, chiếm khoảng 40% tổng số mẫu thu thập được.
Các dữ liệu thu thập được số hóa và biên tập thành dạng điểm trên bản đồ. Trong Hình 3.1, các chấm tròn màu đỏ minh họa cho các vị trí lấy mẫu nước để quan trắc trước đây của hai tác giả. Có thể thấy, các điểm lấy mẫu nước trước đây tương đối nhiều và phân bố ở khắp các huyện của tỉnh Cà Mau, nơi có giếng khai
thác nước từ tầng Pleistocen giữa-trên (qp2-3) hoặc có lỗ khoan quan trắc chất lượng
nước. Trong đó, tập trung nhiều nhất các mẫu tại thành phố Cà Mau với 10.166
giếng khoan đang khai thác nước dưới đất tại tầng qp2-3, với tổng lưu lượng khai
thác khoảng 21.719 m3/ngày. Giếng khai thác thuộc hành lang khai thác của nhà
máy nước có 19 giếng.
Từ bảng dữ liệu thu thập của nghiên cứu trước, có thể thấy rõ giá trị TDS khu vực nghiên cứu nằm trong 3 dải phân bố chính TDS <1 (g/l) nước thuộc nước ngọt, 1 (g/l) < TDS < 3 (g/l) nước thuộc nước lợ, TDS > 3 (g/l) nước thuộc nước mặn. Mỗi vị trí lấy mẫu nước sẽ tương ứng với các giá trị tổng độ khoáng hóa TDS đã được thu thập. Dữ liệu này được số hóa lên bản đồ vị trí các điểm lấy lẫu. Các điểm lấy mẫu là rời rạc và có khoảng cách về khơng gian, để thấy rõ được sự phân vùng chất lượng nước, tác giả kết hợp phương pháp nội suy Odinary Kriging và phần mềm Arcgis, thành lập được bản đồ phân bố TDS của giai đoạn trước phân theo các vùng tương ứng với màu sắc như Hình 3.2.
Các vùng nước dưới đất có hàm lượng TDS dưới 1 g/l được thể hiện bằng màu xanh dương trên bản đồ, vùng nước cịn lại có hàm lượng TDS lớn hơn 1 g/l. Các vùng nước có hàm lượng TDS lớn hơn 3 g/l được coi là nước bị nhiễm mặn và được mình họa bằng màu hồng trên bản đồ.
Hình 18. Bản đồ phân bố TDS trƣớc đây (2004-2009)
Từ kết quả nội suy dữ liệu, nước dưới đất trong TCN ở khu vực nghiên cứu chủ yếu là nước lợ, giá trị TDS cao nhất là 4.19 g/l tại phía Bắc huyện U Minh, Cà Mau (vị trí địa lý giếng: X = 487390, Y = 1038109). Vùng nước mặn/lợ (TDS > 1g/l) phân bố chủ yếu phía Nam tỉnh Cà Mau gồm các huyện Năm Căn, Ngọc Hiển; phía Bắc hai huyện U Minh và Thới Bình; một phần huyện Trần Văn Thời và huyện Phú Tân. Tổng diện tích các vùng nước mặn khoảng 2,016 km2, chiếm 37.8% tổng diện tích tồn khu vực nghiên cứu.
Tầng chứa nước qp2-3 tại huyện Ngọc Hiển đã bị nhiễm mặn 100% diện tích do nằm ở cực Nam của tỉnh Cà Mau, tiếp giáp với biển, phía Bắc của huyện có ranh giới là sông Cửa Lớn và sông Bồ Đề, địa hình ở đây bị chia cắt mạnh bởi hệ thống kênh mương chằng chịt. Thủy triều của biển xâm nhập sâu vào đất liền theo hệ thống sông rạch, biên độ triều cao nên phần lớn đất đai ở Ngọc Hiển thường bị ngập triều. Các lỗ khoan, giếng khoan khai thác nước dưới đất ở tầng Pleistocene giữa- trên ở huyện này đều không còn khai thác được nữa.
Tại huyện Năm Căn diện tích nhiễm mặn cũng ở mức rất cao khoảng 96%, với một phần phía Tây và phía Đơng của huyện giáp biển dễ bị xâm nhập mặn; phía Nam ngăn cách với huyện Ngọc Hiển bởi sông Cửa Lớn. Tuy nhiên, số lượng các lỗ khoan và giếng lấy mẫu nước tại hai huyện Ngọc Hiển và Năm Căn còn hơi ít và mật độ thưa nên bản đồ phân bố có thể có sai số.
Huyện Phú Tân và huyện Trần Văn Thời bị nhiễm mặn nặng ở một số xã, huyện U Minh, huyện Thới Bình và huyện Đầm Dơi nhiễm mặn ở diện tích nhỏ hơn so với tổng diện tích tồn huyện và các vùng mặn khơng liên tục. Thành phố Cà Mau có diện tích nhiễm mặn nhỏ nhất so với các huyện trên do có vị trí địa lý sâu trong đất liền hơn, khơng có phía nào giáp biển.
Tại các vị trí có mật độ điểm lấy mẫu nước cao, giá trị TDS sẽ có sự chênh lệch thấp, giúp tăng độ chính xác cho bản đồ hơn so với những vị trí có ít mẫu nước được lấy. Các địa điểm lấy mẫu tương đối nhiều và phân bố rộng, giúp quá trình thành lập bản đồ phân bố TDS lịch sử được chính xác hơn, ví dụ như thành phố Cà Mau.
3.2. Bản đồ phân bố tổng độ khống hóa hiện trạng
3.2.1. Kết quả phân tích mẫu nước tầng qp2-3
Các mẫu nước tại tầng chứa nước Pleistocen được lấy về phân tích và cho kết quả như trên Bảng 8.
Kết quả phân tích TDS cho thấy giá trị cao nhất phân tích được là 3,150 g/l tại điểm M113 tại huyện Trần Văn Thời với lỗ khoan có độ sâu 85m và giá trị TDS thấp nhất tại điểm M239 tại huyện Thới Bình là 0,249 g/l với lỗ khoan có độ sâu
trên 100m. Trong toàn bộ số mẫu phân tích có 68 mẫu (chiếm tới 32,4%) số mẫu nước có TDS lớn hơn 1g/l và phân bố chủ yếu ở 2 huyện U Minh và Trần Văn Thời.
Hình 19. Đồ thị hàm lƣợng TDS của mẫu nƣớc năm 2017
Các mẫu nước có hàm lượng TDS cao gấp 1,5 đến 3 lần quy chuẩn cho phép đối với nước ăn uống.
Bảng 8. Kết quả phân tích mẫu nƣớc hiện trạng năm 2017 tại tầng qp2-3 tỉnh Cà Mau Số thứ tự Số hiệu mẫu Tọa độ VN2000 Vị Trí mẫu Độ sâu tầng (m) Độ dẫn điện EC (mS/cm) Tổng độ khống hóa TDS (g/l) Số thứ tự Số hiệu mẫu Tọa độ VN2000 Vị Trí mẫu Độ sâu tầng (m) Độ dẫn điện EC (mS/cm) Tổng độ khống hóa TDS (g/l) Tọa độ X Tọa độ Y Tọa độ X Tọa độ Y 1 M4 496297 1003199 TT. Trần Văn Thời Trần Văn Thời 90 1.40 0.912 103 M157 493514 985776 Khánh Bình Trần Văn Thời 75 1.44 0.715 2 M5 496462 1004217 TT. Trần Văn Thời Trần Văn Thời 116 1.36 0.925 104 M158 508657 1015185 Khánh Bình Trần Văn Thời 98 1.77 0.876
3 M6 496703 1005035 Trần Văn Thời Trần Văn
Thời 120 1.28 0.607 105 M159 508217 1015129 Khánh Bình Trần Văn Thời 98 1.07 0.493 4 M7 493979 1009524 Trần Hợi Trần Văn Thời 125 1.30 0.890 106 M160 506899 1015085 Khánh Bình Trần Văn Thời 95 0.89 0.405 5 M8 493309 1010762 Trần Hợi Trần Văn Thời 115 1.26 0.856 107 M161 504999 1014863 Khánh Bình Trần Văn Thời 96 0.75 0.345 6 M9 493100 1010685 Trần Hợi Trần Văn Thời 125 1.33 0.628 108 M162 502933 1014708 Khánh Bình Đơng Trần Văn Thời 100 1.05 0.488 7 M10 492474 1010309 Trần Hợi Trần Văn Thời 110 1.05 0.675 109 M163 502659 1014786 Khánh Bình Đơng Trần Văn Thời 100 1.45 0.704 8 M11 491595 1009944 Khánh Hưng Trần Văn