2.1. Tổng quan cỏc nghiờn cứu về tài nguyờn nƣớc ngầm
2.1.1. Trờn thế giới
Trờn thế giới việc ỏp dụng phƣơng phỏp mụ hỡnh húa để nghiờn cứu cỏc đối tƣợng địa chất thủy văn đó bắt đầu từ thế kỷ 19. Nú phỏt triển rất nhanh, mạnh ở cỏc nƣớc cụng nghiệp phỏt triển nhƣ Liờn Xụ cũ (nay là Nga và cỏc nƣớc Cộng hũa khỏc), Mỹ, Phỏp, Canada, Đan Mạch .... Ở nƣớc ta, nú mới đƣợc ỏp dụng trong những năm 70, 80 của thế kỷ trƣớc. Lịch sử phỏt triển của mụ hỡnh húa địa chất thủy văn cú thể đƣợc chia làm 6 giai đoạn:
Giai đoạn 1 kộo dài từ thế kỷ 19 đến những năm 20 của thế kỷ 20. Trong giai đoạn này, nú đƣợc ỏp dụng để nghiờn cứu cỏc bài toỏn thấm cơ bản.
Giai đoạn 2 kộo dài từ những năm 20 đến những năm 40 của thế kỷ 20. Trong giai đoạn này đó phỏt triển một số mụ hỡnh vật lý và mụ hỡnh điện tƣơng tự (EGĐA) để luận chứng thiết kế một số cụng trỡnh thủy lợi ở Liờn Xụ. Một số phũng thớ nghiệm thấm đƣợc hỡnh thành ở Liờn Xụ nhƣ VNIIG, VODGEO, MGRI do Giỏo sƣ G.N.Kamenxki chỉ đạo.
Giai đoạn 3 bắt đầu từ sau chiến tranh thế giới II (cuối những năm 40) đến cuối những năm 50 của thế kỷ 20. Giai đoạn này đặc trƣng bởi sự phỏt triển mạnh của phƣơng phỏp EGĐA. Nú đƣợc sử dụng để giải cỏc bài toỏn thấm dƣới múng đập, xỏc định dũng chảy đến giếng và lũ, giếng mỏ... Cũng trong giai đoạn này ngƣời ta cũng dựng phƣơng phỏp EGĐA để nghiờn cứu dự đoỏn động thỏi, cõn bằng nƣớc ngầm ở cỏc vựng tƣới nhƣ Davogia, Dovongie, Bắc Keprad, Trung Á, Ukraina. Sử dụng phƣơng phỏp sai phõn hữu hạn và tớch phõn thủy lực V.X.Lukianov để giải cỏc bài toỏn thấm. Cỏc bài toỏn thấm 1 chiều, hai chiều và khụng gian dƣới nền đập, quanh hồ chứa và kờnh đào đó đƣợc nghiờn cứu. Lần đầu tiờn giải bài toỏn ngƣợc xỏc định thụng số Địa chất thủy văn và giỏ trị cung cấp thấm đối với dũng một chiều cũng nhƣ dũng thấm phẳng hai chiều. Trong giai đoạn
này phƣơng phỏp mụ hỡnh đó đƣợc đƣa vào chƣơng trỡnh giảng dạy tại một số trƣờng Đại học nhƣ trƣờng MGRI, MGU (năm 1954) và trƣờng Kiev, Tasken, Mỏ Leningrat, Bỏch khoa Anmaata (những năm 1961).
Giai đoạn 4 kộo dài trong những năm 60 của thế kỷ 20. Đõy là giai đoạn mụ hỡnh toỏn học phỏt triển mạnh mẽ, chủ yếu là mỏy tớnh tớch phõn điện ụ mạng. Nhờ cỏc mỏy tớch phõn, nhiều bài toỏn phức tạp đó đƣợc giải nhƣ: Đỏnh giỏ trữ lƣợng khai thỏc nƣớc dƣới đất, dự đoỏn nƣớc ngầm vựng tƣới, luận chứng hợp lý cỏc dạng kờnh thoỏt để cải tạo đất, tớnh toỏn cỏc hệ thống lỗ khoan hạ thấp mực nƣớc khi khai thỏc khoỏng sản... kỹ thuật và phƣơng phỏp mụ hỡnh đƣợc hoàn thiện và phỏt triển. Mụ hỡnh địa chất thủy văn đƣợc ứng dụng để nghiờn cứu điều tra địa chất thủy văn trong cỏc khu vực rộng lớn, chỉnh lý cỏc thụng tin ĐCTV trong cỏc giai đoạn điều tra. Phƣơng phỏp luận và lý thuyết giải bài toỏn ngƣợc phỏt triển, nhiều thiết bị chuyờn mụn đƣợc chế tạo. Lần đầu tiờn những cụng trỡnh khoa học mang tớnh chất tổng kết về phƣơng phỏp mụ hỡnh ĐCTV đƣợc trỡnh bày hội thảo trong những hội nghị Quốc tế.
Giai đoạn 5 bắt đầu từ cuối những năm 60 đến những năm 70. Nú đặc trƣng bởi sự xuất hiện nhiều lĩnh vực mới trong lý thuyết về mụ hỡnh húa và ứng dụng nú để giải quyết những nhiệm vụ thực tế ĐCTV. Lần đầu tiờn tổ hợp tƣơng tự - số đó đƣợc hỡnh thành. Phƣơng phỏp sử dụng kết hợp giữa AVM và ESVM bắt đầu phỏt triển. Lời giải của cỏc bài toỏn về điều kiện lựa chọn hợp lý cỏc điều kiện khai thỏc mỏ nƣớc dƣới đất, lựa chọn tối ƣu để khai thỏc nhiệt từ lũng đất... đó đƣợc ỏp dụng trong thực tế, sản xuất. Đồng thời trong giai đoạn này vấn đề ỏp dụng phƣơng phỏp mụ hỡnh để nghiờn cứu cổ ĐCTV, sự hỡnh thành của nƣớc dƣới đất cũng đƣợc nghiờn cứu và cũng đó đạt đƣợc những thành tựu đỏng kể. Cỏc vựng đó ỏp dụng phƣơng phỏp mụ hỡnh nhƣ VXEGINGEO, MGU, KGU, GIDROINGEO (Liờn Xụ)...
nhƣ cỏc bài toỏn về vận chuyển vật chất, vận chuyển nhiệt trong địa chất thủy văn đƣợc ỏp dụng rộng rói. Phƣơng phỏp luận và cơ sở lý thuyết phƣơng phỏp mụ hỡnh số (mụ hỡnh sai phõn) đƣợc hoàn thiện và ỏp dụng vào trong thực tế phục vụ cỏc vấn đề về địa chất thủy văn, quản lý và quy hoạch nguồn nƣớc dƣới đất. Đồng thời trong giai đoạn này, với những tớnh năng vƣợt trội mụ hỡnh số đó dần thay thế những mụ hỡnh vật lý, mụ hỡnh tƣơng tự cổ điển trƣớc đõy. Những nƣớc phỏt triển nhƣ Mỹ, Nga (Liờn Xụ trƣớc đõy), Đan Mạch, Canada, Úc... đó ỏp dụng mụ hỡnh số để giải quyết hầu hết cỏc vấn đề ĐCTV, đồng thời cũn sử dụng mụ hỡnh số để phục vụ cụng tỏc quản lý tổng hợp tài nguyờn nƣớc trong lónh thổ. Những nƣớc ở Chõu Á, Đụng Nam Á cũng đó ỏp dụng mụ hỡnh số để đỏnh giỏ và quản lý tài nguyờn nƣớc trờn lónh thổ của mỡnh. Ở Việt Nam, mụ hỡnh số nƣớc dƣới đất đƣợc sử dụng từ những năm 1980 của thế kỷ trƣớc và cũng cú nhiều bƣớc tiến đỏng kể cho đến ngày nay.
Năm 1999, để phục vụ cụng tỏc quản lý tài nguyờn nƣớc cho vựng Nam bang Florida, Cục Địa chất Mỹ đó xõy dựng mụ hỡnh số cho vựng Nam bang Floria và sử dụng mụ hỡnh này để quản lý nguồn nƣớc dƣới đất cho toàn bang. Phần mềm sử dụng để xõy dựng mụ hỡnh là GMS.
Năm 2000 cũng tại Cục Địa chất Mỹ đó triển khai dự ỏn nhằm đỏnh giỏ lƣợng bổ cập cho nƣớc dƣới đất tại bang Texas cũng đó sử dụng phƣơng phỏp mụ hỡnh số. Kết quả đó tớnh toỏn xỏc định đƣợc cõn bằng nƣớc trờn toàn bang, đỏnh giỏ đƣợc lƣợng bổ cập cho nƣớc dƣới đất từ cỏc nguồn nƣớc mƣa và nƣớc mặt. Kết quả đỏnh giỏ xỏc định đƣợc nguồn bổ cập cho nƣớc dƣới đất chiếm 15% tổng lƣợng mƣa. Phần mềm đƣợc sử dụng để xõy dựng mụ hỡnh là Visual Modflow của cụng ty Waterloo Hydrogeologic Inc. Canada.
Năm 2000, Cụng ty Waterloo đó ứng dụng phần mềm Visual Modflow xõy dựng mụ hỡnh số để đỏnh giỏ lƣợng thấm mất nƣớc qua vai đập tại đập Chemwest vựng phớa Tõy nƣớc Mỹ. Đập đƣợc xõy dựng trờn sụng Norman.
Tại Đan Mạch, để phục vụ cụng tỏc Quản lý tài nguyờn nƣớc dƣới đất trờn tồn lónh thổ, cỏc cơ quan quản lý tài nguyờn nƣớc Chớnh phủ Đan Mạch đó xõy dựng mụ hỡnh số nƣớc dƣới đất cho tồn lónh thổ, thời gian xõy dựng là 5 năm từ 2000 đến 2005. Phần mềm sử dụng để xõy dựng mụ hỡnh là MIKE SHE.
Và cho tới nay, hầu hết cỏc nƣớc trờn thế giới đều đó sử dụng cụng cụ là mụ hỡnh số để phục vụ cụng tỏc đỏnh giỏ tài nguyờn cũng nhƣ để giải quyết cỏc vấn đề thực tế đề ra trong lĩnh vực Địa chất thủy văn. Mụ hỡnh số cũng đƣợc ỏp dụng rộng rói để quản lý tài nguyờn nƣớc dƣới đất trờn lónh thổ.
2.1.2. Trong nước
Những năm trƣớc đõy, Việt Nam sử dụng “Mụ hỡnh tƣơng tự điện” để phục vụ cho bài toỏn tớnh toỏn thấm qua vai đập với quy mụ nhỏ. Ngoài ra cũn cú một mụ hỡnh lý thuyết dựa trờn nguyờn tắc này của Khoa Thủy lợi trƣờng đại học Bỏch khoa TP. Hồ Chớ Minh để ứng dụng cho bài toỏn thực tế tớnh toỏn dũng thấm qua cỏc cụng trỡnh thủy lợi. Do chƣa cú sự phỏt triển về mỏy tớnh nờn mụ hỡnh chƣa đƣợc ứng dụng rộng rói.
Giai đoạn cuối thập niờn 90, MHDCNDĐ bắt đầu phỏt triển và ứng dụng rộng rói trong thực tế sản xuất. Một trong những tiờu chớ quan trọng mà Cục Quản lý Tài nguyờn nƣớc yờu cầu để làm cơ sở cho việc xột duyệt cỏc bỏo cỏo thăm dũ đỏnh giỏ trữ lƣợng khai thỏc cỏc mỏ nƣớc là phải cú lời giải của bài toỏn MHDCNDĐ về bảo toàn trữ lƣợng. Và cỏc đơn vị nhƣ: Cục Quản lý Tài nguyờn nƣớc, Trƣờng Đại học Mỏ Địa chất, Liờn đoàn ĐCTV - ĐCCT miền Bắc và Liờn đoàn ĐCTV - ĐCCT miền Nam... đó đi đầu trong việc nhanh chúng tiếp cận và cũng từ đú xuất hiện khỏ phổ biến cỏc bỏo cỏo MHDCNDĐ. Cỏc bỏo cỏo đƣợc sử dụng làm tài liệu tham khảo nhƣ:
1.Bỏo cỏo “Mụ hỡnh quản lý nƣớc dƣới đất tỉnh Cần Thơ” do TS. Trần Minh chủ trỡ thực hiện năm 2000. Mụ hỡnh này dựng phần mềm Visual MODFLOW 2.1, mụ phỏng cho 3 tầng chứa nƣớc trờn cựng là QIII, QII-III và
QI. Do cú ớt về số liệu quan trắc nờn phần hiệu chỉnh mụ hỡnh cũn tồn tại một số mặt hạn chế.
2. “Modeling Report” (do Dr. Wim Boehmer và KS. Ngụ Đức Chõn thực hiện)- là bỏo cỏo kết quả xõy dựng MHDCNDĐ cho Đồng bằng Nam bộ đƣợc thực hiện năm 2000 của dự ỏn MILIEV (Cụng ty Haskoning - Hà Lan và Liờn đoàn ĐCTV-ĐCCT miền Nam). Mụ hỡnh này là phần mềm GMS 3.0, mụ phỏng 4 tầng chứa nƣớc: QI-III, N22, N21và N13. Đõy là mụ hỡnh quy mụ khu vực với khối lƣợng dữ liệu rất lớn bao gồm cỏc nghiờn cứu đó cú và tồn bộ dữ liệu mực nƣớc của mạng quan trắc quốc gia (1992 - 1997). Mụ hỡnh đƣợc thực hiện trờn mỏy tớnh và phần mềm mạnh nờn cho kết quả khỏ tốt, nhƣng do diện tớch thực hiện rộng nờn kớch thƣớc ụ lƣới lớn ảnh hƣởng phần nào đến độ chớnh xỏc và một số vấn đề về điều kiện biờn.
3. Mụ hỡnh dũng chảy nƣớc dƣới đất tỉnh Bỡnh Dƣơng do TS. Đặng Đỡnh Phỳc (Bộ Nụng nghiệp và Phỏt triển Nụng thụn) năm 2000. Mụ hỡnh này sử dụng phần mềm Visual MODFLOW nhằm mụ phỏng 3 tầng chứa nƣớc: QI-
III, N22 và N21. Kết quả đạt đƣợc là mực nƣớc hiện trạng của khu vực cựng với đú là cỏc nguồn hỡnh thành trữ lƣợng NDĐ chủ yếu trong vựng. Nhƣng do số liệu quan trắc cung cấp cho việc hiệu chỉnh mụ hỡnh cũn ớt nờn cú ảnh hƣởng tới độ chớnh xỏc của mụ hỡnh.
4. Mụ hỡnh dũng chảy nƣớc dƣới đất thành phố Hồ Chớ Minh do KS. Ngụ Đức Chõn (Liờn đoàn ĐCTV-ĐCCT miền Nam) năm 2001 (thuộc bỏo cỏo “Quy hoạch khai thỏc và sử dụng NDĐ vựng thành phố Hồ Chớ Minh). Tỏc giả đó sử dụng phần mềm GMS 3.0 để mụ phỏng 3 tầng chứa nƣớc là: QI-III, N22 và N21.
5. Mụ hỡnh dũng chảy nƣớc dƣới đất thành phố Hồ Chớ Minh do Trung tõm kỹ thuật hạt nhõn TP. Hồ Chớ Minh (KS. Nguyễn Thị Sinh) phối hợp với Liờn đoàn ĐCTV-ĐCCT miền Nam (KS. Ngụ Đức Chõn) năm 2001. Tỏc giả sử dụng phần mềm Visual MODFLOW 2.8 để mụ phỏng cho 3 tầng chứa
nƣớc: QI-III, N22 và N21. Cựng mụ phỏng cho một khu vực, kết quả của hai mụ hỡnh đƣa ra khụng cú sự sai khỏc nhiều. Đõy là những mụ hỡnh cú số lƣợng lỗ khoan quan trắc nhiều (Mạng quan trắc quốc gia, mạng quan trắc thành phố Hồ Chớ Minh) nờn việc hiệu chỉnh cho kết quả cú độ tin cậy cao. Tuy nhiờn hai mụ hỡnh này cũng cú hạn chế là thực hiện trờn diện tớch khỏ hẹp nờn phễu hạ thấp đó lan đến biờn vỡ thế nghiệm bài toỏn ở vị trớ gần biờn cuối thời gian tớnh toỏn kộm thuyết phục do đú cần thiết phải điều chỉnh điều kiện biờn của mụ hỡnh.
6. Mụ hỡnh dũng nƣớc dƣới đất tỉnh Đồng Nai do TS. Đỗ Tiến Hựng và ThS. Bựi Trần Vƣợng (Liờn đoàn ĐCTV-ĐCCT miền Nam) năm 2004. Hai tỏc giả sử dụng phần mềm Visual MODFLOW 2.8 để giải quyờt bài toỏn mụ phỏng cho 2 tầng chứa nƣớc: QI-III và N2. Tuy nhiờn, thực tế cho thấy cỏc mụ hỡnh đƣợc nờu ở trờn mụ phỏng cỏc tầng chứa nƣớc theo phõn chia cũ khụng cú tớnh phự hợp với kết quả mới nghiờn cứu của bỏo cỏo "Phõn chia địa tầng N
- Q và nghiờn cứu cấu trỳc địa chất đồng bằng Nam Bộ". Nhƣng hƣớng
nghiờn cứu và phƣơng phỏp tiếp cận của cỏc bỏo cỏo là tài liệu cần cho tỏc giả tham khảo và tỡm hiểu ỏp dụng đỳng đắn cho bài toỏn của mỡnh.
Kết luận chung việc giải cỏc bài toỏn ĐCTV phức tạp với quy mụ lớn bằng phƣơng phỏp mụ hỡnh toỏn là thớch hợp và khả thi nhất. Đặc biệt là giải quyết hầu hết cỏc vấn đề mà phƣơng phỏp truyền thống khú thực hiện đƣợc.
2.1.3. Cỏc nghiờn cứu về tài nguyờn nước ngầm ở huyện đảo Phỳ Quý
Với dự ỏn “Quy hoạch tài nguyờn nƣớc đảo Phỳ Quý - tỉnh Bỡnh Thuận, đến năm 2015, định hƣớng đến năm 2020” đƣợc sự hỗ trợ của cụng cụ mụ hỡnh toỏn VisualModFlow đó đúng gúp quan trọng trong việc tớnh toỏn trữ lƣợng nƣớc ngầm trờn đảo phục vụ cho cỏc nhà quản lý quy hoạch tài nguyờn nƣớc trờn đảo. Nhúm tỏc giả sử dụng phần mềm Visual MODFLOW 3.1 để giải quyết bài toỏn quy hoạch tài nguyờn nƣớc cụ thể là nƣớc dƣới đất với 3 tầng chứa nƣớc là:
- Tầng 1: thể hiện lớp phủ bề mặt (lớp đất canh tỏc, tầng chứa nƣớc Holocen, tầng chứa nƣớc Pleistocen thƣợng)
- Tầng 2: tầng chứa nƣớc trong Bazan nứt nẻ (gồm Q12-3 và Q2)
- Tầng 3: tầng chứa nƣớc trong cỏt bở rời (tầng chứa nƣớc Pleistocen trung).
2.2. Phƣơng phỏp nghiờn cứu
2.2.1. Những khỏi niệm cơ bản trong nghiờn cứu nước ngầm [4]
“Tầng chứa nƣớc” là một thành tạo hoặc một nhúm thành tạo địa chất, một phần của một thành tạo địa chất cú chứa nƣớc trong cỏc lỗ hổng, khe nứt của chỳng và lƣợng nƣớc đú cú ý nghĩa trong việc khai thỏc để cung cấp nƣớc.
“Tầng chứa nƣớc yếu” là một thành tạo hoặc một nhúm thành tạo địa chất, một phần của một thành tạo địa chất cú chứa nƣớc trong cỏc lỗ hổng, khe nứt của chỳng, nhƣng khả năng thấm nƣớc, chứa nƣớc kộm và lƣợng nƣớc đú ớt cú ý nghĩa trong việc khai thỏc để cung cấp nƣớc.
“Tầng cỏch nƣớc hoặc thể địa chất khụng chứa nƣớc” là một thành tạo hoặc một nhúm thành tạo địa chất, một phần của một thành tạo địa chất cú tớnh thấm nƣớc rất nhỏ, khụng cú ý nghĩa thực tế trong cung cấp nƣớc.
“Phức hệ chứa nƣớc hoặc hệ thống cỏc tầng chứa nƣớc” là tập hợp cỏc tầng chứa nƣớc, chứa nƣớc yếu, cú quan hệ thuỷ lực với nhau trờn phạm vi rộng và tạo thành một hệ thống thuỷ động lực.
“Cấu trỳc chứa nƣớc” là một cấu trỳc địa chất hoặc một phần của một cấu trỳc địa chất, trong đú nƣớc dƣới đất đƣợc hỡnh thành, lƣu thụng và tồn tại. Cấu trỳc chứa nƣớc đƣợc giới hạn bởi cỏc biờn cỏch nƣớc hoặc cỏc biờn cấp, thoỏt nƣớc.
“Trữ lƣợng cú thể khai thỏc của một vựng” là lƣợng nƣớc cú thể khai thỏc từ cỏc tầng chứa nƣớc và chứa nƣớc yếu trong vựng đú mà khụng làm suy thoỏi, cạn kiệt nguồn nƣớc và biến đổi mụi trƣờng vƣợt quỏ mức cho phộp.
“Trữ lƣợng tĩnh” là lƣợng nƣớc tồn tại trong cỏc thể chứa nƣớc (khe nứt, lỗ hổng, hang hốc Karst) trong cỏc tầng chứa nƣớc, phức hệ chứa nƣớc hoặc cấu trỳc chứa nƣớc. Trữ lƣợng tĩnh bao gồm trữ lƣợng tĩnh đàn hồi và trữ lƣợng tĩnh trọng lực.
“Trữ lƣợng động” là lƣợng cung cấp cho nƣớc dƣới đất trong tự nhiờn. Lƣợng cung cấp tự nhiờn cho nƣớc dƣới đất cú thể từ ngấm của nƣớc mƣa, thấm từ hệ thống nƣớc mặt, thấm xuyờn từ cỏc tầng chứa nƣớc liền kề.
“Trữ lƣợng bổ sung” là lƣợng nƣớc gia tăng nhờ sự cung cấp của cỏc nguồn do hoạt động của cỏc cụng trỡnh khai thỏc nƣớc dƣới đất gõy ra.
“Chất lƣợng nƣớc dƣới đất” đƣợc thể hiện bởi giỏ trị của cỏc của thụng số về thành phần húa học cỏc nguyờn tố cú trong nƣớc và tớnh chất vật lý, húa học của nƣớc. Đặc trƣng chất lƣợng nƣớc quyết định đến khả năng sử dụng của nguồn nƣớc dƣới đất.
“Đỏnh giỏ tài nguyờn nƣớc dƣới đất” là hoạt động nhằm xỏc định điều kiện địa chất thủy văn, số lƣợng (trữ lƣợng), chất lƣợng nƣớc và khả năng khai thỏc, sử dụng nguồn nƣớc, cỏc tỏc động của việc khai thỏc, hoạt động kinh tế tới nguồn nƣớc dƣới đất; xu thế biến đổi về số lƣợng, chất lƣợng nƣớc dƣới đất phục vụ cụng tỏc