Chương 4. GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ PHỤC HỒI ĐỘ NHẢ NƯỚC CỦA CÁC GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC TRONG ĐÁ VÔI VÙNG CẨM PHẢ - QUẢNG NINH
4.2 Nhu cầu xử dụng nước
Thị xã Cẩm Phả đến Cửa Ông là các vùng đông dân cư và cơ quan. Do vậy nhu cầu nước sạch ở đây là rất cấp thiết để cung cấp cho sinh hoạt của dân cư. Hơn nữa, tại khu vực này các ngành công nghiệp đang phát triển rất mạnh như: ngành khai thác mỏ, các nhà máy sản xuất xi măng,… vì vậy nhu cầu xử dụng nước ngày càng đòi hỏi lớn hơn nữa. Ngoài các nhu cầu về nước đã nói ở trên thì cũng có một ít dùng trong sản xuất chế biến, phòng thí nghiệm,…
Chính do sự phát triển kinh tế - xã hội và cải thiện đời sống nên nhu cầu cần cung cấp nước sạch đòi hỏi ngày càng nhiều.
Về chất lượng nước, yêu cầu nước phải là loại nước hoàn toàn ngọt với hàm lượng cặn cơ học không quá 0,5%.
4.3 Thực trạng phức tạp và khó khăn cụ thể trong quá trình phục hồi độ nhả nước của các giếng khoan khai thác nước
Như phần trên đã đề cập, ranh giới theo phương ngang giữ nước ngọt và nước mặn theo phương ngang là 0,5 ÷ 1,1m so với mực nước biển, nước ngọt nằm bên trên, nước mặn bên dưới. Ta thấy rằng khoảng cách này rất nhỏ so với toàn bộ chiều sâu lỗ khoan và ranh giới này rất khó xác định trong quá trình thi công giếng khoan khai thác. Vì vậy, yêu cầu khi thi công các giếng khoan là không được khoan sâu xuống ranh giới nước ngọt và nước mặn để tránh hiện tượng giếng bị nhiễm mặn trong quá trình khai thác sau này.
Khi thi công các giếng khoan ở đây, ban đầu xử dụng loại ống lọc đục lỗ tròn đường kính lỗ là 8mm. Chiều dài ống lọc là 5m, đường kính ống lọc là 127mm. Sau đó tiến hành bơm rửa giếng bằng phương pháp erlift thì xảy ra hiện tượng là các tạp chất thô trong nước chiếm tỷ lệ rất lớn làm nước bị đục. Sau khi ống lọc trần không đạt yêu cầu thì thay đổi bằng ống lọc có quấn lưới, khung vẫn là loại ống lọc trần như trên nhưng vẫn không đạt được hiệu quả mong muốn.
Trong quá trình tiến hành bơm hút phục hồi độ nhả nước bằng phương pháp bơm erlift thì phải bơm với lưu lượng không lớn (nhỏ hơn 5 m3/h) để tránh hiện tượng xâm nhập của nước mặn vào giếng.
Cứ bơm hút liên tục từ 3 ÷ 5 giờ thì lưu lượng tạm ổn định và hàm lượng cát trong nước giảm xuống 1 ÷ 2%, nước tương đối trong. Nhưng sau đó, đột nhiên nước bơm lên lại đục, hàm lượng cát tăng lên nhanh đến 6 ÷ 7%, đồng thời lưu lượng giảm dần.
Khi lưu lượng bơm được quá nhỏ, không thể bơm được nước, phải tắt bơm. Sau 2 ÷ 3 giờ nước trong giếng khoan lại được phục hồi như cũ. Sau đó lại cho tiến hành bơm hút nhưng tình trạng lại xảy ra như trước. Tình trạng đó cứ lặp đi lặp lại và bơm liên tục 1 tuần mà vẫn không đạt kết quả.
Sau khi phương pháp bơm hút erlift không đạt hiệu quả thì tiến hành một số phương pháp phục hồi độ nhả nước khác như sục sâu, bơm dạo, bơm thay đổi lưu lượng, bơm tạo đợt không liên tục,… đều không có tác dụng gì.
Sau này, nếu giếng đi vào khi thác, khi lưu lượng giếng lớn lên cũng không thể bơm hút mạnh bởi phải tránh hiện tượng nhiễm mặn nguồn nước.
Thực tế đã có trường hợp bơm hơi mạnh hơn so với thiết kế mà nước bơm lên đã lờ lợ.
Sau khi thay ống lọc cuốn lưới vào thì bơm nước lên cho thấy mau trong hơn. Nhưng việc phục hồi độ nhả nước vẫn không đạt yêu cầu.
4.4 Luận giải hiện tượng
Qua nghiên cứu lý thuyết của các nhà khoa học đã nêu ở chương 3, liên hệ vào thực trạng phức tạp, khó khăn cụ thể trong công tác phục hồi độ nhả nước tại các giếng khoan khai thác nước ngầm ở khu vực Cẩm Phả có thể thấy:
- Giếng khi đang phục hồi độ nhả nước là giếng hở.
- Dòng chảy của nước từ tầng chứa nước vào giếng có 2 dạng:
+ Dòng chảy ổn định, tồn tại trong quá trình bơm phục hồi bình thường cho đến khi gần đạt kết quả (lưu lượng khá ổn định và nước tương đối sạch).
+ Dòng chảy không ổn định, xuất hiện khi đột xuất nước vẩn đục, lưu lượng giảm rồi lại trở lại trạng thái bình thường.
- Phần nhận nước của giếng phải đặt trên ranh giới nước ngọt và nước mặn nên nó nằm ở tầng chứa nước cần khai thác.
- Phần lọc nước vào giếng thiết kế chưa đủ khả năng lọc theo quy luật trầm tích tự nhiên.
Qua đây hiện tượng khi khôi phục độ nhả nước của tầng đá vôi khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh gây nên phức tạp và khó khăn đã đề cập ở bên trên có thể được giải thích như sau:
- Các hang, khe nứt và lỗ hổng của tầng đá vôi chứa nước còn tích chứa đầy bùn cát. Trong quá trình bơm hút, nước trong các hang, khe nứt, lỗ hổng hạ xuống làm thiếu đối áp, khối bùn cát sập lở xuống gây nên hiện tượng đã nói bên trên.
- Có dòng chảy nước ngầm đi qua các bãi thải đất đá. Dòng chảy ngầm ấy tạo nên đường hầm, vì vậy dòng chảy càng lâu thì đường hầm ngầm càng được mở rộng gây nên hiện tượng sập lở.
Mỗi lần hiện tượng sập lở xảy ra không những gây đục nguồn nước mà còn có thể tạo đập ngăn dòng chảy. Làm cho nước khi bơm hút lên lúc đục lúc trong, lúc lưu lượng đạt yêu cầu lúc thì giảm xuống đột ngột.
4.5 Các giải pháp khắc phục nhằm nâng cao hiệu quả phục hồi độ nhả nước Như phần trên đã đề cập tới, việc khai thác nước ngầm tại khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh chủ yếu lấy nước trong tầng đá vôi. Do đặc điểm cấu tạo, tầng đá vôi khu vực này có nhiều khe nứt, lỗ hổng và các hang hốc vì vậy lượng nước ngầm chứa trong đó tương đối lớn. Phần nào đó giải quyết được nhu cầu về nước để phụ vụ sinh hoạt và các hoạt động kinh tế. Tuy nhiên cũng do đặc điểm cấu tạo của tầng địa chất đá vôi và cấu tạo của địa chất thủy văn của khu vực này mà việc khai thác nước ngầm diễn ra không phải khi nào cũng thuận lợi.
Do đặc điểm cấu tạo tầng đá vôi của khu vực nên sau một thời gian khai thác, nước trong các khe nứt lỗ hổng đi vào giếng tạo nên sự giảm áp trong tầng chứa nước làm cho bùn, cát trong các khe nứt lỗ hổng sập xuống và theo dòng nước ngầm chảy vào trong giếng. Vì vậy, sau một thời gian ngắn bơm hút, nước ngầm chảy vào giếng mang theo các tạp chất làm vẩn đục nguồn nước và lưu lượng bơm hút giảm xuống rất nhanh. Sau đó lại phải tiến hành khôi phục lại độ nhả nước của tầng chứa nước. Tuy nhiên, để khôi phục lại hoàn toàn độ nhả nước của tầng chứa nước và để tránh hiện tượng như trên quay trở lại ta phải tiến hành thông rửa lại giếng với công suất lớn để có thể lôi toàn bộ các tạp chất như bùn, cát, mảnh vụn đá vôi,… ra khỏi tầng chứa nước. Khi tiến hành khôi phục như vậy lại dẫn đến hiện tượng nhiễm mặn tầng chứa nước và giếng khai thác.
Để khắc phục được các hiện tượng nói trên, ngoài các vấn đề về điều tra, đánh cấu tạo địa chất và địa chất thủy văn thì việc lựa chọn hình thức thông rửa lại giếng đã nói ở chương 2 và việc tính toán các chế độ thủy lực của tầng chứa nước và thiết kế công trình khai thác nước ngầm đã nói ở phần đầu chương 3 là vô cùng quan trọng. Tuy nhiên, để nâng cao hơn nữa và khắc phục các hiện tượng nói trên về việc khai thác nước ngầm của khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh thì tác giả xin đề xuất cấu trúc phần ống lọc của giếng khai thác như sau:
Hình 4.1 Cấu trúc phần ống lọc của giếng khai thác nước 4.5.1 Thiết kế đường kính giếng khoan
Theo cơ sở lý thyết chương 3 đã nghiên cứu, lưu lượng giếng khai thác phụ thuộc vào các yếu tố: Độ thấm của đất đá, đường kính giếng khai thác và khoảng cách của tâm giếng khai thác tới biên ảnh hưởng của nguồn nước khai thác. Độ thấm của mỗi loại tầng chứa là cố định và để đạt được giá trị cao nhất thì phụ thuộc vào các phương pháp và biện pháp phục hồi độ nhả nước của đất đá mà ta cần phải nghiên cứu, khoảng cách từ tâm giếng tới biên phụ thuộc vào thời gian khai thác của giếng, còn đường kính của giếng khai thác càng lớn thì Ống lọc cuội sỏi
Tầng đệm cuội sỏi
Ống lắng có bịt đáy
lưu lượng nước từ tầng chứa nước vào giếng càng tăng. Khoảng cách từ tâm giếng tới biên giới hạn có thể giải quyết bằng phương pháp tăng số lượng giếng khai thác trong vùng cần khai thác nước để tăng lưu lượng, nhưng phương pháp này rất tốn công và chi phí rất tốn kém khi phải khoan thêm các giếng khai thác.
Vì vậy, biện pháp đơn giản và kinh tế nhất để tăng lưu lượng nước từ tầng chứa nước chảy vào giếng là tăng đường kính của giếng khai thác, tức là khoan các giếng khai thác có đường kính lớn hơn các giếng có đường kính bình thường trước đây. Giếng khai thác có đường kính lớn ngoài các nhiệm vụ khai thác nước như một giếng khai thác có đường kính bình thường thì nó còn có tác dụng:
- Tăng lưu lượng dòng nước ngầm chảy vào giếng.
- Như một bể dự trữ nước để đảm bảo khai thác đủ lưu lượng khi lưu lượng nước ngầm chảy vào trong giếng giảm.
Để đảm bảo các nhiệm vụ nói trên thì ta phải tính toán được đường kính giếng khoan tối thiểu nhất cho khu vực này. Cụ thể là ta phải tính toán được đường kính khoan kết thúc của giếng khai thác, tức là đường kính kết thúc trong tầng chứa nước. Tuy nhiên việc tính toán này phụ thuộc nhiều vào lưu lượng khai thác thiết kế, đường kính và loại ống lọc xử dụng. Đường kính của ống lọc cũng phụ thuộc vào lưu lượng thiết kế theo công thức:
1
58 ,
117 L K
D= Q (4.1)
Trong đó: D – Đường kính ngoài của ống lọc (mm).
Q – Lưu lượng khai thác nước của lỗ khoan theo đề án (m3/h).
L – Chiều dài phần lọc nước của ống lọc (m).
K1 – Hệ số lọc của ống lọc.
Như trong phần 4.3 đã đề cập, khi tiến hành bơm hút quá lưu lượng 5m3/h thì dẫn đến hiện tượng nhiễm mặn nguồn nước khai thác. Vì vậy, lưu lượng thiết kế tối đa với các giếng khai thác nước trong tầng đá vôi ở khu vực này là 5m3/h.
Chiều dài tầng đất đá chứa nước theo tài liệu của các lỗ khoan đã thăm dò và khai thác trước đó thì thường nhỏ hơn 5m. Cũng theo tài liệu các lỗ khoan đã thăm dò và khai thác trước đó thì tầng chứa nước trong đá vôi khu vực này thường không có áp (có mực nước ngầm), nếu có áp thì chỉ có áp cục bộ ở một số lỗ khoan. Vì vậy theo cơ sở lý thuyết của chương 3 về việc thiết kế chiều dài ống lọc, để tăng năng lực của giếng (tăng lượng nước tập trung chảy vào giếng) thì chiều dài của ống lọc lấy bằng 1/3 chiều dài tầng chứa nước. Ta thiết kế chiều dài ống lọc cho chiều dài tầng chứa nước lớn nhất là 5m tức là L = 5/3 = 1,67m.
Các mẫu nước mang thí nghiệm với các lỗ khoan đã tiến hành bơm hút thì các tạp chất cơ học ở trong nước chủ yếu là cát hạt nhỏ và hạt vừa, các hạt thô trong nước cũng có nhưng với hàm lượng không đáng kể. Vì vậy theo kinh nghiệm hệ số lọc K1 được lấy là: K1 = 4.
Thay các thông số Q = 5m3/h, L = 1,67m, K1 = 4 công thức 4.1 ta có:
) ( 176 )
( 4 176 67 , 1 58 5 ,
117 mm D mm
D≥ = ⇒ ≥
Như vậy đường kính của ống lọc của các giếng khai thác trong tầng đá vôi khu vực Cẩm Phả không được nhỏ quá 176mm. Nhưng theo thiết kế, cấu trúc của phần lọc nước đã đề cập ở phần trên là ống lọc cuội sỏi có tầng đệm lọc cuội sỏi, vì vậy đường kính kết thúc giếng khoan phải lớn hơn đường kính ống lọc, thông thường bề dày lớp đệm lọc là 200 mm. Vì vậy, đường kính giếng sẽ là:
Dg ≥ 176 + 200 x 2 → Dg ≥ 576 mm.
Vậy các giếng khai thác nước trong tầng đá vôi khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh phải có đường kính nhỏ nhất là 576 mm. Nếu tăng đường kính giếng khoan lớn hơn nữa thì bán kính ảnh hưởng của giếng sẽ tăng lên, lưu lượng nước ngầm chảy vào giếng tăng và khả năng dự trữ nước trong giếng sẽ lớn.
4.5.2 Thiết kế lớp đệm lọc cuội sỏi
Lớp đệm lọc nước thường là một lớp mỏng được cấu tạo bằng các vật liệu thô như sỏi, cát thô hoặc đá dăm. Lớp đệm lọc nước này ở mỗi giếng có thể là lớp sỏi tự nhiên hoặc lớp đệm sỏi cát được tạo ra.
Lớp đệm tự nhiên có thể được tạo ra sung quanh ống lọc. Sau quá trình giếng hoạt động, các hạt mịn như bùn đất, cát mịn được di chuyển vào trong giếng rồi được bơm ra ngoài, còn lại một lớp sỏi sạn sung quanh ống lọc tạo thành lớp đệm lọc nước.
Trong trường hợp tầng chứa nước có cấu tạo không thuận lợi cho sự di chuyển của nước vào trong giếng chúng ta phải tạo nên lớp đệm lọc nước nhân tạo. Để tạo lớp đệm này, trong quá trình khoan người ta phải khoan lỗ khoan có đường kính lớn hơn đường kính bộ phận nước vào một trị số yêu cầu nào đó. Sau khi đặt ống lọc vào trung tâm lỗ khoan, người ta lấp đầy khoảng vành xuyến sung quanh ống lọc bằng các lớp cuội, cát, đá dăm với cấp hạt thích hợp và đạt yêu cầu lọc nước tùy theo cấu tạo cấp hạt trong tầng chứa nước.
Các giếng khai thác nước ngầm xử dụng tầng đệm lọc nước nhân tạo có những ưu việt sau:
- Lớp đệm lọc nước sẽ làm tăng bán kính ảnh hưởng của giếng cũng có nghĩa là làm tăng khả năng cấp nước của giếng.
- Giảm được tổn thất đầu nước tại khu vực nước chảy vào giếng vì thế cũng tăng lưu lượng nước chảy vào giếng.
- Giảm độ dày thành ống vì diện tích của các khe hở ở bộ phận nước vào sẽ được giảm nhỏ nhưng dòng chảy vào giếng vẫn đảm bảo thuận tiện.
- Khi lớp đệm lọc nước được thiết kế hoàn chỉnh và hoạt động tốt thì nước vào giếng sẽ mang theo ít nhất các hạt thô, vì thế sự hoạt động của giếng và máy bơm sẽ tốt nhất.
- Làm tăng khả năng chịu lực của ống lọc nước.
- Ngăn chặn các hiện tượng tạo lỗ hổng, hang hốc trong tầng chứa nước, chống sụt lở tầng địa chất nơi xây dựng giếng.
- Trong trường hợp cần thiết sẽ tạo điều kiện thuận tiện cho việc di chuyển, thay đổi các ống đặc biệt đối với giếng nông.
4.5.2.1 Phân tích cấp hạt tầng chứa nước
Để xác định được đặc tính cấu tạo của tầng chứa nước phải tiến hành phân tích thành phần hạt ở các mẫu lấy lên trong khi khoan thăm dò hoặc là trong qua trình khoan giếng. Dựa vào các kết quả phân tích thành phần hạt của tầng chứa nước để quyết định những đặc điểm kỹ thuật của bộ phận lọc nước vào và thiết kế tầng đệm lọc nước. Thông thường, để phân tích mẫu hạt người ta dùng phương pháp sàng khô và thực hiện theo một quy trình chuẩn nhất định. Một loạt các cấp mẫu sàng khác nhau được xử dụng. Các mẫu sang này có kích thước mắt lỗ khác nhau (hình 4.2).
Hình 4.2 Mẫu sàng phân tích cấp hạt tầng chứa nước
Khi lấy mẫu đưa lên sàng để phân tích, trọng lượng vật liệu còn giữ lại trên mỗi cấp sàng được thống kê và tính toán số phần trăm so với trọng lượng của toàn mẫu thí nghiệm. Số liệu được vẽ trên biểu đồ với trục tung biểu thị số phần trăm lũy tích, trục hoành biểu thi kích thước của mắt sàng mỗi cấp (được coi như đường kính nhỏ nhất của các hạt đất, cát được giữ trên mỗi sàng).
Như vậy, số phần trăm lũy tích tại cấp sàng nào đó sẽ là phần trăm trọng lượng còn lại trên mỗi cấp sàng đó và các cấp sàng lớn hơn. Kích thước của mỗi cấp sàng được tính bằng milimet tương đương với kích thước hạt lọt qua. Đường
cong biểu thị quan hệ giữa hai đại lượng này gọi là đường cong phân phối cấp hạt.
Theo phương pháp trên, tiến hành thí nghiệm và phân tích ở một số giếng khoan khai thác nước trong tầng đá vôi khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh thì thu được đường cong phân phối cấp hạt như sau:
Hình4.3 Đường cong phân phối cấp hạt trong tầng đá vôi khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh
Qua sự phân tích này xác định được cấp phối hạt của vật liệu cấu tạo của tầng chứa nước. Nó phản ánh đặc tính chứa nước của tầng địa chất đó và cũng có thể quyết định việc có cần thiết làm tầng đệm lọc nước nhân tạo hay không.
- Đường kính hạt hiệu quả (D90)
Đường kính hạt hiệu quả là đường kính có 10% trọng lượng của mẫu có hạt nhỏ hơn đường kính hạt hiệu quả và 90% trọng lượng của mẫu có hạt lớn hơn đường kính hạt hiệu quả.