3.3.1 Cơ sở khoa học của việc xây dựng tường ngăn nước ngầm
Ở vùng nước ngầm ven đảo nguồn nước nhạt chảy ra biển gặp khối nước mặn tạo thành một khu vực chuyển tiếp giữa nước nhạt và nước mặn. Vùng chuyển tiếp
này khi ổn định tạo thành một mặt phân cách giữa hai chất lỏng có tỷ trọng khác nhau (nước nhạt và nước mặn) tức là vùng khuếch tán giữa nước nhạt và nước mặn được thể hiện như hình 3.1.
Hình 3.1 Một mặt cắt ngang điển hình của xâm nhập từ nước biển vào một tầng nước ngầm ven biển. (Bear, 1979, Hydraulics of Groundwater. McGraw-Hill,
NewYork)
Ở điều kiện tự nhiên trạng thái cân bằng được duy trì bởi vị trí cố định của mặt phân cách và sự ổn định của dòng chảy liên tục của nước nhạt ra biển. Về tổng quát, hình dạng và vị trí của mặt phân cách trong mặt phẳng thẳng đứng được mô phỏng như hình 3.2. Một khi nhu cầu khai thác nước ngầm tăng lên làm giảm lượng nước nhạt đổ ra biển, mặt phân cách sẽ di chuyển vào phía trong đất liền, hiện tượng này được gọi là sự xâm nhập mặn của nước biển. Khi ranh giới chung tăng lên và tiến vào các vùng ở phía trong đất liền làm cho các vùng này bị nhiễm mặn không sử dụng được.
Tình trạng này đã đặt ra sự cần thiết phải nghiên cứu một cách khoa học về vấn đề xâm nhập mặn nhất là phải xác định cho được vị trí, hình dạng mặt phân cách nhằm có cơ sở để dự báo, qui hoạch, khai thác và bảo vệ nguồn nước ngầm ở những khu vực này. Giải pháp khoa học trong luận văn đề xuất là xây dựng tường
Nước bổ cập (N) Vùng khai thác nhiều (P) Biển Mực nước biển Nước nhạt, ρf Giao diện chính Vùng chuyển tiếp Nước mặn, ρs Giao diện
chắn để ngăn nước ngọt thoát ra biển và giảm xâm nhập mặn từ nước biển vào tầng chứa nước ngầm. Để xác định được vị trí, độ sâu của tường và chiều dài của tường chắn này ta cần xác định được ranh giới biên mặn - ngọt (nhạt) trên đảo.
Tỷ trọng của nước ngọt và nước mặn là ρf và ρs. Trong các tầng ngậm nước ven biển trong điều kiện tự nhiên, nước ngọt nhẹ nằm trên nước mặn nặng hơn và dòng chảy thường là từ các tầng ngậm nước thoát ra biển. Sự pha trộn của nước ngọt và nước mặn xảy ra do khuếch tán phân tử. Cơ chế trộn hiệu quả nhất chính là sự khuếch tán hỗn loạn không có trong các tầng ngậm nước. Kết quả là, khu vực pha trộn giữa nước mặn và nước ngọt là nhỏ so với độ dày của tầng chứa nước và một giao diện rõ ràng được giả định. Tại một điểm trên giao diện giữa nước ngọt và nước mặn, áp lực của nước ngọt ρfghf,
thường vượt quááp lực của nước ngọt ρsghs, làm cho dòng chảy từ đất liền ra biển (Hình 3.2).
Hình 3.2 Ranh giới giữa nước ngọt và nước mặn
Nhưng khi bơm hút để khai thác nước ngầm diễn ra, mực nước ngầm hạ thấp tạo ra một cột đo áp trong nước ngọt trở nên ít hơn trong các nêm nước mặn liền kề.
Nước ngọt, ρf
Nước mặn, ρs Ranh giới mặn – ngọt Mực nước biển Dòng thấm thoát
Sau đó, nước mặn di chuyển gây ra xâm nhập mặn trong đất liền. Nước mặn có thể đạt được cũng trở nên ô nhiễm. Sự xâm nhập của nước mặn đã xảy ra ở nhiều tầng ngậm nước ven biển, ví dụ, trong các tầng ngậm nước ven biển của Florida, California, Hà Lan, Israel, và các bờ biển miền Nam nước Anh, chủ yếu là do bơm hút nước ngầm quá nhiều.
Giả sử điều kiện tĩnh, khu vực rò rỉ được giảm xuống còn một điểm. Áp lực tại điểm A trên giao diện phải giống nhau ở phía nước mặn và ở phía bên nước ngọt. Vì vậy, độ sâu hs của ranh giới dưới mực nước biển (Hình 3.2)
(3-1)
Trong đó: h là chiều cao của cột nước nước ngầm so với mực nước biển. Tỷ trọng của nước ngọt và nước mặn là ρf và ρs.
Với ρs /ρf = 1.025, tỷ số trong phương trình (3-1) là bằng 40.
Đối với một tầng nước ngầm hạn chế h chiều cao cột nước ngọt. Nêm nước ngọt được gọi là thấu kính Ghyben-Hertzberg, sau khi các nhà khoa học Hà Lan và Đức là người đầu tiên viết được phương trình (3-1). Khi nước ngọt được bơm hút từ tầng ngậm nước nằm trên một khối nước mặn đã khuyếch tán nước ngọt ra xung quanh cũng sẽ làm giảm áp lực trên giao diện. Điều này sẽ tạo ra giao diện dưới giếng. Đó được gọi là phễu. Nếu phễu nước mặn chạm đến giếng, nó sẽ pha trộn thành hỗn hợp nước mặn và nước ngọt.
Giả sử trong điều kiện thủy tĩnh, mực nước trong giếng, xấp xỉ gần đúng bằng chiều cao hình nón δ ta được (Hình 3-2):
(3-2)
Hình 3.3 Sự hình thành phễu khi có giếng khai thác nước ngầm
Áp dụng cho vùng đảo Phú Quý có tầng không thấm có thể mô phỏng thông qua sơ đồ sau:
Hình 3.4 Khi chưa có giếng khai thác nước ngầm
Khi có giếng khai thác nước ngầm ở vùng ven biển làm mực nước ngầm giảm xuống và có dạng hình phễu xung quanh giếng. Nêm nước mặn tiến sâu hơn vào trong tầng chứa nước ngọt làm gia tăng xâm nhập mặn trong tầng chứa nước ngọt. Nếu lưu lượng khai thác nước ngầm lớn có thể làm nhiễm mặn cả nước giếng khi khai thác...
Phễu
Mực nước ban đầu
Ranh giới ban đầu
Biển
74
Hình 3.5 Khi có giếng khai thác nước ngầm
Để khắc phục hiện tượng nhiễm mặn trong các giếng khai thác nước ngầm ven biển và ngăn không cho nước ngọt thát ra biển trong các tầng chứa nước có thể xây dựng tường chắn (Hình 3.6). Đây là một giải pháp hữu ích có thể áp dụng đối với các tầng chứa nước ven biển trong điều kiện hiện nay đặc biệt là ở đảo Phú Quý.
Hình 3.6 Khi xây dựng tường và có chắn giếng khai thác nước ngầm Biển Nước mặn Nước nhạt Giếng bơm hút b Tường ngăn V tăng thêm Biển Nước mặt tĩnh Nước nhạt Giếng bơm hút
Từ hình 3.6 trên ta thấy nếu xây dựng tường chắn sẽ làm tăng thêm dung tích nước ngọt so với khi chưa xây tường chắn là:
Trong đó: Vtt: thể tích nước ngọt tăng thêm khi xây tường và chưa xây tường(m3
)
Stt: diện tích mặt cắt ướt tăng thêm khi xây tường và chưa xây tường (m2)
Lt: chiều dài tường (m)
Khi đó dung tích trữ nước ngọt được tăng thêm, đồng thời ngăn không cho nước mặn xâm nhập vào các tầng chứa nước ven biển góp phần bảo vệ nguồn nước ngọt trên đảo cả về số lượng cũng như chất lượng nước đảm bảo cho các nhu cầu sử dụng nước cho các mục đích của người dân nơi đây.
Chọn vị trí để xây dựng tường ngăn:
Dựa trên những kinh nghiệm thực tế, người Nhật Bản cũng như các nước khác trên thế giới đã rút ra kinh nghiệm. Tường không chỉ có thể được xây dựng bất cứ nơi nào mà cần các đi ều kiện thích hợp để đảm bảo đúng yêu cầu kỹ thuật và sự an toàn của tường. Có thể rút ra một số yêu cầu sơ bộ về vị trí cho xây dựng tường ngăn nước ngầm như sau:
Sự phân bố của các lớp địa chất phải hợp lý sao cho độ rỗng và hệ số thấm đạt hiệu quả trong việc tích trữ và thu nhận nước. Hay nói cách khác, lớp địa chất tại khu vực đề xuất xây tường phải đảm bảo khả năng lưu trữ và nạp nước ngầm hợp lý. Vì mục đích sử dụng hồ chứa ngầm để trữ một khối lượng nước đáng kể, có thể thỏa mãn nhu cầu dùng nước tương đương với cường độ dòng chảy hàng năm để sử dụng nguồn nước tích trữ này ở giai đoạn khan.
Khả năng nạp nước của tầng nước ngầm. Sự phù hợp của hồ chứa ngầm để dung nạp nguồn nước thường dựa trên các điều kiện: 1 địa tầng bề mặt có độ
thấm cao để cho phép nước thẩm thấu dễ dàng, 2 vùng không bão hòa có tính thấm theo phương đứng cao và dòng chảy theo phương đứng của nước không bị hạn chế bởi các lớp sét ít thấm và; 3 khả năng lưu chuyển của dòng nước trong tầng ngậm nước đủ cao để cho phép nước di chuyển từ thượng nguồn tập trung cung cấp cho khu vực hồ chứa ngầm hoặc nạp vào tầng nước ngầm dễ dàng; khả năng lưu chuyển cho việc nạp nước cũng là một chỉ số đánh giá độ phù hợp về năng lực của tầng ngậm nước để tạo ra lượng nước ngầm lớn trong chu trình nước.
Trong phần thấp hơn của khu vực hồ chứa, nền đáy phải là tầng không thấm hoặc ít thấm, và nền địa chất không thấm/ ít thấm này phải mở rộng sang khu vực vách xung quanh. Yêu cầu này đơn giản để tránh sự tổn thất nước tích trữ trong hồ chứa do nước ngầm thấm qua đáy tường ngăn.
Bề mặt đáy nền phải ở độ sâu thích hợp cho việc xây dựng tường ngăn nếu như tuyến đã được hình thành. Thêm vào đó, khu vực giới hạn (vùng xây dựng cho việc mở rộng tường ngăn) là mang tính khả thi về kinh tế.
Phải có nguồn nước mặt cung cấp nước cho khu vực phù hợp với kế hoạch cấp nước.
Chất lượng nước phải nằm đảm bảo đạt tiêu chuẩn sử dụng theo quy định hiện hành.
Căn cứ vào các yêu cầu kỹ thuật trên, tường ngăn nước ngầm có thể được xây dựng tại khu vực đá vôi trên nền đá không thấm, khu vực cao nguyên được hình thành bởi đá núi lửa với độ xốp cao, khu vực miền duyên hải được hình thành bởi sỏi và cát, đồng bằng phù sa… trên nền không thấm hoặc ít thấm.