2. 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨ U 16
2.3. 2 Phương phỏp kế thừa 17
Cỏc chỉ số NDĐ, đó được nờu trong sỏch hướng dẫn “Groundwater resources sustainability indicators”do UNESCO, IAEA, IAH xuất bản. Đõy là những chỉ số thể
hiện mối quan hệ giữa hoạt động khai thỏc của con người với tài nguyờn thiờn nhiờn. Mối quan tõm được cỏc nhà nghiờn cứu được đặt ra khi nghiờn cứu cỏc chỉ số này là vấn đề suy thoỏi tài nguyờn NDĐ. Cụ thể, cần cú một giới hạn về khai thỏc tài nguyờn NDĐ ở một lưu vực sụng hoặc một vựng lónh thổ cụ thể và giới hạn này sẽđược xỏc
định như thế nào là phự hợp nhất.
Đề tài được thực hiện dựa trờn nền tảng cỏc nghiờn cứu và đề nghị của tổ chức UNESCO, đặc biệt đối với cỏc chỉ số NDĐ đang được triển khai thực hiện nhiều nơi trờn thế giới. Do điều kiện tự nhiờn về tài nguyờn NDĐ và mức độ nghiờn cứu khỏc nhau nờn việc ỏp dụng và thực hiện cũng khỏc nhau. Đề tài đó tiến hành xem xột bộ
chỉ số của UNESCO đề nghị và đó chọn lựa ra được 6 chỉ số cú thể ỏp dụng trong điều kiện Việt Nam. Cỏc dữ liệu cần sử dụng phự hợp với cỏc nghiờn cứu truyền thống trong nước từ trước đến nay nờn việc ỏp dụng chắc chắn sẽ gặp nhiều thuận lợi.
Đề tài sẽ kế thừa hướng nghiờn cứu theo hệ thống phương phỏp luận của UNESCO. Nhiều thụng số sử dụng để xỏc định cỏc chỉ số sẽ thực hiện bằng cỏc phương phỏp khỏc nhau phự hợp với tài liệu hiện cú trong nước. Do đú, việc tiến hành tớnh toỏn cỏc chỉ số NDĐ hoàn toàn khỏc so với những nghiờn cứu khỏc đó thực hiện
trờn thế giới. Bộ chỉ số được đề tài lựa chọn theo Thuyết minh đề cương đó được phờ duyệt là:
1- Tài nguyờn NDĐ cú thể phục hồi/đầu người (sẽ được gọi tắt là chỉ số lượng NDĐ trờn đầu người).
2- Tổng lượng khai thỏc tài nguyờn NDĐ/lượng cung cấp (sẽđược gọi tắt là chỉ
số sử dụng NDĐ so với lượng bổ cập).
3- Tổng lượng khai thỏc tài nguyờn NDĐ/tổng tài nguyờn NDĐ cú khả năng khai thỏc (sẽđược gọi tắt là chỉ số sử dụng NDĐ so với tiềm năng).
4- Tổng lượng nước NDĐ cho ăn uống/tổng lượng nước uống trong vựng (sẽ được gọi tắt là chỉ số nước cho sinh hoạt).
5- Chỉ số cạn kiệt NDĐ.
6- Chỉ số khả năng tổn thương NDĐ.
2.3.3 - Phương phỏp mụ hỡnh NDĐ
Phương phỏp mụ hỡnh số là cụng cụ hữu hiệu để giải cỏc bài toỏn ĐCTV cú phạm vi nghiờn cứu lớn. Căn cứ yờu cầu tớnh toỏn cỏc chỉ số NDĐ, nhiều thụng số sẽ được xỏc định bằng phương phỏp mụ hỡnh sẽ gặp nhiều thuận lợi hơn cả.
Một thuận lợi đỏng kể khỏc đú là trong vựng đó cú mụ hỡnh NDĐ với số liệu
đến năm 2007, do đú đề tài chỉ cần cập nhật thờm dữ liệu đến năm 2011. Phương phỏp mụ hỡnh NDĐ sẽ được ỏp dụng cho việc tớnh toỏn cỏc thụng số sau: tài nguyờn NDĐ
cú thể phục hồi (Chỉ số lượng NDĐ trờn đầu người) và lượng cung cấp cho NDĐ (chỉ
số NDĐ). Lý thuyết phương phỏp mụ hỡnh NDĐ đó được đề cập trong nhiều tài liệu liờn quan. Trong phạm vi bỏo cỏo này sẽ nờu túm tắt như sau:
NDĐ là một loại khoỏng sản lỏng, vỡ vậy trữ lượng cũng như động thỏi của nú luụn luụn thay đổi. Toàn bộ sự biến thiờn độ cao mực nước duới đất được mụ tả bằng một phương trỡnh đạo hàm riờng duy nhất sau:
t h S W z h K z y h K y x h K x xx yy zz s ∂ ∂ = − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ 2.1
- Kxx, Kyy, Kzz là cỏc hệ số thấm theo phương x, y và z. Chiều z là chiều thẳng
đứng.
- W là mụ đun dũng ngầm, hay là cỏc giỏ trị bổ cập, giỏ trị thoỏt đi của NDĐ
tớnh tại vị trớ (x,y,z) ở thời điểm t. W = W(x,y,z,t) là hàm số phụ thuộc thời gian và khụng gian (x,y,z).
- Ss là hệ số nhả nước và Ss = Ss(x,y,z), Kxx = Kxx(x,y,z), Kyy = Kyy(x,y,z), Kzz = Kzz(x,y,z) là cỏc hàm phụ thuộc vào vị trớ khụng gian x,y,z.
Phương trỡnh 2.1 mụ tả động thỏi mực nước trong điều kiện mụi trường khụng
đồng nhất và dị hướng. Kết hợp với cỏc điều kiện biờn, điều kiện ban đầu của tầng chứa nước sẽ tạo thành một mụ hỡnh toỏn học về dũng chảy NDĐ.
2.3.3.1 -Phương trỡnh vi phõn và phương phỏp giải
Để giải phương trỡnh trờn, người ta phải tỡm hàm số h(x,y,z,t), thoả món (2.1) và cỏc điều kiện biờn. Sự biến động của giỏ trị h theo thời gian sẽ xỏc định bản chất của dũng chảy, từ đú cú thể tớnh được trữ lượng động của tầng chứa nước cũng như tớnh toỏn cỏc hướng của dũng chảy.
Việc tỡm ra hàm giải tớch h(x,y,z,t) cho phương trỡnh (2.1) thường là rất khú. Trờn thực tế, ngoại trừ một số rất ớt trường hợp, phương trỡnh (3.1) là phương trỡnh khụng thể giải được bằng phương phỏp giải tớch. Do đú người ta buộc phải giải bằng phương phỏp gần đỳng. Một trong cỏc phương phỏp giải gần đỳng ởđõy được ỏp dụng cho bài toỏn này là phương phỏp sai phõn hữu hạn.
Hỡnh 2.2 - ễ lưới và cỏc loại ụ lưới trong mụ hỡnh
i,j,k i,j,k-1 i,j,k+1 i+1,j,k i,j-1,k i,j+1,k i-1,j,k
Hệ phương trỡnh sai phõn nhận được từ phương trỡnh (2.1) được thành lập trờn cơ sở cỏc qui tắc cõn bằng: Tổng tất cả dũng chảy vào và chảy ra từ một ụ phải bằng sự thay đổi thể tớch nước cú trong ụ.
Hỡnh 2.3 - ễlướii,j,kvà 6 ụbờncạnh
Một cỏch tổng quỏt, nếu cú n nguồn cấp vào trong ụ lưới thỡ phương trỡnh (2.1)
được biến đổi thành:
CRi,j-1/2,k(hi,j-1,k-hi,j,k)+CRi,j+1/2,k(hi,j+1,k-hi,j,k)+
+CCi-1/2,j,k(hi-1,j,k-hi,j,k)+CCi+1/2,j,k(hi+1,j,k-hi,j,k)+ (2.2) +CVi,j,k-1/2(hi,j,k-1-hi,j,k)+CVi,j,k+1/2(hi,j,k+1-hi,j,k)+
+Pi,j,khi,j,k-1+Qi,j,k=SSi,j,k(∆rj∆cj∆vk) ∆hi,j,k/∆t. Sai phõn giỏ trị∆hi,j,k/∆t ta cú:
1 , , , , , , 1 m m i j k i j k i j k m m m h h h t t t − − ∆ − ⎛ ⎞ = ⎜ ∆ ⎟ − ⎝ ⎠ (2.3) Trong đú: - tm và tm-1: thời điểm m và m-1
- hi,j,km và hi,j,km-1 là giỏ trị mực nước của ụ (i,j,k) tại thời điểm m và (m-1) Thay vào hệ phương trỡnh (3.2) từ bước thời gian tm-1đến tm ta cú:
CRi,j-1/2,k(hmi,j-1,k-hmi,j,k)+CRi,j+1/2,k(hmi,j+1,k-hmi,j,k)+ +CCi-1/2,j,k(hmi-1,j,k-hmi,j,k)+CCi+1/2,j,k(hmi+1,j,k-hmi,j,k)+
+CVi,j,k-1/2(hmi,j,k-1-hmi,j,k)+CVi,j,k+1/2(hmi,j,k+1-hmi,j,k)+ + Pi,j,khmi,j,k-1+Qi,j,k=SSi,j,k(∆rj∆cj∆vk)(hmi,j,k-hm-1i,j,k)/(tm -tm-1) (3.4)
Phương trỡnh trờn sẽđược viết cho cỏc ụ mà mực nước thay đổi theo thời gian. Như vậy, ta sẽ lập được một hệ phương trỡnh cú số phương trỡnh tương ứng với số ụ lưới. Giải hệ phương trỡnh này với điều kiện biết được mực nước hm-1i,j,k (điều kiện ban
đầu) ta sẽ xỏc định được mực nước hmi,j,k. Cứ lần lượt như vậy, ta cú thể xỏc định được mực nước cho bất kỳ thời điểm nào.
2.3.3.3 -Phương phỏp giải
Hệ phương trỡnh trờn thường được giải bằng phương phỏp lặp. Người ta tiến hành chia nhỏ khoảng thời gian (tm-1,tm), kết quả nhận được là lời giải gần đỳng.
Hỡnh 2.4 - Sơ đồ bướcgiảitheophươngphỏplặptrongmụhỡnh
Khi thời gian tăng lờn thỡ h sẽ thay đổi. Khi h đạt được điều kiện hội tụ (chờnh lệch h tớnh được giữa 2 bước thời gian kế cận nhau là nhỏ hơn một giỏ trị cho phộp) thỡ mực nước đạt được sự cõn bằng động và tại đõy kết thỳc quỏ trỡnh tớnh toỏn. Để
phương phỏp lặp hội tụ, người ta chọn bước thời gian tăng theo cấp số nhõn, khi đú thừa số 1/(tm-1 - tm) sẽ tiến nhanh tới 0 do đú cỏc tổng cú liờn quan đến thừa số này hội tụ. Cú thể hỡnh dung cỏch giải hệ phương trỡnh (2.4) bằng phương phỏp lặp như thể
hiện trong Hỡnh 2.4.
2.3.3.4 -Điều kiện biờn
Trong thực tế, khụng cần thiết phải viết phương trỡnh dạng (2.4) cho tất cả cỏc ụ lưới khi những ụ lưới nào đú cú thể thiết lập cỏc điều kiện biờn trờn đú. Cú 3 loại điều kiện biờn chớnh như sau:
Điều kiện biờn loại I là điều kiện biờn mực nước được xỏc định trước (cũn gọi là điều kiện biờn Dirichlet). Đú là ụ mà mực nước được xỏc định trước và giỏ trị này khụng đổi trong suốt bước thời gian tớnh toỏn.
Điều kiện biờn loại II là điều kiện biờn dũng chảy được xỏc định trước (cũn gọi là điều kiện biờn Neumann). Đú là cỏc ụ mà lưu lượng dũng chảy qua biờn được xỏc định trước trong suốt bước thời gian tớnh toỏn. Trường hợp khụng cú dũng chảy thỡ lưu lượng được xỏc định bằng khụng.
Điều kiện biờn loại III là điều kiện biờn lưu lượng trờn biờn phụ thuộc vào mực nước (cũn gọi là điều kiện biờn Cauchy hoặc biờn hỗn hợp).
2.3.3.5 -Đỏnh giỏ bài toỏn ngược
Kết quả giải bài toỏn ngược cần phải được đỏnh giỏ cả về chất lượng lẫn định lượng. Cho đến nay vẫn chưa cú một tiờu chuẩn cụ thể nào được đưa ra. Theo National Research Council (1990), việc đỏnh giỏ sai số mực nước giữa mụ hỡnh và quan trắc là một chỉ tiờu rất tốt, tuy nhiờn khụng phải lỳc nào cũng thực hiện dễ dàng. Mục đớch cuối cựng của bài toỏn chỉnh lý là cực tiểu húa giỏ trị sai số. Cú 3 loại sai số để đỏnh giỏ sự sai khỏc mực nước giữa quan trắc và mụ hỡnh là:
- Sai số trung bỡnh (ME) là sai số trung bỡnh giữa mực nước quan trắc (hm) và mực nước mụ hỡnh (hs): (hm hs) ME n Σ − = (2.5) Trong đú: n là sốđiểm chỉnh lý
Kết quả này ớt cú giỏ trị tham khảo và khụng được sử dụng rộng rói đểđỏnh giỏ sai số bởi vỡ đụi khi giỏ trị sai số khỏc mang dấu õm và dương sẽ loại trừ nhau và cuối cựng vẫn cú thểđạt trị số ME cực tiểu
- Sai số tuyệt đối trung bỡnh (MAE): (hm hs)
MAE
n
Σ −
= (2.6)
- Sai số trung bỡnh quõn phương (RMS) hay là độ lệch chuẩn:
2 (hm hs) MAE n − = ∑ (2.7)
Sai số MAE và RMS là chỉ tiờu tốt đểđỏnh giỏ chất lượng của mụ hỡnh.
2.3.4 - Phương phỏp giải tớch truyền thống
Phương phỏp giải tớch truyền thống sẽ được sử dụng đề tớnh toỏn thụng số tổng tài nguyờn NDĐ cú thể khai thỏc (trữ lượng tiềm năng) trong Chỉ số sử dụng NDĐ so với tiềm năng.
Tài nguyờn NDĐ cú thể khai thỏc là số lượng nước cú thể khai thỏc được hàng năm từ một tầng chứa nước dưới điều kiện kinh tế, xó hội và mụi trường hiện tại. Ởđề
tài này chỉ tớnh cho nước cú tổng khoỏng húa <1g/l. Như vậy tổng tài nguyờn NDĐ cú thể khai thỏc được xem là trữ lượng tiềm năng NDĐ. Phương phỏp và kỹ thuật ỏp dụng là phương phỏp truyền thống của ngành địa chất thủy văn.
Trữ lượng khai thỏc tiềm năng NDĐ được tớnh theo phương phỏp cõn bằng, cú cụng thức sau:
Qkt = Qt + Qđ (2.8)
Trong đú:
Qt=Qtl + Qdh - Trữ lượng khai thỏc từ trữ lượng tĩnh của tầng chứa nước. Qtl - Trữ lượng khai thỏc từ trữ lượng tĩnh trọng lực của tầng chứa nước. Qdh - Trữ lượng khai thỏc từ trữ lượng tĩnh đàn hồi của tầng chứa nước.
Xỏc định trữ lượng tĩnh trọng lực 1 tl kt F m Q t à α ì ì = (2.9) - Xỏc định trữ lượng tĩnh đàn hồi
* 2 . . a dh kt F h Q t à = (2.10)
Riờng trữ lượng động sẽ sử dụng kết quả tớnh toỏn từ mụ hỡnh NDĐ, gồm: - Lượng bổ cập từ mưa.
- Tổng lượng thoỏt ra vựng tớnh toỏn (gồm hai thành phần Seepage và Outflow).
2.3.5 - Phương phỏp phõn tớch, thống kờ tổng hợp số liệu
Phương phỏp phõn tớch, thống kờ tổng hợp số liệu sẽ được thực hiện chủ yếu dưới dạng cỏc bảng số liệu trong Microsolf Excel. Phương phỏp này được sử dụng để
tớnh toỏn cỏc thụng số sau:
1- Tổng lượng khai thỏc tài nguyờn NDĐ
Tổng lượng khai thỏc tài nguyờn NDĐ là số liệu thu được từ kết quả điều tra hiện trạng khai thỏc sử dụng NDĐ tại cỏc địa phương. Đề tài sẽ sử dụng số liệu của cỏc dự ỏn mới được thực hiện trong vựng:
- Quy hoạch tài nguyờn nước trong phạm vi tỉnh Đồng Nai đến năm 2020 [9]. - Điều tra hiện trạng, qui hoạch khai thỏc và xõy dựng CSDL phục vụ quản lý tài nguyờn NDĐ tỉnh Bỡnh Dương [25].
- Biờn hội bản đồ ĐC, bản đồ ĐCTV và bản đồ ĐCCT thành phố Hồ Chớ Minh tỷ lệ 1/50.000 [29].
Đõy là cỏc dự ỏn được thực hiện sau khi đó được tiến hành điều tra hiện trạng khai thỏc NDĐ. Dữ liệu này đó được lưu trong cơ sở dữ liệu ĐCTV cỏc tỉnh trong vựng nghiờn cứu và được cập nhật hàng năm. Đề tài đó thu thập được cỏc số liệu cần thiết đó được cập nhật đến năm 2010.
2- Tổng lượng dựng cho sinh hoạt toàn vựng
NDĐ là một nguồn quan trọng của nước uống ở nhiều quốc gia. Đặc biệt, đú là nguồn nước đỏng tin cậy và an toàn cho mục đớch uống tại cỏc vựng khụ hạn, bỏn khụ hạn và cỏc đảo nhỏ. Gần một nửa dõn số thế giới phụ thuộc vào NDĐ để cung cấp nước uống. Sự hiểu biết về hệ thống nước ngầm và động thỏi của nú trờn cơ sở số liệu
điều tra NDĐ, quan trắc và đỏnh giỏ trữ lượng khai thỏc NDĐ (cả tỏi tạo và khụng tỏi tạo) đó dẫn đến sự gia tăng sử dụng nước ngầm cho mục đớch uống ở nhiều nơi trờn thế giới. Do đú, NDĐ ngày càng cú tỉ lệ càng tăng so với nước mặt dựng cho mục đớch uống tại nhiều nước chõu Âu trong những thập kỷ gần đõy.
Tổng lượng nước dựng cho sinh hoạt được xỏc định theo quy định tại Quyết
định của Thủ tướng Chớnh phủ số 63/1998 QĐ-TTg, ngày 18/3/1998, tiờu chuẩn dựng nước cho từng đối tượng ứng với cỏc giai đoạn phỏt triển như Bảng 2.1.
Bảng 2.1 - Tiờu chuẩn dựng nước sinh hoạt theo từng giai đoạn (l/người/ngày)
Tiờu chuẩn dựng nước theo cỏc giai đoạn
Đối tượng dựng nước 2005 2010-2015 2020
Đụ thị lớn (loại I) 150 165 180
Độ thị vừa (loại II) 120 150 165 Thị xó, tỉnh lỵ (loại III) 100 120 150 Huyện lỵ, thị trấn (loại IV) 60 100 120
Thị tứ (loại V) 60 80 100
Nụng thụn (loại VI) 40 50 60
3- Tổng lượng nước NDĐ cho ăn uống
Lượng NDĐ dựng cho sinh hoạt tớnh toỏn theo kết quả điều tra của từng địa phương:
- Tỉnh Bỡnh Dương sẽ sử dụng kết quả điều tra hiện trạng khai thỏc của tỉnh thuộc dự ỏn: “Điều tra hiện trạng, quy hoạch khai thỏc và xõy dựng cơ sở dữ liệu phục vụ quản lý tài nguyờn NDĐ tỉnh Bỡnh Dương” [25].
- Tỉnh Đồng Nai sẽ sử dụng số liệu điều tra của địa phương về cỏc chỉ số theo Quyết định số 51/2008/QĐ-BNN ngày 14 thỏng 4 năm 2008 của Bộ trưởng Bộ Nụng nghiệp và Phỏt triển Nụng thụn (theo biểu 4.2). Bổ sung thờm số liệu điều tra hiện trạng tại cỏc đụ thịđó cú.
- TPHCM sẽ sử dụng kết quả điều tra hiện trạng khai thỏc của tỉnh thuộc dự ỏn: “Biờn hội bản đồ địa chất, bản đồ ĐCTV và ĐCCT thành phố Hồ Chớ Minh tỉ lệ
1:50.000” [29].
4- Xỏc định diện tớch cạn kiệt NDĐ
Vựng cạn kiệt NDĐđược xỏc định theo tiờu chớ:
- Theo bỏo cỏo quan trắc quốc gia thỡ cỏc vựng phỏ hủy (khai thỏc nhiều) thường cú tốc độ hạ thấp mực nước >0,3m/năm.
Căn cứ chuỗi số liệu quan trắc quốc gia từ năm 1995 tại cỏc tầng chứa nước kết hợp tài liệu quan trắc tại cỏc địa phương trong vựng, sẽ tiến hành tớnh toỏn tốc độ hạ
thấp mực nước tại từng cụng trỡnh quan trắc. Giỏ trị vận tốc độ mực nước hạ thấp tại một điểm là giỏ trị vận tốc hạ thấp mực nước lớn nhất trong cỏc tầng chứa nước hiện hữu.
Kết hợp kết quả chạy mụ hỡnh NDĐ sẽ xõy dựng bản đồ Phõn vựng cạn kiệt NDĐđể cỏc định diện tớch cú vấn đề cạn kiệt,
2.3.6 - Phương phỏp lập bản đồ DRASTIC
Bản đồ nhạy cảm nhiễm bẩn NDĐ được xõy dựng trờn cơ sở hệ thống DRASTIC, sử dụng cho cụng tỏc quy hoạch và quản lý tài nguyờn nước, phục vụ như
một cụng cụ bảo vệ và quan trắc NDĐ. Hệ thống DRASTIC là hệ thống đỏnh giỏ tiềm