Tổng quan nghiên cứu

Tài nguyên nước dưới đất đóng vai trò then chốt đối với an ninh nguồn nước và phát triển kinh tế xã hội tại dải ven biển miền Trung. Tỉnh Hà Tĩnh sở hữu đường bờ biển dài hơn 137 km cùng diện tích thềm lục địa khoảng 18.400 km2, chiếm khoảng 1,81% diện tích tự nhiên toàn quốc. Tuy nhiên, khu vực đồng bằng ven biển địa phương này đang đối mặt với nguy cơ suy thoái tài nguyên nước nghiêm trọng khi có trên 114 km2 đất bị nhiễm mặn, đặc biệt gia tăng gay gắt trong các tháng mùa khô. Áp lực gia tăng dân số, đô thị hóa và hoạt động sản xuất tại các đô thị, khu công nghiệp ven biển dẫn đến tình trạng khai thác nước ngầm tự phát, làm suy giảm cả trữ lượng lẫn chất lượng nguồn nước.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là ứng dụng hệ thống mô hình dòng chảy nước dưới đất ba chiều GMS (Groundwater Modeling System) nhằm mô phỏng hiện trạng và dự tính biến động trữ lượng nước ngầm tại khu vực đồng bằng tỉnh Hà Tĩnh. Phạm vi nghiên cứu bao quát 10 huyện, thị xã trọng điểm ven biển và đồng bằng phụ cận như Nghi Xuân, Đức Thọ, Can Lộc, Lộc Hà, Thạch Hà, Cẩm Xuyên, Kỳ Anh, thị xã Hồng Lĩnh và thành phố Hà Tĩnh. Bằng việc tích hợp các kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng RCP4.5 và RCP8.5, luận văn đã định lượng hóa mức độ sụt giảm trữ lượng nước ngọt và xu thế mở rộng diện tích nhiễm mặn theo các giai đoạn từ năm 2016 đến năm 2099. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học định lượng với độ tin cậy cao, đóng góp dữ liệu quan trọng phục vụ công tác quy hoạch khai thác bền vững và thích ứng biến đổi khí hậu tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy động lực học chất lỏng trong môi trường rỗng và định luật thấm Darcy mở rộng cho dòng chảy tầng ba chiều không ổn định. Cốt lõi của mô hình toán là phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả sự vận động của nước dưới đất trong môi trường dị tính và dị hướng, kết hợp nguyên lý bảo toàn khối lượng và cân bằng nước trong các tầng chứa nước có áp và không áp.

Hệ thống địa chất thủy văn khu vực đồng bằng ven biển Hà Tĩnh được phân chia thành 3 tầng chứa nước chính thuộc kỷ Đệ Tứ:

  1. Tầng chứa nước Holocen trên ($qh_2$): Tầng chứa nước không áp, phân bố dạng dải cát ven biển với diện tích trên 500 km2, chiều dày dao động từ 13 m đến 25 m, lưu lượng giếng khoan đạt khoảng 0,5 đến 5,0 l/s.
  2. Tầng chứa nước Holocen dưới ($qh_1$): Tầng chứa nước có áp yếu, trầm tích hỗn hợp cát bở rời, bùn sét với chiều dày vỉa chứa từ vài mét đến hơn 20 m.
  3. Tầng chứa nước Pleistocen ($qp$): Tầng chứa nước có áp sâu, phân bố không liên tục trong các trũng bồi tích cổ, chiều sâu bắt gặp từ 6,0 m tại Bãi Vọt đến hơn 55 m tại các khu vực đồng bằng mở rộng.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp mô hình hóa số đóng vai trò trung tâm thông qua phần mềm GMS tích hợp module Modflow. Dữ liệu đầu vào bao gồm chuỗi quan trắc khí tượng thủy văn hơn 54 năm (1960–2014) tại trạm Hà Tĩnh, mạng lưới thủy văn sông Cày, sông Nghèn (lưu vực 586 km2), sông Rác (lưu vực 137 km2) và số liệu địa chất từ hàng chục lỗ khoan thăm dò.

Quy trình chọn mẫu và thu thập dữ liệu được chuẩn hóa theo từng bước:

  • Miền tính toán được rời rạc hóa thành lưới sai phân ba chiều với hàng nghìn ô lưới, bao phủ toàn bộ đồng bằng ven biển nhằm phản ánh chi tiết sự phân hóa ranh giới địa chất thủy văn.
  • Dữ liệu mực nước từ các giếng quan trắc quốc gia và địa phương được phân chia thành 2 chuỗi phục vụ hiệu chỉnh thông số thấm và kiểm nghiệm mô hình nhằm tối ưu hóa sai số chuẩn.
  • Các kịch bản biến đổi khí hậu bao gồm kịch bản phát thải trung bình thấp (RCP4.5) và kịch bản phát thải cao (RCP8.5) được tích hợp để tính toán dao động trữ lượng nước ngầm trong 3 mốc thời gian: ngắn hạn (2016–2035), trung hạn (2046–2065) và dài hạn (2080–2099).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng từ mô hình GMS đã định lượng rõ rệt xu thế suy thoái tài nguyên nước ngầm tại khu vực đồng bằng ven biển Hà Tĩnh dưới tác động kép của biến đổi khí hậu và khai thác nhân tạo:

  1. Suy giảm trữ lượng nước ngọt tầng nông ($qh_2$): Dưới tác động của kịch bản RCP4.5, trữ lượng khai thác an toàn của tầng $qh_2$ dự báo giảm từ 8,5% trong giai đoạn 2016–2035 lên 14,2% vào giai đoạn 2080–2099. Với kịch bản cực đoan RCP8.5, mức sụt giảm trữ lượng nước ngọt vượt mốc 18,7% vào cuối thế kỷ 21 do lượng bốc hơi mùa khô tăng cao vượt ngưỡng 140 mm/tháng.
  2. Gia tăng diện tích nhiễm mặn tầng áp lực Pleistocen ($qp$): Trữ lượng nước nhiễm mặn tại tầng chứa nước $qp$ có xu hướng mở rộng liên tục. So với thời kỳ cơ sở, thể tích khối nước mặn tăng trung bình từ 6,3% đến 12,8% theo kịch bản RCP4.5 và tăng hơn 17,5% theo kịch bản RCP8.5 tại các khu vực trũng ven biển huyện Cẩm Xuyên và Thạch Hà.
  3. Hạ thấp mực nước tĩnh và hình thành phễu hạ thấp mực nước: Mực nước ngầm trung bình tại các khu vực tập trung dân cư giảm từ 0,6 m đến 1,8 m, làm gia tăng gradien thủy lực hướng từ biển vào đất liền, đẩy ranh giới mặn 1 g/l xâm nhập sâu thêm khoảng 1,5 km đến 3,2 km dọc theo các cửa sông chính như Cửa Sót và Cửa Nhượng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm trữ lượng nước ngầm bắt nguồn từ diễn biến nhiệt độ trung bình năm tại Hà Tĩnh tăng khoảng 1,0°C trong giai đoạn quan trắc, đi kèm hiện tượng gió Tây Nam khô nóng kéo dài làm độ ẩm không khí giảm sâu xuống mức 70% đến 74% trong tháng 7. Lượng mưa dù đạt trung bình năm từ 2.500 mm đến 2.650 mm nhưng phân bố cục bộ và tập trung chủ yếu vào mùa lũ (chiếm trên 75% tổng lượng mưa năm), khiến lượng bổ cập tự nhiên trong mùa kiệt bị suy giảm nghiêm trọng.

Kết quả mô phỏng có thể được minh họa trực quan thông qua các bản đồ đẳng cao mực nước ngầm và biểu đồ cột so sánh biến thiên trữ lượng theo thời gian. Sự tương đồng cao giữa số liệu tính toán và thực tế quan trắc đã chứng minh tính ưu việt của mô hình GMS trong việc nắm bắt tương tác thủy lực phức tạp giữa các tầng chứa nước Đệ Tứ và hệ thống sông ngòi ven biển.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả dự tính trữ lượng nước ngầm, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp mang tính chiến lược và khả thi:

  1. Tái cấu trúc và quy hoạch lại mạng lưới giếng khoan khai thác: Ủy ban nhân dân tỉnh và các cơ quan chuyên trách cần khoanh định vùng hạn chế khai thác nước dưới đất, di dời các trạm cấp nước nằm cách mép bờ biển dưới 2,5 km và khống chế lưu lượng khai thác đơn giếng dưới mức 0,5 đến 1,2 l/s tại các túi nước nhạy cảm trước năm 2026.
  2. Xây dựng hệ thống quan trắc tự động mực nước và độ mặn: Đầu tư bổ sung tối thiểu 20 trạm quan trắc tự động liên tục đo mực nước tĩnh và độ mặn tại 2 tầng chứa nước $qh$ và $qp$ thuộc các huyện trọng điểm Nghi Xuân, Can Lộc, Thạch Hà, Cẩm Xuyên và Kỳ Anh trước năm 2028.
  3. Triển khai các công trình bổ cập nhân tạo tầng chứa nước: Tận dụng nguồn nước ngọt dồi dào trong mùa mưa từ hệ thống hồ Kẻ Gỗ (dung tích trên 300 triệu m3) và hồ Sông Rác để dẫn dòng, lắng lọc và bổ cập nhân tạo cho các cồn cát ven biển, duy trì mục tiêu nâng trữ lượng bổ cập ngầm thêm 10% đến 15% mỗi năm.
  4. Hoàn thiện khung pháp lý và chuyển đổi mô hình cấp nước sinh hoạt: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Hà Tĩnh chủ trì ban hành quy chế cấp phép khai thác nước dưới đất chặt chẽ, đồng thời đẩy nhanh tiến độ cấp nước tập trung từ nguồn nước mặt cho hơn 80% hộ dân nông thôn ven biển trong lộ trình 2025–2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường: Cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng phục vụ Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Hà Tĩnh trong việc lập quy hoạch tài nguyên nước và phê duyệt giấy phép khai thác nước ngầm.
  2. Đơn vị tư vấn quy hoạch cấp thoát nước và công trình thủy lợi: Ứng dụng các thông số thủy địa chất và trữ lượng dự tính để thiết kế mạng lưới trạm cấp nước sạch và đê kè ngăn mặn ven biển.
  3. Giảng viên, học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Thủy văn: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp thiết lập điều kiện biên, hiệu chỉnh mô hình GMS/Modflow trong điều kiện thiếu hụt chuỗi dữ liệu dài hạn.
  4. Ban quản lý các khu công nghiệp và dự án kinh tế ven biển: Giúp các doanh nghiệp tại Khu kinh tế Vũng Áng và các cụm công nghiệp ven biển đánh giá rủi ro thiếu hụt nguồn nước sản xuất, từ đó chủ động phương án tích trữ và xử lý nước phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao mô hình GMS lại được ưu tiên lựa chọn để tính toán nước ngầm tại Hà Tĩnh? Hệ thống GMS tích hợp module Modflow cho phép mô phỏng dòng chảy ba chiều không ổn định trong môi trường dị tính phức tạp, xử lý đồng thời hơn 3 tầng chứa nước với nhiều điều kiện biên sông, biên biển và biên bốc hơi đặc thù của dải đồng bằng ven biển.

  2. Tầng chứa nước nào tại đồng bằng Hà Tĩnh dễ bị tổn thương nhất trước biến đổi khí hậu? Tầng chứa nước Holocen trên ($qh_2$) chịu tổn thương nhanh nhất do nằm sát bề mặt, không có lớp sét cách nước bảo vệ và phụ thuộc trực tiếp vào lượng mưa bổ cập cũng như chịu ảnh hưởng triều biên độ 0,5 m.

  3. Mức độ xâm nhập mặn thay đổi ra sao theo kịch bản cực đoan RCP8.5? Theo kịch bản RCP8.5, trữ lượng nước nhiễm mặn tại tầng chứa nước Pleistocen ($qp$) dự báo tăng thêm trên 17,5%, ranh mặn 1 g/l mở rộng sâu vào đất liền từ 2,0 km đến 3,2 km tại các vùng hạ lưu sông Cày và sông Rác.

  4. Mùa khô tác động như thế nào đến khả năng tự bổ cập của nước dưới đất? Trong mùa hè, nhiệt độ cao trung bình đạt 29,8°C cùng gió Tây Nam khiến lượng bốc hơi tháng đạt 120 mm đến 140 mm, vượt xa lượng mưa bổ cập thực tế, gây sụt giảm mực nước tĩnh từ 0,5 m đến 1,2 m.

  5. Giải pháp bổ cập nhân tạo nguồn nước ngầm có tính khả thi không? Giải pháp này hoàn toàn khả thi nhờ địa hình cồn cát ven biển có độ rỗng lớn và nguồn nước mặt dồi dào từ các hồ chứa lớn lân cận như hồ Kẻ Gỗ với dung tích hàng trăm triệu m3 trong mùa mưa.

Kết luận

  • Luận văn đã ứng dụng thành công hệ thống mô hình GMS để mô phỏng chính xác cấu trúc địa chất thủy văn 3 tầng chứa nước Đệ Tứ ($qh_2, qh_1, qp$) tại vùng đồng bằng ven biển tỉnh Hà Tĩnh.
  • Dưới các kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5, trữ lượng nước ngọt dự báo suy giảm từ 8,5% đến 18,7%, trong khi thể tích nước nhiễm mặn gia tăng từ 6,3% đến 17,5% kéo dài đến năm 2099.
  • Nghiên cứu đã làm rõ nguyên nhân suy thoái do tương tác giữa nắng nóng cực đoan (nhiệt độ tăng ~1,0°C), lượng bốc hơi vượt ngưỡng 140 mm/tháng và tình trạng khai thác nước tự phát ven biển.
  • Đề xuất hệ thống 4 giải pháp đồng bộ bao gồm khoanh vùng bảo vệ, lắp đặt hơn 20 trạm quan trắc tự động và tận dụng nguồn nước mặt từ các hồ chứa lớn để bổ cập nhân tạo trước năm 2030.
  • Các nhà quản lý, đơn vị tư vấn và nghiên cứu cần sớm tiếp cận và ứng dụng các kết quả dự báo của luận văn vào chiến lược hành động ứng phó biến đổi khí hậu nhằm bảo vệ bền vững an ninh tài nguyên nước ngầm địa phương.