Luận Văn Thạc Sĩ: Mô Phỏng Số Đánh Giá An Toàn Nguồn Nước Ngầm Tại Đồng Bằng Sông Hồng, Việt Nam

• Người hướng dẫn: Assoc. Prof. Dr. Vu Minh Cat
• Trường học: Thuy Loi University
• Chuyên ngành: Integrated Water Resource Management
• Đề tài: Numerical Simulation For The Assessment Of Groundwater Safe Yield In Red River Delta, Viet Nam
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hanoi

• ABSTRACTS
• DECLARATION
• ACKNOWLEDGEMENTS
• LIST OF ABBREVIATIONS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• 1. CHAPTER I: INTRODUCTION
• 1.1. Background information
• 1.2. Objective & scope of study
• 1.3. Previous studies & state of knowledge
• 1.4. Structure of thesis
• 2. CHAPTER II: CHARACTERISTICS OF NAM DINH PROVINCE
• 2.1. Physical settings of Nam Dinh Province
• 2.2. Surface water bodies
• 2.3. Soils and land use
• 2.4. Population & Socio-Economy
• 2.5. Water supply and groundwater utilization
• 2.6. Geological characteristics of study area
• 2.7. Structural characteristics
• 2.8. Groundwater salinity
• 3. CHAPTER III: CONSTRUCTION OF NUMERICAL MODEL TO ASSESS GROUNDWATER SAFE YIELD IN NAM DINH PROVINCE
• 3.1. Introduction of MODFLOW model
• 3.2. Construction of 3D structural model
• 3.3. Model calibration
• 4. CHAPTER IV: SIMULATED RESULTS AND RECOMMENDATIONS
• 4.1. Extraction rises constantly
• 4.2. Extraction remains constant
• 4.3. Extraction gradually reduces
• 4.4. Estimation of groundwater safe yield
• 4.5. Discussion of model results
• CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• REFERENCES
• APPENDICES

I. Giới thiệu

Đánh giá an toàn nguồn nước ngầm tại Đồng Bằng Sông Hồng là một vấn đề cấp bách, đặc biệt trong bối cảnh gia tăng dân số và phát triển kinh tế. Nguồn nước ngầm đã trở thành nguồn cung cấp nước chính cho nhiều khu vực, đặc biệt là ở tỉnh Nam Định. Luận văn này tập trung vào việc xác định khả năng khai thác an toàn của nguồn nước ngầm thông qua mô phỏng số. Việc sử dụng mô hình Visual MODFLOW cho phép xây dựng mô hình 3D của cấu trúc địa chất thủy văn, từ đó đánh giá chính xác hơn về tình trạng nguồn nước ngầm. Mô hình này được xây dựng dựa trên dữ liệu từ 83 giếng khoan, cho thấy sự phức tạp trong việc quản lý nguồn nước ngầm tại khu vực này.

1.1. Tình hình chung

Đồng Bằng Sông Hồng là một trong những khu vực có mật độ dân số cao và phát triển kinh tế mạnh mẽ. Tuy nhiên, sự khai thác quá mức nguồn nước ngầm đã dẫn đến nhiều vấn đề nghiêm trọng như hạ thấp mực nước ngầm và ô nhiễm. Luận văn chỉ ra rằng, trong bối cảnh nguồn nước mặt ngày càng khan hiếm, nước ngầm trở thành nguồn nước chính cho sinh hoạt và sản xuất. Việc đánh giá an toàn nguồn nước ngầm là cần thiết để đảm bảo sự phát triển bền vững cho khu vực này.

II. Đặc điểm tỉnh Nam Định

Nam Định là tỉnh có nhiều đặc điểm địa lý và khí hậu thuận lợi cho việc phát triển nông nghiệp. Tuy nhiên, tỉnh cũng đối mặt với nhiều thách thức trong việc quản lý nguồn nước. Luận văn đã chỉ ra rằng, việc khai thác nước ngầm tại Nam Định chủ yếu tập trung vào các tầng chứa nước sâu, trong khi tầng chứa nước nông bị ô nhiễm nặng nề. Điều này dẫn đến việc sử dụng nước mặt làm nguồn chính cho sinh hoạt tại các khu vực phía Bắc tỉnh. Sự gia tăng khai thác nước ngầm đã tạo ra áp lực lớn lên các tầng chứa nước, đặc biệt là tầng chứa nước Pleistocene, nơi có lượng nước ngọt lớn.

2.1. Đặc điểm địa lý

Tỉnh Nam Định nằm ở phía Nam của đồng bằng sông Hồng, có vị trí địa lý thuận lợi cho việc phát triển nông nghiệp. Tuy nhiên, sự gia tăng dân số và nhu cầu nước đã dẫn đến việc khai thác nước ngầm quá mức. Luận văn đã chỉ ra rằng, việc quản lý nguồn nước ngầm tại Nam Định cần được cải thiện để đảm bảo an toàn cho nguồn nước trong tương lai.

III. Xây dựng mô hình số

Mô hình số được xây dựng bằng phần mềm Visual MODFLOW, cho phép mô phỏng cấu trúc địa chất thủy văn 3D của tỉnh Nam Định. Mô hình này bao gồm 5 lớp, đại diện cho 4 tầng chứa nước và 1 lớp cách nước. Việc sử dụng phương pháp lân cận tự nhiên để nội suy độ cao của các lớp đã giúp tạo ra mô hình chính xác hơn. Kết quả từ mô hình cho thấy, khả năng khai thác an toàn của nguồn nước ngầm tại Nam Định là 70300 m³/ngày, một con số quan trọng cho việc quản lý nguồn nước trong tương lai.

3.1. Phương pháp mô phỏng

Phương pháp mô phỏng số đã được áp dụng để đánh giá khả năng khai thác an toàn của nguồn nước ngầm. Mô hình được hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu từ 19 giếng quan trắc, cho thấy độ chính xác cao trong việc dự đoán mực nước ngầm. Kết quả mô phỏng cho thấy, việc khai thác nước ngầm cần được quản lý chặt chẽ để tránh tình trạng cạn kiệt và ô nhiễm nguồn nước.

IV. Kết quả mô phỏng và khuyến nghị

Kết quả mô phỏng cho thấy ba kịch bản khai thác nước ngầm khác nhau cho đến năm 2050. Kịch bản đầu tiên là khai thác tăng liên tục, kịch bản thứ hai là giữ nguyên mức khai thác hiện tại, và kịch bản thứ ba là giảm dần khai thác đến 0. Những kịch bản này giúp đánh giá tác động của việc khai thác nước ngầm đến tầng chứa nước Pleistocene. Luận văn đã đưa ra những khuyến nghị quan trọng cho việc quản lý nguồn nước ngầm, bao gồm việc áp dụng các biện pháp bảo vệ và quản lý bền vững.

4.1. Đánh giá tác động

Việc đánh giá tác động của các kịch bản khai thác nước ngầm cho thấy, nếu không có biện pháp quản lý hợp lý, nguồn nước ngầm sẽ bị cạn kiệt và ô nhiễm nghiêm trọng. Luận văn khuyến nghị cần có các chính sách quản lý nước ngầm hiệu quả, bao gồm việc giám sát chặt chẽ và áp dụng các công nghệ mới trong khai thác và sử dụng nước.

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) là vùng kinh tế trọng điểm với nhiều khu vực ven biển quan trọng, trong đó tỉnh Nam Định đóng vai trò nổi bật. Trong vài thập kỷ qua, sự phát triển kinh tế và gia tăng dân số đã làm tăng áp lực lên nguồn tài nguyên nước, đặc biệt là nước ngầm – nguồn nước chủ yếu do sự phân bố không đều và ô nhiễm ngày càng tăng của nước mặt. Theo số liệu quan trắc từ năm 1995 đến 2012, mực nước ngầm tại các tầng chứa nước Pleistocen và Neogen ở Nam Định đã giảm trung bình khoảng 0,4 đến 0,6 m/năm, tạo ra một "nón hút" lớn ở phía nam tỉnh. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng khai thác bền vững (safe yield) của nước ngầm tại Nam Định bằng phương pháp mô hình số, từ đó đề xuất các giải pháp quản lý hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tầng chứa nước Pleistocen – khu vực có trữ lượng nước ngọt lớn và chịu áp lực khai thác mạnh nhất, với dữ liệu thu thập từ 83 lỗ khoan trải rộng trên địa bàn tỉnh và các tỉnh lân cận. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ nguồn nước ngầm, đảm bảo cung cấp nước sạch cho phát triển kinh tế – xã hội và bảo vệ môi trường tại vùng ven biển ĐBSH.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết thủy văn tầng chứa nước: Phân tích cấu trúc địa chất – thủy văn của các tầng chứa nước Holocen, Pleistocen và Neogen, đặc biệt chú trọng đến tính chất thấm, độ dày và sự phân bố không gian của các tầng này.
• Mô hình số MODFLOW: Sử dụng mô hình dòng chảy nước ngầm 3D theo phương pháp sai phân hữu hạn, mô phỏng dòng chảy trong các tầng chứa nước có thể bị giới hạn hoặc không bị giới hạn, cho phép mô phỏng các tác động của khai thác nước ngầm, bơm hút và các nguồn nước khác.
• Khái niệm an toàn khai thác nước ngầm (safe yield): Định nghĩa là lưu lượng khai thác tối đa mà không gây suy giảm mực nước ngầm vượt quá mức cho phép, đảm bảo tính bền vững của nguồn nước.
• Phương pháp nội suy lân cận tự nhiên (Natural Neighbors): Áp dụng để xây dựng mô hình 3D cấu trúc địa chất từ dữ liệu khoan, xác định độ cao bề mặt và đáy các lớp địa tầng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

• Dữ liệu địa chất – thủy văn từ 83 lỗ khoan (27 tại Nam Định, 15 tại Hà Nam, 17 tại Ninh Bình, 23 tại Thái Bình, 1 tại Thanh Hóa).
• Dữ liệu quan trắc mực nước ngầm từ 19 giếng quan trắc trong giai đoạn 1995-2012.
• Dữ liệu khí tượng thủy văn từ trạm Van Lý (1959-2007).

Phương pháp phân tích:

• Xây dựng mô hình 3D cấu trúc địa chất với 5 lớp: tầng chứa nước Holocen trên (qh2), tầng chứa nước Holocen dưới (gh1), tầng cách nước Pleistocen (qp2), tầng chứa nước Pleistocen (qp1) và tầng chứa nước Neogen (n).
• Thiết lập lưới tính toán với kích thước 181 cột x 160 hàng, mỗi ô khoảng 400m x 400m.
• Hiệu chỉnh mô hình bằng cách so sánh mực nước tính toán với quan trắc, đạt sai số chuẩn hóa gốc bình phương (NRMS) 6,296%, đảm bảo độ tin cậy mô phỏng.
• Mô phỏng ba kịch bản khai thác đến năm 2050: tăng khai thác liên tục, giữ nguyên mức khai thác năm 2012, giảm dần khai thác đến 0.
• Thời gian nghiên cứu tập trung từ 1994 đến 2050, với trọng tâm là tỉnh Nam Định.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mực nước ngầm giảm mạnh tại tầng Pleistocen: Mực nước ngầm tại giếng Q109 giảm đến 8 m so với mực nước biển, tạo thành "nón hút" lớn ở phía nam tỉnh. Mức giảm trung bình khoảng 0,4-0,6 m/năm trong giai đoạn 1995-2012.
2. Phân bố và chất lượng nước ngầm không đồng đều: Vùng phía bắc Nam Định chủ yếu sử dụng nước mặt do ô nhiễm nước ngầm cao, trong khi tầng Pleistocen phía nam có trữ lượng nước ngọt lớn với tổng chất rắn hòa tan (TDS) dưới 1.000 mg/L.
3. Kịch bản khai thác nước ngầm đến 2050:
   • Nếu khai thác tăng liên tục theo xu hướng 1994-2012, mực nước ngầm sẽ tiếp tục giảm sâu, nguy cơ xâm nhập mặn và suy thoái nguồn nước tăng cao.
   • Nếu giữ nguyên mức khai thác năm 2012, mực nước ngầm ổn định nhưng vẫn ở mức thấp, tiềm ẩn rủi ro lâu dài.
   • Nếu giảm khai thác dần đến 0, mực nước ngầm có xu hướng phục hồi, giảm nguy cơ ô nhiễm và xâm nhập mặn.
4. An toàn khai thác nước ngầm ước tính khoảng 70.300 m³/ngày cho toàn tỉnh Nam Định, dựa trên mô phỏng các kịch bản khai thác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự suy giảm mực nước ngầm là do khai thác vượt quá khả năng tái tạo tự nhiên, đặc biệt tại tầng Pleistocen – tầng chứa nước chính phục vụ sinh hoạt và sản xuất. Sự hình thành "nón hút" làm thay đổi hướng dòng chảy tự nhiên, kéo theo nguy cơ xâm nhập mặn từ biển và nước lợ từ các vùng lân cận, ảnh hưởng đến chất lượng nước. Kết quả mô hình phù hợp với các nghiên cứu trước đây tại ĐBSH và các vùng ven biển khác, đồng thời nhấn mạnh sự cần thiết của quản lý khai thác hợp lý. Biểu đồ mực nước ngầm theo thời gian và bản đồ đường đẳng mực mô phỏng các kịch bản khai thác minh họa rõ ràng xu hướng suy giảm và phục hồi mực nước, hỗ trợ việc ra quyết định quản lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Kiểm soát và điều chỉnh mức khai thác nước ngầm: Giảm dần khai thác nước ngầm tại các khu vực có mực nước giảm sâu, đặc biệt là tầng Pleistocen, nhằm duy trì mực nước ổn định và hạn chế xâm nhập mặn. Thời gian thực hiện: ngay lập tức đến 2030. Chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường, các cơ quan quản lý địa phương.
2. Phát triển và nâng cấp hệ thống cấp nước mặt: Tăng cường sử dụng nước mặt đã xử lý tại các vùng phía bắc Nam Định để giảm áp lực khai thác nước ngầm. Thời gian: 2025-2035. Chủ thể: Sở Xây dựng, các công ty cấp nước.
3. Xây dựng hệ thống giám sát và quản lý nước ngầm đồng bộ: Thiết lập mạng lưới quan trắc mực nước và chất lượng nước ngầm mở rộng, cập nhật dữ liệu liên tục để điều chỉnh chính sách khai thác kịp thời. Thời gian: 2023-2028. Chủ thể: Trung tâm Quan trắc tài nguyên nước, các viện nghiên cứu.
4. Tuyên truyền và nâng cao nhận thức cộng đồng: Giáo dục người dân và doanh nghiệp về tác động của khai thác nước ngầm quá mức, khuyến khích sử dụng tiết kiệm và bảo vệ nguồn nước. Thời gian: liên tục. Chủ thể: UBND các huyện, tổ chức xã hội.
5. Nghiên cứu bổ sung về ô nhiễm và xâm nhập mặn: Tiếp tục nghiên cứu chi tiết về quá trình ô nhiễm và xâm nhập mặn để có giải pháp kỹ thuật phù hợp. Thời gian: 2024-2030. Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và môi trường: Sử dụng kết quả để xây dựng chính sách quản lý khai thác nước ngầm bền vững, giám sát và điều chỉnh khai thác phù hợp với điều kiện thực tế.
2. Các nhà nghiên cứu và học giả trong lĩnh vực thủy văn, địa chất và quản lý tài nguyên nước: Tham khảo phương pháp mô hình số MODFLOW và dữ liệu thực địa để phát triển nghiên cứu sâu hơn về quản lý nước ngầm vùng ven biển.
3. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực cấp nước và phát triển hạ tầng: Áp dụng các khuyến nghị để thiết kế hệ thống cấp nước mặt và nước ngầm hiệu quả, giảm thiểu rủi ro về nguồn nước.
4. Cộng đồng dân cư và tổ chức phi chính phủ: Nâng cao nhận thức về bảo vệ nguồn nước, tham gia giám sát và sử dụng nước hợp lý, góp phần bảo vệ môi trường sống.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nước ngầm ở Nam Định lại bị suy giảm nhanh?
   Do khai thác vượt quá khả năng tái tạo tự nhiên, đặc biệt tại tầng Pleistocen, kết hợp với sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế, dẫn đến mực nước ngầm giảm trung bình 0,4-0,6 m/năm.

2. Mô hình MODFLOW có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
   MODFLOW cho phép mô phỏng dòng chảy nước ngầm 3D, xử lý các điều kiện biên phức tạp và các tác động của khai thác, giúp dự báo chính xác xu hướng mực nước và đánh giá an toàn khai thác.

3. An toàn khai thác nước ngầm là gì và được xác định như thế nào?
   Là lưu lượng khai thác tối đa không gây suy giảm mực nước vượt mức cho phép. Được xác định qua mô phỏng các kịch bản khai thác và phân tích cân bằng nước trong mô hình.

4. Có thể sử dụng nước mặt thay thế nước ngầm không?
   Có thể, đặc biệt ở vùng phía bắc Nam Định, nơi nước ngầm bị ô nhiễm. Việc phát triển hệ thống cấp nước mặt đã xử lý giúp giảm áp lực khai thác nước ngầm.

5. Làm thế nào để cộng đồng tham gia bảo vệ nguồn nước ngầm?
   Thông qua tuyên truyền nâng cao nhận thức, khuyến khích sử dụng tiết kiệm, báo cáo các hành vi khai thác trái phép và tham gia giám sát môi trường nước tại địa phương.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình số MODFLOW 3D cho tỉnh Nam Định, hiệu chỉnh với sai số NRMS 6,296%, đủ tin cậy để mô phỏng dòng chảy nước ngầm và đánh giá an toàn khai thác.
• Mực nước ngầm tầng Pleistocen giảm trung bình 0,4-0,6 m/năm, tạo "nón hút" lớn, làm tăng nguy cơ xâm nhập mặn và suy thoái nguồn nước.
• An toàn khai thác nước ngầm ước tính khoảng 70.300 m³/ngày, cần được tuân thủ để đảm bảo bền vững nguồn nước.
• Đề xuất các giải pháp quản lý khai thác, phát triển nguồn nước mặt, giám sát và nâng cao nhận thức cộng đồng nhằm bảo vệ nguồn nước ngầm.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu ô nhiễm, xâm nhập mặn và triển khai các giải pháp quản lý theo khuyến nghị nhằm bảo vệ nguồn nước cho phát triển bền vững vùng ven biển ĐBSH.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ nguồn nước ngầm – tài nguyên quý giá của tương lai!