Tổng quan nghiên cứu

Vùng ven biển Nam Định, với diện tích hơn 700 km² và chiều dài bờ biển 72 km, là khu vực có điều kiện tự nhiên đặc thù, khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, lượng mưa trung bình năm khoảng 1.800 mm và chịu ảnh hưởng mạnh của thủy triều với biên độ dao động lớn nhất lên tới 3,31 m. Dân số vùng ven biển này đạt mật độ khoảng 1.000 người/km², chủ yếu sinh sống bằng nông nghiệp, chiếm 87,6% lực lượng lao động, đóng góp 40% GDP tỉnh Nam Định. Nhu cầu sử dụng nước ngầm phục vụ sinh hoạt và sản xuất ngày càng tăng cao, trong khi nguồn nước mặt không đủ đáp ứng, dẫn đến khai thác nước ngầm quá mức.

Hiện tượng xâm nhập mặn do khai thác nước ngầm quá mức đã và đang gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng như sụt lún đất, suy giảm trữ lượng nước ngầm, ô nhiễm nước và ảnh hưởng tiêu cực đến sản xuất nông nghiệp, đời sống người dân. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá mức độ xâm nhập mặn do khai thác quá mức nước ngầm tại vùng ven biển Nam Định bằng mô hình Visual MODFLOW, từ đó đề xuất các giải pháp khai thác và sử dụng tài nguyên nước hợp lý nhằm phát triển bền vững. Nghiên cứu tập trung vào các huyện ven biển như Giao Thủy, Hải Hậu, Nghĩa Hưng, Xuân Trường và Trực Ninh, trong giai đoạn khảo sát và mô hình hóa chủ yếu từ năm 1990 đến 2010.

Việc đánh giá mức độ xâm nhập mặn dựa trên các số liệu quan trắc mực nước ngầm, độ mặn, thành phần thủy địa hóa và mô hình số giúp xác định rõ ràng ranh giới mặn - nhạt, biến động mực nước và dự báo xu hướng xâm nhập mặn trong tương lai. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ nguồn nước ngầm, duy trì cân bằng thủy văn và phát triển kinh tế - xã hội vùng ven biển Nam Định.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình chính sau:

  • Lý thuyết thủy văn và thủy địa hóa vùng ven biển: Nghiên cứu sự tương tác giữa nước ngầm và nước biển, đặc biệt là hiện tượng xâm nhập mặn do chênh lệch áp lực thủy lực và khai thác quá mức nước ngầm. Khái niệm ranh giới mặn - nhạt, các tầng chứa nước lỗ hổng và khe nứt được áp dụng để phân tích cấu trúc thủy văn.

  • Mô hình số Visual MODFLOW: Mô hình dòng chảy ngầm ba chiều được sử dụng để mô phỏng sự vận động nước ngầm và quá trình xâm nhập mặn trong tầng chứa nước Pleistocen (qp) và Holocen (qh). Mô hình cho phép dự báo biến động mực nước, phân bố độ mặn và đánh giá tác động của khai thác nước ngầm.

  • Khái niệm trữ lượng nước dưới đất: Bao gồm trữ lượng động, trữ lượng tĩnh đàn hồi và trữ lượng tĩnh trọng lực, cùng hệ số khai thác để đánh giá mức độ khai thác quá mức.

Các khái niệm chính bao gồm: tầng chứa nước lỗ hổng (Holocen trên qh2, Holocen dưới qh1, Pleistocen qp), độ tổng khoáng hóa (M), ranh giới mặn - nhạt, hiện tượng xâm nhập mặn, và các chỉ số thủy địa hóa như hàm lượng ion clo.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu quan trắc mực nước ngầm, độ mặn, thành phần hóa học nước dưới đất và nước mặt được thu thập từ các lỗ khoan quan trắc, giếng khoan khai thác, các trạm khí tượng thủy văn và các nghiên cứu trước đây trong vùng Nam Định.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình Visual MODFLOW để xây dựng và hiệu chỉnh mô hình dòng chảy ngầm, mô phỏng quá trình xâm nhập mặn. Phân tích thủy địa hóa dựa trên các mẫu nước để xác định thành phần ion và phân vùng nước mặn, nước lợ, nước ngọt.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý số liệu từ năm 1990 đến 2010, xây dựng mô hình và hiệu chỉnh trong giai đoạn 2008-2010, dự báo xu hướng xâm nhập mặn đến năm 2030.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hơn 150.000 giếng khoan nhỏ lẻ và một số lỗ khoan khai thác tập trung được khảo sát, trong đó các lỗ khoan quan trắc được chọn đại diện cho các tầng chứa nước chính. Phương pháp chọn mẫu dựa trên vị trí địa lý, đặc điểm địa chất thủy văn và mức độ khai thác nước.

  • Phương pháp thống kê và xử lý số liệu: Thống kê biến động mực nước, độ mặn theo thời gian và không gian; phân tích mối quan hệ giữa độ tổng khoáng hóa và hàm lượng ion clo; sử dụng các công cụ GIS để vẽ bản đồ phân bố mặn - nhạt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mực nước ngầm giảm mạnh do khai thác quá mức: Mực nước tầng chứa nước Pleistocen (qp) tại vùng Hải Hậu đã hạ thấp đến 9 m so với mặt đất, với tốc độ suy giảm trung bình 0,5-0,7 m/năm từ năm 1996 đến 2008. Tổng lưu lượng khai thác nước ngầm vượt quá trữ lượng động của tầng chứa nước qp, dẫn đến hiện tượng khai thác quá mức.

  2. Phân bố ranh giới mặn - nhạt rõ ràng và biến động theo mùa: Ranh giới mặn nhạt trên các sông lớn như sông Hồng và sông Đáy dao động từ 22 đến 25 km tính từ cửa biển, phụ thuộc vào mùa mưa, mùa khô và thủy triều. Độ tổng khoáng hóa nước dưới đất biến đổi từ 0,29 đến trên 30 g/l, với vùng nước mặn tập trung dọc bờ biển phía đông bắc, vùng nước ngọt chủ yếu ở phía tây nam.

  3. Tầng chứa nước qp và n2 có nguồn cung cấp nước từ xa: Nước dưới đất trong tầng qp và n2 có tuổi khoảng 18-25 năm, được cung cấp từ các dải đá vôi Karst ở vùng Ninh Bình và Hà Nam qua các đứt gãy kiến tạo, giúp duy trì vùng nước ngọt sát bờ biển.

  4. Mô hình Visual MODFLOW dự báo xu hướng xâm nhập mặn gia tăng: Dự báo đến năm 2030, vùng nhiễm mặn trong tầng chứa nước qp sẽ mở rộng sâu vào đất liền nếu không có biện pháp kiểm soát khai thác nước ngầm. Các kịch bản khai thác khác nhau cho thấy mức độ xâm nhập mặn tỷ lệ thuận với lưu lượng khai thác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng xâm nhập mặn là do khai thác nước ngầm vượt quá trữ lượng bổ sung, làm giảm áp lực thủy lực trong tầng chứa nước qp, tạo điều kiện cho nước biển xâm nhập sâu vào đất liền. So với các nghiên cứu trong vùng đồng bằng ven biển khác, kết quả này tương đồng với xu hướng suy giảm mực nước ngầm và xâm nhập mặn do khai thác quá mức.

Biểu đồ so sánh mực nước thực tế và mô hình cho thấy độ chính xác cao với sai số phần dư nhỏ, chứng tỏ mô hình Visual MODFLOW phù hợp để dự báo và đánh giá hiện tượng xâm nhập mặn. Bảng phân bố độ mặn và bản đồ ranh giới mặn - nhạt minh họa rõ sự phân bố không đồng đều của nước ngọt và nước mặn trong các tầng chứa nước.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để quản lý khai thác nước ngầm hiệu quả, bảo vệ nguồn nước ngọt, hạn chế xâm nhập mặn và duy trì phát triển kinh tế - xã hội bền vững vùng ven biển Nam Định.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát lưu lượng khai thác nước ngầm: Hạn chế khai thác nước ngầm trong tầng chứa nước qp không vượt quá trữ lượng bổ sung để tránh làm giảm áp lực thủy lực và ngăn chặn xâm nhập mặn. Thực hiện trong vòng 5 năm tới, do Sở Tài nguyên và Môi trường phối hợp với chính quyền địa phương.

  2. Xây dựng hệ thống quan trắc và cảnh báo sớm: Thiết lập mạng lưới quan trắc mực nước và độ mặn liên tục, sử dụng công nghệ GIS và mô hình số để theo dõi biến động và dự báo xâm nhập mặn. Triển khai trong 3 năm, do các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý môi trường thực hiện.

  3. Phát triển các giải pháp khai thác nước thay thế: Khuyến khích sử dụng nước mặt, nước mưa và tái sử dụng nước thải sau xử lý để giảm áp lực khai thác nước ngầm. Thúc đẩy trong 5-7 năm, phối hợp giữa ngành nông nghiệp, công nghiệp và các tổ chức xã hội.

  4. Tăng cường trồng rừng phòng hộ ven biển và cải tạo đất nhiễm mặn: Trồng rừng ngập mặn và rừng phòng hộ để giảm xói lở bờ biển, hạn chế xâm nhập mặn và cải thiện môi trường sinh thái. Thực hiện liên tục, do các ban quản lý rừng và chính quyền địa phương chủ trì.

  5. Tuyên truyền nâng cao nhận thức cộng đồng: Giáo dục người dân về tác hại của khai thác nước ngầm quá mức và các biện pháp bảo vệ nguồn nước, khuyến khích sử dụng tiết kiệm nước. Thực hiện thường xuyên, do các tổ chức xã hội và chính quyền địa phương phối hợp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý tài nguyên nước và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách quản lý khai thác nước ngầm, kiểm soát xâm nhập mặn và bảo vệ nguồn nước ven biển.

  2. Các nhà khoa học và nghiên cứu thủy văn, địa chất: Tham khảo phương pháp mô hình Visual MODFLOW và dữ liệu thủy địa hóa để phát triển các nghiên cứu liên quan về nước ngầm và xâm nhập mặn.

  3. Chính quyền địa phương và các tổ chức phát triển kinh tế vùng ven biển: Áp dụng các giải pháp đề xuất để phát triển bền vững kinh tế nông nghiệp, công nghiệp và du lịch, đồng thời bảo vệ môi trường sống.

  4. Cộng đồng dân cư và doanh nghiệp khai thác nước: Nâng cao nhận thức về tác động của khai thác nước ngầm quá mức, từ đó điều chỉnh hành vi sử dụng nước hợp lý, góp phần bảo vệ nguồn nước chung.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hiện tượng xâm nhập mặn là gì và tại sao nó xảy ra ở vùng ven biển Nam Định?
    Xâm nhập mặn là sự thâm nhập của nước biển mặn vào các tầng chứa nước ngọt do chênh lệch áp lực thủy lực, thường xảy ra khi khai thác nước ngầm quá mức làm giảm mực nước ngầm. Ở Nam Định, khai thác nước ngầm vượt trữ lượng bổ sung đã làm tăng nguy cơ này.

  2. Mô hình Visual MODFLOW được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Visual MODFLOW là mô hình số ba chiều mô phỏng dòng chảy nước ngầm và quá trình xâm nhập mặn, giúp dự báo biến động mực nước và phân bố độ mặn trong các tầng chứa nước, từ đó đánh giá mức độ xâm nhập mặn.

  3. Làm thế nào để xác định ranh giới mặn - nhạt trong tầng chứa nước?
    Ranh giới mặn - nhạt được xác định dựa trên độ tổng khoáng hóa (M), trong đó M=1 g/l được dùng làm ngưỡng phân biệt nước ngọt và nước mặn, kết hợp với phân tích hàm lượng ion clo và đo điện trở suất địa vật lý.

  4. Khai thác nước ngầm quá mức gây ra những hậu quả gì?
    Ngoài xâm nhập mặn, khai thác quá mức còn gây sụt lún đất, suy giảm trữ lượng nước ngầm, ô nhiễm nước, ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp và đời sống người dân, làm giảm khả năng phát triển kinh tế bền vững.

  5. Giải pháp nào hiệu quả nhất để hạn chế xâm nhập mặn?
    Kiểm soát lưu lượng khai thác nước ngầm không vượt quá trữ lượng bổ sung là giải pháp then chốt. Kết hợp với phát triển nguồn nước thay thế, trồng rừng phòng hộ và hệ thống quan trắc sẽ giúp hạn chế và kiểm soát xâm nhập mặn hiệu quả.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình Visual MODFLOW mô phỏng dòng chảy nước ngầm và xâm nhập mặn tại vùng ven biển Nam Định, cho phép dự báo xu hướng xâm nhập mặn đến năm 2030.
  • Khai thác nước ngầm vượt quá trữ lượng bổ sung đã làm giảm mực nước ngầm đến 9 m, gây ra hiện tượng xâm nhập mặn sâu vào đất liền.
  • Ranh giới mặn - nhạt được xác định rõ ràng, với vùng nước mặn tập trung dọc bờ biển phía đông bắc và vùng nước ngọt chủ yếu ở phía tây nam.
  • Nguồn cung cấp nước ngầm từ các dải đá vôi Karst xa giúp duy trì vùng nước ngọt sát bờ biển, nhưng cần được bảo vệ nghiêm ngặt.
  • Đề xuất các giải pháp kiểm soát khai thác, phát triển nguồn nước thay thế và bảo vệ môi trường nhằm phát triển bền vững vùng ven biển Nam Định.

Tiếp theo, cần triển khai các giải pháp quản lý khai thác nước ngầm, thiết lập hệ thống quan trắc liên tục và nâng cao nhận thức cộng đồng để bảo vệ nguồn nước. Mời các nhà quản lý, nhà khoa học và cộng đồng cùng phối hợp hành động vì sự phát triển bền vững của vùng ven biển Nam Định.