Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất Chương 2: Đặc điểm địa chất, địa chất thủy văn và kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng tỉnh Thái Bình Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của khí hậu, thủy hải văn và hoạt động khai thác đến nước dưới đất tỉnh Thái Bình Chương 4: Dự báo ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất tỉnh Thái Bình Kết luận và kiến nghị Phụ lục 11 11. Lời cảm ơn Luận án được thực hiện và hoàn thành tại Bộ môn Địa chất thủy văn, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Địa chất, trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Đặng Hữu Ơn (Hội Địa chất thủy văn Việt Nam) và PGS. Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu, viết luận án, tác giả đã nhận được sự động viên tinh thần cùng sự hướng dẫn tận tình của Tiểu ban Hướng dẫn. Tác giả cũng luôn nhận được sự động viên, góp ý và giúp đỡ chuyên môn của các nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực Địa chất thủy văn, các thầy cô giáo trong Bộ môn Địa chất thủy văn, tập thể cán bộ và đội ngũ khoa học của Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hội Địa chất thủy văn Việt Nam, Trung tâm quy hoạch và điều tra tài nguyên nước quốc gia, Liên đoàn quy hoạch và điều tra tài nguyên nước miền Bắc,.
cùng các bạn bè, đồng nghiệp trong Bộ môn Địa sinh thái và Công nghệ Môi trường, Khoa Môi trường. Đặc biệt, tác giả xin cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Mỏ - Địa chất, lãnh đạo Khoa Khoa học và Kỹ thuật Địa chất, lãnh đạo Khoa Môi trường và Phòng Đào tạo Sau Đại học đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành bản Luận án của mình. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG ĐẾN NƯỚC DƯỚI ĐẤT Biến đổi khí hậu toàn cầu là sự thay đổi của hệ thống khí hậu gồm khí quyển, thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển hiện tại và trong tương lai bởi các nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo. Theo đánh giá của các nhà khoa học, sự gia tăng lượng khí CO2 trong khí quyển dẫn đến sự thay đổi đáng kể đặc điểm khí hậu toàn cầu và địa phương, bao gồm nhiệt độ, lượng mưa, làm tăng khả năng tan băng và mực nước biển dâng.
Biến đổi khí hậu có thể ảnh hưởng sâu sắc đến vòng tuần hoàn nước thông qua lượng mưa, bốc hơi và độ ẩm của đất khi nhiệt độ ngày càng tăng. Vòng tuần hoàn nước sẽ được tăng cường do lượng nước bốc hơi và lượng mưa ngày càng gia tăng. Những thông tin về tác động của Biến đổi khí hậu địa phương hoặc khu vực đối với các quá trình thuỷ văn và tài nguyên nước sẽ ngày càng trở nên quan trọng đặc biệt đối với những khu vực ven biển. Vì vậy, những tác động do sự nóng lên của Trái đất và Biến đổi khí hậu đòi hỏi phải được nghiên cứu một cách toàn diện trên cơ sở đa ngành.
Các nghiên cứu về Biến đổi khí hậu cùng những tác động của chúng đến môi trường và con người đã được các nhà khoa học trên thế giới tiến hành từ những năm 80 của thế kỷ XX, song những nghiên cứu về tác động của nó đến tài nguyên nước mới chỉ được đề cập vào những năm đầu của thế kỷ XXI như: Sherif and Singh (1999), Ghosh Bobba (2002), N Mzila và E B Shuy (2003), Allen et al (2004), Holman (2006), P. Rasmussen el al (2013). Nhiều công trình nghiên cứu đã được các nhà khoa học đánh giá cho các vùng cụ thể, trong đó chủ yếu nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến các vùng cửa sông ven biển, chất lượng nước mặt, nước dưới đất cùng sự nhiễm mặn tài nguyên nước ở các vùng ven biển. Những nghiên cứu này đã giúp đánh giá, khoanh vùng có nguy cơ nhiễm mặn cao ở khu vực có đặc điểm địa chất, địa chất thủy văn khác nhau phục vụ quản lý tài nguyên nước dưới đất.
Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới Việc nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến tài nguyên nước dưới đất đã và đang được các nhà khoa học quan tâm. 13 Các công trình nghiên cứu thời kỳ đầu thường đề cập đến sự Biến đổi khí hậu cùng với các mô hình thủy văn trên cơ sở điều tra chung về tác động của Biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước ở các khu vực khác nhau. Những nghiên cứu này chủ yếu tập trung đánh giá ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu như lượng mưa, lượng bốc hơi, nhiệt độ hay do hoạt động khai thác nước dưới đất quá mức của con người… Một số công trình nghiên cứu trên thế giới của các tác giả đã thực hiện, gồm: Sherif and Singh (1999) [100] đã đánh giá tác động của BĐKH tới sự xâm nhập mặn vào các tầng chứa nước ven biển. Tác giả nghiên cứu hai tầng chứa nước ven biển Ai Cập và Ấn Độ để đánh giá tác động của BĐKH tới sự xâm nhập mặn.
Trong nghiên cứu này tác giả không xem xét đến yếu tố lượng mưa mà tập trung đánh giá sự thay đổi mực nước biển, độ bốc hơi để mô phỏng biến nồng độ theo các mặt cắt ngang và dọc với mô hình FEFLOW để đánh giá sự dịch chuyển mặn vào đất liền. Kết quả dự báo cho thấy dưới tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng, tầng chứa nước ở đồng bằng sông Nil (Ai Cập) dễ bị tổn thương ảnh hưởng hơn ở Ấn Độ. Cụ thể, với giả thiết mực nước biển ở Địa Trung Hải tăng 50 cm, ranh giới mặn – nhạt trong các tầng chứa nước ở đồng bằng sông Nil (Ai Cập) dịch chuyển sâu vào lục địa hơn 9 km. Còn với mực nước biển trong vịnh Bengal (Ấn Độ) tăng 50 cm, ranh giới mặn – nhạt các tầng chứa nước chỉ dịch chuyển sâu vào lục địa 0,4 km.
Ghosh Bobba (2002) [77] đã phân tích các tác động của con người và thay đổi mực nước biển tới cơ chế xâm nhập mặn ở đồng bằng Godavari, Ấn Độ theo không gian và thời gian. Quá trình xâm nhập mặn được mô phỏng bằng mô hình SUTRA. Đây là mô hình phần tử hữu hạn hai chiều được sử dụng để đánh giá sự chênh lệch nồng độ giữa giao diện mặn – nhạt ở các tầng chứa nước khu vực ven biển, áp dụng đối với tầng chứa nước bão hòa và không bão hòa. Các thông số vật lý, mực nước ban đầu và các điều kiện biên của khu vực được xác định dựa vào kết quả khảo sát thực địa.
Mô hình nước dưới đất ở trạng thái ổn định được xây dựng và hiệu chỉnh dựa vào giá trị mực nước quan trắc. Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên sau khi hiệu chỉnh mô hình được dùng để đánh giá mực nước ở trạng thái ổn 14 định. Mô hình đã dự báo được sự thay đổi phân bố mực nước áp lực dưới các điều kiện bổ cập và thoát nước cùng sự dịch chuyển vị trí biên mặn - nhạt theo mô hình với thời gian mô phỏng kéo dài 20 năm. Kết quả chỉ ra rằng xâm nhập mặn tiến vào sâu trong đất liền liên tục và đáng kể với kịch bản nước biển dâng 50 cm cùng chế độ khai thác nước từ 700 đến 2.
N Mzila và E B Shuy (2003) [89] đã nghiên cứu quá trình xâm nhập mặn nước dưới đất ở những khu vực ven biển Singapore. Tác giả đã sử dụng mô hình dòng 3 chiều FEMWATER để đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến tầng chứa nước bão hòa khu vực nghiên cứu. Để thực hiện nghiên cứu, tác giả đã đánh giá ảnh hưởng của dao động mực nước biển theo thủy triều đến dao động mực nước dưới đất và xác định mối quan hệ của chúng. Nghiên cứu cũng đánh giá vai trò của lượng mưa đến nước dưới đất.
Mô hình FEMWATER được sử dụng để mô phỏng sự dao động mực nước dưới đất cùng sự biến đổi nồng độ Clo với đặc trưng của tầng chứa nước (vận tốc dòng chảy, độ nhớt của nước, sự chênh lệch nồng độ giữa nước mặn - nước nhạt), lượng nước mưa, mực nước biển và nồng độ Clo bổ cập cho tầng chứa nước. Kết quả dự báo mô hình cho thấy mức độ xâm nhập mặn tỷ lệ nghịch với với lượng mưa bổ cập, mực nước dưới đất gia tăng cùng với sự dâng cao mực nước biển và làm giảm quá trình xâm nhập mặn. Đây cũng là cơ sở để đánh giá ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến chất lượng và trữ lượng nước dưới đất. Allen et al (2004) [68] sử dụng mô hình MODFLOW để mô phỏng sự thay đổi của tầng chứa nước không áp ở Grand Forks, phía Nam nước Anh do những thay đổi của lượng bổ cập và mực nước sông theo những giả thiết về biến đổi khí hậu của vùng này.
Kết quả chỉ ra rằng những thay đổi lượng bổ cập của tầng chứa nước trong mô hình trạng thái ổn định dưới các kịch bản BĐKH khác nhau có tác động nhỏ hơn tác động thay đổi cao độ mực nước trong các sông Kettle và Granby. Tất cả các mô phỏng đều chỉ ra mực nước và hướng dòng chảy nước dưới đất chỉ thay đổi rất nhỏ. Mô phỏng lượng bổ cập cao và thấp chỉ ra mực nước lần lượt tăng khoảng + 0,05 m hoặc giảm khoảng - 0,025 m. Khi tăng độ cao mực nước sông cao 15 hơn mực nước cực đại 20 và 50 %, mực nước dưới đất tăng (2,72 3,45) m.
Khi giảm độ cao mực nước sông thấp hơn mực nước sông cực tiểu 20 và 50 % mực nước dưới đất giảm (- 0,48 - 2,10) m. Dough Weatherill (2005) [75] đi sâu đánh giá ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đồng thời đề cập đến vai trò của hoạt động khai thác nước dưới đất đến sự thay đổi chất lượng, trữ lượng nước tầng chứa nước bão hòa và không bão hòa vùng ven biển New South Wales. Tác giả đã nghiên cứu đánh giá trữ lượng, chất lượng của tầng chứa nước nằm ở phía Bắc Stockton, Tây Bắc Tilligerry Creek và Đông Nam biển Tasman cùng vai trò của thực vật với bộ rễ sâu sẽ thay đổi chất lượng và trữ lượng của chúng. Tác giả đã đánh giá lượng bổ cập cho tầng chứa nước từ lượng mưa trung bình hàng năm 1.124 mm cùng dòng mặt từ cửa sông và đại dương.
