Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Thái Bình là một tỉnh ven biển thuộc đồng bằng châu thổ sông Hồng, tiếp giáp với tam giác kinh tế trọng điểm Bắc Bộ (Hà Nội – Hải Phòng – Quảng Ninh). Địa bàn tỉnh được bao bọc bởi hệ thống sông, biển khép kín với đường bờ biển dài hơn 50 km. Dù có điều kiện tự nhiên thuận lợi cho phát triển kinh tế và nông nghiệp, tài nguyên nước nhạt dưới đất tại Thái Bình lại có trữ lượng hạn chế và đặc điểm thủy địa hóa phức tạp. Nước mặn và nước nhạt phân bố xen kẽ không theo quy luật, gây trở ngại cho việc khai thác và cấp nước sinh hoạt, sản xuất.

Sự gia tăng áp lực phát triển kinh tế - xã hội cùng các biểu hiện của biến đổi khí hậu và nước biển dâng (tần suất bão tăng, nước biển xâm nhập sâu vào nội đồng, suy giảm chất lượng và trữ lượng nước) đã làm hiện tượng nhiễm mặn, nhiễm bẩn các tầng chứa nước ngày càng nghiêm trọng. Trước thực trạng các nghiên cứu trước đây chủ yếu dừng lại ở việc đánh giá chung cho nước mặt hoặc chỉ khảo sát xâm nhập mặn cục bộ tại một số công trình riêng lẻ, khoảng trống nghiên cứu về việc đánh giá toàn diện, định lượng mối quan hệ thủy lực và mô phỏng dự báo dịch chuyển ranh giới mặn – nhạt trong không gian ba chiều cho toàn tỉnh Thái Bình đã được tác giả lựa chọn giải quyết.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định ba mục tiêu cụ thể:

  1. Phân vùng cấu trúc địa chất thủy văn và làm rõ mối quan hệ giữa các tầng chứa nước với các yếu tố khí hậu, nước biển cùng hiện trạng khai thác;
  2. Đánh giá vai trò của khí hậu, nước biển dâng và hoạt động khai thác của con người đến sự thay đổi chất lượng và trữ lượng nước dưới đất khu vực nghiên cứu;
  3. Dự báo tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng theo các kịch bản trong tương lai đến tầng chứa nước Holocen và Pleistocen, tính toán trữ lượng nước nhạt và đề xuất các giải pháp bảo vệ, khai thác, sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước dưới đất.

Câu hỏi và nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận án được triển khai qua sáu nhiệm vụ chính:

  1. Nghiên cứu cấu trúc địa chất, địa chất thủy văn để làm rõ sự hình thành trầm tích, thành phần thạch học, sự phân bố các tầng chứa nước, nguồn gốc vùng nước nhạt, mối quan hệ thủy lực giữa các tầng chứa nước và phân vùng cấu trúc địa chất thủy văn;
  2. Nghiên cứu quá trình hình thành các tầng chứa nước chính và sự phân bố mặn – nhạt làm cơ sở đánh giá tác động của dâng cao mực nước biển, biến đổi lượng mưa, lượng bốc hơi đến sự dịch chuyển ranh giới mặn – nhạt;
  3. Nghiên cứu mối quan hệ thủy lực giữa nước dưới đất với nước mưa và nước mặt qua dao động mực nước và chất lượng nước. Xây dựng đồ thị và phương trình tương quan nhằm tính toán lượng bổ cập từ mưa, sông, biển cũng như lượng thất thoát do khai thác;
  4. Phân vùng chịu ảnh hưởng của nước mưa, nước mặt đến nước dưới đất để đánh giá mức độ biến đổi chất lượng và trữ lượng nước dưới đất;
  5. Dự báo ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất tỉnh Thái Bình bằng mô hình VISUAL MODFLOW kết hợp phần mềm SEAWAT nhằm mô phỏng biến đổi ranh giới mặn – nhạt và trữ lượng nước nhạt theo thời gian;
  6. Phân vùng cảnh báo các khu vực có nguy cơ nhiễm mặn do biến đổi khí hậu và nước biển dâng, từ đó đề xuất giải pháp quản lý, khai thác và bảo vệ tài nguyên nước.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước dưới đất thuộc tầng chứa nước Holocen ($qh$) và Pleistocen ($qp$) tỉnh Thái Bình dưới tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng.
  • Phạm vi nghiên cứu: Diện phân bố nước nhạt trong tầng chứa nước Holocen và Pleistocen trên phạm vi địa giới hành chính tỉnh Thái Bình.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Các nghiên cứu về tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước bắt đầu được quan tâm từ những năm đầu thế kỷ XXI, tập trung vào các vùng đồng bằng ven biển:

  • Sherif và Singh (1999): Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến xâm nhập mặn tầng chứa nước ven biển đồng bằng sông Nil (Ai Cập) và vịnh Bengal (Ấn Độ) bằng mô hình FEFLOW. Khi mực nước biển dâng 50 cm, ranh giới mặn dịch sâu vào lục địa 9 km tại đồng bằng sông Nil và 0,4 km tại vịnh Bengal.
  • Ghosh Bobba (2002): Sử dụng mô hình phần tử hữu hạn hai chiều SUTRA để mô phỏng cơ chế xâm nhập mặn tại đồng bằng Godavari (Ấn Độ) trong 20 năm dưới kịch bản biển dâng 50 cm và lưu lượng khai thác từ 700 đến 2.000 $\text{m}^3/\text{ngày}$.
  • N Mzila và E B Shuy (2003): Ứng dụng mô hình 3 chiều FEMWATER tại vùng ven biển Singapore, làm rõ mối quan hệ giữa dao động triều, lượng mưa bổ cập và sự biến thiên nồng độ $\text{Cl}^-$.
  • Allen và cộng sự (2004): Dùng mô hình MODFLOW mô phỏng tầng chứa nước không áp tại Grand Forks (Anh), chỉ ra ảnh hưởng của dao động mực nước sông Kettle và Granby lớn hơn ảnh hưởng của biến đổi lượng bổ cập.
  • Dough Weatherill (2005): Đánh giá tầng chứa nước tại New South Wales (Úc) qua mô hình FEFLOW, nhận thấy khai thác nước với quy mô lớn gây mặn hóa mạnh hơn tác động đơn thuần của biến đổi khí hậu.
  • Dausman và Langevin (2005): Ứng dụng MODFLOW và SEAWAT tại Broward, Florida (Mỹ), xác định khi mực nước biển dâng trên 48 cm trong 100 năm sẽ xuất hiện xâm nhập ion Clorua vào các giếng quan trắc.
  • Melloul và Collin (2006): Sử dụng SEAWAT mô phỏng vùng ven biển Israel, ghi nhận khi mực nước biển dâng 0,5 m thì 77% lượng nước nhạt bị mất đi do dịch chuyển ngang và 23% trữ lượng tầng chứa nước tầng mặt suy giảm.
  • Holman (2006); Kevin Hiscock và Yu Tanaka (2006): Phân tích ảnh hưởng của biến đổi khí hậu kết hợp sử dụng đất và phát triển nông nghiệp tại Anh và Mỹ; Hiscock dự báo lượng bổ cập đến năm 2080 giảm từ 40% đến 60%.
  • Priyantha Ranjan, So Kazama, Masaki Sawamoto (2006): Dùng mô hình CROPWAT tính toán cân bằng nước và xác định các vùng thiếu hụt nước tại Trung Mỹ, Nam Phi, Bắc Phi, Nam Á và Địa Trung Hải.
  • GiamBastiani, Antonellini và cộng sự (2007): Dùng MOCDENS3D và MODFLOW tại Ravenna (Ý), xác định ranh giới mặn dịch chuyển vào lục địa khoảng 800 m do hạ thấp mực nước và sụt lún đất.
  • Werner và Simmons (2009): Xây dựng mô hình giải tích trạng thái ổn định phân tích giao diện mặn – nhạt trong tầng chứa nước không áp theo các điều kiện biên khác nhau.
  • Loaiciga và cộng sự (2009): Sử dụng FEFLOW tại hạt Monterey, California (Hoa Kỳ), xác định nước biển dâng đóng góp một phần nhỏ vào quá trình xâm nhập mặn so với tác động khai thác nước ngầm.
  • Nyenje và Batelaan (2009): Sử dụng mô hình WETSPA tại Uganda, dự báo lượng bổ cập nước ngầm giai đoạn 2020 – 2080 tương ứng với mức tăng nhiệt độ và lượng mưa.
  • Van Baaren và De Louw (2009): Sử dụng MODFLOW mô phỏng vùng ven biển Hà Lan, chỉ ra mức dâng nước biển 0,5 m/thế kỷ làm tăng độ mặn tầng Holocen trong phạm vi 10 km tính từ bờ.
  • Webb và Howard (2011); Sun Woo Chang và cộng sự (2011): Sử dụng SEAWAT đánh giá ảnh hưởng của độ dốc thủy lực, độ lỗ rỗng hữu hiệu và mô phỏng xâm nhập mặn tại thung lũng Pioneer (Úc).
  • Rasmussen và cộng sự (2013): Đánh giá đảo Falster (Đức) bằng SEAWAT, chỉ ra hạ thấp mực nước do hệ thống kênh dẫn dòng là nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy xâm nhập mặn so với biến đổi khí hậu.
  • Samrit Luoma và Jarkko Okkonen (2014): Nghiên cứu bán đảo Hanko (Phần Lan) qua MODFLOW và SEAWAT, xác định lượng nước biển bổ cập cho nước dưới đất chiếm từ 19,7% đến 27,3%.

Các nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào xâm nhập mặn do khai thác hoặc nghiên cứu tài nguyên nước mặt:

  • Đặng Đình Phúc (1997, 2000): Dự báo xâm nhập mặn bằng mô hình một chiều tại Cẩm Giàng và đánh giá tiềm năng khai thác tại Hải Hậu – Giao Thủy (Nam Định).
  • Phạm Quý Nhân, Đỗ Trọng Sự: Xây dựng mô hình dòng chảy và dịch chuyển chất tan tại Nghĩa Hưng – Hải Hậu (Nam Định).
  • Nguyễn Văn Lâm: Sử dụng phương pháp giải tích xác định thời gian xâm nhập mặn phục vụ cấp nước tại Hải Triều, Tiên Lữ (Hưng Yên).
  • Nguyễn Sơn (2007, 2010): Ứng dụng VISUAL MODFLOW 2.2 và MT3D dự báo xâm nhập mặn lưu vực sông Nhuệ – Đáy đến năm 2020 và dải ven biển Quảng Bình.
  • Nguyễn Như Trung (2007): Kết hợp mô hình hóa điện trở và địa chất thủy văn nghiên cứu suy thoái chất lượng tầng $qp$ tại Hải Phòng.
  • Đỗ Huy Cường (2012): Nghiên cứu tai biến tự nhiên do biến đổi khí hậu tại lưu vực sông Hồng thuộc khuôn khổ Nghị định thư Việt – Trung.
  • Nguyễn Văn Hoàng (2012): Đánh giá ảnh hưởng của nước biển dâng đến nước mặt, nước dưới đất và đê biển tại ven biển huyện Thái Thụy, tỉnh Thái Bình (xã Thái Xuyên, Thụy Trường, Thụy An).
  • Khương Văn Hải (2012): Ứng dụng GMS và MODFLOW tính toán biến đổi trữ lượng nước nhạt theo các kịch bản B2 và A2 trên đảo Phú Quý.
  • Bùi Trần Vượng (2013): Đánh giá biến đổi lượng bổ cập và xâm nhập mặn nước dưới đất tại đồng bằng sông Cửu Long.
  • Trịnh Hoài Thu (2014): Dùng VISUAL MODFLOW và GMS đánh giá xâm nhập mặn tầng $qp$ do khai thác tại Thái Bình.
  • Nguyễn Văn Lâm (2015): Nghiên cứu đặc điểm địa chất thủy văn và dự báo biến đổi ranh giới mặn – nhạt tầng $qh$ và $qp$ ven biển Bắc Bộ theo các kịch bản B1, B2, A2 đến năm 2100.
  • Nguyễn Thị Hạ (2016): Ứng dụng phương pháp GALDIT và mô hình SEAWAT đánh giá mức độ tổn thương tầng chứa nước tại Hậu Lộc (Thanh Hóa) và Tân Thành (Bà Rịa – Vũng Tàu).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trên địa bàn tỉnh Thái Bình trước đây chủ yếu tập trung vào xâm nhập mặn do khai thác ở tầng $qp$, khảo sát nước mặt hoặc chỉ đánh giá phạm vi hẹp ở huyện ven biển Thái Thụy. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: thiết lập bức tranh thủy địa hóa tổng thể cho cả hai tầng chứa nước $qh$ và $qp$ trên quy mô toàn tỉnh; lượng hóa cụ thể mối quan hệ tương quan tuyến tính giữa nước dưới đất với lượng mưa, nước sông, nước biển; và áp dụng mô hình số 3 chiều SEAWAT để dự báo đồng thời sự dịch chuyển ranh giới mặn – nhạt gắn liền với kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng kết hợp điều kiện hiện trạng đê biển và nâng cấp đê biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết, khái niệm và khung phân tích

Luận án tiếp cận dựa trên lý thuyết địa chất thủy văn kinh điển về tầng chứa nước lỗ hổng trong trầm tích bở rời Đệ Tứ, lý thuyết dòng chảy ngầm không áp và có áp, cùng lý thuyết chuyển khối chất hòa tan trong môi trường xốp phụ thuộc mật độ (density-dependent groundwater flow and solute transport). Khung phân tích liên kết quá trình thủy thạch học lịch sử (biển tiến – biển thoái) với các thông số thủy động lực và yếu tố biên khí hậu – hải văn.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng tổ hợp các phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp thu thập và chỉnh lý tài liệu: Tổng hợp số liệu địa chất, địa chất thủy văn, địa chất công trình từ hơn 100 lỗ khoan; chuỗi số liệu khí tượng – thủy văn từ năm 1960 đến 2014; quy hoạch sử dụng đất đến năm 2030; kịch bản biến đổi khí hậu của Bộ Tài nguyên và Môi trường.
  • Phương pháp kế thừa và chuyên gia: Kế thừa bản đồ địa chất thủy văn của Lại Đức Hùng (1996) và các nghiên cứu chuyên ngành liên quan.
  • Phương pháp khảo sát thực địa:
    • Khảo sát thực địa tại hơn 200 điểm trên toàn tỉnh, tập trung tại ranh giới mặn – nhạt xác lập năm 1996 và các vùng ven sông, ven biển theo mùa mưa và mùa khô.
    • Phân tích độ tổng khoáng hóa (TDS) và thành phần hóa học của 60 mẫu nước tại Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước miền Bắc.
    • Thực hiện thí nghiệm đổ nước hố đào tại 20 điểm trên mặt kết hợp phân tích 35 mẫu thạch học trong phòng thí nghiệm để xác định hệ số thấm cho tầng đất mặt.
    • Quan trắc tự động mực nước dưới đất liên tục 1 giờ/lần tại 20 điểm thuộc hai tuyến ven biển Thái Thụy và Tiền Hải (khoảng cách từ 1,5 đến 3,0 km tính từ bờ) trong thời gian một tháng (11/01/2015 – 15/02/2015) theo chu kỳ triều.
  • Phương pháp thống kê: Xử lý chuỗi số liệu mưa, nhiệt độ, bốc hơi, mực nước sông (trạm Phú Hào, Ba Lạt, Định Cư, Quyết Tiến, Triều Dương) và mực nước biển (trạm Hòn Dấu) để thiết lập các phương trình tương quan tuyến tính.
  • Phương pháp thủy địa hóa và thủy động lực: Xác định nguồn gốc nước qua thành phần ion, chỉ số đồng vị Triti ($^3\text{H}$), tuổi trầm tích qua đồng vị $^{14}\text{C}$, và tính toán các thông số thấm, nhả nước.
  • Phương pháp mô hình hóa: Sử dụng bộ phần mềm GMS, VISUAL MODFLOW kết hợp mô đun SEAWAT để thiết lập mô hình dòng chảy và mô hình dịch chuyển vật chất ba chiều cho hai tầng chứa nước $qh$ và $qp$.
Nguồn tư liệu, dữ liệu Số lượng / Phạm vi Đơn vị cung cấp / Thực hiện Mục đích sử dụng
Số liệu lỗ khoan ĐCTV & ĐCCT > 100 lỗ khoan Kế thừa từ Lại Đức Hùng (1996) Xây dựng sơ đồ cấu trúc ĐCTV
Lỗ khoan quan trắc quốc gia 08 lỗ khoan ($qh$, $qp$) Trung tâm Quy hoạch và ĐTTNNQG Hiệu chỉnh chuỗi số liệu mực nước
Giếng quan trắc nội địa Q155, Q156, Q158, Q159 Huyện Thái Thụy, Quỳnh Phụ Đánh giá quan hệ thủy lực nội đồng
Mẫu hóa nghiệm chất lượng nước ~50 mẫu Viện Địa lý, Sở TN&MT Thái Bình Phân tích thủy địa hóa bổ sung
Điểm khảo sát thực địa TDS > 200 điểm Tác giả thực hiện trên toàn tỉnh Xác định lại ranh giới mặn – nhạt
Mẫu hóa nghiệm phân tích phòng 60 mẫu Liên đoàn QH&ĐTTNN miền Bắc Phân tích thành phần ion và TDS
Thí nghiệm đổ nước hố đào 20 điểm Phân bố đều trên toàn tỉnh Xác định hệ số thấm tầng mặt
Mẫu thạch học tầng mặt 35 mẫu Phân tích phòng thí nghiệm Phân vùng khả năng thấm nước tầng $qh$
Quan trắc tự động ven biển 20 điểm (1 giờ/lần) Ven biển Thái Thụy, Tiền Hải Đo triều và mực nước (11/1 - 15/2/2015)
Chuỗi số liệu khí tượng - thủy văn 1960 – 2014 Trung tâm Khí tượng Thủy văn QG Tính toán lượng bổ cập và xu thế

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất

Chương này hệ thống hóa các cơ sở lý luận và thực tiễn về mối quan hệ giữa biến đổi khí hậu, nước biển dâng và tài nguyên nước dưới đất:

  • Tổng kết các công trình quốc tế áp dụng mô hình toán và phần mềm mô phỏng (FEFLOW, SUTRA, FEMWATER, MODFLOW, SEAWAT, MOCDENS3D, WETSPA) tại các đồng bằng ven biển trên thế giới. Đa số các tác giả xác định mức độ xâm nhập mặn phụ thuộc vào điều kiện biên, lượng bổ cập từ mưa và chế độ khai thác nước ngầm.
  • Điểm lại tình hình nghiên cứu tại Việt Nam từ năm 1997 đến 2016. Tác giả chỉ ra rằng các công trình trong nước trước đây chủ yếu tập trung vào tầng chứa nước Pleistocen, phục vụ đánh giá cạn kiệt do khai thác hoặc mới đánh giá bước đầu tại một số vùng ven biển mà chưa có nghiên cứu chuyên sâu, đồng bộ cho toàn tỉnh Thái Bình dưới tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng.
  • Đề xuất khung phương pháp luận áp dụng cho luận án, trong đó nhấn mạnh sự cần thiết của việc kết hợp đo đạc thực địa, xác định lại ranh giới mặn – nhạt và ứng dụng mô hình số 3 chiều SEAWAT để mô phỏng sự tương tác mặn – nhạt.

Chương 2: Đặc điểm địa chất, địa chất thủy văn và kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng tỉnh Thái Bình

Chương 2 mô tả chi tiết điều kiện tự nhiên, cấu trúc thạch học trầm tích Đệ Tứ và đặc trưng các phân vị địa chất thủy văn:

  • Lịch sử thành tạo trầm tích: Trầm tích Đệ Tứ trải qua 5 chu kỳ biển tiến – biển thoái. Tầng Pleistocen ($qp$) hình thành qua các pha biển thoái tương ứng với hệ tầng Lệ Chi ($Q_1^{lc}$), hệ tầng Hà Nội ($Q_1^{hn}$) và hệ tầng Vĩnh Phúc ($Q_1^{2vp}$). Trầm tích $qp$ ở khu vực phía Bắc tỉnh có tuổi trẻ hơn (khoảng 20.000 năm BP) so với khu vực phía Nam và ven biển (khoảng 40.000 năm BP). Động năng dòng chảy cổ của sông Hồng, phân lưu sông Luộc, sông Trà Lý theo hướng Tây Bắc – Đông Nam kết hợp hoạt động của đứt gãy Vĩnh Ninh đưa nước nhạt từ tầng Neogen lên đã giúp khu vực phía Bắc duy trì môi trường nước nhạt. Tầng Holocen ($qh$) gồm phân vị dưới ($qh_1$) thuộc hệ tầng Hải Hưng ($Q_2^{1-2hh}$) và phân vị trên ($qh_2$) thuộc hệ tầng Thái Bình ($Q_2^{3tb}$).
  • Đặc điểm các tầng chứa nước:
Phân vị địa chất thủy văn Hệ tầng trầm tích Chiều dày (m) Tính chất thủy lực Thông số địa chất thủy văn Đặc điểm chất lượng nước
Tầng Holocen trên ($qh_2$) Thái Bình ($Q_2^{3tb}$) 5 – 25 Không áp $K = 1{,}49\text{ m/ng}$; $\mu = 0{,}1238$; $M_d = 8{,}6927\text{ l/s.km}^2$; $^{3}\text{H} = 11{,}5 \pm 1{,}0\text{ TU}$ Nước nhạt xen kẽ nước mặn; biên độ mực nước mùa $H = 0{,}60\text{ m}$
Lớp thấm nước yếu giữa $qh$ Hải Hưng ($mQ_2^{1-2hh2}$) 1,5 – 20 (TB 13,5) Cách nước / thấm yếu Thành phần sét, sét bột pha cát màu xám xanh Vắng mặt tại Thượng Bái (Hưng Hà)
Tầng Holocen dưới ($qh_1$) Hải Hưng ($Q_2^{1-2hh1}$) 3,0 – 18,5 (TB 14,2) Áp lực yếu $K = 0{,}61 - 1{,}29\text{ m/ng}$; $\mu = 0{,}1188$ Nước lợ và mặn ($M$ đạt tới $27{,}42\text{ g/l}$ tại Tiền Hải, loại $\text{Cl-Na-Mg}$)
Lớp thấm nước yếu giữa $qh$ và $qp$ Vĩnh Phúc ($Q_1^{2vp2}$) 1,7 – 25 Thấm nước yếu Sét, sét bột xám đen; có các cửa sổ ĐCTV tại LK 2B, LK 22, LK 711 Ngăn cách $qh_1$ và $qp$; bị vát mỏng tại Vũ Thư, Quỳnh Phụ, Đông Hưng
Tầng Pleistocen ($qp$) Vĩnh Phúc, Hà Nội, Lệ Chi 15 – 127 (TB 57) Nước có áp $K = 22\text{ m/ng}$; $\mu = 0{,}182$; $\mu^* = 0{,}0069$ Giàu nước; phía Bắc nước nhạt, phía Nam và ven biển bị nhiễm mặn
Lớp thấm nước yếu trên Neogen Lệ Chi ($Q_1^{lc}$) TB 15,8 Thấm nước yếu Cát bột sét nguồn gốc biển Ngăn cách trầm tích Đệ Tứ và Neogen
Tầng khe nứt - lỗ hổng Neogen Vĩnh Bảo ($N_2^{vb}$), Tiên Hưng ($N_1^{3th}$) Lớn (nằm sâu) Nước có áp $K = 3{,}05 - 16{,}23\text{ m/ng}$; $Km = 105 - 432\text{ m}^2\text{/ng}$; $\mu = 0{,}143$ $\text{TDS} = 0{,}38 - 20{,}18\text{ g/l}$, loại $\text{HCO}_3$ và $\text{Cl-Na}$; có triển vọng nước khoáng
  • Đặc điểm khí hậu, thủy văn và kịch bản:
    • Nhiệt độ trung bình năm tăng từ 23°C (những năm 1960) lên 23,4°C; từ năm 1996 đến 2014 dao động từ 22,8°C đến 23,6°C.
    • Lượng bốc hơi trung bình giai đoạn 1974 – 1993 là 983 mm, giảm dần từ năm 1995 xuống 842,1 mm. Độ ẩm trung bình đạt 85% – 87%.
    • Lượng mưa toàn tỉnh có xu hướng giảm 7% trong chuỗi quan trắc 50 năm, nhưng xét riêng từ năm 1995 đến 2014, lượng mưa tăng từ 0,9% đến 1%.
    • Mực nước biển tại trạm Hòn Dấu tăng khoảng 30 cm trong giai đoạn 1960 – 2014 (từ -23 cm lên +6 cm). Mực nước sông Hồng tại trạm Ba Lạt dâng cao hơn 20 – 30 cm từ năm 1995. Mực nước sông Trà Lý tại trạm Định Cư có xu hướng tăng, trong khi mực nước sông Luộc tại trạm Triều Dương giảm nhẹ do chịu ảnh hưởng của khai thác tưới tiêu.
    • Hệ thống đê biển gồm 4 tuyến (số 5, 6, 7, 8) với tổng chiều dài 71,4 km, cao trình thiết kế từ 4,6 đến 5,5 m có vai trò ngăn triều và hạn chế xâm nhập mặn.

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 3 lượng hóa sự tác động của các nhân tố tự nhiên và nhân sinh đến hai tầng chứa nước:

  • Tầng chứa nước Holocen ($qh$) có quan hệ thủy lực trực tiếp với nước mưa và nước sông, biển. Phương trình tương quan tuyến tính được xác lập cho thấy sông và biển tác động trực tiếp đến tầng $qh$ trong phạm vi từ 1,5 đến 3,0 km tính từ đường bờ. Lượng mưa gia tăng đóng góp lượng bổ cập trung bình ước tính đạt 0,0003 m/ngày, thúc đẩy quá trình rửa mặn tầng mặt.
  • Kết quả khảo sát thực địa năm 2014 so với tài liệu năm 1996 của Lại Đức Hùng ghi nhận diện tích nhiễm mặn của tầng $qh$ trên toàn tỉnh đã thu hẹp khoảng 180 $\text{km}^2$ nhờ quá trình rửa mặn tự nhiên từ nước mưa.
  • Tầng chứa nước Pleistocen ($qp$) không chịu ảnh hưởng trực tiếp của nước mưa bề mặt do có lớp thấm nước yếu ngăn cách. Tầng này nhận bổ cập một phần từ quá trình thấm xuyên từ tầng $qh$ xuống qua các cửa sổ địa chất thủy văn và chịu tác động lan truyền áp lực thủy tĩnh từ nước sông, biển trong phạm vi từ 1,5 đến 2,0 km tính từ bờ.
  • Yếu tố chi phối chủ yếu đến sự thay đổi chất lượng và suy giảm mực nước tầng $qp$ là hoạt động khai thác nước dưới đất của con người.

Chương 4: Dự báo ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất tỉnh Thái Bình

Chương 4 trình bày kết quả ứng dụng mô hình số SEAWAT để dự báo diễn biến ranh giới mặn – nhạt và biến đổi trữ lượng nước dưới đất đến năm 2100:

  • Dự báo cho tầng Holocen ($qh$): Biến đổi khí hậu và nước biển dâng tác động trực tiếp đến tầng $qh$. Theo kịch bản phát thải cao A2 đến năm 2100, diện tích vùng nước nhạt tầng $qh$ bị thu hẹp 109,7 $\text{km}^2$ trong điều kiện giữ nguyên hiện trạng đê biển. Trong trường hợp hệ thống đê biển được nâng cấp hoàn chỉnh, diện tích nước nhạt chỉ bị thu hẹp 42,9 $\text{km}^2$.
  • Dự báo cho tầng Pleistocen ($qp$): Tầng $qp$ ít chịu tác động trực tiếp từ nước biển dâng mà chịu ảnh hưởng chủ đạo từ các công trình khai thác. Đến năm 2100, diện tích nước nhạt tầng $qp$ bị thu hẹp khoảng 25 $\text{km}^2$, tập trung chủ yếu ở khu vực phía Bắc của tỉnh.
  • Xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ nhiễm mặn và tính toán trữ lượng nước nhạt dự báo cho cả hai tầng chứa nước, làm cơ sở định hướng quy hoạch không gian khai thác và đề xuất giải pháp công trình bảo vệ nguồn nước.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn

  1. Chính xác hóa ranh giới mặn – nhạt: Thông qua hơn 200 điểm khảo sát thực địa và phân tích mẫu hóa học, luận án đã xác định lại bản đồ ranh giới mặn – nhạt nước dưới đất trên toàn tỉnh Thái Bình. Phát hiện diện tích vùng nước mặn tầng $qh$ năm 2014 đã thu hẹp khoảng 180 $\text{km}^2$ so với bản đồ năm 1996 của Lại Đức Hùng nhờ lượng mưa bổ cập trung bình 0,0003 m/ngày.
  2. Lượng hóa quy luật tương quan thủy lực: Luận án đã xây dựng các phương trình tương quan tuyến tính biểu diễn mối quan hệ giữa nước dưới đất với các yếu tố khí hậu và thủy hải văn:
    • Tầng $qh$ chịu tác động trực tiếp của nước mưa và nước sông, biển trong phạm vi từ 1,5 đến 3,0 km tính từ bờ biển;
    • Tầng $qp$ không chịu ảnh hưởng trực tiếp của nước mưa, chỉ chịu ảnh hưởng gián tiếp của sông, biển qua con đường truyền áp lực trong phạm vi từ 1,5 đến 2,0 km tính từ bờ và chịu tác động thấm xuyên từ tầng $qh$ xuống.
  3. Mô phỏng 3 chiều quá trình xâm nhập mặn: Ứng dụng thành công mô hình không gian ba chiều SEAWAT để dự báo định lượng mức độ dịch chuyển ranh giới mặn – nhạt và tính toán trữ lượng nước nhạt cho hai tầng chứa nước đến năm 2100 theo kịch bản A2. Chứng minh hiệu quả giảm thiểu xâm nhập mặn của giải pháp nâng cấp đê biển (giảm diện tích mất nước nhạt tầng $qh$ từ 109,7 $\text{km}^2$ xuống 42,9 $\text{km}^2$).

Luận điểm bảo vệ

  • Luận điểm 1: Tầng chứa nước Holocen chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi nước mưa và nước sông, biển trong phạm vi 1,5 đến 3,0 km so với đường bờ với quan hệ tuyến tính. Lượng mưa tăng với lượng bổ cập trung bình khoảng 0,0003 m/ngày đã góp phần rửa mặn nước dưới đất với diện tích mặn thu hẹp khoảng 180 $\text{km}^2$ so với năm 1996. Tầng chứa nước Pleistocen không chịu ảnh hưởng của nước mưa mà chịu tác động trực tiếp của hoạt động khai thác nước dưới đất và một phần của quá trình thấm xuyên từ tầng $qh$ xuống; tầng $qp$ chỉ chịu ảnh hưởng của nước sông, biển trong phạm vi từ 1,5 đến 2,0 km so với đường bờ qua con đường truyền áp.
  • Luận điểm 2: Biến đổi khí hậu và nước biển dâng ảnh hưởng trực tiếp đến tầng chứa nước Holocen. Tùy theo đặc trưng tầng chứa nước, hiện trạng sử dụng đất và đê điều, diện tích vùng nước nhạt tầng $qh$ tính đến năm 2100 theo kịch bản phát thải A2 bị thu hẹp khoảng 109,7 $\text{km}^2$ trong trường hợp đê biển hiện tại và 42,9 $\text{km}^2$ khi nâng cấp hệ thống đê biển. Tầng chứa nước $qp$ ít chịu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng mà chủ yếu chịu tác động của hoạt động khai thác nước dưới đất với diện tích vùng nước nhạt bị thu hẹp khoảng 25 $\text{km}^2$ tính đến năm 2100, tập trung ở khu vực phía Bắc của tỉnh.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Định hướng quy hoạch khai thác phân bố hợp lý theo vùng: hạn chế gia tăng lưu lượng khai thác tầng $qp$ tại khu vực phía Bắc tỉnh để tránh kéo ranh giới mặn từ phía Nam lấn sang;
  • Tăng cường các biện pháp kỹ thuật giảm chênh lệch cột nước giữa đới mặn và đới nhạt nhằm hạn chế dòng chảy ngấm mặn vào các phễu hạ thấp mực nước;
  • Duy trì và nâng cấp 71,4 km thuộc 4 tuyến đê biển (số 5, 6, 7, 8) nhằm bảo vệ tầng chứa nước mặt Holocen trước nguy cơ tràn ngập mặn khi triều dâng kết hợp nước biển dâng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Luận án tập trung nghiên cứu chi tiết và xây dựng mô hình dự báo cho hai tầng chứa nước Đệ Tứ là Holocen ($qh$) và Pleistocen ($qp$); tầng chứa nước khe nứt – lỗ hổng Neogen tuy có tiềm năng lớn về trữ lượng và nước khoáng nhưng do chiều sâu phân bố lớn nên chưa được đưa vào mô hình mô phỏng chuyển khối 3 chiều.
  • Chuỗi số liệu quan trắc tự động chi tiết theo chu kỳ triều tại 20 điểm ven biển mới thực hiện liên tục trong khoảng thời gian 1 tháng (từ ngày 11/01/2015 đến ngày 15/02/2015); việc kéo dài quan trắc tự động liên tục qua nhiều mùa trong năm sẽ giúp kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình với độ chính xác cao hơn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo cần tích hợp bổ sung số liệu sụt lún mặt đất cục bộ do khai thác nước ngầm và biến động sử dụng đất theo quy hoạch dài hạn vào các bài toán cân bằng nước ngầm chi tiết cấp huyện.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Địa chất thủy văn, Tài nguyên nước: Cung cấp tài liệu tham khảo về phương pháp kết hợp khảo sát thực tế (đổ nước hố đào, quan trắc tự động chu kỳ triều, phân tích đồng vị) với mô hình số ba chiều SEAWAT để giải quyết bài toán xâm nhập mặn phụ thuộc mật độ tại vùng đồng bằng châu thổ ven biển.
  • Đối với cơ quan quản lý nhà nước (Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Bình, Trung tâm Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước quốc gia): Bản đồ phân vùng ranh giới mặn – nhạt hiệu chỉnh và các số liệu dự báo diện tích suy giảm nước nhạt đến năm 2100 là căn cứ trực tiếp phục vụ công tác cấp phép khai thác, quy hoạch mạng lưới quan trắc và xây dựng phương án ứng phó biến đổi khí hậu cấp tỉnh.
  • Đối với các đơn vị thiết kế công trình thủy lợi, đê điều: Cung cấp cơ sở khoa học định lượng chứng minh vai trò của hệ thống đê biển trong việc giảm thiểu diện tích xâm nhập mặn nước ngầm (giúp giảm diện tích mất nước nhạt từ 109,7 $\text{km}^2$ xuống 42,9 $\text{km}^2$).

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng đối với tầng chứa nước Holocen ($qh$) và Pleistocen ($qp$) khác nhau như thế nào?

Tầng Holocen ($qh$) là tầng không áp, nằm sát bề mặt nên chịu tác động trực tiếp của nước mưa tự nhiên và tương tác trực tiếp với nước biển, nước sông trong phạm vi 1,5 đến 3,0 km tính từ bờ. Ngược lại, tầng Pleistocen ($qp$) là tầng chứa nước có áp, được ngăn cách với tầng trên bởi lớp sét, sét bột thấm nước yếu $Q_1^{2vp2}$ nên không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ nước mưa. Tầng $qp$ chỉ chịu ảnh hưởng của sông, biển gián tiếp qua cơ chế truyền áp suất thủy tĩnh trong phạm vi 1,5 đến 2,0 km tính từ bờ và nhận một phần bổ cập thấm xuyên từ tầng $qh$. Biến đổi diện tích nước nhạt ở tầng $qp$ chịu sự chi phối chủ yếu từ hoạt động khai thác của con người.

2. Dữ liệu thực địa nào chứng minh cho hiện tượng rửa mặn tự nhiên tại tầng Holocen của tỉnh Thái Bình?

Kết quả khảo sát thực địa tại hơn 200 điểm và phân tích 60 mẫu nước của luận án tiến hành năm 2014 xác định diện tích nhiễm mặn của tầng chứa nước $qh$ trên toàn tỉnh đã thu hẹp khoảng 180 $\text{km}^2$ so với kết quả thành lập Bản đồ Địa chất thủy văn năm 1996 của Lại Đức Hùng. Nguyên nhân do lượng mưa quan trắc trên địa bàn tỉnh từ năm 1995 đến 2014 có xu hướng tăng từ 0,9% đến 1%, cung cấp lượng bổ cập nước nhạt trung bình ước tính đạt 0,0003 m/ngày qua bề mặt thấm, đẩy lùi ranh giới mặn tự nhiên.

3. Tại sao nước dưới đất tầng Pleistocen ở khu vực phía Bắc tỉnh Thái Bình lại nhạt hơn khu vực phía Nam và ven biển?

Lịch sử địa chất cho thấy trầm tích tầng Pleistocen ở khu vực phía Bắc tỉnh có tuổi trẻ hơn (khoảng 20.000 năm BP) so với khu vực phía Nam (khoảng 40.000 năm BP), đã trải qua quá trình rửa trôi, bóc mòn mạnh bởi dòng chảy mặt. Động năng dòng chảy cổ theo hướng Tây Bắc – Đông Nam của sông Hồng, phân lưu sông Luộc và sông Trà Lý lớn hơn áp lực biển đã đẩy lùi nước mặn ra xa. Đồng thời, khu vực phía Bắc còn chịu ảnh hưởng của đứt gãy kiến tạo Vĩnh Ninh dẫn nguồn nước nhạt từ tầng Neogen đi lên bổ cập cho tầng $qp$.

4. Việc nâng cấp hệ thống đê biển mang lại hiệu quả định lượng như thế nào đối với việc bảo vệ nguồn nước nhạt tầng Holocen đến năm 2100?

Theo kết quả mô phỏng bằng mô hình SEAWAT dưới kịch bản phát thải cao A2 đến năm 2100: nếu giữ nguyên hiện trạng hệ thống đê biển hiện tại, diện tích phân bố nước nhạt của tầng chứa nước $qh$ sẽ bị thu hẹp khoảng 109,7 $\text{km}^2$; trong khi đó, nếu hệ thống đê biển được nâng cấp đủ cao trình chắn sóng và ngăn triều, diện tích nước nhạt bị thu hẹp giảm xuống chỉ còn 42,9 $\text{km}^2$. Hệ thống đê biển giúp giữ lại được 66,8 $\text{km}^2$ diện tích nước nhạt không bị chuyển thành nước mặn.

5. Những phần mềm mô hình số và nguồn dữ liệu quan trắc nào đã được tác giả kết hợp để thực hiện nghiên cứu?

Tác giả đã sử dụng bộ phần mềm GMS, VISUAL MODFLOW kết hợp mô đun chuyên dụng SEAWAT để thiết lập mô hình dòng chảy và vận chuyển chất tan phụ thuộc mật độ trong không gian ba chiều. Nguồn dữ liệu tích hợp vào mô hình bao gồm: số liệu địa chất từ hơn 100 lỗ khoan; chuỗi quan trắc khí tượng thủy văn 1960 – 2014; số liệu mực nước từ 08 trạm quan trắc quốc gia; số liệu thí nghiệm thấm từ 20 điểm đổ nước hố đào và 35 mẫu thạch học; cùng chuỗi số liệu quan trắc tự động liên tục 1 giờ/lần tại 20 điểm ven bờ trong một tháng.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả đã giải quyết trọn vẹn bài toán đánh giá và dự báo ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, nước biển dâng đến tài nguyên nước dưới đất tỉnh Thái Bình thông qua việc kết hợp chặt chẽ giữa điều tra thực địa, phân tích thủy địa hóa và mô hình số 3 chiều SEAWAT. Công trình đã làm rõ quy luật phân hóa không gian, phân định rõ cơ chế tác động trực tiếp của khí hậu đến tầng Holocen và vai trò chi phối của khai thác nhân sinh đến tầng Pleistocen. Các kết quả dự báo định lượng đến năm 2100 cùng hệ thống bản đồ phân vùng nguy cơ nhiễm mặn cung cấp cơ sở khoa học trực tiếp phục vụ quy hoạch khai thác bền vững và xây dựng các giải pháp công trình đê điều bảo vệ tài nguyên nước dưới đất vùng ven biển đồng bằng châu thổ sông Hồng.