CHƯƠNG 1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU LÚN ĐẤT BỀ MẶT TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU LÚN ĐẤT BỀ MẶT TRÊN THẾ GIỚI Với những đặc điểm tương đồng ở một mức độ nhất định về vị trí địa lý khu vực, điều kiện địa chất kiến tạo, tài liệu thu thập, luận văn trình bày khái quát về quá trình nghiên cứu, công nghệ kỹ thuật áp dụng và khối lượng công tác nghiên cứu lún đất bề mặt ở Jakarta (Indonesia), Bangkok (Thái Lan) và Thượng Hải (Trung Quốc).1 Nghiên cứu lún đất bề mặt ở Jakarta (Indonesia) Tại Indonesia, công tác quan trắc biến dạng lún đất tập trung ở thủ đô Jakarta – thành phố với 10 triệu dân. Lún đất ở Jakarta được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1926 thông qua quá trình đo đạc cao độ khu vực Phía Bắc Jakarta. Năm 1978, các tác động từ quá trình biến dạng lún đất bề mặt được ghi nhận thông qua các hiện tượng như nứt nẻ các công trình xây dựng trên đường Thamrin, diện tích bị ngập úng tăng lên, mực nước ngầm bị hạ thấp và quá trình xâm nhập mặn mở rộng. Đầu thập niên 80, lún đất bề mặt ở một số điểm ở Jakarta được đo đặc bằng phương pháp đo cao, thiết bị đo lún extensometer, quan trắc mực nước dưới đất và sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System).
Thủ đô Jakarta đã tiến hành 03 lần đo cao độ mốc vào năm 1982, 1991 do Cục Bản đồ và Khảo sát Jakarta thực hiện và năm 1997 do Cục Khoáng Sản Jakarta thực hiện. Quá trình đo đạc bằng hệ thống GPS được thực hiện 02 lần vào năm 1997 và năm 1999 do Sở Kỹ thuật Địa chính và Viện Công nghệ Bandung tiến hành. Theo nghiên cứu của các nhà khoa học Murdohardono & Sudarsono (năm 1998), Rismianto & Mark (1993) thì lún đất bề mặt ở Jakarta có 04 loại: lún đất do khai thác nước dưới đất, lún đất do quá trình xây dựng công trình, cở sở hạ tầng, lún đất do quá trình cố kết tự nhiên của đất và lún đất do quá trình kiến tạo. Trong đó, lún đất do quá trình khai thác nước dưới đất là chủ yếu.
Hoạt động này không 6 những làm mực nước dưới đất bị hạ thấp, biến dạng lún đất xảy ra mà còn làm cho quá trình xâm nhập mặn gia tăng trên một diện rộng. Khai thác nước ở Jakarta được chia ra làm 02 loại chính: khai thác nước ở tầng nông (độ sâu giếng <40 m) và khai thác nước ở tầng sâu (độ sâu giếng >40 m). Việc khai thác nước ở tầng nông được thực hiện tự phát trong dân chúng bằng các giếng đào, giếng khoan sử dụng bơm tay hay các bơm điện loại nhỏ, lưu lượng khai thác nước nhỏ. Quá trình khai thác nước ở tâng sâu được thực hiện trên quy mô công nghiệp với lưu lượng khai thác nước lớn.
Năm 2000, nhận thấy lún đất bề mặt là một vấn đề thực tế tiếp diễn lâu dài, Jakarta đã tiến hành xây dựng 04 trạm quan trắc lún đất được bố trí ở Phía Bắc, trung tâm, Phía Tây và Phía Đông Jakarta. Mỗi trạm quan trắc đều có 03 hệ thống quan trắc chính bao gồm: hệ thống thiết bị quan trắc độ lún extensometer, hệ thống quan trắc mực nước dưới đất tự động và hệ thống quan trắc áp lực nước lỗ rỗng. Sáu mốc chuẩn đã được xây dựng, một mốc ở Phía Đông, một mốc ở Phía Tây, hai mốc ở Phía Bắc và hai mốc ở Phía Nam. Các mốc chuẩn được đặt trên nền đất ổn định lâu đài, không bị ảnh hưởng của quá trình biến dạng lún.
Ý nghĩa của quá trình quan trắc lún đất bề mặt được thể hiện trong hình 1. Kiểm soát Quy hoạch ngập úng không gian Quản lý khai thác Thông tin Thiết kế, xây dựng nước dưới đất lún đất bề mặt cơ sở hạ tầng Kiểm soát Bảo vệ xâm nhập mặn môi trường Hình 1.1: Ý nghĩa thông tin quan trắc lún đất bề mặt Jakarta Cùng với hệ thống GPS được xây dựng phục vụ quá trình quan trắc, theo dõi và nghiên lún đất bề mặt, thông tin từ quá trình lún đất có ý nghĩa rất quan trọng 7 trong nhiều lĩnh vực liên quan. Kết quả quan trắc lún góp phần hỗ trợ công tác quản lý khai thác nước dưới đất một cách hợp lý, kiểm soát ngập úng, quy hoạch không gian, thiết kế xây dựng cơ sở hạ tầng, bảo vệ môi trường và kiểm soát xâm nhập mặn.2 Nghiên cứu lún đất bề mặt ở Bangkok (Thái Lan) Bangkok là thủ đô của Thái Lan với dân số gần 10 triệu người, nằm trên khu vực địa hình đồng bằng ven biển với cao độ mặt đất từ 1- 2 m so với mực nước biển. Là một trong những đô thị có mức độ đô thị hóa cao nhất trong khu vực Đông Nam Á, với mật độ xây dựng công trình, cơ sở hạ tầng và khai thác nước ngày càng gia tăng (hình 1.2: Góc nhìn đô thị hóa Bangkok Tốc độ đô thị hóa diễn ra nhanh chóng và việc khai thác nước dưới đất quá mức đã làm cho bề mặt khu vực thủ đô Bankok bị lún xuống ở nhiều khu vực quan sát được.
Bangkok ghi nhận được bằng chứng cho hiện tượng lún đất bề mặt như: sụt lún công trình xây dựng, nền đường, thay đổi cao độ mốc (hình 1. Năm 1978, một mạng lưới quan trắc lún đất tại Bangkok được thành lập và vận hành bởi Sở Khảo sát Hoàng gia Thái Lan bao gồm 59 mốc quan trắc được gắn trên các công trình xây dựng. Một hệ thống quan trắc cao độ khác được xây dựng bởi Chính quyền thủ đô Bangkok năm 1979 với 178 điểm quan trắc, số điểm quan trắc này được mở rộng lên thành 882 điểm vào năm 2007. 8 Cả hai hệ thống quan trắc này đều được quan trắc tham chiếu với mốc chuẩn có ký hiệu BMR8.
Đây là mốc chuẩn được xây dựng từ một giếng khoan thăm dò dầu khí, được đặt trong tầng đá gốc với độ sâu -1848 m.3: Hiện tượng lún đất bề mặt tại Bangkok (Nguồn: Sở Tài nguyên Khoáng sản Thái Lan) Các nghiên cứu từ hai hệ thống quan trắc lún đất bề mặt truyền thống trên rút ra một số hạn chế như sau: + Việc quan trắc mất nhiều thời gian và tốn kém về kinh tế. + Số lượng điểm quan trắc được xây dựng giới hạn và mất đi nhiều do quá trình xây dựng và phát triển. + Công tác quan trắc toàn hệ thống khó có thể duy trì một cách thường xuyên; + Quá trình quan trắc gặp nhiều khó khăn khi mật độ xây dựng cơ sở hạ tầng gia tăng. + Bản thân mốc chuẩn cũng cần được quan trắc do những thay đổi các yếu tố từ tự nhiên.
9 Xuất phát từ những hạn chế trên của hệ thống quan trắc truyền thống, năm 2001 Bangkok đã áp dụng kỹ thuật inSAR vi phân (Interferometry – Synthetic Aperture Rada) để quan trắc lún đất bề mặt. Kỹ thuật này cũng có những ưu điểm và hạn chế nhất định. Hiện nay, một nhóm các nhà nghiên cứu kết hợp giữa Thái Lan và Châu Âu đang thực hiện dự án Geo2tecdi. Dự án kết hợp sử dụng kết quả của cả quan trắc cao độ và kết quả ảnh inSAR để ghi nhận và nghiên cứu quá trình lún đất bề mặt tại Bangkok.3 Nghiên cứu lún đất bề mặt ở Thượng Hải (Trung Quốc) Tại Thượng Hải, công tác quan trắc lún đất được tiến hành từ năm 1921.
Lịch sử quan trắc lún đất ở Thượng Hải được chia ra làm 02 giai đoạn: Giai đoạn 1 từ năm 1921 – 1965 tương ứng với giai đoạn lún với tốc độ nhanh. Giai đoạn 2 từ nằm 1965 đến nay tương ứng với giai đoạn lún được kiểm soát. Nguyên nhân chính của quá trình lún đất tại nhiều khu vực đô thị Thượng Hải là do quá trình khai thác nước dưới đất quá mức. Cơ chế của quá trình lún đất được nghiên cứu rất sâu và rộng tại Thượng Hải.
Theo đó, quá trình lún xảy ra là hệ quả của quá trình khai thác nước dưới đất làm mực nước ngầm bị hạ thấp, làm giảm áp lực nước lỗ rỗng, gia tăng ứng suất có hiệu trong đất và quá trình cố kết diễn ra. Tuy nhiên quá trình cố kết do thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trong đất khác biệt so với quá trình cố kết do gia tải bên trên bề mặt. Việc nghiên cứu, tìm hiểu mối quan hệ giữa khai thác nước dưới đất và lún đất bề mặt được đầu tư thực hiện chi tiết và quy mô tại Thượng Hải. Kết quả ghi nhận tốc độ lún theo thời gian và lưu lượng khai thác nước trên toàn khu vực được ghi nhận và trình bày trong bảng 1.1 và biểu đồ hình 1.
Các nghiên cứu, ghi nhận về lún đất tại Thượng Hải đều chỉ ra rằng yếu tố chính để hạn chế quá trình lún đất diễn ra là kiểm soát lưu lượng tịnh khai thác nước dưới đất.1 Độ lún và lưu lượng khai thác nước tại Thượng Hải (Trung Quốc) Độ lún trung bình Tổng lưu lượng tịnh khai thác STT Thời gian (mm/năm) nước trung bình (106 m3/năm) 1 1921 – 1948 23 9 2 1949 – 1956 43 140 3 1957 – 1961 100 200 4 1962 – 1965 60 156 5 1966 – 1989 2 72 6 1990 – 2001 16 113 Lưu lượng tịnh khai thác = (lưu lượng khai thác thực tế - lưu lượng bổ cập).4: Biểu đồ quan hệ giữa độ lún trung bình và lưu lượng tịnh khai thác nước (Nguồn: Cục Quản lý Tài nguyên và Đất đai thành phố Thượng Hải) Như vậy, lún đất bề mặt tại Thượng Hải được quan tâm đầu tư và nghiên cứu tương đối chi tiết. Các nhà nghiên cứu tập trung chính vào việc tìm hiểu nguyên do và cơ chế gây ra quá trình lún đất bề mặt.2 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU LÚN ĐẤT BỀ MẶT TẠI VIỆT NAM 1.1 Nghiên cứu lún đất bề mặt tại Hà Nội Quá trình đô thị hóa ở thành phố Hà Nội đã tác động mạnh và làm thay 11 đổi chính môi trường địa chất và tính bền vững của nó. Điều đó trước tiên được thể hiện qua sự suy giảm về chất lượng và cạn kiệt về trữ lượng tài nguyên nước dưới đất. Theo các tài liệu thu thập được thì cách đây 15 - 20 năm về trước mực nước dưới đất của tầng Qp (tầng nước đang được khai thác để sử dụng tại Hà Nội) còn nằm sát mặt đất, đặc biệt ở vùng ngoại thành.
Còn hiện tại mực nước của tầng Qp đã hạ thấp một cách mạnh mẽ và rõ nét. Mực nước dưới đất ở vùng Mai Dịch (phía Bắc thành phố) ngày 28/1/1997 là 21.50 m cách mặt đất thì ngày 16/5/2004 đã tụt xuống 27.
