Luận án tiến sĩ về phát triển nguồn nước và xây dựng đập ngầm tại đảo Phú Quý, Bình Thuận

Luận án tiến sĩ nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng đập ngầm tại đảo Phú Quý, Bình Thuận, nhằm khai thác và bảo vệ tài nguyên nước dưới đất hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Đình Thanh
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Cao Đơn
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Phát triển nguồn nước
• Đề tài: Phát Triển Nguồn Nước Và Xây Dựng Đập Ngầm Ở Đảo Phú Quý, Bình Thuận
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP DẰNG NƯỚC NGẦM VÀ VÙNG NGHIÊN CỨU
• 1.1. Một số khái niệm
• 1.2. Tổng quan về giải pháp đập ngầm trên thế giới
• 1.3. Tổng quan về các giải pháp bổ nước dưới đất ở Việt Nam
• 1.4. Lý do, điểm và ý nghĩa thực tiễn của giải pháp đập ngầm
• 1.5. Những khoảng trống trong nghiên cứu đập ngầm ở Việt Nam
• 1.6. Định hướng và phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Tổng quan về vùng nghiên cứu
• 1.8. Vị trí và phạm vi nghiên cứu
• 1.9. Đặc điểm kinh tế, xã hội
• 1.10. Đặc điểm địa hình khu vực
• 1.11. Đặc điểm khí tượng, thủy văn
• 1.12. Đặc điểm tài nguyên nước
• 1.13. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC XÂY DỰNG ĐẬP NGẦM TRÊN ĐẢO
• 2.1. Một số đặc điểm về tài nguyên nước trên các đảo
• 2.2. Sự hình thành thấu kính nước ngọt trên các đảo
• 2.3. Nhận xét chung
• 2.4. Thí nghiệm trong phòng để đánh giá hiệu quả của đập ngầm
• 2.4.1. Mục đích của thí nghiệm
• 2.4.2. Mô tả thí nghiệm
• 2.4.3. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng bằng mô hình toán
• 2.4.4. Nhận xét
• 2.5. Điều kiện cần thiết để nghiên cứu xây dựng đập ngầm
• 2.5.1. Cơ sở thực tiễn
• 2.5.2. Một số yếu tố khác cần xem xét khi lựa chọn vị trí đập
• 2.5.3. Cường độ chịu lực của đập ngầm
• 2.5.4. Tính chống thấm của đập ngầm
• 2.5.5. Độ sâu chân răng
• 2.6. Mô hình tích hợp nước mặt — nước ngầm để lượng hóa hiệu quả của đập ngầm trên đảo Phú Quý
• 2.6.1. Các tiêu chí để đánh giá hiệu quả của đập ngầm
• 2.6.2. Phát triển mô hình tích hợp nước mặt — nước ngầm
• 2.6.3. Mô phỏng dòng chảy ngầm trước và sau khi có đập ngầm
• 2.6.4. Thu thập và xử lý số liệu
• 2.6.5. Xây dựng mô hình số
• 2.6.6. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
• 2.6.7. Phân tích kết quả và mô phỏng các kịch bản
• 2.7. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN TỔNG HỢP ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC CHO ĐẢO PHÚ QUÝ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẬP NGẦM
• 3.1. Sự phù hợp của giải pháp đập ngầm với đảo Phú Quý
• 3.1.1. Điều kiện về địa chất
• 3.1.2. Địa chất thủy văn
• 3.1.3. Lượng nước
• 3.2. Lựa chọn vị trí dự kiến xây dựng đập ngầm
• 3.3. Thiết lập mô hình số để tính toán hiệu quả của đập ngầm đảo Phú Quý
• 3.3.1. Tài liệu cơ bản
• 3.3.2. Thiết lập mô hình
• 3.3.3. Thông số địa chất thủy văn
• 3.3.4. Hiện trạng khai thác
• 3.3.5. Điều kiện biên
• 3.3.6. Điều kiện ban đầu
• 3.3.7. Thời đoạn tính toán
• 3.4. Phương pháp xác định lượng nước bổ cập thấm xuống tầng chứa nước dưới đất
• 3.4.1. Phương pháp sử dụng mô hình SWAT
• 3.4.2. Phương pháp sử dụng mô đun RCH (Recharge) của mô hình MODFLOW
• 3.4.3. Phương pháp biến động mực nước cải biên (WTFM)
• 3.4.4. Kết quả tính toán lượng nước bổ cập
• 3.4.5. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
• 3.5. Kết quả mô phỏng mực nước
• 3.5.1. Tính toán mô phỏng kịch bản khi chưa có đập
• 3.5.2. Diễn biến quá trình động lực học dòng chảy giai đoạn 1995 - 2015
• 3.5.3. Diễn biến quá trình động lực học dòng chảy giai đoạn 2015 - 2020
• 3.5.4. Diễn biến quá trình xâm nhập mặn
• 3.5.5. Tính toán cân bằng nước
• 3.5.6. Đề xuất giải pháp làm gia tăng trữ lượng nước dưới đất
• 3.5.7. Tính toán mô phỏng kịch bản khi có đập ngầm
• 3.5.8. Ảnh hưởng của hệ số thấm thân đập
• 3.6. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• Phụ lục 1. Kết quả tổng quan và số liệu cơ bản
• Phụ lục 2. Lượng nước mặt bổ cập xuống nước dưới đất từ tháng 1 đến tháng 12
• Phụ lục 3. Bản đồ tầng và kết cấu một số giếng khoan thăm dò, khai thác
• Phụ lục 4. Sơ đồ vị trí các giếng quan trắc nước dưới đất hiện đang hoạt động trên địa bàn huyện đảo Phú Quý
• Phụ lục 5. Một số hình ảnh lõi khoan địa chất thu thập
• Phụ lục 6. Thiết lập mô hình và qui trình
• Phụ lục 7. Thiết kế các giếng khoan quan trắc hiện đang hoạt động trên địa bàn đảo Phú Quý
• Phụ lục 8. Dữ liệu quan trắc thực đo trên các giếng khoan quan trắc

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu

Luận án tiến sĩ 'Phát triển nguồn nước và xây dựng đập ngầm ở đảo Phú Quý, Bình Thuận' tập trung vào việc phát triển nguồn nước và xây dựng đập ngầm nhằm bảo vệ và khai thác tài nguyên nước dưới đất. Đảo Phú Quý, với vị trí chiến lược và đặc điểm địa lý đặc thù, đang đối mặt với nhiều thách thức về quản lý nước và xâm nhập mặn. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng đập ngầm mà còn đề xuất các giải pháp bền vững cho việc khai thác và bảo vệ tài nguyên nước. Theo tác giả, việc xây dựng đập ngầm là một giải pháp hiệu quả để ngăn chặn xâm nhập mặn và bảo vệ nguồn nước ngọt cho cư dân trên đảo.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Việt Nam đang đối mặt với tình trạng khan hiếm nguồn nước do sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế. Đặc biệt, các đảo như Phú Quý có nguồn nước ngọt rất hạn chế. Việc khai thác tài nguyên nước dưới đất không theo quy hoạch đã dẫn đến nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng. Nghiên cứu này nhằm tìm ra giải pháp bền vững cho việc phát triển nguồn nước và bảo vệ môi trường, đồng thời nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân trên đảo.

II. Cơ sở khoa học của việc xây dựng đập ngầm

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc xây dựng đập ngầm có thể giúp tăng cường khả năng trữ nước và ngăn chặn xâm nhập mặn. Các thí nghiệm trong phòng đã được thực hiện để đánh giá hiệu quả của đập ngầm trong việc giữ nước ngọt. Kết quả cho thấy, đập ngầm không chỉ giúp bảo vệ tài nguyên nước mà còn tạo ra một môi trường thuận lợi cho việc phát triển kinh tế - xã hội trên đảo. Việc áp dụng các công nghệ hiện đại trong xây dựng đập ngầm sẽ góp phần nâng cao hiệu quả khai thác và bảo vệ tài nguyên nước.

2.1. Đặc điểm tài nguyên nước trên đảo Phú Quý

Đảo Phú Quý có diện tích nhỏ và không có nguồn nước mặt thường xuyên. Nguồn nước chính cho sinh hoạt và sản xuất là nước ngầm. Tuy nhiên, tình trạng xâm nhập mặn đang diễn ra nghiêm trọng, ảnh hưởng đến chất lượng tài nguyên nước. Việc xây dựng đập ngầm sẽ giúp cải thiện tình hình này, bảo vệ nguồn nước ngọt và đảm bảo cung cấp nước cho người dân. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc xây dựng đập ngầm là cần thiết để phát triển bền vững tài nguyên nước trên đảo.

III. Đề xuất giải pháp và ứng dụng thực tiễn

Luận án đã đề xuất các giải pháp cụ thể cho việc xây dựng đập ngầm trên đảo Phú Quý. Các giải pháp này bao gồm việc lựa chọn vị trí xây dựng, thiết kế kỹ thuật và phương pháp thi công. Đặc biệt, việc áp dụng mô hình tích hợp giữa nước mặt và nước ngầm sẽ giúp đánh giá hiệu quả của đập ngầm trong việc bảo vệ tài nguyên nước. Nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc quản lý tài nguyên nước một cách bền vững, nhằm đảm bảo nguồn nước cho các thế hệ tương lai.

3.1. Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu quả

Kết quả mô phỏng cho thấy, việc xây dựng đập ngầm có thể làm tăng đáng kể trữ lượng nước ngầm và giảm thiểu xâm nhập mặn. Các kịch bản mô phỏng đã được thực hiện để đánh giá tác động của đập ngầm đến tài nguyên nước. Kết quả cho thấy, đập ngầm không chỉ giúp bảo vệ nguồn nước mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển kinh tế - xã hội trên đảo. Điều này khẳng định giá trị thực tiễn của nghiên cứu và tính khả thi của việc áp dụng các giải pháp đã đề xuất.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Phát triển nguồn nước (mã số: 62449201) của nghiên cứu sinh Nguyễn Đình Thanh, được thực hiện tại Trường Đại học Thủy lợi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Cao Đơn và TS. Lê Viết Sơn vào năm 2017, tập trung giải quyết bài toán cấp nước ngọt và chống suy thoái nguồn nước tại các hải đảo.

Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, tác giả chỉ ra rằng tại các hải đảo Việt Nam, địa hình tự nhiên dốc và diện tích hạn chế khiến việc xây dựng hồ chứa nước mặt truyền thống gặp nhiều trở ngại do chiếm dụng diện tích đất và tổn thất bốc hơi lớn. Trong khi đó, dòng chảy mặt chỉ tồn tại tạm thời từ 1 đến 2 giờ sau các trận mưa lớn. Nước dưới đất đóng vai trò là nguồn cấp nước chính cho sinh hoạt và sản xuất nhưng chịu nguy cơ suy thoái, hạ thấp mực nước và xâm nhập mặn nghiêm trọng khi lưu lượng khai thác vượt quá khả năng tái tạo tự nhiên. Giải pháp đập dâng nước ngầm (đập ngầm) được xem là công trình ngầm nhằm trữ nước trong các tầng chứa nước và ngăn mặn giữ ngọt. Tuy nhiên, trước thời điểm nghiên cứu, tại Việt Nam chưa có hồ chứa nước ngầm nào được xây dựng, thiếu các nghiên cứu chuyên sâu về cơ sở khoa học, tiêu chí tính toán và liên kết thủy lực tích hợp giữa nước mặt, nước dưới đất và quá trình xâm nhập mặn để phục vụ thiết kế công trình đập ngầm.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm ba nội dung:

1. Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng đập ngầm phục vụ khai thác và bảo vệ tài nguyên nước trên các đảo.
2. Xây dựng các tiêu chí cần thiết để đánh giá hiệu quả của đập ngầm và đề xuất phương pháp nghiên cứu tương tác giữa nước mặt với nước dưới đất.
3. Ứng dụng cơ sở khoa học và bộ công cụ tính toán đã thiết lập cho khu vực đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là tài nguyên nước dưới đất và các quá trình động lực học dòng chảy ngầm, xâm nhập mặn. Phạm vi không gian nghiên cứu tập trung vào đảo Phú Quý thuộc tỉnh Bình Thuận (tọa độ địa lý từ 10°28'58" đến 10°33'35" vĩ độ Bắc và từ 108°55'13" đến 108°58'12" kinh độ Đông, diện tích tự nhiên trên 16 km²). Phạm vi thời gian và chuỗi số liệu tính toán, quan trắc khí tượng thủy văn, địa chất thủy văn trải dài từ năm 1980 đến 2015, phục vụ hiệu chỉnh, kiểm định mô hình và mô phỏng dự báo giai đoạn 2015–2020.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan tình hình nghiên cứu và ứng dụng giải pháp đập ngầm trên thế giới và tại Việt Nam qua các giai đoạn:

Khu vực / Quốc gia	Tác giả / Tổ chức / Dự án	Thời gian	Đặc điểm công trình và kết quả ghi nhận
Kitui, Kenya	Tổ chức SASOL (Sahelian Solutions Foundation); M. Hoogmoed	1995 – 2007	Xây dựng hơn 500 đập trữ nước vùng cát (cao 2–4m, dài khoảng 20–500m, đập lớn cao 7m dài 2000m) bằng đá xây, tường gạch hoặc khung gỗ; giảm thời gian lấy nước của người dân từ hơn 5 giờ/ngày xuống còn hơn 1 giờ/ngày.
Pernambuco, Brazil	Chương trình khẩn cấp của chính phủ, các tổ chức NGO; UNEP	Thập niên 1990	Xây dựng hơn 500 đập quy mô nhỏ sâu khoảng 4m, rộng 50m, dài 50–500m bằng tường nhựa polyethylene hoặc đất sét đầm; khảo sát 151 đập cho thấy 50% hoạt động tốt cấp nước sinh hoạt và tưới, 37% không hoạt động do lỗi thi công, 13% ít dùng do sẵn nước mặt.
Làng Nare, Burkina Faso	Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (Fujiwara, Y. & Fujita, M.)	1995 – 2004	Xây dựng đập ngầm bằng đất sét nặng chống sa mạc hóa (dài 216,3m, sâu đáy 3,0–11,4m, dung tích tối đa 1,8 triệu m³); xuất hiện hiện tượng rò rỉ nước do đặc điểm nứt nẻ của nền đá địa chất.
Đảo Miyakojima, Nhật Bản	Cơ quan Phát triển đất nông nghiệp Nhật Bản - JALDA (Osuga)	1987 – 1993	Xây dựng hệ thống đập Sunagawa và Fukuzato với dung tích trữ 20 triệu m³, phục vụ 147 giếng bơm cấp 5.000 m³/ngày cho diện tích canh tác 8.400 ha; tổng kinh phí 89 tỷ Yên (năm 1986).
Tây Nguyên, Việt Nam	Đoàn Văn Cánh	2002 – 2010	Nghiên cứu cơ sở khoa học bảo vệ, sử dụng hợp lý tài nguyên nước và các giải pháp công nghệ thu gom nước mưa bổ sung nhân tạo cho nước ngầm vùng Tây Nguyên.
Đảo Trường Sa Đông, Việt Nam	Ngô Huy Sơn	2008	Đề xuất giải pháp kỹ thuật thu giữ nước ngọt trong các lớp địa tầng san hô, xác định ranh giới mặn - nhạt và mô phỏng động lực học dòng ngầm, lan truyền chất.
Lai Châu, Việt Nam	Nguyễn Quốc Dũng	2012	Nghiên cứu xây dựng tường hào thu nước mái đồi kết hợp đập ngầm trên suối và hồ treo tạo nguồn cấp nước tại Phong Thổ và Sìn Hồ.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là: Các công trình đập ngầm trên thế giới trong các thập niên 1970–1990 chủ yếu được thiết kế theo phương pháp giải tích hoặc mô hình hồ chứa đơn giản, chưa mô phỏng đầy đủ không gian ba chiều và biến trình thời gian của dòng chảy ngầm và xâm nhập mặn. Tại Việt Nam, các nghiên cứu địa chất thủy văn trước đây đa phần chỉ điều tra khảo sát tĩnh, đánh giá riêng biệt tài nguyên nước dưới đất mà chưa giải quyết bài toán tương tác liên tục giữa dòng chảy mặt, bổ cập thấm, dòng chảy ngầm và ranh giới xâm nhập mặn dưới tác động của đập ngầm. Luận án định vị là công trình đầu tiên tại Việt Nam thiết lập cơ sở khoa học hoàn chỉnh và áp dụng mô hình toán số 3D tích hợp để tính toán, luận chứng vị trí và hiệu quả kỹ thuật của đập ngầm ngăn mặn giữ ngọt cho hải đảo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của luận án dựa trên nguyên lý thủy lực nước dưới đất và lý thuyết phân định ranh giới mặn - ngọt trong tầng chứa nước ven biển:

• Nguyên lý Ghyben – Herzberg (Badon-Ghyben, 1888–1889; Herzberg, 1901) xác định độ sâu mặt phân cách mặn - ngọt dựa trên chênh lệch tỷ trọng giữa nước ngọt ($\rho_f$) và nước mặn ($\rho_s$): $$H = \frac{\rho_f}{\rho_s - \rho_f} h \approx 40h$$ (trong đó $H$ là độ sâu từ mực nước biển đến mặt phân cách mặn - ngọt; $h$ là cao độ mực nước ngầm nằm trên mực nước biển). Luận án cũng phân tích các mở rộng lý thuyết của Hubbert (1940) về điều kiện dòng chảy ổn định, Keulegan (1954) về mặt phân cách nghiêng, cũng như các nghiên cứu của Bear, Dagan và Dupuit về nêm mặn và dịch chuyển biên mặn - ngọt.
• Lý thuyết quan hệ nước mặt - nước dưới đất khi xét đến ảnh hưởng của lượng mưa bổ cập ($W$), khoảng cách hai bờ đảo ($L$), hệ số thấm ($K$) và mực nước biển ($H_0$), xác định quy luật mực nước ngầm dâng cao cực đại tại khu vực trung tâm phân thủy của đảo.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thực nghiệm vật lý và mô phỏng số học:

1. Phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý trong phòng: Thiết lập máng cát thí nghiệm có kiểm soát các điều kiện biên mặn - ngọt, cấp nước bổ cập và xả thoát nhằm trực quan hóa, định tính hóa quá trình dịch chuyển của nêm mặn, sự dâng cao mực nước và khả năng giữ nước ngọt trước và sau khi bố trí tường chắn đập ngầm ở các mốc thời gian ($T_1, T_2, T_3 = 3,6$ ngày).
2. Phương pháp mô hình toán tích hợp ba chiều:
   • Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool): Ứng dụng để mô phỏng dòng chảy mặt, bốc thoát hơi và xác định lượng nước mưa ngấm bổ cập cho tầng chứa nước theo không gian và thời gian.
   • Phương pháp biến động mực nước cải biên (WTFM - Water Table Fluctuation Method) và mô-đun bổ cập RCH (Recharge Package) trong MODFLOW để lượng hóa lượng nước bổ cập ngầm.
   • Bộ mô hình MODFLOW kết hợp SEAWAT / MT3DMS: Mô phỏng dòng chảy nước dưới đất 3D theo phương pháp sai phân hữu hạn và mô phỏng quá trình lan truyền chất, dịch chuyển nêm mặn (thông số tổng chất rắn hòa tan - TDS).
3. Công cụ xử lý không gian và dữ liệu: Sử dụng hệ thống thông tin địa lý GIS (ArcGIS, MapInfo), phần mềm Surfer và bộ giao diện mô hình nước ngầm GMS (Groundwater Modeling System).

Nguồn tư liệu và dữ liệu sử dụng trong luận án bao gồm:

• Bản đồ mô hình số độ cao (DEM), bản đồ thổ nhưỡng, độ dốc, hiện trạng sử dụng đất đảo Phú Quý.
• Số liệu quan trắc khí tượng, hải văn giai đoạn 1980–2015 từ Trạm Khí tượng Thủy văn Phú Quý (nhiệt độ, lượng mưa, bốc hơi, mực nước triều).
• Cột địa tầng, thông số địa chất thủy văn và tài liệu đo đạc thực tế tại các giếng khoan thăm dò, giếng quan trắc (PQIII-2B, PQI-1C, L-14GK, L-94GK) và các trạm khai thác nước Ngũ Phụng, Long Hải.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về xây dựng đập dâng nước ngầm và vùng nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa khái niệm, cấu tạo và phân loại vật liệu xây dựng đập ngầm (đất sét, bê tông, đá xây, bê tông cốt thép, màng chống thấm nhựa/PVC). Tác giả phân tích các ưu điểm kỹ thuật của đập ngầm so với hồ chứa mặt: không chiếm dụng mặt bằng đất canh tác, không gây ngập lụt, triệt tiêu tổn thất bốc hơi khi mực nước hạ thấp dưới mặt đất, hạn chế ô nhiễm sinh học từ bề mặt, không bị bồi lắng bùn cát và có tuổi thọ công trình lâu dài.

Nội dung chương đi sâu tổng quan điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội và tài nguyên nước tại vùng nghiên cứu đảo Phú Quý:

• Điều kiện kinh tế - xã hội: Tổng diện tích tự nhiên huyện đảo là 17,81 km² (đảo lớn Phú Quý chiếm hơn 16 km²). Dân số năm 2015 là 27.744 người (nam chiếm 51,1%, nữ chiếm 48,9%), mật độ dân số đạt 1.549 người/km² (gấp gần 10 lần mật độ trung bình toàn tỉnh Bình Thuận). Hệ thống cấp nước sinh hoạt gồm 2 trạm cấp nước tập trung tại Ngũ Phụng và Long Hải cùng các giếng khoan dân sinh.
• Đặc điểm khí tượng, hải văn: Khí hậu nhiệt đới gió mùa á xích đạo; nhiệt độ trung bình nhiều năm đạt 27,4°C; độ ẩm không khí trung bình 84,4%; lượng bốc hơi trung bình năm là 1.291 mm (hoặc 1.314,5 mm theo chuỗi quan trắc mở rộng); lượng mưa trung bình năm đạt 1.314 mm với 86,6% lượng mưa tập trung vào mùa mưa (tháng 5 đến tháng 11). Chế độ triều chuyển tiếp từ nhật triều không đều ở phía Bắc sang bán nhật triều không đều ở phía Nam; mực nước triều trung bình là 216 cm, cao nhất 326 cm, thấp nhất -29 cm; độ mặn nước biển trung bình đạt 32,3‰ (dao động từ 31,8 đến 33,8‰).
• Cấu trúc các tầng chứa nước tại đảo Phú Quý:

Tầng chứa nước	Ký hiệu	Diện tích lộ / Phân bố	Chiều dày (m)	Đặc điểm thạch học và chất lượng nước
Trầm tích Holocen	$qh$	~8 km² (~50% diện tích đảo)	4 – 13 (biển); 5 – 6,5 (gió)	Cát thạch anh hạt mịn đến thô; nước nhạt $M < 1$ g/l (thường 0,3–0,6 g/l), gần bờ $M > 1$ g/l; dao động mực nước mùa khô - mưa từ 1,0–1,7m.
Khe nứt Bazan Holocen	$\beta Q_{IV}$	~2,25 km² (14% diện tích)	40 – 60	Phun trào bazan nứt nẻ kém vùng núi cao (Cao Cát, Núi Cấm); chứa nước nghèo, không có ý nghĩa cấp nước.
Trầm tích Pleistocen thượng	$qp_3$	~2 km² (Đông Nam, Nam)	1 – 6	Cát thạch anh hạt trung-thô, đáy lót tập san hô gắn kết cứng dày 1–3,5m; mức độ chứa nước trung bình.
Khe nứt Bazan Pleistocen trung-thượng	$\beta Q_{II-III}$	~4,65 km² (28% diện tích)	18 – 60 (TB 33,2)	Bazan đặc xít xen lỗ hổng, nứt nẻ; nóc sâu ~13m; mực nước tĩnh dao động từ 0,82m đến 27,5m; chứa nước trung bình.
Trầm tích Pleistocen trung	$qp_2$	Bị phủ bởi bazan, sâu 28–60m	Nghiên cứu đến độ sâu 80m	Cát thạch anh xám hạt trung-thô, san hô gắn kết; chưa được khai thác nhiều.

Về hiện trạng khai thác, báo cáo năm 1997 của Đoàn 705 xác định trữ lượng tiềm năng toàn đảo đạt 14.918 m³/ngày, trữ lượng thực bơm là 2.915 m³/ngày. Năm 2004, hệ thống cấp nước xã Long Hải được thiết kế khai thác 690 m³/ngày (5 giếng sâu 40–59m, độ hạ thấp mực nước 5m) và xã Ngũ Phụng khai thác 2.150 m³/ngày (10 giếng sâu 26,5–34,5m, độ hạ thấp mực nước 2,5m).

Chương 2: Cơ sở khoa học của việc xây dựng đập ngầm trên đảo

Chương 2 thiết lập luận cứ khoa học và khung phương pháp tính toán cho đập ngầm:

• Phân tích sự hình thành thấu kính nước ngọt và cơ chế cân bằng mặn - ngọt: Trình bày chi tiết tương tác thủy lực giữa nước mưa bổ cập, dòng thoát ngầm ra biển và áp lực thủy tĩnh từ khối nước biển mặn bao quanh đảo.
• Kết quả thí nghiệm mô hình vật lý: Thí nghiệm trong phòng đã mô phỏng trực quan cơ chế nêm mặn bị đẩy lùi về phía biển khi xây dựng đập chắn ngầm. Mực nước ngầm thượng lưu đập được nâng cao, tạo dung tích trữ bổ sung và làm chậm đáng kể vận tốc thoát của nước ngọt ra biển.
• Điều kiện cần thiết để lựa chọn vị trí và thiết kế đập ngầm:
  1. Điều kiện địa chất và địa chất thủy văn: Tầng chứa nước có tính thấm và hệ số chứa tốt; có sự hiện diện của tầng đáy cách nước hoặc thấm yếu ở độ sâu hợp lý để cắm chân khay/chân răng đập; tuyến đập nằm tại khu vực thu hẹp dòng thoát ngầm ra biển.
  2. Yêu cầu kỹ thuật công trình: Đảm bảo cường độ chịu lực của thân đập dưới áp lực đất và áp lực thủy tĩnh; kiểm soát độ sâu chân răng cắm vào tầng cách nước để triệt tiêu dòng thấm vòng dưới đáy đập; kiểm soát hệ số thấm của vật liệu thân đập.
• Xây dựng 3 tiêu chí định lượng đánh giá hiệu quả đập ngầm:
  1. Tiêu chí 1: Khả năng dâng cao mực nước dưới đất tại vùng thượng lưu công trình.
  2. Tiêu chí 2: Khả năng gia tăng trữ lượng nước dưới đất (tăng dung tích trữ hữu ích trong các tầng chứa nước).
  3. Tiêu chí 3: Khả năng gia tăng thể tích nước ngọt và ngăn chặn xâm nhập mặn (đẩy nêm mặn về phía biển, kiểm soát nồng độ TDS).
• Phương pháp tích hợp giải bài toán dòng chảy và chất lượng nước: Thiết lập sơ đồ khối liên kết dữ liệu dòng chảy mặt (SWAT) với dòng chảy ngầm ba chiều (MODFLOW) và vận chuyển chất (SEAWAT), xử lý các điều kiện biên thủy văn phức tạp gồm biên sông, biên kênh thoát nước (Drain), biên bốc hơi (Evapotranspiration), biên tổng hợp (GHB - General Head Boundary) và biên dao động thủy triều.

Chương 3: Ứng dụng mô hình toán tổng hợp đánh giá tài nguyên nước cho đảo Phú Quý và đề xuất giải pháp đập ngầm

Chương 3 triển khai ứng dụng mô hình số cho đảo Phú Quý:

• Lựa chọn tuyến đập ngầm dự kiến: Dựa trên cấu trúc địa chất thủy văn, tác giả lựa chọn tuyến đập ngầm tại khu vực ven biển phía Nam - Tây Nam đảo, nơi có các tầng chứa nước trầm tích bở rời $qh$, $qp_3$ và bazan nứt nẻ $\beta Q_{II-III}$ tiếp xúc với biển và có các bãi giếng khai thác tập trung.
• Thiết lập và kiểm định mô hình số:
  • Không gian mô hình được rời rạc hóa thành lưới ô vuông ba chiều phân tầng theo cấu trúc địa chất thực tế.
  • Tính toán lượng nước bổ cập từ mưa bằng mô hình SWAT kết hợp mô-đun RCH và phương pháp WTFM cải biên.
  • Hiệu chỉnh mô hình với chuỗi số liệu quan trắc mực nước thực đo tháng 1/2005 và kiểm định mô hình vào tháng 10/2005 tại các giếng quan trắc (PQIII-2B, PQI-1C, L-14GK, L-94GK...). Sai số giữa mực nước tính toán và thực đo đạt mức cho phép, đồ thị biến trình mực nước mô phỏng bám sát thực tế dao động mùa mưa và mùa khô giai đoạn 1995–2011.
• Mô phỏng các kịch bản tính toán:
  • Kịch bản hiện trạng chưa có đập (1995–2015 và dự báo đến 2020): Phân tích động lực học dòng chảy, sự suy giảm mực nước tại các vùng khai thác tập trung (QT6), cân bằng nước và mức độ mở rộng của nêm mặn (TDS) trong các tầng chứa nước $qh$ và $qp_3$ vào mùa khô.
  • Kịch bản có đập ngầm (chiều sâu tường đập 5m cắm vào tầng địa chất): Kết quả mô phỏng cho thấy mực nước ngầm thượng lưu dâng cao rõ rệt, nêm mặn bị chặn đứng và đẩy lùi ra phía ngoài thân đập, giảm thiểu đáng kể lượng nước ngọt thoát tự nhiên ra biển.
  • Đánh giá ảnh hưởng của hệ số thấm thân đập: Tính toán biến thiên lượng nước thoát ra biển và lượng nước mặn xâm nhập vào các tầng chứa nước năm 2020 tương ứng với các cấp hệ số thấm thân đập khác nhau, khẳng định tính chống thấm của thân đập đóng vai trò quyết định đến hiệu quả trữ ngọt.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp thực tiễn chính:

1. Về mặt khoa học và lý luận:

   • Xây dựng thành công hệ thống tiêu chí định lượng gồm 3 chỉ tiêu (khả năng dâng cao mực nước, gia tăng trữ lượng nước ngầm, và gia tăng thể tích nước ngọt/ngăn mặn) để đánh giá toàn diện hiệu quả công trình đập ngầm trên các hải đảo.
   • Thiết lập khung phương pháp luận và quy trình công nghệ tích hợp mô hình dòng chảy mặt (SWAT), mô hình dòng chảy ngầm 3D (MODFLOW) và mô hình dịch chuyển mặn (SEAWAT) để giải quyết bài toán động lực học tài nguyên nước mặt - nước dưới đất - xâm nhập mặn trên các vùng đảo có điều kiện thủy văn phức tạp.
   • Bổ sung cơ sở lý thuyết về điều kiện biên, độ sâu chân răng đập và ảnh hưởng của hệ số thấm thân đập đối với sự ổn định của thấu kính nước ngọt.

2. Về mặt thực tiễn và ứng dụng:

   • Cung cấp bức tranh định lượng chi tiết về hiện trạng tài nguyên nước, động lực học dòng ngầm và diễn biến xâm nhập mặn tại đảo Phú Quý từ năm 1995 đến năm 2020.
   • Luận chứng thành công tính khả thi và hiệu quả kỹ thuật của giải pháp đập ngầm sâu 5m tại đảo Phú Quý, chứng minh đập ngầm giúp nâng cao mực nước tĩnh, gia tăng đáng kể trữ lượng khai thác an toàn và bảo vệ các bãi giếng cấp nước sinh hoạt không bị nhiễm mặn trong mùa khô.
   • Đề xuất giải pháp công trình ngầm làm căn cứ kỹ thuật để các cơ quan quản lý nhà nước tỉnh Bình Thuận và huyện đảo Phú Quý xây dựng quy hoạch khai thác, phát triển bền vững nguồn nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo nội dung trình bày trong luận án, các điểm hạn chế và hướng phát triển được ghi nhận bao gồm:

• Hạn chế về tài liệu khảo sát: Tầng chứa nước lỗ hổng Pleistocen trung ($qp_2$) mới chỉ được khoan thăm dò đến độ sâu 80m (chưa xuyên hết tầng) nên mức độ đánh giá tiềm năng chứa nước của tầng này còn giới hạn; mạng lưới giếng khoan quan trắc tại một số khu vực đồi núi cao phía Bắc còn thưa.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Tiếp tục quan trắc bổ sung diễn biến chất lượng nước (đặc biệt là nồng độ nitrat và các chất hòa tan) khi công trình đập ngầm đi vào vận hành thực tế; mở rộng nghiên cứu ứng dụng quy trình tính toán và mô hình tích hợp cho các vùng đảo, quần đảo khác và các khu vực đồng bằng ven biển chịu hạn mặn tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị đối với:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy văn học, Địa chất thủy văn và Công trình thủy: Tham khảo phương pháp tích hợp mô hình SWAT - MODFLOW - SEAWAT và phương pháp thực nghiệm mô hình vật lý nêm mặn.
• Các kỹ sư tư vấn, nhà quy hoạch công trình thủy lợi - cấp nước: Sử dụng các tiêu chí kỹ thuật, công thức tính toán và phương pháp luận chọn tuyến đập ngầm, xác định độ sâu chân khay và tính toán hệ số thấm thân đập.
• Cơ quan quản lý nhà nước (Sở Nông nghiệp và PTNT, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bình Thuận, Cục Quản lý Tài nguyên nước): Ứng dụng kết quả tính toán trữ lượng và kịch bản mô phỏng để hoạch định chính sách cấp nước an toàn, bảo vệ an ninh nguồn nước trên đảo Phú Quý và hệ thống hải đảo tiền tiêu.

Câu hỏi thường gặp

1. Đập ngầm (đập dâng nước ngầm) có ưu điểm gì nổi bật so với đập dâng nước mặt truyền thống trên hải đảo? Theo văn bản luận án, đập ngầm có các ưu điểm chính: không chiếm dụng đất canh tác trên mặt, loại bỏ nguy cơ thảm họa vỡ đập, triệt tiêu tổn thất do bốc hơi mặt nước khi mực nước hạ thấp, hạn chế nguy cơ ô nhiễm nguồn nước từ vi sinh vật bề mặt, không bị bồi lắng bùn cát lòng hồ, tuổi thọ công trình lâu dài và có tác dụng trực tiếp trong việc ngăn chặn nước biển xâm nhập mặn vào các tầng chứa nước ngầm.

2. Ba tiêu chí cơ bản được tác giả đề xuất để đánh giá hiệu quả của công trình đập ngầm là gì? Ba tiêu chí định lượng được xây dựng trong luận án gồm:

• Khả năng dâng cao mực nước dưới đất tại khu vực thượng lưu đập.
• Khả năng gia tăng trữ lượng nước dưới đất (tăng dung tích hữu ích chứa nước ngọt trong các tầng rỗng/nứt nẻ).
• Khả năng gia tăng thể tích khối nước ngọt và ngăn chặn xâm nhập mặn (đẩy lùi nêm mặn về phía biển).

3. Tại đảo Phú Quý, nguồn nước bổ cập cho các tầng chứa nước dưới đất được xác định bằng những phương pháp nào? Tác giả đã sử dụng tổng hợp ba phương pháp: mô hình dòng chảy mặt SWAT để tính lượng ngấm từ mưa, phương pháp biến động mực nước ngầm cải biên (WTFM), và mô-đun bổ cập RCH (Recharge Package) trong mô hình sai phân hữu hạn MODFLOW.

4. Cấu trúc địa chất thủy văn đảo Phú Quý gồm những tầng chứa nước chính nào? Văn bản xác định 5 phân vị chứa nước chính từ trên xuống dưới: tầng chứa nước bở rời Holocen ($qh$), tầng chứa nước khe nứt Bazan Holocen ($\beta Q_{IV}$), tầng chứa nước lỗ hổng Pleistocen thượng ($qp_3$), tầng chứa nước khe nứt Bazan Pleistocen trung-thượng ($\beta Q_{II-III}$) và tầng chứa nước lỗ hổng Pleistocen trung ($qp_2$).

5. Kết quả mô phỏng kịch bản xây dựng đập ngầm sâu 5m tại đảo Phú Quý mang lại hiệu quả kỹ thuật như thế nào? Kết quả mô phỏng số học cho thấy tuyến đập ngầm sâu 5m cắm vào tầng địa chất giúp nâng cao đáng kể mực nước tĩnh ở thượng lưu, giảm thiểu lượng nước ngọt thoát tự nhiên ra biển trong mùa khô, chặn đứng sự xâm nhập sâu của ranh giới mặn (TDS) và bảo vệ an toàn cho các giếng khai thác nước của nhà máy nước Ngũ Phụng và Long Hải.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Đình Thanh đã giải quyết thành công bài toán cơ sở khoa học và công nghệ tính toán xây dựng đập dâng nước ngầm tại các vùng hải đảo. Bằng việc kết hợp thực nghiệm vật lý với bộ công cụ mô hình số tích hợp SWAT - MODFLOW - SEAWAT, công trình đã định lượng hóa được hiệu quả nâng cao mực nước, gia tăng trữ lượng và ngăn chặn xâm nhập mặn của đập ngầm tại đảo Phú Quý. Đây là tài liệu khoa học có giá trị lý luận và thực tiễn cao, đóng góp cơ sở kỹ thuật xác đáng cho công tác quy hoạch, phát triển và bảo vệ bền vững tài nguyên nước tại các hải đảo Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VỀ XÂY DỰNG DAP DANG NƯỚC NGÀM. VA VUNG NGHIÊN CUU = Đập ding nước ngầm Đập ding nước ngằm (đập ngằm) là công tinh ngằm dưới đắt được thiết kế để dâng đồng chảy nước dưới đất (còn gọi là nước ngằm) tự nhiên, nhằm tạo hỗ chứa ngằm trong các ting chứa nước phục vụ các nhu cầu dùng nước [3]. Ngoài tác dun trữ và ding cao mực nước, đập ngắm còn có tác dụng chống xâm nhập mặn tại các ving ven biển. ~_ Vật liệu xây dựng.

Tuy theo quy mô, cấu tạo đập, có thé sử dụng các loại vật liệu sau để xây dựng bao gồm: đất set, bê tông, đã tang, bé tông ci thép, gạch, nhựa, nhựa đường, thép tắm, tôn hoặc PVC. Mặt cắt ngang din hình của đập ngằm được minh hoa trên Hình 1. Đập đắt sét: Phù hợp cho các dự ấn có qui mô nhỏ trong vùng địa chất có tinh thấm cao và độ sâu giới hạn. Đập đất sết có hiệu quả về kinh tế cao, do chỉ phí thấp trong việc đảo va vin chuyên.

Để trắnh nguy cơ xói mòn mái đập, người ta sử dụng thêm các tắm nhựa. không thấm để bảo vệ: Đập bê tông: Vật liệu chủ yếu được sử dung để xây dựng đập bao gồm cất và đá dim. Loại đập này đồi hỏi kỹ thuật và nhân công phải có tay nghề cao [4]; Đập đá xây : Vật liệu chủ y _ ae Jy Sith pms ning dinghy Hình 1.1 Mặt cắt ngang đập ngầm. và nhân công tay nghé cao [4]; Đập bê tông cốt thép: Vật liệu chủ yêu xây dựng đập bao.

im: Cát đã xỉ ming, thé, Loa đập này có mu điểm: cường độ chị lực lớn. Tuy mh, chỉ phí xây dựng khá lớn [5] 1.2 Tổng quan về giải pháp đập ngằm trên thé giới “Có một số công tinh áp dụng công nghệ đập ngim được sử dụng ở một số nước như Nhật Bản, Brazin, các nước Châu Phi. sẽ được xem xét vi phân tích ngắn gon tong nội dung nảy. Dưới diy là bảng tổng hợp cúc đậpngầm rên thể giới đã được xây dựng trong thời gian từ những năm 1970 trở lại đây.

Bảng 1-1 Một số dip ngằm đã được xây dựng Chia] Tog we] Pia PP Qhốcgh | Tendp, MMR) Cl (ÔN | lượng, | tice dip ms đập | (1000 my im Kinh DISTR | HH | SMS | C20 |Phwnim Minar T6PHSB-| Tes] ấm | — 700] Pawn Tra NET aa} IS CO ximing Teak TIM | TES) TB] TF] Phe CS ar [az [BIS] ®%- [iimiansg Nga T6BI1858-| HS | aR | — 27 | Tang ong ¬= T6II888-| ASP Toss | TY Tama Nhị Bàn ximảng So TRE TOS] 67] 9500 Ting trộn tại chỗ. Me H5S—| Đã | Tae] 23mg Beton xôn dể Takase T6BIISBE-| — FT| 7B | T0500 | Tame tong sông hễ Kikai 1993-1999 | aT T800 [Tường beting nhi hễ Sim T620 | 35] %8-| —390—[ Tame ang xônhi thề Kons ToSz0OT eva] 2520 | 16 | Tring Baton sri ich Kem 9952005 S21 | TR | TSR | Tong Baton xôn dể Yoru 999-2008] 7 | US| AE Toms Baton ônđể Nhật Bán [Te ot 359 | 2612 | 1408 [Tườngbătng xông hễ CƠ oOo | aR | 2 |Gsiheim la Chiều | Tổng rr | Phương phẩm Quốc gia | Têndập DƯƠNG pony đài | lượng | thi cng dip đập | 000m!) | ngầm kines THẾ REP BAL PLR | Tin ating trộn tại chỗ. Ting ating xôn dể Bors 3009. | 36} 5600| 23886 |Tườngbiting vữnhi hả ean as a0 $145] Phyt vara, Tường iming Tamar ĐN6— | TBSĐ| | a Pro 5e ĐN6 | To] a] Z6 | Pw Hàngá.

[SRO DW6—| Tã | TE-| T55 |Tiiiim ximðng đông sing nhình Wooeel 96) Te 2457 — [ Tường dat sốt Saar To95.