Tổng quan nghiên cứu

Nguồn nước ngầm trong các dải cồn cát ven biển miền Trung, đặc biệt tại huyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước sinh hoạt cho cộng đồng dân cư. Theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường, khu vực Bắc Trung Bộ hiện có khoảng 12 vùng với hơn 17 xã thuộc 8 huyện đang gặp khó khăn nghiêm trọng về nguồn nước sinh hoạt, nằm trong danh sách 500 khu vực khan hiếm nước trên toàn quốc. Đặc điểm địa chất thủy văn của vùng nghiên cứu là các dải cồn cát kéo dài dọc bờ biển, với tầng chứa nước chủ yếu là các trầm tích Holocen có chiều dày trung bình từ 8,5 đến 19,2 m, chứa nước ngầm không áp, dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khí tượng thủy văn và xâm nhập mặn.

Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất mô hình khai thác bền vững thấu kính nước nhạt trong các cồn cát ven biển huyện Thạch Hà nhằm đảm bảo cung cấp nước sinh hoạt ổn định, hạn chế ô nhiễm và xâm nhập mặn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khu vực ven biển huyện Thạch Hà, với thời gian khảo sát và phân tích dữ liệu từ các năm gần đây, đặc biệt là giai đoạn 2015-2017. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước ngầm, bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế xã hội bền vững tại vùng ven biển miền Trung.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình khoa học về nước dưới đất (NĐĐ) trong các dải cồn cát ven biển, bao gồm:

  • Lý thuyết thấu kính nước nhạt: Mô tả cấu trúc và phân bố nước ngầm nhạt nằm trên tầng nước mặn, chịu ảnh hưởng bởi mực nước biển và thủy triều, theo nguyên lý Ghyben-Herzberg.
  • Mô hình vận động nước dưới đất: Sử dụng các phương trình vi phân liên tục và động thái đàn hồi của dòng thấm nước ngầm, bao gồm phương trình Laplace và các phương trình vi phân vận động dòng thấm trong tầng chứa nước không áp.
  • Cơ chế xâm nhập mặn và nón xâm nhập mặn (upconing): Phân tích sự xâm nhập mặn từ tầng nước mặn phía dưới lên các công trình khai thác nước ngầm, dựa trên các mô hình toán học của Dagan và Bear.
  • Khái niệm trữ lượng nước dưới đất: Bao gồm trữ lượng tĩnh và trữ lượng động, được xác định qua các phương pháp thủy văn, phân tích thủy đồ và cân bằng nước mưa thấm.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: tầng chứa nước không áp, thấu kính nước nhạt, hệ số thấm (K), hệ số nhà nước (m), ranh giới mặn - nhạt, mô hình khai thác giếng đào, giếng khoan, giếng tia, và mô hình hành lang giếng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ các cơ quan quản lý tài nguyên nước, kết hợp với khảo sát thực địa tại huyện Thạch Hà, bao gồm số liệu địa chất thủy văn, mực nước ngầm, chất lượng nước và hiện trạng khai thác. Cỡ mẫu khảo sát gồm hơn 20 giếng khoan và giếng đào phân bố trên các dải cồn cát với chiều sâu từ 2 đến 20 m.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích thống kê và mô hình hóa toán học: Sử dụng các phương trình vi phân và mô hình số để mô phỏng vận động nước ngầm và dự báo ảnh hưởng của khai thác đến trữ lượng và chất lượng nước.
  • Khảo sát thực địa và đo đạc mực nước: Theo dõi dao động mực nước ngầm theo mùa mưa khô, đánh giá ảnh hưởng của thủy triều và lượng mưa đến trữ lượng nước.
  • Phân tích chất lượng nước: Đánh giá mức độ nhiễm mặn, ô nhiễm sinh vật và các chỉ số hóa lý quan trọng.
  • Phương pháp chuyên gia: Thu thập ý kiến tư vấn từ các chuyên gia thủy lợi và địa kỹ thuật để đề xuất mô hình khai thác phù hợp.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 3 năm, từ 2015 đến 2017, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu, phân tích mô hình và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm địa chất thủy văn vùng cồn cát Thạch Hà: Tầng chứa nước Holocen có chiều dày trung bình 11 m, hệ số thấm K dao động từ 12,3 đến 18,2 m/ngày, hệ số nhà nước m khoảng 0,11 đến 0,15. Mực nước ngầm nằm cách mặt đất từ 0,3 đến 3 m, dao động theo mùa mưa khô với biên độ từ 1,2 đến 2,8 m.

  2. Ảnh hưởng của lượng mưa và thủy triều: Lượng mưa trung bình năm từ 1400 đến 2000 mm, có mối tương quan tỷ lệ thuận với mực nước ngầm. Thủy triều tác động trực tiếp đến ranh giới mặn - nhạt, làm thay đổi mực nước và chất lượng nước ngầm theo chu kỳ hàng ngày và hàng tháng.

  3. Hiện trạng khai thác và mô hình khai thác nước ngầm: Các mô hình giếng đào, giếng khoan đơn và hành lang giếng đang được sử dụng phổ biến, tuy nhiên khai thác tự phát, không quy hoạch dẫn đến nguy cơ cạn kiệt và ô nhiễm nguồn nước. Mô hình giếng tia và giếng đứng kết hợp công trình thu nước nằm ngang được đề xuất nhằm tăng hiệu quả khai thác, giảm thiểu xâm nhập mặn.

  4. Trữ lượng nước ngầm tiềm năng: Trữ lượng động tự nhiên ước tính khoảng 10.000 m³/ngày, tuy nhiên khai thác hiện tại chưa được kiểm soát chặt chẽ, gây hạ thấp mực nước trung bình 0,4 đến 2,9 m tại các giếng khoan.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy tầng chứa nước trong các dải cồn cát ven biển Thạch Hà có tiềm năng cung cấp nước sinh hoạt đáng kể nếu được khai thác hợp lý. Sự dao động mực nước theo mùa mưa khô và ảnh hưởng thủy triều là yếu tố quan trọng cần được tính đến trong thiết kế mô hình khai thác. So với các nghiên cứu tại Quảng Bình và Nghệ An, đặc điểm địa chất thủy văn tương đồng nhưng mức độ khai thác và quản lý tại Thạch Hà còn nhiều hạn chế.

Việc áp dụng mô hình khai thác theo phương ngang như giếng tia và giếng đứng kết hợp công trình thu nước nằm ngang giúp tăng diện tích thu nước, giảm áp lực lên tầng chứa nước, hạn chế hiện tượng nón xâm nhập mặn. Dữ liệu mô phỏng cho thấy mô hình này có thể nâng công suất khai thác lên đến 300 m³/ngày, phù hợp với nhu cầu cấp nước sinh hoạt và sản xuất quy mô nhỏ đến vừa.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dao động mực nước theo tháng, bảng so sánh hệ số thấm và trữ lượng giữa các khu vực, cũng như sơ đồ mô hình khai thác minh họa cấu trúc giếng và dòng chảy nước ngầm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai mô hình giếng tia và giếng đứng kết hợp công trình thu nước nằm ngang nhằm tăng hiệu quả khai thác nước ngầm, giảm thiểu xâm nhập mặn, với mục tiêu nâng công suất khai thác lên 300 m³/ngày trong vòng 2 năm tới. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý tài nguyên nước phối hợp với đơn vị thi công chuyên môn.

  2. Xây dựng quy hoạch khai thác nước ngầm đồng bộ trên toàn huyện Thạch Hà, kiểm soát chặt chẽ lưu lượng khai thác và vị trí giếng khoan, nhằm duy trì trữ lượng nước ngầm ổn định, hạn chế hạ thấp mực nước dưới 0,5 m/năm. Thời gian thực hiện trong 3 năm, do Sở Tài nguyên và Môi trường chủ trì.

  3. Tăng cường giám sát chất lượng nước ngầm định kỳ, đặc biệt kiểm tra mức độ nhiễm mặn và ô nhiễm sinh vật, nhằm đảm bảo nguồn nước an toàn cho sinh hoạt. Thiết lập hệ thống quan trắc tự động tại các điểm giếng trọng yếu, triển khai trong 1 năm.

  4. Ứng dụng công nghệ xử lý và bảo vệ nguồn nước như xây dựng các công trình bổ cập nước mưa, rửa mặn tầng chứa nước, kết hợp với trồng rừng chắn gió và bảo vệ thảm thực vật để giảm bốc hơi và tăng lượng nước thấm. Chủ thể là các tổ chức nghiên cứu và chính quyền địa phương, thực hiện trong 5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan 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 bền vững, quy hoạch giếng khoan và giám sát chất lượng nước.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy văn, địa kỹ thuật: Tham khảo các mô hình toán học, phương pháp khảo sát và phân tích dữ liệu thực địa trong nghiên cứu nước ngầm vùng cồn cát ven biển.

  3. Doanh nghiệp và nhà thầu thi công công trình cấp nước: Áp dụng mô hình khai thác nước hiệu quả, công nghệ giếng tia và giếng đứng kết hợp thu nước nằm ngang để nâng cao năng suất và bảo vệ nguồn nước.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức phi chính phủ: Hiểu rõ về tình trạng nguồn nước, tham gia giám sát và bảo vệ nguồn nước ngầm, đồng thời áp dụng các giải pháp tiết kiệm và sử dụng nước hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao nước ngầm trong các dải cồn cát ven biển dễ bị nhiễm mặn?
    Do tầng chứa nước nằm gần mặt đất, tiếp giáp với nước biển và chịu ảnh hưởng của thủy triều, nước ngầm dễ bị xâm nhập mặn khi khai thác quá mức hoặc do biến đổi khí hậu làm nước biển dâng cao.

  2. Mô hình giếng tia có ưu điểm gì so với giếng khoan truyền thống?
    Giếng tia tăng diện tích thu nước bằng cách khoan thêm các lỗ ngang hoặc xiên, giúp nâng cao lưu lượng khai thác, giảm áp lực lên tầng chứa nước và hạn chế hiện tượng xâm nhập mặn.

  3. Làm thế nào để đánh giá trữ lượng nước ngầm tiềm năng?
    Trữ lượng được xác định qua các phương pháp thủy văn như phân tích thủy đồ, đo dao động mực nước, cân bằng lượng mưa thấm và mô hình toán học mô phỏng dòng chảy nước ngầm.

  4. Ảnh hưởng của thủy triều đến nước ngầm như thế nào?
    Thủy triều làm dao động mực nước ngầm theo chu kỳ, ảnh hưởng đến ranh giới mặn - nhạt và chất lượng nước, đặc biệt trong các tầng chứa nước không áp gần biển.

  5. Giải pháp nào giúp bảo vệ nguồn nước ngầm trong vùng cồn cát?
    Bao gồm quy hoạch khai thác hợp lý, sử dụng mô hình khai thác tiên tiến, bổ cập nước mưa, giám sát chất lượng nước thường xuyên và bảo vệ thảm thực vật để giảm bốc hơi và ngăn ngừa ô nhiễm.

Kết luận

  • Đặc điểm địa chất thủy văn vùng cồn cát ven biển Thạch Hà có tầng chứa nước Holocen dày trung bình 11 m, hệ số thấm từ 12,3 đến 18,2 m/ngày, phù hợp khai thác nước ngầm sinh hoạt.
  • Lượng mưa trung bình 1400-2000 mm/năm và thủy triều ảnh hưởng lớn đến trữ lượng và chất lượng nước ngầm.
  • Mô hình khai thác giếng tia và giếng đứng kết hợp công trình thu nước nằm ngang được đề xuất nhằm tăng hiệu quả khai thác và hạn chế xâm nhập mặn.
  • Cần xây dựng quy hoạch khai thác đồng bộ, giám sát chất lượng nước và áp dụng các giải pháp bảo vệ nguồn nước bền vững.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và ứng dụng công nghệ mới để nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước ngầm trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Luận văn này cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho các nhà quản lý, chuyên gia và cộng đồng trong việc khai thác và bảo vệ nguồn nước ngầm ven biển. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất nhằm đảm bảo nguồn nước bền vững cho phát triển kinh tế xã hội vùng Bắc Trung Bộ.