Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về biến đổi môi trường địa chất Chương 2: Đặc điểm môi trường địa chất khu vực nghiên cứu Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố tự nhiên và nhân tạo đến quá trình vận hành tuyến luồng Chương 4: Dự báo khả năng bồi lắng và đề xuất giải pháp đảm bảo vận hành tuyến luồng an toàn và hiệu quả Kết luận và kiến nghị. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ BIẾN ĐỔI MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT 1. Tổng quan về nghiên cứu môi trường địa chất 1. Khái quát về môi trường địa chất Môi trường địa chất phát sinh và phát triển trong sự tác động qua lại với quyển khí, quyển nước, thạch quyển và những quyển bên trong của Trái Đất.
Môi trường địa chất (MTĐC) là các điều kiện vây quanh chúng ta tương tác với khí quyển, thủy quyển và các quyển bên trong của Trái Đất. Mối tương tác đó diễn ra trong suốt lịch sử phát triển của vỏ Trái Đất, tạo nên sự cân bằng nhất định trên bề mặt cũng như trong lòng đất với quy mô toàn cầu, khu vực hoặc cục bộ. Nhưng cũng chính sự tương tác đó đã tạo ra những mâu thuẫn và là nguyên nhân tất yếu làm nảy sinh và phát triển các quá trình địa chất dẫn đến sự thay đổi hoặc phá hủy MTĐC và tạo ra một bộ mặt mới [1], [2]. MTĐC là lớp đất đá hay thổ nhưỡng tạo nên phần trên cùng của thạch quyển, là một hệ thống nhiều thành phần chịu tác động từ các hoạt động kinh tế, xây dựng của con người làm thay đổi quá trình địa chất tự nhiên và làm xuất hiện các quá trình địa chất mới.1 thể hiện các thành phần của môi trường địa chất [3].
Trên quan điểm được hiểu là một phần của môi trường tự nhiên, là phần trên cùng của thạch quyển cấu tạo từ các thể rắn, thể lỏng và thể khí cùng với tất cả các tài nguyên chứa trong đó và các trường vật lý vốn có của nó, là nơi cư trú và thực hiện các hoạt động sống của loài người, nơi diễn ra tác dụng tương hỗ giữa thạch quyển với khí quyển, thủy quyển, sinh quyển và quyển kỹ thuật [4]. Do đó, nhiệm vụ chính hiện nay là tìm ra những cơ sở lý luận khoa học đúng đắn để dự báo và điều chỉnh các quá trình địa chất theo hướng cần thiết để phòng ngừa, giảm thiểu và ngăn chặn các mặt tiêu cực do con người gây ra. Như vậy, MTĐC được hiểu là một tập hợp các yếu tố của môi trường tự nhiên, phần trên cùng của vỏ Trái Đất, nơi con người sinh sống, khám phá để phát triển và tiến hành các hoạt động cho nhu cầu phát triển xã hội, bị chi phối, điều tiết một cách tự nhiên bởi các yếu tố, quá trình địa chất, tạo nên thuận lợi hoặc trở ngại cho hoạt động 8 nhân sinh. Do đó, MTĐC là nền tảng và hợp phần quan trọng nhất của môi trường tự nhiên – kỹ thuật, gồm thạch quyển, thổ quyển, thủy quyển, khí quyển dưới mặt đất và sinh quyển, và là đối tượng nghiên cứu, điều tra và đánh giá của khoa học Kỹ thuật địa chất.2 thể hiện môi trường địa chất trong cấu trúc Trái đất [3].
Trên quan điểm đó nhiệm vụ chính nghiên cứu sự biến đổi môi trường địa chất hiện nay là vạch ra những cơ sở khoa học cho việc dự báo và điều khiển các quá trình địa chất theo hướng cần thiết cho con người phòng ngừa, hạn chế và ngăn chặn các quá trình hoạt động địa chất bất lợi.Thành phần của môi trường địa chất Hình 1. Sơ đồ mô tả môi trường địa chất trong cấu trúc Trái đất 9 Mục tiêu của khoa học Kỹ thuật địa chất (KTĐC) là nghiên cứu, xây dựng các giải pháp nhằm phát huy tốt, sử dụng hợp lý các chức năng của MTĐC, đồng thời đề xuất các giải pháp bảo vệ để phát triển bền vững. Các hoạt động kinh tế công trình của con người mang những mâu thuẫn, vừa hoạt động có tính chất sáng tạo lại có tính chất làm mất cân bằng tự nhiên, gây nên sự phát triển các quá trình và hiện tượng địa chất, làm thay đổi hoặc phá hoại, do vậy sử dụng hợp lý MTĐC là cần thiết. MTĐC là bộ phận đặc biệt của môi trường tự nhiên, nhạy cảm với sự thay đổi không ngừng của các quá trình tự nhiên và hoạt động nhân sinh.
Trong MTĐC có quá trình tự điều chỉnh và tự cân bằng (các quyển trong MTĐC sẽ tương tác, điều chỉnh để luôn cân bằng động).3 thể hiện các quá trình xảy ra trong MTĐC ngày càng được mở rộng và toàn diện hơn [4]. Các quá trình xảy ra trong môi trường địa chất Kỹ thuật địa chất dựa trên kiến thức khoa học của các bộ môn địa chất khác nhau như địa chất cấu trúc, địa hóa, địa chất công trình, địa chất thủy văn, địa bàn học, địa vật lý học, thổ nhưỡng học,…không chỉ là những hỗn hợp đơn thuần các khái niệm và phương pháp của khoa học đó, mà có xem xét một cách thích đáng và tổng hợp có định hướng những qui luật đã biết [3]. KTĐC áp dụng thông tin địa chất để giải quyết tất cả các vấn đề tương tác giữa con người với môi trường vật lý, tự nhiên, là khoa học ứng dụng các nguyên lý của địa chất học để giải quyết về vấn đề môi trường [3]. 10 Ở Việt Nam, KTĐC có rất nhiều công trình, dự án, đề tài nghiên cứu như thành lập bản đồ đới ven biển, địa chất đô thị, địa chất tai biến, đánh giá tác động của các hoạt động nhân sinh như đắp đê, hồ thủy điện, khai thác khoảng sản tới môi trường,…góp phần tích cực cho sự phát triển của Kỹ thuật địa chất ở Việt Nam.
Nhu cầu nghiên cứu về biến đổi môi trường địa chất Cùng với hệ thống tự nhiên, luôn tồn tại các hệ thống mà các hợp phần của chúng gồm các đối tượng tự nhiên và nhân tạo. Chính vì thế đã xảy ra một quá trình tương tác giữa hai yếu tố tự nhiên và kỹ thuật. Sự tương tác giữa các đối tượng nhân tạo và các bộ phận thuộc quyển của Trái Đất – các địa quyển đòi hỏi phải xem xét các đối tượng tương tác này như là các hệ thống. Các vật thể tự nhiên và đối tượng nhân tạo là một hệ thống gồm hai hợp phần tương tác chính được gọi là địa hệ tự nhiên - kỹ thuật (ĐHTN-KT).
ĐHTN-KT là cấu trúc không gian thời gian của các hợp phần tương tác bao gồm các hợp phần nhân tạo có thể là các hoạt động sản xuất và các phối hợp phần tự nhiên bị biến đổi do hoạt động của con người. ĐHTN-KT có tính chất là một hệ thống và là một hệ thống mở, nghĩa là một hệ thống luôn sẵn sàng đón nhận mọi sự hoạt động tương tác của các yếu tố tự nhiên và kỹ thuật. Trạng thái của địa hệ tự nhiên - kỹ thuật thay đổi theo thời gian vật lý và yếu tố kỹ thuật ngày càng một lớn chi phối đáng kể vào hệ thống. Các tương tác ở địa hệ tự nhiên – kỹ thuật này là tương tác điều khiển được, loại và đặc điểm tương tác tùy thuộc vào loại, kết cấu và chế độ vận hành công trình.
Động thái của địa hệ tự nhiên - kỹ thuật không cân bằng hoặc giả ổn định phụ thuộc vào quá trình tương tác như xây dựng mới một tuyến luồng vào giai đoạn đầu quá trình xói lở có thể được xem là kết thúc nhờ các giải pháp công trình, nhưng qua một thời gian vận hành các quá trình xói lở tăng dần, phát sinh thêm các hiện tượng xói lở - bồi lắng gia tăng làm ảnh hưởng đến vận hành tuyến luồng và dẫn đến địa hệ mất trạng thái cân bằng ổn định và không ít các trường hợp bị bồi lắng trầm trọng. ĐHTN-KT đơn vị là hệ thống gồm các hợp phần, về kỹ thuật là một công trình riêng lẻ, đoạn tuyến luồng, còn về tự nhiên là quyển tương tác của môi trường địa chất với công trình. ĐHTN-KT địa phương được hình thành, vận động do tương tác của một 11 tập hợp các công trình với môi trường địa chất và được cấu tạo từ các ĐHTN-KT đơn vị. Các địa hệ đơn vị trong hệ địa phương phải tiếp giáp với nhau hoặc chờm lên nhau, ảnh hưởng lẫn nhau và như thế thì vùng môi trường địa chất của hệ địa phương là một vùng liên tục.
ĐHTN-KT khu vực bao gồm một khu vực trong đó có các ĐHTN-KT địa phương và các ĐHTN-KT đơn vị nằm trong đó. Địa hệ khu vực có các địa hệ địa phương nằm cạnh nhau không liên kết với nhau tạo thành một không gian liên tục nên không tương tác trực tiếp lẫn nhau mà chỉ tương tác gián tiếp. Như vậy, trong ĐHTN-KT khu vực các địa hệ địa phương không quyết định cấu trúc của địa hệ khu vực và việc phân chia này không phụ thuộc vào diện tích và qui mô của các địa hệ. Địa hệ tự nhiên kỹ thuật bao gồm rất nhiều yếu tố tự nhiên như sự phân bố của các lớp đất đá, thành phần, kiến trúc, cấu tạo và các tính chất của chúng, sự phân bố các tầng chứa nước dưới đất, các điều kiện về khí tượng thủy văn, qui luật vận động của hệ thống sông, kênh, suối,…khi con người tác động vào môi trường địa chất với các thể nhân tạo.
Trong luận án này, sự vận động của địa hệ tự nhiên – kỹ thuật chủ yếu là do tương giữa thể nhân tạo và tự nhiên thể hiện qua các quá trình kỹ thuật địa chất gồm yếu tố nền địa chất, tác động dòng chảy và xói lở. Con người trong quá trình thiết kế công trình đã đặt ra vần đề là phải dự báo được về sự biến đổi của hệ thống này trong thời gian vận hành nó. Dự báo sự thay đổi của hệ thống theo thời gian. Vì thế nên ngay từ khi thiết kế chúng ta cần phải tối ưu hóa tính chất cấu trúc của ĐHTN-KT ngay từ khi bắt đầu công tác xây dựng, địa hệ này cứ phát triển dần và cấu trúc của hệ được hình thành sau khi xây dựng công trình một thời gian nào đó.
Dự báo sự vận động của ĐHTN-KT đơn vị thường được thực hiện nhờ các phương pháp được trình bày trong các môn học như địa chất công trình, cơ học đất, chế độ dòng chảy, tính toán lún, trượt, thấm. ĐHTN-KT địa phương và khu vực là vấn đề của địa chất công trình hiện đại để dự báo, khai thác hợp lý và bảo vệ môi trường địa chất. Đây là vấn đề và nhu cầu cần nghiên cứu về MTĐC đang gặp rất nhiều khó khăn và cần phải hướng tới giải quyết.