Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ địa chất với đề tài "Nghiên cứu và dự báo ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất tỉnh Thái Bình", chuyên ngành Kỹ thuật địa chất (mã số: 62520501), do nghiên cứu sinh Trần Thị Thanh Thủy thực hiện tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Đặng Hữu Ơn và TS Đỗ Văn Bình vào năm 2017.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Thái Bình là một tỉnh ven biển thuộc đồng bằng châu thổ sông Hồng, tiếp giáp tam giác kinh tế trọng điểm Bắc Bộ (Hà Nội - Hải Phòng - Quảng Ninh), có đường bờ biển dài trên 50 km và được bao bọc bởi hệ thống sông, biển khép kín. Mặc dù có điều kiện tự nhiên thuận lợi cho phát triển kinh tế và sản xuất nông nghiệp, tài nguyên nước dưới đất nhạt tại địa phương lại có trữ lượng hạn chế. Đặc điểm thủy địa hóa tại đây phức tạp, các đới nước mặn và nước nhạt phân bố xen kẽ thiếu quy luật đồng nhất, gây nhiều trở ngại cho việc thăm dò, khai thác và cấp nước sinh hoạt. Cùng với áp lực gia tăng từ quá trình phát triển kinh tế - xã hội, các hiện tượng ô nhiễm và nhiễm mặn tầng chứa nước diễn ra ngày một nghiêm trọng.

Bên cạnh đó, tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng (BĐKH & NBD) làm gia tăng tần suất bão, thúc đẩy nước mặn xâm nhập sâu vào các hệ thống sông ngòi và đất liền, thu hẹp diện tích đất canh tác, gây mặn hóa nguồn nước mặt lẫn nguồn nước dưới đất. Trong bối cảnh đó, các công trình trước đây tại địa phương chủ yếu nghiên cứu xâm nhập mặn cục bộ dưới tác động của hoạt động khai thác hoặc đánh giá riêng lẻ cho tài nguyên nước mặt, chưa có nghiên cứu quy mô toàn tỉnh đánh giá đồng thời cơ chế tương tác thủy lực giữa nước mưa, nước sông biển với các tầng chứa nước dưới tác động của biến đổi khí hậu và kịch bản nước biển dâng. Do đó, việc nghiên cứu và dự báo định lượng ảnh hưởng của các yếu tố khí hậu, hải văn và khai thác đến nước dưới đất tại Thái Bình là yêu cầu khoa học và thực tiễn cấp bách.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 3 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 nhân tố khí hậu, nước biển và 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 tầng chứa nước Pleistocen, tính toán trữ lượng nước nhạt và đề xuất các giải pháp quản lý, khai thác, bảo vệ nguồn tài nguyên nước dưới đất hợp lý.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước dưới đất thuộc tầng chứa nước Holocen (qh) và tầng chứa nước Pleistocen (qp) tại tỉnh Thái Bình trước tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng.
  • Phạm vi không gian: Diện phân bố nước nhạt trong tầng chứa nước Holocen và Pleistocen trên toàn bộ phạm vi hành chính tỉnh Thái Bình (gồm thành phố Thái Bình và 7 huyện: Đông Hưng, Hưng Hà, Kiến Xương, Quỳnh Phụ, Thái Thụy, Tiền Hải, Vũ Thư; tổng diện tích tự nhiên 1.542,24 km2; tọa độ địa lý từ 20º05'15'' đến 20º43'57'' vĩ độ Bắc và từ 106º06'33'' đến 106º37'35'' kinh độ Đông).
  • Phạm vi thời gian: Sử dụng chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn và địa chất thủy văn từ năm 1960 đến thời điểm thực hiện; số liệu khảo sát thực địa chuyên sâu giai đoạn 2014 - 2015; mốc thời gian dự báo mô phỏng theo các kịch bản phát thải được thiết lập đến năm 2050, 2060 và năm 2100.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Nghiên cứu tương tác giữa biến đổi khí hậu, nước biển dâng và nước dưới đất vùng ven biển được triển khai mạnh mẽ từ đầu thế kỷ XXI với các hướng tiếp cận chính:

  • Ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn mô phỏng xâm nhập mặn: Sherif and Singh (1999) sử dụng mô hình FEFLOW nghiên cứu hai tầng chứa nước ven biển tại Ai Cập và Ấn Độ, chỉ ra rằng khi mực nước biển Địa Trung Hải dâng 50 cm, ranh giới mặn - nhạt ở đồng bằng sông Nil dịch chuyển vào lục địa hơn 9 km, trong khi ở vịnh Bengal chỉ dịch chuyển 0,4 km. Ghosh Bobba (2002) áp dụng mô hình SUTRA hai chiều đánh giá xâm nhập mặn tại đồng bằng Godavari (Ấn Độ) trong khoảng thời gian 20 năm dưới kịch bản dâng 50 cm mực nước biển kết hợp lưu lượng khai thác nước. N. Mzila và E. B. Shuy (2003) dùng mô hình 3 chiều FEMWATER tại vùng ven biển Singapore để xác định quan hệ giữa dao động triều, lượng mưa và nồng độ ion Clorua. Allen et al. (2004) dùng MODFLOW mô phỏng tầng chứa nước không áp ở Grand Forks (Anh) dưới sự thay đổi lượng bổ cập và mực nước sông.
  • Đánh giá tương tác giữa nước biển dâng và hoạt động khai thác: Dausman và Langevin (2005) áp dụng MODFLOW kết hợp SEAWAT tại hạt Broward, bang Florida (Mỹ), chứng minh khi mực nước biển dâng trên 48 cm trong 100 năm sẽ gây xâm nhập Clorua sâu vào tầng chứa nước. Dough Weatherill (2005) dùng FEFLOW tại New South Wales (Úc) cho thấy khai thác nước ngầm tác động làm mặn hóa mạnh mẽ hơn tác động đơn thuần của khí hậu. Melloul và Collin (2006) dùng SEAWAT tại Israel chứng minh mực nước biển dâng 0,5 m làm mất khoảng 77% lượng nước nhạt do dịch chuyển ngang. Werner và Simmons (2009) phân tích trạng thái ổn định của giao diện mặn - nhạt với các điều kiện biên bổ cập khác nhau. Loaiciga et al. (2009) dùng FEFLOW tại vịnh Monterey (California, Mỹ) khẳng định khai thác nước ngầm là nhân tố chủ đạo gây nhiễm mặn so với nước biển dâng.
  • Mô phỏng cân bằng nước và lan truyền chất có tỷ trọng thay đổi: Priyantha Ranjan et al. (2006) dùng CROPWAT tính toán bốc thoát hơi nước và thâm hụt nước tại 5 vùng ven biển toàn cầu. Rasmussen et al. (2013) dùng SEAWAT tại Falster (Đức) chứng minh hệ thống kênh dẫn hạ thấp mực nước ngầm 1 - 3 m là nguyên nhân chính thúc đẩy xâm nhập mặn. Samrit Luoma và Jarkko Okkonen (2014) kết hợp MODFLOW và SEAWAT nghiên cứu tầng chứa nước Hanko (Phần Lan), chỉ ra nước biển bổ cập ngược cho nước dưới đất từ 19,7% đến 27,3%.

Các hướng nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, các nghiên cứu địa chất thủy văn ven biển phát triển từ phương pháp giải tích sang mô hình số:

  • Nghiên cứu xâm nhập mặn do khai thác: Đặng Đình Phúc (1997, 2000) dùng mô hình một chiều và đánh giá khai thác tại Cẩm Giàng và Hải Hậu - Giao Thủy. Phạm Quý Nhân và Đỗ Trọng Sự mô phỏng dòng chảy và dịch chuyển chất tại Nghĩa Hưng - Hải Hậu (Nam Định). Nguyễn Văn Lâm tính toán giải tích xác định thời gian dịch chuyển biên mặn đến lỗ khoan khai thác tại Hải Triều, Hưng Yên. Nguyễn Sơn (2007, 2010) dùng Visual MODFLOW và MT3D dự báo lưu vực sông Nhuệ - Đáy và ven biển Quảng Bình. Trịnh Hoài Thu (2014) dùng GMS và Visual MODFLOW mô phỏng hạ thấp mực nước và xâm nhập mặn tầng Pleistocen tại Thái Bình theo các kịch bản khai thác.
  • Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng: Nguyễn Văn Hoàng (2012) dùng mô hình số đánh giá xâm nhập mặn nước mặt sông Hồng và nước dưới đất tầng Pleistocen tại một số xã ven biển huyện Thái Thụy (Thái Xuyên, Thụy Trường, Thụy An). Khương Văn Hải (2012) dùng GMS và MODFLOW mô phỏng biến đổi tài nguyên nước đảo Phú Quý theo kịch bản B2 và A2. Bùi Trần Vượng (2013) nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến nước dưới đất đồng bằng sông Cửu Long. Nguyễn Văn Lâm (2015) nghiên cứu địa chất thủy văn dải ven biển Bắc Bộ, dự báo biến đổi ranh giới mặn - nhạt đến năm 2100 cho tầng qh và qp theo các kịch bản B1, B2, A2. Nguyễn Thị Hạ (2016) áp dụng phương pháp Galdit và SEAWAT đánh giá độ tổn thương tại Hậu Lộc (Thanh Hóa) và Tân Thành (Bà Rịa - Vũng Tàu).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình tại Thái Bình trước đây chủ yếu dừng lại ở việc đánh giá quá trình mặn hóa do khai thác nhân tạo, hoặc xem xét phạm vi hẹp ở một vài xã ven biển huyện Thái Thụy, hay chỉ mô phỏng đơn lẻ cho tầng Pleistocen mà chưa xem xét tầng Holocen. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: thiết lập mô hình ba chiều có xét đến tỷ trọng chất lỏng thay đổi (SEAWAT) trên phạm vi toàn tỉnh Thái Bình, liên kết đồng thời cả hai tầng chứa nước qh và qp; xác định định lượng quan hệ tuyến tính giữa nước dưới đất với lượng mưa và nước sông biển; đồng thời so sánh tường minh tác động của nước biển dâng trong hai trường hợp công trình: giữ nguyên hiện trạng đê biển và nâng cấp hệ thống đê biển theo quy hoạch.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án vận dụng các lý thuyết cơ bản của địa chất thủy văn động lực và thủy địa hóa:

  • Lý thuyết dòng thấm trong môi trường lỗ hổng: Dựa trên phương trình vi phân cơ bản của dòng thấm qua môi trường rỗng không đồng nhất (định luật Darcy).
  • Lý thuyết dịch chuyển vật chất có tỷ trọng thay đổi: Quá trình vận chuyển chất hòa tan trong môi trường bão hòa có sự biến thiên tỷ trọng giữa nước mặn và nước nhạt, bao gồm các cơ chế bình lưu (advection), khuếch tán phân tử (diffusion) và phân tán thủy lực (dispersion).
  • Phương pháp tính toán bổ cập: Phương pháp cân bằng nước của Bindeman và phương pháp biến động mực nước của Healy & Cook (2002) được sử dụng để xác định cường độ bổ cập từ nước mưa cho tầng không áp Holocen. Phương pháp thấm xuyên qua lớp thấm nước yếu theo định luật Darcy được áp dụng để tính lượng bổ cập từ tầng Holocen xuống tầng Pleistocen. Phương trình Dupuit được dùng để tính toán lượng trao đổi giữa dòng mặt và tầng chứa nước.
  • Tiêu chuẩn phân định ranh giới mặn - nhạt: Căn cứ vào độ tổng khoáng hóa (M) hoặc tổng chất rắn hòa tan (TDS), xác định ranh giới mặn - nhạt tại ngưỡng TDS = 1,0 g/l (1000 mg/l) theo quy chuẩn quốc gia về chất lượng nước cấp.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp đồng bộ các phương pháp nghiên cứu định tính và định lượng:

  • Phương pháp thu thập và xử lý tài liệu: Thu thập chuỗi dữ liệu khí tượng thủy văn (mưa, nhiệt độ, bốc hơi, mực nước biển trạm Hòn Dấu, mực nước sông Hồng, sông Trà Lý, sông Luộc) từ năm 1960; kịch bản BĐKH & NBD của Bộ Tài nguyên và Môi trường; bản đồ quy hoạch sử dụng đất đến năm 2030; tài liệu từ hơn 100 lỗ khoan ĐCTV và địa chất công trình từ các nghiên cứu trước (Lại Đức Hùng, 1996).
  • Phương pháp khảo sát thực địa và thí nghiệm:
    • Khảo sát thực địa trên 200 điểm trên toàn tỉnh nhằm đo đạc thông số hiện trường và lấy 60 mẫu nước phân tích thành phần hóa học, xác định TDS tại Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước miền Bắc.
    • Thí nghiệm hiện trường xác định tính thấm bề mặt bằng phương pháp đổ nước hố đào tại 20 điểm phân bố đều trên địa bàn và ven sông biển; kết hợp lấy 35 mẫu đất đá phân tích thành phần thạch học và hệ số thấm trong phòng thí nghiệm.
    • Quan trắc mực nước dưới đất tự động liên tục tại 20 điểm thuộc hai tuyến ven biển Thái Thụy, Tiền Hải và tuyến vuông góc bờ biển (khoảng cách 1,5 km đến 3,0 km) cho cả hai tầng qh và qp trong thời gian 1 tháng (11/01/2015 đến 15/02/2015, tần suất 1 giờ/lần).
  • Phương pháp thống kê và tương quan: Phân tích hồi quy xác lập các phương trình tương quan tuyến tính giữa dao động mực nước ngầm với lượng mưa, mực nước triều và mực nước sông.
  • Phương pháp mô hình hóa số: Ứng dụng hệ thống mô hình Visual MODFLOW kết hợp mô đun SEAWAT (chạy trên giao diện GMS) để mô phỏng dòng chảy 3 chiều và quá trình dịch chuyển khối lượng chất tan có xét đến biến thiên tỷ trọng nước.

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 nghiên cứu quốc tế và trong nước về xâm nhập mặn và biến đổi tài nguyên nước dưới đất ven biển. Tác giả phân tích điểm mạnh và hạn chế của các mô hình toán học (FEFLOW, SUTRA, FEMWATER, MODFLOW, SEAWAT, MOCDENS3D). Từ đó, luận án rút ra các bài học kinh nghiệm và luận chứng việc lựa chọn tổ hợp phương pháp cho tỉnh Thái Bình: kết hợp khảo sát thực địa, xác lập phương trình tương quan thủy lực tuyến tính, tính toán bổ cập ngấm từ mưa bằng công thức Bindeman, Healy & Cook, và ứng dụng mô hình SEAWAT để dự báo dịch chuyển ranh giới 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 trình bày cấu trúc địa chất, điều kiện thủy văn và các kịch bản khí hậu của khu vực nghiên cứu:

  • Cấu trúc địa chất: Thái Bình nằm trong vùng trũng sụt võng Kainozoi châu thổ sông Hồng, địa hình bằng phẳng có cao độ tuyệt đối phổ biến từ 1 đến 2 m (điểm cao nhất 2,5 m), nghiêng nhẹ về phía Đông Nam. Khu vực bị khống chế bởi các đứt gãy kiến tạo sâu Tây Bắc - Đông Nam (sông Hồng, sông Chảy, sông Lô) và đứt gãy Vĩnh Ninh. Lịch sử tiến hóa Đệ Tứ trải qua 5 chu kỳ biển tiến và biển thoái xen kẽ.
  • Phân chia địa chất thủy văn: Gồm 3 đơn vị chứa nước chính:
    1. Tầng chứa nước Holocen (qh): Gồm phụ tầng qh1 thuộc hệ tầng Hải Hưng ($Q_{2}^{1-2}hh$) thành phần bột sét pha cát, chứa nước nghèo; và phụ tầng qh2 thuộc hệ tầng Thái Bình ($Q_{2}^{3}tb$) thành phần cát hạt mịn đến trung bình, cát bột lẫn sét vũng vịnh châu thổ, bề dày thay đổi 4 - 15 m.
    2. Tầng chứa nước Pleistocen (qp): Gồm hệ tầng Lệ Chi ($Q_{1}lc$) cuội sỏi lẫn cát; hệ tầng Hà Nội ($Q_{1}hn$) cuội, sỏi sạn chiếm trên 70%, cát 25%, chứa nước áp lực phong phú; và hệ tầng Vĩnh Phúc ($Q_{1}vp$) cát, bột sét, sạn sỏi nhỏ dày 5 - 15 m. Vùng phía Bắc tỉnh có tuổi trầm tích trẻ hơn (20.000 năm so với 40.000 năm ở phía Nam), chịu tác động xói rửa của dòng chảy cổ sông Hồng, sông Luộc, sông Trà Lý và nguồn nước nhạt đẩy lên từ đứt gãy Vĩnh Ninh nên bảo tồn được diện phân bố nước nhạt lớn.
    3. Tầng chứa nước khe nứt Neogen (N): Trầm tích hệ tầng Tiên Hưng và Vĩnh Bảo (sét kết, bột kết, cát kết lẫn sạn sỏi) chứa nước nhạt do quá trình rửa lũa cổ và bổ cập karst từ tầng cacbonat Đồng Giao.
  • Kịch bản BĐKH & NBD: Cập nhật kịch bản của Bộ Tài nguyên và Môi trường với các thông số gia tăng nhiệt độ, biến đổi lượng mưa và mức nước biển dâng tương ứng các kịch bản phát thải thấp (B1), trung bình (B2) và cao (A2) cho các mốc thời gian 2050 và 2100.
Đơn vị chứa nước Ký hiệu địa tầng Thành phần thạch học chủ yếu Bề dày (m) Đặc điểm thủy hóa và phân bố nước nhạt
Tầng Holocen (qh) $Q_{2}^{3}tb$, $Q_{2}^{1-2}hh$ Cát, cát bột, sét bột lẫn bùn 4 - 15 Nước lợ đến mặn xen kẽ nhạt; phía Bắc có diện tích nhạt do vận động dòng ngầm TB-ĐN
Tầng Pleistocen (qp) $Q_{1}vp$, $Q_{1}hn$, $Q_{1}lc$ Cuội, sỏi sạn, cát đa khoáng 7 - 55 Chứa nước áp lực cao; vùng nước nhạt phân bố chủ yếu ở khu vực phía Bắc tỉnh
Tầng Neogen (N) $N_{2}vb$, $N_{2}th$ Cát kết, bột kết, sét kết phong hóa Hàng trăm mét Nước nhạt có nguồn gốc phong hóa, rửa lũa và liên thông karst đứt gãy

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 tập trung phân tích định lượng cơ chế tương tác giữa các nguồn bổ cập và thoát của hệ thống nước dưới đất:

  • Tác động của nước mưa: Tầng Holocen (qh) nhận bổ cập trực tiếp từ nước mưa qua đới thông khí. Dựa vào 20 điểm thí nghiệm đổ nước hố đào và 35 mẫu thạch học, luận án xây dựng bản đồ phân vùng khả năng thấm và tính toán lượng bổ cập mùa mưa cho tầng qh trung bình đạt khoảng 0,0003 m/ngày. Quá trình bổ cập này đóng vai trò rửa mặn tự nhiên, làm diện tích nhiễm mặn của tầng qh năm 2014 thu hẹp khoảng 180 km2 so với ranh giới công bố năm 1996 của Lại Đức Hùng. Tầng Pleistocen (qp) không nhận bổ cập trực tiếp từ mưa mà tiếp nhận lượng ngấm xuyên từ tầng qh qua tầng sét cách nước yếu với lưu lượng thấm trung bình tính toán theo Darcy là 2,03 m/ngày khi xuất hiện chênh lệch cột áp.
  • Tác động của thủy triều và nước biển: Chuỗi đo tự động 20 điểm trong tháng 1 - 2/2015 chứng minh mực nước tầng Holocen dao động đồng pha với mực nước triều sông biển theo quy luật tương quan tuyến tính trong phạm vi 1,5 đến 3,0 km tính từ bờ biển; càng vào sâu đất liền mức độ ảnh hưởng suy giảm nhanh. Tầng Pleistocen chịu ảnh hưởng của dao động triều trong dải hẹp 1,5 đến 2,0 km từ đường bờ theo cơ chế truyền áp lực thủy tĩnh qua các cửa sổ địa chất hoặc tiếp xúc ngầm dưới đáy biển.
  • Tác động của hoạt động khai thác: Luận án thống kê số lượng lỗ khoan và tổng lưu lượng khai thác tại 8 đơn vị hành chính. Việc khai thác tập trung tại thành phố Thái Bình và các thị trấn làm hạ thấp phễu áp lực tầng qp, gia tăng độ chênh cột nước thủy lực giữa đới mặn và đới nhạt, thúc đẩy quá trình thấm xuyên kéo mặn từ tầng qh xuống tầng qp.

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

Chương 4 thiết lập mô hình toán 3 chiều SEAWAT để dự báo định lượng diễn biến xâm nhập mặn và biến động tài nguyên nước:

  • Thiết lập và hiệu chỉnh mô hình: Mô hình được rời rạc hóa không gian nhiều lớp tương ứng với cấu trúc địa tầng qh, lớp thấm nước yếu và tầng qp; gán các thông số địa chất thủy văn thực tế (hệ số thấm K, hệ số nhả nước S) từ kết quả hút nước thí nghiệm và thí nghiệm hố đào. Hiệu chỉnh mô hình dòng chảy và vận chuyển TDS đạt độ tin cậy cao dựa trên chuỗi quan trắc thực tế tại các công trình quốc gia (Q155, Q156, Q158, Q159).
  • Kết quả dự báo ranh giới mặn - nhạt và trữ lượng:
    • Đối với tầng Holocen (qh): Chịu tác động trực tiếp và rõ rệt của nước biển dâng kết hợp ngập lụt bãi triều. Đến năm 2100, theo kịch bản phát thải cao A2, nếu giữ nguyên hệ thống đê biển hiện tại, diện tích vùng nước nhạt bị thu hẹp khoảng 109,7 km2. Trong trường hợp hệ thống đê biển được nâng cấp hoàn chỉnh, diện tích vùng nước nhạt chỉ bị thu hẹp khoảng 42,9 km2.
    • Đối với tầng Pleistocen (qp): Tác động trực tiếp từ nước biển dâng là không đáng kể; sự thu hẹp diện tích nước nhạt chủ yếu bắt nguồn từ hoạt động khai thác nước ngầm. Đến năm 2100, diện tích nước nhạt tầng qp dự báo bị thu hẹp khoảng 25 km2, tập trung cục bộ tại các phễu khai thác ở khu vực phía Bắc tỉnh.
  • Đề xuất giải pháp: Kiến nghị các nhóm giải pháp công trình và phi công trình: nâng cấp đồng bộ tuyến đê biển và các cống ngăn mặn dưới đê; quy hoạch lại mạng lưới giếng khai thác tầng qp dịch chuyển xa ranh giới mặn - nhạt; hạn chế khai thác quy mô công nghiệp tại các vùng nhạy cảm; áp dụng giải pháp bổ cập nhân tạo nguồn nước vào mùa mưa.
Tầng chứa nước Kịch bản mô phỏng đến năm 2100 Điều kiện công trình đê biển Diện tích nước nhạt bị thu hẹp ($km^2$) Nguyên nhân chi phối chính
Holocen (qh) Kịch bản phát thải cao A2 Giữ nguyên hiện trạng đê 109,7 Nước biển dâng, ngập triều bề mặt và xâm nhập qua sông
Holocen (qh) Kịch bản phát thải cao A2 Nâng cấp hệ thống đê biển 42,9 Nước biển dâng qua các cửa sông chính
Pleistocen (qp) Kịch bản phát thải cao A2 Cả hai trường hợp đê Khoảng 25,0 Hoạt động khai thác hạ thấp mực nước, kéo mặn thấm xuyên

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về khoa học và thực tiễn

Căn cứ vào mục "Những điểm mới của Luận án", công trình đạt được các kết quả cụ thể:

  1. Chính xác hóa ranh giới mặn - nhạt: Thông qua hơn 200 điểm khảo sát thực địa và phân tích hóa học nước năm 2014, luận án đã định lượng sự dịch chuyển của ranh giới mặn - nhạt so với kết quả năm 1996 của Lại Đức Hùng. Xác lập phát hiện diện tích nhiễm mặn của tầng chứa nước Holocen (qh) trên toàn tỉnh năm 2014 đã thu hẹp khoảng 180 km2 nhờ quá trình rửa mặn bởi lượng mưa bổ cập gia tăng.
  2. Xác lập quy luật tương quan thủy lực định lượng: Luận án xây dựng các phương trình tương quan tuyến tính biểu diễn mối quan hệ giữa dao động mực nước ngầm với các yếu tố khí hậu và thủy hải văn. Xác định tầng qh chịu tác động trực tiếp của nước mưa và nước sông biển trong phạm vi 1,5 đến 3,0 km tính từ bờ. Xác định tầng qp chịu tác động của nước sông biển chủ yếu qua cơ chế truyền áp lực trong dải 1,5 đến 2,0 km và chịu ảnh hưởng chủ đạo bởi hoạt động khai thác kết hợp thấm xuyên từ tầng qh với lưu lượng trung bình 2,03 m/ngày.
  3. Ứng dụng mô hình 3 chiều SEAWAT dự báo theo kịch bản đê điều: Lần đầu tiên mô hình mật độ dòng chảy và dịch chuyển muối 3 chiều SEAWAT được thiết lập hoàn chỉnh cho tỉnh Thái Bình để đánh giá đồng thời tác động của BĐKH & NBD và các kịch bản đê điều. Kết quả chứng minh việc nâng cấp đê biển giúp giảm thiểu diện tích mất nước nhạt của tầng qh từ 109,7 km2 xuống còn 42,9 km2 vào năm 2100 theo kịch bản A2.
  4. Định lượng tiềm năng tài nguyên nước và định hướng khai thác: Tính toán chi tiết trữ lượng nước nhạt có thể khai thác cho từng tầng chứa nước tại từng huyện, thành phố, làm cơ sở khoa học để chính quyền địa phương lập quy hoạch bảo vệ và khai thác bền vững nguồn nước dưới đất.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Triển khai nâng cấp tuyến đê biển Thái Bình theo kịch bản nước biển dâng để bảo vệ diện tích nước nhạt tầng Holocen.
  • Phân vùng hạn chế khai thác nước dưới đất tầng Pleistocen tại khu vực phía Bắc tỉnh và các dải ven ranh giới mặn - nhạt nhằm ngăn chặn hiện tượng kéo mặn thấm xuyên.
  • Xây dựng mạng lưới quan trắc tự động liên tục chất lượng và mực nước ngầm dọc các dải ven biển huyện Thái Thụy và Tiền Hải.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Chuỗi số liệu quan trắc mực nước dưới đất tự động bằng thiết bị chuyên dụng phục vụ phân tích tương quan triều mới chỉ thực hiện tập trung trong thời gian 1 tháng (từ 11/01/2015 đến 15/02/2015) thuộc mùa khô, chưa bao quát liên tục chu kỳ thủy văn trọn vẹn cả mùa mưa.
  • Số lượng công trình quan trắc ĐCTV quốc gia tầng sâu còn thưa (08 lỗ khoan), việc xác định các thông số thấm xuyên của tầng cách nước yếu giữa tầng qh và qp chủ yếu dựa trên tính toán lý thuyết và giá trị trung bình đại diện khu vực.
  • Mô hình chưa tích hợp chi tiết yếu tố sụt lún mặt đất cục bộ do khai thác nước ngầm và biến động độ mặn nước sông theo mùa lũ kiệt.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng quan trắc tự động mực nước và độ mặn liên tục nhiều năm trên cả hai mùa mưa - khô tại các dải ven biển trọng điểm.
  • Nghiên cứu chi tiết hơn động lực xâm nhập mặn tại các vùng cửa sông lớn (sông Ba Lạt, sông Trà Lý, sông Diêm Điền) trong điều kiện tương tác mặn - nhạt phức tạp.
  • Ứng dụng mô hình liên kết dòng chảy mặt - dòng ngầm để đánh giá lan truyền các chất ô nhiễm hòa tan khác ngoài tổng chất rắn hòa tan (TDS).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật địa chất, Địa chất thủy văn, Quản lý tài nguyên nước, Biến đổi khí hậu. Các chương phương pháp luận (Chương 1), cơ chế tương tác thủy lực (Chương 3) và quy trình hiệu chỉnh mô hình SEAWAT (Chương 4) cung cấp khung phân tích thực nghiệm mẫu mực cho các vùng đồng bằng ven biển.
  • Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Bình, Trung tâm Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước Quốc gia, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (Chi cục Đê điều và Thủy lợi). Các số liệu dự báo diện tích thu hẹp nước nhạt và ranh giới mặn - nhạt theo kịch bản đê biển tại Chương 4 là căn cứ trực tiếp để phê duyệt quy hoạch cấp nước và đầu tư công trình phòng chống thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

1. Biến đổi khí hậu và nước biển dâng tác động đến tầng chứa nước Holocen (qh) và Pleistocen (qp) khác nhau như thế nào?

Biến đổi khí hậu và nước biển dâng tác động trực tiếp và mạnh mẽ nhất đến tầng chứa nước Holocen (qh) thông qua quá trình ngập triều bờ biển, mặn hóa nước mặt sông ngòi và ngấm trực tiếp qua bề mặt, làm thu hẹp diện tích nước nhạt đến 109,7 km2 vào năm 2100 (theo kịch bản A2 nếu giữ nguyên đê). Ngược lại, tầng Pleistocen (qp) được ngăn cách bởi lớp thấm nước yếu nên ít chịu tác động trực tiếp từ nước biển dâng; nhân tố chi phối chính làm thu hẹp diện tích nước nhạt tầng qp (khoảng 25 km2 đến năm 2100) là hoạt động khai thác nước ngầm của con người gây hạ thấp mực nước và kéo mặn thấm xuyên từ trên xuống.

2. Vì sao diện tích nhiễm mặn tầng Holocen (qh) năm 2014 lại thu hẹp 180 km2 so với năm 1996?

Nguyên nhân là do tác động rửa mặn tự nhiên của lượng mưa. Tầng chứa nước Holocen nằm lộ sát bề mặt, có quan hệ thủy lực trực tiếp với nước mưa. Trong giai đoạn 1996 - 2014, lượng mưa bổ cập vào mùa mưa cho tầng qh (ước tính đạt trung bình 0,0003 m/ngày) tại các khu vực đất trống và thảm thực vật có khả năng thấm tốt đã hòa loãng, đẩy lùi khối nước mặn tiềm tàng trong trầm tích châu thổ, làm ranh giới mặn - nhạt dịch chuyển dần ra phía biển.

3. Việc nâng cấp hệ thống đê biển có vai trò định lượng ra sao đối với việc bảo vệ nguồn nước nhạt tầng Holocen?

Kết quả mô phỏng bằng mô hình SEAWAT ở Chương 4 cho thấy: Đến năm 2100 theo kịch bản phát thải cao A2, nếu duy trì hiện trạng đê biển, diện tích nước nhạt tầng qh bị mất đi là 109,7 km2. Nếu thực hiện nâng cấp hệ thống đê biển theo quy hoạch ngăn chặn triều cường tràn bờ, diện tích nước nhạt bị mất chỉ còn 42,9 km2. Như vậy, giải pháp công trình nâng cấp đê biển giúp bảo vệ và giữ lại được 66,8 km2 diện tích phân bố nước nhạt cho địa phương.

4. Nước sông và nước biển ảnh hưởng đến hai tầng chứa nước trong phạm vi khoảng cách bao xa tính từ bờ?

Đối với tầng chứa nước Holocen (qh), mối quan hệ thủy lực tuyến tính trực tiếp diễn ra trong dải khoảng cách từ 1,5 km đến 3,0 km so với đường bờ; càng vào sâu đất liền thì biên độ dao động triều triệt tiêu dần. Đối với tầng chứa nước Pleistocen (qp), ảnh hưởng của dao động triều chỉ ghi nhận được trong dải từ 1,5 km đến 2,0 km tính từ bờ biển và diễn ra gián tiếp qua cơ chế truyền áp lực thủy tĩnh.

5. Những mô hình và phần mềm chuyên dụng nào được tác giả tích hợp trong nghiên cứu?

Tác giả đã sử dụng phần mềm Visual MODFLOW kết hợp mô đun SEAWAT (chạy trong hệ thống mô hình hóa Groundwater Modeling System - GMS) để mô phỏng dòng chảy 3 chiều và quá trình dịch chuyển khối lượng nồng độ chất tan TDS có tính đến tỷ trọng chất lỏng thay đổi. Đồng thời, tác giả ứng dụng mô hình số độ cao DEM và các phương pháp giải tích của Bindeman, Healy & Cook và Darcy để tính toán thông số đầu vào cho mô hình số.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Trần Thị Thanh Thủy là công trình khoa học chuyên ngành Kỹ thuật địa chất được thực hiện công phu, giải quyết trọn vẹn bài toán dự báo định lượng tác động của biến đổi khí hậu, nước biển dâng và hoạt động khai thác đến tài nguyên nước dưới đất tỉnh Thái Bình. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa điều tra thực địa, thí nghiệm địa chất thủy văn hiện trường và mô hình số ba chiều SEAWAT, luận án đã làm sáng tỏ cơ chế mặn hóa, phân định rõ phạm vi tác động thủy hải văn tuyến tính và chứng minh vai trò rửa mặn của nước mưa đối với tầng Holocen cũng như vai trò quyết định của khai thác nhân tạo đối với tầng Pleistocen. Các kết quả dự báo trữ lượng nước nhạt theo các kịch bản đê điều đến năm 2100 cung cấp luận cứ khoa học tin cậy, đóng góp thiết thực cho công tác quy hoạch, quản trị và bảo vệ bền vững tài nguyên nước dưới đất tại các dải đồng bằng ven biển châu thổ sông Hồng.