Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Nam Định có diện tích tự nhiên 1.637 km² cùng quy mô dân số gần 1,9 triệu người, mật độ cư trú trung bình đạt xấp xỉ 1.200 người/km². Nằm ở phía nam đồng bằng châu thổ sông Hồng với chiều dài đường bờ biển 72 km, khu vực này chịu áp lực gay gắt về nguồn nước ngọt phục vụ dân sinh và phát triển kinh tế do hiện tượng xâm nhập mặn sâu từ 22 km đến 25 km dọc theo các dòng chính như sông Đáy và sông Hồng. Việc nghiên cứu thấu kính nước nhạt trong các tầng chứa nước sâu Pleistocen và Neogen đóng vai trò sống còn đối với an ninh nguồn nước của địa phương.

Mục tiêu cụ thể của công trình là làm sáng tỏ nguồn gốc, cơ chế thành tạo và động thái dịch chuyển của thấu kính nước nhạt dưới đất tại Nam Định thông qua việc tích hợp phương pháp thủy văn đồng vị và mô hình số. Nghiên cứu tập trung vào phạm vi không gian gồm 4 huyện ven biển trọng điểm là Xuân Trường, Giao Thủy, Hải Hậu và Nghĩa Hưng, sử dụng chuỗi dữ liệu địa chất - thủy văn từ năm 1995 đến năm 2012 để đưa ra các dự báo cân bằng nước đến năm 2020. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc định hướng quy hoạch khai thác bền vững nguồn tài nguyên nước có tiềm năng ước tính đạt trên 203.000 m³/ngày, đồng thời thiết lập các giải pháp ngăn chặn tốc độ hạ thấp mực nước ngầm đang diễn ra ở mức khoảng 0,4 m/năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết dòng thấm trong môi trường lỗ hổng - khe nứt và nguyên lý địa hóa đồng vị môi trường. Chu trình vận động của nước ngầm được mô tả thông qua phương trình vi phân đạo hàm riêng của dòng chảy ngầm ba chiều trong môi trường dị tính và đẳng hướng từng lớp. Phương pháp đồng vị thủy văn áp dụng lý thuyết phân tách đồng vị cân bằng và động học của các đồng vị bền gồm hydro (²H hay Deuteri) và oxy (¹⁸O), đối chiếu trực tiếp với đường nước khí tượng toàn cầu theo hệ thức tuyến tính giữa tỷ số đồng vị oxy và hydro.

Các khái niệm trọng tâm bao gồm:

  • Thấu kính nước nhạt: Khối nước ngầm có độ tổng khoáng hóa dưới 1,0 g/l nằm xen kẹp hoặc nổi trên các khối nước mặn trong trầm tích Đệ Tứ và Neogen.
  • Đường nước khí tượng: Tuyến tương quan giữa thành phần đồng vị bền trong nước mưa khu vực và toàn cầu, dùng làm chuẩn so sánh nguồn gốc bổ cập.
  • Tuổi tuyệt đối của nước dưới đất: Khoảng thời gian lưu trữ của khối nước kể từ khi ngấm vào tầng chứa nước, được định lượng thông qua chu kỳ bán rã của các đồng vị phóng xạ như Cacbon-14 (¹⁴C) và Triti (³H).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu đa dạng từ mạng lưới quan trắc quốc gia gồm 15 công trình quan trắc tiêu biểu (như trạm Q108, Q109, Q110) kết hợp cùng tài liệu chuyên sâu của Dự án VietAs - Danida và Dự án IGPVN do Cộng hòa Liên bang Đức tài trợ. Cỡ mẫu nghiên cứu thực địa bao gồm 48 mẫu nước mặt, nước mưa và nước dưới đất được thu thập tại các tầng chứa nước khác nhau ở độ sâu từ 15 m đến 248 m. Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo chiều sâu địa tầng và vị trí địa lý đại diện dọc theo tuyến mặt cắt từ lục địa ra bờ biển được lựa chọn nhằm bóc tách ranh giới thủy hóa phức tạp.

Phương pháp phân tích mẫu bao gồm đo đạc tỷ số đồng vị bền (δ²H và δ¹⁸O) bằng khối phổ kế đối chiếu với mẫu chuẩn đại dương VSMOW, kết hợp phân tích hoạt độ phóng xạ ¹⁴C trong tổng cacbon vô cơ hòa tan và xác định hàm lượng khí trơ hòa tan. Các tham số thủy lực và trường áp lực được đưa vào phần mềm Visual MODFLOW và GMS để thiết lập lưới mô hình số ba chiều, giải bài toán dòng thấm với 3 loại điều kiện biên thủy văn xác định. Lý do áp dụng tổ hợp phương pháp này xuất phát từ tính ưu việt của kỹ thuật đồng vị trong việc xác định nguồn gốc cổ sinh của nước mà các chỉ tiêu hóa lý thông thường không thể chứng minh, đồng thời mô hình số cho phép lượng hóa chính xác trữ lượng khai thác an toàn theo thời gian thực.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả nghiên cứu đã làm sáng tỏ cấu trúc địa chất thủy văn toàn diện và đặc tính thủy hóa tại dải ven biển tỉnh Nam Định với các phát hiện cụ thể:

  • Thứ nhất, cấu trúc địa tầng chứa nước được phân định thành 4 đơn vị chính: Tầng Holocen trên (qh2) dày từ 2 m đến 28 m (trung bình 15 m) có độ tổng khoáng hóa biến thiên mạnh từ 0,5 g/l đến 23 g/l, phần lớn bị nhiễm bẩn hữu cơ và vi sinh; tầng Holocen dưới (qh1) dày 2 m đến 25 m chứa nước lợ và mặn với độ khoáng hóa từ 3 g/l đến 30 g/l; tầng Pleistocen (qp) dày 10 m đến 78 m (trung bình 45 m) và tầng Pliocen (n2) dày 35 m đến 85 m là hai tầng giàu nước nhất. Khoảng 66% số lỗ khoan thí nghiệm trong tầng qp đạt lưu lượng lớn hơn 5,0 l/s và sở hữu cột áp lực dao động từ 50 m đến 70 m.

  • Thứ hai, phân tích đồng vị bền δ¹⁸O và δ²H kết hợp xác định tuổi tuyệt đối bằng ¹⁴C đã bác bỏ giả thuyết cho rằng thấu kính nước nhạt ven biển được bổ cập trực tiếp từ nước mưa tại chỗ thấm xuyên qua bề mặt. Các tầng sét cách nước thuộc hệ tầng Hải Hưng và Vĩnh Phúc có hệ số thấm rất thấp, chỉ đạt từ 0,01 m/ngày đến 0,11 m/ngày, tạo thành màn chắn thủy lực vững chắc.

  • Thứ ba, dữ liệu đồng vị phóng xạ khẳng định nguồn gốc thấu kính nước nhạt tầng Pleistocen và Neogen bắt nguồn từ quá trình thẩm thấu tại các khối đá vôi Trias giữa (hệ tầng Đồng Giao) thuộc khu vực Ninh Bình ở phía tây bắc, di chuyển theo hệ thống đứt gãy kiến tạo khu vực phương Tây Bắc - Đông Nam để bổ cập liên tục cho vùng ven biển Nam Định. Nước tầng Neogen có tuổi đo đạc đạt mức trung bình 18 ± 5 năm, thể hiện sự lưu thông thủy lực liên tục.

Thảo luận kết quả

Cơ chế hình thành thấu kính nước nhạt ven biển Nam Định được giải thích bằng động lực học dòng ngầm quy mô khu vực. Thế năng thủy đầu cao bắt nguồn từ vùng karst hóa cao hơn ở phía tây bắc đã tạo ra áp lực đẩy dòng nước nhạt đi sâu vào lòng đất, xuyên qua đới sụt võng Đệ Tứ và đẩy lùi ranh giới nước mặn (ngưỡng tổng khoáng hóa 1,0 g/l) lùi xa về phía biển Đông.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua biểu đồ tương quan đồng vị δ²H - δ¹⁸O, thể hiện rõ độ lệch của các mẫu nước ngầm sâu so với đường nước khí tượng địa phương do hiện tượng hòa tan và trao đổi khoáng vật cổ. Kết quả mô phỏng trên phần mềm Visual MODFLOW qua 2 kịch bản khai thác đến năm 2020 cho thấy, nếu tiếp tục duy trì tốc độ khoan giếng tự phát, phễu hạ thấp mực nước tại các trạm quan trắc ven biển như Q109a sẽ mở rộng diện tích ảnh hưởng lên tới hơn 15 km², kéo theo nguy cơ dịch chuyển ranh giới mặn vào sâu trong đất liền từ 1,5 km đến 3,0 km.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm bảo vệ và khai thác bền vững tài nguyên nước dưới đất vùng ven biển tỉnh Nam Định, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp trọng tâm:

  1. Phân vùng và giới hạn công suất khai thác nước dưới đất: Thiết lập hạn ngạch trích xuất nước tầng Pleistocen không vượt quá 150.000 m³/ngày trong giai đoạn từ nay đến năm 2025, do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Nam Định chủ trì thẩm định và cấp phép nhằm duy trì cột áp lực tĩnh an toàn.
  2. Xây dựng và nâng cấp mạng lưới quan trắc tự động: Lắp đặt thêm 12 trạm quan trắc đo độ sâu mực nước và độ mặn theo thời gian thực tại các huyện Nghĩa Hưng, Hải Hậu và Giao Thủy trước năm 2024, giúp cơ quan quản lý cắt giảm khoảng 30% thời gian phản ứng khi phát hiện dấu hiệu xâm nhập mặn bất thường.
  3. Thực hiện quy trình kỹ thuật trám lấp giếng hỏng: Ban hành hướng dẫn bắt buộc và hoàn thành trám lấp 100% các giếng khoan kiểu UNICEF cùng giếng khoan gia đình đã thoái hóa trong thời hạn 18 tháng, do Ủy ban Nhân dân các huyện phối hợp đơn vị chuyên môn thực hiện để triệt tiêu các kênh rò rỉ dẫn chất bẩn từ tầng Holocen xuống tầng sâu.
  4. Chuyển dịch cơ cấu nguồn nước công nghiệp: Tăng tỷ trọng sử dụng nguồn nước mặt sông Hồng đã qua xử lý lên mức 60% tại các khu công nghiệp Hòa Xá, Mỹ Trung đến năm 2025, nhằm giảm tỷ lệ phụ thuộc vào nguồn nước ngầm sâu xuống dưới 40%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  1. Cơ quan quản lý tài nguyên và môi trường: Cung cấp luận cứ khoa học và cơ sở dữ liệu định lượng về ranh giới mặn - nhạt giúp Sở Tài nguyên và Môi trường xây dựng quy hoạch phân bổ tài nguyên nước và cấp phép khai thác hợp lý.
  2. Chuyên gia và nghiên cứu sinh ngành Địa chất thủy văn, Địa hóa học: Cung cấp quy trình ứng dụng tích hợp đồng vị bền (δ²H, δ¹⁸O) và đồng vị phóng xạ (¹⁴C, ³H) để xác định nguồn gốc và tuổi nước ngầm trong các bồn trầm tích châu thổ ven biển.
  3. Kỹ sư thiết kế và doanh nghiệp khai thác nước sạch: Nắm vững thông số lưu lượng giếng (trên 5,0 l/s) và độ sâu tầng chứa nước giàu để tối ưu hóa thiết kế mạng lưới giếng khoan công nghiệp với chi phí vận hành thấp nhất.
  4. Chính quyền địa phương các huyện ven biển (Hải Hậu, Nghĩa Hưng, Giao Thủy): Hiểu rõ thực trạng ô nhiễm tầng nông và xu thế hạ thấp mực nước ngầm để chủ động quy hoạch mạng lưới cấp nước sinh hoạt tập trung cho cộng đồng dân cư.

Câu hỏi thường gặp

Thấu kính nước nhạt vùng Nam Định phân bố ở những tầng chứa nước nào? Thấu kính nước nhạt chất lượng tốt phân bố tập trung ở tầng Pleistocen (qp) tại độ sâu từ 57 m đến 105 m và tầng Pliocen (n2) ở độ sâu từ 88 m đến trên 200 m dọc dải ven biển Hải Hậu, Nghĩa Hưng. Trái lại, tầng nông Holocen (qh1, qh2) phần lớn là nước mặn với độ khoáng hóa dao động từ 1,0 g/l đến 23 g/l.

Kỹ thuật đồng vị đã chứng minh điều gì về nguồn gốc nước ngầm tại khu vực? Kết quả đo đạc tỷ số đồng vị δ²H, δ¹⁸O và phóng xạ ¹⁴C chứng minh nước nhạt tầng sâu không phải do nước mưa ngấm trực tiếp tại chỗ, mà bắt nguồn từ các khối đá vôi Trias vùng Ninh Bình rồi vận động theo phương Tây Bắc - Đông Nam dọc theo hệ thống đứt gãy kiến tạo.

Mực nước dưới đất tại các tầng chứa nước đang suy giảm với tốc độ bao nhiêu? Do hoạt động khai thác gia tăng, mực nước tĩnh tại các trạm quan trắc tầng Pleistocen như Q109a đang sụt giảm với tốc độ trung bình khoảng 0,4 m/năm. Hiện tượng nước tự phun lên khỏi mặt đất từng ghi nhận trước đây hầu như đã biến mất hoàn toàn.

Tại sao tầng chứa nước Holocen trên (qh2) không thích hợp cho khai thác quy mô lớn? Tầng chứa nước qh2 có bề dày hạn chế từ 2 m đến 28 m, lưu lượng khai thác nhỏ (chủ yếu dưới 0,5 l/s), độ khoáng hóa cao và thường xuyên bị nhiễm bẩn bởi các hợp chất hữu cơ, nitrit và vi sinh vật từ các hoạt động sinh hoạt trên bề mặt.

Mô hình số Visual MODFLOW đóng góp vai trò gì trong đề tài? Mô hình số được sử dụng để tái hiện không gian ba chiều của các tầng chứa nước, tính toán cân bằng lượng nước vào - ra và mô phỏng sự hình thành phễu hạ thấp mực nước theo 2 kịch bản khai thác đến năm 2020, làm cơ sở định mức lưu lượng khai thác an toàn.

Kết luận

  • Đã xác định rõ cấu trúc địa chất thủy văn vùng ven biển Nam Định, khẳng định tầng chứa nước Pleistocen (qp) và Pliocen (n2) là hai tầng chứa nước nhạt có ý nghĩa kinh tế với trữ lượng tiềm năng trên 203.000 m³/ngày.
  • Ứng dụng thành công tổ hợp đồng vị bền (δ²H, δ¹⁸O) và đồng vị phóng xạ (¹⁴C) chứng minh nguồn gốc nước nhạt được vận chuyển từ các khối karst Trias Ninh Bình theo hướng Tây Bắc - Đông Nam.
  • Cảnh báo thực trạng suy giảm mực nước ngầm 0,4 m/năm và nguy cơ ô nhiễm xuyên tầng từ lớp nước mặn Holocen nông do các lỗ khoan tự phát gây ra.
  • Xây dựng thành công mô hình số Visual MODFLOW hỗ trợ dự báo chính xác trường áp lực và cân bằng động thái nước dưới đất theo các kịch bản đến năm 2020.
  • Đề xuất đồng bộ các giải pháp công trình và phi công trình, từ phân vùng khai thác đến trám lấp giếng hỏng nhằm bảo vệ bền vững an ninh nguồn nước vùng ven biển.

Các cơ quan quản lý và đơn vị cấp nước cần nhanh chóng ứng dụng cơ sở dữ liệu của công trình để chuẩn hóa quy hoạch khai thác nước ngầm trước năm 2025. Hãy chủ động liên hệ các đơn vị chuyên môn địa chất để khảo sát vị trí và thiết lập quy trình bảo vệ thấu kính nước nhạt ngay hôm nay.