Luận văn thạc sĩ về lún mặt đất do khai thác nước ngầm tại đồng bằng sông Cửu Long

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật xây dựng nghiên cứu sự lún mặt đất do khai thác nước ngầm bằng mô hình toán áp dụng vào, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Quốc Thái
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Thanh Sơn
• Trường học: Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Sự Lún Mặt Đất Do Khai Thác Nước Ngầm Bằng Mô Hình Toán. Áp Dụng Vào Một Khu Vực Của Đồng Bằng Sông Cửu Long
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. HCM

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về lún mặt đất do khai thác nước ngầm tại đồng bằng sông Cửu Long là một vấn đề cấp thiết, đặc biệt trong bối cảnh đô thị hóa và biến đổi khí hậu. Tình trạng sụt lún ảnh hưởng đến cơ sở hạ tầng và môi trường sống của người dân. Mục tiêu của nghiên cứu này là thiết lập mối quan hệ giữa mực nước ngầm và độ lún mặt đất, từ đó đưa ra các giải pháp quản lý tài nguyên nước hiệu quả. Theo nghiên cứu, sự biến động của mực nước ngầm không chỉ dẫn đến lún mặt đất mà còn ảnh hưởng đến các vấn đề môi trường khác như biến đổi khí hậu và tác động môi trường.

1.1 Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn mang lại giá trị thực tiễn trong việc quản lý tài nguyên nước. Việc áp dụng mô hình toán học như SIGMA/W giúp dự đoán chính xác mức độ lún mặt đất, từ đó hỗ trợ cho các quyết định quy hoạch và xây dựng. Theo một nghiên cứu gần đây, lún mặt đất đã được ghi nhận tăng lên đáng kể tại nhiều khu vực thuộc đồng bằng sông Cửu Long, ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn công trình và sinh hoạt của người dân.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc sử dụng mô hình giải tích và mô hình toán số để phân tích lún mặt đất do khai thác nước ngầm. Mô hình SIGMA/W được áp dụng để tính toán sự thay đổi của mực nước ngầm và độ lún mặt đất. Nghiên cứu này cũng sử dụng dữ liệu địa chất và thủy văn để đảm bảo tính chính xác trong các tính toán. Các thông số như độ dẫn thủy lực, áp lực nước lỗ rỗng, và đặc tính của các lớp đất được xem xét kỹ lưỡng. Kết quả từ mô hình sẽ được so sánh với dữ liệu thực tế để đánh giá độ chính xác của mô hình.

2.1 Mô hình toán học

Mô hình toán học được thiết lập dựa trên các phương trình cơ bản của cơ học đất và thủy văn. Mô hình SIGMA/W cho phép tính toán các yếu tố ảnh hưởng đến lún mặt đất như mực nước ngầm và các yếu tố tác động khác. Nghiên cứu sẽ phân tích độ nhạy của các thông số đầu vào đối với kết quả tính toán, từ đó xác định được các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến lún mặt đất.

III. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy có mối tương quan rõ ràng giữa sự giảm mực nước ngầm và lún mặt đất. Các khu vực có khai thác nước ngầm mạnh mẽ như huyện Châu Thành, tỉnh Trà Vinh đã ghi nhận mức độ lún cao hơn so với các khu vực khác. Phân tích cho thấy rằng việc giảm mực nước ngầm từ 1 đến 2 mét có thể dẫn đến lún mặt đất từ 10 đến 15 cm. Điều này chỉ ra rằng việc quản lý tài nguyên nước cần được thực hiện một cách nghiêm túc để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và an toàn công trình.

3.1 Phân tích độ lún

Đánh giá độ lún cho thấy rằng các yếu tố như độ dày lớp đất và điều kiện địa chất có ảnh hưởng lớn đến mức độ lún mặt đất. Các mô hình tính toán cho thấy sự tương tác giữa áp lực nước và độ lún là rất quan trọng trong việc dự đoán các biến động trong tương lai. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc duy trì mực nước ngầm ổn định là cần thiết để ngăn chặn tình trạng lún mặt đất gia tăng.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng lún mặt đất do khai thác nước ngầm là một vấn đề nghiêm trọng tại đồng bằng sông Cửu Long. Để giảm thiểu tình trạng này, cần có các biện pháp quản lý tài nguyên nước hiệu quả, bao gồm việc kiểm soát khai thác nước ngầm và áp dụng các công nghệ mới trong quản lý nước. Ngoài ra, cần tăng cường công tác tuyên truyền nhằm nâng cao nhận thức của cộng đồng về tác động của khai thác nước ngầm đến môi trường.

4.1 Kiến nghị

Đề xuất xây dựng các chính sách quản lý tài nguyên nước bền vững, khuyến khích sử dụng các nguồn nước thay thế và áp dụng công nghệ tiết kiệm nước. Cần thiết lập các khu vực bảo vệ nguồn nước ngầm và tổ chức các chương trình giám sát thường xuyên nhằm theo dõi tình trạng mực nước ngầm và lún mặt đất. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc phát triển các mô hình dự báo chính xác hơn về lún mặt đất trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Nước là nguồn tài nguyên không thể thiếu, cần thiết cho mọi hoạt động sống. Đối với con người, nước được dùng trong các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, môi trường, giải trí và hơn hết là duy trì sự sống. Nước bao phủ 71% diện tích Trái Đất, trong đó có 97% là nước mặn, còn lại là nước ngọt. Nước ngầm là một dạng nước dưới đất, là nước ngọt được chứa trong các lỗ rỗng của đất hoặc đá.

Nó cũng có thể là nước chứa trong các tầng ngậm nước bên dưới mực nước ngầm. Đôi khi người ta còn phân biệt nước ngầm nông, nước ngầm sâu và nước chôn vùi. Hiện nay, với sự tiến bộ của công nghệ khai thác (công nghệ khoan, bơm, …) cũng như nhu cầu dùng nước ngày càng tăng của con người, nước ngầm đang bị khai thác quá mức, vượt quá giới hạn nguồn tự nhiên. Điều này dẫn đến nhiều hệ lụy khác nhau, như: ô nhiễm nguồn nước, xâm nhập mặn, giảm về lượng và chất nguồn nước ngầm, … trong đó sự sụt, lún đất do khái thác nước ngầm quá mức là vấn đề cần quan tâm, nhất là ở các thành phố lớn, vùng châu thổ đông dân cư trên thế giới.

Hiện tượng sụt, lún đất do khai thác quá mức nước ngầm diễn ra tại nhiều nơi trên thế giới. Các sự cố về sụt, lún được ghi nhận tại New Orleans, Arizona, Nevada, Texas, California – Hoa Kỳ (Hình 1.2); Bangkok – Thái Lan; Suzhou – Trung Quốc; Osaka – Nhật Bản; Jakarta – Indonesia (Hình 1.3),… đều liên quan đến khai thác quá mức nước ngầm. Điều này kéo theo lũ lụt cục bộ, ngập úng đô thị, làm biến dạng hư hỏng các công trình xây dựng.1 Khai thác nước ngầm khu vực gần hồ Lucerne Lake, trong mùa khô tại San Bernardino County, Mojave Desert, California làm sụt nền đất, gây nứt lòng hồ. Nguồn: https://www.gov/ Trang 1 Hình 1.2 Sụt lún đất tại San Joaquin Valley, California.

(Nguồn: https://phys.org/news/) Hình 1.3 Gần 40% thành phố Jakarta, Indonesia chìm dưới mực nước biển, hậu quả của việc khai thác nước ngầm, gây ngập lụt nghiêm trọng (The New York Times, 2017). Nguồn: https://storymaps.com/ Tại TP. Hồ Chí Minh, hiện nay có khoảng 100.000 giếng khoan khai thác nước ngầm có đường kính và độ sâu khác nhau, phân bố không đều trên các khu vực với tổng lượng khai thác nước ngầm là 710.000 m3/ngày do các hộ khai thác đơn lẻ, các đơn vị, doanh nghiệp khai thác 225.000 m3/ngày, còn lại là Tổng công ty Cấp nước Sài Gòn (SAWACO) [1]. Khối lượng khai thác này đã gần tiệm cận với trữ lượng khai thác an toàn và có nguy cơ thiếu an toàn.

Hiện tượng lún xảy ra nghiêm trọng, cụ thể: tại phường An Lạc, quận Bình Tân (TPHCM) trong 12 năm lún tới 81,4 cm. Đây cũng là nơi có tốc độ lún lớn nhất, lên tới 6,78 cm/năm [2], tại Quận 6 là từ 10÷15 cm, Quận 1 là từ 15÷20 cm, thậm chí tại Quận 2 và 7 là hơn 20 cm tại thời điểm ghi nhận một số vị trí trong năm 2003 và 2004 [3]. Trang 2 Đối với khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), hoạt động khai thác nước ngầm diễn ra phức tạp gây sụt lún đất nghiêm trọng, đặc biệt ở những vùng hoạt động sản xuất, sinh hoạt phụ thuộc nhiều vào tài nguyên nước dưới đất. Theo nghiên cứu về tình trạng lún do khai thác nước ngầm vừa được thực hiện, nếu tình trạng khai thác nước ngầm vẫn tiếp tục tăng cao như hiện nay, cho đến năm 2100, ĐBSCL có thể lún trung bình 68 cm đến 100 cm phụ thuộc vào mức khai thác nước ngầm [4].

Sự biến động của mực nước ngầm dẫn đến sụt lún nền và công trình xây dựng đã và đang tiếp diễn tại các thành phố lớn. Vì vậy, nghiên cứu thiết lập mối tương quan giữa hạ thấp cao độ mực nước ngầm và sụt lún nền sẽ giúp đưa ra những qui hoạch và phương thức quản lý hợp lý, nhất là trong bối cảnh của sự đô thị hóa như hiện nay. Cùng với sự phát triển của công nghệ, các mô hình toán số dùng để giải quyết bài toán sụt lún đất đã ra đời, một trong những mô hình đó là bộ phần mềm GeoStudio, mà cụ thể là phần mềm con SIGMA/W, do công ty GEOSLOPE International Ltd (Canada) phát triển.2 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu sự lún mặt đất khi khai thác nước ngầm bằng mô hình toán (giải tích và toán số). Áp dụng vào một khu vực cụ thể thuộc ĐBSCL.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu độ sụt lún mặt đất khi khai thác nước ngầm bằng mô hình toán (giải tích và toán số).

- Phạm vi nghiên cứu: Vùng Đồng bằng sông Cửu Long.4 Nội dung nghiên cứu - Cơ sở lý thuyết về nước dưới đất, giếng khai thác nước ngầm và biến dạng lún. - Cơ sở lý thuyết của phần mềm SIGMA/W. - Nghiên cứu đề xuất một biểu thức giải tích cho phép ước tính độ lún mặt đất do khai thác nước ngầm. - Ứng dụng phần mềm SIGMA/W vào nghiên cứu một số bài toán cơ bản khi khai thác nước ngầm và lún mặt đất.

- Ứng dụng phần mềm SIGMA/W vào nghiên cứu độ lún mặt đất do khai thác nước ngầm tại một khu vực cụ thể thuộc ĐBSCL.5 Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu chính được sử dụng trong đề tài này bao gồm: - Phương pháp kế thừa: kế thừa kết quả nghiên cứu của các đề tài, dự án trên thế giới cũng như tại Việt Nam liên quan đến dòng thấm nước dưới đất cũng như vấn đề sụt lún đất do khai thác nước ngầm. - Phương pháp thu thập, tổng hợp thống kê tài liệu nghiên cứu trước đây. - Phương pháp mô hình toán giải tích và toán số. Trang 3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH TOÁN GIẢI TÍCH VÀ TOÁN SỐ 2.1 Thủy lực giếng khai thác nước ngầm [5], [6] 2.1 Trường hợp giếng đơn hoàn chỉnh 2.1 Tầng thấm nước có áp Xét giếng hoàn chỉnh bán kính r0 được khoan tới tận tầng không thấm của một tầng thấm nước có áp đồng chất, đẳng hướng có chiều dày B và độ dẫn suất thuỷ lực K (Hình 2.

Q - lưu lượng bơm từ giếng r - bán kính tính từ tâm giếng đến vị trí đo áp R1 - bán kính ảnh hưởng r0 - bán kính giếng H0 - cột nước đo áp trong giếng H - cột nước đo áp tại vị trí cách tâm giếng một khoảng cách r H1 - cột nước đo áp ban đầu B - bề dày tầng thấm nước S0 - độ hạ thấp mực nước trong giếng S - độ hạ thấp mực nước tại vị trí cách tâm giếng một khoảng cách r Hình 2.1 Sơ đồ tính trường hợp giếng đơn hoàn chỉnh – tầng thấm nước có áp. Theo [5], sử dụng các giả thiết của Dupuit, phương trình tổng quát xác định lưu lượng bơm Q (hệ toạ độ cực, lỗ khoan là gốc) tại một khoảng cách r bất kỳ như sau: Trang 4  2 T  H1  H  2 TS Q    R1 R  ln ln 1  r r (2-1)  H1  H  S  Q R  ln 1 2 T r Tại vị trí thành giếng  r  r0 , H  H 0 , S  S0  , ta có:   H1  H 0  S0  2 T ln r Q R1   2 T  H1  H 0  2 TS0 0    (2-2) Q  R R  ln 1 ln 1 r0 r0 Trong đó: Q (m³/s) là lưu lượng bơm từ giếng; r (m) là bán kính tính từ tâm giếng đến vị trí đo áp; H (m) là cột nước đo áp tại vị trí cách tâm giếng một khoảng cách r; H1 (m) là cột nước đo áp ban đầu; H0 (m) là cột nước đo áp trong giếng; T  K  B (m²/s) là độ dẫn truyền; K (m/s) là độ dẫn suất thủy lực; B (m) là bề dày tầng thấm nước; R1 (m) là bán kính ảnh hưởng; S0 (m) là độ hạ thấp mực nước trong giếng; r0 (m) là bán kính giếng; Theo [7], một vài biểu thức kinh nghiệm xác định bán kính ảnh hưởng R1:  Công thức Siechardt: R1  10S0 K  Công thức Kusakin: R1  2 S 0 H1 K Với K (m/ngày) là độ dẫn suất thủy lực.2 Tầng thấm nước không áp Xét giếng hoàn chỉnh bán kính ro được khoan tới tận tầng không thấm của một TTN không áp đồng chất, đẳng hướng có chiều dày B và ĐDSTL K (Hình 2. Trang 5 Q - lưu lượng bơm từ giếng r - bán kính tính từ tâm giếng đến vị trí đo áp R1 - bán kính ảnh hưởng d - khoảng cách tính từ MĐTN đến đường mực nước ban đầu H0 - cột nước đo áp trong giếng H - cột nước đo áp tại vị trí cách tâm giếng một khoảng cách r H1 - cột nước đo áp ban đầu B - bề dày tầng thấm nước; r0 - bán kính giếng S0 - độ hạ thấp mực nước trong giếng S - độ hạ thấp mực nước tại vị trí cách tâm giếng một khoảng cách r Hình 2.2 Sơ đồ tính trường hợp giếng đơn hoàn chỉnh – tầng thấm nước không áp.