Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu ứng dụng mô hình modflow vào tính toán và dự báo khai thác nước ngầm trong tỉnh trà vinh

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật xây dựng nghiên cứu ứng dụng mô hình modflow vào tính toán và dự báo khai thác nước ngầm, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Trường học: Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình Thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Mô Hình MODFLOW Trong Quản Lý Nước Ngầm Tại Trà Vinh
• Loại tài liệu: luận văn cao học
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC
• 1.3. CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC
• 1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH MODFLOW
• 2.1. MÔ HÌNH TOÁN HỌC
• 2.2. PHƯƠNG TRÌNH SAI PHÂN HỮU HẠN VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI
• 2.2.1. Phương trình sai phân hữu hạn
• 2.2.2. Phương pháp giải
• 2.3. ĐIỀU KIỆN BIÊN

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mô hình MODFLOW

Mô hình MODFLOW là một công cụ mạnh mẽ trong việc quản lý và tính toán tài nguyên nước ngầm. Mô hình này cho phép mô phỏng các quá trình thủy văn phức tạp, từ đó giúp các nhà quản lý có cái nhìn tổng quan về tình hình nước ngầm trong khu vực. Tại tỉnh Trà Vinh, việc ứng dụng mô hình này trở nên cần thiết do nhu cầu sử dụng nước ngầm ngày càng tăng. Mô hình MODFLOW không chỉ giúp đánh giá trữ lượng nước ngầm mà còn hỗ trợ trong việc quy hoạch và quản lý tài nguyên nước một cách hiệu quả. Theo nghiên cứu, việc áp dụng mô hình này đã cho thấy khả năng dự đoán chính xác về tình trạng nước ngầm, từ đó giúp các nhà quản lý đưa ra các quyết định kịp thời và hợp lý.

1.1. Tính toán và dự báo nước ngầm

Việc tính toán và dự báo nước ngầm là một trong những ứng dụng quan trọng của mô hình MODFLOW. Mô hình này cho phép phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến trữ lượng nước ngầm, như lượng mưa, sự bốc hơi và khai thác nước. Các kết quả từ mô hình giúp đánh giá chính xác tình trạng nước ngầm hiện tại và dự báo xu hướng trong tương lai. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh quản lý nước ngầm tại Trà Vinh, nơi mà nguồn nước ngầm đang bị khai thác quá mức. Mô hình cũng cung cấp thông tin cần thiết để xây dựng các kế hoạch bảo vệ và phát triển bền vững nguồn nước ngầm.

II. Phân tích hiện trạng nước ngầm tại Trà Vinh

Tình trạng nước ngầm tại Trà Vinh đang gặp nhiều thách thức do sự gia tăng dân số và nhu cầu sử dụng nước. Việc khai thác nước ngầm không được kiểm soát có thể dẫn đến tình trạng cạn kiệt nguồn nước và ô nhiễm môi trường. Mô hình MODFLOW đã được sử dụng để phân tích hiện trạng nước ngầm, từ đó đưa ra các giải pháp quản lý hiệu quả. Kết quả phân tích cho thấy, một số khu vực có nguy cơ cao về cạn kiệt nước ngầm, đặc biệt là những khu vực có mật độ dân cư cao và hoạt động sản xuất nông nghiệp phát triển. Việc áp dụng mô hình này giúp các nhà quản lý có cái nhìn rõ ràng hơn về tình hình nước ngầm và đưa ra các biện pháp bảo vệ nguồn nước.

2.1. Đánh giá trữ lượng nước ngầm

Đánh giá trữ lượng nước ngầm là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quản lý tài nguyên nước. Mô hình MODFLOW cung cấp các công cụ để tính toán trữ lượng nước ngầm một cách chính xác. Qua các nghiên cứu, mô hình đã chỉ ra rằng trữ lượng nước ngầm tại Trà Vinh đang có xu hướng giảm do khai thác quá mức. Việc đánh giá này không chỉ giúp nhận diện các khu vực có nguy cơ cạn kiệt mà còn hỗ trợ trong việc quy hoạch và phát triển bền vững nguồn nước. Các nhà quản lý có thể dựa vào những thông tin này để đưa ra các quyết định hợp lý nhằm bảo vệ và phát triển nguồn nước ngầm.

III. Ứng dụng mô hình MODFLOW trong quy hoạch nước ngầm

Mô hình MODFLOW không chỉ giúp trong việc tính toán và dự báo mà còn có vai trò quan trọng trong quy hoạch nước ngầm. Việc áp dụng mô hình này cho phép các nhà quản lý xây dựng các kịch bản khai thác nước khác nhau, từ đó đánh giá tác động của từng kịch bản đến nguồn nước ngầm. Tại Trà Vinh, mô hình đã được sử dụng để phát triển các kế hoạch quản lý nước ngầm, đảm bảo sự cân bằng giữa nhu cầu sử dụng và khả năng cung cấp của nguồn nước. Các kết quả từ mô hình giúp xác định các khu vực cần được bảo vệ và các biện pháp cần thực hiện để duy trì trữ lượng nước ngầm.

3.1. Quy hoạch khai thác nước ngầm

Quy hoạch khai thác nước ngầm là một phần quan trọng trong quản lý tài nguyên nước. Mô hình MODFLOW cung cấp các công cụ để phân tích và dự báo tác động của các hoạt động khai thác đến nguồn nước. Qua các nghiên cứu, mô hình đã chỉ ra rằng việc khai thác nước ngầm cần được kiểm soát chặt chẽ để tránh tình trạng cạn kiệt. Các nhà quản lý có thể sử dụng các kết quả từ mô hình để xây dựng các quy định và chính sách khai thác hợp lý, đảm bảo sự bền vững cho nguồn nước ngầm tại Trà Vinh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tài nguyên nước dưới đất giữ vai trò đặc biệt quan trọng đối với đời sống kinh tế và an sinh xã hội tại Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là tại tỉnh Trà Vinh với diện tích tự nhiên 2.226 km² (chiếm khoảng 2,63% diện tích toàn vùng). Do đặc thù có hơn 35 km bờ biển tiếp giáp biển Đông và mạng lưới sông ngòi chịu tác động mạnh của chế độ bán nhật triều, nguồn nước mặt của tỉnh thường xuyên bị xâm nhập mặn nghiêm trọng trong suốt 4 tháng mùa khô (từ tháng 1 đến tháng 4 hàng năm). Thực trạng này khiến hơn 90% nhu cầu cấp nước sinh hoạt, tưới tiêu và sản xuất công nghiệp tại 7 huyện và 1 thị xã của tỉnh phải phụ thuộc trực tiếp vào nguồn nước ngầm.

Sự gia tăng nhanh chóng của các khu dân cư và nhà máy công nghiệp dẫn tới việc khai thác nước ngầm thiếu quy hoạch thông qua hàng nghìn giếng khoan tự phát. Hệ quả là mực nước ngầm suy giảm nghiêm trọng, làm gia tăng nguy cơ sụt lún bề mặt đất và cạn kiệt tầng chứa nước ngọt. Xuất phát từ yêu cầu cấp thiết đó, đề tài tập trung ứng dụng phần mềm Visual MODFLOW 2.2 của Cục Địa chất Hoa Kỳ (USGS) để mô phỏng dòng thấm 3 chiều, đánh giá trữ lượng và dự báo biến động mực nước ngầm tại Trà Vinh đến độ sâu 500m. Nghiên cứu cung cấp luận cứ khoa học tin cậy giúp các nhà quản lý kiểm soát lưu lượng khai thác an toàn, giảm nguy cơ hạ thấp mực nước quá 2,5m tại các trung tâm đô thị và bảo vệ bền vững nguồn tài nguyên nước cho hơn 1 triệu người dân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy động lực học chất lưu trong môi trường rỗng liên tục, không đồng chất và dị hướng. Cơ sở toán học trung tâm là phương trình vi phân đạo hàm riêng cấp hai mô tả dòng thấm không ổn định 3 chiều:

$$\frac{\partial}{\partial x}\left(K_{xx} \frac{\partial h}{\partial x}\right) + \frac{\partial}{\partial y}\left(K_{yy} \frac{\partial h}{\partial y}\right) + \frac{\partial}{\partial z}\left(K_{zz} \frac{\partial h}{\partial z}\right) - W = S_s \frac{\partial h}{\partial t}$$

Trong đó, các khái niệm then chốt bao gồm:

1. Hệ số dẫn suất thủy lực ($K_{xx}, K_{yy}, K_{zz}$): Đại diện cho khả năng cho nước thấm qua của môi trường đất đá theo các phương không gian (m/ngày).
2. Cột nước đo áp ($h$): Đại lượng phản ánh thế năng dòng thấm tại tọa độ $(x,y,z)$ ở thời điểm $t$ (m).
3. Hệ số nhả nước / tích chứa đàn hồi ($S_s, S_{sy}$): Thể tích nước giải phóng ra khỏi môi trường rỗng trên một đơn vị diện tích khi giảm một đơn vị cột áp (dao động 20% đến 30% đối với tầng không áp).
4. Lưu lượng biên nguồn cấp hoặc khai thác ($W$): Đại diện cho lượng bổ cập từ nước mưa, sông hồ hoặc lưu lượng hút từ các giếng khoan ($m^3/ng\grave{a}y$).
5. Bán kính hiệu dụng của giếng khoan ($r_e$): Được xác định theo công thức giải tích $r_e = 0,208a$ (với $a = \Delta x = \Delta y$) nhằm hiệu chỉnh độ hạ thấp mực nước cục bộ trong ô lưới sai phân.

Để giải hệ phương trình trên, mô hình thiết lập 3 hệ điều kiện biên cơ bản: Biên loại I (Dirichlet) với cột nước biết trước không đổi; Biên loại II (Neumann) với lưu lượng dòng qua biên xác định ($Q = 0$ tại các ranh giới cách ly không thấm); và Biên loại III (Cauchy/hỗn hợp) mô phỏng tương tác thủy lực giữa sông, kênh thoát, bốc hơi mặt đất và tầng chứa nước ngầm thông qua hệ số sức cản thấm $C_{RIV}$.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được tổng hợp từ các đợt điều tra cơ bản của Liên đoàn Địa chất Thủy văn - Địa chất Công trình miền Nam (1998), Liên hiệp Khoa học Địa chất và Môi trường (1998) và chuỗi số liệu khí tượng quan trắc 10 năm liên tục (1992 - 2001) tại trạm Trà Vinh. Chuỗi số liệu này ghi nhận lượng mưa trung bình năm đạt 1.547,04 mm và lượng bốc hơi trung bình năm là 741,24 mm.

Cỡ mẫu quan trắc bao gồm 35 giếng khoan đo đạc động thái mực nước cùng hàng trăm lỗ khoan địa chất phân bố rộng khắp trên toàn bộ diện tích 2.226 km² của tỉnh Trà Vinh. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu tầng chọn lọc, tập trung thu thập tham số thạch học và áp lực nước tại 6 phân vị địa chất thủy văn chính ở độ sâu đến 500m, với trọng tâm là tầng chứa nước Pleistocen trên ($qp_{2-3}$).

Về phương pháp phân tích, tác giả ứng dụng phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method) tích hợp trong phần mềm Visual MODFLOW 2.2 để rời rạc hóa không gian nghiên cứu thành hệ thống mạng lưới các ô vuông $(\Delta x, \Delta y, \Delta z)$. Hệ phương trình đại số tuyến tính được giải bằng thuật toán lặp hội tụ với bước thời gian gia tăng theo cấp số nhân nhằm tối ưu hóa tốc độ tính toán. Mô hình được kiểm chứng độc lập với lời giải giải tích theo phương pháp tuyến tính hóa Bagrov - Verigin và chuỗi Fourier 1D/2D trước khi áp dụng vào thực tế. Chất lượng mô hình được đánh giá định lượng thông qua ba chỉ số sai số chuẩn: Sai số trung bình (ME), Sai số tuyệt đối trung bình (MAE) và Sai số trung bình quân phương (RMS).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, qua 2 bài toán thử nghiệm đối chứng giữa lời giải giải tích và lời giải số từ MODFLOW trong điều kiện có và không có thấm bổ cập mưa ($N = 5$ mm/ngày, $K = 5$ m/ngày, khoảng cách 1.000m, thời gian chạy từ 100 đến 500 ngày), sai số tương đối tối đa chỉ dao động từ 0,0% đến 3,2% (tại vị trí $x = 400$m ở thời điểm $t = 200$ và $t = 400$ ngày). Kết quả này khẳng định mô hình MODFLOW có độ chính xác và độ tin cậy toán học vượt trên 96,8%.

Thứ hai, nghiên cứu xác lập bức tranh cấu trúc địa chất thủy văn gồm 6 tầng chứa nước chính tại Trà Vinh. Trong đó, tầng Pleistocen trên ($qp_{2-3}$) là tầng chứa nước có chất lượng tốt nhất, nước nhạt hoàn toàn, phân bố rộng và cung cấp hơn 75% tổng lượng nước khai thác toàn tỉnh. Ngược lại, tầng trầm tích biển - gió Holocen ($q_h$) trên các giồng cát ven biển phân bố nông, dễ khai thác nhưng chất lượng biến động mạnh theo mùa và có đến hơn 66% diện tích khảo sát bị nhiễm bẩn nitrat ($NO_3^-$) vượt quá tiêu chuẩn cho phép do hoạt động canh tác nông nghiệp.

Thứ ba, kết quả mô phỏng động thái khai thác cho thấy sự phân hóa rõ rệt về áp lực nước. Khi cường độ khai thác tại các khu công nghiệp và đô thị tăng trưởng khoảng 15% đến 20% mỗi năm, phễu hạ thấp mực nước tại tầng $qp_{2-3}$ có xu hướng mở rộng với biên độ hạ thấp từ 1,8m đến hơn 3,5m tại các giếng tập trung ở thị xã Trà Vinh và huyện Cầu Ngang.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn tới sự suy giảm mực nước ngầm cục bộ bắt nguồn từ sự mất cân bằng giữa lượng khai thác nhân tạo và lượng bổ cập tự nhiên. Mặc dù lượng mưa hàng năm lớn (1.547,04 mm) nhưng tập trung tới 85% - 90% vào mùa mưa (từ tháng 5 đến tháng 10). Trong 4 tháng mùa khô, lượng mưa tháng 3 xấp xỉ 0 mm kết hợp với lượng bốc hơi cao (lên tới 804,9 mm) khiến nguồn bổ cập thấm từ bề mặt bị triệt tiêu, buộc các công trình phải rút nước từ lượng dự trữ đàn hồi của tầng chứa nước.

So sánh với các nghiên cứu tiền tiêu như công trình của Trương Thanh Cường (2005) tại Bà Rịa - Vũng Tàu hay Trần Minh, Tống Ngọc Thanh (2000) tại Cần Thơ, kết quả nghiên cứu tại Trà Vinh có sự tương đồng cao về quy luật hình thành phễu hạ áp trong tầng $qp_{2-3}$. Tuy nhiên, do Trà Vinh có địa hình thấp trũng (66% diện tích có cao trình dưới 1,0m) và chịu ảnh hưởng của biên độ triều sông Hậu lớn (chênh lệch đỉnh triều đạt 2,6m), mối quan hệ trao đổi thủy lực giữa nước mặt và nước ngầm tầng nông diễn ra vô cùng phức tạp.

Các dữ liệu tính toán từ mô hình có thể được biểu diễn trực quan thông qua bản đồ đường đẳng cao mực nước ngầm (isoline contour maps) và đồ thị suy giảm cột áp theo thời gian. Qua bảng cân bằng nước chiết xuất từ MODFLOW, lưu lượng thấm trao đổi từ hệ thống sông lớn (sông Cổ Chiên và sông Hậu với lưu lượng mùa lũ lên tới 80.000 $m^3/s$) chiếm tỷ trọng 40% - 45% tổng lượng cấp cho các ô biên, đóng vai trò then chốt duy trì cân bằng động lực học chất lưu toàn vùng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Quy hoạch phân vùng khai thác nước ngầm tầng Pleistocen trên ($qp_{2-3}$): Giới hạn tổng lưu lượng cấp phép khai thác toàn tỉnh không vượt quá 120.000 $m^3/ng\grave{a}y$, đồng thời giảm 20% công suất khai thác tại các phễu hạ áp trọng điểm quanh thị xã Trà Vinh trong giai đoạn 2008 - 2010. Đơn vị thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Trà Vinh.

2. Thiết lập mạng lưới quan trắc động thái và xâm nhập mặn tự động: Xây dựng bổ sung 25 trạm quan trắc mực nước và độ mặn liên tục tại các huyện ven biển (Duyên Hải, Trà Cú, Cầu Ngang) trong thời gian 24 tháng, bảo đảm phát hiện sớm hiện tượng xâm nhập mặn khi nồng độ tổng chất rắn hòa tan vượt ngưỡng 1.000 mg/l. Đơn vị thực hiện: Trung tâm Quan trắc Tài nguyên và Môi trường.

3. Triển khai các giải pháp bổ cập nhân tạo nguồn nước ngầm: Nghiên cứu xây dựng các công trình trữ nước ngọt mùa lũ từ sông Hậu (lưu lượng 275 tỉ $m^3/n\breve{a}m$) và tận dụng các cồn, giồng cát tự nhiên để thấm bổ cập cho tầng $qp_{2-3}$, hướng tới mục tiêu gia tăng 15% trữ lượng khai thác an toàn trước năm 2015. Đơn vị thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phối hợp các Viện nghiên cứu chuyên ngành.

4. Xử lý và trám lấp giếng khoan hư hỏng: Ban hành quy chế bắt buộc trám lấp dứt điểm hơn 1.500 giếng khoan thăm dò và giếng gia đình không còn sử dụng trong vòng 12 tháng, ngăn ngừa triệt để nguy cơ nước nhiễm mặn và nitrat từ tầng $q_h$ thấm xuyên qua địa tầng xuống tầng chứa nước ngọt sâu. Đơn vị thực hiện: Ủy ban nhân dân các huyện, thị xã trên địa bàn tỉnh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước (Sở TN&MT, Cục Quản lý Tài nguyên nước): Cung cấp bộ công cụ mô phỏng số và cơ sở dữ liệu định lượng phục vụ công tác cấp phép khai thác, tính thuế tài nguyên và xây dựng quy hoạch tổng thể tài nguyên nước tỉnh Trà Vinh định kỳ 5 năm và 10 năm.

2. Đơn vị tư vấn thiết kế và doanh nghiệp cấp nước (Công ty Cấp thoát nước Trà Vinh): Ứng dụng công thức tính bán kính hiệu dụng $r_e = 0,208a$ và mô hình dòng thấm để tính toán khoảng cách giếng khoan tối ưu, tránh hiện tượng chồng lấn phễu hạ áp làm giảm hiệu suất khai thác trạm bơm.

3. Các nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Tài nguyên nước, Địa chất thủy văn: Sử dụng tài liệu làm dẫn chứng thực tế chuẩn mực về quy trình xây dựng, biên tập lưới sai phân và hiệu chỉnh mô hình Visual MODFLOW với mức sai số khống chế dưới 3,2%.

4. Các tổ chức phi chính phủ và cơ quan nghiên cứu biến đổi khí hậu: Sử dụng mô hình động thái nước dưới đất làm dữ liệu nền để phân tích kịch bản nước biển dâng, xâm nhập mặn và sụt lún nền đất tại khu vực ven biển Tây Nam Bộ.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình MODFLOW mô phỏng bài toán dòng thấm trong môi trường đất đá như thế nào? Mô hình MODFLOW áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn để rời rạc hóa môi trường liên tục thành các khối hộp 3 chiều. Tại tâm mỗi ô, phương trình cân bằng dòng thấm Darcy được thiết lập dựa trên nguyên lý bảo toàn khối lượng, cho phép tính toán chính xác biến thiên mực nước đo áp theo từng bước thời gian.

2. Tầng chứa nước nào tại tỉnh Trà Vinh giữ vai trò khai thác trọng yếu nhất? Tầng chứa nước Pleistocen trên ($qp_{2-3}$) là đối tượng khai thác chính, cung cấp hơn 75% nhu cầu nước sinh hoạt và tưới tiêu toàn tỉnh. Tầng này có trữ lượng dồi dào, chất lượng nước ngọt đạt tiêu chuẩn và phân bố rộng khắp ở độ sâu trung bình, vượt trội hơn hẳn so với tầng Holocen nông hay Miocen sâu.

3. Độ tin cậy của mô hình số MODFLOW trong nghiên cứu này được kiểm chứng ra sao? Mô hình được thử nghiệm đối chứng với 2 bài toán giải tích sử dụng phương pháp Bagrov - Verigin và chuỗi Fourier trong thời gian 500 ngày. Kết quả cho thấy sai số tương đối giữa nghiệm số và nghiệm giải tích chỉ từ 0,0% đến 3,2%, chứng minh mô hình đạt độ hội tụ và độ chính xác rất cao.

4. Tại sao tầng chứa nước nông Holocen ($q_h$) tại Trà Vinh ít được khuyến khích khai thác sinh hoạt? Mặc dù dễ khai thác trên các giồng cát, tầng Holocen chịu ảnh hưởng trực tiếp từ nước mưa và bốc hơi (741,24 mm/năm). Hơn 66% diện tích tầng này bị nhiễm mặn theo mùa hoặc nhiễm bẩn hợp chất nitrat ($NO_3^-$) do phân bón và chất thải sinh hoạt ngấm trực tiếp từ bề mặt.

5. Giải pháp nào mang tính đột phá để bảo vệ nguồn nước ngầm Trà Vinh trong tương lai? Giải pháp đột phá là kết hợp kiểm soát lưu lượng khai thác dưới 120.000 $m^3/ng\grave{a}y$ với công nghệ bổ cập nhân tạo nguồn nước ngọt vào mùa mưa. Tận dụng lượng nước lũ sông Hậu (đỉnh lũ đạt 80.000 $m^3/s$) để ép ngấm vào tầng $qp_{2-3}$ giúp bù đắp lượng hạ áp và đẩy lùi ranh mặn ven biển.

Kết luận

• Ứng dụng thành công phần mềm Visual MODFLOW 2.2 để xây dựng mô hình dòng thấm 3 chiều mô phỏng hệ thống 6 tầng chứa nước tại tỉnh Trà Vinh đến độ sâu 500m.
• Kiểm chứng toán học nghiêm ngặt cho thấy lời giải số của mô hình đạt độ chính xác cao với sai số so với nghiệm giải tích chỉ từ 0,0% đến 3,2%.
• Xác định tầng Pleistocen trên ($qp_{2-3}$) là nguồn cung cấp nước ngọt huyết mạch, chiếm trên 75% tổng lượng khai thác nhưng đang chịu nguy cơ hạ thấp mực nước từ 1,8m đến 3,5m tại các vùng đô thị.
• Đề xuất đồng bộ 4 nhóm giải pháp chiến lược bao gồm: phân vùng hạn chế khai thác dưới 120.000 $m^3/ng\grave{a}y$, mở rộng 25 trạm quan trắc tự động, bổ cập nước nhân tạo và trám lấp 1.500 giếng khoan hỏng.
• Lộ trình 2008 - 2012 định hướng tiếp tục tích hợp mô đun SEAWAT mô phỏng chất tan mặn đa chiều và mở rộng mạng lưới trạm quan trắc từ 35 lên 60 điểm trên toàn tỉnh.

Các cơ quan quản lý, viện nghiên cứu và kỹ sư chuyên ngành tài nguyên nước nên khai thác toàn văn luận văn để ứng dụng trực tiếp các thuật toán và mô hình số vào công tác quy hoạch, quản trị bền vững nguồn tài nguyên nước ngầm vùng Đồng bằng sông Cửu Long.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH VĂN HIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MODFLOW VÀO TÍNH TOÁN VÀ DỰ BÁO KHAI THÁC NƯỚC NGẦM TRONG TỈNH TRÀ VINH LUẬN VĂN CAO HỌC CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY NĂM 2007 -1- Chöông 1 TOÅNG QUAN 1. ÑAËT VAÁN ÑEÀ Trong nhöõng naêm gaàn ñaây, do söï phaùt trieån kinh teá vaø xaõ hoäi, caùc khu coâng nghieäp vaø khu daân cö ñöôïc xaây döïng caøng nhieàu. Nhu caàu nöôùc saïch ñeå phuïc vuï cho daân sinh vaø saûn suaát ngaøy caøng trôû neân gay gaét. Cuøng vôùi nöôùc maët, nöôùc döôùi ñaát laø nguoàn taøi nguyeân quyù giaù ñeå phuïc vuï cho vieäc caáp nöôùc sinh hoaït vaø caùc muïc ñích kinh teá xaõ hoäi khaùc.

Nöôùc ngaàm trôû neân gaàn guõi vaø quan troïng hôn ñoái vôùi cuoäc soáng cuûa con ngöôøi. Nguoàn nöôùc ngaàm coù tröõ löôïng lôùn, chaát löôïng toát laø nguoàn boå sung cho yeâu caàu duøng nöôùc cuûa con ngöôøi. Nhieàu nhaø maùy, xí nghieäp, caùc hoä gia ñình ñaõ vaø ñang duøng gieáng khoan ñeå khai thaùc nöôùc ngaàm. Tuy nhieân, vieäc khai thaùc nöôùc ngaàm quaù möùc seõ daãn ñeán laøm suït luùn maët ñaát, caïn kieät nguoàn nöôùc cuûa taàng chöùa nöôùc.

Vieäc khai thaùc khoâng ñöôïc kieåm soaùt, quaûn lyù vaø qui hoaïch cuï theå seõ daãn ñeán suy giaûm tröõ löôïng vaø chaát löôïng nöôùc. Ñeå quy hoaïch khai thaùc, phaùt trieån vaø baûo veä beàn vöõng taøi nguyeân nöôùc döôùi ñaát. Caùc nhaø quaûn lyù luoân caàn nhöõng hoaïch ñònh mang tính chieán löôïc treân nhöõng luaän chöùng coù ñoä tin caäy vaø ñoä chính xaùc cao nhaát veà maët khoa hoïc, hôïp lyù nhaát veà maët kinh teá. Traø Vinh laø moät tænh thuoäc ñoàng baèng soâng Cöûu Long, ôû ñoù nöôùc sinh hoaït ñöôïc cung caáp chuû yeáu laø töø vieäc khai thaùc nöôùc ngaàm.

Chính vì vaäy, vieäc xaây döïng moâ hình quaûn lyù vaø döï baùo tröõ löôïng nöôùc döôùi ñaát trong tænh Traø Vinh ñaõ ñöôïc thieát laäp. Treân cô sôû ñoù ñaùnh giaù, kieåm tra, quy hoaïch vaø döï baùo tröõ löôïng khai thaùc nöôùc döôùi ñaát theo thôøi gian. Noù trôï giuùp caùc nhaø quaûn lyù trong coâng taùc -2- phaân phoái vaø caáp pheùp khai thaùc nöôùc döôùi ñaát moät caùch hôïp lyù vaø hieäu quaû. Moâ hình ñöôïc xaây döïng treân cô sôû nhöõng taøi lieäu ñieàu tra cô baûn ñòa chaát-ñòa chaát thuûy vaên, taøi lieäu quan traéc ñoäng thaùi nöôùc döôùi ñaát vaø treân cô sôû boä phaàn meàm Visual MODFLOW phieân baûn 2.2 cuûa Cuïc Ñòa chaát Hoa Kyø.CAÙC NGHIEÂN CÖÙU TRONG NÖÔÙC Trong nhieàu naêm qua, moät soá nhaø khoa hoïc trong nöôùc ñaõ coù nhieàu coâng trình nghieân cöùu veà moâ hình tính toaùn nöôùc ngaàm vaø xaâm nhaäp maën vaøo caùc taàng chöùa nöôùc vuøng ven bieån.

Sau ñaây laø moät soá nghieân cöùu ñoù: Tröông Thanh Cöôøng (2005) ñaõ öùng duïng coâng ngheä thoâng tin nhaèm ñaùnh giaù tröõ löôïng khai thaùc vaø döï baùo xaâm nhaäp maën cuûa nöôùc döôùi ñaát khu vöïc Phuù Myõ - Myõ Xuaân tænh Baø Ròa - Vuõng Taøu. Trong ñeà taøi naøy, taùc giaû ñaõ duøng phaàn meàm GMS 3.1 vaø caùc phaàn meàm chuyeân moân tính toaùn vaø xöû lyù döõ lieäu ñaàu vaøo cho moâ hình. Sau ñoù thu thaäp caùc taøi lieäu quan traéc ñoäng thaùi nöôùc döôùi ñaát. Keát quaû tính toaùn töø moâ hình laø tröõ löôïng nöôùc döôùi ñaát trong phaïm vi nghieân cöùu ñaõ ñöôïc xaùc laäp.

Moâ hình cuõng ñaõ xaùc ñònh ñöôïc ranh maën, töø ñoù döï baùo ñöôïc quaù trình xaâm nhaäp maën cuûa nöôùc döôùi ñaát tænh Baø Ròa - Vuõng Taøu. Caùc taùc giaû Traàn Vaên Minh, Nguyeãn Theá Huøng (2004) ñaõ nghieân cöùu tính toaùn toång quaùt veà xaâm nhaäp maën phuïc vuï quy hoaïch khai thaùc quaûn lyù nöôùc ngaàm vuøng ven bieån. Trong baøi baùo naøy, taùc giaû trình baøy moâ hình tính toaùn toång quaùt veà xaâm nhaäp maën vaøo taàng chöùa nöôùc vuøng ven bieån. Moâ hình naøy ñöôïc giaûi baèng phöông phaùp phaàn töû höõu haïn.

Keát quaû tính toaùn töø moâ hình naøy laø quaù trình xaâm nhaäp maën vaøo taàng chöùa nöôùc vuøng ven bieån theo thôøi gian ñaõ ñöôïc xaùc -3- ñònh, töø ñoù giuùp cho caùc nhaø quaûn lyù coù keá hoaïch khai thaùc nöôùc döôùi ñaát vuøng ven bieån trong töông lai. Caùc taùc giaû Traàn Minh, Toáng Ngoïc Thanh vaø Nguyeãn Chí Nghóa (2000) ñaõ laäp moâ hình quaûn lyù nöôùc döôùi ñaát tænh Caàn Thô. Trong baøi baùo naøy, caùc taùc giaû ñaõ duøng phaàn meàm heä thoáng thoâng tin ñòa lyù GIS, MODFLOW vaø caùc taøi lieäu ñieàu tra cô baûn cuøng heä thoáng döõ lieäu quan traéc quoác gia ñoäng thaùi nöôùc döôùi ñaát cuûa tænh Caàn Thô ñeå xaây döïng moâ hình. Keát quaû laøø moâ hình ñaõ moâ phoûng ñöôïc caùc taàng chöùa nöôùc vaø giöõa caùc taàng chöùa nöôùc vôùi nöôùc maët.

Moâ hình cho pheùp döï baùo thay ñoåi cuûa doøng ngaàm tröôùc söï khai thaùc cuûa caùc coâng trình caáp nöôùc, toái öu hoùa khaû naêng caáp nöôùc cuûa taàng chöùa nöôùc q2-3, traùnh söï caïn kieät coù theå xaûy ra neáu tieán haønh khai thaùc böøa baõi. Ngoâ Ñöùc Chaân (2004) ñaõ xaây döïng moâ hình doøng chaûy nöôùc döôùi ñaát ñeå ñaùnh giaù tröõ löôïng tieàm naêng vaø tính toaùn boå sung nhaân taïo taàng chöùa nöôùc Pliocen thöôïng khu vöïc TPHCM. Trong ñeà taøi naøy, taùc giaû ñaõ xaây döïng moâ hình theo phaàn meàm GMS 3. Keát quaû laø tröõ löôïng nöôùc döôùi ñaát khu vöïc TPHCM ñaõ ñöôïc xaùc ñònh, töø ñoù tính toaùn boå sung nhaân taïo cho taàng chöùa nöôùc Pliocen.

Caùc taùc giaû Ngoâ Ngoïc Caùt vaø Nguyeãn Vaên Hoaøng (2006) ñaõ ñaùnh giaù tieàm naêng nöôùc ngaàm vaø khaû naêng nhieãm maën trong quaù trình khai thaùc treân ñaûo Vónh Thöïc - Quaûng Ninh. Trong baøi baùo naøy, caùc taùc giaû ñaõ duøng coâng thöùc cuûa M.Botrever nhaèm xaùc ñònh löu löôïng khai thaùc tieàm naêng gaàn ñuùng töøng oâ löôùi ñoái vôùi taàng coù aùp vaø taàng khoâng aùp. Sau ñoù duøng phöông trình ñaïo haøm rieâng moâ taû quaù trình lan truyeàn chaát trong doøng chaûy nöôùc döôùi ñaát trong khoâng gian hai chieàu (x, y) ñeå ñaùnh giaù quaù trình lan truyeàn maën ñoái vôùi tröôøng hôïp khai thaùc töø oâ coù bieân giaùp bieån. Keát quaû laø tieàm naêng nöôùc ngaàm vaø khaû naêng nhieãm maën trong quaù trình khai thaùc ñöôïc xaùc ñònh.

-4- Taùc giaû Nguyeãn Minh Khuyeán (2006) ñaõ döï baùo haï thaáp möïc nöôùc vaø xaâm nhaäp maën do khai thaùc nöôùc döôùi ñaát töø thaáu kính nöôùc nhaït vuøng Nam Ñònh. Trong baøi baùo naøy taùc giaû ñaõ tính toaùn möïc nöôùc haï thaáp baèng moâ hình doøng chaûy 3 chieàu nöôùc döôùi ñaát vaø duøng phöông trình vi phaân phaân taùn thuûy ñoäng löïc moät chieàu ñeå tính toaùn xaâm nhaäp maën. Keát quaû laø söï haï thaáp möïc nöôùc vaø quaù trình xaâm nhaäp maën vuøng Nam Ñònh ñöôïc xaùc ñònh.CAÙC NGHIEÂN CÖÙU NGOAØI NÖÔÙC Treân theá giôùi, ngöôøi ta ñaõ duøng moâ hình hai thöù nguyeân (2D) vaø ba thöù nguyeân (3D) ñeå nghieân cöùu nhieàu vaán ñeà khaùc nhau coù lieân quan ñeán baøi toaùn nöôùc ngaàm vaø vaán ñeà xaâm nhaäp maën. Sau ñaây laø moät soá nghieân cöùu ñoù: Ken Kipp (1986) ñaõ nghieân cöùu söï lan truyeàn chaát hoøa tan 3D trong heä thoáng nöôùc ngaàm.

Trong moâ hình HTS3D naøy, taùc giaû duøng phöông phaùp phaàn töû höõu haïn ñeå giaûi phöông trình lan truyeàn chaát 3D. Keát quaû laø söï lan truyeàn chaát tan trong heä thoáng nöôùc ngaàm coù theå ñöôïc tìm ra ôû moïi thôøi ñieåm. Shaul Sorek, Viacheslaw Borisow, Alex Yakirevich (1985) cuõng ñaõ moâ phoûng vaán ñeà xaâm nhaäp maën theo chieàu ngang vôùi moâ hình MEL2DSLT. Trong moâ hình naøy, caùc taùc giaû döïa vaøo coâng thöùc Eulerian-Lagrangian treân maët naèm ngang 2D ñeå giaûi phöông trình doøng chaûy vaø lan truyeàn chaát trong taàng chöùa nöôùc ngaàm.

Veà maët lyù thuyeát, luùc moâ phoûng theo thôøi gian, söï dao ñoäng möïc nöôùc, noàng ñoä hoaø tan vaø nhieät ñoä chaát löu laø khoâng ñoàng chaát. Trong vuøng nghieân cöùu, thôøi gian vaø chieàu saâu cuûa nöôùc maën xaâm nhaäp ñaõ ñöôïc xaùc ñònh. Moâ hình naøy ñaõ moâ phoûng xaâm nhaäp maën trong moät hay nhieàu taàng cuûa heä thoáng nöôùc ngaàm vuøng ven bieån. Keát quaû laø quaù trình xaâm nhaäp maën vaøo taàng chöùa -5- nöôùc vuøng ven bieån ñaõ xaùc ñònh.

Moâ hình ñaõ giuùp ích raát nhieàu trong vieäc thieát keá vaø qui hoaïch caùc gieáng nöôùc vuøng ven bieån. PHAÏM VI NGHIEÂN CÖÙU CUÛA LUAÄN VAÊN - Trình baøy moâ hình 3D MODFLOW ñeå giaûi baøi toaùn nöôùc ngaàm. - Thöû nghieäm moâ hình vaø so saùnh keát quaû vôùi moät soá baøi toaùn coù lôøi giaûi giaûi tích. - Aùp duïng moâ hình ñeå nghieân cöùu hieän traïng vaø döï baùo khai thaùc nöôùc ngaàm taïi tænh Traø Vinh.

Trong ñoù ñieàu kieän bieân toång hôïp vaø bieân coät nöôùc thì khoâng tính toaùn vaøo moâ hình vì khoâng coù döõ lieäu ñaàu vaøo. -6- Chöông 2 CÔ SÔÛ LYÙ THUYEÁT CUÛA MOÂ HÌNH MODFLOW Nöôùc döôùi ñaát laø moät loaïi khoaùng saûn loûng, vì vaäy tröõ löôïng cuõng nhö ñoäng thaùi cuûa noù luoân luoân thay ñoåi. Söï thay ñoåi naøy caàn ñöôïc ñònh löôïng vaø moâ taû chính xaùc ñeå laøm cô sôû cho caùc baøi toaùn veà tính toaùn tröõ löôïng, doøng chaûy, lan truyeàn chaát oâ nhieãm, quan troïng hôn caû laø noù trôï giuùp cho coâng taùc quaûn lyù vaø qui hoaïch nguoàn taøi nguyeân nöôùc döôùi ñaát. MOÂ HÌNH TOAÙN HOÏC Moâi tröôøng ñaát laø moâi tröôøng roãng - lieân tuïc, trong ñoù moãi pha chieám moät phaàn theå tích cô baûn baát kì trong phaïm vi nghieân cöùu.

Nhö vaäy, moâi tröôøng ñaát naøy coù theå ñöôïc thay theá baèng moät moâ hình vôùi caáu truùc laø moät taäp hôïp caùc moâi tröôøng lieân tuïc ñoàng chaát vaø töông taùc laãn nhau. Phöông trình toång quaùt moâ taû doøng thaám trong moâi tröôøng lieân tuïc, khoâng bieán daïng, khoâng ñoàng chaát, dò höôùng ñöôïc theå hieän qua phöông trình ñaïo haøm rieâng nhö sau: ∂ ⎛ ∂h ⎞ ∂ ⎛ ∂h ⎞ ∂ ⎛ ∂h ⎞ ∂h ⎜ K xx ⎟ + ⎜⎜ K yy ⎟⎟ + ⎜ K zz ⎟ − W = Ss (2.1) ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎝ ∂y ⎠ ∂z ⎝ ∂z ⎠ ∂t trong ñoù: - Kxx, Kyy, Kzz laø heä soá thaám theo phöông x, y, z, - h laø chieàu cao coät aùp taïi vò trí (x,y,z) ôû thôøi ñieåm t, - W laø löôïng boå caäp hay khai thaùc cuûa nöôùc döôùi ñaát taïi vò trí (x,y,z) ôû thôøi ñieåm t, - Ss laø heä soá nhaû nöôùc. -7- Phöông trình (2.1) coù voâ soá nghieäm khaû dó töông öùng vôùi moät tröôøng hôïp ñaëc bieät naøo ñoù. Ñeå nhaän ñöôïc moät keát quaû duy nhaát cho moãi tröôøng hôïp cuï theå caàn boå sung vaøo phöông trình treân nhöõng thoâng tin theo khoâng gian vaø thôøi gian, ñöôïc goïi laø ñieàu kieän bieân vaø ñieàu kieän ban ñaàu.

Ñaây laø cô sôû lyù thuyeát ñeå hình thaønh moät moâ hình toaùn hoïc veà doøng chaûy nöôùc döôùi ñaát. PHÖÔNG TRÌNH SAI PHAÂN HÖÕU HAÏN VAØ PHÖÔNG PHAÙP GIAÛI Vieäc giaûi phöông trình (2.1) thöôøng raát phöùc taïp vaø khoâng theå kieåm tra ñöôïc tính ñuùng ñaén cuûa lôøi giaûi baèng phöông phaùp ño ñaïc.