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

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.

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.