Tổng quan nghiên cứu

Nguồn nước ngọt trên Trái Đất chỉ chiếm khoảng 3,0% tổng lượng nước toàn cầu, trong đó nước dưới đất chiếm tới 30,1% và giữ vai trò sống còn đối với sự phát triển kinh tế - xã hội của nhiều quốc gia. Tại Việt Nam, tổng tài nguyên dự báo nước ngầm ước tính đạt khoảng 172,6 triệu m3/ngày, tuy nhiên việc phân bổ nguồn nước không đồng đều và áp lực khai thác đang gia tăng nhanh chóng. Tỉnh An Giang có diện tích tự nhiên 3.537,40 km2, trong đó diện tích đất sản xuất nông nghiệp chiếm tới 81,4% (tương đương 297.348,95 ha), tạo nên nhu cầu sử dụng nước tưới tiêu và sinh hoạt rất lớn. Mặc dù sở hữu hai dòng sông lớn là sông Tiền và sông Hậu với mật độ mạng lưới sông rạch đạt 0,72 km/km2, nguồn nước mặt tại đây thường xuyên đối mặt với nguy cơ suy kiệt vào mùa cạn và ô nhiễm cục bộ.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ thực trạng trữ lượng nước ngầm của tỉnh phân bố không đều, chủ yếu tập trung dọc theo các dải ven sông Tiền và sông Hậu, trong khi lượng khai thác thực tế đã vượt ngưỡng 10% tổng trữ lượng tiềm năng. Mục tiêu cụ thể của luận văn là ứng dụng công nghệ mô hình hóa số với phần mềm Visual MODFLOW 4.2 kết hợp GIS nhằm xây dựng mô hình thủy động lực học dòng chảy 3 chiều, đánh giá chính xác trữ lượng khai thác tiềm năng và tính toán cân bằng nước ngầm cho toàn tỉnh An Giang. Nghiên cứu được triển khai trên phạm vi 11 đơn vị hành chính cấp huyện trong giai đoạn từ tháng 12/2015 đến tháng 10/2016, tạo lập luận cứ khoa học tin cậy giúp cơ quan quản lý hoạch định chính sách khai thác bền vững và ngăn ngừa nguy cơ sụt lún địa tầng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng định luật thấm Darcy mở rộng trong môi trường rỗng ba chiều kết hợp với phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả dòng chảy ngầm không ổn định. Khung lý thuyết cân bằng nước ngầm động lực học được xây dựng dựa trên mối quan hệ giữa lượng bổ cập tự nhiên, lượng thoát tự nhiên, sự biến thiên trữ lượng tĩnh và lượng khai thác nhân tạo. Theo nguyên lý này, phương trình xác định trữ lượng khai thác tiềm năng được thiết lập thông qua hệ số xâm phạm trữ lượng tĩnh với giá trị tính toán an toàn bằng 0,3.

Các khái niệm chuyên ngành nền tảng được vận dụng xuyên suốt bao gồm: tầng chứa nước tự do không áp, tầng chứa nước có áp, tầng cách nước ít thấm, hệ số dẫn nước thủy lực theo ba phương không gian và hệ số nhả nước trọng lực. Mô hình nghiên cứu phân chia không gian bồn trũng thành hệ thống gồm 6 tầng chứa nước chính xen kẽ 6 tầng cách nước, giúp phản ánh chân thực các pha tương tác phức tạp giữa nước mặt và nước dưới đất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được kế thừa và thu thập đồng bộ từ chuỗi quan trắc địa chất thủy văn của 3 cụm trạm quốc gia tại An Giang gồm trạm Q407 tại Châu Phú, Q408 tại Long Xuyên và Q004 tại Châu Đốc, kết hợp với tài liệu địa tầng của hơn 30 lỗ khoan thăm dò sâu và hệ thống giếng khai thác hiện hữu trên địa bàn 11 huyện thị. Phương pháp chọn mẫu nghiên cứu được thực hiện theo nguyên tắc lấy mẫu đại diện phân tầng địa chất từ tầng mặt Holocen đến các tầng trầm tích Pleistocen và Pliocen, đảm bảo kiểm soát đầy đủ các cấu trúc địa tầng chứa nước ngọt và nước mặn.

Về phương pháp phân tích, nghiên cứu sử dụng module ArcHydro Groundwater trong môi trường ArcGIS 10.2 kết hợp MapInfo 9.0 để biên tập ranh giới địa tầng và dựng mô hình cấu trúc hình học 3D. Lý do lựa chọn Visual MODFLOW phiên bản 4.2 với thuật toán giải lặp Preconditioned Conjugate Gradient là nhờ khả năng mô phỏng linh hoạt hệ thống lưới sai phân hữu hạn bị biến dạng theo ranh giới địa chất thực tế, tích hợp hiệu quả các điều kiện biên thủy văn phức tạp như biên sông, biên bốc thoát hơi nước và biên giếng khoan. Timeline thu thập dữ liệu tập trung trong tháng 12/2015 và tháng 01/2016, tiếp nối bằng quá trình hiệu chỉnh mô hình động thái kéo dài liên tục đến tháng 10/2016.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình cấu trúc 3D đã làm rõ đặc điểm phân bố không gian của 6 tầng chứa nước tại An Giang, bao gồm: tầng Holocen (qh), Pleistocen thượng (qp3), Pleistocen trung - thượng (qp2-3), Pleistocen hạ (qp1), Pliocen trung (n22) và Pliocen hạ (n21). Kết quả tính toán cho thấy tầng chứa nước Pleistocen trung - thượng và Pliocen trung là hai tầng có triển vọng khai thác lớn nhất, đóng góp hơn 65% tổng trữ lượng nước ngọt tiềm năng của toàn tỉnh nhờ chiều dày phân bố ổn định và hệ số dẫn nước cao.

Phân tích hiện trạng khai thác năm 2015 chỉ ra sự chênh lệch rõ nét giữa các khu vực: lưu lượng khai thác tập trung cao tại thành phố Long Xuyên và thị xã Châu Đốc, chiếm hơn 10% tổng trữ lượng tiềm năng toàn tỉnh, trong khi tại các huyện miền núi như Tri Tôn và Tịnh Biên tỷ lệ này chỉ đạt dưới 3%. Mô hình Visual MODFLOW sau quá trình hiệu chỉnh các thông số thấm và hệ số nhả nước đã đạt độ chính xác cao, sai số giữa mực nước tính toán và mực nước quan trắc thực tế tại các giếng chuẩn như 203-II, Q204010, 879-III và LK 08 duy trì ở mức dưới 5%.

Mô phỏng các kịch bản cân bằng nước đến năm 2020 và 2025 chỉ ra rằng: Nếu duy trì kịch bản tăng trưởng khai thác 10% mỗi năm, mực nước ngầm tầng Pleistocen trung - thượng sẽ sụt giảm từ 1,5m đến 3,2m tại các khu vực tập trung đông dân cư. Ngược lại, kịch bản giảm khai thác 15% mỗi năm kết hợp bổ cập nhân tạo sẽ giúp khôi phục cột áp thủy lực từ 0,8m đến 1,2m, đảm bảo an toàn cho bồn chứa nước ngầm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự hạ thấp mực nước ngầm cục bộ tại các đô thị ven sông Hậu là do mật độ giếng khoan khai thác quy mô vừa và nhỏ tăng nhanh, trong khi lớp trầm tích sét phèn dày ở tầng mặt cản trở lượng nước mưa bổ cập trực tiếp (dù lượng mưa trung bình đạt 1.200 - 1.600 mm/năm). So sánh với các nghiên cứu tương tự tại đồng bằng tỉnh Quảng Trị hay thành phố Tam Kỳ, mô hình tại An Giang cho thấy tính phức tạp cao hơn do chịu tác động kép từ chế độ bán nhật triều sông Mê Công và hiện tượng biên mặn ngầm ở các tầng trầm tích sâu.

Về phương thức trực quan hóa, toàn bộ diễn biến động thái dòng ngầm được biểu diễn sinh động thông qua hệ thống đồ thị dao động mực nước theo thời gian thực tại các điểm quan trắc 879-III, CD014 và LK 08. Kết quả dự báo các kịch bản phát triển nguồn nước được tổng hợp chi tiết qua các bảng ma trận cân bằng nước và bản đồ 3D thể hiện phễu hạ thấp mực nước, giúp các nhà quản lý dễ dàng nhận diện những vùng có nguy cơ cạn kiệt cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, ban hành quy chế kiểm soát khai thác nước ngầm phân vùng chi tiết, thực hiện mục tiêu cắt giảm tối thiểu 15% lưu lượng khai thác tại các khu vực xuất hiện phễu hạ thấp mực nước lớn thuộc thành phố Long Xuyên và huyện Châu Phú trong giai đoạn 2017-2020 do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh An Giang chủ trì thực hiện.

Thứ hai, xây dựng và đưa vào vận hành hệ thống mạng lưới 15 trạm quan trắc tự động liên tục đối với các tầng chứa nước có áp chủ lực gồm Pleistocen trung - thượng và Pliocen trung trước năm 2022, giao Trung tâm Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước miền Nam phối hợp với Chi cục Thủy lợi địa phương quản lý.

Thứ ba, chuyển đổi tối thiểu 40% cơ cấu nguồn cấp nước sinh hoạt đô thị và công nghiệp sang sử dụng nguồn nước mặt từ sông Tiền và sông Hậu thông qua các dự án mở rộng nhà máy nước tập trung trước năm 2025, dưới sự chỉ đạo của Ủy ban nhân dân tỉnh An Giang và các doanh nghiệp cấp nước trên địa bàn.

Thứ tư, triển khai chương trình trám lấp 100% các giếng khoan hư hỏng, giếng không sử dụng hoặc khai thác trái phép tại 11 huyện, thị xã, thành phố nhằm ngăn ngừa triệt để nguy cơ ô nhiễm chất bẩn và hiện tượng xâm nhập mặn xuyên tầng trước năm 2023 do Phòng Tài nguyên và Môi trường cấp huyện phối hợp cùng chính quyền xã thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm cơ quan quản lý nhà nước như Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Ủy ban nhân dân các cấp có thể khai thác bộ dữ liệu trữ lượng tiềm năng và các kịch bản cân bằng nước để xây dựng quy hoạch phân bổ tài nguyên nước, cấp phép khai thác minh bạch và ngăn chặn nguy cơ ô nhiễm tầng ngầm.

Nhóm kỹ sư, chuyên gia tư vấn địa chất thủy văn và công trình ngầm tìm thấy trong tài liệu quy trình chuẩn hóa dữ liệu giếng khoan, phương pháp thiết lập mô hình 3D trên ArcHydro Groundwater và bộ thông số dẫn nước thủy lực thực tế để ứng dụng vào các dự án khảo sát tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long.

Nhóm doanh nghiệp cấp nước sạch, ban quản lý các khu - cụm công nghiệp trên địa bàn tỉnh An Giang có thể sử dụng kết quả đánh giá để lựa chọn vị trí giếng khoan, xác định chiều sâu tầng khai thác an toàn và tính toán lưu lượng bơm tối ưu nhằm giảm thiểu chi phí vận hành và rủi ro cạn giếng.

Nhóm giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Quản lý đất đai, Kỹ thuật tài nguyên nước, Khoa học môi trường có thể dùng luận văn làm tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp ứng dụng phần mềm Visual MODFLOW kết hợp công nghệ GIS trong xử lý bài toán dòng ngầm không gian 3 chiều.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần ứng dụng phần mềm Visual MODFLOW thay thế phương pháp tính toán trữ lượng tĩnh truyền thống? Phương pháp truyền thống chỉ ước tính lượng nước tĩnh không đổi theo thời gian, trong khi Visual MODFLOW 4.2 giải phương trình vi phân dòng thấm 3 chiều, cho phép mô phỏng chính xác tương tác thủy lực giữa 6 tầng chứa nước và dự báo chi tiết biến động mực nước theo từng kịch bản khai thác với sai số dưới 5%.

Tầng chứa nước nào tại An Giang có trữ lượng khai thác tiềm năng lớn nhất? Hai tầng chứa nước có tiềm năng khai thác vượt trội nhất là tầng Pleistocen trung - thượng (qp2-3) và tầng Pliocen trung (n22), đóng góp hơn 65% tổng trữ lượng nước ngọt của tỉnh nhờ bề dày tầng chứa lớn, độ dẫn nước cao và chất lượng nước tương đối tốt.

Thực trạng khai thác nước ngầm tại An Giang năm 2015 diễn ra như thế nào? Tổng lượng nước ngầm khai thác chiếm hơn 10% tổng trữ lượng tiềm năng toàn tỉnh, trong đó hoạt động khai thác tập trung mật độ cao tại thành phố Long Xuyên và thị xã Châu Đốc, tạo ra các phễu hạ thấp mực nước cục bộ cần được khoanh vùng bảo vệ.

Nếu nhu cầu sử dụng nước ngầm tiếp tục tăng 10% mỗi năm thì hậu quả ra sao? Theo kết quả mô phỏng đến năm 2025, kịch bản tăng trưởng khai thác 10%/năm sẽ làm mực nước ngầm tại các tầng chứa nước chủ lực sụt giảm sâu từ 1,5m đến 3,2m, làm gia tăng nguy cơ suy kiệt tầng chứa nước ngọt và sụt lún mặt đất cục bộ.

Mô hình nghiên cứu đã sử dụng những dữ liệu đầu vào nào để đảm bảo tính chuẩn xác? Mô hình tích hợp chuỗi số liệu thủy văn nhiều năm, lượng mưa trung bình 1.200 - 1.600 mm/năm, dữ liệu quan trắc từ 3 cụm trạm quốc gia Q407, Q408, Q004 cùng cấu trúc địa tầng của hơn 30 lỗ khoan sâu được số hóa đồng bộ trên môi trường ArcHydro Groundwater.

Kết luận

Luận văn đã số hóa thành công cơ sở dữ liệu địa chất thủy văn tỉnh An Giang với hệ thống 6 tầng chứa nước và 6 tầng cách nước trên nền tảng công nghệ ArcHydro Groundwater 3D.

Nghiên cứu ứng dụng thành công phần mềm Visual MODFLOW 4.2 mô phỏng chính xác dòng chảy ngầm 3 chiều với sai số kiểm định thực tế đạt dưới 5%.

Kết quả đánh giá xác định tầng Pleistocen trung - thượng và Pliocen trung nắm giữ hơn 65% tiềm năng nước ngọt, đồng thời cảnh báo rủi ro sụt giảm mực nước tới 3,2m nếu tăng khai thác 10%/năm.

Định hướng giai đoạn 2017-2025 đặt trọng tâm vào việc vận hành mạng lưới 15 trạm quan trắc tự động và chuyển đổi 40% nhu cầu dùng nước sang nguồn nước mặt sông Tiền, sông Hậu.

Các cơ quan quản lý và đơn vị nghiên cứu hãy ứng dụng ngay mô hình Visual MODFLOW để chuẩn hóa công tác cấp phép và quy hoạch khai thác nước ngầm bền vững tại địa phương.