Chương 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC DƯỚI ĐẤT Xâm nhập mặn (saltwater intrusion) NDĐ là quá trình làm tăng nồng độ muối (chủ yếu là NaCl) trong nước nhạt và thu hẹp không gian của các thể chứa nước nhạt. Vấn đề này đã trở thành mục tiêu nghiên cứu của các nhà khoa học Việt Nam và trên thế giới, như ở Hà Lan, Surianam, Tây Ban Nha, Canada, Mỹ, Nga, Trung Quốc, Nhật Bản, Thái Lan, Nam Mỹ, v. đặc biệt là các quốc gia tiếp giáp với biển, các nước chịu tác động của dao động mực nước biển hiện tại và trong quá khứ. Nhiều hội thảo khoa học được tổ chức định kỳ (2 năm một lần) xoay quanh nội dung nghiên cứu này như: Hội thảo quản lý tầng chứa nước ven biển Châu Á - Thái Bình Dương (APCAMM), Hội thảo quản lý tài nguyên tầng chứa nước quốc tế (ISARM), Hội thảo xâm nhập mặn (SWIM),.
đều liên quan đến vấn đề xâm nhập mặn NDĐ. Với khái niệm nêu trên, nghiên cứu sự xâm nhập mặn NDĐ các thể nước nhạt cần phải giải quyết hàng loạt vấn đề: - Sự phân bố của các thể chứa nước nhạt và mối quan hệ của nó với các nguồn mặn. Thực tế hiện nay, người ta thường sử dụng tiêu chuẩn quy định độ tổng khoáng hóa (M) hay TDS của nước là 1g/l làm ranh giới khoanh định nước mặn và nước nhạt: Các vùng nước nhạt có M hoặc TDS <1g/l, nước mặn có M hoặc TDS ≥1g/l; - Nghiên cứu về quá trình hình thành các thấu kính nước nhạt, xác định các nguồn mặn, các cơ chế xâm nhập của nước mặn trong cùng hệ thống thủy lực; do vận động của nước mặn từ các TCN mặn khác đến thông qua các cửa sổ ĐCTV; xâm nhập từ nước mặn chứa trong các lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển nằm trên hoặc dưới TCN nhạt. - Nghiên cứu các quá trình lý, hóa sinh gây nhiễm mặn như quá trình hỗn hợp (nước trong cùng tầng chứa, hay hỗn hợp do nước trầm nén từ các lớp thấm nước yếu), quá trình khuếch tán, phân dị trọng lực, quá trình trầm nén, quá trình hòa tan.
11 - Xác định và dự báo xu thế biến đổi của các TCN, thấu kính nước nhạt do biến đổi của các yếu tố tự nhiên (thủy văn, khí hậu, nước biển dâng.) và yếu tố nhân tạo (khai thác nước, khai thác khoáng sản, xây dựng các công trình thủy lợi v. Để giải quyết được các vấn đề nêu trên, việc nghiên cứu xâm nhập mặn cần phân tích đánh giá các yếu tố địa chất (địa tầng, địa chất cấu tạo, thạch học, vận động kiến tạo, lịch sử địa chất, đặc biệt là các hoạt động tân kiến tạo, quá trình biển tiến, biển thoái); các tính chất thủy động lực của đất đá chứa nước, các yếu tố liên quan đến vận động của nước, không chỉ ở hiện tại mà cả các thời kỳ trước đây trong kỷ Đệ tứ, các yếu tố liên quan như khí hậu, thủy văn, đặc biệt là hải văn và kể cả cổ khí hậu, cổ địa lý, các hoạt động kinh tế xã hội của con người. Đồng thời cần sử dụng các phương pháp phân tích địa chất, phương pháp ĐVL, các phương pháp phân tích hóa lý, phương pháp phân tích đồng vị, phương pháp mô hình số để nghiên cứu. Chính sự phức tạp, đa dạng đó mà nghiên cứu xâm nhập mặn đã có sức hấp hẫn và lôi cuốn các nhà khoa học không chỉ trong chuyên ngành địa chất, ĐCTV mà cả các nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực khác như ĐVL, Vật lý, Hóa học, Toán học.
Tổng quan về nghiên cứu xâm nhập mặn NDĐ trên thế giới Trên cơ sở tổng hợp và phân tích các công trình khoa học đã công bố về nghiên cứu xâm nhập mặn trên thế giới cho thấy, tất cả các công trình nghiên cứu đều sử dụng kết hợp các phương pháp khác nhau để giải quyết một vấn đề cụ thể nào đó, từ đánh giá hiện trạng, xác định nguyên nhân,. cho đến đưa ra giải pháp khắc phục, hạn chế xâm nhập mặn NDĐ. Do đó, có thể trình bày theo nhóm các kết quả đã công bố trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu như sau: 1. Nhóm đánh giá hiện trạng và xác định nguyên nhân Trong công trình nghiên cứu của J.
De Vries, 1981 [47] đã kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đó (từ năm 1918 đến năm 1981) của rất nhiều các tác giả nghiên cứu về xâm nhập mặn NDĐ ở Hà Lan. Tác giả đã kết hợp nghiên cứu cấu trúc địa chất và lịch sử phát triển địa chất, địa mạo để giải thích cho sự phân bố của các thể chứa nước mặn, nhạt ở các vùng ven biển. Zubari, 1999 [122] đã phân ra một số kiểu nhiễm mặn TCN và đề xuất các khả năng quản lý chất lượng nước 12 được xem xét và xếp thứ tự ưu tiên. Cũng trên cơ sở phân tích, đánh giá, các tác giả H.
Groen, 2000 [80], ở Trường Đại học Vrije, Hà Lan đã nghiên cứu về các cơ chế xâm nhập mặn liên quan tới quá trình biển tiến, bằng cách phương pháp mô hình hóa điều kiện thủy địa hóa, ĐCTV qua thí nghiệm máng thấm hai lớp với các trường hợp tính thấm khác nhau, quan trắc sự biến đổi độ mặn theo thời gian trên cơ sở thay đổi mực áp lực. Từ kết quả chỉnh lý mô hình trên cơ sở kết quả quan trắc từ thí nghiệm, các tác giả đã đưa ra 4 cơ chế xâm nhập mặn của nước biển vào TCN trong thời kỳ biển tiến: Xâm nhập mặn theo phương ngang do quá trình biển tiến chậm vào tầng trầm tích chứa nước có hệ số thấm cao; Xâm nhập mặn theo phương thẳng đứng do quá trình biển tiến nhanh vào tầng trầm tích có hệ số thấm cao; Xâm nhập mặn xảy ra do quá trình khuếch tán trong thời kỳ biển tiến nhanh vào các trầm tích có hệ số thấm nhỏ (sét, sét pha); Kết hợp cả xâm nhập mặn theo phương thẳng đứng do quá trình khuếch tán từ các trầm tích biển hạt mịn và quá trình đối lưu trong thời kỳ biển tiến nhanh cho TCN có tầng sét nguồn gốc biển nằm trên. Edet [52], đã sử dụng phương pháp đo sâu điện kết hợp với số liệu phân tích thành phần hoá học NDĐ để nghiên cứu sự phân bố mặn nhạt TCN ở vùng ven biển Nigeria. Gingerich, 1998 [73], thì đới chuyển tiếp mặn-nhạt xác định theo công thức của Ghyben-Herzberg không áp dụng được trong trường hợp áp lực nước tại các độ sâu khác nhau trên mặt cắt thẳng đứng và đề xuất công thức xác định đới chuyển tiếp mặn-nhạt dựa vào số liệu phân bố áp lực nước theo phương thẳng đứng.
Việc xác định ảnh hưởng của khai thác NDĐ đến xâm nhập mặn ở đồng bằng Burdekin, Australia, đã được K. Narayan, 2004 [88] nghiên cứu và xác định nguyên nhân chính là do khai thác nước quá mức với 1.800 máy bơm hút nước phục vụ tưới. Tại Hàn Quốc, Sung Ho Song, 2007 [106] đã sử dụng phương pháp đo sâu điện để xác định xâm nhập mặn ở vùng Byunsan. Ngoài số liệu về ĐTS, tác giả còn 13 sử dụng kết hợp với các số liệu phân tích thành phần hóa học của mẫu nước và tài liệu đo độ dẫn của các mẫu nguyên dạng theo chiều sâu (mẫu lõi) để kiểm chứng và thiết lập tương quan giữa ĐTS và TDS.
Trong nghiên cứu xác định hiện trạng nhiễm mặn vùng đông nam đảo Sicily, tác giả Evgeny A. Kontar, 2006 [55] đã sử dụng kết quả phương pháp TEM kết hợp các kết quả đo độ dẫn điện và thành phần hóa học của nước lỗ rỗng với các tính chất vật lý khác của đất đá như độ lỗ rỗng, tính thấm và xác định trực tiếp độ dẫn điện của đất đá chứa nước trong phòng thí nghiệm, từ đó xác định ảnh hưởng của môi trường cho từng loại đất đá khác nhau, đánh giá hiện trạng nhiễm mặn cho các lớp đất đá phân bố theo diện cũng như theo chiều sâu. Ngoài ra, Peter Bauer Gottwein, 2009 [94] cũng áp dụng phương pháp TEM kết hợp kết quả phân tích thành phần hóa học của nước và mô hình SEAWAT để xác định dị thường mặn tại phía bắc đồng bằng Okavango, Botswana. Tác giả này đã đánh giá, phương pháp TEM là phương pháp không chỉ hữu ích để tìm kiếm khoáng sản mà còn là công cụ rất tốt để nghiên cứu hiện trạng mặn-nhạt các TCN, đặc biệt là đối với TCN trầm tích bở rời ở các vùng ven biển.
Trong luận án Tiến sĩ của Desirée S. Craig, 2008 [46], tác giả đã nghiên cứu xác định ranh giới nước mặn TCN nông, không áp đồng bằng châu thổ Rangitikei. Tác giả sử dụng các phương pháp ĐVL (phương pháp đo đa cực và phương pháp TEM) kết hợp phương pháp thủy địa hóa, nghiên cứu xác định ranh giới mặn-nhạt. Trên cơ sở xác định thành phần thạch học và các chỉ tiêu phân tích thành phần hóa học của NDĐ tác giả xác định được các ion Ca2+, Na+, HCO3- và Cl- là các ion chính ảnh hưởng tới độ dẫn điện và hệ số thành hệ của TCN khu vực đồng bằng Rangitikei.
Trong nghiên cứu của Eloisa Di Sipio, 2011 [54], đã sử dụng tổ hợp phương pháp nghiên cứu hiện trạng nhiễm mặn NDĐ ở Italia, đưa ra đánh giá về tác động của quá trình xâm nhập mặn đến cơ sở hạ tầng đô thị và đưa ra dự báo về sự biến đổi hiện 14 trạng nhiễm mặn trong vùng. Để đánh giá về hiện trạng xâm nhập mặn tác giả đã sử dụng các tài liệu ĐVL lỗ khoan như độ dẫn của TCN và nhiệt độ. Nhóm nghiên cứu cơ chế dịch chuyển vật chất, ảnh hưởng của tỷ trọng Paschke và Hoopes, 1984 [92] đã làm thí nghiệm xác định sự ảnh hưởng của tỷ trọng đến sự dịch chuyển của chất gây ô nhiễm. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã phát hiện dị thường nồng độ NaCl cao trong lớp thấm nước yếu xuống lớp cát hạt mịn từ mô hình bể thấm.
Các tác giả đã phân tích và kết luận: sự dịch chuyển này là do cơ chế khuếch tán và phân dị trọng lực gây ra, do ảnh hưởng của chênh lệch nồng độ và tỷ trọng. Schincariol và Schwartz, 1990 [99] cũng đã tìm hiểu quá trình hòa tan của các dòng chất lỏng có tỷ trọng khác nhau trong môi trường lỗ rỗng. Koch và Zhang, 1992 [78] đã chỉ ra rằng, sự dịch chuyển của dung dịch hỗn hợp không chỉ do chênh mực áp lực hay quá trình phân tán mà còn do quá trình đối lưu gây ra bởi sự chênh lệch về tỷ trọng ảnh hưởng đến sự dịch chuyển vật chất. Trong luận án Tiến sĩ của Vincent E.