Luận án Xác định vai trò sông Hồng và đá gốc bổ cập nước dưới đất trong trầm tích Đệ tứ Hà Nội

Nghiên cứu phân tích vai trò của sông Hồng và đá gốc trong quá trình bổ cập nước dưới đất tại vùng trầm tích đệ tứ khu vực tây nam thành phố Hà Nội. Kết quả

• Tác giả: Triệu Đức Huy
• Người hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Lâm
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Kỹ thuật địa chất
• Đề tài: Xác định vai trò của sông Hồng và đá gốc đối với lượng bổ cập cho nước dưới đất trong trầm tích đệ tứ phần tây nam thành phố Hà Nội
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan vai trò sông Hồng và đá gốc với nước dưới đất

Nước dưới đất trong trầm tích Đệ tứ phần Tây Nam Hà Nội là nguồn cấp quan trọng. Tầng chứa nước nằm trong các lớp cát, cuội, sỏi tuổi Đệ tứ. Nguồn bổ cập đến từ nhiều phía. Sông Hồng đóng vai trò biên cấp nước mặt ở phía Đông Bắc. Đá gốc ở rìa Tây Nam dẫn nước từ vùng cao chảy xuống tầng chứa. Hai biên này quyết định cân bằng nước của vùng. Khai thác mạnh ở trung tâm làm mực nước hạ sâu. Chiều sâu mực nước có nơi xuống cốt cao âm hai mươi mốt mét. Việc xác định đúng vai trò từng biên giúp quản lý bền vững. Nghiên cứu dựa trên tài liệu của hàng trăm lỗ khoan. Số liệu quan trắc động thái cho thấy quan hệ chặt giữa nước sông và nước ngầm. Hiểu rõ cơ chế bổ cập là cơ sở cho quy hoạch khai thác. Đây là nền tảng cho các phân tích sâu hơn ở phần sau.

1.1. Đặc điểm địa chất thủy văn vùng Tây Nam Hà Nội

Vùng Tây Nam Hà Nội có cấu trúc địa chất thủy văn phức tạp. Tầng chứa nước Đệ tứ gồm các lớp cát, cuội, sỏi xen kẹp sét. Mức độ chứa nước thuộc loại giàu đến rất giàu. Hệ số dẫn nước thay đổi từ ba mươi tư đến hai nghìn chín trăm mét vuông mỗi ngày. Nước chủ yếu là nước nhạt kiểu Bicacbonat Canxi. Tại Phú Xuyên, Ứng Hòa xuất hiện vùng nước mặn rộng. Cấu trúc này tạo điều kiện cho dòng chảy ngầm phong phú.

1.2. Khái niệm bổ cập nước dưới đất từ biên

Bổ cập từ biên là quá trình nước đi vào tầng chứa qua ranh giới vùng nghiên cứu. Biên sông Hồng cung cấp nước mặt thấm qua đáy lòng sông. Biên đá gốc dẫn nước từ vùng núi rìa Tây Nam. Lượng bổ cập phụ thuộc hệ số thấm, chênh lệch mực nước và sức cản trầm tích. Khi sông không cắt hết bề dày tầng chứa, sinh ra sức cản thủy lực bổ sung. Việc lượng hóa bổ cập biên là bài toán cốt lõi của nghiên cứu này.

II. Phân tích điều kiện biên sông Hồng và đá gốc

Phân tích điều kiện biên là bước then chốt. Biên sông Hồng được phân loại theo mức độ liên thông với tầng chứa nước. Sông có nơi cắt qua toàn bộ bề dày, có nơi chỉ cắt một phần. Khi cắt một phần, đới gần sông sinh sức cản trầm tích lòng sông. Đường dòng trong đới này không song song nhau. Đường đẳng áp nghiêng so với phương thẳng đứng. Ra xa sông khoảng một phẩy năm đến hai lần bề dày tầng chứa, dòng chảy mới ổn định. Biên đá gốc phía Tây Nam được phân chia theo cấu trúc địa chất thủy văn. Hệ số truyền áp tại rìa đá gốc thay đổi rộng. Giá trị dao động từ mức thấp đến bốn phẩy năm nhân mười mũ năm mét vuông mỗi ngày. Mức độ tương quan mực nước giữa nước ngầm và nước sông phản ánh cường độ trao đổi. Động thái nước ven sông biến đổi theo mùa lũ và mùa kiệt. Phân tích đúng các thông số này quyết định độ tin cậy của mô hình.

2.1. Phân loại và xác định thông số biên sông Hồng

Biên sông Hồng được phân loại dựa trên cơ sở khoa học và thực tiễn. Thông số quan trọng gồm sức cản trầm tích lòng sông, hệ số thấm lớp bùn đáy và chênh lệch mực nước. Sức cản tổng hợp tính từ chiều dày và hệ số thấm các lớp từ đáy bùn đến mái tầng chứa. Với sông rộng, sức cản được xác định theo phương pháp kéo dài khoảng cách. Tài liệu quan trắc mực nước giúp hiệu chỉnh các thông số này chính xác hơn theo thực địa.

2.2. Phân chia cấu trúc địa chất thủy văn biên đá gốc

Biên đá gốc rìa Tây Nam được phân chia theo cấu trúc địa chất thủy văn. Các khối đá gốc có khả năng dẫn nước khác nhau. Hệ số truyền áp tại rìa biến động mạnh giữa các lỗ khoan. Đới đá gốc nứt nẻ cho phép nước thấm và chảy xuống tầng Đệ tứ. Việc xác định giá trị thông số dựa trên kết quả hút nước thí nghiệm từ các lỗ khoan rìa. Phân chia rõ cấu trúc giúp gán điều kiện biên đúng trong mô hình số.

III. Phương pháp mô hình xác định lượng bổ cập biên

Phương pháp chính là xây dựng mô hình dòng chảy nước dưới đất. Mô hình mô phỏng tầng chứa nước Đệ tứ vùng phía Nam Hà Nội. Giới hạn mô hình được đặt theo các biên tự nhiên. Vùng tính được phân lớp theo cấu trúc địa chất thủy văn. Thông số đầu vào gồm hệ số thấm, hệ số nhả nước và lượng bổ cập mặt. Biên sông Hồng và biên đá gốc được gán điều kiện riêng. Mô hình được chỉnh lý theo số liệu quan trắc mực nước thực tế. Quá trình hiệu chỉnh lặp đến khi sai số đạt yêu cầu. Sau chỉnh lý, mô hình tách riêng lượng bổ cập từ từng biên. Cân bằng nước cho biết tỷ lệ đóng góp của sông Hồng và đá gốc. Phương pháp cho phép định lượng vai trò từng nguồn cấp. Kết quả là cơ sở tin cậy để đánh giá tiềm năng khai thác. Cách tiếp cận này kết hợp lý thuyết thủy lực và dữ liệu thực địa.

3.1. Xây dựng và chỉnh lý mô hình dòng chảy

Mô hình được giới hạn theo các biên thủy văn rõ ràng. Miền tính phân lớp theo các tầng chứa nước và cách nước. Thông số đầu vào lấy từ tài liệu hút nước thí nghiệm hàng trăm lỗ khoan. Quá trình chỉnh lý đối sánh mực nước tính toán với mực nước quan trắc. Sai số được giảm dần qua nhiều vòng hiệu chỉnh. Mô hình đạt ổn định khi tái hiện đúng động thái thực tế. Đây là nền tảng để tách lượng bổ cập biên.

3.2. Tính cân bằng nước và tách lượng bổ cập

Sau chỉnh lý, mô hình tính cân bằng nước toàn vùng. Lượng nước vào từ biên sông Hồng được tách riêng. Lượng nước từ biên đá gốc cũng được lượng hóa độc lập. Miền thoát gồm hệ thống sông hồ và các bãi giếng khai thác. So sánh các thành phần cho thấy tỷ trọng từng nguồn. Phân tích kịch bản khai thác giúp dự báo biến động bổ cập. Cách tách này làm rõ vai trò chủ đạo của từng biên trong cấp nước.

IV. Kết luận và ứng dụng quản lý tài nguyên nước

Kết quả nghiên cứu khẳng định vai trò kép của hai biên. Sông Hồng là nguồn bổ cập lớn cho vùng ven sông phía Đông Bắc. Đá gốc rìa Tây Nam góp phần đáng kể cho tầng chứa nước Đệ tứ. Tỷ lệ đóng góp thay đổi theo mùa và theo cường độ khai thác. Khi khai thác tăng, vai trò bổ cập từ sông Hồng càng nổi bật. Kết quả này có giá trị thực tiễn cao. Nó hỗ trợ quy hoạch các bãi giếng khai thác hợp lý. Nó giúp xác định ngưỡng khai thác an toàn cho từng vùng. Phương pháp luận có thể áp dụng cho các vùng đồng bằng tương tự. Quản lý cần bảo vệ chất lượng nước sông Hồng để giữ nguồn cấp. Cũng cần kiểm soát hạ thấp mực nước ở trung tâm. Nghiên cứu là cơ sở khoa học cho khai thác bền vững nước dưới đất Hà Nội. Đây là đóng góp thiết thực cho an ninh nguồn nước đô thị.

4.1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của kết quả

Nghiên cứu cung cấp phương pháp định lượng vai trò biên cho nước dưới đất. Cơ sở khoa học làm rõ cơ chế bổ cập từ sông và từ đá gốc. Về thực tiễn, kết quả giúp đánh giá đúng trữ lượng có thể khai thác. Nó cảnh báo nguy cơ hạ thấp mực nước quá mức tại trung tâm. Các nhà quản lý có thêm công cụ ra quyết định. Phương pháp luận đóng góp vào kho tàng nghiên cứu địa chất thủy văn Việt Nam và vùng đồng bằng sông Hồng.

4.2. Định hướng khai thác và bảo vệ nguồn nước

Khai thác cần dựa trên cân bằng bổ cập từ hai biên. Các bãi giếng nên bố trí gần nguồn bổ cập dồi dào như ven sông Hồng. Cần giám sát chặt động thái mực nước theo mạng quan trắc. Bảo vệ chất lượng nước sông Hồng là điều kiện giữ nguồn cấp lâu dài. Việc kiểm soát vùng nước mặn ở Phú Xuyên, Ứng Hòa cũng quan trọng. Quy hoạch khai thác bền vững giúp đảm bảo an ninh nước cho phía Tây Nam Hà Nội trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan khu vực nghiên cứu và nghiên cứu xác định lượng bổ cập cho nước dưới đất từ biên. Xác định và phân loại điều kiện biên sông Hồng khu vực thành phố Hà Nội. Xác định và phân loại điều kiện biên đá gốc phía Tây Nam thành phố Hà Nội.

Chương 4: Vai trò của sông Hồng và đá gốc đối với lượng bổ cập cho nước dưới đất trong trầm tích Đệ tứ vùng phía Nam thành phố Hà Nội. Chương 5: Đề xuất phương án khai thác, sử dụng hợp lý tài nguyên nước dưới đất. Lời cảm ơn Luận án được thực hiện và hoàn thành tại Bộ môn Địa chất thủy văn, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn 9 khoa học của PGS. Nguyễn Văn Lâm và TS.

Tống Ngọc Thanh. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến các thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho NCS hoàn thành luận án của mình. Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, viết luận án, tác giả đã luôn nhận được sự động viên tinh thần và hướng dẫn tận tình của Tiểu ban hướng dẫn. NCS cũng luôn nhận được sự giúp đỡ và góp ý tận tình của các thầy cô trong Bộ môn Địa chất Thủy văn và các thầy cô trong Trường ĐH Mỏ - Địa chất.

Bên cạnh đó NCS còn được tạo điều kiện và sự hỗ trợ của các anh, chị chuyên viên phòng Đào tạo Sau đại học và đặc biệt là sự trợ giúp của cơ quan. NCS chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quí báu đó. Trong quá trình làm luận án, NCS cũng nhận được sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến từ nhiều nhà khoa học là PGS. Đoàn Văn Cánh, PGS.

Phạm Quý Nhân, TS. Đặng Đình Phúc, TS. Nguyễn Văn Hoàng, PGS, TS. Nguyễn Thị Thanh Thủy, TS.

Nguyễn Bách Thảo, TS. Dương Thị Thanh Thủy, TS. Vũ Thanh Tâm,… và nhiều cá nhân khác. NCS xin chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quí báu của các nhà khoa học, các cá nhân trên.

TỔNG QUAN KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH LƯỢNG BỔ CẬP CHO NƯỚC DƯỚI ĐẤT TỪ BIÊN Tốc độ đô thị hoá trên địa bàn thành phố Hà Nội đã và đang làm biến đổi mạnh mẽ các điều kiện môi trường nói chung và tài nguyên nước dưới đất nói riêng. Các tác động tiêu cực như: cạn kiệt, nhiễm bẩn, nhiễm mặn và sụt lún nền đất do khai thác nước dưới đất đã gây ra những ảnh hưởng lớn tới cuộc sống của người dân và sự phát triển của thành phố. Để giảm thiểu các tác động tiêu cực nêu trên cũng như có thể quản lý khai thác bền vững nước dưới đất, cần phải xác định chính xác các nguồn bổ cập cho các tầng chứa nước khai thác nước dưới đất thành phố Hà Nội. Để giải quyết được mục tiêu nghiên cứu của luận án, đánh giá tổng quan các nghiên cứu xác định lượng bổ cập cho nước dưới đất từ biên trên thế giới, ở Việt Nam và vùng nghiên cứu đã được áp dụng để xác định những vấn đề đã được giải quyết, các vấn đề còn tồn tại cần phải giải quyết, từ đó lựa chọn các phương pháp nghiên cứu phù hợp nhằm giải quyết tốt mục tiêu của luận án.

Tổng quan về khu vực nghiên cứu 1. Vị trí địa lý Khu vực nghiên cứu là toàn bộ phạm vi thành phố Hà Nội với diện tích tự nhiên khoảng 3.344km2, được giới hạn bởi tọa độ: Từ 20°53' đến 21°23' vĩ độ Bắc; Từ 105°44' đến 106°02' kinh độ Đông. Sơ đồ vị trí khu vực nghiên cứu (UBND Thành phố Hà Nội, 2018) 11 Thành phố Hà Nội tiếp giáp với các tỉnh Thái Nguyên, Vĩnh Phúc ở phía Bắc; Hà Nam, Hòa Bình ở phía Nam; Bắc Giang, Bắc Ninh, Hưng Yên ở phía Đông và Hòa Bình, Phú Thọ ở phía Tây (xem Hình 1. Khái quát đặc điểm địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu Đề án Chính phủ “Bảo vệ nước dưới đất ở các đô thị lớn - đô thị Hà Nội” [23] do tác giả làm Chủ nhiệm đã tiến hành điều tra, khảo sát với tổng số điểm khảo sát là 17.587 điểm, khoan bổ sung 3 chùm lỗ khoan khu vực ven rìa đá gốc phía Tây Nam thành phố và 5 chùm lỗ khoan ven sông Hồng.

Trên cơ sở các số liệu trên và tổng hợp kết quả khoan, hút nước thí nghiệm từ 514 lỗ khoan nghiên cứu ĐCTV từ trước đến nay trên phạm vi thành phố Hà Nội [4], [5], [6], [7], [24],. tác giả phân chia các đơn vị ĐCTV khu vực nghiên cứu thành 3 TCN lỗ hổng, 13 TCN khe nứt và các thành tạo địa chất thấm nước yếu hoặc thực tế không chứa nước. Thông số ĐCTV của các tầng chứa nước khu vực nghiên cứu thể hiện trong Bảng 1. Tổng hợp thông số ĐCTV các tầng chứa nước khu vực nghiên cứu Diện Chiều dày tầng Lưu lượng lỗ Tỷ lưu lượng lỗ Hệ số dẫn nước Tầng tích chứa nước (m) khoan (l/s) khoan (l/m.s) (m2/ngày chứa phân nước bố Nhỏ Lớn Trung Nhỏ Lớn Trung Nhỏ Lớn Trung Nhỏ Lớn Trung (km ) nhất nhất 2 bình nhất nhất bình nhất nhất bình nhất nhất bình qh 1.660 557 Dưới đây trình bày khái quát những nét cơ bản của một số TCN chính là đối tượng nghiên cứu của luận án.

Tầng chứa nước lỗ hổng trong các trầm tích Holocen (qh) Tổng hợp kết quả phân tầng ĐCTV từ 118 lỗ khoan vùng Hà Nội cho thấy tầng có chiều dày từ 0,8m (LK.P7 [28]) đến 36,5m (LK811 [7]), trung bình 13,14m (xem Hình 1. Phủ trực tiếp lên bề mặt TCN này là lớp cách nước có chiều dày từ 2 - 34m, trung bình 8,28m. Thành phần thạch học chủ yếu là cát các loại, cát pha, ở đáy tầng có nơi lẫn sạn, sỏi nhỏ. Vùng nghiên cứu tồn tại 5 khoảnh có cửa sổ ĐCTV 12 giữa TCN qh với tầng qp2, bao gồm: Khoảnh 1 ở Sơn Tây, Đan Phượng, Hoài Đức và Nam Từ Liêm; Khoảnh 2 dọc theo sông Hồng từ Tầm Xá huyện Đông Anh đến quận Hai Bà Trưng; Khoảnh 3 ở Vạn Kim huyện Mỹ Đức đến Đại Cường huyện Ứng Hòa; Khoảnh 4 dọc theo sông Hồng từ Tự Nhiên huyện Thường Tín kéo sang địa phận tỉnh Hưng Yên; Khoảnh 5 ở Thanh Vân huyện Thanh Oai và huyện Thường Tín.

NDĐ trong tầng chủ yếu là nước không áp và có áp yếu. Hệ số truyền mực nước n. Tính thấm của đất đá thuộc loại cao đến rất cao. Hệ số dẫn nước thay đổi từ 2,4m2/ngày (LK101 [7]) đến 790m2/ngày (LKTD7K [28]), trung bình từ 200-400m2/ngày.

Tổng hợp kết quả hút nước thí nghiệm từ 58 lỗ khoan cho thấy tỷ lưu từ 0,0013l/m.TD7K [28]), trung bình 2,18l/m. Mức độ chứa nước của tầng thuộc loại trung bình đến rất giàu nước (xem Hình 1. NDĐ tàng trữ và vận động trong tầng chủ yếu thuộc loại nước nhạt, kiểu Bicabonat-Canxi-Magie. Khu vực Phú Xuyên, vùng nước mặn (M>1,5g/l) phân bố thành các khoảnh với tổng diện tích khoảng 98,9km2.

Kết quả quan trắc cho thấy mực nước biến đổi từ sát mặt đất đến 7-8m. Nguồn cấp cho NDĐ từ nước mưa, nước mặt như sông Hồng, sông Đuống, sông Đáy,. Nước trong tầng còn được bổ cập từ các TCN ven rìa cung cấp. Miền thoát là các sông hồ, bốc hơi hoặc ngấm xuống TCN bên dưới và các hoạt động khai thác.

5 30 45 60 75 90 6 05 5 30 45 60 75 90 6 05 65 65 65 65 23 23 23 23 50 50 50 50 Sãc S¬n Sãc S¬n Mª Linh Mª Linh ba v× ba v× §«ng Anh §«ng Anh 35 35 35 35 S¬n T©y S¬n T©y Phóc Thä Phóc Thä Long Biªn Long Biªn CÇu GiÊy CÇu GiÊy Th¹ch ThÊt L©m Th¹ch ThÊt L©m 20 20 20 20 Quèc Oai hoµng mai Quèc Oai hoµng mai Thanh Tr× Thanh Tr× ch­¬ng mü CHó GI¶I ch­¬ng mü Møc ®é chøa n­íc 05 Thanh Oai 05 05 Thanh Oai 05 RÊt giµu Th­êng TÝn Giµu Th­êng TÝn CHó GI¶I Trung b×nh ChiÒu dµy < 5m Phó Xuyªn Phó Xuyªn Ranh giíi tÇng qh 90 øng hßa 90 90 øng hßa 90 ChiÒu dµy tõ 5-10 m Ranh giíi cöa sæ §CTV ChiÒu dµy tõ 10-15 m gi÷a tÇng qh víi tÇng qp2 ChiÒu dµy tõ 15 - 20 m Quan hÖ 2 chiÒu ChiÒu dµy tõ 20 - 25 m mü ®øc n­íc s«ng vµ ND§ mü ®øc 22 ChiÒu dµy tõ 25 - 30 m 22 22 Ranh giíi ®é giµu n­íc 22 75 75 75 Ranh giíi nhiÔm mÆn 75 ChiÒu dµy > 30 m tÇng chøa n­íc qh 5 30 45 60 75 90 6 05 5 30 45 60 75 90 6 05 Hình 1. Sơ đồ đẳng bề dày TCN qh Hình 1. Sơ đồ ĐCTV TCN qh 13 1. Tầng chứa nước lỗ hổng trong trầm tích Pleistocen trên (qp2) Diện phân bố của tầng hầu khắp vùng phân bố trầm tích Đệ tứ, kéo dài từ Ba Vì đến Sơn Tây rồi mở rộng gần như bao trọn Hà Nội.

Phía Bắc sông Hồng, phân bố dọc theo rìa đá gốc tại xã Thanh Lâm huyện Mê Linh đến Sóc Sơn. Tổng diện tích phân bố TCN khoảng 1. Tổng hợp kết quả phân tầng ĐCTV từ 162 lỗ khoan vùng đồng bằng Hà Nội cho thấy chiều dày TCN thay đổi từ 1,3m (Q.75a) đến 39,0m (LK905 [27]), trung bình 12,26m (xem Hình 1. Phủ trực tiếp lên TCN là lớp sét cách nước hệ tầng Vĩnh Phúc có chiều dày từ 0,4m đến 48m, trung bình 9,4m.

Nhiều nơi bị xói mất hoàn toàn tạo thành các cửa sổ ĐCTV như đã trình bày ở phần mô tả TCN qh. Thành phần thạch học chủ yếu là cát hạt trung, thô, phần đáy có nơi lẫn sạn sỏi. Giữa TCN qp2 và tầng qp1 có lớp cách nước nhưng phân bố không liên tục, nhiều nơi bị bào mòn hoàn toàn tạo thành một hệ thống thủy lực và ranh giới phân chia hai tầng rất khó xác định. Nước tàng trữ và vận động trong TCN chủ yếu là có áp yếu, hệ số truyền áp có giá trị n.

Tính chất thấm của đất đá thuộc loại cao đến rất cao. Hệ số dẫn nước thay đổi từ 16m2/ngày (LKN5 [28]) đến 1.498m2/ngày (CHN1 [23]), trung bình 232m2/ngày. Tổng hợp kết quả hút nước thí nghiệm từ 34 lỗ khoan cho thấy tỷ lưu lượng thay đổi từ 0,08l/m. Mức độ chứa nước của tầng thuộc loại trung bình đến rất giàu nước (xem Hình 1.

Nước dưới đất trong tầng chủ yếu là nước nhạt, kiểu nước phổ biến là Bicacbonat Canxi, tại khu vực huyện Phú Xuyên, Ứng Hòa, vùng nước mặn (M>1,5g/l) có diện tích khoảng 237km2. Kết quả quan trắc cho thấy mực nước thay đổi từ sát mặt đất đến 3-4m, ở những nơi ảnh hưởng của khai thác từ TCN qp1 thì vị trí mực nước thường nằm sâu hơn -15m (Q.