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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRIỆU ĐỨC HUY 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA CHẤT Hà Nội - Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRIỆU ĐỨC HUY 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 Ngành: Kỹ thuật địa chất Mã số: 9520501 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS NGUYỄN VĂN LÂM 2. TS TỐNG NGỌC THANH Hà Nội - Năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Luận án Triệu Đức Huy i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT . iv DANH MỤC BẢNG BIỂU . v DANH MỤC HÌNH VẼ . vi MỞ ĐẦU . Tính cấp thiết của luận án . Mục đích của luận án. Nhiệm vụ của luận án . Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án . Nội dung nghiên cứu . Phương pháp nghiên cứu . Luận điểm bảo vệ . Những điểm mới của luận án . Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án . Cơ sở tài liệu của luận án. Cấu trúc của luận án . TỔNG QUAN KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH LƯỢNG BỔ CẬP CHO NƯỚC DƯỚI ĐẤT TỪ BIÊN . Tổng quan về khu vực nghiên cứu . Vị trí địa lý . Khái quát đặc điểm địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu . Tổng quan nghiên cứu xác định lượng bổ cập cho nước dưới đất từ biên . Các nghiên cứu trên thế giới . Các nghiên cứu ở Việt Nam và vùng nghiên cứu . XÁC ĐỊNH VÀ PHÂN LOẠI ĐIỀU KIỆN BIÊN SÔNG HỒNG KHU VỰC THÀNH PHỐ HÀ NỘI. Cơ sở khoa học . Phân loại điều kiện biên . Xác định giá trị các thông số trên biên . Cơ sở thực tiễn . Phân loại điều kiện biên sông Hồng . Xác định giá trị các thông số trên biên sông Hồng . Kết quả và thảo luận . Phân loại điều kiện biên sông Hồng . Xác định giá trị thông số trên biên sông Hồng . Đặc điểm của điều kiện biên sông Hồng khu vực nghiên cứu . Mức độ tương quan mực nước giữa nước dưới đất với nước sông . Đặc trưng động thái nước dưới đất khu vực ven sông . XÁC ĐỊNH VÀ PHÂN LOẠI ĐIỀU KIỆN BIÊN ĐÁ GỐC PHÍA TÂY NAM THÀNH PHỐ HÀ NỘI . Cơ sở khoa học . Phân loại điều kiện biên đá gốc. Xác định giá trị các thông số trên biên đá gốc phía Tây Nam . Cơ sở thực tiễn . Phân chia cấu trúc địa chất thủy văn khu vực ven rìa Tây Nam. Xác định giá trị các thông số trên biên đá gốc phía Tây Nam . Kết quả và thảo luận . Phân loại điều kiện biên đá gốc phía Tây Nam . Xác định giá trị thông số trên biên đá gốc phía Tây Nam . 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 . Cơ sở khoa học và thực tiễn. Cơ sở khoa học . Cơ sở thực tiễn . Xây dựng mô hình xác định vai trò của sông Hồng và đá gốc đối với lượng bổ cập cho NDĐ trong trầm tích Đệ tứ . Giới hạn mô hình và phân lớp . Thông số đầu vào mô hình . Kết quả chỉnh lý mô hình . Kết quả xác định vai trò của biên sông Hồng và biên đá gốc đối với lượng bổ cập cho nước dưới đất . Lượng bổ cập cho NDĐ trong trầm tích Đệ tứ từ biên sông Hồng . Lượng bổ cập cho nước dưới đất trong trầm tích Đệ tứ phía Tây Nam thành phố Hà Nội từ biên đá gốc . ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KHAI THÁC, SỬ DỤNG HỢP LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC DƯỚI ĐẤT . Cơ sở đề xuất phương án khai thác . Đề xuất phương án khai thác, sử dụng hợp lý nguồn nước dưới đất . Kết quả phương án 1. Kết quả phương án 2. Kết quả phương án 3. 144 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 149 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ . 151 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 162 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ĐCTV Địa chất thủy văn GHB General head boundary (biên tổng hợp) HSTQ Hệ số tương quan KT Khai thác LK Lỗ khoan LKQT Lỗ khoan quan trắc MN Mực nước NCS Nghiên cứu sinh NDĐ Nước dưới đất NMN Nhà máy nước TCN Tầng chứa nước TSBĐ Tỷ số biên độ v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Tổng hợp thông số ĐCTV các tầng chứa nước khu vực nghiên cứu . Mặt cắt ĐCTV đầy đủ khu vực ven sông Hồng. Tổng hợp kết quả phân vùng cấu trúc sông Hồng khu vực nghiên cứu . Tổng hợp đặc điểm sông Hồng và cấu trúc địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu . Kết quả xác định các thông số trên biên sông Hồng khu vực nghiên cứu57 Bảng 2. Tổng hợp kết quả xác định giá trị ∆L trên biên hữu ngạn sông Hồng theo 4 phương pháp và giá trị trung bình . Kết quả phân loại điều kiện biên phía Tây Nam thành phố Hà Nội . Tổng hợp kết quả xác định giá trị lưu lượng cấp, thoát qua biên phía Tây Nam thành phố Hà Nội . Tổng hợp thông số ĐCTV các lớp khu vực nghiên cứu . Tổng hợp hiện trạng khai thác nước dưới đất khu vực nghiên cứu . Tổng hợp số hiệu Zone Budget đối với các TCN trong mô hình dòng chảy . Tổng hợp kết quả xác định lượng bổ cập cho NDĐ trong TCN qh và qp trên vùng 1 từ biên sông Hồng . Tổng hợp kết quả xác định lượng bổ cập cho nước dưới đất trong TCN qh và qp trên vùng 2 từ biên sông Hồng . Tổng hợp kết quả xác định lượng bổ cập cho NDĐ trong TCN qh và qp trên vùng 3 từ biên sông Hồng . Tổng hợp kết quả xác định lượng bổ cập cho NDĐ trong TCN qh và qp trên vùng 5 từ biên sông Hồng . Tổng hợp kết quả xác định lượng bổ cập cho NDĐ trong TCN qh và qp trên vùng 6 từ biên sông Hồng . Tổng hợp kết quả xác định lượng bổ cập cho NDĐ trong TCN qh và qp trên vùng 8 từ biên sông Hồng . Tổng hợp kết quả xác định lượng bổ cập cho NDĐ trong TCN qh và qp trên vùng 4 từ biên sông Hồng . Tổng hợp kết quả xác định lượng bổ cập cho NDĐ trong TCN qh và TCN qp trên vùng 7 từ biên sông Hồng . Tổng hợp kết quả xác định lượng bổ cập cho nước dưới đất trong TCN qh và qp trên vùng 9 từ biên sông Hồng . Tổng hợp lượng bổ cập cho nước dưới đất trong trầm tích Đệ tứ từ biên sông Hồng khu vực nghiên cứu . Tổng hợp kết quả xác định lượng bổ cập cho NDĐ trong TCN qh và qp phía Tây Nam thành phố Hà Nội từ biên đá gốc . Kết quả tính tính trữ lượng khai thác dự báo theo phương án 1 . Các bãi giếng ven sông bổ sung theo phương án 2 . Kết quả tính tính trữ lượng khai thác dự báo theo phương án 2 . Kết quả tính tính trữ lượng khai thác dự báo theo phương án 3 . 146 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Sơ đồ vị trí khu vực nghiên cứu . Sơ đồ đẳng bề dày TCN qh . Sơ đồ ĐCTV TCN qh . Sơ đồ đẳng bề dày TCN qp2 . Sơ đồ ĐCTV TCN qp2 . Sơ đồ đẳng bề dày TCN qp1 . Sơ đồ ĐCTV TCN qp1 . Sơ đồ phân chia các đoạn biên trong mô hình NDĐ khu vực quận Pali, bang Rajasthan, Ấn Độ . Giá trị lưu lượng qua từng đoạn biên khu vực quận Pali, Ấn Độ . Sơ đồ phân bố vùng ven sông Hồng và vùng ven rìa đá gốc . Sơ đồ tính toán đối với trường hợp lỗ khoan trong TCN bán giới hạn: Biên có mực nước không đổi . Sơ đồ xác định sức cản tổng hợp của lòng sông . Sơ đồ vị trí tuyến mặt cắt ĐCTV vuông góc sông Hồng khu vực nghiên cứu . Mặt cắt ĐCTV dọc sông Hồng đoạn từ Ba Vì đến Phú Xuyên . Mặt cắt ĐCTV tuyến 54 . Mặt cắt ĐCTV tuyến 45 . Mặt cắt ĐCTV tuyến 65 (Hồng Hà - Đan Phượng). Mặt cắt ĐCTV tuyến 118 . Mặt cắt ĐCTV tuyến 103 . Mặt cắt ĐCTV tuyến 75 (Liên Mạc - Bắc Từ Liêm) . Sơ đồ phân vùng cấu trúc sông Hồng khu vực nghiên cứu . Sơ đồ vị trí chùm lỗ khoan ven sông Hồng và ven rìa đá gốc [23] . Mặt cắt ĐCTV tại chùm lỗ khoan CHN1 . Đồ thị biến thiên MN sông Hồng tại trạm Sơn Tây và lỗ khoan CHN1 52 Hình 2. Đồ thị dâng cao MN sông Hồng và mực NDĐ trong quá trình hút nước thí nghiệm chùm CHN1 . Đồ thị biến thiên MN hạ thấp thực đo và tính toán tại giếng CHN1-2B 52 Hình 2. Đồ thị tương quan MN thực đo và tính toán tại giếng CHN1-2B . Mặt cắt ĐCTV tại chùm lỗ khoan CHN2 . Đồ thị biến thiên mực nước hạ thấp tính toán và thực đo giếng CHN2-2B . Đồ thị tương quan gia tăng mực nước hạ thấp thực đo và tính toán giếng CHN2-2B . Đồ thị biến thiên MN hạ thấp tính toán và thực đo giếng CHN2-4B . Đồ thị tương quan gia tăng MN hạ thấp thực đo và tính toán giếng CHN2-4B . Đồ thị MN hạ thấp thực đo và tính toán giếng CHN2-2B . Đồ thị tương quan MN hạ thấp thực đo và tính toán giếng CHN2-2B . Sơ đồ giá trị sức cản trầm tích lòng sông trên biên sông Hồng đối với các tầng chứa nước khu vực nghiên cứu . Đồ thị biểu diễn mức độ tương quan giữa MN sông Hồng với NDĐ tại công trình quan trắc Q. Đồ thị biểu diễn mức độ tương quan giữa MN sông Hồng với NDĐ tại công trình quan trắc P. Đồ thị biểu diễn mức độ tương quan giữa MN sông Hồng với NDĐ tại công trình quan trắc Q. Đồ thị biểu diễn mức độ tương quan giữa MN sông Hồng với NDĐ tại công trình quan trắc Q. Đồ thị biểu diễn mức độ tương quan giữa MN sông Hồng với NDĐ tại công trình quan trắc P. Đồ thị biểu diễn mức độ tương quan giữa MN sông Hồng với NDĐ tại công trình quan trắc P.