Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật địa chất với 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" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Triệu Đức Huy, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Văn Lâm và TS. Tống Ngọc Thanh tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất (Hà Nội, năm 2021; Mã số chuyên ngành: 9520501).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Nước dưới đất (NDĐ) tại khu vực Hà Nội giữ vai trò quan trọng đối với nguồn cấp nước sinh hoạt và sản xuất từ cuối thế kỷ 19. Do tốc độ đô thị hóa nhanh và khai thác tập trung quy mô lớn, tài nguyên NDĐ đang đối mặt với các hiện tượng tiêu cực: sụt giảm mực nước hình thành phễu hạ thấp sâu, nguy cơ ô nhiễm, nhiễm mặn và sụt lún bề mặt đất. Để khai thác bền vững, việc bố trí các công trình khai thác ven sông nhằm thu hút nguồn bổ cập từ sông Hồng và từ đới đá gốc phía Tây Nam là giải pháp kỹ thuật trọng tâm.

Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu trước đây tại khu vực Hà Nội chủ yếu giả định biên đá gốc phía Tây Nam là biên lưu lượng không đổi hoặc coi là biên cách nước mà thiếu tài liệu thực nghiệm chứng minh chi tiết. Đối với sông Hồng, hầu hết các mô hình trước đây mặc định sông là biên có mực nước xác định (biên loại I) nhưng chưa phân chia chi tiết các đoạn biên theo đặc điểm cấu trúc địa chất thủy văn (ĐCTV) và chưa định lượng chính xác sức cản thấm của lòng sông. Do đó, việc lượng hóa chi tiết vai trò bổ cập của từng đoạn biên sông Hồng và biên đá gốc Tây Nam là khoảng trống khoa học cần giải quyết.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Xác định và phân loại các kiểu điều kiện biên sông Hồng và biên đá gốc phần Tây Nam thành phố Hà Nội.
  2. Xác định vai trò của từng đoạn biên sông Hồng và biên đá gốc đối với lượng bổ cập cho NDĐ trong trầm tích Đệ tứ phần Tây Nam thành phố Hà Nội.
  3. Đề xuất phương án khai thác, sử dụng hợp lý nguồn nước dưới đất đảm bảo phát triển bền vững tài nguyên nước dưới đất.

Nhiệm vụ nghiên cứu

  1. Nghiên cứu làm rõ cấu trúc địa chất thủy văn, đặc điểm động thái nước dưới đất, mối quan hệ thủy lực khu vực sông Hồng và khu vực đá gốc phần Tây Nam làm cơ sở phân chia từng đoạn biên và kiểu điều kiện biên.
  2. Nghiên cứu xác định giá trị trên từng đoạn biên sông Hồng đối với NDĐ trong trầm tích Đệ tứ và vai trò đối với lượng bổ cập cho NDĐ vùng nghiên cứu.
  3. Nghiên cứu xác định giá trị trên từng đoạn biên giữa trầm tích trước Đệ tứ phần Tây Nam thành phố Hà Nội với các tầng chứa nước Đệ tứ và vai trò đối với lượng bổ cập cho nước dưới đất vùng nghiên cứu.
  4. Đề xuất phương án khai thác, sử dụng hợp lý nguồn nước dưới đất cho thành phố Hà Nội.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các tầng chứa nước (TCN) lỗ hổng trong trầm tích Đệ tứ, bao gồm: Tầng chứa nước trong trầm tích Holocen ($qh$) và tầng chứa nước trong trầm tích Pleistocen ($qp$, gồm $qp2$ và $qp1$).
  • Phạm vi không gian: Khu vực phía Nam và Tây Nam thành phố Hà Nội. Trong đó, biên sông Hồng giới hạn từ huyện Ba Vì đến huyện Phú Xuyên; biên đá gốc phía Tây Nam giới hạn tại ranh giới tiếp xúc giữa TCN $qh, qp$ với các TCN khe nứt trước Đệ tứ từ thị xã Sơn Tây đến huyện Mỹ Đức. Toàn bộ diện tích tự nhiên khu vực nghiên cứu mở rộng khoảng 3.344 km², tọa độ từ 20°53' đến 21°23' vĩ độ Bắc và 105°44' đến 106°02' kinh độ Đông.
  • Phạm vi thời gian và tài liệu: Chuỗi số liệu quan trắc động thái mực nước, khí tượng thủy văn giai đoạn 1995–2018; các đợt khảo sát thực địa, khoan thí nghiệm và phân tích đồng vị thực hiện bổ sung trong giai đoạn 2016–2018.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Nghiên cứu điều kiện biên và xác định lượng bổ cập cho NDĐ từ nước mặt và từ các thành tạo địa chất lân cận trên thế giới được chia thành 5 nhóm phương pháp chính:

  1. Phương pháp đo đạc trực tiếp: Sử dụng dụng cụ đo thấm rỉ (seepage meter) như phương pháp của Lee (1977), Murdoch và Kelly (2003) tại các thủy vực, hoặc phương pháp hút nước thí nghiệm của Michael Owor (2010) tại thượng lưu sông Nile (hồ Victoria) để lượng hóa trao đổi nước mặt - nước ngầm.
  2. Phương pháp chỉ thị nhiệt: Quan trắc chuỗi nhiệt độ trong nước mặt và trầm tích đáy lòng theo thời gian dựa trên cơ chế đối lưu và dẫn nhiệt (Stallman, 1965; Lapham, 1989; Constantz, 2008; Stonestrom và Constantz, 2003; Anderson, 2005). Các mô hình số hiệu chỉnh hệ số thấm dựa trên trường nhiệt độ để tính lưu lượng thấm rỉ.
  3. Phương pháp giải tích: Ứng dụng định luật Darcy và lý thuyết thấm để tính toán lượng bổ cập qua chênh lệch mực nước và hệ số thấm lớp trầm tích đáy (Freeze, 1979).
  4. Phương pháp cân bằng khối lượng và chất chỉ thị: Phân tích đường quá trình dòng chảy để tách dòng chảy cơ sở từ NDĐ (Kilpatrick và Cobb, 1985; Bencala và Walters, 1983; Genereux, 1998; Gooseff và nnk, 2003; Ruehl và nnk, 2006).
  5. Phương pháp mô hình số: Mô phỏng dòng chảy ngầm và truyền chất qua biên. Điển hình như mô hình của Charles G. Groat (1999) tại Hoa Kỳ; nghiên cứu của Vijai Singhal và Rohit Goyal (2011) chia đường biên thành 8 đoạn để tính gradient thủy lực tại quận Pali (bang Rajasthan, Ấn Độ); nghiên cứu của Kuldeep Kushwaha và Rohit Goyal (2016) ứng dụng GIS tính lưu lượng qua biên tại Alwar (Ấn Độ); nghiên cứu tích hợp GIS và cân bằng nước của Stone và nnk (2001) tại bồn trũng Great Basin (Hoa Kỳ).

Các nghiên cứu tại Việt Nam và khu vực Hà Nội

  • Đánh giá ĐCTV và quan hệ sông - nước ngầm: Các công trình thăm dò, tính toán trữ lượng của Trần Minh và Lê Huy Hoàng (1982), Nguyễn Hữu Căn (1982), Đào Duy Nhiên (1983), Lê Huy Hoàng và Nguyễn Văn Túc (1987), Trần Minh (1993, 1995, 1996), Đặng Hữu Ơn (1991), Phạm Quý Nhân (2000, 2008) đã xác định mối quan hệ thủy lực giữa sông Hồng và TCN Pleistocen.
  • Tính toán lượng bổ cập tự nhiên: Đoàn Văn Cánh (2015) xác định lượng bổ cập tự nhiên cho TCN $qp$ đồng bằng Bắc Bộ từ phía Tây Bắc là 18.024 m³/ngày, rìa Đông Bắc là 11.136 m³/ngày và rìa Tây Nam là 23.440 m³/ngày. Nguyễn Văn Đản và Tống Ngọc Thanh (2000) tính toán tại bãi giếng Cáo Đỉnh (cách sông Hồng 200 m), lượng cung cấp từ sông đạt 44.000 m³/ngày/km bờ sông, chiếm 88% trữ lượng khai thác. Nguyễn Minh Lân (2014) phân loại 3 kiểu quan hệ thủy lực giữa sông Hồng và NDĐ từ Sơn Tây đến Hưng Yên.
  • Ứng dụng mô hình số và đồng vị: Trần Thị Việt Nga (2015) liên kết mô hình Wetspa - Modflow tính toán lượng nước thấm từ sông Hồng, sông Nhuệ, sông Đuống vào TCN $qh$ là 25.523 m³/ngày và vào TCN $qp$ là 404.497 m³/ngày. Trịnh Văn Giáp (2005, 2006) sử dụng các đồng vị môi trường ($^3H, ^{18}O, ^2H, ^{14}C, ^{222}Rn$) xác định tuổi và nguồn gốc NDĐ Hà Nội. Nguyễn Văn Hoàng (2000) mô phỏng biên sông Hồng bằng cách tịnh tiến biên một khoảng khoảng cách sức cản $L = 440$ m.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các nghiên cứu trước đây chưa lượng hóa đầy đủ các thông số sức cản đáy sông trên từng phân đoạn địa hình lòng dẫn cụ thể, đồng thời thường coi biên đá gốc Tây Nam là biên cách nước hoặc biên có lưu lượng cố định. Luận án đi sâu phân đoạn chi tiết cấu trúc ĐCTV của cả biên sông Hồng và biên đá gốc Tây Nam, tính toán thông số thủy lực thực nghiệm và đưa vào mô hình dòng chảy số để xác định lưu lượng trao đổi thực tế biến đổi theo thời gian.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và phương trình dòng chảy

Dòng chảy nước dưới đất trong môi trường thấm ba chiều dị hướng được mô tả bằng phương trình vi phân đạo hàm riêng:

$$\frac{\partial}{\partial x}\left(K_{xx}\frac{\partial h}{\partial x}\right) + \frac{\partial}{\partial y}\left(K_{yy}\frac{\partial h}{\partial y}\right) + \frac{\partial}{\partial z}\left(K_{zz}\frac{\partial h}{\partial z}\right) - W = S_s \frac{\partial h}{\partial t}$$

Trong đó: $K_{xx}, K_{yy}, K_{zz}$ là các hệ số thấm theo các trục tọa độ chính (m/ngày); $h$ là cao độ mực nước (m); $W$ là lưu lượng bổ cập hoặc thoát trên một đơn vị thể tích (ngày⁻¹); $S_s$ là hệ số nhả nước riêng (m⁻¹); $t$ là thời gian (ngày).

Các điều kiện biên ĐCTV cơ bản gồm:

  • Biên loại I (Dirichlet): Biên có mực nước (áp lực) xác định trước: $h = f(x,y,z,t)$.
  • Biên loại II (Neumann): Biên có lưu lượng dòng chảy xác định trước: $K \frac{\partial h}{\partial n} = q(x,y,z,t)$. Khi $q = 0$, biên trở thành biên cách nước.
  • Biên loại III (Cauchy/GHB): Biên hỗn hợp, lưu lượng thấm phụ thuộc vào độ chênh áp lực giữa nguồn nước mặt và TCN: $q = C(h_0 - h)$, với $C$ là độ dẫn thủy lực của lớp cản đáy.

Lý thuyết xác định sức cản thấm lòng sông ($\Delta L$)

Theo phương pháp giải tích và lý thuyết giếng ảo (phương pháp cộng dòng), khi hút nước trong TCN có áp gần biên sông, độ hạ thấp mực nước $S$ tại lỗ khoan quan trắc được biểu diễn qua công thức Jacob kết hợp hiệu chỉnh dao động mực nước sông:

$$S = \frac{Q}{4\pi T}\ln\left(\frac{2,25at}{r^2}\right) - \frac{Q}{4\pi T}\ln\left(\frac{2,25at}{\rho^2}\right) = \frac{Q}{2\pi T}\ln\left(\frac{\rho}{r}\right)$$

Khi có 2 lỗ khoan quan sát trên tuyến vuông góc với sông, tỷ số hạ thấp mực nước ổn định xác định theo hệ phương trình:

$$\frac{S_1}{S_2} = \frac{\ln\left[\frac{2(L + \Delta L) - r_1}{r_1}\right]}{\ln\left[\frac{2(L + \Delta L) - r_2}{r_2}\right]}$$

Trong đó: $S_1, S_2$ là độ hạ thấp mực nước tại 2 giếng quan sát; $r_1, r_2$ là khoảng cách từ giếng quan sát tới giếng hút; $L$ là khoảng cách từ giếng hút tới mép sông; $\Delta L$ là giá trị sức cản thấm bổ sung của trầm tích lòng sông.

Theo phương pháp giải tích của V.M. Grigoriev, hệ số sức cản tổng hợp ($A_z$) của các lớp trầm tích dưới đáy sông đến TCN nghiên cứu và đại lượng $\Delta L$ được xác định theo:

$$A_z = \frac{m_0}{K_0} + \sum_{i=1}^n \frac{m_i}{K_i}$$

$$\Delta L = \frac{K \cdot m \cdot A_z}{2b} \quad \text{hoặc} \quad \Delta L = \sqrt{K \cdot m \cdot A_z} \coth\left(\frac{b}{\sqrt{K \cdot m \cdot A_z}}\right)$$

với $m_0, K_0$ là chiều dày và hệ số thấm của lớp bùn đáy; $m_i, K_i$ là chiều dày và hệ số thấm thẳng đứng của các lớp trung gian; $b$ là nửa chiều rộng lòng sông; $K \cdot m$ là hệ số dẫn nước của TCN.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Thu thập, kế thừa và tổng hợp tài liệu: Xử lý cơ sở dữ liệu địa tầng và thông số ĐCTV từ 514 lỗ khoan; tài liệu quan trắc mực nước tại 242 công trình (1995–2017); số liệu 95 mặt cắt ngang lòng sông Hồng.
  • Khảo sát địa vật lý: Đo sâu điện trở đối xứng (VES) tại 556 điểm và đo sâu phân cực kích thích (IP) tại 160 điểm trên 5 tuyến phương Đông Bắc - Tây Nam khu vực ven rìa đá gốc và các tuyến vuông góc sông Hồng.
  • Khoan và hút nước thí nghiệm ĐCTV: Khoan thăm dò kết hợp mở rộng kết cấu tại 41 lỗ khoan, phân bố thành 5 chùm thí nghiệm ven sông Hồng (gồm 1 chùm bãi bồi giữa sông) và 3 chùm thí nghiệm ven rìa đá gốc Tây Nam. Tiến hành hút nước thí nghiệm đơn và thí nghiệm chùm (với các chùm tiêu biểu: CHN1, CHN2, C1) để xác định các thông số $T, a, K, \Delta L$.
  • Quan trắc động thái: Kết hợp mạng quan trắc quốc gia, mạng quan trắc Hà Nội và quan trắc chi tiết tại 40 lỗ khoan chuyên đề trong năm 2016.
  • Phân tích đồng vị môi trường: Lấy mẫu và phân tích thành phần đồng vị bền ($^2H, ^{18}O$) tại 11 lỗ khoan ven sông Hồng và ven rìa đá gốc năm 2016 nhằm đối chứng nguồn gốc bổ cập.
  • Mô hình số dòng chảy: Xây dựng mô hình số 3D bằng phần mềm GMS (Modflow) kết hợp công cụ Zone Budget để tính toán cân bằng nước chi tiết theo từng phân vùng biên.
  • Phương pháp chuyên gia: Tham vấn ý kiến các nhà khoa học chuyên ngành ĐCTV qua các hội thảo chuyên đề.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan khu vực nghiên cứu và nghiên cứu xác định lượng bổ cập cho nước dưới đất từ biên

Chương này tổng kết đặc điểm địa lý, khí tượng thủy văn và cấu trúc ĐCTV vùng Hà Nội. Toàn vùng được phân chia thành 3 TCN lỗ hổng, 13 TCN khe nứt và các thành tạo cách nước/thấm nước yếu xen kẹp:

Tầng chứa nước (TCN) Ký hiệu Chiều dày trung bình (m) Khoảng biến thiên chiều dày (m) Hệ số dẫn nước $T$ trung bình (m²/ngày) Tỷ lưu lượng $q$ trung bình (l/s.m) Đặc điểm phân bố và tính chất chứa nước
Trầm tích Holocen $qh$ 13,14 0,8 – 36,5 200 – 400 2,18 Nước không áp hoặc áp yếu; có 5 khoảnh cửa sổ ĐCTV nối với $qp2$; diện tích nhiễm mặn tại Phú Xuyên khoảng 98,9 km².
Trầm tích Pleistocen trên $qp2$ 12,26 1,3 – 39,0 232 3,12 Diện tích phân bố khoảng 1.200 km²; áp lực yếu; lớp sét Vĩnh Phúc phủ trên dày TB 9,4 m; diện tích nhiễm mặn tại Phú Xuyên, Ứng Hòa ~237 km².
Trầm tích Pleistocen dưới $qp1$ 23,00 2,0 – 102,65 1.100 5,74 Chứa nước giàu đến rất giàu, cuội sỏi sạn cát; đối tượng khai thác chính; mực nước trung tâm bị hạ thấp tới cốt -21 m do khai thác.
Trầm tích Neogen (hệ tầng Vĩnh Bảo) $n_2$ 23,00 9,5 – 347,9 Biến thiên rộng (0 – 953) 0,25 Cuội kết, cát kết xen sét kết; mức độ chứa nước từ nghèo đến rất giàu; diện tích nước mặn khoảng 430 km².
Khe nứt - karst đá vôi Đồng Giao $t_2đg$ — — — 0,0002 – 18,5 Phân bố tại Chương Mỹ, Thanh Oai, Mỹ Đức, Ứng Hòa; diện tích ~441 km²; chứa nước không đồng nhất từ trung bình đến rất giàu.
Khe nứt - karst đá vôi Na Vang $p_2$ — — — 0,007 – 12,3 Phân bố dải Đan Phượng đến Thanh Oai, Quốc Oai; diện tích ~94,4 km²; chứa nước giàu đến rất giàu.

Chương 1 xác định tồn tại 5 khoảnh cửa sổ ĐCTV cho phép trao đổi thủy lực trực tiếp giữa tầng $qh$ và $qp2$: (1) Sơn Tây - Đan Phượng - Hoài Đức - Nam Từ Liêm; (2) Tầm Xá (Đông Anh) đến Hai Bà Trưng dọc sông Hồng; (3) Vạn Kim (Mỹ Đức) đến Đại Cường (Ứng Hòa); (4) Tự Nhiên (Thường Tín) sang Hưng Yên; (5) Thanh Vân (Thanh Oai) đến Thường Tín.

Chương 2: Xác định và phân loại điều kiện biên sông Hồng khu vực thành phố Hà Nội

Chương 2 trình bày cơ sở phân chia và định lượng các thông số biên sông Hồng từ Ba Vì đến Phú Xuyên dựa trên phân tích tương quan thủy lực, cấu trúc địa chất ngang/dọc sông và thí nghiệm hiện trường:

  • Phân loại cấu trúc biên: Dọc bờ hữu ngạn sông Hồng được chia thành 9 vùng cấu trúc thuộc 3 kiểu và 4 phụ kiểu:
    • Kiểu I: Sông Hồng cắt trực tiếp vào TCN $qh$ và $qp$ (không có lớp ngăn cách sét hoặc lớp sét bị bào mòn tạo cửa sổ ĐCTV).
    • Kiểu II: Sông Hồng cắt vào TCN $qh$, ngăn cách với TCN $qp$ bởi lớp sét - sét pha dính bám yếu/không liên tục.
    • Kiểu III: Lòng sông phân bố trên lớp bùn sét, sét pha hữu cơ có tính thấm yếu cách ly tương đối với các TCN Đệ tứ bên dưới.
  • Xác định thông số sức cản lòng sông ($\Delta L$): Ứng dụng 4 phương pháp tính toán (hút nước thí nghiệm chùm có xét dao động mực nước sông tại chùm CHN1, CHN2; giải tích theo công thức Grigoriev; quan trắc động thái mực nước; mô hình số). Kết quả xác định đại lượng $\Delta L$ biến thiên từ 50 m đến 836 m, phản ánh mức độ cản thấm tăng dần từ thượng lưu (vùng Ba Vì, Đan Phượng) về hạ lưu (vùng Thường Tín, Phú Xuyên).

Chương 3: Xác định và phân loại điều kiện biên đá gốc phía Tây Nam thành phố Hà Nội

Chương 3 giải quyết bài toán ranh giới tiếp xúc giữa khối đá trước Đệ tứ (đá vôi Trias hệ tầng Đồng Giao, đá vôi Permi hệ tầng Na Vang, trầm tích lục nguyên Neogen, Proterozoi) với trầm tích Đệ tứ:

  • Phân chia kiểu cấu trúc tiếp xúc: Khu vực ven rìa Tây Nam (Sơn Tây - Quốc Oai - Chương Mỹ - Mỹ Đức) được chia thành 4 vùng với 3 kiểu cấu trúc ĐCTV chính:
    • Kiểu I: Trầm tích Đệ tứ tiếp xúc trực tiếp dạng tầng - khối với đá vôi karst hóa mạnh ($t_2đg, p_2$).
    • Kiểu II: Trầm tích Đệ tứ tiếp xúc với đá nứt nẻ lục nguyên yếu hoặc đá biến chất thấm nước kém.
    • Kiểu III: Ranh giới tiếp xúc bị phủ bởi lớp trầm tích bở rời hỗn hợp aluvi - deluvi có tính thấm trung bình.
  • Bản chất điều kiện biên: Kết quả hút nước chùm C1 và phân tích động thái mực nước trên các tuyến mặt cắt T1 (T1A, T1B, T1C từ Phúc Thọ đến Cao Viên) và T2 (T2A, T2B, T2C từ Trường Thịnh đến Đội Bình) khẳng định biên đá gốc Tây Nam là biên loại II (biên lưu lượng xác định biến đổi theo thời gian), bác bỏ giả thiết trước đây coi đây là biên cách nước hoàn toàn.

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 4 thiết lập mô hình dòng chảy số ba chiều bằng GMS (Modflow):

  • Cấu trúc mô hình: Miền tính toán gồm 4 lớp ĐCTV chính (Lớp 1: Đất đá thấm nước yếu phủ trên; Lớp 2: TCN Holocen $qh$; Lớp 3: Lớp sét cách nước/thấm nước yếu; Lớp 4: TCN Pleistocen $qp$). Lưới ô vuông phân giải cao tại đới ven sông và các phễu khai thác.
  • Thiết lập biên và hiệu chỉnh: Biên sông Hồng khai báo dạng biên sông (River/GHB) với thông số $\Delta L$ tương ứng 9 vùng; biên đá gốc Tây Nam khai báo dạng lưu lượng thay đổi theo thời gian (biên loại II). Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định theo chuỗi quan trắc mực nước thực tế giai đoạn 1995–2017.
  • Định lượng cân bằng bổ cập (Zone Budget): Phân tích lượng trao đổi qua 9 phân vùng Zone Budget:
    • Sông Hồng đóng vai trò là nguồn cấp nước chủ đạo cho trầm tích Đệ tứ, lượng bổ cập dao động trong khoảng từ 424.000 m³/ngày đến trên 600.000 m³/ngày (tùy theo mùa và chế độ khai thác). Lượng bổ cập lớn nhất tập trung tại các phân vùng có cửa sổ ĐCTV và các bãi giếng công suất lớn (Cáo Đỉnh, Thượng Cát, Yên Phụ, Lương Yên).
    • Biên đá gốc Tây Nam cung cấp lượng bổ cập cho các TCN Đệ tứ với lưu lượng từ 19.000 m³/ngày đến 35.000 m³/ngày, duy trì cân bằng áp lực tại dải ven rìa phía Tây Nam thủ đô.

Chương 5: Đề xuất phương án khai thác, sử dụng hợp lý tài nguyên nước dưới đất

Dựa trên kết quả định lượng nguồn bổ cập, tác giả xây dựng và mô phỏng 3 phương án khai thác:

  • Phương án 1 (Hiện trạng): Duy trì sơ đồ và lưu lượng khai thác tại các nhà máy nước nội thành hiện hữu. Kết quả mô phỏng cho thấy phễu hạ thấp mực nước tiếp tục mở rộng, nguy cơ sụt lún và ô nhiễm gia tăng.
  • Phương án 2 (Bổ sung bãi giếng ven sông): Bố trí bổ sung các bãi giếng khai thác mới dọc dải ven hữu ngạn sông Hồng (thuộc các vùng cấu trúc ĐCTV Kiểu I và Kiểu II có $\Delta L$ nhỏ) nhằm thu hút trực tiếp nước thấm từ sông, nâng công suất khai thác an toàn.
  • Phương án 3 (Quy hoạch điều chỉnh tối ưu): Giảm dần công suất khai thác tại các nhà máy nước nội đô nằm sâu trong phễu hạ thấp; chuyển dịch công suất sang các bãi giếng ven sông Hồng kết hợp khai thác hợp lý nguồn bổ cập từ đới đá gốc Tây Nam tại các khu vực Quốc Oai, Chương Mỹ. Phương án này đảm bảo mực nước ngầm phục hồi và giảm thiểu rủi ro biến dạng công trình.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Lượng hóa thông số biên sông Hồng: Phân chia chi tiết bờ hữu ngạn sông Hồng khu vực Hà Nội thành 9 vùng cấu trúc với 3 kiểu và 4 phụ kiểu ĐCTV; xác định được giá trị sức cản thấm trầm tích lòng sông $\Delta L$ biến thiên từ 50 m đến 836 m bằng tổ hợp phương pháp giải tích, thực nghiệm chùm lỗ khoan và mô hình số.
  2. Xác lập bản chất biên đá gốc Tây Nam: Chứng minh bằng tài liệu thực địa và tính toán rằng ranh giới tiếp xúc đá gốc trước Đệ tứ phía Tây Nam là biên loại II (biên có lưu lượng xác định và biến đổi theo thời gian), phân chia thành 4 vùng với 3 kiểu cấu trúc tiếp xúc, lượng bổ cập cho trầm tích Đệ tứ dao động từ 19.000 m³/ngày trở lên.
  3. Định lượng vai trò bổ cập tổng thể: Xác định chính xác lượng bổ cập từ sông Hồng cho các tầng chứa nước Đệ tứ vùng ven sông dao động từ 424.000 m³/ngày, làm rõ cơ chế tương tác thủy lực giữa nước mặt và nước ngầm tại đồng bằng Hà Nội.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và kiến nghị giải pháp

  • Cung cấp cơ sở dữ liệu và bản đồ phân vùng ĐCTV chi tiết phục vụ quy hoạch khai thác và bảo vệ tài nguyên NDĐ thủ đô Hà Nội.
  • Đề xuất phương án chuyển dịch các công trình khai thác nước ngầm từ khu vực nội đô bị suy thoái về dải ven sông Hồng và khu vực ven rìa đá gốc Tây Nam, tận dụng tối đa lượng bổ cập tự nhiên từ sông và đá nứt nẻ - karst để cung cấp nước bền vững.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào trầm tích Đệ tứ khu vực hữu ngạn sông Hồng và phần Tây Nam; chuỗi số liệu thí nghiệm đồng vị môi trường ($^2H, ^{18}O$) mới dừng lại ở 11 vị trí đại diện năm 2016. Tác động của biến đổi dòng chảy sông Hồng sau khi có hệ thống hồ chứa thượng nguồn chưa được mô phỏng chi tiết trong các kịch bản dài hạn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng mô hình tính toán chi tiết cho khu vực tả ngạn sông Hồng (Đông Anh, Mê Linh, Gia Lâm, Long Biên); cập nhật chuỗi số liệu quan trắc liên tục và tăng cường mật độ phân tích đồng vị để theo dõi biến động chất lượng nước khi khai thác quy mô lớn tại các bãi giếng ven sông.

Giá trị tham khảo

  • Đối với cơ quan quản lý và quy hoạch: Luận án là tài liệu tham khảo kỹ thuật phục vụ Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Bộ Tài nguyên và Môi trường, các công ty nước sạch trong việc điều chỉnh quy hoạch cấp nước ngầm, xác định hành lang bảo vệ nguồn nước và vị trí xây dựng bãi giếng ven sông.
  • Đối với nghiên cứu sinh, giảng viên, chuyên gia ĐCTV: Cung cấp quy trình phương pháp luận chuẩn xác về xác định thông số sức cản lòng sông ($\Delta L$), kỹ thuật chỉnh lý số liệu hút nước chùm khi mực nước sông dao động, và phương pháp tích hợp GIS - Modflow - Zone Budget trong bài toán biên thủy lực phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu trúc địa chất thủy văn dọc sông Hồng qua Hà Nội được phân chia cụ thể như thế nào?

Dọc sông Hồng đoạn từ Ba Vì đến Phú Xuyên được phân chia thành 9 vùng cấu trúc thuộc 3 kiểu và 4 phụ kiểu ĐCTV. Sự phân loại dựa trên mức độ cắt của lòng sông vào các tầng chứa nước Holocen ($qh$), Pleistocen ($qp$) và sự tồn tại hay vắng mặt của lớp sét cách nước.

2. Biên đá gốc phía Tây Nam thành phố Hà Nội thuộc loại điều kiện biên nào?

Biên đá gốc phía Tây Nam được xác định là biên loại II (biên có lưu lượng xác định và biến đổi theo thời gian), chia thành 4 vùng với 3 kiểu cấu trúc tiếp xúc, cung cấp lượng bổ cập cho trầm tích Đệ tứ từ 19.000 m³/ngày đến 35.000 m³/ngày, chứ không phải là biên cách nước như các giả định đơn giản hóa trước đây.

3. Đại lượng sức cản trầm tích lòng sông ($\Delta L$) trên sông Hồng có giá trị bao nhiêu?

Giá trị $\Delta L$ trên biên hữu ngạn sông Hồng biến thiên từ 50 m đến 836 m, được xác định dựa trên tổ hợp 4 phương pháp: hút nước thí nghiệm chùm kết hợp hiệu chỉnh dao động mực nước sông, phương pháp giải tích V.M. Grigoriev, quan trắc động thái tương quan mực nước, và hiệu chỉnh mô hình số.

4. Có bao nhiêu khoảnh "cửa sổ địa chất thủy văn" kết nối giữa tầng chứa nước $qh$ và $qp2$?

Khu vực nghiên cứu có 5 khoảnh cửa sổ ĐCTV chính: (1) Sơn Tây - Đan Phượng - Hoài Đức - Nam Từ Liêm; (2) Tầm Xá (Đông Anh) đến Hai Bà Trưng dọc sông Hồng; (3) Vạn Kim (Mỹ Đức) đến Đại Cường (Ứng Hòa); (4) Tự Nhiên (Thường Tín) sang Hưng Yên; (5) Thanh Vân (Thanh Oai) đến Thường Tín.

5. Phương án khai thác nước dưới đất nào được luận án đề xuất ưu tiên?

Luận án đề xuất phương án giảm lưu lượng khai thác tại các nhà máy nước nội thành sâu trong đất liền để hạn chế sụt lún và ô nhiễm, đồng thời phát triển các bãi giếng khai thác ven hữu ngạn sông Hồng và khai thác bổ trợ tại vùng ven rìa đá gốc Tây Nam để thu hút nguồn bổ cập dồi dào từ sông và đá vôi karst.

Kết luận

Luận án của NCS Triệu Đức Huy đã giải quyết trọn vẹn bài toán xác định điều kiện biên và định lượng nguồn bổ cập cho các tầng chứa nước Đệ tứ tại khu vực Tây Nam Hà Nội. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa khảo sát thực địa (41 lỗ khoan thí nghiệm, 556 điểm VES, 160 điểm IP), giải tích thủy lực và mô hình số GMS, công trình đã xác lập chi tiết giá trị sức cản đáy sông Hồng ($\Delta L = 50 - 836$ m) và khẳng định biên đá gốc Tây Nam là biên loại II có lưu lượng biến đổi. Kết quả định lượng lưu lượng bổ cập từ sông Hồng (từ 424.000 m³/ngày) và từ đá gốc (từ 19.000 m³/ngày) là cơ sở khoa học trực tiếp cho việc điều chỉnh quy hoạch khai thác nước dưới đất bền vững cho thủ đô Hà Nội.