Xâm nhập mặn nước ngầm ven biển Hà Tĩnh: Nghiên cứu và giải pháp bảo vệ

Nghiên cứu thực trạng xâm nhập mặn nước ngầm ven biển Hà Tĩnh. Luận văn đề xuất các giải pháp khoa học nhằm bảo vệ và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên.

• Tác giả: Nguyễn Đức Núi
• Người hướng dẫn: Phan Văn Trường
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Quản lý Tài nguyên và Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngầm khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh và đề xuất các giải pháp bảo vệ, sử dụng hợp lý
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Nguyên nhân xâm nhập mặn nước ngầm Hà Tĩnh

Xâm nhập mặn nước ngầm tại Hà Tĩnh là vấn đề cấp bách liên quan trực tiếp đến sự bền vững của tài nguyên nước và an ninh lương thực. Khu vực ven biển Hà Tĩnh đối mặt với các nguyên nhân từ tự nhiên và nhân tạo. Các nhân tố tự nhiên bao gồm vị trí địa lý gần biển, đặc điểm địa chất thủy văn có các tầng chứa nước xuyên thấu cao, và độ cao địa hình thấp. Ngoài ra, chế độ thủy văn-hải văn với mực nước biển thay đổi theo mùa cũng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xâm nhập. Các yếu tố nhân tạo như khai thác nước ngầm quá mức, xâ phism phát triển kinh tế nông lâm nguyên lâu, nuôi trồng hải sản và hoạt động công nghiệp làm suy giảm cấu trúc nước ngầm và tăng cường quá trình xâm nhập mặn đáng kể.

1.1. Các yếu tố tự nhiên hình thành xâm nhập mặn

Vị trí địa lý của Hà Tĩnh nằm sát vùng ven biển Đông tạo ra lợi thế thuận lợi cho xâm nhập nước mặn. Đặc điểm địa chất thủy văn với các tầng chứa nước có độ xuyên thấu cao cho phép nước mặn thẩm thấu sâu vào các lớp nước ngầm. Địa hình bằng phẳng, độ cao thấp làm giảm khả năng cản lại sự xâm nhập của nước mặn từ biển vào đất liền.

1.2. Hoạt động khai thác và sử dụng không bền vững

Khai thác nước ngầm vượt quá khả năng tái tạo gây suy giảm áp suất nước dưới đất, tạo điều kiện cho nước mặn xâm nhập từ biển. Hoạt động nông lâm nguyên và nuôi trồng hải sản không kiểm soát làm suy yếu các tầng nước ngầm. Các hoạt động công nghiệp và dân sinh không tuân thủ quy định cũng tạo áp lực lên hệ thống nước dưới đất.

II. Đặc điểm hiện trạng xâm nhập mặn tại Hà Tĩnh

Nghiên cứu mô hình nhiễm mặn nước ngầm cho thấy tình hình xâm nhập mặn tại khu vực ven biển Hà Tĩnh đang ở mức báo động. Ranh giới mặn-nhạt nước dưới đất đã dịch chuyển sâu vào đất liền, ảnh hưởng trực tiếp đến các ngành kinh tế, đặc biệt là nông nghiệp và công nghiệp. Theo các kết quả chỉnh lý bài toán ổn định và không ổn định, mức độ xâm nhập mặn tăng từ 100-150m ở một số vị trí sang 200-300m tại các khu vực có khai thác nước ngầm intensif. Các tầng chứa nước từ độ sâu 10-40m đã bị nhiễm mặn, đặc biệt ở các khu vực có mật độ dân số cao và hoạt động kinh tế phát triển. Dự báo xâm nhập mặn theo thời gian chỉ ra rằng nếu không có biện pháp can thiệp, tình hình sẽ ngày càng trầm trọng.

2.1. Phân tích dữ liệu mô phỏng và kết quả chỉnh lý

Mô hình toán học được xây dựng dựa trên dữ liệu thủy văn-hải văn chi tiết cho phép mô phỏng chính xác quá trình xâm nhập mặn. Kết quả chỉnh lý mô hình với các bài toán ổn định và không ổn định cung cấp dữ liệu nền về vị trí và mức độ nhiễm mặn hiện tại. Ô lưới mô phỏng được thiết lập với độ chi tiết cao giúp xác định chính xác các vùng xâm nhập mặn nhất.

2.2. Diễn biến theo thời gian và dự báo tương lai

Dự báo xâm nhập mặn cho các năm tới cho thấy mối nguy hiểm lớn nếu không hành động kịp thời. Ranh giới mặn-nhạt sẽ tiếp tục dịch chuyển vào nước dưới đất ở độ sâu lớn hơn. Các tuyến dòng chảy nước dưới đất vùng ven biển sẽ bị tác động mạnh mẽ, làm gia tăng xâm nhập nước mặn vào các tầng chứa nước ngọt.

III. Các giải pháp bảo vệ khắc phục xâm nhập mặn

Để hạn chế quá trình xâm nhập mặn nước ngầm, cần áp dụng các giải pháp tổng hợp từ kỹ thuật đến quản lý. Trước tiên, cần kiểm soát khai thác nước ngầm bằng cách xác định mức khai thác bền vững dựa trên trữ lượng động nước dưới đất. Xây dựng hàng rào nước ngọt bằng khai thác nước ngầm ở vùng tiền đồn để tạo áp suất nước ngọt cản lại nước mặn là một giải pháp hiệu quả. Sử dụng hợp lý tài nguyên nước thông qua tái cấp nước ngầm từ các nguồn nước mặt như sông, hồ trong mùa mưa cũng rất quan trọng. Ngoài ra, cần phát triển các công nghệ xử lý nước mặn hiện đại để tăng mức sử dụng an toàn. Các biện pháp bảo vệ môi trường nước dưới đất cũng phải đi kèm.

3.1. Giải pháp kỹ thuật và khai thác hợp lý

Xác định điều kiện khai thác nước ngầm tối ưu dựa trên khoảng cách đến ranh giới mặn-nhạt và lưu lượng khai thác an toàn. Hàng rào nước ngọt được tạo lập bằng cách khai thác nước ngầm tại các điểm nước tiền đồn để chống lại áp lực nước mặn. Tái cấp nước ngầm từ các nguồn nước mặt sạch sẽ giúp cân bằng trữ lượng động và chống xâm nhập mặn.

3.2. Quản lý và giám sát dài hạn

Thiết lập hệ thống giám sát nước dưới đất với các giếng quan trắc định kỳ theo dõi xâm nhập mặn nước ngầm. Xây dựng kế hoạch quản lý tài nguyên nước bền vững cho toàn khu vực ven biển. Phối hợp quản lý giữa các ngành và địa phương để sử dụng hợp lý nước ngầm và bảo vệ môi trường nước dưới đất.

IV. Ứng dụng mô hình và khuyến nghị chính sách

Mô hình nhiễm mặn nước ngầm đã được chỉnh lý và chuẩn hóa có thể trở thành công cụ hỗ trợ quyết định quý báu cho các nhà quản lý. Sử dụng mô hình toán học để dự báo các kịch bản khác nhau về khai thác nước ngầm giúp lựa chọn giải pháp tối ưu. Từ các kết quả dự báo xâm nhập mặn, cần đưa ra các khuyến nghị chính sách cụ thể như quy định giới hạn khai thác, phân vùng khai thác nước ngầm, và ưu tiên phát triển các nguồn nước thay thế. Sử dụng hợp lý nước ngầm cần được đưa vào quy hoạch phát triển bền vững của tỉnh. Cần tăng cường hợp tác quốc tế trong nghiên cứu xâm nhập mặn để áp dụng các công nghệ tiên tiến. Đầu tư cho giáo dục cộng đồng về bảo vệ nước dưới đất cũng là yếu tố then chốt để thay đổi hành vi sử dụng nước.

4.1. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn

Mô hình mô phỏng xâm nhập mặn là cơ sở khoa học cho quản lý tài nguyên nước hiệu quả. Sử dụng kết quả dự báo để xác định thời gian xâm nhập mặn theo các mức khai thác khác nhau. Ứng dụng mô hình để thiết kế hàng rào nước ngọt và hệ thống tái cấp nước ngầm hiệu quả nhất cho từng khu vực cụ thể.

4.2. Chính sách quản lý và phát triển bền vững

Xây dựng quy định khai thác nước ngầm dựa trên điều kiện khôn khó khô tại mỗi vùng để bảo vệ nước dưới đất. Lập kế hoạch phát triển bền vững tại khu vực ven biển Hà Tĩnh với sử dụng hợp lý nước ngầm là trọng tâm. Tăng cường giáo dục cộng đồng về tầm quan trọng của bảo vệ nước dưới đất và chống xâm nhập mặn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM 1. Các khái niệm 1) Nước ngầm Nước ngầm là loại nước trọng lực dưới đất ở trong tầng chứa nước thứ nhất kể từ trên mặt xuống.Phía trên tầng nước ngầm thường không có lớp cách nước che phủ và nước trọng lực không chiếm toàn bộ bề dày của đất đá thấm nước, nên bề mặt của nước ngầm là một mặt thoáng tự do. Nước ngầm vận động dưới tác dụng của độ chênh lệch mực nước, chảy theo hướng từ nơi có mực nước ngầm cao đến nơi có mực nước ngầm thấp hơn. Nó thường được chứa trong trầm tích bở rời điển hình như trong aluvi, proluvi hoặc trong các dải cát, đụn cát ven biển.

2) Xâm nhập mặn nước ngầm Xâm nhập mặn là quá trình làm tăng độ muối (chủ yếu là NaCl) trong nước nhạt và thu hẹp không gian của các thể chứa nước nhạt. XNM ở vùng ven biển xảy ra khi cột thuỷ áp của nước ngầm hạ thấp xuống dưới mực nước biển, do thay đổi về điều kiện cân bằng nước ngầm tự nhiên hay do quá trình khai thác sử dụng nước ngầm quá mức khiến cho mực nước ngầm hạ thấp, dẫn đến sự dịch chuyển của biên mặn về phía đất liền. 3) Điện trở suất của tầng chứa nước Đất đá có thể xem như một tập hợp gồm ba pha: pha cứng (đất đá hay khoáng vật); pha lỏng (nước trong tầng chứa) và pha khí (khí trong các lỗ hổng). Điện trở suất (ĐTS) của pha lỏng thường có giá trị nhỏ nhất.

Vì vậy, điện trở suất của đất đá chứa nước chủ yếu do điện trở suất của nước quyết định (trừ trường hợp tầng chứa nước có xen các lớp sét). Nước tự nhiên là các chất điện phân chứa các loại ion khác nhau.Khi ta tạo ra điện trường thì các ion đó sẽ chuyển dịch và xuất hiện dòng điện. Mật độ dòng điện phụ thuộc vào mật độ, loại ion và tốc độ di chuyển của chúng[12, 31]. Điện trở suất của chất điện phân (nước) ρw được xác định theo công thức sau: 10 e = (1.2) c = C thì ew 10 = C∑(vafa+ vcf c) C 10 với A = (1.3) ∑(vafa+ vcfc) 3 Trong đó: ca và cc - mật độ của anion và cation và hàm lượng anion và cation thông thường ca = cc = C; va và vc - tốc độ di chuyển của anion và cation; f a và fc - độ linh động của anion và cation, phụ thuộc vào hàm lượng muối hoà tan và thành phần hóa học của chúng.

Loại dẫn điện ion xảy ra trong đất, đá lỗ hổng, khe nứt lấp đầy dung dịch. Phần tử tải điện là các ion. Khi có tác động của trường điện bên ngoài, các ion dịch chuyển định hướng tạo nên dòng điện. Loại dẫn điện ion thường gặp trong đất đá trầm tích.Archie (1942) khi nghiên cứu độ dẫn điện của các tầng chứa nước, đã chỉ ra rằng điện trở suất của một tầng chứa tỷ lệ thuận với điện trở suất của nước lấp đầy trong các lỗ hổng và tỷ lệ nghịch với độ lỗ hổng của tầng chứa nước.

Mối quan hệ này được biểu diễn dưới dạng định luật Archie như sau: M ebuk = Few a Æa = = MC –α (1.4) ew knC C α k vớiF = a (1.5) k n Æa và từ(1.2): M = k n,a Trong đó: ρbuk - điện trở suất của tầng chứa nước, F - hệ số cấu thành tầng chứa nước; ρw - điện trở suất của nước lấp đầy các lỗ hổng của tầng chứa nước; a - hệ số, phụ thuộc vào đất (a = 0,4; 1,4); k - độ lỗ hổng của đất đá; n - hệ số cấu trúc (n = 1,3; 2,2). Đối với tầng chứa nước xác định thì hệ số cấu thành tầng chứa nước (F) không thay đổi. Như vậy, điện trở suất của các tầng chứa nước chỉ biến đổi do tính chất của nước trong tầng chứa nước thay đổi (do nhiễm mặn, nhiễm bẩn,. Sự biến đổi chất lượng nước ngầm nói chung trong một lãnh thổ rất phức tạp, cả về không gian và thời gian.

Thông thường, chất lượng nước ngầm bao gồm rất nhiều yếu tố để đánh giá như hàm lượng các ion, các chất keo, các hợp chất có mặt trong nước… trong đó tổng khoáng hoá là chỉ tiêu cơ bản nhất và quan trọng nhất để đánh giá chất lượng nước vì đây là chỉ tiêu dùng để đánh giá chất lượng nước tổng quát nhất. 4) Tổng chất rắn hòa tan (TDS) Bao gồm khoáng chất, muối hoặc kim loại tồn tại trong một khối lượng nước nhất định, đơn vị biểu thị thường là mg/lhoặc ppm (phần nghìn). TDS được lấy làm cơ sở ban đầu để xác định mức độ sạch của nguồn nước. TDS tồn tại dưới dạng các ion âm và ion dương, do nước luôn có tính hoà tan rất cao nên nó thường có xu hướng lấy các ion từ các vật mà nó tiếp xúc.

Từ mối tương quan giữa giá trị TDS của nước và kết quả đo điện trở suất đất đá chứa nước có thể xác định được đới mặn/nhạt của nước ngầm [12].1: Phân loại nước dưới đất theo độ tổng khoáng hóa Giới hạn TDS TT Phân loại (g/l) 1 Siêu nhạt <0.2-1 3 Lợ 1 -3 4 Hơi mặn 3-10 5 Mặn 10-35 6 Muối >35 Nguồn [1, 22, 24, 27] 1. Cơ chế xâm nhập mặn nước dưới đất 1. Các quá trình dịch chuyển chất hòa tan Vận động của vật chất hòa tan trong môi trường NDĐ là quá trình cơ lý và hóa học rất phức tạp, được gọi là “di chuyển chất hòa tan” theo các quá trình sau: Quá trình di chuyển đối lưu:các chất hoà tan vận chuyển theo dòng chảy NDĐ với tổng lượng chất hòa tan (Fx) theo một hàm số nồng độ của chúng trong nước (C) và lượng dòng ngầm. Đối với dòng một chiều, một đơn vị diện tích tiết diện lỗ hổng có lưu lượng dòng ngầm là: Fx =C* vxne(1.6) Trong đó:vxne- độ lỗ hổng hữu hiệu, C - vận tốc thấm trung bình Phương trình vận chuyển vật chất theo kiểu piston cho dòng một chiều có dạng (2.2) và thể hiện qua hình dạng của đường nồng độ (hình 1.1: Quá trình dịch chuyển của chất hòa tan theo thời gian và ảnh hưởng của quá trình khuếch tán 5 Quá trình phân tán: nước mặn (nước biển) di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn.

Sự khuếch tán diễn ra đến khi nào gradient nồng độ còn tồn tại, ngay cả khi không có dòng chảy. Mức độ khuếch tán tỷ lệ thuận với gradient nồng độ, tuân theo định luật thứ nhất của Fick: F = - Dd (dC/dx) (1.8) Trong đó: F - dòng vật chất trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian; Dd - hệ số khuếch tán, m2/s; C - nồng độ chất tan, g/cm3; dC/dx - gradient nồng độ (g/cm2). Dấu trừ thể hiện vận động từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn. Ở o 25 C có thể xác định Dd theo bảng có sẵn.

Trường hợp chất tan có nồng độ thay đổi theo thời gian thì áp dụng định luật thứ 2 của Fick: C D 2 (1.9) t   C d x2 Trong đó: - sự thay đổi nồng độ theo thời gian. C t Trong môi trường lỗ hổng, quá trình khuếch tán xảy ra không nhanh như trong môi trường nước vì các ion phải di chuyển quãng đường dài hơn khi đi vòng qua các hạt đất đá. Hệ số khuếch tán phân tử D* được xác định theo công thức: D* = Dd (1.10) Trong đó:  - hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào mức độ cong của đường vận chuyển. Sự khuếch tán làm cho chất tan luôn vận động trong môi trường lỗ hổng ngay cả khi không có dòng chảy tự nhiên.

Sự khuếch tán của vật chất có nồng độ C o tại thời điểm to và vận động từ khoảng (x-a) tới (x+a), đến thời điểm t 1 và t2 nồng độ chất tan giảm nhưng lại tăng ngoài khoảng này (hình 1. Nồng độ chất tan phân bố theo quy luật phân phối chuẩn Gausse đặc trưng bởi nồng độ trung bình và phương sai. Có thể xác định hệ số khuếch tán hữu hiệu qua hai đại lượng phương sai và thời gian: D* = c2/2t (1.11) Quá trình khuếch tán thực tế cần xem xét là các ion chủ yếu phải ở trạng thái trung hoà điện tích. Nếu chất tan bị hấp phụ vào bề mặt hạt rắn thì tỷ lệ khuếch tán nhìn chung sẽ nhỏ hơn so với chất không bị hấp phụ.

Nếu coi nồng độ vật chất ban đầu trong chất thải rắn là Co, không đổi theo thời gian, sau thời gian t, tại khoảng cách nồng độ chất tan là Ci (x,t), nếu tính đến điều kiện biên và điều kiện ban đầu (Grank, 6 1956) thì: x Ci ( x,t  (1.13) 1  exp      Giá trị erfc(B) dao động trong khoảng 0 - 2. Quá trình khuếch tán vật chất diễn ra từ vùng có nồng độ Co tới vùng có nồng độ Ci=0 được biểu diễn trên hình 1.8 quan C/Co Nồng độ tương 0.2: Đồ thị dự báo đường nồng độ do quá trình khuếch tán phân tử Từ những nhận định trên cho thấy quá trình khuếch tán không có ý nghĩa đặc thù đối với sự di chuyển của chất tan. Nó thể hiện một cơ chế vận động ưu thế trong ĐCTV khi các đất đá chứa nước có tính thấm kém. Tuy nhiên, nó vẫn có thể diễn ra trong các khoảng không của khe nứt, lỗ hổng lớn, kể cả khi không có dòng chảy tự nhiên.

Quá trình phân tán cơ học Quá trình phân tán cơ học diễn ra khi các chất hòa tan di chuyển qua môi trường lỗ rỗng. Chất hòa tan dọc theo đường dòng gọi là quá trình phân tán dọc. Sự trộn lẫn theo phương vuông góc với đường dòng gọi là phân tán ngang. Quá trình phân tán cơ học chịu ảnh hưởng của kích thước lỗ hổng dẫn đến vận chuyển chậm hay nhanh, chiều dài đường vận chuyển và ma sát trong lỗ hổng.

Nếu toàn bộ nước ngầm chứa chất bẩn vận động cùng nhau thì sẽ thay thế nước sạch và tạo 7 nên một bề mặt ngăn cách giữa hai loại nước. Hơn nữa, sự xâm nhập chất bẩn không chuyển động cùng một vận tốc với nước xảy ra quá trình hỗn hợp trên đường vận chuyển, dẫn đến sự pha loãng chất bẩn trong dòng chảy. Nếu quá trình phân tán cơ học tuân theo định luật Fick như đối với khuếch tán thì tổng phân tán là hàm số của vận tốc thấm trung bình, trong đó có tính đến hệ số phân tán cơ học. Hệ số này tương đương với thông số trung bình, được gọi đơn giản là phân tán thấm ( ).

Hệ số phân tán cơ học = hệ số phân tán thấm x vận tốc thấm trung bình.