Tổng quan nghiên cứu

Nguồn nước dưới đất đóng vai trò huyết mạch trong việc duy trì an ninh nguồn nước và phát triển kinh tế xã hội tại vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng. Tỉnh Hải Dương sở hữu tổng diện tích tự nhiên 1.661,2 km2, trong đó vùng đồng bằng chiếm 91% tương đương 1.521,2 km2 và vùng đồi núi thấp chiếm 9% với khoảng 140 km2. Toàn tỉnh có 10 khu công nghiệp tập trung cùng tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, dẫn đến áp lực khai thác tài nguyên nước ngầm ngày càng gia tăng. Nhu cầu khai thác tập trung tại tầng chứa nước Pleistocen đã vượt mức 43.000 m3/ngày, trong khi tổng trữ lượng khai thác tiềm năng vùng nước nhạt của tầng này chỉ đạt khoảng 86.288 m3/ngày. Tình trạng khai thác tự phát, thiếu quy hoạch đồng bộ đang đối mặt với nguy cơ suy giảm mực nước cục bộ, ô nhiễm hữu cơ và gia tăng ranh giới xâm nhập mặn.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cấp thiết: Xây dựng hệ thống tiêu chí khoa học và thực tiễn nhằm khoanh định chính xác các khu vực bắt buộc phải đăng ký khai thác nước dưới đất trên địa bàn tỉnh Hải Dương. Mục tiêu cụ thể là tổng hợp toàn diện các thông số địa chất thủy văn, chất lượng nguồn nước và hiện trạng khai thác tại 2 tầng chứa nước trọng điểm là Holocen và Pleistocen trong giai đoạn 2010 đến 2015. Trên cơ sở đó, đề tài thiết lập bộ công cụ quản lý số hóa thông qua bản đồ phân vùng, đáp ứng chặt chẽ các yêu cầu của Luật Tài nguyên nước năm 2012, Nghị định 201/2013/NĐ-CP và Thông tư 27/2014/TT-BTNMT. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa then chốt, giúp cơ quan quản lý nhà nước kiểm soát 100% các công trình khai thác quy mô nhỏ lẻ, bảo vệ nguồn nước ngầm khỏi nguy cơ cạn kiệt và suy thoái chất lượng lâu dài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết thủy động lực học nước dưới đất và lý thuyết đánh giá tính dễ bị tổn thương của tầng chứa nước trước tác động nhân sinh. Cấu trúc địa tầng khu vực nghiên cứu được mô hình hóa thông qua các tầng chứa nước trầm tích Đệ tứ bở rời có quan hệ thủy lực mật thiết với mạng lưới nước mặt sông Hồng và sông Thái Bình.

Ba khái niệm học thuật then chốt được chuẩn hóa trong luận văn bao gồm:

  • Tầng chứa nước không áp và có áp: Điển hình là tầng chứa nước Holocen phân bố nông, không có lớp chắn bảo vệ phía trên nên chịu ảnh hưởng trực tiếp từ nước mưa và nguồn thải bề mặt; ngược lại, tầng Pleistocen là tầng chứa nước có áp lực với chiều cao cột nước áp lực dao động từ 21,30m đến 51,70m, được ngăn cách tương đối bởi lớp sét bột hệ tầng Vĩnh Phúc.
  • Ranh giới mặn nhạt theo độ tổng khoáng hóa: Ngưỡng phân chia khoa học được xác định ở mức tổng độ khoáng hóa M bằng 1,0 g/l. Vùng nước nhạt có tổng khoáng hóa dưới 1,0 g/l phù hợp cho sinh hoạt và công nghiệp; vùng nước lợ đến mặn có tổng khoáng hóa từ 1,0 g/l đến trên 3,0 g/l không thể sử dụng trực tiếp nếu chưa qua công nghệ xử lý.
  • Trữ lượng khai thác tiềm năng: Tổng hòa của trữ lượng động tự nhiên từ nguồn bổ cập nước mưa, trữ lượng tĩnh đàn hồi hình thành do giải phóng áp lực tầng chứa và trữ lượng tĩnh trọng lực trong các lỗ hổng đất đá.

Bên cạnh đó, nguyên lý đánh giá đa tiêu chí không gian kết hợp phân tích chồng xếp bản đồ GIS được ứng dụng làm khung phân tích cốt lõi để tích hợp các chỉ tiêu địa chất thủy văn với các yếu tố kiểm soát môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa thu thập tài liệu thứ cấp, đo đạc thực địa và xử lý dữ liệu địa không gian chuyên sâu:

  • Cỡ mẫu và kỹ thuật chọn mẫu: Đề tài tiến hành điều tra, chuẩn hóa dữ liệu từ 49 lỗ khoan quan trắc và công trình khai thác thuộc tầng Holocen cùng 44 công trình khai thác công nghiệp thuộc tầng Pleistocen trên phạm vi diện tích khảo sát 842 km2. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm bao phủ toàn diện các tiểu vùng địa chất thủy văn đại diện tại thành phố Hải Dương, thị xã Chí Linh, các huyện Cẩm Giàng, Nam Sách, Thanh Miện, Ninh Giang, Tứ Kỳ và Gia Lộc.
  • Phương pháp phân tích và xử lý số liệu: Luận văn sử dụng phần mềm chuyên dụng Aquifer Test để phân tích các đường cong hồi phục mực nước và xác định các thông số ĐCTV chính xác, bao gồm hệ số dẫn nước trung bình đạt 1.941 m2/ngày, hệ số nhả nước đàn hồi 3,3x10^-5 và hệ số thấm K dao động từ 1,54 đến 10,5 m/ngày. Phần mềm MapInfo được sử dụng để số hóa và thực hiện các thuật toán chồng lớp bản đồ không gian.
  • Dòng thời gian nghiên cứu: Chuỗi số liệu khí tượng thủy văn, diễn biến mực nước tĩnh và chất lượng nước ngầm được quan trắc liên tục và cập nhật trong giai đoạn 5 năm từ 2010 đến 2015.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích này là nhằm chuyển đổi các dữ liệu thủy văn rời rạc thành ranh giới địa lý không gian rõ ràng, đảm bảo tính chuẩn xác và độ tin cậy cao khi áp dụng vào công tác thực thi pháp luật về tài nguyên nước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình điều tra và tính toán địa chất thủy văn đã làm sáng tỏ cấu trúc và tiềm năng thực tế của hai tầng chứa nước chủ lực tại Hải Dương:

Thứ nhất, tầng chứa nước Holocen phân bố rộng khắp trên toàn bộ vùng đồng bằng nhưng mức độ chứa nước thuộc loại nghèo đến trung bình, với chiều dày thay đổi từ 2,2m đến 14,8m. Tỷ lưu lượng của tầng dao động trong khoảng 0,2 đến 0,39 l/s.m tại vùng mặn và đạt từ 0,85 đến 2,43 l/s.m tại các dải nước nhạt ven sông. Mực nước tĩnh nằm rất nông từ 0,2m đến 2,53m và biến động mạnh theo mùa; mực nước tháng 12 mùa khô hạ thấp từ 0,6m đến 1,3m so với mùa mưa do thiếu hụt nguồn bổ cập nước mưa. Hiện có 49 công trình khai thác vừa và nhỏ với tổng lưu lượng ước tính 3.000 đến 4.000 m3/ngày; riêng lỗ khoan LK58-9qh đạt lưu lượng khai thác lớn nhất là 514 m3/ngày.

Thứ hai, tầng chứa nước Pleistocen là tầng sản phẩm chính của toàn tỉnh, phân chia thành hai phân tầng qp2 có chiều dày trung bình 14,25m và qp1 có chiều dày trung bình 34,66m. Tầng qp1 có mức độ chứa nước từ giàu đến rất giàu, tỷ lưu lượng biến đổi từ 1,67 đến 26,0 l/s.m, hệ số dẫn nước đạt từ 1.393 đến 1.941 m2/ngày. Tổng trữ lượng khai thác tiềm năng của vùng nước nhạt với diện tích 210 km2 được tính toán đạt 86.288 m3/ngày, bao gồm trữ lượng động tự nhiên 2.710 m3/ngày, trữ lượng tĩnh đàn hồi 1.048 m3/ngày và trữ lượng tĩnh trọng lực 82.550 m3/ngày.

Thứ ba, sự phân bố ranh giới mặn nhạt diễn ra vô cùng phức tạp. Vùng nước lợ và mặn có tổng độ khoáng hóa trên 1,0 g/l chiếm diện tích lên tới 1.000 km2 với trữ lượng tiềm năng tính toán là 317.890 m3/ngày, bao phủ toàn bộ thành phố Hải Dương, huyện Nam Sách, Kinh Môn, Tứ Kỳ, Gia Lộc và Thanh Hà. Vùng nước nhạt chỉ chiếm diện tích khiêm tốn khoảng 210 km2 tập trung tại khu vực phía tây nam gồm Ninh Giang, Thanh Miện, Bình Giang, một phần Cẩm Giàng và dải hẹp ven chân núi phía bắc Chí Linh.

Thứ tư, tình hình khai thác tập trung tại 44 công trình công nghiệp quy mô lớn ghi nhận tổng lưu lượng đạt 43.149 m3/ngày. Trị số hạ thấp mực nước dao động an toàn từ vài mét đến dưới 15m, trong đó mức hạ thấp cực đại ghi nhận tại lỗ khoan 380-qp là 12,19m.

Thảo luận kết quả

Khi mô tả sự biến thiên của tài nguyên nước ngầm qua các bảng thống kê và biểu đồ phân vùng ĐCTV, các dữ liệu cho thấy tính phân hóa không gian rõ rệt giữa hai tầng chứa nước. Tầng Holocen có bề dày mỏng và nằm sát mặt đất nên ranh giới mặn nhạt đan xen phức tạp và có tính dễ tổn thương rất cao trước các chất gây ô nhiễm hữu cơ và nitơ từ hoạt động canh tác nông nghiệp cũng như nước thải sinh hoạt đô thị.

So sánh với các nghiên cứu quan trắc tại Hà Nội với tốc độ hạ thấp mực nước ngầm trung bình 0,4 m/năm hay Thành phố Hồ Chí Minh là 0,6 m/năm, tầng Pleistocen tại Hải Dương có mực nước tương đối ổn định hơn trong giai đoạn 2014 đến 2015 với biên độ dao động chỉ từ 0,09m đến 0,3m. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất của Hải Dương không nằm ở sự cạn kiệt tầng nước mà nằm ở nguy cơ nhiễm mặn lan truyền. Vì diện tích vùng nước mặn chiếm xấp xỉ 82,6% tổng diện tích phân bố tầng chứa nước, việc gia tăng khai thác vượt quá ngưỡng trữ lượng động 2.710 m3/ngày tại vùng nước nhạt 210 km2 sẽ tạo phễu hạ thấp mực nước sâu, kéo nguồn nước mặn từ các khu vực lân cận xâm nhập sang, phá hủy vĩnh viễn cấu trúc chất lượng của túi nước ngọt quý giá.

Bộ tiêu chí khoanh vùng đã giải quyết triệt để vấn đề này bằng cách tích hợp 2 nhóm tiêu chí: nhóm tiêu chí kỹ thuật bao gồm độ khoáng hóa, chiều sâu mực nước, biên độ hạ thấp mực nước, lưu lượng khai thác và nhóm tiêu chí quản lý gồm mật độ công trình, nguồn thải công nghiệp, bãi chôn lấp rác thải. Bản đồ phân vùng thành lập từ việc tích hợp các tiêu chí trên cung cấp cơ sở trực quan xác định chính xác các tọa độ ranh giới mà người dân và doanh nghiệp bắt buộc phải thực hiện thủ tục đăng ký khai thác.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả khoanh vùng và hiện trạng tài nguyên nước ngầm, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp mang tính chiến lược và khả thi cao:

  • Ban hành quy chuẩn và triển khai bản đồ phân vùng đăng ký khai thác: Ủy ban nhân dân tỉnh Hải Dương cùng Sở Tài nguyên và Môi trường cần sớm ban hành quyết định công bố danh mục và bản đồ vùng phải đăng ký khai thác nước dưới đất trên địa bàn toàn tỉnh. Mục tiêu cụ thể là hoàn thành việc rà soát và bắt buộc đăng ký đối với 100% các công trình khai thác quy mô hộ gia đình và kinh doanh nhỏ lẻ có lưu lượng từ 10 đến dưới 20 m3/ngày nằm trong vùng khoanh định trước năm 2018.
  • Xây dựng mạng lưới quan trắc tự động và cơ sở dữ liệu số hóa: Đầu tư lắp đặt hệ thống 25 trạm quan trắc tự động liên tục về mực nước và độ mặn tại các điểm xung yếu tiếp giáp ranh giới mặn nhạt thuộc các huyện Cẩm Giàng, Thanh Miện, Tứ Kỳ và thành phố Hải Dương. Hoàn thiện hệ thống quản lý dữ liệu trực tuyến phục vụ công tác cảnh báo sớm trước năm 2020 do Chi cục Bảo vệ Môi trường chủ trì vận hành.
  • Kiểm soát nghiêm ngặt nguồn thải và vùng bảo hộ vệ sinh công trình cấp nước: Thiết lập hành lang bảo vệ nguồn nước ngầm với bán kính an toàn tối thiểu 200m xung quanh các giếng khoan khai thác tập trung. Nghiêm cấm quy hoạch các bãi rác, nghĩa trang hoặc xả nước thải công nghiệp chưa qua xử lý đạt chuẩn quy chuẩn môi trường tại 10 khu công nghiệp tập trung nhằm ngăn chặn ô nhiễm thấm xuyên tầng.
  • Thực hiện quy trình trám lấp kỹ thuật các giếng khoan hư hỏng: Sở Tài nguyên và Môi trường phối hợp với chính quyền cấp huyện tổ chức rà soát và thực hiện trám lấp đúng quy chuẩn kỹ thuật khoảng 500 giếng khoan thăm dò cũ, giếng không còn sử dụng hoặc giếng hư hỏng trên toàn tỉnh giai đoạn 2017 đến 2022, triệt tiêu hoàn toàn các kênh dẫn làm ô nhiễm và nhiễm mặn xuyên tầng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

  • Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường: Các chuyên viên và lãnh đạo tại Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Hải Dương, Phòng Tài nguyên và Môi trường các quận, huyện có thể sử dụng trực tiếp bộ tiêu chí và hệ thống bản đồ khoanh vùng để làm căn cứ pháp lý trong công tác thẩm định, cấp phép và quản lý đăng ký khai thác nước dưới đất theo đúng quy định của Thông tư 27/2014/TT-BTNMT.
  • Các đơn vị tư vấn quy hoạch và khảo sát địa chất thủy văn: Các kỹ sư ĐCTV có thể kế thừa chuỗi số liệu tính toán chi tiết về hệ số dẫn nước 1.941 m2/ngày, hệ số thấm và trữ lượng tiềm năng 86.288 m3/ngày để phục vụ thiết kế các công trình cấp nước tập trung và đánh giá tác động môi trường.
  • Doanh nghiệp khai thác nước và ban quản lý khu công nghiệp: Các nhà máy cấp nước sạch và các cơ sở sản xuất trong 10 khu công nghiệp tại Hải Dương có thể tham khảo để xác định lưu lượng khai thác an toàn, phòng ngừa rủi ro suy thoái giếng khoan và chủ động tuân thủ nghĩa vụ đăng ký môi trường.
  • Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học: Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho các trường đại học khối kỹ thuật và môi trường trong việc giảng dạy phương pháp luận tích hợp GIS, phương pháp đánh giá đa tiêu chí và kỹ thuật tính toán trữ lượng nước ngầm.

Câu hỏi thường gặp

  • Tại sao tỉnh Hải Dương phải xây dựng bộ tiêu chí riêng để khoanh vùng đăng ký khai thác nước dưới đất? Do đặc thù địa chất thủy văn Hải Dương có vùng nước mặn chiếm diện tích lớn tới 1.000 km2 đan xen phức tạp với vùng nước ngọt chỉ 210 km2. Việc xây dựng bộ tiêu chí riêng giúp địa phương cụ thể hóa Thông tư 27/2014/TT-BTNMT, kiểm soát chính xác các công trình khai thác nhỏ lẻ tại vùng nhạy cảm, ngăn chặn nguy cơ nhiễm mặn lan rộng.

  • Điểm khác biệt cơ bản về tiềm năng khai thác giữa tầng Holocen và tầng Pleistocen là gì? Tầng Holocen nằm nông với bề dày chỉ từ 2,2m đến 14,8m, trữ lượng nhỏ đạt 3.000 đến 4.000 m3/ngày và dễ bị ô nhiễm bề mặt, chỉ phù hợp cho quy mô hộ gia đình. Tầng Pleistocen có chiều dày lớn đạt trung bình 34,66m, trữ lượng tiềm năng vùng nhạt lên tới 86.288 m3/ngày, đáp ứng tốt nhu cầu khai thác công nghiệp tập trung.

  • Ranh giới tổng khoáng hóa M bằng 1,0 g/l có ý nghĩa kỹ thuật như thế nào trong phân vùng? Chỉ số tổng khoáng hóa M bằng 1,0 g/l là ngưỡng phân định giữa nước nhạt và nước lợ mặn theo tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống và sinh hoạt. Những khu vực có chỉ số M vượt quá 1,0 g/l hoặc nằm sát dải đan xen mặn nhạt bắt buộc phải đưa vào diện đăng ký nghiêm ngặt để kiểm soát sự lan truyền của nón nước mặn.

  • Công cụ nào được sử dụng để tích hợp và thành lập bản đồ khoanh vùng? Đề tài sử dụng phần mềm Aquifer Test để xử lý và xác định các thông số ĐCTV, sau đó tích hợp cùng hệ thống thông tin địa lý MapInfo. Phương pháp phân tích chồng xếp đa lớp bản đồ không gian cho phép tổng hợp các yếu tố thủy văn, chất lượng nước và nguồn thải thành bản đồ phân vùng trực quan.

  • Trách nhiệm của các hộ gia đình và doanh nghiệp khi nằm trong vùng khoanh định đăng ký là gì? Các tổ chức, cá nhân sở hữu công trình khai thác nước dưới đất thuộc vùng khoanh định phải tiến hành kê khai thông tin về vị trí tọa độ, chiều sâu giếng, lưu lượng khai thác và nộp tờ khai đăng ký tới Ủy ban nhân dân cấp xã hoặc cơ quan quản lý tài nguyên môi trường theo đúng biểu mẫu pháp luật.

Kết luận

  • Luận văn đã tổng hợp và chuẩn hóa thành công nguồn dữ liệu địa chất thủy văn toàn diện từ 93 công trình quan trắc và khai thác trên phạm vi diện tích 842 km2 tại tỉnh Hải Dương.
  • Xác định rõ ràng trữ lượng khai thác tiềm năng của tầng chứa nước Pleistocen vùng nhạt đạt 86.288 m3/ngày và khoanh định chi tiết ranh giới 1.000 km2 vùng nước lợ mặn.
  • Xây dựng thành công bộ tiêu chí khoa học kết hợp giữa chỉ tiêu kỹ thuật địa chất thủy văn và chỉ tiêu quản lý môi trường, đáp ứng chuẩn xác các quy định pháp luật hiện hành.
  • Ứng dụng thành công công nghệ GIS để số hóa và thành lập bản đồ phân vùng đăng ký khai thác nước dưới đất, cung cấp công cụ trực quan phục vụ công tác quản lý tài nguyên.
  • Đề xuất lộ trình 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và chính sách quản lý khả thi, hướng tới bảo vệ và khai thác bền vững nguồn tài nguyên nước ngầm của tỉnh Hải Dương đến năm 2025.

Nghiên cứu khẳng định tầm quan trọng của việc kết hợp giữa khoa học địa chất và công cụ quản lý số. Các cơ quan quản lý, viện nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể tiếp tục kế thừa phương pháp luận này để mở rộng ứng dụng cho các địa phương có điều kiện tự nhiên tương đồng trong khu vực đồng bằng sông Hồng.