Bản chất quá trình thấm xuyênvà tác động của nó đối với các vấn đề xảy ra đối với

nước dưới đất Đồng bằng sông Cửu Long

PGS.TS Phạm Qúy NhânĐại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội

Tóm tắt: Quá trình thấm xuyên đã đang và sẽ xảy ra mạnh mẽ ở hệ thống các tầng chứa nước đồng bằng sông Cửu Long. Qúa trình này xảy ra có tác động lớn đến nước dưới đất đồng bằng như tính toán trữ lượng khai thác dự báo nước dưới đất, nghiên cứu nguồn gốc xâm nhập mặn và tính toán, dự báo

sụt lún do khai thác nước dưới đất gây ra. Cần có đầu tư điều tra thích hợp trong điều tra nghiên cứu cơ bản này để từ đó mới xác định được các nguyên nhân chủ yếu gây ra tác động xấu do khai thác nước gây ra và có biện pháp quản lý phù hợp

Abstract: A leaky phenomenon has been happening increasingly in leaky aquifer system in Cuu Long river delta. This process impacts to ground water reserve estimation, study of origin of salt intrusion and prediction of land subsidence due to ground water abstraction. Therefore, more suitable investigation and research need to be improved in order to determine the causes to bad impacts due to ground water abstraction. Based on this outcome, a proper management will be set up.

Từ khóa: Thấm xuyên, Tầng chứa nước thấm xuyên, Trữ lượng khai thác, Xâm nhập mặn, Sụt lún mặt đất, Đồng bằng sông Cửu Long.

1. Đặt vấn đề

Thấm xuyên là hiện tượng xảy ra trong hệ thống các tầng chứa nước thấm xuyên (leaky aquifer) và có tác động rất lớn đối với sự hình thành trữ lượng, các vấn đề xảy ra khi khai thác sử dụng tài nguyên nước dưới đất. Xác định hệ số và bản chất của quá trình thấm xuyên là một nhiệm vụ trong quá trình điều tra nước dưới đất [1]. Tuy nhiên, cho nay các điều tra nghiên cứu này còn rất hạn chế do sự phức tạp trong quá trình thiết kế, thi công và giải đoán thí nghiêm hút nước. Ở khu vực Đồng bằng Bắc bộ, duy nhất 01 chùm hút nước thí nghiệm tại khu Công nghiệp Phố Nối được thí nghiệm và tính toán (Phạm Qúy Nhân, 2018). Đối với Đồng bằng sông Cửu Long, gần đây nhất 01 chùm thí nghiệm và tính toán cũng được thực hiện trong khuôn khổ của dự án Tăng cường năng lực Bảo vệ nước dưới đất do CHLB Đức tài trợ (Aman, 2019). Hơn thế nữa, các nghiên cứu này cũng chỉ mới xác định hệ số thấm xuyên tại điểm đó mà thôi còn thực tế bản chất của quá trình này phụ thuộc rất nhiều cấu trúc Địa chất thủy văn tại các điểm nghiên cứu.

Cấu trúc Địa chất thủy văn ở các đồng bằng thường tồn tại các tầng chứa nước thấm xuyên. Đối với đồng bằng Bắc bộ, tầng chứa nước thấm xuyên có cấu trúc đơn giản bao gồm hệ thống 2 tầng chứa nước và 1 hoặc 2 lớp thấm nước yếu [2], trong khi Đồng

1

bằng sông Cứu Long thì phức tạp hơn với hệ thống 7 tầng chứa nước và xen kẹp là các lớp thấm nước yếu hoặc cách nước [5}. Chính vì vậy để xác định bản chất và các hệ số thấm xuyên hệ thống tầng chứa nước vùng Đồng bằng sông Cửu Long phức tạp hơn nhiều.

Ở đồng bằng sông Cửu Long, xác định bản chất và thành phần thấm xuyên cũng là một thành phần tham quan trọng tham gia vào trữ lượng nước dưới đất. Tuy nhiên, khi đánh giá trữ lượng của các công trình nghiên cứu trước đây đều chưa đề cập đến thành phần này. Hơn thế nữa, nguồn gốc xâm nhập mặn của nước dưới đât có thể do xâm nhập mặn hiện đại nghĩa là quá trình xâm nhập mặn xảy ra do quá trình biển tiến hiện đại hoặc do các tác động của con người hoặc xâm nhập mặn cổ mà vai trò của nguồn nước lỗ rỗng trong các lớp thấm nước yếu hạt mịn có TDS cao do các quá trình biển tiến, biển thoái tạo ra và theo thời gian tiếp tục thấm xuyên ra các tầng chứa nước tạo ra ranh giới mặn nhạt khác nhau [6]. Qúa trình sụt lún liên quan đến quá trình cố kết của các lớp hạt mịn này nhưng rất tiếc các công trình nghiên cứu gần đây đều chưa đề cập đến. Chính vì vậy, nghiên cứu bản chất và xác định hệ số thấm xuyên của hệ thống tầng chứa nước thấm xuyên khu vực Đồng bằng sông Cứu Long là rất cấp thiết.

2. Khái niệm và bản chất của quá trình thấm xuyên

Tầng chứa nước thấm xuyên (leaky aquifer) là tầng chứa nước mà có lớp bên trên và bên dưới nó là lớp thấm nước yếu (aquitard) hoặc một lớp thấm nước yếu và một lớp cách nước và nước từ tầng chứa nước có thể dễ dàng vận động lên trên hoặc xuống dưới.

Hình 1:C: TCN thấm xuyên có một lớp chứa nước mà trên nó là lớp thấm nước yếu và dưới là lớp cách nướcD: TCN thấm xuyên có hai lớp chứa nước mà giữa nó là lớp thấm nước yếuE: TCN thấm xuyên có nhiều lớp chứa nước và xen kẽ là các lớp thấm nước yếu

2

Hút nước thí nghiệm với lưu lượng không đổi xác định thông số trong tầng chứa nước thấm xuyên (Leaky aquifer) đã được nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Với các giả thiết khác nhau De Glee (1930, 1951) và Hantush (1956, 1964) [1] đã sử dụng các công thức vận động ổn định để chỉnh lý, Walton (1962) đã phát triển phương pháp đường cong chuẩn của Theis, nhưng thay vì sử dụng 1 đường cong, Walton đã sử dụng họ đường cong khác nhau để xác định thông số theo các công thức vận động không ổn định [1]. Để phản ánh đúng hơn thông số của tầng chứa nước, Hantush (1960) [1] đã xây dựng một phương pháp phân tích có tính đến sự biến đổi mực nước trong tầng thấm nước yếu do quá trình thấm xuyên gây ra. Như vậy để có thể chỉnh lý theo các phương pháp khác nhau đòi hỏi cần có sơ đồ cũng thời gian hút nước phù hợp mà điều này đôi khi chúng ta còn chưa để ý đến ngay từ khi thiết kế hút nước thí nghiệm cho tầng chứa nước này [1,2]

Tùy thuộc vào trạng thái vận động của nước dưới đất tới giếng mà có có các phương pháp chỉnh lý thông số như sau:

2.1. Phương pháp chỉnh lý theo vận động ổn địnhKhi hút nước đạt trạng thái vận động ổn định, 2 phương pháp sau có thể được sử

dụng để giải đoán thông số như sau:2.1.1. Phương pháp De GleeKhi hút nước đạt đến trạng thái vận động ổn định có thấm xuyên từ tầng thấm nước

yếu De Glee (1930, 1951) và Anonymous (1964) đã biến đổi nhận được công thức sau:

sm= Q2 π KM

KO( rL

) (1)

Trong đó: - sm: Trị số hạ thấp mực nước đạt ổn định trong lỗ khoan quan sát cách

lỗ khoan hút nước một khoảng cách r, m- Q: Lưu lượng của lỗ khoan hút nước, m3/ng

- L = √ KMc

: Hệ số thấm xuyên, m- C = M’/K’: Sức cản thủy lực của lớp thấm nước yếu, ngày- M: Chiều dày tầng chứa nước, m- M’: Chiều dày lớp thấm nước yếu, m- K: Hệ số thấm của tầng chứa nước, m/ng- K’: Hệ số thấm theo phương thẳng đứng của lớp thấm nước yếu, m/ng- K0(x): Hàm Bessel loại 2 bậc 0 (Hàm Hankel)

2.1.2. Phương pháp HantushKhông để ý tới công trình nghiên cứu của của De Glee, Hantush (1956, 1964) nhận

thấy rằng nếu r/L nhỏ (r/L≤0.05), phương trình 1 có thể được viết gần đúng như sau:3

sm≈ 2. 30Q2 π KM

( log1 . 12 Lr

)(2)

Góc dốc của đoạn thẳng trên đồ thị sẽ lấy bằng giá trị sai khác về trị số hạ thấp mực nước được lấy trong khoảng 1 đơn vị log r, tức là:

Δsm=2 . 30Q2 π KM

(3)Phần đường thẳng kéo dài trên đồ thị sẽ cắt trục r tại điểm mà ở đó s = 0 và r = r0 và

phương trình 3 có thể được viết lại như sau:

0= 2.30 Q2 π KM

( log1 . 12 Lr0

)

(4)Từ phương trình đó ta sẽ có:

1 .12 Lr 0

= 1. 12r0

√ KMC=1

(5)và do đó:

C=(r0 /1. 12)2

KM (6)

2.2 Phương pháp chỉnh lý theo vận động không ổn định2.2.1 Phương pháp WaltonBỏ qua ảnh hưởng nhả nước từ lớp thấm nước yếu, phương trình mực nước hạ thấp

trong tầng chứa nước thấm xuyên được mô tả theo phương trình của Hantush và Jacob, 1955 như sau:

s= Q4π KM ∫

u

∞ 1y

exp(− y− r2

4 L2 y)dy

(7) Hoặc:

sm= Q4 π KM

W (u , r / L) (8)

Trong đó:

u= r2 μ¿

4 π KMt (9)

µ*: Hệ số nhả nước đàn hồit: Thời gian hút nước

Để chỉnh lý thông số theo phương pháp này, người ta xây dựng họ đường cong chuẩn trên trục tọa độ log[W(u,r/L)] và log[1/u]. Vẽ đường cong thực nghiệm trên trục

4

tọa độ log(s) và log(t) cho từng lỗ khoan quan sát và trùng khít nó lên đường cong chuẩn phù hợp nhất. Chọn điểm đặc trưng và có thể xác định được các thông số của tầng thấm xuyên này. Đối với các lỗ khoan quan sát khác làm tương tự.

2.2.2 Phương pháp họ đường cong chuẩn của HantushHantush (1960) đã xây dựng một phương pháp phân tích có tính đến sự biến đổi

mực nước trong tầng thấm nước yếu do quá trình thấm xuyên gây ra. Phương trình xác định trị số hạ thấp mực nước tại 1 điểm nào đó như sau:

s= Q4 π KM

W (u , β ) (10)

Trong đó: β= r

4 √ K '/ M 'KM

. μ 'μ¿

(11)μ '

là hệ số nhả nước của tầng thấm nước yếu

W (u , β )=∫u

∞ e− y

yerfc β √u

√ y ( y−u ))dy

(12)Để chỉnh lý thông số theo phương pháp này, người ta xây dựng họ đường cong

chuẩn trên trục tọa độ log[W(u,r/β)] và log[1/u]. Vẽ đường cong thực nghiệm trên trục tọa độ log(s) và log(t) cho từng lỗ khoan quan sát và trùng khít nó lên đường cong chuẩn phù hợp nhất. Chọn điểm đặc trưng và có thể xác định được các thông số của tầng thấm xuyên này. Đối với các lỗ khoan quan sát khác làm tương tự. Phương pháp

này có thể xác định thêm các thông sốμ '

. 2.3. Phương pháp chỉnh lý theo tài liệu hồi phục mực nước - Phương pháp hồi phục

mực nước của Theis Sau khi hút nước thí nghiệm với lưu lượng không đổi trong tầng thấm xuyên,

Hantush (1964) bỏ qua hiệu ứng chứa nước trong tầng thấm nước yếu đã thiết lập công thức mực nước hồi phục tại lỗ khoan cách lỗ khoan hút nước là r:

s '= Q4 π KM

{W (u , r / L)−W (u ',r /L } (13)

Với: u= r2 μ¿

4 π KMt và

u= r2 μ '4 π KMt '

Trong đó:s’: mực nước hồi phục trong lỗ khoanr: khoảng cách tới lỗ khoan hút nướct: thời gian hút nước

5

t’: thời gian tính từ khi bắt đầu dừng bơmL: hệ số thấm xuyênQ: lưu lượng bơmKhi u, u’ tương đối nhỏ (≤0.01) và nếu thời gian hút nước và hồi phục nhanh sao

cho t+t’≤(L2µ*)/20KM hoặc t+t’≤cµ*/20 với c là sức cản thủy lực của lớp thấm nước yếu thì phương trình (13) có thể được viết thành phương trình gần đúng của Theis - Jacob như sau:

s '= Q4 π KM

( ln 4 KMtr2 µ*

−ln 4 KMt 'r2 µ'

)

(14)Khi KM không đổi, các hệ số nhả nước không đổi và µ*≈µ’, phương trình (14) có

thể viết lại như sau:

s '= 2 .30 Q4 π KM

log tt '

(15)Đồ thị s’ theo t/t’ trên trục tọa độ bán log (t/t’trên trục tỷ lệ log) là đường thẳng với

góc dốc là:

Δs '= 2 .30 Q4 π KM

(16)Trong đó: ∆s’ là xác định hiệu số mực nước hồi phục trong 1 đơn vị log Như vậy nếu các điều kiện trên thỏa mãn thì đối với tầng chứa nước có thấm xuyên,

theo tài liệu hồi phục mực nước chỉ có thể xác định được giá trị KM mà thôi

3. Tác động của thấm xuyên đối với đánh giá tiềm năng nước dưới đất

Bảng 1 trình bày các phân vị địa tầng và đặc điểm thành phần thạch học của chúng (Đỗ Tiến Hùng, 2005)

Bảng 1 Các phân vị địa tầng và đặc điểm thành phần thạch học vùng ĐBSCL

Hệ Thống Ký hiệu Thành phần thạch học

Chiều dày (m)

Qua

tern

ary

Holo

cene Q2

qhb Bột, sét và cát 0-10

qha Bột, sét và cát 20-77

Plei

sto-

cene

Upp

er a

nd M

iddl

e

Q12-3 qp2-3b Cát mịn và thô 0-80

qp2-3a Cát mịn và thô 10-30

6

Lower Q11 qp1 Cát và sỏi 0-115

Neo

gene Pliocene N2

m4b Cát và sỏi 25-120

m4a Cát và sỏi 50-120

Miocene Upper N13 m3 Cát và sỏi 0-100

TCN Holocene: trên qhb và dưới qha

TCN Pleistocene: qp3, qp2-3 và qp1

TCN Pliocene trên (n22), Pliocene (n2

1) dưới,

TCN Neogene (n13), and

Nước chứa trong đá gốc (Mtz)

H.2 Mặt cắt phân tầng ĐCTV tại ĐBSCL (TTQH&ĐTTNNQG)

Các công trình nghiên cứu dánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất đồng bằng sông Cửu Long trước đây như của Vũ Văn Nghi (1995), Đoàn Văn Cánh (2015) và gần đây của Bùi Trần Vượng (2019). Tuy nhiên, khi tính trữ lượng cho các tầng chứa nước nhạt triển vọng, các nghiên cứu trên đều không đề cập đến vấn đề thấm xuyên. Chính vì vậy, sự khác biệt trong dự báo trị số hạ thấp, chất lượng nước đối với các công trình khai thác là thường xảy ra.

Trong giai đoạn đầu của các công trình khai thác đi vào hoạt động, lượng thấm xuyên này là nhỏ. Theo thời gian, khi trị số hạ thấp lớn, lượng thấm xuyên sẽ là đáng kể và được tính theo công thức

Qtx=± K ' F tx

H1−H 2

M ' (17)

Trong đó: Qtx là lưu lượng thấm xuyên Ftx là diện tích vùng thấm xuyênH1, H2 là mực nước tại lớp chứa nước nằm trên và dưới lớp thấm

nước yếuK’ và M’ là hệ số thấm và chiều dày của lớp thấm nước yếuDấu (+) thể hiện lớp thấm nước bên trên thấm xuống bên dưới và

7

dấu (–) thể hiện lớp thấm nước bên dưới thấm lên lớp bên trên4. Tác động của thấm xuyên đối với xâm nhập mặn nước dưới đất

Như phần đặt vấn đề đã nêu nguồn gốc xâm nhập mặn của nước dưới đât có thể do xâm nhập mặn hiện đại nghĩa là quá trình xâm nhập mặn xảy ra do quá trình biển tiến hiện đại hoặc do các tác động của con người hoặc xâm nhập mặn cổ mà vai trò của nguồn nước lỗ rỗng trong các lớp thấm nước yếu hạt mịn có TDS cao do các quá trình biển tiến, biển thoái tạo ra và theo thời gian tiếp tục thấm xuyên ra các tầng chứa nước tạo ra ranh giới mặn nhạt khác nhau [6]. Vấn đề xâm nhập mặn hiện đại đã được nhiều tác giả đề cập đến. Đối với xâm nhập mặn cổ, gần đây đã có công trình đề cập đến vấn đề này [6], tuy nhiên một số vấn đề vẫn chưa được làm sáng tỏ:

- Sự phân bố mặn nhạt của các lớp thấm nước yếu

- Các quá trình biển tiến biển thoái tạo ra bức tranh đó

- Tương tác của qúa trình xâm nhập mặn (salt intrusion) do các lớp thấm nước yếu gây ra chủ yếu theo phương thẳng đứng cũng như quá trình nhạt hóa (refreshing) do dòng thấm gây ra chủ yếu theo phương nằm ngang và kết quả tạo ra hiện trạng hiện nay.

Chính vì những điều này mà nguồn gốc phân bố mặn nhạt của một số vùng và một số tầng chứa nước vẫn chưa được làm sáng tỏ

5. Tác động của thấm xuyên đối với nghiên cứu sụt lún do khai thác nước dưới đất

Sụt lún mặt đất tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long là chủ để được đề cập được rất nhiêu trong thời gian gần đây như của nhóm nghiên cứu từ Mỹ, từ Na Uy, từ Hà Lan và các tác giả Việt Nam [4]. Một số tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại để nghiên cứu và đã khẳng định được rằng sụt lún mặt đất đang xảy ra trên một vùng rộng lớn, với tốc độ nhanh và rất nghiêm trọng ở đồng bằng sông Cửu Long. Một số công trình cũng đã nghiên cứu xác minh tác động do khai thác nước dưới đất quá mực gây ra sụt lún này. Các giả thiết được đưa ra và công thức, mô hình thủy địa cơ được áp dụng để tính toán và dự báo sụt lún mặt đất do khai thác nước dưới đất. Các công trình tính toán sụt lún trong các báo cáo thăm dò mới đề cập đến công thức tính toán sụt lún do khai thác nước tại các lớp chứa nước. Một số công trình đặc biệt của các tác giả nước ngoài đã tính toán sụt lún mặt đất do khai thác nước dưới đất của các lớp hạt mịn mà ở đây chính là các lớp thấm nước yếu. Tuy nhiên, để tính toán và dự báo sụt lún tại các lớp thấm nước yếu này, đa phần các mô hình tính toán cần đưa ra rất nhiều

8

giả thiết khác nhau chính vì vậy cũng hạn chế mức độ chính xác của kết quả tính toán. Một số điểm thường được giả thiết đó là:

- Qúa trình thấm xuyên qua lớp thấm nước yếu thường được xem là động thái cứng nghĩa là lượng nước thấm xuyên chủ yếu là thấm từ lớp chứa nước bên trên hoặc bên dưới mà thôi còn không tính đến lượng thấm xuyên từ chính lớp thấm nước yếu. Đây chính là yếu tố quan trọng dẫn đến quá trình cố kết và dẫn đến sụt lún mặt đất

- Các mô hình thủy lực, khi tính toán đều chỉ mới quan tâm tới mực nước của lớp chứa nước bên trên hoặc bên dưới mà quan tâm mực nước trong chính lớp thấm nước yếu

Chính những giả thiết nêu trên, cũng như quan trắc áp lực nước lỗ rỗng không đầy đủ nên các mô hình tính toán sụt lún thường có sai số lớn

6. Kết luận và kiến nghị

Thấm xuyên là quá trình đã đang và sẽ xảy ra mạnh mẽ ở hệ thống các tầng chứa nước đồng bằng sông Cửu Long. Qúa trình này xảy ra có tác động lớn đến nước dưới đất đồng bằng như tính toán trữ lượng khai thác dự báo nước dưới đất, nghiên cứu nguồn gốc xâm nhập mặn và tính toán, dự báo sụt lún do khai thác nước dưới đất gây ra.

Cần có đầu tư điều tra thích hợ trong điều tra nghiên cứu cơ bản này để từ đó mới xác định được các nguyên nhân chủ yếu gây ra tác động xấu do khai thác nước gây ra và có biện pháp quản lý phù hợp

Tài liệu tham khảo

1. G.P. Kruseman and N.A. de Ridder (1994). Analysis and Evaluation of Pumping Test Data, International Institute for Land Reclamation and Improvement, Netherlands.

2. Phạm Qúy Nhân và nnk (2018). Xác định thông số địa chất thủy văn tầng chứa nước thấm xuyên Pleistoxen khu vực Phố Nối theo tài liệu hút nước thí nghiệm.. Tạp chí KHKH Mỏ - Địa chất. Tập 59 Kỳ 3, tháng 6 năm 2018. Trang 21-27

3. Dự án “Tăng cường năng lực Bảo vệ nước dưới đất do CHLB Đức tài trợ”. (2019). BGR-NAWAPI

4. Trần Quốc Cường và nnk (2017). “Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp dự báo lún mặt đất thành phố Hà Nội bằng ký thuật ra-đa giao thoa” Mã số ĐTĐL.2012-T/28.

5. Bùi Trần Vượng và nnk (2018). “Biên hội bản đồ nước dưới đất tỷ lệ 1/200000 lãnh thổ Việt Nam - Phần Đồng bằng Nam Bộ”.

9

6. Pham Van Hung et al. (2019). Paleo-hydrogeological reconstruction of the fresh-saline groundwater distribution in the Vietnamese Mekong Delta since the late Pleistocene. Journal of Hydrology: Regional studies 23 (2019)

10