Luận án Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ, sông Đáy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TỐNG THANH TÙNG NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - SÔNG ĐÁY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TỐNG THANH TÙNG NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - SÔNG ĐÁY Ngành: Kỹ thuật địa chất Mã số: 9520501 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. NGUYỄN THỊ THANH THUỶ 2. TS. NGUYỄN BÁCH THẢO Hà Nội - Năm 2024 i 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 Tống Thanh Tùng ii LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện và hoàn thành tại Bộ môn Địa chất thủy văn, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Thị Thanh Thủy và TS. Nguyễn Bách Thảo. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến các thầy, cô đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho NCS hoàn thành luận án của mình. Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, viết luận án, tác giả luôn nhận được sự động viên tinh thần cùng sự hướng dẫn tận tình của Tiểu ban hướng dẫn, các thầy cô trong Bộ môn Địa chất thủy văn và các thầy, cô trong Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Bên cạnh đó NCS còn được tạo điều kiện và sự hỗ trợ của các anh, chị chuyên viên phòng Đào tạo Sau đại học và đặc biệt là sự trợ giúp của Lãnh đạo, đồng nghiệp cơ quan. NCS chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu đó. Trong quá trình làm luận án, NCS cũng nhận được sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến từ nhiều nhà khoa học là PGS.TS. Đoàn Văn Cánh, PGS.TS. Nguyễn Văn Lâm, PGS.TS. Phạm Quý Nhân, TS. Đặng Đình Phúc, PGS.TS. Nguyễn Tiền Giang, PGS.TS. Trần Kim Châu và nhiều cá nhân khác. NCS xin chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu của các nhà khoa học, các cá nhân trên. NCS xin cảm ơn những người thân yêu trong gia đình đã luôn gần gũi, chia sẻ, cảm thông và động viên kịp thời để NCS có thể tập trung thời gian cho việc hoàn thành chương trình học của mình. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tác giả Luận án Tống Thanh Tùng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................................... vii DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................................... viii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của luận án ................................................................................... 1 2. Mục tiêu của luận án ........................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2 5. Những điểm mới của luận án .............................................................................. 3 6. Luận điểm bảo vệ ................................................................................................ 3 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ......................................................... 4 8. Cơ sở tài liệu của luận án .................................................................................... 4 9. Cấu trúc của luận án............................................................................................ 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG .. 6 1.1. Khái quát về cân bằng nước............................................................................. 6 1.2. Tổng quan nghiên cứu phân vùng cân bằng nước ........................................... 7 1.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước .......................................................................... 7 1.2.2. Các nghiên cứu ở trong nước ...................................................................... 10 1.3. Tổng quan nghiên cứu tính toán cân bằng nước lưu vực sông ...................... 15 1.3.1. Các nghiên cứu ngoài nước ........................................................................ 16 1.3.2. Các nghiên cứu ở trong nước ...................................................................... 19 1.4. Tiểu kết chương 1 .......................................................................................... 23 CHƯƠNG 2. ĐẶC ĐIỂM VÙNG NGHIÊN CỨU, PHÂN VÙNG CÂN BẰNG NƯỚC VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN THAM GIA CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY ................................................................................................................ 26 iv 2.1. Đặc điểm vùng nghiên cứu ............................................................................ 26 2.1.1. Vị trí địa lý .................................................................................................. 26 2.1.2. Đặc điểm khí hậu ........................................................................................ 27 2.1.3. Đặc điểm tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy ................................ 30 2.2. Nguyên tắc, cơ sở phân vùng tính toán cân bằng nước ................................. 38 2.3. Phân vùng cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy .................................... 40 2.3.1. Phân chia các tiểu lưu vực .......................................................................... 40 2.3.2. Đặc điểm cấu trúc địa chất thủy văn, sơ đồ thủy động lực, hướng vận động nước dưới đất, vùng cấp và thoát của nước dưới đất ............................................ 42 2.3.3. Hiện trạng các công trình khai thác sử dụng nước, công trình tiêu thoát nước; vùng tưới, vùng tiêu thoát nước, vùng cấp nước và phạm vi chịu tác động của các công trình khai thác sử dụng nước ........................................................................ 46 2.3.4. Đặc điểm hiện trạng chất lượng môi trường các nguồn nước .................... 48 2.4. Kết quả phân vùng cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy ....................... 50 2.5. Xác định các thành phần tham gia cân bằng nước ........................................ 53 2.6. Tiểu kết chương 2 .......................................................................................... 57 CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY ....... 58 3.1. Cơ sở lý thuyết mô hình tính toán cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy58 3.1.1. Mô hình thủy văn nước mặt SWAT ........................................................... 60 3.1.2. Mô hình dòng chảy nước dưới đất (Modflow) ........................................... 61 3.1.3. Mô hình SWAT - MODFLOW .................................................................. 62 3.2. Xây dựng mô hình xác định các thành phần cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy ..................................................................................................................... 65 3.2.1. Xây dựng mô hình thủy văn SWAT ........................................................... 65 3.2.2. Xây dựng mô hình dòng chảy nước dưới đất ............................................. 82 3.3. Kết quả đánh giá cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy .......................... 90 3.3.1. Cân bằng nước trong vùng 1 ....................................................................... 90 3.3.2. Cân bằng nước trong vùng 2 ....................................................................... 96 3.3.3. Cân bằng nước trong vùng 3 ..................................................................... 101 v 3.3.4. Cân bằng nước trong vùng 4 ..................................................................... 106 3.3.5. Cân bằng nước trong vùng 5 ..................................................................... 111 3.3.6. Cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy ........................................ 116 3.4. Tiểu kết chương 3 ........................................................................................ 120 CHƯƠNG 4. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KHAI THÁC SỬ DỤNG HỢP LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY ........................................................ 121 4.1. Xác định các đặc trưng thành phần cân bằng nước LVS Nhuệ - Đáy ......... 121 4.2. Các phương án khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước .......................... 125 4.2.1. Điều chỉnh vận hành, bổ sung các công trình điều tiết, khai thác nước mặt ............................................................................................................................ 126 4.2.2. Điều chỉnh vận hành, bổ sung các công trình khai thác nước dưới đất .... 127 4.2.3. Mô hình điều tiết, phân bổ tài nguyên nước ............................................. 130 4.3. Định hướng khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước ............................... 131 4.3.1. Định hướng khai thác sử dụng, vùng cân bằng nước 1 ............................ 132 4.3.2. Định hướng khai thác sử dụng, vùng cân bằng nước 2 ............................ 132 4.3.3. Định hướng khai thác sử dụng, vùng cân bằng nước 3 ............................ 133 4.3.4. Định hướng khai thác sử dụng, vùng cân bằng nước 4 ............................ 134 4.3.5. Định hướng khai thác sử dụng, vùng cân bằng nước 5 ............................ 135 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .............................. 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 140 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TNMT Tài nguyên môi trường ĐCCT Địa chất công trình ĐCTV Địa chất thủy văn HSTQ Hệ số tương quan KTTV Khí tượng thủy văn KHCN Khoa học công nghệ 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 TB Trung bình DEM Mô hình số độ cao GIS Hệ thống thông tin địa lý GPS Hệ thống định vị toàn cầu GT Công nghệ không gian địa lý LVS Lưu vực sông LVSCL Lưu vực sông Cửu Long TNHH Trách nhiệm hữu han vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Nhiệt độ tháng trung bình nhiều năm tại các trạm lưu vực sông Nhuệ - Đáy . 27 Bảng 2.2. Bốc hơi tháng trung bình nhiều năm tại các trạm lưu vực sông Nhuệ - Đáy .. 28 Bảng 2.3. Độ ẩm tháng trung bình nhiều năm tại các trạm lưu vực sông Nhuệ - Đáy .... 28 Bảng 2.4. Tổng số giờ nắng trung bình nhiều năm tại các trạm lưu vực sông Nhuệ - Đáy ................................................................................................................................................ 29 Bảng 2.5. Lượng mưa tháng trung bình nhiều năm tại các trạm lưu vực sông Nhuệ - Đáy ................................................................................................................................................ 29 Bảng 3.1. Đặc điểm của các mô hình thủy văn có khả năng phù hợp trong nghiên cứu . 58 Bảng 3.2. Danh sách trạm đo khí tượng, đo mưa sử dụng trong mô hình SWAT ........... 69 Bảng 3.3. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình tại trạm thủy văn Lâm Sơn ........... 71 Bảng 3.4. Kết quả kiểm tra sự phù hợp của mô hình SWAT cho vùng cân bằng 2, vùng cân bằng 4, vùng cân bằng 5 ................................................................................................ 73 Bảng 3.5. Đặc trưng dòng chảy năm tại trạm lưu vực sông Đáy ...................................... 74 Bảng 3.6. Đặc trưng dòng chảy năm theo 05 vùng cân bằng nước lưu vực sông Đáy .... 75 Bảng 3.7. Hiện trạng tưới lưu vực sông Đáy ...................................................................... 76 Bảng 3.8. Tổng hợp hiện trạng tiêu lưu vực sông Đáy ...................................................... 79 Bảng 3.9. Tổng hợp hiệng trạng cống lấy nước của lưu vực sông Đáy ............................ 81 Bảng 3.10. Tổng hợp hiệng trạng cống tiêu nước của lưu vực sông Đáy ......................... 82 Bảng 3.11. Định lượng các thành phần trong cân bằng nước vùng 1 ............................... 94 Bảng 3.12. Tỷ lệ đóng góp của các thành phần trong cân bằng nước vùng 1 .................. 95 Bảng 3.13. Định lượng các thành phần trong cân bằng nước vùng 2 ............................... 99 Bảng 3.14. Tỷ lệ đóng góp của các thành phần trong cân bằng nước vùng 2 ................ 100 Bảng 3.15. Định lượng các thành phần trong cân bằng nước vùng 3 ............................. 104 Bảng 3.16. Tỷ lệ đóng góp của các thành phần trong cân bằng nước vùng 3 ................ 104 Bảng 3.17. Định lượng các thành phần trong cân bằng nước vùng 4 ............................. 109 Bảng 3.18. Tỷ lệ đóng góp của các thành phần trong cân bằng nước vùng 4 ................ 110 Bảng 3.19. Định lượng các thành phần trong cân bằng nước vùng 5 ............................. 114 Bảng 3.20. Tỷ lệ đóng góp của các thành phần trong cân bằng nước vùng 5 ................ 115 viii Bảng 3.21. Định lượng các thành phần trong cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy .............................................................................................................................................. 118 Bảng 3.22. Tỷ lệ đóng góp của các thành phần trong cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy ....................................................................................................................................... 119 Bảng 4.1. Tổng hợp nhu cầu sử dụng nước trong lưu vực sông Nhuệ - Đáy ................. 124 Bảng 4.2. Các bãi giếng bổ sung theo phương án đề xuất ............................................... 128 Bảng 4.3. Kết quả tính tính trữ lượng khai thác dự báo theo phương án đề xuất ........... 129 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Bồn thu nước mặt .................................................................................................. 10 Hình 1.2. Sơ đồ quá trình nghiên cứu của Luận án ............................................................ 25 Hình 2.1. Sơ đồ vị trí địa lý lưu vực sông Nhuệ - Đáy ....................................................... 26 Hình 2.2. Đồ thị quan hệ mực nước (a) và tương quan mực nước (b) giữa lỗ khoan quan trắc Q.67 tại Tứ Liên - Tây Hồ với mực nước sông Hồng tại trạm Q.SH1 ...................... 33 Hình 2.3. Đồ thị quan hệ mực nước (a) và tương quan mực nước (b) giữa lỗ khoan quan trắc Q.75 tại Hà Đông - Hà Nội với mực nước sông Đáy .................................................. 34 Hình 2.4. Đồ thị quan hệ (a) và tương quan mực nước (b) giữa lỗ khoan quan trắc Q.67a tại Tây Hồ - Hà Nội với mực nước sông Hồng .................................................................. 36 Hình 2.5. Sơ đồ địa chất thủy văn lưu vực sông Nhuệ - Đáy ............................................ 38 Hình 2.6. Địa hình lưu vực sông Nhuệ - Đáy ..................................................................... 41 Hình 2.7. Sơ đồ phân chia các tiểu lưu vực sông Nhuệ - Đáy ........................................... 42 Hình 2.8. Sơ đồ khối cấu trúc địa chất thủy văn lưu vực sông Nhuệ - Đáy ...................... 43 Hình 2.9. Sơ đồ địa chất thủy văn trước Đệ tứ lưu vực sông Nhuệ - Đáy ........................ 43 Hình 2.10. Sơ đồ phân vùng mực nước tầng qh tháng 4-2022 .......................................... 44 Hình 2.11. Sơ đồ phân vùng mực nước tầng qp tháng 4-2022 .......................................... 44 Hình 2.12. Hiện trạng công trình và đê kè trên LVS Nhuệ - Đáy ..................................... 47 Hình 2.13. Hiện trạng các hệ thống thủy lợi, đê điều LVS Nhuệ - Đáy ........................... 47 Hình 2.14. Sơ đồ phân chia vùng tưới tiêu thủy lợi khu vực đồng bằng LVS Nhuệ - Đáy ................................................................................................................................................ 48 ix Hình 2.15. Sơ đồ phân bố mặn - nhạt tầng chứa nước qh LVS Nhuệ - Đáy .................... 49 Hình 2.16. Sơ đồ phân bố mặn - nhạt tầng chứa nước qp LVS Nhuệ - Đáy .................... 49 Hình 2.17. Sơ đồ phân vùng cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy ............................ 53 Hình 2.18. Mô tả khái niệm về cân bằng nước (Unnikrishna, P. V., 2002) ...................... 54 Hình 2.19. Các thành phần tham gia cân bằng nước lưu vực sông (phát triển từ Bizottság, E. (2015)) ............................................................................................................................... 55 Hình 3.1. Tổng quan mô hình tích hợp SWAT – MODFLOW ........................................ 63 Hình 3.2. Sơ đồ tương tác giữa nước mặt-nước dưới đất trong SWAT-MODFLOW .... 64 Hình 3.3. Quá trình tương tác giữa mô hình SWAT và mô hình MODFLOW ............... 65 Hình 3.4. Bản đồ mô hình số độ cao (DEM) lưu vực nghiên cứu ..................................... 67 Hình 3.5. Thiết lập tiểu lưu vực (05 phân vùng) và mạng sông trong SWAT bằng Shapefile chuẩn bị sẵn ở ngoài ............................................................................................................. 67 Hình 3.6. Bản đồ mạng lưới trạm KTTV lưu vực sông Nhuệ - Đáy ................................ 70 Hình 3.7. Tiến trình chạy mô hình SWAT cho lưu vực nghiên cứu ................................. 70 Hình 3.8. Thiết lập và khởi chạy mô hình SWAT cho lưu vực sông Nhuệ - Đáy ........... 71 Hình 3.9. Hiệu chỉnh - trạm Lâm Sơn ................................................................................. 72 Hình 3.10. Kiểm định -Trạm Lâm Sơn ............................................................................... 72 Hình 3.11. Tương quan - trạm Lâm Sơn (HC) ................................................................... 72 Hình 3.12. Tương quan - trạm Lâm Sơn (KĐ) ................................................................... 72 Hình 3.13. Lượng dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 2 . 73 Hình 3.14. Tương quan dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 2 .............................................................................................................................................. 73 Hình 3.15. Lượng dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 4 . 73 Hình 3.16. Tương quan dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 4 .............................................................................................................................................. 73 Hình 3.17. Lượng dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 5 . 73 Hình 3.18. Tương quan dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 5 .............................................................................................................................................. 73 Hình 3.19. Sơ đồ phạm vi xây dựng mô hình dòng chảy nước dưới đất LVS Nhuệ - Đáy x ................................................................................................................................................ 83 Hình 3.20. Sơ đồ khối cấu trúc các lớp trong mô hình ..........................................