Nghiên cứu, ứng dụng mô hình dòng ngầm ba chiều để xác định lượng cung cấp và trữ lượng có thể khai thác của nước dưới đất khu vực các tỉnh phía tây Sông Hậu

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG CỤC QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC Tập thể tác giả: ThS. Trần Thị Huệ PGS.TS Đoàn Văn Cánh ThS. Nguyễn Văn Đức ThS. Nguyễn Văn Nghĩa ThS. Trương Quảng Đại KS. Nguyễn Thị Vân b¸o c¸o tæng kÕt ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DÒNG NGẦM BA CHIỀU ĐỂ XÁC ĐỊNH LƯỢNG CUNG CẤP VÀ TRỮ LƯỢNG CÓ THỂ KHAI THÁC CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT KHU VỰC CÁC TỈNH PHÍA TÂY SÔNG HẬU KT. CỤC TRƯỞNG PHÓ CỤC TRƯỞNG CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI Lê Bắc Huỳnh Trần Thị Huệ 7044 05/12/2008 HÀ NỘI, 2007 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................3 CHƯƠNG I......................................................................................................................6 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH, TÌNH HÌNH ÁP DỤNG MÔ HÌNH TRONG NGHIÊN CỨU ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN, ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC Ở TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM.................................................................6 1.1. Tổng quan về phương pháp mô hình ...................................................................6 1.1.1. Phương trình dòng chảy nước dưới đất........................................................9 1.1.2. Phương trình lan truyền vật chất................................................................16 1.1.3. Quy trình và các bước tiến hành khi giải bài toán Địa chất thủy văn bằng phương pháp mô hình ...........................................................................................19 1.1.4. Các bước tiến hành khi giải bài toán mô hình Địa chất thủy văn bằng phần mềm Visual Modflow ............................................................................................24 1.2. Tình hình áp dụng mô hình nước dưới đất trên thế giới.........................................26 1.3. Tình hình áp dụng mô hình nước dưới đất ở Việt Nam .........................................28 CHƯƠNG 2...................................................................................................................32 ĐẶC ĐIỂM CÁC TẦNG CHỨA NƯỚC KHU VỰC CÁC TỈNH PHÍA TÂY SÔNG HẬU...............................................................................................................................32 2.1. Tổng quan lịch sử nghiên cứu Địa chất thủy văn đồng bằng Nam Bộ ..............32 2.1.1. Giai đoạn trước năm l975...........................................................................32 2.1.2. Giai đoạn từ năm 1975 đến nay..................................................................33 2.2. Tình hình áp dụng phương pháp mô hình số để đánh giá nước dưới đất vùng đồng bằng Nam Bộ....................................................................................................41 2.3. Đặc điểm địa chất thủy văn các tỉnh phía Tây sông Hậu...................................44 2.2.1. Phức hệ chứa nước lỗ hổng trong trầm tích đa nguồn gốc Holocen (qh)..45 2.2.2.Tầng chứa nước lỗ hổng trong trầm tích Pleistocen giữa - muộn (qp2-3) ...46 2.2.3.Tầng chứa nước lỗ hổng trong trầm tích Pleistocen sớm (qp1) ..................49 2.2.4.Phức hệ chứa nước lỗ hổng trong trầm tích Pliocen (m4)...........................52 2.2.5. Phức hệ chứa nước lỗ hổng trong trầm tích Miocen muộn (m3-3)..............53 CHƯƠNG 3...................................................................................................................57 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH BA CHIỀU XÁC ĐỊNH LƯỢNG CUNG CẤP THẤM VÀ TRỮ LƯỢNG CÓ THỂ KHAI THÁC CỦA CÁC TẦNG CHỨA NƯỚC KHU VỰC PHÍA TÂY SÔNG HẬU ...............................................................................................57 3.1. Cơ sở tài liệu xây dựng mô hình ........................................................................57 3.2. Mô hình khái niệm .............................................................................................58 3.2.1. Sơ lược điều kiện tự nhiên vùng nghiên cứu...............................................58 3.2.2. Địa chất.......................................................................................................59 3.2.3. Địa tầng địa chất thủy văn..........................................................................60 3.2.4. Xác định diện tích lập mô hình ...................................................................60 3.2.5. Thông số và điều kiện biên .........................................................................61 3.3. Mô hình hóa, hiệu chỉnh mô hình ......................................................................62 2 3.2.1. Mô hình dòng chảy .....................................................................................62 3.2.2. Mô hình lan truyền vật chất ........................................................................74 3.2.3. Kết quả bài toán chỉnh lý mô hình..............................................................76 3.4. Kết quả xác định lượng cung cấp cho các tầng chứa nước ................................91 3.4.1. Các phương án khai thác............................................................................91 3.4.2. Kết quả xác định lượng cung cấp cho nước dưới đất.................................94 3.5. Kết quả xác định lượng trữ lượng có thể khai thác..........................................113 3.5.1. Phương án xác định trữ lượng có thể khai thác .......................................114 3.5.2. Kết quả xác định trữ lượng có thể khai thác ............................................115 CHƯƠNG 4.................................................................................................................127 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ NHỮNG ĐỀ XUẤT, KIẾN NGHỊ .....................................................................................................................................127 4.1. Những kết quả đạt được của đề tài...................................................................127 4.2. Những hạn chế, tồn tại .....................................................................................128 4.3. Đề xuất kiến nghị .............................................................................................129 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................130 3 MỞ ĐẦU Đồng bằng phía Tây sông Hậu là một phần của đồng bằng sông Cửu Long, bao gồm các tỉnh: Cần Thơ, Hậu Giang, Sóc Trăng, An Giang, Bạc Liêu, Kiên Giang và Cà Mau. Diện tích tự nhiên toàn vùng khoảng 23.470 km2 với dân số khoảng 8.383.000 người*. Đây là vùng kinh tế quan trọng và là vựa lúa của cả nước, đồng thời là vùng nuôi trồng thuỷ sản lớn với sản lượng hàng triệu tấn năm. Điều kiện địa hình vùng Tây sông Hậu khá bằng phẳng, hướng nghiêng thoải từ Tây - Tây Nam sang Đông - Đông Bắc; độ cao địa hình nhìn chung là thấp và thường bị ngập nước trong mùa lũ. Vùng phía Tây sông Hậu là phần cuối của châu thổ sông Mê Kông, vì vậy nguồn nước mặt trong vùng khá dồi dào, với các hệ thống sông, kênh rạch dày đặc. Tuy nhiên, nguồn nước mặt ở đây thường có độ đục lớn, phần lớn bị chua phèn, nhiễm mặn và nhiễm bẩn nên không thuận lợi đối với các mục đích sử dụng nước cho ăn uống sinh hoạt và công nghiệp. Nguồn nước dưới đất có trữ lượng lớn. Theo các tài liệu điều tra, nghiên cứu địa chất thủy văn trong vùng, mặt cắt đồng bằng phía Tây sông Hậu gồm 5 tầng chứa nước trong trầm tích Kainozoi, các tầng chứa nước đều có chiều dày và mức độ chứa nước lớn.. Tuy nhiên, do quá trình hình thành đồng bằng trải qua nhiều giai đoạn hoạt động địa chất phức tạp, với nhiều đợt thăng trầm nâng hạ của vỏ trái đất tạo nên các đợt biển tiến - thoái trong quá khứ, cùng với ảnh hưởng mạnh của hoạt động thủy triều, chế độ thủy văn của hệ thống sông Mê Kông nên nước dưới đất ở đồng bằng sông Cửu Long nói chung và đồng bằng phía Tây sông Hậu nói riêng có đặc điểm thủy động lực và thuỷ địa hoá hết sức phức tạp, tốc độ vận động của nước chậm chạp, hệ số trao đổi nước nhỏ, mặn nhạt xen kẽ nhau theo cả chiều thẳng đứng và chiều ngang. Trong khi các công trình nghiên cứu, điều tra, đánh giá nguồn nước dưới đất trên đồng bằng nói chung còn rất hạn chế. Việc điều tra, đánh giá chi tiết nguồn nước chủ yếu tại các công trình thăm dò, khai thác nước dưới đất phân tán rải rác trên đồng bằng. Các nghiên cứu mang tính khu vực còn ít, số lượng điểm nghiên cứu đối với mỗi công trình rất hạn chế, đặc biệt các nghiên cứu về nguồn gốc, trữ lượng và điều kiện hình thành trữ lượng nước dưới đất, diễn biến xâm nhập mặn, chất lượng nước, mối quan hệ nước mặt - nước dưới đất đều chưa đầy đủ. * số liệu thống kê năm 2005 4 Về tình trạng khai thác sử dụng nước dưới đất: do phần lớn nguồn nước mặt bị mặn, phèn và nhiễm bẩn nên nguồn nước dưới đất đã trở thành nguồn cấp nước quan trọng cho ăn uống, sinh hoạt và sản xuất công nghiệp của vùng. Chỉ trừ một số khu vực ở phần phía Tây (thuộc các tỉnh An Giang, Kiên Giang, Cần Thơ, Hậu Giang) có nguồn nước mặt đáp ứng yêu cầu cho ăn uống, sinh hoạt và sản xuất, còn lại đều phụ thuộc vào nguồn nước dưới đất, đặc biệt tại các tỉnh Cà Mau, Bạc Liêu, Sóc Trăng, nước dưới đất là nguồn cấp chủ yếu cho ăn uống, sinh hoạt và sản xuất tại các đô thị và vùng nông thôn trong khu vực này. Lượng nước dưới đất khai thác ngày càng tăng đã gây ra hạ thấp lớn và xâm nhập mặn ở một số khu vực, điển hình như tại thị xã Cà Mau, Sóc Trăng. Tại Cà Mau trước đây mực nước nằm cao hơn mặt đất khoảng 1 mét nhưng hiện tại mực nước dưới đất đã nằm dưới mặt đất khoảng 30 mét và liên tục bị hạ thấp với tốc độ hạ thấp khoảng 0,2 - 0,5m /năm. Tại các công trình khai thác nước dưới đất của thị xã Sóc Trăng, Cà Mau, Bạc Liêu đều đã xảy ra hiện tượng xâm nhập mặn vào công trình khai thác, một số giếng đã phải hủy bỏ hoặc giảm lưu lượng khai thác.... Các vấn đề nêu trên đã gây không ít khó khăn cho công tác quản lý, bảo vệ tài nguyên nước dưới đất trong khu vực, đặc biệt là khó khăn trong việc phân bổ, cấp phép khai thác, sử dụng hợp lý nguồn nước. Để từng bước giải quyết các vấn đề nêu trên, phục vụ công tác quản lý tài nguyên nước dưới đất trong khu vực, tháng 7 năm 2005, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã giao cho Cục Quản lý tài nguyên nước triển khai thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, ứng dụng mô hình dòng ngầm ba chiều để xác định lượng cung cấp và trữ lượng có thể khai thác của nước dưới đất khu vực các tỉnh phía Tây sông Hậu”. Mục tiêu chủ yếu của đề tài nhằm: nghiên cứu điều kiện hình thành trữ lượng khai thác, nguồn cung cấp cho nước dưới đất ở khu vực các tỉnh phía Tây sông Hậu; ứng dụng mô hình dòng ngầm xác định định lượng lượng cung cấp cho nước dưới đất và trữ lượng có thể khai thác của một số khu vực trong vùng nghiên cứu, phục vụ áp dụng mở rộng cho các khu vực khác trên đồng bằng, phục vụ công tác quản lý tài nguyên nước dưới đất; góp phần làm rõ hơn về điều kiện địa chất thủy văn của khu vực nghiên cứu; và nâng cao năng lực và kỹ thuật sử dụng mô hình cho cán bộ làm công tác quản lý tài nguyên nước ở Cục Quản lý tài nguyên nước cũng như ở các tỉnh trong vùng nghiên cứu. Đề tài được thực hiện trên cơ sở phân tích, tổng hợp các nguồn tài liệu đã có về điều kiện địa lý tự nhiên, địa hình, khí tượng, thuỷ văn, địa chất, địa chất thuỷ văn kết hợp với điều tra khảo sát bổ sung hiện trạng khai thác, sử dụng 5 nước dưới đất trong khu vực nghiên cứu để lựa chọn diện tích mô hình và xác lập, xây dựng mô hình dòng ngầm ba chiều bằng bộ phần mềm Visual Modflow. Trên cơ sở kết quả xây dựng và chạy mô hình nêu trên cùng với các kết quả nghiên cứu khác trong phạm vi thực hiện đề tài và ý kiến góp ý của các chuyên gia trong lĩnh vực tài nguyên nước, chúng tôi đã xây dựng hoàn thiện Báo cáo tổng kết kết quả thực hiện đề tài với các nội dung, chương mục chủ yếu như sau: Chương 1. Tổng quan về phương pháp mô hình, tình hình áp dụng mô hình trong nghiên cứu địa chất thuỷ văn, đánh giá tài nguyên nước trên ở thế giới và Việt Nam Chương 2. Đặc điểm các tầng chứa nước khu vực phía tây sông Hậu Chương 3. Ứng dụng mô hình ba chiều xác định lượng cung cấp thấm và trữ lượng có thể khai thác của các tầng chứa nước khu vực phía tây sông Hậu Chương 4. Đánh giá kết quả thực hiện đề tài và những đề xuất, kiến nghị Kết luận: đánh giá chung về kết quả thực hiện đề tài, những kết quả cụ thể của đề tài và kiến nghị áp dụng trong công tác quản lý tài nguyên nước dưới đất, cũng như những nội dung kiến nghị cần tiếp tục nghiên cứu trong thời gian tới. Nhân dịp kết thúc đề tài, chúng tôi xin chân thành cảm ơn Bộ Tài nguyên và Môi trường, Vụ Khoa học Công nghệ đã tạo điều kiện cho chúng tôi được thực hiện đề tài nêu trên và giúp đỡ chúng tôi hoàn thành các nội dung nghiên cứu của đề tài. Chúng tôi cũng xin tỏ sự cảm ơn chân thành đến các nhà khoa học, các chuyên gia ở trong và ngoài Bộ, các đồng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu, góp phần vào việc xây dựng các luận cứ khoa học của đề tài cũng như hoàn thiện các kết quả của đề tài. Cũng nhân dịp này chúng tôi xin chân thành cảm ơn các cấp chính quyền, các cơ quan ban ngành thuộc các tỉnh Cà Mau, Bạc Liêu, Sóc Trăng, Kiên Giang, An Giang, Hậu Giang, Cần Thơ, đặc biệt nhân dân địa phương đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Chúng tôi cũng mong muốn nhận được các ý kiến nhận xét, đánh giá, góp ý bổ sung của các nhà khoa học, đồng nghiệp để báo cáo được hoàn thiện một cách tốt nhất. 6 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH, TÌNH HÌNH ÁP DỤNG MÔ HÌNH TRONG NGHIÊN CỨU ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN, ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC Ở TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1. Tổng quan về phương pháp mô hình Với khái niệm chung nhất, mô hình hoá là sự phản ánh thực tế tồn tại bằng phương pháp nào đó để nghiên cứu quy luật khách quan vốn có của sự vật, hiện tượng trong thế giới khách quan. Phương pháp mô hình được xem là một phương pháp nhận thức khoa học về thế giới khách quan, chúng đã được ứng dụng nhiều trong các ngành khoa học và ứng dụng hiệu quả trong thực tế. Các mô hình mà các ngành khoa học kỹ thuật ứng dụng có thể kể đến là các mô hình truyền nhiệt trong ngành nhiệt, mô hình phần tử hữu hạn áp dụng trong tính toán kết cấu xây dựng, mô hình điện trong ngành điện, mô hình dự báo bão, mô hình dòng chảy mặt trong nghiên cứu thuỷ văn, mô hình dòng chảy nước dưới đất, mô hình lan truyền vật chất nhiễm bẩn trong môi trường nước trong nghiên cứu địa chất thuỷ văn và đánh giá tài nguyên nước dưới đất. Trong Địa chất thuỷ văn, phương pháp mô hình được ứng dụng để giải quyết những nhiệm vụ cụ thể như: nghiên cứu địa chất thuỷ văn khu vực, nghiên cứu lý thuyết, đánh giá trữ lượng nước dưới đất, nghiên cứu dịch chuyển khối lượng của các chất nhiễm bẩn trong môi trường nước dưới đất, quá trình truyền nhiệt trong môi trường nước dưới đất, các quá trình thấm mất nước hồ đập, nghiên cứu đánh giá lượng nước chảy vào các khu mỏ... Ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp mô hình là thay vì nghiên cứu trực tiếp đối tượng, chúng ta có thể phục hồi được trên các mô hình chuyên môn những quá trình & hiện tượng khác nhau. Khi mô hình hóa, quá trình nghiên cứu được thay bằng quá trình khác thiết lập đơn giản và rõ ràng hơn trong phòng thí nghiệm hoặc trên máy tính. Sự thay thế đó có thể thực hiện được bởi vì có rất nhiều quá trình đặc trưng bởi cùng một phương trình toán học. Sự tương tự của các quá trình là do sự thống nhất của thế giới vật chất và có cùng quy luật của chuyển động vật chất. Trên cơ sở phân loại mô hình theo đặc trưng mô hình hóa vật chất có thể chia ra làm 4 loại: Đồ giải, vật lý, toán và tự nhiên. Bản chất của chúng tương đối khác nhau: 7 Mô hình hóa đồ giải phản ánh đối tượng nghiên cứu bằng các bản vẽ. Mô hình hóa đồ giải được sử dụng để tổng hợp những tài liệu nhận được khi điều tra làm sáng tỏ những đặc điểm, quy luật cơ bản của đối tượng nghiên cứu và những quá trình hiện tượng đặc trưng của nó. Mô hình đồ giải có thể là mô hình mặt cắt, mô hình mặt bằng và mô hình khối. Mô hình hóa vật lý là sự phục hồi trên các mô hình chuyên môn đối tượng Địa chất thủy văn nhưng vẫn giữ nguyên sự tương tự về mặt vật lý giữa mô hình và đối tượng nghiên cứu nhờ hệ số tỉ lệ về kích thước hình học và các thông số vật lý. Theo mục đích nghiên cứu, mô hình vật lý có thể chia thành 2 nhóm: nhóm thứ nhất nghiên cứu những quá trình vật lý (máng thấm, mô hình thấm...); nhóm thứ hai nghiên cứu tính chất của các đối tượng địa chất thủy văn (dụng cụ nghiên cứu tính thấm và thủy tính đất đá). Mô hình toán học là sự phục hồi trên các mô hình chuyên môn những đối tượng địa chất thủy văn khi có sự đồng nhất về phương trình mô tả đối tượng nghiên cứu và mô hình. Theo nguyên tắc xây dựng và hoạt động mô hình toán có thể chia ra thành ba nhóm: tương tự, số, xibenetic. Mô hình tương tự được chia ra làm 2 loại là mô hình tương tự vật lý và mô hình tương tự toán học. - Mô hình tương tự vật lý là sự mô phỏng sự tương tự về mặt vật lý giữa đối tượng nghiên cứu và đối tượng mô hình hoá. Quá trình thấm được khống chế bởi các phương trình vật lý tương tự như quá trình truyền nhiệt, truyền điện. Bởi vậy thay bằng nghiên cứu các qúa trình xảy ra trong môi trường nước dưới đất người ta tiến hành nghiên cứu các quá trình truyền điện, truyền nhiệt trên các đối tượng mô hình hoá tương đương với đối tượng nghiên cứu. Phương pháp mô hình tương tự được sử dụng khá rộng rãi trong nghiên cứu địa chất thuỷ văn những năm 60 – 70. Ví dụ như mô hình giấy dẫn điện, mô hình điện và mô hình điện ô mạng. Mô hình điện (Anderson, 1972; Spieker, 1968) được làm bằng các điện trở theo tỷ lệ để biểu thị cơ cấu các tầng chứa nước, còn tụ điện được mô phỏng cho độ trữ nước. Cường độ dòng điện trong ampe kế của mô hình biểu thị lưu lượng dòng thấm. Điện thế trong mô hình biểu thị mực nước, còn thể tích nước trong mô hình được thể hiện bằng tổng lượng điện tích. Điện trở tỷ lệ nghịch với hệ số thấm của tầng chứa nước trong khi điện dung điện mạng lưới tỷ lệ với độ chứa nước. Các số đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế trong mạng thể hiện lưu lượng và mực nước trong các tầng chứa nước. Các mô hình điện tương tự có thể mô phỏng cho dòng chảy hai chiều hoặc ba chiều, đối với dòng ba chiều được mô phỏng bằng cách nối tiếp một số nhóm nằm ngang với nhau. 8 Tuy nhiên mô hình điện tương tự không mô phỏng được các quá trình phân tán, khuyếch tán trong bài toán lan truyền vật chất. - Mô hình tương tự toán học dựa trên các lời giải cơ bản của dòng nước dưới đất, dòng nhiệt và dòng vận chuyển khối. Mô hình toán học đơn giản nhất của dòng nước dưới đất là định luật Đacxi. Để áp dụng định luật Đacxi chúng ta cần có một mô hình nhận thức của tầng chứa nước và các số liệu về tính chất vật lý của hệ tầng chứa nước (hệ số thấm, hệ số nhả nước, độ lỗ hổng). Định luật Đacxi là một ví dụ của mô hình giải tích. Để giải một mô hình giải tích chúng ta phải biết điều kiện ban đầu và điều kiện biên của bài toán thấm. Các điều kiện này phải đủ đơn giản để có thể giải trực tiếp phương trình thấm bằng máy tính. Các mô hình giải tích có thể được giải nhanh chóng, chính xác và không tốn kém trên các máy tính hoặc máy tích phân được lập sẵn chương trình. Mô hình số là dùng máy tính để giải các phương trình vi phân mô tả các quá trình của đối tượng nghiên cứu. Bản chất của chúng là giải phương trình vi phân vận động của nước dưới đất, phương trình lan truyền chất nhiễm bẩn bằng phương pháp số. Phương pháp số là phương pháp giải gần đúng các phương trình vi phân đạo hàm riêng bao gồm sai phân hữu hạn hoặc phần tử hữu hạn. Vấn đề này đã được Trescott đề cập lần đầu tiên vào năm 1975, sau đó tiếp tục được phát triển thành chương trình máy tính bởi Trescott, Pider và Larson năm 1976. Kế thừa những kết quả nghiê