ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN Bùi Trần Vượng XÂY DỰNG QUI TRÌNH BỔ SUNG NHÂN TẠO NƯỚC DƯỚI ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỒN THẤM TẠI CÁC ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN NAM TRUNG BỘ Chuyên ngành: Sử dụng Bảo vệ tài ngun mơi trường Mã số: 62.85.15.01 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH, 3-2009 Cơng trình hồn thành tại: Viện Mơi trường Tài nguyên, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh Địa chỉ: 142 Tơ Hiến Thành, quận 10, TP Hồ Chí Minh Điện thoại: 08.8651132, Fax: 08.8655670 Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Thị Kim Thoa, Viện Vật lý địa cầu TS Đỗ Tiến Hùng, Trung tâm Qui hoạch Điều tra tài nguyên nước Phản biện 1: PGS.TS Đoàn Văn Cánh, Trường ĐH Mỏ- Địa chất Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Việt Kỳ, Trường ĐH Bách Khoa, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh Phản biện 3: PGS TS Vũ Chí Hiếu, Trường ĐH Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước Viện Môi trường Tài nguyên Vào hồi…… giờ, ngày………….tháng……….năm 2009 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Viện Môi trường Tài nguyên, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Thư viện Khoa học tổng hợp TP Hồ Chí Minh MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Ba tỉnh ven biển Nam Trung Bộ: Khánh Hòa, Ninh Thuận Bình Thuận tỉnh khan nước đất nước, vào mùa khơ tình trạng thiếu nước nghiêm trọng Tại vùng cửa sông đụn cát ven biển, nước mặn xâm nhập vào tầng chứa nước diện rộng, biên mặn lấn dần vào phía đất liền Sự diện chất nhiễm bẩn tự nhiên floride, sắt, can xi, magne, cyanur số pH thấp trở thành mối lo ngại thật cho cộng đồng Để giải nguồn nước cung cấp đảm bảo số lượng chất lượng cho khu vực, tương lai không áp dụng biện pháp bổ sung nhân tạo nước đất (BSNT NDĐ) Việc xây dựng qui trình hướng dẫn BSNT NDĐ phương pháp bồn thấm hữu ích có tính thực tiễn cao Đó lý nghiên cứu sinh chọn thực đề tài “Xây dựng qui trình bổ nước đất phương pháp bồn thấm đồng ven biển Nam Trung Bộ” Mục tiêu nhiệm vụ luận án Mục tiêu: Nghiên cứu đề xuất qui trình hướng dẫn BSNT NDĐ phương pháp bồn thấm thích hợp với đồng ven biển Nam Trung Bộ Nhiệm vụ: Nghiên cứu tổng quan BSNT NDĐ; Đánh giá điều kiện tự nhiên đồng ven biển Nam Trung Bộ để lựa chọn phương pháp BSNT NDĐ thích hợp; Nghiên cứu đề xuất qui trình hướng dẫn BSNT NDĐ phương pháp bồn thấm; áp dụng qui trình hướng dẫn BSNT NDĐ bồn thấm để nghiên cứu đề xuất giải pháp quản lý bổ sung tầng chứa nước cồn cát bán khô hạn huyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận Phương pháp nghiên cứu: Thu thập xử lý tổng hợp tài liệu địa chất thủy văn, khảo sát địa chất thủy văn, khảo sát địa vật lý, phương pháp xây dựng mô hình Phạm vi đối tượng nghiên cứu Phạm vi: đồng ven biển Nam Trung Bộ gồm tỉnh Khánh Hòa, Ninh Thuận Bình Thuận Đối tượng: nghiên cứu đề xuất qui trình hướng dẫn BSNT NDĐ phương pháp bồn thấm Cơ sở tài liệu Các tài liệu thuộc đề tài cấp nhà nước mã số ĐTĐL 2004/07, kết điều tra ĐCTV khu vực, kết tìm kiếm thăm dò NDĐ Liên đồn ĐCTV-ĐCCT Miền Nam, Liên đoàn ĐCTV-ĐCCT Miền Trung quan khác, tài liệu từ internet, báo cáo công bố hội nghị khoa học, đề tài khoa học cấp, luận án tiến sĩ, thạc sĩ có liên quan Các luận điểm bảo vệ Phương pháp BSNT NDĐ bồn thấm phương pháp tăng cường trữ lượng NDĐ có hiệu đồng ven biển Nam Trung Bộ Qui trình hướng dẫn BSNT NDĐ phương pháp bồn thấm đồng ven biển Nam Trung Bộ bao gồm bước Bảy giải pháp quản lý bổ sung tầng chứa nước giải pháp hữu hiệu để giải vấn đề cung cấp nước cho khu vực cồn cát bán khô hạn huyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận Tính luận án Lần đề xuất qui trình hướng dẫn BSNT NDĐ phương pháp bồn thấm thích hợp với đồng ven biển Nam Trung Bộ đồng ven biển khác có điều kiện tự nhiên tương tự toàn quốc Ý nghĩa khoa học Là hướng nghiên cứu Việt Nam, lần đề xuất qui trình hướng dẫn BSNT NDĐ phương pháp bồn thấm đồng ven biển Nam Trung Bộ gồm bước Khẳng định vai trò cơng nghệ khảo sát nghiên cứu quản lý bổ sung tầng chứa nước mang tính đa ngành Tạo lập sở liệu gốc làm ví dụ điển hình nghiên cứu quản lý bổ sung tầng chứa nước Đây nguồn tài liệu tham khảo cần thiết hữu ích cơng tác giảng dạy trường đại học, cao đẳng lĩnh vực BSNT NDĐ bảo vệ môi trường Việt Nam theo xu chung giới Có giá trị việc hoạch định quản lý tầng chứa nước bảo vệ môi trường, làm cầu nối cho hướng nghiên cứu bảo vệ tầng chứa nước nhằm thích nghi với biến đổi khí hậu vùng bán khô hạn ven biển miền Trung chương trình mục tiêu quốc gia biến đổi khí hậu Việt Nam Ý nghĩa thực tiễn Có thể ứng dụng vào thực tiễn để giải vấn đề khan nước mùa khô hạn tỉnh Nam Trung Bộ địa phương có đặc điểm tương tự mà việc sử dụng nước mặt chưa mang lại hiệu kinh tế Định hướng, hướng dẫn nhà địa chất thủy văn tiến hành bước cần thiết trình thực BSNT NDĐ phương pháp bồn thấm Chỉ tiềm nước ngầm vùng cát ven biển huyện Bắc Bình phong phú Giúp tỉnh Bình Thuận đưa định khai thác bảo vệ nước hồ Bàu Trắng, Bàu Nổi Đề xuất giới thiệu giải pháp quản lý bổ sung tầng chứa nước khu vực cồn cát bán khô hạn huyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận mang tính thực tiễn cao Cung cấp nước 220 m3/ngày bãi giếng Bàu Nổi cho cư dân xã Hồng Phong Giải pháp làm nguồn gây ô nhiễm Bàu Nổi cách xử lý bảo vệ môi trường mới, áp dụng triển khai đề án tương tự Bố cục luận án Luận án gồm phần mở đầu, chương phần kết luận; với 200 trang đánh máy khổ A4, 36 bảng, 67 hình vẽ đồ thị 79 tài liệu tham khảo Chương 1- Tổng quan BSNT NDĐ; Chương 2- Các yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn phương pháp BSNT NDĐ đồng ven biển Nam Trung Bộ; Chương 3- Nghiên cứu đề xuất qui trình hướng dẫn BSNT NDĐ phương pháp bồn thấm đồng ven biển Nam Trung Bộ Chương 4- Nghiên cứu đề xuất giải pháp quản lý bổ sung tầng chứa nước khu vực cồn cát huyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận Lời cảm ơn Luận án hoàn thành hướng dẫn GS.TSKH Nguyễn Thị Kim Thoa TS Đỗ Tiến Hùng Trong q trình hồn thành luận án NCS nhận quan tâm giúp đỡ cố PGS.TS Huỳnh Thị Minh Hằng, TS Peter Dillon; GS.TS Paolo Bono; TS Giuseppe Arduino, PGS TS Nguyễn Việt Kỳ, PGS.TS Đoàn Văn Cánh, PGS.TS Nguyễn Văn Giảng TS Phan Thị Kim Văn, KS Nguyễn Văn Hòa, lãnh đạo Viện Mơi trường Tài nguyên phòng quản ngành (phòng GeoInfomatics – Viện Môi trường Tài nguyên, đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh) Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc chân thành quan, nhà khoa học đồng nghiệp nói CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ BỔ SUNG NHÂN TẠO NƯỚC DƯỚI ĐẤT Chương trình bày tổng quan BSNT NDĐ lịch sử nghiên cứu triển khai qui trình BSNT NDĐ giới Việt Nam 1.1 Bổ sung nhân tạo nước đất BSNT NDĐ hoạt động người làm nước mặt từ sơng, suối, hồ thấm vào lòng đất với tốc độ thường lớn nhiều lần bổ sung tự nhiên, tạo gia tăng tương ứng mức độ an tồn khai thác NDĐ 1.2 Mục đích bổ sung nhân tạo nước đất Trong lĩnh vực cấp nước, mục đích quan trọng BSNT NDĐ là: Gia tăng lượng nước đất cho cấp nước; Cải thiện chất lượng nước; Chứa nước nhạt tầng chứa nước; Ngăn cản xâm nhập nước mặn; Duy trì mực nước đất 1.3 Nguồn chất lượng nước để bổ sung 1.3.1 Nước mặt nguồn nước quan trọng để BSNT Nước sông thường có chất lơ lửng với hàm lượng từ vài chục đến vài trăm g/m3, gây tắc nghẽn sử dụng trực tiếp cơng trình BSNT Nước hồ thường khơng có có chất lơ lửng Khi khơng bị nhiễm dùng để bổ sung trực tiếp không cần tiền xử lý 1.3.2 Dòng chảy mặt từ nước mưa phổ biến trung tâm đô thị nhiên chúng thường chứa chất nhiễm bẩn từ nhiều nguồn khác Ở vùng nơng thơn, mưa lớn tạo dòng chảy mặt cánh đồng nông nghiệp, chất nhiễm bẩn thường gồm: thuốc trừ sâu, phân bón, phân động vật, người nguồn khác 1.3.3 Nước thải xử lý thể tích biết trước có thành phần ổn định nguồn bổ sung hấp dẫn Tuy nhiên nước thải đòi hỏi hai lần xử lý lần khử trùng trước sử dụng để bổ sung 1.3.4 Nước uống nguồn nước bổ sung sơ đồ Chứa Khai thác Các sơ đồ thường xây dựng bên cạnh cơng trình xử lý để tiết kiệm chi phí tận dụng khả xử lý dư thừa 1.4 Các phương pháp BSNT NDĐ Các phương pháp BSNT NDĐ chia thành nhóm: trực tiếp gián tiếp: 1.4.1 Nhóm phương pháp bổ sung trực tiếp gồm: - Các phương pháp thấm: bao gồm hồ thấm bồn thấm; tận dụng đất đá tầng chứa nước để xử lý nước thải; làm lụt có kiểm sốt; thấm đụn cát - Các phương pháp điều tiết dòng chảy: bao gồm hồ thấm đằng sau đập; đập cát; đập ngầm; đập thấm xuyên - Các phương pháp ép nước qua lỗ khoan, hầm mỏ: bao gồm lỗ khoan hầm mỏ lộ thiên; lỗ khoan ép nước (các sơ đồ ASR ASTR) - Thu gom nước mưa: gồm có đập đất đồng; thu gom nước mưa từ mái nhà 1.4.2 Nhóm phương pháp bổ sung gián tiếp: gồm phương pháp thấm qua đáy sông, đáy hồ 1.5 Hiện trạng BSNT NDĐ 1.5.1 BSNT nước đất giới: Trên giới BSNT NDĐ áp dụng rộng rãi Canada, Tiệp Khắc, Đan Mạch, Pháp, Đức, Anh, Hà Lan, Thụy Điển, Mỹ, Úc, Trung Quốc, Brazil, Sri Lanka, Uganda, Thailand … 1.5.2 BSNT NDĐ Việt Nam: Hội thảo khoa học “BSNT trữ lượng NDĐ Việt Nam” vào tháng 7/2003 Cục Địa chất Khoáng sản tổ chức Hà Nội Đề tài khoa học công nghệ độc lập cấp nhà nước: “Nghiên cứu sở khoa học BSNT NDĐ để bảo đảm khai thác bền vững tài nguyên nước Việt Nam” mã số ĐTĐL2004/07 GS.TSKH Nguyễn Thị Kim Thoa đồng nghiệp triển khai thực từ năm 2004-2007 Năm 2007, PGS.TS Nguyễn Việt Kỳ triển khai đề tài thử nghiệm bổ sung nước mưa vào tầng chứa nước khuôn viên Đại học Khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh Thủ Đức Công ty Haskoning B.V, Hà Lan, phối hợp với Sở Nông nghiệp Phát triển Nông thôn tỉnh Ninh Thuận tiến hành dự án thử nghiệm “Rehydrating the earth of Phuoc Nam area”, dự án bắt đầu vào năm 2007 kết thúc vào cuối năm 2008 PGS.TS Đoàn Văn Cánh đồng nghiệp tiến hành đề tài độc lập cấp nhà nước “Nghiên cứu sở khoa học xây dựng giải pháp lưu giữ nước mưa vào lòng đất phục vụ chống hạn bảo vệ tài nguyên NDĐ vùng Tây Nguyên” 1.5.3 Quản lý bổ sung tầng chứa nước: công nghệ BSNT NDĐ khơng cơng nghệ mà phải tính đến yếu tố mơi trường tự nhiên, 10 yếu tố kinh tế - xã hội; việc bổ sung nước vào tầng chứa đòi hỏi có tham gia cộng đồng dân cư vào việc quản lý nguồn nước bổ sung bảo đảm khai thác bền vững Hội Địa chất thủy văn quốc tế định sử dụng tên gọi “quản lý bổ sung tầng chứa nước” (tiếng Anh Management of Aquifer Recharge, viết tắt MAR) thay cho tên gọi BSNT NDĐ Tên gọi MAR Việt Nam thông qua Hội nghị nghiệm thu cấp Nhà nước đề tài mã số ĐTĐL2004/07 vào ngày 30 tháng năm 2007 Tuy luận án giữ tên gọi BSNT NDĐ, bước tiến hành, phương pháp triển khai nghiên cứu thực theo quan điểm MAR 1.5.4 Hiện trạng nghiên cứu triển khai qui trình BSNT NDĐ phương pháp bồn thấm: Trên giới có nhiều tác giả tổng kết xây dựng qui trình mang tính hướng dẫn bước cần thiết, yếu tố cần quan tâm bắt đầu xây dựng cơng trình BSNT NDD Nghiên cứu sinh giơi thiệu tóm tắt số qui trình hướng dẫn liên quan đến luận án Tại Việt Nam, việc xây dựng qui trình tương tự chưa tiến hành, lĩnh vực bỏ ngỏ CHƯƠNG – CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG PHÁP BỔ SUNG NHÂN TẠO NƯỚC DƯỚI ĐẤT TẠI CÁC ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN NAM TRUNG BỘ Chương trình bày yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn phương pháp BSNT NDĐ đồng ven biển Nam Trung Bộ 2.1 Khí hậu, thuỷ văn Các điều kiện khí hậu thủy văn ảnh hưởng tới khả ứng dụng phương pháp BSNT 2.1.1 Đặc điểm khí hậu: Nhiệt độ trung bình năm từ 26,5 đến 27,5oC 14 Khảo sát chọn vùng BSNT dựa theo tiêu chuẩn: vùng có mực NDĐ bị giảm khai thác mức; tầng chứa nước bị khô, phục hồi nước lỗ khoan chậm; nước lỗ khoan không đủ tháng khơ hạn; chất lượng NDĐ khơng có nguồn nước khác; vùng cung cấp nước nằm xa khu vực có nhu cầu sử dụng nước Cụ thể, tỉnh Bình Thuận, nên chọn khu Bắc Bình có diện tích khoảng 800km2 Tại tỉnh Ninh Thuận, nên chọn xã ven biển Tại tỉnh Khánh Hòa nên chọn đồng Vạn Ninh – Ninh Hòa, Diên Khánh – Nha Trang, Cam Ranh với tổng diện tích khoảng 700km2 3.2 Đánh giá nguồn nước để bổ sung 3.2.1 Đánh giá số lượng nguồn nước để bổ sung Nguồn nước mưa: đánh giá dựa vào giai đoạn dư thừa nước, khoảng thời gian mà lượng mưa lớn lượng bốc Số lượng nước mưa sử dụng để bổ sung chênh lệch lượng mưa lượng bốc giai đoạn Lượng nước mưa sử dụng làm nguồn bổ sung tỉnh Bình Thuận đạt khoảng 394.400 m3/km2/ năm; tỉnh Ninh Thuận khoảng 138.480 m3/km2/ năm tỉnh Khánh Hòa khoảng 620.800 m3/km2/ năm Nguồn nước mặt: Tỉnh Bình Thuận Sơng Lũy có lưu vực 1.910km2, chiều dài 98 km, chiều rộng trung bình 31,0m, lượng dòng chảy trung bình năm 428 m3/s, vào mùa khô lũ 286m3/s (chiếm 66,8%) vào mùa cạn 142 m3/s (chiếm 33,2%) Hồ Bàu Trắng với dung tích gần 12 triệu m3 nước nguồn bổ sung cho NDĐ Tỉnh Ninh Thuận sông Cái Phan Rang sông lớn tỉnh Sông Cái Phan Rang có diện tích lưu vực 3.000 km2, chiều dài 119km, chiều rộng trung bình 31,6m, tổng lượng dòng chảy năm 184,1 m3/s, 15 vào mùa lũ 134,7m /s (chiếm 73,2%) vào mùa cạn 49,4 m3/s (chiếm 26,8%) Tỉnh Khánh Hòa có sơng Cái Nha Trang, sơng có chiều dài 79km, diện tích lưu vực 2000 km2, chiều rộng trung bình 25,3m, tổng lượng dòng chảy trung bình năm 876m3/s, vào mùa lũ 566 m3/s (chiếm 65 %) vào mùa cạn 310 m3/s (chiếm 35%), hồ Đá Bàn dung tích 60 triệu m3 hồ Cam Ranh dung tích 22 triệu m3 Khi tiến hành thiết kế cơng trình BSNT NDĐ, cần phải bàn với quyền địa phương tổng lưu lượng nước trung bình năm sử dụng cho mục đích BSNT dựa qui hoạch sử dụng nguồn nước sơng tỉnh Từ chọn qui mơ kích thước bồn thấm 3.2.2 Đánh giá chất lượng nước: Trong q trình điều tra phải phân tích số hoá lý, vi lượng, vi sinh nước bổ sung NDĐ Nghiên cứu vi trùng nước bổ sung tiến hành đồng thời với nghiên cứu thành phần hóa học cách lấy mẫu phân tích mẫu vi trùng 3.3 Đánh giá đặc điểm địa chất thủy văn 3.3.1 Đánh giá phân bố không gian tầng chứa nước bao gồm: tầng chứa nước, chiều sâu tới mực nước, biên độ dao động mực nước, trữ lượng tiềm năng, mức độ sử dụng NDĐ, chất lượng nước, chiều dày lớp chưa bão hòa từ 3m mặt đất, thay đổi mực nước khai thác, mức độ phục hồi mực nước sau khai thác, mực nước chất lượng NDĐ lỗ khoan tháng khô hạn Các phương pháp địa vật lý phát huy tác dụng tiến hành vào mùa mưa cát ẩm có độ dẫn điện tốt Phương pháp điện phương pháp địa chấn thăm dò thực hữu ích triển khai vùng cát bán khô hạn Nam Trung Bộ Khoan thăm dò để hiểu rõ thành phần thạch học, chiều sâu, chiều dày 16 đặc trưng số lượng chất lượng tầng chứa nước có triển vọng theo kết khảo sát địa chất thuỷ văn địa vật lý tiến hành Khoan khai thác khoan vị trí xác định cách tin cậy từ kết khảo sát trước 3.3.2 Đánh giá đặc điểm động thái NDĐ: đánh giá chiều sâu tới mực NDĐ, biên độ giao động mực NDĐ theo mùa ảnh hưởng thủy triều Mạng lưới quan trắc nên gồm hai loại: mạng quan trắc khu vực mạng quan trắc vị trí xây dựng cơng trình BSNT NDĐ Đối với mạng quan trắc vị trí xây dựng, cần tối thiểu lỗ khoan quan trắc, thượng nguồn, bồn thấm hạ nguồn bồn thấm 3.3.3 Đánh giá ảnh hưởng pha trộn nước bổ sung với NDĐ: nước để BSNT phản ứng với NDĐ đồng ven biển Nam Trung Bộ theo phản ứng: kết tủa carbonat-can xi, kết tủa ơxít sắt magiê ngậm nước, trương nở hạt sét tầng cát chứa nước Cần đánh giá ảnh hưởng trình theo hướng dẫn qui trình 3.4 Phương pháp đánh giá lựa chọn thông số 3.4.1 Phương pháp đánh giá thông số Đánh giá hệ số thấm dựa vào kích thước hạt: sử dụng phương trình Hazen: K = Cd210 (3.1) hoặc phương trình Massmann : log10(K) -1.57 + 1.90d10 + 0.015d60 - 0.013d90 - 2.08ffines Hệ số thấm hỗn hợp lớp trung bình điều hòa: kequiv  d d  ki i (3.3) (3.2) 17 Đánh giá thí nghiệm phòng: xác định hệ số thấm đất có thành phần hạt mịn Đối với loại đất dính (đất sét, đất thịt) sử dụng thiết bị Nam Kinh 55 Đối với loại đất cát, đất rời sử dụng thiết bị Kamenski Đánh giá thí nghiệm ngồi trời: thí nghiệm bơm nước, thí nghiệm ép (múc) nước thí nghiệm đổ nước hố đào lỗ khoan Đánh giá gradient thủy lực: với vị trí có mực NDĐ nằm tương đối nơng, gradient thủy lực tính theo cơng thức Green-Ampt: i  0, 00247 Dpond  L  hwf (3.4) L Đối với vị trí có mực NDĐ nằm sâu, gradient tính theo phương trình Massmann: i  0, 002476 Dwt  D pond K 0,1 CFsize (3,5) Với kênh thấm có chiều dài lớn nhiều chiều rộng, gradient tính gần theo phương trình sau: i 0, 004085( Dwt  Dtrend ) K 0,05 (3.6) Đánh giá tốc độ thấm dựa vào phân loại đất theo bảng tra sẵn theo định luật Darcy: f K dh  Ki dz (3.7) Tốc độ thấm xác định thí nghiệm ngồi trời cách cho nước vào bồn thấm đo thay đổi mực nước bồn thấm theo thời gian 18 3.4.2 Lựa chọn thông số Diện tích bồn thấm tính tốn dựa tốc độ thấm lượng nước bổ sung Loại đất thích hợp phải có hàm lượng sét