Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật đồng vị tự nhiên phục vụ đánh giá an toàn đập Đồng Mô

Bộ khoa học và công nghệ
Viện năng lợng nguyên tử việt nam





Báo cáo tổng kết đề tài cấp bộ

Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật đồng vị
tự nhiên phục vụ đánh giá an toàn
đập đồng mô



Chủ nhiệm đề tài: ths . bùi đức dũng

6611
24/10/2007



hà nội - 2007

Bộ khoa học và công nghệ
Viện năng lợng nguyên tử việt nam







Báo cáo tổng kết
đề tài khoa học công nghệ cấp bộ
năm 2005 - 2006







Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật đồng vị tự nhiên
phục vụ đánh giá an toàn đập Đồng Mô

(M
số
B0/05/04-01)













Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
Chủ nhiệm đề tài: ThS., NCVC Bùi Đắc Dũng








Hà Nội, tháng 9/2007


2

Danh sách
Những ngời tham gia thực hiện đề tài


STT

Họ và tên
Học hàm,
học vị,
chuyên môn
Cơ quan công tác
1 Bùi Đắc Dũng
NCVC, ThS
Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

2 Trịnh Văn Giáp
NCV, KS
Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

3 Lê Tiến Quân
NCVC, KS
Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

4 Đặng Anh Minh
CN
Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

5 Đinh Bích Liễu
CN
Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

6 Nguyễn Mạnh Hùng

KTV
Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

7 Phạm Quốc Kỷ
KTV
Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

8 Tạ Hồng Đức
KS
Cục Thuỷ lợi, Bộ Nông nghiệp và
Phát triển Nông thôn.
9 Đặng Văn Lập
KS
Công ty khai thác công trình thuỷ lợi

Phù Sa- Đồng Mô
10 Phùng Văn Lục
KS
Công ty khai thác công trình thuỷ lợi

Phù Sa- Đồng Mô



Các cơ quan, đơn vị phối hợp thực hiện đề tài

1. Cục Thuỷ lợi, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.

2. Công ty khai thác công trình thuỷ lợi Phù Sa- Đồng Mô, Sơn Tây, Hà Tây.

3
mục lục
Trang

Bảng các từ viết tắt
4

Abstract
5

Tóm tắt nội dung
6

I.
mở đầu

7

II.
Tổng quan tài liệu

10

2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới.
10

2.2. Tình hình nghiên cứu trong nớc.

12

2.3. Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đồng vị tự nhiên
13

2.4. Tổng quan về đập phụ A và hồ Đồng Mô
17

III.

phơng pháp nghiên cứu

23

3.1. Thiết kế nghiên cứu
23

3.2. Nội dung nghiên cứu
26

3.3. Phơng pháp nghiên cứu
26

3.3.1. Phơng pháp lấy mẫu và xử lý mẫu.
26

3.3.2. Phơng pháp phân tích mẫu
29

3.3.3. Phơng pháp xử lý số liệu và đánh giá kết quả

30

IV.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận

32

4.1. Kết quả quan trắc mực nớc thấm
32

4.2. Kết quả đo các thông số mẫu nớc
34

4.3. Kết quả phân tích các đồng vị bền
35

4.4. Kết quả xác định mối liên hệ của các loại nớc
39

4.4. Kết quả xác định tốc độ thấm
43

4.4. Kết quả phân tích đồng vị phóng xạ triti
44

4.5. Kết quả phân tích các thành phần hóa học
46

4.6. Kết quả phân tích các thông số môi trờng
46

V.
Kết luận và kiến nghị

48

5.1. Kết luận
48

5.2. Kiến nghị
49

Tài liệu tham khảo
50

Phần Phụ lục
51

Phụ lục 1. Kết quả phân tích các đồng vị bền.
51

Phụ lục 2. Kết quả phân tích thành phần hóa học
58

Phụ lục 3. Bảng giải trình tài chính
60

4
Bảng các từ viết tắt


Ký hiệu Giải thích

KTHN Kỹ thuật hạt nhân
ĐVTN Đồng vị tự nhiên
TVĐV Thủy văn đồng vị
IAEA Cơ quan Năng lợng Nguyên tử thế giới
MS Khối phổ kế tỉ số đồng vị
TPĐV

Thành phần đồng vị

2
()
TPĐV
2
H

2
()
TPĐV
18
O
3
H(T) Triti
TU Hàm lợng triti. Một TU tơng ứng với một nguyên tử
3

H
trong 10
18
nguyên tử hyđro.
VSMOW Mẫu tham chiếu (reference) = Vienna Standard Mean
Ocean Water
GMWL Đờng nớc khí tợng toàn cầu (Global Meteoric Water
Line).



5
Abstract
Operating and exploiting reservoirs need frequent monitoring and maintenance of
the problems affecting safety of the reservoirs’ dams. The §ång M« reservoir was
constructed in 1969. In 1984 at the sub dam A (FA) toe a seepage pond had
occurred with high charging rate, so this dam was repaired in 1991. However, the
seepage rate is still high, and in addition, there are large seepage areas that could
expand unsafe problems of the dam FA.

To help end-users generate information on the origin of the seepage water and the
seepage rate we have conducted a research project on “Research on the use of
environmental isotopes technique for safety assessment of the §ång M« reservoir”
(Code: B0/05/04-01) in the 2005-2006 period. The experiences gained in this project
are needed for recommending further use of the technique in other reservoirs. The
main works were collecting water samples, analyzing for
18
O/
16
O,

2
H(D)/
1
H ratios,
analyzing for
3
H(T) and chemical contents, then drawing conclusions about the
origin of the seepage water and the seepage rate at the dam FA of the §ång M«
reservoir.

Findings of the project showed that: a) Waters at the piezometers on the top and the
1
st
roof are not originated from lake water; b) Waters at the piezometers on 1
st
and
2
nd
levels, as well as seepage waters at the dam toe are mixed of lake and ground
waters, and the old river bed could be the channel for ground water upcoming from
beneath the dam body; c) The transit times of water from the lake to the observation
points are from 3 to 4 months, and the seepage velocity is of about 1,1x10
-3
cm/s; d)
The findings from tritium analyses show that all waters around the §ång M« area
are recent waters recharged regularly by meteoric water.

Based on the findings of the project we have recommended that the environmental
isotope technique be applied for further investigations of origin of leakage and
seepage water at other dams.

6
Tóm tắt nội dung
Vận hành và khai thác an toàn các hồ chứa nớc đòi hỏi phải có sự theo dõi và xử lý
các nguyên nhân dẫn đến mất an toàn đập. Hồ Đồng Mô đợc xây dựng vào năm
1969, đến năm 1984 sau đập phụ A xuất hiện hố sủi lu lợng lớn do đó đập này
đợc sửa chữa vào năm 1991. Tuy nhiên lu lợng sủi vẫn còn cao, ngoài ra cũng tại
đập phụ A đ xuất hiện các vùng thấm rộng có thể gây mất an toàn đập.

Để góp phần đánh giá tốc độ thấm và mối liên hệ giữa nớc hồ với nớc thấm ở các
vai đập, các mạch sủi ở sau thân đập chúng tôi đ tổ chức thực hiện đề tài khoa học
công nghệ cấp Bộ Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật đồng vị tự nhiên phục vụ đánh giá
an toàn đập Đồng Mô (M số: B0/05/04-01) trong các năm 2005-2006. Việc thực
hiện đề tài này cũng là để đa ra các kiến nghị cụ thể cho việc áp dụng kỹ thuật
đồng vị tự nhiên vào các hồ chứa nớc khác. Nội dung nghiên cứu chính của đề tài
là thu thập các mẫu nớc, phân tích các tỉ số đồng vị bền
18
O/
16
O ,
2
H(D)/
1
H, phân
tích
3
H(T) và thành phần hóa của các mẫu nớc, qua đó đánh giá mối liên hệ giữa

nớc hồ với nớc thấm ở các vai đập, các mạch sủi ở sau thân đập phụ A của hồ
Đông Mô và tốc độ thấm qua thân đập.

Từ những kết quả nghiên cứu của đề tài chúng tôi có kết luận là: a)Nớc trong các
pizometer trên mặt đập và trên mái 1 không phải là nớc từ hồ thấm ra; b) Nớc
trong các pizometer trên cơ 1 và cơ 2 cũng nh nớc thấm chảy ra dới chân đập
không phải chỉ do nớc hồ thấm trực tiếp qua thân đập mà còn do nớc áp lực từ
phía dới thân đập đi lên có nguồn gốc là nớc ngầm. Lòng suối cổ có thể là kênh
dẫn chính đa nớc ngầm lên; c) Thời gian di chuyển của nớc từ hồ đến các vị trí
quan trắc là khoảng từ 3 đến 4 tháng, và vận tốc thấm là khoảng 1,1x10
-3
cm/s; d)
Kết quả phân tích triti cho thấy tất các các mẫu nớc trong khu vực hồ Đồng Mô là
nớc hiện đại đợc bổ cập thờng xuyên.

Trên cơ sở các kết luận của đề tài chúng tôi kiến nghị cho áp dụng kỹ thuật đồng vị
tự nhiên trên các đập chứa nớc khác để nhận biết mối liên hệ của các loại nớc và
kết luận liệu nớc thấm, sủi có chảy trực tiếp từ hồ qua thân đập hay không.


7
I. mở đầu

Các hồ chứa nớc đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân.
Vận hành và khai thác an toàn các hồ này đòi hỏi phải có sự theo dõi và xử lý
các nguyên nhân dẫn đến mất an toàn đập. Các số liệu về mối liên hệ giữa
nớc hồ với nớc trong các mạch nớc thấm, các mạch sủi và nớc ngầm ở
khu vực xung quanh hồ có thể góp phần đánh giá mức độ và tốc độ thấm của
nớc hồ qua thân đập. Các phơng pháp đánh dấu đồng vị (phóng xạ và tự
nhiên) đ đợc áp dụng rộng ri ở nhiều nớc trên thế giới để đánh giá nguồn

gốc và lu lợng thấm, qua đó đánh giá đợc mức độ an toàn của các đập
chứa nớc. Hiện nay trên thế giới có hơn 60 phòng thí nghiệm chuyên dùng
các phơng pháp đánh dấu đồng vị để nghiên cứu các mối liên hệ giữa nớc
mặt (sông, hồ) với nớc ngầm, nớc thấm, sủi. Theo thống kê của Cơ quan
Năng lợng Nguyên tử thế giới (IAEA), hàng trăm đập chứa nớc đ đợc
đánh giá mức độ an toàn thông qua các ứng dụng của phơng pháp đồng vị.

Tại Việt Nam, các nhà nghiên cứu đ sử dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị
phóng xạ (
131
I) và đồng vị bền (
52
Cr) để nghiên cứu tốc độ thấm thành công tại
các đập thuỷ điện Yaly và Hoà Bình. Việc sử dụng các đồng vị tự nhiên -
ĐVTN (
18
O,
2
H(D) và
3
H (T)) nh những chất đánh dấu mới chỉ bắt đầu đợc
sử dụng tại Việt Nam để đánh giá tuổi và nguồn gốc nớc ngầm ở một số khu
vực của đồng bằng sông Hồng.

Việt nam có khoảng 3500 hồ chứa nớc, trong đó có khoảng trên 600 hồ chứa
nớc lớn với dung tích hơn 10 triệu khối nớc. Rất nhiều đập, đặc biệt là các
đập thuỷ lợi bị dò rỉ và thấm do đợc thiết kế và xây dựng đ lâu. Một trong
các hồ đó là hồ Đồng Mô. Hồ này đợc xây dựng vào năm 1969, gồm 7 đập,
dung tích thiết kế 110 triệu m
3

(cao độ 24,5 m). Năm 1984, sau đập phụ A
xuất hiện hố sủi lu lợng 20 lít/s. Đập này đợc chữa vào năm 1991. Tuy
nhiên lu lợng sủi vẫn còn 7 lít/s, và vào mùa lũ 2004 đ tăng lên là 14 lít/s

8
(với cao độ tích nớc là 19 m). Cũng tại đập phụ A đ xuất hiện vùng thấm
rộng 20 m
2
, ở cao trình 15 m, cách vai trái 20 m.

Để góp phần đánh giá tốc độ thấm và mối liên hệ giữa nớc hồ với nớc thấm
ở các vai đập, các mạch sủi ở sau thân đập chúng tôi đ tổ chức thực hiện đề
tài khoa học công nghệ cấp Bộ
Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật đồng vị tự
nhiên phục vụ đánh giá an toàn đập Đồng Mô (M số: B0/05/04-01). Việc
thực hiện đề tài này cũng là để đa ra các kiến nghị cụ thể cho việc áp dụng
kỹ thuật ĐVTN vào các hồ chứa nớc khác.

Trong quá trình thực hiện dự án RAS/8/093 (2001-2003), IAEA đ hỗ trợ một
số thiết bị máy móc, tài liệu, và cử chuyên gia hớng dẫn sử dụng kỹ thuật
đồng vị để đánh giá mức độ an toàn của các đập chứa nớc. Sau một đợt lấy
mẫu bớc đầu đa ra đợc một số kết quả về mối liên hệ giữa nớc hồ và nớc
tại các mạch sủi ở chân đập phụ A Đồng Mô. Tuy nhiên, do các mẫu nớc đều
phải gửi đi phân tích tại các phòng thí nghiệm của IAEA ở nớc ngoài nên kết
quả đạt đợc còn bị hạn chế về nhiều mặt. Hiện nay, phòng thí nghiệm Thuỷ
văn đồng vị tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đ đợc trang bị các hệ
máy hiện đại có thể đáp ứng nhu cầu phân tích các ĐVTN. Đây là điều kiện
rất quan trọng để thực hiện tốt đề tài này.

Sử dụng kỹ thuật ĐVTN có u thế hơn so với các kỹ thuật đánh dấu bằng các

đồng vị phóng xạ và đồng vị bền khác do không phải thả các chất đánh dấu
vào các lỗ khoan quan trắc (pizometer). Ngoài ra, không phải đập nào cũng có
hệ thống pizometer. Vì vậy, kỹ thuật ĐVTN có thể sử dụng rộng ri hơn trên
các đập chứa nớc, đồng thời không làm ảnh hởng đến môi trờng xung
quanh. Việc xác định đợc tốc độ thấm của nớc hồ qua đập bằng kỹ thuật
ĐVTN, cũng nh đánh giá đợc nguồn gốc nớc tại các mạch sủi là một việc
làm rất quan trọng. Các thông số này sẽ trực tiếp giúp cho Công ty Khai thác
Công trình Thuỷ lợi Phù Sa - Đồng Mô đánh giá mức độ an toàn của đập phụ

9
A và có biện pháp xử lý các mạch sủi ở thân đập, góp phần bảo vệ an toàn cho
đập.

Cũng nh đập phụ A Đồng Mô, hiện nay có rất nhiều đập thuỷ lợi do Cục
Thuỷ lợi, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn quản lý bị dò rỉ cần phải
đánh giá mức độ thấm và an toàn. Kết quả của đề tài sẽ đợc chuyển giao cho
họ nh là một công cụ trong điều tra an toàn các đập chứa nớc. Ngoài ra, kỹ
thuật ĐVTN còn có thể đợc áp dụng cho các hồ thuỷ điện lớn nh Hoà Bình,
Sơn La trong việc đánh giá mức độ an toàn của đập cũng nh đánh giá mức độ
mất nớc của hồ.

Đề tài do các cán bộ của Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân (VKHKTHN)
thực hiện với sự tham gia của Cục Thuỷ lợi, Bộ Nông nghiệp và Phát triển
Nông thôn (tạo điều kiện tham khảo tài liệu, thiết kế nghiên cứu) và Công Ty
Khai Thác Công Trình Thuỷ lợi Phù Sa- Đồng Mô (tham gia thu thập tài liệu,
thiết kế các vị trí nghiên cứu, lấy mẫu và xử lý đánh giá mức độ an toàn của
đập Đồng Mô). Đề tài đợc hực hiện trong hai năm 2005 - 2006, với nguồn
kinh phí là 250 triệu đồng do Bộ Khoa học và Công nghệ cấp từ Ngân sách Sự
nghiệp Khoa học.

Nội dung nghiên cứu chính của đề tài là thu thập các mẫu nớc, phân tích các
tỉ số đồng vị bền
18
O/
16
O ,
2
H(D)/
1
H, phân tích
3
H(T) và thành phần hóa của
các mẫu nớc, qua đó đánh giá tốc độ thấm và mối liên hệ giữa nớc hồ với
nớc thấm ở các vai đập, các mạch sủi ở sau thân đập phụ A của hồ Đông Mô.

Báo cáo tổng kết đề tài gồm 5 Chơng và 3 Phụ lục. Các phần chính của báo
cáo bao gồm các chơng: I - Mở đầu, II - Tổng quan tài liệu, III - Phơng pháp
nghiên cứu, IV - Kết quả và Thảo luận, và V - Kết luận và Kiến nghị.


10
II. Tổng quan tài liệu

2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới.

Các hồ chứa nớc đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân nh
cung cấp nớc ngọt, tới, chống lũ và sản xuất điện. Vận hành và khai thác an
toàn các hồ này đòi hỏi phải có sự theo dõi và xử lý các nguyên nhân dẫn đến
mất an toàn đập (Floegl, 1999). Hàng năm, một phần kinh phí không nhỏ
đợc chi ra để giải quyết ba vấn đề sau:

1. Nớc từ hồ thấm dới và xung quanh đập
2. Nớc từ hồ thấm qua đập
3. Bồi lắng lòng hồ làm giảm khả năng tích nớc
Các nghiên cứu cho thấy trung bình hàng năm ngời ta phải chi nhiều triệu
USD để giải quyết vấn đề thấm qua đập chứa.

Vai trò của các kỹ thuật tiên tiến, trong đó có kỹ thuật hạt nhân (KTHN) trong
quản lý đập là đa ra các thông tin bổ ích giúp các nhà quản lý đập và hồ chứa
trong định hớng bảo vệ an toàn đập một cách tối u. Tuy nhiên, một trong
những nguyên nhân hạn chế của ứng dụng KTHN trong quản lý và khai thác
các hồ chứa là việc thiếu thông tin và hiểu biết về KTHN và khả năng của
chúng. Ước tính chỉ có 5% các nhà quản lý đập biết đến KTHN (Floegl,
1999). Tơng tự nh vậy, các nhà nghiên cứu về KTHN cũng không hiểu rõ
các vấn đề mà kỹ s thủy lợi quan tâm.

Kỹ thuật đồng vị (phóng xạ và đồng vị bền) có thể giúp ích rất nhiều. Các số
liệu về mối liên hệ giữa nớc hồ với nớc trong các mạch nớc thấm, các
mạch sủi và nớc ngầm ở khu vực xung quanh hồ có thể góp phần đánh giá
mức độ và tốc độ thấm của nớc hồ qua thân đập (Zuber, 1983). Các phơng
pháp đánh dấu đồng vị (phóng xạ và tự nhiên) đ đợc áp dụng rộng ri ở
nhiều nớc trên thế giới để đánh giá nguồn gốc và lu lợng thấm, qua đó

11
đánh giá đợc mức độ an toàn của các đập chứa nớc (Maloszewski và nnk,
1992; Kendall và McDonnell (Eds.), 1998, v.v.).

Các phơng pháp thủy văn đồng vị (TVĐV) có thể trợ giúp trong việc lựa
chọn và khảo sát địa điểm, nghiên cứu lu vực, thiết kế hồ chứa và đập, xây
dựng đập, nghiên cứu thấm và bồi lắng lòng hồ. Tổng hợp ứng dụng TVĐV
đợc đa ra trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Thủy văn đồng vị trong quản lý an toàn đập (Floegl, 1999).

Giai đoạn
Các ứng dụng Kỹ thuật
sử dụng
Khảo sát
thiết kế
Xây dựng

Vận hành

1. Thông tin ban đầu về địa chất
thủy văn
EI, Ch C,v C,v
2. Nguồn gốc nớc trong các sông
và nớc ngầm dới đập
EI, Ch C,v C,v
3. Kiểm soát địa chấn. Rn C,l C,l C,l
4. Kiểm soát thấm EI, AT C,v
5. Nguồn gốc thấm (từ hồ hay
không)
EI P,v P,v
6. Xác định đầu vào nguồn thấm AT, RI C,v C,v
7. Đánh dấu nguồn đầu vào RI P,v P,v
8. Đờng thấm trong thân đập AT, RI C,v C,v
9. Chế độ nớc ngầm xung quanh
hồ
EI, AT, RI

C,v C,v
10. Xác định mật độ vùng khoan
phụt sửa chữa đập
NP P,l P,l
11. Xác định tốc độ bồi lắng Cs, Pb P,v
12. Xác định mật độ sa bồi NP C,v C,v
13. Kiểm soát mật độ NP P,l
14. Xác định dòng sa bồi NP P,l
15. Nghiên cứu xói mòn, bồi lắng
lu vực lòng hồ
Cs, Pb,
INAA
P,l

P,l P,l

Chú giải:
Kỹ thuật :
EI = Đồng vị tự nhiên (
18
O,
2
H (Deteri),
3
H (Triti),
13
C)
AT = Các chất đánh dấu
Ch = Hóa học
Rn = Radon-222 thoát ra từ đất đá

RI = Đồng vị phóng xạ
Cs = Xezi-137 (rơi lắng)
Pb = Chì-210 (tự nhiên, không liên kết)

12
NP = Đầu dò hạt nhân
INNA = Instrumental Neutron Activation Analysis (phân tích kích hoạt
nơtron) và các kỹ thuật phân tích khác
So sánh vai tròquan trọng:
P = Chính
C = Phụ
Độ tin cậy:
v = Đ đợc kiểm chứng
l = Có thể

Hiện nay trên thế giới có hơn 60 phòng thí nghiệm chuyên dùng các phơng
pháp đánh dấu đồng vị để nghiên cứu các mối liên hệ giữa nớc mặt (sông,
hồ) với nớc ngầm, nớc thấm, sủi (Trang web của IAEA). Theo thống kê của
IAEA, hàng trăm đập chứa nớc đ đợc đánh giá mức độ an toàn thông qua
các ứng dụng của phơng pháp đồng vị.

2.2. Tình hình nghiên cứu trong nớc.

Việt nam có khoảng 3500 hồ chứa nớc, trong đó có khoảng trên 600 hồ chứa
nớc lớn với dung tích hơn 10 triệu khối nớc. Rất nhiều đập, đặc biệt là các
đập thuỷ lợi bị dò rỉ và thấm do đợc thiết kế và xây dựng đ lâu.

Lê Văn Khôi và nnk, Trung tâm Kỹ thuật Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh
đ sử dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị phóng xạ (
131

I) để nghiên cứu tốc độ
thấm thành công tại các đập thuỷ điện Yaly (1992) và Hoà Bình (1994). Năm
1996, PGS.TS Hoàng Đắc Lực đ sử dụng thành công phơng pháp đánh dấu
bằng đồng vị bền (
52
Cr) để nghiên cứu tốc độ thấm tại đập Hoà Bình. Cả hai
phơng pháp (đánh dấu đồng vị phóng xạ và đồng vị bền) đều đợc thực hiện
bằng cách thả các chất đánh dấu và quan trắc tại các pizometer đợc thiết kế
trên các thân đập. Các kết quả đánh giá tốc độ thấm đợc so sánh với số liệu
thiết kế qua đó đánh giá đợc mức độ an toàn của đập.

Việc sử dụng các ĐVTN (các tỉ số đồng vị
18
O/
16
O ,
2
H(D)/
1
H và
3
H (T)) nh
những chất đánh dấu mới chỉ bắt đầu đợc sử dụng tại Việt Nam để đánh giá

13
tuổi và nguồn gốc nớc ngầm ở một số khu vực của đồng bằng sông Hồng (đề
tài cấp bộ của PGS.TS Hoàng Đắc Lực: 2000-2001; các đề tài cấp Bộ của
Trịnh Văn Giáp, 2004 và 2006). Các ứng dụng trên đập còn cha đợc triển
khai do khó khăn về phân tích mẫu, các mẫu nớc thu thập đợc đều phải gửi
đi phân tích tại các phòng thí nghiệm của IAEA ở nớc ngoài.

Trong quá trình thực hiện dự án RAS/8/093 (2001-2003), IAEA đ hỗ trợ một
số thiết bị máy móc, tài liệu, và cử chuyên gia hớng dẫn sử dụng kỹ thuật
đồng vị để đánh giá mức độ an toàn của các đập chứa nớc. Sau một đợt lấy
mẫu bớc đầu đa ra đợc một số kết quả về mối liên hệ giữa nớc hồ và nớc
tại các mạch sủi ở chân đập phụ A Đồng Mô. Tuy nhiên, do các mẫu nớc đều
phải gửi đi phân tích tại các phòng thí nghiệm của IAEA ở nớc ngoài nên kết
quả đạt đợc còn bị hạn chế về nhiều mặt. Hiện nay, phòng thí nghiệm Thuỷ
văn đồng vị tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đ đợc trang bị các hệ
máy hiện đại có thể đáp ứng nhu cầu phân tích các ĐVTN. Đây là điều kiện
rất quan trọng để thực hiện tốt đề tài này.

2.3. Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đồng vị tự nhiên

Các đồng vị bền

Các đồng vị bền có nhiều nhất trong tự nhiên là H, C, N, O và S. Các đồng vị
bền chính đợc ứng dụng trong nghiên cứu địa chất thủy văn đợc đa ra
trong Bảng 2.2.

Các đồng vị bền tự nhiên đợc đo bằng tỉ số của hai đồng vị có nhiều nhất. Ví
dụ, đối với ôxy, là tỉ số của
18
O (chiếm 0,204%) với
16
O (chiếm 99.796%).
Nh vậy tỉ số
18
O/
16

O là khoảng 0.00204.




14
Bảng 2.2.
Các đồng vị bền trong nghiên cứu địa chất thủy văn (Zuber, 1983)
Đồng
vị
Tỉ số Thành phần
trong tự nhiên
(%)
Mẫu chuẩn
(tỉ số)
Các pha đo
2
H
2
H/
1
H 0.015 VSMOW
(1.5575 x 10
4
)
H
2
O, CH
2
O, CH

4
, H
2
,
OH

khoáng
3
He
3
He/
4
He 0.000138 He không khí
(1.3 x 10
6
)
He trong nớc hoặc khí
6
Li
6
Li/
7
Li 7.5 L-SVEC
(8.32 x 10
2
)
Nớc biển, đất đá
11
B
11

B/
10
B 80.1 NBS 951
(4.04362)
Nớc biển, đất sét, borat,
đất đá
13
C
13
C/
12
C 1.11 VPDB
(1.1237 x 10
2
)
CO
2
, carbonat, DIC, CH
4
,
hữu cơ
15
N
15
N/
14
N 0.366 N
2
không khí
(3.677x10

3
)
N
2
, NH
4
+
, NO
3

, N-hữu cơ

18
O
18
O/
16
O 0.204 VSMOW
(2.0052 x 10
3
)
VPDB
(2.0672 x 10
3
)
H
2
O, CH
2
O, CO

2
,
sulphat,

NO
3

, carbonat,
silicat, OH

khoáng
34
S
34
S/
32
S 4.21 CDT
(4.5005 x 10
2
)
Sulphat, sulphid, H
2
S, S-
hữu cơ
37
Cl
37
Cl/
35
Cl 24.23 SMOC

(0.324)
Nớc biển, đất đá,
evaporit, chất tan
81
Br
81
Br/
79
Br 49.31 SMOB Dung dịch dạng nớc
biển
87
Sr
87
Sr/
86
Sr
87
Sr = 7.0
86
Sr = 9.86
Đo tỉ số tuyệt đối Nớc,

carbonat, sulphat,
feldspar


Việc đo các tỉ số tuyệt đối là không dễ dàng. Ngoài ra, phần lớn chúng ta chỉ
quan tâm tới các thay đổi của tỉ số đồng vị chứ không mấy quan tâm tới thành
phần tuyệt đối của chúng. Vì vậy đ có một cách tiếp cận khác thuận lợi hơn.
Thay bằng đo tỉ số thực ta có thể đo tỉ số giả định bằng cách đo đồng thời mẫu

cần đo và mẫu tham chiếu. Thành phần đồng vị (TPĐV) đợc thể hiện là delta
(

) qua công thức sau:


Trong đó:
sample
là mẫu cần đo và
reference
là mẫu chuẩn


15
Để cho tiện phân giải kết quả ngời ta cho giá trị đơn vị phần nghìn ()
theo công thức sau:
VSMOW

Trong đó VSMOW là tên của mẫu tham chiếu, trong trờng hợp này là
Vienna Standard Mean Ocean Water. Giá trị là dơng, ví dụ +10, cho
thấy mẫu đo có 10 phần nghìn hoặc 1%
18
O nhiều hơn so với mẫu chuẩn, hoặc
giầu hơn 10. Tơng tự, mẫu đo nghèo hơn một lợng tơng ứng sẽ đợc thể
hiện nh

18
O
mẫu
= 10 VSMOW.

Đồng vị phóng xạ
Hai đồng vị phóng xạ đợc sử dụng rộng ri trong địa chất thủy văn là triti và
C-14 (
3
H

và
14
C). Chúng đợc đa ra trong Bảng 2.3. Các đồng vị này đợc
ứng dụng nhiều vì khi chúng phân r ta có thể xác định tuổi nớc ngầm.

Bảng 2.3.
Các đồng vị phóng xạ trong nghiên cứu địa chất thủy văn (Zuber, 1983)
Đồng vị Thời gian bán rã
(năm)
Kiểu phân rã

Nguồn gốc
chính
Pha đo
3
H 12.43



Vũ trụ, thử vũ
khí hạt nhân
H
2

O, CH
2
O
14
C 5730



Vũ trụ, thử vũ
khí hạt nhân, lò
phản ứng
DIC, DOC, CO
2

CaCO
3
, CH
2
O

Triti,
3
H, là đồng vị sống ngắn ngày của hyđro với thời gian bán r là 12,43
năm. Triti đợc tạo ra do việc thử bom hyđro và một phần đợc tạo ra từ khí
quyển do tia vũ trụ bắn phá
14
N. Cả hai nguồn triti đợc rơi lắng qua nớc
ma. Triti có trong nớc ngầm chứng tỏ có sự bổ cập nớc ngầm liên tục. Vì
là một phần của nớc nên triti là phơng pháp xác định tuổi nớc ngầm tiện
dụng nhất.

16
Hàm lợng triti đợc xác định tuyệt đối qua đơn vị triti (TU) vì vậy không cần
phải có mẫu chuẩn tham chiếu. Một TU tơng ứng với một nguyên tử
3
H trong
10
18
nguyên tử hyđro. Một lít nớc sẽ có hoạt độ phóng xạ tơng đơng với
0,12 Bq. Nớc ngầm hiện nay ít khi có trên 50 TU và ở trong khoảng từ <1
đến 10 TU.

Cân bằng đồng vị trong nớc hồ
Trong quá trình bốc hơi từ mặt hồ hơi nớc bốc lên bị thiếu đi các thành phần
ion nặng DHO và H
2
18
O vì chúng có áp suất hơi nhỏ hơn so với các phân tử
nhẹ chiếm phần nhiều là
1
H
2
16
O. Quá trình bốc hơi là một quá trình tơng đối
phức tạp. Craig và Gordon (1965) đ đa ra mô hình đợc phần lớn các nhà
nghiên cứu chấp nhận trong đó quá trình bốc hơi dợc chia làm 4 giai đoạn:

1) Hơi nớc trong trạng thái cân bằng với pha lỏng đầu tiên đợc giải phóng
khỏi mặt nớc. Một lớp khí-lỏng gần nh bo hòa đợc tạo ra. Hơi nớc đợc

tạo ra bị thiếu TPĐV nặng theo một hệ số phân chia
e
trong điều kiện cân
bằng. Chúng ta có:
R
i
trong pha lỏng
=
R
i
trong pha khí

Trong đó R là tỉ lệ giữa số phân tử chứa đồng vị nặng trên số phân tử
nhẹ và chỉ số i là của phân tử nặng tơng ứng.

2) Hơi nớc thoát khỏi lớp khí-lỏng phía dới vào lớp trên của không khí bằng
cách di chuyển lên trên theo luật khuếch tán. Trong quá trình di chuyển lên
cao các phân tử nớc tiếp tục bị nghèo các thành phần nặng vì hệ số khuếch
tán của các thành phần nặng (D
i
) nhỏ hơn hệ số khuếch tán của các thành
phần nhẹ (D
l
). Ngời ta đ ớc lợng đợc lợng đồng vị bị nghèo đi từ quá
trình này gần bằng (D
i
/D
l
)
1/2

.

Quá trình phân tách này đợc gọi là phân tách động lực và có thể đợc thể
hiện bằng phơng trình sau:

17
=
k
(1-h);
trong đó
k
= (D
i
/D
l
)
1/2
-1;
h là độ ẩm tơng đối của lớp không khí trao đổi.

3) Hơi nớc di chuyền vào lớp không khí nơi có các dòng đối lu mạnh và
trộn lẫn với hơi nớc tạo ra tại các vùng khác. Tại đây sẽ không có phân tách
đồng vị.

4) Một phần hơi nớc của lớp không khí có các dòng đối lu mạnh tơng tác
với các phân tử tại lớp khuếch tán và ngng tụ lại trên mặt nớc. Quá trình này
là quá trình trao đổi giữa nớc bề mặt và không khí.


Nh vậy, khi nớc mặt bị bốc hơi sẽ có thay đổi về tỉ lệ đồng vị. Điều đó cho

phép ta phân biệt nớc ngầm đợc bổ cập bình thờng với nớc đ bị bốc hơi.
Kỹ thuật đơn giản này lại đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu thấm qua
đập. Các hố sủi và vùng thấm sau thân đập luôn làm các nhà quản lý lo ngại.
Câu hỏi đợc đặt ra là nguồn gốc nớc thấm từ đâu, liệu nớc thấm có phải từ
hồ chứa hay đơn giản đó chỉ là hoạt động bình thờng của hệ thống địa chất
thủy văn. Xác nhận ban đầu đó có thể tiết kiệm rất nhiều tiền của và công sức
trong việc tìm ra vùng xung yếu trên thân đập.

Trong nhiều trờng hợp, các giếng phun (sủi) sau thân đập không phải là nớc
thấm trực tiếp qua thân đập mà do áp lực thủy áp đẩy nớc ngầm từ phía dới
lên trên qua lớp trầm tích. Các ĐVTN (đồng vị bền và phóng xạ) có thể giúp
xác định điều này.


2.4. Tổng quan về đập phụ A và hồ

Đồng Mô
(Các tổng quan về hồ Đồng Mô sau đây đợc trích từ các báo cáo của Bộ Thủy Lợi).
Hồ Đồng Mô là một công trình thuỷ lợi loại vừa xây dựng năm 1968 và đợc
đa vào sử dụng năm 1972. Hồ gồm 7 đập, dung tích 110 triệu m
3
(cao độ tích
nớc 24,5 m). Năm 1984, sau đập phụ A xuất hiện hố sủi lu lợng 20 lít/s.
Đập này đợc chữa vào năm 1991. Tuy nhiên lu lợng sủi vẫn còn 7 lít/s, và

18
vào mùa lũ 2004 đ tăng lên là 14 lít/s (với cao độ tích nớc là 19 m). Cũng tại
đập phụ A đ xuất hiện vùng thấm rộng 20 m
2
, ở cao trình 15 m, cách vai trái

20 m.
2.4.1 Điều kiện địa chất công trình vùng hồ
Toàn bộ khu vực hồ nằm về phía rìa Bắc - Tây Bắc của đồng bằng châu thổ
Bắc Bộ, là nơi tiếp giáp của hai miền địa mạo đồng bằng và trung du. Đất đá ở
đây chủ yếu là đất đá Đệ Tứ nằm phủ lên các thành tạo cổ hơn. Trong khu vực
phổ biến nhiều loại đá ong mà sự có mặt của nó cũng ảnh hởng rất nhiều tới
việc đánh giá điều kiện địa chất và địa chất công trình của hồ cũng nh của
tuyến đập.

Phần đuôi hồ có dải Ba Vì chắn ngang, với đất đá không thấm nớc hoặc thấm
nớc yếu nên không xảy ra hiện tợng mất nớc đợc. Trong phạm vi từ đuôi
hồ về đến hố khoan NS43 (cuối cùng của tuyến phụ đập Kim Đái) cũng có cao
trình đỉnh phân thuỷ cao thờng trên +35 m. Nớc mạch xuất lộ cao ngay tại
lỗ khoan NS43 ở +24 m, còn các điểm lộ khác đều trên +25 m. Do đó trong
phạm vi này cũng khó xảy ra điều kiện mất nớc. Nhìn chung, tuy trong lòng
hồ có phân bố lớp laterit nhng ở cao hoặc bị lớp phủ không thấm nớc nằm
trên, hoặc các điểm đổ nớc vào lòng hồ có cao trình lớn hơn +25 m nên
không xảy ra điều kiện mất nớc.

Đồi núi vùng này đều thoải, thấp từ thợng lu trở xuống cao độ không chênh
lệch nhau nhiều cho nên hiện tợng sạt lở chỉ là cục bộ, bồi lắng không đáng
kể. Vùng hồ ruộng nơng không nhiều, khoáng sản cha có những phát hiện
về trữ lợng đáng kể. Ngập cụ thể ở khu vực Ngải Sơn và một số ruộng
khoảng 60 ha, ngập 3 km đờng giao thông Kim Đái xóm Ban.

2.4.2. Điều kiện địa chất công trình vùng tuyến

Khu vực tuyến phụ A nói riêng và toàn bộ vùng hồ nói chung nằm trong vùng
có địa hình phân cắt là nơi tiếp giáp giữa hai miền địa hình trung du và miền

19
núi. Vì thế, các lớp đất đá có nhiều thay đổi và khá phức tạp. Bên cạnh các lớp
trầm tích Đệ Tứ, còn tồn tại một lợng nhỏ các lớp trầm tích trớc Đệ Tứ
(Hình 2.1).

Hình 2.1. Mặt cắt địa chất tuyến đập phụ A

Tuyến đập phụ A gồm có các lớp sau:
- Lớp 2b: Đất thịt nặng - sét nhẹ chứa nhiều bùn hữu cơ xám đen, trạng
thái dẻo chảy - chảy, có bề dày thay đổi, ở thợng lu dày 1 - 2m còn ở hạ lu
và tim đập dày tới 4m, nơi mỏng nhất dày 0,4m.
- Lớp 4: Bùn hữu cơ xám đen, trạng thái dẻo chảy, có bề dày thay đổi, ở
thợng lu dày 2,5m còn ở hạ lu và tim đập dày tới 4m, nơi mỏng nhất dày
1,2m.

20
- Lớp 9: Đất sét trung màu vàng xẫm, hơi ẩm, trạng thái dẻo cứng, phân
bố chủ yếu ở hai vai đập. Bề dày khoảng 2m.
- Lớp 10: Sạn sỏi laterit lẫn sét màu vàng xẫm đến nâu đỏ, phân bố chủ
yếu ở hai vai đập. Bề dày trung bình khoảng 2m, có chỗ dày tới 2,5m, ở mặt
cắt thợng lu và tim đập dày 1,5m.
- Lớp 11a: Đất thịt trung, thịt nặng, màu vàng xẫm, phân bố chủ yếu ở
nền đập. Bề dày khoảng 8m.
- Lớp 11b: Đất sét nhẹ, trung màu vàng trắng. Chỉ phân bố ở mặt cắt tim,
bề dày thay đổi khá lớn từ 2m tới 20m.

2.4.3. Thiết kế và xây dựng đập

Đập phụ A đợc đắp đều bằng đất, chắn ngang một nhánh suối nhỏ từ lu vực
chảy ra suối Ngải Sơn ở phía hạ lu đập. Tại vị trí này đập dài gần 100 m gối

trên hai mỏm đồi cao, lòng suối ở cao độ 9.00 m. Địa chất nền xấu gồm: lớp
bùn hữu cơ dày 4 m (phủ kín cả lòng suối), dới là lớp đất thịt dẻo cứng dày
5m rồi mới đến đá gốc. Hai bên sờn đồi có lớp sạn sỏi có hệ số thấm lớn.
Đập đợc đắp đất sau khi đ bóc bỏ lớp bùn hữu cơ đi.

Đập phụ A đợc bắt đầu thi công từ tháng 12/1971 và hoàn thành phần đất
đắp vào tháng 5/1972:
+ Cao trình đỉnh đập: 26 m
+ Chiều dài đập: 132,5 m
+ Chiều rộng đáy lớn nhất: 115,5 m
+ Chiều rộng đỉnh đập :4m
+ Chiều cao nơi đắp cao nhất : 20,7 m
Dựa vào một số chỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liệu đắp đập đ xác định
đợc:
Hệ số thấm qua đất thân đập: K
0
= 2x10
-5
cm/s
Hệ số thấm của đất nền đập: K

= 1x10
-3
cm/s


21
2.3.4. Hiện trạng đập phụ A
Năm 1984, sau 12 năm đa vào sử dụng, ban quản lý công trình thuộc xí
nghiệp Đồng Mô - Ngải Sơn phát hiện thấy có hiện tợng rò rỉ nớc ở hầu hết

phần chắn đập hạ lu của đập phụ A. Để đảm bảo an toàn cho đập, xí nghiệp
thuỷ nông Đồng Mô - Ngải Sơn đ ký hợp đồng với Viện khảo sát và thiết kế
thuỷ lợi (nay là công ty t vấn xây dựng thuỷ lợi I) khảo sát thiết kế và thi
công xử lý chống thấm cho đập bằng phơng pháp khoan phụt dung dịch sét -
xi măng. Viện khảo sát và thiết kế thuỷ lợi đ khoan khảo sát, lấy mẫu và thí
nghiệm các mẫu đất nguyên dạng, điều tra hiện trạng của đập.

ở
hạ lu đập phụ A, hiện tợng rò rỉ xảy ra chủ yếu là ở chân đập, đặc biệt là
bên vai phải thân đập thay đổi theo mực nớc trong hồ. Khi mực nớc trong
hồ là 17,5 m thì mực nớc rò rỉ xuất hiện ở cao trình là +12 m đến +12,5m.
Nếu nớc hồ ở +14.5 m thì rò rỉ ở +10,5 m. Hai vai đập phụ A đợc khoan
phụt xi măng và sét nhng hiệu quả có mức độ. Quan sát ngày 28/5/1990 ở
vùng biên vai phải đập ở cao trình +13 m đến +14 m thấy mái đập bị sũng
nớc và hơi lép mái. Bên phía vai trái đập cũng nh trên toàn bộ mặt mái đập
hạ lu, khi mực nớc ở cao trình +19,00 cũng không quan sát thấy hiện tợng
nớc rò rỉ ra.

Kết quả đo vẽ tháng 4 năm 1991 cho thấy, mặt cắt đập đắp lớn hơn mặt cắt
thiết kế. Bùn hữu cơ ở nền đập này không đợc bóc kỹ. Ngoài ra đồi hai vai
đập khá dốc, nớc ma chảy dồn vào cuối mái đập, vùng biên cần đợc cách
ly.
2.3.5. Nguyên nhân rò rỉ

Thân đập không đồng nhất về thành phần độ hạt và độ chặt với đất laterit
nguồn gốc tàn tích dễ tạo nên hang ổ, hang hốc dẫn đến lún cục bộ và khe nứt
ngày càng mở rộng, các liên thông không theo một quy luật nhất định, và bài
toán thấm phẳng để kiểm tra đờng bo hoà trong đập cũng chỉ là gần đúng.

22

Đập đất không đạt đồng chất có nguyên nhân do thi công đ dùng chủ yếu là
máy cạp xích 6 8m
3
và ủi nên đ không thể đạt yêu cầu trộn đất.

Đối với nền đập, khi thi công đ không bóc bỏ hết lớp đất hữu cơ ở nền đập.
Lớp đất hữu cơ ở lòng suối có thể còn lại tới 3 - 4m (hố khoan KSA2).
ở
đập
phụ A không có hiện tợng rò rỉ qua thân đập mà ở đây nớc chủ yếu thấm
qua phần tiếp giáp giữa đất đắp đập và đất nền đập. Đất nền đập chủ yếu là lớp
10 - đất sét lẫn sạn sỏi laterit, tàn tích của đá gốc cát, bột, sét kết có tính thấm
lớn K =1x10
-3
cm/s. Và chính vì cha đợc xử lý mà phần tiếp giáp này trở
thành nơi xung yếu gây ra rò rỉ nớc.

2.3.6. Về giải pháp kỹ thuật đ thực hiện
Giải pháp kỹ thuật cụ thể cho đập phụ A: Phạm vi gia cố mái đập hạ lu chủ
yếu là từ cao trình +15 m trở xuống. Biện pháp là bóc bỏ lớp thảo mộc (bóc bỏ
hoàn toàn lớp 2b và lớp 4), đặt các lớp cát sỏi, và sỏi cuội, đá hộc làm kết cấu
lọc trên mái nghiêng. Độ dày các lớp lần lợt từ dới lên trên là 25cm. Trọng
tâm là mái và chân đập phía phải, hai bên mé đồi ở hai vai đập để tránh nớc
núi chảy xô vào mép đập khi có ma vào cần xây hai rnh tiêu nớc phân cách
nớc ma ra ngoài vùng đập, các rnh này xây đá có kích thớc 20x20cm.
Đồng thời ở hai vai đập làm chân khay qua lớp 10, cắm vào lớp 11a, 11b, và
lớp 9.

23
III. phơng pháp nghiên cứu

Đề tài đợc thực hiện tại hồ Đồng Mô, thuộc x Sơn Đông, Thị X Sơn Tây,
tỉnh Hà Tây (Hình 3.1)



Hình 3.1.
Vị trí địa lý hồ Đồng Mô

3.1. Thiết kế nghiên cứu

Đề tài đợc thiết kế để lấy hai loại mẫu nớc nghiên cứu nh sau :
1) Các mẫu khảo sát (KS) nguồn gốc và loại nớc để đánh giá mối liên hệ
giữa nớc hồ với nớc trong các mạch thấm, sủi và nớc ngầm ở khu vực xung
quanh đập phụ A. Các mẫu này đợc lấy trong hai mùa: mùa ma khi hồ đầy
nớc và mùa khô khi hồ cạn nớc (15 mẫu x 2 lần = 30 mẫu). Sơ đồ vị trí các
điểm lấy mẫu khảo sát đợc đa ra tại Hình 3.2. Trên hình này, các điểm
khảo sát trên hồ trong mùa tích nớc đầy (10/2005) đợc thể hiện bằng các
chữ số KS1, KS2, v.v., các điểm khảo sát trên hồ trong mùa khô có mực nớc
cạn (05/2006) đợc thể hiện bằng các chữ số KS21, KS22, v.v. Hình 3.3 thể
hiện chi tiết các điểm khảo sát quanh đập phụ A.
Vị trí nghiên cứu

24

Hình 3.2. Sơ đồ vị trí các điểm lấy mẫu khảo sát trên hồ Đồng Mô.



Hình 3.3. Sơ đồ vị trí các điểm khảo sát quanh đập phụ A

Khu vực đập phụ A