Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngầm khu vực ven biển tỉnh hà tĩnh và đề xuất các giải pháp bảo vệ sử dụng hợp lý

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN ĐỨC NÚI

NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM
KHU VỰC VEN BIỂN TỈNH HÀ TĨNH
VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ SỬ DỤNG HỢP LÝ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN ĐỨC NÚI

NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM
KHU VỰC VEN BIỂN TỈNH HÀ TĨNH
VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ SỬ DỤNG HỢP LÝ
Chuyên ngành: Quản lý Tài nguyên và Môi trường
Mã số: 60850101
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. PHAN VĂN TRƯỜNG

Hà Nội – Năm 2014

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp cao học, bản thân tôi
đã được sự quan tâm giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong Khoa Địa lý, Ban
giám hiệu trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội và Viện Khoa học vật
liệu.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS Phan Văn Trường người đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt và chỉ bảo những kiến thức về chuyên môn thiết
thực và những chỉ dẫn khoa học quý báu.
Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và bạn bè đồng nghiệp, cơ quan cơng tácvà
gia đình đã động viên, giúp đỡ nhiệttình về mặt thời gian, tinh thần và những kinh
nghiệm chuyên môn đề tơi hồn thành luận văn này.
Hà Nội, ngàytháng năm 2014
Học viên

Nguyễn Đức Núi


MỤC LỤC
Lời cảm ơn…................................................................................................................ i
Danh mục bảng…........................................................................................................ ii
Danh mục hình…........................................................................................................ iii
Danh mục từ viết tắt…................................................................................................ iv
MỞ ĐẦU..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................ 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................................ 1
4. Nội dung nghiên cứu................................................................................................ 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................. 2
6. Cơ sở tài liệu và cấu trúc luận văn........................................................................... 2
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM3

1.1. Các khái niệm....................................................................................................... 3
1.2. Cơ chế xâm nhập mặn nước dưới đất.................................................................... 5
1.2.1. Các quá trình dịch chuyển chất hịa tan..................................................... 5
1.2.2. Q trình phân tán cơ học.......................................................................... 7
1.2.3. Quá trình phân tán thuỷ động lực.............................................................. 8
1.2.4. Quá trình hấp phụ.................................................................................... 10
1.2.5. Quá trình phân rã..................................................................................... 10
1.2.6. Ranh giới mặn - nhạt nước dưới đất vùng ven biển.................................11
1.3. Cơ sở lý thuyết và mơ hình tốn học về dịng ngầm........................................... 12
1.4. Mơ hình nhiễm mặn trong nước ngầm................................................................ 19
1.4.1. Cơ sở lý thuyết về dịch chuyển vật chất hòa tan...................................... 19
1.4.2. Mơ hình dịch chuyển vật chất.................................................................. 24
1.5. Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn.................................................................. 26
1.5.1. Ngồi nước.............................................................................................. 26
1.5.2. Tại Việt Nam........................................................................................... 29
1.6. Lịch sử nghiên cứu ĐC, ĐCTV và xâm nhập mặn vùng nghiên cứu..................31
1.7. Quy trình nghiên cứu.......................................................................................... 33
1.8. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 34
CHƯƠNG 2:ĐIỀU KIỆN HÌNH THÀNH XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM KHU
VỰC VEN BIỂN HÀ TĨNH......................................................................................36
2.1. Các nhân tố hình thành xâm nhập mặn nước ngầm vùng ven biển Hà Tĩnh.......36
2.1.1. Vị trí địa lý.............................................................................................. 36
2.1.2. Đặc điểm địa chất.................................................................................... 39


2.1.3. Đặc điểm địa chất thuỷ văn..................................................................... 45
2.1.4. Đặc điểm địa hình và quá trình địa mạo.................................................. 49
2.1.5. Đặc điểm khí hậu..................................................................................... 49
2.1.6. Chế độ thuỷ văn- hải văn......................................................................... 54
2.1.7. Đặc điểm thổ nhưỡng.............................................................................. 55

2.1.8. Thảm thực vật.......................................................................................... 56
2.2. Các yếu tố nhân tạo ảnh hưởng tới quá trình xâm nhập mặn nước ngầm khu vực
nghiên cứu.......................................................................................................... 57
2.2.1. Hoạt động dân sinh.................................................................................. 57
Những ảnh hưởng của các hoạt động nhân sinh đến các nguồn nước vùng ven
biển Hà Tĩnh được tổng hợp như trong Bảng 2.9.......................................................57
2.2.2. Hoạt động nông – lâm nghiệp.................................................................. 59
2.2.3. Nuôi trồng hải sản................................................................................... 60
2.2.4. Hoạt động công nghiệp............................................................................ 61
CHƯƠNG 3:ĐẶC ĐIỂM XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM VÀ CÁC GIẢI PHÁP
BẢO VỆ, SỬ DỤNG HỢP LÝ..................................................................................63
3.1. Thành lập và chỉnh lý mơ hình nhiễm mặn nước ngầm vùng ven biển Hà Tĩnh .
63 3.1.1 Sơ đồ hoá các điều kiện của mơ hình..................................................63
3.1.2. Xây dựng và cập nhật dữ liệu đầu vào trên mơ hình...............................64
3.2. Kết quả chỉnh lý mơ hình.................................................................................. 76
3.2.1. Chỉnh lý bài tốn ổn định........................................................................ 76
3.2.2. Chỉnh lý bài tốn khơng ổn định............................................................. 77
3.3. Hiện trạng xâm nhập mặn nước ngầm vùng ven biển Hà Tĩnh.........................78
3.4. Kết quả dự báo xâm nhập mặn nước ngầm theo thời gian................................. 83
3.5. Đề xuất các giải pháp bảo vệ, sử dụng hợp lý tài nguyên nước ngầm vùng ven
biển Hà Tĩnh...................................................................................................... 89
3.5.1. Các giải pháp hạn chế, khắc phục quá trình xâm nhập mặn....................89
3.5.2. Một số giải pháp khai thác sử dụng nước và bảo vệ môi trường.............92
KẾT LUẬN............................................................................................................. 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 101
PHỤ LỤC................................................................................................................ 107


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Phân loại nước dưới đất theo độ tổng khống hóa.......................................5

Bảng 2.1: Thành phần độ hạt của đất đá và mức độ chứa nước.................................40
Bảng 2.2: Trữ lượng tĩnh nước dưới đất khu vực nghiên cứu....................................46
Bảng 2.3: Trữ lượng động nước dưới đất khu vực nghiên cứu...................................46
Bảng 2.4: Lượng mưa tháng, năm trung bình nhiều năm...........................................50
Bảng 2.5: Nhiệt độ khơng khí trung bình nhiều năm.................................................52
Bảng 2.6: Số giờ nắng trung bình nhiều năm.............................................................52
Bảng 2.7: Độ ẩm khơng khí trung bình nhiều năm....................................................53
Bảng 2.8: Thống kê 1 số sơng chính tại khu vực nghiên cứu.....................................54
Bảng 2.9:Các ảnh hưởng của hoạt động nhân sinh đến nước ngầm...........................58
Bảng 2.10: Dân số theo đơn vị hành chính................................................................59
Bảng 2.11: Danh mục hồ chứa hiện có tại khu vực nghiên cứu.................................60
Bảng 2.12: Danh mục đập dâng hiện có tại khu vực nghiên cứu...............................60
Bảng 2.13: Thống kê các khu cơng nghiệp hiện có trong khu vực nghiên cứu..........61
Bảng 3.1: Điều kiện khai thác nước ngầm vùng ven biển Hà Tĩnh............................74
Bảng 3.2: Xác định thời gian xâm nhập mặn theo lưu lượng khai thác và khoảng cách
đến ranh giới mặn - nhạt............................................................................................95
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Q trình dịch chuyển của chất hịa tan theo thời gian và ảnh hưởng của quá
trình khuếch tán...........................................................................................................5
Hình 1.2: Đồ thị dự báo đường nồng độ do quá trình khuếch tán phân tử...................7
Hình 1.3: Đường dịng trong mơi trường lỗ hổng dưới tác dụng của quá trình phân tán
thủy động lực...............................................................................................................8
Hình 1.4: Q trình phân tán đối lưu của chất hịa tan trong dịng một chiều..............8
Hình 1.5: Sự dịch chuyển chất hịa tan do q trình đối lưu và phân tán.....................9
Hình 1.6: Vận động của nước dưới đất vùng ven biển...............................................11
Hình 1.7: Sơ đồ quan hệ giữa nước nhạt – mặn dưới đất vùng ven biển....................12
Hình 1.8: Ơ lưới và các loại ơ trong mơ hình.............................................................14
Hình 1.9: Ơ lưới i,j,k và 6 ơ bên cạnh.......................................................................15
Hình 1.10: Sơ đồ giải hệ phương trình vi phân..........................................................16
Hình 1.11: Mặt cắt biểu diễn điều kiện biên sơng......................................................17

Hình 1.12: Mơ phỏng trên mơ hình............................................................................17
Hình 1.13: Điều kiện biên tổng hợp (GHB) trong mơ hình........................................18
Hình 1.14: Quy trình nghiên cứu...............................................................................34
Hình 2.1: Những nhân tố hình thành xâm nhập mặn vùng ven biển..........................36
Hình 2.2: Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu.................................................................38
Hình 2.3: Sơ đồ địa chất khu vực nghiên cứu............................................................44
Hình 2.4: Sơ đồ địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu..............................................47
Hình 2.5: Biểu đồ lượng mưa từ 2009 -2013 tại các trạm đo.....................................50
Hình 2.6: Biểu đồ nhiệt độ - độ ẩm năm 2013 tại trạm Hà Tĩnh................................54
Hình 2.7: Tỷ lệ phần trăm các nhóm đất khu vực nghiên cứu....................................56


Hình 3.1: Lưới phân sai của mơ hình.........................................................................63
Hình 3.2: Sơ đồ hóa các tầng chứa nước trên bình đồ và trên mặt cắt.......................64
Hình 3.3: Bản đồ phân vùng hệ số thấm lớp 1...........................................................66
Hình 3.4: Bản đồ phân vùng hệ số thấm lớp 2...........................................................67
Hình 3.5: Bản đồ phân vùng hệ số thấm lớp 3...........................................................68
Hình 3.6: Bản đồ phân vùng hệ số nhả nước lớp 1....................................................69
Hình 3.7: Bản đồ phân vùng hệ số nhả nước lớp 2....................................................70
Hình 3.8: Bản đồ phân vùng hệ số nhả nước lớp 3....................................................71
Hình 3.9: Giá trị bổ cập và bốc hơi khu vực nghiên cứu............................................72
Hình 3.10: Điều kiện biên nồng độ chất tan...............................................................75
Hình 3.11: Mực nước ban đầu tính tốn trên mơ hình................................................77
Hình 3.15: Dự báo xâm nhập mặn tại thời điểm năm 2020 tầng qh...........................85
Hình 3.16: Dự báo xâm nhập mặn tại thời điểm năm 2020 tầng qp...........................86
Hình 3.17: Dự báo xâm nhập mặn tại thời điểm năm 2030 tầng qh...........................87
Hình 3.18: Dự báo xâm nhập mặn tại thời điểm năm 2030 tầng qp...........................88
Hình 3.19: Khai thác nước dưới đất bằng giếng tia....................................................97
Hình 3.20: Khai thác nước dưới đất bằng hành lang thu nước nằm ngang................97

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BĐKH

Biến đổi khí hậu

KT – XH

Kinh tế - xã hội

ĐBBB

Đồng bằng Bắc Bộ

ĐB – TN

Đông Bắc – Tây Nam

ĐC

Địa chất

ĐCCT

Địa chất cơng trình

ĐCTV

Địa chất thuỷ văn

ĐTS

Điện trở suất

ĐVL

Địa vật lý

GIS

Hệ thống thông tin địa lý

NDĐ

Nước dưới đất

TB- ĐN

Tây Bắc – Đông Nam

TCN

Tầng chưa nuớc

TEM

Transmission electron microscopy

XNM

Xâm nhập mặn

UNICEF

Quỹ nhi đồng Liên Hợp quốc

VAST

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Biến đổi khí hậu (BĐKH) đã làm cho thiên tai ở Việt Nam ngày càng gia tăng về
số lượng, cường độ và phạm vi ảnh hưởng. Lĩnh vực chịu tác động lớn là nông nghiệp,
thuỷ lợi, thuỷ sản, diêm nghiệp, lâm nghiệp và an ninh lương thực. Đặc biệt ở những
đồng bằng và dải cát ven biển dưới tác động của nước biển dâng. Vấn đề cấp thiết hiện
nay là quá trình xâm nhập mặn (XNM) gia tăng nhiều nơi, diện tích đất nông nghiệp bị
thu hẹp và ảnh hưởng lớn đến tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt làm giảm trữ lượng các
nguồn nước trong đó có nước nhạt dưới đất.
Hà Tĩnh là một trong những địa phương chịu ảnh hưởng nhất của BĐKH, trong
đó điển hình là q trình XNM.Vùng ven biểnHà Tĩnh với trên 114km 2 diện tích đất bị
nhiễm mặn, vào mùa khơ hạn, diện tích trên cịn gia tăng gây ảnh hưởng không nhỏ
đến các hoạt động dân sinh và phát triển kinh tế của khu vực [11]. Vùng ven biển tỉnh
Hà Tĩnh là nơi tập trung đông dân cư và phát triển các hoạt động KT – XH kéo theo
nhu cầu dùng nước ngày càng tăng, trong khi, nước sử dụng chủ yếu được khai thác tại
chỗ từ nguồn nước ngầm và nước mặt đang dần bị hạn chế về cả chất lượng và trữ
lượng. Do vậy, việc khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước nói chung và nước
ngầm nói riêng đang là vấn đề cần quan tâm.
Hiện nay, khai thác và sử dụng nước ngầm của nhân dân trong vùng cịn mang

tính tự phát, thiếu sự quy hoạch,quản lý, các giải pháp bảo vệ tài nguyên nước ngầm
chưa thích hợp nên đã xảy ra các hiện tượng suy thoái nguồn nước bởi thất thoát và
nhiễm bẩn, cùng với quá trình XNM, ở nhiều nơi đã có dấu hiệu thiếu hụt nguồn nước
cấp, nhất là vào mùa khơ hạn. Nhằm góp phần giải quyết những vấn đề cấp thiết nêu
trên, nội dung luận văn “Nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngầm khu vực ven biển
Hà Tĩnh và đề xuất các giải pháp bảo vệ, sử dụng hợp lý” sẽ tập trung nghiên cứu
đánh giá quá trình XNM của nước biển đối với nước ngầm, từ đó đề xuất các giải pháp
bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên quý giá này.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Làm sáng tỏ mối quan hệ giữa các hợp phần tự nhiên và các hoạt động phát triển kinh
tế - xã hội đối với quá trình xâm nhập mặn nước ngầm;
- Đề xuất các giải pháp giảm thiểu xâm nhập mặn và khai thác sử dụng hợp lý nước
ngầm khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

9


- Đối tượng nghiện cứu: Xâm nhập mặn của nước biển đối với nước ngầm trong trầm
tích Đệ tứ vùng ven biển Hà Tĩnh.
- Phạm vi nghiên cứu: Khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh vớidiện tích khoảng 1.900km2 trải
dài từ huyện Nghi Xuân đến huyện Kỳ Anh.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu đánh giá vai trò của các nhân tố tự nhiên, KT – XH ảnh hưởng tới quá
trình xâm nhập mặn nước ngầm khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh;
- Đánh giá thựctrạng XNM và quá trình sử dụng nước ngầm vùng nghiên cứu;
- Nghiên cứu cơ chế XNM nước ngầm khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh;
- Nghiên cứu đề xuất các giải pháp giảm thiểu xâm nhập mặn và khai thác sử dụng hợp
lý tài nguyên nước ngầm khu vực ven biển tỉnh Hà Tĩnh.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Làm sáng tỏ cơ chế XNM nước ngầm trong trầm tích Đệ tứ vùng ven biển tỉnh Hà
Tĩnh;
- Đề xuất các giải pháp khoa học nhằm giảm thiểu xâm nhập mặn và khai thácsử dụng
hợp lý tài nguyên nước ngầm vùng ven biển tỉnh Hà Tĩnh;
- Kết quả nghiên cứu là tài liệu có thể sử dụng để định hướng khai thác, sử dụng tài
nguyên nước ngầm và hỗ trợ công tác quy hoạch cấp nước cho vùng ven biển tỉnh Hà
Tĩnh cũng như các vùng khác có điều kiện tương tự.
6. Cơ sở tài liệu và cấu trúc luận văn
Luận văn được xây dựng trên cơ sở nguồn tài liệu là các báo cáo điều tra tài
nguyên nước dưới đất (NDĐ), các đề tài, dự án nghiên cứu đánh giá xâm nhập mặn
NDĐ và các hợp phần tài nguyên khác liên quan thuộc phạm vi nghiên cứu; Các tạp
chí, báo cáo khoa học chuyên ngành tài nguyên nước, địa lý, địa chất, địa chất thủy
văn (ĐCTV), địa mạo, môi trường trong và ngoài nước, đặc biệt là đề tài cấp Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam mã số: VAST05.05/13-14.
Nội dung của luận văn, ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, sẽ
được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngầm
Chương 2: Điều kiện hình thành xâm nhập mặn nước ngầm khu vực ven
biển Hà Tĩnh
Chương 3: Đặc điểm xâm nhập mặn nước ngầm và các giải pháp bảo vệ, sử
dụng hợp lý
Kết luận


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM
1.1. Các khái niệm
1) Nước
ngầm
Nước ngầm là loại nước trọng lực dưới đất ở trong tầng chứa nước thứ nhất kể từ

trên mặt xuống.Phía trên tầng nước ngầm thường khơng có lớp cách nước che phủ và
nước trọng lực khơng chiếm toàn bộ bề dày của đất đá thấm nước, nên bề mặt của
nước ngầm là một mặt thoáng tự do. Nước ngầm vận động dưới tác dụng của độ chênh
lệch mực nước, chảy theo hướng từ nơi có mực nước ngầm cao đến nơi có mực nước
ngầm thấp hơn. Nó thường được chứa trong trầm tích bở rời điển hình như trong aluvi,
proluvi hoặc trong các dải cát, đụn cát ven biển.
2) Xâm nhập mặn nước ngầm
Xâm nhập mặn là quá trình làm tăng độ muối (chủ yếu là NaCl) trong nước nhạt
và thu hẹp không gian của các thể chứa nước nhạt. XNM ở vùng ven biển xảy ra khi
cột thuỷ áp của nước ngầm hạ thấp xuống dưới mực nước biển, do thay đổi về điều
kiện cân bằng nước ngầm tự nhiên hay do quá trình khai thác sử dụng nước ngầm quá
mức khiến cho mực nước ngầm hạ thấp, dẫn đến sự dịch chuyển của biên mặn về phía
đất liền.
3) Điện trở suất của tầng chứa nước
Đất đá có thể xem như một tập hợp gồm ba pha: pha cứng (đất đá hay khoáng
vật); pha lỏng (nước trong tầng chứa) và pha khí (khí trong các lỗ hổng). Điện trở suất
(ĐTS) của pha lỏng thường có giá trị nhỏ nhất. Vì vậy, điện trở suất của đất đá chứa
nước chủ yếu do điện trở suất của nước quyết định (trừ trường hợp tầng chứa nước có
xen các lớp sét). Nước tự nhiên là các chất điện phân chứa các loại ion khác nhau.Khi
ta tạo ra điện trường thì các ion đó sẽ chuyển dịch và xuất hiện dòng điện. Mật độ
dòng điện phụ thuộc vào mật độ, loại ion và tốc độ di chuyển của chúng[12, 31]. Điện
trở suất của chất điện phân (nước) ρw được xác định theo công thức sau:
ew =
nếu ca = c = C thì e
c
w
=

10
∑(cavafa+ ccvcfc)

= Ỉ(1.2)

10
C∑(vafa+ vcf c)

với A =

(1.1)

C

10

∑(vafa+ vcfc)

(1.3)


Trong đó: ca và cc - mật độ của anion và cation và hàm lượng anion và cation
thông thường ca = cc = C; va và vc - tốc độ di chuyển của anion và cation; f a và fc - độ
linh động của anion và cation, phụ thuộc vào hàm lượng muối hồ tan và thành phần
hóa học của chúng.
Loại dẫn điện ion xảy ra trong đất, đá lỗ hổng, khe nứt lấp đầy dung dịch. Phần
tử tải điện là các ion. Khi có tác động của trường điện bên ngồi, các ion dịch chuyển
định hướng tạo nên dịng điện. Loại dẫn điện ion thường gặp trong đất đá trầm
tích.Archie (1942) khi nghiên cứu độ dẫn điện của các tầng chứa nước, đã chỉ ra rằng
điện trở suất của một tầng chứa tỷ lệ thuận với điện trở suất của nước lấp đầy trong các
lỗ hổng và tỷ lệ nghịch với độ lỗ hổng của tầng chứa nước. Mối quan hệ này được biểu
diễn dưới dạng định luật Archie như sau:

ebuk = Few
,a

và từ(1.2): M =

a
kn

ew =

Ỉa
knC

=

M
Cα

= MC –α (1.4)

vớiF = an(1.5)
k

n

Ỉa

k

Trong đó: ρbuk - điện trở suất của tầng chứa nước, F - hệ số cấu thành tầng chứa

nước; ρw - điện trở suất của nước lấp đầy các lỗ hổng của tầng chứa nước; a - hệ số,
phụ thuộc vào đất (a = 0,4; 1,4); k - độ lỗ hổng của đất đá; n - hệ số cấu trúc (n = 1,3;
2,2).
Đối với tầng chứa nước xác định thì hệ số cấu thành tầng chứa nước (F) không
thay đổi. Như vậy, điện trở suất của các tầng chứa nước chỉ biến đổi do tính chất của
nước trong tầng chứa nước thay đổi (do nhiễm mặn, nhiễm bẩn, ...). Sự biến đổi chất
lượng nước ngầm nói chung trong một lãnh thổ rất phức tạp, cả về không gian và thời
gian. Thông thường, chất lượng nước ngầm bao gồm rất nhiều yếu tố để đánh giá như
hàm lượng các ion, các chất keo, các hợp chất có mặt trong nước… trong đó tổng
khống hố là chỉ tiêu cơ bản nhất và quan trọng nhất để đánh giá chất lượng nước vì
đây là chỉ tiêu dùng để đánh giá chất lượng nước tổng quát nhất.
4) Tổng chất rắn hòa tan (TDS)
Bao gồm khoáng chất, muối hoặc kim loại tồn tại trong một khối lượng nước
nhất định, đơn vị biểu thị thường là mg/lhoặc ppm (phần nghìn). TDS được lấy làm cơ
sở ban đầu để xác định mức độ sạch của nguồn nước. TDS tồn tại dưới dạng các ion
âm và ion dương, do nước ln có tính hồ tan rất cao nên nó thường có xu hướng lấy
các ion từ các vật mà nó tiếp xúc.
Từ mối tương quan giữa giá trị TDS của nước và kết quả đo điện trở suất đất đá
chứa nước có thể xác định được đới mặn/nhạt của nước ngầm [12].


Bảng 1.1: Phân loại nước dưới đất theo độ tổng khống hóa
Giới hạn TDS
TT
Phân loại
(g/l)
1
Siêu nhạt
<0.2
2

Nhạt
0.2-1
3
Lợ
1 -3
4
Hơi mặn
3-10
5
Mặn
10-35
6
Muối
>35
Nguồn [1, 22, 24, 27]
1.2. Cơ chế xâm nhập mặn nước dưới đất
1.2.1. Các q trình dịch chuyển chất hịa tan
Vận động của vật chất hịa tan trong mơi trường NDĐ là q trình cơ lý và hóa
học rất phức tạp, được gọi là “di chuyển chất hịa tan” theo các q trình sau:
Q trình di chuyển đối lưu:các chất hồ tan vận chuyển theo dòng chảy NDĐ
với tổng lượng chất hòa tan (Fx) theo một hàm số nồng độ của chúng trong nước (C) và
lượng dòng ngầm. Đối với dòng một chiều, một đơn vị diện tích tiết diện lỗ hổng có
lưu lượng dịng ngầm là:
Fx =C* vxne(1.6)
Trong đó:vxne- độ lỗ hổng hữu hiệu, C - vận tốc thấm trung bình

Phương trình vận chuyển vật chất theo kiểu piston cho dòng một chiều có dạng
(2.2) và thể hiện qua hình dạng của đường nồng độ (hình 1.1).
∂C
∂C

vx
=
−
∂t
∂x

to

1.0
0.8

t1

Nồng
độ 0.6
tương 0.4
quan
C/Co 0.2

t2

x-a
-

x

x+a
+

Hình 1.1: Quá trình dịch chuyển của chất hịa tan theo thời gian và ảnh

hưởng của quá trình khuếch tán

(1.7)


Quá trình phân tán: nước mặn (nước biển) di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến
nơi có nồng độ thấp hơn. Sự khuếch tán diễn ra đến khi nào gradient nồng độ cịn tồn
tại, ngay cả khi khơng có dòng chảy. Mức độ khuếch tán tỷ lệ thuận với gradient nồng
độ, tuân theo định luật thứ nhất của Fick:
F = - Dd (dC/dx) (1.8)
Trong đó:
F - dịng vật chất trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian;
Dd - hệ số khuếch tán, m2/s;
C - nồng độ chất tan, g/cm3;
dC/dx - gradient nồng độ (g/cm2).
Dấu trừ thể hiện vận động từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn. Ở
25 C có thể xác định Dd theo bảng có sẵn. Trường hợp chất tan có nồng độ thay đổi
theo thời gian thì áp dụng định luật thứ 2 của Fick:
o

- sự thay đổi nồng độ theo thời gian.

Trong đó:
∂C

∂C
∂2
D
=−
d

∂t
C
∂x2

(1.9)

∂t

Trong mơi trường lỗ hổng, q trình khuếch tán xảy ra khơng nhanh như trong
mơi trường nước vì các ion phải di chuyển qng đường dài hơn khi đi vòng qua các
hạt đất đá. Hệ số khuếch tán phân tử D* được xác định theo cơng thức:
D* = ωDd (1.10)
Trong đó: ω - hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào mức độ cong của đường vận chuyển.
Sự khuếch tán làm cho chất tan luôn vận động trong môi trường lỗ hổng ngay cả
khi không có dịng chảy tự nhiên. Sự khuếch tán của vật chất có nồng độ C o tại thời
điểm to và vận động từ khoảng (x-a) tới (x+a), đến thời điểm t 1 và t2 nồng độ chất tan
giảm nhưng lại tăng ngồi khoảng này (hình 1.1). Nồng độ chất tan phân bố theo quy
luật phân phối chuẩn Gausse đặc trưng bởi nồng độ trung bình và phương sai. Có thể
xác định hệ số khuếch tán hữu hiệu qua hai đại lượng phương sai và thời gian:
D* = σc2/2t (1.11)
Quá trình khuếch tán thực tế cần xem xét là các ion chủ yếu phải ở trạng thái
trung hồ điện tích. Nếu chất tan bị hấp phụ vào bề mặt hạt rắn thì tỷ lệ khuếch tán
nhìn chung sẽ nhỏ hơn so với chất không bị hấp phụ. Nếu coi nồng độ vật chất ban đầu
trong chất thải rắn là Co, không đổi theo thời gian, sau thời gian t, tại khoảng cách
nồng độ chất tan là Ci (x,t), nếu tính đến điều kiện biên và điều kiện ban đầu (Grank,


1956) thì:

Ci ( x,t =

)
Coerfc

x
(1.12)
2(D*t)1/
2

T

ron
g
đó:
Ci nồn
g độ
chất
tan
tại
kho
ảng
cách
x
tính
từ
ngu
ồn
phát
tại
thời
điể

m t
và
đượ
c
xác
định
từ
khi
q
trình
khu
ếch
tán
bắt
đầu
xảy
ra;er
fc hàm
sai
số
bù


(hàm
này sẽ
phụ
thuộc
vào quy
luật
phân

phối
chuẩn
hay
Gausse),
có thể
tính gần
đúng
theo
cơng
thức:
g
kho
ảng
G
0i
2.
á
t
r
ị
e
r
f
c
(
B
)
d
a
o

0.6
d
(1.1
o
3)
0.4
Q
q

u
0.2
  4B 2 
á
trìn 1  exp

0.0


h
x
t
khu
r
H
ì
ếch
ì
n
tán

n
h
vật
h
chất
k
1
h
diễn
.
u
ra từ
2
ế
vùn
:
c
h
g có
Đ
nồn
ồ
t
g độ
á
t
n
Co
h
tới

ị
p
vùn
h
d
g có
â
ự
n
nồn
g độ
b
t
Ci=
á
ử
o
0
T
đượ
đ
c
ư ừ
ờ nhữn
biểu
n g
diễn
g
nhận
trên

n định
hình
ồ trên
1.2.
n
cho
1.0
g
thấy
0.8
đ q
ộ trình

trung
bình

e
r
f
c
(
B
)
=

đ
ộ
n
g
t

rNồng độ
tương
o
quan
n
C/Co

0.84

0.50

0.16
+

-

khu
ếch
tán
khơ
ng
có ý
nghĩ
a
đặc
thù
đối
với
sự
di

chu
yển
của
chất
tan.
Nó
thể
hiện
một
cơ
chế
vận
độn
g ưu
thế
tron
g
ĐC
TV
khi
các
đất


đá chứa
nước có
tính
thấm
kém.
Tuy

nhiên,
nó vẫn
có thể
diễn ra
trong
các
khoảng
khơng
của khe
nứt, lỗ
hổng
lớn, kể
cả khi
khơng
có dịng
chảy tự
nhiên.
1.2.2. Q
trìn
h
phâ
n
tán
cơ
học
Qu
á trình
phân tán
cơ học
diễn ra

khi các
chất hịa

tan
di
ch
uy
ển
qu
a
mơ
i
trư
ờn
g
lỗ
rỗn
g.
Ch
ất
hị
a
tan
dọ
c
the
o
đư
ờn
g

dị
ng
gọi
là
qu
á
trìn
h
ph

Q trong

lỗ
trình hổng
phân .
tán
Nếu
cơ
tồn
học
bộ
chịu
nước
ảnh
ngầ
hưở
m
ng
chứa
của

chất
kích
bẩn
thướ vận
c lỗ động
hổng cùng
dẫn
nhau
đến
thì
vận
sẽ
chuy thay
ển
thế
chậ
nước
m
sạch
hay
và
nhan tạo
h,
chiề
u dài
đườ
ng
vận
chuy
ển

và
ma
sát


nên một bề mặt ngăn cách giữa hai loại nước. Hơn nữa, sự xâm nhập chất bẩn không
chuyển động cùng một vận tốc với nước xảy ra quá trình hỗn
hợp trên đường vận
chuyển, dẫn đến sự pha loãng chất bẩn trong dịng chảy.
Nếu q trình phân tán cơ học tn theo định luật Fick như đối với khuếch tán thì
tổng phân tán là hàm số của vận tốc thấm trung bình, trong đó có tính đến hệ số phân
tán cơ học. Hệ số này tương đương với thông số trung bình, được gọi đơn giản là phân
tán thấm (α).
Hệ số phân tán cơ học = hệ số phân tán thấm x vận tốc thấm trung bình.
1.2.3. Quá trình phân tán thuỷ động lực
Quá trình khuếch tán phân tử và quá trình phân tán cơ học trong dịng ngầm ln
có sự kết hợp lẫn nhau. Thông số đặc trưng cho quá trình này gọi là hệ số phân tán
thủy động lực (D).
Hình 1.3: Đường dịng trong mơi trường
lỗ hổng dưới tác dụng của quá trình phân
tán thủy động lực
Hệ số D được thể hiện qua công thức:
DL = αLvi + D*(1.14)
DT = αTvi + D* (1.15)
Trong đó: DL - hế số phân tán thuỷ động lực
dọc theo dòng chảy;DT - hệ số phân tán thuỷ đơng
lực theo phương vng góc dịng chảy; αT - hệ số
phân tán dọc; αL - hệ số phân tán ngang; D* - hệ
số khuếch tán phân tử.
Vai trò của khuếch tán phân tử và phân tán cơ học đối với tỷ số C i/Co của chất

hòa tan hoạt động như một chất chỉ thị trong môi trường lỗ hổng với điều kiện dịng 1
chiều (hình 1.4).
Vị trí V của lượng nước
tại thời điểm t
tương
đối
C/
Co

Khi chỉ có q trình khuếch tán phân tử

Khi có q trình phân tán

khoảng cách x

Hình 1.4: Quá trình phân tán đối lưu của chất hòa tan trong dòng một
chiều


Diễn biến của quá trình phân tán và đối lưu được biểu diễn trên hình 1.5.
to

1.0

Nồng độ
tương 0.8
đối
0.6
C/Co

t1
Hướng vận chuyển

0.4

t2>t1>to

t2

0.2
0.0

0

a

x1

x2

x

Hình 1.5: Sự dịch chuyển chất hịa tan do q trình đối lưu và phân tán
Lượng chất tan ngay lập tức xuất hiện trong tầng chứa nước vào thời điểm t o với
khoảng cách (x=0+a), nồng độ ban đầu là C 0. Dòng ngầm vận động theo kiểu piston
đưa chất bẩn đi theo. Trong quá trình vận động, dải chất bẩn mở rộng cùng với lượng
chất bẩn theo thời gian, được biểu thị dưới dạng phương trình sau:
(F +
x

∂Fx

dx)dzdy + (F
∂x

+
y

∂Fy

dy)dxdz + (F +

∂y

∂Fz

dz)dxdy (1.16)

∂z

z

Sự chênh lệch giữa chất bẩn vào và ra khỏi phân tố là:
∂Fy
∂F x
∂F
dxdzdy+
dydxdz+ z dzdxdy(1.17)
∂x
∂y

∂z
Lượng vật chất thay đổi trong phân tố là: ne (∂C/∂t) dx.dy.dz
Theo định luật bảo tồn khối lượng ta có:

với: F = v n C − n D
i

i e

ei

∂C
∂Fx ∂Fy ∂Fz = −n
(1.18)
+
+
e
∂x ∂y ∂z
∂t
∂C

∂i

nên: F = v n C − n D
x

(1.19)

xe

ex

F=vnC−nD
y

∂x∂C

(1.20)

y e

e

F=vnC−nD
z

∂C

y

∂C ∂y (1.21)

ze
ez

∂z
Từ công thức (1.19, 1.20, 1.21) đưa Fx,Fy,Fz vào phương trình (1.16), ta


cóphương trình:

(1.22)
∂  ∂C   ∂
∂
∂
 ∂  ∂C 

∂
C


D
−
(
v
C
)
+
∂
∂
C
(
v
C
)
(
v
C
)
=
D

+
+
D
+







 
x
y
z
∂x
∂x
∂y
∂y
∂z
∂z
∂x x
∂x x
∂x x  ∂t


 




 
Phương trình trên là phương trình vận chuyển vật chất 3 chiều theo định luật bảo
tồn khối lượng, khơng chịu tác động của q trình sinh học hay phân huỷ phóng xạ.
Trong môi trường đồng nhất Dx, Dy, Dz không thay đổi theo không gian. Hơn nữa
do hệ số phân tán thuỷ động lực là một hàm số của hướng dòng chảy, ngay cả khi môi
trường đẳng hướng đồng nhất, D x≠ Dy≠ Dz. Đối với dịng một chiều, trong mơi trường
lỗ hổng, đồng nhất, đẳng hướng, phương trình trên được viết là:
∂C
2
∂
C
=
(1.23)
−
v
DL
∂t
∂x 2 ∂C
x
∂x

Đối với dòng hai chiều:

2

∂ 2C
DL

∂x2

∂ 2C

+D

∂y2

T

− vx

∂C
∂x2

=

∂C

(1.24)

∂t

DL - thông số phân tán thuỷ động lực dọc theo phương dịng chảy (dọc);
DT - thơng số phân tán thuỷ động lực vng góc với phương dịng chảy (ngang).
Với dạng toạ độ cực ta có phương
trình:

∂

D

∂C 



∂r



+

D ∂C

−U

∂C

=

Q

2πne Rr

(1.25)



∂r



r ∂r

∂r

Trong đó: r - khoảng cách tới giếng; U - vận tốc thấm thực trung bình,
U =

∂C

∂t

; Q - lưu lượng bơm vào giếng;ne - độ lỗ hổng hữu hiệu;R - chiều dài ống

2

lọc hay phần thu nước của hố khoan.
1.2.4. Q trình hấp phụ
Q trình hấp phụ các chất hịa tan trong nước ngầm bao gồm sự hút bám, sự hấp
phụ hóa học, sự hấp phụ vật lý và trao đổi ion. Hấp phụ hóa học xảy ra khi các chất
hòa tan liên kết chặt chẽ trên đất cát hoặc bề mặt của đá bởi một phản ứng hóa học. Sự
hấp phụ vật lý xảy ra do sự khuếch tán của các chất hòa tan vào bên trong các lỗ rỗng
phân tử của các hạt đất đá. Các quá trình này gọi chung là quá trình hấp phụ.
1.2.5. Quá trình phân rã


Quá trình phân rã bao gồm quá trình các chất hòa tan bị vi khuẩn phân hủy và
tham gia vào các phản ứng ơ xy hóa - khử, q trình phân rã của các chất phóng
xạ.Hầu hết nước ngầm dễ bị ô nhiễm các chất hữu cơ chứa hydrocacbon. Các hydro

cacbon tạo điều điều kiện cho sự phát triển của vi khuẩn, chúng cung cấp năng lượng
cho vi khuẩn tạo nên màng sinh học trên bề mặt chất rắn trong tầng chứa nước.
NDĐ có thể có chứa các chất phóng xạ. Những chất phóng xạ mang ion dương
khi tiếp xúc với bề mặt đất đá sẽ làm cho quá trình di chuyển
chậm lại. Hơn nữa,
chúng còn bị ảnh hưởng bởi q trình phân rã phóng xạ làm giảm nồng độ của chất
phóng xạ trong cả hai giai đoạn hịa tan và hấp phụ.
1.2.6. Ranh giới mặn - nhạt nước dưới đất vùng ven biển
Khái niệm của Baydon W. - Giben (1091) mơ phỏng điều kiện hình thành nước
nhạt dưới đất vùng ven biển và xác định giữa khối nước nhạt trong đất liền ln có sự
cân bằng thủy tĩnh với nước biển, ranh giới tiếp xúc giữa nước nhạt lục địa và nước biển
là đường cong thoải, hướng từ biển vào lục địa, dọc theo đường tiếp xúc tồn tại sự cân
bằng thủy tĩnh (hình 1.6). Độ sâu lý thuyết phân bố ranh giới “mặn - nhạt” khu vực
nghiên cứu được tính tốn như sau:
Gọi độ cao mực NDĐ so với mực nước biển là z; độ sâu của nước nhạt đến nước
mặn tại một điểm A bất kỳ nào đó dưới mực nước biển là h, thì áp lực thủy tĩnh tại
điểm này sẽ bằng:
pA = (h - z)ρm.g (1.26)
Tại điểm B trên đường ranh giới giữa nước mặn và nước nhạt ở cùng độ sâu h z, áp lực thủy tĩnh do nước nhạt gây ra sẽ là:
pB = (h - z)ρn.g + z.ρn.g

(1.27)

Nguồn: theo Fetter C.W. (1993)
Hình 1.6: Vận động của nước dưới đất vùng ven biển
Theo ngun tắc Giben thì:

pA = pB, do đó: (h - z)ρm.g = z.ρn.g (1.28)

Trong đó: ρm, ρn là khối lượng riêng của nước biển (≈1,025g/cm3) và nước nhạt

(≈1,000g/cm3), g - gia tốc trọng trường.

Từ các phương trình trên chúng ta nhận được:

ρm

(1.28)
ρm − ρn
ρn
zh−z=
(1.29)
ρm − ρn
h=42z
(1.30)
z
h=

N

hư
vậy,
đối
với
một
tầng
chứa
nướ
c

đồn
g
nhất
về
tính
thấ
m,
khi
biết
z
chún
g ta
có
thể
xác
định
đượ
c
một
cách


tương đối ranh giới mặn - nhạt NDĐ vùng ven biển
(hình 1.7).Tuy nhiên, trong trong trường hợp
ngược lại, tầng chứa nước khơng đồng nhất, có
nhiều lớp chứa nước và cách nước nằm xen kẽ
nhau hoặc xuất hiện các “cửa sổ
ĐCTV” như một số nơi thuộc vùng nghiên cứu thì
kết quả tính tốn khơng tn theo
cơng thức (2.27). Khi đó, để xác định phải cần

được ranh giới mặn nhạt thông số kỹ đến nhiều
thuật hơn nữa từ nhiều phương pháp
khác.

1. Mực nước biển; 2. Bề mặt tự do của nước
nhạt dưới đất; 3. Ranh giới mặn - nhạt

Hình 1.7: Sơ đồ quan hệ giữa nước nhạt –
mặn dưới đất vùng ven biển
1.3. Cơ sở lý thuyết và mơ hình tốn học về dịng
ngầm
Mơ hình hố q trình thấm của NDĐ là
phương pháp thực nghiệm để giải các bài toán
động lực học NDĐ bằng việc xác định lưu lượng
dòng thấm và sự phân bố áp lực trên toàn bộ miền
chuyển động của NDĐ, kể cả trên ranh
giới.Chuyển động của NDĐ được mô phỏng bởi
phương trình vi phân đạo hàm riêng trên cơ sở
phương trình cân bằng khối lượng của nước trong
thể tích phân bố tầng chứa nước và định luật thấm
Dacxidưới dạng phương trình 3.1.

B
ản
chất
mơ
hình
tốn là
mơ tả
đơng

thái
mực
nước
trong
điều
kiện
mơi
trường
khơng
đồng
nhất
và dị
hướng
với
các
điều
kiện
biên,
điều
kiện
ban
đầu
của
tầng
chứa


nước tạo thành một mơ hình tốn học về dịng chảy nước dưới đất.
Toàn bộ sự biến thiên độ cao mực nước ngầm được mơ tả bằng một phương trình
đạo hàm riêng duy nhất sau:

6 ss 6h
6
)6s+
6s(K

6h

6y

(Kyy ) +
6y

6

6z

(Kzz 6 ) − W = Sc 6h(1.31)
6z

6t

Trong đó:
Kxx , Kyy , Kzz: các hệ số thấm theo các hướng x,y và z.
h: cốt cao mực nước tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t;
W là Mơdul dịng ngầm, hay là các giá trị bổ cập, giá trị thoát đi của nước ngầm
tính tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t. W = W(x,y,z,t) là hàm số phụ thuộc thời gian và vị
trí khơng gian (x,y,z); Ss là hệ số nhả nước đơn vị (1/m); S s = Ss(x,y,z), Kxx =
Kxx(x,y,z), Kyy = Kyy(x,y,z), Kzz = Kzz(x,y,z) các hàm phụ thuộc vào vị trí khơng gian
x,y,z.
Để giải phương trình (1.31)phải tìm hàm số h(x,y,z,t) thoả mãn (1.31) và thoả

mãn các điều kiện biên. Sự biến động của giá trị h theo thời gian sẽ xác định bản chất
của dịng chảy, từ đó có thể dự báo động thái NDĐ cũng như tính tốn các hướng của
dịng chảy.
Việc tìm lời giải giải tích h(x,y,z,t) của phương trình (1.31) chỉ khi nào miền
nghiên cứu được mơ phỏng bằng sơ đồ tốn học. Thực tế, miền thấm có điều kiện rất
phức tạp, do đó buộc phải giải bằng phương pháp gần đúng. Một trong các phương
pháp giải gần đúng được áp dụng rộng rãi là phương pháp sai phân hữu hạn.Khi áp
dụng phương pháp sai phân hữu hạn, không gian nghiên cứu được phân ra hay rời rạc
hóa thành nhiều ơ, trong mỗi ơ, các giá trị tham gia vào phương trình được coi làkhơng
đổi. Giá trị này xấp xỉ với giá trị thực tế. Kết quả h(x,y,z,t) sẽ là một lưới ô các giá trị
h. Bằng cách này đưa phương trình đạo hàm riêng (1.31) về một hệ phương trình tuyến
tính. Số lượng phương trình tương đương với số các ơ lưới chia. Rõ ràng nếu bước
lưới càng nhỏ thì kết quả thu được từ lời giải sai phân càng gần với lời giải đúng của
phương trình (1.31). Để hình dung được phương pháp sai phân áp dụng như thế nào, ta
sẽ bắt đầu từ q trình rời rạc hố.
Khơng gian nghiên cứu được phân theo chiều thẳng đứng z thành các lớp chứa
nước. Mỗi lớp chứa nước lại được chia thành các ô nhỏ hơn. Vùng hoạt động của nước
dưới đất trong mỗi tầng chứa nước sẽ được đánh dấu là “ô trong miền tính”. Những ơ
cách nước hoặc khơng có dịng chảy thấm qua thì được đánh dấu là “ơ ngồi miền
tính”.