Luận án tiến sĩ Địa chất: Nghiên cứu và dự báo ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất ở Thái Bình

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:175

Thêm vào BST

Báo xấu

60
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm phân vùng cấu trúc Địa chất thủy văn và mối quan hệ giữa các tầng chứa nước với các yếu tố khí hậu, nước biển và hiện trạng khai thác; Đánh giá vai trò của khí hậu, nước biển dâng và hoạt động khai thác của con người đến sự thay đổi chất lượng và trữ lượng nước dưới đất khu vực nghiên cứu;

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Địa chất: Nghiên cứu và dự báo ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất ở Thái Bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRẦN THỊ THANH THỦY NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG ĐẾN NƯỚC DƯỚI ĐẤT TỈNH THÁI BÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA CHẤT Hà Nội – Năm 2017
ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRẦN THỊ THANH THỦY NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG ĐẾN NƯỚC DƯỚI ĐẤT TỈNH THÁI BÌNH Ngành: Kỹ thuật địa chất Mã số: 62520501 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS Đặng Hữu Ơn 2. PGS.TS Đỗ Văn Bình Hà Nội – Năm 2017
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tác giả Luận án Trần Thị Thanh Thủy
ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i MỤC LỤC ............................................................................................................................ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...........................................................................................vii MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của Luận án....................................................................................... 1 2. Mục đích ..................................................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 2 4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 2 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ............................................................ 3 5.1. Cách tiếp cận ........................................................................................................ 3 5.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 4 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án ........................................................... 6 6.1. Ý nghĩa khoa học ................................................................................................. 6 6.2. Ý nghĩa thực tiễn .................................................................................................. 6 7. Luận điểm bảo vệ....................................................................................................... 6 8. Những điểm mới của Luận án.................................................................................. 7 9. Cơ sở tài liệu ............................................................................................................... 8 9.1. Tài liệu thu thập ................................................................................................... 8 9.2. Kết quả khảo sát, thí nghiệm hiện trường và trong phòng ................................ 9 10. Cấu trúc của Luận án ........................................................................................... 10 11. Lời cảm ơn .............................................................................................................. 11 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG ĐẾN NƯỚC DƯỚI ĐẤT...................................12 1.1. Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới ............................................................. 12 1.2. Tổng quan các nghiên cứu tại Việt Nam ............................................................ 22 1.3. Đề xuất phương pháp nghiên cứu cho Luận án ................................................ 28
iii CHƯƠNG 2. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, ĐỊA CHẤT THỦY VĂN VÀ KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, NƯỚC BIỂN DÂNG TỈNH THÁI BÌNH ................................32 2.1. Đặc điểm địa chất ................................................................................................. 32 2.1.1. Giai đoạn phát triển trầm tích hình thành tầng chứa nước Neogen .............33 2.1.2. Giai đoạn phát triển trầm tích hình thành tầng chứa nước Pleistocen .........34 2.1.3. Giai đoạn phát triển trầm tích hình thành tầng chứa nước Holocen.........37 2.2. Đặc điểm địa chất thủy văn ................................................................................. 38 2.2.1. Các tầng chứa nước lỗ hổng ...........................................................................38 2.2.2. Đặc điểm các thành tạo địa chất thấm nước yếu...........................................42 2.3. Đặc điểm khí hậu, thủy văn và kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng tỉnh Thái Bình .............................................................................................................. 43 2.3.1. Đặc điểm khí hậu ............................................................................................43 2.3.2. Đặc điểm thủy văn ..........................................................................................47 2.3.3. Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng tỉnh Thái Bình .........................51 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ HẬU, THỦY HẢI VĂN VÀ HOẠT ĐỘNG KHAI THÁC ĐẾN NƯỚC DƯỚI ĐẤT TỈNH THÁI BÌNH ..............56 3.1. Cấu trúc Địa chất thủy văn và mối quan hệ với nhân tố khí hậu, thủy văn .. 56 3.1.1. Tầng chứa nước Holocen ...............................................................................56 3.1.2. Tầng chứa nước Pleistocen ............................................................................64 3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của khí hậu tới nước dưới đất ..................................... 68 3.2.1. Nghiên cứu mối quan hệ giữa nước mưa với nước dưới đất .......................68 3.2.2. Xác định lượng bổ cập của nước mưa cho nước dưới đất ...........................70 3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nước sông, biển tới nước dưới đất ...................... 76 3.3.1. Nghiên cứu mối quan hệ giữa nước sông, biển với nước dưới đất..............76 3.3.2. Xác định lượng bổ cập từ nước sông, biển vào nước dưới đất ....................85 3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của hoạt động khai thác nước tới nước dưới đất ..... 87 CHƯƠNG 4. DỰ BÁO ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG ĐẾN NƯỚC DƯỚI ĐẤT TỈNH THÁI BÌNH ...................................92 4.1. Cơ sở dự báo ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất tỉnh Thái Bình .............................................................................................. 92
iv 4.1.1. Dự báo sự thay đổi của các nhân tố dưới điều kiện tự nhiên .......................94 4.1.2. Dự báo sự thay đổi các nhân tố theo kịch bản ..............................................95 4.2. Xây dựng mô hình dự báo ................................................................................... 96 4.2.1. Sơ đồ hoá điều kiện ĐCTV ............................................................................97 4.2.2. Mô hình dịch chuyển ranh giới mặn – nhạt nước dưới đất ........................105 4.3. Kết quả mô hình dự báo sự thay đổi mực nước dưới đất .............................. 110 4.3.1. Đối với tầ ng chứa nước Holocene ...............................................................110 4.3.2. Đối với tầng chứa nước Pleistocen ..............................................................112 4.4. Kết quả mô hình dự báo sự thay đổi ranh giới mặn nhạt nước dưới đất khi chưa có biến đổi khí hậu, nước biển dâng .............................................................. 113 4.4.1. Đối với tầng chứa nước Holocen .................................................................114 4.4.2. Đối với tầng chứa nước Pleistocen ..............................................................115 4.5. Kết quả mô hình dự báo sự thay đổi ranh giới mặn nhạt nước dưới đất trước tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng .................................................. 117 4.5.1. Dự báo sự thay đổi ranh giới mặn – nhạt nước dưới đất trong trường hợp đê biển hiện tại .....................................................................................................................117 4.5.2. Dự báo sự thay đổi ranh giới mặn – nhạt nước dưới đất trong trường hợp nâng cấp đê biển ..............................................................................................................120 4.6. Tiềm năng tài nguyên nước dưới đất tỉnh Thái Bình ..................................... 124 4.6.1. Tầ ng chứa nước Holocene ...........................................................................126 4.6.2. Tầ ng chứa nước Pleistocene.........................................................................132 4.7. Đề xuất giải pháp quản lý, khai thác hợp lý tài nguyên nước dưới đất ....... 138 4.7.1. Các giải pháp ngăn ngừa, giảm thiểu tác động của nước biển đến nước dưới đất .....................................................................................................................................139 4.7.2. Các giải pháp duy trì, bảo vệ nước dưới đất ...............................................142 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................................149 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................152 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ......................................................................163
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT BĐKH Biến đổi khí hậu BĐKH & NBD Biến đổi khí hậu và nước biển dâng BTNMT Bộ Tài Nguyên và Môi Trường BYT Bộ Y tế Cl- Nồng độ ion Clorua DEM Mô hình số độ cao DO Oxy hòa tan DMC Đánh giá môi trường chiến lược ĐCTV Địa chất thủy văn IPCC Ủy ban liên Chính phủ về Biến đổi khí hậu K Hệ số thấm của đất đá LK Lỗ khoan M Tổng khoáng hóa NDĐ Nước dưới đất Q Lưu lượng nước QM Lưu lượng nước lớn nhất Qm Lưu lượng nước nhỏ nhất QTB Lưu lượng nước trung bình QCVN Quy chuẩn Việt Nam qh Tầng chứa nước Holocen qp Tầng chứa nước Pleistocen SS Chất rắn lơ lửng TB – ĐN Tây Bắc – Đông Nam TCN Tầng chứa nước TDS Tổng chất rắn hòa tan TCCP Tiêu chuẩn cho phép VSV Vi sinh vật
vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Kịch bản dự báo gia tăng nhiệt độ, lượng mưa và nước biển dâng [55]........51 Bảng 2.2. Diện tích ngập nước do nước biển dâng theo các kịch bản phát thải.............55 Bảng 3.1. Phân vùng lượng bổ cập của nước mưa cho TCN Holocen tỉnh Thái Bình ..60 Bảng 3.2. Lượng nước mưa bổ cập vào tầng chứa nước Holocen vào mùa mưa ..........70 Bảng 3.3. Lượng nước thất thoát của tầng chứa nước Holocen vào mùa khô ...............71 Bảng 3.4. Lượng nước thấm xuyên từ TCN qh bổ cập cho TCN qp theo mùa, m/ng ...74 Bảng 3.5. Lượng bổ cập của nước biển vào tầng chứa nước Holocen ...........................86 Bảng 3.6. Số lượng giếng và trữ lượng khai thác NDĐ theo đơn vị hành chính [57] ...88 Bảng 4.1. Nhu cầu nước các ngành các ngành kinh tế [57], đơn vị: Q: 106m3/năm ......94 Bảng 4.2. Dự báo sự thay đổi của các nhân tố khi chưa có BĐKH&NBD ...................95 Bảng 4.3. Dự báo sự thay đổi của các nhân tố theo kịch bản BĐKH&NBD .................96 Bảng 4.4. Hê ̣ số thấ m ta ̣i mô ̣t số lỗ khoan trong vùng nghiên cứu ...............................100 Bảng 4.5. Hê ̣ số nhả nước ta ̣i mô ̣t số lỗ khoan trong vùng nghiên cứu ........................100 Bảng 4.6. Diê ̣n tích nước mă ̣n các tầng chứa nước theo thời gian ................................116 Bảng 4.7. Diê ̣n tích nước mă ̣n TCN qh từng năm và từng giai đoa ̣n theo các kich ̣ bản phát thải với đê biển hiện tại ............................................................................................118 Bảng 4.8. Diê ̣n tích nước mă ̣n TCN qp từng năm và từng giai đoa ̣n theo các kich ̣ bản phát thải với đê biển hiện tại ............................................................................................120 Bảng 4.9. Diê ̣n tích nước mă ̣n TCN qh từng năm và từng giai đoa ̣n theo các kich ̣ bản phát thải khi nâng cấp đê biển .........................................................................................122 Bảng 4.10. Diê ̣n tić h nước mă ̣n TCN qp từng năm và từng giai đoa ̣n theo các kich ̣ bản phát thải khi nâng cấp đê biển .........................................................................................123 Bảng 4.11. Tài nguyên nước nha ̣t TCN qh khi chưa có BĐKH&NBD .......................126 Bảng 4.12. Tài nguyên nước nha ̣t TCN qh theo các kịch bản với đê biển hiện tại ......127 Bảng 4.13. Tài nguyên nước nha ̣t TCN qh theo các kich ̣ bản khi nâng cấp đê biển ...130 Bảng 4.14. Tài nguyên nước nha ̣t TCN qp khi không có BĐKH&NBD .....................133 Bảng 4.15. Tài nguyên nước nha ̣t TCN qp theo các kich ̣ bản với đê biển hiện tại ......134 Bảng 4.16. Tài nguyên nước nha ̣t TCN qp theo các kich ̣ bản khi nâng cấp đê biển ...136
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1. Các tướng trầm tích trong mối quan hệ với pha biển thoái Pleistocen muộn, pha biển tiến Flandrian Pleistocen muộn - Holocen giữa và pha biển thoái Holocen muộn đồng bằng sông Hồng ra thềm lục địa [28] ............................................................34 Hình 2.2. Sơ đồ bề mặt trầm tích Pleistocen muộn hệ tầng Vĩnh Phúc ở đồng bằng châu thổ sông Hồng [19] .............................................................................................................36 Hình 2.3. Mặt cắt Địa chất thủy văn tỉnh Thái Bình [15] ................................................39 Hình 2.4. Sơ đồ khối biểu diễn 4 phức tập tương ứng với 4 hệ tầng trầm tích Đệ tứ đồng bằng sông Hồng [28].................................................................................................41 Hình 2.5. Sự thay đổi nhiệt độ trung bình năm theo thời gian [61] ................................44 Hình 2.6. Mức thay đổi nhiệt độ trong 50 năm qua ở Việt Nam [55]. ...........................44 Hình 2.7. Sự thay đổi độ bốc hơi trung bình năm theo thời gian [61] ............................45 Hình 2.8. Sự thay đổi độ ẩm trung bình năm theo thời gian [61]....................................45 Hình 2.9. Sự thay đổi lượng mưa theo thời gian [61] ......................................................45 Hình 2.10. Mức thay đổi lượng mưa trong 50 năm qua ở Việt Nam [55]. .....................46 Hình 2.11. Sự thay đổi lượng mưa từ năm 1995 đến nay [61] ........................................46 Hình 2.12. Dao động mực nước biển tại trạm Hòn Dấu theo thời gian [61] ..................48 Hình 2.13. Diễn biến mực nước biển theo số liệu vệ tinh thời kỳ 1993 – 2010 [55] .....48 Hình 2.14. Dao động mực nước sông Hồng tại trạm Ba Lạt theo thời gian [61] ...........49 Hình 2.15. Dao động mực nước sông Trà Lý tại trạm Định Cư theo thời gian [61] .....49 Hình 2.16. Dao động mực nước sông Luộc tại trạm Triều Dương theo thời gian [61] .50 Hình 2.17. Sự gia tăng nhiệt độ trung bình năm giữa thế kỷ 21 (năm 2050) [55] .........52 Hình 2.18. Sự gia tăng nhiệt độ trung bình năm cuối thế kỷ 21 (năm 2100) [55] .........52 Hình 2.19. Sự gia tăng lượng mưa trung bình năm giữa thế kỷ 21 (năm 2050) [55] ....53 Hình 2.20. Sự gia tăng lượng mưa trung bình năm cuối thế kỷ 21 (năm 2100) [55].....53 Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc địa chất thủy văn tỉnh Thái Bình ..............................................57 Hình 3.2. Mặt cắt tướng trầm tích vuông góc với đường bờ biển [28] ...........................58 Hình 3.3. Đặc điểm trầm tích Đệ tứ phần đất liền và thềm lục địa tỉnh Thái Bình [2] ..58
viii Hình 3.4. Sơ đồ phân bố tính thấm tầng chứa nước Holocen..........................................59 Hình 3.5. Sơ đồ phân bố vùng bổ cập tầng chứa nước Holocen .....................................62 Hình 3.6. Ranh giới mặn – nhạt tầng chứa nước Holocen năm 1996 và năm 2014 ......63 Hình 3.7. Ranh giới mặn – nhạt tầng chứa nước Pliestocen năm 1996 và năm 2014 ...66 Hình 3.8. Bản đồ thủy đẳng áp tầng chứa nước Pleistocen năm 2014............................67 Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi lượng mưa và cốt cao mực nước dưới đất tại các lỗ khoan quan trắc theo thời gian [61,62] .........................................................................68 Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lượng mưa với cốt cao mực nước TCN qh ..69 Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lượng mưa với cốt cao mực nước TCN qp ..69 Hình 3.12. Lượng nước mưa bổ cập cho TCN qh2 vào mùa mưa theo thời gian ..........73 Hình 3.13. Lượng nước thất thoát vào mùa khô của TCN qh2 theo thời gian ................73 Hình 3.14. Lượng nước thấm xuyên bổ cập vào TCN qp tại lỗ khoan quan trắc ..........75 Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mực nước tầng chứa nước Holocen với nước sông, nước biển [61, 62] ...........................................................................................77 Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn mực nước biển và nước sông Trà Lý khu vực cửa biển [62] .............................................................................................................................................77 Hình 3.17. Đồ thị so sánh dao động mực nước TCN qh2 với nước biển ở khoảng cách 1,5 ÷ 3,0 km so với biển [61, 62].......................................................................................78 Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn mực nước tầng chứa nước qh2 ở khoảng cách 3,0 km ......79 Hình 3.19. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mức độ gia tăng mực nước biển với mực nước TCN qh2 .....................................................................................................................79 Hình 3.20. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ tuyến tính giữa mức độ gia tăng mực nước biển với mực nước TCN qh2 .............................................................................................79 Hình 3.21. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi nồng độ TDS theo thời gian TCN qh2 [62].....80 Hình 3.22. Đồ thị biểu diễn mực nước TCN qp ở khoảng cách 1,5÷ 2,0 km so với biển ......................................................................................................................................81 Hình 3.23. Đồ thị so sánh dao động mực nước TCN qp với nước biển ở khoảng cách 81 1,5 ÷ 2,0 km so với biển .....................................................................................................81
ix Hình 3.24. Đồ thị dao đô ̣ng mực nước biể n và mực nước TCN qp ta ̣i vi ̣ trí lỗ khoan quan trắc QT2-1, Thái Thụy ..............................................................................................82 Hình 3.25. Đồ thị biểu diễn mực nước TCN qp ở khoảng cách 2,0 km so với biển ........82 Hình 3.26. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ tuyến tính giữa gia tăng mực nước biển với mực nước TCN qp ..............................................................................................................83 Hình 3.27. Sự biến thiên nồng độ TDS theo mùa tại giếng quan trắc Q 156ª [62] ........84 Hình 3.28. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa TCN qp với nước sông, biển [61, 62]...84 Hình 3.29. Đồ thị biểu diễn lượng nước sông, biển bổ cập vào tầng chứa nước qh2 .....87 Hình 3.30. Lượng nước dưới đất khai thác theo đơn vị hành chính [57] .......................89 Hình 4.1. Các lớp trong mô hình dự báo...........................................................................98 Hình 4.2. Mô hình số độ cao vùng ven biển Bắc Bộ .......................................................99 Hình 4.3. Sơ đồ phân vùng hệ số thấm tầng chứa nước Holocen .................................101 Hình 4.4. Sơ đồ phân vùng hệ số thấm tầng chứa nước Pleistocen ..............................101 Hình 4.5. Mực nước tầng chứa nước Holocen hiện tại ..................................................101 Hình 4.6. Mực nước tầng chứa nước Pleistocen hiện tại ...............................................101 Hình 4.7. Phân bố lượng bổ cập trên mô hình ................................................................102 Hình 4.8. Các loa ̣i biên trong mô hin ̀ h ............................................................................103 Hình 4.9. Mô hình mô phỏng quá trình xâm nhập mặn vào các tầng chứa nước ven biển tỉnh Thái Bình ...................................................................................................................105 Hình 4.10. Vector vận tốc dịch chuyển dòng chảy tầng chứa nước qh hiện tại ...........107 Hình 4.11. Vector vận tốc dịch chuyển dòng chảy tầng chứa nước qp hiện tại ...........108 Hình 4.12. Kết quả mô phỏng diễn biến xâm nhập mặn khu vực cửa sông ven biển ..109 Hình 4.13. Kết quả chỉnh lý sai số mô hình tại lỗ khoan quan trắc Q156 ....................109 Hình 4.14. Kết quả chỉnh lý sai số mô hình dòng và dịch chuyển nồng độ TDS tại các điểm quan trắc...................................................................................................................109 Hình 4.15. Mực nước TCN Holocen năm 2060 khi chưa có BĐKH&NBD ...............111 Hình 4.16. Mực nước TCN Holocen năm 2100 khi chưa có BĐKH&NBD ...............111 Hình 4.17. Mực nước tầng chứa nước Holocen năm 2060 theo kịch bản A2 ..............111 Hình 4.18. Mực nước tầng chứa nước Holocen năm 2100 theo kịch bản A2 ..............111
x Hình 4.19. Mực nước TCN Pleistocen năm 2060 khi chưa có BĐKH&NBD ............112 Hình 4.20. Mực nước TCN Pleistocen năm 2100 khi chưa có BĐKH&NBD ............112 Hình 4.21. Mực nước tầng chứa nước Pleistocen năm 2060 theo kịch bản A2 ...........113 Hình 4.22. Mực nước tầng chứa nước Pleistocen năm 2100 theo kịch bản A2 ...........113 Hình 4.23. Phân bố ranh giới mă ̣n - nha ̣t TCN qh theo thời gian .................................114 Hình 4.24. Phân bố ranh giới mă ̣n - nha ̣t TCN qp theo thời gian .................................116 Hình 4.25. Sự biế n đổ i ranh giới mặn – nhạt TCN qh theo kich ̣ bản phát thải A2 với đê biển hiện tại .......................................................................................................................118 Hình 4.26. Sự biế n đổ i ranh giới mặn – nhạt TCN qp theo kich ̣ bản phát thải A2 với đê biển hiện tại .......................................................................................................................119 Hình 4.27. Sự biế n đổ i ranh giới mặn – nhạt TCN qh theo kich ̣ bản phát thải A2 khi nâng cấp đê biển ...............................................................................................................121 Hình 4.28. Sự biế n đổ i ranh giới mặn – nhạt TCN qp theo kich ̣ bản phát thải A2 ......123 khi nâng cấp đê biển .........................................................................................................123 Hình 4.29. Lượng nước nhạt TCN qh khi chưa có BĐKH&NBD ...............................127 Hình 4.30. Lượng nước nhạt TCN qh theo kịch bản A2 với đê biển hiện tại ..............129 Hình 4.31. Lượng nước nhạt TCN qh theo các kịch bản với đê biển hiện tại ..............129 Hình 4.32. Lượng nước nhạt TCN qh theo kịch bản A2 khi nâng cấp đê biển ............131 Hình 4.33. Lượng nước nhạt TCN qh theo các kịch bản khi nâng cấp đê biển ...........132 Hình 4.34. Lượng nước nhạt TCN qp khi không có BĐKH&NBD .............................133 Hình 4.35. Lượng nước nhạt TCN qp theo kịch bản A2 với đê biển hiện tại ..............135 Hình 4.36. Lượng nước nhạt TCN qp theo các kịch bản với đê biển hiện tại ..............136 Hình 4.37. Lượng nước nhạt TCN qp theo kịch bản A2 khi nâng cấp đê biển ............137 Hình 4.38. Lượng nước nhạt TCN qp theo các kịch bản khi nâng cấp đê biển ...........138
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của Luận án Thái Bình là một tỉnh ven biển nằm ở đồng bằng châu thổ sông Hồng, là hành lang cận kề với tam giác phát triển kinh tế trọng điểm Bắc Bộ, Hà Nội - Hải Phòng - Quảng Ninh. Thái Bình được bao bọc bởi hệ thống sông, biển khép kín với đường bờ biển chạy dài trên 50 km. Thái Bình là một tỉnh có vị trí địa lý khá thuận lợi, được xem là một trong các khu vực có nhiều tiềm năng, có nhiều lợi thế về điều kiện tự nhiên để phát triển sản xuất, đặc biệt là nông nghiệp. Tuy nhiên, do nằm gần biển, nên tài nguyên nước nhạt dưới đất ở đây có trữ lượng không lớn. Các tầng chứa nước có đặc điểm thuỷ địa hoá rất phức tạp. Nước mặn và nước nhạt phân bố xen nhau không có quy luật gây khó khăn rất nhiều cho việc khai thác và sử dụng nước của cư dân trong tỉnh. Trong những năm vừa qua, bên cạnh những thuận lợi do sự phát triển của kinh tế và xã hội đem lại cho địa phương thì sức ép đến môi trường tự nhiên cũng rất lớn, trong đó có môi trường nước dưới đất. Hiện tượng nhiễm mặn và nhiễm bẩn các tầng chứa nước tăng lên theo thời gian. Hơn nữa ngày nay vấn đề Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đang ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường nói chung và tài nguyên nước nói riêng. Biến đổi khí hậu làm gia tăng tần suất các trận bão, làm cho nước biển xâm nhập sâu vào đất liền, thu hẹp diện tích đất nông nghiệp, mặn hóa nước mặt và nước dưới đất, suy giảm chất lượng và trữ lượng nước phục vụ sinh hoạt… Những thách thức về thiếu nước, khan hiếm nước nhạt hay nhiễm mặn nguồn nước đang trở thành vấn đề cấp bách tại Thái Bình. Xuất phát từ thực tiễn trên, vấn đề “Nghiên cứu và dự báo ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất tỉnh Thái Bình” là rất cấp thiết để đánh giá sự thay đổi trữ lượng, chất lượng nước dưới đất khu vực nghiên cứu và xây dựng kế hoạch ứng phó với sự xâm nhập mặn do Biến đổi khí hậu và nước biển dâng gây ra cho địa phương. 2. Mục đích - Phân vùng cấu trúc Địa chất thủy văn và mối quan hệ giữa các tầng chứa nước với các yếu tố khí hậu, nước biển và hiện trạng khai thác; - Đánh giá vai trò của khí hậu, nước biển dâng và hoạt động khai thác của con người đến sự thay đổi chất lượng và trữ lượng nước dưới đất khu vực nghiên cứu;
2 - Dự báo tác động của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng theo các kịch bản trong tương lai đến tầng chứa nước Holocen và Pleistocen, từ đó tính toán trữ lượng nước nhạt của các TCN khu vực nghiên cứu. Đề xuất các giải pháp bảo vệ, khai thác và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước dưới đất. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: nước dưới đất tầng chứa nước Holocen và Pleistocen tỉnh Thái Bình trước tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng; - Phạm vi nghiên cứu: diện phân bố nước nhạt trong tầng chứa nước Holocen và Pleistocen tỉnh Thái Bình. 4. Nội dung nghiên cứu Để dự báo ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng, cần thực hiện một số nội dung nghiên cứu sau: - Nghiên cứu cấu trúc địa chất, địa chất thủy văn để làm rõ sự hình thành các trầm tích, thành phần thạch học, sự phân bố các TCN, nguồn gốc hình thành vùng nước nhạt trong tầng chứa nước cũng như mối quan hệ thủy lực giữa các tầng chứa nước với nhau và phân vùng cấu trúc địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu; - Nghiên cứu quá trình hình thành các tầng chứa nước chính trong khu vực cùng sự phân bố mặn – nhạt của chúng làm cơ sở đánh giá tác động của sự dâng cao mực nước biển, sự thay đổi lượng mưa, lượng bốc hơi đến quá trình dịch chuyển ranh giới mặn – nhạt nước dưới đất khu vực nghiên cứu; - Nghiên cứu mối quan hệ thủy lực giữa nước dưới đất với nước mưa, nước mặt thông qua sự dao động mực nước và chất lượng nước dưới đất. Thiết lập đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nước dưới đất với nước mưa, nước biển để xác định phương trình tương quan tính toán lượng bổ cập của mưa, nước sông, nước biển cùng sự thất thoát do quá trình khai thác nước dưới đất đến sự hòa tan, khuếch tán lan truyền mặn trong các tầng chứa nước... - Phân vùng chịu ảnh hưởng của nước mưa, nước mặt đến nước dưới đất từ đó đánh giá mức độ ảnh hưởng của chúng đến sự thay đổi chất lượng và trữ lượng nước dưới đất khu vực nghiên cứu;
3 - Dự báo ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất tỉnh Thái Bình trong đó sử dụng mô hình VISUAL MODFLOW với phần mềm SEAWAT để mô phỏng sự biến đổi ranh giới mặn – nhạt nước dưới đất cùng trữ lượng nước nhạt theo thời gian tại khu vực nghiên cứu; - Phân vùng cảnh báo những khu vực có nguy cơ nhiễm mặn do ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng, từ đó đề xuất giải pháp quản lý, khai thác, bảo vệ nguồn tài nguyên nước. 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1. Cách tiếp cận Để giải quyết nội dung nghiên cứu, dự báo ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất của tỉnh Thái Bình, tác giả đã đưa ra các cách tiếp cận vấn đề như sau: - Tiếp cận lý thuyết: vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất đã được thực hiện ở nhiều nghiên cứu trên thế giới và bước đầu tại Việt Nam. Hiện nay, hầu hết các công trình nghiên cứu khoa học trên thế giới và tại Việt Nam đều tập trung đánh giá cho các vùng đồng bằng ven biển. Sở dĩ như vậy là vì các tầng chứa nước ở các vùng ven biển thường bị nhiễm mặn khá nhiều do xâm nhập của nước biển và là những vùng chịu tác động trực tiếp của nước biển dâng. Do đó, việc tiếp cận lý thuyết được thực hiện để xây dựng phương pháp luận cơ bản đồng thời đưa ra được những nội dung và phương pháp nghiên cứu cụ thể cho khu vực nghiên cứu. Từ đó đưa ra giải pháp cũng như hướng nghiên cứu hợp lý và khả thi. - Tiếp cận các kết quả nghiên cứu trước đó: việc nghiên cứu về điều kiện địa chất, địa chất thủy văn, các đánh giá về trữ lượng, chất lượng nước mặn – nhạt, phân tích sự hình thành nước nhạt trong quá khứ, điều tra hiện trạng khai thác,... đã được thực hiện trên toàn vùng với nhiều nghiên cứu khác nhau cùng các công trình khai thác lớn nhỏ sẽ là cơ sở khoa học và thực tiễn giúp tác giả có được nguồn tài liệu cơ sở, giảm khối lượng khảo sát, đánh giá được quá trình hình thành ranh giới mặn – nhạt của nước dưới đất cùng diễn biến sự dịch chuyển ranh giới theo thời gian. Tác giả
4 còn sử dụng các kết quả nghiên cứu về khí hậu, nước biển để nghiên cứu, đánh giá diễn biến thay đổi điều kiện khí hậu từ quá khứ đến nay. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trước đây kết hợp với những biến đổi khí hậu và nước biển dâng hiện nay cùng các hoạt động kinh tế của con người để mô phỏng, dự báo sự thay đổi ranh giới mặn – nhạt của nước dưới đất theo thời gian; - Tiếp cận thực tế: điều tra khảo sát thực địa nhằm đánh giá cấu trúc địa chất cùng các thông số địa chất thủy văn, hiện trạng phân bố mặn – nhạt nước dưới đất khu vực nghiên cứu. Quan trắc mực nước dưới đất, mực nước sông, biển cùng các điều kiện khí hậu (lượng mưa, lượng bốc hơi) trong khu vực nghiên cứu để xây dựng mối quan hệ thủy lực giữa các yếu tố với nhau, tính toán lượng bổ cập cho các TCN, phân vùng chịu tác động của các nhân tố khí hậu, thủy văn. Đây là cách tiếp cận kinh điển trong nghiên cứu địa chất thủy văn và đánh giá những tác động của khí hậu, nước biển dâng đến nước dưới đất. - Tiếp cận các phương pháp điều tra, đánh giá hiện đại, tiên tiến: việc nghiên cứu, đánh giá tài nguyên nước dưới đất theo diện và theo chiều sâu đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới và trong nước nghiên cứu thực hiện [1, 8, 13, 22, 42, 53, 67, 69, 72, 73, 74, 81, 86, 88, 97, 100...]. Ngoài việc tiếp cận lý thuyết, cần tiếp cận các phương pháp đánh giá hiện đại để dự báo ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Trong đó việc tiếp cận với các phương pháp tính toán, mô hình số hiện đại đang được sử dụng trên thế giới và tại Việt Nam để mô phỏng, dự báo quá trình xâm nhập mặn vào các TCN ven biển. Do đó, việc tiếp cận và áp dụng các phương pháp này sẽ đem lại kết quả cao, phù hợp với nội dung nghiên cứu. 5.2. Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết các vấn đề nêu trên tác giả đã sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp thu thập và chỉnh lý tài liệu: thu thập tài liệu địa hình, địa mạo, địa chất, địa chất thủy văn, khí hậu (lượng mưa, lượng bốc hơi), thủy văn (mực nước biển, mực nước sông), các công trình nghiên cứu, tài liệu quan trắc mực nước dưới đất, nước sông, nước biển theo thời gian của tỉnh Thái Bình, tài liệu về sự biến
5 đổi khí hậu và nước biển dâng tỉnh Thái Bình. Thu thập Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng của Bộ Tài nguyên và Môi trường trong đó có tỉnh Thái Bình. Thu thập các thông tin về hiện trạng sử dụng đất, xác định tỷ lệ vùng đất trống, vùng không thấm nước, vùng nước mặt, thảm thực vật... để đánh giá khả năng thấm của nước mưa xuống nước dưới đất. - Phương pháp kế thừa/chuyên gia: sử dụng các kết quả đã được nghiên cứu ở trên thế giới và Việt Nam làm cơ sở để nghiên cứu cho vùng Thái Bình. Ngoài ra, thường xuyên trao đổi, học tập từ các chuyên gia, các nhà khoa học thông qua các buổi hội thảo chuyên đề để tiếp thu, học hỏi bổ sung thêm kiến thức chuyên môn; - Phương pháp khảo sát thực địa: tiến hành các lộ trình quan trắc đánh giá chất lượng môi trường nước dưới đất, sự phân bố TDS trên toàn tỉnh để chính xác lại ranh giới mặn – nhạt của nước dưới đất làm cơ sở dự báo dịch chuyển ranh giới này dưới tác động của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Thực hiện một số thí nghiệm hiện trường làm cơ sở dự báo, đánh giá ảnh hưởng của nước sông, nước biển đến nước dưới đất khu vực nghiên cứu. Khảo sát thực địa thu thập thông tin chung về hiện trạng khai thác sử dụng nước dưới đất; - Phương pháp thống kê: thống kê các kết quả khảo sát thực địa, phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm cùng các kết quả thu thập về mực nước, chất lượng mặn – nhạt nước dưới đất, số liệu mưa, bốc hơi, mực nước sông – biển để đánh giá chất lượng nước dưới đất và nghiên cứu mối quan hệ giữa khí hậu, nước sông, nước biển với nước dưới đất; - Phương pháp thủy địa hóa/thủy động lực: nghiên cứu, đánh giá mức độ, khả năng nhiễm mặn, các thông số địa chất thủy văn có liên quan tới khả năng di chuyển vật chất trong môi trường nước dưới đất; - Phương pháp mô hình hóa: sử dụng mô hình GMS, MODFLOW, SEAWAT... để xây dựng mô hình dòng chảy tầng chứa nước Holocen và Pleistocen. Mô phỏng sự phân bố, dự báo sự thay đổi về trữ lượng và dịch chuyển ranh giới mặn nhạt trong vùng nghiên cứu theo thời gian tương ứng với các kịch bản Biến đổi khí hậu và nước biển dâng trong điều kiện khai thác theo thời gian.
6 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án 6.1. Ý nghĩa khoa học - Luận án đã đưa ra phương pháp luận nghiên cứu về ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất trong đó tập trung đánh giá tác động của lượng mưa và sự dâng lên của nước biển đến sự dịch chuyển ranh giới mặn – nhạt nước dưới đất khu vực ven biển; - Luận án đã đánh giá được quan hệ của các nhân tố khí hậu, mực nước sông, biển đến nước dưới đất khu vực nghiên cứu. Trong đó, nước sông - biển có quan hệ với nước dưới đất theo quy luật tuyến tính ở phạm vi 1,5 km so với bờ biển, càng vào sâu trong đất liền mức độ ảnh hưởng giảm dần. Nước mưa có ảnh hưởng đến toàn bộ tầng chứa nước qh với lượng bổ cập thay đổi tùy thuộc đặc trưng thạch học, khả năng thấm nước và diện tích sử dụng đất khu vực nghiên cứu; - Luận án đã dự báo được sự thay đổi ranh giới mặn – nhạt nước dưới đất ở 2 tầng chứa nước Holocen, Pleistocen theo các kịch bản Biến đổi khí hậu và nước biển dâng trong cả 2 trường hợp đê biển hiện tại và có nâng cấp hệ thống đê biển. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn Căn cứ trên kết quả đánh giá hiện trạng phân bố mặn – nhạt nước dưới đất, luận án đã xác định được định hướng quy hoạch khai thác hợp lý cho từng khu vực trong tỉnh đối với cả 2 tầng chứa nước qh, qp đồng thời đề xuất các giải pháp giảm thiểu, bảo vệ nhằm khai thác và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên này. 7. Luận điểm bảo vệ - Luận điểm 1: Tầng chứa nước Holocen chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi nước mưa và nước sông, biển trong phạm vi 1,5 đến 3,0 km so với đường bờ với quan hệ tuyến tính. Lượng mưa tăng, lượng bổ cập cho tầng chứa nước qh trung bình ước tính khoảng 0,0003 m/ng đã góp phần rửa mặn nước dưới đất với diện tích mặn thu hẹp khoảng 180 km2 so với năm 1996. Tầng chứa nước Pleistocen không chịu ảnh hưởng của nước mưa mà chịu tác động trực tiếp của hoạt động khai thác nước dưới đất và một phần của quá trình thấm xuyên từ TCN qh xuống với lượng thấm trung bình khoảng
7 2,03.10-7 ÷ 6,3.10-7 m/ng. TCN qp cũng chỉ chịu ảnh hưởng của nước sông, biển trong phạm vi từ 1,5 đến 2,0 km so với đường bờ qua con đường truyền áp. - Luận điểm 2: Biến đổi khí hậu và nước biển dâng ảnh hưởng trực tiếp đến tầng chứa nước Holocen. Tùy theo đặc trưng của tầng chứa nước, hiện trạng sử dụng đất và đê điều, diện tích vùng nước nhạt TCN qh tính đến năm 2100 theo kịch bản phát thải A2 bị thu hẹp khoảng 109,7 km2 trong trường hợp đê biển hiện tại và 42,9 km2 khi nâng cấp hệ thống đê biển, dẫn đến sự suy giảm trữ lượng nước nhạt trên toàn tỉnh trong tương lai. Tuy nhiên, TCN qp ít chịu ảnh hưởng của BĐKH&NBD mà chủ yếu chịu tác động của hoạt động khai thác nước dưới đất với diện tích vùng nước nhạt bị thu hẹp khoảng 25 km2 tính đến năm 2100 và tập trung ở khu vực phía Bắc của tỉnh. 8. Những điểm mới của Luận án - Chính xác ranh giới mặn nhạt nước dưới đất bằng các kết quả khảo sát, đo đạc, phân tích thành phần hóa học của nước trên toàn tỉnh nhằm đánh giá sự thay đổi của chúng so với những nghiên cứu trước đây. Trong đó, diện tích vùng nước mặn trên toàn tỉnh của TCN qh năm 2014 thu hẹp khoảng 180 km2 so với kết quả nghiên cứu đã thực hiện năm 1996 của Lại Đức Hùng; - Luận án đã đánh giá, phân vùng nước dưới đất những khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp của nước sông - biển, nước mưa và xây dựng các phương trình tuyến tính biểu diễn mối tương quan giữa nước dưới đất với sự thay đổi khí hậu, nước biển dâng. Trong đó, TCN qh chịu ảnh hưởng trực tiếp của nước mưa đặc biệt ở những khu vực có khả năng thấm nước tốt và nước sông, biển trong phạm vi 1,5 ÷ 3,0 km so với đường bờ. Còn TCN qp ít chịu ảnh hưởng của nước mưa mà chủ yếu chịu tác động gián tiếp của nước sông, biển qua truyền áp trong phạm vi 1,5 ÷ 2,0 km so với đường bờ và hoạt động khai thác nước dưới đất; - Áp dụng mô hình không gian 3 chiều SEAWAT để dự báo tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất khu vực nghiên cứu dựa vào đặc trưng của các thông số địa chất thủy văn, đặc điểm và chất lượng các tầng chứa nước cùng kịch bản về sự thay đổi khí hậu, dâng cao của nước biển theo thời gian. Theo kết
8 quả dự báo, BĐKH&NBD ảnh hưởng trực tiếp đến TCN qh, thu hẹp diện tích vùng nước nhạt khu vực ven biển, giảm trữ lượng nước nhạt cho toàn vùng. Tuy nhiên, TCN qp ít chịu tác động của BĐKH&NBD mà chủ yếu ảnh hưởng của hoạt động khai thác nước dưới đất, thu hẹp diện tích nước nhạt ở khu vực phía Bắc của tỉnh. Từ đó nghiên cứu đã tính toán trữ lượng nước nhạt ở cả 2 tầng chứa nước và đưa ra định hướng khai thác phù hợp cho nước dưới đất khu vực nghiên cứu. 9. Cơ sở tài liệu 9.1. Tài liệu thu thập Để đánh giá ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến nước dưới đất khu vực nghiên cứu, tác giả đã thu thập một số tài liệu từ các nghiên cứu đã thực hiện từ trước cùng các đề tài, dự án khác nhau, bao gồm: - Tài liệu địa hình, địa mạo, địa chất, địa chất thủy văn, kết quả bơm hút nước thí nghiệm xác định tính thấm của tầng chứa nước qp, các số liệu quan trắc mực nước, chất lượng nước theo thời gian tại 08 lỗ khoan quan trắc tỉnh Thái Bình thuộc Trung tâm quy hoạch và điều tra tài nguyên nước quốc gia. Thu thập thêm các kết quả đánh giá chất lượng nước từ Viện Địa lý - Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam, Sở Tài nguyên và môi trường tỉnh Thái Bình với khoảng 50 mẫu thí nghiệm cho cả 2 tầng chứa nước; - Tài liệu khảo sát địa chất, địa chất thủy văn và địa chất công trình với hơn 100 lỗ khoan trên toàn tỉnh theo tuyến vuông góc với đường bờ biển và theo diện từ kết quả thành lập Bản đồ Địa chất thủy văn của Lại Đức Hùng cùng các thí nghiệm hiện trường, tác giả đã nghiên cứu, xây dựng sơ đồ cấu trúc địa chất thủy văn của tỉnh; - Tài liệu quan trắc về thuỷ văn (mực nước biển, mực nước sông), điều kiện khí hậu (lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm, độ bốc hơi) từ năm 1960 đến nay tại Trung tâm khí tượng thủy văn quốc gia trong khu vực để xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố này với các thông số địa chất thủy văn; - Thông tin về hiện trạng sử dụng đất, tỷ lệ vùng đất trống, vùng không có khả năng thấm nước, vùng nước mặt, thảm thực vật... để đánh giá khả năng thấm của