Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:161

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan nghiên cứu cân bằng nước lưu vực sông; Đặc điểm vùng nghiên cứu, phân vùng cân bằng nước và xác định các thành phần tham gia cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy; Đánh giá cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy; Đề xuất phương án khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TỐNG THANH TÙNG NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - SÔNG ĐÁY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TỐNG THANH TÙNG NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - SÔNG ĐÁY Ngành: Kỹ thuật địa chất Mã số: 9520501 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. NGUYỄN THỊ THANH THUỶ 2. TS. NGUYỄN BÁCH THẢO Hà Nội - Năm 2024
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Luận án Tống Thanh Tùng
ii LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện và hoàn thành tại Bộ môn Địa chất thủy văn, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Thị Thanh Thủy và TS. Nguyễn Bách Thảo. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến các thầy, cô đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho NCS hoàn thành luận án của mình. Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, viết luận án, tác giả luôn nhận được sự động viên tinh thần cùng sự hướng dẫn tận tình của Tiểu ban hướng dẫn, các thầy cô trong Bộ môn Địa chất thủy văn và các thầy, cô trong Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Bên cạnh đó NCS còn được tạo điều kiện và sự hỗ trợ của các anh, chị chuyên viên phòng Đào tạo Sau đại học và đặc biệt là sự trợ giúp của Lãnh đạo, đồng nghiệp cơ quan. NCS chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu đó. Trong quá trình làm luận án, NCS cũng nhận được sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến từ nhiều nhà khoa học là PGS.TS. Đoàn Văn Cánh, PGS.TS. Nguyễn Văn Lâm, PGS.TS. Phạm Quý Nhân, TS. Đặng Đình Phúc, PGS.TS. Nguyễn Tiền Giang, PGS.TS. Trần Kim Châu… và nhiều cá nhân khác. NCS xin chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu của các nhà khoa học, các cá nhân trên. NCS xin cảm ơn những người thân yêu trong gia đình đã luôn gần gũi, chia sẻ, cảm thông và động viên kịp thời để NCS có thể tập trung thời gian cho việc hoàn thành chương trình học của mình. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tác giả Luận án Tống Thanh Tùng
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................................................... vii DANH MỤC HÌNH VẼ...........................................................................................................viii MỞ ĐẦU....................................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của luận án ...................................................................................1 2. Mục tiêu của luận án ...........................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ...................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................2 5. Những điểm mới của luận án ..............................................................................3 6. Luận điểm bảo vệ................................................................................................3 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .........................................................4 8. Cơ sở tài liệu của luận án ....................................................................................4 9. Cấu trúc của luận án............................................................................................5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG .. 6 1.1. Khái quát về cân bằng nước.............................................................................6 1.2. Tổng quan nghiên cứu phân vùng cân bằng nước ...........................................7 1.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước ..........................................................................7 1.2.2. Các nghiên cứu ở trong nước ......................................................................10 1.3. Tổng quan nghiên cứu tính toán cân bằng nước lưu vực sông ......................15 1.3.1. Các nghiên cứu ngoài nước ........................................................................16 1.3.2. Các nghiên cứu ở trong nước ......................................................................19 1.4. Tiểu kết chương 1 ..........................................................................................23 CHƯƠNG 2. ĐẶC ĐIỂM VÙNG NGHIÊN CỨU, PHÂN VÙNG CÂN BẰNG NƯỚC VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN THAM GIA CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY ................................................................................................................ 26
iv 2.1. Đặc điểm vùng nghiên cứu ............................................................................26 2.1.1. Vị trí địa lý ..................................................................................................26 2.1.2. Đặc điểm khí hậu ........................................................................................27 2.1.3. Đặc điểm tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy ................................30 2.2. Nguyên tắc, cơ sở phân vùng tính toán cân bằng nước .................................38 2.3. Phân vùng cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy ....................................40 2.3.1. Phân chia các tiểu lưu vực ..........................................................................40 2.3.2. Đặc điểm cấu trúc địa chất thủy văn, sơ đồ thủy động lực, hướng vận động nước dưới đất, vùng cấp và thoát của nước dưới đất ............................................42 2.3.3. Hiện trạng các công trình khai thác sử dụng nước, công trình tiêu thoát nước; vùng tưới, vùng tiêu thoát nước, vùng cấp nước và phạm vi chịu tác động của các công trình khai thác sử dụng nước ........................................................................46 2.3.4. Đặc điểm hiện trạng chất lượng môi trường các nguồn nước ....................48 2.4. Kết quả phân vùng cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy .......................50 2.5. Xác định các thành phần tham gia cân bằng nước ........................................53 2.6. Tiểu kết chương 2 ..........................................................................................57 CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY ....... 58 3.1. Cơ sở lý thuyết mô hình tính toán cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy58 3.1.1. Mô hình thủy văn nước mặt SWAT ...........................................................60 3.1.2. Mô hình dòng chảy nước dưới đất (Modflow) ...........................................61 3.1.3. Mô hình SWAT - MODFLOW ..................................................................62 3.2. Xây dựng mô hình xác định các thành phần cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy .....................................................................................................................65 3.2.1. Xây dựng mô hình thủy văn SWAT ...........................................................65 3.2.2. Xây dựng mô hình dòng chảy nước dưới đất .............................................82 3.3. Kết quả đánh giá cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy ..........................90 3.3.1. Cân bằng nước trong vùng 1.......................................................................90 3.3.2. Cân bằng nước trong vùng 2.......................................................................96 3.3.3. Cân bằng nước trong vùng 3.....................................................................101
v 3.3.4. Cân bằng nước trong vùng 4.....................................................................106 3.3.5. Cân bằng nước trong vùng 5.....................................................................111 3.3.6. Cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy ........................................116 3.4. Tiểu kết chương 3 ........................................................................................120 CHƯƠNG 4. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KHAI THÁC SỬ DỤNG HỢP LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY ........................................................ 121 4.1. Xác định các đặc trưng thành phần cân bằng nước LVS Nhuệ - Đáy .........121 4.2. Các phương án khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước..........................125 4.2.1. Điều chỉnh vận hành, bổ sung các công trình điều tiết, khai thác nước mặt ............................................................................................................................126 4.2.2. Điều chỉnh vận hành, bổ sung các công trình khai thác nước dưới đất ....127 4.2.3. Mô hình điều tiết, phân bổ tài nguyên nước .............................................130 4.3. Định hướng khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước...............................131 4.3.1. Định hướng khai thác sử dụng, vùng cân bằng nước 1 ............................132 4.3.2. Định hướng khai thác sử dụng, vùng cân bằng nước 2 ............................132 4.3.3. Định hướng khai thác sử dụng, vùng cân bằng nước 3 ............................133 4.3.4. Định hướng khai thác sử dụng, vùng cân bằng nước 4 ............................134 4.3.5. Định hướng khai thác sử dụng, vùng cân bằng nước 5 ............................135 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................................ 136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ.............................. 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 140
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TNMT Tài nguyên môi trường ĐCCT Địa chất công trình ĐCTV Địa chất thủy văn HSTQ Hệ số tương quan KTTV Khí tượng thủy văn KHCN Khoa học công nghệ LK Lỗ khoan LKQT Lỗ khoan quan trắc MN Mực nước NCS Nghiên cứu sinh NDĐ Nước dưới đất NMN Nhà máy nước TCN Tầng chứa nước TB Trung bình DEM Mô hình số độ cao GIS Hệ thống thông tin địa lý GPS Hệ thống định vị toàn cầu GT Công nghệ không gian địa lý LVS Lưu vực sông LVSCL Lưu vực sông Cửu Long TNHH Trách nhiệm hữu han
vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Nhiệt độ tháng trung bình nhiều năm tại các trạm lưu vực sông Nhuệ - Đáy . 27 Bảng 2.2. Bốc hơi tháng trung bình nhiều năm tại các trạm lưu vực sông Nhuệ - Đáy .. 28 Bảng 2.3. Độ ẩm tháng trung bình nhiều năm tại các trạm lưu vực sông Nhuệ - Đáy .... 28 Bảng 2.4. Tổng số giờ nắng trung bình nhiều năm tại các trạm lưu vực sông Nhuệ - Đáy ................................................................................................................................................ 29 Bảng 2.5. Lượng mưa tháng trung bình nhiều năm tại các trạm lưu vực sông Nhuệ - Đáy ................................................................................................................................................ 29 Bảng 3.1. Đặc điểm của các mô hình thủy văn có khả năng phù hợp trong nghiên cứu . 58 Bảng 3.2. Danh sách trạm đo khí tượng, đo mưa sử dụng trong mô hình SWAT ........... 69 Bảng 3.3. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình tại trạm thủy văn Lâm Sơn ........... 71 Bảng 3.4. Kết quả kiểm tra sự phù hợp của mô hình SWAT cho vùng cân bằng 2, vùng cân bằng 4, vùng cân bằng 5 ................................................................................................ 73 Bảng 3.5. Đặc trưng dòng chảy năm tại trạm lưu vực sông Đáy ...................................... 74 Bảng 3.6. Đặc trưng dòng chảy năm theo 05 vùng cân bằng nước lưu vực sông Đáy .... 75 Bảng 3.7. Hiện trạng tưới lưu vực sông Đáy ...................................................................... 76 Bảng 3.8. Tổng hợp hiện trạng tiêu lưu vực sông Đáy ...................................................... 79 Bảng 3.9. Tổng hợp hiệng trạng cống lấy nước của lưu vực sông Đáy ............................ 81 Bảng 3.10. Tổng hợp hiệng trạng cống tiêu nước của lưu vực sông Đáy......................... 82 Bảng 3.11. Định lượng các thành phần trong cân bằng nước vùng 1 ............................... 94 Bảng 3.12. Tỷ lệ đóng góp của các thành phần trong cân bằng nước vùng 1 .................. 95 Bảng 3.13. Định lượng các thành phần trong cân bằng nước vùng 2 ............................... 99 Bảng 3.14. Tỷ lệ đóng góp của các thành phần trong cân bằng nước vùng 2 ................ 100 Bảng 3.15. Định lượng các thành phần trong cân bằng nước vùng 3 ............................. 104 Bảng 3.16. Tỷ lệ đóng góp của các thành phần trong cân bằng nước vùng 3 ................ 104 Bảng 3.17. Định lượng các thành phần trong cân bằng nước vùng 4 ............................. 109 Bảng 3.18. Tỷ lệ đóng góp của các thành phần trong cân bằng nước vùng 4 ................ 110 Bảng 3.19. Định lượng các thành phần trong cân bằng nước vùng 5 ............................. 114 Bảng 3.20. Tỷ lệ đóng góp của các thành phần trong cân bằng nước vùng 5 ................ 115
viii Bảng 3.21. Định lượng các thành phần trong cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy .............................................................................................................................................. 118 Bảng 3.22. Tỷ lệ đóng góp của các thành phần trong cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy....................................................................................................................................... 119 Bảng 4.1. Tổng hợp nhu cầu sử dụng nước trong lưu vực sông Nhuệ - Đáy ................. 124 Bảng 4.2. Các bãi giếng bổ sung theo phương án đề xuất ............................................... 128 Bảng 4.3. Kết quả tính tính trữ lượng khai thác dự báo theo phương án đề xuất ........... 129 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Bồn thu nước mặt .................................................................................................. 10 Hình 1.2. Sơ đồ quá trình nghiên cứu của Luận án ............................................................ 25 Hình 2.1. Sơ đồ vị trí địa lý lưu vực sông Nhuệ - Đáy....................................................... 26 Hình 2.2. Đồ thị quan hệ mực nước (a) và tương quan mực nước (b) giữa lỗ khoan quan trắc Q.67 tại Tứ Liên - Tây Hồ với mực nước sông Hồng tại trạm Q.SH1 ...................... 33 Hình 2.3. Đồ thị quan hệ mực nước (a) và tương quan mực nước (b) giữa lỗ khoan quan trắc Q.75 tại Hà Đông - Hà Nội với mực nước sông Đáy.................................................. 34 Hình 2.4. Đồ thị quan hệ (a) và tương quan mực nước (b) giữa lỗ khoan quan trắc Q.67a tại Tây Hồ - Hà Nội với mực nước sông Hồng .................................................................. 36 Hình 2.5. Sơ đồ địa chất thủy văn lưu vực sông Nhuệ - Đáy ............................................ 38 Hình 2.6. Địa hình lưu vực sông Nhuệ - Đáy ..................................................................... 41 Hình 2.7. Sơ đồ phân chia các tiểu lưu vực sông Nhuệ - Đáy ........................................... 42 Hình 2.8. Sơ đồ khối cấu trúc địa chất thủy văn lưu vực sông Nhuệ - Đáy...................... 43 Hình 2.9. Sơ đồ địa chất thủy văn trước Đệ tứ lưu vực sông Nhuệ - Đáy ........................ 43 Hình 2.10. Sơ đồ phân vùng mực nước tầng qh tháng 4-2022 .......................................... 44 Hình 2.11. Sơ đồ phân vùng mực nước tầng qp tháng 4-2022 .......................................... 44 Hình 2.12. Hiện trạng công trình và đê kè trên LVS Nhuệ - Đáy ..................................... 47 Hình 2.13. Hiện trạng các hệ thống thủy lợi, đê điều LVS Nhuệ - Đáy ........................... 47 Hình 2.14. Sơ đồ phân chia vùng tưới tiêu thủy lợi khu vực đồng bằng LVS Nhuệ - Đáy ................................................................................................................................................ 48
ix Hình 2.15. Sơ đồ phân bố mặn - nhạt tầng chứa nước qh LVS Nhuệ - Đáy .................... 49 Hình 2.16. Sơ đồ phân bố mặn - nhạt tầng chứa nước qp LVS Nhuệ - Đáy .................... 49 Hình 2.17. Sơ đồ phân vùng cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy............................ 53 Hình 2.18. Mô tả khái niệm về cân bằng nước (Unnikrishna, P. V., 2002)...................... 54 Hình 2.19. Các thành phần tham gia cân bằng nước lưu vực sông (phát triển từ Bizottság, E. (2015))............................................................................................................................... 55 Hình 3.1. Tổng quan mô hình tích hợp SWAT – MODFLOW ........................................ 63 Hình 3.2. Sơ đồ tương tác giữa nước mặt-nước dưới đất trong SWAT-MODFLOW .... 64 Hình 3.3. Quá trình tương tác giữa mô hình SWAT và mô hình MODFLOW ............... 65 Hình 3.4. Bản đồ mô hình số độ cao (DEM) lưu vực nghiên cứu..................................... 67 Hình 3.5. Thiết lập tiểu lưu vực (05 phân vùng) và mạng sông trong SWAT bằng Shapefile chuẩn bị sẵn ở ngoài ............................................................................................................. 67 Hình 3.6. Bản đồ mạng lưới trạm KTTV lưu vực sông Nhuệ - Đáy ................................ 70 Hình 3.7. Tiến trình chạy mô hình SWAT cho lưu vực nghiên cứu ................................. 70 Hình 3.8. Thiết lập và khởi chạy mô hình SWAT cho lưu vực sông Nhuệ - Đáy ........... 71 Hình 3.9. Hiệu chỉnh - trạm Lâm Sơn ................................................................................. 72 Hình 3.10. Kiểm định -Trạm Lâm Sơn ............................................................................... 72 Hình 3.11. Tương quan - trạm Lâm Sơn (HC) ................................................................... 72 Hình 3.12. Tương quan - trạm Lâm Sơn (KĐ) ................................................................... 72 Hình 3.13. Lượng dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 2 . 73 Hình 3.14. Tương quan dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 2.............................................................................................................................................. 73 Hình 3.15. Lượng dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 4 . 73 Hình 3.16. Tương quan dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 4.............................................................................................................................................. 73 Hình 3.17. Lượng dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 5 . 73 Hình 3.18. Tương quan dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 5.............................................................................................................................................. 73 Hình 3.19. Sơ đồ phạm vi xây dựng mô hình dòng chảy nước dưới đất LVS Nhuệ - Đáy
x ................................................................................................................................................ 83 Hình 3.20. Sơ đồ khối cấu trúc các lớp trong mô hình....................................................... 84 Hình 3.21. Sơ đồ phân vùng hệ số thấm lớp 2 (tầng chứa nước qh) ................................. 85 Hình 3.22. Sơ đồ phân vùng hệ số thấm lớp 4 (tầng chứa nước qp) ................................. 85 Hình 3.23. Sơ đồ phân vùng hệ số thấm lớp 5 (tầng chứa nước khe nứt)......................... 86 Hình 3.24. Sơ đồ vị trí các giếng khai thác nước trong khu vực nghiên cứu được mô hình hóa.......................................................................................................................................... 86 Hình 3.25. Sơ đồ hóa điều kiện biên đối với các tầng chứa nước khu vực nghiên cứu ... 88 Hình 3.26. Đồ thị biểu diễn tính toán sai số mực nước tầng chứa nước qh của mô hình thời điểm tháng 4/2022 ................................................................................................................ 89 Hình 3.27. Đồ thị biểu diễn tính toán sai số mực nước tầng chứa nước qp của mô hình thời điểm tháng 4/2022 ................................................................................................................ 89 Hình 3.28. Đồ thị biểu diễn tính toán sai số mực nước tầng chứa nước qh của mô hình thời điểm tháng 7/2019 ................................................................................................................ 89 Hình 3.29. Sơ đồ đẳng mực nước tầng chứa nước qp thời điểm tháng 4/2022 ................ 89 Hình 3.30. Sơ đồ đẳng mực nước tầng chứa nước khe nứt thời điểm tháng 4/2022........ 89 Hình 3.31. Biểu đồ định lượng các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 1...... 92 Hình 3.32. Biểu đồ tỷ lệ đóng góp các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 1 93 Hình 3.33. Biểu đồ định lượng các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 2...... 98 Hình 3.34. Biểu đồ tỷ lệ đóng góp các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 2 98 Hình 3.35. Biểu đồ định lượng các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 3.... 103 Hình 3.36. Biểu đồ tỷ lệ đóng góp các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 3 .............................................................................................................................................. 103 Hình 3.37. Biểu đồ định lượng các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 4.... 108 Hình 3.38. Biểu đồ tỷ lệ đóng góp các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 4 .............................................................................................................................................. 108 Hình 3.39. Biểu đồ định lượng các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 5.... 113 Hình 3.40. Biểu đồ tỷ lệ đóng góp các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 5 .............................................................................................................................................. 113
xi Hình 3.41. Biểu đồ định lượng các thành phần tham gia vào cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy .......................................................................................................................... 117 Hình 3.42. Biểu đồ tỷ lệ đóng góp của các thành phần tham gia vào cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy ................................................................................................................. 117 Hình 4.1. Đồ thị biểu diễn tổng nhu cầu sử dụng nước tại các vùng cân bằng nước ..... 124 Hình 4.2. Đề xuất mô hình phân bổ nước (WD Vichete et.al, 2023).............................. 131
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Lưu vực sông Nhuệ - Đáy là một lưu vực sông tương đối lớn của nước ta, có vai trò vô cùng quan trọng trong việc cung cấp nước cho ăn uống, sinh hoạt và phát triển kinh tế - xã hội của Thủ đô Hà Nội và các tỉnh Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình và Hòa Bình. Tuy nhiên, trong nhiều năm qua hoạt động khai thác nước mặt và nước dưới đất mãnh liệt ở khu vực Thủ đô Hà Nội và khu vực ven biển các tỉnh Nam Định, Ninh Bình đã tác động không nhỏ đến tài nguyên nước trong lưu vực, mực nước dưới đất suy giảm làm phát sinh nhiều vấn đề môi trường như sụt lún nền đất, xâm nhập mặn, gia tăng quá trình ô nhiễm nguồn nước. Một trong những vấn đề đáng quan tâm trong việc phân bổ, khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước trong lưu vực sông Nhuệ - Đáy là khai thác sử dụng nước phải phù hợp với lượng nước chảy đến của mỗi vùng theo thời gian. Để làm được điều đó thì việc nghiên cứu cân bằng tổng hợp lượng nước chảy đến, lượng nước chảy đi khỏi mỗi vùng khai thác trong lưu vực theo thời gian có ý nghĩa rất quan trọng. Trong khi đó, các kết quả nghiên cứu trước đây về tài nguyên nước trong vùng nghiên cứu chủ yếu là các bài toán riêng lẻ đối với nước mặt hoặc nước dưới đất [18] [25] [35]. Việc phân vùng cân bằng tài nguyên nước và tính toán cân bằng tổng hợp tài nguyên nước (bao gồm cả nước mặt và nước dưới đất) trong vùng nghiên cứu chưa được đề cập hoặc chưa đủ độ tin cậy để phục vụ bài toán phân bổ, khai thác sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên nước mặt và nước dưới đất phục vụ phát triển kinh tế - xã hội. Chính vì vậy việc thực hiện đề tài nghiên cứu của NCS “Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy” là cần thiết trong bối cảnh Việt Nam đang phải chịu tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng. 2. Mục tiêu của luận án - Xác định được các thành phần tham gia vào cân bằng nước (bao gồm nước mặt và nước dưới đất) lưu vực sông Nhuệ - Đáy. - Đề xuất được giải pháp khai thác sử dụng hợp lý và bảo vệ nguồn nước trong các vùng cân bằng nước đã phân chia trong lưu vực nghiên cứu.
2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án - Đối tượng nghiên cứu: Nước mưa, nước mặt trong hệ thống sông, suối, hồ chứa và nước dưới đất trong các tầng chứa nước lỗ hổng Holocen (qh), Pleistocen (qp) và các tầng chứa nước khe nứt trước Đệ tứ. - Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy bao gồm các tỉnh, thành phố: Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình và các quận, huyện phía Nam sông Hồng của thành phố Hà Nội và năm huyện của tỉnh Hòa Bình (gồm: Kỳ Sơn, Lương Sơn, Kim Bôi, Yên Thuỷ và Lạc Thuỷ). 4. Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết các nội dung nghiên cứu ở trên, NCS đã sử dụng tổ hợp các phương pháp nghiên cứu như sau: - Phương pháp thu thập, kế thừa và tổng hợp tài liệu: Thu thập các tài liệu, kết quả nghiên cứu trên thế giới và trong nước về phân vùng cân bằng nước, dự báo mực nước dưới đất bằng phương pháp xác suất thống kê và phương pháp trí tuệ nhân tạo, tính toán cân bằng tổng hợp tài nguyên nước mặt và nước dưới đất. Từ đó lựa chọn được phương pháp cũng như điều kiện áp dụng đối với vùng nghiên cứu của luận án. - Phương pháp khoan nghiên cứu địa chất thủy văn: Sử dụng phương pháp khoan thăm dò lấy mẫu xác định địa tầng địa chất thủy văn và khoan doa mở rộng để chống ống kết cấu lỗ khoan phục vụ hút nước thí nghiệm xác định các thông số địa chất thủy văn. Quá trình thực hiện đề tài luận án, tác giả đã kết hợp với Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ: “Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn xác định các thành phần trong cân bằng nước và lượng nước có thể phân bổ cho các nhu cầu sử dụng nước trên lưu vực sông”, Mã số TNMT.2018.02.05 do tác giả làm chủ nhiệm [36] đã tiến hành khoan 4 lỗ khoan trong các tầng chứa nước qh và qp tại xã Phú Nam An, huyện Chương Mỹ, TP.Hà Nội. - Phương pháp quan trắc động thái nước dưới đất: Sử dụng tài liệu quan trắc động thái nước dưới đất các lỗ khoan quan trắc thuộc mạng Quan trắc quốc gia tài nguyên nước và mạng quan trắc địa phương trong vùng nghiên cứu. Kết hợp với việc quan trắc động thái NDĐ tại 4 lỗ khoan trong năm 2021 của Đề tài do tác giả làm chủ nhiệm.
3 - Phương pháp xác suất thống kê: Được sử dụng để đánh giá mối tương quan giữa cao độ mực nước dưới đất với cao độ địa hình và xác lập phương trình tuyến tính hồi quy bội giữa cao độ mực nước dưới đất với các yếu tố khí hậu từ đó đánh giá các mối quan hệ đó. - Phương pháp trí tuệ nhân tạo: Áp dụng phương pháp mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) để huấn luyện, kiểm định, kiểm tra và dự báo cao độ mực nước dưới đất trong các tầng chứa nước khe nứt lộ trên bề mặt. - Phương pháp bản đồ và GIS: Được sử dụng để chồng chập các bản đồ thành phần theo cơ sở nguyên tắc phân vùng cân bằng nước để phân chia lưu vực nghiên cứu thành các vùng cân bằng nước và thành lập các bản đồ, bản vẽ khác trong luận án. - Phương pháp mô hình số: Sử dụng mô hình SWAT-MODFLOW để xây dựng mô hình cân bằng tài nguyên nước mặt và nước dưới đất xác định định lượng các thành phần tham gia vào cân bằng nước cho lưu vực sông Nhuệ - Đáy. - Phương pháp chuyên gia: Tham vấn ý kiến của các chuyên gia, các nhà khoa học trong lĩnh vực tài nguyên nước thông qua các cuộc hội thảo, sinh hoạt chuyên đề. 5. Những điểm mới của luận án Luận án đã nghiên cứu phân chia được 05 vùng cân bằng nước theo nguyên tắc tiếp cận quản lý tổng hợp tài nguyên nước làm cơ sở để định lượng các thành phần trong cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy. Luận án đã nghiên cứu định lượng được các thành phần chính tham gia vào cân bằng nước, tương tác giữa nước mặt và nước dưới đất sử dụng mô hình tích hợp SWAT- MODFLOW cho từng vùng cân bằng nước và toàn lưu vực sông Nhuệ - Đáy. 6. Luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Trên cơ sở tiếp cận nguyên tắc, quan điểm quản lý tổng hợp hệ thống nguồn nước; kết quả nghiên cứu đã phân chia lưu vực sông Nhuệ - Đáy thành 5 vùng cân bằng nước và xác định được các thành phần chính trong từng vùng cân bằng nước. Luận điểm 2: Đánh giá một cách định lượng các thành phần tham gia trong từng vùng cân bằng và cho toàn lưu vực sông Nhuệ - Đáy. Kết quả đã xác định cho toàn lưu
4 vực sông tổng lượng nước đến là 17,034 tỷ m3/năm, tổng lượng nước đi là 17,031 tỷ m3/năm, trong đó lượng tương tác giữa nước dưới đất và nước mặt là 331,38 triệu m3/năm và lượng nước mặt cung cấp cho nước dưới đất là 571,90 triệu m3/năm. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Ý nghĩa khoa học: Luận án đã thiết lập được hệ phương pháp và bộ công cụ mô hình toán tích hợp nước mặt, nước dưới đất SWAT-MODFLOW cho lưu vực sông Nhuệ - Đáy phục vụ đắc lực cho công tác xây dựng kịch bản nguồn nước hàng năm, phương án, kế hoạch khai thác sử dụng nước cho toàn lưu vực, cho các vùng cân bằng và 05 địa phương trong lưu vực bảo đảm điều hòa, phân phối tài nguyên nước một cách công bằng, hài hòa, hợp lý và bền vững về tài nguyên nước lưu vực sông. - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án về cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy là tài liệu tham khảo tốt cho công tác đào tạo của trường Đại học; tập huấn cho các địa phương trên phạm vi lưu vực sông Nhuệ - Đáy trong công tác quản lý tài nguyên nước. 8. Cơ sở tài liệu của luận án Luận án được hoàn thành trên cơ sở các tài liệu, số liệu của tác giả thu thập và nghiên cứu về lưu vực sông Nhuệ - Đáy trong thời gian thực hiện Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ: “Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn xác định các thành phần trong cân bằng nước và lượng nước có thể phân bổ cho các nhu cầu sử dụng nước trên lưu vực sông”, Mã số TNMT.2018.02.05 do tác giả làm chủ nhiệm [36], hoàn thành năm 2021. Các số liệu, tài liệu chính bao gồm: * Các tài liệu thu thập, kế thừa chính: - Tài liệu thu thập, tổng hợp số liệu khí tượng, khí hậu của 12 trạm khí tượng và 41 trạm đo mưa. - Tài liệu thu thập, tổng hợp số liệu thủy văn tại 12 trạm thời đoạn 1990-2022 (gồm 5 trạm đo cả mực nước và lưu lượng, 7 trạm đo mực nước). - Dữ liệu mực nước triều tại 03 trạm Như Tân, Phú Lễ, Ba Lạt và 02 trạm đo mặn Phú Lễ, Như Tân. - Tài liệu thu thập, tổng hợp địa tầng địa chất thủy văn của 752 lỗ khoan.
5 - Dữ liệu mực nước quan trắc hàng năm tại 121 công trình quan trắc tài nguyên nước quốc gia. - Kết quả hút nước thí nghiệm xác định các thông số địa chất thủy văn của 361 lỗ khoan nghiên cứu tầng chứa nước qp; 44 lỗ khoan trong tầng chứa nước qh và 130 lỗ khoan trong các tầng chứa nước khe nứt trong vùng nghiên cứu. * Các kết quả khảo sát, thí nghiệm hiện trường và trong phòng bổ sung [36]: - Thí nghiệm thấm bổ sung (Seepage) tại 8 vị trí ven sông Đáy phân bố đều trên chiều dài dòng chính sông Đáy từ huyện Phúc Thọ (đập Vân Cốc) đến huyện Chương Mỹ (trạm Ba Thá). - Kết quả khoan nghiên cứu ĐCTV tại 04 lỗ khoan tại khu vực xã Phú Nam An, huyện Chương Mỹ, TP.Hà Nội, trong đó: 02 lỗ khoan trong tầng chứa nước qh,; 02 lỗ khoan trong tầng chứa nước qp. - Kết quả quan trắc mực nước dưới đất tại 4 lỗ khoan từ tháng 9/2020 đến hết tháng 6/2021. 9. Cấu trúc của luận án Cấu trúc của luận án, ngoài phần Mở đầu, Kết luận, gồm 4 chương như sau: Chương 1. Tổng quan nghiên cứu cân bằng nước lưu vực sông Chương 2. Đặc điểm vùng nghiên cứu, phân vùng cân bằng nước và xác định các thành phần tham gia cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy Chương 3. Đánh giá cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy Chương 4. Đề xuất phương án khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy
6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG Cân bằng nước là một chủ đề nghiên cứu quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh thiếu nước trầm trọng cho cả mục đích sinh hoạt và nông nghiệp nhiều lưu vực sông của Việt Nam. Một số nghiên cứu đã đưa ra các tiêu chí phân vùng cân bằng nước và xác định thành phần tham gia cân bằng nước. Tuy nhiên, rất ít nỗ lực nghiên cứu để thu thập và nghiên cứu tổng hợp tất cả các yếu tố tự nhiên, con người để đưa ra các kết quả phân vùng tính toán được chính xác, phù hợp với thực tế hơn. Phần này xem xét những thiếu sót của các nghiên cứu trước đây về phân vùng và tính toán cân bằng nước ở Việt Nam đặc biệt là lưu vực sông Nhuệ Đáy. Ngoài ra, một đánh giá về các mô hình tính toán cân bằng nước được áp dụng trong phạm vi các lưu vực sông trong và ngoài nước được thực hiện để lựa chọn được các mô hình phù hợp với điều kiện, đặc điểm tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy. 1.1. Khái quát về cân bằng nước Cân bằng nước là công cụ quan trọng nhằm phân bổ nước, dự báo nhu cầu và quản lý cấp độ lưu vực sông, thường được áp dụng ở quy mô lưu vực hoặc tiểu lưu vực [80]. Ngoài ra, còn xác định được lượng thừa, thiếu nước cũng như đánh giá được khả năng điều tiết nước của lưu vực [43, 102]. Ngoài ra, cân bằng nước đóng một vai trò quan trọng trong việc định lượng và tính toán nguồn nước sẵn có cũng như dự đoán nhu cầu trong tương lai [78]. Cân bằng nước là một công cụ quan trọng để hiểu được việc tính toán lượng nước trong một hệ thống nước, lưu vực hoặc lưu vực nước cụ thể với khung thời gian cụ thể [80]. Nói cách khác, cân bằng nước thể hiện nghiên cứu về quản lý cung và cầu nước, phụ thuộc vào quy mô và tốc độ khai thác của dân số, nông nghiệp, công nghiệp và những người sử dụng nước nội bộ khác, và phụ thuộc rất nhiều vào sự biến động theo mùa và điều kiện khí hậu ở từng khu vực [99]. Cân bằng nước bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố có thể tác động đến việc sử dụng nước cho các lĩnh vực phát triển khác nhau. Ví dụ, thay đổi sử dụng đất quy mô lớn có thể ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy của sông và sự thay đổi độ ẩm đất theo thời gian [75]. Phương pháp cân bằng nước này hỗ trợ định lượng ý nghĩa và mối quan hệ của lượng mưa/lượng mưa, lượng bốc hơi, thoát hơi nước, dòng chảy bề mặt và nước dưới
7 đất trong lưu vực [78]. Trong nghiên cứu cân bằng nước trên thế giới hiện nay có đưa ra khái niệm về “Water Budget” (ngân sách nước), trong đó không những nghiên cứu về các thành phần cân bằng nước mà có tính đến ý nghĩa về kinh tế - xã hội trong cân bằng nước. Dưới đây trình bày 1 tài liệu về “Water Budget” cụ thể như sau: Tổng ngân sách nước là một khái niệm được đưa ra trong Bộ luật Nước California (Mục 10721): “Sự tính toán tổng lượng nước dưới đất và nước mặt vào và ra khỏi lưu vực, bao gồm cả những thay đổi về lượng nước được lưu trữ”. Tổng ngân sách nước là một bản tính toán toàn diện về tất cả các dòng vào và ra từ ba hệ thống có liên quan và tương tác lẫn nhau trong một “vùng ngân sách nước” [62] gồm (1) Hệ thống đất đai; (2) Hệ thống nước mặt; (3) Hệ thống nước dưới đất. Bên cạnh đó để tính toán cân bằng nước, trước tiên cần xác định ranh giới không gian của hệ thống thủy văn (gọi là thể tích kiểm soát) và khoảng thời gian tham chiếu [91]. 1.2. Tổng quan nghiên cứu phân vùng cân bằng nước 1.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước Lưu vực sông là phần diện tích bề mặt đất trong tự nhiên mà mọi lượng nước mưa khi rơi xuống sẽ tập trung lại và thoát vào một lối thoát thông thường hình thành sông, nhánh sông rồi đổ ra biển [109]. Còn đối với lưu vực nước dưới đất được định nghĩa là một khu vực được bao phủ bởi các vật liệu thấm có khả năng cung cấp nguồn nước dưới đất đáng kể cho giếng hoặc lưu trữ một lượng nước đáng kể [113]. Lưu vực nước dưới đất có ba chiều và bao gồm cả phạm vi bề mặt và toàn bộ vật liệu tạo ra nước ngọt dưới bề mặt. Đường phân chia nước dưới đất thường trùng với đường phân chia nước mặt và đường phân chia đó cũng thường khớp với đường thoát nước mặt trong các tầng chứa nước dạng hạt và không giới hạn, trong khi các khu vực nạp lại của tầng ngậm nước karstic và tầng chứa nước hạn chế hầu hết không trùng với các khu vực thoát nước bề mặt [121], [61], [93]. Các hệ thống Karst thường được đặc trưng bởi sự kết nối đáng kể giữa nước dưới đất và nước mặt thông qua các quá trình như tái tạo tầng chứa nước bằng cách mất các dòng suối, các mối nối đứt gãy và ống dẫn giữa nước mặt và nước dưới đất, cũng như sự đóng góp của dòng suối vào nước mặt [76], [92].