Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khai thác nước thấm lọc từ sông để phục vụ cấp nước sinh hoạt và sản xuất

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:191

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khai thác nước thấm lọc từ sông phục vụ cấp nước sinh hoạt và sản xuất" được hoàn thành với mục tiêu nhằm nghiên cứu đánh giá được tiềm năng khai thác và ứng dụng công nghệ khai thác nước thấm lọc từ sông phục vụ cấp nước sinh hoạt và sản xuất; Đánh giá được hiệu quả làm sạch nước của tầng thấm lọc ven sông.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khai thác nước thấm lọc từ sông để phục vụ cấp nước sinh hoạt và sản xuất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC NƯỚC THẤM LỌC TỪ SÔNG PHỤC VỤ CẤP NƯỚC SINH HOẠT VÀ SẢN XUẤT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC NƯỚC THẤM LỌC TỪ SÔNG PHỤC VỤ CẤP NƯỚC SINH HOẠT VÀ SẢN XUẤT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật cấp thoát nước Mã số: 9580213 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. ĐOÀN THU HÀ HÀ NỘI, NĂM 2023
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Trung Hiếu i
LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án cũng như trong những năm học vừa qua, tác giả đã nhận được sự chỉ bảo và hướng dẫn tận tâm của PGS.TS. Đoàn Thu Hà. Em xin gửi tới cô lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất. Ngoài ra, tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, cán bộ Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, Phòng đào tạo trường Đại học Thủy lợi Hà Nội, và Bộ môn Khoa học nước, Khoa xây dựng và kiến trúc, Trường khoa học Ứng dụng Dresden (HTWD) đã tận tình đóng góp ý kiến cho việc soạn thảo tài liệu Luận án tiến sĩ này. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã động viên, khuyến khích và tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập và quá trình thực hiện luận án này. ii
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................................xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... xii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................4 4. Nội dung nghiên cứu..................................................................................................4 5. Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................................5 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của kết quả nghiên cứu .........................................6 7. Cấu trúc của luận án .................................................................................................6 CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ...........................................................8 1.1 Tổng quan sử dụng nước thấm từ sông làm nguồn nước cấp ......................... 8 1.1.1 Giải pháp sử dụng nước thấm từ sông làm nguồn nước cấp trên thế giới 8 1.1.2 Giải pháp sử dụng nước thấm từ sông làm nguồn nước cấp ở Việt Nam 10 1.2 Các công trình nghiên cứu và dự án khai thác nước thấm từ sông ..............14 1.2.1 Tổng quan công nghệ nước thấm lọc từ sông .........................................14 1.2.2 Những nghiên cứu trên thế giới...............................................................14 1.2.3 Những nghiên cứu tại Việt Nam .............................................................17 1.3 Tình hình cung cấp nước và nhu cầu dùng nước tại Việt Nam.....................19 1.3.1 Tình hình cấp nước đô thị .......................................................................19 1.3.2 Tình hình cấp nước nông thôn ................................................................20 1.4 Tổng quan nguồn nước mặt, nước ngầm, đặc điểm về chất lượng, trữ lượng và khả năng khai thác ......................................................................................................21 1.4.1 Nguồn nước mặt ......................................................................................21 1.4.2 Nguồn ngước dưới đất .............................................................................25 1.4.3 Các giải pháp khai thác nước mặt, nước ngầm .......................................31 1.4.4 Hiện trạng khai thác sử dụng nguồn nước tại Việt Nam .........................32 1.4.5 Tổng quan về xử lý nước mặt, nước ngầm..............................................34 1.5 Định hướng nghiên cứu .......................................................................................37 iii
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC THẤM LỌC TỪ SÔNG ...............................39 2.1 Cơ sở lý thuyết và thực tiễn giải pháp công nghệ thấm lọc từ sông RBF ....39 2.1.1 Mô tả công nghệ RBF .............................................................................39 2.1.2 Khả năng cải thiện chất lượng nước ........................................................42 2.1.3 Vấn đề tắc nghẽn và tự làm sạch trong RBF ...........................................49 2.1.4 Khả năng khôi phục khả năng thấm nhờ dòng chảy xói .........................50 2.2 Lựa chọn khu vực nghiên cứu, đặc điểm khu vực nghiên cứu và các yếu tố ảnh hưởng ..........................................................................................................................51 2.2.1 Lựa chọn khu vực nghiên cứu .................................................................51 2.2.2 Đặc điểm dòng chảy sông Hồng khu vực nghiên cứu ...........................53 2.2.3 Đặc điểm địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu ...................................53 2.2.4 Chất lượng nước sông Hồng vùng Hà Nội ..............................................61 2.2.5 Chất lượng nước ngầm vùng Hà Nội ......................................................62 2.2.6 Địa chất thủy văn và nước ngầm khu vực ven sông Cẩm Giàng ............63 2.3 Cơ sở khoa học xác định tiềm năng khai thác nước thấm từ sông ...............64 2.3.1 Cơ sở khoa học ........................................................................................64 2.3.2 Phương pháp xác định tiềm năng khai thác nước thấm từ sông .............65 2.4 Cơ sở khoa học xác định vị trí và lưu lượng nước thấm từ sông ..................78 2.4.1 Cơ sở xác định vị trí khai thác nước thấm ..............................................78 2.4.2 Cơ sở xác định lưu lượng khai thác nước thấm ......................................79 2.5 Các hình thức công trình khai thác nước thấm lọc từ sông và phương pháp tính toán giếng thấm .........................................................................................................80 2.5.1 Các hình thức công trình khai thác nước thấm lọc từ sông .....................80 2.5.2 Phương pháp tính toán giếng thấm..........................................................82 2.6 Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu tính khả thi của việc loại bỏ sắt, mangan và amoni trong lòng đất trong công nghệ RBF .....................................87 2.6.1 Sơ đồ bãi giếng thí nghiệm......................................................................87 2.6.2 Cấu tạo giếng thí nghiệm ........................................................................88 2.6.3 Đánh giá diễn biến chất lượng nước thấm so với nước sông tại địa điểm nghiên cứu .............................................................................................................89 2.6.4 Phương pháp lấy mẫu và phân tích .........................................................90 2.7 Kết luận chương 2 .................................................................................................92 iv
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC NƯỚC THẤM TỪ SÔNG PHỤC VỤ CẤP NƯỚC ..............................................................93 3.1 Đánh giá tiềm năng khai thác nước thấm từ sông khu vực nghiên cứu điển hình ..................................................................................................................................93 3.1.1 Vị trí khu vực lựa chọn nghiên cứu tiềm năng khai thác nước thấm ......93 3.1.2 Kết quả nghiên cứu cấu trúc địa chất, địa chất thủy văn .........................94 3.1.3 Tiềm năng khai thác nước thấm tại vùng nghiên cứu .............................97 3.1.4 Các nội dung thực hiện xác định lưu lượng khai thác nước thấm tại 04 địa điểm nhằm xác định tiềm năng khai thác nước thấm vùng nghiên cứu ..........99 3.1.5 Kết quả đánh giá tiềm năng khai thác nước thấm ven sông Hồng thuộc khu vực nghiên cứu điển hình .............................................................................103 3.2 Đánh giá xác định vị trí và lưu lượng khai thác nước thấm tại địa điểm nghiên cứu tại Tân Trường, Cẩm Giàng, Hải Dương ..............................................104 3.2.1 Đánh giá điều kiện địa tầng, khả năng thấm ven sông ở khu vực Cẩm Giàng, Hải Dương ...............................................................................................104 3.2.2 Chất lượng nước sông và nước dưới đất ...............................................106 3.2.3 Vị trí nghiên cứu RBF sông Cẩm Giàng tại tỉnh Hải Dương ................107 3.2.4 Các bài toán nghiên cứu ........................................................................108 3.2.5 Thuyết minh mô hình ............................................................................109 3.2.6 Kết quả mô hình ....................................................................................113 3.3 Đánh giá hiệu quả cải thiện chất lượng nước nhờ tầng thấm lọc ven sông tại địa điểm nghiên cứu Tân trường, Cẩm Giàng, Hải Dương .....................................120 3.3.1 Đánh giá chất lượng nước sông Cẩm Giàng và nước ngầm tại khu vực nghiên cứu ...........................................................................................................120 3.3.2 Kết quả phân tích mẫu nước sông và nước thấm lọc từ sông tại vị trí nghiên cứu ...........................................................................................................120 3.3.3 Đánh giá sự thay đổi chất lượng nước giữa nước sông và nước thấm ..124 3.3.4 Đánh giá khả năng loại bỏ sắt, mangan, amoni và chất hữu cơ nhờ tầng thấm lọc ven sông ................................................................................................130 3.4 Đề xuất công nghệ xử lý nước thấm từ sông ...................................................132 3.4.1 Cơ sở đề xuất công nghệ xử lý nước thấm từ sông ...............................132 3.4.2 Tiêu chí đề xuất công nghệ xử lý nước thấm từ sông ...........................132 3.4.3 Đặc điểm chất lượng nước thấm cần xử lý ...........................................133 v
3.4.4 Công suất trạm xử lý .............................................................................133 3.4.5 Các sơ đồ công nghệ xử lý nước thấm từ sông .....................................134 3.5 Đề xuất quy trình áp dụng công nghệ RBF ....................................................135 3.5.1 Xác định khu vực áp dụng công nghệ RBF ..........................................136 3.5.2 Xác định vị trí xây dựng công trình khai thác nước thấm .....................137 3.5.3 Thiết kế công trình khai thác nước thấm ...............................................139 3.5.4 Thiết kế công trình xử lý nước thấm .....................................................142 3.6 Kết luận chương 3 ...............................................................................................143 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................145 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ...............................................149 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................150 PHỤ LỤC ...................................................................................................................158 vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình M.1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu của luận án .........................................................7 Hình 1.1 Nhà máy khai thác nước thấm ở Mainz- Đức ..................................................9 Hình 1.2 Các giếng khai thác nước thấm từ sông dọc theo sông Ruhn ở Hattingen Đức .........................................................................................................................................9 Hình 1.3 Các công trình thấm lọc ven sông Yamuna-Delhi-Ấn Độ [9]........................10 Hình 1.4 Các bãi giếng khai thác và các nhà máy xử lý nước ngầm ven sông Hồng khu vực Hà nội .....................................................................................................................11 Hình 1.5. Một số bãi giếng ven sông Hồng, TP Hà Nội ...............................................11 Hình 1.6 Vị trí bãi giếng cung cấp nước cho thành phố Bắc Ninh gần sông Cầu ........12 Hình 1.7 Mặt bằng hệ thống giếng giảm áp khu vực Sen Chiểu ...................................13 Hình 1.8 Nguyên lý làm việc của giếng giảm áp lọc nước thấm ven sông bảo vệ đê...13 Hình 1.9 Mặt cắt địa chất thủy văn qua sông Hồng với các công trình khai thác nước thấm lọc theo các phương án khác nhau. .......................................................................18 Hình 1.10 Bản đồ lưu vực các hệ thống sông của Việt Nam ........................................22 Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ xử lý nước mặt cơ bản ......................................................35 Hình 1.12 Sơ đồ công nghệ xử lý nước ngầm cơ bản ...................................................36 Hình 2.1 Nguyên lý bổ cập Nước thấm lọc từ sông ......................................................39 Hình 2.2 Nguyên lý thu nước từ quá trình thấm lọc từ sông .........................................40 Hình 2.3 Các hình thức và vị trí khai thác nước thấm lọc từ sông ................................41 Hình 2.4 Tổng hợp các quy trình loại bỏ các chất ô nhiễm trong quá trình RBF ........42 Hình 2.5 Các trạng thái tồn tại của amoni theo pH .......................................................45 Hình 2.6 Những thay đổi hóa học trong nước trong vùng thấm ban đầu [1] ................48 Hình 2.7 Cấu trúc địa chất thủy văn khu vực Hà Nội. ..................................................54 Hình 2.8. Bản đồ đẳng bề dày tầng chứa nước qh.........................................................55 Hình 2.9. Bản đồ địa chất thủy văn tầng qh ..................................................................56 Hình 2.10 Bản đồ đẳng bề dày tầng chứa nước qp2......................................................58 Hình 2.11 Bản đồ địa chất thủy văn tầng chứa nước qp2 .............................................58 Hình 2.12 Bản đồ đẳng bề dày tầng chứa nước qp1......................................................59 Hình 2.13 Bản đồ địa chất thủy văn tầng chứa nước qp1 .............................................60 Hình 2.14 Bản đồ địa chất thủy văn đô thị Hải Dương .................................................63 Hình 2.15 Cơ sở khoa học xác định tiềm năng khai thác nước thấm từ sông ...............64 Hình 2.16 Phương pháp xác định tiềm năng khai thác nước thấm từ sông...................65 Hình 2.17 Cửa sổ địa chất thủy văn ..............................................................................66 Hình 2.18 Các kiểu quan hệ thủy lực giữa nước sông và nước dưới đất [120] .............67 Hình 2.19 Sơ đồ hóa tính toán lượng thấm từ sông.......................................................68 Hình 2.20 Điều kiện biên sông (River) .........................................................................73 Hình 2.21 Các ô lưới sai phân hai chiều xung quanh ô có lỗ khoan .............................74 Hình 2.22 Điều kiện biên kênh thoát (Drain) ................................................................76 vii
Hình 2.23 Điều kiện biên bốc hơi trong mô hình (ET) .................................................76 Hình 2.24 Điều kiện biên tổng hợp trong mô hình (GHB) ...........................................77 Hình 2.25 Sơ đồ Tiêu chí xác định địa điểm và vị trí khai thác nước thấm ..................79 Hình 2.26 Cơ sở xác định lưu lượng khai thác nước thấm............................................79 Hình 2.27 Cơ sở khoa học phương pháp xác định lưu lượng nước thấm từ sông.........80 Hình 2.28 Các hình thức giếng đứng .............................................................................81 Hình 2.29 Cấu tạo giếng đứng điển hình .......................................................................82 Hình 2.30 Sơ đồ giếng khoan ........................................................................................83 Hình 2.31 Sơ đồ ống lọc ................................................................................................86 Hình 2.32 Mô hình tính giếng không hoàn chỉnh thu nước có áp .................................86 Hình 2.33 Sơ đồ chùm lỗ khoan thí nghiệm trên mặt bằng tại xã Tân Trường, huyện Cẩm Giàng, tỉnh Hải dương...........................................................................................88 Hình 2.34. Cấu tạo giếng thí nghiệm tại Tân Trường, Cẩm Giàng, Hải Dương ...........89 Hình 3.1 Bản đồ vị trí vùng nghiên cứu đánh giá khả năng khai thác nước thấm từ sông Hồng ......................................................................................................................93 Hình 3.2 Sơ đồ vị trí tuyến mặt cắt địa chất thủy văn vùng nghiên cứu .......................94 Hình 3.3 Mặt cắt địa chất thủy văn tuyến IV ................................................................95 Hình 3.4 Mặt cắt địa chất thủy văn tuyến II ..................................................................95 Hình 3.5 Mặt cắt địa chất thủy văn tuyến VIII ..............................................................96 Hình 3.6 Phân vùng cấu trúc địa chất ven sông Hồng khu vực nghiên cứu..................97 Hình 3.7 Diện tích xây dựng mô hình các vùng nghiên cứu xác định tiềm năm khai thác nước thấm ............................................................................................................100 Hình 3.8. Đồ thị tương quan giữa kết quả tính toán của mô hình với giá trị đo thực tế tại lỗ khoan quan sát bài toán chỉnh lý ổn định ...........................................................103 Hình 3.9 Bản đồ phân vùng khả năng khai thác nước thấm ven sông Hồng thuộc khu vực nghiên cứu ............................................................................................................104 Hình 3.10 Sơ đồ khối cấu trúc địa chất thủy văn đô thị Hải Dương ...........................105 Hình 3.11 Sơ đồ khối các lớp địa tầng qh và qp của huyện Cẩm Giàng .....................105 Hình 3.12 Bản đồ vị trí nghiên cứu RBF Thôn Tràng Kỹ, xã Tân Trường, huyện Cẩm Giàng, tỉnh Hải Dương ................................................................................................108 Hình 3.13 Mặt cắt địa chất thủy văn ngang sông Cẩm Giàng .....................................108 Hình 3.14 Giới hạn phạm vi mô hình ..........................................................................109 Hình 3.15 Các lớp của mô hình mô phỏng theo tài liệu khoan khảo sát tại Tân Trường .....................................................................................................................................110 Hình 3.16 Một số hình ảnh khoan lấy mẫu và thi công giếng tại vị trí thí điểm Tân Trường .....................................................................................................................................110 Hình 3.17 Phân bổ hạt tại lớp 12-12.5m.....................................................................112 Hình 3.18: Độ hạ thấp tối đa 11m ...............................................................................113 Hình 3.19: Độ hạ thấp trong thiết kế giếng và đặt máy bơm 7m ................................114 Hình 3.20 Sơ đồ mô phỏng giếng với khoảng cách từ giếng đến sông khác nhau .....115 viii
Hình 3.21 Lưu lượng khai thác tối đa của giếng với khoảng cách tới sông khác nhau .....................................................................................................................................115 Hình 3.22 Tổng lưu lượng tối đa của bãi giếng (m3/ngày)..........................................116 Hình 3.23 Lưu lượng tối đa của một giếng trong bãi giếng (m3/ngày) .......................117 Hình 3.24 Sơ đồ mô phỏng giếng với khoảng cách giữa các giếng là 80m ................117 Hình 3.25 Sơ đồ mô phỏng giếng với khoảng cách giữa các giếng là 50m ................118 Hình 3.26 Sơ đồ mô phỏng xác định thời gian và lượng nước thấm từ sông .............119 Hình 3.27 Sơ đồ chùm lỗ khoan thí nghiệm trên mặt bằng tại xã Tân Trường, huyện Cẩm Giàng, tỉnh Hải dương.........................................................................................121 Hình 3.28 Biểu đồ thể hiện độ dẫn điện của nước sông và nước giếng khoan trong hai đợt thí nghiệm ..............................................................................................................124 Hình 3.29 Biểu đồ thể hiện độ dẫn điện của nước sông và nước giếng khoan đợt tháng 5 .....................................................................................................................................124 Hình 3.30 Biểu đồ thể hiện độ dẫn điện của nước sông và nước giếng khoan đợt tháng 11 .....................................................................................................................................125 Hình 3.31 Hàm lượng COD và NH4+ của nước sông và nước thấm đợt tháng 5 ........126 Hình 3.32 Hàm lượng COD và NH4+ của nước sông và nước thấm đợt tháng 11 ......126 Hình 3.33 Hàm lượng Fe của nước sông và nước thấm theo đợt lấy mẫu tháng 5 .....127 Hình 3.34 Hàm lượng Fe của nước sông và nước thấm theo đợt lấy mẫu tháng 11 ...128 Hình 3.35 Hàm lượng Mn của nước sông và nước thấm theo đợt lấy mẫu tháng 5 ..129 Hình 3.36. Hàm lượng Mn của nước sông và nước thấm theo đợt lấy mẫu tháng 11 129 Hình 3.37 Hàm lượng Mn của nước sông và nước thấm theo đợt lấy mẫu tháng 11130 Hình 3.38 Hàm lượng Fe2+, Mn2+, NH4+ và COD nước sông và nước thấm các lỗ khoan thuộc mặt cắt vuông góc sông ..........................................................................131 Hình 3.39 Hàm lượng NH4+, NO2-, NO3- và TN của nước sông và nước thấm các lỗ khoan thuộc mặt cắt vuông góc sông ..........................................................................131 Hình 3.40 Quy trình áp dụng công nghệ RBF ............................................................136 Hình PL. 1 Kết quả mực nước động hạ thấp sau khi hiệu chỉnh các thông số ............158 Hình PL. 2 Lỗ khoan cách sông 50m ..........................................................................159 Hình PL. 3 Lỗ khoan cách sông 40m ..........................................................................159 Hình PL. 4 Lỗ khoan cách sông 20m ..........................................................................160 Hình PL. 5 Lỗ khoan cách sông 10m ..........................................................................160 Hình PL. 6 Kết quả mô phỏng cho thấy cần khi chuyển lỗ khoan ra gần sông và cách sông khoảng 8-10m .....................................................................................................161 Hình PL. 7 Kết quả mực nước động sau khi hiệu chỉnh các thông số ........................162 Hình PL. 8 Lỗ khoan cách sông 15,9m, mực nước động Hđ = 10,18m ......................163 Hình PL. 9 Lỗ khoan cách sông 5,0m, mực nước động Hđ = 9,96m ..........................163 Hình PL. 10 Lỗ khoan cách sông 3,5m, mực nước động Hđ = 9,87m ........................164 Hình PL. 11 Lỗ khoan cách sông 3,5m, mực nước động Hđ = 10,07m ......................164 ix
Hình PL. 12 Lỗ khoan cách sông 3,5m, mực nước động Hđ = 10,26m ......................165 Hình PL. 13 Lỗ khoan cách sông 3,5m, mực nước động Hđ = 10,59m ......................165 Hình PL. 14 Lỗ khoan cách sông 3,5m, mực nước động Hđ = 10,89m ......................166 Hình PL. 15 Lỗ khoan cách sông 3,5m, mực nước động Hđ = 11,03m ......................166 Hình PL. 16 Lỗ khoan cách sông 3,5m, mực nước động Hđ = 11,09m ......................167 Hình PL. 17 Kết quả mực nước động sau khi hiệu chỉnh các thông số ......................168 Hình PL. 18 Lỗ khoan cách sông 213m, mực nước động Hđ = 12,55m .....................168 Hình PL. 19 Lỗ khoan cách sông 100m, mực nước động Hđ = 10,12m .....................169 Hình PL. 20 Lỗ khoan cách sông 50m, mực nước động Hđ = 9,33m .........................169 Hình PL. 21 Lỗ khoan cách sông 20m, mực nước động Hđ = 8,96m .........................169 Hình PL. 22 Lỗ khoan cách sông 20m, mực nước động Hđ = 18,79m .......................170 Hình PL. 23 Lỗ khoan cách sông 50m, mực nước động Hđ = 18,86m .......................170 Hình PL. 24 Lỗ khoan cách sông 100m, mực nước động Hđ = 18,91m .....................171 Hình PL. 25 Kết quả mực nước động sau khi hiệu chỉnh các thông số ......................172 Hình PL. 26 Lỗ khoan cách sông 58m, mực nước động Hđ = 16,79m .......................172 Hình PL. 27 Lỗ khoan cách sông 30m, mực nước động Hđ = 13,3m .........................172 Hình PL. 28 Lỗ khoan cách sông 10m, mực nước động Hđ = 10,91m .......................173 Hình PL. 29 Lỗ khoan cách sông 30m, mực nước động Hđ = 15,97m .......................173 Hình PL. 30 Lỗ khoan cách sông 30m, mực nước động Hđ = 17,79m .......................174 Hình PL. 31 Lỗ khoan cách sông 30m, mực nước động Hđ = 18,33m .......................174 Hình PL. 32 Lỗ khoan cách sông 30m, mực nước động Hđ = 18,88m .......................175 Hình PL. 33 Lỗ khoan cách sông 30m, mực nước động Hđ = 19,86m .......................175 Hình PL. 34 Lỗ khoan cách sông 10m, mực nước động Hđ = 12,96m ......................176 Hình PL. 35 Lỗ khoan cách sông 10m, mực nước động Hđ = 14,07m .......................176 Hình PL. 36 Lỗ khoan cách sông 10m, mực nước động Hđ = 18,13m .......................177 x
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tỷ lệ dân số nông thôn được cấp nước đến năm 2020 ..................................21 Bảng 1.2 Sự phân bố của các tầng chứa nước lỗ hổng ở các đồng bằng châu thổ Việt Nam .......................................................................................................................................29 Bảng 1.3 Tiềm năng nước ngầm vùng ven biển, 103 m3/ngày ......................................29 Bảng 2.1 Phân chia mức độ giàu nước của các tầng chứa nước ...................................54 Bảng 2.2 Thông số thiết kế giếng thí nghiệm................................................................89 Bảng 3.1 Kết quả khoan khảo sát địa tầng (Lỗ Khoan Trung Tâm TT) .....................111 Bảng 3.2 Khoảng cách từ giếng tới sông và lưu lượng khai thác tối đa .....................114 Bảng 3.3 Kết quả tính toán lưu lượng tối đa cho cả bãi giếng ....................................116 Bảng 3.4 Kết quả tính toán mô phỏng chiều dài đường dòng chảy và thời gian dịch chuyển từ sông .............................................................................................................119 Bảng 3.5 Kết quả phân tích các chỉ tiêu ToC, EC, COD, NH4, Fe, Mn mẫu nước sông Cẩm Giàng và nước thấm LKTT đợt tháng 5 tại địa điểm nghiên cứu .......................122 Bảng 3.6 Kết quả phân tích các chỉ tiêu ToC, EC, COD, NH4, Fe, Mn mẫu nước sông Cẩm Giàng và nước thấm LKTT đợt tháng 11 tại địa điểm nghiên cứu .....................123 Bảng 3.7 Hàm lượng Fe2+, Mn2+, NH4+ và COD trong nước mặt và các lỗ khoan trên mặt cắt vuông góc với sông Cẩm Giàng......................................................................130 Bảng PL.8 Tổng hợp kết quả mực nước động với khoảng cách từ sông đến lỗ khoan khác nhau .....................................................................................................................161 xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BĐKH Biến đổi khí hậu Bộ TN&MT Bộ Tài Nguyên và Môi Trường CNN Cụm công nghiệp ĐBSCL Đồng Bằng Sông Cửu Long ĐCTV Địa chất thủy văn ĐHTL Đại học Thủy lợi ĐNB Đông Nam Bộ GDP Gross Domestic Product Tổng sản phẩm quốc nội HVS Hợp vệ sinh IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers KCN Khu công nghiệp KTTĐ Kinh tế trọng điểm LVS Lưu vực sông MNDBT Mực nước dâng bình thường NTCN Nước thải công nghiệp NTNN Nước thải nông nghiệp NTSH Nước thải sinh hoạt NTYT Nước thải y tế QCVN Quy chuẩn Việt Nam RBF Riverbank Filtration Nước thấm từ sông TBNN Trung bình nhiều năm TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam. xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Tổng dân số Việt Nam là gần 98 triệu dân vào năm 2020, trong đó khoảng 34% dân số đô thị, 66% dân số nông thôn. Bộ Xây dựng (BXD) và Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (NN&PTNT) là các cơ quan chịu trách nhiệm cấp thoát nước và quản lý vệ sinh khu vực đô thị và khu vực nông thôn. Hiện tại, khoảng 80% dân số đô thị được cấp nước từ các hệ thống cấp nước tập trung. Ở khu vực nông thôn, khoảng 88% dân số nông thôn sử dụng nước Hợp vệ sinh, trong đó khoảng 57% dân số nông thôn sử dụng nước đạt tiêu chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT. Tỷ lệ dân được sử dụng nước từ các hệ thống cấp nước tập trung ở mức thấp, dưới 30%. Nước cấp cho đô thị ở Việt Nam có 70% từ nguồn nước mặt và 30% từ nước ngầm. Xử lý nước mặt thường áp dụng công nghệ truyền thống gồm: Keo tụ tạo bông cặn, lắng, lọc và khử trùng Clo. Nhiều nguồn nước mặt tại Việt Nam hiện đang bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt và sản xuất. Hiện nay hơn 80% lượng nước thải sinh hoạt đô thị chưa được xử lý trước khi xả ra nguồn. Nhiều nguồn nước mặt đang bị ô nhiễm nghiêm trọng về vi sinh và chất hữu cơ, là nguy cơ gây bệnh ảnh hưởng sức khỏe con người, đòi hỏi phải có các biện pháp xử lý phù hợp đảm bảo chất lượng nước đạt tiêu chuấn trước khi cấp cho người sử dụng. Nước mặt thường có chất lượng và trữ lượng không ổn định và thay đổi theo mùa, khó khăn trong khai thác và xử lý nước. Việc xử lý nước mặt cũng yêu cầu xử lý lượng bùn cặn tại trạm xử lý với chi phí khá cao. Nước cấp nông thôn chủ yếu từ nguồn nước ngầm. Đối với các hệ thống cấp nước nhỏ và cấp nước hộ gia đình, người dân chỉ sử dụng nước mặt khi không có nguồn nước ngầm hoặc nước ngầm bị nhiễm mặn hoặc nhiễm phèn với nồng độ cao. Nước ngầm thường được sử dụng trực tiếp hoặc qua xử lý đơn giản, không đảm bảo chất lượng. Nước ngầm thường có hàm lượng sắt và mangan cao. Ở một số vùng, nước ngầm có chứa hữu cơ, amoni và asen cao. Nước ngầm ở nhiều vùng chứa hàm lượng mangan vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Trong những năm gần đây, nước ngầm đã bị 1
khai thác quá mức tại một số khu vực, làm sụt giảm tầng nước ngầm, giảm chất lượng nước và gây hiện tượng sụt lún, chẳng hạn như ở Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Đồng bằng sông Cửu Long v.v… Trước tình hình nhu cầu dùng nước cho sinh hoạt và các hoạt động sản xuất, phát triển kinh tế ngày càng cao. Nguồn nước ngày càng khan hiếm, cạn kiệt và ô nhiễm. Các nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp nguồn nước càng cần thiết và cấp bách. Công nghệ khai thác nước thấm từ sông RBF được sử dụng phổ biến ở Châu Âu hơn 100 năm qua, cụ thể ở các Quốc gia như Thụy Sỹ, Pháp, Hà Lan, Hungary, Đức, và Hà Lan. Tại Mỹ, công nghệ khai thác nước thấm đã được áp dụng trên 50 năm. Các quốc gia khác như Ấn Độ, Trung Quốc và Hàn Quốc gần đây đã bắt đầu khai thác RBF để cung cấp nước uống. Ở nước ta, hiện nay cũng có nhiều công trình khai thác nước dưới đất được xây dựng ở ven sông cho lưu lượng khai thác lớn nhờ nguồn bổ cập nước mặt từ sông như: Lâm Thao, Bãi Bằng tỉnh Phú Thọ, thành phố Tuyên Quang, thị xã Phúc Yên tỉnh Vĩnh Phúc, thành phố Bắc Ninh, thị xã Quảng Ngãi, thành phố Quy Nhơn… Ở thành phố Hà Nội, các nhà máy nước Bắc Thăng Long, Gia Lâm, Cáo Đỉnh, Yên Phụ, Đồn Thủy, Lương Yên, Nam Dư…, khai thác nước dưới đất ven sông Hồng cho tổng cộng đạt sấp xỉ 400.000 m3/ngày, chiếm khoảng 2/3 sản lượng nước của Công ty Kinh doanh nước sạch cung cấp cho thành phố Hà Nội. Trên phạm vi cả nước, nước thấm từ sông chưa được đầu tư nghiên cứu ứng dụng và chưa được xem là một giải pháp khai thác nguồn nước. Trong thực tế, ở nhiều nơi trong nước, các công trình giếng khoan, giếng đào ở ven các sông, rất nhiều giếng có mực nước liên quan chặt chẽ với mực nước sông; khi nước sông dâng cao thì nước giếng cũng dâng theo và ngược lại. Đây thực chất là hiện tượng nước thấm từ sông vào các giếng. Mặc dù như vậy, cho đến nay ở Việt Nam có rất ít những nghiên cứu để đánh giá đúng về bản chất, ý nghĩa và cơ sở khoa học của hiện tượng nước thấm từ sông, cũng như công nghệ, kỹ thuật khai thác nước thấm từ sông nhằm ứng dụng công nghệ này phục vụ kinh tế, dân sinh. 2
Gần đây các nghiên cứu áp dụng giải pháp khai thác nước thấm đã được thực hiện tại một số nước trên thế giới, nhưng hầu hết các nghiên cứu chỉ tập trung vào khả năng khai thác tại các vị trí cụ thể, và chủ yếu tập trung các nghiên cứu về chất lượng nước và khả năng xử lý nước của việc áp dụng giải pháp. Ở Việt Nam, giải pháp khai thác nước thấm chưa được chính thức áp dụng, nhưng từ thực tế khai thác nước dưới đất ven sông Hồng và một số kết quả nghiên cứu về mối quan hệ giữa nước sông và nước dưới đất vùng đồng bằng sông Hồng đã cho thấy một số giếng ven sông Hồng nhận nước mặt từ sông với tỷ lệ lớn và cho thấy khả năng khai thác nước thấm từ sông ở một số vùng ở Việt Nam. Trong điều kiện hiện nay, bên cạnh việc nghiên cứu, đánh giá, nâng cao hiệu quả sử dụng các công nghệ xử lý nước mặt và nước ngầm phổ biến ở Việt Nam, rất cần thiết phải nghiên cứu phát triển công nghệ khai thác và xử lý nước thấm từ sông, khẳng định thêm một giải pháp nguồn nước mới, có ý nghĩa trong tình hình khan hiếm nguồn nước và ô nhiễm môi trường hiện nay. Trong bối cảnh này, tác giả đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khai thác nước thấm lọc từ sông phục vụ cấp nước sinh hoạt và sản xuất”, nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học về giải pháp nước thấm từ sông hợp tác giữa Trường Đại học Thủy lợi và trường Đại học khoa học ứng dụng Dresden, Cộng hòa liên bang Đức. Kết quả nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng ứng dụng và hoàn thiện công nghệ khai thác nước thấm từ sông, có thể áp dụng ở các khu vực có điều kiện tương tự, góp phần giải quyết được vấn đề về nguồn nước cấp đang ngày càng khan hiếm hiện nay tại Việt Nam. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu đánh giá được tiềm năng khai thác và ứng dụng công nghệ khai thác nước thấm lọc từ sông phục vụ cấp nước sinh hoạt và sản xuất; - Đánh giá được hiệu quả làm sạch nước của tầng thấm lọc ven sông. 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu: Nước thấm từ sông, chất lượng nước thấm, địa tầng ven sông, khả năng thấm lọc, hiệu quả làm sạch, quá trình áp dụng công nghệ... 3.2 Phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu khả năng khai thác nước thấm: khu vực nghiên cứu điển hình thuộc ĐBSH, gồm các khu vực ven sông Hồng từ Minh Châu Ba Vì tới Thượng Cát, Nhật Tân Hà Nội và vùng ven sông Cẩm Giàng thuộc địa phận xã Tân Trường, Huyện Cẩm Giàng, Hải Dương. + Nghiên cứu công nghệ khai thác nước thấm từ sông, xác định lưu lượng và vị trí khai thác nước thấm, đánh giá khả năng cải thiện chất lượng nước nhờ tầng lọc thềm sông được thực hiện tại vị trí nghiên cứu điển hình thuộc xã Tân Trường, Cẩm Giàng, Hải Dương. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về khả năng áp dụng giải pháp khai thác nước thấm từ sông; + Tổng quan về vấn đề nghiên cứu và khu vực nghiên cứu; + Đánh giá về thủy văn, địa chất thủy văn, tình hình nguồn nước các vùng nói chung tại Việt Nam; + Đánh giá tình hình nguồn nước, chất lượng, trữ lượng, khả năng khai thác, tình hình khan hiếm nước; + Phân tích lựa chọn khu vực nghiên cứu điển hình. - Phân tích cơ sở lý thuyết, đề xuất cơ sở khoa học, phương pháp nghiên cứu và thiết lập cơ sở dữ liệu phát triển ứng dụng công nghệ khai thác nước thấm từ sông phục vụ cấp nước sinh hoạt và sản xuất; - Nghiên cứu đánh giá tiềm năng và khả năng ứng dụng công nghệ khai thác nước thấm từ sông phục vụ cấp nước sinh hoạt và sản xuất; - Đánh giá tiềm năng khai thác nước thấm từ sông tại khu vực nghiên cứu điển hình; - Nghiên cứu xác định vị trí và lưu lượng khai thác nước thấm từ sông; - Mô phỏng dòng chảy và chất lượng nước dưới đất; - Nghiên cứu đánh giá hiệu quả làm sạch nước nhờ tầng thấm lọc ven sông; - Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý nước thấm từ sông phục vụ cấp nước; - Đề xuất quy trình áp dụng công nghệ RBF. 4
5. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án: - Phương pháp khảo sát thu thập dữ liệu và số liệu: Đề tài nghiên cứu đòi hỏi bộ dữ liệu lớn. Các dữ liệu thu thập gồm có: các tài liệu về nguồn nước, thủy văn và địa chất thủy văn, vv… - Phương pháp phân tích, đánh giá và tổng hợp số liệu - Phương pháp kế thừa: Nghiên cứu áp dụng phương pháp kế thừa có chọn lọc các kết quả nghiên cứu đã thực hiện ở trong và ngoài nước. - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết về các quá trình biến đổi chất loại bỏ chất ô nhiễm, làm sạch nước, phân tích lý thuyết là cơ sở khoa học để đề xuất phương pháp nghiên cứu, phương pháp xác định lưu lượng nước thấm… - Phương pháp mô hình toán: Nghiên cứu sử dụng phần mềm Modflow mô phỏng dòng chảy nước dưới đất xác định lưu lượng và khả năng khai thác nước thấm lọc từ sông. Được áp dụng với khu vực nghiên cứu điển hình từ xã Minh Châu, Ba Vì tới khu vực cầu Nhật Tân, Tây Hồ, Hà Nội. - Phương pháp phân tích mẫu đất, nước: Thực hiện lấy mẫu và phân tích chất lượng đất thềm sông, nước mặt, nước dưới đất, nước thấm, xác định khả năng thấm của đất và hiệu quả làm sạch nước nhờ tầng lọc thềm sông. - Phương pháp khoan: Được thực hiện trong nghiên cứu đánh giá cấu trúc địa chất, địa chất thủy văn, nghiên cứu thử nghiệm khả năng khai thác nước thấm, được thực hiện với hai địa điểm nghiên cứu: 1) Minh Châu, Ba Vì Hà Nội và 2) Tân Trường, Cẩm Giàng, Hải Dương. - Nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm bơm xác định diễn biến mực nước và lưu lượng khai thác, lấy mẫu phân tích chất lượng nước. Nghiên cứu thực nghiệm xác định nhu cầu oxy hóa nước thấm là cơ sở để đề xuất công nghệ xử lý nước thấm lọc ven sông đáp ứng yêu cầu chất lượng nước cấp cho sinh hoạt và sản xuất. 5
- Phương pháp chuyên gia: Tổ chức mở rộng lấy ý kiến của các chuyên gia về nội dung để hoàn thiện trong luận án. Tham vấn chuyên gia trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của kết quả nghiên cứu 6.1 Ý nghĩa khoa học: - Góp phần cung cấp một giải pháp về kỹ thuật khai thác tài nguyên nước hiệu quả, có tính ứng dụng cao, chi phí thấp, phục vụ cấp nước sinh hoạt và sản xuất, có thể áp dụng trong cấp nước đô thị và nông thôn. Các giếng thấm có thể khai thác với quy mô từ nhỏ 200-500 m3/ngày, cho tới lớn đến 3000 m3/ngày. 6.2 Ý nghĩa thực tiễn: - Giảm khai thác nước ngầm, bảo vệ tài nguyên nước ngầm. Khai thác được lượng nước có chất lượng ổn định nhờ tầng thấm, ứng phó với tình trạng nước mặt có chất lượng suy giảm và diễn biến phức tạp hiện nay. - Góp phần tìm kiếm giải pháp nguồn cấp và xử lý nước cấp hợp lý, giải quyết khó khăn về nguồn nước, về chi phí xử lý nước, phục vụ mở rộng và phát triển hệ thống cấp nước, phát triển doanh nghiệp 7. Cấu trúc của luận án Cấu trúc của Luận án bao gồm: PHẦN MỞ ĐẦU Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC THẤM LỌC TỪ SÔNG Ở VIỆT NAM PHỤC VỤ SINH HOẠT VÀ SẢN XUẤT Chương 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC NƯỚC THẤM TỪ SÔNG PHỤC VỤ CẤP NƯỚC KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sơ đồ nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trên Hình M.1 6