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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khai thác nước thấm lọc từ sông phục vụ cấp nước sinh hoạt và sản xuất" nhằm 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: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khai thác nước thấm lọc từ sông 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 Ngành: Kỹ thuật cấp thoát nước Mã số: 9580213 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đoàn Thu Hà Phản biện 1: PGS.TS Trần Thanh Sơn, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Phạm Quý Nhân, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Phản biện 3: PGS.TS Lều Thọ Bách, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại: Trường Đại học Thủy Lợi, Hà Nội, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội; vào lúc giờ ngày tháng năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài 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, 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. Nước thấm từ sông (RBF) là công nghệ khai thác nước sử dụng nguồn nước mặt từ sông thông qua lớp cát lọc, sỏi lọc sát bờ sông, thềm sông, tạo hiệu quả cho việc khai thác nước với lưu lượng lớn và chất lượng nước cao. 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. 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. 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”. 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. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 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... 1
4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về khả năng áp dụng giải pháp khai thác nước thấm từ sông; - 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. 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; Phương pháp phân tích, đánh giá và tổng hợp số liệu; Phương pháp kế thừa; Phương pháp nghiên cứu lý thuyết; Phương pháp mô hình toán; Phương pháp phân tích mẫu đất, nước; Phương pháp khoan; Phương pháp chuyên gia. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của kết quả nghiên cứu 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. 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. 2
CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan sử dụng nước thấm từ sông làm nguồn nước cấp Công nghệ khai thác nước thấm từ sông được sử dụng phổ biến ở Châu Âu hơn 100 năm qua, như Thụy Sỹ - 80% nước uống được lấy từ các giếng RBF, 50% ở Pháp, 48% ở Hà Lan, 40 % ở Hungary, 16% ở Đức, Mỹ, Ấn Độ…. Ở nước ta, hiện nay cũng có nhiều công trình khai thác nước dưới đất được xây dựng ở gần sông cho lưu lượng khai thác lớn nhờ nguồn bổ cập nước mặt từ sông như ở Phú Thọ, Tuyên Quang, Vĩnh Phúc, Quảng Ngãi, Quy Nhơn… Ở thành phố Hà Nội, các nhà máy nước Bắc Thăng Long, Gia Lâm, Cáo Đỉnh, Yên Phụ …, khai thác nước dưới đất ven sông Hồng. 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. 1.2 Các công trình nghiên cứu và dự án khai thác nước thấm từ sông Nhiều nghiên cứu về khai thác nước thấm từ sông đã được thực hiện bởi các chuyên gia, chứng minh hiệu quả của việc khai thác nước sông, sử dụng tầng thấm lọc ven sông, cho phép khai thác một lượng lớn với quy mô tập trung, chất lượng nước tốt, ổn định, chi phí khai thác và xử lý thấp (T. Grischek; P. Cady; N. Tufenkji). Các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, có 04 quá trình liên quan đến công nghệ RBF, gồm: thủy động lực, hóa học, sinh học, và hóa lý. Quá trình thủy động lực bao gồm vận chuyển đối lưu-phân tán, và pha loãng. Tầng chứa nước hoạt động như bộ lọc các hợp chất ô nhiễm có thể có trên sông, trong đó, do có sự kết nối giữa sông và tầng chứa nước, nên nguồn nước ngầm có nguy cơ bị ô nhiễm. Các nghiên cứu về khả năng loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ đã được thực hiện. Công nghệ RBF đã chứng minh có thể xử lý sơ bộ các chất ô nhiễm hữu cơ. Các kết quả nghiên cứu cũng chứng minh hiệu quả xử lý cao các hợp chất vô cơ của công nghệ RBF. Ngoài những biến đổi về chất lượng nước sông, sự pha loãng xảy ra khi nước sông trộn lẫn với nước ngầm, thường có chất lượng tốt hơn, tiếp tục giúp cải thiện chất lượng nước thấm. Các quá trình sinh học xảy ra trong quá trình thấm lọc phụ thuộc trực tiếp vào loại vi sinh vật sinh sống trong tầng chứa nước. 3
Quá trình trao đổi chất của các vi sinh vật này chủ yếu xác định chất lượng cuối cùng của nước thấm. Cuối cùng là các quá trình lý hóa liên đến phản ứng hấp thụ, kết tủa, phản ứng keo tụ, đông tụ và oxy hóa khử. Các quá trình này kiểm soát sự loại bỏ các hạt ra khỏi môi trường xốp, ảnh hưởng đến nồng độ và hoạt động của kim loại và các hợp chất vô cơ, vì vậy, nó đóng vai trò thay đổi hóa học của nước. Hiện nay ở Việt Nam chưa có các nghiên cứu cụ thể về công nghệ RBF, nhằm đánh giá hiệu quả, tiềm năng và khả năng áp dụng công nghệ RBF phục vụ cấp nước tại nước ta. Tuy nhiên có một số nghiên cứu, ấn phẩm khoa học có liên quan tới công nghệ RBF nhưng chủ yếu là các nghiên cứu liên quan đến việc xác định lưu lượng và khả năng khai thác nước, nguồn bổ cập nước dưới đất từ nước sông như: Nguyễn Văn Đản đã đánh giá tài nguyên nước dưới đất vùng thành phố Hà Nội và định hướng điều tra nghiên cứu, khai thác sử dụng; Phạm Quý Nhân đã thực hiện nghiên cứu ở khu vực Hà Nội về mối quan hệ thủy lực giữa nước sông Hồng và Nước dưới đất; Nguyễn Minh Lân đã thực hiện nghiên cứu mối quan hệ giữa nước sông và nước dưới đất, đề xuất hệ phương pháp xác định trữ lượng khai thác nước dưới đất vùng ven sông Hồng từ thị xã Sơn Tây đến Hưng Yên. 1.3 Tình hình cung cấp nước và nhu cầu dùng nước tại Việt Nam Cấp nước đô thị: Tổng lượng nước khai thác cấp cho các đô thị và công nghiệp thì nước mặt chiếm chủ yếu, nước ngầm đóng góp tỷ lệ nhỏ với ước tính khoảng 2.000.000 m3/ngày, chiếm khoảng hơn 20% tổng lượng nước cấp hàng năm. Dự báo nhu cầu cấp nước đô thị cả nước đến năm 2020 khoảng 4,98 tỷ m3/năm; đến năm 2030 khoảng 8,9 tỷ m3/năm. Cấp nước nông thôn: Theo tổng hợp của Tổng cục Thủy lợi về Hiện trạng cấp nước nông thôn đến năm 2020, toàn quốc có 88,5% dân số nông thôn được sử dụng nước HVS, trong đó có 51,7% được sử dụng nước đạt QCVN 01- 1:2018/BYT với số lượng 60 l/người/ngày. Dự báo nhu cầu dùng nước sinh hoạt nông thôn của Việt Nam đến năm 2030 là 4.783 triệu m3/năm. 1.4 Tổng quan nguồn nước mặt, nước ngầm, đặc điểm về chất lượng, trữ lượng và khả năng khai thác Nguồn nước mặt ở Việt Nam tương đối dồi dào, với khoảng 3.450 sông, suối có chiều dài từ 10km trở lên, trong đó có 13 sông lớn và 310 sông liên tỉnh thuộc 08 LVS lớn với diện tích khoảng 270.000 km2 (chiếm 80% tổng diện tích LVS). Tuy nhiên chất lượng nguồn nước mặt đã và đang bị ô nhiễm ở nhiều khu vực. 4
Theo cấu trúc chứa nước, phần đất liền lãnh thổ Việt Nam được chia thành 6 miền Địa chất thủy văn (ĐCTV), trong đó bao gồm 17 phụ miền. Chất lượng nước ngầm tương đối tốt ở Việt Nam. Tuy nhiên theo số liệu quan trắc gần đây ở hầu khắp các vùng trong cả nước hiện tượng mực nước và chất lượng nước đang có xu hướng suy giảm. Nước dưới đất ở nhiều nơi chất lượng kém, có hàm lượng sắt, ammoni cao, thậm chí nhiều vùng có nguồn nước dưới đất nhiễm asen nhưng vẫn đang được khai thác phục vụ cấp nước sinh hoạt. Công trình khai thác nước mặt được khai thác chủ yếu từ các sông, suối, hồ, kênh, qua hệ thống xử lý rồi truyền dẫn đến nơi tiêu thụ. Công trình khai thác nước ngầm được khai thác từ các giếng khoan đường kính lớn (từ D90-D325). Các công trình xử lý cấp nước tập trung có dây chuyền công nghệ khai thác nước, xử lý nước và mạng lưới cấp nước hoàn chỉnh, cấp cho khu dân cư đô thị hoặc nông thôn tập trung và các cơ sở công nghiệp, sản xuất độc lập với khu dân cư hoặc là xen kẽ trong khu dân cư. 1.5 Định hướng nghiên cứu Những nội dung cụ thể cần nghiên cứu của đề tài, bao gồm: 1) Đánh giá tình hình nguồn nước, chất lượng, trữ lượng, khả năng khai thác, tình hình khan hiếm nước; Đánh giá về thủy văn, địa chất thủy văn, tình hình nguồn nước các vùng nói chung tại vùng nghiên cứu là ĐBSH; Đánh giá sơ bộ khả năng áp dụng và sự cần thiết của giải pháp RBF 2) Đánh giá tiềm năng khai thác nước thấm từ sông (tại khu vực nghiên cứu điển hình) 3) Nghiên cứu xác định vị trí và lưu lượng khai thác nước thấm từ sông (tại khu vực nghiên cứu điển hình) 4) Mô phỏng dòng chảy và chất lượng nước dưới đất 5) Nghiên cứu đánh giá hiệu quả làm sạch nước nhờ tầng thấm lọc ven sông 6) Phân tích đề xuất công nghệ xử lý nước thấm lọc từ sông 7) Đề xuất quy trình áp dụng công nghệ RBF 5
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC THẤM LỌC TỪ SÔNG 2.1 Cơ sở lý thuyết và thực tiễn giải pháp công nghệ thấm lọc từ sông RBF 2.1.1 Mô tả công nghệ RBF Nước thấm từ sông (RBF) là công nghệ khai thác nước sử dụng các giếng khai thác nước thấm từ nguồn nước mặt như sông hồ. Giếng có ống lọc thu nước được đặt trong tầng chứa nước. Nước thấm lọc có thể được khai thác trong tầng nông là tầng không áp. Nước thấm được bổ cập trực tiếp từ sông vào tầng chứa nước. Nguyên lý bổ cập nước thấm lọc từ sông được thể hiện trên (Hình 2.1). Nước thấm lọc cũng có thể khai thác trong tầng chứa nước có áp ở những nơi sông cắt trực tiếp vào tầng chứa nước có áp, hoặc ở những vùng ven sông, nước sông bổ cập vào tầng chứa nước không áp, sau đó vào tầng chứa nước có áp thông qua các cửa sổ địa chất thủy văn Hình 2.1 Nguyên lý bổ cập Nước thấm lọc từ sông Cấu trúc giếng sử dụng trong các hệ thống RBF có thể là giếng đứng hoặc giếng nằm ngang, cả hai mang lại những lợi ích khác nhau. Giếng đứng có thể thu được chất lượng tốt hơn, thi công và vận hành đơn giản, trong khi đó giếng ngang có thể thu được lưu lượng lớn. 6
Có 04 quá trình liên quan đến công nghệ RBF, gồm: thủy động lực, hóa học, sinh học, và hóa lý. Hình 2.2 Tổng hợp các quy trình loại bỏ các chất ô nhiễm trong quá trình RBF 2.1.2 Khả năng cải thiện chất lượng nước RBF loại bỏ chất ô nhiễm thông qua quá trình lọc, hấp phụ các chất ô nhiễm vào các hạt đất, phân hủy vi sinh vật, kết tủa hóa học và trao đổi ion, quá trình oxy hóa khử. Các mầm bệnh, chất dinh dưỡng cũng được loại bỏ thông qua quá trình khử hoạt tính và bám dính, các quá trình oxy hòa tan và quá trình sinh học. Đồng thời RBF cũng loại bỏ kim loại nặng ra khỏi nước nguồn thông qua quá trình hấp phụ, kết tủa và trao đổi ion. 2.1.3 Vấn đề tắc nghẽn và tự làm sạch trong RBF Năng suất khai thác của RBF phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ dẫn thủy lực và mức độ tiếp xúc giữa sông và tầng chứa nước tĩnh; Nhiệt độ liên quan đến độ nhớt trong nước; Tắc nghẽn có thể gây ra bởi các quá trình vật lý, hóa học và sinh học, trong đó chủ yếu là nghẽn vật lý, do các hạt sét theo dòng chảy thấm từ sông vào giếng sẽ được giữ lại trong các lỗ hổng tầng chứa nước, làm giảm hệ số thấm và khả năng khai thác của giếng. 2.1.4 Khả năng khôi phục khả năng thấm nhờ dòng chảy xói 7
Khả năng sục rửa hoặc tự làm sạch của các hệ thống RBF phụ thuộc vào tính chất hạt của lòng sông và ứng suất tác dụng bởi tốc độ nước sông. 2.2 Lựa chọn khu vực nghiên cứu, đặc điểm khu vực nghiên cứu và các yếu tố ảnh hưởng 2.2.1 Lựa chọn khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu thí điểm công nghệ khai thác nước thấm từ sông (RBF) được lựa chọn cần đáp ứng được các tiêu chí: i) Có điều kiện thủy văn và địa chất thủy văn phù hợp, có thể thu được nước thấm từ sông; ii) Có diễn biến tương quan mực nước mặt và nước ngầm phù hợp có thể áp dụng hiệu quả công nghệ RBF; iii) Có diện tích, điều kiện hạ tầng và điều kiện địa hình phù hợp để phát triển hệ giếng thí nghiệm và lỗ khoan quan trắc; iv) Có khả năng quản lý vận hành trong suốt quá trình thí nghiệm. Vùng thuộc Đồng bằng Sông Hồng, bao gồm: 4 vùng ven sông Hồng từ Minh Châu Ba Vì Hà Nội tới xã Tầm Xá, Đông Anh, Hà Nội và vùng ven sông Cẩm Giàng thuộc xã Tân Trường, huyện Cẩm Giàng: Có điều kiện thủy vặn và địa chất thủy văn phù hợp và có tương quan tốt về nước mặt và nước ngầm được tác giả lựa chọn Nghiên cứu đánh giá tiềm năng khai thác nước thấm. Khu vực Trạm bơm Ghẽ, bên bờ sông Cẩm Giàng thuộc xã Tân Trường, thuộc quản lý của Công ty Cổ phần kinh doanh nước sạch Hải Dương có diện tích bố trí công trình thuận lợi cho việc quản lý vận hành được tác giả lựa chọn Nghiên cứu thí điểm công nghệ khai thác nước thấm. 2.2.2 Đặc điểm dòng chảy sông Hồng khu vực nghiên cứu Hệ thống sông Hồng có sự chênh lệch mực nước rất lớn giữa mùa nước lũ và mùa nước kiệt. Tiềm năng dòng chảy tháng kiệt trung bình nhiều năm ở Bắc Bộ đạt khoảng 1.200 m3/s, trong lãnh thổ đạt 811 m3/s. Chất lượng nước sông Hồng: Hàm lượng phù sa lớn và nồng độ BOD, COD, NH4+, NO2, Ecoli, Coliform cao gấp nhiều lần QCVN 08-MT:2015/BTNMT. 2.2.3 Đặc điểm địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu 8
Vùng Hà Nội có hai tầng chứa nước chủ yếu có ý nghĩa với khai thác nước ngầm là tầng chứa nước Holocen (qh) và tầng chứa nước Pleistocen (qp). Về quan hệ thủy lực giữa nước dưới đất với nước mặt sông Hồng: Kết quả phân tích cấu trúc địa chất thủy văn dọc sông Hồng khu vực Hà Nội cho thấy về cơ bản đáy sông Hồng chưa cắt vào tầng chứa nước qp2. Tuy nhiên, sông Hồng có quan hệ thủy lực với tầng chứa nước qh, do đó tại những khu vực phân bố cửa sổ địa chất thủy văn giữa tầng qh với tầng qp2 thì tầng qp2 cũng quan hệ thủy lực mật thiết với nước sông Hồng. 2.2.4 Chất lượng nước sông Hồng vùng Hà Nội Nước sông Hồng ngoài hàm lượng phù sa lớn còn có nồng độ BOD, COD, NH4+, NO2, Ecoli, Coliform cao gấp nhiều lần QCVN 08-MT:2015/BTNMT. 2.2.5 Chất lượng nước ngầm vùng Hà Nội - Đối với mục đích ăn uống, sinh hoạt nước nhạt dưới đất tầng qh và qp nói chung đảm bảo. Chủ yếu là phải xử lý sắt và mangan. - Nước nhạt dưới đất ĐBSH đảm bảo các yêu cầu về chất lượng đối với mục đích tưới trong nông nghiệp. 2.2.6 Địa chất thủy văn và nước ngầm khu vực ven sông Cẩm Giàng Mặt cắt địa chất thủy văn khu vực Cẩm Giàng, tỉnh Hải Dương được phân thành 3 tầng chứa nước lỗ hổng bao gồm tầng chứa nước Holocen (qh) và tầng chứa nước Pleistocen trên (qp2) và tầng chứa nước Pleistocen dưới (qp1). Từ kết quả các lỗ khoan thí nghiệm chùm và đơn, tỷ lưu lượng (q) từ 0,45 đến 2,06 (l/sm), trung bình 1,36 l/sm cho thấy rằng mức độ chứa nước (khả năng khai thác nước) tầng chứa nước qh ven sông Cẩm Giàng thuộc loại từ trung bình đến rất giàu nước. Khả năng khai thác nước từ 250 m3/ngày đến 615 m3/ngày. 2.3 Cơ sở khoa học xác định tiềm năng khai thác nước thấm từ sông 2.3.1 Cơ sở khoa học Trữ lượng nước dưới đất của một vùng nào đó bao gồm một số thành phần được xác định theo công thức sau: 9
Vdh Vtl Qkt  Qtn    Qct t t (2.20) Trong đó Qkt là trữ lượng khai thác nước dưới đất, m /ng; Qtn là trữ lượng động 3 tự nhiên (m3/ng); Vdh là lượng nước tĩnh đàn hồi (m3); Vtl là lượng nước tĩnh trọng lực (m3); Qct là trữ lượng cuốn theo (m3/ng);  là hệ số xâm phạm vào trữ lượng tĩnh trọng lực (lấy bằng 30% đối với tầng chứa nước không áp); t là thời gian khai thác tính toán, thường lấy bằng 104 ngày. 2.3.2 Phương pháp xác định tiềm năng khai thác nước thấm từ sông Hình 2.15 Phương pháp xác định tiềm năng khai thác nước thấm từ sông 2.4 Cơ sở khoa học xác định vị trí và lưu lượng nước thấm từ sông 2.4.1 Cơ sở xác định vị trí khai thác nước thấm Hình 2.16 Sơ đồ Tiêu chí xác định địa điểm và vị trí khai thác nước thấm 10
2.4.2 Cơ sở xác định lưu lượng khai thác nước thấm Hình 2.26 Cơ sở xác định lưu lượng khai thác nước thấm 2.5 Các hình thức công trình khai thác nước thấm lọc từ sông và phương pháp tính toán giếng thấm 2.5.1 Các hình thức công trình khai thác nước thấm lọc từ sông Về cơ bản hình thức công trình khai thác nước thấm tương tự như khai thác nước dưới đất thông thường, chỉ khác giếng khai thác nước thấm được đặt tại các vị trí cho phép thu được lượng nước thấm từ sông hồ với lưu lượng và chất lượng tốt nhất. Trong các hình thức công trình khai thác nước thấm, giếng đứng là loại công trình được sử dụng nhiều nhất với nhiều ưu điểm. Các loại giếng đứng trình bày trên (Hình 2.28) bao gồm 4 loại chính: A Giếng khoan không hoàn chỉnh, không áp C Giếng khoan không hoàn chỉnh, có áp B Giếng khoan hoàn chỉnh, không áp D Giếng khoan hoàn chỉnh, có áp Hình 2.28 Các hình thức giếng đứng 2.5.2 Phương pháp tính toán giếng thấm Tính toán thiết kế giếng thấm có thể áp dụng tương tự phương pháp tính toán giếng khai thác nước dưới đất thông thường. 11
Các tham số liên quan đến việc tính toán giếng thấm như: Mực nước tĩnh (MNT)  Mực nước của tầng chứa nước; Hệ số thấm của tầng chứa nước; Đường kính giếng; Lưu lượng bơm; Chiều dày tầng chứa nước… 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 2.6.1 Sơ đồ bãi giếng thí nghiệm Hình 2.33 Sơ đồ chùm lỗ khoan thí nghiệm trên mặt bằng tại xã Tân Trường, huyện Cẩm Giàng, tỉnh Hải dương 2.6.2 Cấu tạo giếng thí nghiệm Giếng được thiết kế dựa trên thông số, dữ liệu địa tầng có được từ giếng quan trắc và lấy mẫu địa tầng đã khoan. 2.6.3 Đánh giá diễn biến chất lượng nước thấm so với nước sông tại địa điểm nghiên cứu 2.6.3.1 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước Nhiệt độ ; Độ dẫn điện; Sắt; Chỉ tiêu COD ; NH4 2.6.3.2 Vị trí lấy mẫu Trên sông tại địa điểm nghiên cứu; Nước thấm từ giếng thí nghiệm và các giếng quan sát 2.6.4 Phương pháp lấy mẫu và phân tích Thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 6663-6:2018. Hướng dẫn lấy mẫu nước sông nước suối 2.7 Kết luận chương 2 Chương 2 đã phân tích Các cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu được tác giả tổng kết từ các nghiên cứu có liên quan và xây dựng ra phương pháp nghiên cứu của đề tài. 12
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC NƯỚC THẤM TỪ SÔNG PHỤC VỤ CẤP NƯỚC 3.1 Đánh giá tiềm năng khai thác nước thấm từ sông khu vực nghiên cứu điển hình 3.1.1 Vị trí khu vực lựa chọn nghiên cứu tiềm năng khai thác nước thấm Vùng lựa chọn nghiên cứu đánh giá xác định khả năng khai thác nước thấm từ sông Hồng trong phạm vi đề tài là vùng ven sông Hồng từ khu vực xã Minh Châu – Ba Vì tới khu vực cầu Nhật Tân – Tây Hồ, Hà Nội có tọa độ21°12′5″B 105°27′7″Đ thuộc xã, kết thúc ở xã Tàm Xá, huyện Đông Anh, thành phố Hà Nội vị trí có tọa độ 21°06′34″B 105°50′37″Đ. 3.1.2 Kết quả nghiên cứu cấu trúc địa chất, địa chất thủy văn Nghiên cứu các mặt cắt địa chất thủy văn ngang sông Hồng thuộc vùng nghiên cứu cho thấy tại hầu hết các vị trí sông Hồng đều có quan hệ với các tầng chứa nước qh và qp với các mức độ khác nhau. 3.1.3 Tiềm năng khai thác nước thấm tại vùng nghiên cứu Để đánh giá tiềm năng khai thác nước thấm vùng nghiên cứu, phân tích mối quan hệ thủy lực giữa nước sông Hồng và NDĐ, tác giả đã phân chia khu vực nghiên cứu và lựa chọn 04 vùng cho từng khu vực sau: - Vùng 1: Vùng bãi giữa ven sông Hồng thuộc xã Minh Châu – Ba Vì - Vùng 2: Phía Nam ven sông Hồng thuộc thị xã Sơn Tây. - Vùng 3: Phía Nam và vùng bãi giữa ven sông Hồng thuộc xã Thượng Cát. - Vùng 4: Phía Bắc và vùng bãi giữa ven sông Hồng thuộc xã Tầm Xá. 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 Kết quả của bài toán khi mực nước ban đầu trên mô hình đã được xác lập và bài toán chỉnh lý kết thúc khi ta lập lại được động thái mực nước theo thời gian với sai số giữa mực nước thực tế và mô hình tại các lỗ khoan quan sát khi bơm thí nghiệm để đạt giá trị cho phép. 13
3.1.5 Kết quả đánh giá tiềm năng khai thác nước thấm ven sông Hồng thuộc khu vực nghiên cứu điển hình Hình 3.9 Bản đồ phân vùng khả năng khai thác nước thấm ven sông Hồng thuộc khu vực nghiên cứu 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 3.2 3.2.1 Đánh giá điều kiện địa tầng, khả năng thấm ven sông ở khu vực Cẩm Giàng, Hải Dương tích sông hệ tầng Thái Bình (aQ23tb) và trầm tích sông - biển - đầm lấy hệ tầng Các tầng chứa nước qh tại khu vực ven sông Cẩm Giàng, bao gồm các trầm Hải Hưng (ambQ21-2 hh1), phân bố rộng khắp trên khu vực nghiên cứu. Chiều dày tầng chứa nước lớn nhất gặp tại LK Ford (30m), LKTD30 (>17m). 3.2.2 Chất lượng nước sông và nước dưới đất Chất lượng nước sông Cẩm Giàng: Các thông số NH4+ - N vượt quy chuẩn cho phép từ 1,06 - 9,72 lần; COD (1,13 - 2,43 lần); NO2- - N (vượt từ 1,04 - 21,5 lần) Chất lượng nước ngầm tại khu vực Cẩm Giàng: Nước thuộc loại nước nhạt, loại hình hóa học NDĐ chủ yếu là HCO3-, hàm lượng nền ion clo là 32,79mg/l, của ion HCO3- 344,76mg/l. 3.2.3 Vị trí nghiên cứu RBF sông Cẩm Giàng tại tỉnh Hải Dương Sông Cẩm Giàng là một sông trong hệ thống sông nhánh, nối sông Thái Bình với sông Bắc Hưng Hải. Khu vực nghiên cứu thuộc Thôn Tràng Kỹ, Xã Tân Trường, huyện Cẩm Giàng, tỉnh Hải Dương, bên bờ sông Cẩm Giàng. 3.2.4 Các bài toán nghiên cứu 14
Xác định: (i) Lưu lượng tối đa có thể khai thác của một giếng; (ii) Lưu lượng tối đa của mỗi giếng với khoảng cách từ giếng tới sông khác nhau; (iii) Lưu lượng tối đa của bãi giếng; (iv) Xác định thời gian và lượng nước thấm từ sông 3.2.5 Thuyết minh mô hình Hình 3.14 Giới hạn phạm vi mô hình Hình 3.15 Các lớp của mô hình mô phỏng theo tài liệu khoan khảo sát tại Tân Trường Mô hình mô phỏng phạm vi 1700m x 1500m xung quanh khu vực xây dựng tuyến mặt cắt thí điểm tại Xã Tân Trường, huyện Cẩm Giàng, Hải Dương. Mô hình được chia thành 17000 ô lưới gồm 170 cột (dx = 10m), và 100 hàng (dy =10m) (Hình 3.14). Dựa theo tài liệu địa chất thủy văn tổng quát của Hải Dương và số liệu khoan khảo sát địa chất thủy văn tại khu vực thí điểm, mô hình được chia thành 4 lớp, như thể hiện trên (Hình 3.15) 3.2.6 Kết quả mô hình 3.2.6.1 Bài toán 1: Xác định lưu lượng tối đa tại giếng khai thác Hình 3.1: Độ hạ thấp trong thiết kế giếng và đặt máy bơm 7m 15
Mô hình Tân Trường có lớp cách nước dày 2m trên bề mặt. Nên độ hạ thấp tối đa là 7m từ mặt đất. Lưu lượng khai thác đạt được là Qmax = 1330 (m3/ngày) – (Hình 3.19) 3.2.6.2 Bài toán 2: Xác định lưu lượng tối đa của giếng khai thác với khoảng cách từ sông khác nhau Bảng 3.2 Khoảng cách từ giếng tới sông và lưu lượng khai thác tối đa Khoảng cách từ giếng tới sông (m) Tổng lưu lượng (m3/s) Lưu lượng mỗi giếng (m3/d) 25 1.82E-02 1568 50 1.64E-02 1421 75 1.539E-02 1330 100 1.48E-02 1275 200 1.32E-02 1139 Hình 3.20 Sơ đồ mô phỏng giếng với khoảng cách từ giếng đến sông khác nhau 3.2.6.3 Bài toán 3: Xác định lưu lượng tối đa của bãi giếng khai thác với khoảng cách giữa các giếng khác nhau Bảng 3.3 Kết quả tính toán lưu lượng tối đa cho cả bãi giếng Khoảng cách giữa các giếng: 80m Khoảng cách giữa các giếng: 50m Bãi giếng Tổng lưu lượng Lưu lượng mỗi Tổng lưu lượng Lưu lượng mỗi (m3/d) giếng (m3/d) (m3/d) giếng (m3/d) 1 giếng 1330 1330 1330 1330 2 giếng 2219 1110 2218 1109 3 giếng 2911 970 2886 962 4 giếng 3772 943 3310 828 5 giếng 4485 897 3997 799 16
3.2.6.4 Bài toán 4: Xác định thời gian và lượng nước thấm từ sông Bảng 3.4 Kết quả tính toán mô phỏng chiều dài đường dòng chảy và thời gian dịch chuyển từ sông Tên Chiều dài đường dòng chảy (m) Thời gian dịch chuyển từ sông (ngày) Giếng Min Max Trung Bình Min Max Trung Bình Giếng 1 50.66 69.43 58.31 48.13 85.14 67.88 Giếng 2 49.86 76.53 56.12 36.71 81.8 49.1 Giếng 3 68.91 123.41 85.34 64.76 197.93 102.4 Giếng 4 69.97 132.32 90.63 72.05 282.13 132.5 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 3.3.1 Đánh giá chất lượng nước sông Cẩm Giàng và nước ngầm tại khu vực nghiên cứu  Chất lượng nước sông Cẩm Giàng + Chỉ số pH đo được từ 7,3 – 8,6 phổ biến ở mức QCVN loại A1. + Độ dẫn điện EC dao động lớn từ 184 – 733 µs/cm. + Hàm lượng DO trong nước dao động từ 1,1 – 5,1 mg/l + Hàm lượng NH4+ dao động từ 1,5 đến 4,2 mg/l + COD dao động từ 4,1 đến 11,2 mg/l  Chất lượng nước ngầm tầng qh khu vực Cẩm Giàng + Hàm lượng NH4+ biến đổi từ 0,5 – 25 mg/l, trung bình 1,5 mg/l + Hàm lượng NO3- biến đổi từ 0,0- 18,14 mg/l, trung bình 2,05 mg/l. + Hàm lượng NO2- biến đổi từ 0,0- 28 mg/l, trung bình 0,81 mg/l. + Hàm lượng COD: biến đổi từ 0,8 – 20 mg/l, trung bình 4,01 mg/l. 3.3.2 Đánh giá sự thay đổi chất lượng nước giữa nước sông và nước thấm Trên cơ sở kết quả phân tích mẫu nước sông Cẩm Giàng và lỗ khoan khai thác (LKTT) qua các chỉ tiêu như: ToC, EC, COD, NH4, Fe. Tác giả đánh giá sự thay đổi chất lượng nước giữa sông và nước thấm  Nhiệt độ và độ dẫn điện Nước sông Cẩm Giàng có nhiệt độ thay đổi theo mùa. Trong thời gian quan trắc từ tháng 5/2020 đến 11/2020 nhiệt độ nước sông dao động từ 24,2 đến 29,2 17
C. Nhiệt độ nước các giếng khoan ở Tân Trường tương đối ổn định trong năm với mức dao động từ 25,0 oC đên 29,6 oC. o Sự thay đổi độ dẫn điện của nước sông và nước thấm từ sông (LKTT) qua hai đợt lấy mẫu và phân tích chất lượng nước được thể hiện trên các (Hình 3.28). Hình 3.28 Biểu đồ thể hiện độ dẫn điện của nước sông và nước giếng khoan trong hai đợt thí nghiệm Kết quả phân tích cho thấy độ dẫn điện nước sông Cẩm Giàng dao động từ 267 đến 430 mS/cm vào tháng 5 và từ 462 đến 638 mS/cm vào tháng 11. Độ dẫn điện trong nước thấm có giá trị thấp hơn và mức độ dao động nhỏ hơn thể hiện sự ổn định về chất lượng nước cũng như mức độ ô nhiễm thấp hơn. Chứng tỏ nước thấm từ sông sau khi đi qua tầng lọc, các chất khoáng có trong nước đã giảm đi đáng kể.  Chỉ tiêu COD và NH4 Hình 3.2 Hàm lượng COD và NH4+ của nước sông và nước thấm đợt tháng 5 Trong nước thấm từ sông tại giếng khoan trung tâm, hàm lượng COD dao động trong khoảng 0,8 đến 1,86 mg/l, giảm từ 73 tới 86% so với hàm lượng COD trong nước sông. Như vậy nước thấm trong quá trình vận chuyển từ sông vào giếng, hàm lượng chất hữu cơ giảm, chứng tỏ đã có các quá trình oxy hóa và phân hủy chất hữu cơ, chứng tỏ khả năng loại bỏ hữu cơ nhờ lớp bùn cát đáy và bờ sông. Hàm lượng NH4 trong nước thấm nằm trong khoảng 0,54 đến 2,18 18