Đánh giá trữ lượng và khả năng khai thác an toàn tầng chứa nước qp2 thành phố Hà Nội

1. Đặt vấn đề

Thành phố Hà Nội là trung tâm chính trị, kinh tế, văn hoá của cả nước, là một trong các khu vực nằm ở trung tâm đồng bằng sông Hồng và vùng kinh tế trọng điểm đồng bằng Bắc Bộ. Ở đây tập trung số lượng lớn dân số có mật độ dân cư cao nhất cả nước. Các ngành kinh tế công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ phát triển mạnh có nhu cầu về nước cho ăn uống sinh hoạt và sản xuất rất lớn.

Tuy nhiên, quá trình đô thị hoá trên địa bàn thành phố Hà Nội đang phát triển mạnh đã làm biến đổi mạnh mẽ các điều kiện môi trường nói chung và tài nguyên nước dưới đất nói riêng. Tình trạng suy giảm nguồn nước dưới đất (ô nhiễm, cạn kiệt) đã diễn ra tại một số nơi gây ảnh hưởng tới cuộc sống của người dân và các ngành kinh tế trên địa bàn thành phố.

Để có cơ sở quy hoạch khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước dưới đất cũng như đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm bảo vệ, phòng ngừa, hạn chế, giảm thiểu tình trạng cạn kiệt, ô nhiễm và nhiễm mặn nước dưới đất ở thành phố Hà Nội thì việc nghiên cứu làm sáng tỏ trữ lượng nước dưới đất của thành phố là vấn đề hết sức quan trọng. Do đó mục tiêu trọng tâm của bài báo này này sẽ giải quyết các vấn đề sau đối với tầng chứa nước qp2:

- Xác định được tiềm năng tài nguyên (hay tài nguyên dự báo) nước của tầng qp2, thành phố Hà Nội.

- Xác định được trữ lượng có thể khai thác nước dưới đất (hay trữ lượng khai thác an toàn nước dưới đất) của tầng qp2 phục vụ quy hoạch khai thác sử dụng tài nguyên nước dưới đất phục vụ phát triển kinh tế xã hội thủ đô và bảo vệ môi trường.

2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

2.1. Sơ lược về tầng Pleistocene (qp2)

Tầng chứa nước bao gồm các trầm tích sông hệ tầng Vĩnh Phúc (aQ13vp). Tầng có vị trí nằm dưới tầng chứa nước qh và nằm trên tầng chứa nước qp1.

Diện phân bố của tầng rất rộng rãi và hầu khắp vùng phân bố trầm tích đệ tứ. Tại Ba Vì, tầng phân bố dọc theo sông Hồng tại xã Cổ Đô đến xã Đông Quang, sau đó chạy dọc theo sông Hồng đến phường Phú Thịnh thị xã Sơn Tây (nơi có lỗ khoan LK79) rồi mở rộng về phía nam, đông nam đến xã Trạch Mỹ Lộc, Phúc Hòa, sau đó thu nhỏ về phía đông bắc đến xã Thượng Cốc, Hát Môn nơi tiếp giáp với sông Đáy thì mở rộng ra và gần như bao trọn Hà Nội. Ở phía bắc sông Hồng, tầng phân bố dọc theo rìa đá gốc tại xã Thanh Lâm huyện Mê Linh qua xã Phú Cường rồi thành dải về phía bắc đến xã Quang Tiến huyện Sóc Sơn rồi lại xuống đến xã Xuân Nộn huyện Đông Anh, vòng lên xã Tân Hưng huyện Sóc Sơn. Ở một số khoảnh hoặc chỏm, chiều dày tầng bị vát mỏng hoặc hoàn toàn bị xói mất như tại khoảnh từ Ngũ Hiệp đến thị trấn Thường Tín (nơi có lỗ khoan TD14KC, TD8AKC, LK81) và khoảnh thứ hai ở phía bắc sông Hồng và sông Đuống từ xã Liên Hà huyện Đông Anh đến Cổ Loa thì mở rộng về hai phía đến gần tiếp giáp với sông Hồng tại xã Vĩnh Ngọc đến Đông Hội (nơi có các lỗ khoan LK1, LK34, LK5, LK620 và LK900-N). Tổng diện tích phân bố tầng chứa nước khoảng 1.772 km2.

Tầng có chiều dày từ 1,3m (Q.75a - xã Đông Mai huyện Thanh Oai) đến 39,0m (LK905 - xã Phù Đổng huyện Gia Lâm), chiều dày trung bình của tầng 12,26m. Trong số 162 lỗ khoan nghiên cứu có 25 lỗ khoan có chiều dày tầng nhỏ hơn 5m (chiếm 15,4%); 43 lỗ khoan có chiều dày tầng từ 5-10m (chiếm 26,5%); 72 lỗ khoan có chiều dày tầng từ 10-20m (chiếm 44,4%) và 22 lỗ khoan có chiều dày tầng lớn hơn 20m (chiếm 13,6%).

Bản đồ đẳng bề dày tầng chứa nước qp2

Chiều sâu mái tầng chứa nước phân bố từ 1,8m (LK61) đến 45m (LK119, LK120, Q.75a), trung bình 19,25m. Chiều sâu đáy tầng thay đổi từ 9,2m (LK16-54) đến 54,5m (LK120), trung bình 31,52m.

Phủ trực tiếp lên tầng chứa nước là một lớp sét cách nước hệ tầng Vĩnh Phúc (amQ13vp; albQ13 vp) có chiều dày 0,4m đến 48m, trung bình 9,41m. Nhiều nơi bị xói mất hoàn toàn tạo thành các cửa sổ địa chất thủy văn như đã trình bày ở phần mô tả tầng chứa nước qh.

Thành phần thạch học chủ yếu là cát các loại nhưng đa phần là cát trung, cát thô, phần đáy có nơi lẫn sạn sỏi thuộc tướng lòng sông.

Nước tàng trữ và vận động trong tầng chứa nước chủ yếu là có áp yếu, hệ số dẫn áp có giá trị n.103 m2/ngày (kết quả hút nước thí nghiệm chùm tại LK44C có giá trị 5*103 m2/ngày). Tính chất thấm của đất đá thuộc loại cao đến rất cao. Độ dẫn nước thay đổi từ 16 m2/ngày (LKN5 – xã Đức Giang huyện Hoài Đức và LKM3 – xã Cổ Bi huyện Gia Lâm) đến 1.498 m2/ngày (CHN1 – xã Sen Chiểu huyện Phúc Thọ), trung bình 232 m2/ngày.

2.2. Phương pháp tính toán trữ lượng nước dưới đất

2.2.1 Xác dịnh tài nguyên dự báo nước dưới đất (hay tiềm năng tài nguyên nước dưới đất)

Tài nguyên dự báo nước dưới đất được xác định theo công thức sau:

Qtn = Qt + Qđ

Trong đó:

Qtn là tài nguyên dự báo (hay tiềm năng nước dưới đất), m3/ngày.

Qt là tài nguyên tích chứa, m3/ngày.

Qđ là lượng bổ cập tự nhiên , m3/ngày.

2.2.1.1 Xác định tài nguyên tích chứa trong tầng chứa nước

Lượng tích chứa tự nhiên gồm lượng tích chứa trọng lực và lượng tích chứa đàn hồi.

Lượng tích chứa trọng lực là lượng nước chứa trong các lỗ hổng, khe nứt, hang hốc Kasrt của đất đá chứa nước và có khả năng thoát ra dưới tác dụng của trọng lực. Lượng tích chứa trọng lực được đặc trưng bởi hệ số nhả nước trọng lực. Lượng tích chứa đàn hồi là lượng nước sinh ra do khả năng đàn hồi của nước và của đất đá chứa nước khi hạ thấp mực áp lực trong những tầng chứa có áp. Lượng tích chứa đàn hồi được đặc trưng bởi hệ số nhả nước đàn hồi.

a) Tài nguyên tĩnh trọng lực được xác định bằng công thức:

Vtl = mV = mtbhtbF (đối với tầng chứa nước không áp)

Vtl = mV = mtbmtbF (đối với tầng chứa nước có áp).

Trong đó: m là hệ số nhả nước trọng lực (có giá trị dao động từ 0 – 1 đơn vị), V là thể tích đất đá chứa nước (m3), htb là chiều dày trung bình của tầng chứa nước không áp (m), mtb là chiều dày trung bình tầng chứa nước có áp (m), F là diện tích phân bố của tầng chứa nước (m2).

b) Tài nguyên tĩnh đàn hồi được xác định bằng công thức:

Vđh = m*tb Htb F

Trong đó: m*tb là hệ số nhả nước đàn hồi, H là chiều cao cột áp lực (m) tính từ mái tầng chứa nước đến mực nước áp lực, F là diện tích phân bố của tầng chứa nước (m2).

Tương tự như xác định tài nguyên tĩnh trọng lực, khi xác định tài nguyên tĩnh đàn hồi thì số hệ số nhả nước đàn hồi và chiều cao cột áp lực cũng biến đổi theo không gian, nên các thông số này thường được trung bình hóa. Trong một số trường hợp khi có đủ số liệu thì tài nguyên tĩnh đàn hồi cũng được xác định bằng phương pháp sai phân.

Khối lượng nước trọng lực và đàn hồi tích chứa trong tầng chứa nước có thể được thể hiện bằng mét khối, hoặc dưới dạng tiềm năng (m3/ngày) khi giả thiết nó có thể lấy ra được trong một khoảng thời gian khai thác tính toán.

2.2.1.2 Xác định lượng bổ cập tự nhiên

Lượng bổ cập tự nhiên cho nước dưới đất có thể được hình thành từ ngấm của nước mưa, từ dòng ngầm nơi khác chảy đến, từ nước sông, nước mặt...

a) Bổ cập từ nước mưa được xác định thông qua cường độ cung cấp cho nước dưới đất.

Một trong những phướng pháp đơn giản và chính xác nhất là theo dao động mực nước trong 1 lỗ khoan quan trắc mực nước (phương pháp N.N.Bindeman)

Điều kiện áp dụng phương pháp là những vùng, khu vực đánh giá có lưu lượng dòng chảy đến và chảy đi bằng nhau, nghĩa là miền phân thủy của nước dưới đất (tại những vùng cách xa sông). Với phương pháp này chúng ta chỉ cần có tài liệu quan trắc mực nước của 1 lỗ khoan tối thiểu trong vòng 1 năm.

Để xác định lượng bổ cập tự nhiên theo phương pháp này chúng ta cần tiến hành quan trắc mực nước tại 1 lỗ khoan tối thiểu trong vòng 1 năm. Sau đó vẽ đồ thị dao động mực nước theo thời gian, đồ thị dao động mực nước dưới đất có thể có nhiều chu kỳ mực nước dâng và hạ thấp. (Trần Văn Minh và nnk, 1993)

b) Nguồn bổ cập tự nhiên của dòng ngầm từ nới khác chảy đến có thể xác định theo công thức động lực học của nước dưới đất (công thức Darcy)

Phương pháp này có thể áp dụng được trong mọi trường hợp phân bố của tầng chứa nước, cho cả tầng chứa nước có áp và không áp. Để xác định được lượng bổ cập tự nhiên trong trường hợp này cần phải thành lập được bản đồ thủy đẳng cao hoặc thủy đẳng áp của nước dưới đất (bản đồ mực nước dưới đất) và phải xác định được hệ số thấm của tầng chứa nước. Tuy nhiên việc thành lập được các bản đồ này và xác định hệ số thấm thì đòi hỏi khối lượng lớn lỗ khoan hút nước, đo mực nước. Đồng thời bản đồ thủy đẳng cao, thủy đẳng áp thường chỉ xác định trong 1 thời điểm nhất định, do đó lưu lượng dòng ngầm xác định được cũng chỉ là giá trị tại thời điểm đó, không đại diện cho cả thời kỳ.

c) Lượng bổ cập tự nhiên từ dòng chảy trên mặt cho nước dưới đất có thể xác định theo phướng pháp thủy văn, theo hiệu số lưu lượng dòng chảy trên mặt tại 2 mặt cắt thủy văn

Phương pháp này được sử dụng trong trường hợp nước dưới đất có mối quan hệ thủy lực chặt chẽ với dòng mặt, có nghĩa là dòng mặt là nguồn cung cấp chủ yếu cho nước dưới đất. Khi đó cần bố trí 2 trạm đo lưu lượng trên sông khống chế diện tích phân bố tầng chứa nước.

Sự cung cấp thấm từ dòng chảy trên mặt cho nước dưới đất (từ hồ chứa, sông...) cũng có thể xác định trực tiếp theo công thức Darcy khi biết rõ mặt cắt ướt và các thông số thấm.

2.2.2 Xác định trữ lượng khai thác an toàn (hay trữ lượng có thể khai thác nước dưới đất)

Trữ lượng khai thác an toàn (hay trữ lượng có thể khai thác nước dưới đất) có thể lấy bằng tỷ lệ phần trăm tài nguyên dự báo nước dưới đất tùy theo mức độ chi tiết về số liệu nghiên cứu điều kiện địa chất thủy văn (ví dụ lấy bằng 30% tài nguyên dự báo, nghĩa là ngưỡng an toàn ở đây là lấy đến 30% tổng lượng trữ tự nhiên và nguồn bổ cập tự nhiên). Đối với tầng chứa nước có áp, phân bố sâu, trữ lượng khai thác an toàn được xác định không vượt quá chiều sâu mực nước 50m tính từ mặt đất.

Ở đây trữ lượng khai thác an toàn chúng tôi lấy bằng 50% lượng bổ cập từ mưa, dòng ngầm và 40% lượng bổ cập lớn nhất từ nước mặt, không xâm phạm tài nguyên nước tĩnh.

3. Kết quả và thảo luận

Tài nguyên tĩnh trọng lực:

Trên cơ sở cấu trúc địa chất thủy văn, tác giả thành lập bản đồ đẳng bề dày tầng chứa nước và phân chia thành các vùng có bề dày như sau:

+ Vùng có chiều dày tầng chứa nước nhỏ hơn 5m: chiếm diện tích 396,8 km2.

+ Vùng có chiều dày tầng chứa nước từ 5-10m: chiếm diện tích 504,6 km2.

+ Vùng có chiều dày tầng chứa nước từ 10-15m: chiếm diện tích 499,6 km2.

+ Vùng có chiều dày tầng chứa nước từ 15-20m: chiếm diện tích 334,8 km2.

+ Vùng có chiều dày tầng chứa nước lớn hơn 20m: chiếm diện tích 36,2 km2.

Hệ số nhả nước trọng lực của tầng chứa nước chỉ có chùm H18B-B trong phương án thăm dò nhà máy nước Gia Lâm bố trí trong tầng chứa nước, kết quả xác định được hệ số nhả nước trọng lực là 0,05.

Lượng nước tích chứa đàn hồi trong tầng chứa nước qp2 là:

Vđh = m*tb Htb F = 0,0011 x 12,31 x 1.772,0 x 106 = 23.994.652 (m3)

Tài nguyên nước tĩnh đàn hồi được xác định là:

Qtđh = Vđh/10.000 = 23.994.652 /10.000 = 2.399 (m3/ngày)

Lượng bổ cập tự nhiên của nước mưa cho tầng chứa nước:

Lượng bổ cập tự nhiên cho nước dưới đất được xác định theo công thức sau: Q đ = Mn.F

Trong đó:

Q đ là lượng bổ cập tự nhiên cho nước dưới đất (m3/ngày);

Mn là modun dòng chảy nước dưới đất (l/s.km2);

F là diện tích phân bố tầng chứa nước (km2)

Q đ = Mn.F = 265.151 (m3/ngày)

Trữ lượng khai thác an toàn được xác định theo công thức sau:

Qktat = 50%Qđ + 40%Qbs

Trong đó:

Qktat là trữ lượng khai thác an toàn (m3/ngày);

Qđ là lượng bổ cập tự nhiên từ nước mưa, dòng ngầm (m3/ngày);

Qbs là lượng bổ cập lớn nhất từ nước sông (m3/ngày);

Giữa tầng chứa nước qp2 và qp1 tồn tại lớp cách nước phân bố không liên tục, đa số bị bào xói, đặc biệt là ở khu vực ven sông tạo nên cửa sổ địa chất thủy văn giữa hai tầng. Chính vì vậy tạo nên hệ thống thủy lực chung của tầng chứa nước. Kết quả quan trắc mực nước của mạng quan trắc cũng cho thấy sự quan hệ thủy lực chặt chẽ giữa hai tầng chứa nước này. Mặt khác, tầng chứa nước qp2 có chiều dày khá mỏng so với tầng qp1, do vậy, khi tính toán lượng bổ cập tự nhiên của sông cho tầng chứa nước qp nói chung mà không tách riêng ra hai tầng chứa nước là qp2 và qp1. Tổng Qbs = 5.473.542 (m3/ngày)

Kết quả tính toán trữ lượng khai thác an toàn nước dưới đất thành phố Hà Nội, tầng chứa nước qp2 theo phương pháp giải tích chưa tính đến lượng bổ cập từ sông:

Qktat = 50%Qđ + 40%Qbs = 2.321.992 (m3/ngày)

4. Kết luận

Tầng chứa nước qp2 bao gồm các trầm tích sông hệ tầng Vĩnh Phúc (aQ13vp). Tầng có vị trí nằm dưới tầng chứa nước qh và nằm trên tầng chứa nước qp1. Đây là tầng chứa nước có quan hệ chặt chẽ với tầng chứa nước qp1

Diện phân bố của tầng rất rộng rãi và hầu khắp vùng phân bố trầm tích đệ tứ. Vì vậy, phải có kế hoạch khai thác hợp lý và bảo vệ tầng chứa nước này.

Trữ lượng khai thác an toàn nước dưới đất thành phố Hà Nội, tầng chứa nước qp2 là 2.321.992 (m3/ngày). (Có tính đến tầng chứa nước qp1)

Trong giai đọan phái triển đô thị hiện nay, vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên nước càng trở nên cấp thiết. Đây là cơ sở để nghiên cứu các tầng chứa nước khác trên toàn thành phố để có cái nhìn tổng quan và chi tiết hơn, giúp các nhà quản lý cũng như các tổ chức, cá nhân khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước.

Đỗ Cao Cường, NguyễnVăn Bình _, Đỗ Thị Hải, Vũ Thị Phương Thảo - Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đào Trọng Tú - Trung tâm quy hoạch và điều tra tài nguyên nước Quốc gia.

Tài liệu tham khảo

Trần Văn Minh và nnk, 1993. Báo cáo kết quả thăm dò nước dưới đất vùng Hà Nội mở rộng, Lưu trữ Cục Quản lý tài nguyên nước, Hà Nội

Phạm Bá Quyền và nnk, 2016. Báo cáo Điều tra, đánh giá tài nguyên nước vùng thủ đô Hà Nội.

Nguyễn Đình Thông và nnk, 2012. Báo cáo Điều tra, đánh giá nguồn nước dưới đất tầng Neogen vùng thành phố Hà Nội. Lưu trữ Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước miền bắc