Abstract
This paper presents an innovative approach to assess and manage groundwater resources in Vietnam. The author discusses some shortcomings in the current assessment of groundwater reserves, and proposes some innovative methods to determine groundwater recharge over time, along with analysis of the main causes leading to uncertainty and inaccuracy in estimating groundwater recharge. The goal is to improve accuracy and reasonableness in calculation, assessment; optimize groundwater operation and exploitation mechanisms; and at the same time effectively establish relevant management policies to ensure sustainable use of groundwater.
Keywords: manage of groundwater resources; groundwater recharge.
1. Giới thiệu
Tài nguyên nước và việc quản lý tài nguyên nước là những yếu tố quyết định chiến lược tăng trưởng của bất kỳ một quốc gia nào trên thế giới. Mục tiêu đảm bảo sự sẵn có của nước, quản lý hiệu quả tài nguyên nước và vệ sinh an toàn cho tất cả mọi người vào năm 2030 là Mục tiêu Phát triển bền vững 6 (The Sustainable Development Goal 6 – SDG 6) trong số 17 Mục tiêu Phát triển bền vững của Liên Hợp Quốc được thông qua tại Hội nghị thượng đỉnh Liên Hợp Quốc với sự góp mặt của 193 thành viên vào ngày 25/9/2015. Để đáp ứng mục tiêu này, các phương pháp đổi mới trong đánh giá và quản lý nguồn nước ngầm tại Việt Nam cần được tiếp cận. Từ đó, các nhà quản lý có thể cải thiện công tác quản lý nguồn nước ngầm cũng như phát triển các công cụ giám sát và quản lý.
Trong công tác đánh giá trữ lượng nước dưới đất nói chung, việc tính toán trữ lượng bổ nạp nước ngầm (groundwater recharge) rất quan trọng. Đây chính là thông số cơ sở cho việc xác định trữ lượng nước ngầm có thể khai thác, sử dụng; và là thông số thể hiện mức độ phong phú hay tiềm năng nước ngầm của một khu vực. Dòng ngầm bổ nạp được định nghĩa là dòng nước bổ sung vào tầng chứa nước ngầm [1]. Hình 1 thể hiện các quá trình bổ nạp nước ngầm. Theo đó, một cách tổng quát, dòng ngầm bổ nạp có thể được phân thành các loại sau đây [2]:
Dòng ngầm bổ nạp trực tiếp (Direct recharge): Trong quá trình này, nước được thêm vào tầng chứa nước ngầm bằng cách thấm trực tiếp theo chiều dọc qua vùng không bão hoà (vadose zone). Trữ lượng nước ngầm bổ nạp này cao hơn độ hụt nước và lượng thoát hơi nước.
Dòng ngầm bổ nạp gián tiếp (Indirect recharge): Nước từ các dòng nước mặt như sông, kênh, ao hồ thấm vào tầng chứa nước ngầm.
Dòng ngầm bổ nạp cục bộ (Localised recharge): Nước ngầm được bổ nạp theo hình thức trung gian do nồng độ bề mặt hoặc vị trí gần bề mặt.
2. Một số tồn tại trong công tác đánh giá trữ lượng nước
Đặc điểm của nước ngầm tự nhiên là một hệ thống động, gắn liền với điều kiện khí hậu và bản chất của hệ sinh thái thủy sinh. Đánh giá tài nguyên nước ngầm về mặt trữ lượng là bắt buộc trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước ngầm. Hiện nay, công tác đánh giá trữ lượng ngầm ở Việt Nam chưa được quan tâm triệt để, đặc biệt là các tính toán về dữ liệu trữ lượng động (theo thời gian) của các tầng chứa nước, của các khu vực và vùng miền. Một số báo cáo, đề tài nghiên cứu khi đánh giá trữ lượng nước ngầm ở miền núi và trung du nước ta chưa đánh giá được sự biến đổi của trữ lượng động theo thời gian mà chỉ đưa ra số liệu trữ lượng tương ứng với tần xuất 95% của dòng chảy kiệt của sông. Số liệu này nhỏ hơn nhiều trữ lượng động trung bình năm của nước ngầm [3]. Trong các mô hình tính toán trữ lượng bằng phương pháp cân bằng, thời gian khai thác nước ngầm khi khai báo như dữ liệu đầu vào đã chưa được tính chính xác (chỉ mang tính ước tính mà chưa dựa vào tình trạng khai thác thực tế và việc quy hoạch nguồn tài nguyên nước ngầm tại khu vực đó), các điều kiện biên chưa phản ánh được hiện trạng khai thác. Ngoài ra, sự cân bằng giữa lượng nước ngầm tự nhiên được nạp lại bằng lượng mưa và lượng thất thoát qua quá trình thoát hơi nước, cùng với sự ảnh hưởng của các công trình khai thác nước cũng ít được đánh giá chuyên sâu.
Một thực tế nữa là việc đánh giá tài nguyên nước ngầm có rất nhiều điều không chắc chắn, nên việc cải thiện dữ liệu tính toán bằng các thêm vào các hệ số bất định là cần thiết. Đánh giá nước ngầm tại nước ta cũng đặt ra những thách thức bổ sung, đặc biệt là về tính sẵn có của dữ liệu cũng như việc duy trì tính đồng nhất và khả năng so sánh của các kết quả tính toán.
3. Áp dụng các phương pháp đổi mới trong đánh giá và quản lý nguồn nước
Trên cơ sở phân tích một số tồn tại trong công tác đánh giá trữ lượng nước hiện nay ở Việt Nam, tác giả đề xuất tiếp cận các phương pháp tính toán đổi mới nhằm có thể nâng cao độ chính xác và tính hợp lý trong việc đánh giá trữ lượng nước.
Việc đánh giá nguồn nước ngầm cần được tiến triển vượt xa giai đoạn thu thập dữ liệu. Các dự án và các nghiên cứu liên quan cần có các công việc bao gồm: tính toán dòng chảy ngầm, phân tích sự tương quan của dòng chảy ngầm với mạng lưới dòng chảy, đánh giá cân bằng thủy văn và thời gian cư trú của trữ lượng ngầm, tính toán dự báo việc sử dụng tài nguyên nước trong tương lai dựa trên các phương án khai thác khác nhau (tính toán được lưu lượng và thời gian biến đổi lưu lượng của các công trình đang khai thác).
Cho đến nay, trên toàn cầu đã có rất nhiều phương pháp tính toán khác nhau để đánh giá trữ lượng bổ cập nước ngầm (groundwater recharge) [4, 5, 6]. Các phương pháp này được liệt kê ở Bảng 1, bao gồm 3 nhóm phân loại sau:
Phương pháp dựa trên thông số vật lý (nhóm 1),
Phương pháp hóa học và đồng vị (nhóm 2),
Phương pháp mô hình số và phương pháp thực nghiệm (nhóm 3).
Đối với những vùng mà trữ lượng bổ cập nước ngầm đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành nguồn nước ngầm như ở Tây Nguyên và Đông Nam Bộ, việc tính toán trữ lượng bổ cập nước ngầm sẽ là cơ sở quan trọng cho việc xác định trữ lượng có thể khai thác của vùng, hoặc tầng chứa nước.
Bảng 1. Các phương pháp tính toán để đánh giá trữ lượng nước ngầm bổ nạp
Phương pháp dựa trên thông số vật lý (nhóm 1)
1. Phương pháp tính toán trữ lượng nước (Water Budget)
2. Phương pháp dựa vào đo đạc dòng ngầm (Base flow measurements)
3. Phương pháp mặt phẳng lưu lượng bằng 0 (Zero Flux Plane)
4. Phương pháp Darcy (Darcian Methods)
5. Phương pháp đo nước lỗ rỗng bằng lysimeters (Lysimeters)
6. Phương pháp dựa trên biến động mực nước ngầm (Water table fluctuation)
7. Phương pháp dựa trên lượng mưa lũy tích (Cumulative Rainfall Departure – CRD)
8. Phương pháp dựa trên đo đạc nhiệt độ (Methods based on temperature measurements)
9. Phương pháp đo điện trở suất (Electrical Resistivity measurements)
10. Phương pháp ghi chép neutron của dữ liệu độ ẩm (Neutron logging of moisture profiles)
11. Phương pháp dựa trên thí nghiệm về trường lực hấp dẫn và khí hậu (Gravity Recovery and Climate Experiment – GRACE)
Phương pháp hóa học và đồng vị (nhóm 2)
1. Phương pháp xác định đồng vị ổn định của Hydro và Oxy (Stable isotopes of Hydrogen and Oxygen)
2. Phương pháp xác định niên đại của tầng nước ngầm (Groundwater dating)
3. Phương pháp cân bằng khối lượng Chloride (Chloride Mass Balance): bao gồm phương pháp nồng độ (Concentration method) và phương pháp dòng chảy (Flux method)
4. Phương pháp dựa trên hàm lượng Tritium (Environmental Tritium): bao gồm phương pháp dựa trên số liệu Tritium lớn nhất (Peak Tritium) và phương pháp dựa trên số liệu Tritium tổng (Total Tritium)
5. Phương pháp Tritium được bơm vào (Injected Tritium)
6. Phương pháp dựa trên các thiết bị theo dõi khác (Other tracers)
Phương pháp mô hình số và phương pháp thực nghiệm (nhóm 3)
1. Mô hình dòng chảy (Runoff models) Mô hình áp dụng cho các vùng không bão hòa
2. Modelling based on unsaturated zone) Mô hình áp dụng cho các vùng bão hòa
3. Modelling based on saturated zone)
Các kỹ thuật và phương pháp đánh giá trữ lượng bổ nạp nước ngầm được mô tả ở Bảng 1 đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng không có phương pháp nào có lợi thế rõ ràng so với các phương pháp khác. Chúng khác nhau về khả năng áp dụng cho từng vùng, miền khác nhau, chủ yếu dựa trên các yếu tố: tính toán tốc độ dòng ngầm được bổ trợ lại, khu vực và khoảng thời gian mà tính toán đó thể hiện [7]. Như vậy, mỗi vùng, miền cần phát triển các cơ chế và phương pháp tính toán riêng để đánh giá nguồn tài nguyên nước ngầm, dựa vào đặc điểm khu vực và hiện trạng cũng như kế hoạch khai thác nguồn tài nguyên này. Phương pháp đánh giá đòi hỏi phải cập nhật liên tục để theo kịp sự phát triển của công nghệ, cải thiện tính sẵn có của dữ liệu và nhu cầu của các kế hoạch trong tương lai. Trong đó, cũng cần phân tích chuyên sâu các nguyên nhân chính gây ra sự không chắc chắn và thiếu chính xác trong ước tính trữ lượng bổ nạp nước ngầm. Các nguyên nhân này có thể bao gồm: sai số đo lường, sự thay đổi theo thời gian và không gian của các giá trị và thông số, các giá trị giả định để làm cơ sở cho các phương pháp tính toán khác nhau [8].
Ngoài ra, trữ lượng bổ nạp nước ngầm thường được ước tính gián tiếp nên việc sử dụng nhiều phương pháp để tính toán là cần thiết để đưa ra các kết quả đáng tin cậy. Sự kết hợp giữa dữ liệu địa phương, các phương pháp tính toán thuộc nhóm 1 và 3 ở Bảng 1, viễn thám và công nghệ GIS sẽ mang lại kết quả định lượng tốt hơn về trữ lượng bổ nạp nước ngầm ở các khu vực, vùng rộng lớn. Trí tuệ nhân tạo (AI), Internet vạn vật (IoT), Dữ liệu lớn (Big data) cũng là các công nghệ quan trọng và hữu ích nhờ vào năng lực tính toán, nguồn cơ sở dữ liệu điện toán đám mây và các công cụ phân tích phức tạp. Trong tính toán nguồn tài nguyên nước ngầm, rất nhiều biến số như lượng mưa, lượng thất thoát, dòng chảy, … có các tham số khác nhau phụ thuộc vào thời gian và không gian. Rõ ràng các quá trình thủy văn phi tuyến tính này cần được mô tả và phân tích trong các mô hình AI có khả năng chọn và thay đổi các thông số, chức năng, số lần tính lặp, thuật toán. Khi đó, các kết quả đánh giá nguồn trữ lượng nước ngầm sẽ chính xác hơn, đồng thời thời gian tính toán được rút ngắn, mang lại hiệu quả về mặt khoa học và kinh tế. Việc sử dụng IoT và Big data trong quản lý nguồn tài nguyên nước ngầm có thể hỗ trợ các vùng, thành phố vừa giám sát hiệu quả trữ lượng và chất lượng nước ngầm, vừa giảm chi phí vận hành liên quan đến xây dựng và bảo trì.
4. Kết luận
Công tác đánh giá trữ lượng ngầm ở các vùng miền tại Việt Nam hiện nay chưa quan tâm triệt để đến các phân tích dữ liệu trữ lượng động (theo thời gian) của các tầng chứa nước dưới đất. Đặc biệt, trữ lượng bổ cập nước ngầm chưa được tính toán chuyên sâu dựa trên đặc điểm, hiện trạng các công trình khai thác cũng như kế hoạch khai thác nguồn nước ngầm trong tương lai.
Bài báo tiếp cận một số phương pháp đổi mới nhằm xác định trữ lượng bổ cập nước ngầm theo thời gian, cùng với việc đề xuất các phân tích về nguyên nhân chính gây ra sự không chắc chắn và thiếu chính xác trong ước tính trữ lượng bổ nạp nước ngầm. Sự kết hợp giữa dữ liệu địa phương, các phương pháp tính toán khác nhau thuộc nhóm 1 và 3 ở Bảng 1, công nghệ viễn thám hay GIS là cần thiết để đưa ra các kết quả đáng tin cậy về trữ lượng bổ nạp nước ngầm ở các khu vực, vùng rộng lớn. Ngoài ra, việc sử dụng AI, IoT và Big data sẽ thúc đẩy sự tiếp cận theo hướng tích hợp và toàn diện. Từ đó, các nhà khoa học, quản lý có thể hiểu sâu hơn về các tác động tự nhiên và nhân tạo đối với trữ lượng nước ngầm. Trên cơ sở đó, chúng ta tối ưu cơ chế vận hành, khai thác nước ngầm, đồng thời thiết lập hiệu quả các chính sách quản lý có liên quan để đảm bảo sử dụng nước ngầm bền vững.
Lời cảm ơn: Chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ cho nghiên cứu này.
Tài liệu tham khảo
[1] deVries JJ, Simmers I (2002). Groundwater recharge: An overview of processes and challenges. Hydrogeol J 10: DOI 10.1007/s10040-001-0171-7.
[2] Lerner DN (1997). Groundwater recharge. In: Saether OM, de Caritat P (eds) Geochemical processes, weathering and groundwater recharge in catchments. AA Balkema, Rotterdam, pp 109-150.
[3] Đặng Đình Phúc và nnk (2018). Đổi mới phương pháp đánh giá trữ lượng nước dưới đất ở Việt Nam. Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (3), 84-88.
[4] Simmers I (ed) (1988). Estimation of natural groundwater recharge. Reidel, Boston, 510 pp.
[5] CGWB (2009). Report of the group for suggesting new and alternate methods of ground water resources assessment, Central Ground Water Board, Ministry of Water Resources, Govt. of India, Faridabad, 26p.
[6] Scanlon BR, Healy RW, Cook PG (2002). Choosing appropriate techniques for quantifying groundwater recharge.Hydrogeol J 10: DOI 10.1007/s10040-001-0176-2.
[7] Rana Chatterjee, Ranjan Kumar Ray (2014). Assessment of Ground Water Resources: A Review of International Practices. Central Ground Water Board (CGWB), Ministry of Water Resources, Govt. of India.
[8] Healy RW, Cook PG (2002). Using groundwater levels to estimate recharge. Hydrogeol J 10: DOI 10.1007/s10040-001-0178-0.