Giải pháp nâng cao trữ lượng nước dưới đất cung cấp cho thủ đô

Thủ Đô Hà Nội, đến các năm 2020, 2030, 2050 có nhu cầu nước tương ứng là 1,6; 2,4 và 3,1 triệu m3/ngày đêm. Việc khai thác cung cấp nước từ trước đến nay chủ yếu từ các nguồn nước dưới đất. Tuy nhiên, thực tế khai thác nước dưới đất ở đây đã tác động đến môi trường như sụt lún nền đất, nhiễm bẩn, cạn kiệt nguồn nước… Bài báo này đề cập đến xây dựng các công trình khai thác thấm ven sông Hồng làm nâng cao trữ lượng phát triển bền vững tài nguyên nước dưới đất có thể đáp ứng các nhu cầu nước của Thủ Đô mà tác động đến môi trường không đáng kể.

Khái quát về công trình khai thác thấm.

Khai thác nước dưới đất vùng ven sông, hồ thường cho lưu lượng lớn, đôi khi rất lớn do được nước sông, hồ cung cấp thấm trực tiếp. Trong một số điều kiện lượng cung cấp đó rất lớn. Công trình khai thác như vậy gọi là công trình khai thác- thấm. Đó là một dạng của bổ sung nhân tạo nước dưới đất (NDĐ), được áp dụng rộng rãi trong khai thác nước dưới đất ở nhiều nước trên thế giới.

Tại Hungary, các công trình khai thác nước thấm lọc cung cấp phần lớn cho nhu cầu ăn uống sinh hoạt. Phần thượng lưu của thành phố Budapest là đảo Szentendre cấu tạo từ cát, sạn, sỏi là môi trường tốt cho xây dựng các công trình khai thác thấm ven sông. Ở đó đã xây dựng các lỗ khoan khai thác có ống lọc nằm ngang (xem hình 1), mỗi lỗ khoan có công suất 10-20 nghìn m³/ng. Tổng công suất của bãi giếng 600.000m³/ngày, nhưng hiện tại chỉ khai thác 50% công suất, cung cấp 60% nhu cầu nước sinh hoạt của thành phố Budapest.


Hình 1. Công trình thấm lọc ở đảo Szentendre phía thượng lưu Budapest

Ở nước ta cũng được áp dụng rất nhiều các công trình khai thác-thấm ở các vùng ven 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 và thành phố Hà Nội.

Các nhà máy nước Bắc Thăng Long, Gia Lâm, Cáo Đỉnh, Yên Phụ, Đồn Thủy, Lương Yên, Nam Dư… của thành phố Hà Nội, nhờ áp dụng phương pháp này mà khai thác được xấp xỉ 400.000 m³ nước mỗi ngày, chiếm khoảng 2/3 sản lượng cung cấp nước của Công ty Kinh doanh nước sạch để cung cấp cho thành phố Hà Nội.

Tuy nhiên, các công trình khai thác thấm ven sông Hồng hiện nay chưa hoàn toàn hợp lý, vẫn có thể điều chỉnh và áp dụng các giải pháp nâng cao hơn nữa trữ lượng khai thác NDĐ, mà không tác động đáng kể đến môi trường.

Cơ sở khoa học

Như đã được đề cập đến trong nhiều tài liệu chuyên môn, trữ lượng khai thác nước dưới đất của một vùng nào đó bao gồm nhiều thành phần và được xác định theo công thức sau:

Trong đó :
Q_kt : Trữ lượng khai thác nước dưới đất, m³/ng
Q_tn: Trữ lượng động tự nhiên, m³/ng
V_dh: Lượng nước tĩnh đàn hồi, m³
V_tl : Lượng nước tĩnh trọng lực, m³
Q_ct: Trữ lượng cuốn theo, m³/ng
a : Hệ số xâm phạm vào trữ lượng tĩnh trọng lực (lấy bằng 30% đối với tầng chứa nước không áp).
t : Thời gian khai thác, ngày.

Trong số các thành phần kể trên, trữ lượng cuốn theo (Q_ct) chỉ xẩy ra trong điều kiện khai thác: cuốn theo do thấm xuyên từ trên xuống hoặc từ dưới lên, cuốn theo do lôi cuốn dòng chảy từ bên sườn, cuốn theo do thấm từ các nguồn nước trên mặt như sông, hồ…khi mực nước dưới đất tầng chứa nước khai thác bị hạ thấp. Ở các vùng ven sông, nhất là các sông lớn, trữ lượng cuốn theo thường rất lớn do thấm trực tiếp từ sông. Khi có cấu trúc hở, trong điều kiện khai thác, nước sông thấm trực tiếp cung cấp cho các công trình khai thác sẽ đóng vai trò chính trong thành phần trữ lượng khai thác NDĐ.

 Trữ lượng cuốn theo do thấm từ sông Hồng ở đồng bằng Bắc Bộ trong điều kiện khai thác đã được nhiều nhà nghiên cứu xác định với các kết quả như sau:

Nguyễn Mạnh Hoàng, năm 1983, bằng phương pháp giải tích đã xác định đại lượng cung cấp cho tầng chứa nước từ sông Thao cho công trình khai thác nước vùng Lâm Thao-Phú Thọ là 14.400 m³/ng/km đường bờ.

Trần Minh, năm 1993, bằng phương pháp giải tích đã xác định đại lượng cung cấp cho tầng chứa nước từ sông Hồng cho các công trình khai thác nước vùng thành phố Hà Nội là 37.00 m³/ng/km đường bờ.

Nguyễn Văn Đản, năm 2000, bằng phương pháp mô hình số đã nghiên cứu ở vùng bãi giếng Cao Đỉnh, đã rút ra kết luận: công trình khai thác càng đặt gần mép nước sông Hồng càng nhận được lượng cung cấp từ sông lớn. Ông đã tính toán khi công trình khai thác cách mép nước sông 200 m thì lượng cung cấp từ sông Hồng là 44.000 m³/ng/km đường bờ, đạt 88% tổng nguồn hình thành trữ lượng khai thác.

Phân tích kết quả ở bảng trên cho thấy: khi đưa các giếng khai thác ra mép nước sông Hồng, lưu lượng khai thác ở mỗi giếng và cả bãi giếng đều tăng hơn 3 lần so với vị trí hiện tại mà mực nước hạ thấp nhỏ hơn. Nếu đưa các giếng khai ra vùng cồn nổi giữa sông thì lưu lượng khai thác ở mỗi giếng tăng gần gấp gần 2 lần.

Từ các kết quả nghiên cứu trên đây cho thấy: Bố trí các giếng khoan khai thác NDĐ một cách hợp lý sẽ cho lưu lượng lớn, càng gần sông lưu lượng càng lớn.  Công suất mỗi một giếng khoan vùng ven sông Hồng có thể đạt khoảng từ 3.000 đến 10.000 m³/ng tùy theo vị trí giếng khoan. Khai thác ở các cồn nổi giữa sông có thể đạt trên 10.000 m³/ng/1 giếng khoan. Đó được xem như mục tiêu để thiết kế các công trình khai thác thấm ven sông Hồng. Để đạt được mục tiêu như trên, ngoài việc bố trí hợp lý các công trình khai thác, còn phải chú ý đến kỹ thuật thi công và kết cấu giếng khoan, bảo vệ các giếng khoan và đánh giá các tác động của việc khai thác NDĐ đến môi trường.
       
Một số vấn đề về kỹ thuật khoan và bảo vệ giếng khoan khai thác

Tầng chứa nước qp thường nằm sâu, cách mặt đất 30-50 m, phải áp dụng giếng khoan khai thác thẳng đứng. Giếng khoan cần khoan hết chiều dày tầng chứa nước qp với chiều sâu khoảng 50-80 m.

Giếng khoan cần được khoan với đường kính khoảng 700 mm, kết cấu ống chống đường kính 450 mm ở phần trên, ống lọc cùng đường kính vào tầng chứa nước khai thác. Tốt nhất là  ống lọc Jonhson khe hở 3 mm. Phía ngoài ống chống và ống lọc được chèn sỏi thích hợp với thành phần vật chất của đất đá chứa nước.  

 Với kết cấu như trên, khai thác bằng các máy bơm chìm các Hãng của Đức (EMUK126) hoặc tương ứng của Ý, Đan Mạch, Mỹ… đều đạt công suất > 3.000 m³/ng. Thành phố Hà Nội có nhiều kinh nghiệm lắp đạt các giếng khoan khai thác NDĐ công suất lớn. Với cấu trúc như trên, giếng khoan LYH10 ở Lương Yên đã khai thác được 7.200 m³/ng.  

Khi cần khai thác với công suất lớn hơn, có thể áp dụng công nghệ của các nước phát triển. Tuy nhiên,   khi chưa có điều kiện áp dụng công nghệ của các nước phát triển có thể khoan khai thác nhóm, tức là khoan 2 hoặc 3 giếng khoan ở cùng một vị trí.

 Kỹ thuật khoan giếng khai thác có ý nghĩa rất lớn đối với năng suất, hiệu suất và tuổi thọ giếng khoan. Với mục đích khai thác NDĐ, yêu cầu quan trọng nhất phải đạt được là: tuổi thọ giếng khoan lâu dài, hiệu suất giếng khoan lớn, tức là không được làm ảnh hưởng nhiều đến trạng thái tự nhiên của tầng chứa nước. Trong trường hợp ngược lại lưu lượng của giếng khoan sẽ giảm, trong một số trường hợp giảm rất đáng kể.

Công tác khoan giếng khai thác hiện nay ở vùng Hà Nội đang áp dụng rộng rãi công nghệ khoan tuần hoàn thuận, khoan đập cáp, kết quả là đa số các giếng khai thác đạt hiệu suất không cao. Cần áp dụng các công nghệ khoan tuần hoàn ngược hoặc khoan thổi rửa ngược sẽ cho hiệu suất cao hơn.

Các giếng khoan khai thác nước dưới đất vùng ven sông Hồng sẽ gặp những bất lợi như bị ngập về mùa lũ, dễ bị phá hủy do hoạt động của sông…  Để giếng khoan không bị ngập về mùa lũ, cần nâng ống chống trên mặt đất hơn độ cao  có thể ngập lụt. Kết quả tính toán mực nước sông Hồng tuyệt đối lớn nhất tại trạm đo Sơn Tây và Hà Nội có các tần suất khác nhau tổng hợp ở bảng 1.

Bảng 1. Mực nước sông Hồng tuyệt đối lớn  nhất với các tần suất khác nhau, cm


         
Số liệu bảng trên là cơ sở thiết kế độ cao miệng ống chống ở các giếng khai thác. Trong đó, số liệu ở trạm đo Sơn Tây dùng để thiết kế các giếng khoan ở phần thượng lưu. Số liệu ở trạm đo Hà Nội được dùng để thiết kế giếng ở vùng từ Hà Nội trở xuống.

Ngoài ra, cần nghiên cứu giải pháp bảo vệ công trình khai thác như tính ổn định của các bãi bồi, tính ổn định của bờ sông... , nghiên cứu sự ảnh hưởng của việc khai thác nước dưới đất đến môi trường như sụt lún mặt đất, ảnh hưởng đến hệ thống đê điều, nghiên cứu bảo vệ nguồn nước sông Hồng, bảo vệ các dải ven sông và bãi bồi khỏi bị nhiễm bẩn…

Kết luận và kiến nghị

Vùng ven sông Hồng từ đỉnh đồng bằng Bắc Bộ đến hết nội thành Hà Nội có cấu trúc hở thuận tiện để xây dựng công trình khai thác thấm dạng đường song song với mép nước. Các giếng khoan khai thác thấm vùng ven sông có thể có công suất từ 3.000 đến 10.000 m³/ng thậm chí lớn hơn, tùy thuộc vào vị trí giếng khoan.  Nếu tận dụng tất cả diện tích ven 2 bờ sông Hồng và các cồn nổi ở vùng cấu trúc hở để xây dựng các công trình khai thác có thể đáp ứng nhu cầu nước của Thủ Đô đến 2050.

Để có công suất khai thác lớn cần áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn ngược, khoan thổi rửa ngược khi thi công giếng khoan và nghiên cứu áp dụng các biện pháp hữu hiệu bảo vệ công trình khai thác nước trong điều kiện ngập lụt và sói lở,  đánh giá tác động của việc khai thác NDĐ đến môi trường và các công trình xây dựng./.