Biến đổi nước dưới đất theo mùa ở bờ biển Bình Thuận dưới tác động của nông nghiệp và thời tiết khô hạn

Tóm tắt: 

Bình Thuận ghi nhận bước nhảy vọt trong nông nghiệp nhằm giảm nghèo, nhưng vẫn đối mặt với thách thức về hiệu suất kỹ thuật và hạn hán định kỳ. Sự phụ thuộc ngày càng nhiều vào nước dưới đất cho các mục đích công nghiệp, khai thác mỏ, du lịch và sinh hoạt hàng ngày là nguồn lo ngại. Bài báo có mục tiêu đánh giá biến động theo mùa của nước dưới đất ở ven biển Bình Thuận thông qua mô hình hóa. Giai đoạn hiệu chỉnh kéo dài từ 2012 đến 2015, xác minh đến năm 2021. Mức nước dưới đất giảm từ 2012, đặc biệt tại các khu vực trồng thanh long như Hàm Thuận Nam và Bắc Bình. Thiếu mưa trong mùa khô làm tăng việc khai thác nước dưới đất vượt quá nạp lại. Khí hậu khô và trồng thanh long mở rộng tăng nhu cầu nước, trong khi mùa mưa giảm làm giảm nạp lại. Nghiên cứu nhằm hiểu rõ hơn về nguồn nước dưới đất và hỗ trợ quyết định quản lý nước phù hợp với phát triển bền vững.

1. Mở đầu

Bình Thuận, một trong những tỉnh khô hanh nhất Việt Nam, gặp khó khăn với lượng mưa trung bình dưới 50 mm và lượng bay hơi cao vào mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 (Hiền và đồng nghiệp, 2019; Trần và đồng nghiệp, 2019). Tuy hiệu suất kỹ thuật ở mức thấp, gần đây, tỉnh này đã chứng kiến sự gia tăng đáng kể trong hoạt động nông nghiệp, mục tiêu giảm nghèo và đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế (Ozer, 2012).

Thách thức ngày càng gia tăng khi biến đổi khí hậu đẩy các sự kiện khí hậu đặc biệt như hạn hán trở nên phổ biến, tác động mạnh mẽ lên nguồn nước tỉnh. Sự gia tăng đột ngột trong sử dụng nước dưới đất, đặc biệt là ở các khu vực ven biển cát, làm tăng áp lực lên tài nguyên nước. Dữ liệu sơ bộ cho thấy mức khai thác khoảng 100,000m3 nước mỗi ngày, tuy nhiên, đánh giá chưa đầy đủ về nguồn nước dưới đất và việc quản lý khai thác không hiệu quả có thể dẫn đến mất cân bằng tài nguyên (DONRE-Bình Thuận, 2017).

Vấn đề càng trở nên nghiêm trọng với bối cảnh biến đổi khí hậu và tăng mực nước biển. Tình hình khó khăn với tần suất cao của hạn hán, lũ lụt, sạt lở bờ biển và xâm nhập mặn đặt ra yêu cầu cần phải xây dựng chiến lược quản lý nguồn nước và sử dụng đất toàn diện, nhằm đảm bảo phát triển bền vững cho tỉnh Bình Thuận.

Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá biến động theo mùa của trữ lượng nước dưới đất ở khu vực ven biển của tỉnh Bình Thuận thông qua mô hình hóa. Nghiên cứu này hướng đến việc nâng cao hiểu biết về nguồn nước dưới đất và đưa ra thông tin hỗ trợ quyết định quản lý nước theo nguyên tắc phát triển bền vững trong khu vực.

2. Số liệu và Phương pháp nghiên cứu

Để xây dựng mô hình nước dưới đất cho hệ thống chất đáy ven biển, nhóm nghiên cứu đã tích hợp dữ liệu liên quan bao gồm địa hình, hồ sơ khoan, dữ liệu thử bơm, hồ sơ xây dựng địa chất và bản đồ sử dụng đất. Mô hình này nhằm mô phỏng phân bố không gian và đặc điểm của hệ thống chất đáy ven biển ở Bình Thuận. Đáng chú ý, nghiên cứu này dựa trên các đặc điểm của các lớp chất đáy và tình trạng khai thác ngầm hiện tại ở Bình Thuận từ dự án "Lập Kế Hoạch Nguồn Nước Dưới Đất Cho Khu Vực Ven Biển Tỉnh Bình Thuận".

Độ cao địa lý, địa hình và phân bố các thông số thủy văn sẽ được nội suy từ các hình chặt lớn và bản ghi thử bơm bằng phương pháp nội suy Trọng tâm Nghịch Đảo (IDW). Thêm vào đó, dữ liệu khí tượng như lượng mưa và bay hơi, cũng như dữ liệu từ quan sát mực nước ở các con sông và quan trắc mực nước tầng chứa nước, sẽ được thu thập để cung cấp điều kiện bổ sung cho mô hình nước dưới đất (xem Hình 1).

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện cuộc điều tra bổ sung nhằm tăng cường hiểu biết về việc khai thác nước dưới đất ở khu vực ven biển. Điều này bao gồm phỏng vấn cơ quan chính phủ và cộng đồng địa phương để hiểu rõ mô hình sử dụng dự kiến. Mô hình thủy văn đã được điều chỉnh bằng cách lựa chọn các biến như hệ số tái tạo mưa và hệ số thấm lớp sông. Quá trình này, thực hiện từ 2012 đến 2015, đã dựa trên tương quan vượt quá 0.8 giữa dữ liệu tính toán và quan sát. Giai đoạn xác minh đã được lưu trữ đến năm 2021, và nghiên cứu phân tích trữ lượng nước dưới đất theo mùa ở khu vực ven biển Bình Thuận.

2.1 Lý thuyết

Mô hình dòng nước dưới đất được sử dụng để mô phỏng phản ứng của chất đáy, trong thuật ngữ của đầu (mức nước dưới đất) và lưu lượng vào và ra khỏi chất đáy, đối với các tác động tự nhiên và do con người gây ra; Phương trình điều khiển biểu thị cho chuyển động ba chiều của nước dưới đất là (McDonald & Harbaugh, 1988).

trong đó

K_xx, K_yy, và K_zz là các giá trị dẫn nước theo chiều trục x, y và z, và ℎh là đầu nước (đầu thủy lực)

W là dòng thể tích trên mỗi đơn vị thể tích đại diện cho nguồn và/hoặc rò rỉ nước, với giá trị âm là sự rút nước và giá trị dương là sự tiêm/nuôi dưỡng. Nó là một hàm của không gian và thời gian (tức là W=W(x,y,z,t)).

S_s là khả năng lưu trữ cụ thể của vật liệu nung nấu và là hàm của không gian.

t là thời gian.

2.2 Cách thiết lập mô hình

Một lưới ba chiều được thiết lập cho mô hình, bao phủ một diện tích là 2,740 km2. Các ô lưới có kích thước là 200 x 200 mét, được tổ chức thành 387 hàng và 587 cột, với ba lớp, nhằm mô phỏng cấu trúc không gian của các lớp chất đáy. Lưới ba chiều này chứa tất cả các dữ liệu thuộc tính quan trọng để giải quyết các vấn đề trong mô hình. Bề mặt địa hình và độ dày lớp chất đáy được tính toán dựa trên bản đồ địa hình khu vực, các hình chặt địa chất và hồ sơ khoan sử dụng phương pháp Nghịch đảo Trọng tâm (IDW). Hình 2 minh họa mô hình không gian của nghiên cứu.

2.3. Địa chất thủy văn

Lớp trên cùng (Chất phủ Holocene và Pleistocene): Kết hợp do đồng đều về địa chất, lớp chất đáy này có độ dày dao động từ 20-60m. Các tham số thủy văn chính bao gồm độ thấm (K) ở mức 1-9.1 m/ngày và hệ số nhả nước (μ) là 0.20.

Lớp giữa (Chất đáy Pliocene và Bazan nứt): Lớp chất đáy này có độ dày dao động từ 3.6-20m. Các giá trị thủy văn chính là độ thấm (K) ở mức 0.5-2 m/ngày, hệ số nhả nước (μ) là 0.10-0.12.

Lớp dưới cùng (Chất đáy volcaniclastic Cretaceous và Jurassic): Với độ dày từ 100-300m, lớp chất đáy này có độ thấm (K) ở mức 0.0006-2 m/ngày và hệ số nhả nước (μ) là 0.10-0.12.

2.4. Nạp nước từ sông

Sự trao đổi dòng chảy giữa một con sông và một lớp chất đáy được mô phỏng theo chiều dọc thông qua vật liệu đáy của một lượng nước bề mặt cụ thể. Lượng nước chảy qua ranh giới này phụ thuộc vào dẫn nước của vật liệu đáy (C) và độ chênh lệch áp suất: Q=C×ΔH. Mức nước của sông được xác định dựa trên các trạm theo dõi thủy văn dọc theo sông Ta Pao và sông Luy. Do các trầm cát nung nấu là thành phần của cặn sông, hệ số thấm của đáy sông được đặt ban đầu là 0.5-2 m/ngày (Long & Koontanakulvong, 2020).

2.5. Lượng khai thác nước ngầm 

Việc khai thác nước dưới đất chủ yếu đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt. Phân phối của việc khai thác nước dưới đất từ các lớp chất đáy khác nhau như sau:

Khai thác từ chất đáy Holocene (qh) là 51,210 m3/ngày. Điều này bao gồm khai thác từ 310 giếng lớn và cụm giếng, tổng cộng 25,063 m3/ngày (48.9%), và từ 43,120 giếng nhỏ chiếm 26,147 m3/ngày (51.1%).

Khai thác từ chất đáy Pleistocene (qp) là 25,489 m3/ngày. Điều này bao gồm khai thác từ 111 giếng lớn và cụm giếng, tổng cộng 20,520 m3/ngày (80.5%), và từ 8,830 giếng nhỏ chiếm 4,969 m3/ngày (19.5%).

3. Kết quả và Thảo luận 

Hình 4 trình bày kết quả của quá trình tính toán không ổn định. Kết quả của việc tính toán không ổn định cho thấy sự phù hợp hoàn hảo giữa các tham số thủy văn học, độ thấm của đáy sông và khai thác nước dưới đất từ năm 2000 đến 2020 so với các đo lường thực tế thực hiện vào các năm 2013, 2015 và 2021. Giá trị R2 vượt quá 0.85, trong khi Sai số Bình phương Trung bình (RMSE) dao động từ 0.91 đến 1.12 mét. Những kết quả này làm nổi bật tính hiệu quả của mô hình trong việc điều chỉnh các tham số và sự đáng tin cậy của nó.

Trong mùa khô, khi lượng mưa giảm, lượng khai thác nước dưới đất tại Bình Thuận vượt quá khả năng bổ cập, dẫn đến giảm khoảng 1.86 triệu m3 mỗi tháng trong trữ lượng nước dưới đất. Điều này tạo ra thách thức lớn đối với nguồn nước dưới đất, đặc biệt là trong ngữ cảnh nông nghiệp. Để đảm bảo bền vững của trữ lượng nước ngầm, cần thực hiện giảm lượng khai thác trong mùa khô, bao gồm tối ưu hóa lịch trình bơm hút, giảm diện tích trồng cây được tưới bằng nước dưới đất trong các kỳ hạn nước và thực hiện các biện pháp tiết kiệm nước trong nông nghiệp.

Ngược lại, trong mùa mưa, giảm lượng khai thác nước dưới đất có thể được thực hiện thông qua điều chỉnh lịch trình bơm hút để đảm bảo rằng khai thác không vượt quá khả năng bổ cập từ môi trường xung quanh. Tuy nhiên, do xu hướng giảm mưa trong những năm gần đây, bổ cập từ mưa và hệ thống chất đáy ven biển giảm khoảng 1.29 triệu m3 mỗi tháng. Do đó, cần tăng cường các biện pháp tái sử dụng nước và kiểm soát lượng nước sử dụng trong nông nghiệp. Những biện pháp này hỗ trợ duy trì cân bằng giữa khai thác và bổ cập nước dưới đất, đồng thời ủng hộ sự bền vững của nguồn nước tại khu vực ven biển Bình Thuận.

4. Kết luận 

Mức nước dưới đất tại khu vực ven biển của tỉnh Bình Thuận đã giảm từ năm 2012, đặc biệt là ở các khu vực nổi tiếng với trồng thanh long như huyện Hàm Thuận Nam và huyện Bắc Bình. Tình trạng này trở nên nghiêm trọng hơn do thiếu mưa trong mùa khô, dẫn đến việc lấy nước dưới đất nhiều hơn lượng nước được bổ cập. Điều kiện khí hậu khô hạn hiện tại, kết hợp với việc mở rộng diện tích trồng thanh long, làm tăng cường nhu cầu sử dụng nước dưới đất trong mùa khô. Ngược lại, mùa mưa có dấu hiệu giảm đi, giảm chút ít lượng nước bổ cập. Hiện tượng này làm giảm nhẹ mức nước dưới đất trong những năm khô hanh gần đây. Do đó, chiến lược nông nghiệp của Bình Thuận cần xem xét việc giảm sản xuất trong những giai đoạn dễ xảy ra hạn hán hoặc tăng cường tái sử dụng nước trong quá trình canh tác.

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. Hien, L. T. T., Gobin, A., & Huong, P. T. T. (2019). Spatial indicators for desertification in southeast Vietnam. Natural Hazard Earth System Sciences, 19(10), 2325-2337.

2. Long, T. T., & Koontanakulvong, S. (2020). Groundwater and river interaction impact to aquifer system in Saigon river basin, Vietnam. Engineering Journal, 24(5), 15-24. doi:https://doi.org/10.4186/ej.2020.24.5.15

3. McDonald, M. G., & Harbaugh, A. W. (1988). A modular three-dimensional finite-difference ground-water flow model: U.S. Geological Survey Techniques of Water-Resources Investigations (Vol. Chap. A1). U.S.A: U.S. Geological Survey Techniques of Water-Resources Investigations.

4. Ozer, P. (2012). Impact of global climate change and desertification on the environment and society in Southern Centre of Vietnam (a case study in Binh Thuan province). Climate today and tomorrow: state of play and perception.

5. Tran, H. T., Campbell, J. B., Wynne, R. H., Shao, Y., & Phan, S. V. J. R. S. (2019). Drought and human impacts on land use and land cover change in a Vietnamese coastal area. Remote Sensing, 11(3), 333.

Tác giả: Trần Thành Long^1,2,3

^{1 Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam}

^{2 Trung tâm châu Á nghiên cứu về nước (CARE), 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam}

^{3 Khoa Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUT), 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam}