Khai thác nước ngầm thúc đẩy sự nhiễm mặn nước ngầm ở ĐBSCL

Thêm một bằng chứng cho thấy, việc khai thác nước ngầm thúc đẩy sự nhiễm mặn nước ngầm ở ĐBSCL thông qua các “cửa sổ thủy lực”.

Đó là kết quả nghiên cứu mới do các nhà nghiên cứu Việt Nam và Đức thực hiện để nhận diện các quá trình địa hóa ở ĐBSCL, vựa lúa của Việt Nam và Đông Nam Á, ảnh hưởng đến chất lượng nước ngầm như thế nào.

Tại sao họ lại quan tâm đến nước ngầm? Nước ngầm là một trong những nguồn có giá trị, đảm bảo an ninh nước trong suốt thời kỳ mùa khô, ít mưa hoặc dòng chảy bị giới hạn cũng như sự phát triển của các vùng ngập nước. Do đó, nước ngầm ở các đồng bằng châu thổ lớn đóng vai trò then chốt trong đảm bảo sự bền vững của các hệ sinh thái, nông nghiệp và sự thịnh vượng kinh tế xã hội của các cộng đồng địa phương. ĐBSCL là một trong những đồng bằng lớn nhất thế giới về quy mô và nguồn nước mặt nhưng ngày nay, phần lớn các vùng ngập nước tự nhiên đều đã chuyển đổi sang sản xuất nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản hoặc sinh sống. Hệ quả là chất lượng nước mặt bị suy giảm chất lượng và nước ngầm ngày càng trở nên quan trọng trong cung cấp nước sinh hoạt, sản xuất công nghiệp và nông nghiệp, đặc biệt ở vùng duyên hải. Sự phụ thuộc vào nước ngầm của ĐBSCL đã dẫn đến nhiều thách thức, bao gồm (1) sự hạ thấp mực nước ngầm, (2) sự gia tăng mặn hóa nước ngầm, và (3) hiện tượng lún đất.

Sự gia tăng dân số và các hoạt động kinh tế làm gia tăng khai thác nước ngầm trong thập kỷ qua. Phần lớn nước ngầm bị khai thác không thể tái tạo được và sự khai thác ngày một sâu hơn từ tầng ngậm nước sâu hơn từng được bổ cập từ thời kỳ biển tiến gần nhất trong Cực đại Băng hà cuối cùng (the last glacial maximum) cách đây khoảng 23.000 năm. Do đó, khai thác nước ngầm dẫn đến sự suy giảm của các mức nước ngầm trong mọi tầng ngậm nước.

Các nhà nghiên cứu cho biết, cho đến nay đã có một số nghiên cứu về thủy địa hóa ở các tầng ngậm nước ĐBSCL, chủ yếu tập trung vào sự thích hợp của nước ngầm làm nước uống và phát hiện ra rằng nó không thực sự phù hợp, chủ yếu là do nhiễm mặn hoặc các nồng độ sắt hóa cao. Về tổng thể, chất lượng nước ngầm có nhiều mức nhiễm mặn khác nhau ở khắp ĐBSCL, với việc nhiễm mặn nhiều nhất ở tầng ngậm nước trên cùng từ hiện tượng biển tiến gần nhất trong khi các tầng ngậm nước sâu hơn đã ngọt hóa trong pha biển tiến sớm.

Các quá trình địa hóa chiếm ưu thế được nhận diện là: (1) các quá trình trao đổi ion trong quá trình ngọt hóa và mặn hóa; (2) các quá trình trộn với nước biển cổ; (3) các tương tác hòa tan và hóa hơi của các khoáng chất như calcite, dolomite, gypsum hoặc silicates; (4) sự ô xy hóa của các vật chất hữu cơ; và (5) sự hình thành hoặc ô xy hóa của khoáng chất pyrite.

Do các nghiên cứu này mới chỉ thực hiện ở quy mô tỉnh, địa phương hoặc nhìn vào một vài khía cạnh đơn lẻ của quá trình địa hóa nên các nhà khoa học thực hiện nghiên cứu này nhằm (1) tìm hiểu về các quá trình thủy địa hóa nổi trội trong nước ngầm của toàn bộ DBSCL, đặc biệt liên quan đến mặn hóa, (2) định lượng hóa tuổi nước ngầm một cách tin cậy và sự bất định của nó bằng các đồng vị carbon, và (3) đánh giá các đặc điểm thủy địa hóa và sự phân bố của tuổi nước ngầm do ảnh hưởng của sự khai thác nước ngầm quy mô lớn.

Định lượng các quá trình thủy địa hóa lên nước ngầm

Để thực hiện nghiên cứu, họ đã lấy các mẫu nước ngầm ở năm tầng ngậm nước trên ĐBSCL, từ tháng ba đến tháng 4 năm 2021 tại các giếng được giám sát của Mạng lưới giám sát nước ngầm quốc gia trong sự hợp tác với Liên đoàn quy hoạch và điều tra tài nguyên nước ngầm miền nam. Có tổng số 119 giếng ở 34 cụm giám sát tại hầu khắp các tỉnh của ĐBSCL (ngoại trừ Long An). Các mẫu đều được giữ lạnh và chuyển tới các phòng thí nghiệm ở Viện nghiên cứu khoa học địa chất và các nguồn tài nguyên thiên nhiên liên bang Đức (BGR) ở Hanover, Đức, sau đó phân tích các đồng vị carbon, phân tích thủy hóa, phân tích thống kê và mô hình hóa địa hóa, mô hình hóa vận chuyển tương tác, mô hình hóa sự cân bằng khối lượng ngược để phân định các trao đổi carbon.

Về các đặc điểm thủy địa hóa chung, kết quả cho thấy các nồng độ hòa tan của ion ở nước ngầm biến thiên trên một phạm vi lớn từ một vài mg/L đến mức nồng độ gần với nước biển. Cùng thời điểm, các giá trị pH  cũng ở một phạm vi rộng từ 5,5 đến 8,0 – độ pH là thước đo tính a xít hoặc tính kiềm của các chất tan trong nước, các giá trị càng nhỏ cho thấy tính a xít tăng còn càng lớn là tính kiềm tăng.

Sự phân bố và các giá trị trung bình của phần lớn các biến tương đồng ở các tầng ngậm nước, ngoại từ độ pH và sắt ở tầng ngậm nước sâu nhất. Nước ngầm ở các mẫu thuộc các cụm khác nhau đều ảnh hưởng bởi độ mặn, vốn tương quan với các nồng độ chloride, còn các giá trị pH và các biến liên quan như nồng độ sắt hòa tan.

Sự phân bố của các dạng nước ngầm theo không gian khắp ĐBSCL cho thấy, sự xuất hiện của nước ngầm mặn cao không chỉ giới hạn ở vùng duyên hay hay các tầng ngậm nước sâu hơn. Có vùng nước ngầm ngọt xuyên qua mọi tầng ngậm nước ở phía nam ĐBSCL trong khi một số vùng ở sâu trong đất liền cũng có độ mặn cao.

Các nhà nghiên cứu phát hiện thấy chỉ dấu về sự tiến hóa của quá trình địa hóa khi thấy mối quan hệ giữa chloride và phần lớn các ion. Các ion chloride và bromide được bảo toàn liên quan đến độ trộn giũa nhóm nước ngầm ngọt và nước mặn. Với các mẫu nước mặn cao và trung bình, xu hướng tương quan giữa hai ion dịch chuyển từ đường trộn nước biển sang các nồng độ sulfate thấp hơn. Tương phản với điều đó, một số mẫu độ mặn thấp cho thấy nồng độ sulfate khác nhau, lên tới 8 mmol/L.

Dữ liệu từ các mẫu nước cho thấy, các dạng nước ngầm khác nhau trở nên dễ phân biệt hơn qua một sự gắn kết của các đường trộn thủy lực. Độ pH thấp nhất liên quan đến nước ngầm có độ mặn cao và độ pH cao liên quan đến nước ngầm độ mặn thấp.

Sự pha trộn của nước biển và nước ngọt

Việc phân tích các mẫu có độ mặn cao cho thấy sự hiện diện của nước biển trong các tầng ngậm nước của ĐBSCL, qua đó xác nhận sự pha trộn giữa nước biển và nước ngầm là nguyên nhân chính gây ra độ mặn cao.

Thành phần thủy địa hóa trong các mẫu nước ngầm bắt nguồn từ sự tương tác (trộn hoặc tiến hóa địa hóa). Rõ ràng, nước biển đã trải qua một số biến đổi thủy hóa trước khi tương tác với nước ngầm và  sự hiện diện của nước ngầm có độ mặn cao trong nhiều giếng sâu trong đất liền cho thấy nước biển cổ đại đã xâm nhập vào trầm tích ĐBSCL trong quá trình xâm thực biển thời kỳ Holocene và Pleistocene muộn. Nước biển là nguồn gây mặn, có trong các lớp trầm tích có độ thấm thấp, được bổ sung nước từ dòng chảy theo mật độ hoặc được giải phóng từ các tầng ngậm nước do lún đất. Sự thay đổi độ pH của nước biển có thể là kết quả của rừng ngập mặn che phủ các trầm tích biển, và/hoặc quá trình oxy hóa khoáng chất pyrite trong trầm tích. Nhìn chung, dữ liệu thu thập được không cung cấp bằng chứng về sự xâm nhập gần đây của nước biển vào các tầng chứa nước sâu hơn, điều này có thể xảy ra do mực nước ngầm giảm mạnh trong những thập kỷ qua.

Nồng độ chloride được phát hiện trong quá trình phân tích cho thấy, một khoảng lớn từ < 1% đến khoảng 80% nước biển được thêm vào nước ngầm ngọt. Mức độ pha trộn lớn như vậy đòi hỏi một cơ chế hiệu quả hoạt động trong tầng ngậm nước hoặc trong quá trình thu thập mẫu. Về nguyên tắc, việc pha trộn trong các tầng ngậm nước ĐBSCL là do 1) phân tán trong quá trình dòng chảy nước ngầm và vận chuyển chất tan, 2) pha trộn các dòng chảy nước ngầm trong quá trình bơm giếng, 3) rò rỉ theo chiều dọc từ các lớp nước ngầm mặn lân cận do hỏng vỏ giếng và 4) trao đổi khuếch tán phân tử giữa nước ngầm và nước đọng trong trầm tích có độ thấm thấp.

Là một phần không thể thiếu của quá trình vận chuyển chất tan, sự phân tán theo chiều dọc góp phần vào quá trình trộn tại các điểm giao giữa nước ngầm ngọt và nước biển cổ dọc theo đường đi của dòng chảy. Sự hiện diện và chuyển động đối lưu của các điểm giao nước biển-nước ngầm trong hệ thống tầng chứa nước đặc trưng cho quá trình trao đổi cation trong quá trình xâm nhập của nước biển vào trầm tích mà trước đó đã cân bằng với nước ngầm ngọt hoặc ngược lại. Việc mô hình hóa cho thấy sự gia tăng nồng độ ban đầu tương ứng với quá trình nhiễm mặn còn tình trạng giảm sau khi nồng độ đạt mức ổn định tương ứng với quá trình ngọt hóa.

Các nhà nghiên cứu cũng phân tích, tỉ lệ nước biển cao cho thấy có thể không có khả năng nước ngầm và nước biển ngọt di chuyển dọc theo các dòng chảy liền kề. Các tầng ngậm nước và các lớp giới hạn ở ĐBSCL chủ yếu bao gồm các trầm tích biển giàu sét, có độ thấm thấp và do đó có khả năng cao vẫn chứa nước biển cổ từ các lần biển tiến trước đó. Nước ngầm tiếp xúc với các trầm tích biển này sẽ bị nhiễm mặn do trao đổi khuếch tán với nước biển.

Các mô phỏng cho thấy, cả quá trình nhiễm mặn của nước ngầm và quá trình ngọt hóa đều có thể góp phần vào quá trình tiến hóa địa hóa của nước ngầm, theo đó sự dịch chuyển của nước biển cổ bị quá trình ngọt hóa chi phối. Sự trao đổi khuếch tán giữa nước ngầm và nước biển trong các túi nước ngầm là một quá trình mặn hóa tầng ngậm nước. Các cửa số thủy lực (hydraulic windows) chính là điều kiện thúc đẩy quá trình này.

Tác động của khai thác nước ngầm lên dòng chảy nước ngầm

Theo các nhà nghiên cứu, về dài hạn, việc khai thác nước ngầm thường xuyên trong thời gian dài gây ra những thay đổi về hướng dòng chảy, làm tăng dòng chảy theo chiều ngang của nước ngầm mà còn làm tăng cường các quá trình dòng chảy theo chiều thẳng đứng gần các vùng trũng, do đó thường dẫn đến trẻ hóa tuổi nước ngầm. Bên cạnh đó, tính không đồng nhất của tầng ngậm nước theo không gian và chiều dọc làm tăng tác động của địa hình trũng lên dòng chảy và quá trình vận chuyển nước ngầm cũng như sự phân bố tuổi nước ngầm trên các quy mô khác nhau. Tác động của các dòng chảy theo chiều thẳng đứng ở các tầng ngậm nước ĐBSCL là các cột nước thủy lực liên tục giảm theo độ sâu của tầng chứa nước. Nhìn chung, nước ngầm sâu trong các tầng chứa nước Pleistocene bị cô lập khỏi tầng chứa nước Holocene nông do các lớp bùn và sét dày lắng đọng trong quá trình biển xâm thực vào khoảng 3.000 đến 8.000 năm trước.

Sự rò rỉ qua các tầng ngậm nước giàu sét – các lớp đất giàu sét hoặc đá sỏi hạn chế dòng chảy của nước ngầm, đóng vai trò như một rào cản giữa các tầng ngậm nước – có thể được thúc đẩy bởi một số lượng lớn các giếng khai thác nước mà không có lớp đất sét để tách các tầng ngậm nước, do đó, cho phép nước ngầm chảy dọc theo các lớp. Mặt khác, trái với tầng ngậm nước ngăn cách tầng ngậm nước thời kỳ Holocene với tầng ngậm nước Pleistocene, các cửa sổ thủy lực kết nối các tầng ngậm nước sâu hơn.

Các nhà nghiên cứu kết luận rằng, sự nhiễu loạn của trường dòng chảy tự nhiên liên quan đến sự gia tăng các thành phần dòng chảy theo chiều thẳng đứng đã làm tăng đáng kể sự trao đổi và nhiễm mặn chéo giữa các tầng ngậm nước xếp chồng. Quá trình này có thể dẫn đến tăng độ mặn thông qua tiếp xúc với nước biển trong các tầng chứa nước biển, trong khi việc khai thác nước ngầm cũng có thể gây ra sự gia tăng giải phóng nước biển từ các tầng chứa nước biển.

Các thông tin chi tiết được các nhà khoa học nêu rõ trong công trình “Geochemical evolution and flow of groundwater impacted by long-term abstraction in the Mekong Delta, Vietnam”, xuất bản trên tạp chí Journal of Hydrology.

Anh Vũ dịch từ “Geochemical evolution and flow of groundwater impacted by long-term abstraction in the Mekong Delta, Vietnam”, Journal of Hydrology.

Nguồn: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2025.132881