Giới thiệu

Vùng núi cao, khan hiếm nước khu vực Bắc Bộ thuộc phạm vi 15 tỉnh với diện tích tự nhiên 95.264 km2, rộng nhất trong các vùng kinh tế ở nước ta, đồng thời, có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội và an ninh, quốc phòng. Là vùng có vị trí địa lý khá đặc biệt, dân cư sinh sống phân bố rải rác, điều kiện sinh hoạt thiếu thốn. Với đặc điểm điều kiện địa lý tự nhiên phức tạp, việc tìm kiếm các nguồn nước khai thác phục vụ sinh hoạt, sản xuất là rất khó khăn, phức tạp. Để đảm bảo công trình khai thác nước hoạt động hiệu quả, bền vững lâu dài cần phải lựa chọn công nghệ khai thác và quản lý vận hành phù hợp với từng điều kiện nguồn nước cũng như các yếu tố khác. Tuy nhiên, việc xác định công nghệ khai thác các nguồn nước phù hợp với vùng núi cao, khan hiếm nước để đảm bảo công trình hoạt động hiệu quả, bền vững lâu dài là rất khó và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau gồm: lượng mưa, dòng chảy, chiều dày lớp phủ, chiều dày tầng chứa nước, chiều sâu tầng chứa nước, chiều sâu mực nước, hệ số thấm, lưu lượng, trữ lượng có thể khai thác, chất lượng nước, khoảng cách đến nơi sử dụng nước, khoảng cách đến đường giao thông, khoảng cách đến mạch lộ, độ dốc địa hình, sử dụng đất, địa chất, mật độ đứt gãy, phân bố dân cư, mật độ dân cư, khoảng cách đến nguồn ô nhiễm (Enke Hou và nnk, 2018; Fanao Meng và nnk, 2021; Indrani Mukherjee và nnk, 2020; Yu W và nnk, 2019).

Công nghệ không gian địa lý (GIS) đã trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu TNN do khả năng của chúng trong việc phát triển không gian - thời gian và hiệu quả trong phân tích và dự đoán dữ liệu không gian (Ghayoumian và nnk, 2007). Nhiều nghiên cứu khác nhau đã được thực hiện để xác định khu vực áp dụng giải pháp công nghệ khai thác bền vững các nguồn nước bằng cách sử dụng các kỹ thuật GIS. Hầu hết các nghiên cứu đều sử dụng phương pháp tính chỉ số với việc ứng dụng công nghệ GIS để thành lập bản đồ khu vực áp dụng giải pháp công nghệ khai thác bền vững các nguồn nước (Ghayoumian và nnk, 2007).

Tổng quan các giải pháp công nghệ khai thác nguồn nước ở vùng núi cao Bắc bộ

Giải pháp công nghệ khai thác nguồn nước mưa

Nước mưa là nguồn tài nguyên thiên nhiên rất phong phú, nước mưa có chất lượng tốt, đã và đang được sử dụng cho cấp nước sinh hoạt, nó là nguồn nước rất quan trọng với các vùng núi cao, vùng khan hiếm nước, nơi có đời sống kinh tế khó khăn và hệ thống cấp nước cấp còn hạn chế (Coombes và nnk, 2007). Ở vùng miền núi, nước mưa được sử dụng phổ biến với quy mô hộ gia đình và một số công trình khai thác nước mưa tập trung. Loại hình cấp nước bằng bể chứa nước mưa được thực hiện với quy mô hộ gia đình thường được áp dụng ở những nơi khó khăn hoặc không thể khai thác được nước ngầm và nước mặt về phương diện kỹ thuật hoặc kinh tế. Nước mưa được thu từ mái nhà và tích trữ vào bể để dùng trong những thời kỳ khô hạn. Ở tỉnh Cao Bằng có khá nhiều bể chứa nước tập trung với dung tích lớn đã được xây dựng tại các cơ quan, khu công cộng như chợ hoặc các khu vực tập trung đông dân cư. Hình thức thu nước phổ biến nhất là thu hứng nước mưa từ mái nhà, tận dụng mái chợ hay mái các khu công sở. Cũng có nơi thu gom nước từ sườn núi để chứa vào bể. Các bể chứa nước mưa kiểu này thường được xây gạch hoặc bê tông với dung tích từ vài chục đến vài trăm m3, đủ để đáp ứng nhu cầu dùng nước trong cả mùa khô. 

Giải pháp công nghệ khai thác nguồn nước mặt

Các giải pháp công nghệ khai thác nguồn nước mặt bao gồm các hồ chứa, hồ treo, đập dâng, đập ngầm, bơm va... Các công trình trữ nước bằng hồ được xây dựng ở những nơi có diện tích lưu vực và nguồn sinh thủy đảm bảo, trong khi đập dâng được sử dụng tại những dòng suối có nước quanh năm với mục đích dâng cao đầu nước để cấp nước tự chảy chủ yếu phục vụ sản xuất nông nghiệp, một số nơi kết hợp cấp nước sinh hoạt. Ưu điểm nổi bật của các hồ chứa là trữ lượng nước lớn, tưới tự chảy không tiêu tốn điện năng. Những hạn chế của hình thức này là vốn đầu tư lớn, không xây dựng được ở vùng núi đá vôi có nhiều hang động karst, thậm chí một số vùng núi đất nếu không xử lý nền tốt cũng không giữ được nước, ví dụ như hồ Khòn Tạng, hồ Rọ Hin ở Văn Quan, Lạng Sơn. 

Hồ treo là hình thức được đầu tư xây dựng khá phổ biến ở các vùng khan hiếm nước, đặc biệt là các vùng núi đá ở tỉnh Hà Giang, Cao Bằng. Các hồ treo thường được xây dựng trên sườn núi nơi có nền địa chất ổn định và có nguồn sinh thủy đảm bảo. Có ba hình thức hồ treo chủ yếu phân theo vật liệu xây dựng là hồ xây bằng đá hoặc gạch đóng bằng bột đá, hồ bằng bê tông và hồ lót vải địa kỹ thuật (HDPE) chống thấm. Đập dâng nước được áp dụng tại một số khu vực như nhà máy nước thành phố Sơn La đã xây đập dâng cao 1m để trữ nước trong hang, cấp cho thành phố. Đập ngầm là biện pháp chặn dòng và dâng cao mực nước ngầm trong đới karst nứt nẻ nhằm nâng cao mực nước ngầm để dễ khai thác. Điều kiện để áp dụng kỹ thuật đập hồ ngầm là có dòng ngầm, có lớp đáy và biên hai bên dòng ngầm ít thấm nước. Giải pháp này có thể áp dụng ở Hà Giang, Cao Bằng, Lạng Sơn, Bắc Kạn. Bơm thủy luân, bơm va được áp dụng tại dòng suối có nguồn nước dồi dào (cả trong mùa khô) như ở Lạng Sơn, Lào Cai, Hòa Bình. Nguyên lý hoạt động của hệ thống cấp nước bằng bơm va là lợi dụng sức nước để đẩy nước từ các sông suối lên một bể điều tiết ở cao trình cao hơn nguồn nước từ 20-80 m. 

Giải pháp công nghệ khai thác nguồn nước dưới đất

Khai thác nước dưới đất (NDĐ) bằng giếng khoan là giải pháp khai thác, sử dụng nước dưới đất phổ biến nhất. Các giếng thường được lắp đặt bơm chìm trong giếng để khai thác nước. Các giếng khoan này thường có lưu lượng lớn và được cung cấp cho một khu vực rộng lớn với nhiều mục đích khác nhau. Các giếng khoan khai thác nước dưới đất khu vực núi cao Bắc bộ thường phân chia thành hai loại gồm: các giếng khoan có đường kính nhỏ, chiều sâu không lớn, dưới 50 m, thường là các giếng khoan hộ gia đình, khai thác trong tầng chứa nước bở rời hoặc đá cứng nứt nẻ. Các giếng khoan có đường kính lớn, chiều sâu lớn trên 100 m. Các giếng này phù hợp với vùng núi cao bởi các hang động karst phát triển theo chiều sâu. Khai thác nước tập trung bằng các giếng khoan lớn đã được áp dụng ở nhiều vùng núi cao như Đồng Văn, Mèo Vạc, Yên Minh, Quản Bạ tỉnh Hà Giang và ở nhiều tỉnh khu vực Bắc bộ.

Khai thác bằng mạch lộ là hình thức tự phát, người dân tự lấy nước từ các khe, mó nước tự nhiên có lưu lượng nhỏ dẫn về bằng các máng hoặc ống tio. Phương thức khai thác rất đa dạng, người dân sử dụng các đập dâng, dẫn nước về bằng ống nhựa, tre nứa phục vụ sản xuất nông nghiệp, sinh hoạt. Đặc điểm của các mạch lộ là thường phân bố xa khu dân cư. Kết quả nghiên cứu tại 4 huyện vùng cao nguyên đá Đồng Văn là các khu vực điển hình về khó khăn trong việc khai thác nước trên toàn vùng núi cao Bắc bộ cho thấy, ưu điểm của hình thức khai thác nước bằng mạch lộ là xây dựng đơn giản. Tuy nhiên, hạn chế là phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn nước tự nhiên, đa số các công trình đều không có tác dụng trữ nước, dễ bị hư hỏng. 

Khai thác bằng giếng đào là biện pháp khai thác nước ngầm một cách thủ công và phổ dụng. Đối tượng khai thác thường là nước ngầm nằm nông trong các đới karst bề mặt bị phủ bởi các trầm tích phong hóa một phần hoặc toàn bộ. Các bề mặt này thường rộng và nằm ở phần thấp của địa hình hoặc thung lũng karst. Mực nước ngầm thường ở độ sâu 3-5 m tới 20 m. Giếng thường được đào thủ công, có hình tròn hoặc hình vuông và có độ sâu từ 1 m tới 5-10 m. Tuy nhiên, do xây dựng không đảm bảo, bảo quản sơ sài trong quá trình sử dụng nên nhiều giếng có chất lượng kém. 

Khai thác nước từ hang động phổ biến ở các vùng vúi đá vôi bằng hình thức bơm trực tiếp trong hang. Tuỳ vào chênh lệch mực nước trong hang và địa hình bề mặt mà sử dụng bơm hút hoặc bơm đẩy. Lưu lượng bơm hút phụ thuộc vào lưu lượng khai thác cho phép và công suất máy bơm. Ở vùng núi cao Bắc bộ, hầu hết các địa phương có hang động chứa nước đều sử dụng bơm hút để khai thác. Phần lớn nguồn nước cấp cho TP. Sơn La được bơm hút từ hang động. Tại cao nguyên đá Đồng Văn đã sử dụng bơm để hút nước trong các hang động nằm ở độ cao 1.400-1.500 m. Bơm hút nước có ưu điểm dễ thi công và vốn đầu tư ban đầu nhỏ. Hạn chế là chi phí khai thác vận hành cao.

Tiêu chí đánh giá lựa chọn công nghệ khai thác các nguồn nước ở vùng núi cao, vùng khan hiếm nước khu vực Bắc bộ

Việc xác định giải pháp công nghệ khai thác các nguồn nước phù hợp ở vùng núi cao, khan hiếm nước để đảm bảo công trình hoạt động hiệu quả, bền vững lâu dài là rất khó và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Các tiêu chí lựa chọn công nghệ khai thác các nguồn nước cho từng vùng, từng khu vực đã được xác lập và phân loại thành 19 tiêu chí thuộc 4 nhóm gồm: Nhóm tiêu chí về nguồn nước, nhóm tiêu chí về kinh tế kỹ thuật, nhóm tiêu chí về xã hội, nhóm tiêu chí về môi trường để nghiên cứu xác định các giải pháp công nghệ khai thác các nguồn nước (Bảng 1).

Bảng 1. Bộ tiêu chí đánh giá lựa chọn công nghệ khai thác các nguồn nước ở vùng núi cao, vùng khan hiếm nước khu vực Bắc bộ

Các kỹ thuật GIS đã được sử dụng trong nghiên cứu này để xác định khu vực áp dụng giải pháp công nghệ khai thác bền vững các nguồn nước ở các vùng núi cao, vùng khan hiếm nước khu vực Bắc bộ. Phương pháp nghiên cứu được áp dụng theo phương pháp phân tích thứ bậc với việc áp dụng công cụ GIS bằng phần mềm Arcgis. Quy trình thực hiện theo 6 bước như sau: 1) Thiết lập các tiêu chí đánh giá; 2) Chuẩn hóa các tiêu chí; 3) Xác định trọng số của các tiêu chí; 4) Tính toán chỉ số giải pháp công nghệ khai thác bền vững các nguồn nước trên GIS; 5) Xây dựng bản đồ giải pháp công nghệ khai thác bền vững các nguồn nước; 6) Phân tích, đánh giá các khu vực áp dụng giải pháp công nghệ khai thác bền vững các nguồn nước và được minh họa trong Hình 1.

Hình 1. Sơ đồ phương pháp luận nghiên cứu xác định khu vực áp dụng giải pháp công nghệ khai thác bền vững các nguồn nước 

Trên cơ sở các dữ liệu ở vùng núi cao, vùng khan hiếm nước khu vực Bắc bộ, sau khi thiết lập, tính toán và chuẩn hóa xác định được giá trị và trọng số của từng tiêu chí đánh giá xác định các khu vực áp dụng giải pháp công nghệ khai thác bền vững các nguồn nước. Hình 2 dưới đây minh họa trọng số của từng tiêu chí áp dụng đối với mỗi giải pháp công nghệ khai thác nguồn nước và tỷ lệ nhất quán đã được xác định.

Hình 2. Sơ đồ trọng số các tiêu chí áp dụng đối với mỗi giải pháp công nghệ khai thác nguồn nước khu vực Bắc bộ và tỷ lệ nhất quán (CR)

Kết luận

Việc xác định khu vực áp dụng giải pháp công nghệ khai thác bền vững các nguồn nước ở các vùng núi cao, vùng khan hiếm nước khu vực Bắc bộ đã được sử dụng các kỹ thuật GIS cung cấp một giải pháp hiệu quả về quản lý khai thác các nguồn nước bền vững. Kết quả nghiên cứu cho thấy, các tiêu chí đánh giá phù hợp với điều kiện thực tế vùng núi cao, khan hiếm nước và trọng số của các tiêu chí được xác lập đảm bảo tỷ lệ nhất quán (CR<10%) theo phương pháp phân tích thứ bậc.

Lời cảm ơn

Nội dung bài báo là một phần kết quả nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu đề xuất công nghệ khai thác và quản lý vận hành thông minh các nguồn nước phục vụ cấp nước sinh hoạt bền vững cho vùng núi cao, vùng khan hiếm nước. Thử nghiệm tại huyện Mèo Vạc, tỉnh Hà Giang”, Mã số: ĐTĐL.CN-64/21. Nhóm thực hiện đề tài chân thành cảm ơn Bộ KH&CN, Trung tâm QH&ĐT TNN quốc gia đã tạo điều kiện giúp đỡ.

Tài liệu tham khảo

1. Coombes, P.J. Energy and economic impacts of rainwater tanks on the operation of regional water systems. Australas. J. Water Res. 2007, 11, 177–191. [CrossRef];

2. Enke Hou, Jiale Wang, Wei Chen. A comparative study on groundwater spring potential analysis based on statistical index, index of entropy and certainty factors models. Geocarto International. Volume 33, 2018 - Issue 7;

3. Fanao Meng, Xiujuan Liang, Changlai Xiao, Ge Wang. Integration of GIS, improved entropy and improved catastrophe methods for evaluating suitable locations for well drilling in arid and semi-arid plains. Ecological Indicators. Volume 131, November 2021, 108124;

4. Ghayoumian, J., Saravi, M.M., Feiznia, S., Nouri, B., Malekian, A., 2007. Application of GIS techniques to determine areas most suitable for artificial groundwater recharge in a coastal aquifer in southern Iran. Journal of Asian Earth Sciences 30, 364e374;

5. Indrani Mukherjee, Umesh Kumar Singh. Delineation of groundwater potential zones in a drought-prone semi-arid region of east India using GIS and analytical hierarchical process techniques. CATENA. Volume 194, November 2020, 104681;

6. Saaty, T.L. 1980. The Analytic Hierarchy Process. McGraw-Hill, New York;

7. Suman Patra, Pulak Mishra, Subhash Chandra Mahapatra. Delineation of groundwater potential zone for sustainable development: A case study from Ganga Alluvial Plain covering Hooghly district of India using remote sensing, geographic information system and analytic hierarchy process. Journal of Cleaner Production. Volume 172, 20 January 2018, Pages 2485-2502;

8. Yu W, Wardrop NA, Bain RES, Alegana V, Graham LJ, Wright JA. Mapping access to domestic water supplies from incomplete data in developing countries: An illustrative assessment for Kenya. PLoS One. 2019 May 17;14(5):e0216923. doi: 10.1371/journal.pone.0216923. PMID: 31100084; PMCID: PMC6524943.

TRIỆU ĐỨC HUY^1,*, PHẠM BÁ QUYỀN¹, HOÀNG ĐẠI PHÚC²

¹Trung tâm Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước quốc gia (NAWAPI)

² Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước miền Bắc (NVWATER)

Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 5 (Kỳ 1 tháng 3) năm 2023