Địa chất thuỷ văn

Địa chất thủy văn khoa học nghiên cứu về nước dưới đất, cụ thể môn khoa học này nghiên cứu nguồn gốc hình thành, sự phân bố, thành phần và tính chất hóa học, vận động, chất lượng, tài nguyên và trữ lượng nước dưới đất, mối quan hệ qua lại giữa nước dưới đất với môi trường xung quanh trong lòng đất và trên mặt đất.

Tên gọi “Địa chất thủy văn - hydrogeology” như là một ngành khoa học về nước trong vỏ trái đất mới xuất hiện khoảng hơn một thế kỷ trước, nhưng khởi nguồn của địa chất thủy văn có từ thời Cổ đại. Từ vài thiên niên kỷ trước công nguyên ở Trung, Cận Đông cũng như ở Ai Cập Cổ đại nước ngầm đã được sử dụng để cung cấp nước sinh hoạt bằng cách xây dựng các hệ thống giếng cấp nước khá phức tạp. Ở Trung Á, cho đến nay, vẫn còn tồn tại các đường ống dẫn nước bằng gốm sứ được xây dựng vào thiên niên kỷ thứ nhất trước công nguyên. Ở Trung Quốc cổ đại đã tồn tại kỹ thuật khoan và các công trình khai đào khai thác nước từ các giếng khoan sâu tới 1200 m. Những cố gắng đầu tiên giải thích nguồn gốc nước ngầm thuộc về Thales (khoảng thế kỷ VII-VI trước Công nguyên). Các triết gia Hy Lạp và La Mã cổ đại như Platon, Aristotle, Lucretius, Seneca, Pliny bố,... đã có những nghiên cứu về nguồn gốc nước dưới đất.

Thời Trung cổ các triết gia Cận Đông và Trung Á đã nghiên cứu chi tiết hơn về nguồn gốc và sử dụng nước dưới đất. Ví dụ năm 1001, nhà hiền triết Ả Rập Al-Biruni đã giải thích nguồn gốc nước dưới đất có áp còn Karali người Iran (thế kỷ thứ X) đã biên soạn cuốn sách hướng dẫn thực hành đầu tiên về địa chất thủy văn. Trong các ghi chép thế kỷ VIII-X đã đề cập đến các công trình lấy nước, đường ống dẫn nước bằng gỗ để cấp nước cho các thành phố. Trong các thế kỷ XI-XII nước ngầm đã được sử dụng cho tưới tiêu và chữa bệnh. Cuối thế kỷ XII, ở tỉnh Artois (miền Bắc nước Pháp) lần đầu tiên đã phát hiện ra nước tự phun và được gọi là nước “artesi”. Trong thời kỳ Phục hưng và Tân thời đại, xuất hiện một loạt công trình (G. Bauer, B. Palissy, A. Kircher) về nguồn gốc nước, lý thuyết hình thành áp suất thủy tĩnh, trong đó đã đưa ra giả thuyết về nguồn gốc biển và khí quyển của nước, đưa ra các khái niệm định lượng đầu tiên về khả năng hình thành nước dưới đất nhờ thấm lọc nước mưa, khái niệm về sự tồn tại của các đá chứa và chắn nước. Vào cuối thế kỷ XVII, các nhà tự nhiên học P. Perrault và E. Mariotg, trên cơ sở quan sát trực tiếp và tính toán đã chứng minh nguồn gốc khí quyển của nước ngọt artesi.

Thế kỷ XVIII-XIX được coi là thời gian định hình lý thuyết và thực hành của khoa học địa chất thủy văn. Đầu thế kỷ XVIII, nhà bác học Italy Vallisnieri đã xây dựng lý thuyết về hình thành áp suất thủy tĩnh. Vào cuối thế kỷ XIX, đã xuất hiện những bản đồ địa chất thủy văn đầu tiên và các hướng dẫn tìm kiếm nước ngầm, các phân tích thủy hóa đã được tiến hành. Năm 1856, nhà thủy lực học người Pháp A. Darcy đã khám phá ra định luật chuyển động của nước và đã đưa ra mô hình toán học đầu tiên về chuyển động của nước dưới đất. Kể từ đó phương pháp toán học bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong địa chất thủy văn. Vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, các nhà khoa học người Nga là,... Dokuchaev và P.V. Ototski đã phát hiện quy luật phân bố nước dưới đất. Cũng trong thời gian này, bản đồ nước dưới đất đã được thành lập ở phần Châu Âu của Nga. Đến giữa thế kỷ XIX, nghiên cứu về nước dưới đất được phát triển như là một phần của nghiên cứu địa chất. Sau đó nó trở thành một khoa học riêng biệt - Địa chất thủy văn. Trong sự hình thành khoa học địa chất thủy văn các kỹ sư người Pháp, Đức, Mỹ và Nga đóng vai trò rất quan trọng. Đó là các nhà khoa học Pháp A. Darcy, J. Dupuis, và Cheszy; các nhà khoa học Đức E. Prinz, K. Keilhack và H. Hofer; các nhà khoa học Mỹ A. Hazen, C. Slichter, O. Meinzer và A. Lane; và các nhà địa chất Nga như S.P. Nikitin, Langhe, Kamenski,...

Ngày nay, cùng với các tiến bộ khoa học kỹ thuật, địa chất thủy văn đã có những bước tiến mạnh mẽ cả về lý luận và thực tiễn. Địa chất thủy văn đã trở thành một khoa học liên ngành, nó giao thoa và có mối quan hệ hữu cơ với nhiều ngành khoa học khác như khí tượng, thủy văn, địa chất, địa vật lý và các chuyên ngành khoa học về Trái đất khác.

Các nội dung nghiên cứu của khoa học địa chất thủy văn rất rộng, phong phú và ngày càng được mở rộng. Có thể kể đến một số chuyên ngành chính sau:

• Địa chất thủy văn cơ sở nghiên cứu về nguồn gốc nước dưới đất, các tính chất hóa lý của nước dưới đất và đánh giá ảnh hưởng đến đất đá. Từ thế kỷ XX các nhà khoa học bắt đầu quan tâm đến nguồn gốc nước dưới đất trong quan hệ lịch sử với các chuyển động kiến tạo của vỏ Trái đất và các quá trình trầm tích. Từ đó xuất hiện một lĩnh vực mới trong địa chất thủy văn đó là cổ địa chất thủy văn - nghiên cứu về nước dưới đất trong quá khứ địa chất.

• Động lực nước dưới đất, nghiên cứu về chuyển động của nước dưới đất dưới ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau với mục đích xác định sản lượng và trữ lượng các lỗ khoan.

• Thủy địa hóa, nghiên cứu các quá trình hình thành thành phần hóa học của nước dưới đất và sự biến đổi của nó, sự di chuyển của các nguyên tố hóa học.

• Chuyên ngành về nước nóng, nước khoáng nghiên cứu thành phần và nguồn gốc nước khoáng với mục đích phân loại nước theo nguồn gốc và xác định nguồn của nước khoáng. Nghiên cứu nước nóng nhằm phát triển các phương pháp tìm kiếm các nguồn nước nóng với mục đích cung cấp nguồn nhiệt cho các mục đích khác nhau kể cả cho phát triển địa nhiệt.

• Nghiên cứu tìm kiếm thăm dò nước dưới đất phát triển các phương pháp tìm kiếm, thăm dò nước dưới đất phục vụ sinh hoạt, tưới tiêu, tính toán trữ lượng nước dưới đất và đánh giá chất lượng của chúng.

• Địa chất thủy văn các mỏ khoáng nghiên cứu nước dưới đất phục vụ các nhiệm vụ địa chất, nghĩa là đánh giá điều kiện địa chất thủy văn phục vụ khai thác khoáng sản.

• Địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu về quy luật phân bố nước dưới đất trên cơ sở xây dựng bản đồ địa chất thủy văn các tỷ lệ trong quá trình xây dựng bản đồ địa chất.

Ngoài ra, còn một số lĩnh vực chuyên ngành địa chất thủy văn theo hướng sinh thái - nghiên cứu bảo vệ nguồn nước dưới đất. Các nghiên cứu này tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên và nhân sinh đến nước dưới đất, cụ thể đến thay đổi mực nước, nhiệt độ, các tính chất hóa lý và chuyển động của nó. Nghiên cứu phát triển các phương pháp nâng cao hiệu quả của quá trình khai thác và sử dụng nước dưới đất.

Các nhà địa chất thủy văn áp dụng nhiều phương pháp, kỹ thuật để giải quyết các vấn đề thực tế khác nhau. Một trong những vấn đề quan trọng bậc nhất là điều tra, đánh giá chất lượng và trữ lượng nước dưới đất phục vụ cho các nhu cầu sử dụng khác nhau, như tìm kiếm thăm dò nước dưới đất phục vụ các nhu cầu cấp nước ăn uống sinh hoạt, nguồn nước phục vụ tưới, nuôi trồng thuỷ sản, điều tra đánh giá nguồn nước cho sản xuất công nghiệp, điều tra đánh giá đánh giá tác động của nước dưới đất đến môi trường, ví dụ: đánh giá sự cạn kiệt dòng chảy ngầm vào sông, đánh giá ảnh hưởng của nước ngầm đến hệ sinh thái vùng đất ngập nước. Đánh giá tác động của nước dưới đất liên quan đến khai thác mỏ và công trình ngầm, xây dựng các giải pháp đối phó với nước dưới đất trong xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp. Điều tra, đánh giá và khai thác các nguồn nước khoáng - nước nóng, các nguồn năng lượng địa nhiệt.

Tài liệu tham khảo

1. Davis S.N., De Wiest R.J.M. Hydrogeology, 2nd Edition, John Wiley & Sons, New York, USA, 463p, 1966.
2. Fetter C. W., Applied Hydrogeology, 4th Edition, Prentice Hall, New York, USA, 598p, 2001.
3. Hiscock K., Hydrogeology, Principles and practice, Blackwell Publishing, Oxford. UK, 389p, 2005.
4. Климентов П. П., Богданов Г. Я, Общая ґидрогеология, Недра, Москва, 355 стр, 1997.