Open Access 
Abstract
In the earth's water cycle, groundwater is the most difficult component to assess. Scientists have long used isotopes to find out whether groundwater is replenished, and where it comes from. Water from different locations has different isotopic characteristics and is known as a "fingerprint". Scientists use these fingerprints to track the movement of water along its path throughout the entire water cycle. The isotope ratios 2H/1H and 18O/16O in water provide a wealth of information about the separation of water molecules in the hydrosphere cycle. The relationship between the isotope ratios of water in an area characterized by the local meteorological waterline, known as a reliable reference value for studies to determine the origin of groundwater recharge. soil. The research paper uses 2H and 18O isotopic data monthly monitored at 03 wells of households, 01 independent monitoring well in the Pleistocene aquifer along the Saigon River, and water data of the Saigon River. The initial research results show that the Pleistocene aquifer in Cu Chi district and the surface water of the Saigon river had an exchange at the end of the dry season - the beginning of the rainy season, from February to May 2019 respectively, and there was a direct replenishment of the surface water. from rainwater.
GIỚI THIỆU
Đồng vị là những nguyên tố hóa học có số lượng proton và electron bằng nhau do vậy có cùng tính chất hóa học, nhưng khác nhau về số lượng neutron. Sự khác biệt về số lượng neutron làm cho mỗi đồng vị có khối lượng khác nhau và sự khác biệt về khối lượng này là chìa khóa cho các nghiên cứu thủy văn.
Ưu điểm của phương pháp đồng vị dùng để tìm hiểu nguồn gốc, sự di chuyển và sự bổ cấp của nước dưới đất thông qua quá trình nghiên cứu của đề tài. Nhược điểm của phương pháp này là chi phí cao.
Kỹ thuật đồng vị d 2 H và d 18 O mới được áp dụng trong vài thập niên gần đây.
Về khí tượng, khu vực nghiên cứu nằm cách trạm khí tượng Thủ Dầu Một 9 km về phía Tây. Tôi đã tổng hợp số liệu mưa trong giai đoạn khoảng 40 năm từ 1978 đến 2020 cho thấy, lượng mưa trung bình tháng trên 50 mm tập trung từ tháng 4 đến tháng 11 hằng năm.
Figure 2 . Biểu đồ lượng mưa theo tháng tại trạm Thủ Dầu Một giai đoạn 1978-2020
Về thủy văn, số liệu tham chiếu lấy tại trạm Thủ Dầu Một cách khu vực nghiên cứu khoảng 12 km về phía tây nam. Giai đoạn từ năm 2000 - 2020, cao độ mực nước sông dao động trong khoảng từ -1.93 cm đến 56.68 cm, mực nước dâng cao nhất vào tháng 10 (56.68 cm) và hạ thấp nhất vào tháng 6 (-1.93 cm). Đáy sông Sài Gòn tại khu vực nghiên cứu có độ sâu dao động từ 13 m-15 m.
Về nước dưới đất, khu vực nghiên cứu có 7 tầng chứa nước chính gồm các tầng chứa nước lỗ rỗng Holocen (qh), Pleistocen trên (qp 3 ), Pleistocen giữa-trên (qp 2-3 ), Pleistocen dưới (qp 1 ), Pliocen trên (n 2 2 ), Pliocen dưới (n 1 2 ), và tầng chứa nước khe nứt (j). Các tầng chứa nước có xu hướng nghiêng về phía đông-đông nam. Nghiên cứu này tập trung chủ yếu 2 tầng chứa nước qp 2-3 và qp 1 . Tầng chứa nước qp 2-3 có thành phần thạch học chủ yếu là cát mịn đến thô, cát bột phân bố đến độ sâu 15-20 m. Tầng chứa nước qp 1 bao gồm đất đá hạt thô là phần dưới của các trầm tích tuổi Pleistocen hạ (Q 1 1 ) phân bố ở độ sâu khoảng 40-50 m.
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Vị trí lấy mẫu
Mẫu nước dưới đất phân tích các chỉ tiêu đồng vị bền được lấy tại 04 giếng khoan thuộc tầng chứa nước Pleistocen giữa trên qp 2-3 và Pleistocen dưới qp 1 nằm trên địa bàn xã Nhuận Đức, thuộc huyện Củ Chi, Tp. Hồ Chí Minh. Ký hiệu mẫu là GWCC02, GWCC03, GWCC04, GWCC05. Thời gian lấy mẫu từ tháng 1 đến tháng 7 năm 2019. Tần suất lấy mẫu là 1 lần/tháng. Vị trí các điểm lấy mẫu nước dưới đất được trình bày như Table 1 và Figure 3 .
Mẫu nước sông được lấy tại 01 vị trí nằm trên địa bàn xã Nhuận Đức, thuộc huyện Củ Chi, Tp. Hồ Chí Minh. Ký hiệu mẫu là RWCC02. Thời gian lấy mẫu từ tháng 11 năm 2017 đến tháng 7 năm 2019
Mẫu nước mưa được lấy tại Trung tâm Châu Á Nghiên cứu về Nước (Trung tâm CARE) làm đại diện cho nước mưa địa phương. Thời gian lấy mẫu từ tháng 12/2017 đến tháng 7 năm 2019.
Phương pháp lấy mẫu
Mẫu đồng vị δ2H và δ18O
Kỹ thuật lấy và bảo quản mẫu δ 2 H và δ 18 O được thực hiện theo hướng dẫn của W.G. Mook (2000) 1 . Mẫu được chứa trong chai chuyên dụng dung tích 15 ml, đảm bảo không còn bọt khí bên trong. Mỗi mẫu được ghi ký hiệu tên giếng và thời gian lấy mẫu. Mẫu được bảo quản lạnh ở nhiệt độ tại hoặc dưới 6°C trong suốt thời gian vận chuyển mẫu về phòng thí nghiệm. Nước dưới đất trong giếng được bơm xả bỏ cho đến khi giá trị độ dẫn điện EC (Electrical Conductivity) không thay đổi rồi tiến hành lấy mẫu. Trong khi đó, các mẫu nước sông được lấy ở giữa dòng và ở độ sâu 0,5m cách mặt nước để đảm bảo giảm thiểu các tác động do bốc hơi.
Mẫu nước sông
Mẫu sông phải được lấy từ giữa dòng để đảm bảo nước sông được trộn đều và giảm thiểu các tác động do bốc hơi hoặc do ô nhiễm. Đồng thời, chai đựng mẫu bằng chính nguồn nước lấy mẫu ít nhất 3 lần và tiến hành lấy mẫu, mẫu được lấy không có bọt khí để tránh oxy có trong bọt khí làm thay đổi thành phần đồng vị. Mẫu được bảo quản lạnh trong suốt thời gian vận chuyển mẫu về phòng thí nghiệm để bảo quản ở nhiệt độ dưới 6°C (43°F).
Mẫu nước mưa
Được lấy trong can nhựa 2 lít có gắn phểu thu nước mưa nhằm hạn chế sự bay hơi của nước mưa. Thành phần đồng vị của nước mưa được thực hiện lấy mẫu tại Trung tâm Châu Á Nghiên cứu về Nước -Trung tâm CARE – Trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, thời gian nghiên cứu từ tháng 12 năm 2017 đến tháng 7 năm 2019 với tổng số mẫu là 31 mẫu được thể hiện phần phụ lục.
Phương pháp phân tích mẫu bằng kỹ thuật đồng vị
Phương pháp kỹ thuật đồng vị có thể đo tỷ lệ giữa các đồng vị nặng và nhẹ trong các vùng nước ngầm, các nhà khoa học có thể xác định nguồn gốc nguồn nước. Khi nước ngầm trong tầng ngậm nước cũ, điều này có nghĩa là dòng nước chậm và tầng chứa nước có thể mất nhiều thời gian để bổ cập. Ngược lại, nước ngầm trẻ dễ dàng và nhanh chóng được làm mới bằng nước mưa, nhưng cũng có thể dễ dàng bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm hoặc bị thay đổi theo các điều kiện khí hậu. Những hiểu biết về niên đại của nước mang lại cho các nhà khoa học và các cấp quản lý những giải pháp tốt để làm tăng cường tốc độ bổ cập cho các tầng nước ngầm đang khai thác.
Các đồng vị được sử dụng trong nghiên cứu này là các đồng vị bền hydro ( 2 H hoặc D) và oxy ( 18 O) vì các đồng vị này là thành phần của phân tử nước. Do đó 2 H và 18 O là hai đồng vị nặng được sử dụng để đánh giá nguồn gốc của nước, đặc biệt là trong các hệ thống nước dưới đất; các quá trình liên quan đến sự bổ cấp và sự trao đổi giữa nước dưới đất và nước mặt hoặc giữa các tầng chứa nước khác nhau.
Để có thể nhận biết nguồn bổ cấp cũng như lượng bổ cấp nước ngầm trên khu vực bằng kỹ thuật đồng vị cần phải dữ liệu về thành phần đồng vị δ 2 H và δ 18 O
Thành phần đồng vị của 2 H và 18 O trong nước được ký hiệu là delta (δ) và được định nghĩa như sau:
(‰)
Trong đó:
- R sample là tỷ lệ nồng độ đồng vị 2 H/ 1 H hoặc 18 O/ 16 O của mẫu nghiên cứu,
- R ref là tỷ lệ nồng độ đồng vị 2 H/ 1 H hoặc 18 O/ 16 O của mẫu chuẩn.
Mẫu chuẩn sử dụng trong phân tích thành phần đồng vị bền của nước là VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water) - Mẫu nước đại dương trung bình tiêu chuẩn Viên do Phòng Thủy văn Đồng vị của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) tại thủ đô Viên của nước Áo chuẩn bị và cung cấp cho các phòng thí nghiệm phân tích trên phạm vi toàn cầu với tỷ số đồng vị 2 H/ 1 H là 155.76 ± 0.05x10 -6 2 , 3 , 4 và 18 O/ 16 O là 2005.20 ± 0.45x10 -6 5 .
Mối tương quan tuyến tính giữa δ 2 H và δ 18 O trong nước mưa trên phạm vi toàn cầu được Craig (1961) phát hiện là đường nước khí tượng toàn cầu (Global Meteoric Water Line, GMWL) có dạng 6 :
δ 2 H = 8*δ 18 O + 10
Một nghiên cứu sau đó của IAEA đã thu thập các mẫu nước từ các trạm lượng mưa trên khắp thế giới, cho thấy một kết quả tương tự 7 .
δ 2 H = (8.167 ± 0.079)*δ 18 O + (10.55 ± 0.64)
Đường nước khí tượng địa phương (Local Meteoric Water Line, LMWL) được dùng làm đường chuẩn để so sánh thành phần đồng vị của các loại nước thành tạo trong điều kiện khí hậu khác nhau 1 . Nước thành tạo trong khí hậu khô, quá trình bay hơi mạnh, các điểm giá trị nồng độ đồng vị bền của nước ngầm và nước mặt nằm lệch về phía bên phải đường nước khí tượng địa phương LMWL; trong điều kiện ngưng tụ, các điểm giá trị nồng độ đồng vị bền nằm về phía bên trái đường nước khí tượng địa phương LMWL như Figure 4 .
1" width="300" height="200">
Nước sông phản ánh thành phần đồng vị của nước khí tượng. Sự thay đổi thành phần đồng vị của nước sông so với quy luật chung của chúng, phát hiện được sự cung cấp của nước ngầm cho nước sông ở từng khu vực, thời gian quan sát cụ thể và ngược lại. Trong vòng tuần hoàn chung của nước tự nhiên, nước ngầm được cung cấp trực tiếp bởi nước mưa và nước bề mặt (ao, hồ, sông suối,...), chúng phản ánh thành phần đồng vị đặc trưng của loại nước này. Nếu có sự thay đổi nào đó thì nghĩa là đã có sự pha trộn giữa chúng với các loại nước khác. Trên cơ sở đó, có thể xác định nguồn gốc và sự trao đổi của nước ngầm và nước mặt.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Thành phần đồng vị bền trong nước mưa
Giai đoạn 20 năm gần đây thì lượng mưa tăng cao hơn giai đoạn trước đó, và có thể thấy 2 đỉnh rơi vào tháng 6 - 7 và 9 - 10 như thể hiện trên Figure 2 . Tổng lượng mưa trung bình năm giai đoạn 2000 - 2020 đạt 2009 mm tăng cao hơn giai đoạn trước đó là 1814 mm.
Các thành phần đồng vị hydro và oxy của nước mưa cung cấp thông tin quan trọng về các quá trình địa chất thủy văn và lưu thông khí quyển. Từ các giá trị thành phần đồng vị của nước mưa thu được đường nước khí tượng địa phương đại diện cho đường nước khí tượng khu vực Củ Chi (LMWL) bằng cách xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính. Đường nước khí tượng địa phương (LMWL) thu được là:
δ 2 H = 7.68* δ 18 O + 8.73
Đường nước khí tượng địa phương (LMWL) trùng hợp tốt với đường nước khí tượng toàn cầu (GMWL). Kết quả đường nước khí tượng địa phương này sẽ được sử dụng để xác định nguồn gốc của nước ngầm huyện Củ Chi và nước sông Sài Gòn.
Giá trị δ 2 H của nước mưa nằm trong khoảng từ -84.80‰ đến 7.62‰, với mức có ý nghĩa là -37.28‰ ± 20.06‰. Giá trị δ 18 O nằm trong khoảng -12.07‰ đến -0.98‰, với mức có ý nghĩa là -5.99‰ ± 2.58‰.
Các thành phần đồng vị nghèo hơn được tìm thấy trong mùa mưa so với mùa khô. Theo Yurtesever và Gat (1981), các thành phần đồng vị bền của nước mưa giảm khi nhiệt độ giảm và lượng mưa tăng 7 . Nghiên cứu này cho thấy, các thành phần đồng vị bền của nước mưa giảm khi lượng mưa tăng lên ( Figure 5 ).
Thành phần đồng vị bền trong nước sông
Figure 6 . Biểu đồ cao độ mực nước theo tháng tại trạm Thủ Dầu Một giai đoạn 1980-2020
Mực nước sông trung bình giai đoạn 2000 - 2020 cao hơn mực nước trung bình 20 năm trước đó khoảng 10 - 15 cm. Giai đoạn từ năm 1980 - 1999, cao độ mực nước sông dao động trong khoảng từ -19.16 cm đến 43.3 cm, mực nước dâng cao nhất vào tháng 10 (43.3 cm) và hạ thấp nhất vào tháng 6 (-19.16 cm) Figure 6 .
Giá trị đồng vị của 38 mẫu nước sông Sài Gòn được phân tích và được thể hiện trên Figure 7 ; dữ liệu được trình bày trong phần phụ lục. Giá trị δ 2 H của nước sông Sài Gòn nằm trong khoảng -52.26‰ đến -27.34‰, với mức có ý nghĩa là -33.82 ‰ ± 5.50‰. Giá trị δ 18 O nằm trong khoảng từ -7.74‰ đến -2.22‰, với mức có ý nghĩa là -4.22‰ ± 1.21‰. Từ các giá trị thành phần đồng vị của nước sông thu được phương trình đường thẳng hồi quy tuyến tính đường nước sông Sài Gòn như sau:
δ 2 H = 3.97* δ 18 O +17.03
Theo Cơ quan Năng lượng Nguyên tử quốc tế IAEA, nước bề mặt bốc hơi sẽ có độ dốc từ 4 - 5 thay vì độ dốc là 8 của đường nước khí tượng toàn cầu. Khi bị bốc hơi, hơi nước có thành phần đồng vị nhẹ được giải phóng vào không khí dẫn đến tăng giá trị đồng vị nặng trong nước còn lại.
Thành phần đồng vị bền trong nước dưới đất
Các mẫu nước ngầm được lấy từ các giếng khoan của các hộ dân khu vực Củ Chi, thuộc tầng chứa nước Pleistocen giữa - trên (qp 2-3 ) và Pleistocen hạ (qp 1 ). Giá trị đồng vị của 27 mẫu nước ngầm đã được phân tích và thể hiện trên Figure 7 ; dữ liệu được trình bày trong phần phụ lục. Giá trị δ 2 H của nước ngầm nằm trong khoảng từ -44.42‰ đến -41.48‰, với mức có ý nghĩa là -43.23±0.76‰. Giá trị δ 18 O nằm trong khoảng từ -6.96‰ đến -6.04‰, với mức có ý nghĩa là -6.72±0.21‰.
Trong nghiên cứu này, đường hồi quy tuyến tính của nước dưới đất nằm dọc theo đường khí tượng địa phương và lệch về bên phải, có độ dốc là 3.0215.
δ 2 H = 3.0215* δ 18 O-22.979
Thành phần đồng vị bền của nước dưới đất phản ánh rằng lượng mưa trong vùng tái tạo thấm qua đất và vùng không bão hòa để đến mực nước giếng. Sự xâm nhập tiềm tàng của lượng mưa vào đất và vùng không bão hòa về nguyên tắc là một quá trình không phân đoạn đồng vị. Trong điều kiện khô hạn, sự chuyển động của nước có thể hướng lên trên: nước di chuyển lên trong pha lỏng và pha hơi trong vùng không bão hòa, cuối cùng đến bề mặt đất bị mất đi khi bay hơi lên khí quyển 8 . Bốc hơi từ nước bề mặt có thể làm cho độ dốc của đường nước ngầm thấp đến 4. Độ dốc có thể thấp đến 2 đối với nước ngầm có nguồn gốc từ nước trong vùng không bão hòa. Hiệu ứng bốc hơi dẫn đến sự làm giàu các đồng vị nặng trong pha lỏng so với pha hơi cho phép xác định một cách định lượng hỗn hợp của nước bề mặt là nước hồ và nước sông đến nước ngầm 1 . Điều này cho thấy, nước ngầm trong khu vực nghiên cứu có nguồn gốc pha trộn giữa nước mưa từ quá trình bốc hơi với nước trong vùng không bão hòa và có thể có các nguồn nước mặt khác.
Đánh giá sự tương tác giữa nước dưới đất và nước mặt
Thành phần đồng vị bền của nước dưới đất được lấy tại 04 vị trí. Tại vị trí GWCC02, GWCC03, GWCC04, GWCC05 có sự thay đổi theo thời gian, thành phần đồng vị δ 18 O và δ 2 H có sự trao đổi giữa nước dưới đất và nước mặt vào các tháng cuối mùa khô – đầu mùa mưa.
Tại giếng GWCC02, nước ngầm có sự xuất hiện nước sông vào tháng 2 và 3 chứng tỏ có sự trao đổi nước vào hai tháng này. Các tháng còn lại không có sự trao đổi như các điểm ở tháng 6 và 7 nằm ở vùng nước thoát hơi, các tháng còn lại nằm trên đường khí tượng.
Tại giếng GWCC03, có 3 tháng thể hiện sự có mặt nước sông trong giếng gồm tháng 2,3 và 4. Các tháng còn lại không có sự trao đổi như tháng 6 nước thoát hơi, tháng 1,5 nước giếng có nguồn gốc từ nước mưa.
Tại giếng GWCC04, do vị trí giếng nằm xa sông và có 3 tháng nằm cùng phía với nước sông gồm tháng 1,2,5; mà tháng 5 bắt đầu mùa mưa nên tại tháng này có sự thay đổi về đồng vị bền có khả năng tháng này nước được cung cấp từ hồ gần đó. Vì vậy tại giếng GWCC04 có sự trao đổi vào tháng 1,2. Các tháng khác nằm trên đường khí tượng.
Tại vị trí GWCC05, chỉ có tháng 1 có sự xuất hiện có nước sông, các tháng còn lại đều nằm trên đường khí tượng và có nguồn gốc từ nước mưa.
KẾT LUẬN
Kết quả nghiên cứu sự trao đổi nước ngầm huyện Củ Chi và nước sông Sài Gòn chỉ ra rằng nước ngầm huyện Củ Chi có sự trao đổi nước sông Sài Gòn vào các tháng từ tháng 1 đến tháng 5 năm 2019 tại các vị trí GWCC02, GWCC03, GWCC04, GWCC05, và cũng được bổ cấp từ nước mưa.
Tại giếng GWCC02, nước ngầm có sự trao đổi với nước sông vào tháng 2,3. Tại giếng GWCC03, có 3 tháng thể hiện sự trao đổi nước gồm tháng 2,3 và 4. Tại giếng GWCC04 có sự trao đổi nước vào tháng 1,2. Tại vị trí GWCC05, chỉ có tháng 1 có sự xuất hiện nước sông.
LỜI CẢM ƠN
Chúng tôi chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa-ĐHQGHCM đã tài trợ cho đề tài CARE/YIPP mã số Tc-DCDK-2019-02. Nhóm tác giả cũng cảm ơn sự hỗ trợ về nhân sự trong nhóm làm việc trong chương trình IAEA F33024.
DANH MỤC VIẾT TẮT
EC Độ dẫn điện (Electrical Conductivity)
GMWL Đường nước khí tượng toàn cầu (Global Meteoric Water Line)
IAEA Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (International Atomic Energy Agency)
LMWL Đường nước khí tượng địa phương (Local Meteoric Water Line)
VSMOW Thành phần đồng vị bền của nước (Vienna Standard Mean Ocean Water)
XUNG ĐỘT LỢI ÍCH
Các tác giả thông báo rằng không có bất kỳ xung đột về tài chính hay xung đột về cá nhân ảnh hưởng đến công trình bài báo này.
ĐÓNG GÓP CỦA CÁC TÁC GIẢ
Nguyễn Sỉ Quang, học viên cao học ngành kỹ thuật địa chất – Trường Đại học Bách Khoa –ĐHQG HCM tham gia lấy mẫu, phân tích số liệu viết phần tổng quan.
Trần Anh Tú, chủ trì đề tài CARE/YIPP mã số Tc-DCDK-2019-02, giảng viên Trường Đại học Bách Khoa –ĐHQG HCM lên thiết kế bài báo, lên kế hoạch thực địa lấy mẫu, chỉnh sửa hoàn thiện bài báo
Thái Thị Thủy, học viên cao học ngành Kỹ thuật môi trường - Trường Đại học Bách Khoa –ĐHQG HCM, thực địa lấy mẫu, viết phần phương pháp đồng vị.
Nguyễn Phước Dân , chủ trì chương trình IAEA F33024 hỗ trợ kinh phí từ đề tài, giảng viên Trường Đại học Bách Khoa –ĐHQG HCM, định hướng phát triển và duyệt bản thảo cuối cùng.
Lê Thị Minh Tâm, thực hiện lấy mẫu thực địa, trung tâm CARE- Trường Đại học Bách Khoa –ĐHQG HCM.
Sarah Tweet, UMR G-eau, IRD, SupAgro, Montpellier, Pháp phân tích mẫu đồng vị và hướng dẫn học viên luận giải kết quả đồng vị.
PHỤ LỤC
References
- Mook WG. Environmental isotopes in the hydrological cycle. Vol. 1. International Atomic Energy Agency and United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization; 2000. . ;:. Google Scholar
- Baertschi P. Absolute 18O content of standard mean ocean water. Earth Planet Sci Lett. Aug 1976;31(3):341-4. . ;:. Google Scholar
- Gat JR, Carmi I. Evolution of the isotopic composition of atmospheric waters in the Mediterranean Sea area. J Geophys Res. May 1970;75(15):3039-48. . ;:. Google Scholar
- Gonfiantini R. Standards for stable isotope measurements in natural compounds. Nature. 1978;271(5645):534-6. . ;:. Google Scholar
- A L, E S. Isotopic composition of precipitation in Italy: a first overall map. J Hydrol. Jan 2003;270(1-2):75-88. . ;:. Google Scholar
- Craig H. Standard for reporting concentrations of deuterium and oxygen-18 in natural waters. Science. Jun 1961;133(3467):1833-4. . ;:. PubMed Google Scholar
- Gat JR, Gonfiantini R. Stable isotope hydrology: deuterium and oxygen-18 in the water cycle. Vienna: International Atomic Energy Agency. Vienna, Austria; 1981. . ;:. Google Scholar
- González-Trinidad J, Pacheco-Guerrero A, Júnez-Ferreira H, Bautista-Capetillo C, Hernández-Antonio A. Identifying groundwater recharge sites through environmental stable isotopes in an alluvial aquifer. Water. Aug 2017;9(8):569. . ;:. Google Scholar
