Nguồn gốc và sự di chuyển của Arsenic trong nước ngầm ở vùng Châu thổ sông Mekong

Người dân ở nông thôn Cambodia sử dụng nước giếng có nồng độ arsenic trên mức cho phép. [Ảnh: Scott Fendorf]

Các tin khác »

Arsenic trong nước ngầm được xem là mối đe dọa đến sức khỏe của khoảng 137 triệu người trong 70 quốc gia [1]. Trong vùng châu thổ sông Mekong – vùng ngập lụt phía dưới Kratie bao gồm một phần của Cambodia và Đồng bằng sông Cửu Long của Việt Nam (ĐBSCL) – arsenic nằm trong các lớp trầm tích, do do sự lắng đọng của phù sa phát xuất từ dãy Himalayas dưới dạng iron oxides. Từ đó arsenic được phóng thích vào nước ngầm qua phản ứng sinh học hay sự phân hủy của iron oxides [2]. Arsenic được tìm thấy với nồng độ cao trong các lớp trầm tích cận đại (Holocene Alluvium) và trung đại (Pleistocene Alluvium) trong các châu thổ ở Nam và Đông Nam Á (ĐNA) như ở Ấn Độ [3], Nepal, West Bengal, Bangladesh, Cambodia và Việt Nam (sông Hồng và sông Cửu Long) [4]. Đặc biệt ở ĐBSCL, ngoài các lớp trầm tích cận và trung đại, arsenic có nồng độ cao còn được tìm thấy trong nước ngầm trong các lớp trầm tích cổ đại (Pliocene Alluvium và Miocene Alluvium) nằm sâu ở dưới đất.

Sự hiện diện của arsenic trong các lớp trầm tích cận và trung đại tương đối dễ hiểu, nhưng sự hiện diện của nó trong các lớp trầm tích cổ đại ở ĐBSCL vẫn còn là một “bí mật” chưa được giải thích một cách khoa học cho đến thập niên 2000s. Bài viết nầy có mục đích tìm hiểu về nguồn gốc của arsenic cũng như sự hiện diện của nó trong các lớp trầm tích cổ đại qua việc phân tích cái “bí mật” vừa được các khoa học gia giải mật.




Địa chất và địa thủy học của ĐBSCL

Sự hiện diện của arsenic trong nước ngầm trong các lớp trầm tích ở ĐBSCL tùy thuộc vào địa chất và địa thủy học (geohydrology) ở trong vùng, vì nước ngầm không thể chảy qua các lớp đất sét mà chỉ có thể chảy trong các lớp cát sạn từ nơi có thủy thế (hay áp suất) cao đến nơi có thủy thế thấp.

Hình 1: Đồng bằng sông Cửu Long. [5]

ĐBSCL được cấu tạo bởi nhiều lớp trầm tích từ thời cổ đại, nằm sâu ở dưới mặt đất, đến thời cận đại nằm gần mặt đất. Các lớp trầm tích nầy gồm có những lớp cát sạn (thấm nước) xen lẫn với các lớp đất sét (không thấm nước). Một mặt cắt ngang ĐBSCL từ biên giới với Cambodia đến bờ Biển Đông cho thấy các lớp trầm tích trung đại (Pleistocene Alluvium) và cổ đại (Pliocene Alluvium) càng ngày càng dầy hơn và ở sâu hơn khi tiến ra biển. Lớp trầm tích trung đại (Pleistocene Alluvium) có chiều sâu từ khoảng 20 m đến 90 m ở biên giới Việt-Miên và khoảng 100 m đến 200 m ở bờ biển Đông. Lớp trầm tích cổ đại (Pliocene Alluvium) có chiều sâu khoảng 130 m đến 180 m ở biên giới Việt-Miên và 240 m đến 400 m ở bờ biển. Dựa trên độ dốc nầy, các lớp trầm tích trung và cổ đại có thể đi đến gần mặt đất và liên kết với lớp trầm tích cận đại (Holocence Alluvium) mà không bị các lớp đất sét xen vào.

Hình 2: Địa chất của ĐBSCL ở mặt cắt AA’ (Hình 1) dọc theo sông Tiền. [5]

Vì các lớp trầm tích ở ĐBSCL là một phần của các lớp trầm tích trong châu thổ sông Mekong phát xuất từ mặt đất ở Cambodia, chúng chịu một áp suất rất cao. Vì thế, mực nước ngầm trong các giếng khoan đến các tầng nước ngầm ở ĐBSCL dâng lên rất cao, có cao độ từ -1 m đến -3 m trong điều kiện tự nhiên (Hình 3). Nó tương ứng với mực nước ngầm trong các lớp trầm tích ở Cambodia có cao độ trên + 2m (Hình 4); vì thế, nước ngầm trong các lớp trầm tích nầy di chuyển từ Cambodia qua Việt Nam rồi đổ ra Biển Đông.

Hình 3: Mực nước ngầm ở ĐBSCL. [4]

Hình 4: Mực nước ngầm ở châu thổ Mekong, Cambodia. [6]

Nghiên cứu của Fendorf

Từ lâu, các nhà khoa học đã xác định được rằng arsenic hiện diện trong các châu thổ sông ở Nam Á và ĐNA phát xuất từ vùng Himalayas và được phù sa mang theo xuống hạ lưu; nhưng họ vẫn không biết tại sao arsenic hiện diện trong các tầng nước ngầm ở sâu dưới mặt đất.




Để tìm hiểu điều bí ẩn nầy, Tiến sĩ (TS) Scott Fendorf, giáo sư Khoa học Môi trường Địa cầu của Đại học Stanford, cùng 2 đồng nghiệp Chris Francis và Karen Seto, đã thực hiện việc nghiên cứu thực địa ở Á Châu từ năm 2004. Họ bắt đầu việc nghiên cứu trong lưu vực sông Bramaputra ở Bangladesh, nhưng sự di chuyển của nước ngầm ở đây bị ảnh hưởng của nhiều giếng thủy nông, họ quyết định chuyển sang lưu vực Mekong ở Cambodia, nơi có các điều kiện địa chất tương tự như lưu vực Bramaputra nhưng chưa bị ảnh hưởng (Hình 5).

Hình 5: Nhóm nghiên cứu của Đại học Stanford ở Cambodia dưới sự hướng dẫn của TS Scott Fendorf (áo trắng). [Ảnh: Stanford]

Năm 2009, họ đi đến kết luận rằng arsenic trong phù sa được sông Mekong chuyển xuống từ dãy Himalayas được phóng thích ở rất gần mặt đất, khoảng từ 2 feet đến 3 feet (dưới 1m), rồi thấm xuống các tầng nước ngầm ở bên dưới và có thể mất ít nhất 100 năm để đến các tầng nước ngầm ở sâu dưới đất. Họ cũng cho biết thêm là chu kỳ di chuyển hàng trăm năm của arsenic xuống các tầng nước ngầm là một tiến trình tự nhiên đã xảy ra từ nhiều ngàn năm trước khi có ảnh hưởng của con người [7].

Mặc dù kết quả nghiên cứu của Fendorf phù hợp với các dữ kiện thu thập được về nguồn gốc của arsenic trong châu thổ sông Mekong, nó đi ngược với nguyên tắc của địa thủy học trong khu vực khi cho rằng arsenic thấm xuống các tầng nước ngầm ở dưới sâu qua các lớp đất sét. Điều nầy không thể xảy ra vì các tầng nước ngầm trong các lớp trầm tích trung và cổ đại có áp suất rất cao.

Giả thuyết của Erban

Vào năm 2013, trong luận án tiến sĩ đệ trình lên Khoa Khoa học Môi trường Địa cầu ở Đại học Stanford [8], TS Laura Erban đã dùng một mô hình 3 chiều để chứng minh giả thuyết cho rằng việc khai thác nước ngầm trong các lớp trầm tích trung và cổ đại gây sụt lún đất, khiến cho các lớp đất sét nằm xen kẽ trong các tầng nước ngầm bị nén lại và đẩy nước có chứa arsenic trong các lớp đất sét vào các tầng nước ngầm ở dưới sâu trong nhiều thập niên. Giả thuyết nầy cũng được trình bày trong một bài viết trên Proceedings of the National of Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) trong cùng năm [4].

Hình 6: Giả thuyết của Erban. [4]

Hình 7: Ô nhiễm arsenic ở ĐBSCL. [4]

Theo dữ kiện đo đạc, nước ngầm ô nhiễm arsenic ở nồng độ cao trong ĐBSCL tập trung dọc sông Tiền và Hậu từ biên giới Việt-Miên đến Cần Thơ. Như được mô tả trong Hình 7, các giếng có nồng độ arsenic cao hơn 100 µg/l thì không nằm trong vùng bị sụt lún nhiều nhất như được mô tả trong Hình 8; vì thế, giả thuyết của Erban không có tính thuyết phục khoa học.

Hình 8: Ước tính mức sụt lún đất ở ĐBSCL. [5]

Một điểm yếu khác trong giả thuyết của Erban là nồng độ và số lượng của nước ngầm nằm trong các lớp đất sét xen kẽ với các tầng nước ngầm trong các lớp trầm tích trung và cổ đại ở ĐBSCL.

Vì “… nồng độ và tính di động của arsenic trong các lớp đất sét xen kẽ với các tầng nước ngầm ở sâu dưới đất không được biết một cách rõ ràng… nồng độ arsenic cao trong các lớp đất sét được suy ra từ a) nồng độ arsenic hòa tan trong đất sét ở gần mặt đất trong ĐBSCL, b) nồng độ arsenic hòa tan trong các lớp đất sét ở các vùng tương tự khác và lâu đời hơn, và c) thời biểu của sự phóng thích arsenic từ các lớp đất sét ở dưới sâu trong khung cảnh của châu thổ.” [8] Nhưng nồng độ arsenic trong nước nằm trong các lớp đất sét ở gần mặt đất không vượt quá 1.000 µg/l, trong khi nồng độ arsenic trong các giếng ở ĐBSCL có thể lên đến 1.500 µg/l. Các vùng “tương tự khác” thì nằm ở Bắc và Trung Mỹ và không phải là châu thổ.

Vì độ rỗng hiệu dụng (effective porosity) của đất sét rất nhỏ, nên các lớp đất sét xen kẽ với các tầng nước ngầm không thể chứa một số lượng nước có nồng độ arsenic cao đủ lớn để có thể làm ô nhiểm các tầng nước ngầm kế cận, nếu nó bị đẩy ra khỏi lớp đất sét.




Một giải thích hợp lý hơn

Dựa trên cấu tạo địa chất và các điều kiện địa thủy học được mô tả ở trên, cùng với tình trạng ô nhiễm arsenic dọc theo sông Mekong trên lãnh thổ Cambodia như được mô tả trong Hình 9 - với một số giếng có nồng độ arsenic lên đến 6.000 µg/l [9] – chúng ta có thể kết luận rằng arsenic trong các tầng nước ngầm trung và cổ đại ở ĐBSCL phát xuất từ tầng nước ngầm cận đại dọc theo sông Mekong trong lãnh thổ Cambodia. Từ đó, arsenic thấm xuống các tầng nước ngầm trung và cổ đại rồi lan vào ĐBSCL.

Hình 9: Arsenic trong châu thổ Mekong ở Cambodia. [6]

Nếu các tầng nước ngầm trung và cổ đại có độ dẫn thủy lực hay độ thấm (hydraulic conductivity hay permeability) trung bình K = 3,15x10-4 m/sec (9,934 km/yr) [10] với một độ dốc thủy lực (hydraulic head) trung bình dọc theo sông Mekong từ Phnom Penh, Cambodia đến Cần Thơ, Việt Nam là i = 2,1x10-3 (sai biệt cao độ khoảng 400 m trong 190 km đo được trên Google Map); vận tốc trung bình của nước ngầm trong các tầng nước ngầm trung cổ đại Pliocene-Miocene vào khoảng 21 m/yr. Như vậy, arsenic phải mất khoảng 11.000 năm mới đến các tầng nước ngầm nầy ở bên dưới Cần Thơ.

Phần kết luận

Arsenic phát xuất từ dãy Himalayas rồi theo phù sa trong sông di chuyển xuống hạ lưu. Nó được tìm thấy với nồng độ cao trong nước ngầm của các lớp trầm tích cận đại ở gần mặt đất trong hầu hết các châu thổ ở Nam và ĐNA. Riêng ở ĐBSCL, arsenic cũng hiện diện trong nước ngầm của các lớp trầm tích cổ đại ở sâu dưới đất và là một “bí mật” chưa được giải thích một cách khoa học cho đến thập niên 2000s.




Để tìm hiểu về sự bí mật nầy, các nhà khoa học của Đại học Stanford đã thực hiện một cuộc nghiên cứu tại chỗ ở Cambodia. Họ đi đến kết luận rằng arsenic trong phù sa, được sông Mekong chuyển xuống từ dãy Himalayas, được phóng thích ở rất gần mặt đất, rồi thấm xuống các tầng nước ngầm ở bên dưới và có thể mất ít nhất 100 năm để đến các tầng nước ngầm ở sâu dưới đất. Nhưng kết luận nầy đi ngược với nguyên tắc của địa thủy học vì nước ngầm không thể thấm vào các tầng nước ngầm trung cổ đại có áp suất rất cao.

Sự hiện diện của arsenic trong các tầng nước ngầm trung cổ đại cũng được cho là do arsenic trong các lớp đất sét được phóng thích vào các tầng nước ngầm, vì các lớp đất sét bị nén lại cùng với sự sụt lún đất do khai thác nước ngầm. Nhưng giả thuyết nầy không có bằng chứng khoa học vững chắc để minh chứng.

Dựa trên cấu tạo địa chất và các điều kiện địa thủy học của châu thổ sông Mekong và mức độ ô nhiễm arsenic quan sát được, chúng ta có thể kết luận rằng arsenic trong các tầng nước ngầm trung cổ đại ở ĐBSCL phát xuất từ tầng nước ngầm cận đại dọc theo sông Mekong trong lãnh thổ Cambodia. Từ đó, arsenic thấm xuống các tầng nước ngầm trung và cổ đại rồi lan vào ĐBSCL.

Sơ lược về tác giả

Tác giả nguyên là Kỹ sư Công chánh Chuyên nghiệp (Professional Civil Engineer) của tiểu bang Florida và California. Tốt nghiệp Kỹ sư Công chánh tại Trường Cao đẳng Công chánh, Trung tâm Quốc gia Kỹ Thuật Phú Thọ, Sài Gòn năm 1972. Trưởng ty Kế hoạch, Ủy ban Quốc gia Thủy lợi, Bộ Công chánh và Giao thông, Sài Gòn đến tháng 4 năm 1975. Tốt nghiệp Kỹ sư Công chánh (1983) và Cao học Thủy lợi (1985) tại Đại học Nebraska, Hoa Kỳ. Chuyên viên Thủy học (Hydrlogist) của Sở Quản trị Thủy lợi, Broward County, Florida đến năm 1989. Từ năm 1990 đến 2015, Kỹ sư Giám sát Trưởng (Senior Supervising Engineer) của Stetson Engineers Inc., một công ty cố vấn về thủy lợi và ô nhiễm nguồn nước, thành lập năm 1957 ở Los Angeles. Về hưu từ năm 2016.


© Nguyễn Minh Quang
    Blog NQM

Chú thích:

[1] Associated Press. August 30, 2007. “Arsenic in drinking water seen as threat.” USA Today. http://usatoday30.usatoday.com/news/world/2007-08-30-553404631_x.htm

[2] Fendorf, S., Holly A. Michael, and Alexander van Green. 28 May 2010. “Spatial and Temporal Variations of Groundwater Arsenic in South and Southeast Asia.” Science. Vol. 328; pp. 1123-1127. https://science.sciencemag.org/content/328/5982/1123.full

[3] Babar Ali Shah. 25 May 2010. “Arsenic-contaminated groundwater in Holocene sediments from parts of Middle Ganga Plain, Uttar Pradesh, India. Current Science. Vol. 98, No. 10, pp. 1359-1365. http://www.indiaenvironmentportal.org.in/files/Arsenic%20contaminated%20groundwater%20in%20Holocene%20sediments.pdf

[4] Erban, E. Laura, Steven M. Gorelick, Howard A. Zebker, and Scott Fendorf. August 20, 2013. “Release of arsenic to deep groundwater in the Mekong Delta, Vietnam, linked to pumping-induced land subsidence.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Vol. 110, No. 34, pp. 13751-13756. https://www.pnas.org/content/110/34/13751

[5] P S J Minderhoud, et al. 1 June 2017. “Impacts of 25 years of groundwater extraction on subsidence in the Mekong delta, Vietnam.” Environmental Research Letters. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/aa7146/pdf

[6] Felix Seebacher. 2 April 2014. Groundwater in the Mekong Region-Transboundary Aquifers. Mekong River Commission. https://data.opendevelopmentmekong.net/dataset/31218536-bb7d-4439-9742-aaf786e14c01/resource/095025a9-a324-43fd-bdb8-1b459bb4def3/download/2.2-c-groundwater-ingmekong-region-felixseebacher.pdf

[7] Chelsea Anne Young. March 24, 2009. “Scientists solve puzzle of arsenic poisoning crisis in Asia.” Stanford Report. https://news.stanford.edu/news/2009/april1/fendorf-arsenic-water-poison-asia-040109.html

[8] Laura E. Erban. December 2013. Groundwater Exploitation and Arsenic Occurrence in the Mekong Delta Aquifer System. A Dissertation Submitted to the Department of Environmental Earth System Science and the Committee on Graduate Studies of Stanford University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy. Stanford University. https://stacks.stanford.edu/file/druid:fx861nd2581/LErban_Dissertation_Final-augmented.pdf

[9] Kang Yumei. 28 January 2016. “Arsenic-Polluted Groundwater in Cambodia: Advances in Research.” International Journal of Water and Wastewater Treatment. https://www.sciforschenonline.org/journals/water-and-waste/article-data/IJWWWT-2-116/IJWWWT-2-116.pdf

[10] Benner, Shawn G. et al. 2008. “Groundwater flow in an arsenic-contaminated aquifer, Mekong Delta, Cambodia.” https://www.academia.edu/11992776/Groundwater_flow_in_an_arsenic-contaminated_aquifer_Mekong_Delta_Cambodia