An toàn của các công trình đê điều và đập thủy lợi, thủy điện đóng vai trò then chốt trong sự phát triển kinh tế – xã hội và bảo vệ an ninh quốc gia. Những hiện tượng rò rỉ và thấm ngầm là những vấn đề phổ biến, có thể dẫn đến mất ổn định cấu trúc, thậm chí gây vỡ đập, mang lại hậu quả nghiêm trọng về người và tài sản. Việc phát hiện sớm và chính xác các điểm rò rỉ trở thành nhiệm vụ cấp bách đối với ngành thủy văn và công trình thủy lợi. Trong bối cảnh này, các kỹ thuật đánh dấu dòng chảy, hay còn gọi là tracer tests, đã được phát triển và áp dụng rộng rãi trong hơn bốn thập kỷ để thu thập dữ liệu trực tiếp về trường thấm hoặc dòng chảy ngầm. Giữa các phương pháp đánh dấu, kỹ thuật hạt nhân nổi bật nhờ khả năng cung cấp thông tin định lượng chi tiết, độ nhạy cao và theo dõi đường đi của nước thấm trong điều kiện địa chất phức tạp. Với sự phát triển của công nghệ hạt nhân, phương pháp này không chỉ giúp giải quyết các vấn đề hiện tại mà còn mở ra hướng đi mới cho quản lý tài nguyên nước bền vững.
Chất đánh dấu là một chất được đưa vào hệ thống dòng chảy nhằm theo dõi và thu thập thông tin về đường đi, tốc độ và đặc điểm của dòng nước. Chúng được phân loại thành hai nhóm chính: chất đánh dấu tự nhiên và chất đánh dấu nhân tạo. Chất đánh dấu tự nhiên bao gồm các đặc tính vật lý hoặc hóa học vốn có của dòng nước, chẳng hạn như nhiệt độ, độ dẫn điện (Electrical Conductivity – EC), tổng chất rắn hòa tan (Total Dissolved Solids), và các đồng vị ổn định như oxy-18 (¹⁸O) và deuterium (²H). Những đồng vị này được tích hợp vào phân tử nước và trải qua quá trình phân đoạn có hệ thống khi nước di chuyển qua các pha khác nhau trong chu trình thủy văn. Việc đo lường các thông số này có thể thực hiện dễ dàng tại chỗ bằng các đầu dò gắn vào dây cáp, mang lại phương pháp thuận tiện và ít tốn kém để điều tra nguồn gốc của dòng rò. Ngược lại, chất đánh dấu nhân tạo là những chất do con người đưa vào hệ thống để phục vụ khảo sát. Nhóm này bao gồm muối như NaCl, thuốc nhuộm huỳnh quang như Uranine, và đặc biệt là các đồng vị phóng xạ. Các thí nghiệm sử dụng chất đánh dấu nhân tạo, ví dụ như thử nghiệm pha loãng lỗ khoan đơn (Single Borehole Dilution Test – SBDT), cung cấp thông tin chi tiết về trường dòng chảy. Sự đa dạng này cho phép các nhà nghiên cứu chọn lựa phù hợp tùy theo điều kiện địa chất và mục tiêu khảo sát, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong việc phát hiện rò rỉ.
Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật hạt nhân trong thủy văn là sử dụng các đồng vị phóng xạ làm “nhãn” để theo dõi dòng nước rò rỉ. Những đồng vị này có thể gắn vào phân tử nước hoặc các hạt lơ lửng, di chuyển theo dòng chảy qua thân hoặc nền đập. Bằng cách đo hoạt độ phóng xạ tại các điểm quan sát ở hạ lưu, chuyên gia xác định được tốc độ và đường đi của dòng rò. Sự thay đổi nồng độ phóng xạ theo thời gian tạo thành đường cong nồng độ-thời gian, từ đó tính toán các thông số thủy văn quan trọng như vận tốc dòng chảy và thời gian lưu trú. Phương pháp ứng dụng quan trọng là thử nghiệm pha loãng trong lỗ khoan đơn (SBDT). Phương pháp này dựa trên việc đưa một lượng chất đánh dấu đã biết vào lỗ khoan, sau đó đo tốc độ pha loãng do dòng chảy ngầm đi qua. Vận tốc dòng thấm được tính toán trực tiếp từ tốc độ pha loãng, cho phép định lượng chính xác dòng chảy ngầm tại một điểm cụ thể trong môi trường bão hòa. Nguyên lý này tận dụng tính chất phóng xạ để theo dõi sự phân tán, mang lại dữ liệu đáng tin cậy ngay cả trong môi trường phức tạp.
Để chất đánh dấu hiệu quả, nó phải di chuyển với cùng vận tốc và hướng với nước, không tương tác hay hấp phụ với vật liệu rắn. Tuy nhiên, trong thực tế, lựa chọn chất đánh dấu là thách thức do tính phức tạp của môi trường địa chất. Sự hấp phụ vào đất sét có thể làm sai lệch kết quả, ảnh hưởng đến xác định tốc độ dòng chảy. Nồng độ chất đánh dấu phải cao hơn nồng độ phông tự nhiên để đảm bảo độ chính xác. Có hai triết lý sử dụng: một là chất đánh dấu “bảo toàn” (conservative) không tương tác để đo tốc độ chính xác; hai là sử dụng đồng vị hấp phụ để đánh dấu vị trí rò rỉ. Tùy mục tiêu – định vị hay định lượng – chuyên gia chọn chất phù hợp, đòi hỏi kiến thức sâu về hóa học đồng vị và địa chất thủy văn. Không có chất đánh dấu vạn năng, mà cần kết hợp dựa trên khảo sát sơ bộ để đạt kết quả tối ưu.
Các đồng vị phóng xạ tự nhiên là công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu quá trình thủy văn, giúp xác định nguồn gốc và tuổi nước rò rỉ. Tritium (³H), một đồng vị của hydro có trong nước mưa, tăng nồng độ từ những năm 1950 do thử nghiệm hạt nhân, trở thành “đồng hồ” xác định tuổi nước ngầm. Đo tritium tại điểm rò giúp phân biệt nước hồ chứa mới với nước ngầm cổ. Carbon-14 (¹⁴C) dùng để định tuổi nước ngầm cổ với chu kỳ bán rã dài. Nồng độ phụ thuộc vào cân bằng với CO₂ khí quyển và carbon hòa tan từ nước ngầm, giúp ước tính thời gian lưu trữ và tốc độ thấm gián tiếp. Radon-222 (²²²Rn), từ phân rã Uranium-238 (²³⁸U), có nồng độ cao trong nước ngầm và thấp trong nước mặt, hỗ trợ nghiên cứu tương tác nước mặt – ngầm. Theo dõi radon cung cấp dữ liệu về cơ chế thẩm thấu và đặc điểm thủy địa chất. Những đồng vị tự nhiên này không yêu cầu can thiệp nhân tạo, mang lại lợi thế trong khảo sát dài hạn và đánh giá tổng thể hệ thống rò rỉ.
Đồng vị nhân tạo dùng khi cần nguồn phóng xạ kiểm soát để định vị và định lượng dòng rò. Vàng-198 (¹⁹⁸Au), sản xuất bằng chiếu xạ vàng ổn định trong lò phản ứng, có thời gian bán rã 2,7 ngày và phát tia gamma, dễ theo dõi. Dùng dưới dạng dung dịch keo, nó hấp phụ vào ma trận đất đá tại vị trí rò, giúp định vị chính xác. Các đồng vị khác như Technetium-99m (⁹⁹ᵐTc) và Cobalt-60 (⁶⁰Co) chủ yếu dùng trong y học hoặc công nghiệp, nhưng lựa chọn cho thủy văn phải dựa trên thời gian bán rã, loại bức xạ và hành vi trong môi trường nước đất. Sự kiểm soát được của đồng vị nhân tạo cho phép thí nghiệm chính xác, bổ sung cho dữ liệu tự nhiên.
Thí nghiệm đánh dấu hạt nhân bao gồm các bước: khảo sát sơ bộ phân tích thủy hóa địa chất để xác định vị trí tiềm năng như khe nứt, đứt gãy; chuẩn bị chọn đồng vị, tính liều lượng và thiết bị đo; tiêm chất đánh dấu vào nguồn nghi ngờ như thượng lưu đập hoặc lỗ khoan; giám sát đo nồng độ tại hạ lưu; phân tích đường cong nồng độ-thời gian để tính tốc độ, thời gian lưu trú và lưu lượng rò. Kết hợp đồng vị tự nhiên (nguồn gốc, tuổi nước) và nhân tạo (định vị, định lượng) mang lại cái nhìn toàn diện, giải quyết vấn đề từ tổng thể đến chi tiết.
Nghiên cứu trên Tạp chí Địa chất học sử dụng đồng vị tự nhiên để điều tra rò rỉ tại đập Xiaolangdi. Từ khi hoạt động, đập gặp rò rỉ lớn khi mực nước vượt 235m. Phân tích đồng vị (D, T, ¹⁸O), hóa học nước và nhiệt độ cho thấy nước rò từ lỗ thoát hạ lưu giống nước hồ chứa, khác nước ngầm địa phương (tritium thấp). Nguồn rò từ hồ chứa qua khe nứt, đặc biệt đứt gãy F28 cắt ngang đập, chứng minh hiệu quả đồng vị tự nhiên trong xác định nguồn gốc. Nghiên cứu của IAEA dùng Vàng-198 (¹⁹⁸Au) dạng keo để tiêm, đồng vị phân tán theo nước và hấp phụ tại rò. Phát hiện hoạt độ bất thường xác định vị trí rò ở nền đập, khu vực đá vôi san hô trước tràn xả lũ. Kết quả chứng minh khả năng định vị chính xác của đồng vị nhân tạo. Các nghiên cứu nhấn mạnh tính khả thi nhưng cũng phức tạp của kỹ thuật, liên quan địa chất như khe nứt, thạch học. Không tách rời khỏi kiến thức địa chất thủy văn, cần diễn giải kết quả trong bối cảnh cụ thể. Phối hợp đa phương pháp, xác thực bằng dữ liệu lịch sử, khảo sát tại chỗ, mang lại cái nhìn toàn diện về an toàn đập.
Phương pháp địa vật lý như điện trở suất địa tầng (ERT), radar xuyên đất (GPR), điện từ cảm ứng dựa trên tương phản vật lý để xác định rò, ví dụ nước rò có độ dẫn điện cao hơn đất. Nhiệt hồng ngoại (IRT) dùng UAV và camera nhiệt phát hiện điểm lạnh từ nước rò. Các phương pháp khác như bong bóng khí, phân rã áp suất, lưu lượng dòng chảy áp dụng trong trường hợp cụ thể.
| Phương pháp | Ưu điểm | Nhược điểm | Khả năng Định vị | Khả năng Định lượng |
| Đánh dấu Hạt nhân | Độ nhạy cao, dữ liệu trực tiếp về dòng chảy | Yêu cầu an toàn nghiêm ngặt, chi phí cao | Có (qua theo dõi) | Có (tốc độ dòng chảy) |
| Địa vật lý (ERT) | Độ phân giải cao, không phá hủy | Không trực tiếp về dòng chảy | Rất tốt | Hạn chế (gián tiếp) |
| Nhiệt hồng ngoại (UAV-IRT) | Không tiếp xúc, nhanh, trực quan | Phụ thuộc thời tiết, độ chính xác thấp | Tốt (bề mặt) | Hạn chế |
Từ khóa: Tracer;
– CMD –
