Vùng vadose là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về vùng vadose

Vùng vadose là khu vực nằm giữa bề mặt đất và mực nước ngầm, nơi mà các lỗ rỗng trong đất hoặc đá chưa được bão hòa hoàn toàn bởi nước. Trong vùng này, tồn tại đồng thời hai pha: nước và khí. Tên gọi "vadose" xuất phát từ tiếng Latinh vadōsus, nghĩa là "ướt". Vùng này còn được biết đến với tên gọi “vùng không bão hòa” hoặc “vùng khí hóa”, tùy theo tài liệu và ngành chuyên môn.

Vai trò của vùng vadose trong chu trình thủy văn là rất quan trọng. Đây là nơi xảy ra quá trình thấm nước từ mưa hoặc tưới tiêu xuống mạch nước ngầm, thông qua cơ chế hấp thụ, mao dẫn và chảy trọng lực. Ngoài ra, các tương tác giữa nước, không khí, vi sinh vật và chất khoáng trong vùng vadose ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước ngầm và sự sống trong đất.

Một số quá trình vật lý – hóa học chủ yếu xảy ra trong vùng vadose bao gồm:

• Thấm nước (Infiltration)
• Thất thoát nước qua bốc hơi (Evapotranspiration)
• Di chuyển các chất hòa tan (solute transport)
• Phản ứng hấp phụ và trao đổi ion
• Phân giải và xử lý sinh học các hợp chất hữu cơ

Phân biệt vùng vadose và vùng bão hòa

Sự khác biệt cơ bản giữa vùng vadose và vùng bão hòa là độ bão hòa của các khoảng rỗng trong đất. Trong vùng vadose, các lỗ rỗng chứa cả nước và không khí. Trong khi đó, vùng bão hòa (saturated zone) nằm dưới mực nước ngầm, nơi toàn bộ lỗ rỗng được lấp đầy bằng nước. Mặt phân cách giữa hai vùng là đường mực nước ngầm (water table), đóng vai trò như một ranh giới động, có thể thay đổi theo mùa và điều kiện thủy văn.

Tính chất vật lý, hóa học và sinh học của hai vùng này rất khác nhau. Vùng vadose chịu ảnh hưởng lớn của khí hậu bề mặt như lượng mưa, nhiệt độ và độ ẩm không khí. Vùng bão hòa, ngược lại, ổn định hơn và thường có điều kiện yếm khí.

Bảng so sánh dưới đây tóm tắt một số điểm khác biệt chính:

Đặc điểm	Vùng vadose	Vùng bão hòa
Độ bão hòa	Không hoàn toàn (nước + khí)	Hoàn toàn là nước
Áp suất nước	Âm (sức hút matric)	Dương (áp lực thủy tĩnh)
Khả năng truyền nước	Không đồng nhất, phụ thuộc độ ẩm	Tương đối ổn định
Ảnh hưởng khí hậu	Cao	Thấp hơn

Cấu trúc của vùng vadose

Vùng vadose không phải là một khối đồng nhất mà có thể phân chia thành ba phân lớp chính, mỗi lớp có đặc điểm riêng biệt về thủy lý và sinh học. Việc phân chia này giúp nghiên cứu và mô hình hóa các quá trình diễn ra trong đất trở nên chính xác và hiệu quả hơn.

• Lớp đất mặt (Soil Water Zone): Nằm ngay dưới bề mặt, nơi rễ cây hoạt động mạnh mẽ. Nước ở đây được cây hút lên, một phần bốc hơi, phần còn lại thấm sâu hơn.
• Vùng trung gian (Intermediate Zone): Độ sâu thay đổi tùy theo cấu trúc đất. Nước di chuyển chậm hơn, ít bị ảnh hưởng trực tiếp bởi khí hậu.
• Vùng mao dẫn (Capillary Fringe): Nằm ngay phía trên mực nước ngầm, nơi nước bị hút lên do lực mao dẫn. Mức độ bão hòa ở đây gần đạt 100% nhưng vẫn thuộc vùng vadose.

Chiều sâu của từng lớp phụ thuộc vào:

• Loại đất (cát, sét, phù sa...)
• Lượng mưa trung bình hằng năm
• Độ dốc địa hình và lớp phủ thực vật

Các khu vực khô hạn có thể có vùng vadose dày hàng chục mét, trong khi ở vùng nhiệt đới ẩm, độ dày này chỉ vài mét.

Quá trình vận chuyển nước trong vùng vadose

Nước di chuyển trong vùng vadose chủ yếu theo hai cơ chế: thấm do trọng lực và mao dẫn. Khi nước mưa rơi xuống, nếu lượng nước vượt quá sức giữ nước của đất, nước sẽ bắt đầu thấm sâu vào lớp dưới. Quá trình này gọi là infiltration. Nước có thể bị giữ lại tạm thời do lực hút bề mặt (matric potential), tạo thành vùng ẩm.

Một trong những công cụ toán học được sử dụng rộng rãi để mô hình hóa dòng chảy trong vùng vadose là phương trình Richards:
$\frac{\partial \theta}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial z} \left[ K(\theta) \left( \frac{\partial h}{\partial z} + 1 \right) \right]$
Trong đó:

• $\theta$: độ ẩm thể tích (volume water content)
• $K(\theta)$: hệ số thấm của đất phụ thuộc độ ẩm
• $h$: thế năng matric
• $z$: chiều sâu

Việc tính toán các tham số trong phương trình này yêu cầu dữ liệu thực nghiệm về đường cong giữ nước của đất (soil water retention curve) và đặc tính truyền dẫn nước. Các phần mềm mô phỏng hiện đại như HYDRUS hay VS2DTI đang được sử dụng rộng rãi để mô phỏng dòng nước và chất ô nhiễm trong vùng vadose.

Vai trò sinh thái và môi trường của vùng vadose

Vùng vadose không chỉ là một phần trong chu trình thủy văn mà còn là nơi diễn ra nhiều quá trình sinh học và hóa học quan trọng, ảnh hưởng đến sự sống và chất lượng môi trường. Các sinh vật đất như vi khuẩn, nấm, tuyến trùng và côn trùng phụ thuộc vào nước trong vùng này để tồn tại và phát triển. Sự thay đổi độ ẩm, nhiệt độ và thành phần khí trong vùng vadose có thể làm thay đổi đáng kể thành phần và hoạt động của hệ vi sinh vật đất.

Ngoài ra, vùng vadose còn đóng vai trò như một bộ lọc tự nhiên, ngăn chặn sự xâm nhập của các chất ô nhiễm vào tầng nước ngầm. Các chất như nitrate, kim loại nặng, thuốc bảo vệ thực vật và hợp chất hữu cơ có thể bị hấp phụ, phân hủy hoặc biến đổi sinh học trong quá trình di chuyển qua vùng này. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro ô nhiễm nguồn nước ngầm – một nguồn cung cấp nước sinh hoạt quan trọng cho nhiều cộng đồng.

Các chức năng sinh thái chính của vùng vadose bao gồm:

• Điều tiết dòng thấm và tốc độ nạp nước vào tầng chứa nước
• Kiểm soát sự vận chuyển của chất ô nhiễm trong đất
• Hỗ trợ sự sống của hệ sinh vật đất
• Tham gia vào chu trình các nguyên tố như carbon, nitơ và lưu huỳnh

Ứng dụng nghiên cứu vùng vadose trong quản lý tài nguyên nước

Việc hiểu rõ các đặc tính và quá trình diễn ra trong vùng vadose là điều kiện tiên quyết để bảo vệ tài nguyên nước ngầm. Các nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực này bao gồm từ mô hình hóa dòng chảy đến phát triển các hệ thống cảnh báo sớm về ô nhiễm hoặc cạn kiệt nước ngầm. Đặc biệt, trong bối cảnh khai thác nông nghiệp và công nghiệp ngày càng gia tăng, vùng vadose trở thành điểm kiểm soát quan trọng trước khi nước và chất ô nhiễm đi vào tầng chứa nước.

Một số công nghệ và phương pháp được ứng dụng:

• Radar xuyên đất (Ground Penetrating Radar - GPR): dùng để quan trắc sự thay đổi độ ẩm trong đất theo chiều sâu.
• Cảm biến độ ẩm và thế năng nước: lắp đặt tại các tầng sâu khác nhau để thu thập dữ liệu thời gian thực.
• Phần mềm mô phỏng thủy văn: như HYDRUS-1D, VS2DTI, MODFLOW với mô-đun MT3D cho phép mô phỏng dòng chảy và sự phát tán chất ô nhiễm.

Ứng dụng thực tế:

Lĩnh vực	Ứng dụng vùng vadose
Nông nghiệp	Tối ưu hóa tưới tiêu, kiểm soát rò rỉ phân bón và thuốc trừ sâu
Quản lý nước	Dự đoán tốc độ nạp nước ngầm, đánh giá trữ lượng
Quản lý chất thải	Thiết kế bãi chôn lấp và giám sát rò rỉ chất độc

Thách thức và xu hướng nghiên cứu hiện nay

Một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu vùng vadose là sự không đồng nhất theo không gian và thời gian của đất và quá trình vận chuyển nước. Đất không phải là một môi trường đồng đều – nó thay đổi theo kết cấu, độ xốp, hàm lượng hữu cơ, hoạt động sinh học... Từ đó, việc mô hình hóa hoặc dự đoán chính xác hành vi của vùng vadose trở nên rất phức tạp.

Ngoài ra, còn nhiều vấn đề thực tiễn khác:

• Thiếu dữ liệu thực nghiệm ở độ sâu lớn hoặc trong thời gian dài
• Độ nhạy cao của mô hình với các thông số đầu vào
• Chi phí cao cho việc giám sát và thiết bị cảm biến

Tuy vậy, công nghệ mới đang mở ra nhiều hướng nghiên cứu hứa hẹn:

• Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để xử lý và dự đoán dữ liệu đất
• Sử dụng mô hình học máy (machine learning) kết hợp mô hình vật lý để tăng độ chính xác
• Kết hợp dữ liệu vệ tinh với dữ liệu mặt đất để lập bản đồ ẩm đất quy mô lớn
• Tích hợp Internet vạn vật (IoT) trong nông nghiệp thông minh để quản lý vùng vadose theo thời gian thực

Liên hệ đến biến đổi khí hậu và an ninh nguồn nước

Biến đổi khí hậu đang làm thay đổi cơ bản cách thức vận hành của vùng vadose. Mưa thất thường, hạn hán kéo dài, băng tan và nước biển dâng đều tác động trực tiếp đến độ ẩm, cấu trúc đất và tốc độ thấm nước. Ở nhiều khu vực khô hạn, vùng vadose ngày càng dày lên do mực nước ngầm sụt giảm, làm cho việc tái nạp nước trở nên khó khăn hơn.

Các mối nguy liên quan:

• Giảm khả năng tích trữ nước ngầm
• Tăng rủi ro ô nhiễm do chất thải không bị lọc đủ
• Thay đổi cấu trúc sinh học đất, ảnh hưởng năng suất nông nghiệp

Từ góc độ an ninh nguồn nước, vùng vadose là lớp đệm quan trọng giúp hệ thống thủy văn hấp thụ sốc từ các biến cố khí hậu. Việc nghiên cứu, giám sát và bảo vệ vùng vadose nên trở thành một phần trong chiến lược quản lý tài nguyên bền vững ở cấp quốc gia và toàn cầu.

Tài liệu tham khảo

1. National Research Council. Groundwater Fluxes Across Interfaces. The National Academies Press, 2004. https://doi.org/10.17226/11534
2. Šimůnek, J., Šejna, M., Saito, H., Sakai, M., & van Genuchten, M. Th. (2008). The HYDRUS-1D Software Package for Simulating the Movement of Water, Heat, and Multiple Solutes in Variably-Saturated Media. USDA & University of California Riverside.
3. Scanlon, B. R., Healy, R. W., & Cook, P. G. (2002). Choosing appropriate techniques for quantifying groundwater recharge. Hydrogeology Journal, 10(1), 18–39. https://doi.org/10.1007/s10040-001-0176-2
4. U.S. Geological Survey (USGS). Vadose Zone Monitoring. https://www.usgs.gov/...
5. IPCC. Climate Change and Land: Summary for Policymakers, 2019. https://www.ipcc.ch/srccl/