Những nghiên cứu về khai thác, sử dụng nguồn nước ngầm karst đã có lịch sử phát triển lâu dài và rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới như Liên Xô, Pháp, ý, Áo… Những nghiên cứu được công bố sớm nhất vào những năm cuối thế kỷ 19. Một trong những công trình nghiên cứu về khai thác nguồn nước karst và nước ngầm ở vùng karst đầu tiên là nhà khoa học Martel.E.A người Pháp, năm 1894. Nhà khoa học này đã đưa ra hàng loạt những nghiên cứu về nước ngầm karst, sự vận động của nước karst và các giải pháp khai thác, sử dụng bền vững trong nguồn nước karst. Cũng trong thời gian này, nhà khoa học người đức Cvijic.J cũng đưa ra những nghiên cứu của mình về nước ngầm karst và sự vận động của nước karst, khả năng khai thác nguồn nước karst. Năm 1903, nhà khoa học người Đức đã có công trình nghiên cứu về nước karst ở vùng Westbonien. Bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ 20 đến nay, đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu về nước karst và khả năng khai thác bền vững trong nguồn nước này và các giải pháp khai thác, sử dụng bền vững trong nguồn nước phục vụ phát triển kinh tế xã hội khu vực hiệu quả. Một trong các công trình nghiên cứu đó là các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trường đại học Montpellier (Pháp) về quy luật phân bố, vận động và các giải pháp khai thác sử dụng nguồn nước karst.
Về các mô hình khai thác nước, hiện nay trên thế giới đang sử dụng rất nhiều mô hình khai thác nước từ truyền thống đến hiện đại. Dưới đây tổng hợp một số mô hình khai thác nước dưới đất đã và đang được áp dụng trên thế giới.
Nước dưới đất trong các tầng chứa nước khe nứt karst trên thế giới thường được khai thác bằng các giếng khoan và mạch lộ. Các hình thức khai thác này là phổ biến trên toàn thế giới, chúng có những điểm thuận lợi và khó khăn khác nhau.
Hiện nay, việc khai thác, sử dụng nguồn nước vùng karst Đông Bắc có nhiều phương pháp khác nhau, trong đó chủ yếu có các phương pháp sau:
Giếng đào: Cho đến nay giếng đào vẫn là biện pháp khai thác nước ngầm trong vùng karst một cách thủ công và phổ biến. Đối tượng khai thác thường là nước ngầm nằm nông trong các đới karst bề mặt bị phủ một phần hoặc toàn bộ. Các bề mặt này thường rộng, phẳng và nằm ở phần thấp của địa hình và thường là các cánh đồng hoặc thung lũng karst. Mực nước ngầm ở các khu vực như vậy thường nằm ở độ sâu 3 – 5m tới 20m.
Giếng khoan đứng: là biện pháp truyền thống và phổ biến nhất để khai thác nước ngầm ở vùng karst. Biện pháp này đã được áp dụng ở Việt Nam và trên thế giới. Trong khai thác nước ở vùng đá vôi, nhiều nước đã áp dụng thêm các biện pháp nổ mìn và axit hoá để mở rộng phạm vi đới thu nước. Giếng khoan đứng là biện pháp dễ thi công, kinh tế, có thể cấp nước với khối lượng lớn cho các cụm dân cư lớn, các khu công nghiệp.
Giếng khoan nghiêng và khoan ngang
Khoan nghiêng và ngang là các cải tiến về công nghệ của khoan đứng. Nhiều nước, mà đặc biệt là các tổ hợp khai thác dầu khí đã sử dụng khoan nghiêng để tăng sản lượng khai thác. Trong lĩnh vực nước ngầm, khoan nghiêng – ngang cũng đã thể hiện các ưu thế vượt trội đối với khai thác nước trong các đới chứa nước hẹp, các tầng chứa nước mỏng, các điểm chứa nước cao ngang sườn đồi núi,… Ở một số trường hợp khó khăn về địa hình, địa vật (sông suối, công trình,…) không thể sử dụng khoan đứng thì vẫn có thể sử dụng khoan nghiêng để tiếp cận đới chứa nước. Tại Việt Nam, Trung tâm Ứng dụng và Chuyển giao công nghệ – Viện Cơ học đã phối hợp với một số công ty tiến hành khoan ngang để dẫn nước karst từ hang động sâu ra sườn núi thuộc khu vực Tạ Đú – Mèo Vạc. Lưu lượng nước từ hang sâu chảy ra đạt tới 1 – 3l/s. Đây là giải pháp rất hữu hiệu, có thể thay thế một phần giải pháp bơm hút vẫn dùng bấy lâu nay.
Vách nhả nước và hồ treo:
Mô hình này chỉ áp dụng tại các nơi có thể chứa nước khe nứt Epikarst phát triển mà điều kiện sử dụng các kỹ thuật khai thác cấp nước khác (khoan, bơm hút, dẫn từ nơi khác đến…) rất khó khăn. Trên các sườn núi đá vôi thì đây là biện pháp tương đối mới để khai thác nguồn nước vách núi (epikarst) nằm cao.
Bơm hút nước từ hang động, mạch nước: là biện pháp phổ biến ở hầu hết các vùng đá vôi. Tuỳ vào chênh lệch mực nước trong hang và địa hình bề mặt mà sử dụng bơm hút hoặc bơm đẩy. Lưu lượng bơm hút phụ thuộc vào lưu lượng khai thác cho phép và công suất máy. Ở Việt Nam, hầu hết các địa phương có hang động chứa nước đều sử dụng bơm hút để khai thác. Phần lớn nguồn nước cấp cho thành phố Sơn La được bơm hút từ nước hang động nằm trong phạm vi thành phố. Ngay tại cao nguyên đá Đồng Văn các địa phương đã sử dụng bơm để hút nước trong các hang động nằm trên độ cao 1400 – 1500m.
Khai thác nước từ các mạch nước:
Có thể nói, đây là mô hình và giải pháp khai thác sử dụng nước ngầm vùng karst hiệu quả nhất. Ở Việt Nam, hình thức khai thác nước từ các mạch nước đã được các đô thị, Trung tâm Nước sinh hoạt và Vệ sinh môi trường nông thôn của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, của các địa phương áp dụng và xây dựng ở hàng trăm các mạch nước, như mạch nước mắt rồng ở Thái Nguyên, mạch nước ngầm vùng Karst Bắc Sơn…
Đập – cống điều tiết nước hang động
Đây là biện pháp mới thử nghiệm trên thế giới và Việt Nam xong đã có diện áp dụng rộng. Biện pháp này dựa vào nguyên lý tương tự coi hệ thống dòng chảy karst ngầm dưới mặt đất gần giống hệ thống sông suối trên mặt. Như vậy, có thể chặn các hang động để dâng nước, tạo nên các hồ chứa ngầm trong lòng núi và sử dụng nước vào mục đích sinh hoạt, sản xuất, phát điện,…
Đê đập hồ nổi: Mô hình này hiện đang được triển khai để thu và trữ nước cho đảo Cát Bà. Điều kiện để áp dụng là nơi có nhu cầu trữ nước để sử dụng. Có nguồn nước ở dạng các điểm xuất lộ tập trung có lưu lượng tương đối lớn hoặc dòng chảy ngầm xuất lộ, có địa hình thích hợp để xây dựng hồ chứa. Tùy vào điều kiện địa hình và hệ thống hang động có thể có hồ có mặt thoáng hoàn toàn hoặc nửa nổi nửa ngầm. Ở vùng Đông Bắc, có nhiều vùng thấp là các thung lũng giữa núi, có nguồn cấp, có thể xây dựng các hồ nổi được bao quanh một phần bằng hệ thống đê đập. Đáng kể là các khu vực ở Cao Bằng, Bắc Kạn, Lạng Sơn.
Hồ đáy van
Hồ đáy van là loại hình chứa nước ngầm karst chảy lên vào mùa mưa để trữ lại cho mùa khô. Ở một số vùng karst trũng thấp, vào mùa mưa nước trào lên mặt đất theo các hang hốc hoặc có áp lực cao hơn bề mặt địa hình trũng. Vào mùa khô, mực nước ngầm hạ thấp gây khó khăn cho các biện pháp khai thác truyền thống. Trong trường hợp này có thể sử dụng hồ đáy van có dung tích lớn (tới 1 triệu m3) để thu trữ nước này. Biện pháp công nghệ chủ yếu là van 1 chiều được lắp đặt nơi miệng hố nước. Khi nước chảy lên ép vào làm van mở cho nước chảy vào bể chứa. Khi nước rút xuống van đóng lại theo hướng chảy.
