Ứng dụng mô hình hydrus – 1d để mô phỏng sự di chuyển của kim loại nặng (cu, pb, zn) trong đất lúa xã đại áng, huyện thanh trì, hà nội

Ứng dụng mô hình Hydrus – 1D để mô ph ỏng sự di chuyển của kim loại nặng Cu, Pb, Zn trong đất lúa xã Đại Áng, huyện Thanh Trì, Hà Nô ̣i Khương Minh Phượng Trường Đại học Khoa học Tự

Ứng dụng mô hình Hydrus – 1D để mô ph ỏng

sự di chuyển của kim loại nặng (Cu, Pb, Zn) trong đất lúa xã Đại Áng, huyện Thanh Trì, Hà

Nô ̣i

Khương Minh Phượng

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS Chuyên ngành: Khoa học Môi trường; Mã số: 60 85 02

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Minh

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Chương 1: Tổng quan tài liệu (KLN – kim loại nặng trong môi

trường đất, cơ chế di chuyển của KLN trong đất, các yếu tố ảnh hưởng tới sự di chuyển của KLN trong đất, mô hình mô phỏng sự phân bổ và di chuyển của KLN trong đất) Chương 2: Đối tượng nghiên cứu (các mẫu đất được thu thập ở khu vực canh tác lúa tại xã Đại Áng, huyện Thanh Trì, Hà Nội vào tháng 10/2011), trình bày phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Đưa ra kết quả nghiên cứu và thảo luận

Keywords: Khoa học môi trường; Ô nhiễm môi trường đất; Ô nhiễm kim

loại nặng; Công nghệ chống ô nhiễm; Thanh Trì; Hà Nội

Content

Vấn na ̣n ô nhiễm KLN trong môi trường đất đang trở nên ngày càng nghiêm trọng Những nghiên cứu về “hành vi” của KLN trong môi trường đất, làm tiền đề cho việc tìm ra những phương cách ứng xử thích hợp, ngăn chặn và giảm thiểu những tác

đô ̣ng tiêu cực của chúng do đó là vô cùng cần thiết

Môi trường đất lúa có đă ̣c thù riêng bi ệt và phức ta ̣p Vì thế, việc mô phỏng sự

di chuyển và biến đổi của các KLN trong HST đặc biệt này là một bài toán khó đối với các nhà khoa học

Khi nghiên cứu về khả năng di chuyển của các chất ô nhiễm nói chung và KLN nói riêng trong môi trường đất, mô hình hóa là một công cụ được sử dụng ngày càng

phổ biến và dần chứng minh được hiệu quả nhằm đem l ại cái nhìn bao quát về động thái của các chất ô nhiễm trong môi trườ ng đất

Đề tài được thực hiện với mục đích đánh giá khả năng di chuyển của các KLN này theo chiều sâu phẫu diện và theo thời gian ở đất lúa xã Đại Áng, huyện Thanh Trì,

- Các nguồn tự nhiên: phong hóa đá và khoáng vật, lắng đọng khí quyển, …

- Các nguồn nhân tạo: nông nghiệp, công nghiệp, hoạt động sinh hoạt, … Cambell và cộng sự (1983) so sánh hàm lượng KLN được tạo ra từ các nguồn tự nhiên với các nguồn nhân tạo và chỉ ra rằng các hoạt động của con người đã tạo ra một lượng KLN lớn hơn nhiều lần so với các nguồn tự nhiên, cụ thể là gấp xấp xỉ 15 lần đối với Cd, 100 lần đối với Pb, 13 lần đối với Cu và 21 lần đối với Zn Chắc chắn rằng sự

“dư thừa” của các nguồn KLN này trong môi trường sẽ tạo ra những tác đô ̣ng tiêu cực đến môi trường và HST

1.1.2 Phân bố

Trong tự nhiên, KLN có trong thành phần của rất nhiều các lo ại đá và khoáng

vâ ̣t khác nhau Các đá magma chứa một lượng KLN lớn hơn so với các đá trầm tích Olevin, hornblend và augit đóng góp một lượng đáng kể Mn, Co, Ni, Cu và Zn cho đất qua quá trình phong hóa

Các nguyên tố được đưa vào đất chủ yếu t ừ quá trình phong hóa đá và khoáng vật như Mn, Ni và Cr có thể tích lũy với hàm lượng lớn ở tầng đất gốc; Các KLN khác thâm nhập vào đất thông qua lắng đọng khí quyển hay các nguồn nhân tạo khác tập trung chủ yếu ở lớp đất mặt: Pb, Cd

Khi đi vào đất, KLN có thể tồn tại ở trạng thái sau: hòa tan trong dung dịch đất;

bị giữ lại trong các khe hở nhỏ của đất bởi sự chênh lệch kích thước; liên kết với keo đất, chất hữu cơ, cacbonat, oxit kim loa ̣i… ; tích lũy trong sinh khối của sinh vật hay trong các thể rắn vô cơ và hữu cơ của đất

1.1.3 Sự chuyển hóa

Các quá trình cơ bản kiểm soát sự chuyển hóa của KLN trong đất bao gồm các quá trình: vật lý, hóa học và sinh học

- Các quá trình lý hóa học

 Sự hòa tan và kết tủa khoáng:

 Sự phân bố của KLN giữa pha lỏng và pha rắn của đất:

Di chuyển cùng với keo đất

Sự di chuyển của phức hữu cơ – kim loại hòa tan

Rửa trôi và di chuyển nhờ dòng chảy bề mặt

1.3.2 Thế oxy hóa khử

Khi dẫn nước vào ruộng, mức độ thoáng khí của đất lúa hạ thấp, nồng độ oxy giảm làm cho Eh của đất lúa hạ thấp đáng kể Eh giảm gây ra quá trình keo t ụ của cấp hạt sét  làm giảm khả năng hấp phụ KLN của keo đất , đồng thờ i ha ̣n chế khả năng di chuyển của KLN cùng với các hạt keo Điều kiện oxy hóa khử ảnh hưởng tới các dạng tồn tại của KLN trong đất Ví dụ ở điều kiện oxy hóa thì Mn kết tủa dưới dạng các đốm nhỏ hoặc kết hạch nhưng ở điều kiện khử Mn bị hòa tan nhiều hơn

1.3.3 Chất hữu cơ của đất

Tác động của CHC lên sự di chuyển của KLN trong đất lúa là tác đ ộng “hai chiều” Sự tích lũy CHC trong đất lú a có thể là do lượng CHC đầu vào lớn, hoặc do sự phân hủy chậm trong điều kiện yếm khí và ảnh hưởng của phytolith  cố đi ̣nh KLN Đặc trưng của đất trồng lúa là hàm lượng DOM khá lớn so với các đất khác Khi DOM

di chuyển xuống tầng sâu hơn, chúng mang theo cả những KLN liên kết với chúng

1.3.4 Sự hình thành các hợp chất hóa học của KLN trong đất

Sự hình thành các hợp chất hóa học là một trong những yếu số quan trọng ảnh hưởng tới khả năng linh động, hòa tan và dễ tiêu của KLN Ion KLN có thể kết hợp với các cấu tử hữu cơ, vô cơ, các hợp chất trong dung đất hoặc trong vùng rễ Các cấu tử

đó có thể là các hydroxit, cacbonat, sunfat, nitrat, clorit, DOM hoặc phối tử chelat

1.3.5 Sự phong hóa và biến đổi khoáng vật đất

KLN có trong cấu trúc của các khoáng vâ ̣t sẽ được giải phóng ra môi trường đất qua quá trình phong hóa Điều kiện khử mạnh duy trì thời gian dài làm chậm đáng kể

sự phong hóa khoáng silicat ở đất nghèo sắt Mỗi loại khoáng khác nhau có khả năng hấp phụ khác nhau đối với KLN Vì thế, sự biến đổi khoáng sét có liên quan trực tiếp tới sự tích lũy KLN Các khoáng 2:1 như nhóm smectit thường có CEC lớn Điều kiện

ẩm của đất trồng lúa hình thành từ đất phù sa làm gia tăng sự hình thành smectit (Hassannezhad và nnk, 2008)

1.3.6 Hoạt động canh tác

Tác dụng cơ học của hoạt động cày bừa  hình thành nên tầng đế cày  ngăn cản

sự di chuyển của KLN xuống tầng đất sâu hơn Hoạt động cày bừa có thể gián tiếp làm thay đổi dạng tồn tại của KLN ở tầng mă ̣t KLN có thể bi ̣ rửa trôi khỏi các tầng đất một cách đáng kể do việc tăng cường sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu, bùn thải, nước thải, làm các nguồn bổ sung dinh dưỡng cho đất

1.4 Mô hình mô phỏng sự phân bố và di chuyển của KLN trong đất

Với điều kiện ngập nước, hiện có một số mô hình được xây dựng chuyên biệt để

mô phỏng sự di chuyển của các chất ô nhiễm từ lớp nước bề mặt vào đất, ví dụ như: Hydrus – 1D (Šimunek và nnk , 1998), RICEWQ (Williams và nnk, 1999), GLEAMS-PADDY (Chung và nnk, 2003)

Mô hình Hydrus – 1D được giới thiệu bởi Šimůnek và nnk (1998), là mô hình

có khả năng mô phỏng quá trình thẩm thấu nước và sự di chuyển các chất hòa tan trong một không gian một chiều với một số điều kiện biên khác nhau Mô hình được xây dựng dựa trên phương trình Richards:

Trong đó:

 c là nồng độ chất hòa tan trong dung dịch

 S là lượng chất hòa tan bị hấp phụ

 θ là dung tích nước,

T-1) mật độ dòng, t (T) và X (L) biểu diễn thời gian và phân bố không

gian

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Các mẫu đất đư ợc thu thập ở khu vực canh tác l úa nước của xã Đại Áng, huyện Thanh Trì, Hà Nội vào tháng 10/2011

Các mẫu đất phục vụ cho nghiên cứu mô phỏng sự di chuyển của KLN được lấy theo đô ̣ sâu (0 ÷ 25, 25 ÷ 50, 50 ÷ 75 và 75 ÷ 100 cm) ở ba vị trí khác nhau trên khu vực canh tác lúa nước xã Đa ̣i Áng, huyê ̣n Thanh Trì, Hà Nội

Để xác đi ̣nh hàm lượng KLN có sẵn trong tầng đất mă ̣t của đất , nhóm nghiên cứu đã tiến hành thu thâ ̣p 72 mẫu đất tầng 0 ÷ 25 cm, dàn trải trên khắp khu vực canh tác của huyê ̣n Thanh Trì

2.2 Phương pháp nghiên cứu

* Một số đặc tính lý hóa học cơ bản: Các chỉ tiêu lý hóa học được xác định theo các

phương pháp thông dụng trong phòng thí nghiệm Thành phần khoáng sét được xác

định theo phương pháp nhiễu xạ định hướng (oriented mount)

* Xác định sự tích lũy KLN trong tầng mặt đất canh tác huyện Thanh Trì : Lấy mẫu

bề mặt  phá mẫu, xác định hàm lượng KLN tổng số  Xây dựng bản đồ phân bố các

KLN trong tầng đất mă ̣t bằng phần mềm Arcview và MapInfo

* Xác định dạng tồn tại của KLN trong đất: Xác định dạng liên kết của KLN trong

đất bằng phương pháp chiết liên tiếp

* Xác định khả năng hấp phụ của đất: bằng phương pháp hấp phụ Mẫu đất được

trộn với các dung dịch muối của KLN (CuSO4.5H2O, ZnSO4, Pb(NO3)2) với tỉ lệ đất : dung dịch là 1 : 5, đo hàm lượng KLN trong dung dịch lọc bằng AAS

* Phương pháp mô phỏng sự di chuyển của KLN theo chiều sâu phẫu diện: Sử dụng

mô hình Hydrus – 1D để mô phỏng sự di chuyển của KLN theo chiều sâu phẫu diện

đất nghiên cứu

CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Mô ̣t số đă ̣c tính lý hóa ho ̣c của đất nghiên cứu

(<0,002mm)

Limon

(0,002-0,05mm)

Cát (>0,05mm)

ĐA1

limon

Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X đối với cấp hạt sét tách ra từ mẫu đất tầng 0 ÷ 20

cm cho thấy khoáng sét trong đất khá phức tạp với thành phần chủ yếu gồm: illit, kaolinit, clorit

3.2 Sƣ ̣ tích lũy KLN trong tầng mă ̣t đất canh tác huyê ̣n Thanh Trì

Kết quả mô phỏng với mô hình nô ̣i suy bề mă ̣t cho thấy các KLN tron g đất canh tác huyện Thanh Trì phân bố không đồng đều

Xã Đại Áng

Hình 1.Sư ̣ tích lũy Cu, Pb, Zn trong tầng mặt đất canh tác huyện Thanh Trì

3.3 Các dạng tồn ta ̣i của KLN trong đất

Nhìn chung, lươ ̣ng KLN trong các mẫu đất được tìm th ấy dưới dạng có thể trao đổi đươ ̣c là tương đối thấp Khi chiết với NH4OAc, hầu hết Cu , Pb trong các mẫu đất không chiết đươ ̣c , trong khi đó hàm lượng Zn được chiết ra chiếm khoảng 10 ÷ 16% lươ ̣ng tổng số Hàm lượng lớn hơn củ a các KLN được tìm thấy dưới da ̣ng liên kết với các oxit Fe – Mn và CHC Cu có ái lực với CHC ma ̣nh nhất Zn tồn ta ̣i dưới da ̣ng được hấp phu ̣ bởi oxit Fe – Mn với mô ̣t lượng tương đối lớn

Hầu hết lượng Cu và Pb trong đất nghiên cứ u là tồn ta ̣i ở dạng F5 (khoảng 53 ÷ 73% lượng Cu và 65 ÷ 81% lượng Pb) Phần F5 của Zn cũng chiếm một phần đáng kể (khoảng 30 ÷ 35%), nhưng không quá ưu thế như đối với trường hợp của Cu và Pb

Sự phân bố của các KLN trong các mẫu đất tuân theo thứ tự sau:

- Đối với Cu: F5> F4 > F3 > F2 > F1

- Đối với Pb: F5 > F3 > F4 > F2 > F1

- Đối với Zn: F3 > F5 > F2 , F4 > F1

3.4 Khả năng hấp phụ của đất đối với các KLN

Kết quả của thí nghiệm hấp phụ cho thấy: khi nồng độ KLN trong dung dịch ban đầu tăng lên thì lượng KLN bị hấp phụ trên pha rắn cũng tăng lên Xu hướng này có thể quan sát thấy ở tất cả các mẫu và ở tất cả các tầng; và khả năng hấp phụ Pb của các mẫu đất là cao nhất, sau đó là Cu và cuối cùng nhỏ nhất là đối với Zn

Từ thí nghiệm hấp phụ, xây dựng được các đường đẳng nhiệt Freundlich  xác định hệ số Freundlich làm đầu vào cho mô hình HYDRUS – 1D như sau:

Mẫu ĐA1 Hằng số

 Hằng số KF của: Pb > Cu > Zn  đất nghiên cứu có khả năng hấp phụ Pb >

Cu > Zn.Tất cả các mẫu đất nghiên cứu đều có hệ số n cao đối với cả ba KLN  tốc độ bão hòa các vị trí trao đổi lớn

3.5 Mô pho ̉ng sƣ̣ di chuyển của KLN trong phẫu diê ̣n đất nghiên cƣ́u

* Mẫu ĐA1:

* Mẫu ĐA2:

* Mẫu ĐA3:

Sự di chuyển của Cu, Pb, Zn trong đất nghiên cứu theo thời gian và theo chiều sâu phẫu diện đất.

Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, trong số ba KLN thì Zn là nguyên tố được “ưu tiên” lọc ra khỏi cột đất thí nghiệm giả định nhanh hơn so với Cu và Pb tính trung bình Pb, Cu,

Zn sẽ mất khoảng 500 ÷ 650 ngày (đối với Pb), 390 ÷ 480 ngày (đối với Cu), 310 ÷ 380 ngày (đối với Zn) thì mới di chuyển đến được chiều sâu 1m Điều này cho thấy, khả năng

di chuyển xuống các tầng sâu của Cu và Zn lớn hơn so với Pb Do bị giữ lại ở các tầng đất bên trên, Pb có khả năng gây ô nhiễm tầng đất mặt, trong khi Zn và Cu có khả năng gây ô nhiễm nước ngầm cao hơn

3.6 Những sai số có thể gặp trong quá trình mô phỏng sự di chuyển của KLN (Cu,

Pb, Zn)

 Sự thay đổi mực nước trên bề mặt;

 Sự xuất hiện của các dòng chảy ưu thế trong phẫu diện đất;

 Hoạt động của cây trồng;

 Sự di chuyển của các keo đất (khoáng sét) trong phẫu diện;

 Quá trình hình thành và phân hủy các thành phần khoáng của đất; …

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận

Đất nghiên cứu có phản ứng trung tính (pHKCl = 6,34 ÷ 7,05); hàm lượng CHC cao (%C = 2,18 ÷ 3,40%); hàm lượng sét chiếm tỷ lệ khá cao trong đất nghiên cứu (23 ÷ 42%) Tuy nhiên, thành phần sét trong đất chủ yếu là các loại khoáng có khả năng hấp phụ kém bao gồm: illit, kaolinit và clorit

Các dạng tồn tại của KLN trong đất:

 Đối với Cu: F5> F4 > F3 > F2 > F1

 Đối với Pb: F5 > F3 > F4 > F2 > F1

 Đối với Zn: F5 > F3 > F2 , F4 > F1

Kết quả mô phỏng với mô hình Hydrus – 1D cho thấy ở các tầng đất > 50 cm, khả năng di chuyển c ủa các KLN cao hơn so với các tầng đất bên trên; tốc đô ̣ di chuyển của KLN trong đất tuân theo thứ tự: Zn > Cu > Pb Tính trung bình Pb sẽ mất khoảng 500 –

650 ngày, Cu sẽ mất khoảng 390 – 480 ngày và Zn sẽ mất khoảng 310 – 380 ngày để có thể di chuyển đến độ sâu 1m  Như vậy có thể thấy rằng, đất nghiên cứu có khả năng cố

đi ̣nh lớn đối với các KLN (Cu, Pb, Zn)

2 Kiến nghị

Mô hình Hydrus – 1D có thể đem lại một bức tranh tổng quát về sự di chuyển của các KLN Tuy nhiên, để đánh giá cu ̣ thể hơn về khả năng linh động của các KLN trong khu vực nghiên cứu, cần xem xét tới vai trò của các hợp phần đất tới sự hấp phụ các chất ô nhiễm này: vai trò của khoáng sét, CHC, Si sinh ho ̣c – phytolith, sự giải phóng KLN trong điều kiê ̣n khử, … Các thí nghiệm quan trắc thực tế cũng rất quan tro ̣ng để đánh giá mức đô ̣ tin câ ̣y của mô hình Sự thay đổi chế độ nước trong đất lúa cũng cần được xem xét đến vì sự thay đổi đó có thể kéo theo những thay đổi về thành phần hóa học, tính chất cơ lý của đất và làm cho động thái của các KLN trở nên “khó lường” hơn Những yếu tố này sẽ được tìm hiểu kỹ hơn trong những nghiên cứu tiếp theo

References

Tài liệu tiếng Việt:

1 Trần Thi ̣ Lê ̣ Chi (2010), Phân tích da ̣ng kim loa ̣i chì (Pb) và Cadimi (Cd) trong đất và trầm tích bằng phương pháp quang phổ hấp phu ̣ nguyên tử , Luâ ̣n văn tha ̣c sỹ khoa ho ̣c hóa phân tích, Trường Đa ̣i ho ̣c Sư pha ̣m, Trường Đa ̣i ho ̣c Thái Nguyên, Thái Nguyên

2 Dương Văn Đảm (2004), Nguyên tố vi lượng và phân vi lượng , NXB Khoa ho ̣c và Kỹ thuật, Hà Nội

3 Lê Đức (2004), Giáo trình: Nguyên tố vi lượng, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

4 Trịnh Quang Huy (2006), Giáo trình: Tồn dư hoá chất nông nghiệp, Trường ĐH Nông Nghiệp Hà Nội, Tr 1, 2, 28

5 Lê Văn Khoa (2000), Giáo trình: Đất và Môi trường, NXB Giáo dục, Hà Nội

6 Lê Văn Khoa, Nguyễn Xuân Cự, Bùi Thị Ngọc Dung, Lê Đức, Trần Khắc Hiệp, Cái Văn Tranh (2000), Phương pháp phân tích đất nước phân bón cây trồng, NXB Giáo dục,