Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ - Chương 9 pot

Bảng 9.1 chỉ ra 1 ma trận các thành phần hóa học khác nhau và các quá trình vận chuyển và chỉ ra rằng chúng quan trọng như thế nào trong việc xem xét nước từ một lưu vực nhỏ.. Có thể có

Chương 9

Mô hình chất lượng nước từ các

vùng đất nông nghiệp

9.1 Mở đầu 623

9.2 Mô hình hoá 625

9.3 Các quá trình vận chuyển 633

9.4 Các thành phần hóa học 635

9.5 Các mô hình kết hợp 648

9.6 Phát triển một mô hình 651

9.7 Tổng kết 652

Tài liệu tham khảo 653

Mô hình chất lượng nước từ các vùng đất

nông nghiệp

Tác giả:

Maurice H Frere, USDA-ARS, Chickasha, OK 73018

Edward H Seely, USDA-ARS, Oxford, MS 38655

Ralph A Leonard, USDA-ARS, Agricultural Research, Watkinsville, GA 30677

9.1 Mở đầu

Nước chảy từ đất chứa các vật chất hòa tan và lơ lửng là một hệ quả của quá trình dòng sông và địa hóa Hoạt động của con người làm thay đổi dòng chảy bằng cách làm chậm hay nhanh, làm tăng hay giảm tốc độ vận chuyển tự nhiên và đưa thêm các vật chất từ bên ngoài vào lưu vực Chúng ta phải hiểu các quá trình vận chuyển tự nhiên để có thể tận dụng tốt hơn các tài nguyên

đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn về lương thực, nước, năng lượng và không gian Những đòi hỏi đó sẽ ảnh hưởng đến cơ chế lưu vực, mà hậu quả của nó là sự biến đổi nước và quá trình vận chuyển vật chất Để sử dụng tốt nhất nguồn tài nguyên, chúng ta cũng phải hiểu việc quản lý ảnh hưởng như thế nào đến các quá trình vận chuyển

Để giảm đến mức tối thiểu sự lặp lại, chúng ta coi như người đọc đã biết

về vật chất trong các chương khác của tài liệu chuyên khảo này Vì có một số vấn đề là của quá trình trao đổi hóa học nên một vài sự lặp lại là cần thiết Mặc dù dòng chảy trong lưu vực có thể được làm mô hình với một chút lưu ý về dòng chảy thực tế nhưng để hiểu quá trình trao đổi hóa học đòi hỏi những kiến thức về các hướng đó Một sự hiểu biết về chuyển động bùn cát tổng có thể đủ cho một số mục đích, kích thước, phân bố bùn cát cũng khá quan trọng Trong

chương này, xây dựng mô hình và các dạng mô hình khác nhau được thảo luận, trong phạm vi của quá trình vận chuyển hóa học Các quá trình mà ảnh hưởng

đến quá trình vận chuyển hóa học từ lưu vực nhỏ sẽ được mô tả, và sau đó sẽ thảo luận về các thành phần của dòng chảy Bảng 9.1 chỉ ra 1 ma trận các thành phần hóa học khác nhau và các quá trình vận chuyển và chỉ ra rằng chúng quan trọng như thế nào trong việc xem xét nước từ một lưu vực nhỏ Chương này dừng lại với việc điểm qua một vài mô hình riêng

Bảng 9.1 Tầm quan trọng của các thành phần hóa học và quá trình vận chuyển khác nhau

đến chất lượng nước từ các lưu vực nhỏ

Các thành phần hóa học Bùn cát Độ

muối

Chất dinh dưỡng

N P

Thuốc trừ sâu

Ôxy thiếu hụt DO&BOD

Kim loại nặng

Vi sinh vật

+ + +

? +

x + +

+

+

+ + +

?

?

x +

x

+

+ + +

x +

x +

+ + + +

O – Quá trình không quan trọng trong mô tả sự vận chuyển thành phần hóa học đó

? – Quá trình chưa chắc đã quan trọng

x – Quá trình là quan trọng

+ – Quá trình là quan trọng và được thảo luận trong tài liệu này

9.2 Mô hình hoá

Các mục tiêu của mô hình, các dạng mô hình, các nguồn không xác định,

ước lượng tham số và việc đánh giá mô hình được thảo luận trong mục này, trong phạm vi của việc xây dựng mô hình vận chuyển hoá học Các chương khác của tài liệu này, đặc biệt là các chương giải quyết quy mô và kiểm tra mô hình, sẽ được điểm lại

9.2.1 Mục tiêu của mô hình

Mục tiêu của mô hình vận chuyển chất hoá học là mô hình mô tả tốc độ vận chuyển hóa chất từ lưu vực dưới những điều kiện đặc biệt Có thể có một

sự quan tâm đối với dự báo thời gian thực, để có thể ước lượng được nhưng tác

động (hạn) ngắn của những vấn đề (bài toán) nghiêm trọng như việc vận chuyển thuốc trừ sâu Có thể có một sự quan tâm đến các đặc trưng thống kê của các quá trình vận chuyển chất hóa học (như quá trình vận chuyển trung bình hàng năm) để có thể ước lượng được tác động thường xuyên hay trong một thời gian dài của việc xử lý một lưu vực

Để chọn một kiểu mô hình thủy văn thích hợp, ta phải hiểu rõ về các mục đích của mô hình và nguồn tài nguyên sẵn có để đáp ứng các mục tiêu đó

Nhu cầu thực hiện mô hình xác định khi mà kinh phí và thời gian đã hạn chế sự lựa chọn Nếu có vài sự cưỡng ép nào đó, ta không thể sử dụng một mô hình được

9.2.2 Các kiểu mô hình

Mô hình biến đổi từ những phương tiện nghiên cứu phức tạp đến những phương tiện kiểm soát tương đối đơn giản Là một công cụ nghiên cứu, mô hình nên đưa vào những hiểu biết tốt nhất các quá trình đang được xác định (Vôi) mục đích đầu tiên của nó là bộc lộ những lỗ hổng trong kiến thức, cái mà sau

đó phải được lấp đầy Các mô hình như thế có ích trong việc dự trù các thí nghiệm bổ sung (kinh nghiệm bổ sung) cho việc kiểm tra và xác định, và xa hơn là phát triển mô hình Mô hình đơn giản hơn cho những ứng dụng như vẽ sơ đồ, có thể được phát triển trực tiếp Hoặc những mô hình phức tạp hơn, có thể được đơn giản hóa Người ta đã phát triển nhiều loại mô hình khác nhau

Trong khi phân loại chúng, người ta sử dụng các thuật ngữ như các thuật ngữ

về thống kê, ngẫu nhiên, không ngẫu nhiên (tất định) định hướng các quá trình, khái niệm, tham số Clarke (1973) & Freere (1975) đã đưa ra những sự phân loại các mô hình rất tiện, lợi đáng tiếc nó không có được sự nhất trí hoàn toàn về ý nghĩa của nhiều thuật ngữ này Một mô hình lý thuyết hay mô hình khái niệm của một người có thể là mô hình thống kê hay “black-bor” của một người khác Một ví dụ minh họa là việc beck và Young (1976) sử dụng công thức của Phelps đối với sự biến đổi của lượng oxy hòa tan trong 1 dòng chảy Mặc dù một vài người có thể gọi Phelps là phương trình lý thuyết nhưng Beck

và Young đã sử nó dụng trong mô hình không gian thống kê Cách tiếp cận của

họ chắc chắn là một phương pháp thống kê nhưng nó không phải là cách tiếp cận hộp đen (Black box) Nó bao gồm một số vật chất, cái mà được xem như có tính quyết định Chúng ta sẽ sử dụng các thuật ngữ nào trong khi thảo luận?

dù là ý nghĩa của nó trong các tài liệu đôi khi mơ hồ (khó hiểu) Nhiều kiểu mô hình được sử dụng để dự báo sự biến thiên chất lượng nước của lưu vực, những phản ứng cuả lưu vực và sự biến đổi theo thời gian của nó là điều quan tâm, thì các mô hình phức tạp có thể không cần thiết, và các mô hình thống kê đơn giản

là phù hợp Dạng đơn giản nhất của mô hình thống kê cho mục đích này là mô hình tần số, trong đó số liệu được thể hiện dưới dạng phân bố xác suất Nó có thể là một phân bố thực nghiệm, hoặc một hàm mật độ xác suất toán học như

là 1 phân bố chuẩn Những ví dụ của việc ứng dụng mô hình tần số sử dụng số liệu chất lượng nước được đưa ra bởi Henn (1970) Người ta phải đưa vào sử dụng sự phân bố tần số một cách cẩn thận Vì số liệu được đưa ra từ một quá trình phù hợp với sự phân bố đặc biệt, không có nghĩa là quá trình đó hoàn toàn ngẫu nhiên Quá trình đó có thể là phụ thuộc hay có thể có xu thế, chu kỳ, hoặc các dạng khác của quá trình không dừng hoặc không ngẫu nhiên (Một cách lý tưởng bỏ hóa) là cả quá trình không dừng hoặc không ngẫu nhiên lý tưởng như thế được rút ra từ số liệu và được mô hình hóa riêng biệt Thành phần còn lại sau đó được đưa vào mô hình như một quá trình hoàn toàn ngẫu nhiên

Các mô hình mà có thể biểu diễn sự phụ thuộc bao gồm các mô hình chuyển động trung bình thích hợp, tự hồi quy (ARIMA) (Box và Jenkins, 1976)

Các số liệu được đòi hỏi để xác định quy mô các mô hình như thế, và các mô hình không phù hợp cho quá trình không dừng ở một dạng chung Trong khi không có sự phù hợp, đặc biệt đối với việc giải các bài toán về tác động của một thay đổi sẽ có, các mô hình đó có thể biểu diễn một quá trình dừng được quan trắc đối với sự phân tích các đặc điểm thống kê, hoặc chúng có thể cung cấp

đầu vào cho một quá trình khác Các ví dụ của các mô hình của chất lượng nước được đưa ra trong các tài liệu của Huck và Farquaharr (1974) và MCMiChael và Hunler (1972)

Mô hình không gian vùng chung trong lý thuyết điều khiển và mô hình

đa biến ARMA (hoặc ARMAX) (Young và Whitehead, 1977) là hai dạng của các mô hình ngẫu nhiên Mô hình không gian vùng thường được viết dưới dạng trừu tượng như:

kl kl kl

k k

k B D U C D e Y

D

trong đó Y và U được xác định trong các phương trình (9.1) và (9.2), e là vectơ ngẫu nhiên thường được giả thiết là có giá trị bằng không và không tương quan, và ACD), BCD) và C(D) là các đa thức ma trận tham số cho toán kể D Mô hình Box - Jenkins một biến là trường hợp đặc biệt của phương trình 9.3 Mặc dù hai dạng đó, không gian vùng và ARMAX, ít được sử dụng trong việc

xây dựng mô hình chất lượng nước nhưng chúng có tiềm năng lớn vì khả năng xây dựng mô hình một hệ thống với đầu ra nhiều biến, một đặc điểm của phản ứng hóa học của 1 lưu vực Mô hình hồi quy thậm chí có thể được coi như là một trường hợp đặc biệt của phương trình (9.3) Tuy nhiên, mô hình hồi quy thường bị hạn chế trong phép phân tích phản ứng một biến nó có thể là một phân tích ngoài lề nếu như điều quan tâm thực tế là một phản ứng đa biến Mô hình này thường được viết dưới dạng sau:

e x a y

N

j

ij j

=1

và e là thành phần ngẫu nhiên khi mô hình hồi quy được sử dụng trong việc phân tích quá trình vận chuyển chất hóa học, y thường bằng khối lượng trên

bằng khối lượng trên một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian Việc xác

định tính chất vật lý của các hệ số là có thể được Trong đó yi không phải là biến độc lập và trong đó xy là biến tương quan, mô hình không thực hiện xấp xỉ

đẹp các quá trình vận chuyển phức tạp trong lưu vực

Nhiều mô hình là của sự tích lũy tập trung và phân loại quá trình, tương

tự mô hình lưu vực stanford (Gauford và Linsky, 1966) Những dạng đó đã

được gọi là các mô hình tính toán độ ẩm hiện của đất (ESMA) (Todini và Wallis, 1977) Chúng phức tạp hơn rất nhiều các mô hình tuyến tính đơn giản, nhưng vẫn là các xấp xỉ thô đối với các quá trình thực trong các lưu vực Kiểu mô hình này có giá trị nếu có thêm kinh phí và cấu trúc của mô hình được chứng minh là đúng Cái khó lớn nhất gắn liền với những mô hình rất phức tạp

là ở chỗ sự phức tạp đó đạ hạn chế việc sử dụng, ngược lại điều này hạn chế sự hiểu biết cách thực hiện mô hình, như vậy sẽ tăng sự kết hợp không chắc chắn với việc sử dụng chúng Trong việc điểm lại các mô hình và xem xét lại các dạng, chắc chắn các đặc điểm quan trọng là:

a) Sự có mặt hay không có mặt của các thành phần ngẫu nhiên

b) Những tính chất của quá trình vật lý và hóa học được trình bày trong mô hình và chúng được biểu diễn như thế nào

c) Tổng chi phí hoặc thời gian và những yêu cầu tính toán và

d) Các yêu cầu đầu vào

Sự hiện diện của các thành phần ngẫu nhiên rất quan trọng trong việc xem xét sự vận chuyển và xác định giá trị của mô hình Nếu một tính chất hóa học hoặc một quá trình được biểu diễn như một thành phần ngẫu nhiên, mô hình có thể không phù hợp cho việc dự báo trong thời gian thực nhưng có thể thích hợp với dự báo đặc tính thống kê Nếu các thành phần ngẫu nhiên có các tham số mà ước lượng được hoặc xác định về mặt lý học mô hình có thể được biến đổi dễ dàng hơn thành các lưu vực có đặc điểm khác nhau

Việc xử lý chính thức các lỗi mô hình đưa ra những hiểu biết tốt hơn về

sự không chắc chắn gắn với việc sử dụng mô hình

Cấu trúc mô hình cũng ảnh hưởng đến tính chất vận chuyển Nếu, trong một lưu vực được làm mô hình một quá trình quan trọng xảy ra mà lại không

được thể hiện trong mô hình thì việc sử dụng mô hình sẽ không còn thích hợp Cấu trúc mô hình đưa ra một cái nhìn sáng suốt xem liệu hệ thống vật lý có

được trình bày đủ không?

Tổng kinh phí và các yêu cầu đầu vào có thể ngăn cản việc sử dụng các mô hình xác định mà không có sự xem xét nào đến cấu trúc của mô hình Mô hình như là các chương trình máy tính có thể không dễ dàng thích ứng với một vài máy tính và nếu việc biến đổi là cần thiết các mô tả đầy đủ của chương trình có thể bị giới hạn

9.2.3 Sai số mô hình

Có lẽ điều cần thiết nhu cầu quan trọng nhất trong việc sử dụng mô hình là những kiến thức về các lỗi và các nguồn không chính xác Sự phân loại các lỗi chính là lỗi mô hình, lỗi đầu vào và lỗi đầu ra, các nguồn sai số của mô hình phổ biến bao gồm việc xác định 1 hệ thống phân bố như một hệ thống tập trung, việc bỏ qua các quá trình quan trọng nhưng không được quan tâm, biểu

diễn các quá trình phi tuyến như quá trình tuyến tính Các sai số mô hình luôn luôn có đối với chính tính chất của việc xây dựng mô hình là sự trừu tượng

Sự hiểu biết về các sai số mô hình là rất qua trọng trong việc đánh giá các kết quả từ việc sử dụng mô hình các kết quả này thường có cả sự không chính xác do sai số của mô hình và việc xác định giá trị của các kết quả đó, sự không chính xác đó phải được giảm đi nhờ những kiến thức về các sai số đó Sai

số đầu vào là một nguồn quan trọng thứ hai, đặc biệt là trong mô hình thủy văn vì một trong những nguồn nhập chính là giáng thủy có thể biến đổi hoàn toàn trên một diện tích Nếu số liệu nhập sai được sử dụng để xác định quy mô mô hình thì tham số được tính toán sẽ chứa các sai số Lỗi nhập cũng làm việc

ước lượng sai số mô hình càng khó hơn sự khác nhau trong việc dự báo mô hình

và phản ứng được quan trắc trong lưu vực có thể một phân là do sai số nhập

Sai số đầu ra (là ở chỗ sai trong các đo đạc những phản ứng của những vấn đề đáng quan tâm) sẽ ít nghiêm trọng hơn lỗi đầu vào, nhưng nó vẫn quan trọng Nguồn chủ yếu của nó trong quá trình vận chuyển hóa học trong lưu vực nhỏ là xuất phát từ việc lấy mẫu không thường xuyên

Mặc dù sự biến đổi theo không gian: thường không quan trọng vì 1 mẫu dòng chảy là 1 điểm mẫu liên quan đến kích thước của lưu vực, nhưng có thể vẫn có những vấn đề với các mẫu không đặc trưng từ mặt cắt của 1 con sông

9.2.4 Sự biến đổi theo không gian

Các tính chất vật lý, hóa học, sinh học rất ít khi giống nhau dọc theo 1 lưu vực Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra sự biến đổi khi lọc thậm chí trong 1 mảnh ruộng gần như là đồng nhất Khi các thổ nhưỡng khác nhau rõ ràng và việc sử dụng đất được coi như là 1 khối thì cái gì quyết định giá trị tích phân

được quan trắc tại cửa lưu vực Liệu một (tổng hợp) giá trị đơn lẻ sẽ phù hợp để biểu diễn một đặc điểm được đưa ra hay không? Một vài khó khăn đối với dòng chảy ngầm đã trở thành một đề tài cho các phân tích gần đây

Một cách tiếp cận với sự biến đổi theo không gian của mô hình là sử dụng 1 sự phân bố tần số tích lũy của 1 đặc điểm hay 1 quá trình qua lưu vực Mô hình lưu vực Stanford sử dụng 1 sự gần đúng tuyến tính cho một phân bố tần số tích lũy của quá trình thấm trong khi mô hình ARM chia lưu vực thành

5 phần bằng nhau dựa trên khả năng thấm nước và sử dụng các phần này để biểu diễn sự biến đổi theo không gian đã biết Các phần của mô hình ARM không nhất thiết phải liên tục Cách tiếp cận khác là chia lưu vực thành những mảnh nhỏ Mô hình USDAHL chia bồn thu nước thành 3 hay 4 vùng xấp xỉ

đồng nhất về các yếu tố thủy văn Trường đại học bang Colorado đã phát triển

1 mô hình sử dụng hệ thống lưới để chia khu vực thành từng mảnh nhỏ Cách tiếp cận này có nhiều khả năng nếu các mảnh có các đặc tính giống nhau phù hợp

9.2.5 Biến đổi theo thời gian

Các nguồn sai số do sự biến đổi theo thời gian sinh ra vì các cách trình bày bằng mô hình và việc lấy mẫu các vấn đề Sự biểu diễn bằng mô hình liên quan đến việc xem xét một vài điều kiện, đặc điểm hoặc chu trình trong đó các khoảng thời gian hằng số như chỉ được lấy mẫu một lần, hoặc sự tương tác giữa các quá trình chỉ có một Những khoảng cách thời gian lớn trong các quá trình phi tuyến có thể đưa ra những sai số đáng kể Sai số trong việc lấy mẫu tăng vì

sự khó khăn trong việc thu thập và phân tích chất hóa học khi lấy mẫu liên tục Chỉ có các đặc điểm như tính dẫn điện mà có thể thử bằng 1 phương tiện như máy dò là được liên tục Đơn chất hòa tan hoặc lơ lửng không thể được phân tích bằng cách thông thường do quá trình của nó Vì các quá trình có quy mô thời gian rất chác nhau như quy mô ngày, quy mô 1 trận mưa, quy mô mùa gây ra một sự biến đổi trong cả hệ thống, tần suất của việc lấy mẫu hạn chế khả năng phát hiện, tần suất của việc lấy mẫu hạn chế khả năng phát hiện ra những biến đổi như thế Tuy nhiên, một vài ion vô cơ chỉ ra một mối quan hệ tương đối ổn định với sự dẫn điện, nó có thể dùng làm nguồn thông tin liên tục

về ion

9.2.6 Ước lượng tham số

Các mô hình chứa các tham số mà có ý nghĩa vật lý, nhưng điều đó trong việc ứng dụng vào một lưu vực hay một dòng chảy đòi hỏi sự ước lượng từ giá trị thực Một ví dụ là hệ số khử oxy trong phương trình Streeter Phelps Việc

ước lượng tham số hoặc điều chỉnh cho phù hợp các thể là cách tốt nhất để nhận được thông tin về giá trị của tham số nhưng phải thực hiện hết sức cẩn

thận Các giá trị tham số khác nhau có thể thu được từ cùng một tập số liệu và các sai số trong số liệu cũng ảnh hưởng đến giá trị tham số được lựa chọn, số các cách tiếp cận được sử dụng cho việc tính toán bao gồm phương pháp bình phương nhỏ nhất, phương pháp mômen, phương pháp khả năng lớn nhất và các kỹ thuật Bay esian Việc lựa chọn tùy thuộc vào dạng sai số và kiểu mô hình

9.2.7 Đánh giá mô hình

Chu trình xây dựng mô hình thường có các trước như sau

a) Chọn 1 mô hình hoặc cấu trúc của mô hình

b) Ước lượng tham số

c) Đánh giá mô hình

Sự quan trọng trong việc đánh giá mô hình không thể được quá nhấn mạnh Bước cuối cùng này cung cấp thông tin đã thay đổi bước đầu tiên của chu trình sau Nếu việc ứng dụng quan trọng hơn là việc phát triển mô hình thì sau đó thông tin nhận được từ bước đánh giá mô hình là cần thiết để quyết

định xem liệu mô hình có đáp ứng được những nhu cầu đó hay không?

Sai số mô hình khá quan trọng trong việc đánh giá xem liệu mô hình có giá trị hay không Một mô hình rất công phu không thể nói lên được sự khác nhau về giá thành so với 1 mô hình đơn giản Không nhất thiết là một mô hình lớn hơn thì sẽ tốt hơn Một nguồn của các bài toán trong các mô hình phù hợp

là xu hướng phản ảnh sai số đầu vào và đầu ra đối với các tham số được ước lượng

Nếu như không kiểm tra một cách cẩn thận mô hình sẽ không những quá trình phù hợp mà còn tạo ra những ảo tưởng rằng sự không chính xác là rất nhỏ trong việc dự báo

Thường một mô hình được đánh giá dựa trên sự biến đổi như thế nào của các yếu tố được quan trắc mà nó giải thích Những mẫu hình của sự biến

đổi không được giải thích cũng nên được xem xét Sự biến đổi không được giải thích một cách rõ ràng có thể nhỏ một cách vô lý khi mô hình được lắp ghép Kiểm tra các mẫu không chắc chắn là 1 cách ngăn ngừa điều này Bất kỳ một

mẫu nào có sự khác nhau giữa quan trắc và toán tính thì đều là sự báo hiệu của một mô hình hỏng Ví dụ một quá trình bị thiếu trong mô hình

9.3 Các quá trình vận chuyển

Các quá trình kéo theo trong quá trình vận chuyển hóa học từ một lưu vực là rất phức tạp Một mô hình lý thuyết trình bày đồng thời tất cả các quá trình là không tồn tại và không chắc là một công cụ hữu ích trong tương lai Tuy nhiên, thậm chí nếu một mô hình lý thuyết đầy đủ là không thực tế, nhưng một sự kiểm tra nhiều quá trình sẽ có lợi trong việc hiểu (biết) các mô hình đã được phát triển Trong việc thảo luận ở đây, các quá trình được tổ chức thành các nhóm như vật lý, hóa học, sinh học mặc dù có sự tương tác đáng kể

và một vài sự chồng chéo

9.3.1 Quá trình vật lý

Đối lưu là một quá trình mà trong đó chất lỏng vận chuyển mang theo các thành phần cấu tạo nên nó, nước là thành phần chủ yếu Nước có thể là nước mưa, dòng chảy mặt và các chuyển động trong lòng đất Các cơ chế đó

được mô tả khá chi tiết trong các chương của tài liệu này Các thành phần quan trọng cho chất lượng nước được hòa tan hay lơ lửng trong nước

Trạng thái lơ lửng hay lắng xuống là các quá trình do các phân tử chất rắn chuyển động trong nước và lắng lại Nước mưa và các dòng chảy mặt

là những nhân tố chính tách và làm cho đất và các phân tử hữu cơ chuyển động lơ lửng trong nước Có bao nhiêu vật chất có thể được giữ ở trạng thái lơ lửng

do chuyển động rối của dòng Khi các nhiễu động ít đi các phần tử bắt đầu lắng xuống và các phần tử nặng hơn sẽ lắng đọng đầu tiên Vì các chất hóa học khác nhau được gắn với các phần tử hữu cơ hoặc vô cơ, nên các quá trình đó rất quan trọng cho việc vận chuyển chất hóa học

Độ phân tán là kết quả của quá trình vận chuyển không theo quy luật hay thất thường Các xoáy và rối khác nhau trong các dòng chảy là nguyên nhân làm cho một khối nước chuyển động lên trên hoặc tụt lại sau dòng chảy chính Chuyển động của nước qua môi trường xốp, có một vài phần tử cũng đi qua những con đường dài hơn các phân tử khác Trong cả hai trường hợp, một

vài phần tử trong nước chuyển động nhanh hoặc chậm hơn dòng chảy chính Kết quả là làm tăng thể tích nước chứa các thành phần và cuối cùng giảm tối

đa cường độ các thành phần Tổng các quá trình hợp vào hay phân tán ra tương ứng với căn bậc hai của khoảng cách chuyển động hay của thời gian nếu dòng chảy là không đổi

Sự khuếch tán là tổng chuyển động của 1 thành phần đối với sự chênh lệch nồng độ hay gradien Quá trình khuyếch tán của nước trong đất là chậm

và nói chung không quan trọng so với những quá trình trước Nhưng sự bay hơi

là sự chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi có thể là con đường nguyên thủy làm bay hơi các chất hóa học dễ bay hơi Hoạt động rối của gió có thể giữ cho quá tình cô đặc của các hóa chất trong đất và nước thấp để sự khuếch tán

từ bề mặt trở thành 1 nhân tố hạn chế quá trình bay hơi

Việc canh tác ảnh hưởng đến vận chuyển hóa chất gián tiếp bằng cách thay đổi chuyển động của nước và khoáng chất Việc làm đất trồng và cày cấy thường xuyên làm tăng khả năng thấm trong phần đầu tiên của trận mưa Đất tơi xốp, tuy nhiên cũng dễ sói mòn hơn Tác động của quá trình canh tác giảm theo thời gian, làm cho khoảng thời gian giữa việc canh tác và mưa trở nên quan trọng

9.3.2 Các quá trình hóa học

Sự hút thấm bề mặt là thuật ngữ chung để chỉ sự chuyển động của một phần từ giữa trạng thái rắn và trạng thái lỏng Quá trình hút bám, cái mà cũng được coi như là 1 quá trình vật lý, xảy ra khi chất hóa học ra khỏi dung dịch bám vào một vài phần tử chất rắn Quá trình no nước là quá trình ngược lại trong thời gian cân bằng (at equilibirium), một sự cân bằng giữa các quá trình là có thể đạt được Mối quan hệ giữa nồng độ chất hóa học trong dung dịch và trong chất rắn thường mô tả bằng một hàm của lực (power function) Một hệ số xác định thời gian sự cố dung dịch (to apower) đối với 1 lực thường một phương trình đơn lẻ không thể mô tả đầy đủ cả hai quá trình hút bám - desorption (sự no nước)

Sự trao đổi còn là sự trao đổi của 1 ion trong dung dịch đối với 1 ion nhiễm điện cùng đấu trên bèe mặt chất rắn nhiễm điện trái dấu Đất sét

thường nhiễm sét, hidrat sắt và nhôm có thể bị nhiễm điện dương hoàn toàn dưới một vài điều kiện và do đó hút các anion trong khoảng pH của phần lớn các thổ nhưỡng, sự nhiễm điện trong chất hữu cơ thường là nhiễm điện âm và hút các cation

Sự kết tinh xảy ra khi nồng độ 1 chất hóa học trong dung dịch vượt quá khả năng tan được của nó Nồng độ dung dịch giảm xuống do sự hình thành hợp chất trong trạng thái rắn Mặc dù các mối quan hệ của tính toán có thể xác

định khá tốt cho nhiều hệ thống nước - khoáng chất, nhưng những mối quan hệ

đó có trệch rất nhiều trong hệ thống động lực nước - đất

Phản ứng thủy phân là phản ứng của 1 chất hóa học với nước để hình thành 1 hợp chất khác Các liên kết hóa học của chất hóa học và nước bị phá vỡ

và các liên kết mới được hình thành

Phản ứng oxy hóa khử xảy ra khi một chất mất electron và bị oxy hóa trong khi hợp chất khác nhận được electron và bị hư Oxy thường được kéo theo, nhưng nó không cần thiết

Phản ứng quang hóa xảy ra khi năng lượng ánh sáng đẩy nhanh tốc

độ Phân tách các liên kết hóa học hình thành hợp chất mới

9.3.3 Các quá trình sinh hóa

Các enzyme trong vi sinh vật khác nhau có thể làm tăng tốc độ phản ứng rất lớn như thể chất hữu cơ có thể biến đổi thành các chất hóa học khác bằng các quá trình khử, phản ứng ôxy hóa, thủy phân và các phản ứng hóa học khác xảy ra trong các vi sinh vật

9.4 Các thành phần hóa học

Nước thậm chí khi rơi xuống đất từ mưa cũng không hoàn toàn tinh khiết, nó chứa đựng những lượng khác nhau của thành phần khác nhau Các tiêu chuẩn chất lượng nước được hình thành dựa trên mục đích sử dụng nước

Do đó, tiêu chuẩn của nước uống phải cao hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn nước dùng cho các mục đích khác như thủy lợi Mục tiếp theo trình bày về các thành phần hóa học thông thường nhất mà trở thành chất gây ô nhiễm nồng độ của

nó vượt quá tiêu chuẩn và mô tả các nỗ lực để xây dựng mô hình cho nó

Thêm vào đó chất lắng cặn mang theo các chất hóa học, chất dinh dưỡng, thuốc trừ sâu và kim loại có thể được giải phóng ra các khu vực nước xung quanh dưới những điều kiện xác định Do đó, đo đạc chính xác việc tải các chất cặn trong nước và dung lượng các chất hóa học trong chất cặn là việc hết sức quan trọng Và các chất lắng đọng đã được thừa nhận là một bài toán nhiều năm, nên một vài tiêu chuẩn cho sự xói mòn từ đất trồng trọt đã được thảo luận bởi Molodenhauer và Onstad (1995) Tuy nhiên, các tiêu chuẩn đó (điển hình là tiêu chuẩn cho phép mất từ 3 đến 5 tấn đất/acre/năm)

Căn cứ vào việc nguồn tài nguyên đất và không dựa trên tác động môi trường dọc theo lưu vực Các tiêu chuẩn cho việc ô nhiễm từ các chất cặn dọc theo lưu vực chưa được phát triển

Quá trình xói mòn đất có khả năng chọn trong các kích thước phần tử và khối lượng phần tử Nước mưa văng ra và dòng nước chuyển động đầu tiên làm chuyển động của các phần tử nhỏ và nhẹ hơn thêm vào đó các phần tử lớn hơn lắng xuống đầu tiên trong quá trình lắng đọng Do đó bùn cát lơ lửng có xu hướng bị giữ lại các phần tử nhỏ và nhẹ hơn Cho nên các quá trình bồi tích phải được dự báo bằng phương trình xói mòn (Young và Onstad, 1976) hoặc ngược lại có liên quan đến sản lượng bùn cát

9.4.2 Muối

Phần lớn các vấn đề với muối (các chất rắn vô cơ hòa tan được) ở nước

Mỹ xuất hiện ở miền Tây sông Misissippi vì lượng mưa ở vùng đó thấp hơn Lượng mưa hạn chế không lọc được muối hòa tan từ đất, hoặc cung cấp không cấp lượng nước đầy đủ cho việc sản xuất nông nghiệp Do đó nước tưới tiêu có chứa muối vẫn được sử dụng một lượng nước được thoát hơi qua cây trồng và

sự ngừng lại có thể thúc đẩy quá trình lọc và đưa 1 lượng muối lớn trở về sông

Đo sự dẫn điện (EC) là 1 phương pháp thông thường để kiểm tra lượng muối, EC có thể được đo thường xuyên Đo tổng lượng chất rắn hòa tan bằng quá trình bốc hơi 1 mẫu nước là 1 phương pháp khác được sử

Việc quyết định ion gì trong nước cần thiết cho một sự đánh giá đầy đủ Canxi, magiê, natri là các phần tử nhiễm điện dương có ý nghĩa đối với thủy lợi

và lợi ích công nghiệp Dung tích muối cao tăng giá thành của việc xử lý nước sinh hoạt và công nghiệp làm hạn chế các loại cây trồng có thẻ đước tưới tiêu Giới hạn 250 phần/10 triệu do và 500/1 triệu tổng lượng chất rắn hòa tan được yêu cầu cho việc cung cấp nước công cộng Nước sử dụng trong nông nghiệp

được phân loại theo sự dẫn điện và tỉ số giữa Na/Canxi và Magic

Có một lượng lớn các mối quan hệ hàm số giữa ion riêng hoặc chung và lưu lượng Mổc dù các mô hình không phải là các mô hình thống kê chính thức, nhưng được tham số được lắp vào số liệu quan trắc bằng phương pháp tiếp cận hiểu hồi quy

Mô hình thông dụng nhất có dạng như sau

trong đó, C là nồng độ, Q là lưu lượng, a,b là các tham số C là khả năng dẫn

điện hoặc là tổng lượng chất rắn hòa tan Lane (1975) đã tổng kết được một số mô hình ƠConnor (1976) cũng rút ra một vài mối quan hệ bằng việc xem xét các trường hợp đơn giản của các hệ thống được mô tả bởi các phương trình khác nhau từng phàan Hallam (1976) đã đưa ra một vài mối quan hệ như thế cho các nguồn thực nghiệm ở hồ nó cũng có đồng và sắt trong (cùng trung lưu vực chuyển) Pronke và MCKs (1970) và Pronke cùng các đồng sự (1972) đã nghiên cứu độ muối ở miền Tây Nam nước Mỹ có liên quan đến một vài biến tv, bao gồm cả dòng chảy PHần lớn các mô hình đó là một dạng các thành phần của dòng chảy, liên kết nông độ tổng với nồng độ trong dòng chảy mặt hoặc tốc độ dòng chảy tương ứng cùng với mô hình thành phần của dòng chảy thường khó khăn trong việc xác định rõ ràng đâu là dòng chảy cơ bản đâu là sự gia nhập của nước ngầm và nước bề mặt

Một vài mô hình hoặc nghiên cứu liên kết các ion riêng lẻ và quá trình dẫn điện Lane (1975), steele và Matalas (1971), Steele (1976) đều đưa ra những ví dụ liên kết các ion riêng lẻ vào quá trình nhiễm điện trong viẹec xác

định mô hình lưu vực rất hữu ích vì đó EC thường xuyên tương đối dễ dàng Nêu mối quan hệ giữa EC và các ion đáng quan tâm khác hoàn toàn ổn định

được xây dựng, thì sau đó cần rất ít các phân tích (Hem (1970) đưa kết quả chỉ

ra một sự tương quan bền vững Ơ Connor cũng đã xem xét một vài trươngf hợp

đơn giản của sự biến đổi trong tổng nồng độ chất rắn hòa tan trong thời gian 1 năm và được trích từ tài liệu của Gunnerson (1967) vì độ muối là một bài toán trong nhiều năm, nên có một lượng lớn các mô hình đã được phát triển cho việc

dự báo sự chuyển động của các chất hóa học và longf đất bằng cách lọc (leachung) (Alffaro và Keller, 1970 Boast 1973, Burn, 1974; Kolenbrander,

1970, Lai và Junilear 1972, Shaffer và Robben 1977, Tanji, 1970 Tekkeltacb và babcock, 1970, và warite và các cộng sự 1971; các mô hình tinh vi hơn thừa nhận sự trao đổi Ca, Ma, Na và K giữa dung dịch và quặng sắt, Chúng cũng kết hợp các quá trình phân hủy và kết tinh với can xi và magiê bonat, phot phát

Các mô hình chia thổ nhưỡng thành các tầng, việc tính toán nồng độ cân bằng trong từng tầng và di chuyển từ phần này của dung dịch mới đến tầng tiếp theo khi tính toán sự cân bằng mới

9.4.2 Các chất dinh dưỡng

Các chất Nitơ và phốt pho có thể tạo thành một bài toán về chất lượng nước Các vùng đất phì nhiêu nói chung đã được bón phân và dễ bị xói mòn Mặc dù Nitrát có thể là một mối nguy hại cho sự khỏe, khi nồng độ của nó bằng 10/1 triệu Nitơ, nhưng một bài toán thông dụng hơn là làm tăng cường trạng thái phú dưỡng Phú dưỡng là một sự phát triển mạnh của hệ sinh thái trong vùng nước giàu chất dinh dưỡng Thực vật dưới nước cũng đòi hỏi phần lớn các nguyên tố giống như các cây trồng trên cạn Dưới những điều kiện xác định một vài nguyên tố nào đó có thể bị hạn chế, nhưng những dạng gắn với Nitơ Photpho được nhắc đến thường xuyên nhất Một vài dạng của mỗi chất dinh

nhưng ion này được đo khá dễ dàng, một lượng lớn các chất hữu cơ có chứa

hấp thụ từ các phần tử quặng trong bùn cát bởi sự trao đổi con và các phản ứng sorptron Sự vận chuyển của các chất hữu cơ và vô cơ hình thành khoáng chất quan trọng trong nhiều lưu vực, sự màu mỡ do các chất lắng cạn phải được xác

định Tất cả các chất dinh dưỡng hòa tan đều có trong thực vật nhưng trong thực vật chỉ có một lượng nhỏ các chất không hòa tan Thường thì dạng không hòa tan vượt quá dạng hòa tan Các dạng không hòa tan sẵn có thay đổi tùy theo nhưng điều kiện của môi trường, VD: nhiệt độ, độ PH, trạng thái oxy hóa khử Vì không có các thủ tục cho việc dự báo một cách chính xác chất dinh

Hình 9.1 Mối liên quan giữa các dạng biến đổi của Nitơ và các hoạt động nông nghiệp

Một vài mô hình thống kê của các chất dinh dưỡng vô cơ như amoniac,

việc sử dụng đất nông nghiệp chỉ giải thích được 35% Tuy nhiên việc sử dụng

đất không giải thích được sự biến đổi khá quan trọng của P (hình 9.1)

Sự tăng lượng nitrat trong lưu lượng không được coi là một vấn đề quan trọng trừ khi phân bón hoặc các chất thải động vật được rải trên mặt đất Nitrat không được đất hấp thụ Cho nên nước mưa thấm xuống trong phần đầu của cơn mưa sẽ lọc nitrat dưới dất và trực tiếp đưa chung vào dòng chảy Phần nitrat trong dòng chảy đến từ mưa Một phần khác được thấm vào nước chuyển

động xuyên qua và quay trở lại bề amựt thành dòng chảy trong các lưu vực lớn hơn

Hình 9.1 minh họa cho các chu trình luân chuyển Nitơ trong môi trường

đất - nước không khí thực vạt và được gọi là vòng tuần hoàn nitơ “Nitơ đất là một sự điểm lại toàn diện về đề tại này Một lượng lớn các mô hình được phát triển để dự báo tác động của nitơ vào hệ thống đất - thực vật nước (Beck và Frissel, 1973) Dujjy và các cộng sự 1975, Dutt và cộng sự 1972; Frere và các cộng sự 1970, Hagin và Am berger 1974, Mehran và Tanji 1979, Reuss và Cole 1973)

Một trong những quá trình quan trọng nhất là quá trình khoáng hóa - sản xuất nitơrát từ chất hữu cơ trong đất Điều này có thể được diễn tả bằng phương trình tốc độ bậc 1

trong đó N là tổng lượng nitrat được sản xuất từ lượng nitơ có thể khoáng hóa;

1976) Một quá trình quan trọng khác là quá trình hấp thụ nitơ của thực vật Nói chung, thực vật hút từ 40 - 50% lượng nitrat và amoniăc được cung cấp bởi phân bón hoặc quá trình khoáng hóa Quá trình hấp thụ biến đổi theo loài cây

và theo sự phát triển của môi trường xung quanh Một mối quan hệ chung đã không được phát triển mặc dù một vài mô hình đang phát triển Việc học đã tách nitrat và amoniăc từ rễ cây các phương trình lọc muối và thuốc trừ sâu (9.9); (9.10) (9.11) có thể được sử dụng để dự báo việc lọc Nitrat và NH giả thiết

Trong nhiều loại đất, các điều kiện có lợi cho việc lọc cũng có lợi cho quá

nước mưa có thể là nguồn chủ yếu của Nitơ trong các lưu vực không màu mỡ

vi khuẩn là một nguồn quan trọng khác Amoni bị mất đi do sự bay hơi, khi hợp chất amoni được đưa vào cụ thể là đất kiềm (Fenn và Kissel, 1973; Miyamoto và nnk., 1975)

báo lượng nitơ tất yếu có trong rễ Họ đã phát triển cả mô hình nghiên cứu chi tiết và mô hình quản lý lý thuyết Các quá trình mà họ xem xét trong hai mô hình trên là sự vận chuyển xuống dưới của nước và lượng nitơ hòa tan Như là

Các mô hình nghiên cứu của họ sử dụng một sơ đồ sai phân hữu hạn ẩn – hiện để tính toán nước và chuẩn động của dung dịch Họ sử dụng động học bậc 1 để mô tả sự nitrat hóa, quá trình khử, khoáng hóa và quá trình cố định

Họ đã kiểm tra một số mối quan hệ giữa việc phát triển rễ với plant uptake of water và Nitơ trước khi chọn lần cuối 1 vài phương trình thực nghiệm tương

đối đơn giản

Vì mô hình nghiên cứu phức tạp và cần một số lượng lớn số liệu đầu vào cái mà tồn tại một cách ngẫu nhiên, nên 1 mô hình đơn giản hơn là cần thiết cho việc quản lý trạng thái Họ đã giả sử rằng 1 sự chiếm chỗ theo kiểu piston

được mô tả sau trong phương trình (9.9) đối với chuyển động của nước và dung dịch Tổng giá trị thực lớn hơn so với sự phân bố nồng độ trong rễ mà được tính toán cho các dạng nitơ khác Các giả thiết của họ đã giới hạn mô hình quản lý này để đồng nhất các phẫu diện đất được làm khô Mô hình nghiên cứu có thể mô phỏng một profile đất đồng nhất hoặc phân lớp nhưng không xem xét được tổn thất nitơ trong dòng chảy mặt