Bài giảng lan truyền chất ô nhiễm

Nước là tên gọi chung áp dụng cho dạng lỏng của hợp chất hydro và oxy (H2O). Nước tinh khiết là một chất lỏng không mùi, không vị. Sựsống còn của một người phụthuộc vào nước uống. Nước là một trong những yếu tốcần thiết nhất đểcó sức khỏe tốt. Nước cần thiết cho tiêu hóa và hấp thụthức ăn, nguồn cung cấp oxy và chất dinh dưỡng cho các tếbào. Nước chiếm 50 đến 90% của trọng lượng của sinh vật sống. Vềlý thuyết mà nói một người có thểtồn tại với 5 lít nước mỗi ngày và đôi khi có thểít hơn. Tuy nhiên, trung bình mỗi ngày mỗi người đều cần từ40 đến 50 lít cho vệsinh cá nhân. Đối với lĩnh vực nông nghiệp thì cần đến 100 lítngười và trong các lĩnh vực công nghiệp thì 400 đến 500người. Chất lượng nước là một trong những yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng cuộc sống. Mặc dù nước bao phủhơn 70% bềmặt trái đất, nhưng chỉcó 1% nước của trái đất là có thểkhai thác dùng làm nước sinh hoạt. Nước là một dung môi tựnhiên, trước khi đến với người dùng, nước có thểcó rất nhiểu các tạp chất khác nhau bao gồm cảchất hữu cơ, vô cơ, hóa chất, và cảchất ô nhiễm. Nước được lọc và khửtrùng đểngăn ngừa các bệnh tật có thể đến với con người. Tuy nhiên, chúng ta đang làm ô nhiễm nguồn tài nguyên quý giá này. Nếu nguồn nước bịô nhiễm nặng thì việc lọc và khửtrùng là vô cùng khó khăn và khó tránh được các nguy cơbệnh tật.

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

MỤC LỤC

1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 16

1.1 Nước ngầm 16

1.1.1 Khái niệm chung: 16

1.1.2 Thành phần nước ngầm: 16

1.1.3 Nước sạch 17

1.1.4 Nước ô nhiễm 17

1.2 Nguồn gốc của ô nhiễm 17

1.2.1 Ô nhiễm do điều kiện tự nhiên 18

1.2.2 Ô nhiễm do các hoạt động nông nghiệp 18

1.2.3 Ô nhiễm do các hoạt động công nghiệp 18

1.2.4 Ô nhiễm từ các khu đô thị, làng nghề 18

1.3 Nguyên nhân của ô nhiễm nước ngầm 19

2 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT LAN TRUYỀN CỦA CHẤT Ô NHIỄM TRONG ĐẤT 21

2.1 Giới thiệu chung 21

2.2 Dòng thấm trong đất 22

2.3 Lan truyền do khuếch tán 23

2.4 Lan truyền theo dòng thấm 27

2.5 Phân tán động học 28

2.6 Phân tán thủy động học 29

2.7 Phương trình lan truyền của chất ô nhiễm 30

2.8 Suy giảm nồng độ trong quá trình lan truyền 33

2.8.1 Phản ứng hóa học 33

2.8.2 Hấp thụ 33

2.8.3 Phân rã (phân hủy) 34

2.9 Phương trình lan truyền tổng quát 34

2.10 So sánh ảnh hưởng của khuếch tán và phân tán 35

2.11 Ảnh hưởng của quy mô của bài toán 35

3 CHƯƠNG 3: MỘT SỐ LỜI GIẢI CHO BÀI TOÁN LAN TRUYỀN CỦA CHẤT Ô NHIỄM TRONG ĐẤT 38

3.1 Giới thiệu chung 38

3.2 Điều kiện biên và điều kiện đầu 38

3.3 Một số lời giải giải tích 40

3.3.1 Lời giải giải tích 1: Thay đổi nồng độ trong bài toán một chiều 40

3.3.2 Lời giải giải tích 2: Thay đổi nồng độ trong bài toán một chiều 40

3.3.3 Lời giải giải tích 3: Thay đổi nồng độ trong bài toán một chiều 42

3.3.4 Lời giải giải tích 4: Một lượng giới hạn chất ô nhiễm được bơm vào dòng thấm 42

3.3.5 Lời giải giải tích 5: Chất ô nhiễm được bơm liên tục vào một hệ thống dòng thấm 2 chiều 43

3.3.6 Lời giải giải tích 6: Chất ô nhiễm được bơm một lượng giới hạn vào một hệ thống dòng thấm 2 chiều………… .44

3.4 Lời giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn 45

3.4.1 Theo dõi đường đi của phân tử (hạt) chất ô nhiễm (Particle tracking) 47

3.4.2 Tính toán phân bố nồng độ chất ô nhiễm 49

4 CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TRONG BÀI TOÁN Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM 50

4.1 Giới thiệu chung 50

4.2 Thấm của nước trong đất bão hòa 50

4.2.1 Xác định hệ số thấm bằng thí nghiệm 50

4.2.2 Ước lượng bằng phương pháp lý thuyết 51

4.3 Hệ số thấm của đất không bão hòa 51

4.3.1 Xác định hệ số thấm bằng các kết quả thí nghiệm 52

4.3.2 Xác định thông qua các đặc trưng cơ lý của đất 52

4.3.3 Xác định hệ số thấm dựa trên thư viện mẫu 54

4.4 Xác định giá trị phân tán động học 54

4.4.1 Hệ số khuếch tán của chất ô nhiễm 55

4.4.2 Phân tán thủy động học 56

5 CHƯƠNG 5: QUAN TRẮC Ô NHIỄM NƯỚC 61

5.1 Giới thiệu chung 61

5.2 Giếng quan trắc nước ngầm 61

5.3 Thiết kế và lập kế hoạc cho hệ thống quan trắc 63

5.3.1 Xác định thông số quan trắc 63

5.3.2 Thời gian và tần suất quan trắc 64

5.3.3 Lập kế hoạch quan trắc 64

5.4 Thực hiện công tác quan trắc 65

5.4.1 Công tác chuẩn bị 65

5.4.2 Lấy mẫu, đo và phân tích tại hiện trường 65

5.4.3 Bảo quản và vận chuyển mẫu 66

5.4.4 Phân tích trong phòng thí nghiệm 67

5.4.5 Xử lý số liệu và báo cáo 68

6 CHƯƠNG 6: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NGĂN CHẶN VÀ KHỬ Ô NHIỄM ĐẤT THƯỜNG ĐƯỢC DÙNG 70

6.1 Giới thiệu chung 70

6.2 Che đậy hoặc tường ngăn 70

6.3 Bơm hút và xử lý 71

6.4 Biện pháp xử lý bằng phản ứng trung hòa hay vi sinh vật 72

7 CHƯƠNG 7: ÁP DỤNG LÝ THUYẾT LAN TRUYỀN TRONG MỘT SỐ BÀI TOÁN THỰC TẾ 73

7.1 Giới thiệu chung 73

7.2 Một số văn bản pháp quy liên quan 73

7.3 Bãi chôn lấp rác 75

7.3.1 Khái niệm 75

7.3.2 Quy định về bãi chôn lấp rác ở Việt Nam 76

7.3.3 Thiết kế của một hố chôn lấp rác 76

7.3.4 Thiết kế hệ thống thu gom nước rác 79

7.3.5 Một số qui định về kỹ thuật vận hành bãi chôn lấp 80

7.3.6 Một số qui định về kỹ thuật đóng ô chôn lấp 80

7.4 Nguy cơ tiềm ẩn từ hố chôn lấp rác 81

7.4.1 Nguy cơ từ các lớp chống thấm 82

7.4.2 Nguy cơ từ hệ thống xử lý nước rác 83

7.4.3 Nguy cơ từ lớp bao phủ bề mặt hố rác 84

7.5 Tính toán ô nhiễm tại bãi chôn lấp Nam Sơn 85

7.5.1 Giới thiệu chung 85

7.5.2 Số liệu về địa chất 89

7.5.3 Điều kiện khí hậu - thủy văn 91

7.5.4 Thiết kế của bãi rác 94

7.5.5 Vận hành của bãi rác 95

7.5.6 Số liệu quan trắc về thành phần nước rác 97

7.5.7 Các chất ô nhiễm được lựa chọn để nghiên cứu 110

7.5.8 Bài toán đã được thực hiện trước đây 111

7.5.9 Các bài toán đề xuất thực hiện 112

7.5.10 Các số liệu đầu vào cho các bài toán 113

7.5.11 Kết quả tính toán cho nhóm bài toán 1 (dòng thấm trong cột đất) 119

7.5.12 Kết quả tính toán cho nhóm bài toán 2 (kiểm chứng với kết quả quan trắc) 122

7.5.13 Kết quả tính toán nhóm bài toán 3 (nghiên cứu dài hạn) 128

7.5.14 Kết quả tính toán nhóm bài toán 4 (xét ảnh hưởng của kích thước ô chôn lấp) 134

7.5.15 Tổng kết kết quả tính toán 136

7.6 Tính toán ô nhiễm tại bãi chôn lấp Tràng Cát 136

7.6.1 Giới thiệu 136

7.6.2 Số liệu về địa chất, khí hậu và thủy văn 138

7.6.3 Thiết kế của bãi rác 139

7.6.4 Vận hành của bãi rác 141

7.6.5 Kết quả hệ thống điểm đo 144

7.6.6 Các chất ô nhiễm được lựa chọn để nghiên cứu 151

7.6.7 Các bài toán được đặt ra 151

7.6.8 Các số liệu đầu vào cho các bài toán 152

7.6.9 Kết quả tính toán cho nhóm bài toán 5 (kiểm chứng kết quả đo) 153

7.6.10 Kết quả tính toán cho nhóm bài toán 6 (bổ sung lớp sét đáy hố chôn lấp) 156

7.6.11 Kết quả tính toán cho nhóm bài toán 7 (dự báo sau khi đã lắp hệ thống xử lý nước rác) 158

7.6.12 Kết quả tính toán cho nhóm bài toán 8 (bơm hút xử lý nước ô nhiễm) 159

7.6.13 Tổng kết kết quả tính toán đối với bãi chôn lấp Tràng Cát 161

7.7 Ô nhiễm tại một số làng nghề Việt Nam 162

7.7.1 Đặc điểm ô nhiễm của các làng nghề 163

7.7.2 Thực trạng ô nhiễm tại làng nghề tái chế chì Đông Mai 163

7.8 Tính toán lan truyền của chất ô nhiễm chì tại làng nghề Đông Mai 165

7.8.1 Địa chất và địa hình 165

7.8.2 Khí tượng thủy văn 165

7.8.3 Số liệu quan trắc ô nhiễm tại thôn Đông Mai năm 2000, 2003 và 2006 .169

7.8.4 Đề xuất các bài toán lan truyền 171

7.8.5 Các giả thiết tính toán 171

7.8.6 Kết quả tính toán cho nhóm bài toán 9 (kiểm chứng với số liệu quan trắc) 172

7.8.7 Kết quả tính toán của nhóm bài toán 10 (dự báo ô nhiễm từ 2011 đến 2015) 173

7.8.8 Kết quả tính toán nhóm bài toán 11 (dự báo mức độ ô nhiễm với các gradient thủy lực khác nhau)……… 175

7.8.9 Kết quả tính toán nhóm bài toán 12 (xử lý nền đất bị ô nhiễm) 178

7.8.10 Tổng kết kết quả tính toán lan truyền tại làng nghề Đông Mai 179

8 TÀI LIỆU THAM KHẢO 181

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả sự lan truyền của chất ô nhiễm/hòa tan trong đất 22

Hình 2.2 Các loại dòng chảy/thấm của nước trong đất 22

Hình 2.3 Sự lan truyền do khuếch tán của một chất hòa tan: nồng độ tương đối tại các vị trí và thời điểm khác nhau t0, t1 và t2 26

Hình 2.4 Tỷ số nồng độ C/C0 tại các vị trí và thời điểm khác nhau do khuếch tán của chất ô nhiễm trong đất 27

Hình 2.5 Các yếu tố gây ra phân tán động học dọc theo đường thấm (Fetter, 1988) .29

Hình 2.6 Các đường thấm gây ra hiện tượng phân tán theo phương ngang – vuông góc với dòng thấm (Fetter, 1988) .29

Hình 2.7 So sánh ảnh hưởng của các cơ chế khác nhau đến sự lan truyền của một chất hòa tan trong đất bão hòa nước (Fetter, 1993) .30

Hình 2.8 Phân tố đất đại diện có kích thước ba cạnh là: dx, dy, dz 31

Hình 2.9 Tương quan giữa khuếch tán cơ học và chiều dài đường lan truyền trong các loại đất khác nhau (Lallemand Barres và Peaudecerf, 1978) 36

Hình 2.10 Tương quan giữa khuếch tán cơ học và chiều dài đường thấm với nhiều thí nghiệm khác nhau (Gelhar, 1985) 37

Hình 3.1 Rò rỉ của chất ô nhiễm vào trong hệ thống nước ngầm của đất 41

Hình 3.2 Quan hệ giữa CR và tR với các giá trị Pe (tham biến Peclet) khác nhau 43

Hình 3.3 Kết quả phân bố nồng độ chất ô nhiễm lan truyền trong trường hợp bài toán 2 chiều 44

Hình 3.4 Kết quả phân bố nồng độ chất ô nhiễm với một lượng với một lượng có hạn lan truyền trong trường hợp bài toán 2 chiều (Mackey và cộng sự, 1986) 45

Hình 3.5 Quy trình tính toán lan truyền của chất ô nhiễm sử dụng bộ phần mềm GeoStudio 2004 (Phạm Quang Hưng, 2011) 46

Hình 3.6 Các phương pháp thường được sử dụng để xác định đường cong đặc trưng đất – nước và hàm hệ số thấm không bão hòa cho một loại đất 47

Hình 3.7 Kết quả tính toán của bài toán thấm: chiều cao cột nước áp trong đất 48

Hình 3.8 Kết quả tính toán của bài theo dõi đường đi của phân tử chất ô nhiễm 49

Hình 3.9 Kết quả tính toán phân bố nồng độ của chất ô nhiễm trong đất 49

Hình 4.1 Thí nghiệm a) cột nước áp không đổi và b) cột nước áp thay đổi 51

Hình 4.2 Các phương pháp xác định hệ số thấm của đất không bão hòa 52

Hình 4.3 Các phương pháp xác định hệ số thấm của đất không bão hòa 57

Hình 4.4 Các phương pháp xác định hệ số thấm của đất không bão hòa 58

Hình 4.5 Khớp giữa kết quả đo và tính toán bằng lời giải giải tích để tìm ra giá trị phân tán động học (Pickens và Grisak, 1981) 60

Hình 5.1 Thiết kế điển hình của một giếng quan trắc nước ngầm 62

Hình 6.1 Đường đẳng áp trong đất với hệ thống bơm hút tuần hoàn dùng để xử lý nước ô nhiễm 72

Hình 7.1 Các phương pháp xử lý rác phổ biến hiện nay 75

Hình 7.2 Cấu tạo của một hố chôn lấp rác hiện đại (Valerius, 2006) 78

Hình 7.3 Tác động của hoạt động chôn lấp rác tới môi trường (Nguyễn Hồng Khánh và cộng sự, 2008) 82

Hình 7.4 Vị trí bãi chôn lấp Nam Sơn trên bản đồ Google Map (2010) 85

Hình 7.5 Bàn đồ địa hình bãi chôn lấp Nam Sơn trước khi xây dựng 86

Hình 7.6 Quang cảnh xây dựng hệ thống thu nước và gia cố đáy hố chôn lấp năm 2000 (Tài liệu thu thập được tại trang website Yeumoitruong.com) 87

Hình 7.7 Đáy hố chôn lấp sau khi đã thi công xong năm 2000 (Tài liệu thu thập được tại trang website Yeumoitruong.com) 88

Hình 7.8 Quang cảnh bãi rác đang trong quá trình vận hành (Tài liệu thu thập được tại trang website Yeumoitruong.com) 88

Hình 7.9 Hệ thống xử lý nước rác (Tài liệu thu thập được tại trang website Yeumoitruong.com) 89

Hình 7.10 Bề mặt mực nước ngầm trong khu vực bãi chôn lấp Nam Sơn 92

Hình 7.11 Hình ảnh về quá trình xây dựng 94

Hình 7.12 Sơ đồ mặt bằng của các hố chôn lấp và vị trí các điểm lấy mẫu nước ở hồ sinh học và nước rác (Nguyễn Hồng Khánh và cộng sự, 2009) 97

Hình 7.13 Vị trí các điểm lấy mẫu nước mặt và nước ngầm 98

Hình 7.14 Địa hình tổng thể bãi chôn lấp và vị trí các lát cắt địa chất theo 8 phương được đưa vào nghiên cứu 115

Hình 7.15 Lát cắt địa chất theo trục Đông - Tây 116

Hình 7.16 Lát cắt địa chất theo trục Tây Bắc - Đông Nam 116

Hình 7.17 Lát cắt địa chất theo trục Bắc - Nam 117

Hình 7.18 Lát cắt địa chất theo trục Tây Nam - Đông Bắc 117

Hình 7.19 Đường cong đặc trưng đất – nước cho các lớp đất 1 và 2 118

Hình 7.20 Đường cong quan hệ hệ số thấm và lực hút dính cho các lớp đất 1 và 2 (Áp dụng mô hình Fredlund & Xing (1994) với đơn vị lực hút dính là mét, hệ số thấm đơn vị là mét/ngày) 118

Hình 7.21 Mô hình cột đất cho khu vực bãi chôn lấp Nam Sơn 120

Hình 7.22 Trường hợp cột đất với mực nước ngầm sâu 1m so với mặt đất 120

Hình 7.23 Trường hợp cột đất với mực nước ngầm sâu 3m so với mặt đất 121

Hình 7.24 Trường hợp cột đất với mực nước ngầm sâu 5m so với mặt đất 121

Hình 7.25 Trường hợp cột đất với mực nước ngầm sâu 7m so với mặt đất 122

Hình 7.26 Dòng thấm với gradient thủy lực i = 0,5% (khu vực Ô chôn lấp 1) 123

Hình 7.27 Chiều cao cột nước áp với gradient thủy lực I = 0,5% (khu vực Ô chôn lấp 1) 124

Hình 7.28 Kết quả mô hình lan truyền của COD từ Ô chôn lấp 1 sau thời gian 5 năm với gradient thủy lực i = 0,5% 124

Hình 7.29 Kết quả mô hình lan truyền của Phenol từ Ô chôn lấp 1 sau thời gian 5 năm với gradient thủy lực i = 0,5% 124

Hình 7.30 Kết quả mô hình lan truyền của Pb từ Ô chôn lấp 1 sau thời gian 5 năm với gradient thủy lực i = 0,5% 124

Hình 7.31 Kết quả mô hình lan truyền của Cd từ Ô chôn lấp 1 sau thời gian 5 năm với gradient thủy lực i = 0,5% 125

Hình 7.32 Dòng thấm với gradient thủy lực i=1,0% (khu vực Ô chôn lấp 1) 125

Hình 7.33 Chiều cao cột nước áp với gradient thủy lực i=1,0% (khu vực Ô chôn lấp 1) 125

Hình 7.34 Kết quả mô hình lan truyền của COD từ Ô chôn lấp 1 sau thời gian 5 năm với gradient thủy lực i=1,0% 125

Hình 7.35 Kết quả mô hình lan truyền của Phenol từ Ô chôn lấp 1 sau thời gian 5 năm với gradient thủy lực i=1,0% 126

Hình 7.36 Kết quả mô hình lan truyền của Pb từ Ô chôn lấp 1 sau thời gian 5 năm với gradient thủy lực i=1,0% 126

Hình 7.37 Kết quả mô hình lan truyền của Cd từ Ô chôn lấp 1 sau thời gian 5 năm với gradient thủy lực i=1,0% 126

Hình 7.38 Dòng thấm với gradient thủy lực i=2,0% (khu vực Ô chôn lấp 1) 126

Hình 7.39 Chiều cao cột nước áp với gradient thủy lực i=2,0% (khu vực Ô chôn lấp 1) 127

Hình 7.40 Kết quả mô hình lan truyền của COD từ Ô chôn lấp 1 sau thời gian 5 năm với

gradient thủy lực i=2,0% 127

Hình 7.41 Kết quả mô hình lan truyền của Phenol từ Ô chôn lấp 1 sau thời gian 5 năm với gradient thủy lực i=2,0% 127

Hình 7.42 Kết quả mô hình lan truyền của Pb từ Ô chôn lấp 1 sau thời gian 5 năm với gradient thủy lực i=2,0% 127

Hình 7.43 Kết quả mô hình lan truyền của Cd từ Ô chôn lấp 1 sau thời gian 5 năm với gradient thủy lực i=2,0% 128

Hình 7.44 Kết quả dòng thấm theo trục Tây – Nam với gradient thủy lực i=2,0% 130

Hình 7.45 Kết quả mô hình lan truyền của COD trên trục Tây – Nam sau thời gian 200 năm với gradient thủy lực i=2,0% 130

Hình 7.46 Kết quả lan truyền của COD sau 200 năm theo trục Đông – Bắc với gradient thủy lực i=2,0% 135

Hình 7.47 Kết quả lan truyền của COD sau 200 năm theo trục Đông – Bắc với gradient thủy lực i=2,0% 135

Hình 7.48 Vị trí tương đối của khu chôn lấp Tràng Cát (hình ảnh lấy từ bản đồ Google Earth) .137

Hình 7.49 Kích thước tương đối của khu chôn lấp Tràng Cát hiện tại (hình ảnh lấy từ bản đồ Google Earth) 137

Hình 7.50 Sơ đồ vị trí khảo sát địa chất của bãi chôn lấp rác Tràng Cát 141

Hình 7.51 Hình ảnh ô chôn lấp 1 bãi chôn lấp rác Tràng Cát (2008) 143

Hình 7.52 Hình ảnh ô chôn lấp 2 - bãi chôn lấp rác Tràng Cát (2008) 144

Hình 7.53 Hình ảnh trạm bơm hút xử lý nước rác ô chôn lấp 2 - bãi chôn lấp rác Tràng Cát (2008) 144

Hình 7.54 Vị trí hệ thống giếng quan trắc và vị trí lấy mẫu nước rác tại bãi chôn lấp Tràng Cát 146

Hình 7.55 Kết quả phân bố cột nước áp trong khu vực nghiên cứu 153

Hình 7.56 Kết quả lan truyền của COD sau 6 năm ô chôn lấp số 1 đi vào hoạt động 154

Hình 7.57 Kết quả lan truyền của COD sau 12 năm ô chôn lấp số 1 đi vào hoạt động 154

Hình 7.58 Kết quả lan truyền của COD sau 50 năm ô chôn lấp số1 đi vào hoạt động 154

Hình 7.59 Kết quả lan truyền của COD sau 100 năm ô chôn lấp số 1 đi vào hoạt động 154

Hình 7.60 Kết quả lan truyền của Phenol sau 6 năm ô chôn lấp số 1 đi vào hoạt động 155

Hình 7.61 Kết quả lan truyền của Phenol sau 12 năm ô chôn lấp số 1 đi vào hoạt động 155

Hình 7.62 Kết quả lan truyền của Phenol sau 50 năm ô chôn lấp số 1 đi vào hoạt động 155

Hình 7.63 Kết quả lan truyền của Phenol sau 100 năm ô chôn lấp số 1 đi vào hoạt động 155

Hình 7.64 Kết quả lan truyền của Pb sau 6 năm ô chôn lấp số 1 đi vào hoạt động 156

Hình 7.65 Kết quả lan truyền của Pb sau 12 năm ô chôn lấp số 1 đi vào hoạt động 156

Hình 7.66 Kết quả lan truyền của Pb sau 50 năm ô chôn lấp số 1 đi vào hoạt động 156

Hình 7.67 Kết quả lan truyền của Pb sau 100 năm ô chôn lấp số 1 đi vào hoạt động 156

Hình 7.68 Kết quả lan truyền của COD sau 100 năm ô chôn lấp số 1 đi vào hoạt động (không dùng thêm lớp áo sét lót ở đáy hố chôn lấp) 157

Hình 7.69 Kết quả lan truyền của COD sau 100 năm ô chôn lấp số 1 đi vào hoạt động (có dùng thêm lớp áo sét dày 1,0 m lót ở đáy hố chôn lấp) 157

Hình 7.70 Kết quả lan truyền của COD sau 100 năm ô chôn lấp số 1 đi vào hoạt động (có dùng thêm lớp áo sét dày 2,0 m lót ở đáy hố chôn lấp) 157

Hình 7.71 Kết quả lan truyền của COD sau 100 năm sau khi nước rỉ rác đã ngấm ra môi trường trong vòng 12 năm và sau đó ngừng không thấm nữa 159

Hình 7.72 Kết quả lan truyền của COD sau 300 năm sau khi nước rỉ rác đã ngấm ra môi trường trong vòng 12 năm và sau đó ngừng không thấm nữa 159

Hình 7.73 Kết quả lan truyền của COD sau 500 năm sau khi nước rỉ rác đã ngấm ra môi trường trong vòng 12 năm và sau đó ngừng không thấm nữa 159

Hình 7.74 Tổng khối lượng COD đã giảm từ 178,5g/m xuống còn 78,85g/m sau 100 năm với giếng sâu -23m, lưu lượng hút là 1,82m3/ngày/m 160

Hình 7.75 Tổng khối lượng COD đã giảm từ 178,5g/m xuống còn 78,89g/m sau 100 năm với giếng sâu -17m, lưu lượng hút là 1,81m3/ngày/m 160

Hình 7.76 Tổng khối lượng COD đã giảm từ 178,5g/m xuống còn 63,81g/m sau 100 năm với giếng sâu -11m, lưu lượng hút là 1,49m3/ngày/m 160

Hình 7.77 Hoạt động sản xuất và ô nhiễm chì tại làng nghề tái chế chì 162

Hình 7.78 Bản đồ bố trí công trình quan trắc quốc gia nước dưới đất tỉnh Hưng Yên 166

Hình 7.79 Mặt cắt địa chất điển hình của khu vực làng nghề Đông Mai 167

Hình 7.80 Khu vực lò nấu chì, ao xỉ và điểm lấy mẫu nước ngầm và nước mặt 170

Hình 7.81 Kết quả phân bố cột nước áp trong khu vực nghiên cứu 172

Hình 7.82 Kết quả phân bố ô nhiễm chì năm 2003 173

Hình 7.83 Kết quả phân bố ô nhiễm chì năm 2006 173

Hình 7.84 Kết quả phân bố ô nhiễm chì năm 2011 174 Hình 7.85 Kết quả phân bố ô nhiễm chì năm 2015 174 Hình 7.86 Kết quả lan truyền của chì theo nước ngầm dự báo sau 10 năm (gadient thủy lực

hướng Đông Nam-Tây Bắc J=0,115%) 175

Hình 7.87 Kết quả lan truyền của chì theo nước ngầm dự báo sau 20 năm (gadient thủy lực

hướng Đông Nam-Tây Bắc J=0,115%) 176

Hình 7.88 Kết quả lan truyền của chì theo nước ngầm dự báo sau 50 năm (gadient thủy lực

hướng Đông Nam-Tây Bắc J=0,115%) 176

Hình 7.89 Kết quả lan truyền của Pd theo nước ngầm dự báo sau 100 năm (gadient thủy lực

hướng Đông Nam-Tây Bắc J=0,115%) 176

Hình 7.90 Kết quả lan truyền của chì theo nước ngầm dự báo sau 10 năm (gadient thủy lực

hướng Đông Nam-Tây Bắc J=1,0 %) 177

Hình 7.91 Kết quả lan truyền của chì theo nước ngầm dự báo sau 20 năm (gadient thủy lực

hướng Đông Nam-Tây Bắc J=1,0 %) 177

Hình 7.92 Kết quả lan truyền của Pd theo nước ngầm dự báo sau 50 năm (gadient thủy lực

hướng Đông Nam-Tây Bắc J=1,0 %) 178

Hình 7.93 Kết quả lan truyền của chì theo nước ngầm dự báo sau 100 năm (gadient thủy lực

hướng Đông Nam-Tây Bắc J=1,0 %) 178

Hình 7.94 Kết quả tính toán xử lý ô nhiễm chì sau 13 năm 179

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Danh mục của một số chất ô nhiễm trong nước ngầm cùng với các giá trị giới hạn

trong Quy chuẩn nước ngầm của Việt Nam (2008) 19

Bảng 4.1 Các mô hình cho hệ số thấm của đất không bão hòa dựa trên phân tích vi mô 53

Bảng 4.2 Danh sách của một số mô hình hàm thấm cho đất không bão hòa dựa trên phân tích xác xuất thống kê 54

Bảng 4.3 Hệ số khuếch tán phân tử của một số chất hòa tan (ô nhiễm) 55

Bảng 4.4 Hệ số khuếch tán hiệu quả của một số chất hòa tan (ô nhiễm) trong một số loại đất .55

Bảng 4.5 Kết quả tính toán hệ số phân tán thủy động học và phân tán động học (Pickens và Grisak, 1981) 59

Bảng 5.1 Giới hạn về thời gian lưu mẫu thí nghiệm (TT 30/2011/TT-BTNMT) 66

Bảng 5.2 Phương pháp phân tích các thông số trong phòng thí nghiệm (TT 30/2011/TT-BTNMT) 67

Bảng 7.1 Một số văn bản pháp quy liên quan đến bảo vệ môi trường đất và nước ngầm 74

Bảng 7.2 Mức tăng trưởng của lượng rác thải phát sinh theo dự kiến (Nguyễn Hồng Khánh và cộng sự, 2008) 75

Bảng 7.3 Thống kê về việc xử lý rác thải tại Hoa Kỳ từ năm 1960 đến 2005 76

Bảng 7.4 Hệ số thấm các lớp đất tại khu vực bãi chôn lấp Nam Sơn 90

Bảng 7.5 Độ sâu mực nước ngầm tại các lỗ khoan 91

Bảng 7.6 Các số liệu về khí hậu thủy văn trung bình theo tháng lấy theo số liệu tại trạm Hiệp Hòa (cách bãi chôn lấp Nam Sơn xấp xỉ 10 km về phía đông) Số liệu thu thập từ Chương trình tiến bộ KHKT cấp Nhà nước 42A .93

Bảng 7.7 Tần suất (%) và vận tốc (m/s) trung bình các hướng gió lấy theo số liệu trạm Vĩnh Yên (cách bãi chôn lấp Nam Sơn xấp xỉ 10 km về phía tây) Số liệu thu thập từ Chương trình tiến bộ KHKT cấp Nhà nước 42A .93

Bảng 7.8 Cao trình đỉnh, đáy và thời gian tiến hành chôn lấp tại bãi chôn lấp Nam Sơn 95

Bảng 7.9 Lượng rác chôn lấp tại Nam Sơn (1999 - 2003) 96

Bảng 7.10 Bảng kết quả phân tích thành phần nước rác tại Nam Sơn thực hiện năm 2002-2003 (Nguồn: Viện Công nghệ Môi trường) 99

Bảng 7.11 Kết quả phân tích nước rỉ rác từ ô 4A khi đang vận hành nâng cốt từ +20,00 lên +22,00m tại vị trí A5 (8876:10538) 99

Bảng 7.12 Chất lượng nước ngầm của các hộ gia đình xung quanh khu vực bãi chôn lấp năm

2002-2003 100

Bảng 7.13 Chất lượng nước ngầm giếng giám sát năm 2002-2003 (tầng nông 7 -10m) 101

Bảng 7.14 Chất lượng nước ngầm giếng giám sát năm 2002-2003 (tầng 13-15m) 102

Bảng 7.15 Kết quả phân tích mẫu nước tại thượng lưu của nhánh sông Lai Sơn (NM1) tại vị trí A1, tọa độ (8326:1118) 103

Bảng 7.16 Kết quả phân tích mẫu nước tại hạ lưu của nhánh sông Lai Sơn (NM1) tại vị trí A2 (8906:9350) 103

Bảng 7.17 Kết quả phân tích mẫu nước ngầm tại giếng bên trong khu liên hiệp xử lý chất thải tại vị trí A4 (8876:10538) 104

Bảng 7.18 Kết quả phân tích chất lượng nước hồ sinh học – Hồ 1 (NR2), 104

Bảng 7.19 Kết quả phân tích chất lượng nước hồ sinh học – Hồ 2 (NR3), 105

Bảng 7.20 Kết quả phân tích lượng nước hồ sinh học – Hồ 3 (NR4), 106

Bảng 7.21 Kết quả phân tích nước rác khi chưa qua hồ sinh học 106

Bảng 7.22 Kết quả phân tích nước rác sau khi qua hồ sinh học (tháng 12/2003) 107

Bảng 7.23 Kết quả phân tích nước rác sau khi qua hồ sinh học (tháng 3/2004 ) 107

Bảng 7.24 Kết quả mẫu nước giếng khoan nhà bà Nguyễn Thị Lợi (M2 GK), 108

Bảng 7.25 Kết quả mẫu nước giếng khoan nhà ông Nguyễn Văn Sáu (M3 GK), 108

Bảng 7.26 Kết quả mẫu nước giếng khoan nhà bà Nguyễn Minh Toàn (M4 GK), 109

Bảng 7.27 Kết quả mẫu nước giếng khoan nhà Bà Nguyễn Thị Chiến (M5 GK), 109

Bảng 7.28 Kết quả mẫu nước giếng khoan nhà Ông Nguyễn Văn Chắt (M6 GK), 109

Bảng 7.29 Kết quả mẫu nước giếng khoan nhà Bà Nguyễn Văn Sáu (M7 GK) 110

Bảng 7.30 Kết quả mẫu nước giếng khoan nhà Ông nguyễn Minh Toàn (M1 GK) ngày 29/11/2000 110

Bảng 7.31 Danh sách các chất ô nhiêm được tiến hành nghiên cứu 111

Bảng 7.32 Kết quả tính toán vùng ô nhiễm theo phương đứng và ngang cho khu vực ô chôn lấp số 1 trong thời gian 5 năm 122

Bảng 7.33 Kết quả tính toán vùng ô nhiễm theo phương đứng và ngang cho khu vực quanh bãi chôn lấp Nam Sơn sau thời gian 50 năm 131

Bảng 7.34 Kết quả tính toán vùng ô nhiễm theo phương đứng và ngang cho khu vực quanh bãi chôn lấp Nam Sơn sau thời gian 100 năm 132

Bảng 7.35 Kết quả tính toán vùng ô nhiễm theo phương đứng và ngang cho khu vực quanh

bãi chôn lấp Nam Sơn sau thời gian 200 năm 133

Bảng 7.36 Hiện trạng sử dụng đất tại các bãi chôn lấp năm 2003 138

Bảng 7.37 Diễn biến lượng rác chôn lấp giai đoạn 1998 - 2002 142

Bảng 7.38 Mô tả vị trí điểm giám sát ô nhiễm nước khu Tràng Cát 145

Bảng 7.39 Kết quả phân tích thành phần nước rác ô 1 (cũ) - Tràng Cát 147

Bảng 7.40 Kết quả phân tích nước rác ô chôn lấp số 2 (nước rác mới) 148

Bảng 7.41 Kết quả phân tích nước mặt khu vực Tràng Cát 149

Bảng 7.42 Đặc trưng kỹ thuật của các giếng giám sát 150

Bảng 7.43 Kết quả phân tích nước ngầm - Tràng Cát, Hải Phòng 150

Bảng 7.44 Danh sách các chất ô nhiễm được tiến hành nghiên cứu 151

Bảng 7.45 Kết quả tính toán vùng ô nhiễm theo phương đứng và ngang cho khu vực quanh bãi chôn lấp Nam Sơn sau thời gian 100 năm 158

Bảng 7.46 Các hình thức ô nhiễm tại các làng nghề (Đặng Thị An, Nguyễn Phương Hạnh, và Nguyễn Đức Thịnh, 2006) 163

Bảng 7.47 Tỷ lệ người dân mắc các bệnh do ô nhiễm chì 164

Bảng 7.48 Các số liệu về khí hậu thủy văn trung bình theo tháng lấy theo số liệu tại trạm Hưng Yên từ năm 1979 đến năm 2009 (cách xã Chỉ Đạo xấp xỉ 20 km về phía nam) 167

Bảng 7.49 Vận tốc (m/s) trung bình các hướng gió lấy theo số liệu trạm Hưng Yên (cách xã Chỉ Đạo xấp xỉ 20 km về phía nam) .167

Bảng 7.50 Bảng tọa độ quan trắc động thái nước dưới đất tại Hưng Yên 168

Bảng 7.51 Hàm lượng chất ô nhiễm Chì trong các môi trường năm 2000 169

Bảng 7.52 Hàm lượng chất ô nhiễm Chì trong các môi trường năm 2003 170

Bảng 7.53 Hàm lượng chất ô nhiễm Chì trong các môi trường năm 2006 170

Bảng 7.54 Kết quả tính toán phạm vi lan truyền ô nhiễm 173

Bảng 7.55 Kết quả tính toán phạm vi lan truyền ô nhiễm 174

Bảng 7.56 Kết quả tính toán phạm vi lan truyền ô nhiễm 177

CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU

1 P b Nguyên tố Chì

2 D d Hệ số khuếch tán (m2/s)

3 D * Hệ số khuếch tán hiệu quả

4 C Nồng độ của chất hòa tan (g/m3)

11 αi Phân tán động học theo phương i (m)

12 αj Phân tán động học theo phương j (m)

CÁC CHỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO

BCL CTR Bãi chôn lấp chất thải rắn BOD Nhu cầu ôxy sinh học BTNMT Bộ tài nguyên môi trường CLKK Chất lượng không khí CLN Chất lượng nước COD Nhu cầu ôxy hoá học CTĐT Chất thải đô thị CTNH Chất thải nguy hại CTR Chất thải rắn GHCP Giới hạn cho phép

HCHC Hợp chất hữu cơ HDPE High Density Polyethylene

KHKT Khoa học kỹ thuật KTTV Khí tượng thuỷ văn NĐGHCP Nồng độ giới hạn cho phép QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam URENCO Công ty trách nhiệm hữu hạn nhà nước

một thành viên Môi trường đô thị

1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 N ướ c d ướ i đấ t

1.1.1 Khái niệm chung:

Nước là tên gọi chung áp dụng cho dạng lỏng của hợp chất hydro và oxy (H2O) Nước tinh khiết là một chất lỏng không mùi, không vị Sự sống còn của một người phụ thuộc vào nước uống Nước là một trong những yếu tố cần thiết nhất để có sức khỏe tốt Nước cần thiết cho tiêu hóa và hấp thụ thức ăn, nguồn cung cấp oxy và chất dinh dưỡng cho các

tế bào Nước chiếm 50 đến 90% của trọng lượng của sinh vật sống Về lý thuyết mà nói một người có thể tồn tại với 5 lít nước mỗi ngày và đôi khi có thể ít hơn Tuy nhiên, trung bình mỗi ngày mỗi người đều cần từ 40 đến 50 lít cho vệ sinh cá nhân Đối với lĩnh vực nông nghiệp thì cần đến 100 lít/người và trong các lĩnh vực công nghiệp thì 400 đến 500/người

Chất lượng nước là một trong những yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng cuộc sống Mặc dù nước bao phủ hơn 70% bề mặt trái đất, nhưng chỉ có 1% nước của trái

đất là có thể khai thác dùng làm nước sinh hoạt Nước là một dung môi tự nhiên, trước khi đến với người dùng, nước có thể có rất nhiểu các tạp chất khác nhau bao gồm cả chất hữu

cơ, vô cơ, hóa chất, và cả chất ô nhiễm Nước được lọc và khử trùng để ngăn ngừa các bệnh tật có thể đến với con người Tuy nhiên, chúng ta đang làm ô nhiễm nguồn tài nguyên quý giá này Nếu nguồn nước bị ô nhiễm nặng thì việc lọc và khử trùng là vô cùng khó khăn và khó tránh được các nguy cơ bệnh tật

1.1.2 Thành phần nước dưới đất:

Nước tinh khiết là rất hiếm trong tự nhiên và thường tồn tại dưới dạng là chất hòa tan của nhiều hợp chất khác Nước mưa hấp thụ carbon dioxide và các khí khác, cũng như các chất hữu cơ và vô cơ từ khí quyển Nước thường phản ứng với các khoáng chất trong đất

và đá, do vậy nước mặt và nước ngầm có thể chứa nhiều chất hòa tan khác nhau Bên cạnh

đó, nước mặt cũng có thể bị lẫn nước thải sinh hoạt và các chất thải công nghiệp Nước

ngầm từ các giếng nông có thể chứa các hợp chất nitơ và clorua Nước ngầm từ các giếng sâu thường chỉ chứa các khoáng chất hòa tan và một số trong những chất này là tốt cho sức khỏe con người

1.1.3 Nước sạch

Để phục vụ sinh hoạt, người ta tách các tạp chất ra khỏi nước bằng nhiều cách như lọc,

lắng, chiếu xạ Sục khí vào nước hoặc phun nước qua không khí sẽ làm phân hủy các chất hữu cơ, chất thải công nghiệp và một số khí giúp loại bỏ mùi, vị của nước Muối và kim loại có thể làm tăng độ cứng của nước Người ta có thể làm giảm độ cứng của nước bằng cách cách đun sôi, thêm natri cacbonat và vôi hoặc bằng cách dùng màng lọc zeolit

1.1.4 Nước ô nhiễm

Do tính thanh lọc rất tốt của đất, nước ngầm nói chung là một nguồn nước sạch phục vụ sinh hoạt Nước mặt thường được sử dụng cho công tác tưới tiêu, phun thuốc và cho mục

đích công nghiệp Nước ngầm thường được sử dụng là nguồn nước chính ở nhiều vùng

khô hạn và bán khô hạn Tầng nước ngầm được coi là một hồ chứa tự nhiên và thường là

có chất lượng tốt

Ô nhiễm nước ngầm là một sự thay đổi tính chất vật lý, hóa học và sinh học của nước làm hạn chế hoặc ngăn chặn việc sử dụng nó trong các ứng dụng có mục đích khác nhau Tuy được bảo vệ tốt hơn so với nước mặt nhưng nước ngầm cũng rất dễ bị ô nhiễm

Ô nhiễm đất hay ô nhiễm nước ngầm đang là một vấn đề rất nghiêm trọng ở nhiều nơi trên thế giới Công tác nghiên cứu ô nhiễm nước ngầm/môi trường đất đang là một vấn đề nóng được thế giới hết sức quan tâm

Ô nhiễm nước dưới đất thường bắt nguồn từ bốn nguồn gốc chính: tự nhiên, công nghiệp, nông nghiệp và khu dân cư (Nemerow, Agardy, Sullivan và Salvato, 2009) Danh mục của một số chất ô nhiễm trong nước dưới đất được trình bày trong Bảng 1.1 Mô tả ngắn gọn

về các nguồn ô nhiễm được trình bày dưới đây

1.2.1 Ô nhiễm do điều kiện tự nhiên

Nước dưới đất thường chứa một số tạp chất mà không do các tác động của con người Nồng độ và các loại tạp chất tự nhiên phụ thuộc vào sự cấu thành của vùng địa chất mà nước ngầm được lưu trữ hoặc di chuyển qua Nước di chuyển qua đá trầm tích và đất có thể nhận một loạt các hợp chất như magiê, canxi, và clorua Một số tầng nước dưới đất có nồng độ các chất tự nhiên hòa tan cao như asen và selen Chất lượng nước phụ thuộc vào loại chất ô nhiễm và nồng độ của nó trong nước

1.2.2 Ô nhiễm do các hoạt động nông nghiệp

Thuốc trừ sâu, phân bón, thuốc diệt cỏ và chất thải động vật là những nguồn chính từ hoạt

động sản xuất nông nghiệp gây ô nhiễm nước ngầm Các nguồn ô nhiễm nông nghiệp rất

nhiều và đa dạng như: đổ phân bón và thuốc trừ sâu trong quá trình bón cây, việc rửa các bình phun thuốc trừ sâu hoặc các thiết bị ứng dụng khác, sử dụng hóa chất độc hại ở gần giếng nước (một vài trăm mét) Công tác bảo quản lưu trữ hóa chất nông nghiệp thường không được quan tâm đúng mức và cũng là một trong những tác nhân chính gây ô nhiễm nước dưới đất

1.2.3 Ô nhiễm do các hoạt động công nghiệp

Ngành công nghiệp sản xuất và dịch vụ có những đòi hỏi rất cao về hệ thống nước làm mát và xử lý làm sạch nước Các hoạt động sản xuất, dịch vụ đòi hỏi vận chuyển và lưu trữ nước thải Trên đường đi, nước thải có thể bị rơi vãi, rò rỉ, hoặc xử lý không đúng cách Ô nhiễm nước dưới đất xảy ra khi nước đã được sử dụng quay trở về với chu kỳ thủy văn

Bên cạnh đó, nguồn ô nhiễm công nghiệp cũng có thể xuất phát từ công tác làm sạch, xử lý các chất ô nhiễm trước khi thải ra môi trường Những sai sót trong xử lý, vận chuyển các chất thải công nghiệp cũng là một nguồn gây ô nhiễm nước ngầm Cũng như các hoạt động của nông nghiệp, các bể chứa giữ các sản phẩm dầu mỏ, axit, dung môi và hóa chất có thể phát triển rò rỉ do ăn mòn, khuyết tật của các đường ống và phụ kiện Công tác khai thác nhiên liệu và khoáng sản có thể gây ô nhiễm nghiêm trọng nước dưới

đất

1.2.4

Hệ thống nước, rác thải của các khu đô thị có thể là nguồn gốc gây ô nhiễm như: vi khuẩn, virus, nitrat từ chất thải của con người và các hợp chất hữu cơ Việc lưu trữ hoặc xử lý không đúng cách của các hóa chất như sơn gia dụng, chất tẩy rửa tổng hợp, dung môi, dầu, thuốc chữa bệnh, thuốc khử trùng, hóa chất hồ bơi, thuốc trừ sâu, pin, xăng dầu và nhiên liệu diesel đều có thể dẫn đến ô nhiễm nước dưới đất

Việc thiết kế, thi công không đúng của các bãi chôn lấp rác sẽ là một nguồn ô nhiễm rất lớn Đặc biệt đối với các nước đang phát triển thì sản xuất tiểu thủ công tại các làng nghề cũng là một nguy cơ gây ô nhiễm nước dưới đất trong khu vực Ví dụ về ô nhiễm từ bãi chôn lấp rác và làng nghề được trình bày trong Chương 6 của bài giảng này

Bảng 1.1 Danh mục của một số chất ô nhiễm trong nước ngầm cùng với các giá trị giới

hạn trong Quy chuẩn nước ngầm của Việt Nam (2008)

Ô nhiễm nước ngầm xảy ra khi có sự trộn lẫn của nước ô nhiễm vào tầng nước ngầm Sở

dĩ có sự trộn lẫn này là do sự lan truyền của các chất ô nhiễm theo dòng thấm trong đất và

ngấm vào hệ thống nước ngầm Lan truyền của chất ô nhiễm có thể theo dòng thấm và cũng có khi không có sự xuất hiện của dòng thấm (khuếch tán) Nếu không có sự ngăn cách giữa vùng ô nhiễm và tầng nuớc ngầm thì việc ô nhiễm nước ngầm là không tránh khỏi Chương 6 của báo cáo sẽ trình bày 3 ví dụ về sự lan truyền của chất ô trong đất trong đó có 02 ví dụ về bãi chôn lấp và 01 ví dụ về ô nhiễm của làng nghề

2 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT LAN TRUYỀN CỦA CHẤT

Ô NHIỄM TRONG ĐẤT

Mô hình về lan truyền của các chất trong nước đất đóng vai trò cốt lõi trong việc tính toán

sự lan truyền của chất ô nhiễm trong lòng đất Mục đích chính là tính toán được sự lan truyền theo thời gian từ nguồn gây ô nhiễm Với những tính toán này, chúng ta có thể: 1) giải thích cách thức lan truyền chất ô nhiễm và dự báo được sự lan truyền của các chất này trong tương lai; 2) có thể điều chỉnh các thông số ảnh hưởng đến quá trình lan truyền (ví dụ: hệ số thấm, hệ số khuếch tán) thông qua các phép thử để kết quả tính toán phù hợp với kết quả đã quan trắc được; 3) thiết kế và đánh giá chất lượng của hệ thống bãi chôn lấp, bồn chứa chất thải, hóa chất hay các làng nghề truyền thống có sử dụng hóa chất độc hại

Quá trình lan truyền của chất ô nhiễm trong đất là một quá trình phức tạp bao gồm: 1) sự lan truyền của chất ô nhiễm dưới tác động của dòng thấm và sự khuếch tán của các chất này trong nước đất; 2) Sự suy giảm nồng độ của chất ô nhiễm do bị hấp thụ vào bề mặt hạt đất, phản ứng hóa học, phân rã và tác động của vi sinh vật (Hình 2.1)

Trong chương này, lý thuyết về sự lan truyền của chất ô nhiễm sẽ được mô tả một cách đầy đủ bằng các phương trình vi phân Trước hết, toàn bộ lý thuyết sẽ được xây dựng cho các bài toán 1 chiều trước Mô hình về sự lan truyền của chất ô nhiễm trong đất theo 2

và 3 chiều sẽ được trình bày vào các phần tiếp theo của chương Lời giải của các bài toán lan truyền theo phương pháp giải tích và phương pháp số cũng sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo

Quá trình lan truyền của chất ô nhiễm

Phân tán thủy động học Dòng thấm - Kết tủa - Sinh học

- Hấp thụ - Phân rã

Phân tán động học (dòng thấm trong đất)

I Chảy tầng II Chuyển tiếp III Chảy rối

Dòng thấm trong đất có thể là ổn định hoặc không ổn định Dòng thấm ổn định là dòng thấm có điều kiện biên không thay đổi theo thời gian Dòng thấm không ổn định là dòng thấm có điều kiện biên thay đổi theo thời gian như ảnh hường của mưa, nắng dẫn

đến sự thay đổi của vận tốc, lưu lượng… Dòng thấm trong đất có thể phân loại thành một,

hai hay ba chiều Dòng thấm 3 chiều là tổng quát nhất Tuy nhiên, trong tính toán thực tế

người ta thường dùng mô hình thấm 1 hoặc 2 chiều Gradien thủy lực i được định nghĩa là

tổn thất cột nước ∆h hoặc năng lượng trên một đơn vị chiều dài ∆l của dòng thấm:

Do vận tốc dòng chảy trong các loại đất là rất nhỏ nên có thể coi dòng chảy trong

hầu hết các loại đất là dòng chảy tầng Lúc đó, theo định luật Darcy ta có vận tốc v tỷ lệ thuận với gradient thủy lực i:

Định luật Darcy cũng cho phép chúng ta tính toán lưu lượng của dòng thấm qua

một diện tích mặt cắt ngang đất như sau:

Trong đó:

q =lưu lượng nước thấm qua một mặt cắt với diện tích A trong một đơn vị

thời gian (cm3/s), và

A = diện tích mắt cắt ngang của đất (cm2)

Một chất hòa tan trong nước sẽ di chuyển từ vùng có nồng độ cao đến vùng có nồng độ thấp Đây là quá trình khuếch tán của phân tử hay còn được gọi tắt là khuếch tán Sự khuếch tán này sẽ xảy ra khi trong dung dịch có sự khác nhau về nồng độ (hay nói cách khác có gradient nồng độ) ngay cả khi không có dòng chảy Lưu lượng của dòng khuếch

tán tỷ lệ thuận với gradient nồng độ và có thể được biểu diễn dưới dạng định luật Fick thứ nhất như sau (một chiều):

)/(dC dx D

Dấu âm ở phương trình trên có nghĩa là dòng chuyển động của chất hòa tan từ khu

vực có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp Giá trị của D d thay đổi rất nhỏ trong khoảng 1E-9 đến 2E-9 (m2/giây) Hệ số này không thay đổi nhiều khi nồng độ thay đổi nhưng đây

là tham số phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Tuy nhiên, đối với môi trường Việt Nam, nhiệt

độ không thay đổi quá nhiều nên sự thay đổi này có thể bỏ qua Đối với môi trường có

nồng độ thay đổi theo thời gian, ta có phương trình theo định luật Fick thứ 2 như sau:

2 2

∂ / = thay đổi của nồng độ theo thời gian (g/m3/s)

Trong môi trường đất, khuếch tán không thể nhanh như là trong nước bởi vì các ion phải di chuyển dọc theo các đường nối các lỗ rỗng chạy quanh các hạt đất Để xét đến

các đường thấm nối giữa các hệ lỗ rỗng trong đất (Bear, 1972) Hệ số khúc khuỷu này thể hiện ảnh hưởng của hình dạng và kích thước của đường lan truyền trong đất Giá trị của ωluôn nhỏ hơn 1 và có thể xác định qua thí nghiệm bằng cách cho chất hòa tan khuếch tán

trong một thể tích đất nhất định Độ khúc khuỷu được ký hiệu là T, thể hiện bằng công

thức:

T = Le/L (2.7)

Trong đó:

L = chiều dài đường thẳng của đường thấm, và

Le = chiều dài thực sự của đường thấm

Độ khúc khuỷu T luôn lớn hơn 1 bởi chiều dài đường thấm thực không phải là

đường thẳng mà là đường khúc khuỷu qua lỗ rỗng của đất Perkins và Johnson (1973) đã

làm thí nghiệm với đất và thấy rằng ω = 0,7 đối với đất cát Freeze và Cherry (1979) đã

làm thí nghiệm với nhiều mẫu đất lấy từ hiện trường và thấy rằng ω giao động trong

khoảng 0.5 đến 0.01

Khuếch tán sẽ làm cho chất hòa tan lan truyền từ vị trí này đến vị trí khác trong đất ngay cả khi không có dòng thấm Hình 5 cho thấy sự khuếch tán của chất hòa tan có nồng

tan lan rộng ra và làm cho nồng độ tại khu vực từ (x-a) đến (x+a) giảm đi, trong khi đó khu vực nằm ngoài khoảng (x-a) đến (x+a) lại tăng lên

Sự phân bố nồng độ của chất hòa tan này thường là theo phân bố chuẩn hoặc phân

bố Gauss và được mô tả bằng giá trị phân bố trung bình C và phương sai 2

Hình 2.3 Sự lan truyền do khuếch tán của một chất hòa tan: nồng độ tương đối tại các vị

trí và thời điểm khác nhau t0, t1 và t2

Hình 2.3 mô tả một cách lý thuyết sự khuếch tán của chất hòa tan có nồng độ là C 0 tại thời điểm t 0 (có một lượng chất hòa tan nhất định được cấp tại đúng thời điểm t 0 và sau

đó không còn) Crank (1956) đã giải phương trình vi phân 2.2 với điều kiện biên chất hòa

tan được duy trì ở một nồng độ không đổi (có nguồn cấp liên tục) và cho kết quả như sau:

5 0 0

)

*(2)

,

(

t D

x erfc C t

x

Trong đó:

Ci = Nồng độ tại vị trí có khoảng cách đến điểm nguồn cấp là x tại thời

điểm t kể từ khi bắt đầu quá trình khuếch tán

C 0 = Nồng độ tại nguồn cấp được duy trì không đổi

Erfc = Hàm số được thể hiện bằng công thức sau:

erfc( ) 2 2

Ví dụ tính toán: Giả thiết hệ số khuếch tán D = 2 x 10-5 cm2/s và hệ số ω = 0,7 Hãy vẽ biểu đồ thể hiện tỷ số nồng độ tại các điểm khác nhau tại thời điểm t: Ct và nồng độ tại thời điểm ban đầu: C0 sau 100 năm, 500 năm và 10000 năm

Quy đổi thời gian: 50 năm = 50 (năm ) x 365 (ngày) x 24 (giờ) x 3600 (giây) Vẽ biểu đồ:

Chất ô nhiễm trong nước ngầm sẽ bị di chuyển theo dòng thấm của nước trong đất – đây

là hiện tượng lan truyền theo dòng thấm Lượng vật chất bị di chuyển sẽ là một hàm số của nồng độ của chất đó trong nước và vận tốc của dòng chảy Đối với dòng thấm 1 chiều, tốc độ của dòng chảy qua một diện tích mặt cắt của đất sẽ được tính như sau:

dl

dh n

lượng nước nhân với nồng độ của nó như sau:

Phương trình cho sự lan truyền của chất hòa tan do tác động của dòng thấm như sau:

x

C v t

Trong quá trình thấm sẽ có những đường thấm mà vận tốc thấm nhanh hơn và có những

bản gây ra hiện tượng này (Bear, 1972): 1) Kích thước lỗ rỗng khác nhau và vì vậy dòng thấm qua vùng có lỗ rỗng lớn hơn sẽ có vận tốc lớn hơn vùng có lỗ rỗng nhỏ; 2) Chiều dài

đường thấm là khác nhau, vì vậy thời gian thấm là khác nhau; 3) Bản thân đối với 1 đường thấm thì vùng bên ngoài sẽ chịu ma sát với hạt đất do vậy sẽ chậm hơn vùng ở giữa

dòng (Hình 2.5)

Nếu tất cả các dòng thấm có chứa chất hòa tan được chảy theo cùng một tốc độ thì

sẽ không có ảnh hưởng gì xảy ra đối với chất hòa tan trong nước, nồng độ của chất hòa tan tại các vị trí trong dòng thấm sẽ không có gì thay đổi Tuy nhiên, trong thực tế, các

đường thấm này lại có tốc độ thấm khác nhau và vì vậy sẽ có hiện tượng hòa các dung

dịch có nồng độ (chất hòa tan) khác nhau với nhau, hiện tượng này được gọi là phân tán

động học Hiện tượng trộn của các phần dung dịch có nồng độ khác nhau dọc theo đường

thấm được gọi là “phân tán dọc” Có những đường thấm không chạy song song với hướng thấm mà đôi khi lại chạy vuông góc với hướng thấm chính (Hình 2.6), với những dòng thấm này, ta co khái niệm tương tự là “phân tán ngang” Hệ số phân tán dọc và ngang có thể biểu diễn qua công thức sau đây:

Trong đó:

v i = vận tốc thấm trung bình theo phương i (m/s)

α L = phân tán động học theo phương dọc (m)

α T = phân tán động học theo phương ngang (m)

Hình 2.5 Các yếu tố gây ra phân tán động học dọc theo đường thấm (Fetter, 1988)

Hình 2.6 Các đường thấm gây ra hiện tượng phân tán theo phương ngang – vuông góc

với dòng thấm (Fetter, 1988)

Quá trình khuếch tán của các phân tử không thể tách rời khỏi phân tán do tác động cơ học trong qua trình di chuyển dọc theo các đường thấm trong đất Hai quá trình này có thể kết

hợp lại và được gọi và biểu diễn qua tham số, D - được gọi là hệ số phân tán thủy động

học Công thức toán học của hệ số này có thể biểu diễn như sau:

*

D v

*

D v

Trong đó:

D L = Hệ số phân tán thủy động học song song với hướng dòng thấm chính;

D T = Hệ số phân tán thủy động học vuông góc với hướng dòng thấm chính;

L

α = Phân tán động học theo phương dọc theo dòng thấm; và

T

α = Phân tán động học theo phương vuông góc với dòng thấm

Theo Bear (1972) thì phân tán động học trong đất có thể lấy xấp xi bằng 1/10 quãng đường dịch chuyển của chất ô nhiễm trong đất Hình 2.7 minh họa ảnh hưởng của các cơ chế đến sự lan truyền của một chất hòa tan trong đất

Hình 2.7 So sánh ảnh hưởng của các cơ chế khác nhau đến sự lan truyền của một chất

hòa tan trong đất bão hòa nước (Fetter, 1993)

Hệ số phân tán thủy động học có thể được định nghĩa như sau:

δ = phương sai của vùng lan truyền theo hướng vuông góc với dòng thấm

2.7 Ph ươ ng trình lan truy ề n c ủ a ch ấ t ô nhi ễ m

Mục này sẽ mô tả cách thức xây dựng phương trình lan truyền của một chất hòa tan trong

0.5

1.0

Vị trí đầu dòng dung dịch (chỉ do thấm)

Khi có ảnh hưởng của sự khuếch tán

Khi có ảnh hưởng của phân tán thủy động học

đất với giả thiết rằng: đất là đồng nhất, đẳng hướng, bão hòa nước và dòng thấm trong đất

thỏa mãn định luật Darcy

Hình 2.8 Phân tố đất đại diện có kích thước ba cạnh là: dx, dy, dz

Việc xây dựng phương trình lan truyền của chất ô nhiễm trong đất dựa trên sự cân bằng của một dòng chất hòa tan đi vào và đi ra của một phân tố đất (Hình 2.8) Dòng thấm qua phân tố đất này đã được xét đến tính phức tạp của dòng thấm qua các lỗ rỗng của đất và

được minh họa trong Hình 2.6

Vận tốc thấm trung bình, v, có 3 thành phần v x, vy, vz Nồng độ của chất hòa tan

trong nước đất được ký hiệu là C, có giá trị bằng khối lượng trên một đơn vị thể tích của

nước trong đất Khối lượng chất hòa tan trong một đơn vị thể tích của đất có thể tính qua

độ rỗng n và nồng độ C Đất là một môi trường đồng nhất, do vậy có thể giả thiết độ rỗng

là một hằng số Chất hòa tan sẽ được lan truyền trong đất thông qua sự di chuyển của dòng thấm trong đất và qua phân tán thủy động học Lượng chất hòa tan được lan truyền

theo một hướng i nào đó có thể tính bằng các công thức sau:

dòng thấm i trong một đơn vị thời gian; F i là tổng hợp của thành phần lan truyền do dòng

thấm và thành phần lan truyền do phân tán động học và có thể viết như sau:

dA i

C D n C n v

dxdy F dzdx F dzdy

Cũng theo Hình 2.8, tổng lượng chất hòa tan đi ra khỏi phân tố đất có thể tính như sau:

dxdy dz z

F F dzdx dy y

F F F dx x

F

z y

y x x

F x

∂

∂+

∂

Tốc độ thay đổi của lượng chất hòa tan trong một phân tố đất là:

dxdydz t

∂

∂+

∂

∂

dxdydz z

F y

F x

dxdydz t

C n

v z C v y C v x

z

C D z y

C D y x

C D

x

z y

x

z y

∂

∂+

(2.23)

Phương trình trên đây (2.23) là phương trình tổng quát (3 chiều) cho sự lan truyền của một chất hòa tan trong đất mà không kể đến ảnh hưởng của quá trình hấp thụ của chất

hòa tan vào hạt đất hoặc tác động của các phản ứng sinh học và hóa học Trong trường

hợp bài toán 2 chiều và hướng dòng thấm là song song với phương x thì phương trình trên

có thể thu gọn lại như sau:

t

C x

C v y

C D x

∂

∂

2 2 2

2

(2.24)

Trong đó:

DL = hệ số phân tán thủy động học theo phương dọc theo dòng thấm

D T = hệ số phân tán thủy động học theo phương vuông góc với dòng thấm

Sự suy giảm nồng độ của chất hòa tan trong quá trình lan truyền trong đất xuất phát từ rất nhiều yếu tố khác nhau và được tổng hợp thành các nguyên nhân chính như sau: 1) Phản

ứng hóa học; 2) Hấp thụ, và 3) Phân rã (phân hủy)

2.8.1 Phản ứng hóa học

Phương trình lan truyền của chất hòa tan (ô nhiễm) do ảnh hưởng của các nguyên nhân trên sẽ được trình bày trong mục này Do ứng dụng chính của các bài toán trong thực tế chỉ dùng lại ở bài toán 2 chiều nên các phương trình sẽ chỉ được xây dựng cho bài toán 2 chiều (phương trình cho bài toán 3 chiều là hoàn toàn tương tự) Phản ứng hóa học giữa các chất hòa tan (các chất ô nhiễm) trong nước ngầm có thể được kết hợp với quá trình lan truyền trong phương trình (2.24) để xây dựng thành phương trình sau:

t

C n

r x

C v y

C D x

∂

∂

2 2 2

2

(2.25)

Trong đó, r là tốc độ phản ứng được thể hiện bằng lượng chất hòa tan (chất ô

nhiễm) được sinh ra trong một đơn vị thể tích và trong một đơn vị thời gian

2.8.2 Hấp thụ

Trong quá trình lan truyền, chất hòa tan có thể bị hấp thụ và dính vào bề mặt các hạt

đất, đá (do bề mặt các hạt đất đá trong nước thường mang điện tích âm) Nếu xét ảnh

hưởng của sự hấp thụ vào bề mặt hạt đất, đá thì phương trình của sự lan truyền của các chất hòa tan trong đất có thể được viết như sau (2 chiều):

n t

s t

C n

r x

C v y

C D x

C

x T

L

1)(

2 2 2

2

∂

∂+

∂

∂

=+

∂

Nếu như quá trình hấp thụ là một hàm tuyến tính thì phương trình (2.26) có thể

được viết lại như sau:

t

C R n

r x

C v y

C D x

∂

2 2 2

2

(2.27) Trong đó:

2.8.3 Phân rã (phân hủy)

Trong quá trình di chuyển cùng nước trong đất, chất hòa tan (ô nhiễm) có thể bị phân

rã và có thể kết hợp với phương trình lan truyền (2.27) để được phương trình sau:

t

C R C R x

C v y

C D x

∂

2 2 2

2

Để giải bài toán này, người ta cần phải có điều kiện đầu và điều kiện Điều kiện biên là điều kiện về nồng độ của chất hòa tan tại các biên của khu vực tính toán trong suốt quá trình tính, dòng thấm tại biên Điều kiện đầu yêu cầu các thông số về sự phân bố nồng độ ban đầu của chất hòa tan trong toàn bộ khu vực đất được xét trong bài toán:

C(x,y,0) = C 0 (x,y,0) (2.29)

Mô tả cụ thể về điều kiện đầu và điều kiện biên được trình bày trong mục 3.2

Phương trình lan truyền của chất ô nhiễm tổng quát cho bài toán 2 chiều có thể viết

được như sau:

t

C R C R x

C v y

C D x

∂

2 2 2

2

Phương trình lan truyền của chất ô nhiễm đối xứng trục cho một giếng trong hệ tọa

độ của bài toán đối xứng trục (Ogata, 1970) như sau:

t

C r

C u r

C r

D r

C D

2.10 So sánh ả nh h ưở ng c ủ a khu ế ch tán và phân tán

Trong mục 2.9 chúng ta đã xây dựng được phương trình tổng quát cho sự lan truyền của chất ô nhiễm trong đất là sự tổng hợp của cơ chế phân tán động học và khuếch tán Chúng

ta có thể tách riêng 2 thành phần của phân tán thủy động học (phân tán và khuếch tán) và

do đó có 2 phương trình độc lập Chúng ta có thể thấy rằng khuếch tán và phân tán động học dưới tác động của dòng thấm đóng vai trò tương đối độc lập (Fetter, 1993) Điều này

có nghĩa là:

theo địa chất, hệ số khuếch tán) thì khuếch tán của chất hòa tan (ô nhiễm) sẽ

đóng vai trò chính trong sự lan truyền của chất ô nhiễm

khuếch tán) thì phân tán sẽ đóng vai trò chính trong sự lan truyền của chất ô nhiễm trong đất

2.11 Ả nh h ưở ng c ủ a quy mô c ủ a bài toán

Fried (1975) đã chỉ ra rằng sự lan truyền của chất ô nhiễm trong đất bị ảnh hưởng nhiều bởi kích thước của mô hình được tính toán Lấy ví dụ như giá trị trung bình của phân tán

cm Trong thí nghiệm giếng đơn (xem phần thí nghiệm trong mục 3.5 và 3.6) thì giá trị của αL là 3 cm và 9 cm khi mà quãng đường di chuyển của chất ô nhiễm tương ứng là 3,1

m và 5,0 m Lallemand Barres và Peaudecerf (1978) đã thực hiện rất nhiều thí nghiệm và tổng kết thành một đồ thị cho mối tương quan giữa giá trị phân tán động học và quãng

đường di chuyển của chất ô nhiễm như trên Hình 2.9 Gelhar (1985) cũng cho một loạt

kết quả so sánh trong Hình 2.10

Hình 2.9 Tương quan giữa khuếch tán cơ học và chiều dài đường lan truyền trong các

loại đất khác nhau (Lallemand Barres và Peaudecerf, 1978)

Hình 2.10 Tương quan giữa khuếch tán cơ học và chiều dài đường thấm với nhiều thí

nghiệm khác nhau (Gelhar, 1985)

Tổng hợp kết quả Hình 2.9 và 2.10 cho thấy tỷ số giữa khuếch tán động học αL và chiều dài của đường lan truyền là xấp xỉ 1/10 Trong tính toán thực tế, người ta thường dùng tỷ số trên để xác định giá trị khuếch tán động học αL Các ví dụ minh họa trong Chương 7 sẽ làm rõ hơn ý nghĩa của tỷ số này

3 CHƯƠNG 3: MỘT SỐ LỜI GIẢI CHO BÀI TOÁN LAN

TRUYỀN CỦA CHẤT Ô NHIỄM TRONG ĐẤT

Phương trình lan truyền của chất ô nhiễm trong đất có thể được giải quyết thông qua các lời giải giải tích hoặc bằng phương pháp số (sai phân hữu hạn hoặc phần tử hữu hạn) Phương pháp giải tích thường chỉ giải quyết được các bài toán có điều kiện biên và điều kiện đầu đơn giản và nền đất được coi là đồng nhất, đẳng hướng Lời giải bằng phương pháp số cho phép chúng ta giải quyết các bài toán lớn với các số liệu đầu vào và điều kiện biên phức tạp và gần với thực tế hơn Trong chương này, lời giải giải tích cho một số bài toán lan truyền cơ bản sẽ được trình bày Sau đó, thay bằng việc trình bày các nội dung của phương pháp phần tử hữu hạn, ta sẽ nghiên cứu việc áp dụng một số phần mềm tính toán (bằng phương pháp phần tử hữu hạn) để giải quyết các bài toán thực tế

được nghiên cứu và khu vực bên ngoài

Có 3 dạng điều kiện biên cơ bản cho bài toán lan truyền của chất ô nhiễm trong

đất: 1) giá trị nồng độ không đổi; 2) giá trị gradient không đổi và 3) thay đổi của nồng độ

theo thời gian theo một hàm đã định trước Điều kiện đầu và điều kiện biên có thể được

mô tả một cách ngắn gọn dưới dạng các biểu thức toán học Với bài toán 1 chiều, ta có thể

mô tả dưới dạng biểu thức sau:

Trong ví dụ trên, điều kiện thứ nhất mô tả rằng nồng độ của chất ô nhiễm luôn bằng C0 tại vị trí x = 0 và tại mọi thời điểm Điều kiện thứ 2 có nghĩa là tại thời điểm t = 0 thì nồng độ C tại mọi vị trí là bằng 0 Điều kiện thứ 3 có nghĩa là ở một vị trí rất xa với nguồn (x = 0) thì nồng độ C = 0 tại mọi thời điểm Trong một số trường hợp, nếu như trong đất, nồng độ chất ô nhiễm đạt đến một giá trị C i nào đó thì ta có thể viết như sau:

C(x, 0) = C i x≥ 0

Một ví dụ khác về điều kiện biên khi mà nguồn ô nhiễm thay đổi theo thời gian theo một hàm mũ như sau:

C(0, t) = C0 t -i

Một ví dụ nữa về sự thay đổi nồng độ tại nguồn với nồng độ = C0 trong khoảng

thời gian từ 0 đến t 0 vàsau đó là bằng 0 kể từ thời điểm t 0 như sau:

C(0, t) = C 0 0 < t ≤ t 0

C(0, t) = 0 t > t0

Điều kiện biên tại một vị trí có thể mô tả như sau:

)(

0

t f x

Trong đó, f(t) = một hàm đã được xác định trước Một hàm mô tả điều kiện biên

của bài toán lan truyền hay được sử dụng là: =0

∂

∂

x

C hay nói một cách khác là không có

dòng lan truyền của chất ô nhiễm tại biên này Một dạng khác của điều kiện biên là biến

mô tả dòng chất ô nhiễm tại biên của bài toán: