Nước ngầm của vùng U Minh Thượng khá phong phú về trữ lượng và chất lượng khá tốt. Đối với các hệ thống cấp nước dùng cho sinh hoạt thì nguồn nước ngầm luôn được coi trọng hơn nguồn nước mặt do nguồn nước mặt bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác phải phụ thuộc vào sự biến động theo mùa. Bên cạnh đó nguồn nước ngầm còn ít chịu ảnh hưởng do các hoạt động của con người.Nguồn nước sinh hoạt của vùng chủ yếu dựa vào nguồn nước giếng khoan hộ gia đình. Chất lượng nước ngầm tại vùng U Minh Thượng khá tốt. Tuy nhiên chất lượng nước ngầm có thể thay đổi theo thời gian. Bên cạnh các yếu tố thiên nhiên và con người tác động đến chất lượng nước ngầm thì các chỉ tiêu ảnh hưởng đến chất lượng nước ngầm vẫn lan truyền từ điểm này đến điểm khác theo thời gian.Để đánh giá được diễn biến chất lượng nước ngầm theo không gian và thời gian tại vùng nghiên cứu, chúng tôi đã thực hiện chuyên đề “Ứng dụng mô hình hóa đánh giá và dự báo diễn biến chất lượng môi trường nước ngầm tại khu vực nghiên cứu”.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
12 Nguyễn Văn Bảo, Q Gò Vấp, Tp HCM ĐT: 08.22167375 Fax: 08.35886369 1
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH MỤC BẢNG, HÌNH 2
I ĐẶT VẤN ĐỀ 3
II ĐỊA ĐIỂM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3
II.1 Địa điểm 3
II.2 Phương pháp nghiên cứu 3
III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4
IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4
IV.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình 4
IV.1.1 Cở sở tính toán chỉ số WQI 4
IV.1.2 Mô hình lý tính đất 6
IV.1.3 Tính toán vận tốc dòng chảy trong đất 8
IV.1.4 Vận chuyển chất 2 chiều và sự thấm hút bề mặt 10
IV.2 Đánh giá chất lươ ̣ng môi trường nước ngầm ta ̣i khu vực nghiên cứu 11
IV.3 Dự báo diễn biến chất lượng môi trường nước ngầm ta ̣i khu vực nghiên cứu 14 IV.3.1 Quá trình lan truyền Fe2+ 14
IV.3.2 Chỉ tiêu NH4+ 18
IV.3.3 Chỉ tiêu Cl- 22
TÀI LIỆU THAM KHẢO 27
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
12 Nguyễn Văn Bảo, Q Gò Vấp, Tp HCM ĐT: 08.22167375 Fax: 08.35886369 2
DANH MỤC BẢNG, HÌNH
Bảng IV 1 Hê ̣ thống xếp hạng của các giá tri ̣ chỉ số WQI 5
Hình IV 1: Biểu đồ tốc độ hút nước của rễ tương ứng với lượng hút nước của đất 7 Hình IV 2 Chất lượng nước ngầm vùng U Minh Thượng vào mùa mưa tính theo WQI 12
Hình IV 3 Chất lượng nước ngầm vùng U Minh Thượng vào mùa khô tính theo WQI 13
Hình IV 4 Diễn biến lan truyền Fe 2+ tại U Minh Thượng vào tháng 03/2009 15
Hình IV 5 Diễn biến lan truyền Fe 2+ tại U Minh Thượng vào tháng 06/2009 16
Hình IV 6 Diễn biến lan truyền Fe 2+ tại U Minh Thượng vào tháng 12/2009 17
Hình IV 7 Diễn biến lan truyền Fe 2+ tại U Minh Thượng vào tháng 12/2010 18
Hình IV 8 Diễn biến lan truyền NH 4 + tại U Minh Thượng vào tháng 03/2009 19
Hình IV 9 Diễn biến lan truyền NH 4 + tại U Minh Thượng vào tháng 06/2009 20
Hình IV 10 Diễn biến lan truyền NH 4 + tại U Minh Thượng vào tháng 12/2009 21
Hình IV 11 Diễn biến lan truyền NH 4 + tại U Minh Thượng vào tháng 12/2010 22
Hình IV 12 Diễn biến lan truyền Cl - tại U Minh Thượng vào tháng 03/2009 23
Hình IV 13 Diễn biến lan truyền Cl - tại U Minh Thượng vào tháng 06/2009 24
Hình IV 14 Diễn biến lan truyền Cl - tại U Minh Thượng vào tháng 12/2009 25
Hình IV 15 Diễn biến lan truyền Cl - tại U Minh Thượng vào tháng 12/2010 26
Trang 3TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
12 Nguyễn Văn Bảo, Q Gò Vấp, Tp HCM ĐT: 08.22167375 Fax: 08.35886369 3
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Nước ngầm của vùng U Minh Thượng khá phong phú về trữ lượng và chất lượng khá tốt Đối với các hệ thống cấp nước dùng cho sinh hoạt thì nguồn nước ngầm luôn được coi trọng hơn nguồn nước mặt do nguồn nước mặt bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác phải phụ thuộc vào sự biến động theo mùa Bên cạnh đó nguồn nước ngầm còn ít chịu ảnh hưởng do các hoạt động của con người
Nguồn nước sinh hoạt của vùng chủ yếu dựa vào nguồn nước giếng khoan hộ gia đình Chất lượng nước ngầm tại vùng U Minh Thượng khá tốt Tuy nhiên chất lươ ̣ng nước ngầm có thể thay đổi theo thời gian Bên ca ̣nh các yếu tố thiên nhiên và con người tác đô ̣ng đến chất lượng nước ngầm thì các chỉ tiêu ảnh hưởng đến chất lươ ̣ng nước ngầm vẫn lan truyền từ điểm này đến điểm khác theo thời gian
Để đánh giá được diễn biến chất lượng nước ngầm theo không gian và thời
gian ta ̣i vùng nghiên cứu, chúng tôi đã thực hiện chuyên đề “Ứng dụng mô hình hóa
đánh giá và dự báo diễn biến chất lượng môi trường nước ngầm tại khu vực nghiên cứu”
II ĐỊA ĐIỂM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
II.1 Địa điểm
Tiến hành nghiên cứu tại 4 huyện của vùng U Minh Thượng gồm: An Biên,
An Minh, Vĩnh Thuận và U Minh Thượng
II.2 Phương pháp nghiên cứu
Khảo sát thực địa:
+ Thu thập thông tin, số liệu về điều kiê ̣n đi ̣a chất thủy văn tại khu vực nghiên cứu
+ Thu thập và phân tích 198 mẫu nước ngầm tại khu vực nghiên cứu
Phương pháp mô hình hóa:
+ Tiến hành mô phỏng quá trình lan truyền chất trong nướ c ngầm theo không gian bằng mô hình Velocity and Mass Flux Calculators nhằm đánh giá chất lượng nước vùng nghiên cứu trên cơ sở chỉ số chất lượng nước WQI
Trang 4TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
12 Nguyễn Văn Bảo, Q Gò Vấp, Tp HCM ĐT: 08.22167375 Fax: 08.35886369 4
+ Tiến hành mô phỏng quá trình lan truyền chất tron g nướ c ngầm theo thời gian bằng mô hình MODFLOW kết hợp MT3DMS trên cơ sở chỉ số chất lượng nước WQI nhằm dự báo diễn biến chất lượng môi trường nước ngầm ta ̣i khu vực nghiên cứu
III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1 Mô phỏng và đánh giá chất lượng nước ngầm ta ̣i 4 huyê ̣n thuô ̣c vùng U Minh Thươ ̣ng
2 Dự báo diễn biến chất lượng môi trường nước ngầm 10 năm gần nhất ta ̣i 4 huyê ̣n thuô ̣c vùng U Minh Thượng
IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
IV.1 Cơ sơ ̉ lý thuyết của mô hình
IV.1.1 Cở sở tính toán chỉ số WQI
Trong pha ̣m vi đề tài này , chỉ số WQI được sử dụng là chỉ số CCME WQI (Canadian Council of Ministers of the Environment Water Quality Index) Mỗi chỉ
số được tính toán cho một điểm mẫu riêng biê ̣t trong suốt q uá trình theo dõi Các mẫu nước ngầm được phân tích với các tham số chất lượng nước Tỷ lệ các chỉ tiêu không đạt chất lươ ̣ng theo quy chuẩn nước ngầm QCVN 09:2008 cấu thành 3 nhân tố đươ ̣c sử du ̣ng trong tính toán chỉ số WQI Các nhân tố này là Phạm vi (F1), tần số (F2) và biên độ (F3) Chỉ số này dao động trong khoảng từ 1 – 100 Giá trị WQI càng cao thì chất lượng nước càng tốt
Công thức tính CCME WQI:
2 3 2 2 2
F WQI
t đa không tiêu chi sô
Tần số (F2)
Trang 5TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
12 Nguyễn Văn Bảo, Q Gò Vấp, Tp HCM ĐT: 08.22167375 Fax: 08.35886369 5
Nhân tố Tần số (F2) đại diê ̣n cho tỷ lệ phần trăm của các thử nghiê ̣m không đáp ứng quy chuẩn nước ngầm QCVN 09:2008
100
i do theo m nghiê thi sô
t đa không m nghiê thi sô
Biên đô ̣ (F3)
Nhân tố Biên đô ̣ (F3) đa ̣i diê ̣n cho đô ̣ lê ̣ch biên đô ̣ trung bình của các giá tri ̣ thử nghiê ̣m không đa ̣t so với quy chuẩn nước ngầm QCVN 09:2008 Độ lệch tương đối của một thử nghiệm không đa ̣t tiêu chuẩn được xem là giá tri ̣ e (excursion) và đươ ̣c tính như sau:
Khi giá tri ̣ thí nghiê ̣m i không vượt quá tiêu chuẩn:
tiêu tri gia
i m nghiê thi tri gia
i chuâh
tiêu tri gia
e i
Số lươ ̣ng các mẫu thí nghiê ̣m thu thâ ̣p được ở trên được tính như sau:
m nghiê thi sô
Hê ̣ thống xếp ha ̣ng của giá tri ̣ các chỉ số :
Chỉ số WQI là mô ̣t số nằm trong khoảng từ 0 – 100 tương ứng với chất lươ ̣ng nước được sử du ̣ng cho từng mu ̣c đích cu ̣ thể như trong bảng sau:
Bảng IV 1 Hê ̣ thống xếp hạng của các giá tri ̣ chỉ số WQI
1 95 – 100 Rất tốt Chất lươ ̣ng nước không bao giờ hoă ̣c hiếm khi
vươ ̣t quá tiêu chuẩn
2 80 – 94,9 Tốt Chất lươ ̣ng nước hiếm khi vượt quá tiêu chuẩn ,
Trang 6TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
12 Nguyễn Văn Bảo, Q Gò Vấp, Tp HCM ĐT: 08.22167375 Fax: 08.35886369 6
nếu quá tiêu chuẩn cũng chỉ mang giá tri ̣ nhỏ
3 65 – 79,9 Khá tốt Chất lươ ̣ng nước đôi khi vượt quá tiêu chuẩn, nếu
quá tiêu chuẩn thì vượt xa so với tiêu chuẩn
4 45 – 64,9 Trung bình Chất lươ ̣ng nước thường vượt quá tiêu chuẩn và mức vượt đáng kể
5 0 – 44,9 Kém Chất lươ ̣ng nước thường xuyên vượt quá tiêu
chuẩn và mức vượt đáng kể
Nguồn: Theo “Canadian Council of Ministers of the Environment Water Quality Index”
IV.1.2 Mô hình lý tính đất
Dòng chảy trong đất được xét trong hai đới: bão hòa và không bão hòa: Trong vùng đất không bão hòa, dòng chảy theo phương thẳng đứng, hoàn toàn chảy qua các khoang nhỏ Dòng đối lưu được giới hạn trong khoang nhỏ Trong trường hợp này hoàn toàn không có sự trao đổi giữa các khoang lớn và khoang nhỏ
Trong vùng đất bão hòa, dòng đối lưu được xem như chảy hoàn toàn trong khoang lớn Dòng chảy trong khoang nhỏ do sự khuếch tán
Ta có phương trình liên tục:
)
(h
S z
Các giá trị K, θ, S là hàm số của h trong đó:
Hàm tương quan giữa hệ số thấm và độ ẩm:
Log (K(θ)) = bo + 0.4343*b1*Log (Se)
Trang 7TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
12 Nguyễn Văn Bảo, Q Gò Vấp, Tp HCM ĐT: 08.22167375 Fax: 08.35886369 7
Với:
r s
r Se
Hàm tương quan giữa thế hút nước và độ ẩm:
Log (h(θ)) = ao + 0.4343*a1*Log (θe/ θ)
Trong đó:
θ: độ ẩm tại điểm toán
θr: độ ẩm thường trú trong đất
θs: độ ẩm bão hòa đất
Các thông số bo, b1 và ao, a1 được xác định từ việc lập các hàm tương quan k(θ)
và h(θ) trong thí nghiệm các mẫu đất
Tốc độ hút nước của rễ liên quan đến bốc thoát hơi đất:
Smax = (ETP – EP)/Left
Hình IV 1: Biểu đồ tốc độ hút nước của rễ tương ứng với lượng hút nước của
đất
Lượng hút nước thực sự:
S(h) = Smax khi h2 < h < h1
)(
)()
(
3 2
3 max
h h
h h S h S
khi h3 < h < h2Trong đó:
Sma
x
h(cm)
S (day – 1)
Trang 8TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
12 Nguyễn Văn Bảo, Q Gò Vấp, Tp HCM ĐT: 08.22167375 Fax: 08.35886369 8
ETP (cm): bốc thoát hơi tiềm thế từ cây trồng và đất ETP được tính toán theo Penman (1984) hoặc Monteith (1965), Pitema (1995)…
EP (cm): bốc thoát hơi tiềm thế của đất dưới lớp phủ cây trồng theo Ritchei (1972)
Left: chiều sâu hữu hiệu của vùng rễ, thông thường Left = 30 cm cho phần lớn loại cây nông nghiệp
h: thế áp lực giữ nước của đất (cm)
h1: thế áp lực tại điểm bão hòa
h2: thế áp lực tại điểm giới hạn sự phát triển của cây trồng (1000 cm < h2
< 500 cm)
h3: thế áp lực tại điểm héo cây (2000 cm < h2 < 15000 cm)
Lượng nước chảy từ tần chứa nước vào kênh được tính từ công thức thực nghiệm của Ernt (1962)
IV.1.3 Tính toán vận tốc dòng chảy trong đất
Việc tính toán vận tốc dòng chảy trong đất cần 3 tập hợp dữ liệu vô hướng Từ đó có thể tạo một tập hợp dữ liệu vec tơ mô tả vận tốc thẩm thấu trong đất Các tập hợp cơ sở dữ liệu đầu vào ở đây là thế hút nước của đất, hệ số xốp và độ dẫn thủy lực hay hệ số thấm Các tính toán dựa trên định luật Darcy:
n
ki n
Trang 9TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
12 Nguyễn Văn Bảo, Q Gò Vấp, Tp HCM ĐT: 08.22167375 Fax: 08.35886369 9
Trong mô hình 3 chiều, hàm này trở thành:
y h
x h
k k k
k k k
k k k
v
v
v
zz zy zx
yz yy yx
xz xy xx
z y x
///
Nếu giả sử kx = ky = kh và kz = (hệ số anis)*kh thì hàm này được đơn giản thành:
y h
x h
k k k
v
v
v
z h h
z y x
///
00
00
00
Hoặc:
x
h k
Có thể tính giá trị dh/dx như sau:
2
1 1
1 1
jk i ijk
jk i ijk
ijk jk i
ijk jk i
x x
h h x x
h h
Trang 10TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
12 Nguyễn Văn Bảo, Q Gò Vấp, Tp HCM ĐT: 08.22167375 Fax: 08.35886369 10
Gradien ở các hướng khác được tính theo cách tương tự
IV.1.4 Vận chuyển chất 2 chiều và sự thấm hút bề mặt
Vấn đề điểm chuẩn này được tạo ra để kiểm tra khả năng của mô hình MT3DMS để mô phỏng quá trình vận chuyển chất tan trong hệ thống 2 chiều khi có mặt sự phân hủy bậc nhất và sự thấm hút bề mặt tuyến tính Hàm chủ đạo để giải quyết vấn đề này như sau (Zheng và Wang, 1999):
im im im im m m m m m m
m im im im t
C D t
C R
Trang 11TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
12 Nguyễn Văn Bảo, Q Gò Vấp, Tp HCM ĐT: 08.22167375 Fax: 08.35886369 11
Mô hình vận chuyện và dòng chảy số được phát triển sử dụng MODFLOW
2000 và MT3DMS Mô hình bao gồm 101 cột, 101 dòng và 2 lớp và được sử dụng
để giải quyết vấn đề so sánh với sự hòa tan đối với điều kiện ban đầu và điều kiện biên như được mô tả bên dưới Trong mô hình dòng chảy, cột đầu tiên và cuối cùng
là các biên thế hút nước hằng số Các thế hút nước bất kỳ được sử dụng để thiết lập gradient nước đồng nhất được yêu cầu Trong mô hình vận chuyển, cột đầu tiên là biên nồng độ hằng số với nồng độ có liên quan của một biên Cột cuối cùng phải đủ
xa từ nguồn đến 1 vùng dòng chảy 1 chiều nửa vô hạn khi được thực hiện trong quá trình hòa tan Các thông số trong mô hình được sử dụng trong quá trình mô phỏng được liệt kê bên dưới:
Độ rộng lưới theo dòng (∆x) = 10 m
Độ rộng lưới theo cột (∆y) = 1 m
Độ dày lớp (∆z) = 1m
Lưu lượng (lưu lượng Darcy) (q) = 0,06 m/ngày
Sự phân tán theo chiều dọc = 10 m
Hệ số thấm của vùng lưu động (θm) = 0.2
Hệ số thấm của vùng đứng yên (θim) = 0.05
Hệ số tốc độ vận chuyển chất giữa môi trường lưu động và đứng yên (ζ) =
10-3/ngày
Khoảng thời gian bắt đầu (t0) = 360 ngày
Tổng thời gian mô phỏng (t) = 3600 ngày
IV.2 Đa ́ nh giá chất lươ ̣ng môi trường nước ngầm ta ̣i khu vực nghiên cứu
Nhóm khảo sát đã tiến hành lấy 198 mẫu nước giếng khoan trên toàn vùng, chia làm 2 đợt vào mùa mưa và mùa khô Trên cơ sở đó, dựa vào cách tính chỉ số chất lượng nước (WQI) để đánh giá chung chất lượng nước ngầm của vùng
Trang 12TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
12 Nguyễn Văn Bảo, Q Gò Vấp, Tp HCM ĐT: 08.22167375 Fax: 08.35886369 12
Hình IV 2 Chất lượng nước ngầm vùng U Minh Thượng vào mùa mưa tính
theo WQI
Trang 13TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
12 Nguyễn Văn Bảo, Q Gò Vấp, Tp HCM ĐT: 08.22167375 Fax: 08.35886369 13
Hình IV 3 Chất lượng nước ngầm vùng U Minh Thượng vào mùa khô tính theo
WQI
Theo hình IV.1 có thể thấy chất lượng nước của vùng vào mùa mưa tương đối tốt Trong khi đó vào mùa khô, chất lượng nước có dấu hiệu xấu đi rõ rệt Vùng nước giếng khoan có chất lượng xấu chỉ tập trung tại 2 xã Hưng Yên và Đông Yên Vùng nước có chất lượng trung bình phân bố tương đối rộng lớn Vùng nước có
Trang 14TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
12 Nguyễn Văn Bảo, Q Gò Vấp, Tp HCM ĐT: 08.22167375 Fax: 08.35886369 14
chất lượng khá tốt chủ yếu phân bố ở huyện An Biên và phía Nam huyện U Minh Thượng
IV.3 Dư ̣ báo diễn biến chất lươ ̣ng môi trường nước ngầm ta ̣i khu vực nghiên cứu
Trên cơ sở các chỉ tiêu Fe2+, NH4+, Cl-, tiến hành mô phỏng dựa trên mô hình MT3DMS và MODFLOW Đề tài không thực hiê ̣n dự báo lan truyền của Al3+ và As
do có nồng đô ̣ thấp , khó có thể trình diễn được trên mô hình Mô hình được tiến hành trong điều kiện cố định các yếu tố có thể ảnh hưởng đến chất lượng nước
ngầm (xem như bằng 0) Mốc thời điểm để tiến hành dự báo chất lượng nước là tháng 12/2008 Thời điểm dự báo là 2 năm, tức là đến tháng 12/2010
IV.3.1 Quá trình lan truyền Fe 2+
Trong nước ngầm sắt tồn ta ̣i dưới da ̣ng Fe 2+
kết hợp với SO 42-, CO32-, Cldưới da ̣ng keo của axit humic hoă ̣c keo silic Nồng đô ̣ Fe2+ > 0,5 mg/l làm cho nước
-có mùi tanh, vàng quần áo, làm hỏng sản phẩm dệt , giấy, phim ảnh, đồ hô ̣p Că ̣n sắt kết tủa có thể làm tắc hoă ̣c giảm khả năng vâ ̣n chuyển của ống nước Theo QCVN 09:2008 thì hàm lượng Fe2+ trong nướ c ngầm phải nằm trong giới ha ̣n dưới 5 mg/l, tuy nhiên theo tiêu chuẩn vê ̣ sinh nước sa ̣ch của Bô ̣ Y tế 1329/2002/BYT/QÐ thì hàm lượng Fe2+ cho phép phải < 0,5 mg/l
