Nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất áp dụng cho đảo côn sơn tỉnh bà rịa vũng tàu

Đề tài mô phỏng hóa quá trình lan truyền chất ô nhiễm có nguồn gốc từ nước rỉ xác người đến tầng chứa nước dưới đất ngay dưới nghĩa trang trên cơ sở thiết lập phương pháp xác định thực n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ MINH TRANG

NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN Ô NHIỄM

TỪ NGHĨA TRANG ĐẾN TẦNG CHỨA NƯỚC DƯỚI ĐẤT

ÁP DỤNG CHO ĐẢO CÔN SƠN – TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ MINH TRANG

NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN Ô NHIỄM

TỪ NGHĨA TRANG ĐẾN TẦNG CHỨA NƯỚC DƯỚI ĐẤT

ÁP DỤNG CHO ĐẢO CÔN SƠN – TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU

Chuyên ngành: Kỹ thuật Tài nguyên Nước

Mã số chuyên ngành: 62580212

Phản biện độc lập 1: GS TS Nguyễn Thế Hùng

Phản biện độc lập 2: TS Phan Chu Nam

Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Hồng Quân

Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Chí Công

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Minh Trang

“Nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất – Áp dụng cho đảo Côn Sơn, tỉnh Bà rịa Vũng Tàu” được hình thành nhằm đánh giá và dự báo khả

năng lan truyền chất ô nhiễm phát thải từ nghĩa trang, điển hình tại nghĩa trang lâu năm Côn Đảo, đảo Côn Sơn, tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu

Đề tài mô phỏng hóa quá trình lan truyền chất ô nhiễm có nguồn gốc từ nước rỉ xác người đến tầng chứa nước dưới đất ngay dưới nghĩa trang trên cơ sở thiết lập phương pháp xác định thực nghiệm trong phòng thông số lan truyền chất ô nhiễm trong dung dịch đất tại nghĩa trang Đây là các hệ số quan trọng chi phối đến quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong đất và nước dưới đất Bên cạnh đó, đề tài đã áp dụng mô hình toán xác định được mức độ và phạm vi ảnh hưởng của chất ô nhiễm theo thời gian và không gian Kết quả nghiên cứu của đề tài đóng góp thêm cơ sở khoa học cho các cơ quan chủ quản trong việc quy hoạch, quản lý các nghĩa trang lâu năm và hỗ trợ các đơn vị quản

lý môi trường có thêm phương thức xác định – đánh giá được mức độ ô nhiễm của tầng chứa nước dưới đất nằm ngay dưới nghĩa trang

Từ các kết quả nghiên cứu, Luận án đóng góp được các tính khoa học mới như sau:

(1) Xác định giá trị các thông số lan truyền chất hòa tan trong dung dịch đất bằng phương pháp thực nghiệm trong quy mô phòng thí nghiệm kết hợp với ước tính tối ưu thông số bằng mô hình Hydrus 1D

(2) Đề xuất quy trình xác định sự lan truyền ô nhiễm trong tầng chứa nước dưới đất ở các khu vực khác Trong đó, việc ứng dụng quy trình xác định thực nghiệm các hệ số lan truyền chất ở các khu vực khác có thể được thực hiện trên cơ sở điều chỉnh các yếu

tố có tác động chính đến kết quả mô phỏng lan truyền, điển hình như các đặc tính địa chất – địa chất thủy văn của khu vực nghiên cứu; các bộ thông số đầu vào cho mỗi mô hình mô phỏng và các điều kiện mô hình

iii

ABSTRACT

The continuous discharge of contaminants from long-standing cemeteries into groundwater has been causing concerns about groundwater quality in particular and public health as well as water resources security in general Especially in the sea areas such as Con Son Island, Ba Ria Vung Tau Province, due to the limited reserves of surface water resources, the exploitation and supply of drinking water for the domestic demands of the island inhabitants depend deeply on groundwater Therefore, the thesis entitled "Research on the spread of pollution from graveyards to underground aquifers

- Applied to Con Son island, Ba Ria Vung Tau province" was formed in oder to evaluate and predict the contaminant transport from the cemetery, typical in Con Dao Cemetery located in Con Son Island, Ba Ria Vung Tau Province

The study is to simulate the contaminant transport from the leaking of human corpses down to groundwater aquifers directly underneath cemeteries on the basis of experimental setup to determine the contaminant transport coefficients in the cemetery soil These are important factors that influence the contaminant transport in soils and groundwater In addition, the study has applied the mathematical model to determine the extent and scope of contaminant effects over time and space Research results contribute additional scientific basis to regulatory agencies in the planning and management of the long-standing cemeteries and support for environmental management units with additional methods for evaluating of the pollution level of groundwater aquifers located directly under the cemeteries

From the results of the study, the thesis presents new scientific features as follows: (1) Determine the value of contaminant transport parameters in the soil solution by empirical method in a laboratory scale in combination with the parameter estimation optimization using the Hydrus 1D model

(2) Propose a general procedure for determining the ability of contaminant transport into groundwater aquifers in different areas In particular, the application of empirical determination of contaminant transport parameters in other areas can be done on the basis of adjusting the main effect factors on the simulation results, such as geological and hydro-geological characteristics of the study area; input parameters for each simulation model and model conditions

iv

LỜI CÁM ƠN

Luận án được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ tận tình của các Thầy hướng dẫn, các Thầy giảng viên Bộ môn Kỹ thuật và Quản lý Tài nguyên nước thuộc Khoa Kỹ thuật Xây dựng trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, các cán bộ quản lý tại Liên đoàn Quy hoạch

và Điều tra Tài nguyên nước Miền Nam, các cán bộ Trung tâm Thí nghiệm thuộc Viện Khoa học Thủy Lợi Miền Nam, các Thầy Cô giảng viên Khoa Kỹ thuật đô thị trường Đại học Kiến trúc Tp.HCM và gia đình Tác giả xin trân trọng cám ơn đến tất cả các cá nhân và tập thể đã giúp đỡ trong thời gian vừa qua:

 TS Lê Đình Hồng và PGS.TS Võ Khắc Trí đã tận tình hướng dẫn, bổ sung cập nhật những kiến thức, kinh nghiệm và điều kiện nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện Luận án

 Các Giảng viên tại Bộ môn Kỹ thuật và Quản lý Tài Nguyên nước thuộc Khoa

Kỹ thuật Xây dựng trường Đại học Bách Khoa và các cán bộ quản lý tại Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước Miền Nam đã hướng dẫn tận tình, cung cấp tài liệu và đóng góp ý kiến cho việc hoàn thành Luận án

 Các cán bộ Trung tâm Thí nghiệm thuộc Viện Khoa học Thủy Lợi Miền Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cũng như hỗ trợ khoa học giúp việc hoàn thành các thí nghiệm thực nghiệm

 Phòng Quản lý khoa học Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã hỗ trợ mọi cơ sở và điều kiện nghiên cứu tốt nhất, giúp tôi hoàn thành Luận án này

Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khách quan khác nhau, Luận án không tránh khỏi những thiết sót Tác giả mong muốn nhận được nhiều ý kiến đóng góp giúp cho Luận án được hoàn thiện hơn

v

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu 2

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

4 Đóng góp mới của luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 5

Tổng quan nghiên cứu ngoài nước 5

1.1.1 Lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất 5

1.1.2 Xác định thông số lan truyền chất hòa tan trong dung dịch đất 7

Tổng quan nghiên cứu trong nước 8

1.2.1 Lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất 9

1.2.2 Xác định thông số lan truyền chất hòa tan trong dung dịch đất 12

Đánh giá tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước 12

Kết luận Chương 1 14

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM 15

Cơ sở lý thuyết dòng chảy nước dưới đất 16

2.1.1 Phương trình dòng chảy nước dưới đất 17

2.1.2 Biên và điều kiện biên 17

2.1.3 Phương pháp giải 19

Cơ sở lý thuyết lan truyền chất ô nhiễm 23

2.2.1 Phương trình lan truyền chất ô nhiễm 23

2.2.2 Biên và điều kiện biên 25

2.2.3 Phương pháp giải 25

Cơ sở lý thuyết mô hình Hydrus 1D 28

2.3.1 Module dòng chảy nước dưới đất 29

2.3.2 Module lan truyền chất 30

2.3.3 Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên 32

2.3.4 Tối ưu các thông số 33

vi

Cơ sở về thực nghiệm lan truyền chất hòa tan trong các cột đất thực địa 37

2.4.1 Lý do thực hiện thí nghiệm 37

2.4.2 Mục tiêu thí nghiệm 38

2.4.3 Quy trình thí nghiệm 38

Kết luận Chương 2 43

CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG NGHIÊN CỨU CHO NGHĨA TRANG CÔN ĐẢO, ĐẢO CÔN SƠN, TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU 44

Lý do chọn lựa vùng áp dụng nghiên cứu 44

Tổng quan vùng áp dụng nghiên cứu 45

3.2.1 Vị trí địa lý và đặc điểm tự nhiên 45

3.2.2 Tổng quan về nguồn nước tại Thung lũng Côn Sơn 2005-2015 48

3.2.3 Đánh giá mức độ dễ tổn thương của tầng chứa nước dưới đất Côn Sơn 54

3.2.4 Đánh giá khả năng xâm nhập các chất ô nhiễm vào nước dưới đất 55

3.2.5 Hiện trạng ô nhiễm tại nghĩa trang Côn Đảo 55

Thực nghiệm xác định các thông số lan truyền chất trong nước dưới đất 57

3.3.1 Vị trí lấy mẫu 57

3.3.2 Đặc tính cơ lý của mẫu đất 58

3.3.3 Quy trình thí nghiệm 58

3.3.4 Kết quả thực nghiệm amoni trong các cột đất 59

Mô phỏng lan truyền amoni từ nghĩa trang Côn Đảo đến tầng chứa nước Pleistocen (2005-2015) 72

3.4.1 Sơ đồ hóa vùng lập mô hình 72

3.4.2 Dữ liệu đầu vào mô hình 74

3.4.3 Quy trình thực hiện 81

3.4.4 Hiệu chỉnh – kiểm định mô hình 83

3.4.5 Kết quả mô phỏng 86

Mô hình dự báo lan truyền amoni từ nghĩa trang Côn Đảo đến tầng chứa nước Pleistocen (2015-2050) 91

3.5.1 Các thông số đầu vào mô hình RT3D 2015-2050 91

3.5.2 Kết quả mô phỏng lan truyền amoni RT3D 2015-2050 92

Đánh giá độ nhạy của các thông số lan truyền chất 93

3.6.1 Khái niệm và phương pháp đánh giá 93

3.6.2 Trình tự đánh giá độ nhạy thông số lan truyền chất 94

vii

3.6.3 Kết quả đánh giá độ nhạy thông số lan truyền chất 95

Đề xuất quy trình xác định sự lan truyền ô nhiễm trong tầng chứa nước dưới đất ở các khu vực khác 98

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

PHỤ LỤC 109

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Sơ đồ cơ sở nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến NDĐ 15

Hình 2.2 Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa các mô hình số trong Luận án 16

Hình 2.3 Điều kiện biên loại II 18

Hình 2.4 Điều kiện biên tổng hợp trong MH DCNDĐ 18

Hình 2.5 Quy trình tính toán dòng chảy NDĐ cho bước thời gian bất kỳ 19

Hình 2.6 Ô lưới i, j, k (nút lưới đặt ở tâm ô lưới) và 6 ô bên cạnh 20

Hình 2.7 Hình minh họa thuật toán MMOC 27

Hình 2.8 Quy trình tính toán và dự báo mực NDĐ và lan truyền ô nhiễm trong NDĐ 27 Hình 2.9 Quy trình ước tính ngược thông số trong Hydrus 1D 33

Hình 2.10 Quy trình ước tính các thông số lan truyền chất 36

Hình 2.11 Phẫu diện đất tại trạm quan trắc CS9 39

Hình 2.12 Mô hình thực tế (a) 04 ống cột và sơ đồ thí nghiệm (b) 40

Hình 3.1 Phối cảnh Thung lũng Côn Sơn, Huyện Côn Đảo 45

Hình 3.2 Bản đồ vị trí các lỗ khoan quan trắc NDĐ trên Thung lũng Côn Sơn 47

Hình 3.3 Đồ thị sự thay đổi nồng độ N-NH4+ từ 2005 đến 2015 trong tầng Pleistocen tại các trạm quan trắc NDĐ của Thung lũng Côn Sơn 49

Hình 3.4 Đồ thị sự thay đổi nồng độ N-NO2- từ 2005 đến 2015 trong tầng Pleistocen tại các trạm quan trắc NDĐ của Thung lũng Côn Sơn 49

Hình 3.5 Đồ thị sự thay đổi nồng độ COD từ 2014 đến 2015 trong tầng Pleistocen tại các trạm quan trắc NDĐ của Thung lũng Côn Sơn 50

Hình 3.6 Nồng độ N-NH4+ tại trạm quan trắc NDĐ CO3 và trung bình của 07 trạm quan trắc NDĐ còn lại tại Thung lũng Cỏ Ống từ 2005 - 2015 51

Hình 3.7 Sơ đồ hóa vị trí nghĩa trang Côn Đảo và các trạm quan trắc NDĐ 56

Hình 3.8 Hình ảnh thực tế các mẫu đất khoan tại Thung lũng Côn Sơn 58

Hình 3.9 Quy trình thực nghiêm và ước tính thông số lan truyền amoni 59

Hình 3.10 Kết quả kiểm định ước tính ngược thông số lan truyền trên Cl- 61

Hình 3.11 Kết quả kiểm định ước tính ngược thông số lan truyền trên N-NH4+ 61

Hình 3.12 Đường cong Cl- theo số liệu thí nghiệm 62

Hình 3.13 Đường đẳng nhiệt hấp phụ tuyến tính của amoni trong đất Côn Sơn - TH1 64 Hình 3.14 Đường đẳng nhiệt hấp phụ amoni trong đất Côn Sơn 64

Hình 3.15 Đường cong amoni theo số liệu thí nghiệm và mô hình Hydrus 1D 66

Hình 3.16 Các đường cong amoni tương ứng với sự thay đổi lưu lượng dòng chảy (nhiệt độ t = 30 ± 2ºC, C0 = 100 ± 2mg/l) 69

Hình 3.17 Sơ đồ hóa vùng lập mô hình dòng chảy NDĐ 73

Hình 3.18 Sơ đồ hóa vị trí nghĩa trang Côn Đảo tại Thung lũng Côn Sơn 73

Hình 3.19 Sơ đồ thể hiện bộ thông số đầu vào mô hình dòng chảy NDĐ 74

Hình 3.20 Sơ đồ bộ thông số đầu vào mô hình lan truyền amoni 2005-2010 74

Hình 3.21 Sơ đồ thể hiện bộ thông số đầu vào mô hình lan truyền amoni 2010-2015 75 Hình 3.22 Bản đồ vị trí các điểm độ cao (a) và chiều sâu đáy lớp 1 (b) 75

ix

Hình 3.23 Lưới tính toán 2 chiều - 2D Grid (a) và 3 chiều - 3D Grid (b) 76

Hình 3.24 Bản đồ phân bố các thông số ĐCTV lớp 1 (a) và lớp 2 (b) 76

Hình 3.25 Bản đồ phân vùng bổ cập - bốc hơi (a) và vị trí các giếng khai thác (b) 77

Hình 3.26 Bản đồ các loại biên sử dụng cho MH DCNDĐ 80

Hình 3.27 Bản đồ các loại biên sử dụng cho mô hình lan truyền amoni 80

Hình 3.28 Điều kiện về nồng độ amoni ban đầu cho mô hình hiệu chỉnh 2005-2010 81

Hình 3.29 Quy trình thực hiện mô phỏng dòng chảy NDĐ 82

Hình 3.30 Sơ đồ các bước mô phỏng lan truyền amoni từ nghĩa trang Côn Đảo 82

Hình 3.31 Đồ thị cao trình mực NDĐ quan trắc - tính toán tại CS9 2005-2015 84

Hình 3.32 Đồ thị cao trình mực NDĐ quan trắc - tính toán tại CS11 2005-2015 84

Hình 3.33 Cao trình mực nước tầng Pleistocen tháng 04/2006 và 09/2006 87

Hình 3.34 Cao trình mực nước tầng Pleistocen tháng 04/2010 và 09/2010 87

Hình 3.35 Cao trình mực nước tầng Pleistocen tháng 09/2014 và 04/2015 87

Hình 3.36 Mô phỏng lan truyền và phân bố nồng độ amoni theo mặt cắt Đông Tây (a) và Nam Bắc (b) vào năm 2006 90

Hình 3.37 Mô phỏng lan truyền và phân bố nồng độ amoni theo mặt cắt Đông Tây (a) và Nam Bắc (b) vào năm 2010 91

Hình 3.38 Mô phỏng lan truyền và phân bố nồng độ amoni theo mặt cắt Đông Tây (a) và Nam Bắc (b) vào năm 2015 92

Hình 3.39 Mô phỏng lan truyền amoni từ 2005-2015 93

Hình 3.40 Mô phỏng sự hấp phụ và phân bố nồng độ amoni bị hấp phụ theo mặt cắt Đông Tây (a) và Nam Bắc (b) vào năm 2006 93

Hình 3.41 Mô phỏng sự hấp phụ và phân bố nồng độ amoni bị hấp phụ theo mặt cắt Đông Tây (a) và Nam Bắc (b) vào năm 2015 89

Hình 3.42 Vị trí và tọa độ 05 ô lưới trong nghĩa trang Côn Đảo 89

Hình 3.43 Đồ thị suy giảm nồng độ amoni từ nghĩa trang Côn Đảo 2005-2015 90

Hình 3.44 Sơ đồ thể hiện bộ thông số đầu vào mô hình RT3D 2015-2050 91

Hình 3.45 Diễn biến quá trình suy giảm nồng độ amoni từ sau năm 2015 tại khu vực nghĩa trang Côn Đảo 92

Hình 3.46 Tổng quát quy trình thực hiện nghiên cứu lan truyền ô nhiễm 100

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu về việc xác định thông số lan truyền

chất hòa tan trong dung dịch đất 7

Bảng 1.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu về lan truyền ô nhiễm từ các bãi chôn lấp chất thải và rác thải 11

Bảng 2.1 Yêu cầu về bộ thông số các mô hình toán số trong phân mềm GMS 28

Bảng 2.2 Các bước xác định giá trị θ và h 30

Bảng 2.3 Các thông số của mô hình cân bằng và không cân bằng hóa học hai vị trí 35

Bảng 2.4 Các đặc tính cơ bản của bốn ống cột thí nghiệm 38

Bảng 2.5 Nồng độ các chất thí nghiệm đầu vào các ống cột đất Côn Sơn 41

Bảng 3.1 Bảng thống kê các chỉ tiêu vượt QCVN 09:2015/BTNMT vào mùa mưa (10/2014) và mùa khô (04/2015) tại Thung lũng Côn Sơn 48

Bảng 3.2 Bảng thống kê nồng độ N-NH4+ giữa các trạm tại Thung lũng Côn Sơn 50

Bảng 3.3 Bảng tổng hợp kết quả phân tích nồng độ các chất gây ô nhiễm NDĐ tại Trạm quan trắc CS9 và toàn Thung lũng Côn Sơn theo 04 giai đoạn 56

Bảng 3.4 Đặc tính cơ lý đất Côn Sơn 58

Bảng 3.5 Kết quả tối ưu thông số đặc tính đất Côn Sơn trong Hydrus 1D 60

Bảng 3.6 Bảng thống kê các thông số phản ứng đầu trong Hydrus 1D 60

Bảng 3.7 Khối lượng amoni bị hấp phụ trong sáu ống cột đất - Trường hợp 1 63

Bảng 3.8 Các thông số lan truyền amoni ước tính theo mô hình cân bằng và không cân bằng hóa học I với các nồng độ amonikhác nhau - Trường hợp 1 65

Bảng 3.9 Khối lượng amoni bị hấp phụ khi lưu lượng dòng chảy và thời gian tiếp xúc thay đổi (nồng độ N-NH4+=100 ± 2 mg/l) 68

Bảng 3.10 Các thông số lan truyền amoni ước tính theo mô hình không cân bằng hóa học II với các lưu lượng dòng chảy khác nhau - Trường hợp 2 68

Bảng 3.11 Bảng so sánh kết quả ước tính các thông số lan truyền giữa một số nghiên cứu lan truyền ô nhiễm trong NDĐ 70

Bảng 3.12 Kết quả hiệu chỉnh thông số mô hình dòng chảy NDĐ 2005-2015 83

Bảng 3.13 Kết quả hiệu chỉnh thông số đầu vào mô hình RT3D 2005-2010 85

Bảng 3.14 Bảng thống kê sai số trên mô hình lan truyền amoni 2005-2010 85

Bảng 3.15 Bảng thống kê sai số trên mô hình RT3D 2010-2015 86

Bảng 3.16 Các thông số thành phần hình thành trữ lượng NDĐ vào 2014-2015 89

Bảng 3.17 Thuộc tính tầng chứa nước Côn Sơn tại nghĩa trang Côn Đảo 94

Bảng 3.18 Giá trị của các thông số khác nhau cho các biến thiên -10% ÷ +10% 94

Bảng 3.19 Độ nhạy (∑∆C2) trong mô phỏng biến thiên -10% ÷ -5% 95

Bảng 3.20 Độ nhạy (∑∆C2) trong mô phỏng biến thiên +5% ÷ +10% 96

Bảng 3.21 Bảng so sánh độ nhạy của 03 thông số lan truyền amoni (λ, K d và α) 96

𝜕𝑡 Đạo hàm riêng phần theo thời gian t (1/s)

Kxx, Kyy, Kzz Hệ số thấm theo phương x, y, z (m/ngày)

Values of hydraulic conductivity along the x, y, z coordinate axes

h Tổng cột nước so với mặt chuẩn (m)

Head

Specific storage coefficient of the aquifer

qs hay S Lưu lượng thêm vào/mất đi trên một đơn vị thể tích (m3/m3.ngày)

Volumetric flow rate per unit volume of aquifer representing fluid sources (positive) and sinks (negative)

Volumetric water content

Cs Nồng độ mất đi hoặc được bổ sung của chất ô nhiễm (mg/l)

Concentration of source/sink

vi Vận tốc dòng chảy qua lỗ rỗng (m/ngày)

Linear pore water velocity

R Nhân tố làm chậm quá trình lan truyền ô nhiễm

xii

CS1, CS2 Khối lượng chất ô nhiễm bị hấp phụ tại vị trí I và II (mg/kg)

Sorbed concentration in site I and site II

Nghĩa trang Côn Đảo có lịch sử hình thành lâu đời và là nghĩa trang lớn nhất trên Đảo Côn Sơn Do nghĩa trang nằm trong khu vực bao gồm các loại đất cát bở rời, ngay trên tầng chứa nước mà không có lớp sét ngăn cách nên nước rỉ xác từ nghĩa trang lan truyền

ô nhiễm đến tầng chứa nước nằm bên dưới là có thể xảy ra Vì vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất – Áp dụng cho Đảo Côn Sơn, tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu” được hình thành nhằm đánh giá mức độ tác động của

nghĩa trang đến chất lượng nguồn NDĐ

Đề tài mô phỏng con đường lan truyền chất ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng NDĐ trên

cơ sở xác định thông số đầu vào mô hình mô phỏng - các hệ số lan truyền chất ô nhiễm trong dung dịch đất tại nghĩa trang, bằng phương pháp thực nghiệm trong phòng Phương pháp này ít được sử dụng ở Việt Nam, bởi vì đối với các công trình nghiên cứu lan truyền chất có quy mô lớn hay các khu vực nghiên cứu có sẵn các bãi giếng quan trắc hoặc được đầu tư kinh phí để thực hiện các công tác khoan, bơm thí nghiệm thì kỹ thuật thực nghiệm tại hiện trường thường được ưu tiên sử dụng và đưa đến kết quả có giá trị thực tiễn cao Trong trường hợp các vùng nghiên cứu không có điều kiện bố trí thực nghiệm hiện trường và kinh phí nghiên cứu hạn hẹp như tại nghĩa trang Côn Đảo thì phương pháp thực nghiệm trong phòng là một trong những phương pháp nghiên cứu phù hợp và cho kết quả tin cậy

Dựa trên kết quả xác định khả năng lan truyền ô nhiễm phát thải từ nghĩa trang, đề tài cũng đề xuất quy trình xác định sự lan truyền ô nhiễm trong tầng chứa NDĐ trên cơ sở điều chỉnh các dữ liệu hoặc các bước thực nghiệm với mục tiêu phù hợp với từng khu

2

vực cụ thể Trong đó, việc đề xuất ứng dụng phương pháp xác định thực nghiệm các hệ

số lan truyền chất ở các khu vực khác nhau là điều hữu ích khi có thể xây dựng bảng tham khảo giá trị các hệ số lan truyền chất trên các dạng địa chất – chất ô nhiễm khác biệt

Kết quả nghiên cứu của đề tài đóng góp thêm cơ sở khoa học cho các cơ quan chủ quản trong việc quy hoạch, quản lý các nghĩa trang lâu năm và hỗ trợ các đơn vị quản lý môi trường có thêm phương thức đánh giá và dự báo được mức độ ô nhiễm của tầng chứa NDĐ nằm ngay dưới nghĩa trang

2 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

a Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định thông số lan truyền chất ô nhiễm;

- Đánh giá và dự báo mức độ lan truyền chất ô nhiễm vào dung dịch đất nghĩa trang

b Nội dung nghiên cứu

Luận án bao gồm 02 nội dung nghiên cứu chính:

(1) Thực nghiệm xác định các hệ số lan truyền chất ô nhiễm trong dung dịch đất nghĩa trang bằng phương pháp thực nghiệm lan truyền chất trên các cột đất thực địa trong quy

mô phòng thí nghiệm, kết hợp với phương pháp ước tính tối ưu thông số lan truyền chất trên mô hình Hydrus 1D;

(2) Ứng dụng phần mềm GMS 10.0 để đánh giá và dự báo mức độ lan truyền chất ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa NDĐ

Bố cục của luận án gồm các phần sau:

- Phần Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan nghiên cứu

- Chương 2: Cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

- Chương 3: Áp dụng nghiên cứu cho nghĩa trang Côn Đảo, Đảo Côn Sơn, Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu

- Kết luận và kiến nghị

Bản phụ lục gồm các hình ảnh và bảng biểu bổ sung của các mô hình mô phỏng

c Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong Luận án bao gồm:

3

 Phương pháp mô phỏng số

Sử dụng các module MODFLOW và RT3D thuộc phần mềm GMS để mô phỏng mô hình dòng chảy NDĐ, mô hình lan truyền ô nhiễm và mô hình Hydrus 1D nhằm xác định các hệ số lan truyền ô nhiễm từ dữ liệu thực nghiệm

 Phương pháp thực nghiệm trong phòng

Thực nghiệm quá trình lan truyền chất hòa tan trong các ống cột đất 1D nhằm mô phỏng

và xác định thời gian và nồng độ chất hòa tan lan truyền trong các ống cột đất Kết quả thực nghiệm là cơ sở quan trọng nhằm ước tính các hệ số lan truyền cũng như đánh giá được năng lực hoạt động của dung dịch đất nghĩa trang

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a Ý nghĩa khoa học

- Bước đầu tiếp cận phương pháp xác định thông số lan truyền chất của một tầng chứa nước lỗ hổng bằng thực nghiệm trong phòng để làm dữ liệu đầu vào cho một mô hình lan truyền chất trong điều kiện không có thí nghiệm hiện trường

- Vận dụng mô hình Hydrus 1D để tối ưu hóa việc tìm nghiệm bài toán phi tuyến do phụ thuộc nhiều yếu tố (tham số)

- Áp dụng phần mềm GMS để mô phỏng hệ thống NDĐ cho khu vực nghĩa trang Côn Đảo và vận dụng kết quả mô phỏng này để tìm lời giải bài toán lan truyền chất nhằm dự báo ô nhiễm nguồn NDĐ cho các khu vực khác

b Ý nghĩa thực tiễn

- Phương pháp thực nghiệm được trình bày trong Luận án có thể ứng dụng, thực hiện ở các khu vực khác có điều kiện địa chất thủy văn tương tự và chưa có thí nghiệm hiện trường

- Kết quả dự báo mức độ lan truyền chất amoni N-NH4+ là thông tin hữu ích cho các nhà quản lý và quy hoạch định hướng khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên NDĐ trên địa bàn đảo Côn Sơn như: khoanh định vùng cấm và hạn chế khai thác NDĐ, vùng cần bảo vệ

vệ sinh, … theo Thông tư quy định của Bộ Tài nguyên và Môi trường đã ban hành

4 Đóng góp mới của luận án

(1) Xác định giá trị các thông số lan truyền chất hòa tan trong dung dịch đất bằng phương pháp thực nghiệm trong quy mô phòng thí nghiệm kết hợp với ước tính tối ưu thông số bằng mô hình Hydrus 1D

4

Luận án thực hiện nghiên cứu sâu và cung cấp dữ liệu mới về các hệ số lan truyền amoni trong đất pha cát như Đảo Côn Sơn, Huyên Côn Đảo Các hệ số lan truyền amoni bao gồm: hệ số phân tán – độ phân tán, hệ số phân vùng hấp phụ và hệ số chuyển đổi chất Đây là các hệ số có vai trò quan trọng và tính chủ đạo trong bài toán lan truyền amoni

từ nghĩa trang Côn Đảo xuống tầng chứa nước Pleistocen tại Thung lũng Côn Sơn Phương pháp ước tính các hệ số lan truyền amoni được đề xuất thực hiện nghiên cứu trong Luận án là phương pháp thực nghiệm lan truyền chất trên các cột đất thực địa thu nhỏ theo tỷ lệ xác định trong quy mô phòng thí nghiệm kết hợp với phương pháp ước tính ngược thông số của mô hình Hydrus 1D

Giá trị của các hệ số lan truyền amoni được xác định trong Luận án là các dữ liệu khoa học cụ thể của một vùng nghiên cứu – nghĩa trang Côn Đảo và phương thức đề xuất trong Luận án để xác định các hệ số này sẽ là cơ sở để phát triển chuyên sâu các nghiên cứu lan truyền chất ô nhiễm có nguồn gốc từ nghĩa trang nói riêng hay các bãi chôn lấp chất thải nói chung

(2) Đề xuất quy trình tổng quát xác định sự lan truyền ô nhiễm trong tầng chứa nước dưới đất ở các khu vực khác Trong đó, việc ứng dụng quy trình xác định thực nghiệm

các hệ số lan truyền chất ở các khu vực khác có thể được thực hiện trên cơ sở điều chỉnh các bộ thông số đầu vào cho mỗi mô hình mô phỏng

5

Tổng quan nghiên cứu ngoài nước

1.1.1 Lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất

Trên thế giới hiện có ít nghiên cứu cụ thể về tình trạng ô nhiễm của nghĩa trang đến chất lượng của NDĐ Các nghiên cứu và báo cáo về khả năng ô nhiễm NDĐ xuất phát điểm

từ sự tác động của các nghĩa trang phần lớn xảy ra tại khu vực có tầng NDĐ nông, được bao bọc bởi vùng không bão hòa mỏng bao gồm các tầng cát mịn, cát hạt, cát pha sét hoặc cát pha sỏi và chỉ có một số báo cáo chỉ ra tình hình ô nhiễm NDĐ tại một số khu vực nghĩa trang có cấu tạo địa tầng phía dưới là từ đất đá đứt gãy hoặc đá vôi Nguyên nhân chính dẫn đến khả năng lan truyền ô nhiễm từ các ngôi mộ xuống tầng chứa NDĐ tại các khu vực kể trên là do cấu tạo hạt của các lớp địa tầng có độ thẩm thấu cao và khả năng lưu giữ chất ô nhiễm kém Bên cạnh đó vẫn còn nhiều nguyên do khác đã hỗ trợ đắc lực cho quá trình lan truyền ô nhiễm, ví dụ như bổ cập tự nhiên từ mưa, xả thải tập trung…

Một số công trình nghiên cứu ngoài nước điển hình về ô nhiễm từ nghĩa trang như sau:

- Đề tài “Đánh giá sự ô nhiễm nguồn NDĐ từ một số nghĩa trang ở Hà Lan” của tác giả Van Haaren F.W.J được thực hiện vào năm 1951 được xây dựng dựa trên hai yếu

tố: (a) Các kết quả giám định tử thi và (b) Các kết quả phân tích tính chất hóa lý sinh của đất trong và xung quanh các nghĩa trang Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài bao gồm: phân tích thành phần cấu tạo sinh học của một tử thi nam 70kg điển hình; phân định các yếu tố sinh lý hóa ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học xác người

và khảo sát địa chất và phân tích hóa lý sinh các mẫu đất tại các nghĩa trang Kết quả nghiên cứu đã xác nhận nghĩa trang là một dạng bãi chôn lấp đặc biệt, có khả năng lan truyền ô nhiễm nước rỉ xác người ra môi trường xung quanh Ưu điểm của nghiên cứu này là vận dụng kết hơp cơ sở khoa học thuộc lĩnh vực pháp y và địa chất thủy văn để xác định được nồng độ các chất ô nhiễm phát thải từ một thân thể chết theo thời gian vào trong môi trường đất cũng như phân tích các yếu tố khách quan và chủ quan ảnh hưởng đến quá trình phân hủy xác người Tuy nhiên, nghiên cứu này chưa định lượng mức độ lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến môi trường đất và NDĐ ngay tại và xung quanh các nghĩa trang nghiên cứu

6

- Đề tài “Nghiên cứu ô nhiễm nghĩa trang đến môi trường tại Úc” của các tác giả Dent

B B và Knight M J được thực hiện vào năm 1996 và 1998 được thực hiện theo phương

pháp điều tra hiện trạng và quan trắc chất lượng NDĐ trong vùng bão hòa và không bão hòa tại 09 nghĩa trang trên toàn nước Úc Đề tài đã tiến hành lấy 305 mẫu được lấy từ

83 giếng và ao hồ nằm rải rác trong các nghĩa trang và phân tích chất lượng NDĐ của các mẫu này theo 38 chỉ tiêu hóa vô cơ và 05 chỉ tiêu vi sinh, nhằm phân tích mức độ tác động từ sự hiện diện của xác người trong đất đến tầng chứa NDĐ Bên cạnh kết quả xác định được sự hiện diện của các nhóm sản phẩm phân hủy có nguồn gốc từ nitơ, phốt pho, Na, Mg, Sr, Cl và SO4, thì điểm nổi bật của nghiên cứu bao gồm: (a) Đánh giá được mức độ tác động ô nhiễm của nghĩa trang đến môi trường thông qua hoạt động của vi sinh vật gây bệnh, sự lan truyền của các kim loại nặng, các dưỡng chất có trong nước rỉ xác người; (b) Xác định khả năng gây ô nhiễm của nghĩa trang đến tầng chứa NDĐ tùy thuộc vào vị trí xây dựng nghĩa trang và quy trình quản lý – vận hành nghĩa trang có đảm bảo quy định bảo vệ môi trường hay không Giới hạn của đề tài là chưa đề cập sự lan truyền ô nhiễm theo không gian và thời gian

- Đề tài “Tiềm năng ô nhiễm nghĩa trang” của tác giả Young C P và cộng sự được thực hiện vào năm 1999 đề cập đến hướng tiếp cận nhất quán khi đánh giá các rủi ro

liên quan đến việc quy hoạch và phát triển nghĩa trang tại Anh, bao gồm các rủi ro tiềm

ẩn đối với NDĐ, nước mặt, đất và không khí Phương pháp nghiên cứu được sử dụng gồm: (a) Mô phỏng thí nghiệm và định lượng các rủi ro ô nhiễm thực tế trên cơ sở tham khảo số liệu từ mộ số trường hợp ô nhiễm nghĩa trang đã được công bố tại Anh; (b) Thu thập và đối chiếu các phương pháp đánh giá và quản lý rủi ro ô nhiễm nghĩa trang được

sử dụng tại các Cơ quan Môi trường khác nhau của Anh Ưu điểm của nghiên cứu là xác định và mô tả chi tiết các yếu tố cần xem xét khi đánh giá tác động tiềm năng ô nhiễm của nghĩa trang và từ đó đề xuất quy trình đánh giá nhất quán các rủi ro khi mở rộng hoặc phát triển các nghĩa trang theo tiêu chí giảm thiểu tác động ô nhiễm đến môi trường

- Đề tài “Đánh giá mức độ dễ ô nhiễm của nguồn NDĐ nằm ngay dưới các ngôi mộ xanh ở Anh và xứ Wales” của các tác giả Hart A và Casper S được thực hiện vào năm

2004 đã tiến hành khảo sát thực tế tình trạng ô nhiễm tại 49 ngôi mộ xanh tại Anh và xứ

Wales từ 2001 – 2004 thông qua việc quan trắc địa chất thủy văn tại một số lỗ khoan nằm bên trong và bên ngoài chu vi các nghĩa trang Kết quả nghiên cứu đã xác định được nồng độ các chất ô nhiễm vượt trội và xây dựng bảng đánh giá mức độ nhạy cảm

7

với ô nhiễm tại các nghĩa trang xanh Điểm khác biệt của nghiên cứu này so với các nghiên cứu trước đây là ở đối tượng nghiên cứu: các ngôi mộ xanh – một hình thức chôn cất người mất trong các quan tài bằng giấy cứng hoặc vật liệu nhẹ, dễ phân hủy và không tiến hành ướp xác bằng formaldehyde – một chất gây độc hại môi trường như các phương pháp chôn cất truyền thống Tuy với hình thức chôn cất xanh nhưng kết quả nghiên cứu đã xác định tiềm năng ô nhiễm từ các nghĩa trang xanh vẫn tồn tại và mức

độ nhạy cảm ô nhiễm của mỗi nghĩa trang xanh phụ thuộc nhiều vào yếu tố địa chất khu vực chôn cất cũng như cường độ mưa – tác nhân góp phần đẩy dòng ô nhiễm từ nước rỉ xác di chuyển nhanh hơn xuống tầng NDĐ bên dưới

- Đề tài “Nghiên cứu về tiềm năng ô nhiễm NDĐ từ nghĩa trang Beheshte – Tehran – Iran” của các tác giả Sanaz Khorami Pour và Seyed Mostafa Khezri được thực hiện vào năm 2010 đã phân tích chất lượng các mẫu NDĐ theo hướng dòng chảy NDĐ tại nghĩa

trang Kết quả nghiên cứu đã xác định các tác nhân hỗ trợ lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang trên cơ sở so sánh kết quả phân tích mẫu NDĐ với một số yếu tố như khoảng cách

từ huyệt chôn lấp đến mực NDĐ khoảng cách từ nghĩa trang đến các điểm khai thác NDĐ, khoảng cách từ nghĩa trang đến nguồn nước mặt và các nguồn nước sử dụng khác, địa chất của tại các huyệt chôn lấp trong nghĩa trang và khu vực xung quanh nghĩa trang, lượng mưa tại khu vực nghiên cứu, địa hình-địa chất thủy văn của khu vực nghiên cứu

1.1.2 Xác định thông số lan truyền chất hòa tan trong dung dịch đất

Trên thế giới, việc xác định thông số lan truyền của các chất hòa tan khác nhau trong các loại đất tương ứng khác nhau được ghi nhận từ thập kỷ 80 thế kỷ 20 Điểm nổi bật trong các nghiên cứu liên quan đến việc xác định thông số lan truyền là ở phương pháp xác định các thông số này phần lớn là sự kết hợp giữa việc thực hiện thí nghiệm lan truyền chất hòa tan trên các ống cột đất trong phòng thí nghiệm hoặc ngay tại lỗ khoan hiện trường và sử dụng các phương pháp đo lường hàng loạt hay phương pháp tính toán phần tử hữu hạn - sai phân hữu hạn cũng như các phần mềm hỗ trợ tính toán

Một số nghiên cứu ngoài nước điển hình liên quan đến việc xác định thông số lan truyền chất hòa tan trong dung dịch đất được trình bày trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu về việc xác định thông số lan truyền

chất hòa tan trong dung dịch đất STT Năm Tác giả Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu

8

và cộng

sự

Br-, NO3-) trong các cột đất không bị xáo trộn từ hai lưu vực sông đối lập

kết hợp phương pháp đo lường hấp phụ hàng loạt mức độ hấp phụ các ion trong đất

H.M

Selim và cộng sự

Mô phỏng lan truyền của Cadium (Cd) trong đất

Thí nghiệm hấp phụ hàng loạt phụ thuộc vào thời gian và thí nghiệm chuyển dịch Cd trong các cột đất

Andrew Binley và cộng sự

Kiểm định sự lan truyền chất hòa tan trong cột đất không bị xáo trộn

Thăm dò điện trở và chụp mặt cắt ảnh điện

Meng Mao và

Li Ren

Mô phỏng lan truyền không cân bằng chất Atrazine (thành phần trong thuốc diệt cỏ) trong đất bão hòa tại Trung Quốc

Thí nghiệm trên các cột đất trong phòng thí nghiệm kết hợp phần mềm tính toán CXTFIT 2.0

S.A

heri

Mirbag-Mô phỏng lan truyền các chất hóa học có chứa gốc Selenium (Se)

Thí nghiệm trên các cột đất trong phòng thí nghiệm kết hợp phần mềm tính toán LEACHIM

S Jellali,

N Jedidi and H

Kallali

Đánh giá mức độ hấp phụ amoni trong dung dịch đất và NDĐ tại bãi rác Souhil Wadi, Tunisia

Thí nghiệm lan truyền amoni trên các cột đất thực địa

Joumana Abou Nahra

Mô phỏng lan truyền photphat PO4 (thành phần trong phân bón) trong đất và nước

Thí nghiệm trên các cột đất trong phòng thí nghiệm kết hợp phần mềm HYDRUS-NICA và HYDRUS-1D

Thí nghiệm trên các cột đất trong phòng thí nghiệm kết hợp phần mềm HYDRUS-1D

Francisco Suarez và cộng sự

Nghiên cứu lan truyền Simazine (thành phần trong thuốc diệt cỏ) trong đất cát không bão hòa tại Chilê

Thí nghiệm trên các cột đất trong phòng thí nghiệm kết hợp phần mềm HYDRUS-1D

10 2014 Shuang

Ye Qiao

Mô phỏng lan truyền photpho (P) trong đất bùn sét phía Tây Ontario, Canada

Thí nghiệm tại các lỗ khoan quan sát hiện trường kết hợp phần mềm HYDRUS 2D/3D

11 2017

K Jha Ranjeet

và cộng

sự

Mô phỏng lan truyền nitơ (N) (thành phần trong phân bón) trong hệ thống đất-lúa-không khí

Thí nghiệm lysimeter kết hợp phần mềm HYDRUS-1D

Tuy nhiên, với đặc thù địa chất từng vùng nghiên cứu không giống nhau cũng như sự khác biệt giữa các phương pháp đo lường hay phần mềm hỗ trợ tính toán đã cho thấy khoảng giá trị thông số lan truyền tương ứng khác nhau ngay cả trên cùng một dạng chất hòa tan

9

Tổng quan nghiên cứu trong nước

1.2.1 Lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất

Tại Việt Nam, trước năm 2018, thông tin về các nghiên cứu trong nước có liên quan đến vấn đề ô nhiễm nguồn NDĐ tại các nghĩa trang hiện chưa được tìm thấy

Trong năm 2018, Liên Đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước Miền Nam đã thực hiện nghiên cứu lan truyền chất tại hai nghĩa trang Bình Hưng Hòa và nghĩa trang Đình

Vĩnh Nghiêm trong đề án “Bảo vệ nước ở các đô thị lớn giai đoạn I” – Khu vực thực hiện “Đô thị TP.HCM” do TS Phan Chu Nam là chủ nhiệm đề tài Trong nghiên cứu

này, các tác giả đã thực hiện công tác khoan, bơm, thí nghiệm mẫu nước và thả chất chỉ thị (NaCl) tại hiện trường để xác định các chất có nguy cơ gây nhiễm bẩn, đồng thời phân tích và xác định các thông số địa chất thủy văn gồm vận tốc nước lỗ rỗng, hệ số độ

lỗ rỗng hữu hiệu và hệ số phân tán của các tầng chứa nước qp3, qp2-3 Phương pháp nghiên cứu bao gồm phương pháp thực nghiệm hiện trường và phương pháp mô phỏng

số trên phần mềm GMS Kết quả mô phỏng mô hình lan truyền chất ô nhiễm trong NDĐ tại hai nghĩa trang cụ thể như sau:

- Nghĩa trang Bình Hưng Hòa: Nếu tồn tại chất ô nhiễm (chất trơ) tại bãi chôn lấp trong

khu vực nghĩa trang Bình Hưng Hòa trong thành tạo nghèo nước Q3, thì sau thời gian 1,5 năm, chất ô nhiễm sẽ đi vào tầng chứa nước qp3 và hướng di chuyển theo hướng Tây Bắc (hướng dòng chảy NDĐ tầng qp3) Nồng độ chất ô nhiễm lớn nhất tồn tại trong tầng chứa nước qp3 sau thời gian 10 năm và giảm dần theo thời gian do hiện tượng pha loãng Chất ô nhiễm sẽ di chuyển đồng thời theo hai phương, phương ngang và phương thẳng đứng Việc di chuyển theo phương thẳng đứng là điều đáng lo ngại, điều này cho thấy rằng bản thân các tầng cách nước không có khả năng bảo vệ cho các tầng chứa nước bên dưới Đồng thời, khi chất ô nhiễm đi vào tầng chứa nước có tốc độ khai thác lớn, sẽ làm cho chất ô nhiễm dễ lan rộng hơn

- Nghĩa trang Đình Vĩnh Nghiêm: Nếu tồn tại chất ô nhiễm (chất trơ) tại bãi chôn lấp

trong khu vực nghĩa trang Đình Vĩnh Nghiêm, chất ô nhiễm sẽ từ thành tạo nghèo nước

Q1 đi vào tầng chứa nước qp3 bên dưới, quá trình này diễn ra khá chậm và nồng độ vẫn nằm trong giới hạn cho phép đến năm 2030, điều này có thể giải thích từ 3 nguyên nhân

cơ bản: (1) có thể là do thành tạo nghèo nước Q1 có chiều dày khá lớn từ 10 – 12m; (2)

do đặc tính phân tán của thành tạo nghèo nước Q1 khá nhỏ và (3) diện tích khu vực chôn lấp nhỏ, nên khối lượng chất ô nhiễm không đủ để ảnh hưởng trên một diện rộng

10

Kết luận sơ bộ từ nghiên cứu là khả năng bảo vệ của thành tạo nghèo nước Q1 trong khu vực này là khá tốt, song việc chôn lấp trực tiếp vào thành tạo nghèo nước Q1 cần phải xem xét vì khả năng gây tổn thương tầng chứa nước bên dưới là hiện hữu

Nghiên cứu lan truyền chất từ hai nghĩa trang Bình Hưng Hòa và nghĩa trang Đình Vĩnh Nghiêm là một phần nội dung trong đề án nghiên cứu cấp Bộ và nhận được sự đầu tư của Nhà nước về kinh phí thực hiện nên phương pháp thực nghiệm hiện trường được sử dụng trong đề án là phương pháp nghiên cứu chuẩn và tiên tiến Vì vậy, kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao khi đã chỉ ra nguy cơ và con đường lan truyền chất ô nhiễm theo nguồn nước đi vào các tầng chứa nước với một chất trơ Đồng thời, nghiên cứu đã đánh giá được tốc độ truyền tải chất ô nhiễm dưới tác động của hoạt động khai thác đến khả năng di chuyển của chất bẩn theo các phương án khai thác NDĐ trong tương lai theo Quy hoạch khai thác sử dụng tài nguyên NDĐ tại thành phố Hồ Chí Minh

Tuy nhiên, nhìn nhận từ các dữ liệu đầu vào cho bài toán mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm bất kỳ - có các đặc tính sinh lý hóa khác với chất trơ thì nghiên cứu trên còn tồn tại những hạn chế sau:

(1) Chưa thu thập đủ cơ sở khoa học cho việc xác định chất gây ô nhiễm chính và nồng độ ô nhiễm ban đầu tại hai nghĩa trang, cũng như chưa xác định quy luật cũng như diễn biến ô nhiễm gây ảnh hưởng cho các tầng chứa nước, điển hình là

02 tầng chứa nước nằm nông qp3 và qp2-3 Nguyên nhân có thể lý giải là ở nguồn

số liệu thí nghiệm các mẫu nước mặt và NDĐ ngay tại các giếng khoan trong và ngoài khu vực hai nghĩa trang chỉ thu thập được trong hai năm 2016-2017 nhờ công tác khoan và bơm thí nghiệm tại hiện trường Còn các số liệu về chất lượng nguồn nước mặt, NDĐ và đất ban đầu tại và xung quanh hai nghĩa trang từ thời điểm hai nghĩa trang chưa hình thành và thay đổi theo suốt thời gian hoạt động đến năm 2016 không được ghi nhận Vì vậy, nghiên cứu đã đặt giả thiết rằng quá trình chôn lấp sẽ kéo theo một chất nhiễm bẩn là chất trơ đi vào trong các tầng theo độ sâu chôn lấp, thay vì mô phỏng lan truyền môt hay nhiều chất nhiễm bẩn

vô cơ / hữu cơ cụ thể

(2) Ngoài hai hệ số phân tán và hệ số độ lỗ rỗng hữu hiệu được xác định cụ thể cho hai tầng chứa nước nằm nông qp3 và qp2-3 dựa trên kết quả thực nghiệm thả chất chỉ thị tại hiện trường thì các hệ số lan truyền chất trong các tầng chứa nước còn lại được tham khảo giá trị từ nghiên cứu ngoài nước mà công tác thực nghiệm

11

hiện trường chưa giải quyết được triệt để Cụ thể, đối với các tầng chứa NDĐ còn lại trong phạm vi hai nghĩa trang, các hệ số độ lỗ rỗng hữu hiệu và hệ số phân tán dọc được lựa chọn theo kết quả nghiên cứu tổng hợp “Design and Analysis of Tracer Tests to Determine Effective Porosity and Dispersivity in Fractured Sedimentary Rocks, Newark Basin, New Jersey” của tác giả Glen B Carleton và công sự (1999)

Bên cạnh dạng bãi chôn lấp nghĩa trang thì tại Việt Nam, một dạng bãi chôn lấp khác nhận được sự quan tâm lớn từ xã hội là các bãi chôn lấp chất thải, rác thải và phương pháp mô phỏng số trên các dạng mô hình khác nhau như MT3D/MT3DMS, SEAM3D,

… cũng được sử dụng nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm tại các bãi chôn lấp này (xem Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu về lan truyền ô nhiễm từ các bãi chôn

lấp chất thải và rác thải STT Năm Tác giả Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu

CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC

1 2009

Nguyễn Trác Việt – Bài báo Hội thảo

Nghiên cứu lan truyền

ô nhiễm của một số nguyên tố và hợp chất độc hại tại bãi rác Đông Thạnh

Ứng dụng GMS 6.5 kết hợp với kỹ thuật địa hóa và đồng vị để đánh giá sự dịch chuyển của một số nguyên tố và hợp chất độc hại tại bãi rác

2 2009

Nguyễn Thị Huyền Trang – Bài báo Hội thảo

Nghiên cứu lan truyền ô nhiễm nước rỉ rác trong NDĐ tại bãi rác Đa Phước

Ứng dụng GMS 6.5 để mô phỏng lan truyền ô nhiễm của nước rỉ rác trong môi trường NDĐ tại bãi rác

Sử dụng thông số ô nhiễm COD để đánh giá sự lan truyền ô nhiễm nước rỉ rác trong môi trường NDĐ khu vực bãi rác trong hiện tại và tương lai

3 2010

Nguyễn Thị Vân

Hà – Đề tài nghiên cứu cấp Thành phố

Nghiên cứu đánh giá

và đề xuất quản lý rủi

ro ô nhiễm từ Khu công nghiệp - Khu chế xuất của TP.HCM đến nguồn NDĐ

Phân tích dấu hiệu ô nhiễm và đánh giá khả năng nhạy cảm ô nhiễm của NDĐ tại khu vực nghiên cứu theo chỉ

số GOD dựa trên các thông số như: đặc tính thủy văn của tầng chứa nước, đặc điểm của lớp đất bên trên tầng chứa nước, độ sâu của mực NDĐ tính từ mặt đất đến tầng cách nước

4 2012

Huỳnh Ngọc Phương Mai và cộng sự –

Nghiên cứu tác động của các bãi chôn lấp rác thải (Gò Cát, Đông Thạnh, Phước Hiệp)

Khảo sát địa vật lý tại các bãi chôn lấp để tạo cơ sở bố trí các giếng khoan quan trắc chất lượng nước

12

Đề tài nghiên cứu cấp Thành phố

đến các tầng chứa NDĐ TP.HCM

Lấy mẫu phân tích xác định các đặc điểm địa chất thủy văn tại các bãi chôn lấp

Sử dụng phần mềm GMS để đánh giá khả năng lan truyền ô nhiễm từ các bãi chôn lấp đến các tầng chứa NDĐ

5 2018

Phan Chu Nam và cộng sự -

Đề tài nghiên cứu cấp

Bộ

Xây dựng mô hình dịch chuyển chất ô nhiễm trong NDĐ tại bãi rác Phước Hiệp

Thực hiện thực nghiệm hiện trường và ứng dụng GMS để mô phỏng lan truyền

ô nhiễm của nước rỉ rác trong môi trường NDĐ tại bãi rác Phước Hiệp

1.2.2 Xác định thông số lan truyền chất hòa tan trong dung dịch đất

Như phần trình bày ở trên, Việt nam đã có các công trình khác nhau nghiên cứu về lan truyền chất phục vụ cho các mục đích đánh giá lan truyền ô nhiễm tại bãi rác, bãi chôn lấp, … Tùy thuộc vào quy mô nghiên cứu và kinh phí dùng cho nghiên cứu mà mỗi đề tài sử dụng các phương pháp xác định thông số lan truyền chất khác nhau, điển hình như phương pháp thực nghiệm hiện trường, phương pháp phóng xạ, … hay có thể giả định, tham khảo giá trị các thông số lan truyền từ các nghiên cứu ngoài nước Trong đó, đề án

“Bảo vệ nước ở các đô thị lớn giai đoạn I” – Khu vực thực hiện “Đô thị TP.HCM” của

TS Phan Chu Nam và cộng sự (2018) là công trình nghiên cứu tiêu biểu liên quan đến bài toán xác định thông số lan truyền chất hòa tan trong đất và NDĐ tại Việt Nam

Đối với vùng áp dụng nghiên cứu Đảo Côn Sơn, hiện chưa ghi nhận bất kỳ nghiên cứu nào xác định thông số lan truyền chất trong dung dịch đất pha cát Côn Đảo Vì vậy, Luận án đề xuất sử dụng phương pháp thực nghiệm trong phòng trên các cột đất kết hợp với sự hỗ trợ của phần mềm tính toán hỗ trợ làm cơ sở xác định các hệ số lan truyền chất

ô nhiễm vào dung dịch đất nghĩa trang

Đánh giá tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước

 Các nghiên cứu về lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa NDĐ:

- Số lượng hạn chế trong các nghiên cứu ô nhiễm nghĩa trang và sự tồn đọng trong vấn

đề giải quyết hiện trạng ô nhiễm nghĩa trang đến cuộc sống con người, cộng đồng và môi trường sinh thái, cụ thể là tác động của nước rỉ xác người đến chất lượng nguồn NDĐ trong và xung quanh khu vực nghĩa trang cho thấy vấn đề ô nhiễm nghĩa trang chưa nhận được sự quan tâm thích đáng từ cộng đồng và xã hội

13

- Liên quan đến bài toán ô nhiễm nghĩa trang, phần lớn các nghiên cứu ngoài nước dừng lại ở việc khảo sát, phân tích chất lượng NDĐ thực địa và xác định nguồn gốc, nguyên nhân gây ô nhiễm ngay tại và xung quanh khu vực nghĩa trang và chưa đề xuất ứng dụng

cụ thể các biện pháp xử lý chất ô nhiễm phát sinh từ nghĩa trang

- Tại Việt Nam, đề án “Bảo vệ nước ở các đô thị lớn giai đoạn I” – Khu vực thực hiện

“Đô thị TP.HCM” của TS Phan Chu Nam và cộng sự (2018) là công trình nghiên cứu

đầu tiên được ghi nhận có liên quan đến vấn đề lan truyền ô nhiễm tại hai nghĩa trang Bình Hưng Hòa và Đình Vĩnh Nghiêm Nghiên cứu đã mô phỏng rõ nét về con đường lan truyền chất ô nhiễm theo nguồn nước đi vào các tầng chứa nước tại hai nghĩa trang Tuy nhiên, do hạn chế chính ở việc thu thập đầy đủ dữ liệu về chất lượng các nguồn nước và đất ngay tại và xung quanh nghĩa trang nên nghiên cứu chỉ triển khai trên chất

ô nhiễm giả định là chất trơ, thay vì trên một hay nhiều dạng chất ô nhiễm vô cơ / hữu

cơ thực tế (có tính chất khác biệt so với chất trơ)

- Bên cạnh các nghiên cứu về ô nhiễm nghĩa trang, các nghiên cứu khác trong nước về lan truyền ô nhiễm từ bãi chôn lấp chất thải và rác thải phần lớn vẫn giả định hay tham khảo giá trị các thông số lan truyền của các chất hóa học khác nhau và chưa làm rõ cũng như xác minh mức độ tin cậy của các giá trị đó Do vậy kết quả của các nghiên cứu này dừng lại ở việc đánh giá tình hình ô nhiễm mà chưa định lượng cụ thể mức độ lan truyền

ô nhiễm cũng như dự báo khả năng suy giảm nồng độ ô nhiễm trong tương lai

 Các nghiên cứu xác định thông số lan truyền chất:

- Phần lớn các nghiên cứu ngoài nước sử dụng phương pháp thực nghiệm lan truyền chất hòa tan trong các ống cột đất hoặc trong lỗ khoan quan sát ngay tại thực địa kết hợp với các phương pháp xác định mức độ hấp phụ và định lượng nồng độ chất bị hấp phụ khác nhau - được ước tính theo phương pháp giải tích hoặc ước tính trên các phần mềm hỗ trợ Sự kết hợp giữa các phương pháp nêu trên đã xác định được giá trị các hệ số lan truyền của các chất hòa tan khác nhau, tương ứng với các đặc tính đất khác nhau

- Do đặc thù địa chất từng vùng nghiên cứu có sự khác biệt nên việc tham khảo hay kế thừa giá trị của các hệ số lan truyền trên cùng chất hòa tan từ các nghiên cứu trước, thường dẫn đến kết quả mô phỏng lan truyền chất không thể hiện đúng bản chất lan truyền chất hòa tan tại mỗi vùng nghiên cứu cụ thể

Nhìn nhận tổng quan từ ưu nhược điểm của các nghiên cứu trong và ngoài nước, Luận

án hướng đến việc xác định được mức độ ô nhiễm, phạm vi và hướng lan truyền chất ô

14

nhiễm phát thải từ nghĩa trang đến NDĐ dựa trên cơ sở xác định cụ thể các hệ số lan truyền chất ô nhiễm trong dung dịch đất pha cát như ở Côn Đảo bằng phương pháp thực nghiệm trong phòng kết hợp các mô hình toán

Kết luận Chương 1

Dựa trên nội dung đánh giá tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước về ô nhiễm nghĩa trang có thể thấy vấn đề ô nhiễm nghĩa trang là bài toán môi trường thiết thực nhưng chưa thu hút được sự quan tâm từ phía các nhà khoa học đến cộng đồng

Với mục tiêu đánh giá và dự báo mức độ lan truyền chất ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa NDĐ, đề tài nghiên cứu lan truyền ô nhiễm nghĩa trang đến các tầng chứa NDĐ

áp dụng cho Đảo Côn Sơn, Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu được hình thành

Căn cứ trên tổng quan nghiên cứu về vùng áp dụng nghiên cứu Đảo Côn Sơn chưa ghi nhận bất kỳ nghiên cứu nào xác định thông số lan truyền chất trong dung dịch đất pha cát Côn Đảo, cũng như nghĩa trang Côn Đảo không có điều kiện bố trí thí nghiệm hiện trường, Luận án đề xuất sử dụng phương pháp thực nghiệm trong phòng nhằm xác định các thông số lan truyền chất ô nhiễm trong dung dịch đất nghĩa trang Đây là các hệ số quan trọng chi phối đến quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong đất và NDĐ, đồng thời đóng vai trò là các thông số đầu vào cần thiết cho các mô hình toán được áp dụng trong nghiên cứu nhằm xác định được mức độ và phạm vi ảnh hưởng của chất ô nhiễm theo thời gian và không gian

15

Việc đánh giá khả năng lan truyền của một hay nhiều chất ô nhiễm và xác định mức độ ảnh hưởng của dòng ô nhiễm khi lan truyền từ một nguồn thải trên mặt đất vào trong các tầng chứa NDĐ thường thực hiện khó khả thi nếu nghiên cứu chỉ căn cứ trên các kết quả khảo sát thực địa và phân tích chất lượng các mẫu đất và NDĐ tại vùng được chọn nghiên cứu Bởi trong không gian ba chiều, sự thay đổi từ xu hướng dòng chảy NDĐ đến nồng độ chất ô nhiễm thường xảy ra không đồng nhất từ khu vực này đến khu vực khác và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khách quan như địa chất, địa chất thủy văn, đặc điểm thủy lực của vùng được chọn nghiên cứu Chính vì vậy, đối với mỗi mục tiêu giải bài toán lan truyền khác nhau, trên cơ sở lý thuyết lan truyền chung, sẽ có các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm tương ứng khác nhau

Trong phạm vi Luận án, với mục tiêu tìm lời giải cho bài toán lan truyền ô nhiễm phát thải từ nghĩa trang đến tầng chứa NDĐ, nghiên cứu sẽ trình bày chuyên sâu các cơ sở lý thuyết về dòng chảy NDĐ, lan truyền chất ô nhiễm cũng như lý thuyết về các mô hình toán số và phần mềm ước tính tối ưu thông số lan truyền Từ nền tảng lý thuyết này kết hợp với việc mô phỏng thực nghiệm lan truyền chất ô nhiễm trên các cột đất được lấy mẫu từ vùng nghiên cứu sẽ mô phỏng hóa rõ ràng và cụ thể hơn các nội dung nghiên cứu chính của Luận án

Mối liên hệ giữa các cơ sở nghiên cứu trong phạm vi đề tài được thể hiện ở Hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ cơ sở nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến NDĐ

Cơ sở

thực nghiệm

Thực nghiệm lan truyền ô nhiễm trên các cột đất thực địa

Xác định thực nghiệm các hệ

số lan truyền chất ô nhiễm trong dung dịch đất

16

Mối quan hệ giữa các mô hình mô phỏng được đề xuất sử dụng trong phạm vi nghiên cứu lan truyền ô nhiễm phát thải từ nghĩa trang đến tầng chứa NDĐ được thể hiện ở Hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa các mô hình số trong Luận án

Cơ sở lý thuyết dòng chảy nước dưới đất

Khái quát về phần mềm:

Module MODFLOW thuộc phần mềm GMS 10.0 (Groundwater Modeling System) là sản phẩm của Phòng thí nghiệm nghiên cứu mô hình hóa môi trường (Enviromental Modeling Research Laboratory) thuộc trường đại học Brigham Young vào năm 1999

Mô hình MODFLOW được sử dụng để mô phỏng sự thay đổi mực NDĐ và lưu lượng dòng chảy trong cân bằng với điều kiện địa chất thủy văn được xác định trong mô hình Điều kiện thủy văn được xác định trong mô hình bao gồm quy mô, chiều dày, đặc tính thủy lực của tầng chứa NDĐ và tầng cách nước; các biên thủy lực kiểm soát tốc độ và hướng di chuyển; sự phân bố của mực nước từ lúc ban đầu, ổn định và khi thay đổi theo thời gian; sự phân bố và độ lớn của lượng bổ cập, lượng khai thác và tính thấm

Lý do lựa chọn phần mềm:

- Phần mềm này bao gồm 10 module hỗ trợ cho việc xây dựng các loại mô hình khác nhau Để xây dựng một mô hình dòng chảy NDĐ (MH DCNDĐ) cần có những module chủ yếu sau: Map, 2D-Scatter point, 2D-Grid và 3D-Grid

- Xác định hướng dòng chảy NDĐ

Vận tốc dòng chảy - Phân vùng nồng độ ô

nhiễm từ nguồn thải xuống tầng chứa NDĐ

- Xác định thời gian lan truyền ô nhiễm và phạm vi vùng ô nhiễm

Kết quả thực nghiệm

mô phỏng lan truyền chất trên các cột đất

- Dữ liệu xuất phong phú, đẹp mắt dưới dạng các biểu bảng, đồ thị, bản vẽ, phim

- Có nhiều chức năng tính toán và xử lý để cung cấp những thông tin cần thiết theo yêu cầu cụ thể trong khi viết báo cáo

2.1.1 Phương trình dòng chảy nước dưới đất

Theo [20], sự thay đổi độ cao mực nước của NDĐ được biểu diễn bằng phương trình vi phân dưới đây:

t

h S Q z

h K z y

h K y x

h K

Trong đó: K xx , K yy , K zz : hệ số thấm theo phương x, y, z (m/ngày); h: tổng cột nước (m)

tại thời điểm t;

x



 ,

y



,

z



: đạo hàm riêng phần theo 3 phương x, y, z; '

s

Q : modul dòng

ngầm (lượng bổ cập hay thoát) của NDĐ tại vị trí (x,y,z) và thời điểm t; S s: hệ số nhả

nước, là hàm phụ thuộc vào vị trí không gian x, y, z

Phương trình (2.1) là phương trình mô tả động thái NDĐ trong điều kiện môi trường không đồng nhất, dị hướng và có thể giải quyết được vấn đề sự vận động của NDĐ hợp

lý nhất Phương trình này cùng với các điều kiện biên của tầng chứa nước tạo thành một

mô hình toán học về dòng chảy NDĐ Với bài toán thấm (ổn định) thì phương trình dạng Elliptic, nên xung quanh miền tính toán cần cho điều kiện biên

2.1.2 Biên và điều kiện biên

 Các loại điều kiện biên

- Điều kiện biên loại I: là điều kiện biên mực nước được xác định trước (điều kiện biên

Dirichlet) Đó là ô mà mực nước được xác định trước (có thể thay đổi theo thời gian như biên triều) nhưng trong mỗi bước thời gian thì được xem là không đổi

- Điều kiện biên loại II: là điều kiện biên dòng chảy được xác định trước (điều kiện biên

Neumann) Đó là các ô mà lưu lượng dòng chảy qua biên được xác định trước trong suốt

18

bước thời gian tính toán Trường hợp không có dòng chảy thì lưu lượng được xác định bằng không

- Điều kiện biên loại III: là điều kiện biên lưu lượng trên biên phụ thuộc vào mực nước

(điều kiện biên Cauchy hoặc biên hỗn hợp)

 Các loại biên trong MH DCNDĐ

- Biên không dòng chảy (Q = 0): là biên loại II, dùng để mô phỏng biên giới không thấm

nước hoặc đỉnh phân dòng chảy NDĐ (xem Hình 2.3) Dọc theo biên này, dòng chảy ra hoặc vào vùng lập MH DCNDĐ rất nhỏ và lượng nước dịch chuyển không đáng kể, do

đó biên giới của các lớp kể trên nên được gán là biên không dòng chảy

Hình 2.3 Điều kiện biên loại II

- Biên tổng hợp (General Head): đây là biên loại III được dùng để mô phỏng mối quan

hệ trao đổi nước giữa một thể nước mặt (Surface Water Object) với NDĐ Lượng nước chảy qua biên này phụ thuộc lớp vật liệu đáy và độ chênh lệch áp lực Loại biên này thường dùng cho sông lớn, biển vì sẽ mô phỏng dòng chảy cả theo chiều đứng lẫn chiều ngang dọc theo đáy thể nước mặt (xem Hình 2.4)

Hình 2.4 Điều kiện biên tổng hợp trong MH DCNDĐ

- Biên sông (River Head): đây cũng là biên loại III dùng để mô phỏng mối quan hệ trao

đổi nước giữa một thể nước mặt với NDĐ Nói cách khác, biên này dùng để mô phỏng dòng chảy ra hoặc vào tầng chứa nước theo chiều thẳng đứng qua lớp vật liệu đáy của

Q=0

Vách núi đá

19

một thể nước mặt nào đó Lượng nước chảy qua biên này phụ thuộc lớp vật liệu đáy và

độ chênh lệch áp lực Loại biên này thường dùng cho sông rạch, kênh mương

2.1.3 Phương pháp giải

Để giải phương trình trên, cần phải tìm hàm số h (x, y, z, t) thoả mãn (2.1) và thoả mãn các điều kiện biên Lời giải của h (x, y, z, t) không thể tìm được bằng phương pháp giải tích mà phải bằng các phương pháp gần đúng Một trong các phương pháp giải gần đúng được áp dụng ở đây cho bài toán này là phương pháp sai phân hữu hạn với sơ đồ ẩn đối với số hạng theo thời gian (xem Hình 2.5)

Hình 2.5 Quy trình tính toán phương trình dòng chảy NDĐ cho bước thời gian bất kỳ

Ghi chú: Trong quy trình tính toán này, môi trường được giả thiết là đồng nhất và đẳng

hướng với Kxx = Kyy = Kzz = K và K chỉ là hàm số (phi tuyến) của h; n : là chỉ số lần lặp

Hệ phương trình nhận được từ phương trình (2.1) được thành lập trên cơ sở các quy tắc cân bằng: Tổng tất cả dòng chảy vào và chảy ra từ một ô bằng sự thay đổi thể tích nước

có trong ô, thể hiện bằng phương trình sau [18]:

V t

h S

Cao trình mực nước tại bước thời gian m-1

h m,0 Bắt đầu tính toán cho bước thời gian m

h m,1

h m,n

Nếu sai số | Hm,n - H m,n-1 | đạt độ chính

xác cần thiết thì quá trình tính toán

được xem là hoàn tất ở đây

Kết thúc tính toán cho bước thời gian m

Bắt đầu tính toán cho bước thời gian m+1 hm+1 = hm+1,n

Cao trình mực nước tính được cho bước thời gian m+1

Hình 2.6 Ô lưới i, j, k (nút lưới đặt ở tâm ô lưới) và 6 ô bên cạnh

Theo định luật Darcy, lưu lượng nước qi,j-1/2,k chảy từ ô (i, j-1, k) vào ô (i, j, k) được xác định theo phương trình sau [20]:

2 / 1

, 1 , , ,

2 / 1 , ,

2 / 1 ,

)(

j

r

h h

v c KR

Trong đó: h i,j,k : tổng cột nước so với mặt chuẩn tại ô (i, j, k); q,j1/2,k: lưu lượng nước chảy qua mặt tiếp giáp giữa ô (i, j, k) và ô (i, j-1, k); KR,j1/2,k: hệ số thấm dọc theo dòng chảy giữa các nút (i, j, k) và (i, j-1, k); c iv k: diện tích bề mặt vuông góc với phương dòng chảy; r j1/2: khoảng cách giữa các nút lưới (i, j, k) và (i, j-1, k)

Nếu thay tích số kích thước các bước lưới và hệ số thấm bằng giá trị sức cản thấm nào

đó, chẳng hạn như sức cản thấm theo phương nằm ngang từ nút lưới (i, j-1, k) đến (i, j, k) sẽ là:

CR,j1/2,k KR,j1/2,kC iv k/ r j1/2 (2.4) Trong đó: CR,j1/2,k: sức cản thấm trong hàng thứ i, lớp thứ k, giữa các nút lưới (i, j-1, k) và (i, j, k)

Thay (2.4) vào (2.3) và thực hiện các bước tương tự sẽ có phương trình sau:

j, k) và (i, j, k) ; CV j,k1/2: sức cản thấm trong hàng thứ i, hàng thứ j, giữa các nút lưới (i, j, k-1) và (i, j, k) và CV j,k1/2: sức cản thấm trong hàng thứ i, hàng thứ j, giữa các nút lưới (i, j, k+1) và (i, j, k)

Các phương trình từ (2.5) đến (2.10) tính toán dòng chảy vào ô i, j, k từ 6 ô xung quanh

Để tính toán dòng chảy vào ô i, j, k từ các quá trình và yếu tố bên ngoài tầng chứa nước như suối, kênh, bổ cập, bốc hơi hoặc lỗ khoan cần phải có thêm các hạng mục

Dòng chảy từ bên ngoài tầng chứa nước được thể hiện bằng phương trình sau:

a,j k,n  p,j ,n h j,k q,j k,n (2.11) Trong đó:a,j k,n:biểu diễn dòng chảy từ nguồn thứ n vào trong nút lưới (i, j, k); h j,k: mực nước của nút (i, j, k); p,j ,n và q,j ,n: các hằng số tương ứng của phương trình

Về việc mô tả điều kiện biên: giả sử một ô lưới nhận được cung cấp từ hai nguồn: lỗ khoan và hồ Đối với nguồn cấp thứ nhất (n=1) là từ lỗ khoan, lưu lượng dòng chảy từ

lỗ khoan thường độc lập với mực nước, p,j ,n  0 và q,j ,n là lưu lượng của lỗ khoan Trong trường hợp này:

a,j k,1 q j,k,1 (2.12) Đối với nguồn cấp thứ hai (n=2), giả sử quan hệ giữa tầng chứa nước và hồ được thể hiện bằng một sức cản thấm, do đó lưu lượng thấm sẽ tỷ lệ thuận với chênh lệch giữa mực nước hồ và mực nước trong ô i, j, k, vì vậy có:

a,j k,2 CRIV j,k,2(R j,k h j,k) (2.13) Trong đó: R j,k: mực nước trong hồ; CRIV,j k,2: giá trị sức cản thấm

Phương trình (2.12) có thể được biến đổi như sau:

22

a,j k,2  CRIV,j k,2h j,k CRIV,j k,2R j,k (2.14) Thành phần tương ứng với CRIV,j k,2h j,k p,j k,2 và thành phần CRIV,j k,2R j,ktương ứng với q,j k,2

Tổng quát, nếu có nguồn cấp vào trong ô, lưu lượng tổng hợp QS i,j,k có thể được viết:

QS j,k P j,k h j,k Q j,k (2.15) Trong đó: P j,k p,j ,n và Q j,k q,j ,n

Thay hệ phương trình (2.5÷2.10) và các phương trình điều kiện biên (2.15) vào (2.2):

m k j m

k j m

k j

t t

h h t

h

(2.17)

Trong đó: t m và t m-1: thời điểm m và m-1; m

k j

h , và 1

,



m k j

h : giá trị mực nước của ô (i, j, k) tại thời điểm m và (m-1)

Thay (2.17) vào (2.16) từ bước thời gian t m-1 đến t m:

k j i k j i m

k j m

k j k j m

k j m

k j k

, ,

k j k j i k j k

j m

k j k j

t t

h h v c r Ss Q

h P

Hệ phương trình (2.18) được viết cho các ô có mực nước thay đổi theo thời gian Như vậy sẽ lập được một hệ phương trình có số phương trình tương ứng với số ô lưới Giải

hệ phương trình này với điều kiện biết được mực nước 1

,



m k j

h (điều kiện ban đầu) sẽ xác định được mực nước m

k j

h , Cứ lần lượt như vậy, có thể xác định được mực nước cho bất

kỳ thời điểm nào

Hệ phương trình (2.18) được giải bằng phương pháp lặp với khoảng thời gian (t m-1 , t m) Kết quả nhận được là lời giải gần đúng của hệ phương trình

23

Khi thời gian tăng lên thì h sẽ thay đổi Khi h đạt được sự ổn định (chênh lệch h tính

được giữa hai lần lặp kết quả thay đổi không đáng kể thì xem như lới giải đã hội tụ) thì mực nước đạt được sự cân bằng động và tại đây kết thúc quá trình tính toán cho môt bước thời gian

Cơ sở lý thuyết lan truyền chất ô nhiễm

Khái quát về phần mềm:

Module RT3D (Modular Three-Dimensional Reactive Multispecies Transport Model) thuộc phầm mềm GMS 10 được đề xuất sử dụng nhằm đánh giá và dự báo khả năng lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang xuống tầng chứa NDĐ ngay dưới nghĩa trang

RT3D là mô hình mô phỏng quá trình lan truyền chất ô nhiễm trên cơ sở mô phỏng các quá trình đối lưu, khuếch tán và các phản ứng hóa học xảy ra trong đất và NDĐ dưới những điều kiện thủy lực tổng quát RT3D sử dụng mô hình dòng chảy MODFLOW để tính toán sự thay đổi cao trình mực nước theo không gian, thời gian [6]

Kết quả mô phỏng của RT3D là xác định vùng thu giữ chất ô nhiễm và nồng độ các chất nhiễm bẩn còn lại theo từng bước tính toán ở trạng thái cân bằng với hệ thống dòng chảy NDĐ và các điều kiện ban đầu về nồng độ chất ô nhiễm trong đất và NDĐ được xác định trong mô hình [6]

Lý do lựa chọn phần mềm:

Điểm ưu việt của mô hình RT3D so với nhiều dạng mô hình mô phỏng lan truyền ô nhiễm khác như MT3DMS, SEAM3D là chức năng cung cấp gói phản ứng hóa học thích hợp với các dạng đa chất và đa dạng các biện pháp xử lý chất ô nhiễm, ví dụ như biện pháp bơm và xử lý tại nguồn, biện pháp xử lý suy giảm sinh học tại nguồn, xử lý oxy hóa học tại nguồn, ước tính suy giảm tự nhiên, tương ứng với các chất ô nhiễm khác nhau

2.2.1 Phương trình lan truyền chất ô nhiễm

Theo [6], sự lan truyền 3D của chất hòa tan trong dung dịch đất được mô tả như sau:

s i i j

ij i

R C

q C v x x

C D x t

 ) (

(2.19)

Trong đó: C: nồng độ chất hòa tan (mg/l); θ: độ ẩm (m3/m3); t: thời gian (s); x i: khoảng

cách (m); v i : vận tốc nước qua lỗ rỗng (m/s); q s: lưu lượng nguồn/điểm thải tính trên đơn

vị thể tích của tầng chứa nước (1/s) - q s mang dấu “+” với nguồn thải và dấu “-” với

điểm tụ chất thải; C s: nồng độ của điểm nguồn / điểm tụ chất thải chất hòa tan (mg/l);

24

D ij: hệ số phân tán (m2/s) - đối với môi trường vật liệu xốp rỗng đẳng hướng, D ij được

xác định theo các thành phần như sau [5]:

*

2 2

2

D v

v v

v v

v

D xx L x TH y TV z  (2.20)

*

2 2

2

D v

v v

v v

v

D yy L y TH x TV z  (2.21)

*

2 2

2

D v

v v

v v

v

TV zz L

zz     (2.22)

 

v

v v D

D xy  yx  L TH x y (2.23)

 

v

v v D

D yz  zy  L TV y z (2.24)

 

v

v v D

TV L xz

zx     (2.25)

Với D xx , D yy , D zz: các thành phần chính của hệ số phân tán (m2/s); D xy , D xz , D yx , D yz , D zx ,

D zy: các thành phần phụ của hệ số phân tán (m2/s); 𝜆L, 𝜆TH và 𝜆TV: độ phân tán dọc, thẳng

đứng và ngang (cm); D*: hệ số khuếch tán phân tử hiệu dụng (m2/s); v x , v y , v z: các thành

phần của vectơ vận tốc theo các trục x, y, z tương ứng (cm/s); v : độ lớn của vectơ vận

z y

v

R n : tổng phản ứng hóa học (mg/l.s) - R n trong phương trình (2.19) có thể bao gồm

các phản ứng sinh lý hóa ảnh hưởng đến sự lan truyền chất ô nhiễm hòa tan

Trong các mô hình toán số, hai dạng phản ứng hóa học thường được xem xét đến là phản

ứng hấp phụ và phản ứng tốc độ bậc nhất Riêng đối với quá trình hấp phụ thì sự cân

bằng chất thường được giả định là xảy ra cục bộ (nghĩa là sự hấp phụ diễn ra nhanh hơn

so với thời gian lan truyền chất) và mô hình cân bằng cục bộ được mô tả như sau [6]:

s i

i j

ij i

R C

q C v x x

C D x t

25

2.2.2 Biên và điều kiện biên

Phương trình lan truyền chất hòa tan có dạng Parabol, nên mỗi đầu cho một điều kiện biên là nồng độ chất hòa tan C và cho thêm điều kiện biên là sự biến thiên nồng độ chất hòa tan C (dC/dx)

 Điều kiện ban đầu

) , , ( )

, , ,

.

z y x C t z y x

C aqua  aqua và C soil(x,y,z,t) C0soil(x,y,z) tại t = 0

Trong đó: C0aqua.(x,y,z) và C0soil(x,y,z): nồng độ của chất ô nhiễm hòa tan tại thời điểm ban đầu trong tầng chứa nước và trong đất tương ứng (mg/m3)

 Các điều kiện biên

- Điều kiện biên loại I: Là điều kiện nồng độ được xác định dọc theo biên trong suốt

thời gian thiết lập mô hình (điều kiện biên Dirichlet)

- Điều kiện biên loại II: Là điều kiện biên mà sự biến thiên nồng độ chất ô nhiễm dC/dx

được xác định dọc theo biên trong suốt thời gian tính toán mô hình (điều kiện Neumann)

- Điều kiện biên loại III: Là điều kiện biên mà giá trị nồng độ chất ô nhiễm dọc theo

biên và gradient nồng độ được xác định dọc theo biên (điều kiện Cauchy)

 Các dạng biên trong mô hình lan truyền chất

- Biên nguồn thải: đây là biên loại I dùng để mô phỏng các nguồn phát thải ô nhiễm với nồng độ được xác định trước

- Biên không chứa nguồn phát thải ô nhiễm: đây là trường hợp đặc biệt của điều kiện biên loại II khi sự biến thiên nồng độ chất hòa tan dC/dx = 0, được dùng mô phỏng các khu vực không bị ô nhiễm hoặc không chứa nguồn phát thải ô nhiễm

- Biên tổng hợp: đây là biên loại III thường được dùng để mô phỏng mối quan hệ trao đổi chất giữa một nguồn phát thải trên bề mặt với NDĐ

2.2.3 Phương pháp giải

Lời giải gần đúng của C(x,y,z,t) trong phương trình (2.26) được thực hiện bằng phương

pháp Euler-Lagrange với thuật toán MMOC (Modified Method of Characteristics)

Để sử dụng phương pháp Euler-Lagrange, phương trình (2.26) cần được thể hiện dưới dạng Lagrange Trước tiên vế phương trình thể hiện quá trình đối lưu được khai triển như sau [6]:

i i i

i i

i i

i

Cq x

C v x

v C x

C v C v

26

Thay phương trình (2.28) vào phương trình (2.26) và chia hai vế phương trình (2.26)

cho Rθ - yếu tố làm chậm, phương trình lan truyền (2.26) sẽ có dạng:

s i i j ij i

R R C C R

q x

C v x

C D x R t

(2.29) Trong đó: v i v i /R- đại diện cho vận tốc “bị làm chậm” của phần tử hạt ô nhiễm

Phương trình (2.29) là một biểu thức Euler, trong đó đạo hàm từng phần

t

C



 đại diện cho tốc độ thay đổi nồng độ chất hòa tan tại một điểm cố định trong không gian Phương trình (2.29) có thể được biểu diễn theo dạng Lagrange như sau:

R R C C R

q x

C D x R Dt

C m n 1  m n*   

(2.32) Trong đó: n 1

m

C : nồng độ chất ô nhiễm hòa tan cho nút m tại mức thời gian mới n+1; *

m

C : nồng độ chất ô nhiễm hòa tan cho nút m tại mức thời gian mới n+1chỉ do quá trình đối lưu gây ra, còn được gọi là mức thời gian trung gian n*; Δt: khoảng thời gian giữa mức thời gian cũ n và mới n+1; RHS: đại diện cho ước tính sai phân hữu hạn của vế phải phương trình (2.30) - Phép ước tính sai phân hữu hạn là phép tính “ẩn” khi nồng độ C n+1

tại mức thời gian mới được sử dụng

Phương trình (2.32) là thuật toán cơ bản của phương pháp Euler-Lagrange được sử dụng trong mô hình RT3D Trong phương pháp này, *

m

C (đại diện cho sự ảnh hưởng của quá trình đối lưu) trong phương trình (2.32) được giải bằng phương pháp Lagrange trong hệ tọa độ di chuyển, còn vế còn lại tRHS(đại diện cho sự ảnh hưởng của quá trình phân tán, quá trình hòa tan ô nhiễm từ nguồn/điểm thải và các phản ứng hóa học) - được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn ẩn trên lưới Euler cố định