Ảnh hưởng của điều kiện địa chất thủy lực lên hiện tượng khuếch tán chất bẩn hòa tan từ kênh ô nhiễm vào tầng nước ngầm

Tóm tắt Nội dung luận văn giới thiệu kết quả bước đầu về mô phỏng sự lan truyền chất bẫn theo thời gian trong tầng nước ngầm từ một kênh ô nhiễm, xem xét đến ảnh hưởng của điều kiện địa

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



NGUYỄN THANH SANG

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT, THUỶ LỰC LÊN HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN CHẤT BẨN HOÀ TAN

TỪ KÊNH Ô NHIỄM VÀO TẦNG NƯỚC NGẦM

Chuyên ngành : Xây dựng công trình thủy

Mã số ngành : 60.58.40

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2012

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA- ĐHQG TP.HCM

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm :

1 Chủ tịch hội đồng : PGS TS HUỲNH THANH SƠN

2 Thư ký hội đồng : TS LƯU XUÂN LỘC

3 Ủy viên : PGS TS NGUYỄN THỐNG

4 Ủy viên : PGS TS VÕ KHẮC TRÍ

5 Ủy viên : PGS TS LÊ SONG GIANG

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Xây dựng công trình thủy Mã số : 60.58.40

I TÊN ĐỀ TÀI : ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT, THUỶ LỰC

LÊN HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN CHẤT BẨN HOÀ TAN

TỪ KÊNH Ô NHIỄM VÀO TẦNG NƯỚC NGẦM

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

- Chương 1: Giới thiệu

- Chương 2 : Cơ sở lý thuyết

- Chương 3 : Mô hình bài toán thấm và lan truyền chất từ một kênh bị ô nhiễm

- Chương 4 : Ảnh hưởng của điều kiện địa chất, thủy lực lên hiện tượng khuếch tán chất bẩn hòa tan

- Chương 5 : Kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/07/2011

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/06/2012

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ……… 11

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Cơ sở hình thành đề tài………12

1.1.1 Các nghiên cứu trong nước……… 12

1.1.2 Các nghiên cứu ngoài nước……… 14

1.2 Mục tiêu nghiên cứu……… 15

1.3 Nội dung nghiên cứu……… 15

1.4 Phương pháp nghiên cứu……… 16

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu……… 17

2.2 Phương trình thấm……… 18

2.3 Phương trình lan truyền chất……… 20

2.4 Điều kiện biên……… 21

2.4.1 Điều kiện biên cho bài toán thấm.……….21

2.4.2 Điều kiện biên cho bài toán lan truyền chất.……….22

CHƯƠNG III : MÔ HÌNH BÀI TOÁN THẤM VÀ LAN TRUYỀN CHẤT TỪ KÊNH BỊ Ô NHIỄM 3.1 Giới thiệu phần mềm tính toán Comsol……… 23

3.2 Mô tả mô hình tính toán……… 23

3.3 Bài toán trường vận tốc……… 25

3.3.1 Lời giải giải tích……… 25

Trang 5

3.3.3 So sánh kết quả tính toán giữa lời giải giải tích và lời giải từ mô hình toán

số……… 25

3.4 Bài toán lan truyền chất……… 26

3.4.1 Lời giải từ mô hình toán……… 26

3.4.2 Nhận xét……… 50

CHƯƠNG IV : ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT, THUỶ LỰC LÊN HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN CHẤT BẨN HOÀ TAN 4.1 Giới thiệu……….52

4.2 Mô tả mô hình……… 52

4.2.1 Ảnh hưởng của điều kiện địa chất………54

4.2.2 Ảnh hưởng của điều kiện thuỷ lực……… 58

4.3 Nhận xét kết quả……… 84

CHƯƠNG V : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận……… 87

5.2 Kiến nghị……….87

5.2.1 Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu……….87

5.2.2 Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu……… 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO ………89

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG………91

Trang 6

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 : Kích thước tiết diện ngang của mô hình tính toán trường hợp một kênh lan truyền

Hình 2.2 : Kích thước tiết diện ngang của mô hình tính toán trường hợp hai kênh lan truyền

Hình 3.1: Sơ đồ chia ô lưới tính toán cho trường hợp một kênh lan truyền

Hình 3.2 : Sơ đồ chia ô lưới tính toán cho trường hợp hai kênh lan truyền

Hình 3.3 : Sơ đồ lan truyền chất

Hình 3.4 : Biểu đồ vận tốc lan truyền chất

Hình 3.5 : Biểu đồ cột áp tại thời điểm t = 365 ngày

Hình 3.6 : Cột áp qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày Hình 3.7 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-10) theo thời gian

Hình 3.8 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (50,-10) theo thời gian

Hình 3.13 : Biểu đồ vận tốc tại thời điểm t = 365 ngày

Hình 3.14 : Vận tốc qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày Hình 3.15 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (25,-10) theo thời gian

Hình 3.16 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (50,-10) theo thời gian

Trang 7

Hình 3.21 : Biểu đồ nồng độ tại thời điểm t = 365 ngày

Hình 3.22 : Nồng độ qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày

Hình 3.23 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (25,-10) theo thời gian

Hình 3.29 : Biểu đồ cột áp tại thời điểm t = 365 ngày (2 kênh lan truyền)

Hình 3.30 : Cột áp qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày (2 kênh lan truyền)

Hình 3.31 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)

Hình 3.37 : Biểu đồ vận tốc tại thời điểm t = 365 ngày (2 kênh lan truyền)

Hình 3.38 : Vận tốc qua trục kênh (25-25) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày (2 kênh lan truyền)

Trang 8

Hình 3.41 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (25,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)

Hình 3.47 : Biểu đồ nồng độ tại thời điểm t = 365 ngày (2 kênh lan truyền)

Hình 3.48 : Nồng độ qua trục kênh (25-25) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày (2 kênh lan truyền)

Hình 3.51 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (25,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)

Hình 4.1 : Biểu đồ vận tốc ngay trục kênh (50-50) theo chiều sâu lúc t = 365 ngày với các độ rỗng p của địa chất nền khác nhau (1 kênh lan truyền)

Hình 4.2 : Biểu đồ nồng độ ngay trục kênh (50-50) theo chiều sâu lúc t = 365 ngày với các

độ rỗng p của địa chất nền khác nhau (1 kênh lan truyền)

Hình 4.3 : Biểu đồ vận tốc ngay trục (50-50) theo chiều sâu lúc t = 365 ngày với các độ rỗng

Trang 9

Hình 4.4 : Biểu đồ nồng độ ngay trục (50-50) theo chiều sâu lúc t = 365 ngày với các độ rỗng p của địa chất nền khác nhau (2 kênh lan truyền)

Hình 4.5 : Biểu đồ vận tốc ngay trục kênh (50-50) theo chiều sâu lúc t = 365 ngày với các độ rỗng p của địa chất nền khác nhau (1 kênh lan truyền có nước ngầm chuyển động)

độ rỗng p của địa chất nền khác nhau (1 kênh lan truyền có nước ngầm chuyển động)

Hình 4.7 : Biểu đồ vận tốc ngay trục (50-50) theo chiều sâu lúc t = 365 ngày với các độ rỗng

p

 của địa chất nền khác nhau (2 kênh lan truyền có nước ngầm chuyển động)

độ rỗng p của địa chất nền khác nhau (2 kênh lan truyền có nước ngầm chuyển động)

Hình 4.9 : Biểu đồ cột áp tại thời điểm t = 365 ngày

Hình 4.10 : Cột áp qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày Hình 4.11 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-10) theo thời gian

Hình 4.17 : Biểu đồ vận tốc tại thời điểm t = 365 ngày

Hình 4.18 : Vận tốc qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày Hình 4.19 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (25,-10) theo thời gian

Trang 10

Hình 4.25 : Biểu đồ nồng độ tại thời điểm t = 365 ngày

Hình 4.26 : Nồng độ qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày

Hình 4.33 : Biểu đồ cột áp tại thời điểm t = 365 ngày (2 kênh lan truyền)

Hình 4.34 : Cột áp qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày (2 kênh lan truyền)

Hình 4.41 : Biểu đồ vận tốc tại thời điểm t = 365 ngày (2 kênh lan truyền)

Trang 11

(2 kênh lan truyền)

Hình 4.51 : Biểu đồ nồng độ tại thời điểm t = 365 ngày (2 kênh lan truyền)

Trang 12

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 : Kết quả vận tốc lan truyền giữa lời giải giải tích và lời giải từ mô hình toán số Bảng 4.1 : Các thông số hình học và các chỉ tiêu của mô hình

Bảng 4.2 : Các thông số cho mô hình thấm

Bảng 4.3 : Các thông số cho mô hình lan truyền chất

Trang 13

Abstract

The content of the thesis introduces the initial result on simulating the transport of contaminants in the aquifer from the polluted canal, focus on effect of geological and hydraulic power conditions on phenonmenon diffusion of contaminants A mathematical model analysis mode 2D vertical (y,z) flow satisfies Richard’s equation, with the solution

in non-stationary The solute transport simulation with the results considered in transient period will be started at t=0 At that time, the aquifer is completely unpolluted The Comsol multiphysics software with finite element method is used to study the phenonmenon

Tóm tắt

Nội dung luận văn giới thiệu kết quả bước đầu về mô phỏng sự lan truyền chất bẫn theo thời gian trong tầng nước ngầm từ một kênh ô nhiễm, xem xét đến ảnh hưởng của điều kiện địa chất và thuỷ lực lên hiện tượng khuếch tán chất bẫn hoà tan Mô hình toán mô phỏng chế

độ dòng chảy 2D theo phương đứng (y,z) thoả mãn phương trình Richard, với lời giải trạng thái không ổn định (Non-Stationary) Phương trình lan truyền chất 2D trong vùng tương ứng được giải trong giai đoạn quá độ (transient) bắt đầu từ trạng thái hoàn toàn không bị ô nhiễm lúc t = 0 Phần mềm Comsol với phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để nghiên cứu hiện tượng

Trang 14

LỜI NÓI ĐẦU

Trên thế giới cũng như ở Việt Nam, nguy cơ xảy ra sự ô nhiễm và thiếu nước sạch là rất lớn Nhiều nhà máy, khu công nghiệp, khu dân cư được hình thành Tất cả mọi sự phát triển này đều hướng đến việc tạo ra các sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt của con người, tạo điều kiện sống tốt hơn nhưng đồng thời cũng kéo theo là việc thiếu nguồn nước sạch trầm trọng Trong đó nước mặt và nước ngầm là hai nguồn tài nguyên quý giá trên trái đất Trong những vùng mà việc sử dụng nước mặt bị hạn chế (do lưu lượng không đủ, do chất lượng nước kém,…) thì nước ngầm sẽ được khai thác thay thế để phục vụ cho mục đích cấp nước sinh hoạt và công nghiệp

Trong những năm gần đây, do tăng trưởng nhanh về kinh tế và dân số trong điều kiện cơ

sở hạ tầng và việc thực thi pháp luật về bảo vệ môi trường còn hạn chế Tài nguyên thiên nhiên và chất lượng môi trường nước trong các sông, rạch ngày càng bị ô nhiễm trầm trọng

do nước thải chưa được xử lý từ các nhà máy, xí nghiệp, Các nguồn nước này sẽ xâm nhập vào tầng nước ngầm, làm cho tầng nước ngầm ngày càng bị ô nhiễm dẫn đến chất lượng nguồn nước giảm Điều này ảnh hưởng đến sự thu hẹp nguồn nước cung cấp để sản xuất và sinh hoạt cho các khu công nghiệp và dân cư đô thị

Đề tài mà chúng tôi đang thực hiện nhằm xây dựng một mô hình toán số hai chiều tính toán sự lan truyền chất bẩn vào tầng nước ngầm có xét đến ảnh hưởng của điều kiện địa chất

và thuỷ lực Mô hình ứng dụng phần mềm Comsol để xem xét quá trình lan truyền chất bẩn

từ một kênh bị ô nhiễm xâm nhập vào tầng nước ngầm theo 2 phương (y,z) Từ đó đề ra phương án bảo quản, phục vụ công tác quản lý nguồn nước dưới đất hiệu quả hơn

Luận văn thành công, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ về kiến thức, tinh thần của quý thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật tài nguyên nước đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được thực hiện nguyện vọng chính của mình Đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Thống đã cho tôi nhiều bài học kinh nghiệm trong khoa học cũng như trong cuộc sống Bên cạnh đó, tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý công ty mà tôi đang công tác, gia đình

và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, chia sẽ và động viên tôi thực hiện tốt luận văn này

Trang 15

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Cơ sở hình thành đề tài:

Trong những năm gần đây, do sự phát triển nhanh về kinh tế và xã hội, các khu công nghiệp và khu dân cư được xây dựng ngày càng nhiều Nhu cầu nước sạch phục vụ cho dân sinh ngày càng trở nên gay gắt Cùng với nước mặt, nước dưới đất là tài nguyên quý giá để phục vụ cho việc cấp nước sinh hoạt và mục đích kinh tế xã hội khác

Nước ngầm trở nên quan trọng hơn đối với đời sống con người Nguồn nước ngầm có trữ lượng lớn, chất lượng tốt, bổ sung cho nhu cầu dùng nước của con người Nhiều nhà máy, xí nghiệp, hộ gia đình đã và đang dùng giếng khoan để khai thác nước ngầm Tuy nhiên, hiện nay các nguồn nước khai thác này thường có chất lượng kém do bị xâm nhập từ các kênh, rạch

bị ô nhiễm các chất thải chưa được xử lý từ các nhà máy, xí nghiệp…

Để quy hoạch và khai thác, phát triển và bảo vệ bền vững tài nguyên nước dưới đất Các nhà quản lý luôn cần những hoạch định mang tính chiến lược trên những luận chứng có độ tin cậy và độ chính xác cao nhất về mặt khoa học, hợp lí nhất về mặt kinh tế

Vì vậy, bước đầu nghiên cứu tính toán mô phỏng sự lan truyền chất bẩn vào tầng nước ngầm từ một kênh chứa chất bẩn độc hại có xét đến ảnh hưởng của điều kiện địa chất và thuỷ lực là một bước rất cần thiết cho sự phát triển lâu dài và bảo quản an toàn chất lượng nguồn nước ngầm

1.1.1 Các nghiên cứu trong nước:

Trong nhiều năm qua, một số nhà khoa học trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu về các mô hình tính toán thuỷ lực nước ngầm, lan truyền chất ô nhiễm và xâm nhập mặn vào tầng chứa nước vùng ven biển Sau đây là một số nghiên cứu đó:

- Nguyễn Thống (2010) đã nghiên cứu kết quả ban đầu về mô phỏng sự lan truyền chất bẩn theo thời gian trong tầng nước ngầm từ một giếng mang chất ô nhiễm xâm nhập dưới dạng thông lượng của tạp chất có nồng độ giả định Mô hình toán mô phỏng chế độ dòng chảy 2D theo phương ngang thoả mãn định luật Darcy, với lời giải trạng thái ổn định (steady - state) Phương trình lan truyền chất 2D trong vùng tương ứng được giải trong giai đoạn quá độ (transient) bắt đầu từ trạng thái hoàn toàn không bị ô nhiễm lúc t = 0 Trong đề tài này, tác giả dùng phần mềm Comsol với phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để nghiên cứu hiện tượng và xem xét đến ảnh hưởng của độ rỗng môi trường lên hiện tượng khuếch tán ô nhiễm

- Huỳnh Thanh Sơn (2004) đã nghiên cứu kết quả ban đầu về dòng thấm không ổn định trong bờ sông vùng chịu ảnh hưởng triều tại vị trí sát bờ sông Hậu thuộc xã Bình Đức, thành phố Long Xuyên, An Giang Trong đề tài này, tác giả đã xây dựng một hệ thống quan trắc gồm 07 ống đo áp để đo đạc kết hợp với phương pháp giải tích và phương pháp sai phân hữu

Trang 16

hạn để đánh giá sự thay đổi của dòng thấm không ổn định theo thời gian

- Nguyễn Văn Hoàng và Trần Văn Hùng (2007) đã nghiên cứu vấn đề nước thải ra sông Hồng và khả năng ảnh hưởng đến nước dưới đất khu vực Hà Nội Trong đề tài này, tác giả trình bày kết quả điều tra khảo sát về các vị trí các nguồn nước thải ra được đánh giá bằng mô hình lan truyền các chất ô nhiễm được thực hiện đối với các giếng ở Cáo Đỉnh 2 Kết quả mô hình cho thấy điều kiện chất ô nhiễm không bị môi trường đất và đá hấp thụ - trao đổi Dòng chảy nước dưới đất có nồng độ chất ô nhiễm tương đối = 0.8 đã xâm nhập vào các lỗ khoan khai thác của các bãi giếng trên sau thời gian một năm kể từ thời điểm thấm vào tầng Pleistocen

- Trương Thanh Cường (2005) đã ứng dụng công nghệ thông tin nhằm đánh giá trử lượng khai thác và dự báo xâm nhập mặn của nước dưới đất khu vực Phú Mỹ- Mỹ Xuân tỉnh

Bà Rịa – Vũng Tàu Trong đề tài này tác giả đã dùng phần mềm GMS.3.1 và các phần mềm chuyên môn tính toán và xử lý dữ liệu đầu vào cho mô hình Sau đó thu thập các tài liệu quan trắc động thái nước dưới đất Kết quả tính toán từ mô hình là trữ lượng nước dưới đất trong phạm vi nghiên cứu đã được xác lập Mô hình cũng đã xác định được ranh mặn, từ đó dự báo được quá trình xâm nhập mặn của nước dưới đất tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu

- Lê Thị Lài và Joern Kasbohm đã nghiên cứu nguy cơ nhiễm bẫn của nước dưới đất từ các cụm công nghiệp nhỏ ở nông thôn Nam Định Trong đề tài này, tác giả đã trình bày kết quả phân tích các loại đất và trầm tích bề mặt các kênh rạch, ao hồ tại các làng nghề bị ô nhiễm nặng nề bởi các kim loại nặng Điều đó cho thấy rằng, nguy cơ dẫn đến ô nhiễm là do lượng nước thải từ các cụm công nghiệp này Khả năng hấp thụ các khoáng vật sét bề mặt không cao, bởi chúng có bề mặt trao đổi không lớn và năng lượng trao đổi ion thấp Kết quả cho thấy khả năng làm rào cản của lớp đất bề mặt ngăn chặn các quá trình lan truyền kim loại nặng cũng như các chất ô nhiễm khác từ trên bề mặt xuống các tầng nước sâu là rất nhỏ

- Ngô Đức Chân (2004) đã xác định mô hình dòng chảy nước dưới đất để đánh giá trữ lượng tiềm năng và tính toán bổ sung nhân tạo tầng chứa Pliocen thượng khu vực TP Hồ Chí Minh Trong đề tài này, tác giả đã xác định mô hình theo phần mềm GMS 3.1 Kết quả là trữ lượng nước dưới đất khu vực TP.Hồ Chí Minh đã được xác định, từ đó tính toán bổ sung nhân tạo cho tầng chứa nước Pliocen

- Các tác giả Trần Minh, Tống Ngọc Thanh và Nguyễn Chí Nghĩa (2000) đã lập mô hình quản lý nước dưới đất tỉnh Cần Thơ Trong bài báo này, các tác giả đã dùng phần mềm hệ thống thông tin địa lý GIS, Modflow và các tài liệu điều tra cơ bản cùng hệ thống dữ liệu quan trắc quốc gia động thái nước dưới đất của tỉnh Cần Thơ để xây dựng mô hình Kết quả là mô hình đã mô phỏng được các tầng chứa nước và giữa các tầng chứa nước với nước mặt Mô hình cho phép dự báo thay đổi của dòng ngầm trước sự khai thác của các công trình cấp nước, tối ưu hoá khả năng cấp nước của tầng chứa nước q2  3, tránh sự cạn xảy ra nếu tiến hành khai

Trang 17

- Các tác giả Ngô Ngọc Cát và Nguyễn Văn Hoàng (2006) đã đánh giá tiềm năng nước ngầm và khả năng nhiễm mặn trong quá trình khai thác trên đảo Vĩnh Thực – Quảng Ninh Trong bài báo này, các tác giả đã dùng công thức của M.Masket- Ph.M.Botrever nhằm xác định lưu lượng khai thác tiềm năng gần đúng từng ô lưới đối với tầng có áp và tầng không áp Sau đó dùng phương trình đạo hàm riêng mô tả quá trình lan truyền chất trong dòng chảy nước dưới đất trong không gian 2 chiều (x,y) để đánh giá quá trình lan truyền mặn đối với trường hợp khai thác từ ô các biên giáp biển Kết quả là tiềm năng nước ngầm và khả năng nhiễm mặn trong quá trình khai thác được xác định

- Các tác giả Trần Văn Minh và Nguyễn Thế Hùng (2004) đã nghiên cứu tính toán tổng quát về xâm nhập mặn phục vụ quy hoạch khai thác quản lý nước ngầm vùng ven biển Trong bài báo này tác giả trình bày mô hình tính toán tổng quát về xâm nhập mặn vào tầng chứa nước vùng ven biển Mô hình này được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn Kết quả tính toán từ mô hình này là quá trình xâm nhập mặn vào tầng chứa nước vùng ven biển theo thời gian đã được xác định, từ đó giúp cho các nhà quản lý có kế hoạch khai thác nước dưới đất vùng ven biển trong tương lai

- Tác giả Nguyễn Minh Khuyến (2006) đã dự báo hạ thấp mực nước và xâm nhập mặn

do khai thác nước dưới đất từ thấu kính nước nhạt vùng Nam Định Trong bài báo này tác giả

đã tính toán mực nước hạ thấp bằng mô hình dòng chảy 3 chiều nước dưới đất và dùng phương trình vi phân phân tán thuỷ động lực 1 chiều để tính toán xâm nhập mặn Kết quả là

sự hạ thấp mực nước và quá trình xâm nhập mặn vùng Nam Định được xác định

1.1.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới, người ta đã dùng mô hình 2 thứ nguyên 2D và 3 thứ nguyên 3D để nghiên cứu nhiều vấn đề khác có liên quan đến bài toán nước ngầm và vấn đề xâm nhập mặn Sau đây

là một số nghiên cứu đó:

- David G.Zeitoun, George F.Pinder (1996) dùng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết bài toán xâm nhập mặn bằng một mô hình 3D (Saltfres) Mô hình này đã mô phỏng xâm nhập mặn trong một hay nhiều tầng của hệ thống nước ngầm vùng ven biển Kết quả là quá trình xâm nhập mặn vào tầng chứa nước vùng ven biển đã được xác định Mô hình đã giúp ích rất nhiều trong việc thiết kế và quy hoạch các giếng nước vùng ven biển

- Shaul Sorek, Viaccheslaw Borisow, Alex Yakirevich (1985) cũng đã mô phỏng vấn đề xâm nhập mặn theo chiều ngang với mô hình MEL2DSLT Trong mô hình này, các tác giả dựa vào công thức Eulerian – Lagrangian trên mặt nằm ngang 2D để giải phương trình dòng chảy và lan truyền chất trong tầng chứa nước ngầm Về mặt lý thuyết, lúc mô phỏng theo thời gian, sự dao động mực nước, nồng độ hoà tan và nhiệt độ chất lưu là không đồng nhất Trong vùng nghiên cứu, thời gian và chiều sâu của nước mặn xâm nhập đã được xác định

Trang 18

- Ken Kipp (1986) đã nghiên cứu sự lan truyền chất hoà tan 3D trong hệ thống Trong

mô hình HTS 3D này, tác giả dùng phương pháp phần tử hữu hạn để giải phương trình lan truyền chất 3D Kết quả là sự lan truyền chất tan trong hệ thống nước ngầm có thể được tính

ra ở mọi thời điểm

-Loague, K and Green, RE, (1991) dùng phương pháp đồ thị và phương pháp thống kê

để đánh giá mô hình lan truyền chất Trong mô hình này, các tác giả xây dựng một mô hình tính toán dự báo sự lan truyền chất trong tầng nước ngầm Có một vài mô hình cũng được thiết lập trong những năm gần đây cho mục đích này Tuy nhiên, phương pháp đánh giá này chưa tối ưu cả trong mô hình tính toán thuỷ lực và lan truyền chất Mô hình trình bày tổng quan về

sự lan truyền chất, tiêu chuẩn thống kê được sử dụng trong mô hình Ngoài ra, mô hình còn kiểm tra nồng độ của độc chất lan truyền trong đất theo thời gian

- A.A Javadi and M.M AL-Najjar (2007) dùng phương pháp phần tử hữu hạn để lập mô hình toán bao gồm xét đến phản ứng hoá học trong đất Trong mô hình này, các tác giả đã nghiên cứu sự chuyển động của hoá chất trong tầng nước ngầm là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm nguồn nước ngầm Những nghiên cứu gần đây, các mô hình và các phương pháp nghiên cứu mô tả không đầy đủ các tác nhân lan truyền chất bẫn gây ra Trong bài báo này, tác giả đã trình bày một mô hình tính toán sự lan truyền chất bẫn vào tầng nước ngầm có xét đến phản ứng hoá học Phương trình chủ đạo của sự lan truyền chất bẩn hoà tan bao gồm sự phân tán - khuếch tán - hấp thụ và phản ứng hoá học được trình bày Tác giả cũng so sánh kết quả của mô hình toán với kết quả thí nghiệm, kết quả cho thấy rằng khả năng dự báo ảnh hưởng của phản ứng hoá học có độ chính xác rất cao

1.2 Mục tiêu nghiên cứu:

Mục tiêu của luận văn này là nhằm tìm hiểu rõ hơn về bản chất thủy lực cũng như sự lan truyền của chất bẩn trong tầng nước ngầm, xét đến ảnh hưởng của điều kiện địa chất và thuỷ lực Tiếp cận với các phương pháp nghiên cứu khoa học tiên tiến, nâng cao kiến thức chuyên môn, đáp ứng yêu cầu học thuật của bản thân

Ngoài ra, vận dụng những kiến thức đã học vào các vấn đề thực tiễn phục vụ cho đời sống của con người cũng là một mục tiêu của luận văn này Trên cơ sở kết quả ban đầu, tiến hành mô phỏng sự lan truyền chất bẩn hoà tan vào tầng nước ngầm từ một kênh bị ô nhiễm theo 2 phương (y,z) làm ảnh hưởng đến chất lượng nước, để từ đó có chiến lược phát triển lâu dài và quản lý nguồn nước dưới đất hiệu quả hơn

1.3 Nội dung nghiên cứu:

Luận văn sẽ bao gồm 03 nội dung chính sau :

- Xây dựng một mô hình tính toán lan truyền chất bẩn hoà tan từ kênh ô nhiễm vào tầng

Trang 19

- Áp dụng mô hình để xem xét quá trình lan truyền chất bẩn hoà tan từ kênh ô nhiễm vào tầng nước ngầm, có xét đến ảnh hưởng của điều kiện địa chất và thuỷ lực

- Từ đó đề ra phương án bảo quản, phục vụ công tác quản lý nước dưới đất hiệu quả hơn

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

Nhìn chung, cho bài toán lan truyền chất người ta có thể sử dụng hai phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp thực nghiệm (đo đạc ngoài hiện trường) và phương pháp tính bằng mô hình toán số So với thực nghiệm, phương pháp mô hình toán số có nhiều ưu điểm hơn Đó là cho kết quả nhanh và ít tốn kém, với ưu thế như vậy nên phương pháp này được chúng tôi chọn sử dụng để nghiên cứu

Chúng tôi sử dụng chương trình được sử dụng rộng rãi trên thế giới là phần mềm Comsol

để mô phỏng hiện tượng khuếch tán chất bẩn hoà tan từ kênh ô nhiễm vào tầng nước ngầm có xét đến ảnh hưởng của điều kiện địa chất và thuỷ lực Ngoài ra còn kết hợp dùng phương pháp giải tích để kiểm tra, đánh giá kết quả của lời giải giải tích với kết quả tính của mô hình

Trang 20

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu

Nghiên cứu sự lan truyền chất ơ nhiễm trong tầng nước ngầm từ các tác nhân ngoại lai là một nhu cầu rất cấp bách hiện nay ở nước ta Kết quả nghiên cứu cho phép đánh giá diễn biến mức độ ơ nhiễm theo thời gian và khơng gian trong miền nghiên cứu và từ đĩ đề xuất các biện pháp xử lý cần thiết Ở đây giới hạn nghiên cứu bài tốn trong phạm vi xem xét sự lan truyền chất bẩn từ kênh ơ nhiễm vào tầng nước ngầm và chất ơ nhiễm dạng hịa tan với nồng độ c (kg/m3) xâm nhập vào tầng nước ngầm dưới dạng thơng lượng (flux) Nội dung nghiên cứu sẽ xem xét ảnh hưởng của độ rỗng mơi trường thấm lên tốc độ ơ nhiễm và điều kiện thuỷ lực như là sự chuyển động của tầng nước ngầm theo phương ngang lên mơ hình nghiên cứu

Nội dung luận văn giới thiệu kết quả bước đầu về mơ phỏng sự lan truyền chất bẩn theo thời gian từ một kênh ơ nhiễm xâm nhập vào tầng nước ngầm dưới dạng thơng lượng của tạp chất cĩ nồng độ giả định là 3

/

1kg m Mơ hình tốn mơ phỏng chế độ dịng chảy 2D theo phương y và z, được giải trong giai đoạn quá độ (transient) bắt đầu từ trạng thái hồn tồn khơng bị ơ nhiễm lúc t = 0 Phần mềm Comsol với phương pháp phần tử hữu hạn được

sử dụng để nghiên cứu hiện tượng

z

y

Mực nước ngầm Kênh

Tầng không thấm 30m

20m

100m

10m

9.5m 9.5m 34°

100 50

Trang 21

9.5m 9.5m

Trang 22

),(: cột áp

Dung tích ẩm C có quan hệ với cột nước đo áp như sau:

Trang 23

2 11

2.3 Phương trình lan truyền chất

Phương trình lan truyền chất 2D theo phương đứng (y,z) được mô tả bởi phương trình sau:

p

R : chỉ số phản ứng giữa chất bẩn hòa tan và phân tử đất   3  1

s kgm

c

S : chỉ khối lượng chất hoà tan đi vào một đơn vị thể tích môi trường rỗng trong một đơn

vị thời gian   3  1

s kgm Vận tốc lan truyền được tính theo công thức sau:

Trang 24

c t

b p

t

H C c t

j

u

u u

L

 : là hệ số cản có tác dụng làm giảm khả năng khuếch tán phân tử trong lỗ rỗng, với

2 3

2.4 Điều kiện biên

2.4.1 Điều kiện biên cho bài toán thấm

Trong nghiên cứu này chúng tôi xem xét miền thấm 2 chiều (2D) theo phương thẳng đứng (y,z), có chiều rộng là 100 m theo phương y và chiều sâu 50 m theo phương z và kênh có mặt cắt ướt hình thang không đổi Nguồn nước xâm nhập vào tầng thấm từ kênh

ô nhiễm được mô phỏng là diện tích mặt cắt ướt của một kênh hình thang và có thông

Trang 25

3m, theo điều kiện biên của Dirichlet về cột áp, các điều kiện biên như sau:

n s r p  : Cột áp trên các cạnh đáy kênh

Với n là vectơ chỉ phương của biên

2.4.2 Điều kiện biên cho bài toán lan truyền chất

Bài toán mô phỏng sự lan truyền loại chất bẩn hoà tan từ kênh có mặt cắt ướt dọc theo kênh không thay đổi Lưu lượng thấm đã được xác định trong bài toán thấm nêu trên Nước bẩn được giả định có nồng độ là c =1 3

Trang 26

CHƯƠNG III : MÔ HÌNH BÀI TOÁN THẤM VÀ LAN TRUYỀN CHẤT TỪ MỘT KÊNH BỊ Ô NHIỄM

3.1 Giới thiệu phần mềm tính toán Comsol

Comsol là phần mềm thương mại được sử dụng rộng rãi trên thế giới dùng để nghiên cứu trong các lĩnh vực về điện, cơ khí, xây dựng, môi trường….được thiết kế bởi các chuyên gia am hiểu trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Có nhiều mođun tính toán trong phần mềm này, trong đó có mođun tính toán về sự lan truyền chất trong tầng nước ngầm được chúng tôi đặc biệt quan tâm Với đủ các dạng dòng chảy khác nhau:

- Phương trình Richard là phương trình phi tuyến được ứng dụng tính toán trong trường hợp dòng thấm trong tầng nước ngầm là dòng thấm không ổn định trong điều kiện bão hoà hoặc không bão hoà

- Phương trình Darcy là phương trình tuyến tính được ứng dụng tính toán trong trường hợp dòng thấm trong tầng nước ngầm là dòng thấm ổn định trong điều kiện bão hoà

- Phương trình Brinkman được quan tâm khi xét đến trường hợp có lực cắt

- Phương trình Navier - Stockes tính toán về dòng chảy tự do…

Ở đây, chúng tôi ứng dụng phương trình Richard để mô phỏng sự lan truyền chất vào tầng nước ngầm từ kênh ô nhiễm, có xét đến điều kiện thay đổi về địa chất và thuỷ lực Việc mô phỏng được thiết lập dựa trên các miền tính toán, các điều kiện biên và điều kiện ban đầu trong cả hai trường hợp về dòng thấm và lan truyền chất

Với giao diện thiết kế dễ sử dụng, dễ dàng lựa chọn các mođun cho việc tính toán, nên việc tính toán cho kết quả nhanh và hiệu quả

3.2 Mô tả mô hình tính toán

- Mô hình 3D có khả năng giải quyết tối ưu bài toán theo cả 3 phương x, y, z Tuy nhiên,

số phương trình giải theo 3D sẽ rất lớn Hiện tại, máy tính khó có khả năng giải quyết một lượng lớn phương trình như thế Mặc khác, ở đây chủ yếu nghiên cứu sự lan truyền chất theo chiều sâu và theo phương mặt cắt ngang kênh (y,z), mặt cắt dọc theo phương x (dọc trục kênh) là tương tự như nhau, cho nên áp dụng mô hình 2D sẽ làm đơn giản hóa việc tính toán, mà kết quả mang lại có thể chấp nhận được

- Theo phương pháp phần tử hữu hạn, trong miền tính toán được chia thành các ô lưới tam giác đều có mật độ kích thước là 1m (tổng cộng là 11312 ô lưới), tại các vị trí cạnh biên ở đáy kênh sẽ chia với kích thước là 0.25m, và tại các vị trí điểm góc kênh thì chia

Trang 27

Hình 3.1 Sơ đồ chia ô lưới tính toán cho trường hợp có một kênh lan truyền

Hình 3.2 Sơ đồ chia ô lưới tính toán cho trường hợp có 2 kênh lan truyền

Để nghiên cứu hiện tượng lan truyền chất ô nhiễm trong tầng nước ngầm, hệ hai phương trình [1] và [2] (bên chương2) sẽ được giải đồng thời Từ kết quả giá trị cột nước

đo áp toàn phần tính từ [1] sẽ xác định được trường vận tốc tương ứng Trường vận tốc này được dùng trong quá trình giải [2] Miền tính 2D theo phương đứng (y,z) có tiết diện

là hình chữ nhật có chiều rộng b=100 m theo phương y và có chiều sâu h=50 m theo phương z

Trong nghiên cứu này, xem xét dòng thấm thay đổi theo thời gian tạo ra từ một kênh hình thang có tiết diện mặt cắt ướt không đổi lan truyền theo 2 phương (y,z) Giả định

Trang 28

thông lượng đơn vị xâm nhập vào tầng nước ngầm là N0=0.00454 m3/s

3.3 Bài toán trường vận tốc

3.3.1 Lời giải giải tích

Khi mực nước ngầm ở sâu, hiện tượng lan truyền chất sẽ xảy ra theo sơ đồ vẽ trên hình 3.3 (theo công trình của V.V Vêđecnhicôp đối với trường hợp bài toán phẳng)

Biểu đồ vận tốc lan truyền chất từ kênh hình thang có dạng như trên hình 3.4 Trên trục kênh, vận tốc thấm v0 bé hơn vận tốc tại các điểm góc B và C

Hình 3.3 : Sơ đồ lan truyền chất Hình 3.4 : Biểu đồ vận tốc lan truyền chất Vận tốc thấm tại điểm A và D có hướng thẳng góc với bờ kênh và về trị số bằng :



cos

K V

V A  D 

Trong đólà góc nghiêng của mái dốc đối với mặt nằm ngang; K – hệ số thấm

Ở đây, ta có = 340, K = 0.298 m/s

247.0298.0829



A

237.0



D

472.0



B

489 0



C

301 0

Trang 29

Bảng 3.1 : Kết quả vận tốc lan truyền giữa lời giải giải tích và lời giải từ mô hình toán số

Hơn nữa, kết quả mô hình toán cũng cho chúng ta thấy rằng vận tốc tại điểm B là 472

3.4 Bài toán lan truyền chất

3.4.1 Lời giải từ mô hình toán

Dưới đây là các kết quả tính toán từ mô hình :

* Trường hợp bài toán có một kênh lan truyền:

Hình 3.5 : Biểu đồ cột áp tại thời điểm t = 365 ngày Kết quả trên biểu đồ cho ta thấy rằng, cột áp có giá trị tăng dần theo chiều sâu

Trang 30

Hình 3.6: Cột áp qua trục 50-50 ở các thời điểm : t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày theo chiều sâu Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, cột áp có giá trị tăng dần theo chiều sâu

Hình 3.7: Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-10) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, cột áp có giá trị tăng dần theo thời gian

Trang 31

Trang 32

Trang 33

Dựa vào các kết quả xem xét bên trên, ta thấy rằng cột áp luôn có giá trị tăng dần theo thời gian trong miền tính toán

Hình 3.13 : Biểu đồ vận tốc tại thời điểm t = 365 ngày Kết quả trên biểu đồ cho ta thấy rằng, vận tốc có giá trị giảm dần theo chiều sâu

Trang 34

Hình 3.14: Vận tốc qua trục kênh 50-50 ở các thời điểm : t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày theo chiều sâu Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, vận tốc tăng lên sau đó giảm dần theo chiều sâu

Hình 3.15: Biểu đồ vận tốc tại vị trí (25,-10) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, vận tốc có giá trị giảm dần theo thời gian

Trang 35

Hình 3.16: Biểu đồ vận tốc tại vị trí (50,-10) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, vận tốc đạt giá trị max = 0.105 m/s tại thời điểm t = 180 ngày, sau đó giảm dần theo thời gian

Trang 36

Trang 37

Dựa vào các kết quả xem xét bên trên, ta thấy rằng vận tốc có giá trị giảm dần theo thời gian trong miền tính toán

Hình 3.21 : Biểu đồ nồng độ tại thời điểm t = 365 ngày Kết quả trên biểu đồ cho ta thấy rằng giá trị nồng độ giảm dần theo chiều sâu

Hình 3.22: Nồng độ qua trục kênh 50-50 ở các thời điểm : t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày theo chiều sâu Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, nồng độ có giá trị giảm dần theo chiều sâu

Trang 38

Hình 3.23: Biểu đồ nồng độ tại vị trí (25,-10) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, nồng độ đạt giá trị max = 1.83x10-5 kg/m3, sau đó giảm dần theo thời gian

Hình 3.24: Biểu đồ nồng độ tại vị trí (50,-10) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, nồng độ tăng lên đạt giá trị max = 0.196 kg/m3

, sau đó có giá trị giảm dần theo thời gian

Trang 39

Hình 3.25: Biểu đồ nồng độ tại vị trí (75,-10) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, nồng độ đạt giá trị max = 2.4x10-4 kg/m3, sau đó có giá trị giảm dần theo thời gian

Hình 3.26: Biểu đồ nồng độ tại vị trí (25,-30) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, nồng độ đạt giá trị max = 4.9x10-4 kg/m3 tại thời điểm t = 240 ngày, sau đó giảm dần theo thời gian

Trang 40

Dựa vào các kết quả xem xét bên trên, ta thấy rằng nồng độ ban đầu tăng lên sau đó có giá trị giảm dần theo thời gian trong miền tính toán

* Trường hợp có 2 kênh lan truyền:

Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	4,11 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1] Nguyễn Thống (2010). Mô phỏng sự lan truyền chất bẩn hoà tan vào tầng nước ngầm từ một giếng. Tạp chí Nông nghiệp và phát triển nông thôn, trang 40-43	Khác
[2] Huỳnh Thanh Sơn (2011). Bài giảng môn học Thủy lực nước ngầm. Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh	Khác
[3] Nguyễn Cảnh Cầm, Vũ Văn Tảo và các đồng tác giả (1978). Thuỷ lực tập II. Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp	Khác
[4] Lưu Công Đào, Nguyễn Tài (2010). Sổ tay tính toán thuỷ lực. Dịch từ tiếng Nga, tái bản lần 2 (có sửa chữa). Nhà xuất bản Xây dựng Hà Nội	Khác
[5] Đoàn Văn Cánh, Phạm Quý Nhân (2001). Tin học ứng dụng trong địa chất thủy văn (Giáo trình cao học và nghiên cứu sinh), Trường Đại học Mỏ địa chất Hà nội	Khác
[6] Vũ Minh Cát, Bùi Công Quang (2002). Thủy văn nước dưới đất, Nhà xuất bản Xây dựng	Khác
[7] Ngô Ngọc Cát, Nguyễn Văn Hoàng (2006). Đánh giá tiềm năng nước ngầm và khả năng nhiễm mặn trong quá trình khai thác trên đảo Vĩnh Thực – Quảng Ninh. Tạp chí Địa kỹ thuật, trang 26-35	Khác
[8] Nguyễn Việt Kỳ, Ngô Đức Chân, Bùi Trần Vƣợng, Trần Văn Chung, Hoàng Văn Vinh (2006). Khai thác và bảo vệ tài nguyên nước dưới đất. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh	Khác
[9] Nguyễn Minh Khuyến (2006). Dự báo hạ thấp mực nước và xâm nhập mặn do khai thác nước dưới đất từ thấu kính nước nhạt vùng Nam Định. Tạp chí địa kỹ thuật, trang 51-58	Khác
[10] Trần Minh, Tống Ngọc Thanh, Nguyễn Chí Nghĩa (2000). Mô hình quản lý nước dưới đất ở tỉnh Cần Thơ. Tạp chí địa chất, trang 16-27	Khác
[11] Trần Minh, Trương Xuân Luận, Tống Ngọc Thanh, Nguyễn Chí Nghĩa (1999) Thiết lập mô hình địa chất thủy văn bằng phần mềm visual Modflow. Trường Đại học Mỏ địa chất Hà Nội	Khác
[12] Lê Đình Hồng. Bài giảng phương pháp số. Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh	Khác
[13] Bear Jacob and Cheng (1999) Seawater instrusion Coast aquifers – Concepts, Methods and practices. Kluwer Academic Plublishers	Khác
[15] T.H.M. Rientjes, R.H.Boekelman (2001). Hydrological Model Delft University of Technology	Khác
[16] Michael G.Dc Donald and Arlen W.Harbaugh (1998). A modular three – demension finite – difference Ground water flow model. The United States Geological Survey	Khác
[17] Thomas M.Walski and all (2002).Computer Applications in Hydraulic Engineer. Fifth Edition	Khác
[18] C.A.J. Fletcher (1987). Computational Techniques for Fluid Dynamics. Springer – Verlag Publishing	Khác