GIỚI THIỆU
Cơ sở hình thành đề tài
Trong bối cảnh phát triển kinh tế và xã hội nhanh chóng, nhu cầu về nước sạch cho sinh hoạt ngày càng tăng cao Các khu công nghiệp và khu dân cư mới được xây dựng đã thúc đẩy nhu cầu này, khiến nước mặt và nước dưới đất trở thành nguồn tài nguyên quý giá để đáp ứng nhu cầu cấp nước sinh hoạt và các mục đích kinh tế xã hội khác.
Nước ngầm ngày càng trở nên quan trọng đối với cuộc sống con người nhờ vào trữ lượng lớn và chất lượng tốt, đáp ứng nhu cầu sử dụng nước Nhiều nhà máy, xí nghiệp và hộ gia đình đã khai thác nước ngầm qua giếng khoan Tuy nhiên, chất lượng nước ngầm hiện nay thường bị suy giảm do ô nhiễm từ các nguồn thải chưa được xử lý Để phát triển và bảo vệ bền vững tài nguyên nước dưới đất, các nhà quản lý cần có những chiến lược quy hoạch dựa trên các luận chứng khoa học chính xác và hợp lý về mặt kinh tế.
Nghiên cứu mô phỏng sự lan truyền chất bẩn vào tầng nước ngầm từ kênh chứa chất độc hại, với sự xem xét các yếu tố địa chất và thủy lực, là cần thiết để bảo vệ và duy trì chất lượng nước ngầm bền vững.
1.1.1 Các nghiên cứu trong nước:
Trong những năm qua, nhiều nhà khoa học trong nước đã tiến hành nghiên cứu về các mô hình tính toán thủy lực nước ngầm, sự lan truyền chất ô nhiễm và hiện tượng xâm nhập mặn vào tầng chứa nước ven biển Dưới đây là một số công trình nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này.
Nguyễn Thống (2010) đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng sự lan truyền chất ô nhiễm trong tầng nước ngầm từ một giếng, sử dụng mô hình toán học 2D theo phương ngang tuân theo định luật Darcy với giải pháp ổn định Phương trình lan truyền chất được giải trong giai đoạn quá độ, bắt đầu từ trạng thái không ô nhiễm tại thời điểm t = 0 Nghiên cứu này sử dụng phần mềm Comsol và phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích hiện tượng, đồng thời xem xét ảnh hưởng của độ rỗng môi trường đối với sự khuếch tán ô nhiễm.
Huỳnh Thanh Sơn (2004) đã tiến hành nghiên cứu về dòng thấm không ổn định tại bờ sông Hậu, xã Bình Đức, thành phố Long Xuyên, An Giang Nghiên cứu này sử dụng hệ thống quan trắc với 07 ống đo áp để thu thập dữ liệu, kết hợp với phương pháp giải tích và phương pháp sai phân hữu hạn nhằm đánh giá sự thay đổi của dòng thấm không ổn định theo thời gian.
Nguyễn Văn Hoàng và Trần Văn Hùng (2007) đã tiến hành nghiên cứu về nước thải đổ ra sông Hồng và tác động của nó đến nguồn nước dưới đất tại Hà Nội Nghiên cứu này trình bày kết quả khảo sát các vị trí xả thải, được đánh giá thông qua mô hình lan truyền ô nhiễm tại các giếng ở Cáo Đỉnh 2 Kết quả cho thấy ô nhiễm không bị hấp thụ bởi môi trường đất và đá, với dòng chảy nước dưới đất có nồng độ ô nhiễm tương đối = 0.8 đã xâm nhập vào các lỗ khoan khai thác sau một năm kể từ khi thấm vào tầng Pleistocen.
Trương Thanh Cường (2005) đã áp dụng công nghệ thông tin để đánh giá trữ lượng khai thác nước dưới đất và dự báo tình hình xâm nhập mặn tại khu vực Phú Mỹ - Mỹ Xuân, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu.
Bài viết nghiên cứu về tình hình nước dưới đất tại Bà Rịa – Vũng Tàu, sử dụng phần mềm GMS.3.1 cùng với các công cụ chuyên môn để tính toán và xử lý dữ liệu đầu vào cho mô hình Tác giả đã thu thập tài liệu quan trắc động thái nước dưới đất và xác định được trữ lượng nước trong khu vực nghiên cứu Mô hình cũng đã chỉ ra ranh mặn, từ đó dự báo quá trình xâm nhập mặn của nước dưới đất tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu.
Lê Thị Lài và Joern Kasbohm đã nghiên cứu nguy cơ ô nhiễm nước dưới đất từ các cụm công nghiệp nhỏ ở nông thôn Nam Định Nghiên cứu chỉ ra rằng, các loại đất và trầm tích bề mặt tại các làng nghề bị ô nhiễm nặng nề bởi kim loại nặng, chủ yếu do lượng nước thải từ các cụm công nghiệp Khả năng hấp thụ khoáng vật của lớp đất bề mặt rất thấp, với diện tích trao đổi nhỏ và năng lượng trao đổi ion yếu Kết quả cho thấy, lớp đất bề mặt có khả năng ngăn chặn sự lan truyền của kim loại nặng và các chất ô nhiễm khác xuống các tầng nước sâu là rất hạn chế.
Ngô Đức Chân (2004) đã phát triển mô hình dòng chảy nước dưới đất nhằm đánh giá trữ lượng tiềm năng và thực hiện tính toán bổ sung nhân tạo cho tầng chứa Pliocen tại TP Hồ Chí Minh Sử dụng phần mềm GMS 3.1, tác giả đã xác định được trữ lượng nước dưới đất trong khu vực, từ đó đề xuất các phương pháp bổ sung nhân tạo cho tầng chứa nước Pliocen.
Các tác giả Trần Minh, Tống Ngọc Thanh và Nguyễn Chí Nghĩa (2000) đã xây dựng mô hình quản lý nước dưới đất cho tỉnh Cần Thơ bằng cách sử dụng phần mềm GIS, Modflow, và dữ liệu từ các cuộc điều tra cùng hệ thống quan trắc quốc gia Mô hình này đã mô phỏng các tầng chứa nước và mối quan hệ giữa chúng với nước mặt, cho phép dự báo sự thay đổi của dòng ngầm do khai thác từ các công trình cấp nước Nhờ đó, mô hình tối ưu hóa khả năng cung cấp nước của tầng chứa nước q2-3, đồng thời ngăn chặn tình trạng cạn kiệt nguồn nước.
Các tác giả Ngô Ngọc Cát và Nguyễn Văn Hoàng (2006) đã tiến hành đánh giá tiềm năng nước ngầm và khả năng nhiễm mặn trong quá trình khai thác trên đảo Vĩnh Thực, Quảng Ninh Họ áp dụng công thức của M.Masket và Ph.M.Botrever để xác định lưu lượng khai thác tiềm năng cho từng ô lưới ở cả tầng có áp và tầng không áp Đồng thời, họ sử dụng phương trình đạo hàm riêng để mô tả quá trình lan truyền chất trong dòng chảy nước dưới đất trong không gian hai chiều (x,y), nhằm đánh giá quá trình lan truyền mặn ở các ô biên giáp biển Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra tiềm năng nước ngầm và khả năng nhiễm mặn trong quá trình khai thác.
Các tác giả Trần Văn Minh và Nguyễn Thế Hùng (2004) đã nghiên cứu mô hình tính toán tổng quát về xâm nhập mặn phục vụ quy hoạch khai thác và quản lý nước ngầm vùng ven biển Mô hình này được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn, cho phép xác định quá trình xâm nhập mặn vào tầng chứa nước theo thời gian Kết quả nghiên cứu giúp các nhà quản lý xây dựng kế hoạch khai thác nước dưới đất hiệu quả cho vùng ven biển trong tương lai.
Tác giả Nguyễn Minh Khuyến (2006) đã cảnh báo về tình trạng hạ thấp mực nước và xâm nhập mặn do khai thác nước dưới đất tại vùng Nam Định Trong nghiên cứu, ông đã sử dụng mô hình dòng chảy ba chiều để tính toán mức độ hạ thấp mực nước và áp dụng phương trình vi phân phân tán thủy động lực một chiều để xác định quá trình xâm nhập mặn Kết quả cho thấy rõ sự hạ thấp mực nước và tình trạng xâm nhập mặn đang diễn ra tại khu vực này.
1.1.2 Các nghiên cứu ngoài nước
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu bản chất thủy lực và sự lan truyền của chất bẩn trong tầng nước ngầm, đồng thời xem xét ảnh hưởng của điều kiện địa chất và thủy lực Luận văn áp dụng các phương pháp nghiên cứu khoa học tiên tiến để nâng cao kiến thức chuyên môn và đáp ứng yêu cầu học thuật.
Luận văn này nhằm vận dụng kiến thức vào thực tiễn để cải thiện đời sống con người Dựa trên kết quả ban đầu, nghiên cứu sẽ mô phỏng sự lan truyền chất bẩn hòa tan từ một kênh ô nhiễm vào tầng nước ngầm theo hai phương (y,z), nhằm đánh giá ảnh hưởng đến chất lượng nước Từ đó, đề xuất chiến lược phát triển bền vững và quản lý hiệu quả nguồn nước dưới đất.
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
Mô hình được áp dụng để phân tích quá trình lan truyền chất bẩn hoà tan từ kênh ô nhiễm vào tầng nước ngầm, đồng thời xem xét 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.
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 tính bằng mô hình toán số, so với phương pháp thực nghiệm (đo đạc ngoài hiện trường), mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như kết quả nhanh chóng và chi phí thấp Chính vì những lợi ích này, chúng tôi đã quyết định lựa chọn phương pháp mô hình toán số cho nghiên cứu của mình.
Chúng tôi sử dụng phần mềm Comsol, một công cụ mô phỏng phổ biến toàn cầu, để nghiên cứu hiện tượng khuếch tán chất bẩn hòa tan từ kênh ô nhiễm vào tầng nước ngầm, đồng thời xem xét ảnh hưởng của điều kiện địa chất và thủy lực Bên cạnh đó, chúng tôi áp dụng phương pháp giải tích để kiểm tra và đánh giá tính chính xác của kết quả mô hình so với các giải pháp phân tích.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu
Nghiên cứu sự lan truyền chất ô nhiễm từ các tác nhân ngoại lai vào tầng nước ngầm là một nhu cầu cấp bách tại Việt Nam Kết quả nghiên cứu giúp đánh giá diễn biến ô nhiễm theo thời gian và không gian, từ đó đề xuất các biện pháp xử lý hiệu quả Bài nghiên cứu tập trung vào sự lan truyền chất bẩn từ kênh ô nhiễm vào tầng nước ngầm, với chất ô nhiễm dạng hòa tan có nồng độ c (kg/m³) xâm nhập dưới dạng thông lượng (flux) Nội dung nghiên cứu sẽ phân tích ảnh hưởng của độ rỗng môi trường thấm và điều kiện thủy lực, bao gồm sự chuyển động ngang của tầng nước ngầm, đến tốc độ ô nhiễm trong mô hình.
Luận văn trình bày kết quả ban đầu về mô phỏng sự lan truyền chất bẩn từ một kênh ô nhiễm vào tầng nước ngầm, với nồng độ giả định là 1kg/m³ Mô hình toán học sử dụng chế độ dòng chảy 2D theo phương y và z, được giải trong giai đoạn quá độ bắt đầu từ trạng thái không ô nhiễm tại thời điểm t = 0 Nghiên cứu này được thực hiện bằng phần mềm Comsol thông qua phương pháp phần tử hữu hạn.
Hình 2.1 : Kích thước tiết diện ngang của mô hình tính toán trường hợp có một kênh lan truyền
Hình 2.2 : Kích thước tiết diện ngang của mô hình tính toán trường hợp có hai kênh lan truyền
Phương trình thấm
Phương trình dòng thấm của Richard trong môi trường rỗng 2D theo phương thẳng đứng (y,z) được mô tả bởi phương trình sau đây:
S e : độ bão hoà của đất r
Hệ số quan hệ giữa độ chứa nước của đất ở trạng thái bão hòa (θs) và độ chứa nước của đất sau khi thoát nước (θr) được biểu diễn bằng công thức S = θs - θr, trong đó m là hệ số cho biết sự khác biệt này.
H = D+H p : cột nước đo áp toàn phần (m)
(y z p áp suất (N/m 2 ) t: thời gian (s) k r : hệ số quan hệ thấm của đất giữa trạng thái tự nhiên và trạng thái bão hòa, s r K k K
K s : hệ số thấm ở trạng thái bão hoà ms 1
K : là hệ số thấm ms 1
Q s : lưu lượng đơn vị nguồn s 1
Trong điều kiện bão hòa, dòng thấm không ổn định dẫn đến việc các hệ số C, S e và K phụ thuộc vào cột nước đo áp H p và độ chứa nước của đất (θ) Do đó, phương trình Richard được coi là một phương trình phi tuyến.
Dung tích ẩm C có quan hệ với cột nước đo áp như sau:
Từ đó ta có phương trình chủ đạo như sau : t t
Theo công thức của Genuchten, 4 hệ số , C, S e , và k r phụ thuộc vào cột áp suấtH p nhƣ sau:
Trong đó ,n,mvàl là các hằng số không thứ nguyên, và m n1
Khi áp suất đạt mức khí trời, giá trị của H p sẽ bằng 0 Khi nước lấp đầy hoàn toàn các lỗ rỗng trong đất và đạt trạng thái bão hòa, các thông số liên quan sẽ trở thành hằng số.
Phương trình lan truyền chất
Phương trình lan truyền chất 2D theo phương đứng (y,z) được mô tả bởi phương trình sau:
Trong đó: c: nồng độ chất kg / m 3 c p : là khối lƣợng chất bẩn hòa tan bị hấp thu trong một đơn vị khối lƣợng của đất mg/kg
b : khối lƣợng riêng đơn vị của đất kg / m 3
D L : tensor chỉ hệ số khuếch tán chất bẩn m 2 / s
R L : chỉ số phản ứng giữa chất bẩn hòa tan và phân tử nước kgm 3 s 1
R p : chỉ số phản ứng giữa chất bẩn hòa tan và phân tử đất kgm 3 s 1
S c : chỉ khối lượng chất hoà tan đi vào một đơn vị thể tích môi trường rỗng trong một đơn vị thời gian kgm 3 s 1
Vận tốc lan truyền đƣợc tính theo công thức sau:
K u s r p u : là véc tơ vận tốc m/s
(u j u k u : trường vận tốc thấm 2D theo phương đứng r k
C u j : vận tốc theo phương y u k : vận tốc theo phương z Để tiện lợi cho việc tính toán, vế trái phương trình [2] được phân tích như sau:
k p : hệ số quan hệ giữa c p và c m 3 / kg Với c p k p c là quan hệ tuyến tính, suy ra c k p c p
Thay vào phương trình lan truyền chất trên ta được:
Trong đó : L s 1 là độ phân rã trong nước và P s 1 là độ phân rã trong đất Ta được phương trình lan truyền chất như sau : t
D L : tensor chỉ hệ số khuếch tán chất bẩn đƣợc đánh giá bởi biểu thức sau :
Với 2 (m), 3 (m)là 2 tham số mô phỏng khếch tán chất lần lượt theo phương y và z
D m : hệ số khuếch tán phân tử m 2 s 1
L : là hệ số cản có tác dụng làm giảm khả năng khuếch tán phân tử trong lỗ rỗng, với
Điều kiện biên
2.4.1 Điều kiện biên cho bài toán thấm
Trong nghiên cứu này, chúng tôi phân tích miền thấm hai chiều (2D) theo phương thẳng đứng (y,z), với chiều rộng 100 m theo phương y và chiều sâu 50 m theo phương z Kênh có mặt cắt ướt hình thang không đổi, và nguồn nước xâm nhập vào tầng thấm được mô phỏng từ kênh ô nhiễm, với diện tích mặt cắt ướt của kênh hình thang.
3m, theo điều kiện biên của Dirichlet về cột áp, các điều kiện biên nhƣ sau:
K k H D 0 n s r p : Cột áp trên các biên
K k H D N 0 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 chất bẩn hoà tan từ kênh có mặt cắt ướt không thay đổi, với lưu lượng thấm đã được xác định Nước bẩn có nồng độ c = 1 kg/m³ Tại vị trí biên của miền tính, sự lan truyền chất bẩn sẽ tuân theo phương trình dạng Neumann.
Các điều kiện biên nhƣ sau: c 0 c : nồng độ trong kênh
Dc 0 n L : nồng độ trên các biên
Với n là vectơ chỉ phương của biên.
MÔ HÌNH BÀI TOÁN THẤM VÀ LAN TRUYỀN CHẤT TỪ KÊNH BỊ Ô NHIỄM
Giới thiệu phần mềm tính toán Comsol
Comsol là phần mềm thương mại phổ biến toàn cầu, chuyên dùng cho nghiên cứu trong các lĩnh vực như điện, cơ khí, xây dựng và môi trường Phần mềm này được phát triển bởi các chuyên gia có kiến thức sâu rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Phần mềm này tích hợp nhiều mođun tính toán, đặc biệt chú trọng vào mođun mô phỏng sự lan truyền chất trong tầng nước ngầm Mođun này hỗ trợ phân tích các dạng dòng chảy đa dạng, giúp hiểu rõ hơn về quá trình di chuyển của chất trong môi trường nước ngầm.
Phương trình Richard là một phương trình phi tuyến quan trọng, được sử dụng để tính toán dòng thấm trong tầng nước ngầm, đặc biệt trong các trường hợp dòng thấm không ổn định, cả trong điều kiện bão hòa và không bão hòa.
Phương trình Darcy là một phương trình tuyến tính được sử dụng để tính toán dòng thấm trong tầng nước ngầm, đặc biệt trong trường hợp dòng thấm ổn định và điều kiện bão hòa.
- Phương trình Brinkman được quan tâm khi xét đến trường hợp có lực cắt
Phương trình Navier-Stokes được sử dụng để tính toán dòng chảy tự do, trong khi phương trình Richard được áp dụng để mô phỏng sự lan truyền chất vào tầng nước ngầm từ kênh ô nhiễm, với sự xem xét các điều kiện địa chất và thủy lực thay đổi Mô phỏng này được thiết lập dựa trên các miền tính toán, điều kiện biên và điều kiện ban đầu cho cả hai trường hợp 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.
Mô tả mô hình tính toán
Mô hình 3D có khả năng giải quyết tối ưu bài toán theo cả ba phương x, y, z, nhưng số lượng phương trình cần giải quyết rất lớn, khiến máy tính hiện tại gặp khó khăn Do đó, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào sự lan truyền chất theo chiều sâu và mặt cắt ngang kênh (y, z), trong khi mặt cắt dọc theo phương x (dọc trục kênh) tương tự nhau Việc áp dụng mô hình 2D sẽ giúp đơn giản hóa quá trình tính toán, đồng thời mang lại kết quả chấp nhận được.
Theo phương pháp phần tử hữu hạn, miền tính toán được chia thành 11.312 ô lưới tam giác đều, với kích thước 1m Tại các vị trí cạnh biên ở đáy kênh, kích thước ô lưới được điều chỉnh xuống còn 0.25m, trong khi các điểm góc kênh cũng được chia nhỏ để đảm bảo độ chính xác trong tính toán.
Hình 3.1 Sơ đồ chia ô lưới tính toán cho trường hợp có một kênh lan truyền
Để nghiên cứu hiện tượng lan truyền chất ô nhiễm trong tầng nước ngầm, hệ hai phương trình sẽ được giải đồng thời Kết quả từ giá trị cột nước đo áp toàn phần sẽ giúp xác định trường vận tốc tương ứng, được sử dụng trong quá trình giải phương trình còn lại Miền tính 2D theo phương đứng (y,z) có tiết diện hình chữ nhật với chiều rộng b0 m theo phương y và chiều sâu hP m theo phương z.
Nghiên cứu này phân tích sự thay đổi dòng thấm theo thời gian từ một kênh hình thang có tiết diện mặt cắt ướt không đổi, lan truyền theo hai phương y và z Giả định rằng thông lượng đơn vị xâm nhập vào tầng nước ngầm là N0 = 0.00454 m³/s.
Bài toán trường vận tốc
Khi mực nước ngầm ở độ sâu, hiện tượng lan truyền chất diễn ra theo sơ đồ trong hình 3.3, dựa trên nghiên cứu của V.V Vêđecnhicôp về trường hợp bài toán phẳng.
Biểu đồ vận tốc lan truyền chất từ kênh hình thang cho thấy rằng vận tốc thấm v0 tại trục kênh thấp hơn so với vận tốc ở các điểm góc B và C.
Tại điểm A và D, vận tốc thấm có hướng thẳng góc với bờ kênh và đạt một trị số cụ thể Hình 3.3 minh họa sơ đồ lan truyền chất, trong khi Hình 3.4 thể hiện biểu đồ vận tốc lan truyền chất.
V A D Trong đólà góc nghiêng của mái dốc đối với mặt nằm ngang; K – hệ số thấm Ở đây, ta có = 34 0 , K = 0.298 m/s
3.3.2 Lời giải từ mô hình toán
3.3.3 So sánh kết quả tính toán giữa lời giải giải tích và lời giải từ mô hình toán số
Bảng 3.1 : Kết quả vận tốc lan truyền giữa lời giải giải tích và lời giải từ mô hình toán số
Vị trí U tính (m/s) U lythuyet (m/s) Sai số
Kết quả cho thấy vận tốc lan truyền từ mô hình tương đối phù hợp với phương pháp giải tích Hơn nữa, trường phân bố vận tốc 2D có tính đối xứng qua trục kênh, phù hợp với tính đối xứng của bài toán đã đặt ra.
Hơn nữa, kết quả mô hình toán cũng cho chúng ta thấy rằng vận tốc tại điểm B là 472
Tại điểm B, vận tốc là V B m/s, trong khi tại điểm C, vận tốc đạt V C = 0.489 m/s, đây là giá trị lớn nhất tại đáy kênh Vận tốc này lớn hơn V O = 0.301 m/s, cho thấy sự phù hợp với biểu đồ vận tốc của một kênh hình thang.
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
Cột áp qua trục 50-50 tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày cho thấy giá trị cột áp 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
Hình 3.8: Biểu đồ cột áp tại vị trí (50,-10) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, cột áp có giá trị tăng dần theo thời gian
Hình 3.9: Biểu đồ cột áp tại vị trí (75,-10) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, cột áp có giá trị tăng dần theo thời gian
Hình 3.10: Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-30) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, cột áp có giá trị tăng dần theo thời gian
Hình 3.11: Biểu đồ cột áp tại vị trí (50,-30) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, cột áp có giá trị tăng dần theo thời gian
Hình 3.12: Biểu đồ cột áp tại vị trí (75,-30) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, cột áp có giá trị tăng dần theo thời gian
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
Vận tốc qua trục kênh 50-50 tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày cho thấy sự biến đổi theo chiều sâu, với vận tốc ban đầu tăng lên rồi giảm dần.
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
Biểu đồ vận tốc tại vị trí (50,-10) theo thời gian cho thấy vận tốc đạt giá trị tối đa 0.105 m/s vào thời điểm t = 180 ngày, sau đó có xu hướng giảm dần theo thời gian.
Hình 3.17: Biểu đồ vận tốc tại vị trí (75,-10) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, vận tốc có giá trị giảm dần theo thời gian
Hình 3.18: Biểu đồ vận tốc tại vị trí (25,-30) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, vận tốc có giá trị giảm dần theo thời gian
Hình 3.19: Biểu đồ vận tốc tại vị trí (50,-30) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, vận tốc có giá trị giảm dần theo thời gian
Hình 3.20: Biểu đồ vận tốc tại vị trí (75,-30) theo thời gian Kết quả trên hình cho ta thấy rằng, vận tốc có giá trị giảm dần theo thời gian
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
Nồng độ qua trục kênh 50-50 ở các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, và 365 ngày cho thấy sự giảm dần của nồng độ theo chiều sâu.
Biểu đồ nồng độ tại vị trí (25,-10) theo thời gian cho thấy nồng độ đạt giá trị tối đa là 1.83x10 -5 kg/m 3, sau đó giảm dần theo thời gian.
Biểu đồ nồng độ tại vị trí (50,-10) theo thời gian cho thấy nồng độ đạt giá trị tối đa 0.196 kg/m³ trước khi giảm dần theo thời gian.
Biểu đồ nồng độ tại vị trí (75,-10) theo thời gian cho thấy nồng độ đạt giá trị tối đa là 2.4x10^-4 kg/m³, sau đó giảm dần theo thời gian.
Biểu đồ nồng độ tại vị trí (25,-30) theo thời gian cho thấy nồng độ đạt giá trị tối đa 4.9x10^-4 kg/m³ vào thời điểm t = 240 ngày, sau đó có xu hướng giảm dần theo thời gian.
Biểu đồ nồng độ tại vị trí (50,-30) theo thời gian cho thấy nồng độ đạt giá trị tối đa 5.5x10^-4 kg/m³ vào thời điểm t = 240 ngày, sau đó có xu hướng giảm dần theo thời gian.
Biểu đồ nồng độ tại vị trí (75,-30) cho thấy nồng độ đạt giá trị tối đa 3.8x10^-4 kg/m³ vào thời điểm t = 240 ngày, sau đó giảm dần theo thời gian.
Dựa vào các kết quả phân tích, nồng độ ban đầu tăng lên nhưng sau đó giảm dần theo thời gian trong miền tính toán.
* Trường hợp có 2 kênh lan truyền:
Hình 3.29 : Biểu đồ cột áp tại thời điểm t = 365 ngày Kết quả trên biểu đồ cho ta thấy rằng, giá trị cột áp tăng dần theo chiều sâu
Cột áp qua trục 25-25, 50-50 và 75-75 được ghi nhận ở các thời điểm t = 120, 180, 240, 300 và 365 ngày cho thấy giá trị cột áp tăng dần theo chiều sâu.
Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-10) theo thời gian cho thấy giá trị cột áp tăng dần.
Biểu đồ cột áp tại vị trí (50,-10) theo thời gian cho thấy giá trị cột áp tăng dần theo thời gian.
Biểu đồ cột áp tại vị trí (75,-10) theo thời gian cho thấy giá trị cột áp tăng dần theo thời gian.
ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT, THUỶ LỰC LÊN HIỆN TƢỢNG KHUẾCH TÁN CHẤT BẨN HOÀ TAN
Giới thiệu
Sự lan truyền chất vào tầng nước ngầm là một quá trình phức tạp, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như độ ẩm, khối lượng riêng, tính không đồng nhất của đất nền, và các phản ứng hóa học giữa các phân tử chất ô nhiễm với nước và đất Đặc biệt, phản ứng chuỗi hóa học có thể xảy ra khi chất ban đầu tạo ra các chất mới theo thời gian Tuy nhiên, để đơn giản hóa tính toán, chúng tôi chỉ xem xét sự thay đổi độ rỗng của đất mà không tính đến các phản ứng chuỗi hóa học trong quá trình này.
Chúng tôi phân tích điều kiện thủy lực bằng cách xem xét chuyển động ngang của tầng nước ngầm, điều này dẫn đến sự thay đổi trong giá trị cột áp, vận tốc và nồng độ trong quá trình lan truyền chất qua tầng nước ngầm.
Mô tả mô hình
Để nghiên cứu hiện tượng, miền tính toán 2D theo phương thẳng đứng có chiều rộng
Kênh có kích thước 100 m theo phương y và chiều sâu 50 m theo phương z, với tiết diện mặt cắt ướt dọc là hình thang không đổi Chất ô nhiễm dạng hòa tan với nồng độ giả định c = 1 kg/m³ đã xâm nhập vào tầng nước ngầm, nằm cách mặt đất tự nhiên 20 m Lưu lượng thấm từ kênh xuống tầng nước ngầm được xác định là 0.00454 m³/s Các thông số tính toán chi tiết được trình bày trong các bảng dưới đây.
Bảng 4.1 : Các thông số hình học và các chỉ tiêu của mô hình:
Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị
Kích thước miền tính 2D (y,z) lớp đất trên mxm 100x20
Kích thước miền tính lớp đất dưới (mực nước ngầm nằm ngay bề mặt lớp đất dưới) mxm 100x30
Tiết diện kênh hình thang m 2 (10+19)*3/2C.5
Khối lượng riêng đơn vị của nước n kg/m 3 1000
Khối lƣợng riêng đơn vị của đất b kg/m 3 1400
Bảng 4.2 : Các thông số cho mô hình thấm:
Mô tả Biến Đơn vị
Hệ số thấm ở trạng thái bão hoà K s m/s 0.298 0.454 Độ chứa nước sau khi thoát nước r 0.0001 0.0001 Độ rỗng (Thay đổi theo từng trường hợp khảo sát) p 0.240.44
Bảng 4.3 : Các thông số cho mô hình lan truyền chất:
Mô tả Biến Đơn vị Giá trị
Hệ số quan hệ giữa c p và c k p m 3 /kg 0.0001
Hệ số khuếch tán phân tử D m m 2 /s 0.00374
Hệ số khuếch tán theo phương y 2 m 0.005
Hệ số khuếch tán theo phương z 3 m 0.001 Độ phân rã (suy thoái) trong nước L s 1 0.05 Độ phân rã (suy thoái) trong đất P s 1 0.01
Nồng độ chất tan trong kênh c s kg/m 3 1.0
Nồng độ chất tan ban đầu trong đất c 0 kg/m 3 0.0
4.2.1 Ảnh hưởng của điều kiện địa chất :
* Trường hợp có một kênh lan truyền:
Biểu đồ vận tốc qua trục 50-50 của kênh tại thời điểm 365 ngày cho thấy rằng, dưới cùng một điều kiện về chế độ thủy lực và nồng độ chất ô nhiễm, khi độ rỗng của đất (θp) tăng lên, vận tốc (V) cũng tăng theo Điều này cho thấy rằng đất càng rỗng thì tốc độ lan truyền chất ô nhiễm càng nhanh.
Biểu đồ nồng độ qua trục 50-50 của kênh tại thời điểm 365 ngày cho thấy rằng, trong cùng một điều kiện thuỷ lực và nguồn ô nhiễm, nồng độ ô nhiễm sẽ cao hơn khi đất có độ chặt nhỏ Điều này chỉ ra rằng, khi đất càng chặt, mức độ ô nhiễm trong môi trường sẽ càng tăng.
* Trường hợp có hai kênh lan truyền:
Biểu đồ vận tốc qua trục 50-50 tại thời điểm t = 365 ngày cho thấy rằng, tương tự như trường hợp có một kênh, trong điều kiện thuỷ lực và nguồn ô nhiễm không đổi, khi giá trị tăng lên thì vận tốc V cũng tăng theo.
Hình 4.4 cho thấy biểu đồ nồng độ ô nhiễm qua trục 50-50 theo chiều sâu tại thời điểm t = 365 ngày Kết quả cho thấy rằng, trong cùng điều kiện về chế độ thuỷ lực và nguồn ô nhiễm, nồng độ ô nhiễm tại một vị trí và thời điểm nhất định sẽ cao hơn khi độ chặt của đất (θp) nhỏ Điều này chỉ ra rằng, đất càng chặt thì mức độ ô nhiễm trong môi trường càng gia tăng.
* Trường hợp một kênh lan truyền có mực nước ngầm chuyển động:
Biểu đồ vận tốc qua trục 50-50 của kênh tại thời điểm t 365 ngày cho thấy rằng, trong cùng điều kiện về chế độ thủy lực và nồng độ chất ô nhiễm, khi độ rỗng của đất (θp) tăng lên, vận tốc (V) cũng tăng theo Điều này cho thấy rằng đất càng rỗng thì tốc độ lan truyền chất ô nhiễm càng nhanh.
Biểu đồ nồng độ qua trục 50-50 tại thời điểm t = 365 ngày cho thấy rằng, trong điều kiện thuỷ lực và nồng độ chất ô nhiễm xâm nhập giống nhau, nồng độ ô nhiễm sẽ cao hơn khi giá trị p nhỏ Điều này chỉ ra rằng, đất càng chặt thì mức độ ô nhiễm trong môi trường càng tăng.
* Trường hợp hai kênh lan truyền có mực nước ngầm chuyển động:
Biểu đồ vận tốc qua trục 50-50 của kênh tại thời điểm 365 ngày cho thấy rằng, dưới cùng một điều kiện về chế độ thủy lực và nồng độ chất ô nhiễm, khi độ rỗng của đất (θp) tăng lên, vận tốc (V) cũng tăng theo Điều này chỉ ra rằng đất càng rỗng thì tốc độ lan truyền chất ô nhiễm càng nhanh.
Biểu đồ nồng độ qua trục 50-50 tại thời điểm t = 365 ngày cho thấy rằng, trong điều kiện thuỷ lực và nồng độ ô nhiễm giống nhau, nồng độ ô nhiễm sẽ cao hơn khi giá trị p nhỏ Điều này chỉ ra rằng, đất càng chặt thì mức độ ô nhiễm trong môi trường càng gia tăng.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong điều kiện chế độ thủy lực và nguồn ô nhiễm giống nhau, độ rỗng của môi trường ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ lan truyền chất ô nhiễm Cụ thể, khi độ rỗng của đất nền (θp) tăng lên, vận tốc lan truyền (V) cũng tăng theo, nghĩa là đất càng rỗng thì chất ô nhiễm lan truyền càng nhanh Ngược lại, nồng độ ô nhiễm sẽ cao hơn trong trường hợp đất có độ rỗng nhỏ, tức là đất càng chặt thì mức độ ô nhiễm càng tăng.
4.2.2 Ảnh hưởng của điều kiện thuỷ lực :
Khi xem xét chuyển động của tầng nước ngầm theo phương ngang, các giá trị như cột áp, vận tốc và nồng độ sẽ có sự biến đổi đáng kể Dưới đây là một số kết quả tính toán liên quan đến hiện tượng này.
* Trường hợp có một kênh lan truyền:
Hình 4.9 cho thấy biểu đồ cột áp tại thời điểm t = 365 ngày, cho thấy rằng khi mực nước ngầm di chuyển theo phương ngang, các phân tử nước sẽ kéo theo những phân tử nước từ bên trên xuống, dẫn đến sự không đối xứng trong bài toán.
Tại các vị trí khác nhau trong miền tính toán, giá trị cột áp suất sẽ khác nhau Dưới đây là các giá trị cột áp suất tại 6 vị trí tọa độ được khảo sát.
Cột áp qua trục 50-50 tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, và 365 ngày cho thấy giá trị cột áp tăng dần theo chiều sâu.
Hình 4.11 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-10) thay đổi theo thời gian Tại vị trí này cột áp có giá trị tăng dần theo thời gian
Biểu đồ cột áp tại vị trí (50,-10) cho thấy sự thay đổi theo thời gian, với giá trị cột áp tăng lên đạt mức tối đa 9.65 m vào thời điểm t = 180 ngày, sau đó có xu hướng giảm dần.
Hình 4.13 : Biểu đồ cột áp tại (75,-10) thay đổi theo thời gian Tại vị trí này cột áp có giá trị giảm dần theo thời gian
Nhận xét kết quả
* Về điều kiện địa chất:
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, trong cùng một điều kiện về chế độ thủy lực và nồng độ chất ô nhiễm, độ rỗng của môi trường ảnh hưởng rõ rệt đến tốc độ lan truyền chất ô nhiễm Cụ thể, khi đất nền có độ rỗng p lớn, vận tốc lan truyền V sẽ tăng, nghĩa là chất ô nhiễm lan truyền nhanh hơn trong đất rỗng Ngược lại, khi độ rỗng p nhỏ, nồng độ chất ô nhiễm c sẽ cao hơn, cho thấy rằng đất chặt làm tăng mức độ ô nhiễm trong môi trường.
* Về điều kiện thủy lực: khi có mực nước ngầm chuyển động theo phương ngang về bên phải miền tính toán ta có các kết quả nhƣ sau:
* Trường hợp chỉ có một kênh lan truyền:
- Xem các kết quả trên đồ thị tại các điểm: (25,-10), (50,-10), (75,-10), (25,-30), (50,-30), (75,-30) cho ta thấy rằng chúng có một đặc điểm chung nhƣ sau:
Cột áp có xu hướng giảm dần ở các điểm bên phải của miền tính toán do sự chuyển động của mực nước ngầm Khi mực nước ngầm di chuyển sang bên phải, nó làm hạ thấp mức nước trong miền tính toán, dẫn đến giảm áp suất và do đó làm giảm cột áp.
Vận tốc của dòng nước ngầm có xu hướng tăng dần khi di chuyển sang bên phải trong miền tính toán Điều này xảy ra do khi mực nước ngầm chuyển động, các phân tử nước ở tầng nước ngầm sẽ kéo theo các phân tử nước từ trên xuống, dẫn đến sự gia tăng vận tốc theo thời gian.
+ Về nồng độ : giá trị cũng có khuynh hướng tăng dần ở các điểm bên phải miền tính toán
Khi mực nước ngầm di chuyển sang bên phải, các phân tử nước trong tầng nước ngầm sẽ kéo theo nước từ trên xuống, dẫn đến sự gia tăng nồng độ theo thời gian.
* Tương tự cho trường hợp có hai kênh lan truyền:
Giá trị cột áp có xu hướng giảm dần từ bên trái sang bên phải trong miền tính toán Khi mực nước ngầm di chuyển về phía bên phải, nó làm hạ thấp mực nước ngầm trong khu vực này, dẫn đến việc giảm áp suất và do đó làm giảm cột áp.
Vận tốc trong miền tính toán có xu hướng tăng dần từ trái sang phải, do mực nước ngầm di chuyển về phía bên phải, kéo theo các phân tử nước từ tầng trên xuống, dẫn đến sự gia tăng vận tốc theo thời gian Khi có hai kênh lan truyền, vận tốc trong miền tính toán sẽ lớn hơn so với chỉ có một kênh, vì lưu lượng tăng lên theo số kênh, và lưu lượng lan truyền tỷ lệ thuận với vận tốc lan truyền khi diện tích lan truyền không đổi.
+ Về nồng độ : giá trị cũng có khuynh hướng tăng dần ở các điểm bên phải miền tính toán
Khi mực nước ngầm di chuyển sang bên phải, các phân tử nước trong tầng nước ngầm sẽ kéo theo các phân tử nước từ trên xuống, dẫn đến nồng độ tăng theo thời gian Tại các điểm giữa hai kênh lan truyền gần nhau, nồng độ sẽ có hiện tượng tăng giảm liên tục do nằm trong vùng giao thoa lan truyền giữa hai kênh.
Khi mực nước ngầm di chuyển theo phương ngang, trường vận tốc sẽ lớn hơn so với mực nước ngầm đứng yên Điều này hợp lý vì sự dịch chuyển của các phân tử nước kéo theo các phân tử từ trên xuống, dẫn đến tốc độ lan truyền chất ô nhiễm nhanh hơn Đồng thời, nồng độ chất ô nhiễm cũng tăng lên do hệ số rỗng trong miền tính không đổi, khiến các phân tử nước di chuyển kéo theo nhiều chất ô nhiễm hòa tan từ trên xuống.
