10-May-11 w w w t he m e ga lle ry com TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH NƯỚC DƯỚI ĐẤT Bài Nước đất loại khống sản lỏng, chất lượng trữ lượng ln có thay đổi Ch ươn g M Ơ H Ì N H H ĨA M ƠI TRƯỜN G N ƯỚC D ƯỚI ĐẤT GVGD: TRƯƠNG THỊ THU HƯƠNG Cần phải định lượng hóa mơ tả xác thay đổi để làm sở cho tốn tính tốn lan truyền chất nhiễm, trữ lượng, dịng chảy giúp cho cơng tác quản lý, quy hoạch nguồn tài nguyên cách hiệu LOGO Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com w w w t he m e ga lle ry com Việc khảo sát địa chất thủy văn phải mơ tả đặc trưng sau: 1.1 Mơ hình dịng chảy nước đất - Qui mơ Mơ hình dịng chảy nước đất dùng để đánh giá tốc độ hướng vận chuyển nước đất thông qua tầng chứa nước lớp cách nước bề mặt Việc mơ dịng chảy nước đất địi hỏi phải có hiểu biết sâu sắc đặc tính thủy văn vùng nghiên cứu chiều dày tầng chứa nước cách nước - Các biên thủy lực kiểm soát tốc độ hướng di chuyển nước đất - Đặc tính thủy lực tầng chứa nước cách nước - Mô tả phân bố theo phương ngang thẳng đứng mực nước vùng nghiên cứu theo điều kiện ban đầu, điều kiện ổn định điều kiện không ổn định mực nước thay đổi theo thời gian - Sự phân bố độ lớn lượng nước bổ cập; lưu lượng khai thác ép nước, tính thấm nước… Com pa ny Logo Com pa ny Logo http://www.iesemhui.org 10-May-11 w w w t he m e ga lle ry com w w w t he m e ga lle ry com 1.2 Mơ hình lan truyền chất đất Mơ hình lan truyền chất mơ q trình sau: Để lập MH lan truyền chất cần bổ sung thông tin sau: - Sự di chuyển chất nhiễm bẩn theo trình chuyển tải khuếch tán, - Phân bố vận tốc nước đất nằm ngang thẳng đứng (hướng độ lớn) mơ hình dịng chảy nước đất hiệu chỉnh tính tốn - Các điều kiện biên chất tan - Phân bố ban đầu chất tan (điều kiện ban đầu) - Vị trí, lịch sử khối lượng nguồn hóa chất - Độ lỗ rỗng hữu hiệu - Dung trọng tự nhiên - Tỷ lệ C hữu đất - Tỷ trọng chất lỏng - Độ nhớt chất lỏng - Hệ số phân tán dọc ngang - Hệ số khuếch tán (phân tán) - Tốc độ phân rã hóa học hay số phân hủy - Phương trình mơ tả q trình biến đổi hóa học - Sự phân bố ban đầu chất hấp thụ điện tử - Sự lan truyền hòa tan chất nhiễm bẩn trình chuyển tải - Sự loại bỏ giải thoát chất nhiễm bẩn vào khỏi trầm tích đá q trình hấp thụ nhả - Sự thay đổi hóa học chất nhiễm bẩn phản ứng hóa học bị kiểm sốt q trình sinh học hay phản ứng hóa học Com pa ny Logo Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com 1.3 Các khái niệm phương trình lan truyền chất Quá trình khuếch tán Là trình mà ion hay phần tử hịa tan nước dịch chuyển từ vùng có nồng độ (hay hoạt tính hịa tan) cao đến vùng có nồng độ thấp w w w t he m e ga lle ry com 1.4 Phương trình lan truyền nhiễm ∂(θC k ) ∂ = ∂t ∂xi (I) Quá trình chuyển tải k  θD ∂C  ij ∂x j  (II)  ∂ − (θv C k )+ qsCsk + ∑ Rn  ∂xi i  (III) (IV) Là trình nước đất vận động mang theo chất hịa tan Q trình phân tán Là trình diễn chất hịa tan qua mơi trường lỗ rỗng Q trình phân tán có tác động pha lỗng hạ thấp nồng độ chất hòa tan (I) Nồng độ biến đổi chất ô nhiễm k đơn vị thời gian t (II) Nồng độ biến đổi chất ô nhiễm theo phương i j trình khuếch tán (III) Nồng độ biến đổi chất ô nhiễm theo phương i trình đối lưu (IV) Thành phần phụ tổng phản ứng hóa học Com pa ny Logo Com pa ny Logo http://www.iesemhui.org 10-May-11 w w w t he m e ga lle ry com w w w t he m e ga lle ry com Điều kiện ban đầu Phương trình tổng quát vận chuyển chất ô nhiễm mô tả thay đổi tức thời nồng độ chất ô nhiễm nước ngầm Với - θ: độ lỗ rỗng hữu hiệu (không thứ nguyên) - t: thời gian (T) - xij: khoảng cách tương ứng dọc theo hệ trục tọa độ Decac - Dij: hệ số phân tán thủy động lực (L2T-1) - vi: vận tốc thấm hay vận tốc dòng chảy qua lỗ rỗng (LT-1) Nó liên quan tới vận tốc dòng chảy định luật Darcy: q K ∂h vi = i = − i θ θ ∂xi Điều kiện ban đầu viết sau C (x,y,z,t) = C0 (x,y,z) t = Với C0(x,y,z) nồng độ biết trước Điều kiện biên qs: tỷ lệ lưu lượng thể tích cho đơn vị dung tích tầng chứa nước đại diện cho Sources (nguồn) Sinks (vùng, bể) (T-1) - Csk: nồng độ chất ô nhiễm thứ k chảy từ nguồn tự sinh tự hoại (ML-3) - ΣRn: tổng phản ứng hóa học (ML-3T-1) Có ba điều kiện biên đề cập mơ hình lan truyền chất nước đất là: • Nồng độ xác định dọc theo biên (điều kiện Dirichlet); • Nồng độ biến đổi xác định chảy qua biên tính tốn (điều kiện Neumenn); • Điều kiện hỗn hợp (kết hợp hai điều kiện trên) Com pa ny Logo Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com w w w t he m e ga lle ry com Điều kiện biên loại I Là điều kiện nồng độ xác định dọc theo biên suốt thời gian thiết lập mơ hình Đó nồng độ xác định trước giá trị không đổi suốt thời gian tính tốn Và xác định sau: C ( x, y , z , t ) = C ( x, y , z , t ) Γ, t ≥ Γ Với: Γ biên xác định C0 (x,y,z,t) nồng độ ô nhiễm xác định dọc theo biên Γ Điều kiện biên loại II Là điều kiện biên nồng độ chất hòa tan xác định trước Đó mà nồng độ chất hòa tan chảy qua biên xác định trước suốt bước thời gian tính tốn, mơ tả qua phương trình sau: θDij ∂C ∂x j Γ = f i (x, y, z, t ), t ≥ Điều kiện biên loại III Là điều kiện biên mà giá trị nồng độ dọc theo biên nồng độ biến đổi chảy qua biên xác định (điều kiện Cauchy) Và mơ tả qua phương trình: θDij ∂C − qi C Γ = g i (x, y, z, t ) Γ, t ≥ ∂x j Với gi (x,y,z,t) phương trình đại diện cho tổng dòng chảy (phân tán đối lưu) tới biên Γ Với biên khơng thấm, dịng chảy phân tán đối lưu không, nghĩa gi (x,y,z,t) = Dòng chảy đối lưu chiếm ưu so với dịng chảy phân tán, phương trình đơn giản sau: − qi C fi (x,y,z,t) phương trình xác định đại diện cho dòng chảy phân tán tới biên Γ Trường hợp khơng có dịng chảy phân tán nồng độ xác định không, nghĩa fi (x,y,z.t) = Γ = g i (x , y , z , t ) Phương trình tính tốn dễ dàng mơ hình vận chuyển chất nhiễm Com pa ny Logo Com pa ny Logo http://www.iesemhui.org 10-May-11 w w w t he m e ga lle ry com Các điều kiện biên thực tế w w w t he m e ga lle ry com Các điều kiện biên thực tế (tt) Biên sông Biên tự nhiên địa chất Biên loại mô cho dòng chảy tầng chứa nước nguồn chứa nước thường sông hay hồ Trong điều kiện biên loại nước ngầm có xu hướng di chuyển từ nơi có địa hình cao sang nơi có địa hình thấp, mà tầng địa chất phía khơng có khả giữ nước khơng thấm Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com Một số lưu ý - Phải có điều kiện biên mực nước tham chiếu - Không chọn biên nhân tạo gần diện tích NC - Khơng phải tất đối tượng nước mặt xem biên dịng chảy (ví dụ: nước tầng chứa nằm sâu đất chảy bên đáy sơng) - Mơ hình nhiều lớp địi hỏi biên khác cho lớp mơ hình Com pa ny Logo Ví dụ ứng dụng phần mềm Modflow tính tốn lan truyền phèn - mặn đất Bến Lức- Long An Com pa ny Logo http://www.iesemhui.org 10-May-11 w w w t he m e ga lle ry com w w w t he m e ga lle ry com Các liệu đầu vào mơ hình Tiến hành mơ q trình lan truyền phèn – mặn đất theo khơng gian mơ hình Velocity and Mass Flux Calculators Mơ q trình lan truyền phèn – mặn đất theo thời gian mơ hình MODFLOW kết hợp MT3DMS Đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu: xét tầng đất khác tầng sét, tầng đất cát…(theo mẫu đất phẫu diện) Đặc điểm thủy văn khu vực nghiên cứu: hệ thống nước mặt với chế độ dòng chảy, lưu lượng dòng chảy ntn… nước ngầm vơí độ sâu bao nhiêu, Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu Com pa ny Logo Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com w w w t he m e ga lle ry com Cơ sở lý thuyết mơ hình Ta có phương trình liên tục: Mơ hình lý tính đất ∂θ ∂q = − S (h) ∂t ∂z Dòng chảy đất xét hai đới: bão hịa khơng bão hịa: Trong vùng đất khơng bão hịa: dịng chảy theo phương thẳng đứng, chảy qua khoang nhỏ Dịng đối lưu giới hạn khoang nhỏ Trong trường hợp khơng có trao ñổi khoang lớn khoang nhỏ Trong vùng đất bão hịa: dịng đối lưu xem chảy hồn tồn khoang lớn Dịng chảy khoang nhỏ khuếch tán Dòng chảy đất theo định luật Darcy q = −K ( ∂h + 1) ∂z Với: q: dòng đối lưu (cm/phút) θ: độ ẩm thể tích đất (cm 3) S: lượng nước hút rễ đơn vị thể tích đất đơn vị thời gian (cm3/cm3/phút) K: độ dẫn thủy lực hay hệ số thấm (cm/phút) h: hút nước đất (cm) Các giá trị K, θ, S hàm số h đó: Com pa ny Logo Com pa ny Logo http://www.iesemhui.org 10-May-11 w w w t he m e ga lle ry com Hàm tương quan hệ số thấm độ ẩm: Tính tốn vận tốc dịng chảy đất Log (K(θ)) = bo + 0.4343 x b1 x Log (Se) Với: Se = w w w t he m e ga lle ry com θ − θr θs − θr Việc tính tốn vận tốc dịng chảy đất cần tập hợp liệu vơ hướng Từ tạo tập hợp liệu vectơ mô tả vận tốc thẩm thấu đất Các tập hợp sở liệu đầu vào gồm hút nước đất, hệ số xốp độ dẫn thủy lực hay hệ số thấm Các tính tốn dựa công thức định luật Darcy: Hàm tương quan hút nước độ ẩm: vs = Log (h(θ)) = ao + 0.4343*a1*Log (θe/ θ) Trong đó: vs: vận tốc thẩm thấu vd: vận tốc Darcy n: hệ số xốp k: hệ số thấm i: gradient hút nước đất Trong đó: θ: độ ẩm điểm tính toán θr: độ ẩm thường trú đất θs: độ ẩm bão hòa đất vd ki = n n Com pa ny Logo Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com w w w t he m e ga lle ry com Tính tốn vận tốc dịng chảy đất (tt) Trong mơ hình chiều, hàm trở thành: v x   k xx    v y  = − k yx  k zx v    z k xy k yy k zy Vận chuyển chất chiều thấm hút bề mặt k xz   ∂h / ∂x  k yz  ∂h / ∂y    k zz   ∂h / ∂z  Để kiểm tra khả mơ hình MT3DMS mơ q trình vận chuyển chất tan hệ thống chiều có mặt phân hủy bậc thấm hút bề mặt tuyến tính Hàm chủ đạo để giải vấn đề (Zheng Wang, 1999): Nếu giả sử kx = ky = kh kz = (hệ số anis)*kh hàm đơn giản thành: ∂h v x  k h    v y  = −  v    z kh 0   ∂h / ∂x   ∂h / ∂y  k z   ∂h / ∂z  v x = −k h Hoặc ∂x ∂h v y = −k h ∂y ∂h v z = −k z ∂z θ m Rm ∂ 2Cm ∂C ∂C im ∂C m = θm D − q m − λ m Rmθ m C m − λim Rimθ im Cim + θ im Rim ∂x ∂t ∂t ∂x θ im Rim Com pa ny Logo ∂Cim = ζ (C m − C im ) − λim Rimθ im C im ∂t Com pa ny Logo http://www.iesemhui.org 10-May-11 w w w t he m e ga lle ry com w w w t he m e ga lle ry com Trong đó: Mơ hình vận chuyển dòng chảy số phát triển sử dụng mơ hình MODFLOW 2000 MT3DMS Cm C im nồng độ chất hòa tan môi trường lưu động không lưu động ; Mơ hình bao gồm 101 cột, 101 dịng lớp, sử dụng để so sánh hòa tan điều kiện ban đầu điều kiện biên θm θim hệ số xốp môi trường lưu động không lưu động, [vô hướng] ; λm λim tốc độ phân hủy lần pha lỏng di động không di động ; Rm R im nhân tố làm chậm môi trường lưu động không lưu động ; ξ hệ số tốc độ vận chuyển chất bậc môi trường lưu động không lưu động Trong mô hình dịng chảy, cột cuối biên hút nước số Các hút nước sử dụng để thiết lập gradient nước đồng u cầu Trong mơ hình vận chuyển, cột biên nồng độ số với nồng độ có liên quan biên Cột cuối phải đủ xa từ nguồn đến vùng dịng chảy chiều nửa vơ hạn thực q trình hịa tan Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com Các thông số mơ hình sử dụng q trình mơ liệt kê bên VÍ DỤ VỀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MODFLOW VÀ MT3DMS TÍNH TỐN MƠ PHỎNG LAN TRUYỀN NITƠ TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT Ở TP.HCM Độ rộng lưới theo dòng (∆x) = 10 m Độ rộng lưới theo cột (∆y) = m Độ dày lớp (∆z) = 1m Lưu lượng (lưu lượng Darcy) (q) = 0,06 m/ngày Sự phân tán theo chiều dọc = 10 m Hệ số thấm vùng lưu động (θm) = 0.2 Hệ số thấm vùng đứng yên (θim) = 0.05 Hệ số tốc độ vận chuyển chất môi trường lưu động đứng yên (ζ) = 10-3/ngày Khoảng thời gian bắt đầu (t0) = 90 ngày Tổng thời gian mô (t) = 720 ngày Com pa ny Logo Com pa ny Logo http://www.iesemhui.org 10-May-11 w w w t he m e ga lle ry com w w w t he m e ga lle ry com Lưới đường đẳng mực nước mơ hình Lưới tính chia thành: 90 hàng x 90 cột tạo thành hệ thống lưới hai chiều Kích thước lưới mơ hình là: 1000 (m) x 1000 (m) (Những ô lưới không thuộc diện tích lập mơ hình khơng hoạt động) Lưới tính tốn hai chiều: Dùng để nội suy liệu từ điểm rời rạc đến ô lưới lưu liệu thành tập tin phục vụ cho việc chuyển liệu vào lưới ba chiều Lưới đường đẳng mực nước mô hình Com pa ny Logo Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com w w w t he m e ga lle ry com Các lớp địa chất TP Hồ Chí Minh sử dụng mơ hình Hình ảnh lưới ba chiều khu vực TP Hồ Chí Minh Com pa ny Logo Com pa ny Logo http://www.iesemhui.org 10-May-11 w w w t he m e ga lle ry com w w w t he m e ga lle ry com Dữ liệu thông số địa chất thủy văn xung quanh khu vực bãi rác Hệ số thấm (Hydraulic conductivity) Hệ số thấm thấm ngang (Horizontal K) hệ số thấm dọc (Vertical K) Dữ liệu lượng bổ cập (Recharge package) Lượng bổ cập lượng nước từ nhiều nhân tố khác vào hệ thống nước đất: mưa, lũ, úng ngập Theo tính tốn nhà chun mơn lượng bổ cập khơng vượt q 20% lượng mưa phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt yếu tố sau: Độ dốc địa hình, thành phần đất đá vùng tiếp nhận nước mưa thảm thực vật Com pa ny Logo Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com w w w t he m e ga lle ry com Thiết lập chạy MT3DMS Các bước thiết lập mơ hình: Bước 1: Thiết lập lớp địa chất Trước chạy MT3DMS, cần phải thiết lập lớp địa chất bãi rác Phước Hiệp cho mơ hình Giá trị thơng số đầu vào mơ hình lớn TRPT: tỷ số độ phân tán theo phương ngang phương dọc theo dòng chảy TRVT: tỷ số độ phân tán theo phương đứng phương dọc theo dòng chảy Com pa ny Logo Com pa ny Logo http://www.iesemhui.org 10-May-11 w w w t he m e ga lle ry com Thiết lập bãi rác: mở thuộc tính vùng (recharge rate recharge concentration) w w w t he m e ga lle ry com Bước 2: Đưa liệu GIS vào mơ hình Chuyển file có (*shp) chứa liệu thơng tin địa lý (GIS) bãi rác (đã xác định vị trí tọa độ bãi rác) vào mơ hình Com pa ny Logo Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com Bước 3: Gán giá trị cho lớp gồm độ rỗng hệ số phân tán theo phương dọc theo dòng chảy (porosity and longitudinal dispersion) w w w t he m e ga lle ry com Bước 4: Thiết lập kiện cho MT3DMS Com pa ny Logo Com pa ny Logo 10 http://www.iesemhui.org 10-May-11 w w w t he m e ga lle ry com Bước 5: Gán giá trị thời gian nghiên cứu (ngày) bước lặp tính tốn (Length Max transport steps) w w w t he m e ga lle ry com Bước 6: Chọn kiện tính tốn (tải, phân tán,nguồn tự sinh/tự hoại, theo dõi lan truyền) Com pa ny Logo Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com Bước 7: Chọn chất ô nhiễm (N tổng) Bước 8: Lựa chọn bước xuất liệu tính tốn nhiễm theo thời gian Com pa ny Logo Com pa ny Logo 11 http://www.iesemhui.org 10-May-11 w w w t he m e ga lle ry com Bước 9: Lựa chọn phương pháp để tính tốn số hạng tải, sử dụng phương pháp biến phân bậc w w w t he m e ga lle ry com Bước 10: Gán giá trị cho hệ số phân tán cho lớp 1, lớp lớp Com pa ny Logo Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com Bước 11: Gán giá trị tốc độ bổ cập nồng độ bổ cập cho bãi rác (recharge rate recharge conconcentration) cho hai bãi rác w w w t he m e ga lle ry com Bước 12: Chuyển tất liệu thiết lập đồ vào MT3DMS Com pa ny Logo Com pa ny Logo 12 http://www.iesemhui.org 10-May-11 w w w t he m e ga lle ry com Bước 13: w w w t he m e ga lle ry com Kết chạy MODFLOW: Cho đường đẳng mực nước thành phố Chạy MODFLOW Com pa ny Logo Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com w w w t he m e ga lle ry com Kết chạy MT3DMS Bước 14: Chạy MT3DMS Com pa ny Logo Com pa ny Logo 13 http://www.iesemhui.org 10-May-11 w w w t h e m e g a lle ry com LOGO 14 http://www.iesemhui.org ... kiện biên θm θim hệ số xốp môi trường lưu động không lưu động, [vô hướng] ; λm λim tốc độ phân hủy lần pha lỏng di động không di động ; Rm R im nhân tố làm chậm môi trường lưu động không lưu động... Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu Com pa ny Logo Com pa ny Logo w w w t he m e ga lle ry com w w w t he m e ga lle ry com Cơ sở lý thuyết mơ hình Ta có phương trình liên tục: Mơ hình lý tính... vận chuyển chất bậc môi trường lưu động khơng lưu động Trong mơ hình dịng chảy, cột cuối biên hút nước số Các hút nước sử dụng để thiết lập gradient nước đồng u cầu Trong mơ hình vận chuyển, cột