Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-P-2.7 XÂY DỰNG CỘT CHÌM LẮNG VÀ THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM ĐỂ TÍNH VẬN TỐC CHÌM LẮNG CỦA TRẦM TÍCH CỐ KẾT Nguyễn Vĩnh Bảo Trung, Võ Lương Hồng Phước Bộ môn Hải dương, Khí tượng Thủy văn Khoa Vật lý - Vật lý kỹ thuật Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG – HCM Email: vlhphuoc@hcmus.edu.vn TÓM TẮT Để kết có độ xác cao, vận tốc chìm lắng trầm tích cố kết phải xác định trường Tuy nhiên thực tế khó khăn để thực Nghiên cứu trình bày phương pháp xác định vận tốc chìm lắng trầm tích điều kiện phòng thí nghiệm bao gồm ba nội dung Thứ nhất, thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm cột chìm lắng dựa thiết kế Phòng Thí nghiệm Môi trường, Hiệp hội kỹ sư quân đội Hoa Kỳ (2002) Thứ hai, thí nghiệm với trường hợp khác thí nghiệm chuẩn, độ muối, nồng độ cao , để xác định vận tốc chìm lắng trầm tích Thứ ba, xác định vận tốc chìm lắng trầm tích cố kết khu vực Nàng Hai, Cần Giờ (Thành Phố Hồ Chí Minh) môi trường phòng thí nghiệm Bên cạnh đó, sử dụng kết thu để bước đầu xác định hệ số đặc trưng a, b, m, n qua xác định công thức thực nghiệm cho vận tốc chìm lắng khu vực Từ khóa: cột chìm lắng, vận tốc chìm lắng, thí nghiệm MỞ ĐẦU Vận tốc chìm lắng chùm kết (floc) bùn khía cạnh quan trọng việc đánh giá vận chuyển biến động theo thời gian trầm tích cố kết lơ lửng vùng ven bờ Tuy nhiên, thực tế vận tốc khó xác định không phụ thuộc vào đặc tính trầm tích mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường xung quanh Ở nước ta nay, vận tốc chìm lắng trầm tích vùng thường tính toán dựa công thức thực nghiệm Tuy nhiên việc xác định hệ số cho công thức vùng, thời điểm cho vận tốc chìm lắng tính có độ xác cao điều dễ dàng Cột chìm lắng phương pháp thực nghiệm sử dụng nhiều giới để xác định vận tốc chìm lắng từ xác định hệ số thực nghiệm cho vùng nghiên cứu Đề tài trình bày phương pháp xác định vận tốc chìm lắng trầm tích điều kiện phòng thí nghiệm Việc thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm cột chìm lắng dựa thiết kế Phòng thí nghiệm Môi trường, Hiệp hội kỹ sư quân đội Hoa Kỳ năm 2002 Một số thí nghiệm với trường hợp khác để xác định vận tốc chìm lắng trầm tích cát trầm tích bùn Từ đó, áp dụng để xác định vận tốc chìm lắng trầm tích cố kết khu vực Nàng Hai, Cần Giờ (Tp Hồ Chí Minh) môi trường phòng thí nghiệm Bên cạnh đó, sử dụng kết thu để bước đầu xác định hệ số đặc trưng qua xác định công thức thực nghiệm cho vận tốc chìm lắng khu vực Phương pháp nghiên cứu nghiên cứu bao gồm ứng dụng kế thừa việc thiết kế cột chìm lắng; thực hành phân tích mẫu phòng thí nghiệm; tính toán mô toán Các vị trí chọn để lấy mẫu cho thí nghiệm thuộc khu bãi bồi rạch Nàng Hai, vùng rừng ngập mặn Nàng Hai, sông Đồng Tranh, huyện Cần Giờ, Thành phố Hồ Chí Minh VẬN TỐC CHÌM LẮNG CỦA TRẦM TÍCH CỐ KẾT Vận tốc chìm lắng trầm tích phức tạp phụ thuộc vào nhiều nhân tố hình dạng kích thước hạt, nồng độ, độ muối, nhiệt độ, cường độ rối, độ sâu nước, vận tốc dòng chảy, đặc tính môi trường xung quanh Hơn nữa, nhân tố ảnh hưởng hưởng đồng thời qua lại với nên chúng khó để đo lường hay tham số hóa Trong giới hạn đề tài này, bước đầu tìm hiểu ảnh hưởng riêng lẻ kích thước hạt, độ muối nồng độ trầm tích lơ lửng đến vận tốc chìm lắng trầm tích Công thức tính vận tốc chìm lắng Trong nghiên cứu này, vận tốc chìm lắng trầm cố kết tính công thức sai phân từ phương trình bảo toàn theo công thức thực nghiệm Hwang (1989) ISBN: 978-604-82-1375-6 323 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Các thí nghiệm thực điều kiện rối ảnh hưởng khuếch tán theo phương thẳng đứng bỏ qua Ta sai phân phương trình bảo toàn (2.1) theo hai cách sau: 𝜕𝐶 𝜕𝑡 + 𝜕(𝑊𝑠 𝐶) 𝜕𝑧 =0 (2.1) Cách (cho tầng thứ i) 𝜕𝐶 𝐶𝑖𝑡+1 − 𝐶𝑖𝑡 = 𝜕𝑡 ∆𝑡 𝑡 𝜕𝑤𝑠 𝐶 𝐶𝑖+1 − 𝐶𝑖𝑡 = 𝑤𝑠 𝜕𝑧 ∆𝑧 𝑡 𝐶𝑖𝑡+1 − 𝐶𝑖𝑡 𝐶𝑖+1 − 𝐶𝑖𝑡 = −𝑤𝑠 ∆𝑡 ∆𝑧 𝑤𝑠 = − ∆𝑧 𝐶𝑖𝑡+1 −𝐶𝑖𝑡 𝑡 −𝐶 𝑡 ∆𝑡 𝐶𝑖+1 𝑖 (2.2) Cách (cho tầng thứ i+1) 𝑡+1 𝑡 𝜕𝐶 𝐶𝑖+1 − 𝐶𝑖+1 = 𝜕𝑡 ∆𝑡 𝑡 𝜕𝑤𝑠 𝐶 𝐶𝑖+1 − 𝐶𝑖𝑡 = 𝑤𝑠 𝜕𝑧 ∆𝑧 𝑡+1 𝑡 𝑡 𝐶𝑖+1 − 𝐶𝑖+1 𝐶𝑖+1 − 𝐶𝑖𝑡 = −𝑤𝑠 ∆𝑡 ∆𝑧 𝑤𝑠 = − 𝑡+1 𝑡 −𝐶𝑖+1 ∆𝑧 𝐶𝑖+1 𝑡 −𝐶 𝑡 ∆𝑡 𝐶𝑖+1 𝑖 (2.3) Các công thức sai phân sử dụng nồng độ hai tầng khác để tính giá trị vận tốc chìm lắng áp dụng cho khoảng thời gian mà thay đổi nồng độ hai tầng có xu hướng giống Công thức Hwang sử dụng để tính vận tốc chìm lắng tức thời không phụ thuộc vào thay đổi nồng độ theo thời gian, với hệ số phương trình chọn theo Mehta 2003 [1] Công thức Hwang trở thành: 0.15𝑥C1.4 Ws = (C2 +4 )2 (2.4) Xác định hệ số công thức Hwang Trong nghiên cứu ta dùng chương trình tính vận tốc chìm lắng theo Li Mehta (2003) để xác định hệ số thực nghiệm [1] Chương trình xây dựng ngôn ngữ lập trình Matlab, sử dụng phương trình sai phân (phương trình 2.15, 2.16) để xác định vận tốc chìm lắng từ giá trị nồng độ thực nghiệm thu từ cột chìm lắng biểu diễn đồ thị dạng tập hợp điểm Đồng thời, chương trình sử dụng công thức bán thực nghiệm Hwang (công thức 2.4) để tính vận tốc chìm lắng với hệ số a, b, m, n cho trước mô dạng đường cong đồ thị Bằng việc cho phép hiệu chỉnh hệ số phương trình cho mô gần với giá trị vận tốc chìm lắng thực ta xác định hệ số thực nghiệm a, b, m, n Dữ liệu đầu vào chương trình bao gồm tham số chính: nồng độ trầm tích lơ lửng theo thời gian tầng định dạng bảng 2.1, số tầng đo nele, số lần đo đạc ntime, nồng độ trầm tích lơ lửng ứng với vận tốc chìm lắng lớn C2, vận tốc chìm lắng lớn Ws2, giới hạn nồng độ trầm tích cho vùng chìm lắng tự C1và giá trị mô m, n ban đầu Các tham số m, n, C2, Ws2 ban đầu chọn tuỳ ý thỏa điều kiện 2m > n, ta chọn b, n theo giá trị đầu vào Li Mehta 1.4 Ws2 chọn giá trị vận tốc thực nghiệm lớn (giá trị vận tốc tính công thức sai phân) C2 nồng độ tương ứng với giá trị vận tốc Giá trị C1 ban đầu theo Li Mehta 0.1 kg/m3 THIẾT KẾ CỘT CHÌM LẮNG VÀ MỘT SỐ THÍ NGHIỆM ÁP DỤNG Thiết kế cột chìm lắng Cột chìm lắng sử dụng đề tài cột lấy mẫu đa vòi (Hình 3.2), thiết kế chế tạo dựa thiết kế cột chìm lắng Phòng Thí nghiệm Môi trường thuộc Hiệp hội kỹ sư quân đội Mỹ (U.S Army Corps of Engineers) năm 2002 [2] Thiết kế chi tiết cột chìm lắng trình bày hình 3.1 ISBN: 978-604-82-1375-6 324 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình 3.1 Thiết kế cột chìm lắng Hình 3.2 Cột chìm lắng sử dụng đề tài I - van lấy mẫu; II - chân đế; III - thước; IV - chốt giữ ISBN: 978-604-82-1375-6 Hình 3.3 Van ống lấy mẫu cột chìm lắng A - van thẳng; B - đầu nối; C - đầu lấy mẫu; D - ống chích lấy mẫu; E - vòi lấy mẫu 325 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Cột chìm lắng có phần thân hình trụ làm nhựa PVC cao 2m, đường kính 0.22m, đường kính 0.23m (Hình 3.2) Cột chìm lắng có gắn vòi lấy mẫu làm van đồng cách 0.3m (Ở đây, ta không dùng van xả thông thường mà dùng van lấy mẫu thiết kế thẳng phù hợp cho việc lấy mẫu ống chích nhằm hạn chế xáo trộn lấy mẫu) Một van lấy mẫu trình bày hình 3.3, bao gồm van thẳng A có đường kính 1.27cm; đầu nối B có đường kính 1.27cm dùng để gắn đầu lấy mẫu vào van, bên gắn ống gioăng B1 có tác dụng chống rỉ nước khớp nối; đầu lấy mẫu C bao gồm vỏ nhựa bên ngoài, gioăng chống rỉ C1 đầu lấy mẫu C2, đầu lấy mẫu làm cao su có tác dụng bó sát vòi lấy mẫu ngăn cho mẫu không chảy lấy mẫu Khi lấy mẫu, vòi lấy mẫu xuyên qua theo thứ tự C, C1, C2, B, B1 cuối A để vào cột chìm lắng Ống lấy mẫu (Hình 3.3) bao gồm ống tiêm nhựa D dung tích 60ml có vạch chia thể tích, vòi lấy mẫu E làm nhựa cứng để xuyên qua đầu lấy mẫu Phần khung đế II (Hình 3.2) làm sắt với khung giữ chốt cố định bảo đảm cho cột đứng vững không rung lắc làm xáo trộn tiến hành thí nghiệm Thí nghiệm Trong nghiên cứu tiến hành thí nghiệm, thí nghiệm làm với mẫu cát thí nghiệm lại mẫu bùn sét Mục đích thí nghiệm cát bước đầu xem xét vận tốc chìm lắng cát nữa, với thí nghiệm thu kinh nghiệm ban đầu để phục vụ cho thí nghiệm sau tiến hành với mẫu trầm tích bùn đối tượng mà ta quan tâm Mỗi thí nghiệm bao gồm phần chung: xử lý mẫu, chuẩn bị, kiểm tra cột chìm lắng, cho mẫu vào cột chìm lắng lấy mẫu, cuối xử lý mẫu phòng thí nghiệm tính toán Các thí nghiệm khoá luận định nghĩa sau: Thí nghiệm chuẩn thí nghiệm dùng 60g mẫu, mẫu bao gồm tất kích thước hạt, nước sử dụng làm thí nghiệm có độ muối 00/00 Thí nghiệm ảnh hưởng đường kính hạt thí nghiệm dùng 60g mẫu, mẫu chứa trầm tích có đường kính hạt nằm khoảng định (0.075-0.1mm cho cát 0.045 - 0.075mm bùn), nước dùng thí nghiệm có độ mặn 00/00 Thí nghiệm nhằm xem xét ảnh hưởng đường kính hạt đến vận tốc chìm lắng bùn Do điều kiện hạn chế khoá luận thực với khoảng đường kính hạt so sánh khác biệt vận tốc chìm lắng trầm tích có đường kính khoảng với vận tốc chìm lắng trầm tích bao gồm tất kích thước Thí nghiệm ảnh hưởng độ muối thực để xem xét ảnh hưởng độ muối đến vận tốc chìm lắng bùn Thí nghiệm dùng 60g mẫu có chứa tất đường kính hạt, nước dùng làm thí nghiệm pha với muối tinh khiết (70 lít nước + 1.4kg NaCl 99.5%) tạo thành dung dịch có độ muối 200/00 Trong thí nghiệm không phát thay đổi độ muối hỗn hợp theo thời gian Kết thí nghiệm so sánh với thí nghiệm chuẩn để xác định ảnh hưởng độ muối Thí nghiệm với nồng độ trầm tích cao làm mẫu trầm tích bùn Thí nghiệm dùng 290g mẫu chứa đầy đủ kích thước hạt sử dụng nước có độ mặn 00/00 Ảnh hưởng nồng độ trầm tích đến vận tốc chìm lắng xem xét thí nghiệm Các thí nghiệm tiến hành theo quy trình sau: - Nước bơm vào cột để yên 12 trước thí nghiệm bắt đầu để loại bỏ xáo trộn nước ống - Trầm tích pha với lít nước (giống với nước ống) khuấy cho nhanh vào ống hạn chế gây xáo trộn bề mặt Thí nghiệm bắt đầu, thời gian tính - Mẫu lấy đồng thời vòi 1, 3, tính từ đáy lên ống chích lấy mẫu Xuyên vòi lấy mẫu qua đầu lấy mẫu, mở van khoá đẩy vòi lấy mẫu vào cho đầu vòi lấy mẫu nằm cột chìm lắng, kéo ống xylanh để rút mẫu (Hình 3.4) Trong trình rút mẫu không chạm vào làm lay động cột chìm lắng để tránh gây xáo trộn - Mẫu rút cho vào cốc đựng mẫu dán nhãn (60ml mẫu lần lấy) Mẫu rút theo thời gian, thời gian lần lấy mẫu giãn cách dần, thường mẫu lấy sau 30 giây, phút, phút, 10 phút, 30 phút, 60 phút, 120 phút, 240, lần kể từ cho mẫu vào ống Thời gian lấy mẫu phụ thuộc vào quan sát tốc độ thay đổi nồng độ trầm tích thu được, đầu thí nghiệm, lượng trầm tích nhiều thời gian lấy mẫu gần ngược lại Các thí nghiệm khoá luận cho thấy nồng độ giảm nhanh vài đầu thí nghiệm ISBN: 978-604-82-1375-6 326 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình 3.4 Quá trình lấy mẫu trầm tích (a) - Sử dụng ống chích lấy mẫu từ cột chìm lắng (b) - Cho mẫu trầm tích vào cốc đựng mẫu Bảng 3.1 Thống kê thí nghiệm đề tài Thí nghiệm Thời gian thực (giờ) Số lượng mẫu Ghi Cát - Chuẩn 10.05 (603 phút) 27 Cát - Độ muối 21 Độ mặn 200/00 Cát - đường kính 24 Đường kính 0.075-0.1mm Bùn - Chuẩn 37 48 Bùn - Độ muối 26 44 Bùn - Đường kính 37 54 Đường kính 0.045-0.075mm Bùn - Nồng độ cao 110.5 (6630 phút) 111 Lượng mẫu ban đầu 290g Độ mặn 200/00 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN Xác định vận tốc công thức sai phân Kết thí nghiệm chuẩn dùng làm chuẩn so sánh để phần thấy ảnh hưởng nhân tố đường kính hạt, độ muối nồng độ trầm tích đến vận tốc chìm lắng trầm tích cố kết Thí nghiệm đường kính hạt (0.045-0.075)mm có kết vận tốc chìm lắng lớn Do đường kính trầm tích bị giới hạn nên thí nghiệm loại bỏ lượng trầm tích có kích thước nhỏ (