Chương 4 Mô hình hóa môi trường nước dưới đất

10-May-11 1 LOGO Chương 4 MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG NƯỚC DƯỚI ĐẤT Bài 4 GVGD: TRƯƠNG THỊ THU HƯƠNG www.themegallery.com Company Logo 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH NƯỚC DƯỚI ĐẤT Nước dưới đất là một loại khoáng sản lỏng, vì vậy chất lượng cũng như trữ lượng luôn có sự thay đổi. Cần phải định lượng hóa và mô tả chính xác sự thay đổi đó để làm cơ sở cho các bài toán tính toán lan truyền chất ô nhiễm, trữ lượng, dòng chảy cũng như giúp cho công tác quản lý, quy hoạch nguồn tài nguyên này một cách hiệu quả www.themegallery.com Company Logo 1.1. Mô hình dòng chảy nước dưới đất Mô hình dòng chảy nước dưới đất dùng để đánh giá tốc độ và hướng vận chuyển của nước dưới đất thông qua các tầng chứa nước và lớp cách nước dưới bề mặt. Việc mô phỏng dòng chảy nước dưới đất đòi hỏi phải có hiểu biết sâu sắc về đặc tính thủy văn của vùng nghiên cứu. www.themegallery.com Company Logo Việc khảo sát địa chất thủy văn phải mô tả được các đặc trưng sau: - Qui mô và chiều dày của tầng chứa nước và cách nước. - Các biên thủy lực kiểm soát tốc độ và hướng di chuyển của nước dưới đất. - Đặc tính thủy lực của tầng chứa nước và cách nước. - Mô tả sự phân bố theo phương ngang và thẳng đứng của mực nước trong vùng nghiên cứu theo điều kiện ban đầu, điều kiện ổn định và điều kiện không ổn định khi mực nước thay đổi theo thời gian - Sự phân bố và độ lớn của lượng nước được bổ cập; lưu lượng khai thác hoặc ép nước, tính thấm của nước… 10-May-11 2 www.themegallery.com Company Logo 1.2. Mô hình lan truyền chất trong đất Mô hình lan truyền chất mô phỏng các quá trình sau: - Sự di chuyển của các chất nhiễm bẩn theo quá trình chuyển tải và khuếch tán, - Sự lan truyền và hòa tan các chất nhiễm bẩn bởi quá trình chuyển tải. - Sự loại bỏ hoặc giải thoát các chất nhiễm bẩn vào hoặc ra khỏi trầm tích và đá bởi quá trình hấp thụ hoặc nhả. - Sự thay đổi hóa học của các chất nhiễm bẩn bởi các phản ứng hóa học bị kiểm soát bởi các quá trình sinh học hay các phảnứng hóa học. www.themegallery.com Company Logo Để lập MH lan truyền chất cần bổ sung các thông tin sau: - Phân bố vận tốc nước dưới đất nằm ngang và thẳng đứng (hướng và độ lớn) do mô hình dòng chảy nước dưới đất đã được hiệu chỉnh tính toán. - Các điều kiện biên của chất tan. - Phân bố ban đầu của chất tan (điều kiện ban đầu). - Vị trí, lịch sử và khối lượng của nguồn hóa chất. - Độ lỗ rỗng hữu hiệu. - Dung trọng tự nhiên. - Tỷ lệ C hữu cơ trong đất. - Tỷ trọng của chất lỏng. - Độ nhớt của chất lỏng. - Hệ số phân tán dọc và ngang. - Hệ số khuếch tán (phân tán). - Tốc độ phân rã hóa học hay hằng số phân hủy. - Phương trình mô tả các quá trình biến đổi hóa học. - Sự phân bố ban đầu của các chất hấp thụ điện tử. www.themegallery.com Company Logo 1.3. Các khái niệm cơ bản và phương trình lan truyền chất Quá trình khuếch tán Là quá trình mà ion hay những phần tử hòa tan trong nước dịch chuyển từ vùng có nồng độ (hay hoạt tính hòa tan) cao hơn đến vùng có nồng độ thấp hơn. Quá trình chuyển tải Là quá trình nước dưới đất vận động mang theo các chất hòa tan Quá trình phân tán Là quá trình diễn ra khi các chất hòa tan đi qua môi trường lỗ rỗng. Quá trình phân tán có tác động pha loãng và hạ thấp nồng độ chất hòa tan. www.themegallery.com Company Logo 1.4. Phương trình lan truyền ô nhiễm ( ) ( ) å++¶ ¶- ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ¶ ¶ ¶ ¶= ¶ ¶ n k ss k i ij k ij i k RCqCv xx CD xt C qqq (I) (II) (III) (IV) (I) Nồng độ biến đổi của chất ô nhiễm k trong đơn vị thời gian t. (II) Nồng độ biến đổi của chất ô nhiễm theo phương i và j do quá trình khuếch tán. (III) Nồng độ biến đổi của chất ô nhiễm theo phương i do quá trình đối lưu. (IV) Thành phần phụ và tổng các phảnứng hóa học. 10-May-11 3 www.themegallery.com Company Logo 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 trong định luật Darcy: i ii i x hKqv ¶ ¶ -== qq qs: tỷ lệ lưu lượng thể tích cho mỗi đơn vị dung tích của tầng chứa nước đại diện cho Sources (nguồn) và Sinks (vùng, bể) (T-1). - Csk: nồng độ chất ô nhiễm thứ k chảy từ nguồn tự sinh và tự hoại (ML-3). - ΣRn: tổng các phản ứng hóa học (ML-3T-1). www.themegallery.com Company Logo Phương trình tổng quát vận chuyển chất ô nhiễm mô tả sự thay đổi tức thời nồng độ các chất ô nhiễm trong nước ngầm. Điều kiện ban đầu được viết như sau C (x,y,z,t) = C0 (x,y,z) khi t = 0 Với C0(x,y,z) là nồng độ đã biết trước Điều kiện ban đầu Điều kiện biên Có ba điều kiện biên được đề cập trong mô hình lan truyền chất trong nước dưới đất là: • Nồng độ xác định dọc theo biên (điều kiện Dirichlet); • Nồng độ biến đổi xác định chảy qua biên tính toán (điều kiện Neumenn); • Điều kiện hỗn hợp (kết hợp cả hai điều kiện trên). www.themegallery.com Company Logo Điều kiện biên loại I Là điều kiện nồng độ được xác định dọc theo biên trong suốt thời gian thiết lập mô hình. Đó là nồng độ được xác định trước và giá trị này không đổi trong suốt thời gian tính toán. Và được xác định như sau: trên Γ, t ≥ 0( ) ( )tzyxCtzyxC ,,,,,, 0=G Với: Γ là biên xác định và C0 (x,y,z,t) là nồng độ ô nhiễm xác định dọc theo biên Γ Điều kiện biên loại II Là điều kiện biên nồng độ chất hòa tan được xác định trước. Đó là các ô mà nồng độ chất hòa tan chảy qua biên được xác định trước trong suốt bước thời gian tính toán, và nó được mô tả qua phương trình sau: ( ) 0,,,, ³= ¶ ¶ G ttzyxfx CD i j ijq fi (x,y,z,t) là phương trình được xác định đại diện cho dòng chảy phân tán tới biên Γ. Trường hợp không có dòng chảy phân tán thì nồng độ được xác định bằng không, nghĩa là fi(x,y,z.t) = 0. www.themegallery.com Company Logo Điều kiện biên loại III Là điều kiện biên mà giá trị nồng độ dọc theo biên và nồng độ biến đổi chảy qua biên được xác định (điều kiện Cauchy). Và nó được mô tả qua phương trình: ( )tzyxgCq x CD ii j ij ,,,=-¶ ¶ Gq trên Γ, t ≥ 0 Với gi (x,y,z,t) là phương trình đại diện cho tổng dòng chảy (phân tán và đối lưu) tới biên Γ. Với biên không thấm, thì cả dòng chảy phân tán và đối lưu bằng không, nghĩa là gi (x,y,z,t) = 0. Dòng chảy đối lưu chiếm ưu thế hơn so với dòng chảy phân tán, khi đó phương trình trên sẽ được đơn giản như sau: Phương trình này được tính toán dễ dàng trong mô hình vận chuyển chất ô nhiễm. ( )tzyxgCq ii ,,,=- G 10-May-11 4 www.themegallery.com Company Logo Các điều kiện biên thực tế Biên sông Biên loại này được mô phỏng cho dòng chảy giữa tầng chứa nước và nguồn chứa nước thường là sông hay hồ... Trong điều kiện biên loại này thì nước ngầm có xu hướng di chuyển từ nơi có địa hình cao sang nơi có địa hình thấp, mà ở đó tầng địa chất phía dưới không có khả năng giữ nước và không thấm. www.themegallery.com Company Logo Biên tự nhiên địa chất Các điều kiện biên thực tế (tt) www.themegallery.com Company Logo Một số lưu ý - Phải có ít nhất một điều kiện biên mực nước tham chiếu. - Không chọn các biên nhân tạo quá gần diện tích NC - Không phải tất cả các đối tượng nước mặt đều được xem là biên dòng chảy (ví dụ: nước ở tầng chứa nằm sâu dưới đất sẽ chảy bên dưới đáy sông). - Mô hình nhiều lớp có thể đòi hỏi các biên khác nhau cho từng lớp của mô hình www.themegallery.com Company Logo Ví dụ ứng dụng phần mềm Modflow trong tính toán lan truyền phèn - mặn trong đất ở Bến Lức- Long An 10-May-11 5 www.themegallery.com Company Logo Tiến hành mô phỏng quá trình lan truyền phèn – mặn trong đất theo không gian bằng mô hình Velocity and Mass Flux Calculators Mô phỏng quá trình lan truyền phèn – mặn trong đất theo thời gian bằng mô hình MODFLOW kết hợp MT3DMS www.themegallery.com Company Logo Các dữ liệu đầu vào của mô hình Đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu: xét các tầng đất khác nhau như 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 www.themegallery.com Company Logo Cơ sở lý thuyết của mô hình Mô hình lý tính đất Dòng chảy trong đất được xét trong hai đới: bão hòa và không bão hòa: Trong vùng đất không bão hòa: dòng chảy theo phương thẳng đứng, chảy qua các khoang nhỏ. Dòng đối lưu được giới hạn trong khoang nhỏ. Trong trường hợp này không có sự trao đổi giữa các khoang lớn và khoang nhỏ. Trong vùng đất bão hòa: dòng đối lưu được xem như chảy hoàn toàn trong khoang lớn. Dòng chảy trong khoang nhỏ do sự khuếch tán. www.themegallery.com Company Logo Ta có phương trình liên tục: )(hS z q t - ¶ ¶ = ¶ ¶q Dòng chảy trong đất theo định luật Darcy )1( + ¶ ¶ -= z hKq Với: q: dòng đối lưu (cm/phút) θ: độ ẩm thể tích đất (cm3) S: lượng nước hút của rễ trên mỗi đơn vị thể tích của đất và trên đơn vị thời gian (cm3/cm3/phút) K: độ dẫn thủy lực hay hệ số thấm (cm/phút) h: thế hút nước của đất (cm) Các giá trị K, θ, S là hàm số của h trong đó: 10-May-11 6 www.themegallery.com Company Logo Hàm tương quan giữa hệ số thấm và độ ẩm: Log (K(θ)) = bo + 0.4343 x b1 x Log (Se) Với: rs rSe qq qq - - = Hàm tương quan giữa thế hút nước và độ ẩm: Log (h(θ)) = ao + 0.4343*a1*Log (θe/ θ) Trong đó: θ: độ ẩm tại điểm tính toán θr: độ ẩm thường trú trong đất θs: độ ẩm bão hòa đất www.themegallery.com Company Logo Tính toán vận tốc dòng chảy trong đất Việc tính toán vận tốc dòng chảy trong đất cần 3 tập hợp dữ liệu vô hướng. Từ đó có thể tạo một tập hợp dữ liệu các vectơ mô tả vận tốc thẩm thấu trong đất. Các tập hợp cơ sở dữ liệu đầu vào ở đây gồm thế hút nước của đất, hệ số xốp và độ dẫn thủy lực hay hệ số thấm. Các tính toán dựa trên công thức định luật Darcy: n ki n vv ds == Trong đó: vs: vận tốc thẩm thấu vd: vận tốc Darcy n: hệ số xốp k: hệ số thấm i: gradient thế hút nước của đất www.themegallery.com Company Logo Trong mô hình 3 chiều, hàm này trở thành: ú ú ú û ù ê ê ê ë é ¶¶ ¶¶ ¶¶ ú ú ú û ù ê ê ê ë é -= ú ú ú û ù ê ê ê ë é zh yh xh kkk kkk kkk v v v zzzyzx yzyyyx xzxyxx z y x / / / Nếu giả sử kx = ky = kh và kz = (hệ số anis)*kh thì hàm này được đơn giản thành: ú ú ú û ù ê ê ê ë é ¶¶ ¶¶ ¶¶ ú ú ú û ù ê ê ê ë é -= ú ú ú û ù ê ê ê ë é zh yh xh k k k v v v z h h z y x / / / 00 00 00 Tính toán vận tốc dòng chảy trong đất (tt) x hkv hx ¶ ¶ -= y hkv hy ¶ ¶ -= z hkv zz ¶ ¶ -= Hoặc www.themegallery.com Company Logo Vận chuyển chất 2 chiều và sự thấm hút bề mặt Để kiểm tra khả năng của mô hình MT3DMS mô phỏng quá trình vận chuyển chất tan trong hệ thống 2 chiều khi có mặt sự phân hủy bậc nhất và sự thấm hút bề mặt tuyến tính. Hàm chủ đạo để giải quyết vấn đề này là (Zheng và Wang, 1999): imimimimmmmm mm m im imim t m mm CRCRx C q x C D t C R C R qlqlqqq -- ¶ ¶ - ¶ ¶ = ¶ ¶ + ¶ ¶ 2 2 imimimimimm im imim CRCCt C R qlzq --= ¶ ¶ )( 10-May-11 7 www.themegallery.com Company Logo Trongđó: Cm và Cim lần lượt là nồng độ chất hòa tan trong môi trường lưu động và không lưu động ; θm và θim lần lượt là hệ số xốp của môi trường lưu động và không lưu động, [vô hướng] ; λm và λim lần lượt là tốc độ phân hủy lần đầu tiên đối với pha lỏng di động và không di động ; Rm và Rim lần lượt là các nhân tố làm chậm đối với môi trường lưu động và không lưu động ; ξ là hệ số tốc độ vận chuyển chất bậc nhất giữa môi trường lưu động và không lưu động. www.themegallery.com Company Logo Mô hình vận chuyển và dòng chảy số được phát triển sử dụng là mô hình MODFLOW2000 và MT3DMS. Mô hình bao gồm 101 cột, 101 dòng và 2 lớp, được sử dụng để so sánh sự hòa tan đối với điều kiện ban đầu và điều kiện biên. Trong mô hình dòng chảy, cột đầu tiên và cuối cùng là các biên thế hút nước hằng số. Các thế hút nước bất kỳ được sử dụng để thiết lập gradient nước đồng nhất được yêu cầu. Trong mô hình vận chuyển, cột đầu tiên là biên nồng độ hằng số với nồng độ có liên quan của một biên. Cột cuối cùng phải đủ xa từ nguồn đến 1 vùng dòng chảy 1 chiều nửa vô hạn khi được thực hiện trong quá trình hòa tan. www.themegallery.com Company Logo Các thông số trong mô hình được sử dụng trong quá trình mô phỏngđược liệt kê bên dưới Ø Độ rộng lưới theo dòng (∆x) = 10 m Ø Độ rộng lưới theo cột (∆y) = 1 m Ø Độ dày lớp (∆z) = 1m Ø Lưu lượng (lưu lượng Darcy) (q) = 0,06 m/ngày Ø Sự phân tán theo chiều dọc = 10 m Ø Hệ số thấm của vùng lưu động (θm) = 0.2 Ø Hệ số thấm của vùng đứng yên (θim) = 0.05 Ø Hệ số tốc độ vận chuyển chất giữa môi trường lưu động và đứng yên (ζ) = 10-3/ngày Ø Khoảng thời gian bắt đầu (t0) = 90 ngày Ø Tổng thời gian mô phỏng (t) = 720 ngày www.themegallery.com Company Logo VÍ DỤ VỀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MODFLOW VÀ MT3DMS TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG LAN TRUYỀN NITƠ TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT Ở TP.HCM 10-May-11 8 www.themegallery.com Company Logo 1. Lưới và đường đẳng mực nước của mô hình Lưới tính được chia thành: 90 hàng x 90 cột tạo thành một hệ thống lưới hai chiều. Kích thước mỗi ô lưới của mô hình là: 1000 (m) x 1000 (m). (Những ô lưới không thuộc diện tích lập mô hình là những ô không hoạt động). Lưới tính toán hai chiều: Dùng để nội suy các dữ liệu từ các điểm rời rạc đến từng ô lưới và lưu dữ liệu thành từng tập tin phục vụ cho việc chuyển dữ liệu này vào lưới ba chiều. www.themegallery.com Company Logo Lưới và đường đẳng mực nước của mô hình www.themegallery.com Company Logo Hình ảnh lưới ba chiều của khu vực TP. Hồ Chí Minh www.themegallery.com Company Logo 2. Các lớp địa chất của TP. Hồ Chí Minh được sử dụng trong mô hình 10-May-11 9 www.themegallery.com Company Logo 3. Dữ liệu về thông số địa chất thủy văn xung quanh khu vực các bãi rác Hệ số thấm (Hydraulic conductivity) Hệ số thấm thấm ngang (Horizontal K) và hệ số thấm dọc (Vertical K) Dữ liệu về lượng bổ cập (Recharge package) Lượng bổ cập là lượng nước từ nhiều nhân tố khác nhau đi vào hệ thống nước dưới đất: mưa, lũ, úng ngập... Theo tính toán của các nhà chuyên môn thì lượng bổ cập không vượt quá 20% lượng mưa và phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là các yếu tố sau: Độ dốc địa hình, thành phần đất đá trong từng vùng tiếp nhận nước mưa và thảm thực vật. www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo 4. Thiết lập và chạy MT3DMS Giá trị các thông số đầu vào của mô hình lớn TRPT: là tỷ số giữa độ phân tán theo phương ngang và phương dọc theo dòng chảy TRVT: là tỷ số giữa độ phân tán theo phương đứng và phương dọc theo dòng chảy www.themegallery.com Company Logo Các bước thiết lập của mô hình: Bước 1: Thiết lập các lớp địa chất Trước khi chạy MT3DMS, cần phải thiết lập 3 lớp địa chất và bãi rác Phước Hiệp cho mô hình. 10-May-11 10 www.themegallery.com Company Logo Thiết lập bãi rác: mở thuộc tính vùng (recharge rate và recharge concentration). www.themegallery.com Company Logo Bước 2: Đưa dữ liệu GIS vào mô hình Chuyển file có đuôi (*shp) chứa dữ liệu thông tin địa lý (GIS) về bãi rác (đã xác định vị trí và tọa độ của bãi rác) vào mô hình. www.themegallery.com Company Logo Bước 3: Gán giá trị cho các lớp gồm độ rỗng và hệ số phân tán theo phương dọc theo dòng chảy (porosity and longitudinal dispersion) www.themegallery.com Company Logo Bước 4: Thiết lập các dữ kiện cho MT3DMS. 10-May-11 11 www.themegallery.com Company Logo Bước 5: Gán giá trị thời gian nghiên cứu (ngày) và bước lặp tính toán (Length và Max transport steps) www.themegallery.com Company Logo Bước 6: Chọn các dữ kiện tính toán (tải, phân tán,nguồn tự sinh/tự hoại, theo dõi lan truyền). Company Logo Bước 7: Chọn chất ô nhiễm (N tổng) www.themegallery.com Company Logo Bước 8: Lựa chọn bước xuất dữ liệu tính toán ô nhiễm theo thời gian 10-May-11 12 www.themegallery.com Company Logo Bước 9: Lựa chọn phương pháp để tính toán số hạng tải, sử dụng phương pháp biến phân bậc 3. www.themegallery.com Company Logo Bước 10: Gán giá trị cho hệ số phân tán cho các lớp 1, lớp 2 và lớp 3. www.themegallery.com Company Logo Bước 11: Gán giá trị tốc độ bổ cập và nồng độ bổ cập cho các bãi rác (recharge rate và recharge conconcentration) cho hai bãi rác. www.themegallery.com Company Logo Bước 12: Chuyển tất cả các dữ liệu đã thiết lập trên bản đồ vào MT3DMS. 10-May-11 13 www.themegallery.com Company Logo Bước 13: Chạy MODFLOW www.themegallery.com Company Logo Kết quả chạy MODFLOW: Cho ra đường đẳng mực nước cả thành phố. www.themegallery.com Company Logo Bước 14: Chạy MT3DMS www.themegallery.com Company Logo Kết quả chạy MT3DMS. 10-May-11 14 LOGO www.themegallery.com