TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ T4 2015 Trang 19 Thí nghiệm tính vận tốc chìm lắng của trầm tích cố kết theo phương pháp cột chìm lắng Nguyễn Vĩnh Bảo Trung Võ Lương Hồng Phước Trường Đạ[.]
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ T4- 2015 Thí nghiệm tính vận tốc chìm lắng trầm tích cố kết theo phương pháp cột chìm lắng Nguyễn Vĩnh Bảo Trung Võ Lương Hồng Phước Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM ( Bài nhận ngày 04 tháng 12 năm 2014, nhận đăng ngày 23 tháng 09 năm 2015) TĨM TẮT Để kết có độ xác cao, vận tốc chìm lắng trầm tích cố kết phải xác định trường Tuy nhiên thực tế việc khó khăn để thực Nghiên cứu trình bày phương pháp xác định vận tốc chìm lắng trầm tích điều kiện phịng thí nghiệm bao gồm ba nội dung Thứ nhất, thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm cột chìm lắng dựa thiết kế Phịng Thí nghiệm Mơi trường, Hiệp hội Kỹ sư Quân đội Hoa Kỳ 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, mơi trường phịng 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 cơng thức thực nghiệm cho vận tốc chìm lắng khu vực Từ khóa: cột chìm lắng, vận tốc chìm lắng, trầm tích cố kết, Cần Giờ 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 khơng phụ thuộc vào đặc tính trầm tích mà cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường xung quanh Ở nước ta nay, vận tốc chìm lắng trầm tích vùng thường tính tốn dựa cơng 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 khơng phải 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 Bài báo trình bày phương pháp xác định vận tốc chìm lắng trầm tích điều kiện phịng thí nghiệm Việc thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm cột chìm lắng dựa thiết kế Phịng thí nghiệm Mơi trường, Hiệp hội kỹ sư quân đội Hoa Kỳ năm 2002 [2] 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) [3] mơi trường phịng thí nghiệm Bên cạnh đó, sử dụng kết thu để bước đầu xác định hệ số đặc trưng qua xác định cơng thức thực nghiệm cho vận tốc chìm lắng khu vực Phương pháp nghiên cứu bao gồm ứng Trang 19 Science & Technology Development, Vol 18, No.T4-2015 𝑡+1 𝑡 𝜕𝐶 𝐶𝑖+1 − 𝐶𝑖+1 = 𝜕𝑡 ∆𝑡 𝑡 𝜕𝑤𝑠 𝐶 𝐶𝑖+1 − 𝐶𝑖𝑡 = 𝑤𝑠 𝜕𝑧 ∆𝑧 dụng kế thừa việc thiết kế cột chìm lắng; thực hành phân tích mẫu phịng thí nghiệm; tính tốn mơ tốn 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 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 dịng chảy, đặc tính mơi trường xung quanh Hơn nữa, nhân tố ảnh hưởng đồng thời qua lại với nên chúng khó để đo lường hay tham số hóa Trong giới hạn đề tài này, chúng tơi 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 Cơng thức tính vận tốc chìm lắng Trong nghiên cứu này, vận tốc chìm lắng trầm cố kết tính cơng thức sai phân từ phương trình bảo tồn theo cơng thức thực nghiệm Hwang (1989) Các thí nghiệm thực điều kiện khơng có rối ảnh hưởng khuếch tán theo phương thẳng đứng phân nước bỏ qua Lấy sai phân phương trình bảo tồn (1) theo hai cách sau: 𝜕𝑡 + 𝜕 𝑊𝑠 𝐶 𝜕𝑧 =0 (1) Cách (cho tầng thứ i) 𝜕𝐶 𝐶𝑖𝑡+1 − 𝐶𝑖𝑡 = 𝜕𝑡 ∆𝑡 𝑡 𝜕𝑤𝑠 𝐶 𝐶𝑖+1 − 𝐶𝑖𝑡 = 𝑤𝑠 𝜕𝑧 ∆𝑧 𝐶𝑖𝑡+1 −𝐶𝑖𝑡 ∆𝑡 = −𝑤𝑠 𝑤𝑠 = − 𝑡 𝐶𝑖+1 −𝐶𝑖𝑡 ∆𝑧 ∆𝑧 𝐶𝑖𝑡+1 −𝐶𝑖𝑡 𝑡 −𝐶 𝑡 ∆𝑡 𝐶𝑖+1 𝑖 Cách (cho tầng thứ i+1) Trang 20 𝑡+1 𝑡 𝐶𝑖+1 −𝐶𝑖+1 𝑤𝑠 = − ∆𝑡 = −𝑤𝑠 𝑡+1 𝑡 ∆𝑧 𝐶𝑖+1 −𝐶𝑖+1 𝑡 −𝐶 𝑡 ∆𝑡 𝐶𝑖+1 𝑖 𝑡 𝐶𝑖+1 −𝐶𝑖𝑡 ∆𝑧 (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 Cơng 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] Cơng thức Hwang trở thành: Ws = 0.15𝑥C 1.4 C +4 2 (4) Xác định hệ số công thức Hwang PHƯƠNG PHÁP 𝜕𝐶 (2) Trong nghiên cứu chương trình tính vận tốc chìm lắng theo Li Mehta (2003) sử dụng để xác định hệ số thực nghiệm [1] Chương trình xây dựng ngơn ngữ lập trình Matlab, sử dụng phương trình sai phân (phương trình (2) (3)) 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 cơng thức bán thực nghiệm Hwang (cơng thức (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 mơ gần với giá trị vận tốc chìm lắng thực nhất, xác định hệ số thực nghiệm a, b, m, n Dữ liệu đầu vào mơ hình bao gồm tham số chính: nồng độ trầm tích lơ lửng theo thời gian tầng định dạng Bảng 1, số tầng đo nele, số lần đo đạc ntime, nồng độ trầm tích lơ lửng ứng với vận tốc chìm lắng TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ T4- 2015 lớn C2, vận tốc chìm lắng lớn Ws2, giới hạn nồng độ trầm tích cho vùng chìm lắng tự C1 giá trị mô m, n ban đầu Các tham số m, n, C2, Ws2 ban đầu chọn tuỳ ý thỏa điều kiện 2m > n, 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 cơng 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 Cột chìm lắng sử dụng báo cột lấy mẫu đa vòi (Hình 2), thiết kế chế tạo dựa thiết kế cột chìm lắng Phịng Thí nghiệm Môi trường thuộc Hiệp hội Kỹ sư Quân đội Hoa Kỳ (U.S Army Corps of Engineers) năm 2002 [2] Thiết kế chi tiết cột chìm lắng trình bày Hình Hình Thiết kế cột chìm lắng Trang 21 Science & Technology Development, Vol 18, No.T4-2015 Hình Cột chìm lắng sử dụng đề tài I - van lấy mẫu; II - chân đế; III - thước; IV - chốt giữ Hình Van ống lấy mẫu cột chìm lắng A, van thẳng; B, đầu nối; C, đầu lấy mẫu; D, ống chích lấy mẫu; E, vịi lấy mẫu Cột chìm lắng có phần thân hình trụ làm nhựa PVC cao m, đường kính 0,22 m, đường kính ngồi 0,23 m (Hình 2) Cột chìm lắng có gắn vịi lấy mẫu làm van đồng cách 0,3 m (ở đây, không dùng van xả thông thường mà dùng van lấy mẫu thiết kế thẳng phù hợp cho Trang 22 việc lấy mẫu ống chích nhằm hạn chế xáo trộn lấy mẫu) Một van lấy mẫu trình bày Hình 3, bao gồm van thẳng A có đường kính 1,27 cm; đầu nối B có đường kính ngồi 1,27 cm 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 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ T4- 2015 gồm vỏ nhựa bên ngoài, gioăng chống rỉ C1 đầu lấy mẫu C2, đầu lấy mẫu làm cao su có tác dụng bó sát vịi lấy mẫu, ngăn khơng cho mẫu chảy ngồi 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) bao gồm ống tiêm nhựa D, dung tích 60 mL có vạch chia thể tích, vịi lấy mẫu E làm nhựa cứng để xuyên qua đầu lấy mẫu Phần khung đế II (Hình 2) làm sắt với khung giữ chốt cố định nhằm bảo đảm cho cột đứng vững khơng rung lắc, tránh xáo trộn tiến hành thí nghiệm Thí nghiệm Trong nghiên cứu chúng tơi tiến hành thí nghiệm, thí nghiệm áp dụng với mẫu cát thí nghiệm cịn lại với mẫu bùn sét Mẫu bùn sét lấy lại khu vực rừng ngập mặn Nàng Hai, Cần Giờ (Thành Phố Hồ Chí Minh), 2012 [3] 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 cần 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 phịng thí nghiệm tính tốn Các thí nghiệm định nghĩa sau: Thí nghiệm chuẩn thí nghiệm dùng 60 g mẫu, mẫu bao gồm tất kích thước hạt, nước sử dụng làm thí nghiệm có độ muối 0/00 Thí nghiệm ảnh hưởng đường kính hạt thí nghiệm dùng 60 g mẫu, mẫu chứa trầm tích có đường kính hạt khoảng định (0,075-0,1 mm cho cát 0,045-0,075 mm bùn), nước dùng thí nghiệm có độ mặn 0/00 Thí nghiệm nhằm xem xét ảnh hưởng đường kính hạt đến vận tốc chìm lắng bùn Do điều kiện hạn chế nghiên cứu 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 60 g mẫu có chứa tất đường kính hạt, nước dùng làm thí nghiệm pha với muối tinh khiết (70 lít nước + 1,4 kg NaCl 99,5 %) tạo thành dung dịch có độ muối 20 0/00 Trong thí nghiệm khơng có 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 290 g mẫu chứa đầy đủ kích thước hạt sử dụng nước có độ mặn 0/00 Ảnh hưởng nồng độ trầm tích đến vận tốc chìm lắng xem xét thí nghiệm Các thí nghiệm đƣợc 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 vịi 1, 3, tính từ đáy lên ống chích lấy mẫu Xun vịi lấy mẫu qua đầu lấy mẫu, mở van khố đẩy vịi lấy mẫu vào cho đầu vòi lấy mẫu nằm cột chìm lắng, kéo ống xylanh để rút mẫu (Hình 4) Trong q trình rút mẫu khơng Trang 23 Science & Technology Development, Vol 18, No.T4-2015 chạm vào làm lay động cột chìm lắng để tránh gây xáo trộn - Mẫu rút cho vào cốc đựng mẫu dán nhãn (60 mL 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 ngắn ngược lại Các thí nghiệm cho thấy nồng độ giảm nhanh vài đầu Hình Q 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 Thống kê thí nghiệm nghiên cứu Thí nghiệm Cát - Chuẩn Cát - Độ muối Cát - đường kính Bùn - Chuẩn Bùn - Độ muối Bùn - Đường kính Bùn - Nồng độ cao Thời gian thực (giờ) 10,05 (603 phút) 7 37 26 37 110,5 (6630 phút) Số lượng mẫu KẾT QUẢ 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 Trang 24 27 21 24 48 44 54 111 Ghi Độ mặn 20 0/00 Đường kính 0,075–0,1 mm Độ mặn 20 0/00 Đường kính 0,045–0,075 mm Lượng mẫu ban đầu 290 g 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 (