1. Trang chủ
  2. » Khoa Học Tự Nhiên

Bài giảng mô hình hóa môi trường chương 4 GV trương thị thu hương

14 436 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 14
Dung lượng 718,89 KB

Nội dung

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 hò

Trang 1

M Ô H Ì N H H ÓA M ÔI

Bài 4

GVGD: TRƯƠNG THỊ THU HƯƠNG

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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.

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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…

Trang 2

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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 phản ứng hóa học.

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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.

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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.

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

1.4 Phương trình lan truyền ô nhiễm

=

n k

s s k i i j

k

ij i

k

R C

q C v x x

C D x t

C

θ θ

θ

(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 phản ứng hóa học.

Trang 3

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

Với

- θ: độ lỗ rỗng hữu hiệu (không thứ nguyên)

- t: thời gian (T).

- x ij : khoảng cách tương ứng dọc theo hệ trục tọa độ Decac

- D ij : hệ số phân tán thủy động lực (L 2 T -1 ).

- v i : 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 i i i

x h K q v

=

= θ θ

q s : 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 ).

- C s : nồng độ chất ô nhiễm thứ k chảy từ nguồn tự sinh và tự hoại

(ML-3).

- ΣR n : tổng các phản ứng hóa học (ML -3 T -1 ).

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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

Với C 0 (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).

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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

( x y z t ) C ( x y z t )

C , , , Γ = 0 , , ,

Với: Γ là biên xác định và C 0 (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

=

Γ f x y z t t x

C

j ij

θ

f i (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 f i (x,y,z.t) = 0.

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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:

( x y z t )

g C q x

C

j

Γ

Với g i (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 g i (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.

( x y z t )

g C

qi = i , , ,

− Γ

Trang 4

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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.

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

Biên tự nhiên địa chất

Các điều kiện biên thực tế (tt)

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

Ví dụ ứng dụng phần mềm Modflow trong tính toán lan truyền phèn - mặn trong đất ở Bến Lức- Long An

Trang 5

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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

MODFLOW kết hợp MT3DMS

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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 ñất không bão hòa: dòng chảy theo

phương thẳng ñứng, chảy qua các khoang nhỏ Dòng

ñối lưu ñược giới hạn trong khoang nhỏ Trong trường

hợp này không có sự trao ñổi giữa các khoang lớn và

khoang nhỏ.

Trong vùng ñất bão hòa: dòng ñối lưu ñược xem như

chảy hoàn toàn trong khoang lớn Dòng chảy trong

khoang nhỏ do sự khuếch tán.

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

Ta có phương trình liên tục:

)

(h

S z

q

=

∂θ

Dòng chảy trong đất theo định luật Darcy

) 1

=

z

h K q

Với:

q: dòng đối lưu (cm/phút) θ: độ ẩm thể tích đất (cm 3 ) 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:

Trang 6

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

Hàm tương quan giữa hệ số thấm và độ ẩm:

Log (K(θ)) = bo+ 0.4343 x b1x Log (Se)

Với:

r s

r Se

θ θ

θ θ

=

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

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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

v

Trong đó:

v s : vận tốc thẩm thấu

v d : vận tốc Darcy n: hệ số xốp k: hệ số thấm i: gradient thế hút nước của đất

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

Trong mô hình 3 chiều, hàm này trở thành:

=

z h

y h x h

k k k

k k k

k k k

v

v

v

zz zy zx

yz yy yx

xz xy xx

z

y

x

/ / /

Nếu giả sử kx= ky= kh và kz= (hệ số anis)*khthì hàm này

được đơn giản thành:

=

z h

y h

x h k k

k

v

v

v

z h

h

z

y

x

/ / / 0

0

0 0

0 0

Tính toán vận tốc dòng chảy trong đất (tt)

x

h k

=

y

h k

vy h

=

z

h k

vz z

=

Hoặc

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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):

im im im im m m m m m m m im im im t

m m

x

C q x

C D t

C R C

=

∂ +

2 2

im im im im im m im

im

t

C

) (

Trang 7

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

Trong đó:

C m và C im lần lượt là nồng độ chất hòa tan trong môi trường lưu

động và không lưu động ;

θ m và θ im lần lượt là hệ số xốp của môi trường lưu động và không

lưu động, [vô hướng] ;

λ m và λ im lần lượt là tốc độ phân hủy lần đầu tiên đối với pha lỏng

di động và không di động ;

R m và R im 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.

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

Mô hình vận chuyển và dòng chảy số được phát triển sử dụng là mô hình MODFLOW 2000 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.

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

Các thông số trong mô hình được sử dụng trong quá

trình mô phỏng được liệt kê bên dưới

Độ rộng lưới theo dòng (∆x) = 10 m

Độ rộng lưới theo cột (∆y) = 1 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 của vùng lưu động (θ m ) = 0.2

Hệ số thấm của vùng đứng yên (θ im ) = 0.05

Hệ số tốc độ vận chuyển chất giữa môi

trường lưu động và đứng yên (ζ) = 10-3/ngày

Khoảng thời gian bắt đầu (t 0 ) = 90 ngày

Tổng thời gian mô phỏng (t) = 720 ngày

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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

Trang 8

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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.

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

Lưới và đường đẳng mực nước của mô hình

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

Hình ảnh lưới ba chiều của khu vực

TP Hồ Chí Minh

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

2 Các lớp địa chất của TP Hồ Chí Minh được sử dụng trong mô hình

Trang 9

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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.

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

Com pa ny 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

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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.

Trang 10

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

Thiết lập bãi rác: mở thuộc tính vùng (recharge rate và recharge

concentration).

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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.

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny 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)

w w w t he m e ga lle ry com

Com pa ny Logo

Bước 4: Thiết lập các dữ kiện cho MT3DMS.

Ngày đăng: 06/12/2015, 23:34

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

w