Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KH&CN VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC  LÊ MINH THÀNH MƠ HÌNH HĨA SỰ THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ OXI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA LỚP BÙN ĐÁY Chuyên ngành: Hóa lý thuyết Hóa lý Mã số: 62.44.01.19 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2015 Footer Page of 126 Header Page of 126 Cơng trình hồn thành Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Lê Quốc Hùng Viện Hóa học – Viện HLKH&CN VN TS Phạm Hồng Phong Viện Hóa học – Viện HLKH&CN VN Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Xuân Hoàn Trường ĐHKHTN – ĐHQG HN Phản biện 2: PGS.TS Vũ Thị Thu Hà Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Văn Thắng Trường Đại học Thủy Lợi Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại: Hội trường tầng 3, nhà A18, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm KH CN Việt Nam Địa 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội Vào hồi … … ngày … tháng … năm Có tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia; Thư viện Viện Hóa học Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Footer Page of 126 Header Page of 126 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết mục đích nghiên cứu luận án Nội dung nghiên cứu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Điểm luận án Bố cục luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxi hòa tan nước 1.2 Các tính chất bùn đáy 1.3 Phương trình lan truyền khuếch tán tổng quát 1.4 Tình hình nghiên cứu vấn đề cần giải CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình oxi hịa tan 2.1.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình 2.1.2 Phương trình tốn học mơ tả yếu tố mơ hình DO 2.1.3 Thiết lập giải mơ hình 2.2 Thiết bị phần mềm sử dụng 2.2.1 Mơ hình vật lý thiết bị 2.2.2 Phần mềm máy tính 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp số giải toán khuếch tán 2.3.2 Phương pháp đo đạc thực nghiệm 2.3.3 Phương pháp xây dựng đánh giá mơ hình 2.4 Nhận xét chương CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Bước đầu khảo sát khả mô mơ hình oxi hịa tan 3.1.1 Thiết lập mơ hình phương trình mơ tả 3.1.2 Kết mô 3.1.3 Nhận xét mơ hình 11 3.2 Mơ hình oxi hịa tan ảnh hưởng chủ đạo bùn đáy 12 3.2.1 Thiết lập mơ hình phương trình mơ tả 12 3.2.2 Đánh giá mơ hình, so sánh kết mơ 13 3.2.3 Nhận xét mơ hình 14 3.3 Mô hình khảo sát oxi hịa tan khu vực ranh giới pha bùn nước 15 3.3.1 Thiết lập mô hình phương trình mơ tả 16 3.3.2 Đánh giá mơ hình, so sánh kết mô 17 3.3.3 Nhận xét mơ hình 19 3.4 Mơ hình tổng hợp 19 3.4.1 Thiết lập mơ hình phương trình mơ tả 20 Footer Page of 126 i Header Page of 126 3.4.2 So sánh kết mô 20 3.4.3 Nhận xét mơ hình 22 3.5 Nhận xét chương 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 25 Kết luận 25 Các kiến nghị, đề xuất 26 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU ĐÃ CÔNG BỐ 28 Footer Page of 126 ii Header Page of 126 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết mục đích nghiên cứu luận án Một thông số định đến chất lượng nước lượng oxi hòa tan (Dissolved Oxygen – DO) Giá trị thông số chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố khơng khí, hệ thủy sinh vật nước bùn đáy Ở nước ta, phần lớn mơ hình nghiên cứu biến đổi nồng độ DO phụ thuộc vào phần mềm mô hình có sẵn nước ngồi Việc sử dụng phần mềm có sẵn khơng hạn chế lựa chọn mơ hình DO, mà cịn ràng buộc phương pháp giải số giải mơ hình Bên cạnh đó, việc nghiên cứu khảo sát chất lượng nước thiếu mơ hình tốn mơ biến đổi nồng độ DO mà xuất phát từ chất q trình vật lý, hóa học, sinh học thủy lực liên quan đến DO, dẫn đến thiếu tảng để tự xây dựng phần mềm chất lượng nước Việt Nam Hơn nữa, mơ hình mơ biến đổi nồng độ DO chưa tập trung khảo sát đánh giá chất trình hóa học sinh học liên quan đến biến đổi nồng độ DO Từ lý trên, kết hợp với kinh nghiệm tập thể hướng dẫn, luận án hướng đến vấn đề “Mơ hình hóa thay đổi nồng độ oxi môi trường nước tác động lớp bùn đáy” làm nội dung nghiên cứu Mục đích luận án nhằm xây dựng phát triển mơ hình tốn học mơ biến đổi nồng độ DO nước tác động chủ yếu bùn đáy số yếu tố khác như: khuếch tán, tiêu thụ oxi vi khuẩn tham gia phân hủy chất hữu chất hữu cơ, q trình trao đổi oxi khơng khí nước Đồng thời, khảo sát biến đổi nồng độ DO tác động lớp bùn đáy Nội dung nghiên cứu luận án o Xây dựng mô hình tốn học, phương trình mơ tả q trình hóa học, vật lý, sinh học liên quan đến sinh tiêu thụ oxi nước Cụ thể: q trình trao đổi oxi khơng khí nước, nhu cầu oxi sinh hóa (BOD), nhu cầu oxi bùn đáy (SOD), xáo trộn lắng đọng chất Footer Page of 126 Header Page of 126 hữu bùn nước, trình khuếch tán DO chất hữu tiêu thụ oxi o Thiết lập toán biên nhằm khảo sát biến đổi nồng độ DO số trường hợp cụ thể: khảo sát lý thuyết khả mơ mơ hình, xây dựng mơ hình DO ảnh hưởng chủ đạo bùn đáy, xây dựng mơ hình khảo sát DO khu vực ranh giới pha bùn nước, xây dựng mơ hình DO theo độ sâu o Giải toán biên đặt phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics o Xây dựng mơ hình vật lý để khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng chủ đạo bùn đáy lên trình tiêu thụ DO nước, đồng thời để so sánh kiểm nghiệm mơ hình tốn học thiết lập o Khảo sát thực nghiệm biến đổi nồng độ DO ảnh hưởng bùn đáy mơ hình vật lý phịng thí nghiệm Đo khảo sát trường biến đổi nồng độ DO theo độ sâu hồ tự nhiên vùng Hà Nội Hịa Bình o So sánh, kiểm tra phân tích tương quan kết mô với số liệu đo thu theo mơ hình vật lý hồ tự nhiên Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học: o Đã đưa dạng phương trình động học mơ tả tổng quát tiêu thụ oxi phản ứng sinh hóa với chất hữu mơi trường nước o Đã xây dựng mơ hình tốn học mơ biến đổi nồng độ DO môi trường nước, kết nối kiến thức tốn học, vật lý, hóa học vào việc mơ o Luận án kết hợp nghiên cứu bản, nghiên cứu lý thuyết với thực tế Ý nghĩa thực tiễn: o Đưa mơ hình tốn học mô biến đổi nồng độ DO, mô hình sử dụng cơng cụ để dự đoán, so sánh, đánh giá biến Footer Page of 126 Header Page of 126 đổi hàm lượng DO nguồn nước theo thời gian tác động yếu tố bùn đáy, chất hữu phân hủy tiêu thụ oxi o Tạo sở cho định hướng nghiên cứu chuyên sâu giải vấn đề thực tiễn chăn nuôi thủy sản o Góp phần vào việc nghiên cứu, bảo vệ chất lượng môi trường nước Điểm luận án o Đã giải vấn đề lý thuyết mơ hình hóa DO trước đây, đưa dạng phương trình mơ tả tổng qt tiêu thụ oxi vi khuẩn tham gia phân hủy chất hữu dễ phân hủy sinh học mơi trường nước (phương trình 2.2), xuất phát từ chất phản ứng sinh hóa Đồng thời, cải tiến đề xuất dạng phương trình tốn học mơ tả q trình tiêu thụ oxi lớp bùn đáy, trình xáo trộn lắng đọng chất hữu bùn nước (phương trình 2.10-2.12, 2.15) o Xây dựng mơ hình tốn học mơ thay đổi nồng độ DO môi trường nước (tổ hợp phương trình 2.1-2.16) o Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng bùn đáy lên DO môi trường nước Đồng thời mô ảnh hưởng mơ hình tốn học o Thiết lập toán biên cho trường hợp cụ thể, phù hợp với điều kiện giả lập mơ hình vật lý phịng thí nghiệm hồ mơi trường tự nhiên (các mơ hình 1-4) Bố cục luận án Luận án gồm 147 trang, gồm phần Mở đầu (4 trang), Chương tổng quan (38 trang), Chương thực nghiệm (24 trang), Chương kết thảo luận (64 trang), Kết luận (5 trang), Danh mục cơng trình khoa học liên quan đến luận án (1 trang), Tài liệu tham khảo (11 trang) - Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxi hòa tan nước Phần trình bày tổng quan đặc điểm phương trình tốn học mơ tả q trình liên quan đến tiêu thụ DO như: trao đổi oxi khơng khí nước, q trình quang hợp hô hấp thủy sinh vật, nhu cầu oxi sinh hóa (BOD), nhu cầu oxi bùn đáy (SOD), nhu cầu oxi hóa học (COD), q trình nitrat hóa, xáo trộn lắng đọng chất hữu trầm tích nước, yếu tố khác ảnh hưởng đến DO 1.2 Các tính chất bùn đáy Giới thiệu sơ lược vài đặc điểm tính chất bùn đáy như: thành phần hóa học bùn đáy, độ xốp bùn đáy, mật độ bùn đáy, tỉ khối bùn đáy Việc lựa chọn trình bày yếu tố chúng có ảnh hưởng định tới khả tích trữ chất hữu dễ bị phân hủy sinh học hàm lượng oxi hịa tan tích trữ bùn 1.3 Phương trình lan truyền khuếch tán tổng qt Để mơ biến thiên nồng độ DO cần phải giải tốn lan truyền chất mơi trường nước, vận chuyển chất hịa tan nước phụ thuộc chủ yếu vào trình đối lưu khuếch tán Các toán thường biểu diễn phương trình lan truyền khuếch tán, có dạng phương trình vi phân đạo hàm riêng (Partial Differential Equation – PDE) [58] Do vậy, phần giới thiệu sơ lược phương trình lan truyền khuếch tán dạng tổng quát, dạng điều kiện biên phần mềm Comsol Multiphysics (một phần mềm giải phân tích phần tử hữu hạn cho toán thuộc ngành vật lý kỹ thuật ứng dụng) 1.4 Tình hình nghiên cứu vấn đề cần giải Điểm qua đặc điểm lịch sử phát triển mơ hình hóa DO, năm 1925 ngày Tiếp đó, tóm tắt lại vấn đề cần quan tâm nghiên cứu việc xây dựng phát triển mơ hình DO Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình oxi hịa tan 2.1.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình Các yếu tố tác động vào nồng độ DO nước luôn thay đổi diễn biến phức tạp, khó phản ánh đồng thời yếu tố vào mơ hình Do đó, để đưa kết mô hợp lý khn khổ luận án Hóa lý thuyết Hóa lý nghiên cứu tốn khuếch tán, số giả thiết đưa sau: o Môi trường nước hệ đồng o BOD đại diện cho chất hữu dễ phân hủy sinh học tham gia tiêu thụ oxi, bao gồm CBOD, NBOD [11] o Khuếch tán chế lan truyền DO chất hữu tiêu thụ oxi hệ nghiên cứu 2.1.2 Phương trình tốn học mơ tả yếu tố mơ hình DO Trong phần này, phương trình tốn học mơ tả yếu tố thường có mơ hình mơ biến đổi nồng độ DO, bao gồm phương trình (2.1) mơ tả khuếch tán, phương trình (2.2) mô tả tiêu thụ DO chất hữu cơ, phương trình (2.3) mơ tả trao đổi oxi ranh giới pha nước – khơng khí, phương trình (2.10), (2.11) mô tả nhu cầu tiêu thụ oxi bùn đáy, cuối phương trình (2.15) mơ tả trao đổi chất hữu bùn đáy nước giới thiệu luận án 2.1.3 Thiết lập giải mơ hình Tồn phương trình tính tốn mơ thành phần mơ hình thiết lập giải phần mềm Comsol Multiphysics Các bước cài đặt thực giải hệ phần mềm Comsol trình bày phần phụ lục PL.4 Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 2.2 Thiết bị phần mềm sử dụng 2.2.1 Mơ hình vật lý thiết bị Một mơ hình vật lý thiết kế phịng thí nghiệm để nghiên cứu tác động trình khuếch tán phản ứng DO chất hữu Mơ hình bao gồm hệ thống sáu ống nhựa hình trụ suốt, có đường kính ống 10 cm, với chiều dài ống 0,5 m, 1,0 m 2,0 m (mỗi chiều dài tương ứng có hai ống) đại diện cho mức độ sâu khác nguồn nước, đầu ống hàn kín, minh họa hình 2.1 Thiết bị sử dụng để đo DO thiết bị đo DO đa kênh (MCDM, Phòng Tin học Nghiên cứu Hóa học, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam chế tạo) điều khiển 16 sensor oxi, kết nối với máy tính, minh họa hình 2.2 Cùng với thiết bị MCDM, trình khảo sát DO nghiên cứu sử dụng hai loại sensor để đo nồng độ DO, gồm sensor điện hóa tự chế tạo loại sensor nhập ngoại (hình 2.3) 2.2.2 Phần mềm máy tính Phần mềm đo đa kênh oxi hịa tan (MultiDO) chạy hệ điều hành Windows XP Windows 7, thiết kế để điều khiển hệ thiết bị MCDM giới thiệu (hình 2.5) 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp số giải toán khuếch tán Phương pháp số sử dụng để giải gần toán khuếch tán luận án phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) Phương pháp lựa chọn có khả giải với toán với miền xác định phức tạp sử dụng lưới phi cấu trúc gồm hình tam giác (trong khơng gian chiều) hình tứ diện (trong khơng gian chiều)… Footer Page 10 of 126 Header Page 18 of 126 b) Vị trí cách bề mặt bùn 33 cm a) Vị trí cách bề mặt bùn cm Hình 3.11 So sánh kết mơ đo đạc biến thiên nồng độ DO, kết phân tích tương quan q trình hiệu chỉnh b) Vị trí cách bề mặt bùn 33cm a) Vị trí cách bề mặt bùn cm c) Vị trí cách bề mặt bùn cm d) Vị trí cách bề mặt bùn 33 cm Hình 3.12 So sánh kết mô (đường nét liền) đo đạc (đường nét đứt) biến thiên nồng độ DO cột nước 1,0 m (hình a, b), cột nước 0,5 m (hình c, d), kết phân tích tương quan q trình kiểm chứng 3.2.3 Nhận xét mơ hình Nếu mơ hình 1, tham số thiết lập mang tính giả định nhằm kiểm tra tính hợp lý phương trình tốn học, mơ hình Footer Page 18 of 126 14 Header Page 19 of 126 tham số thiết lập hầu hết từ số liệu đo đạc mơi trường thực nghiệm thực mơ hình vật lý phịng thí nghiệm Điều giúp mơ hình tiệm cận gần với việc áp dụng mơ hình điều kiện môi trường nước tự nhiên, thể mơ hình sau Mơ hình hiệu chỉnh kiểm chứng với số liệu thu từ thí nghiệm tiến hành với nguồn nước nguồn nhiễm Mơ hình cho kết mơ phù hợp với kết đo đạc thực nghiệm, với hệ số xác định R2 xấp xỉ 0,95 Điều đó chứng tỏ mơ hình tốn học xây dựng với điều kiện biên tương ứng có khả mơ tốt biến đổi nồng độ DO nước ảnh hưởng lớp bùn đáy, điều kiện thực nghiệm mơ hình vật lý Đồng thời, thành cơng tiền đề cho việc ứng dụng thực tiễn mơ hình áp dụng để mô biến đổi DO môi trường tự nhiên Kết mô thành công rằng, yếu tố xây dựng mơ hình tốn học (bao gồm phương trình đề xuất luận án phương trình 2.2, 2.11 2.15) thể tốt vai trị phối hợp với cách hiệu mơ tả q trình gây ảnh hưởng đến biến đổi nồng độ DO, trình khuếch tán oxi chất hữu cơ, trình trao đổi oxi ranh giới nước – khơng khí, q trình tiêu thụ oxi lớp bùn đáy 3.3 Mơ hình khảo sát oxi hịa tan khu vực ranh giới pha bùn nước Với mục tiêu nghiên cứu sâu biến đổi nồng DO khu vực gần ranh giới pha bùn – nước, phần tiếp sau cải tiến lại mơ hình nghiên cứu tiêu thụ oxi bùn đáy (SOD) công bố tài liệu [7, 118, 120] Trong nghiên cứu đưa phương trình mơ tả biến đổi nồng độ DO môi trường nước khối bùn, chưa có phương trình cụ thể cho điều kiện biên DO ranh giới pha nước – khơng khí, ranh giới pha bùn – nước ranh giới pha phía lớp đáy bùn Những điều kiện biên đó bổ sung mơ hình khảo sát oxi hòa Footer Page 19 of 126 15 Header Page 20 of 126 tan khu vực ranh giới pha bùn nước (được kí hiệu mơ hình 3) trình bày trước 3.3.1 Thiết lập mơ hình phương trình mơ tả a) Minh họa yếu tố mơ hình b) Sự phân bố lý thuyết nồng độ DO gần ranh giới pha bùn – nước Hình 3.17 Các thành phần hệ khảo sát Xét mơi trường nước tĩnh, khơng có dịng chảy trao đổi đối lưu, DO chuyển động khuếch tán nước bùn Thành phần mơ hình bao gồm trao đổi oxi ranh giới pha nước – khơng khí, oxi trao đổi ranh giới pha bùn – nước tiêu thụ oxi bùn, đại diện SOD Các thành phần mơ hình biểu diễn tóm tắt hình 3.17a Các phương trình mô tả biến đổi nồng độ DO môi trường nước khối bùn có dạng:  CDO  2CDO 2CDO 2CDO   D       2  t  x  y z     2 *  CDO  D*    CDO   CDO   CDO     CDO    t y z  kDOhalf  CDO  x   h  z  (3.7)  (d  h)  z  h Ngồi ra, phương trình mơ q trình xảy ranh giới pha áp dụng dạng điều kiện biên, thiết lập sau: o o Tại ranh giới pha nước – khơng khí: CDO  k2*   CDOsat  CDO  n z 0 Tại ranh giới pha bùn – nước: Footer Page 20 of 126 16 (3.9) Header Page 21 of 126 CDO n o  k3*  s(T  20)  Ssed (3.10) z  h Tại bề mặt xung quanh môi trường nước: CDO 0 n mặt bên (3.11) 3.3.2 Đánh giá mơ hình, so sánh kết mơ Số liệu đo đạc biến thiên nồng độ DO cột nước 2,0 m khoảng thời gian đầu lựa chọn để hiệu chỉnh mơ hình Kết so sánh phân tích tương quan nồng độ DO mơ đo đạc trình bày hình 3.18 Hình 3.18 So sánh kết mơ (đường nét liền) đo đạc (đường nét đứt) biến thiên nồng độ DO, kết phân tích tương quan hiệu chỉnh, vị trí cách bề mặt bùn 1,0 cm Kết phân tích tương quan nồng độ DO mô đo đạc với hệ số xác định R2 xấp xỉ 0,94 cho thấy khả mô tương đối phù hợp mô hình đưa Đồng thời, kết chứng tỏ hệ số tham số, trình bày bảng 3.4, thu từ trình hiệu chỉnh mơ hình phù hợp với mơ hình mơ hệ thí nghiệm mơ hình vật lý Bộ hệ số tham số thu từ trình hiệu chỉnh sử dụng để tính tốn mơ cho cột nước cao 1,0 m 0,5 m trình kiểm chứng mơ hình Tương tự trình bày với mơ hình 2, q trình kiểm chứng tiến hành kiểm tra với thời gian mô đo đạc Footer Page 21 of 126 17 Header Page 22 of 126 lâu (72 giờ) so với trình hiệu chỉnh (4 giờ) nhằm đánh giá tính ổn định mơ hình khoảng thời gian dài, đồng thời bước đầu kiểm tra khả dự đoán biến đổi nồng độ DO mơ hình tốn học xây dựng Kết thu từ trình kiểm chứng trình bày hình 3.19 b) Trong cột nước 0,5 m a) Trong cột nước 1,0 m Hình 3.19 Giá trị nồng độ DO mơ (đường nét liền), DO đo đạc (đường nét đứt) kết phân tích tương quan q trình kiểm chứng, vị trí cách bề mặt bùn 1,0 cm Song song với việc hiệu chỉnh kiểm chứng mơ hình 3, phần tiến hành so sánh đồng thời kết mơ mơ hình mơ hình với số liệu nồng độ DO đo đạc, biểu diễn hình 3.22 a) Trong cột nước 1,0 m b) Trong cột nước 0,5 m Hình 3.22 So sánh kết mơ (của mơ hình 3, mơ hình 2) đo đạc biến thiên nồng độ DO, kết phân tích tương quan tương ứng Theo hình 3.22 thấy, hai mơ hình đưa xu hướng chung diễn biến biến đổi nồng độ DO theo thời gian, mơ Footer Page 22 of 126 18 Header Page 23 of 126 hình thể khả mơ tốt so với mơ hình 3, với giá trị R2 mơ hình ( R 2MH ) hai môi trường nước đạt giá trị cao Tuy vậy, tồn chênh lệch định giá trị nồng độ DO mô mơ hình mơ hình vài thời điểm (hình 3.22a) Điều hai mơ hình dùng giả thuyết khác để mơ tả q trình tiêu thụ oxi nước, việc sử dụng đại lượng khác phương trình tốn học để biểu diễn q trình Sự sai khác giảm trường hợp cột nước nước 0,5 m (hình 3.22b), với kết so sánh thể chênh lệch không nhiều khác giá trị nồng độ DO mô thời điểm 3.3.3 Nhận xét mơ hình Nếu mơ hình tài liệu [7, 118, 120] chưa đưa điều kiện biên cho DO ranh giới pha, điều kiện biên bổ sung mơ hình Kết mơ mơ hình đưa xu hướng chung phù hợp với biến đổi nồng độ DO theo thời gian khu vực gần ranh giới pha bùn – nước, kết tương đồng với số liệu đo đạc DO nêu tài liệu Đồng thời, xác kết mơ thể giá trị phân tích tương quan nồng độ DO mô đo đạc cho hệ số xác định R2 đạt xấp xỉ 0,95 Sự thành công kết mô minh chứng rằng, phương trình mơ tả tiêu thụ oxi lớp bùn đáy mà đề xuất luận án (phương trình 2.11) áp dụng vào mơ hình khác thể nghiệm thể tốt vai trị việc góp phần vào mơ tả tổng thể biến đổi nồng độ DO môi trường nước 3.4 Mơ hình tổng hợp Nhằm kế thừa mơ hình tốn học xây dựng kiểm chứng kết đo đạc phịng thí nghiệm, trình bày phần 3.2 Trong mơ hình tổng hợp (được kí hiệu mơ hình 4) này, phát triển toán biên để đánh giá khả ứng dụng mơ hình mơi trường nước tự nhiên Bài tốn biên xây dựng bao gồm yếu tố oxi Footer Page 23 of 126 19 Header Page 24 of 126 khuếch tán từ khơng khí, chất hữu phát tán từ bùn đáy vào nước, trình phát tiêu thụ DO chất hữu Các kết mô nồng độ DO theo độ sâu số hồ tự nhiên vùng Hà Nội Hòa Bình so sánh với số liệu đo đạc thực địa Đồng thời, mơ hình mơ biến đổi nồng độ DO theo độ sâu hai hồ giới đưa kết so sánh giá trị DO mô với liệu DO đo đạc hai hồ 3.4.1 Thiết lập mơ hình phương trình mơ tả Áp dụng phương trình (2.17) cho hệ nghiên cứu với giả thiết xét đến phần khuếch tán tương tác hóa học DO chất hữu Khi động học q trình khuếch tán oxi hòa tan tiêu thụ oxi sinh học hệ mơ tả hệ hai phương trình có dạng sau:  CDO   2CDO  *  D1    k1  CDO  CBOD    t  z (3.14)      CBOD  D    CBOD   k *  C  C   DO BOD  t  z   Ngồi ra, phương trình mơ trình xảy ranh giới pha áp dụng dạng điều kiện biên, thiết lập sau: o Tại ranh giới pha nước – khơng khí, sử dụng phương trình dạng (3.2) o Tại ranh giới pha bùn – nước: CDO k3* CDO (T  20)     s  n h kDOhalf  CDO  z  h (3.16)  *  CBOD   krese   CBODsed  CBOD   n z  h 3.4.2 So sánh kết mô Kết so sánh, đánh giá số liệu mô số liệu đo đạc thực địa nồng độ DO số hồ Hà Nội trình bày hình 3.24 Footer Page 24 of 126 20 Header Page 25 of 126 b) hồ Gươm a) hồ Bảy Mẫu c) hồ Tây d) hồ Hòa Bình Hình 3.24 So sánh kết mơ (đường nét liền) đo đạc (đường nét đứt) biến thiên nồng độ DO, kết phân tích tương quan Nhìn chung thấy, nồng độ DO đo đạc hồ thể giảm mạnh theo độ sâu diễn biến theo nhiều hướng khác nhau, kết mô trùng khớp Đồng thời, xu hướng đường DO mô sát với đường DO đo đạc, thể hệ số xác định (R2) trường hợp có giá trị khoảng 0,93 đến 0,99 (hình 3.24a-d) Điều chứng tỏ rằng, phương trình động học với tham số tương ứng mơ hình tương đối phù hợp để mô tả biến thiên DO theo độ sâu trường hợp hồ khảo sát Bên cạnh đó, nghiên cứu tiến hành mơ nồng độ DO theo độ sâu hồ Toronto Las Vegas (Mỹ), so sánh kết mô với liệu đo đạc nồng độ DO theo độ sâu hai hồ thu từ nghiên cứu [125, 126] kết trình bày hình 3.25 Footer Page 25 of 126 21 Header Page 26 of 126 a) hồ Toronto d) hồ Las Vegas Hình 3.25 So sánh kết mơ (đường nét liền) đo đạc (đường nét đứt) biến thiên nồng độ DO, kết phân tích tương quan Kết mô diễn biến nồng độ DO theo độ sâu hồ Toronto (hình 3.25a) diễn sát với diễn biến nồng độ DO đo đạc thực tế, xu hướng lẫn giá trị Kết phân tích tương quan với hệ số xác định R2 xấp xỉ 0,99 cho thấy kết mô kết đo đạc gần tương đồng Với trường hợp hồ Las Vegas, hồ sâu độ sâu vị trí khảo sát 24 m Tương ứng với độ sâu nồng độ DO hồ dao động tương đối phức tạp từ ranh giới pha nước – khơng khí xuống đáy, giảm từ 9,0 mg/L xấp xỉ mg/L (hình 3.25b) Tuy vậy, kết mơ mô tả phù hợp phần diễn biến này, thể lớp nước có độ sâu từ 16-24 m nồng độ DO mô đo đạc có giá trị xấp xỉ mg/L 3.4.3 Nhận xét mơ hình Kế thừa phát triển mơ hình kiểm chứng phịng thí nghiệm, mơ hình DO nghiên cứu thiết kế mở rộng để mô thay đổi nồng độ DO theo độ sâu cho số hồ môi trường tự nhiên Trong đó, mơ hình tính đến ảnh hưởng yếu tố quan trọng khuếch tán oxi chất hữu cơ, phản ứng tiêu thụ oxi chất hữu đại diện BOD, nhu cầu oxi lớp bùn đáy (SOD), trao Footer Page 26 of 126 22 Header Page 27 of 126 đổi oxi ranh giới pha nước – khơng khí, tốc độ phát tán chất hữu từ bùn vào nước… Kết mô nồng độ DO theo độ sâu hồ tự nhiên (các hồ khu vực Hà Nội, Hịa Bình, hai hồ giới) so sánh phân tích tương quan với số liệu đo thực địa (do nghiên cứu tự tiến hành đo đạc, thu thập số liệu đo đạc từ tài liệu tham khảo công bố) Kết phân tích tương quan thu hệ số xác định R2 dao động khoảng 0,93 đến 0,99 (hình 3.24-3.25), chứng tỏ mơ hình tốn học thiết kế mơ tương đối phù hợp xu hướng thay đổi nồng độ DO theo độ sâu hồ tự nhiên Sự thành công kết mơ chứng minh rằng, phương trình tốn học mô tả yếu tố thành phần mà đề xuất luận án, phương trình mơ tả tiêu thụ oxi chất hữu (2.2), phương trình mơ tả tiêu thụ oxi lớp bùn đáy (2.12), phương trình mơ tả xáo trộn lắng đọng chất hữu bùn đáy nước (2.15), hồn thành tốt vai trị phương trình Đồng thời, yếu tố kể với yếu tố khác mơ hình tốn học phối hợp cách hiệu quả, để góp phần làm mơ hình tổng thể đạt kết mô mục tiêu đề 3.5 Nhận xét chương Nội dung chương trình bày chi tiết kết thu áp dụng mơ hình DO tổng qt giới thiệu phần 2.1 vào bốn trường hợp cụ thể, ứng với bốn mơ hình 1-4 Các mơ hình mơ biến đổi nồng độ DO môi trường nước tác động lớp bùn đáy, phát triển theo trình tự từ đơn giản đến phức tạp, đồng thời kế thừa phát huy ưu điểm nhau, minh họa hình 3.27 Theo hình 3.27 thấy, nghiên cứu mơ hình mang tính định hướng túy lý thuyết, nhằm kiểm tra khả mô phương trình tốn học (2.2) biểu diễn phản ứng tiêu thụ oxi chất hữu mà đề xuất luận án Đồng thời, để khảo sát khả giải số phần mềm Comsol Multiphysics Tiếp nối với thành công mô Footer Page 27 of 126 23 Header Page 28 of 126 hình 1, mơ hình ngồi việc tiếp tục áp dụng phương trình (2.2), cịn bổ sung thêm phương trình đề xuất luận án phương trình mô tả tiêu thụ oxi lớp bùn đáy (2.11), phương trình mơ tả xáo trộn & lắng đọng chất hữu (2.15) Hơn nữa, kết mơ thu mơ hình bước đầu kiểm chứng số liệu đo đạc nồng độ DO hệ thí nghiệm mơ hình vật lý Từ kết đó, thơng tin quan trọng ứng dụng vào để phát triển mơ hình 4, mơ hình mơ biến đổi nồng độ DO theo độ sâu số hồ môi trường nước tự nhiên Những kết bước đầu mơ hình áp dụng môi trường tự nhiên phần chứng minh khả ứng dụng cao mơ hình điều kiện thực tế Cuối cùng, nhằm sâu vào khảo sát biến đổi nồng độ DO ranh giới pha bùn – nước khu vực lân cận ranh giới này, mơ hình cải tiến từ nghiên cứu [7, 118, 120] đồng thời ứng dụng điều kiện biên tổng quát xây dựng phần 2.1 để đưa kết mô Kết kiểm chứng số liệu đo đạc thực mơ hình vật lý tương tự mơ hình Hình 3.27 Mối liên hệ bốn mơ hình - Footer Page 28 of 126 24 Header Page 29 of 126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua trình nghiên cứu tìm hiểu yếu tố, trình sinh – hóa – lý tác động đến biến đổi nồng độ DO môi trường nước, ảnh hưởng bùn đáy lên DO, phương trình tốn học mơ q trình xác lập Kết mơ mơ hình tốn học kiểm chứng qua việc so sánh với liệu đo thực tế Nghiên cứu luận án thu số kết sau: 1) Đã thiết lập thành cơng mơ hình tốn học tổng quát mô thay đổi nồng độ DO môi trường nước ảnh hưởng chủ yếu lớp bùn đáy Sự thành cơng mơ hình tổng qt thể ở: a Bên cạnh yếu tố khuếch tán, mơ hình bao qt tương đối đầy đủ nguồn sinh nguồn tiêu thụ oxi chủ yếu môi trường nước như: trao đổi oxi ranh giới khơng khí – nước, tiêu thụ oxi phản ứng với chất hữu cơ, tiêu thụ oxi lớp bùn đáy b Các thành phần mơ hình tốn học thiết kế tương tự mơ hình chất lượng nước giới Bao gồm hệ phương trình PDE mơ tả phản ứng xảy miền khảo sát (phương trình 2.1-2.2), hệ phương trình PDE mơ tả phản ứng xảy ranh giới miền khảo sát với môi trường bên ngồi (được mơ tả dạng điều kiện biên Neumann Dirichlet, phương trình 2.3-2.16) c Chủ động cơng cụ tốn học, q trình thiết lập mơ hình toán cách giải toán biên Giúp giảm bớt phụ thuộc vào phần mềm mô chất lượng nước có sẵn nước ngồi 2) Đã đề xuất: a Phương trình tốn học chủ đạo mơ hình (phương trình 2.2) mơ tả tiêu thụ oxi chất hữu xuất phát từ chất phản ứng sinh hóa tiêu thụ oxi chất hữu b Phương trình mơ tả tiêu thụ oxi lớp bùn đáy (phương trình 2.102.12) Footer Page 29 of 126 25 Header Page 30 of 126 c Phương trình mơ tả xáo trộn & lắng đọng chất hữu (phương trình 2.15) Các phương trình thể tốt vai trị phương trình mơ hình tổng thể, đồng thời phương trình phối hợp cách hiệu để đạt kết mô tốt 3) Các mơ hình 1-4 với điều kiện biên tương ứng trường hợp cụ thể giải thành công Sự thành công việc giải tốn biên mơ hình thể ở: a Kết giải phù hợp với tiêu chí đặt thiết lập toán b Các kết mơ có độ tương quan tốt với kết đo đạc thực nghiệm kiểm chứng, phân tích phần kết mơ hình 4) Các mơ hình đánh giá theo bước hiệu chỉnh, kiểm chứng, phân tích độ nhạy tham số tương tự hầu hết mơ hình giới Q trình hiệu chỉnh kiểm chứng tiến hành với số liệu đo đạc thực nghiệm mơ hình vật lý, số liệu đo đạc môi trường tự nhiên từ liệu đo đạc công bố Kết phân tích tương quan q trình cho hệ số xác định R2 đạt kết mức độ chấp nhận được, với giá trị R2 lớn 0,9 5) Đã tiến hành hoạt động thực nghiệm nhằm đánh giá, kiểm tra giả thiết toán học đặt ra, kiểm tra kết mơ như: a Xây dựng mơ hình vật lý để khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng chủ đạo bùn đáy lên trình tiêu thụ DO nước, đồng thời để so sánh kiểm nghiệm mô hình tốn học thiết lập b Đo đạc thực nghiệm biến đổi nồng độ DO ảnh hưởng bùn đáy mơ hình vật lý phịng thí nghiệm Đo đạc trường biến đổi nồng độ DO theo độ sâu hồ tự nhiên vùng Hà Nội Hịa Bình Các kiến nghị, đề xuất Trong điều kiện cho phép, mơ hình tốn học cần bổ sung thêm yếu tố như: Footer Page 30 of 126 26 Header Page 31 of 126 1) Cần bổ sung thêm yếu tố phổ biến môi trường nước vào thành phần mô hình, yếu tố thủy văn (mực nước, lưu lượng nước, độ đục, hàm lượng chất lơ lửng, nhiệt độ nước ), yếu tố thủy lực (vận tốc dòng chảy, gia tốc dòng chảy ), đối lưu (gây dòng chảy, nhiệt độ ), thực vật thủy sinh (sự quang hợp, hô hấp, hàm lượng tảo, thành phần tảo ), yếu tố sinh học (thành phần hàm lượng vi sinh vật tham gia xúc tác cho phản ứng tiêu thụ DO chất hữu ) 2) Cần nghiên cứu sâu vào vai trò lớp bùn đáy tới tốc độ tiêu thụ oxi, tốc độ phát tán chất hữu bùn vào nước, độ sâu, độ dầy lớp bùn, thành phần lớp bùn (thành phần giới, thành phần hóa học, thành phần vi sinh vật ), cấu trúc lớp bùn, độ xốp yếu tố ảnh hưởng tới nồng độ DO 3) Cần nghiên cứu thực nghiệm thêm trường hợp khác tương tác bùn với nước, cách chủ động tạo lớp bùn có BOD theo mức độ khác nhau, chủ động tạo môi trường nước nhân tạo khác nhau, nước ô nhiễm từ nhẹ tới nặng, nước sông hồ tự nhiên, nước bể xử lý nước - Footer Page 31 of 126 27 Header Page 32 of 126 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU ĐÃ CÔNG BỐ Mơ hình hóa q trình suy giảm oxi môi trường nước dư lượng thức ăn nuôi cá gây Lê Minh Thành, Phạm Hồng Phong, Vũ Thị Thu Hà & Lê Quốc Hùng Tạp chí Hóa học, 2012, 50 (4B), 205-209 Ảnh hưởng cấu hình điện cực đến tính cảm biến oxi tự chế tạo Lê Quốc Hùng, Phạm Thị Hải Yến, Vũ Phúc Hoàng, Phạm Thu Giang, Vũ Thị Thu Hà, Phạm Hồng Phong, Nguyễn Hoàng Anh, Lê Quốc Long & Lê Minh Thành Tạp chí Hóa học, 2012, 50 (6), 742-746 Bước đầu ứng dụng hệ đo đa kênh công nghệ xử lý nước thải nuôi cá lồng Lê Quốc Hùng, Phạm Thị Hải Yến, Vũ Phúc Hoàng, Phạm Thu Giang, Vũ Thị Thu Hà, Phạm Hồng Phong, Nguyễn Hoàng Anh, Lê Quốc Long & Lê Minh Thành Tạp chí Hóa học, 2012, 50 (6), 751-755 Modeling dissolved oxygen in water affected by the sediment layer in the bottom Le Minh Thanh, Pham Hong Phong, Vu Thi Thu Ha & Le Quoc Hung Vietnam Journal of Chemistry, 2013, 51 (5), 556-561 Mơ hình hóa biến đổi nồng độ oxi môi trường nước ảnh hưởng lớp bùn đáy Lê Minh Thành, Phạm Hồng Phong & Lê Quốc Hùng Tạp chí Hóa học, 2014, 52 (1), 24-29 Mô suy giảm nồng độ oxi hòa tan theo độ sâu hồ Lê Minh Thành, Phạm Hồng Phong & Lê Quốc Hùng Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên trường Đại học Thủy lợi, 2014, 11/2014, 298-300 Mô phân bố oxi hịa tan mơi trường nước theo độ sâu Lê Minh Thành, Phạm Hồng Phong, Vũ Thị Thu Hà & Lê Quốc Hùng Tạp chí Hóa học, 2014, 52 (6A), 33-37 Xây dựng sở hóa lý tốn học để mơ biến đổi oxi hịa tan mơi trường nước Lê Minh Thành Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên trường Đại học Thủy lợi, 2015, 11/2015, 298-300 - Footer Page 32 of 126 28 ... dẫn, luận án hướng đến vấn đề “Mơ hình hóa thay đổi nồng độ oxi môi trường nước tác động lớp bùn đáy? ?? làm nội dung nghiên cứu Mục đích luận án nhằm xây dựng phát triển mơ hình tốn học mơ biến đổi. .. Mơ hình hóa biến đổi nồng độ oxi môi trường nước ảnh hưởng lớp bùn đáy Lê Minh Thành, Phạm Hồng Phong & Lê Quốc Hùng Tạp chí Hóa học, 2014, 52 (1), 24-29 Mô suy giảm nồng độ oxi hòa tan theo độ. .. lập thành cơng mơ hình tốn học tổng qt mô thay đổi nồng độ DO môi trường nước ảnh hưởng chủ yếu lớp bùn đáy Sự thành cơng mơ hình tổng qt thể ở: a Bên cạnh yếu tố khuếch tán, mô hình bao quát tương