Nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất áp dụng cho đảo côn sơn, huyện côn đảo, tỉnh bà rịa vũng tàu

MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Tại vùng biển đảo Đảo Cơn Sơn, nguồn nước đóng vai trò vơ quan trọng phát triển tồn diện đảo Do nguồn nước mặt hạn chế nên việc khai thác cung cấp nguồn nước phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt cư dân Đảo Côn Sơn phụ thuộc nhiều vào nguồn nước đất (NDĐ) Nghĩa trang Cơn Đảo có lịch sử hình thành lâu đời nghĩa trang lớn Đảo Côn Sơn Do nghĩa trang nằm khu vực bao gồm loại đất cát bở rời, tầng chứa nước mà khơng có lớp sét ngăn cách nên nước rỉ xác từ nghĩa trang lan truyền ô nhiễm đến tầng chứa nước nằm bên xảy Vì vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước đất – Áp dụng cho Đảo Cơn Sơn, tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu” hình thành nhằm đánh giá mức độ tác động nghĩa trang đến chất lượng nguồn NDĐ Kết nghiên cứu đề tài đóng góp sở khoa học cho việc quản lý mơi trường nghĩa trang góp phần bảo vệ môi trường NDĐ xung quanh khu vực nghĩa trang Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 2.1 Mục đích nghiên cứu - Xác định thơng số lan truyền chất ô nhiễm vào dung dịch đất nghĩa trang; - Đánh giá dự báo mức độ lan truyền chất ô nhiễm phát thải từ nghĩa trang đến tầng chứa NDĐ 2.2 Ý nghĩa khoa học - Bước đầu tiếp cận phương pháp xác định thông số lan truyền chất tầng chứa nước lỗ hổng thực nghiệm phòng thí nghiệm để làm liệu đầu vào cho mơ hình lan truyền chất điều kiện khơng có thí nghiệm trường - Vận dụng mơ hình Hydrus 1D để tối ưu hóa việc tìm nghiệm tốn phi tuyến tính phụ thuộc nhiều yếu tố (tham số) - Sử dụng phần mềm GMS để mô hệ thống NDĐ cho khu vực vận dụng mơ để tìm lời giải tốn lan truyền chất nhằm dự báo ô nhiễm nguồn NDĐ cho khu vực khác 2.3 Ý nghĩa thực tiễn - Phương pháp thực nghiệm trình bày Luận án ứng dụng, thực khu vực khác có điều kiện địa chất thủy văn tương tự chưa có thí nghiệm trường - Kết dự báo mức độ lan truyền chất amoni N-NH4+ thông tin hữu ích cho nhà quản lý quy hoạch định hướng khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên NDĐ địa bàn đảo Côn Sơn như: khoanh định vùng cấm hạn chế khai thác NDĐ, vùng bảo vệ vệ sinh, … theo Thông tư quy định Bộ Tài nguyên Môi trường ban hành Phương pháp nghiên cứu Hai phương pháp nghiên cứu trọng dùng luận án phương pháp mô hình số thực thí nghiệm mơ q trình lan truyền chất phòng thí nghiệm kết hợp phương pháp mơ tốn học phần mềm GMS 10 Mơ hình thu nhỏ phòng thí nghiệm nghiên cứu sử dụng để xác định hệ số lan truyền chất dung dịch đất Côn Sơn với tỷ lệ 1/30 so với cơng trình thực tế Đóng góp luận án (1) Xác định giá trị thơng số lan truyền chất hòa tan dung dịch đất phương pháp thực nghiệm quy mơ phòng thí nghiệm kết hợp với ước tính tối ưu thơng số mơ hình Hydrus 1D (2) Đề xuất quy trình tổng quát xác định lan truyền ô nhiễm tầng chứa nước đất khu vực khác Cấu trúc luận án Luận án gồm có phần: Mở đầu, 03 chương, kết luận kiến nghị nghiên cứu Tổng cộng có 139 trang, có 56 hình, 28 bảng biểu cơng thức tính tốn, phương trình phản ứng hóa học Phần phụ lục có 19 trang CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Tổng quan nghiên cứu mơ hình dòng chảy NDĐ Để mơ hệ thống NDĐ phương pháp mơ hình tốn thường sử dụng Bên cạnh chức mô dòng chảy cho chuỗi thời gian mơ hình mơ NDĐ có khả dự báo thay đổi hay tác động đến tầng chứa NDĐ tương lai Các mơ hình tốn sử dụng để mơ dòng chảy NDĐ nghiên cứu nước bao gồm MODFLOW, SEAWAT, FEFLOW, TGFM, GSFLOW PHREEQC-2 1.2 Tổng quan nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước đất Tại Việt Nam, thông tin nghiên cứu nước có liên quan đến vấn đề ô nhiễm nguồn NDĐ nghĩa trang chưa tìm thấy Một số nghiên cứu liên quan tác giả Nguyễn Thị Huyền Trang (2009), Nguyễn Thị Vân Hà (2010), Huỳnh Ngọc Phương Mai cộng (2012) nghiên cứu ứng dụng mô hình tốn (trong có sử dụng phần mềm GMS) để mơ q trình di chuyển chất ô nhiễm NDĐ khu vực hay bãi chôn lấp cụ thể Tuy nhiên, việc kế thừa hệ số lan truyền chất có từ nghiên cứu ngồi nước làm liệu ban đầu cho mơ hình tốn dẫn đến kết tốn mơ lan truyền tác giả nêu có mức độ tin cậy khơng cao Trên giới có nghiên cứu cụ thể tình trạng nhiễm nghĩa trang đến chất lượng NDĐ Các nghiên cứu giới khả lan truyền ô nhiễm tầng chứa NDĐ xuất phát điểm từ nghĩa trang tiêu biểu tác giả Van Haaren F.W.J (1951), Dent B B Knight M J (1996,1998), Young C.P cộng (1999), Environment Agency for England and Wales (2004), Hart A Casper S (2004), Sanaz Khorami Pour Seyed Mostafa Khezri (2010) phần lớn dừng lại việc khảo sát, phân tích chất lượng NDĐ thực địa xác định nguồn gốc, nguyên nhân gây ô nhiễm xung quanh khu vực nghĩa trang chưa ứng dụng cụ thể biện pháp xử lý chất ô nhiễm phát sinh từ nghĩa trang 1.3 Tổng quan nghiên cứu xác định hệ số lan truyền chất hòa tan dung dịch đất Trên giới, việc xác định hệ số lan truyền chất hòa tan khác loại đất tương ứng khác ghi nhận từ thập kỷ 70-80 kỷ 20 Phương pháp xác định hệ số phần lớn kết hợp việc thực thí nghiệm lan truyền chất hòa tan ống cột đất phòng thí nghiệm lỗ khoan trường sử dụng phương pháp đo lường hàng loạt hay phương pháp tính tốn phần tử hữu hạn - sai phân hữu hạn phần mềm hỗ trợ tính tốn Tuy nhiên, với đặc thù địa chất vùng nghiên cứu không giống khác biệt phương pháp đo lường hay phần mềm hỗ trợ tính tốn cho thấy khoảng giá trị hệ số lan truyền tương ứng khác dạng chất hòa tan Tại Việt Nam, chưa ghi nhận nghiên cứu khu vực thực địa cụ thể nhằm xác định hệ số lan truyền chất dung dịch đất với phương pháp thực nghiệm cột đất kết hợp với hỗ trợ phần mềm tính tốn hỗ trợ 1.4 Đánh giá tổng quan nghiên cứu ngồi nước Nhìn nhận tổng quan nghiên cứu nước cho thấy: - Việc ứng dụng mơ hình tốn mơ dòng chảy NDĐ phổ biến có nhiều mơ hình khác chọn lựa sử dụng để mơ dòng chảy NDĐ cho vùng, khu vực cụ thể Với tích hợp nhiều gói chức hỗ trợ tiên tiến phù hợp với mục tiêu nghiên cứu khả lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước phần mềm GMS 10 đề xuất sử dụng Luận án - Số lượng hạn chế nghiên cứu ô nhiễm nghĩa trang tồn đọng vấn đề giải xử lý ô nhiễm nghĩa trang cho thấy vấn đề ô nhiễm nghĩa trang chưa nhận quan tâm thích đáng từ cộng động xã hội - Liên quan đến tốn nhiễm nghĩa trang, phần lớn nghiên cứu nước dừng lại việc khảo sát, phân tích chất lượng NDĐ thực địa xác định nguồn gốc, nguyên nhân gây ô nhiễm xung quanh khu vực nghĩa trang Tại Việt Nam, chưa ghi nhận cơng trình nghiên cứu liên quan đến nghĩa trang - Đối với vấn đề xác định hệ số lan truyền chất hòa tan dung dịch đất, phần lớn nghiên cứu nước sử dụng phương pháp thực nghiệm lan truyền chất hòa tan ống cột đất lỗ khoan quan sát thực địa kết hợp với phương pháp xác định mức độ hấp phụ định lượng nồng độ chất bị hấp phụ khác - ước tính theo phương pháp giải tích ước tính phần mềm hỗ trợ Sự kết hợp phương pháp nêu xác định giá trị hệ số lan truyền chất hòa tan khác nhau, tương ứng với đặc tính đất khác Điểm khác biệt tạo nên tính đề tài “Nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước đất - áp dụng cho Đảo Côn Sơn, Côn Đảo, Bà Rịa Vũng Tàu” so với nghiên cứu ngồi nước xác định mức độ ô nhiễm, phạm vi hướng lan truyền chất ô nhiễm phát thải từ nghĩa trang đến NDĐ dựa sở xác định cụ thể hệ số lan truyền chất ô nhiễm dung dịch đất pha cát Côn Đảo phương pháp thực nghiệm kết hợp mơ hình tốn Kết luận Chương Đánh giá tổng quan nghiên cứu ngồi nước nhiễm nghĩa trang cho thấy tốn nhiễm nghĩa trang chưa thu hút quan tâm từ phía nhà khoa học đến cộng đồng Tuy có số cơng trình ngồi nước nghiên cứu lan truyền nhiễm từ nghĩa trang nghiên cứu phần lớn đưa hệ số lan truyền giả định tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu khác mà chưa xác định cụ thể hệ số lan truyền phù hợp với vùng nghiên cứu Chính điều đưa đến kết đánh giá mức độ ô nhiễm nghĩa trang thiếu tính xác thiếu độ tin cậy Nhìn nhận từ hạn chế nghiên cứu ô nhiễm nghĩa trang thực hiện, đề tài nghiên cứu lan truyền ô nhiễm nghĩa trang đến tầng chứa NDĐ áp dụng cho Đảo Cơn Sơn, Huyện Cơn Đảo hình thành CHƯƠNG CƠ SỞ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM Mối liên hệ sở nghiên cứu hệ mơ hình mơ đề xuất sử dụng phạm vi đề tài thể Hình 2.1 Hình 2.2 Cơ sở lý thuyết Cơ sở thực nghiệm Dòng chảy NDĐ Mơ hình MODFLOW Lan truyền chất nhiễm NDĐ Mơ hình RT3D Phần mềm Hydrus 1D Xác định thực nghiệm hệ số lan truyền chất ô nhiễm dung dịch đất Thực nghiệm lan truyền ô nhiễm cột đất thực địa Hình 2.1 Sơ đồ sở nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến NDĐ Thông số đầu vào MODFLOW Mơ dòng chảy NDĐ Kết Vận tốc dòng chảy Thơng số đầu vào RT3D Mô lan truyền chất Kết HYDRUS 1D Ước tính thơng số lan truyền chất nhiễm - Phân vùng cột áp tầng chứa NDĐ - Xác định hướng dòng chảy NDĐ - Phân vùng nồng độ ô nhiễm từ nguồn thải xuống tầng chứa NDĐ - Xác định thời gian lan truyền ô nhiễm phạm vi vùng ô nhiễm Kết thực nghiệm mô lan truyền chất cột đất Hình 2.2 Sơ đồ thể mối quan hệ mơ hình số Luận án 2.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình dòng chảy NDĐ Mơ hình dòng chảy NDĐ MODFLOW thuộc phần mềm GMS 10., sử dụng để mô thay đổi mực NDĐ lưu lượng dòng chảy cân với điều kiện địa chất thủy văn xác định mơ hình mô thay đổi tương lai dựa vào thay đổi áp lực tầng chứa nước Có 03 loại điều kiện biên sử dụng mơ hình bao gồm: - Điều kiện biên loại I: điều kiện biên mực nước xác định trước - Điều kiện biên loại II: điều kiện biên dòng chảy xác định trước - Điều kiện biên loại III: điều kiện biên lưu lượng biên phụ thuộc vào mực nước 2.2 Cơ sở lý thuyết mơ hình lan truyền chất nhiễm Mơ hình RT3D thuộc phầm mềm GMS 10., mơ hình mơ q trình lan truyền chất nhiễm sở mơ q trình đối lưu, phân tán phản ứng hóa học xảy dung dịch đất NDĐ điều kiện thủy lực tổng quát Điểm ưu việt mô hình RT3D so với nhiều dạng mơ hình mơ lan truyền ô nhiễm khác MT3DMS, SEAM3D chức cung cấp gói phản ứng hóa học thích hợp với dạng đa chất đa dạng biện pháp xử lý chất ô nhiễm Kết mô RT3D xác định vùng thu giữ chất ô nhiễm nồng độ chất nhiễm bẩn lại theo bước tính tốn trạng thái cân với hệ thống dòng chảy NDĐ điều kiện thủy hóa xác định mơ hình Các điều kiện mơ hình - Điều kiện ban đầu viết dạng: C aqua ( x, y, z, t )  C0aqua ( x, y, z ) C soil ( x, y, z, t )  C0soil ( x, y, z ) t = Trong đó: C0aqua (x,y,z) C0soil (x,y,z) : nồng độ chất ô nhiễm hòa tan thời điểm ban đầu tầng chứa nước đất tương ứng (mg/m3) - Điều kiện biên loại I: Là điều kiện nồng độ xác định dọc theo biên suốt thời gian thiết lập mơ hình - Điều kiện biên loại II: Là điều kiện biên mà gradient nồng độ chất ô nhiễm dC/dx xác định dọc theo biên suốt thời gian tính tốn mơ hình - Điều kiện biên loại III: Là điều kiện biên mà giá trị nồng độ chất ô nhiễm dọc theo biên gradient nồng độ xác định dọc theo biên 2.3 Cơ sở lý thuyết mơ hình Hydrus 1D Hydrus 1D mơ hình mơ phỏng: (1) dòng chảy NDĐ bão hòa chiều, (2) lan truyền nhiệt (3) lan truyền chất hòa tan mơi trường vật liệu có độ rỗng điều kiện ổn định thời Một ưu điểm bật Hydrus 1D ước tính ngược thhơng số lan truyền chất theo thuật tốn Marquardt-Levenberg Quy trình ước tính hệ số lan truyền chất Luận án thực theo sơ đồ Hình 2.3 Thí nghiệm lan truyền chất hòa tan Kết thí nghiệm Thơng số giả định ban đầu Hydrus 1D (4) Đặc tính đất: α, n, l, Ksat theo phương trình Van Genuchten (5) Thơng số dòng chảy NDĐ: 𝜆 (6) Thông số phản ứng: r0, 𝜆, F, Kd, β, η, ω, α (1) Chuỗi giá trị nồng độ chất hòa tan theo thời gian C(t) (2) Giá trị đặc tính lý hóa đất thực địa (gồm θs, θr, n, ρb, TOC) (3) Giá trị đặc tính hình học cột đất thực địa (gồm vào chiều cao-đường kính cột đất L-D) Hình 2.3 Quy trình ước tính hệ số lan truyền chất Kết thúc Nhập vào Hydus 1D - Quy trình ước tính ngược Kết ước tính ngược Tối ưu thơng số (7) Đặc tính đất: θs, θr , α, n, l, Ksat (8) Thơng số dòng chảy NDĐ: 𝜆, D Nhập (9) Thông số phản ứng: Kd,, F, α Nhập vào Hydus 1D - Quy trình ước tính thuận (Nhằm kiểm định kết tối ưu thông số) Kết ước tính thuận Chuỗi giá trị nồng độ chất hòa tan lan truyền cột đất theo thời gian So sánh kết ước tính thuận với kết thí nghiệm dựa giá trị RSQUARE (R2) 2.4 Cơ sở thực nghiệm lan truyền chất hòa tan cột đất thực địa 2.4.1 Mục tiêu thực nghiệm - Xác định hệ số phân tán D dung dịch đất thông qua việc mô lan truyền dung dịch natri clorua NaCl cột đất Côn Sơn - Xác định hệ số phân vùng hấp phụ amoni Kd, hệ số chuyển đổi chất α thông số phân vùng hấp phụ F theo lan truyền ion N-NH4+ - thành phần dung dịch amoni clorua NH4Cl (N-NH4+ xác định chất gây ô nhiễm tầng chứa NDĐ Cơn Sơn) 2.4.2 Quy trình thực nghiệm lan truyền amoni Các thí nghiệm thực 04 ống cột nhựa có D=9cm chiều cao H=70cm theo tỷ lệ thu nhỏ 1/30 so với chiều cao phẫu diện đất thực tế Trạm quan trắc CS9 (xem Hình 2.4) - trạm quan trắc NDĐ quốc gia nằm phía cổng nghĩa trang Cơn Đảo Hình 2.3 Sơ đồ thí nghiệm lan truyền 04 ống cột Các thí nghiệm thực phòng thí nghiệm theo trình tự bước sau: - Bước 1: nước thủy cục bơm đẩy với tốc độ thấp vào ống cột 24 để tạo mơi trường vật liệu hồn tồn bão hòa - Bước - Bước thu nhận chuỗi giá trị nồng độ Cl- theo thời gian: dung dịch natri clorua NaCl với nồng độ 5,8 g/l bơm vào ống cột - Bước 3: nước thủy cục bơm lại vào ống cột nhằm loại bỏ hoàn tồn NaCl tồn đọng dung dịch đất - Bước - Bước thu nhận chuỗi giá trị nồng độ N-NH4+ theo thời gian (trường hợp 1): bơm dung dịch amoni clorua NH4Cl với nồng độ từ 4,84÷102,88 mg/l với lưu lượng không đổi 20 ml/phút vào ống cột thí nghiệm khác - Bước - Bước thu nhận chuỗi giá trị nồng độ N-NH4+ theo thời gian (trường hợp 2): định lượng ảnh hưởng lưu lượng dòng chảy nồng độ NNH4+ khơng đổi 100±2 mg/l lưu lượng dòng chảy sử dụng 10, 20 30 ml/phút Trong suốt q trình thí nghiệm, pH nhiệt độ dung dịch trì ổn định với giá trị pH = 7,8÷8,2 t = 30ºC ± 2ºC Kết luận Chương Trong phạm vi Luận án, phần mềm GMS 10 bao gồm module MODFLOW RT3D đề xuất sử dụng công cụ nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa NDĐ Các sở lý thuyết dòng chảy NDĐ, lan truyền chất nhiễm hòa tan NDĐ mơ hình mơ lan truyền nhiễm đóng vai trò sở khoa học việc thiết lập mơ hình mơ lan truyền chất nhiễm phát thải từ nghĩa trang hiệu chỉnh - kiểm định mơ hình mơ Cơ sở thực nghiệm thí nghiệm yêu cầu quan trọng để tiến hành thí nghiệm Từ kết thí nghiệm lan truyền 1D cột đất, phần mềm Hydrus 1D đề xuất sử dụng để ước tính thành hệ số lan truyền chất nhiễm hòa tan cần thiết Giá trị hệ số liệu mới, quan trọng giúp gia tăng độ tin cậy tốn mơ hóa lan truyền nhiễm xử lý nhiễm nghĩa trang áp dụng cho nghĩa trang Côn Đảo so với nghiên cứu nước trước ô nhiễm nghĩa trang 10 CHƯƠNG ÁP DỤNG NGHIÊN CỨU CHO NGHĨA TRANG CÔN ĐẢO, ĐẢO CÔN SƠN, HUYỆN CÔN ĐẢO, TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU 3.1 Tổng quan vùng áp dụng nghiên cứu 3.1.1 Đặc điểm tự nhiên Đảo Côn Sơn đảo lớn thuộc huyện Côn Đảo có diện tích 51,52km2, chiều dài khoảng 15km, chiều ngang chỗ rộng 9km, chỗ hẹp khoảng 1km Địa hình Cơn Đảo chủ yếu đồi núi Độ cao thay đổi từ mét đến 577m, độ cao trung bình 200÷300m với kiểu hình thái địa mạo: núi, đồi, bậc thềm bóc mòn địa hình tích tụ Khí hậu đảo Cơn Sơn mang tính chất khí hậu biển khí hậu nhiệt đới gió mùa Cơn Đảo có phân vị địa tầng địa chất thủy văn: tầng Holocen (qh), tầng Pleistocen (qp) thành tạo địa chất nghèo nước không chứa nước (Mz) Trong tầng Pleistocen (qp) tầng phục cho nhu cầu khai thác sinh hoạt cư dân Đảo Côn Sơn Trong hầu hết lỗ khoan nghiên cứu, lớp cát hạt mịn chiếm tới 70%, cát trung thô chiếm tỷ lệ nhỏ Cát hạt mịn có mức độ đồng cao Hiện tất giếng khai thác từ tầng 3.1.2 Tổng quan chất lượng nguồn nước Thung lũng Cơn Sơn Kết phân tích hóa lý chất lượng NDĐ 12 trạm quan trắc NDĐ thuộc Thung lũng Côn Sơn từ 2005-2015 cho thấy phần lớn tiêu phân tích chất lượng NDĐ trạm quan trắc 10 năm quan trắc cho kết đạt quy chuẩn QCVN 09:2015/BTNMT Tuy nhiên có số tiêu vượt quy chuẩn, nồng độ N-NH4+ ghi nhận vượt quy chuẩn nhiều năm trạm quan trắc số tiêu vượt quy chuẩn khác COD, nitrit ghi nhận có giá trị gia tăng đột biến, tiêu có giá trị vượt chuẩn khoảng thời gian ngắn không ghi nhận đầy đủ số liệu, khơng đủ sở khoa học để tiến hành nghiên cứu chuyên sâu Kết phân tích chất lượng nước mặt cho thấy, nước mặt Hồ Quang Trung Hồ An Hải, vào mùa mưa mùa khơ có tiêu BOD5 vượt qua giới 11 hạn cho phép nên cần xử lý trước sử dụng cho mục đích sinh hoạt Với kết nhận thấy khả thấm dòng nhiễm nước mặt từ hồ hay bổ cập ô nhiễm từ hồ xuống tầng chứa nước Pleistocen Thung lũng không cao 3.1.3 Hiện trạng ô nhiễm nghĩa trang Cơn Đảo Với vị trí nằm phía trước cổng nghĩa trang Cơn Đảo thuận theo hướng dòng chảy NDĐ tồn Thung lũng Cơn Sơn giá trị phân tích chất lượng NDĐ trạm CS9 đề xuất giá trị đại diện cho chất lượng NDĐ nghĩa trang Côn Đảo Kết phân tích chất lượng NDĐ trạm quan trắc NDĐ CS9 tồn Thung lũng Cơn Sơn cho thấy, nồng độ N-NH4+ trạm CS9 nói riêng hay khu vực nghĩa trang Cơn Đảo nói chung 10 năm trạng có xu hướng giảm Bản chất ion tương đối di động nên xâm nhập vào nguồn NDĐ, amoni N-NH4+ có khả lan truyền nhanh nước làm ô nhiễm NDĐ phạm vi sâu rộng, có hỗ trợ mưa điều kiện địa chất thủy văn thuận lợi tầng chứa nước đất cát, mạch nơng Do vùng áp dụng nghiên cứu, amoni N-NH4+ đề xuất xem chất gây nhiễm NDĐ Cơn Sơn chất nhiễm phát thải nghĩa trang Côn Đảo 3.2 Thực nghiệm lan truyền amoni cột đất Côn Sơn 3.2.1 Mô tả mẫu đất Các mẫu đất lấy vị trí cách nghĩa trang Côn Đảo 0,8km, gần Hồ Quang Trung Các mẫu đất lấy theo phương pháp khoan khô nhằm bảo quản thành phần hạt giữ nguyên trạng cấu trúc lớp địa tầng 3.2.3 Kết thí nghiệm Kết thí nghiệm ước tính từ phần mềm Hydrus 1D cho thấy: - Độ phân tán dọc ước tính λ = 0,2 cm hệ số phân tán D = 8,40 cm2/h với hệ số xác định R2 = 0,97 12 - Hai hệ số phân vùng hình thành dựa hai phần số liệu nồng độ: (a) nồng độ (4,84; 9,65; 19,56mg/l) với Kd1 = 0,35(1/kg) - R2 = 0,9962 (b) nồng độ (36,54; 79,82; 102,88mg/l) với Kd2 = 0,21(1/kg) - R2 = 0,9963 - Hệ số chuyển đổi chất α thay đổi từ 1,00 đến 7,19(l/h) nồng độ NNH4+ dung dịch tương ứng từ 4,84 đến 102,88mg/l Trong phạm vi Luận án, với giá trị nồng độ N-NH4+ khác nằm khoảng [4,84, 102,88] giá trị hệ số chuyển đổi chất α xác định nội suy tương ứng khoảng [1,00; 7,19] Nhìn nhận kết thực nghiệm kết mô lan truyền theo dạng mơ hình cân khơng cân lý hóa khác phần mềm Hydrus 1D điều kiện cột đất Côn Sơn chứa phần lớn cát hạt mịn, thành phần sét chất hữu ít, kết luận rằng: - Sự suy giảm nồng độ N-NH4+ phụ thuộc vào hấp phụ vật liệu dung dịch đất NDĐ mà phụ thuộc vào pha lỗng q trình đối lưu - phân tán gây nên - Mức độ hấp phụ chất đất phụ thuộc nhiều vào tốc độ dòng chảy, cụ thể khoảng 25÷30% amoni bị đất giữ lại hạ thấp lưu lượng dòng chảy gia tăng thời gian tiếp xúc 180 phút Mơ hình lan truyền amoni từ nghĩa trang Côn Đảo đến tầng chứa nước Pleistocen (2005-2015) 3.3.1 Sơ đồ hóa vùng lập mơ hình 3.3 3.3.1.1 Các lớp lập mơ hình  Mơ hình dòng chảy NDĐ Trên sở đặc điểm tầng chứa nước, MH DCNDĐ xây dựng thành lớp để mô tầng chứa nước sau: - Lớp 1: Chiếm diện tích khoảng 6km2 trung tâm vùng tính tốn Do hai tầng chứa nước Holocen Pleistocen không tồn lớp cách nước thành phần thạch học khơng khác nên mặt tính thấm xem lớp xem lớp khơng áp có áp yếu cục bộ, khơng đồng tính thấm 13 - Lớp 2: Chiếm tồn diện tích vùng tính tốn, bao gồm phần nứt nẻ đá Mezozoi đến chiều sâu dự kiến -50m (so với mực nước biển) không thấm nước Đây xem lớp khơng bán áp, khơng đồng tính thấm  Mơ hình lan truyền amoni Các lớp tính tốn mơ hình lan truyền nhiễm amoni giữ nguyên theo MH DCNDĐ (gồm hai lớp) Riêng khu vực nghĩa trang nằm lớp 3.3.1.2 Vùng lập mơ hình  Mơ hình dòng chảy NDĐ Căn điều kiện tự nhiên đặc điểm cấu trúc địa chất thủy văn đảo Côn Sơn, vùng lập MH DCNDĐ chọn Hình 3.1, giới hạn bờ biển phía nam núi đá phía lại Hình 3.1 Điều kiện biên lớp vùng nghiên cứu  Mơ hình lan truyền amoni - Vùng lập mơ hình lan truyền ô nhiễm amoni xây dựng MH DCNDĐ - Thung lũng Côn Sơn chia thành hai polygon: polygon – nghĩa trang; polygon – khu vực bao xung quanh nghĩa trang phủ kín hết Thung lũng Cơn Sơn (xem Hình 3.2) 3.3.1.3 Biên giới lập mơ hình - Lớp 1: Phần rìa phía đơng lớp tiếp xúc với đá Mezozoi bề dày vát mỏng, phần phía nam tiếp xúc với biển 14 - Lớp 2: Phần rìa phía đơng lớp tiếp xúc với vách núi đá dựng đứng Mezozoi, phần phía nam tiếp xúc với biển Chiều rộng thung lũng: 2÷3km Chiều dài thung lũng: 8÷10km Nghĩa trang Cơn Đảo - Polygon Khu vực xung quanh Polygon Hình 3.2 Sơ đồ hóa vị trí nghĩa trang Cơn Đảo Thung lũng Cơn Sơn 3.3.2 Dữ liệu đầu vào mơ hình  Mơ hình dòng chảy NDĐ - Chiều sâu phân bố lớp: Dữ liệu đáy lớp xây dựng dựa địa tầng lỗ khoan nghiên cứu liên kết mặt cắt toàn vùng nghiên cứu Riêng liệu đáy lớp lấy mặt phẳng nằm ngang độ sâu -50m - Lưới tính tốn hai chiều phân thành 80 hàng 102 cột, với lưới có kích thước tương ứng 50 x 50m lưới tính tốn ba chiều phân thành 80 hàng 102 cột, số lớp - Các thông số địa chất thủy văn, lượng bổ cập - bốc hơi, lượng khai thác, mực nước ban đầu 12 lỗ khoan quan trắc cần nhập vào MH DCNDĐ thu thập từ Sở Tài nguyên Môi trường Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu từ 2005-2015  Mơ hình lan truyền amoni Nồng độ amoni nghĩa trang ghi nhận theo nồng độ amoni trạm quan trắc CS9 - vào năm 2005, C0 = 3,39mg/l Đối với 12 trạm quan trắc NDĐ, nồng độ ô nhiễm amoni theo thời gian lấy giá trị nồng độ amoni ghi 15 nhận theo thời gian 12 trạm quan trắc NDĐ Cơn Sơn Nồng độ amoni tồn khu vực nghiên cứu giả định mg/l 3.3.2 Biên điều kiện biên 3.3.2.1 Mơ hình dòng chảy NDĐ Các loại biên MH DCNDĐ bao gồm biên không thấm (Q = 0) biên tổng hợp Cụ thể: + Lớp 1: Phần rìa phía đơng lớp tiếp xúc với đá Mezozoi bề dày vát mỏng nên xem biên khơng thấm (biên loại II) Phần phía nam tiếp xúc với biển, chủ yếu thoát nước lượng nước thoát phụ thuộc chênh lệch áp lực tầng chứa nước mực nước biển nên xem biên tổng hợp (biên loại III) + Lớp 2: Phần rìa phía đơng lớp tiếp xúc với vách núi đá dựng đứng Mezozoi có điều kiện biên biên không thấm (biên loại II) Phần phía nam tiếp xúc với biển nên xem biên tổng hợp (biên loại III) MH DCNDĐ Thung lũng Côn Sơn áp dụng biên cho hai trường hợp: + Bờ biển phía nam: Đáy biển cắt sâu vào lớp lớp nên đặt biên tổng hợp + Hai hồ chứa nước Quang Trung An Hải gán loại biên tổng hợp + Các kênh rạch nhỏ thung lũng gắn biên sông - biên tổng hợp gán cho lớp đôi chỗ cho lớp 3.3.2.2 Mơ hình lan truyền amoni Trên bình diện mơ hình lan truyền amoni, tầng chứa nước khống chế ranh giới lập MH DCNDĐ điều kiện biên nồng độ ô nhiễm Bên cạnh loại biên xác lập MH DCNDĐ mơ hình lan truyền amoni bao gồm loại biên sau: biên nguồn thải, biên không chứa nguồn thải biên tổng hợp Mơ hình lan truyền amoni áp dụng biên cho trường hợp: - Nghĩa trang Cơn Đảo: nguồn phát thải amoni phạm vi nghiên cứu nên xem biên nguồn - Các đường biên khơng dòng chảy (Q=0): đường biên thuộc MH DCNDĐ: vách núi đá cứng biên giới không thấm nên khơng có 16 nguồn phát thải nhiễm (C=0) Do đường biên xem biên C=0 - biên không chứa nguồn phát thải ô nhiễm - Hai hồ chứa nước Quang Trung An Hải hai nguồn nước mặt có trao đổi dòng chảy vào tầng chứa NDĐ nên xem biên tổng hợp Trong Hồ Quang Trung đặt điều kiện biên cho lớp Hồ An Hải lớp (vì trầm tích mỏng gần núi đá) - Bờ biển phía nam: Đáy biển cắt sâu vào lớp lớp nên đặt biên tổng hợp Biên C=0 (lớp 1) Biên C=0 (lớp 2) Biên nguồn thải (lớp 1) Biên tổng hợp (lớp lớp 2) Hình 3.3 Điều kiện biên cho mơ hình MT3DMS 3.3.3 Hiệu chỉnh - kiểm định mơ hình 3.3.3.1 Mơ hình dòng chảy NDĐ MH DCNDĐ 2005-2015 hiệu chỉnh theo 114 bước tính tốn từ thời điểm 10/2005 đến hết tháng 05/2015 (01 tháng/01bước) với việc hiệu chỉnh hệ số thấm, hệ sớ nhả nước đàn hời (xem Bảng 3.1) Nhìn nhận từ kết hiệu chỉnh thông số đầu vào mơ hình dòng chảy NDĐ 2005-2015 cho thấy: - Giá trị chênh lệch cao độ tuyệt đối mực NDĐ quan trắc cao độ tuyệt đối mực NDĐ mơ hình MODFLOW tính tốn 12 trạm quan trắc thấp ±1m - Sai số trung bình quân phương 12 trạm quan trắc nằm khoảng 0,42÷0,63 17 Bảng 3.1 Kết hiệu chỉnh thông số đầu vào MH DC NDĐ 2005-2015 Thông số Hệ số thấm đứng ngang Hệ số nhả nước đàn hồi trọng lực Đơn vị m/ngày 1/m Lớp mô Giá trị ban đầu Lớp1 - Vùng Lớp - Vùng Lớp - Vùng Lớp - Vùng Lớp1 - Vùng Lớp - Vùng Lớp - Vùng Lớp - Vùng 7,5 - 0,75 3,0 - 0,30 0,25 - 0,025 0,5 - 0,05 0,20 - 1,5E-06 0,13 - 1,5E-06 0,12 - 1,0E-05 0,12 - 1,0E-05 Giá trị hiệu chỉnh 7,5 - 0,75 3,2 - 0,32 0,22 - 0,022 0,45 - 0,045 0,19 - 1,5E-06 0,13 - 1,5E-06 0,15 - 1,0E-0,5 0,15 - 1,0E-05 3.3.3.2 Mơ hình lan truyền amoni  Hiệu chỉnh mơ hình lan truyền amoni (2005-2010) Mơ hình lan truyền amoni từ nghĩa trang Côn Đảo 2005-2010 mô với 1.825 bước tính tốn với việc hiệu chỉnh hệ số phân tán, hệ số phân vùng hấp phụ amoni (đã ước tính từ Hydrus 1D) (xem Bảng 3.2) Bảng 3.2 Kết hiệu chỉnh thông số đầu vào mơ hình RT3D 2005-2010 Giá trị hiệu STT Thơng số Đơn vị Giá trị ban đầu chỉnh Độ phân tán dọc m 0,20E-02 0,21E-02 Hệ số phân vùng Kd 1/kg 0,35 0,36 So sánh giá trị chênh lệch giá trị nồng độ amoni quan trắc thực tế nồng độ amoni tính tốn từ mơ hình lan truyền amoni 2005-2010 12 lỡ khoan quan trắc cho thấy giá trị sai số trung bình quân phương RMSE nhỏ 0,5 - giá trị sai số thấp giá trị sai số giới hạn Luận án Kết hiệu chỉnh cho thấy thơng số đầu vào mơ hình lan truyền amoni 2005-2010 dần có mức độ tin cậy cao so với bước xác lập điều kiện ban đầu cho mơ hình  Kiểm định mơ hình lan truyền amoni (2010-2015) Sau 1.644 bước tính tốn kiểm định thông số hiệu chỉnh mô hình RT3D 2005-2010 số liệu nồng độ amoni 12 trạm quan trắc từ 2010-2015 cho thấy kết sai số RMSE nhỏ 0,5 18 Kết kiểm định thể tính tin cậy mơ hình mơ lan truyền amoni theo khoảng thời gian tính tốn từ 2005-2015 3.3.4 Kết mơ 3.3.3.1 Mơ hình dòng chảy NDĐ Nhận xét: Kết tính tốn mơ quan trắc động thái nước 12 trạm quan trắc Côn Sơn cho thấy động thái tầng Pleistocen thay đổi theo mùa 3.3.3.2 Mơ hình lan truyền amoni 2005 2010 2015 Biển Đơng Kích thước lưới: 50m x 50m Hình 3.4 Mô lan truyền amoni từ 2005-2015 Ghi chú: : hướng dòng chảy NDĐ hướng Đơng Nam dần thoát biển Diễn biến suy giảm nồng độ amoni theo thời gian trình bày Hình 3.5 Nồng độ NH4+, mg/l 3.5 Ô lưới Ô lưới Ô lưới Ô lưới Ô lưới 2.5 1.5 0.5 Thời gian Hình 3.5 Đồ thị suy giảm nồng độ amoni từ nghĩa trang Côn Đảo 2005-2015 Nhận xét: - Hướng di chuyển dòng nhiễm amoni tn theo xu hướng dòng chảy NDĐ hướng Đơng nam để phía biển 19 - Sự hấp phụ amoni dung dịch đất NDĐ Côn Sơn gia tăng tương ứng với thời gian mô - Với 90% thành phần hạt đất vật liệu hạt tầng Pleistocen cát hạt mịn - trung kết hợp với tồn amoni nguyên thủy từ địa hóa đất Cơn Sơn thấp nên q trình lan truyền amoni dung dịch đất tầng Pleistocen chịu ảnh hưởng hấp phụ amoni mà phần lớn chịu tác động chuyển tải - phân tán amoni Điều thể rõ Hình 3.4: sau 10 năm mô phỏng, phạm vi vùng ô nhiễm amoni dần mở rộng - Tuy tốc độ lan truyền ô nhiễm diện diện sâu tương đối chậm nhìn nhận từ diện tích mở rộng vùng nhiễm nhận thấy pha lỗng nồng độ amoni từ nghĩa trang từ số trạm quan trắc phạm vi khu vực bên xảy - Mức độ ô nhiễm amoni nghĩa trang Cơn Đảo có suy giảm theo thời gian 10 năm lan truyền từ 2005-2015 Điều có nghĩa tác động trực tiếp từ q trình đối lưu-phân tán dòng chảy NDĐ trình 10 năm (2005-2015) lan truyền amoni từ nghĩa trang Côn Đảo (với nồng độ ban đầu 3,39mg/l) chưa loại bỏ amoni hoàn toàn khỏi nghĩa trang hay nhìn nhận theo cách khác tầng Pleistocen chưa đủ khả hồi phục chất lượng nước đáp ứng nhu cầu khai thác - phục vụ sinh hoạt người dân (theo quy chuẩn QCVN 09:2015/BTNMT, nồng độ amoni NDĐ phải thấp 1mg/l) 3.4 Mơ hình dự báo lan truyền amoni (2015-2050) Để xác thực khoảng thời gian làm suy giảm tự nhiên nồng độ amoni NDĐ Thung lũng Côn Sơn xuống mức cho phép 1mg/l hay thời điểm nguồn NDĐ Thung lũng Côn Sơn phục hồi chất lượng nước đạt chuẩn sinh hoạt, Luận án tiến hành mô tiếp trạng lan truyền amoni từ năm 2015 đến năm 2050 (hay gọi mơ hình dự báo lan truyền amoni tương lai RT3D 2015-2050) sở mơ hình RT3D 2010-2015 kiểm định 20 Biển Đơng 2020 2025 2030 2035 Kích thước lưới: 50m x 50m Hình 3.1 Diễn biến trình suy giảm nồng độ amoni từ sau năm 2015 khu vực nghĩa trang Côn Đảo Ghi chú: : hướng dòng chảy NDĐ hướng Đơng Nam dần biển Nhận xét: - Tổng thời gian amoni lan truyền từ nghĩa trang Côn Đảo xuống NDĐ dần biển 30 năm (tính từ 2005 đến 2035) - Trong trình amoni lan truyền tầng chứa NDĐ, vùng lan truyền mở rộng phạm vi ảnh hưởng qua hai phía Đơng Bắc - Tây Nam với diện tích vùng ảnh hưởng lên đến 540.000m2 tính từ biên ngồi nghĩa trang đến biên biển theo hướng Đơng Nam 3.5 Đề xuất khả ứng dụng phương pháp xác định thông số lan truyền chất khu vực khác Khả ứng dụng phương pháp xác định thơng số lan truyền chất quy trình nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang vào khu vực khác nghiên cứu sở đề xuất điều chỉnh liệu bước thực nghiệm phù hợp khu vực nghiên cứu khác Cụ thể: - Quy trình nghiên cứu Luận án áp dụng không cho khu vực nghiên cứu mà cho chất nhiễm hòa tan khác dạng bãi chôn lấp khác bãi rác, bãi chôn lấp chất thải rắn hay lỏng - Việc ứng dụng quy trình thực nghiệm nhằm xác định hệ số lan truyền chất vào khu vực khác, cần thiết có điều chỉnh phù hợp sau: + Quy trình thực nghiệm chung ứng dụng theo trình tự nghiên cứu Luận án + Việc xác định hệ số lan truyền chất, đề xuất điều chỉnh yếu tố sau: 21  Các thí nghiệm lan truyền chất hòa tan thực quy mơ phòng thí nghiệm trường thực địa (1) Thực nghiệm phòng thí nghiệm: o Xây dựng mơ hình ống cột đất theo tỷ lệ thu nhỏ so với phẫu diện đất lỗ khoan quan trắc thực tế o Số lượng ống cột lựa chọn tùy theo điều kiện sẵn có khả thực thí nghiệm lan truyền chất đồng thời o Việc ước tính thơng số lan truyền chất đề xuất thực mơ hình Hydrus 1D (2) Thực nghiệm trường thực địa: o Thí nghiệm lan truyền chất hòa tan thực lỗ khoan thí nghiệm thu nhận kết lỗ khoan quan sát nằm cách xa lỗ khoan quan trắc khoảng cách xác định cụ thể khu vực nghiên cứu o Số lượng lỗ khoan thí nghiệm quan sát tối thiểu 01 lỗ thí nghiệm - 01 lỗ quan sát kết o Việc ước tính thơng số lan truyền đề xuất thực mô hình Hydrus 2D/3D  Dung dịch sử dụng để xác định hệ số phân tán dung dịch có chứa ion Cl- Br- 02 ion ion linh động có tính trơ  Các điều đầu cột áp, điều kiện thay đổi nồng độ chất hòa tan lưu lượng dòng chảy điều chỉnh theo mục tiêu nghiên cứu  Bộ thơng số đầu vào quy trình ước tính ngược thơng số mơ hình Hydrus cần điều chỉnh bao gồm: (a) đặc tính thủy lực đất khu vực nghiên cứu; (b) đặc tính lan truyền chất hòa tan; (c) đặc điểm hình học mơ hình thí nghiệm (ống cột đất hay lỗ khoan thí nghiệm)  Đối với việc ước tính hệ số lan truyền chất Hydrus 1D, 2D hay 3D theo quy trình thuận hay ngược, cần thiết xác định tính phù hợp của: (d) dạng mơ hình tính tốn cân khơng cân vật lý hóa học; (e) dạng mơ hình hấp phụ: Langmuir, Freundlich hay tuyến tính khu vực khác chất hòa tan khác 22 3.6 Đánh giá độ nhạy thông số lan truyền chất Từ nghiên cứu đánh giá độ nhạy mơ hình lan truyền amoni RT3D, đưa đến kết luận sau: + So sánh độ nhạy thơng số lan truyền amoni nhận thấy hệ số phân vùng hấp phụ Kd thông số nhạy + Hệ số chuyển đổi chất α có độ nhạy thấp hệ số Kd hệ số chuyển đổi chất phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán nồng độ chất hòa tan + Độ phân tán dọc λ có độ nhạy thấp 03 thông số lan truyền xem xét Luận án Kết luận chương - Nhìn nhận kết thực nghiệm lan truyền chất cột đất Cơn Sơn kết luận rằng: + Sự suy giảm nồng độ amoni phụ thuộc vào hấp phụ vật liệu đất NDĐ mà phụ thuộc vào pha lỗng trình đối lưu - phân tán gây nên + Mức độ hấp phụ amoni đất Côn Sơn phụ thuộc nhiều vào tốc độ dòng chảy - Kết mô lan truyền amoni theo hai giai đoạn 2005-2010 20102015 cho thấy, lan truyền amoni từ nghĩa trang Côn Đảo xảy tn theo xu hướng dòng chảy NDĐ Ước tính đến năm 2035, tầng Pleistocen loại bỏ hoàn toàn amoni nhờ vào q trình pha lỗng nồng độ amoni NDĐ kết hợp trình hấp phụ yếu amoni vào lớp nước màng mỏng bao phủ quanh hạt đất q trình lan truyền dòng nhiễm tự biển - Việc ứng dụng quy trình nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa NDĐ nói chung hay cụ thể quy trình xác định thực nghiệm hệ số lan truyền chất khu vực khác thực khả thi sở điều chỉnh thông số đầu vào cho mơ hình mơ Từ kết đạt Chương nhận thấy việc mô lan truyền amoni phát thải từ nghĩa trang Cơn Đảo đến tầng Pleistocen có ý nghĩa quan trọng việc quy hoạch quản lý nghĩa trang lâu năm 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa NDĐ - Áp dụng cho Đảo Côn Sơn, Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu đạt kết nghiên cứu sau: (1) Đề xuất quy trình xác định thực nghiệm thơng số lan truyền ô nhiễm tầng chứa NDĐ (2) Đánh giá dự báo mức độ lan truyền chất ô nhiễm vào dung dịch đất nghĩa trang (3) Đề xuất khả ứng dụng phương pháp xác định hệ số lan truyền chất nhiễm (có nguồn gốc từ nước rỉ nghĩa trang) khu vực khác Kiến nghị - Nghiên cứu mối quan hệ dòng chảy nước mặt NDĐ bãi chôn lấp - Nghiên cứu ứng dụng biện pháp xử lý NDĐ bị ô nhiễm khác bãi chôn lấp - Nghiên cứu thực nghiệm hệ số lan truyền ô nhiễm nhiều dạng chất gây ô nhiễm khác nhau, vùng khác Việt Nam, nhằm thiết lập đồ phân vùng ô nhiễm đánh giá mức độ nhạy cảm với ô nhiễm cho vùng Việt Nam 24 ... áp dụng cho nghĩa trang Cơn Đảo so với nghiên cứu ngồi nước trước ô nhiễm nghĩa trang 10 CHƯƠNG ÁP DỤNG NGHIÊN CỨU CHO NGHĨA TRANG CÔN ĐẢO, ĐẢO CÔN SƠN, HUYỆN CÔN ĐẢO, TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU 3.1... tài Nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước đất - áp dụng cho Đảo Côn Sơn, Côn Đảo, Bà Rịa Vũng Tàu so với nghiên cứu nước xác định mức độ nhiễm, phạm vi hướng lan truyền. .. luận Nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa NDĐ - Áp dụng cho Đảo Côn Sơn, Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu đạt kết nghiên cứu sau: (1) Đề xuất quy trình xác định thực nghiệm thông số lan