VII. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
2.1.2. Nước di chuyển xuống do trọng lực
Tác động của trọng lực đối với nước cũng giống như đối với bất cứ vật thể khác, hấp dẫn theo chiều hướng vào trung tâm trái đất. Trọng lực đĩng vai trị quan trọng
trong việc vận chuyển nước thừa (chất thải nguy hại) từ vùng rễ bên trên do bởi mưa lớn hoặc do cung cấp nước. Là một trong những yếu tố quan trọng đưa nước xuống tầng nước dưới đất.
Ngồi các yếu tố trên sự di chuyển chất thải nguy hại trong đất cịn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: nhiệt độ, độ pH, hệ số hút ẩm,… Ngồi ra cịn phụ thuộc nhiều vào tính chất hĩa lý của mỗi loại chất thải.. 2.2. Quá trình lan truyền chất ơ nhiễm và các yếu tố ảnh hưởng
2.2.1. Lưu lượng dịng thấm
Chu trình nước cho thấy khi bắt đầu việc kết tụ của nước trên mặt đất do mưa, mưa đá, tuyết hình thành một dịng chảy tràn trên mặt đất. Dịng nước chảy tràn trên mặt đất này một phần thấm xuống dưới đất thành nước dưới đất, phần cịn lại chảy về của vùng trũng (vùng tụ thủy) hình thành dịng chảy như suối, sơng và cuối cùng chảy ra biển. Lượng nước ngấm xuống đất và lượng nước chảy trên bề mặt tiếp tục bốc hơi vào khí quyển, phần cịn lại trong đất tiếp tục thấm xuống và tùy theo cấu trúc địa tầng mà hình thành của tầng chưa bão hịa nước và tầng chứa nước. Theo cấu trúc địa tầng nước sẽ cĩ xu hướng dịch chuyển đi lên mặt đất hay hướng về chỗ trũng. Quá trình dịch chuyển và hướng dịch chuyển của nước trong đất phụ thuộc rất lớn vào thành phần đất ví dụ đối với tầng chứa cát và sỏi nước sẽ cĩ xu hướng thấm ngang hơn là thấm dọc. Lưu lượng dịng chảy của nước dưới đất trong đất cĩ thể ước tính bằng cách sử dụng cơng thức của định luật Darcy
(2-1) Q: lưu lượng (cm3/s); k: hệ số thấm (cm/s); i: gradient thủy lực; A: diện tích mặt cắt (cm2)
Hệ số thấm k phụ thuộc rất nhiều vào thành phần đất, bảng 2.1 trình bày một số hệ số thấm của đất Bảng 2.1. Hệ số thấm của các thành phần đất Thành phần đất Hệ số thấm k (cm/s) Sỏi 1-105 Cát hay hỗn hợp cát sỏi 10-3 - 1 Cát mịn và bùn (phù sa) 10-2 - 10-6 Sét pha bùn hay sét 10-5 - 10-9 Nguồn: Fetter, (1988) [51]
Trong cơng thức trên, gradient thủy lực chỉ thị cho độ tổn thất thế năng khi dịng chảy qua lớp vật liệu xốp (đất) được xác định như sau:
= (2-2) h1 = chiều cao cột áp tại vị trí 1 (cm)
h2 = chiều cao cột áp tại vị trí 2 (cm) l = khoảng cách giữa hai vị trí (cm)
Do trong đất cĩ lỗ xốp và quá trình dịch chuyển của dịng chảy trong đất là sự dịch chuyển qua của lỗ xốp vì vậy cĩ thể tính lưu lượng theo cơng thức biến đổi Darcy như sau:
Q = v.A = vsAV (2-3)
v = vận tốc thấm darcy = k.i (cm/s) A: diện tích mặt cắt ngang dịng (cm2) vs: vận tốc thấm tuyến tính (cm/s) = v/n
n: độ xốp của đất (%)
AV : diện tích mặt cắt ngang hữu ích của dịng (diện tích lỗ xốp m2)
Tuy nhiên đất mỗi nơi đều cĩ thành phần và cấu trúc khác nhau, điều này dẫn đến tốc độ thấm khác nhau. Để đánh giá khả năng dẫn nước của đất, người ta sử dụng giá trị độ dẫn nước (transmissivity) của đất để đánh giá
T = k.t(cm2/s) (2-4)
k: hệ số thấm (cm/s)
t: độ dày của tầng chứa nước (cm) 2.2.2. Hệ số khuếch tán của chất ơ nhiễm
Khi thực hiện mơ hình hĩa sự lan truyền của chất ơ nhiễm dọc theo dịng thấm trong đất, cần phải xác định một thơng số quan trọng, đĩ là hệ số khuếch tán của chất ơ nhiễm trong đất. Trên thực tế, hệ số khuếch tán này phụ thuộc vào chất ơ nhiễm và loại đất, vì vậy cần phải tiến hành thí nghiệm để cĩ thể tìm được hệ số khuếch tán một cách chính xác nhất. Tuy nhiên, với điều kiện thực tế ở Việt Nam, cơng việc này rất tốn kém về thời gian và kinh phí và vì vậy cĩ thể tiến hành thu thập một số số liệu liên quan đến hệ số khuếch tán này. Theo nghiên cứu của Çamur và cộng sự [35], Rowe và cộng sự [89], Yang [116] hệ số khuếch tán được các tác giả tìm ra cĩ thể tham khảo sử dụng trong tính tốn lan truyền các chất ơ nhiễm và kim loại nặng trong đất bảng 2.2.
Bảng 2.2. Chất ơ nhiễm và hệ số khuếch tán trong đất T T Chất ơ nhiễm Hệ số khuếch tán Tác giả
(cm2/s)
1 Cd 2,5 x 10-6 Çamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
2 Cl 9,5 x 10-6 Çamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
3 Cr 2,2 x 10-6 Çamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
4 Cu 2,9 x 10-6 Çamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
5 Fe 2,2 x 10-6 Çamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
6 K 7,9 x 10-6 Çamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
7 Mn 3,1 x 10-6 Çamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
8 Ni 1,6 x 10-6 Çamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
9 Pb 3,2 x 10-6 Çamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
10 Zn 2,5 x 10-6 Çamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005) 11 Cr(VI) 1,50 × 10−7 đến 2,08 Yang, Q., Zhang, J.,
× 10−7 Yang, Q. et al (2011) Dung dịch nước rỉ 3,5 x 10-6 Rowe R. K., Fraser
12 rác M. J. (1995)
Nguồn: Mirbagheri, S. A. (2004) [74]
2.3. Quá trình thấm nước và vận chuyển chất ơ nhiễm
Khi nước mưa hoặc nước mặt đọng trên mặt đất bị các chất ơ nhiễm và kim loại nặng ngấm vào đất và trầm tích thấm nước yếu khơng bão hịa chúng cĩ thể làm dịch chuyển theo các chất ơ nhiễm và các kim loại năng. Mơ hình tốn học mơ phỏng quá trình vận chuyển các chất ơ nhiễm và các kim loại nặng trong dịng nước thấm địi hỏi phải giải đồng thời phương trình Richards mơ phỏng chuyển động nước trong đới khơng bão hịa và dịng vật chất các chất ơ nhiễm và kim loại nặng.
2.3.1. Cơ chế đối lưu theo dịng hút mao dẫn
Phương trình lan truyền ẩm một chiều theo phương thẳng đứng (z) cĩ dạng sau đây:
q W 0 (2-5)
f
t z
Phương trình lan truyền ẩm một chiều theo phương thẳng đứng (z) cĩ dạng sau đây:
( C ) ( qC ) W 0 (2-6) s t z C C q → q C Ws 0 (2-7) t z t z Trong đĩ: C là hàm lượng chất ơ nhiễm
θ là hàm lượng ẩm (thay cho ký hiệu θw sử dụng ở trên);
q là vận tốc thấm khơng bão hịa (lưu lượng thấm khơng bão hịa);
Wf là nguồn cung cấp ẩm, Ws là nguồn cung cấp các chất ơ nhiễm, kim loại nặng.
Từ (2-5) và (2-7) ta cĩ:
C q C CW W (2-8)
w s
t z
Nếu ta giới hạn trong miền mơ hình (trên chiều sâu mơ hình lan truyền ẩm và các chất ơ nhiễm và các kim loại năng khơng tồn tại nguồn cung cấp nước và các chất ơ nhiễm, tức là Ww và Ws bằng 0 ta cĩ (2-8) sẽ ở dạng:
C q C 0 (2-9)
t z
Phương trình đạo hàm riêng (2-9) được viết tương ứng với phương trình vi phân sau:
t z C (2-10)
60
Phương trình (2-10) gọi là phương trình đặc trưng. Từ đây ta cĩ: ( z , t ) dz q ( z , t ) dt 0
Vế trái của (2-11) là đạo hàm tồn phần của một hàm số η(z,t) nào đĩ: q ( z , t ) dt ( z , t ) dz d ( z , t )
Vì:
d t dt z dz
Tức là tương đương với:
; q z t (2-11) (2-12) (2-13) (2-14)
Từ đây cĩ hàm η(z,t) là quan hệ của các thơng số của điều kiện ban đầu của (2-14) thể hiện động lực dịch chuyển mặt ẩm trong đới khơng bão hịa. Để xác định nĩ ta viết phương trình đĩ dưới dạng đạo hàm tồn phần:
d0 (2-15)
Mà (2-15) cĩ lời giải là hằng số c:
d ( z , t ) c (2-16)
Tức là hàm số η là tích phân của (2-15)
Thành phần đầu của (2-15) được thỏa mãn bởi hàm số:
( z , t ) z( z , t ) dz ( t ) (2-17)
z0
Trong đĩ φ(t) là hàm số bất kỳ của t, z0 là tọa độ z bất kỳ (trong trường hợp này nĩ tương ứng với tọa độ mặt ẩm vào thời điểm ban đầu t0). Ta sẽ lựa chọn φ(t) sao cho thỏa mãn thành phần thứ 2 của phương trình (2-17), tức là:
z( z , t ) dz'( t ) q ( z , t ) (2-18)
t z z
0
Vì vậy hàm tích phân η(z,t) cĩ thể viết dưới dạng:
(z, t ) z( z , t ) dz tq ( z0 , t ) dt (2-19)
z0 t0
Với q(z,t) lấy theo hàm số ban đầu để tính tích phân tổng cộng (thành phần thứ 2 trong (2-19)) ta cĩ cơng thức tích phân khác tương đương phương trình:
(z, t ) z( z , t0 ) dz tq ( z , t ) dt (2-20)
z0 t0
Giá trị của phương trình (2-19 và 20) cĩ thêm điều kiện sau:
dC ( ) 0 hoặc C= hằng số dọc theo đường cong đặc trưng η(θ,t) (2- 21)
Phân tích phương trình (2-20) cho phép ta đi đến những kết luận vật lý cĩ ý nghĩa. Về mặt vật lý, η(z,t) cĩ thể được xem tọa độ chuyển động trong mối quan hệ với mặt chất ơ nhiễm hịa tan, mà mặt chất ơ nhiễm hịa tan này đã ở điểm cĩ tọa độ z=z0 vào thời điểm t=t0. Vị trí tọa độ của mặt chất ơ nhiễm hịa tan z=zf(t) cĩ thể xác định được bằng cách cho η(z,t)=0. Điều kiện η(z,t)>0 tương ứng với các điểm nằm phía trước mặt chất ơ nhiễm hịa tan, và η(z,t)< 0 tương ứng với các điểm nằm phía sau.Thành phần thứ nhất của vế phải của phương trình đặc trưng (2-20) thể hiện sự thay đổi cộng dồn hàm lượng nước U(z,t) ở khoảng giữa z và z0.
U (z, t ) z( z , t0 )dz (2-22)
z0
Thành phần thứ hai của vế phải của phương trình đặc trưng (2-20) thể hiện sự thay đổi cộng dồn lượng nước ngấm ở mặt cắt z=z0 trong khoảng thời gian giữa t và t0.
V ( t ) tq ( z0 , t ) dt
t
0
Vì vậy lời giải đặc trưng cĩ thể viết dưới dạng:
(z, t ) U ( z , t ) V ( t )
và vị trí của mặt nồng độ chất ơ nhiễm hịa tan được xác định theo phương trình:
U( z , t ) V ( t )
(2-23)
(2-24)
(2-25) Trên quan điểm đĩ rõ ràng rằng khi phân bố ẩm ban đầu khơng đồng đều, thì chiều dày lớp nước cĩ nồng độ các chất ơ nhiễm được hình thành trong khi cho nước ơ nhiễm vào đất khơng bão hịa trong khoảng thời giới hạn sẽ thay đổi trong quá trình nước ngấm từ mặt đất. Vì vậy, khi độ ẩm tăng theo độ sâu, để cĩ sự cân bằng chất ơ nhiễm, chiều dày của lớp nước bị ơ nhiễm nguyên thủy phải giảm dần. Bức tranh sẽ ngược lại nếu như độ ẩm giản theo độ sâu.
Để xác định vị trí của mặt nồng độ trong trường hợp lưu lượng q ngấm khơng thay đổi qua đới khơng bão hịa với mặt cắt độ ẩm ổn định θ(z), thì cĩ thể sử dụng lời giải đầu tiên của phương trình đặc trưng ở dạng phương trình:
62
qt z ( z)dz (2-26)
0
với giả thiết rằng t0=0 cĩ z0=0. Vận tốc lan truyền mặt nồng độ chất ơ nhiễm là:
u ( z ) qz (2-26a)
z
( z ) dz
0
Từ các cơ sở vật lý chung rõ ràng rằng mặt lan truyền ẩm di chuyển nhanh trước mặt nồng độ chất ơ nhiễm để tạo điều kiện cho chất ơ nhiễm lan truyền (với lưu lượng ngấm q là hằng số) ở điều kiện giả ổn định về chế độ ẩm. Nếu như hàm độ ẩm phía sau mặt lan truyền ẩm là ổn định, và các giá trị θ thay đổi rất nhỏ theo độ sâu, cơng thức (2-26a) sẽ cĩ dạng:
u q (2-27)
Trong đĩ đối với các bài tốn thực tế được xác định bởi các giá trị độ ẩm trung bình được hình thành trong quá trình ngấm nước mưa cung cấp cho nước dưới đất.
2.3.2. Cơ chế đối lưu theo dịng nước mao dẫn và khuếch tán
Phương trình lan truyền theo cơ chế đối lưu và khuếch tán các chất ơ nhiễm trong mơi trường khơng bão hịa một chiều theo phương thẳng đứng (z) cĩ dạng sau đây:
C qC C 0
D' (2-28)
t z z z
Trong đĩ D'=Dθ là hệ số phân tán dọc.
Liên kết với phương trình lan truyền ẩm với Wf=0 và Ws=0 ta cĩ:
( z , t ) C
q ( z , t ) C
D'(z, t) C 0
tz zz
Đại đa số các lời giải gần đúng phương trình (2-28) dựa vào giả thiết rằng q và D thay đổi rất ít theo độ sâu nhưng là hàm số của thời gian. Khi đĩ (2-28) cĩ thể viết như sau:
C u( z, t ) C D( z, t )2C 0 (2-29)
t z z2
trong đĩ u(z,t)= q(z,t)/θ(z,t).
Cho rằng (2-28) thể hiện quá trình phân tán chất ơ nhiễm ở khu vực gần mặt lan truyền cĩ tọa độ ξ(t) vào thời điểm bất kỳ xác định theo phương trình đặc trưng (2-29) được viết lại dưới dạng:
( t ) t
( z, t 0)dz q[ (t ), )d (2-30)
0 0
tức là ξ(t) là tọa độ thay đổi thể hiện độ sâu xâm nhập. Khi đĩ từ (2-30) ta cĩ:
d (t ) q[ (t )] (2-31)
dt [ (t )]
Nếu thể hiện t trong (2-29) theo ξ=ξ(t) và giả thiết rằng u(z,t)=u(ξ) và D(z,t)=D(ξ) ta cĩ:
C C D() 2C 0 (2-32)
z u ( ) z2
Nếu tương quan tuyến tính D = δLu là đúng thì (2-32) là phương trình lan truyền chất ơ nhiễm theo cơ chế đối lưu-phân tán với các hệ số là hằng số như sau:
C C 2C 0 (2-33)
z
L z2
Trong đĩ ξ=ξ(t) đĩng vai trị là tọa độ khơng gian của bề mặt dịch chuyển đối lưu.
Lời giải gần đúng của (2-32) là:
1 z (t )
C erfc (2-34)
2 4 (t )
L
Tọa độ thời gian t cĩ thể được thay thế bằng một tọa độ cộng dồn:
I ( z, t ) tq( z, t )dt (2-35) 0
trong đĩ q(z,t) là vận tốc ngấm ở độ sâu z vào thời điểm t.
Phương trình (2-35) đối với hàm số C(I) với θ= θ(z) và q=q(t) (khi độ ẩm khơng phụ thuộc vào tọa độ thời gian, trong khi vận tốc khơng phụ thuộc vào tọa độ khơng gian) sẽ là:
C 1 C L2C 0 (2-36)
I ( z ,0) z ( z ,0) z2
Với δL=0 lời giải của (2-36) cho vị trí của mặt dịch chuyển đối lưu:
I ( z, t ) z ( z,0)dz (2-37)
64
trong đĩ θ(z,0) là phân bố độ ẩm trong đới khơng bão hịa vào thời điểm ban đầu t=0. Nếu θ(z,0)=θ=hằng số thì lời giải của phương trình lan truyền theo cơ chế đối lưu-khuếch tán (2-37) là:
1 z I
C erfc
2 4 LI )
(2-38)
Nếu độ ẩm thay đổi theo độ sâu, θ=θ(z) thì C(I) cĩ thể thể hiện bằng (2-38) với θ được thay bằng:
z ( z , t)dz (2-39)
0
Cuối cùng cần nhấn mạnh rằng khuếch tán các chất ơ nhiễm trong mơi trường khơng bão hịa cĩ một số đặc tính riêng. Như các thí nghiệm cho thấy hệ số khuếch tán trong mơi trường khơng bão hịa lớn hơn so với mơi trường bão hịa. Cơng thức tổng quát của hệ số phân tán là D = ςL(θm)un trong đĩ số mũ n cĩ thể đạt tới 1,5, cịn θ m là nồng độ độ ẩm thể tích của các lỗ rỗng mà nước ngấm qua. Đĩ là do một thể tích lớn các lỗ rỗng khơng lưu thơng trong mơi trường khơng bão hịa so với mơi trường bão hịa. Tuy nhiên từ cái nhìn thực tế đặc thù này khơng là nền tảng, và các lời giải giải tích nêu trên hồn tồn phù hợp trong phân tích mức độ quan trọng của phân tán vi mơ.
2.4. Các phương pháp nghiên cứu xác định lan truyền ơ nhiễm
Phương pháp thực hiện nghiên cứu bao gồm khảo sát thực địa, xác định chỉ tiêu cơ lý của đất và chỉ tiêu mơi trường trong phịng thí nghiệm nhằm phân tích sự lan truyền chất ơ nhiễm trong đất. Cơng tác khảo sát ngồi thực địa gồm khảo sát, đo đạc quy mơ bãi chơn lấp, khối lượng chất thải rắn thu nhận, phương thức xử lý, ghi nhận các vấn đề liên quan từ bãi chơn lấp gây nên; thực hiện lấy mẫu nước và mẫu đất, kỹ thuật lấy mẫu đất và nước rỉ rác dựa theo các tiêu chuẩn. Phương pháp xây dựng mơ hình mơ phỏng tốn học để dự báo nguy cơ lan truyền ơ nhiễm phát sinh từ ơ chơn lấp chất thải.
2.4.1. Xác định thành phần và tính chất nước rỉ rác
Nước rỉ rác được lấy mẫu và phân tích nhằm xác định hàm lượng các chất ơ nhiễm và kim loại nặng phục vụ quá trình tính tốn dự báo sự lan truyền kim loại nặng trong bãi chơn lấp.
*Phương pháp thu thập tài liệu, thống kê mơ tả quan sát sự biến thiên của các thơng số cơ bản trong nước rỉ rác
Các thơng số cơ bản được tham khảo số liệu quan trắc từ Viện Khoa học kỹ thuật mơi trường trong thời gian 10 năm từ 2008 đến 2017. Kết quả và nhận xét được thể hiện trong chương 3.
* Phương pháp lấy mẫu quan sát sự biến thiên của hàm lượng kim loại nặng trong nước
rỉ rác
- Vị trí lấy mẫu
Mẫu MNRR: Tại vị trí hố ga thu nước rác. Nằm ở sát ơ chơ lấp số 2, cạnh đường đi nội bộ BCL, trước khi dẫn hồ chứa thu gom nước rỉ rác. Mẫu nước rỉ rác được lấy 24 lần trong 2 năm 2016 và 2017
Mẫu nước rỉ rác được lấy tại hố thu gom nước rỉ rác từ các ơ chơn lấp trước khi bơm vào hồ tiếp nhận nước thải. Vị trí lấy mẫu thể hiện trên hình 2.3. Trong khu xử lý chất thải rắn Kiêu Kỵ cĩ nhiều vị trí liên quan đến nước rỉ rác, đề tài chọn vị trí tại hố ga thu gom trước khi dẫn vào hồ tiếp nhận nước thải sau đĩ theo hệ thống cống chìm đưa về trạm xử lý nước thải tập trung.
- Thời gian lấy mẫu
Mẫu nước rỉ rác được lấy thành 2 đợt/năm và lấy trong 2 năm 2016 và 2017 (mùa khơ – tháng 3, 4; mùa mưa – tháng 7, 8). Mẫu nước rỉ rác được lấy thành 6