VII. í nghĩa khoa học và thực tiễn của luận ỏn
3.3. Khảo sỏ tụ nhiễm kim loại nặng trong đất bói chụn lấp Kiờu Kỵ
3.3.1. Đặc điểm mẫu đất tại lỗ khoan LK4 và LK5
Nghiờn cứu đó thực hiện lấy mẫu đất tại bói chụn lấp Kiờu Kỵ để xỏc định khả năng ụ nhiễm KLN từ bói chụn lấp. Cỏc mẫu đất được lấy bằng phương phỏp khoan tay tại cỏc vị trớ L4 và L5 nằm bờn rỡa ụ chụn lấp đó kết thỳc chụn lấp. Lỗ khoan L4 cỏch L5 5m (giữa lỗ khoan L4 và L5 là đường bờ tụng nội bộ). Vị trớ khoan mẫu trờn hỡnh 3.19. Ngày khoan mẫu 8-9/4/2016. Chiều sõu lấy mẫu lớn nhất là 6m. Trờn cựng lỗ khoan lấy mẫu, cỏc mẫu với khối lượng khoảng 500g được lấy ở khoảng cỏch độ sõu 0,3m.
Hỡnh 3.19. Vị trớ bói chụn lấp và vị trớ khoan lấy mẫu
Cỏc mẫu đất được phõn tớch hàm lượng cỏc KLN bằng phương phỏp phổ khối Plasma (ICP-MS- Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer) thuộc nhúm phõn tớch
AES, phương phỏp này cú độ chớnh xỏc cao, cú thể phõn tớch được kết quả tới giới hạn ppb hay ppt (tức là 1x10-12).
Hỡnh 3.20. Khoan mẫu tại bói chụn lấp Kiờu Kỵ thỏng 4.2016 Bảng 3.9. Mụ tả mẫu đất khoan trong lỗ khoan L4 và L5
STT Độ sõu
khoan Đặc điểm mẫu đất Lấy mẫu
Lỗ Khoan L4
1 0 - 0,3 Sột nõu đen xốp cú rễ cõy và rỏc 2 0,3 - 0,6 Sột nõu đen xốp cú rễ cõy và rỏc * 3 0,6 - 0,9 Sột nõu đen xốp cú rễ cõy và rỏc 4 0,9 -1,2 Sột nõu đen xốp cú rễ cõy và rỏc * 5 1,2 -1,5 Sột nõu đen xốp cú rễ cõy và rỏc 6 1,5 -1,8 Sột nõu đen, mịn, dẻo dớnh, tanh * 7 1,8 - 2,1 Sột nõu đen, mịn, dẻo dớnh, tanh 8 2,1 - 2,4 Sột pha, nõu đen lẫn sạn * 9 2,4 - 2,7 Sột pha, nõu đen lẫn sạn 10 2,7 -3,0 Sột nõu đen dẻo dớnh , tanh * 11 3,0 - 3,3 Sột nõu đen dẻo dớnh , tanh, mịn 12 3,3 - 3,6 Sột nõu đen (đậm) dẻo dớnh * 13 3,6 - 3,9 Sột nõu đen (đậm) dẻo dớnh 14 3,9- 4,2 Sột bột đen lẫn cỏt , mịn *
Lỗ khoan L5
STT Độ sõu khoan Đặc điểm mẫu đất Lấy mẫu
1 0 - 0,3 Sột bột lẫn rỏc , nõu đen, rời 2 0,3 - 0,6 Sột bột lẫn rỏc , nõu đen, rời * 3 0,6 - 0,9 Sột vàng, dẻo dớnh
STT Độ sõu khoan Đặc điểm mẫu đất Lấy mẫu
4 0,9 -1,2 Sột vàng, dẻo dớnh * 5 1,2 -1,5 Sột vàng, dẻo dớnh, lẫn gạch
6 1,5 -1,8 Cỏt pha *
7 1,8 - 2,1 Cỏt pha
8 2,1 - 2,4 Cỏt pha, nõu đen, mịn dẻo * 9 2,4 - 2,7 Cỏt pha, nõu đen, mịn dẻo 10 2,7 -3,0 Cỏt pha, nõu đen * 11 3,0 - 3,3 Cỏt pha, nõu đen 12 3,3 - 3,6 Sột xỏm xanh, mịn dẻo * 13 3,6 - 3,9 Sột xỏm xanh, mịn dẻo 14 3,9- 4,2 Sột xanh đen lẫn cỏt hạt mịn * 15 4,2-4,5 Sột xanh đen lẫn cỏt hạt mịn 16 4,5- 4,8 Bột sột, cỏt min, nõu đen * 17 4,8-5,2 Bột sột lẫn cỏt, mịn, xỏm 18 5,2-5,5 Bột sột, cỏt min, nõu đen *
Hỡnh 3.21. Mẫu đất khoan tại bói chụn lấp Kiờu Kỵ 3.3.2. Kết quả phõn tớch mẫu đất
8 chỉ tiờu kim loại nặng được phõn tớch trong cỏc mẫu đất theo độ sõu bao gồm: As, Cd, Cu, Cr, Fe, Hg, Pb, Zn. kết quả phõn tớch được trỡnh bày trong bảng 3.10 và cỏc biểu đồ trờn cỏc hỡnh 3.22-3.26 thể hiện sự biến thiờn theo độ sõu của hàm lượng cỏc kim loại nặng được phõn tớch trong lỗ khoan L4 và L5.
Bảng 3.10. Hàm lượng cỏc kim loại nặng trong mẫu đất tại lỗ khoan L4 và L5
Đơn vị: mg/kg STT Số hiệu mẫu mẫu (m-m) Chiều sõu Hàm lượng chỉ tiờu phõn tớch (mg/kg)
As Cd Cr Cu Fe Pb Zn Hg 1 L4/1 0,3-0,6 28 0,0 154 66 36575 77 145 0,03 2 L4/2 0,9-1,2 21 0,1 107 42 30279 62 95 0,02 3 L4/3 1,5-1,8 27 0,1 116 66 34006 47 122 0,01 4 L4/4 2,1-2,4 30 0,1 112 31 30051 59 108 0,02 5 L4/5 2,7-3,0 19 0,3 107 40 28634 64 99 0,04 6 L4/6 3,3-3,6 29 0,3 105 41 30835 64 94 0,01 7 L4/7 3,9-4,2 16 0,4 119 33 33173 50 114 0,01 8 L5/1 0,3-0,6 30 0,3 293 94 38710 134 259 0,02 9 L5/2 0,9-1,2 24 0,1 182 71 38080 103 163 0,03 10 L5/3 1,5-1,8 33 0,7 134 65 40320 99 144 0,01 11 L5/4 2,1-2,4 26 0,3 109 29 33768 82 103 0,02 12 L5/5 2,7-3,0 25 0,1 108 48 31357 60 113 0,00 13 L5/6 3,3-3,6 21 0,3 106 42 31903 66 106 0,02 14 L5/7 3,9-4,2 23 0,0 106 38 32575 64 105 0,03 15 L5/8 4,5-4,8 22 0,4 110 45 32456 71 113 0,04 16 L5/9 5,2-5,5 20 0,5 108 42 30475 45 119 0,03 Trung bỡnh: 24 0,25 130 50 33325 72 125 0,02 Độ lệch chuẩn: 4,47 0,19 48,41 17,79 3419 23,29 40,57 0,01 QC 03-MT:2015/BTNMT 15 1.5 150 100 70 200
Hỡnh 3.22. Sự biến thiờn của hàm lượng As theo độ sõu lỗ khoan L4 và L5
gọi là phương phỏp phần tử hữu hạn với cỏc nỳt lưới của mỗi phần tử khối cỏch đều nhau ở khoảng cỏch Δx và Δz.
Theo đú, trong một khoảng thời gian đủ nhỏ Δt, ở khoảng cỏch Δx và Δz đủ nhỏ, phương trỡnh lan truyền ụ nhiễm tại thời điểm t = n được viết ở dạng rời rạc húa như sau:
𝐶, − 𝐶, 2𝛥𝑡 + 𝑢 , 𝑢 , 2𝛥𝑥 𝐶, + 𝑢 2𝛥𝑥𝐶 , − 𝑢 2𝛥𝑥𝐶 , + +𝑣, 𝑣, 2𝛥𝑧 𝐶, + 𝑣 2𝛥𝑧𝐶, − 𝑣 2𝛥𝑧𝐶, = = 𝐷𝑥 𝛥𝑥 𝐶 , − 𝐷𝑥 𝛥𝑥 𝐶 , + 𝐷𝑧 𝛥𝑧 𝐶 , − − 𝐷𝑧 𝛥𝑧 𝐶 , − 𝐷𝑥 𝛥𝑥 + 𝐷𝑧 𝛥𝑧 𝐶, − 𝐷𝑥 𝛥𝑥 + 𝐷𝑧 𝛥𝑧 𝐶, (3-10) Trong đú:
𝐶, nồng độ chất ụ nhiễm ở nỳt lưới i, j tại thời điểm n. 𝑢, và 𝑣, vận tốc thấm theo 2 phương x và z tại nỳt lưới i, j. Biến đổi phương trỡnh (3-10) ta thu được:
1 2𝛥𝑡 + 𝐷𝑥 𝛥𝑥 + 𝐷𝑧 𝛥𝑧 𝐶, = 𝑢 2𝛥𝑥 + 𝐷𝑥 𝛥𝑥 𝐶 , + + 𝑣 2𝛥𝑧+ 𝐷𝑧 𝛥𝑧 𝐶, + 1 2𝛥𝑡− 𝑢 , 𝑢 , 2𝛥𝑥 − 𝑣, 𝑣, 2𝛥𝑧 𝐶, − 𝐷𝑥 𝛥𝑥 + 𝐷𝑧 𝛥𝑧 𝐶, + + 𝐷𝑥 𝛥𝑥 + 𝑢 2𝛥𝑥 𝐶 , + 𝐷𝑧 𝛥𝑧 − 𝑣 2𝛥𝑧 𝐶, (3-11 ) Viết gọn lại, ta cú: 𝐴𝐶, = 𝐵𝐶 , + 𝐶𝐶, + 𝐷𝐶, + 𝐸𝐶, + 𝐹𝐶 , + 𝐺𝐶, (3-12) Trong đú: 𝐴 = + + ; 𝐵 = + ;
𝐶 = + ; 𝐷 = − 𝑢 − 𝑣 ; 𝐸 = − + ;
𝐹 = + ; 𝐺 = −
Giải phương trỡnh (3-12 ) bằng cỏc thuật toỏn số, chỳng ta cú thể tớnh toỏn sự biến thiờn của nồng độ chất ụ nhiễm C(x, y, z, t) theo cỏc phương x, z theo thời gian t. Trong nghiờn cứu này, thuật toỏn PTHH sau đõy được xõy dựng và cỏc cỳ phỏp lập trỡnh Matlab được sử dụng để thực hiện thuật toỏn được đề xuất.
Thuật toỏn PTHH: Tớnh toỏn nồng độ 𝐶, tại nỳt lưới i, j và thời gian n
Thụng số đầu vào: Nồng độ ban đầu 𝐶 ; 𝐷𝑥 = 𝐷𝑦, 𝐷𝑧, 𝑢 = 𝑣, 𝑤; Bước thời gian 𝛥𝑡; Gia số của lưới 𝛥𝑥 = 𝛥𝑦, 𝛥𝑧; Giới hạn trờn của gia số 𝑛 , 𝑛 , 𝑛 ;
Đầu ra: 𝐶,
Begin
// Initialization:
for𝑖 = 1to𝑛 do
for𝑗 = 1to 𝑛 do 𝐶, = 0end for end for
for𝑖 = 1to𝑛 do
for𝑡 = 1to𝑛 do 𝐶, = 0end for end for
for𝑗 = 1to𝑛 do
for 𝑡 = 1to𝑛 do
for𝑗 = 1to 𝑛 do 𝐶 , = 𝐶 end for
end for end for
// Calculating 𝐶, :
for𝑖 = 2to𝑛 − 1do for𝑗 = 2to𝑛 − 1do 𝐴𝐶, = 𝐵𝐶 , + 𝐶𝐶, + 𝐷𝐶, + 𝐸𝐶, + 𝐹𝐶 , + 𝐺𝐶, end for end for end for End
a. Kết quả mụ phỏng lan truyền kim loại nặng trong khụng gian 3D
Mụ hỡnh toỏn học, thuật toỏn và chương trỡnh mỏy tớnh (viết bằng ngụn ngữ lập trỡnh Matlab) xõy dựng đó được kiểm chứng nhiều lần với cỏc bộ dữ liệu lý thuyết để khảo sỏt, phõn tớch, mụ phỏng sự lan truyền cỏc chất ụ nhiễm trong cỏc lớp đất do sự lan truyền của nước rỉ rỏc.
Để cú kết quả đỏnh giỏ, thuật toỏn trờn được ỏp dụng để tớnh toỏn, mụ phỏng, dự bỏo sự lan truyền nồng độ kim loại nặng Asen trong cỏc lớp đất do nước rỉ rỏc từ bói chụn lấp Kiờu Kỵ, Gia Lõm.
Thực hiện nghiờn cứu sự lan truyền Asen tại bói chụn lấp Kiờu Kỵ, Gia Lõm bao gồm 2 bước chớnh được thực hiện như sau:
(1) Bước 1: Xỏc định nồng độ Asen tại khu vực ụ chụn lấp đó đúng trong BCL Kiờu Kỵ bằng nghiờn cứu thực nghiệm và phương phỏp thống kờ.
(2) Bước 2: Kết quả ở bước 1 được sử dụng làm giỏ trị đầu để thực hiện thuật toỏn tớnh toỏn nghiờn cứu mụ phỏng, dự bỏo sự lan truyền của Asen trong đất.
Như đó trỡnh bày trong phần 3.3, kết quả phõn tớch cỏc mẫu kim loại nặng trong mẫu đất khoan tại bói chụn lấp Kiờu Kỵ đó chỉ rừ: hàm lượng của một số kim loại nặng vượt quỏ QCVN 03-MT: 2015/BTNMT từ 1,5 đến 2 lần như As (28-30mg/kg), Cr (154- 294mg/kg) và Pb (77-134mg/kg). Đặc trưng đường cong phõn bố hàm lượng cỏc KLN trong đất theo độ sõu thỡ chiều sõu xõm nhập ụ nhiễm khoảng 4-5m.
Để dự bỏo sự lan truyền của cỏc kim loại nặng, trong nghiờn cứu này, nồng độ ban đầu của As được chọn là 𝐶 ≈ 30𝑚𝑔/𝑘𝑔, giỏ trị thống kờ thực nghiệm tại lỗ khoan L5 sỏt thành ụ chụn lấp tại vị trớ khoan 0,3 – 0,6 m so với đất bề mặt.
Cỏc tham số điều kiện biờn được lựa chọn như sau: 𝐶, = 0; 𝐶, = 0; 𝐶 , = 𝐶 , với j từ 1 đến 5. Vận tốc thấm theo cỏc phương được lựa chọn: u=v=w = 0,037 m/ngày = 1,11
m/ thỏng. Hệ số khuếch tỏn D= 0,00048 m2/ngày. Việc lựa chọn cỏc tham số cho mụ hỡnh tớnh toỏn dựa trờn một số kết quả nghiờn cứu đó cụng bố, Rowe [88].
Hỡnh 3.37 là kết quả tớnh toỏn và mụ phỏng sự thay đổi nồng độ asen theo phương thẳng đứng z (độ sõu) và phương nằm ngang x ở thỏng thứ 10. Như vậy cú thể thấy cỏc chất gõy ụ nhiễm lan truyền với nồng độ giảm dần theo cả cỏc phương dọc và ngang theo thời gian.
Hỡnh 3.37. Phõn bố nồng độ As ở thỏng thứ 10 theo phương X và Z
Cỏc đồ thị hỡnh 3.38a là kết quả mụ phỏng sự thay đổi nồng độ As theo độ sõu tại cỏc thỏng 2, 4, 6, 8. Điểm khảo sỏt cỏch điểm bắt đầu lan truyền 1,5m theo phương ngang. Ở thỏng thứ 8, nồng độ As khoảng 22,4 mg/kg tại độ sõu 3m. Theo kết quả tớnh toỏn này, tớnh đến thỏng thứ 8, cú thể dự bỏo As đó lan truyền tới độ sõu khoảng 6m.
Hỡnh 3.38b là cỏc đồ thị về sự thay đổi nồng độ As theo phương ngang được tớnh toỏn ở mặt phẳng độ sõu z=2m. Theo phương ngang As cũng lan truyền rất đỏng kể. Ở thỏng thứ 15, kể từ thời điểm nước rỉ rỏc cú chứa As bắt đầu lan truyền, nồng độ As được dự bỏo lan truyền được khoảng 8m theo phương ngang.
Hỡnh 3.38. (a) Sự thay đổi nồng độ asen theo Z và t. (b) Sự thay đổi nồng độ asen theo X và t (ở độ sõu Z = 2,0 m)
b. Thảo luận kết quả lan truyền theo mụ hỡnh 3D
Phõn bố hàm lượng KLN trong đất theo thời gian được tớnh toỏn dự bỏo theo mụ hỡnh 3D đề xuất đó thể hiện thụng tin rừ ràng như sau:
Tại bất cứ thời điểm nào đều cú thể ỏp dụng mụ hỡnh mụ phỏng 3D đó xõy dựng để tớnh toỏn hàm lượng lan truyền KLN. Thời gian càng lõu thỡ khả năng ụ nhiễm càng giảm nếu hàm lượng ban đầu là hằng số. Hỡnh 3.37 bờn trỏi thể hiện sự lan truyền hàm lượng ụ nhiễm As bằng màu sắc ở thỏng thứ 10 theo độ sõu (z) và phương ngang (x) với đơn vị là m. Hàm lượng chất ụ nhiễm KLN thay đổi theo màu sắc tương ứng với sự giảm dần theo cả 2 phương. Cỏc điểm trờn cựng đường đồng mức cú cựng nồng độ chất ụ nhiễm As. Vựng nằm phớa ngoài đường đồng mức ngoài cựng cú nồng độ chất ụ nhiễm khụng đỏng kể. Từ hỡnh ảnh cỏc đường đồng mức như trờn, tớnh đến thỏng thứ 10, nồng độ As hiện hữu ở độ sõu khoảng hơn 4m trong lũng đất; theo phương ngang, As cũng lan truyền xa khoảng trờn 4,5m tớnh từ tõm lan truyền.
Hỡnh 3.37 bờn phải biểu thị số liệu nồng độ As cụ thể trong khụng gian lũng đất, theo cỏc ụ (phần tử hữu hạn trong khụng gian). Chẳng hạn, ở độ sõu 1,5 đến 2m, 2,5m và 3 m giỏ trị hàm lượng phõn bố giảm dần tương ứng là 25,8mg/kg; 25,17 mg/kg; 19,87mg/kg và 16,85mg/kg. Khoảng giỏ trị dự bỏo được theo độ sõu từ 1,5m đến 3m là vượt quỏ qui chuẩn cho phộp khi so sỏnh với QCVN 03:2015/BTNMT về hàm lượng KLN trong đất. Xu hướng
biến thiờn của kết quả này cũng là đường cong đồng dạng với hàm lượng As khảo sỏt được khi khoan lấy mẫu tại lỗ khoan L5 (kết quả bảng 3.12).
Theo phương x ở khoảng cỏch 2,5m đến 3m hàm lượng As tớnh toỏn được là 16,22mg/kg, giỏ trị hàm lượng As ở khoảng cỏch này là cao hơn 15mg/kg theo qui định cho phộp của QCVN 03:2015. Kết quả này cũng hoàn toàn phự hợp với sự biến thiờn theo khoảng cỏch (giỏ trị hàm lượng As tại lỗ khoan L4) khi thực hiện khảo sỏt hàm lượng As bằng phương phỏp khoan lấy mẫu hiện trường tại bói chụn lấp CTR Kiờu Kỵ, Gia Lõm.
Cỏc kết quả thể hiện trờn hỡnh 3.37 cũng cho ta thấy vựng khụng gian ụ nhiễm theo phương x và z được chia ra theo cỏc mắt lưới ụ vuụng, mỗi ụ vuụng tương ứng với 1 giỏ trị hàm lượng cụ thể bằng con số theo phương ngang x, hàm lượng giảm dần từ 27,3mg/kg đến 21,65mg/kg tớnh từ vị trớ ban đầu xuất hiện hàm lượng tớnh toỏn ụ nhiễm sẽ lan ra khoảng cỏch 2,5m. Theo phương z hàm lượng As giảm từ 27,3mg/kg đến 16,75mg/kg từ độ sõu 0,5m đến hơn 3m. Trong vựng khụng gian này cỏc giỏ trị hàm lượng KLN As dự bỏo được là vượt qui chuẩn cho phộp QCVN 03:2015. Mụi trường đất bị ụ nhiễm với hàm lượng As ban đầu là hằng số (30mg/kg) thỡ phải sau khoảng cỏch 3m và sõu hơn 3,5m hàm lượng As sẽ giảm dần đến giỏ trị cho phộp của QCVN 03:2015, lỳc này mụi trường đất sẽ khụng cũn ụ nhiễm. Tuy nhiờn trờn thực tế, nguy cơ rũ rỉ nước rỉ rỏc từ bói chụn lấp đó đúng vụ cựng lớn, khú trỏnh khỏi hàm lượng KLN tăng lờn do lan truyền từ BCL bởi ụ chụn lấp bị hư hỏng lớp lút đỏy và thành ụ chụn lấp, bị thủng lớp che phủ cuối cựng, bị tắc nghẽn đường ống của hệ thống thu gom nước rỉ rỏc. Khi đú nước rỉ rỏc chứa KLN nặng bị rũ rỉ, bị rửa trụi lan truyền ra mụi trường và sau đú sẽ thấm, khuếch tỏn vào mụi trường đất.
Sự thay đổi hàm lượng As theo khụng gian và thời gian (cỏc thỏng khỏc nhau) thể hiện trờn hỡnh 3.38a và 3.38b. Hỡnh 3.38a là cỏc đồ thị mụ tả sự biến thiờn nồng độ As theo độ sõu (z) tương ứng với thỏng thứ 2, 4, 6, 8. Chẳng hạn, ở thỏng thứ 8, nồng độ As lan xuống độ sõu khoảng hơn 5m; tại độ sõu 3m, nồng độ As là khoảng 22,4mg/kg. Sau 4 thỏng hàm lượng As lan truyền tới đất ở độ sõu khoảng 2,5m. Tương tự ở thỏng thứ 6 của quỏ trỡnh tớnh toỏn, hàm lượng As trong đất được phỏt hiện tại độ sõu 3,5m. Như vậy, hàm lượng tớnh được tại vị trớ 3m ở thỏng thứ 8 vượt qui định cho phộp về ụ nhiễm KLN As trong đất khi so sỏnh với qui chuẩn QCVN 03:2015/BTNMT. Điều này cũng hoàn toàn phự hợp với kết quả khảo sỏt khi khoan lấy mẫu thực hiện tại hiện trường thỏng 4/2016 để xỏc định nguy cơ ụ nhiễm KLN trong đất tại bói chụn lấp Kiờu Kỵ, Gia Lõm.
Hỡnh 3.38b thể hiện sự lan truyền KLN theo phương ngang khi tớnh toỏn bằng mụ hỡnh mụ phỏng. Cỏc đồ thị là sự biến thiờn hàm lượng KLN As (ở mặt phẳng độ sõu 2m) theo
phương ngang (x) ở cỏc thỏng thứ 5, thỏng 8, thỏng 10, và thỏng 15. Ở thỏng thứ 5 hàm