• Lỗ khoan hút nước hoặc ép nước (Well)
Để mơ phỏng các lỗ khoan hút nước trên mơ hình, lưu lượng của các lỗ khoan trong ơ lưới được đặt là lưu lượng tổng cộng QWT. QWT chính là bằng tổng lưu lượng của các lỗ khoan đặt trong các tầng chứa nước khác nhau (Σ Qi,j,k) (McDonald và Harbaugh,1988). Lưu lượng đơn lẻ cho các tầng chứa nước khác nhau đó được tính như sau:
Qi,j,k = Ti,j,k (QWT/ΣTi,j,k) (15) Trong đó:
- Ti,j,k là hệ số dẫn nước của tầng chứa nước
- ΣTi,j,k là hệ số dẫn nước tổng cộng cho tất cả các lớp mà lỗ khoan khoan qua Tính hồn chỉnh hay khơng hồn chỉnh của lỗ khoan được mơ phỏng bằng việc xác định vị trí đoạn ống lọc nằm trong tầng chứa nước mà lỗ khoan có trong thực tế
Bán kính của lỗ khoan được mơ phỏng trên mơ hình lúc này sẽ là bán kính hiệu dụng re. Độ lớn của nó phụ thuộc vào kích thước của ơ lưới và xác định theo công thức sau: Tầng chứa nước hi,j,k Nguồn cấp có mực nước khơng đổi Q hb,i,j,k
Sức cản thấm (Cb,i,j,k) giữa nguồn và ô lưới i,j,k
re = 0.208a khi bước lưới đều a = ∆x = ∆y (16)
c, Môdul vận chuyển nước dưới đất (MT3D)
Mơdul MT3D có thể mơ phỏng cả 3 quá trình cơ bản của dịch chuyển chất đó là q trình đối lưu, phân tán và khuyếch tán. Do đặc thù của chất gây mặn chủ yếu là do hàm lượng Nacl trong nước cao. Mà hợp chất này lại ít chịu tác động (trơ) nên hồn tồn có thể mơ phỏng được bằng ứng dụng này. Do đặc thù của nhiễm mặn như vậy nên khi chạy mô phỏng chúng ta chỉ sử dụng modul tính tốn avection (đối lưu). Nguồn nhiễm mặn được xác định theo ranh giới 1 gam /lít, điều kiện ban đầu của bài tốn về dịng chảy được lấy theo mơ hình dịng đã được lập cho tồn vùng, về chất thì lấy theo bản đồ phân bố vùng mặn nhạt. Thời gian chạy chỉnh lý trong 1 năm và thời gian chạy dự báo trong 20 năm tính từ năm 2010 đến năm 2030.
1- Phương trình
Phương trình vi phân mơ phỏng hành vi và q trình dịch chuyển chất gây ô nhiễm (k) trong nước dưới đất, ba chiều 3-D, được viết như sau:
(17)
Trong đó:
- θ độ lỗ hổng (không thứ nguyên) - CkNồng độ chất ô nhiễm (k) ML-3 - t = thời gian, T
- xi, j = khoảng cách, tương ứng tọa độ Descartes trục (độ dài) - Dij = hệ số phân tán thủy động lực học, L2
T-1
- vi = vận tốc thấm nước (chảy tầng), LT-1; nó có liên quan đến lưu lượng bổ cập trong định luật Darcy, vi = qi/θ
- qs Tỷ lưu lượng trên một đơn vị khối lượng tầng chứa nước (+qs) lưu lượng cấp. (-qs) lưu lượng thoát T-1
- ΣRn = Phản ứng hóa học, ML-3T-1
Vế trái của phương trình 17 có thể triển khai thành
(18) Trong đó: qs′ = ∂θ /∂t là tỷ lệ thay đổi hệ số nhả nước (đơn vị T-1)
Từ phương trình 18, khi tính tốn về lượng vật chất thay đổi trong một phân tố dịng ngầm có kích thước dx.dy.dz và dựa trên định luật bảo tồn khối lượng, trong Modul MT3D nó được triển khai thành phuơng trình 19. Đây là phương trình vi phân mơ tả sự dịch chuyển của chất hịa tan trong tầng chứa nước được :
( ) ( ) ( ) t C C v x C v x C v x z C D z y C D y x C D x x y z x x x ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ − ∂ ∂ ∂ ∂ + ∂ ∂ ∂ ∂ + ∂ ∂ ∂ ∂ (19) Trong đó: Dx, Dy, Dz là các hệ số phân tán thủy động lực theo các phương x, y, z.
- C: nồng độ của chất hòa tan
- vx, vy, vzlà vận tốc thấm trung bình theo các phương x, y, z
Để xây dựng được chính xác mơ hình dịch chuyển chất hịa tan thì cần có những kiến thức cơ bản về lý thuyết vận chuyển khối lượng và Freeze và Cherry (1979), Dominico và Schwarts (1990) và Fetter (1993).
2- Các số liệu đầu vào của mơ hình dịch chuyển chất
Khi vào màn hình đầu vào MT3DMS lần đầu tiên, chương trình sẽ yêu cầu nhập đơn vị nồng độ chất hịa tan (mg/l hay µg/l).
a. Nồng độ ban đầu
MT3DMS cho phép thể hiện các dạng mơ hình dịch chuyển chất từ các vùng nguồn trong phạm vi mơ hình dịng chảy và khơng mơ phỏng sự dịch chuyển chất bẩn từ các ô đã được thiết lập là khơng hoạt động (inactive). Vì vậy, nếu các chất hịa tan lan truyền đến những ô được xác định là không hoạt động khi mơ phỏng, dịng chảy
nước dưới đất sẽ chảy qua nó nhưng khối lượng chất hịa tan sẽ được xác định là không đổi.
b. Điều kiện biên
Điều kiện biên trong MT3DMS cho phép thiết lập và thay đổi các điều kiện biên dịch chuyển, có những loại điều kiện biên của MT3DMS như sau:
- Nồng độ không đổi
Với dạng đầu vào của điều kiện biên dịch chuyển, nồng độ được xác định dọc theo đường biên và sẽ khơng biến đổi trong suốt q trình mơ phỏng. Đường biên nồng độ khơng đổi đóng vai trị như một nồng độ chất bẩn cung cấp khối lượng chất hòa tan cho phạm vi hoạt động, hoặc như một vùng thoát thu chất bẩn ra khỏi phạm vi hoạt động của mơ hình.
- Nồng độ từ nguồn cung cấp thấm
Giá trị nồng độ từ nguồn cung cấp thấm trong nước mưa hoặc nước mặt cung cấp vào tầng chứa nước.
- Nồng độ bốc hơi
Nồng độ chất hịa tan do q trình bốc hơi gây ra.
- Nguồn điểm
Khi dùng thiết lập nồng độ cho nguồn điểm nên nhớ là nguồn này chỉ có thể được ấn định cho các đường biên dòng chảy hiện có như điều kiện biên áp lực khơng đổi và biên sơng trong mơ hình dịng chảy.
c. Hệ số khuyếch tán thấm
Độ khuyếch tán theo chiều dọc phụ thuộc vào đặc tính của mỗi loại thành phần thạch học (có liên quan tới độ lỗ hổng), nó có xu hướng dịch chuyển lượng chất bẩn dọc theo đường vận động của nước. Khi tính tốn MT3D u cầu vào hệ số khuyếch tán thấm theo chiều ngang và hệ số khuyếch tán thấm theo chiều thẳng đứng, thơng thường trong mơ hình hay khi vẽ đồ thị nó được thẻ hiện bằng các tỷ lệ của hệ số
khuyếch tán thấm ngang theo thấm dọc. Cũng cần nhập các giá trị hệ số khuyếch tán phân tử vào tùy chọn thực đơn này. MT3D sẽ tính tốn hệ số khuyếch tán thủy động học cộng với hệ số khuyếch tán phân tử.
d. Các số liệu đầu vào của mơ hình số
Ngồi các số liệu đầu vào phục vụ cho việc chạy bài tốn dịng chảy để giải bài toán lan truyền vật chất cần thiết các số liệu đầu vào sau.
- Các thông số về độ lỗ hổng và hệ số phân tán dọc của các lớp của mơ hình. - Nồng độ ban đầu của nguồn bẩn cần tính tốn dự báo dịch chuyển
- Nồng độ trên biên cấp như :
+ Nồng độ của nguồn nước cấp cho nước dưới đất + Nồng độ trên các biên mực nước không đổi, biên sông. + Nồng độ trên các nguồn gây nhiễm bẩn.
e- Các số liệu đầu ra của mơ hình số
Kết quả mơ hình chỉ ra nồng độ vật chất ở các ơ tính tốn khác nhau ở các thời điểm khác nhau. Kết quả được thể hiện trên file số liệu dưới dạng bảng và trên bản đồ đường đẳng nồng độ.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Xây dựng và chỉnh lý mơ hình dịng ngầm
3.1.1. Sơ đồ hoá điều kiện ĐCTV để xây dựng mơ hình
Những tài liệu ban đầu để mơ hình hố là những tài liệu phản ảnh điều kiện tồn tại của NDĐ trong phạm vi vùng nghiên cứu. Chúng phản ảnh cấu tạo địa chất, các thông số ĐCTV, các ranh giới và điều kiện trên ranh giới, động thái của NDĐ trong điều kiện tự nhiên và điều kiện tự nhiên bị phá huỷ. Cơng tác mơ hình hố địi hỏi phải tổng hợp và hệ thống hoá tất cả các tài liệu ĐCTV, điều kiện tác dụng của dòng nước mặt với NDĐ. Những tài liệu này là cơ sở để xây dựng sơ đồ tính tốn của mơ hình, nó quyết định đến phương pháp và kết quả giải bài tốn chỉnh lý và tính tốn nhiễm mặn nước dưới đất.
Trên sơ đồ tính tốn của mơ hình thể hiện hình dạng khơng gian của miền thấm, điều kiện ranh giới và điều kiện ban đầu, chiều sâu mực nước ngầm và mực áp lực. Để phục vụ cơng tác sơ đồ hố tính tốn trên mơ hình, khi lập mơ hình dịng ngầm cho khu vực nghiên cứu đã mô tả chi tiết về điều kiện địa chất thủy văn, động thái cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến trữ lượng và điều kiện hình thành nước dưới đất.
a. Sơ đồ thực tế điều kiện ĐC-ĐCTV vùng lập mơ hình
Căn cứ vào các đặc điểm địa chất, địa chất thuỷ văn và mức độ nghiên cứu của khu vực, có thể phân chia ra các đơn vị ĐCTV từ trên xuống dưới như sau
-Tầng chứa nước lỗ hổng các trầm tích Holocen trên (qh2) -Các thành tạo nghèo nước Holocen dưới
-Tầng chứa nước lỗ hổng các trầm tích Holocen dưới (qh1) -Các thành tạo rất nghèo nước Pleistocen trên
-Tầng chứa nước lỗ hổng các trầm tích Pleistocen (qp)
b. Mơ hình hóa điều kiện địa chất thủy văn
Xuất phát từ phát từ sơ đồ điều kiện tự nhiên ĐCTV đã được sơ đồ hoá trên và các số liệu về các tầng chứa nước được mô phỏng lại bằng phần mềm Suffer. Với mục đích xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ thống các tầng chứa nước cũng như thấm nước yếu bao gồm miền cấp, miền vận động và miền thoát. Đủ điều kiện để chỉnh lý mơ hình dịng ngầm và mơ hình xâm nhập mặn. Từ đó đã lập được mơ hình các tầng chứa nước của vùng nghiên cứu và các vùng còn lại của tỉnh Nam Định bao gồm 5 lớp nước chi tiết như sau:
-Lớp 1: là lớp thấm nước yếu bề mặt.
-Lớp 2: là tầng chứa nước trong trầm tích Holocene (qh). -Lớp 3: là tầng thấm nước yếu Pleistocen
-Lớp 4: là tầng chứa nước trong trầm tích Pleistocene (qp).
-Lớp 5: là khoảnh chứa nước thuộc phức hệ chứa nước khe nứt - lỗ hổng trong trầm tích Neogen (n).
* Xây dựng và cập nhật dữ liệu đầu vào trên mơ hình
Từ nguồn tài liệu được thu thập, tổng hợp và đã được phân tích trên diện tích vùng nghiên cứu cùng tài liệu sau khi đã được sử lý và tính tốn bằng hệ thống các phần mềm như: GIS... Tiến hành cập nhật và xây dựng mơ hình trên phần mềm VisualModflow, các dữ liệu này đều được mơ phỏng trên mơ hình dưới dạng số.
a. Dữ liệu các yếu tố về địa hình:
Bản đồ địa hình được số hố và gán các thông tin trên cơ sở nền bản đồ địa hình tỉ lệ 1/50.000 và bản đồ DEM 50 bề mặt địa hình.
b. Dữ liệu các yếu tố về ĐC-ĐCTV
Dữ liệu về điều kiện ĐCTV bao gồm các tầng và phức hệ chứa nước, các thể cách nước. Trên cơ sở sơ đồ và các mặt cắt được thành lập, đã tiến hành phân chia ranh
giới thiết lập mơ hình khái niệm, xác định ranh giới điều kiện biên cho các tầng chứa nước trên bình diện và mặt cắt. Từ đó các bản đồ đẳng đáy của các tầng chứa nước và thấm nước yếu đã được thành lập. Nguyên tắc thành lập là trên cơ sở tài liệu phân tầng ĐC-ĐCTV của hầu hết các lỗ khoan đã thi cơng có trên địa bàn vùng nghiên cứu. Từ các bản đồ đẳng đáy mơ hình số nội suy bản đồ đẳng dày cho 4 lớp của mơ hình làm căn cứ để tính tốn và hiệu chỉnh thơng số trường thấm trên mơ hình.
Phân chia tính thấm của các tầng chứa nước từ số liệu thực tế bơm thí nghiệm của các lỗ khoan thuộc vùng nghiên cứu tóm lược như hình 16, 17:
-Tầng chứa nước qh ở vùng nghiên cứu được chia ra 4 khoảnh có hệ số thấm dao động trung bình 8 - 20 m/ng.
-Tầng chứa nước qp ở vùng nghiên cứu được chia ra 8 khoảnh có hệ số thấm dao động trung bình 10 - 40 m/ng.