intTypePromotion=1

Bài giảng Mô hình hóa môi trường: Chương 4 - GV. Trương Thị Thu Hương

Chia sẻ: Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

0
183
lượt xem
48
download

Bài giảng Mô hình hóa môi trường: Chương 4 - GV. Trương Thị Thu Hương

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Mô hình hóa môi trường - Chương 4: Mô hình hóa môi trường dưới đất, trình bày tổng quan về mô hình nước dưới đất, ví dụ về ứng dụng phần mềm Modflow và MT3DMS tính toán mô phỏng lan truyền nitơ trong nước dưới đất ở TP.HCM. Đây là tài liệu tham khảo dành cho sinh viên ngành Môi trường.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Mô hình hóa môi trường: Chương 4 - GV. Trương Thị Thu Hương

  1. 10-May-11 www.themegallery.com 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH NƯỚC DƯỚI ĐẤT Bài 4 Nước dưới đất là một loại khoáng sản lỏng, vì Chương 4 vậy chất lượng cũng như trữ lượng luôn có sự thay đổi. MÔ HÌNH HÓA MÔI Cần phải định lượng hóa và mô tả chính xác sự TRƯỜNG NƯỚC thay đổi đó để làm cơ sở cho các bài toán tính DƯỚI ĐẤT toán lan truyền chất ô nhiễm, trữ lượng, dòng chảy cũng như giúp cho công tác quản lý, quy hoạch nguồn tài nguyên này một cách hiệu quả GVGD: TRƯƠNG THỊ THU HƯƠNG LOGO Company Logo www.themegallery.com www.themegallery.com Việc khảo sát địa chất thủy văn phải mô tả được các đặc trưng sau: 1.1. Mô hình dòng chảy nước dưới đất - Qui mô và chiều dày của tầng chứa nước và cách nước. Mô hình dòng chảy nước dưới đất dùng để đánh - Các biên thủy lực kiểm soát tốc độ và hướng di chuyển giá tốc độ và hướng vận chuyển của nước dưới của nước dưới đất. đất thông qua các tầng chứa nước và lớp cách - Đặc tính thủy lực của tầng chứa nước và cách nước. nước dưới bề mặt. - Mô tả sự phân bố theo phương ngang và thẳng đứng của mực nước trong vùng nghiên cứu theo điều kiện ban Việc mô phỏng dòng chảy nước dưới đất đòi hỏi đầu, điều kiện ổn định và điều kiện không ổn định khi phải có hiểu biết sâu sắc về đặc tính thủy văn của mực nước thay đổi theo thời gian vùng nghiên cứu. - Sự phân bố và độ lớn của lượng nước được bổ cập; lưu lượng khai thác hoặc ép nước, tính thấm của nước… Company Logo Company Logo 1 http://www.iesemhui.org
  2. 10-May-11 www.themegallery.com www.themegallery.com 1.2. Mô hình lan truyền chất trong đất Mô hình lan truyền chất mô phỏng các quá trình sau: Để lập MH lan truyền chất cần bổ sung các thông tin sau: - Sự di chuyển của các chất nhiễm bẩn theo quá trình - Phân bố vận tốc nước dưới đất nằm ngang và thẳng đứng (hướng và độ lớn) do mô hình dòng chảy nước dưới đất đã được hiệu chỉnh tính toán. chuyển tải và khuếch tán, - Các điều kiện biên của chất tan. - Phân bố ban đầu của chất tan (điều kiện ban đầu). - Sự lan truyền và hòa tan các chất nhiễm bẩn bởi quá trình - Vị trí, lịch sử và khối lượng của nguồn hóa chất. chuyển tải. - Độ lỗ rỗng hữu hiệu. - Dung trọng tự nhiên. - Tỷ lệ C hữu cơ trong đất. - Sự loại bỏ hoặc giải thoát các chất nhiễm bẩn vào hoặc ra - Tỷ trọng của chất lỏng. khỏi trầm tích và đá bởi quá trình hấp thụ hoặc nhả. - Độ nhớt của chất lỏng. - Hệ số phân tán dọc và ngang. - Sự thay đổi hóa học của các chất nhiễm bẩn bởi các phản - Hệ số khuếch tán (phân tán). ứng hóa học bị kiểm soát bởi các quá trình sinh học hay - Tốc độ phân rã hóa học hay hằng số phân hủy. - Phương trình mô tả các quá trình biến đổi hóa học. các phản ứng hóa học. - Sự phân bố ban đầu của các chất hấp thụ điện tử. Company Logo Company Logo www.themegallery.com www.themegallery.com 1.3. Các khái niệm cơ bản và phương trình lan truyền chất 1.4. Phương trình lan truyền ô nhiễm ∂(θC k ) ∂  θD ∂C  ∂ (θv C k )+ qsCsk + ∑ Rn Quá trình khuếch tán k Là quá trình mà ion hay những phần tử hòa tan trong nước dịch = − chuyển từ vùng có nồng độ (hay hoạt tính hòa tan) cao hơn đến ∂t ∂xi  ij ∂x j  ∂xi i vùng có nồng độ thấp hơn.   (I) (II) (III) (IV) Quá trình chuyển tải Là quá trình nước dưới đất vận động mang theo các chất hòa tan (I) Nồng độ biến đổi của chất ô nhiễm k trong đơn vị thời gian t. Quá trình phân tán Là quá trình diễn ra khi các chất hòa tan đi qua môi trường lỗ rỗng. (II) Nồng độ biến đổi của chất ô nhiễm theo phương i và j Quá trình phân tán có tác động pha loãng và hạ thấp nồng độ chất do quá trình khuếch tán. hòa tan. (III) Nồng độ biến đổi của chất ô nhiễm theo phương i do quá trình đối lưu. (IV) Thành phần phụ và tổng các phản ứng hóa học. Company Logo Company Logo 2 http://www.iesemhui.org
  3. 10-May-11 www.themegallery.com www.themegallery.com Điều kiện ban đầu Với Phương trình tổng quát vận chuyển chất ô nhiễm mô tả sự thay đổi tức thời nồng độ các chất ô nhiễm trong nước ngầm. - θ: độ lỗ rỗng hữu hiệu (không thứ nguyên) - t: thời gian (T). Điều kiện ban đầu được viết như sau - xij: khoảng cách tương ứng dọc theo hệ trục tọa độ Decac C (x,y,z,t) = C0 (x,y,z) khi t = 0 - Dij: hệ số phân tán thủy động lực (L2T-1). - vi: vận tốc thấm hay vận tốc dòng chảy qua lỗ rỗng (LT-1). Nó liên quan tới vận tốc dòng chảy trong định luật Darcy: Với C0(x,y,z) là nồng độ đã biết trước q K ∂h vi = i = − i Điều kiện biên θ θ ∂xi qs: tỷ lệ lưu lượng thể tích cho mỗi đơn vị dung tích của tầng chứa Có ba điều kiện biên được đề cập trong mô hình lan truyền chất trong nước đại diện cho Sources (nguồn) và Sinks (vùng, bể) (T-1). nước dưới đất là: - Csk: nồng độ chất ô nhiễm thứ k chảy từ nguồn tự sinh và tự hoại • Nồng độ xác định dọc theo biên (điều kiện Dirichlet); (ML-3). • Nồng độ biến đổi xác định chảy qua biên tính toán (điều kiện - ΣRn: tổng các phản ứng hóa học (ML-3T-1). Neumenn); • Điều kiện hỗn hợp (kết hợp cả hai điều kiện trên). Company Logo Company Logo www.themegallery.com www.themegallery.com Điều kiện biên loại I Là điều kiện nồng độ được xác định dọc theo biên trong suốt thời gian Điều kiện biên loại III thiết lập mô hình. Đó là nồng độ được xác định trước và giá trị này Là điều kiện biên mà giá trị nồng độ dọc theo biên và nồng độ biến đổi không đổi trong suốt thời gian tính toán. Và được xác định như sau: chảy qua biên được xác định (điều kiện Cauchy). Và nó được mô tả C ( x, y , z , t ) = C ( x, y , z , t ) qua phương trình: Γ trên Γ, t ≥ 0 0 ∂C Với: Γ là biên xác định và C0 (x,y,z,t) là nồng độ ô nhiễm xác định dọc theo biên Γ θDij − qi C Γ = g i (x, y, z, t ) trên Γ, t ≥ 0 ∂x j Điều kiện biên loại II Với gi (x,y,z,t) là phương trình đại diện cho tổng dòng chảy (phân tán và Là điều kiện biên nồng độ chất hòa tan được xác định trước. Đó là các đối lưu) tới biên Γ. Với biên không thấm, thì cả dòng chảy phân tán và ô mà nồng độ chất hòa tan chảy qua biên được xác định trước trong đối lưu bằng không, nghĩa là gi (x,y,z,t) = 0. suốt bước thời gian tính toán, và nó được mô tả qua phương trình sau: Dòng chảy đối lưu chiếm ưu thế hơn so với dòng chảy phân tán, khi đó ∂C θDij = f i (x, y, z, t ), t ≥ 0 phương trình trên sẽ được đơn giản như sau: ∂x j Γ − qi C Γ = g i (x , y , z , t ) fi (x,y,z,t) là phương trình được xác định đại diện cho dòng chảy phân tán tới biên Γ. Phương trình này được tính toán dễ dàng trong mô hình vận chuyển chất ô Trường hợp không có dòng chảy phân tán thì nồng độ được xác định bằng không, nhiễm. nghĩa là fi (x,y,z.t) = 0. Company Logo Company Logo 3 http://www.iesemhui.org
  4. 10-May-11 www.themegallery.com www.themegallery.com Các điều kiện biên thực tế Các điều kiện biên thực tế (tt) Biên sông Biên tự nhiên địa chất Biên loại này được mô phỏng cho dòng chảy giữa tầng chứa nước và nguồn chứa nước thường là sông hay hồ... Trong điều kiện biên loại này thì nước ngầm có xu hướng di chuyển từ nơi có địa hình cao sang nơi có địa hình thấp, mà ở đó tầng địa chất phía dưới không có khả năng giữ nước và không thấm. Company Logo Company Logo www.themegallery.com www.themegallery.com Một số lưu ý - Phải có ít nhất một điều kiện biên mực nước tham chiếu. Ví dụ ứng dụng phần - Không chọn các biên nhân tạo quá gần diện tích NC mềm Modflow trong - Không phải tất cả các đối tượng nước mặt đều được xem là biên dòng chảy (ví dụ: nước ở tầng chứa nằm sâu dưới tính toán lan truyền đất sẽ chảy bên dưới đáy sông). - Mô hình nhiều lớp có thể đòi hỏi các biên khác nhau cho phèn - mặn trong đất ở từng lớp của mô hình Bến Lức- Long An Company Logo Company Logo 4 http://www.iesemhui.org
  5. 10-May-11 www.themegallery.com www.themegallery.com Các dữ liệu đầu vào của mô hình Tiến hành mô phỏng quá trình lan truyền phèn Đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu: xét các tầng đất – mặn trong đất theo không gian bằng mô hình khác nhau như tầng sét, tầng đất cát…(theo mẫu đất Velocity and Mass Flux Calculators phẫu diện) Đặc điểm thủy văn khu vực nghiên cứu: hệ thống Mô phỏng quá trình lan truyền phèn – mặn nước mặt với chế độ dòng chảy, lưu lượng dòng chảy trong đất theo thời gian bằng mô hình ntn… nước ngầm vơí độ sâu bao nhiêu, MODFLOW kết hợp MT3DMS Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu Company Logo Company Logo www.themegallery.com www.themegallery.com Cơ sở lý thuyết của mô hình Mô hình lý tính đất Ta có phương trình liên tục: Dòng chảy trong đất được xét trong hai đới: bão hòa và ∂θ ∂q không bão hòa: = − S (h) ∂t ∂z Trong vùng đất không bão hòa: dòng chảy theo Dòng chảy trong đất theo định luật Darcy phương thẳng đứng, chảy qua các khoang nhỏ. Dòng đối lưu được giới hạn trong khoang nhỏ. Trong trường ∂h q = −K ( + 1) hợp này không có sự trao đổi giữa các khoang lớn và ∂z khoang nhỏ. Với: q: dòng đối lưu (cm/phút) θ: độ ẩm thể tích đất (cm 3) Trong vùng đất bão hòa: dòng đối lưu được xem như S: lượng nước hút của rễ trên mỗi đơn vị thể tích của đất và trên chảy hoàn toàn trong khoang lớn. Dòng chảy trong đơn vị thời gian (cm3/cm3/phút) K: độ dẫn thủy lực hay hệ số thấm (cm/phút) khoang nhỏ do sự khuếch tán. h: thế hút nước của đất (cm) Các giá trị K, θ, S là hàm số của h trong đó: Company Logo Company Logo 5 http://www.iesemhui.org
  6. 10-May-11 www.themegallery.com www.themegallery.com Hàm tương quan giữa hệ số thấm và độ ẩm: Tính toán vận tốc dòng chảy trong đất Việc tính toán vận tốc dòng chảy trong đất cần 3 tập hợp dữ liệu vô Log (K(θ)) = bo + 0.4343 x b1 x Log (Se) hướng. Từ đó có thể tạo một tập hợp dữ liệu các vectơ mô tả vận tốc thẩm thấu trong đất. θ − θr Với: Se = Các tập hợp cơ sở dữ liệu đầu vào ở đây gồm thế hút nước của đất, θs − θr hệ số xốp và độ dẫn thủy lực hay hệ số thấm. Các tính toán dựa trên công thức định luật Darcy: Hàm tương quan giữa thế hút nước và độ ẩm: vd ki vs = = Log (h(θ)) = ao + 0.4343*a1*Log (θe/ θ) Trong đó: n n vs: vận tốc thẩm thấu vd: vận tốc Darcy Trong đó: n: hệ số xốp θ: độ ẩm tại điểm tính toán k: hệ số thấm θr: độ ẩm thường trú trong đất i: gradient thế hút nước của đất θs: độ ẩm bão hòa đất Company Logo Company Logo www.themegallery.com www.themegallery.com Tính toán vận tốc dòng chảy trong đất (tt) Trong mô hình 3 chiều, hàm này trở thành: Vận chuyển chất 2 chiều và sự thấm hút bề mặt v x   k xx k xy k xz   ∂h / ∂x Để kiểm tra khả năng của mô hình MT3DMS mô phỏng quá trình vận     v y  = − k yx k yy k yz  ∂h / ∂y  chuyển chất tan trong hệ thống 2 chiều khi có mặt sự phân hủy bậc nhất và sự thấm hút bề mặt tuyến tính. Hàm chủ đạo để giải quyết vấn v   k zx k zy k zz   ∂h / ∂z   z  đề này là (Zheng và Wang, 1999): Nếu giả sử kx = ky = kh và kz = (hệ số anis)*kh thì hàm này ∂C m ∂C im ∂ 2Cm ∂C được đơn giản thành: ∂h θ m Rm + θ im Rim = θm D − q m − λ m Rmθ m C m − λim Rimθ im Cim v x = −k h ∂t ∂t ∂x 2 ∂x v x  k h 0 0   ∂h / ∂x  ∂x    ∂h ∂Cim v y  = −  0 kh 0  ∂h / ∂y  Hoặc v y = −k h θ im Rim = ζ (C m − C im ) − λim Rimθ im C im ∂y ∂t v   0 0 k z   ∂h / ∂z   z ∂h v z = −k z ∂z Company Logo Company Logo 6 http://www.iesemhui.org
  7. 10-May-11 www.themegallery.com www.themegallery.com Trong đó: Mô hình vận chuyển và dòng chảy số được phát triển sử dụng là mô hình MODFLOW 2000 và MT3DMS. Cm và C im lần lượt là nồng độ chất hòa tan trong môi trường lưu động và không lưu động ; Mô hình bao gồm 101 cột, 101 dòng và 2 lớp, được sử dụng để so sánh sự hòa tan đối với điều kiện ban đầu và θm và θim lần lượt là hệ số xốp của môi trường lưu động và không điều kiện biên. lưu động, [vô hướng] ; Trong mô hình dòng chảy, cột đầu tiên và cuối cùng là λm và λim lần lượt là tốc độ phân hủy lần đầu tiên đối với pha lỏng các biên thế hút nước hằng số. Các thế hút nước bất kỳ di động và không di động ; được sử dụng để thiết lập gradient nước đồng nhất được yêu cầu. Rm và R im lần lượt là các nhân tố làm chậm đối với môi trường lưu động và không lưu động ; Trong mô hình vận chuyển, cột đầu tiên là biên nồng độ hằng số với nồng độ có liên quan của một biên. Cột cuối ξ là hệ số tốc độ vận chuyển chất bậc nhất giữa môi trường lưu động và không lưu động. cùng phải đủ xa từ nguồn đến 1 vùng dòng chảy 1 chiều nửa vô hạn khi được thực hiện trong quá trình hòa tan. Company Logo Company Logo www.themegallery.com www.themegallery.com Các thông số trong mô hình được sử dụng trong quá trình mô phỏng được liệt kê bên dưới Ø Độ rộng lưới theo dòng (∆x) = 10 m VÍ DỤ VỀ ỨNG DỤNG Ø Độ rộng lưới theo cột (∆y) = 1 m PHẦN MỀM MODFLOW VÀ Ø Độ dày lớp (∆z) = 1m Ø Lưu lượng (lưu lượng Darcy) (q) = 0,06 MT3DMS TÍNH TOÁN MÔ m/ngày Ø Sự phân tán theo chiều dọc = 10 m PHỎNG LAN TRUYỀN Ø Hệ số thấm của vùng lưu động (θm) = 0.2 Ø Hệ số thấm của vùng đứng yên (θim) = 0.05 NITƠ TRONG NƯỚC DƯỚI Ø Hệ số tốc độ vận chuyển chất giữa môi trường lưu động và đứng yên (ζ) = 10-3/ngày ĐẤT Ở TP.HCM Ø Khoảng thời gian bắt đầu (t0) = 90 ngày Ø Tổng thời gian mô phỏng (t) = 720 ngày Company Logo Company Logo 7 http://www.iesemhui.org
  8. 10-May-11 www.themegallery.com www.themegallery.com 1. Lưới và đường đẳng mực nước của mô hình Lưới tính được chia thành: 90 hàng x 90 cột tạo thành một hệ thống lưới hai chiều. Kích thước mỗi ô lưới của mô hình là: 1000 (m) x 1000 (m). (Những ô lưới không thuộc diện tích lập mô hình là những Lưới và ô không hoạt động). đường đẳng mực nước Lưới tính toán hai chiều: Dùng để nội suy các dữ liệu từ của mô hình các điểm rời rạc đến từng ô lưới và lưu dữ liệu thành từng tập tin phục vụ cho việc chuyển dữ liệu này vào lưới ba chiều. Company Logo Company Logo www.themegallery.com www.themegallery.com 2. Các lớp địa chất của TP. Hồ Chí Minh được sử dụng trong mô hình Hình ảnh lưới ba chiều của khu vực TP. Hồ Chí Minh Company Logo Company Logo 8 http://www.iesemhui.org
  9. 10-May-11 www.themegallery.com www.themegallery.com 3. Dữ liệu về thông số địa chất thủy văn xung quanh khu vực các bãi rác Hệ số thấm (Hydraulic conductivity) Hệ số thấm thấm ngang (Horizontal K) và hệ số thấm dọc (Vertical K) Dữ liệu về lượng bổ cập (Recharge package) Lượng bổ cập là lượng nước từ nhiều nhân tố khác nhau đi vào hệ thống nước dưới đất: mưa, lũ, úng ngập... Theo tính toán của các nhà chuyên môn thì lượng bổ cập không vượt quá 20% lượng mưa và phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là các yếu tố sau: Độ dốc địa hình, thành phần đất đá trong từng vùng tiếp nhận nước mưa và thảm thực vật. Company Logo Company Logo www.themegallery.com www.themegallery.com 4. Thiết lập và chạy MT3DMS Các bước thiết lập của mô hình: Bước 1: Thiết lập các lớp địa chất Trước khi chạy MT3DMS, cần phải thiết lập 3 lớp địa chất và bãi rác Phước Giá trị các thông Hiệp cho mô hình. số đầu vào của mô hình lớn TRPT: là tỷ số giữa độ phân tán theo phương ngang và phương dọc theo dòng chảy TRVT: là tỷ số giữa độ phân tán theo phương đứng và phương dọc theo dòng chảy Company Logo Company Logo 9 http://www.iesemhui.org
  10. 10-May-11 www.themegallery.com www.themegallery.com Thiết lập bãi rác: mở thuộc tính vùng (recharge rate và recharge Bước 2: Đưa dữ liệu GIS vào mô hình concentration). Chuyển file có đuôi (*shp) chứa dữ liệu thông tin địa lý (GIS) về bãi rác (đã xác định vị trí và tọa độ của bãi rác) vào mô hình. Company Logo Company Logo www.themegallery.com www.themegallery.com Bước 3: Bước 4: Thiết lập các dữ kiện cho MT3DMS. Gán giá trị cho các lớp gồm độ rỗng và hệ số phân tán theo phương dọc theo dòng chảy (porosity and longitudinal dispersion) Company Logo Company Logo 10 http://www.iesemhui.org
  11. 10-May-11 www.themegallery.com www.themegallery.com Bước 5: Bước 6: Gán giá trị thời gian nghiên cứu (ngày) và bước lặp tính toán (Length Chọn các dữ kiện tính toán (tải, phân tán,nguồn tự sinh/tự hoại, theo dõi và Max transport steps) lan truyền). Company Logo Company Logo www.themegallery.com Bước 7: Chọn chất ô nhiễm (N tổng) Bước 8: Lựa chọn bước xuất dữ liệu tính toán ô nhiễm theo thời gian Company Logo Company Logo 11 http://www.iesemhui.org
  12. 10-May-11 www.themegallery.com www.themegallery.com Bước 9: Bước 10: Gán giá trị cho hệ số phân tán cho các lớp 1, lớp 2 và lớp 3. Lựa chọn phương pháp để tính toán số hạng tải, sử dụng phương pháp biến phân bậc 3. Company Logo Company Logo www.themegallery.com www.themegallery.com Bước 11: Bước 12: Chuyển tất cả các dữ liệu đã thiết lập trên bản đồ vào Gán giá trị tốc độ bổ cập và nồng độ bổ cập cho các bãi rác (recharge rate và MT3DMS. recharge conconcentration) cho hai bãi rác. Company Logo Company Logo 12 http://www.iesemhui.org
  13. 10-May-11 www.themegallery.com www.themegallery.com Bước 13: Kết quả chạy MODFLOW: Cho ra đường đẳng mực nước cả Chạy thành phố. MODFLOW Company Logo Company Logo www.themegallery.com www.themegallery.com Kết quả chạy MT3DMS. Bước 14: Chạy MT3DMS Company Logo Company Logo 13 http://www.iesemhui.org
  14. 10-May-11 www.themegallery.com LOGO 14 http://www.iesemhui.org
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2