Tài liệu 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 tt

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