Bai giang CHUYỆN CHẤT ô NHIỄM đại học THỦY lợi

Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

CHƯƠNG 3

TỔNG QUAN VỀ CHẤT GÂY Ô NHIỄM
VÀ MÔ HÌNH VẬN CHUYỂN
Các mô hình thường được sử dụng để mô tả các hệ thống phức tạp hơn hoặc lớn hơn.
Các nhà khoa học và các kỹ sư sử dụng các mô hình để giúp hiểu một cái gì đó đã xảy ra
trong quá khứ thế nào hoặc để dự đoán điều gì sẽ xảy ra trong tương lai. Những mô hình này
có thể rất đơn giản hoặc rất phức tạp, phụ thuộc vào hệ thống đang được mô phỏng hoặc độ
chính xác mong muốn trong tính toán. Trong chương này, sẽ phát triển một số mô hình toán
học đơn giản để giới thiệu các phương pháp tiếp cận mô hình khoa học. Sau đó sẽ giải thích
cách thức biến đổi và các mô hình vận chuyển đã được phát triển, bắt đầu với các mô hình
tương đối đơn giản trình bày trong các chương sau và kết thúc với các phương pháp mô hình
được sử dụng bởi các nghiên cứu chuyên sâu về các hệ thống môi trường rất phức tạp. Cuối
cùng, sẽ xem xét các cách tiếp cận xây dựng mô hình tốt thế nào và sẽ làm gì với những kết
quả thu được từ các mô hình này.
3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HOÁ
3.1.1 Các cách giải đại số
Một mô hình tuyến tính là đơn giản và dễ hiểu nhất, vì thường có xu hướng nghĩ theo
một cách tuyến tính. Hình 3.1 cho thấy một biểu đồ thường được sử dụng trong hóa học để
hiệu chỉnh một dụng cụ. Dụng cụ đo nồng độ chất gây ô nhiễm cần cân chỉnh hàng ngày, thực
hiện bằng cách phân tích các dung dịch với nồng độ chất ô nhiễm đã biết. Dụng cụ này phản
ứng với các mức nồng độ đã biết khác nhau với một ký hiệu tương xứng. Những kết quả này
được tạo ra bởi sự tương tác của dụng cụ với mẫu, và chúng được thể hiện theo các đơn vị
như milivôn, truyền tải (một hàm hấp thụ), chiều cao đỉnh điểm, và khu vực cao điểm. Sử
dụng những dữ liệu này để thực hiện một đồ thị hiệu chỉnh như được biểu thị trong hình 3.1.
Vì vậy rút ra được một mối quan hệ tuyến tính (y = 10.0x + 0,05) giữa độ nhạy dụng cụ và
nồng độ và có thể sử dụng các dụng cụ để đo một dung dịch có chứa một chất gây ô nhiễm.
1

Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

Nếu dụng cụ sinh ra độ nhạy 65 đơn vị (như được hiển thị trên trục y) cho một mẫu, chúng ta
có thể theo dõi độ nhạy qua đường hiệu chỉnh và sau đó hạ xuống đường nồng độ và xác định
nồng độ chất ô nhiễm trong mẫu (6,49 mg/L trong ví dụ này). Đây là những phép đo được

Độ nhạy của dụng cụ đo

thực hiện bằng dụng cụ điển hình.

Nồng độ chất ô nhiễm (g/L)

Hình 3.1. Một mô hình hiệu chỉnh tuyến tính.
Khái niệm này có thể được mở rộng cho các hệ thống môi trường, nơi mà ta xem xét
tốc độ dòng chảy và thời gian chảy trong hệ thống. Nếu tốc độ dòng nước hay gió là 2,00 m/s,
sau đó chúng ta có thể tính toán rằng sẽ phải mất 10 giây để đi được 20,0 m. Mối quan hệ
tuyến tính là dễ hiểu, nhưng tiếc là nhiều quá trình môi trường là phi tuyến tính. Khi thảo luận
trong phần động học hóa học trong chương 1 và 2, nhiều quá trình là bậc nhất đối với tốc độ
phản ứng (một mối quan hệ phi tuyến). Các hình 3.2a và 3.2b cho thấy hai biểu đồ dạng mũ
phổ biến theo mô hình động học bậc nhất. Khi các giá trị nồng độ được chuyển đổi bằng cách
sử dụng một hàm log tự nhiên, một đồ thị tuyến tính của ln (C) theo thời gian đã thu được.
Tuy nhiên, không có cách nào đơn giản để chuyển đổi log trong các phương trình mô hình
hoá tương đối phức tạp hơn và tuyến tính hoá các kết quả đó. Cần xác định và giải các hàm
log và các đồ thị; các hàm này làm việc giống như các mô hình tuyến tính trong hình 3.1,
bằng cách cung cấp một phương trình có thể được dùng để dự đoán các nồng độ cho các mô
2


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

hình phi tuyến.
3.1.2 Mô hình hoá sử dụng các phương trình vi phân
Các mô hình được sử dụng để dự báo nồng độ các chất ô nhiễm trong môi trường dựa
vào dạng cơ bản của phương trình gọi là phương trình vi phân, dựa vào một tính toán cơ bản
đặc biệt sẽ thảo luận ngay sau đây. Trước tiên, điều quan trọng là cần chỉ ra sự phát triển hoàn
chỉnh của phương trình vận chuyển, để hiểu toàn bộ quá trình diễn ra trong hệ thống môi
trường. Để làm điều này sẽ sử dụng các kịch bản tức thời và bậc thang, đó là các hệ thống đơn
giản nhất sẽ trình bày trong cuốn sách này. Nó không phải là giới hạn để hiểu từng bước, đặc
biệt là nếu không thực hiện việc tính toán, hoặc các phương trình vi phân cụ thể. Mục tiêu là
trình bày toàn bộ quá trình phát triển của phương trình vận chuyển cơ bản.
Bước đầu tiên trong việc phát triển các phương trình cơ bản cho sự biến đổi của một
chất ô nhiễm trong một hệ thống hồ là để thiết lập một sự cân bằng khối lượng cho hệ thống.
Trước tiên, xác định số lượng tất cả các khối lượng nguồn ô nhiễm đi vào hệ thống. Điều này
có thể được biểu thị như

trong đó W là khối lượng chất gây ô nhiễm đi vào hồ theo đơn vị thời gian (kg/thời gian),
Qw là tốc độ dòng chảy của nước thải (m3/thời gian),
Cw là nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải (kg/m3),
Qi là tốc độ dòng chảy của sông chính (m3/thời gian),
Ci là nồng độ chất ô nhiễm ở sông đi vào chính (kg/m3),
Qtrib là tổng lưu lượng vào từ tất cả các nhánh sông khác (m3/thời gian),
Ctrib là tổng nồng độ chất gây ô nhiễm ở các sông nhánh (kg/m3),
P là lượng mưa hàng năm (m/ thời gian),
As là diện tích mặt hồ trung bình (m2),
Cp là tổng nồng độ chất ô nhiễm trong nước mưa (kg/m3),
V là thể tích hồ trung bình (m3),
và Cs là chất ô nhiễm trung bình thoát ra từ các trầm tích hồ nước lơ lửng (kg/m3 • thời
gian).
3

Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

Nồng độ chất ô nhiễm (g/L)

(a) Mô hình: y = Co – EXP (–kt)

Mô hình y = 100 – EXP (–0.75* thời gian))

Thời gian (ngày)

Nồng độ chất ô nhiễm (g/L)

(b) Mô hình: y = Co – CoEXP (–kt)

Mô hình y = 100 – (100*EXP (–0.75* thời gian))

Thời gian (ngày)

Hình 3.2. Hai mô hình mũ (bậc nhất) phổ biến
Trong hầu hết trường hợp, khối lượng đi vào từ các sông nhánh và mưa là nhỏ so với

4


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

nguồn vào quan trọng, và các số hạng Ctrib và Cp được bỏ qua. Chúng ta sẽ tiếp tục đơn giản
hóa các biểu thức khối lượng vào ở đây bằng cách giả thiết rằng sự đóng góp từ các trầm tích

bị ô nhiễm là không đáng kể, mặc dù điều này có thể không phải là trường hợp thường xuyên.
Những giả thiết đơn giản hóa các biểu thức đầu vào

Tiếp theo, để thiết lập một cân bằng khối lượng cho các chất gây ô nhiễm trên toàn bộ
hệ thống, chúng ta cần phải hợp nhất dòng chảy ra theo biểu thức. Phương trình cho lượng
dòng chảy từ hệ thống tương tự như phương trình đầu vào, nhưng chỉ với một cửa ra được
xem xét tổng quát hoá. Giả thiết rằng không có nguồn bổ sung chất ô nhiễm và sự phân huỷ
chất hoá học ta được hằng số tốc độ di chuyển chất gây ô nhiễm chất hóa học. Do đó, sự cân
bằng khối lượng sẽ trở thành
Sự thay đổi khối lượng = Khối lượng dòng vào – Khối lượng dòng ra
+ Các nguồn vào – Các nguồn ra

Hoặc

(3.1)

(3.2)

trong đó dC hoặc ∆C = sự thay đổi nồng độ chất ô nhiễm trong hồ,
dt hoặc ∆t là sự thay đổi gia tăng theo thời gian,
Qe là dòng ra hoặc dòng nước thải từ hồ (m3/thời gian),
Qw là lưu lượng chất thải ra hồ (m3/thời gian),
Qi là dòng vào hoặc dòng chảy đến từ hồ (m3/thời gian),
C là nồng độ trung bình của hồ (kg/m3),
và k là tốc độ khử bậc nhất của chất gây ô nhiễm (1/thời gian).
Lưu ý rằng khi đang xem xét những thay đổi về nồng độ và thời gian, ta phải sử dụng
một đại lượng điều khiển để chứng tỏ điều này. Đại lượng điều khiển là ký hiệu d hoặc ∆.
Phương trình (3.2), khi thay thế và sắp xếp lại, thu được

(3.3)

Sau khi rút gọn ta có

5


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

(3.4)
Trong đó Qe, k và V của hồ, và do đó số lượng (Qe + kV), được giả định là không đổi
(thường là hằng số hợp lý).
Thời gian lưu giữ trung bình (t0) của nước (và các chất gây ô nhiễm) trong hồ, từ thời
gian đi vào đến cửa ra, được định nghĩa là

(3.5)
Thay thế và sắp xếp lại vào phương trình trước ta được

(3.6)
Phương trình (3.6) là một phương trình vi phân tuyến tính bậc nhất (được chỉ ra bởi
dt/dC được gọi là đạo hàm của nồng độ C với thời gian t, và đại diện cho tốc độ thay đổi của
nồng độ theo thời gian). Nó thể hiện nồng độ chất ô nhiễm trong hồ thay đổi với thời gian như
thế nào để đáp ứng với thể tích hồ và các tốc độ của dòng chảy và sự phân huỷ của các chất ô
nhiễm. Kỹ thuật được sử dụng cho việc giải quyết phương trình này, đối với các hàm C(t),
phụ thuộc vào bản chất của các nguồn vào (tức thời / xung so với liên tục /bậc thang).
Phép tích phân cho Mô hình Nguồn chất gây ô nhiễm vào Tức thời (Xung).
Khi các nguồn vào theo thời gian từ tất cả các nguồn, W(t), bằng không, ta coi là một
nguồn vào tức thời. Trong trường hợp này, một nguồn vào tức thời được mô tả như là một
khối lượng hữu hạn chất gây ô nhiễm cho hồ. Như vậy, không có chất gây ô nhiễm thêm vào
theo thời gian, và W(t) bằng không. Ví dụ, việc phát tán các chất gây ô nhiễm do một tai nạn
tàu biển sẽ là một nguồn vào tức thời, như là sẽ một sự phát tán ngắn từ một tai nạn tàu biển
nằm trên hồ. Để giải phương trình này cho C(t), phải tích phân phương trình (3.6). Với các

điều kiện này, tích phân, sử dụng một kỹ thuật biến đổi Laplace với W = 0, thu được

(3.7)
Trong đó C0 là nồng độ chất ô nhiễm ban đầu. Phương trình này, cụ thể ở dạng thứ hai
ở trên, sẽ được sử dụng để mô phỏng nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian trong một hồ nước
6


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

nơi đã xảy ra một phát tán tức thời. Trước khi cố gắng giải thích kỹ thuật tích phân Laplace
phương trình này, đầu tiên sẽ xem xét mục đích tích phân.
Nhưng mục đích của việc đạo hàm phương trình này là gì? Khi có một phương trình
toán học liên quan đến một hàm không âm và tích phân nó, thường phát triển một cách tính
diện tích dưới đường cong hay hàm mà phương trình biểu thị. Một đồ thị của phương trình
tích phân (3.7) được thể hiện trong hình 3.3. Các quỹ đạo của đường cong là một lời giải
chính xác cho các phương trình cơ bản và đại diện cho nồng độ chất ô nhiễm tại một thời
điểm nhất định. Diện tích dưới đường cong là sự cân bằng khối lượng của hệ thống và đại
diện cho tổng khối lượng của chất gây ô nhiễm thoát ra khỏi hệ thống hồ như là một hàm của
thời gian.

Nồng độ (g/L)

Nguồn tức thời phát tán vào một hồ

Năm
Co = 12,25 mg/L

k = 5,776/năm

to = 5,56 năm

v = 250.000 m3
B = 5,956/năm

Hình 3.3. Kết quả cho một nguồn ô nhiễm tức thời vào một hệ thống hồ nước.
Vì vậy, một phép biến đổi Laplace là gì? Như đã lưu ý, đây là một dạng của phép tích
phân, ta có phương trình (3.6) và tìm được một hàm mã nguồn cho nó (một phương trình xác
định đường cong hoặc đường thẳng cho một đồ thị nồng độ như là hàm của thời gian).
Phương trình vi phân được sử dụng trong sự biến đổi và mô hình hóa vận chuyển là quá phức
tạp để giải quyết bằng cách sử dụng các kỹ thuật tích phân bình thường học trong tính toán.
7


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

Trong các phép tích phân bằng cách sử dụng các phép biến đổi Laplace, phương trình ban đầu
được đơn giản hoá đầu tiên bằng cách thay thế đại số để làm cho nó đơn giản – từ đây có
thuật ngữ phép biến đổi. Tiếp theo phương trình đơn giản hóa kết quả được tích phân bằng
cách sử dụng các kỹ thuật tính toán bình thường. Cuối cùng, một phép biến đổi ngược lại
được thực hiện trên phương trình, trong đó đơn giản hóa được đảo ngược và một dạng phức
tạp của các kết quả phương trình, nhưng toàn bộ phương trình hiện có đã được tích phân. Kỹ
thuật này đã có được phương trình cơ bản [Phương trình (3.7)] được sử dụng để tạo nên hình
3.3.
Phép tích phân cho Mô hình Nguồn chất gây ô nhiễm vào Liên tục (Bậc thang).
Bây giờ sẽ trở lại biểu thức (3.6) để suy ra một phương trình mô tả việc phát tán liên
tục của chất gây ô nhiễm vào một hồ. Loại phát tán này được biết đến như một nguồn vào liên
tục và một ví dụ sẽ được phát tán hằng số từ một nguồn công nghiệp (khối lượng không đổi
theo thời gian). Trong các điều kiện này, W(t) không phải bằng không (như giả thiết trong các
đạo hàm trước đó) và thông thường có nồng độ ban đầu của một số chất ô nhiễm trong hệ

thống hồ (như vậy C0 trong hồ không thể được coi là bằng không). Ở đây, tổng nồng độ chất ô
nhiễm trong hồ (và nước rời khỏi hồ theo dòng nước thải) là kết quả của hai nhóm đối lập: (1)
nồng độ giảm gây ra bởi "xả" của hồ qua dòng nước thải và do sự phân rã bậc nhất chất gây ô
nhiễm và (2) nồng độ chất ô nhiễm gia tăng do nguồn vào không đổi. Nếu tải lượng chất thải
là không đổi (chúng ta sẽ giả định như vậy), tích phân phương trình (3.6) (một lần nữa bằng
cách sử dụng một phép biến đổi Laplace) ta có

(3.8)
trong đó β = 1/(t0 + k) và C0 là nồng độ ban đầu của chất gây ô nhiễm trong hồ. Nếu
nồng độ ban đầu trong hồ là không đáng kể, phương trình suy biến thành

(3.9)
Phương trình (3.8) và (3.9) có thể được sử dụng để ước tính nồng độ chất ô nhiễm trong một
hồ nhận được một nguồn chất gây ô nhiễm vào liên tục. Đồ thị của phương trình cuối cùng
này được thể hiện trong hình 3.4, nơi dòng đại diện cho nồng độ chất ô nhiễm tại một thời
gian nhất định trong hồ và diện tích dưới đồ thị đại diện cho tổng khối lượng của chất gây ô

8


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

nhiễm ở trong dòng chảy ra.

Nồng độ (g/L)

Nguồn bậc thang phát tán vào một hồ

Năm

W = 50 kg/ngày

k = 5,776/năm

to = 5,56 năm

v = 250.000 m3

B = 5,956/năm
Hình 3.4. Kết quả đối với một nguồn vào bậc thang của chất ô nhiễm tới một hệ thống hồ .
Phương trình (3.7) được phân biệt với phương trình (3.8) và (3.9) bởi một điều kiện
biên riêng biệt. Trong ví dụ đầu tiên, nguồn vào tức thời, điều kiện biên là nồng độ chất gây ô
nhiễm đi từ cửa vào, cũng như toàn bộ các nguồn ô nhiễm vào theo thời gian, bằng không.
Đơn giản hóa phương trình này như đã nói trước đó. Trong ví dụ thứ hai, sự ô nhiễm vào hồ
tại một nguồn vào không đổi.
3.1.3 Phương pháp tiếp cận chung đối với các mô hình sử dụng trong bài giảng này
Các kỹ thuật phương trình vi phân đã được sử dụng để lấy đạo hàm tất cả các phương
trình cơ bản được đưa ra trong các chương mô hình tiếp theo, nó sẽ thể hiện sự thay đổi nồng
độ các chất ô nhiễm theo thời gian trong các hệ thống sông, hồ, nước ngầm và khí quyển. Nó
nằm ngoài phạm vi và ý định giới thiệu bài giảng nhằm trình bày nguồn gốc của những
phương trình này. Mục tiêu là trình bày việc sử dụng các phương trình và tìm hiểu những
thông số mô hình ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm. Như vậy, trong các chương sau sẽ chỉ
9


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

cung cấp phương trình cơ bản, và dự định cung cấp cho bạn một dạng rút gọn những phương
trình này thu được như thế nào.
Nhưng thực tế thế nào là cách giải phương trình vi phân để xây dựng mô hình? Đối

với các hệ thống đơn giản mà bạn chỉ dựa vào sự hiểu biết cơ bản, các phương pháp giải này
cũng tốt. Tuy nhiên, công nghiệp, chính phủ, và công chúng đòi hỏi ngày càng phức tạp hơn
nữa (và đôi khi chính xác hơn) của hệ thống môi trường được mô phỏng. Vì vậy, các phương
pháp phức tạp hơn đã được phát triển, và được sử dụng bởi các chuyên gia. Tuy nhiên, nên
lưu ý rằng các phương pháp này dựa trên cùng các quá trình hóa học và vật lý và phương trình
liên quan đã được sử dụng trong các ví dụ nêu trên. Sự khác biệt là trong đó sẽ giữ các thông
số như vận tốc nước hoặc không khí, các hệ số phân chia hay phân phối, và tỷ lệ phân rã động
không đổi trong các phương trình cơ bản được sử dụng trong các chương sau, các chuyên gia
sử dụng mô hình hóa những nỗ lực có thể cho phép các thông số này thay đổi theo vị trí và
thời gian trong hệ thống. Kỹ thuật này được sử dụng bởi các chuyên gia, các phương pháp
phân tích số, là chủ đề của phần tiếp theo.
3.1.4 Các phương pháp phân tích số
Không giống như trong phương pháp phương trình vi phân, ở đây tìm được một lời
giải cho phương trình (3.6), trong các phương pháp số không có phương trình cơ bản. Ở đây
lời giải cho vấn đề này bằng cách tính toán đơn giản các nồng độ trên toàn hệ thống với cùng
một điều kiện biên và/ hoặc dựa trên một vài nồng độ đã biết tại các điểm được xác định trong
hệ thống. Hai phương pháp phân tích số phổ biến là phần tử hữu hạn và phương pháp sai phân
hữu hạn. Từng vấn đề này sẽ được thảo luận sau.
Trước tiên thảo luận về phương pháp sai phân hữu hạn. Bắt đầu bằng cách chia lưới
trên toàn hệ thống nghiên cứu, chẳng hạn như trong hình 3.5. Mỗi điểm góc của lưới hình
vuông, được gọi là một điểm nút, được đại diện bởi một toạ độ x và y, và có thể có một
phương trình duy nhất để tính nồng độ chất ô nhiễm. Diện tích bề mặt đại diện bởi ô lưới
được xác định có tính đồng nhất như nước hoặc không khí, vận tốc nước hoặc không khí, sự
hoà tan, hệ số phân phối chất gây ô nhiễm, và như vậy, nhưng các điểm nút khác nhau có thể
có các giá trị các thông số này khác nhau. Điều này cho phép miêu tả toán học thực tế hơn của
các hệ thống môi trường thực. Mục tiêu của phân tích số là tính toán các nồng độ chất gây ô
nhiễm cho mỗi nút, nằm ở trung tâm của bốn điểm nút (thể hiện trong các ô lưới phần tử nút
phía trên bên phải). Cần lưu ý rằng Hình 3.5 là một mô tả được đơn giản hóa và mô h́ nh hoá
một hệ thống môi trường thực có thể có hàng trăm đến hàng ngàn điểm nút lưới phần tử.
10

Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

Điểm
nút

Nút khối
trung tâm
(điểm tính toán)

Hình 3.5. Minh hoạ phương pháp sai phân để ước lượng các nồng độ chất ô nhiễm.
Trở lại với ví dụ hệ thống hồ cho thảo luận sau đây, nhưng bây giờ không giả định
rằng sự pha trộn là không đổi trên toàn hồ, như là cần thiết trong các việc giải phương trình vi
phân. Nước có thể đi vào hồ tại điểm (1, 1) và ra khỏi tại điểm (5, 5). Ô lưới bao phủ lên trên
sơ đồ của hồ và các điều kiện biên thích hợp được áp dụng. Đối với các mục đích đơn giản
hóa, giả thiết rằng hồ đang xem xét tương ứng với các điểm nút lưới ô vuông.
Mong muốn dự báo nồng độ chất ô nhiễm tại các điểm được khoanh tròn, điểm nút (1,
4), (2, 2), (3, 5), và (4, 3). Phương pháp được sử dụng trong các phương trình vi phân, trong
đó chúng ta tích phân và thu được một phương trình lời giải tổng quát, sẽ không làm ở đây,
khi sự pha trộn là khác nhau tại mỗi nút. Để giải phương trình bằng cách sử dụng các phép sai
phân hữu hạn, sử dụng trực tiếp phương trình (3.6). Vì mỗi ô lưới phần tử có thể có một giá trị
duy nhất theo phương trình (3.6) cho một mức độ pha trộn khác nhau, sẽ tính toán nồng độ
của mỗi nút (giữa mỗi phần tử nút). Đây là một quá trình lặp đi lặp lại điều chỉnh bởi một
hoặc nhiều điều kiện biên. Trong trường hợp này, điều kiện biên là tổng khối lượng chất ô
nhiễm đã biết đi vào hệ thống. Sau khi máy tính chạy phương pháp sai phân hữu hạn hoàn
thành một bộ tính toán của mỗi nút, nó có thể tăng thêm khối lượng trong hệ thống và xem có
phù hợp với tổng khối lượng đầu vào đã biết. Nếu không, phương pháp này làm cho điều

11

Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

chỉnh các phương trình (trong trường hợp pha trộn này) và tính toán lại toàn bộ lưới phần tử.
Lặp đi lặp lại quá trình này cho đến khi một cân bằng khối lượng chấp nhận được đạt được.
Hoàn thành quá trình này sẽ thu được các nồng độ chất gây ô nhiễm cho mỗi nút trong hệ
thống.

Hình 3.6 Minh hoạ phương pháp phần tử hữu hạn để ước tính nồng độ chất ô nhiễm.
Phương pháp phần tử hữu hạn khác với phương pháp sai phân hữu hạn trong đó, ở
phần tử hữu hạn, chức năng nội suy được sử dụng để xác định nồng độ trong suốt miền của
mỗi tam giác thay vì tại một thời điểm, như trong các phương pháp sai phân hữu hạn. Hình
3.6 thể hiện một mạng lưới phần tử hữu hạn, tương tự như các mạng lưới sai phân hữu hạn
được sử dụng trong hình 3.5. Một lưới tam giác được sử dụng trong hình 3.6, nhưng lưới hình
vuông hoặc hình chữ nhật cũng có thể được sử dụng. Một lần nữa, phương trình (3.6) được
lặp lại trên toàn lưới phần tử cho đến khi một cân bằng khối lượng chấp nhận được đạt được.
Vì thế phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng nhiều hơn so với phương pháp sai phân
hữu hạn trong việc mô hình hóa sự biến đổi và vận chuyển chất ô nhiễm.
Cần lưu ý rằng tất cả các kỹ thuật mô hình hóa phải được kiểm định với các nồng độ
chất ô nhiễm được đo đạc ngoài hiện trường. So sánh lời giải của các phương trình vi phân và
12


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

các phương pháp số được thể hiện trong hình 3.7. Như đã nói, nếu các kết quả mô hình không
phù hợp với số liệu đo đạc hiện trường, có thể cần điều chỉnh mô hình cơ bản để mô hình hoá
một hệ thống được thành công.
3.2 CHẤT LƯỢNG CÁC KẾT QUẢ MÔ HÌNH HOÁ

Vì vậy, thế nào là kết quả mô hình điển hình tốt? Thông trường, điều này phụ thuộc
vào một số yếu tố, chẳng hạn như làm thế nào mô hình của bạn tương tự hệ thống nghiên cứu
thực tế, sự hiệu chỉnh như thế nào, cố gắng để dự báo, và thời gian ngoại suy trong tương lai.
Quan trọng nhất, nó phụ thuộc vào người được hỏi và trả lời câu hỏi.

Mô hình toán
(nhóm các phương trình vi phân)
Các phương trình
vi phân

Kỹ thuật
tính toán

Các phương
pháp số

Mô hình lặp hoặc các
thông số mô hình nếu
có sai khác đáng kể

Các phương pháp
lặp dựa trên số liệu

Lời giải gần đúng

Lời giải giải tích

So sánh
chuỗi kết quả

Hình 3.7. So sánh khái niệm của các phương pháp phương trình vi phân và phương pháp số.
Ví dụ, một số người lập mô hình sẽ bảo vệ dự báo của họ cho đến cùng, vì có thể bảo
vệ bằng mô hình vật lý sau những mô hình toán học. Tuy nhiên, điều quan trọng để phân biệt
thực tế (hệ thống môi trường) từ mô hình (một phương trình toán học). Không có gì lạ khi
nghe một nhà xây dựng mô hình nói rằng các kết quả hiện trường là sai bởi vì "chúng không
13


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

phù hợp với kết quả mô hình của tôi!". Điều đó nên cẩn thận khi làm việc với những người
lập mô hình .
Một trong các tác giả của cuốn sách (Dunnivant) một lần đã trình bày một dự án quan
trắc hiện trường chính cho một nhóm các nhà mô hình. Hệ thống được nghiên cứu là một hệ
thống nước ngầm không được đặc trưng hoá, bị gián đoạn cao, không bão hòa, cố gắng thu
thập dữ liệu để ước tính phân tán (pha trộn) ước lượng cụ thể cho một khu vực chất thải độc
hại lớn nằm gần đó. Trong câu hỏi và trả lời trình bày sau đó, một nhà mô hình hỏi tại sao
lãng phí quá nhiều tiền bạc để tiến hành một thí nghiệm và đo nồng độ chất ô nhiễm và sự pha
trộn khi một nhà xây dựng mô hình có thể dễ dàng thực hiện bằng một mô hình để dự báo kết
quả. Câu trả lời, là mô hình xác nhận/ hiệu chỉnh. Không có mô hình bất kỳ nào có giá trị, trừ
khi dựa vào các số liệu thực nghiệm hoặc được kiểm chứng với các số liệu thực nghiệm.
Một nguyên lý nói rằng câu trả lời đơn giản nhất thường là tốt nhất. Thật không may,
điều này hiếm khi được áp dụng cho các phương trình trong các hệ thống môi trường mô hình
hoá. Bởi bản chất của các hệ thống môi trường là rất phức tạp, và sự chính xác của những nỗ
lực thử nghiệm và mô hình để mô tả sự phân tán trong các hệ thống này là yếu nhất. Như vậy,
các mô hình cần phải được làm phức tạp như hệ thống đang được mô hình hóa. Các dự báo
mô hình (giải thích mô hình hóa từ Chương 1) luôn luôn được so sánh với số liệu thực
nghiệm, và phủ chồng lên của hai tập hợp dữ liệu sẽ hiển thị sự nhất quán. Đối với mô hình
dự báo, tiếc là không có cách nào để đánh giá chính xác, ngoại trừ việc chờ đợi và hãy để thời
gian đánh giá những nỗ lực của người làm mô hình. Trong mỗi phần kết thúc của những

chương mô hình hoá sau đây, sẽ thảo luận về những hạn chế của các phương trình mô hình
hoá. Điều này hy vọng cho người đọc để biết được để đặt câu hỏi về xây dựng mô hình và làm
thế nào để đánh các giá kết quả mô hình của họ.
3.3 CẦN LÀM GÌ VỚI NHỮNG KẾT QUẢ MÔ HÌNH HOÁ
Như đã đề cập đến trong Chương 1, mục đích của việc xác định chất gây ô nhiễm,
phân tích thí nghiệm các mẫu hiện trường và mô hình hóa sự biến đổi và vận chuyển là cung
cấp các dữ liệu để sử dụng trong đánh giá rủi ro và phân tích trực tiếp. Nếu không thì tại sao
cần làm tất cả công việc này?
Ngày nay, việc đánh giá rủi ro (và kinh tế) dẫn đến nỗ lực xử lý mọi chất thải nguy
hại. Các dự báo sử dụng trong các nỗ lực này dựa trên các mô hình áp dụng quan trắc các hóa
chất và các nguyên tắc vật lý vào các vùng được đánh giá, để dự đoán nồng độ các chất ô

14


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

nhiễm trong tương lai tại các địa điểm khác nhau trong hệ thống.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Burden, R. L. and J. D. Faires. Numerical Analysis, 5th edition, PWS-Kent Publishing
Company, Boston,1993.
Ross, S. L. Introduction to Ordinary Differential Equations, 3rd edition, John Wiley & Sons,
New York,1980.
Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia, 5th edition, D. M. Considine, ed; Van Nostrand,
New York, 1976.
Wang, H. F. and M. P. Anderson. Introduction to Groundwater Modeling: Finite Difference
and Finite Element Methods, W. H. Freeman, San Francisco, 1982.

15

CHƯƠNG 5
VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT Ô NHIỄM
TRONG HỒ VÀ HỒ CHỨA
TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU: HỒ ONONDAGA

Hồ Onondaga nằm ở phía bắc của thành phố Syracuse ở Bang New York. Hồ này có
diện tích bề mặt 11,9 km2 (4,6 dặm vuông) và tiếp nhận nước từ một lưu vực tiêu 648 km2
(248 dặm vuông). Trong cuối những năm 1880 và đầu những năm 1900, hồ Onondaga là một
khu du lịch vui chơi giải trí được yêu thích dành cho các công dân của Syracuse, nhưng khi
thành phố phát triển và công nghiệp hóa phát triển hơn, hồ nước ngày càng ô nhiễm. Từ khi
Syracuse được thành lập, thành phố trực tiếp đổ nước thải xuống hồ. Năm 1884, Công ty
Solvay Process bắt đầu việc sản xuất soda khan và muối (clorua, natri và canxi) nồng độ cao
được phát tán trực tiếp vào hồ. Hoạt động bơi lội đã bị cấm trong hồ vào năm 1940, chủ yếu
là do vấn đề sức khỏe liên quan đến nước thải. Năm 1946, Liên doanh Allied-Signal bắt đầu
sản xuất clo bằng cách sử dụng chế tạo pin thủy ngân và trực tiếp xả chất thải thủy ngân vào
hồ. Năm 1970, việc câu cá đã bị cấm do ô nhiễm thủy ngân. Theo kết quả của những sự kiện ô
nhiễm không kiểm soát được, các bước được thực hiện để dần dần nâng cao chất lượng nước
trong hồ.
Thành phố Syracuse dần dần nâng cấp các cơ sở xử lý nước thải của mình bằng cách
lắp đặt hệ thống xử lý sơ cấp trong năm 1925, xây dựng cơ sở xử lý nước thải METRO năm
1960, và nâng cấp METRO để xử lý cấp hai và cấp ba vào năm 1979. Năm 1977, AlliedSignal đóng cửa một nhà máy sản xuất benzen clo và dây truyền sản xuất clo. Năm 1986, hoạt
động sản xuất soda khan bị đóng cửa. Năm 1995, hồ Onondaga đã được đưa vào Danh sách
Ưu tiên Liên bang Federal Superfund National. Trong những năm gần đây, những nỗ lực phục
hồi đã được quy hoạch nhưng chỉ có ít hành động trực tiếp được thực hiện, ngoài việc hạn
dòng chất gây ô nhiễm đi vào hồ, tiến hành các nghiên cứu, và lập kế hoạch cho tương lai. Ví
dụ, năm 1990 Hội nghị Quản lý hồ Onondaga đã bắt đầu nghiên cứu và đã lập kế hoạch các
dự án khắc phục. Năm 1992, Quân đoàn kỹ sư đã hoàn tất Báo cáo Kỹ thuật Nước hồ
Onondaga, đưa ra các giải pháp có thể khắc phục hồ. Năm 1994, các dự án phục hồi môi
trường sống thủy sản bắt đầu. Năm 1996, Allied-Signal bắt đầu Điều tra Khắc phục hậu quả

và Nghiên cứu Khả thi cho hồ. Thậm chí với tất cả những nỗ lực khắc phục hậu quả quy
hoạch, hồ Onondaga vẫn được hầu hết các nhà môi trường xem như hồ bị ô nhiễm nhất tại
Hoa Kỳ
1


Kết quả của sự phát tán chất ô nhiễm trước đây là gì và có thể làm được gì để khắc
phục hồ? Các chất gây ô nhiễm chính bao gồm (1) nước thải chứa các chất dinh dưỡng như
phốt pho, amoniac, nitrite và nhiều vi khuẩn có hại, (2) độ đục trong hồ có nguyên nhân từ sự
tăng trưởng của vi sinh vật vượt quá mức do dư thừa chất dinh dưỡng trong hồ, (3) độ mặn
cao từ việc sản xuất soda khan và (4) thủy ngân từ các cơ sở sản xuất clo.
Với thời gian thích hợp và lưu lượng đủ qua các hồ, lượng nước thải có thể được lấy ra
từ một hệ thống hồ nước. Trong các hệ thống dòng chảy thấp như hồ Onondaga, chất dinh
dưỡng chủ yếu được tái tạo trong hồ trong sự phân tầng mùa hè và mùa thu (điều đó sẽ học
trong chương này). Một số chất dinh dưỡng được loại bỏ rất chậm nhờ vùi lấp trong các trầm
tích hồ. Tuy nhiên, các chất dinh dưỡng hòa tan như amoniac, nitrit, và nitrat rất khó để loại
bỏ bởi bất kỳ quá trình nào.
Các nguy cơ sức khỏe lớn nhất đến từ thủy ngân được thải vào hồ. Nó đã được ước
tính có 165.000 pao thủy ngân đã được xả vào hồ giữa năm 1946 và 1970. Từ các kim loại
không phân hủy, tất cả thủy ngân vẫn còn hiện diện trong hồ và sẽ ở lại trong hồ, trừ khi các
hành động khắc phục hậu quả trực tiếp và tốn kém được thực hiện (như nạo vét hoặc chôn lấp
tự nhiên bằng cách lắng đọng trầm tích, sẽ được thảo luận trong chương này). Đây là một quá
trình phổ biến trong các hệ thống hồ và thủy ngân đã được chôn vùi trong các trầm tích hồ của
Hồ Onondaga đã trải qua methyl hóa bởi các vi khuẩn và đã được tích tụ sinh học trong nhiều
loài cá. Vì thế đã có lệnh cấm đánh bắt cá và ăn cá từ hồ.
Một loạt các nỗ lực làm sạch đang được tiến hành cho Hồ Onondaga, và chất lượng
nước đã được cải thiện đáng kể từ những năm 1970. Việc đánh bắt và thả cá đã được phục hồi
vào năm 1986. Các cơ quan và các nhóm lợi ích công cộng đã đồng ý về tám mục tiêu cho Hồ
Onondaga. Chúng bao gồm”
1. Phát triển một mô hình hiện tượng phú dưỡng cho sông Seneca

2. Phát triển một mô hình năng suất hồ
3. Phát triển một mô hình thủy động lực cho các cửa ra hồ
4. Kinh phí của các nghiên cứu về việc xả các chất dinh dưỡng và các chất độc hại từ các
trầm tích hồ theo sự thay đổi các nồng độ oxy hòa tan
5. Thiết lập một chương trình chất lượng nước cơ bản dài hạn
6. Soạn thảo một quy hoạch nguồn ô nhiễm không tập trung đô thị / ngoại thành
7. Soạn thảo một quy hoạch quản lý thủy sản và động vật hoang dã
Phát triển một dự án trình diễn các thao tác cấu trúc môi trường sống vùng ven biển;
dự án cho thấy đê chắn và làn sóng phá vỡ có thể làm tăng đáng kể sự sống thực vật, tăng
trưởng và sự đa dạng và những môi trường sống này cũng tăng tỷ lệ sống của cá con
2


Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu các quá trình vật lý và hóa học để giải thích sự
biến đổi và vận chuyển các chất ô nhiễm trong các hệ thống hồ như Hồ Onondaga. Trước tiên,
sẽ xem xét sự hình thành, lịch sử địa chất và lịch sử theo mùa của các hồ. Sau đó sẽ tập trung
vào sự vận chuyển, bởi khái niệm và sự mô tả toán học các quá trình pha trộn và các phản ứng
hóa học cụ thể cho hồ. Sẽ xem xét hai mô hình cơ bản cho việc dự báo sự vận chuyển các chất
ô nhiễm trong các hồ, dựa trên các nguồn vào tức thời và liên tục. Cuối cùng, sẽ xem xét một
số giải pháp để khắc phục một hồ sau khi đã xảy ra hiện tượng ô nhiễm và quan trọng nhất là
sẽ tìm hiểu những hạn chế của việc thực sự có thể làm gì để trả lại hồ với điều kiện nguyên
sơ.
Thông tin về hồ Onondaga được thu thập từ các trang web Onondaga Lake Partnership
().
5.1 GIỚI THIỆU
Nước mặt nội địa bao phủ nhỏ hơn 2% bề mặt của Trái đất và chỉ chiếm ít hơn khoảng
1% lượng nước ngọt trên trái đất. Trong khi điều này dường như là một tỷ lệ nhỏ, các hồ là
đặc trưng ở các vùng ôn đới và cận Bắc Cực của Bắc bán cầu. Hồ là một nơi được sử dụng để
vui chơi giải trí và cũng là nguồn cung cấp thực phẩm, chất lượng của nước trong các hệ
thống này là vô cùng quan trọng đối với người dân địa phương và nền kinh tế. Như đã thấy

trong ví dụ sự tích tụ sinh học, một nồng độ rất nhỏ chất ô nhiễm trong nước có thể dẫn đến
nồng độ chất ô nhiễm đáng kể và đe dọa sức khỏe trong sinh vật sống trong, trên, hoặc gần
một khối nước bị ô nhiễm. Trong chương này, sẽ xem xét các loại hồ và cách thức chúng được
hình thành, các nguồn chất gây ô nhiễm đi vào cụ thể cho các khối nước bề mặt, bản chất hóa
học của hồ phụ thuộc mùa và điều này ảnh hưởng đến các phản ứng chuyển hóa chất gây ô
nhiễm như thế nào, sự biến đổi tức thời và liên tục, mô hình vận chuyển cho các hồ, những
hạn chế của các mô hình tương đối đơn giản và các biện pháp khắc phục hồ bị ô nhiễm.
Hồ là một khối nước tự nhiên, nơi dòng chảy từ một hoặc nhiều con sông đang bị thu
vào bởi một chướng ngại vật tự nhiên. Một hồ nước khác với các con sông có dòng chảy yếu
hơn và không còn bị điều khiển bởi độ dốc trọng lực. Thay vào đó, dòng nước trong hồ được
điều khiển bởi gió bề mặt và lực đẩy nổi.
Một hồ chứa là một hồ nước nhân tạo được tạo ra bởi một con đập ngăn chặn dòng
sông. Có một số lý do lý do tại sao xây dựng hồ chứa: Phát điện bằng thủy điện, kiểm soát lũ
lụt, cung cấp nước ngọt (cho các hộ gia đình hoặc thủy lợi), vui chơi giải trí, và kiểm soát chất
lượng nước. Nhưng, cũng có nhược điểm: Làm lầy hóa đất khô và cản trở đường đi của cá bơi
lên thượng nguồn để đẻ trứng ….
Hồ và hồ chứa khác nhau bởi các dòng sông chảy đến nó có đặc trưng độ sâu và vận
tốc dòng chảy khác nhau. Do đó chúng ngăn nước trong một thời gian, và một đặc tính quan
trọng của một hồ là thời gian lưu trú của nước, đôi khi còn được gọi là thời gian lưu giữ. Nó
3


được định nghĩa là thời gian trung bình của một khối nước từ thời điểm dòng chảy vào và
dòng chảy ra. Còn một khối chất lỏng vẫn được giữ lại trong hồ hoặc hồ chứa, nhiều khả năng
nó là phải tham gia các quá trình xảy ra tại đó như ấm lên hoặc làm mát, lắng đọng trầm tích,
biến đổi sinh học, v.v..
5.2 CÁC LOẠI HỒ VÀ SỰ HÌNH THÀNH HỒ
Các hồ có nhiều loại hình dạng, kích cỡ, và độ sâu. Tất nhiên là những hồ nổi bật nhất
là những hồ xuất hiện có hình dạng lớn màu xanh trên các bản đồ quốc gia và toàn cầu, mặc
dù các hồ này chứa tỷ lệ phần trăm lớn nhất của nước ngọt bề mặt trên Trái đất, chúng chỉ

chiếm tỷ lệ nhỏ của tổng số hồ. Ví dụ, hồ Baikal ở Siberia chứa khoảng 20% nước mặt ngọt
của trái đất, trong khi 12% khác có trong hồ Superior ở Bắc Mỹ. Một minh họa và so sánh
diện tích bề mặt của các hồ lớn nhất trên thế giới được thể hiện trong hình 5.1. Một bản tổng
kết về các hồ lớn của thế giới, đối với vị trí, diện tích bề mặt, chiều dài, và chiều sâu, được
đưa ra trong Bảng 5.1. Bảng 5.2 gồm các thông tin của Hồ Lớn của Bắc Mỹ.
Trong khi các hồ lớn ở hình 5.1 rất ấn tượng, chúng không phải là đại diện của các hồ
nước nói chung và do kích thước của chúng đòi hỏi phương pháp tiếp cận mô hình hoá sự
biến đổi và vận chuyển đặc biệt (các phương pháp số phân tích trong chương 4). Chúng tôi
cũng quan tâm đến các hồ nhỏ hơn, chúng phổ biến hơn và phân bố rộng hơn. Xem xét các
kích cỡ hồ, tham khảo hình 5.2a, trong đó cho thấy sự phân bố toàn cầu của hồ so với các diện
tích bề mặt. Hồ Nicaragua ở Bắc Mỹ (một trong những hồ nước nhỏ nằm ở phía bên tay trái
dưới của hình 5.1) có diện tích bề mặt của 8030km2. Khu vực này ở góc dưới bên phải của
hình 5.2a được đại diện bởi ít hơn 50 hồ nước trên toàn thế giới. Ngược lại, nhìn vào kích cỡ
hồ phổ biến hơn, ví dụ, 0.1-1.0km2. Hình 5.2 cho thấy rằng có từ một triệu đến mười triệu hồ
trong phạm vi kích thước này. Quan sát tương tự có thể được thực hiện bằng cách sử dụng
hình 5.2b cho độ sâu của hồ.

4


Hình 5.1. Ước tính so sánh diện tích bề mặt của các hồ lớn nhất thế giới. (Lưu ý: Biển Đen về
cơ bản là một phần đại dương, vì nó nối trực tiếp với đại dương.) [Từ Ruttner (1963). In lại
với sự cho phép của trường Đại học Toronto Press.]

Hồ được hình thành thông qua một loạt các sự kiện địa chất, nhưng chủ yếu là thông
qua các hoạt động băng hà, núi lửa và kiến tạo. Các sự kiện hình thành hồ khác bao gồm các
vụ sạt lở đất, sự phân rã của tầng đá vôi và hồ chứa nhân tạo. Bảng tổng kết và mô tả về
những sự kiện hình thành này được đưa ra trong Bảng 5.3. Từ một quan điểm về mô hình hoá
sự biến đổi và vận chuyển, các đặc trưng của đất xung quanh hồ và các đặc trưng vật lý của
hồ đều quan trọng. Ví dụ, các hồ nằm ở vùng đồng bằng có thể thường xuyên xáo trộn bởi

gió. Các đặc trưng vật lý quan trọng bao gồm diện tích bề mặt và chiều sâu. Ngoại trừ các hồ
băng, các hồ ở các vùng đồng bằng có xu hướng cạn và có thể dễ dàng trộn lẫn. Các hồ trung
bình và sâu phân tầng nhiệt rất dễ dàng, nó ngăn cản sự pha trộn trong các tháng mùa hè.
Loại cuối cùng trong Bảng 5.3, các hồ chứa nhân tạo, là một vấn đề tranh cãi giữa các
nhà khoa học hồ và sông. Những thể loại nào phù hợp với các hồ chứa, hồ hay sông? Các hồ
chứa nhân tạo có xu hướng dòng chảy theo chiều dọc, giống như một dòng sông. Tuy nhiên,
diện tích bề mặt lớn và độ sâu sâu hơn làm cho các hệ thống này tương tự với hồ. Ngoài ra, độ
sâu tăng của các hệ thống hồ thiết lập các điều kiện dẫn đến sự phân tầng nhiệt (được thảo
luận sau trong chương này), nó là đặc trưng riêng cho các hồ. Mô hình hóa các hồ chứa nhân
tạo đòi hỏi phải xem xét đặc biệt, như chúng ta sẽ thảo luận sau trong chương này.

5


Bảng 5.1. Các Hồ tự nhiên lớn trên thế giới (The World Almanac and Book of Facts, 2004).
Châu lục
Phi

Á

Á-Âu
Úc

Âu

Bắc Mỹ

Nam Mỹ

Tên hồ

Albert
Chad
Nyasa (Malawi)
Tanganyika
Turkana (Rudolf)
Victoria
Aral Seaa
Baikal
Balkhash
Issyk Kula
Tonle Sap
Urmia
Caspian Seaa
Eyrea
Gairdnera
Torrensa
Ladoga
Onega
Vanern
Athabasca
Erie
Great Bear
Great Slave
Huron
Manitoba
Michigan
Nettillig
Nicaragua
Nipigon
Ontario

Superior
Reindeer
Winnipeg
Winnipegosis
Maracaibo
Titicaca

Diện tích
(dặm vuông)
2.075
839
11.150
12.700
2.473
26.828
13.000
12.162
7.115
2.355
2.500
1.815
143.244
3.600
1.840
2.230
6.835
3.710
2.156
3.064
9.910

12.096
11.031
23.000
1.799
22.300
2.140
3.100
1.872
7.340
31.700
2.568
9.417
2.075
5.217
3.200

6

Chiều dài
(dặm)
100
175
360
420
154
250
260
395
376
115

—
90
760
90
90
130
124
145
91
208
241
192
298
206
140
307
67
102
72
193
350
143
266
141
133
22

Độ sâu lớn nhất
(fit)
168

24
2.280
4.823
240
270
220
5.315
85
2.303
45
49
3.363
4
—
—
738
328
328
407
210
1.463
2.015
750
12
923
—
230
540
802
1.330

720
60
38
115
922


a Hồ nước mặn.
BẢNG 5.2. Thể tích các Hồ Lớn của Bắc Mỹ
(The World Almanac and Book of Facts, 2004)
Dung tích (km3)

Hồ

484

Huron

3.543

Michigan

4.918

Ontario

1.638

Superior

12,234

SỐ LƯỢNG HỒ

Erie

ĐỘ SÂU TRUNG BÌNH (m)

DIỆN TÍCH HỒ (km2)

Hình 5.2. Số lượng các hồ tương quan với (a) diện tích bề mặt và (b) chiều sâu. [Từ Wetzel
(1990). Được cho phép in lại.]
5.3 CÁC NGUỒN VÀO
Các nguồn vào của chất gây ô nhiễm đi vào hồ tương tự như những thảo luận trong
Chương 1. Chúng ta sẽ quan tâm đến các nguồn tập trung và phân tán và sử dụng các nguồn
vào tức thời và liên tục để phát triển các mô hình về sự biến đổi và vận chuyển. Các nguồn
vào tập trung phổ biến bao gồm các khu công nghiệp và các trang trại chăn nuôi, cũng như
nước thải từ các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt. Các nguồn phân tán có thể bao gồm dòng
chảy từ các hoạt động canh tác nông nghiệp. Các nguồn phân tán dưới đất có thể bao gồm
nước lọc từ các bãi chôn lấp chất thải sinh hoạt và độc hại hoặc các thùng chứa. Các đặc tính
vật lý của các hồ có thể thêm các nguồn vào duy nhất. Hầu hết các hồ được sử dụng cho hoạt

7


động giải trí trải qua sự ô nhiễm của động cơ phía ngoài, điều đó là hiển nhiên cho việc phát
tán các hợp chất liên quan đến xăng dầu. Mặc dù các hợp chất này độ hòa tan không cao, một
số trong các hợp chất này hòa tan vào trong nước và đang lan rộng ra khắp mặt hồ. Đây là
một nguồn chất gây ô nhiễm không tập trung nhưng liên tục.

Bảng 5.3. Các dạng hồ
Loại hình
thành

Mô tả

Sự
hình
Những hồ này là chỗ sụt xuống được hình thành bởi sự chuyển động của
thành
các
phần sâu hơn của lớp vỏ Trái Đất.
lưu vực
Hồ đứt gãy

Một quá trình sụt xuống xảy ra giữa nền của một dịch chuyển nứt gãy riêng
lẻ hoặc trong khoảng trống được hình thành bởi sự thụt xuống của một khối
(ở giữa), hoặc bằng sự nâng lên của hai khối ở hai bên của một khối ở giữa.
Một ví dụ là hồ Tanganyika ở Châu Phi.

Hồ máng

Điều này tương tự như đứt gãy, nhưng một máng dài bị sụt xuống. Một ví
dụ tuyệt vời là hồ Baikal ở Châu Á.

Sự nâng lên Đây là một phần tách ra của biển nhưng sự nâng lên của một phần của đáy
của đáy biển biển và tạo ra một khu vực giữ nước mặn. Sự nâng lên này thường dẫn đến
trong một dãy núi giữa khối nước vây quanh và khu vực đại dương. Ví dụ
như biển Caspi và Biển Aral
Ví dụ như hồ Okeechobee ở Florida (Hoa Kỳ) và hồ Victoria ở châu Phi. Sự

vênh lên đóng góp cho một vài sự hình thành của các Hồ Lớn ở Bắc Mỹ với
các tảng băng bị tan chảy và giải phóng áp lực trên lớp vỏ Trái Đất.
Hoạt động
núi lửa

Những hồ này xuất hiện trong các hố thiên thạch hay hõm chảo của miệng
núi lửa cũ. Một ví dụ là Crater Lake ở Oregon (Hoa Kỳ). Ngoài ra, dòng
dung nham có thể ngăn các sông, suối, hình thành các hồ.

Sự lở đất

Hồ có thể được hình thành do lở đất làm chặn một dòng suối. Tuy nhiên,
những hồ nước có xu hướng tồn tại trong một thời gian ngắn kể từ khi dòng
cuối cùng sẽ dần dần làm vỡ đập và hình thành một kênh dòng mới.

Hoạt động
băng

Các sông băng là một quá trình tạo thành hồ nước quan trọng nhất. Các kích
thước hồ được hình thành bởi hoạt động sông băng trong phạm vi từ các hồ

8


ấm rất nhỏ đến một số hồ lớn nhất thế giới, chẳng hạn như Hồ Lớn ở Bắc
Mỹ.
Những hồ nước này được hình thành bởi sự di chuyển băng trên các bề mặt
đá tương đối bằng phẳng, chúng được nối liền và chứa các đứt gãy. Trong
vùng núi, nơi hình thành các bậc vòng, hoạt động của băng dẫn đến các hồ
đài vòng (một hồ nước ở cuối đài vòng). Khi hoạt động sông băng dọc theo

Các hồ băng các khu vực ven biển, hồ vịnh hẹp được hình thành trong lưu vực hẹp, sâu.
Điều này là phổ biến ở các vùng của Na Uy và phía tây Canada. Hoạt động
sông băng, trong hình dạng trượt của các tảng băng lớn, được biết đến với
sự hình thành các hồ lớn như hồ Great Slave và Great Bear Lake ở Canada
và Great Lakes của hệ thống tiêu St Lawrence ở Bắc Mỹ.
Những hồ
nước ấm

Các sông băng sụt có thể nhấn chìm các tảng băng lớn trong trầm tích sông
băng mà sau này tan chảy để tạo thành các hồ nước ấm nhỏ

Đê băng

Các sông băng nhấn chìm khối lượng trầm tích lớn hoặc băng tích, dọc theo
hai bên và ở các trạm. Những băng tích có thể chắn ngang các thung lũng,
chúng chìm vào và chặn các thung lũng liền kề.

Một nguồn gây ô nhiễm quan trọng và độc đáo khác cho các hồ, do diện tích bề mặt
lớn và thời gian cư trú tương đối lâu dài, là các nguồn vào trên mặt thoáng. Việc sử dụng
thuốc trừ sâu từ vùng đất nông nghiệp liền kề có thể gây ra các nguồn vào đáng kể của các
chất ô nhiễm. Các ứng dụng này thường được coi là các nguồn vào phân tán theo mùa. Sự vận
chuyển tầm xa của các chất ô nhiễm không khí cũng có thể dẫn đến vào các hồ. Trong các khu
vực trên thế giới, nơi một số thuốc trừ sâu không bao giờ được sử dụng hoặc đã bị cấm, các
nhà khoa học vẫn phát hiện các nguồn vào của các hợp chất này đến hồ. Ví dụ như có thể
được tìm thấy ở các hồ lớn ở Hoa Kỳ. DDT đã bị cấm vào đầu những năm 1970, nhưng các
mẫu nước mặt hồ và không khí trên vùng hồ này vẫn cho thấy đo được nồng độ của các chất
gây ô nhiễm. Nghiên cứu cho thấy vận chuyển không khí tầm xa của thuốc trừ sâu từ Trung
Mỹ có thể tới Các Hồ Lớn và các hồ trên núi xa xôi ở Bắc Mỹ. Đây là loại nguồn vào có thể
được coi như là một nguồn vào liên tục không tập trung.
Một nguồn cuối cùng của chất gây ô nhiễm cho các hồ có thể từ bên trong chính hồ

đó. Khi chúng ta thảo luận trong Chương 2, các hạt trong nước thu hút nhiều chất ô nhiễm vô
cơ và hữu cơ, và hầu hết các các hạt này tổng hợp và lắng xuống trong các vùng yên tĩnh của
hồ. Tuy nhiên, nếu các trầm tích này lơ lửng trở lại vào hồ nước tương đối trong lành, sự nhả
trở lại của các chất gây ô nhiễm vào nước có thể xảy ra. Sự việc lơ lửng trở lại quan trọng
trong hầu hết các hồ nước bao gồm vòng quay sinh học (sự pha trộn của các trầm tích hồ với
nước từ các sinh vật trong hồ), các sự kiện như có cơn bão mạnh, nạo vét bến cảng và các

9


kênh vận chuyển. Vòng quay sinh học là một quá trình liên tục và sẽ được xem như là một
nguồn vào phân tán liên tục, trong khi hai sự kiện sau sẽ được xử lý như nguồn vào phân tán
tức thời.
Mức độ pha trộn thấp trong một số hệ thống hồ kết hợp với một nguồn vào khí oxy
tương đối thấp tạo nên một điều kiện duy nhất trong hồ: hiện tượng phú dưỡng. Nhìn chung,
các chất dinh dưỡng giới hạn trong các hệ thống thủy sản nước ngọt là phốt phát, nhưng
nguồn vào có nhiều chất dinh dưỡng có thể dẫn đến sự tăng trưởng không kiểm soát được của
tảo trong hệ thống hồ nước. Nguồn vào của các hợp chất carbon, từ các nguồn như nước thải
nông nghiệp và nước thải sinh hoạt, thường dẫn đến sự phát triển không kiểm soát được.
Trong thời gian ban ngày, tảo nở lớn không phải là một mối đe dọa trực tiếp đến hồ, nhưng
trong quá trình hô hấp vào ban đêm tảo tiêu thụ oxy hòa tan (DO) trong nước hồ. Điều này tạo
ra một nhu cầu ôxy lớn trên hệ thống, không thể được đáp ứng bởi DO giới hạn trong nước hồ
(tối đa ~ 12 mg DO / L) hoặc do sự khuếch tán tương đối chậm của ôxy từ không khí và pha
trộn thấp trong các hệ thống hồ nước. Điều này dẫn đến tình trạng được gọi là hiện tượng phú
dưỡng và như chúng ta sẽ thấy trong phần tiếp theo, có thể gây ra vấn đề nghiêm trọng trong
những tháng khi hồ bị phân tầng nhiệt và hóa học.
5.4 SỰ PHÂN TẦNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ THỐNG HỒ
Hầu hết các hồ nước trải qua một số hình thức phân tầng nhiệt trong năm. Phân tầng là
một quá trình mà trong đó sự làm nóng hoặc làm mát khác nhau xảy ra và hai "vùng khí hậu"
được thiết lập trong hồ. Nếu hồ chỉ trải qua một lần phân tầng trong chu kỳ hàng năm, nó

được gọi là một hồ nước monomictic. Kịch bản phân tầng phổ biến nhất được minh họa trong
hình 5.3b. Hình 5.3a cho thấy hồ không bị phân tầng vào mùa thu, mùa đông và mùa xuân,
khi nhiệt độ gần như thống nhất theo chiều sâu bất kỳ, do mức độ pha trộn cao (giả sử rằng bề
mặt hồ không đóng băng vào mùa đông). Tuy nhiên, nếu chúng ta có một bản chụp nhanh
trong thời gian giữa mùa hè, chúng ta thường sẽ tìm thấy thông tin nhiệt độ minh họa trong
hình 5.3b. Ở đây, một khối nước ấm nóng lên bởi mặt trời, phát triển ở bề mặt, và một khối
nước đặc và mát hơn tập trung ở đáy hồ và được làm mát bởi Trái Đất. Hồ được chia thành ba
khu vực bởi nhiệt độ và mật độ như vậy, sự khác biệt đó ngăn ngừa sự pha trộn: vùng nước
trên mặt (nước mặt), vùng chuyển tiếp nhiệt (khu vực xảy ra sự thay đổi nhiệt độ nhanh
chóng) và vùng nước sâu (dưới đáy của hồ). Một sự thay đổi nhiệt độ được hiển thị bên trái
của mỗi biểu đồ hồ.

10