Ảnh hưởng của điều kiện địa chất thủy lực lên hiện tượng khuếch tán chất bẩn hòa tan từ kênh ô nhiễm vào tầng nước ngầm

Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


NGUYỄN THANH SANG

ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT, THUỶ LỰC
LÊN HIỆN TƢỢNG KHUẾCH TÁN CHẤT BẨN HỒ TAN
TỪ KÊNH Ơ NHIỄM VÀO TẦNG NƢỚC NGẦM

Chun ngành

: Xây dựng cơng trình thủy

Mã số ngành

: 60.58.40

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2012

Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 1

Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA- ĐHQG TP.HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : PGS. TS NGUYỄN THỐNG

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS VÕ KHẮC TRÍ

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS. TS LÊ SONG GIANG

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày
21 tháng 09 năm 2012.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm :
1. Chủ tịch hội đồng : PGS. TS HUỲNH THANH SƠN
2. Thƣ ký hội đồng : TS. LƢU XUÂN LỘC
3. Ủy viên : PGS. TS NGUYỄN THỐNG
4. Ủy viên : PGS. TS VÕ KHẮC TRÍ
5. Ủy viên : PGS. TS LÊ SONG GIANG

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trƣởng khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Nguyễn Thanh Sang

TRƢỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MSHV: 10200396

Trang 2


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : NGUYỄN THANH SANG

MSHV : 10200396

Ngày, tháng, năm sinh : 02/04/1979

Nơi sinh : Đồng Tháp

Chun ngành : Xây dựng cơng trình thủy

Mã số : 60.58.40

I. TÊN ĐỀ TÀI : ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT, THUỶ LỰC
LÊN HIỆN TƢỢNG KHUẾCH TÁN CHẤT BẨN HỒ TAN
TỪ KÊNH Ơ NHIỄM VÀO TẦNG NƢỚC NGẦM
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
- Chƣơng 1: Giới thiệu
- Chƣơng 2 : Cơ sở lý thuyết
- Chƣơng 3 : Mơ hình bài tốn thấm và lan truyền chất từ một kênh bị ô nhiễm
- Chƣơng 4 : Ảnh hƣởng của điều kiện địa chất, thủy lực lên hiện tƣợng khuếch tán
chất bẩn hòa tan
- Chƣơng 5 : Kết luận và kiến nghị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/07/2011
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/06/2012
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỄN THỐNG
Nội dung và đề cƣơng Luận văn thạc sĩ đã đƣợc Hội đồng chuyên ngành thông qua.
Tp. HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2012
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS NGUYỄN THỐNG
TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 3

Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...………………………………………………………………..11
CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU
1.1 Cơ sở hình thành đề tài………………………………………………………12
1.1.1 Các nghiên cứu trong nƣớc………………………………………………..12
1.1.2 Các nghiên cứu ngoài nƣớc………………………………………………..14
1.2 Mục tiêu nghiên cứu………………………………………………………....15
1.3 Nội dung nghiên cứu………………………………………………………....15
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu……………………………………………………..16
CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Giới thiệu……………………………………………………………………..17
2.2 Phƣơng trình thấm…………………………………………………………....18
2.3 Phƣơng trình lan truyền chất………………………………………………....20
2.4 Điều kiện biên………………………………………………………………...21
2.4.1 Điều kiện biên cho bài toán thấm.………………………………………….21
2.4.2 Điều kiện biên cho bài tốn lan truyền chất.……………………………….22
CHƢƠNG III : MƠ HÌNH BÀI TỐN THẤM VÀ LAN TRUYỀN CHẤT TỪ
KÊNH BỊ Ơ NHIỄM
3.1 Giới thiệu phần mềm tính tốn Comsol……………………………………..23
3.2 Mơ tả mơ hình tính tốn……………………………………………………..23
3.3 Bài tốn trƣờng vận tốc……………………………………………………...25
3.3.1 Lời giải giải tích…………………………………………………………...25
3.3.2 Lời giải từ mơ hình tốn…………………………………………………...25
Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 4


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

3.3.3 So sánh kết quả tính tốn giữa lời giải giải tích và lời giải từ mơ hình tốn
số………………………………………………………………………………...25
3.4 Bài tốn lan truyền chất……………………………………………………...26
3.4.1 Lời giải từ mơ hình tốn…………………………………………………...26
3.4.2 Nhận xét…………………………………………………………………...50
CHƢƠNG IV : ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT, THUỶ LỰC LÊN
HIỆN TƢỢNG KHUẾCH TÁN CHẤT BẨN HOÀ TAN
4.1 Giới thiệu…………………………………………………………………….52
4.2 Mơ tả mơ hình………………………………………………………………..52
4.2.1 Ảnh hƣởng của điều kiện địa chất…………………………………………54
4.2.2 Ảnh hƣởng của điều kiện thuỷ lực………………………………………...58
4.3 Nhận xét kết quả……………………………………………………………..84
CHƢƠNG V : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1 Kết luận……………………………………………………………………...87
5.2 Kiến nghị…………………………………………………………………….87
5.2.1 Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu……………………………….87
5.2.2 Hƣớng phát triển tiếp theo của nghiên cứu………………………………..88
TÀI LIỆU THAM KHẢO..……………………………………………………89
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG……………………………………………………91

Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 5


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 : Kích thƣớc tiết diện ngang của mơ hình tính tốn trƣờng hợp một kênh lan truyền
Hình 2.2 : Kích thƣớc tiết diện ngang của mơ hình tính tốn trƣờng hợp hai kênh lan truyền

Hình 3.1: Sơ đồ chia ơ lƣới tính tốn cho trƣờng hợp một kênh lan truyền
Hình 3.2 : Sơ đồ chia ơ lƣới tính tốn cho trƣờng hợp hai kênh lan truyền
Hình 3.3 : Sơ đồ lan truyền chất
Hình 3.4 : Biểu đồ vận tốc lan truyền chất
Hình 3.5 : Biểu đồ cột áp tại thời điểm t = 365 ngày
Hình 3.6 : Cột áp qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày
Hình 3.7 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-10) theo thời gian
Hình 3.8 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (50,-10) theo thời gian
Hình 3.9 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (75,-10) theo thời gian
Hình 3.10 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-30) theo thời gian
Hình 3.11 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (50,-30) theo thời gian
Hình 3.12 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (75,-30) theo thời gian
Hình 3.13 : Biểu đồ vận tốc tại thời điểm t = 365 ngày
Hình 3.14 : Vận tốc qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày
Hình 3.15 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (25,-10) theo thời gian

Hình 3.16 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (50,-10) theo thời gian
Hình 3.17 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (75,-10) theo thời gian
Hình 3.18 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (25,-30) theo thời gian
Hình 3.19 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (50,-30) theo thời gian
Hình 3.20 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (75,-30) theo thời gian
Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 6


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

Hình 3.21 : Biểu đồ nồng độ tại thời điểm t = 365 ngày
Hình 3.22 : Nồng độ qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365
ngày
Hình 3.23 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (25,-10) theo thời gian
Hình 3.24 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (50,-10) theo thời gian
Hình 3.25 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (75,-10) theo thời gian
Hình 3.26 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (25,-30) theo thời gian
Hình 3.27 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (50,-30) theo thời gian
Hình 3.28 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (75,-30) theo thời gian
Hình 3.29 : Biểu đồ cột áp tại thời điểm t = 365 ngày (2 kênh lan truyền)
Hình 3.30 : Cột áp qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày
(2 kênh lan truyền)
Hình 3.31 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.32 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (50,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)

Hình 3.33 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (75,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.34 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.35 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (50,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.36 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (75,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.37 : Biểu đồ vận tốc tại thời điểm t = 365 ngày (2 kênh lan truyền)
Hình 3.38 : Vận tốc qua trục kênh (25-25) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày
(2 kênh lan truyền)
Hình 3.39 : Vận tốc qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày
(2 kênh lan truyền)
Hình 3.40 : Vận tốc qua trục kênh (75-75) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày
(2 kênh lan truyền)
Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 7


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

Hình 3.41 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (25,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.42 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (50,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.43 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (75,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.44 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (25,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.45 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (50,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.46 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (75,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.47 : Biểu đồ nồng độ tại thời điểm t = 365 ngày (2 kênh lan truyền)
Hình 3.48 : Nồng độ qua trục kênh (25-25) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365

ngày (2 kênh lan truyền)
Hình 3.49 : Nồng độ qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365
ngày (2 kênh lan truyền)
Hình 3.50 : Nồng độ qua trục kênh (75-75) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365
ngày (2 kênh lan truyền)
Hình 3.51 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (25,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.52 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (50,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.53 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (75,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.54 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (25,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.55 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (50,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 3.56 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (75,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.1 : Biểu đồ vận tốc ngay trục kênh (50-50) theo chiều sâu lúc t = 365 ngày với các độ
rỗng  p của địa chất nền khác nhau (1 kênh lan truyền)
Hình 4.2 : Biểu đồ nồng độ ngay trục kênh (50-50) theo chiều sâu lúc t = 365 ngày với các
độ rỗng  p của địa chất nền khác nhau (1 kênh lan truyền)
Hình 4.3 : Biểu đồ vận tốc ngay trục (50-50) theo chiều sâu lúc t = 365 ngày với các độ rỗng
 p của địa chất nền khác nhau (2 kênh lan truyền)
Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 8


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

Hình 4.4 : Biểu đồ nồng độ ngay trục (50-50) theo chiều sâu lúc t = 365 ngày với các độ
rỗng  p của địa chất nền khác nhau (2 kênh lan truyền)

Hình 4.5 : Biểu đồ vận tốc ngay trục kênh (50-50) theo chiều sâu lúc t = 365 ngày với các độ
rỗng  p của địa chất nền khác nhau (1 kênh lan truyền có nƣớc ngầm chuyển động)
Hình 4.6 : Biểu đồ nồng độ ngay trục kênh (50-50) theo chiều sâu lúc t = 365 ngày với các
độ rỗng  p của địa chất nền khác nhau (1 kênh lan truyền có nƣớc ngầm chuyển động)
Hình 4.7 : Biểu đồ vận tốc ngay trục (50-50) theo chiều sâu lúc t = 365 ngày với các độ rỗng
 p của địa chất nền khác nhau (2 kênh lan truyền có nƣớc ngầm chuyển động)
Hình 4.8 : Biểu đồ nồng độ ngay trục kênh (50-50) theo chiều sâu lúc t = 365 ngày với các
độ rỗng  p của địa chất nền khác nhau (2 kênh lan truyền có nƣớc ngầm chuyển động)
Hình 4.9 : Biểu đồ cột áp tại thời điểm t = 365 ngày
Hình 4.10 : Cột áp qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày
Hình 4.11 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-10) theo thời gian
Hình 4.12 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (50,-10) theo thời gian
Hình 4.13 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (75,-10) theo thời gian
Hình 4.14 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-30) theo thời gian
Hình 4.15 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (50,-30) theo thời gian
Hình 4.16 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (75,-30) theo thời gian
Hình 4.17 : Biểu đồ vận tốc tại thời điểm t = 365 ngày
Hình 4.18 : Vận tốc qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày
Hình 4.19 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (25,-10) theo thời gian
Hình 4.20 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (50,-10) theo thời gian
Hình 4.21 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (75,-10) theo thời gian
Hình 4.22 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (25,-30) theo thời gian
Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 9


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

Hình 4.23 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (50,-30) theo thời gian
Hình 4.24 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (75,-30) theo thời gian
Hình 4.25 : Biểu đồ nồng độ tại thời điểm t = 365 ngày
Hình 4.26 : Nồng độ qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365
ngày
Hình 4.27 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (25,-10) theo thời gian
Hình 4.28 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (50,-10) theo thời gian
Hình 4.29 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (75,-10) theo thời gian
Hình 4.30 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (25,-30) theo thời gian
Hình 4.31 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (50,-30) theo thời gian
Hình 4.32 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (75,-30) theo thời gian
Hình 4.33 : Biểu đồ cột áp tại thời điểm t = 365 ngày (2 kênh lan truyền)
Hình 4.34 : Cột áp qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày
(2 kênh lan truyền)
Hình 4.35 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.36 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (50,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.37 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (75,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.38 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (25,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.39 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (50,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.40 : Biểu đồ cột áp tại vị trí (75,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.41 : Biểu đồ vận tốc tại thời điểm t = 365 ngày (2 kênh lan truyền)
Hình 4.42 : Vận tốc qua trục kênh (25-25) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày
(2 kênh lan truyền)
Hình 4.43 : Vận tốc qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày
Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 10


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

(2 kênh lan truyền)
Hình 4.44 : Vận tốc qua trục kênh (75-75) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365 ngày
(2 kênh lan truyền)
Hình 4.45 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (25,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.46 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (50,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.47 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (75,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.48 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (25,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.49 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (50,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.50 : Biểu đồ vận tốc tại vị trí (75,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.51 : Biểu đồ nồng độ tại thời điểm t = 365 ngày (2 kênh lan truyền)
Hình 4.52 : Nồng độ qua trục kênh (25-25) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365
ngày (2 kênh lan truyền)
Hình 4.53 : Nồng độ qua trục kênh (50-50) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365
ngày (2 kênh lan truyền)
Hình 4.54 : Nồng độ qua trục kênh (75-75) tại các thời điểm t = 120, 180, 240, 300, 365
ngày (2 kênh lan truyền)
Hình 4.55 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (25,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.56 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (50,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.57 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (75,-10) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.58 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (25,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.59 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (50,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)
Hình 4.60 : Biểu đồ nồng độ tại vị trí (75,-30) theo thời gian (2 kênh lan truyền)

Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 11


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 : Kết quả vận tốc lan truyền giữa lời giải giải tích và lời giải từ mơ hình tốn số
Bảng 4.1 : Các thơng số hình học và các chỉ tiêu của mơ hình
Bảng 4.2 : Các thơng số cho mơ hình thấm
Bảng 4.3 : Các thơng số cho mơ hình lan truyền chất

Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 12


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

Abstract

The content of the thesis introduces the initial result on simulating the transport of
contaminants in the aquifer from the polluted canal, focus on effect of geological and
hydraulic power conditions on phenonmenon diffusion of contaminants. A mathematical
model analysis mode 2D vertical (y,z) flow satisfies Richard’s equation, with the solution
in non-stationary. The solute transport simulation with the results considered in transient
period will be started at t=0. At that time, the aquifer is completely unpolluted. The
Comsol multiphysics software with finite element method is used to study the
phenonmenon.

Tóm tắt
Nội dung luận văn giới thiệu kết quả bƣớc đầu về mô phỏng sự lan truyền chất bẫn theo
thời gian trong tầng nƣớc ngầm từ một kênh ô nhiễm, xem xét đến ảnh hƣởng của điều kiện
địa chất và thuỷ lực lên hiện tƣợng khuếch tán chất bẫn hoà tan. Mơ hình tốn mơ phỏng chế
độ dịng chảy 2D theo phƣơng đứng (y,z) thoả mãn phƣơng trình Richard, với lời giải trạng
thái khơng ổn định (Non-Stationary). Phƣơng trình lan truyền chất 2D trong vùng tƣơng ứng
đƣợc giải trong giai đoạn quá độ (transient) bắt đầu từ trạng thái hoàn tồn khơng bị ơ nhiễm
lúc t = 0. Phần mềm Comsol với phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc sử dụng để nghiên cứu
hiện tƣợng.

Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 13


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

LỜI NÓI ĐẦU
Trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam, nguy cơ xảy ra sự ô nhiễm và thiếu nƣớc sạch là rất
lớn. Nhiều nhà máy, khu công nghiệp, khu dân cƣ đƣợc hình thành. Tất cả mọi sự phát triển
này đều hƣớng đến việc tạo ra các sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt của con ngƣời,
tạo điều kiện sống tốt hơn nhƣng đồng thời cũng kéo theo là việc thiếu nguồn nƣớc sạch
trầm trọng. Trong đó nƣớc mặt và nƣớc ngầm là hai nguồn tài nguyên quý giá trên trái đất.
Trong những vùng mà việc sử dụng nƣớc mặt bị hạn chế (do lƣu lƣợng không đủ, do chất
lƣợng nƣớc kém,…) thì nƣớc ngầm sẽ đƣợc khai thác thay thế để phục vụ cho mục đích cấp
nƣớc sinh hoạt và công nghiệp.
Trong những năm gần đây, do tăng trƣởng nhanh về kinh tế và dân số trong điều kiện cơ
sở hạ tầng và việc thực thi pháp luật về bảo vệ mơi trƣờng cịn hạn chế. Tài ngun thiên
nhiên và chất lƣợng môi trƣờng nƣớc trong các sông, rạch ngày càng bị ô nhiễm trầm trọng
do nƣớc thải chƣa đƣợc xử lý từ các nhà máy, xí nghiệp,... Các nguồn nƣớc này sẽ xâm nhập
vào tầng nƣớc ngầm, làm cho tầng nƣớc ngầm ngày càng bị ô nhiễm dẫn đến chất lƣợng
nguồn nƣớc giảm. Điều này ảnh hƣởng đến sự thu hẹp nguồn nƣớc cung cấp để sản xuất và
sinh hoạt cho các khu công nghiệp và dân cƣ đô thị.
Đề tài mà chúng tôi đang thực hiện nhằm xây dựng một mơ hình tốn số hai chiều tính
tốn sự lan truyền chất bẩn vào tầng nƣớc ngầm có xét đến ảnh hƣởng của điều kiện địa chất
và thuỷ lực. Mơ hình ứng dụng phần mềm Comsol để xem xét quá trình lan truyền chất bẩn
từ một kênh bị ô nhiễm xâm nhập vào tầng nƣớc ngầm theo 2 phƣơng (y,z). Từ đó đề ra
phƣơng án bảo quản, phục vụ công tác quản lý nguồn nƣớc dƣới đất hiệu quả hơn.
Luận văn thành công, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ về kiến thức, tinh thần của
quý thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật tài nguyên nƣớc đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi đƣợc
thực hiện nguyện vọng chính của mình. Đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn
Thống đã cho tơi nhiều bài học kinh nghiệm trong khoa học cũng nhƣ trong cuộc sống.
Bên cạnh đó, tơi cũng xin chân thành cảm ơn quý công ty mà tôi đang công tác, gia đình
và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, chia sẽ và động viên tôi thực hiện tốt luận văn này.

Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 14


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU
1.1 Cơ sở hình thành đề tài:
Trong những năm gần đây, do sự phát triển nhanh về kinh tế và xã hội, các khu công
nghiệp và khu dân cƣ đƣợc xây dựng ngày càng nhiều. Nhu cầu nƣớc sạch phục vụ cho dân
sinh ngày càng trở nên gay gắt. Cùng với nƣớc mặt, nƣớc dƣới đất là tài nguyên quý giá để
phục vụ cho việc cấp nƣớc sinh hoạt và mục đích kinh tế xã hội khác.
Nƣớc ngầm trở nên quan trọng hơn đối với đời sống con ngƣời. Nguồn nƣớc ngầm có trữ
lƣợng lớn, chất lƣợng tốt, bổ sung cho nhu cầu dùng nƣớc của con ngƣời. Nhiều nhà máy, xí
nghiệp, hộ gia đình đã và đang dùng giếng khoan để khai thác nƣớc ngầm. Tuy nhiên, hiện
nay các nguồn nƣớc khai thác này thƣờng có chất lƣợng kém do bị xâm nhập từ các kênh, rạch
bị ô nhiễm các chất thải chƣa đƣợc xử lý từ các nhà máy, xí nghiệp…
Để quy hoạch và khai thác, phát triển và bảo vệ bền vững tài nguyên nƣớc dƣới đất. Các
nhà quản lý ln cần những hoạch định mang tính chiến lƣợc trên những luận chứng có độ tin
cậy và độ chính xác cao nhất về mặt khoa học, hợp lí nhất về mặt kinh tế.
Vì vậy, bƣớc đầu nghiên cứu tính tốn mơ phỏng sự lan truyền chất bẩn vào tầng nƣớc
ngầm từ một kênh chứa chất bẩn độc hại có xét đến ảnh hƣởng của điều kiện địa chất và thuỷ
lực là một bƣớc rất cần thiết cho sự phát triển lâu dài và bảo quản an toàn chất lƣợng nguồn
nƣớc ngầm.
1.1.1 Các nghiên cứu trong nƣớc:
Trong nhiều năm qua, một số nhà khoa học trong nƣớc đã có nhiều cơng trình nghiên
cứu về các mơ hình tính tốn thuỷ lực nƣớc ngầm, lan truyền chất ơ nhiễm và xâm nhập mặn

vào tầng chứa nƣớc vùng ven biển. Sau đây là một số nghiên cứu đó:
- Nguyễn Thống (2010) đã nghiên cứu kết quả ban đầu về mô phỏng sự lan truyền chất
bẩn theo thời gian trong tầng nƣớc ngầm từ một giếng mang chất ô nhiễm xâm nhập dƣới
dạng thơng lƣợng của tạp chất có nồng độ giả định. Mơ hình tốn mơ phỏng chế độ dịng chảy
2D theo phƣơng ngang thoả mãn định luật Darcy, với lời giải trạng thái ổn định (steady state). Phƣơng trình lan truyền chất 2D trong vùng tƣơng ứng đƣợc giải trong giai đoạn quá độ
(transient) bắt đầu từ trạng thái hồn tồn khơng bị ơ nhiễm lúc t = 0. Trong đề tài này, tác giả
dùng phần mềm Comsol với phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc sử dụng để nghiên cứu hiện
tƣợng và xem xét đến ảnh hƣởng của độ rỗng môi trƣờng lên hiện tƣợng khuếch tán ô nhiễm.
- Huỳnh Thanh Sơn (2004) đã nghiên cứu kết quả ban đầu về dịng thấm khơng ổn định
trong bờ sơng vùng chịu ảnh hƣởng triều tại vị trí sát bờ sơng Hậu thuộc xã Bình Đức, thành
phố Long Xun, An Giang. Trong đề tài này, tác giả đã xây dựng một hệ thống quan trắc
gồm 07 ống đo áp để đo đạc kết hợp với phƣơng pháp giải tích và phƣơng pháp sai phân hữu
Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 15


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

hạn để đánh giá sự thay đổi của dịng thấm khơng ổn định theo thời gian.
- Nguyễn Văn Hoàng và Trần Văn Hùng (2007) đã nghiên cứu vấn đề nƣớc thải ra sông
Hồng và khả năng ảnh hƣởng đến nƣớc dƣới đất khu vực Hà Nội. Trong đề tài này, tác giả
trình bày kết quả điều tra khảo sát về các vị trí các nguồn nƣớc thải ra đƣợc đánh giá bằng mơ
hình lan truyền các chất ô nhiễm đƣợc thực hiện đối với các giếng ở Cáo Đỉnh 2. Kết quả mơ
hình cho thấy điều kiện chất ô nhiễm không bị môi trƣờng đất và đá hấp thụ - trao đổi. Dòng
chảy nƣớc dƣới đất có nồng độ chất ơ nhiễm tƣơng đối = 0.8 đã xâm nhập vào các lỗ khoan

khai thác của các bãi giếng trên sau thời gian một năm kể từ thời điểm thấm vào tầng
Pleistocen.
- Trƣơng Thanh Cƣờng (2005) đã ứng dụng công nghệ thông tin nhằm đánh giá trử
lƣợng khai thác và dự báo xâm nhập mặn của nƣớc dƣới đất khu vực Phú Mỹ- Mỹ Xuân tỉnh
Bà Rịa – Vũng Tàu. Trong đề tài này tác giả đã dùng phần mềm GMS.3.1 và các phần mềm
chun mơn tính tốn và xử lý dữ liệu đầu vào cho mơ hình. Sau đó thu thập các tài liệu quan
trắc động thái nƣớc dƣới đất. Kết quả tính tốn từ mơ hình là trữ lƣợng nƣớc dƣới đất trong
phạm vi nghiên cứu đã đƣợc xác lập. Mơ hình cũng đã xác định đƣợc ranh mặn, từ đó dự báo
đƣợc quá trình xâm nhập mặn của nƣớc dƣới đất tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu.
- Lê Thị Lài và Joern Kasbohm đã nghiên cứu nguy cơ nhiễm bẫn của nƣớc dƣới đất từ
các cụm công nghiệp nhỏ ở nông thôn Nam Định. Trong đề tài này, tác giả đã trình bày kết
quả phân tích các loại đất và trầm tích bề mặt các kênh rạch, ao hồ tại các làng nghề bị ô
nhiễm nặng nề bởi các kim loại nặng. Điều đó cho thấy rằng, nguy cơ dẫn đến ô nhiễm là do
lƣợng nƣớc thải từ các cụm công nghiệp này. Khả năng hấp thụ các khoáng vật sét bề mặt
khơng cao, bởi chúng có bề mặt trao đổi không lớn và năng lƣợng trao đổi ion thấp. Kết quả
cho thấy khả năng làm rào cản của lớp đất bề mặt ngăn chặn các quá trình lan truyền kim loại
nặng cũng nhƣ các chất ô nhiễm khác từ trên bề mặt xuống các tầng nƣớc sâu là rất nhỏ.
- Ngơ Đức Chân (2004) đã xác định mơ hình dịng chảy nƣớc dƣới đất để đánh giá trữ
lƣợng tiềm năng và tính tốn bổ sung nhân tạo tầng chứa Pliocen thƣợng khu vực TP. Hồ Chí
Minh. Trong đề tài này, tác giả đã xác định mơ hình theo phần mềm GMS 3.1. Kết quả là trữ
lƣợng nƣớc dƣới đất khu vực TP.Hồ Chí Minh đã đƣợc xác định, từ đó tính tốn bổ sung nhân
tạo cho tầng chứa nƣớc Pliocen.
- Các tác giả Trần Minh, Tống Ngọc Thanh và Nguyễn Chí Nghĩa (2000) đã lập mơ hình
quản lý nƣớc dƣới đất tỉnh Cần Thơ. Trong bài báo này, các tác giả đã dùng phần mềm hệ
thống thông tin địa lý GIS, Modflow và các tài liệu điều tra cơ bản cùng hệ thống dữ liệu quan
trắc quốc gia động thái nƣớc dƣới đất của tỉnh Cần Thơ để xây dựng mơ hình. Kết quả là mơ
hình đã mơ phỏng đƣợc các tầng chứa nƣớc và giữa các tầng chứa nƣớc với nƣớc mặt. Mơ
hình cho phép dự báo thay đổi của dịng ngầm trƣớc sự khai thác của các cơng trình cấp nƣớc,
tối ƣu hố khả năng cấp nƣớc của tầng chứa nƣớc q2 3 , tránh sự cạn xảy ra nếu tiến hành khai
thác bừa bãi.

Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 16


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

- Các tác giả Ngơ Ngọc Cát và Nguyễn Văn Hồng (2006) đã đánh giá tiềm năng nƣớc
ngầm và khả năng nhiễm mặn trong quá trình khai thác trên đảo Vĩnh Thực – Quảng Ninh.
Trong bài báo này, các tác giả đã dùng công thức của M.Masket- Ph.M.Botrever nhằm xác
định lƣu lƣợng khai thác tiềm năng gần đúng từng ô lƣới đối với tầng có áp và tầng khơng áp.
Sau đó dùng phƣơng trình đạo hàm riêng mơ tả q trình lan truyền chất trong dịng chảy
nƣớc dƣới đất trong khơng gian 2 chiều (x,y) để đánh giá quá trình lan truyền mặn đối với
trƣờng hợp khai thác từ ô các biên giáp biển. Kết quả là tiềm năng nƣớc ngầm và khả năng
nhiễm mặn trong quá trình khai thác đƣợc xác định.
- Các tác giả Trần Văn Minh và Nguyễn Thế Hùng (2004) đã nghiên cứu tính tốn tổng
qt về xâm nhập mặn phục vụ quy hoạch khai thác quản lý nƣớc ngầm vùng ven biển. Trong
bài báo này tác giả trình bày mơ hình tính tốn tổng qt về xâm nhập mặn vào tầng chứa
nƣớc vùng ven biển. Mơ hình này đƣợc giải bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Kết quả tính
tốn từ mơ hình này là q trình xâm nhập mặn vào tầng chứa nƣớc vùng ven biển theo thời
gian đã đƣợc xác định, từ đó giúp cho các nhà quản lý có kế hoạch khai thác nƣớc dƣới đất
vùng ven biển trong tƣơng lai.
- Tác giả Nguyễn Minh Khuyến (2006) đã dự báo hạ thấp mực nƣớc và xâm nhập mặn
do khai thác nƣớc dƣới đất từ thấu kính nƣớc nhạt vùng Nam Định. Trong bài báo này tác giả
đã tính tốn mực nƣớc hạ thấp bằng mơ hình dịng chảy 3 chiều nƣớc dƣới đất và dùng
phƣơng trình vi phân phân tán thuỷ động lực 1 chiều để tính tốn xâm nhập mặn. Kết quả là

sự hạ thấp mực nƣớc và quá trình xâm nhập mặn vùng Nam Định đƣợc xác định.
1.1.2 Các nghiên cứu ngoài nƣớc
Trên thế giới, ngƣời ta đã dùng mơ hình 2 thứ nguyên 2D và 3 thứ nguyên 3D để nghiên
cứu nhiều vấn đề khác có liên quan đến bài tốn nƣớc ngầm và vấn đề xâm nhập mặn. Sau đây
là một số nghiên cứu đó:
- David G.Zeitoun, George F.Pinder (1996) dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để giải
quyết bài toán xâm nhập mặn bằng một mơ hình 3D (Saltfres). Mơ hình này đã mơ phỏng xâm
nhập mặn trong một hay nhiều tầng của hệ thống nƣớc ngầm vùng ven biển. Kết quả là quá
trình xâm nhập mặn vào tầng chứa nƣớc vùng ven biển đã đƣợc xác định. Mơ hình đã giúp ích
rất nhiều trong việc thiết kế và quy hoạch các giếng nƣớc vùng ven biển.
- Shaul Sorek, Viaccheslaw Borisow, Alex Yakirevich (1985) cũng đã mô phỏng vấn đề
xâm nhập mặn theo chiều ngang với mơ hình MEL2DSLT. Trong mơ hình này, các tác giả
dựa vào cơng thức Eulerian – Lagrangian trên mặt nằm ngang 2D để giải phƣơng trình dịng
chảy và lan truyền chất trong tầng chứa nƣớc ngầm. Về mặt lý thuyết, lúc mô phỏng theo thời
gian, sự dao động mực nƣớc, nồng độ hoà tan và nhiệt độ chất lƣu là không đồng nhất. Trong
vùng nghiên cứu, thời gian và chiều sâu của nƣớc mặn xâm nhập đã đƣợc xác định.

Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 17


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

- Ken Kipp (1986) đã nghiên cứu sự lan truyền chất hoà tan 3D trong hệ thống. Trong
mơ hình HTS 3D này, tác giả dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để giải phƣơng trình lan

truyền chất 3D. Kết quả là sự lan truyền chất tan trong hệ thống nƣớc ngầm có thể đƣợc tính
ra ở mọi thời điểm.
-Loague, K. and Green, RE, (1991) dùng phƣơng pháp đồ thị và phƣơng pháp thống kê
để đánh giá mơ hình lan truyền chất. Trong mơ hình này, các tác giả xây dựng một mơ hình
tính toán dự báo sự lan truyền chất trong tầng nƣớc ngầm. Có một vài mơ hình cũng đƣợc thiết
lập trong những năm gần đây cho mục đích này. Tuy nhiên, phƣơng pháp đánh giá này chƣa
tối ƣu cả trong mô hình tính tốn thuỷ lực và lan truyền chất. Mơ hình trình bày tổng quan về
sự lan truyền chất, tiêu chuẩn thống kê đƣợc sử dụng trong mơ hình. Ngồi ra, mơ hình cịn
kiểm tra nồng độ của độc chất lan truyền trong đất theo thời gian.
- A.A Javadi and M.M AL-Najjar (2007) dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để lập mơ
hình tốn bao gồm xét đến phản ứng hố học trong đất. Trong mơ hình này, các tác giả đã
nghiên cứu sự chuyển động của hoá chất trong tầng nƣớc ngầm là ngun nhân chính gây ra ơ
nhiễm nguồn nƣớc ngầm. Những nghiên cứu gần đây, các mô hình và các phƣơng pháp
nghiên cứu mơ tả khơng đầy đủ các tác nhân lan truyền chất bẫn gây ra. Trong bài báo này, tác
giả đã trình bày một mơ hình tính tốn sự lan truyền chất bẫn vào tầng nƣớc ngầm có xét đến
phản ứng hố học. Phƣơng trình chủ đạo của sự lan truyền chất bẩn hoà tan bao gồm sự phân
tán - khuếch tán - hấp thụ và phản ứng hố học đƣợc trình bày. Tác giả cũng so sánh kết quả
của mơ hình tốn với kết quả thí nghiệm, kết quả cho thấy rằng khả năng dự báo ảnh hƣởng
của phản ứng hố học có độ chính xác rất cao.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu:
Mục tiêu của luận văn này là nhằm tìm hiểu rõ hơn về bản chất thủy lực cũng nhƣ sự lan
truyền của chất bẩn trong tầng nƣớc ngầm, xét đến ảnh hƣởng của điều kiện địa chất và thuỷ
lực. Tiếp cận với các phƣơng pháp nghiên cứu khoa học tiên tiến, nâng cao kiến thức chuyên
môn, đáp ứng yêu cầu học thuật của bản thân.
Ngoài ra, vận dụng những kiến thức đã học vào các vấn đề thực tiễn phục vụ cho đời
sống của con ngƣời cũng là một mục tiêu của luận văn này. Trên cơ sở kết quả ban đầu, tiến
hành mơ phỏng sự lan truyền chất bẩn hồ tan vào tầng nƣớc ngầm từ một kênh bị ô nhiễm
theo 2 phƣơng (y,z) làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc, để từ đó có chiến lƣợc phát triển lâu
dài và quản lý nguồn nƣớc dƣới đất hiệu quả hơn.
1.3 Nội dung nghiên cứu:

Luận văn sẽ bao gồm 03 nội dung chính sau :
- Xây dựng một mơ hình tính tốn lan truyền chất bẩn hồ tan từ kênh ơ nhiễm vào tầng
nƣớc ngầm theo 2 phƣơng (y,z).
Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 18


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

- Áp dụng mơ hình để xem xét q trình lan truyền chất bẩn hồ tan từ kênh ơ nhiễm vào
tầng nƣớc ngầm, có xét đến ảnh hƣởng của điều kiện địa chất và thuỷ lực.
- Từ đó đề ra phƣơng án bảo quản, phục vụ công tác quản lý nƣớc dƣới đất hiệu quả hơn.
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu:
Nhìn chung, cho bài tốn lan truyền chất ngƣời ta có thể sử dụng hai phƣơng pháp
nghiên cứu:
Phƣơng pháp thực nghiệm (đo đạc ngoài hiện trƣờng) và phƣơng pháp tính bằng mơ hình
tốn số. So với thực nghiệm, phƣơng pháp mơ hình tốn số có nhiều ƣu điểm hơn. Đó là cho
kết quả nhanh và ít tốn kém, với ƣu thế nhƣ vậy nên phƣơng pháp này đƣợc chúng tôi chọn sử
dụng để nghiên cứu.
Chúng tơi sử dụng chƣơng trình đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới là phần mềm Comsol
để mô phỏng hiện tƣợng khuếch tán chất bẩn hoà tan từ kênh ô nhiễm vào tầng nƣớc ngầm có
xét đến ảnh hƣởng của điều kiện địa chất và thuỷ lực. Ngoài ra cịn kết hợp dùng phƣơng pháp
giải tích để kiểm tra, đánh giá kết quả của lời giải giải tích với kết quả tính của mơ hình.

Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 19


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Giới thiệu
Nghiên cứu sự lan truyền chất ô nhiễm trong tầng nƣớc ngầm từ các tác nhân ngoại
lai là một nhu cầu rất cấp bách hiện nay ở nƣớc ta. Kết quả nghiên cứu cho phép đánh giá
diễn biến mức độ ô nhiễm theo thời gian và khơng gian trong miền nghiên cứu và từ đó đề
xuất các biện pháp xử lý cần thiết. Ở đây giới hạn nghiên cứu bài toán trong phạm vi xem
xét sự lan truyền chất bẩn từ kênh ô nhiễm vào tầng nƣớc ngầm và chất ơ nhiễm dạng hịa
tan với nồng độ c (kg / m3 ) xâm nhập vào tầng nƣớc ngầm dƣới dạng thông lƣợng (flux). Nội
dung nghiên cứu sẽ xem xét ảnh hƣởng của độ rỗng môi trƣờng thấm lên tốc độ ô nhiễm và
điều kiện thuỷ lực nhƣ là sự chuyển động của tầng nƣớc ngầm theo phƣơng ngang lên mơ
hình nghiên cứu.
Nội dung luận văn giới thiệu kết quả bƣớc đầu về mô phỏng sự lan truyền chất bẩn
theo thời gian từ một kênh ô nhiễm xâm nhập vào tầng nƣớc ngầm dƣới dạng thông lƣợng
của tạp chất có nồng độ giả định là 1 kg / m3 . Mơ hình tốn mơ phỏng chế độ dòng chảy 2D
theo phƣơng y và z, đƣợc giải trong giai đoạn quá độ (transient) bắt đầu từ trạng thái hồn
tồn khơng bị ơ nhiễm lúc t = 0. Phần mềm Comsol với phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc
sử dụng để nghiên cứu hiện tƣợng.
9.5m

0

9.5m

50

100

Kênh

34°

10m

20m

Mực nước ngầm

-20

30m

-50
Tầng không thấm

100m
z

Hình 2.1 : Kích thƣớc tiết diện ngang của mơ hình tính tốn trƣờng hợp có một kênh lan truyền

Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 20

y


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ
9.5m

9.5m

0
34°

9.5m

5m 50 5m

Kênh

34°

9.5m

100

Kênh

10m

10m

20m

Mực nước ngầm

-20

30m

-50
Tầng không thấm 100m
z

Hình 2.2 : Kích thƣớc tiết diện ngang của mơ hình tính tốn trƣờng hợp có hai kênh lan truyền

2.2 Phƣơng trình thấm
Phƣơng trình dịng thấm của Richard trong môi trƣờng rỗng 2D theo phƣơng thẳng đứng
(y,z) đƣợc mơ tả bởi phƣơng trình sau đây:

C  Se S 

H p
   K s kr H p  D   Qs
t





[1]

Trong đó :
 : chỉ tốn tử Nabla
C : dung tích ẩm ( m 1 )

S e : độ bão hoà của đất
S   s   r : hệ số quan hệ giữa độ chứa nƣớc của đất ở trạng thái bảo hòa và độ chứa

nƣớc của đất sau khi thoát nƣớc ( m 1 ), trong đó  s và  r là độ chứa nƣớc của đất ở trạng
thái bão hòa và độ chứa nƣớc của đất sau khi thoát nƣớc.
H = D+ H p : cột nƣớc đo áp toàn phần (m)

Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 21

y


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

H p ( y, z ) =

Luận văn Thạc sĩ

p( y, z )
: cột áp
g

D: tung độ điểm xét (m)
2

p ( y, z ) : áp suất (N/m )

t : thời gian (s)

k r : hệ số quan hệ thấm của đất giữa trạng thái tự nhiên và trạng thái bão hòa, k r 



K s : hệ số thấm ở trạng thái bão hoà ms 1

K
Ks



K : là hệ số thấm ms 1 

 

Qs : lƣu lƣợng đơn vị nguồn s 1

Với dòng thấm khơng ổn định trong điều kiện bão hồ, Các hệ số C, S e , và K phụ thuộc
vào cột nƣớc đo áp H p và  , với  là độ chứa nƣớc của đất. Cho nên phƣơng trình
Richard là phƣơng trình phi tuyến.
Dung tích ẩm C có quan hệ với cột nƣớc đo áp nhƣ sau:
C

H


. Từ đó ta có phƣơng trình chủ đạo nhƣ sau : C p 
t
t
H p

Theo công thức của Genuchten, 4 hệ số  , C, S e , và k r phụ thuộc vào cột áp suất H p nhƣ
sau:
 r  Se  s   r 


H p <0;

s

Hp  0

1

Se 

1  H 

H p <0;

n m

p

Hp  0

1

m
C

1 m

 s   r Se m 1  Se m 
1



0
Nguyễn Thanh Sang

1



m

H p <0;

Hp  0
MSHV: 10200396

Trang 22


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

1 m
 
Se 1  1  Se m  
 
 

2

L

kr 
C

H p <0;

Hp  0

1

1
n

Trong đó  , n, m và l là các hằng số không thứ nguyên, và m  1 , khi áp suất là áp
suất khí trời thì H p  0 . Khi nƣớc lấp đầy các lỗ rỗng của đất (đạt trạng thái bão hồ) thì 4
thơng số trên có giá trị là hằng số.
2.3 Phƣơng trình lan truyền chất
Phƣơng trình lan truyền chất 2D theo phƣơng đứng (y,z) đƣợc mô tả bởi phƣơng trình
sau:

c    bc p   . DLc  uc   RL   Rp  Sc
t
t

[2]

Trong đó:
c : nồng độ chất kg / m3 
c p : là khối lƣợng chất bẩn hòa tan bị hấp thu trong một đơn vị khối lƣợng của đất mg / kg 

 : độ chứa nƣớc

 b : khối lƣợng riêng đơn vị của đất kg / m3 
DL : tensor chỉ hệ số khuếch tán chất bẩn m 2 / s 
RL : chỉ số phản ứng giữa chất bẩn hòa tan và phân tử nƣớc kgm 3 s 1 
Rp : chỉ số phản ứng giữa chất bẩn hòa tan và phân tử đất kgm 3 s 1 
S c : chỉ khối lƣợng chất hoà tan đi vào một đơn vị thể tích mơi trƣờng rỗng trong một đơn

vị thời gian kgm 3 s 1  .

Vận tốc lan truyền đƣợc tính theo cơng thức sau:
u  Ks kr H p  D

u : là véc tơ vận tốc m / s 
u(u j , uk ) : trƣờng vận tốc thấm 2D theo phƣơng đứng
Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 23


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

u j : vận tốc theo phƣơng y
uk : vận tốc theo phƣơng z

Để tiện lợi cho việc tính tốn, vế trái phƣơng trình [2] đƣợc phân tích nhƣ sau:
c c
 c   b c p 
c



c
 b p
t

t
t
t
c t

k p : hệ số quan hệ giữa c p và c m3 / kg  . Với c p  k pc là quan hệ tuyến tính, suy ra
c
k p  p . Thay vào phƣơng trình lan truyền chất trên ta đƣợc:
c



   b k p

ct  c t  . D c  uc   c   k  c  S
L

L

b p P

c

Trong đó : L s 1  là độ phân rã trong nƣớc và P s 1  là độ phân rã trong đất. Ta đƣợc
H p

phƣơng trình lan truyền chất nhƣ sau : c

c C

t

t

DL : tensor chỉ hệ số khuếch tán chất bẩn đƣợc đánh giá bởi biểu thức sau :
2

DLjj

2
uj
uk
 2
 3
 Dm L
u
u

DLjk  DL kj   2   3 

u j uk
u

Với  2 (m),  3 (m) là 2 tham số mô phỏng khếch tán chất lần lƣợt theo phƣơng y và z.



Dm : hệ số khuếch tán phân tử m 2 s 1



 L : là hệ số cản có tác dụng làm giảm khả năng khuếch tán phân tử trong lỗ rỗng, với
7
3

 L   s2 .

2.4 Điều kiện biên
2.4.1 Điều kiện biên cho bài tốn thấm
Trong nghiên cứu này chúng tơi xem xét miền thấm 2 chiều (2D) theo phƣơng thẳng
đứng (y,z), có chiều rộng là 100 m theo phƣơng y và chiều sâu 50 m theo phƣơng z và
kênh có mặt cắt ƣớt hình thang khơng đổi. Nguồn nƣớc xâm nhập vào tầng thấm từ kênh
ô nhiễm đƣợc mô phỏng là diện tích mặt cắt ƣớt của một kênh hình thang và có thơng
lƣợng thấm là 0.00454 m3/s trong miền nghiên cứu. Độ sâu của mực nƣớc trong kênh là
Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 24


Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn Thạc sĩ

3m, theo điều kiện biên của Dirichlet về cột áp, các điều kiện biên nhƣ sau:





: Cột áp trên các biên





: Cột áp trên các cạnh đáy kênh

n  K s kr H p  D  0
n  Ks kr H p  D  N0

Với n là vectơ chỉ phƣơng của biên.
2.4.2 Điều kiện biên cho bài toán lan truyền chất
Bài tốn mơ phỏng sự lan truyền loại chất bẩn hồ tan từ kênh có mặt cắt ƣớt dọc
theo kênh khơng thay đổi. Lƣu lƣợng thấm đã đƣợc xác định trong bài tốn thấm nêu
trên. Nƣớc bẩn đƣợc giả định có nồng độ là c =1 kg / m3 . Tại vị trí biên của miền tính, sự
lan truyền chất sẽ thoả mãn phƣơng trình dạng Neumann:
Các điều kiện biên nhƣ sau:
c  c0

: nồng độ trong kênh

n DLc  0

: nồng độ trên các biên

Với n là vectơ chỉ phƣơng của biên.

Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 10200396

Trang 25