Bài giảng Mô hình hóa môi trường - Chương 4: Mô hình hóa môi trường nước dưới đất

10-May-11
1
LOGO
Chương 4
MÔ HÌNH HÓA MÔI 
TRƯỜNG NƯỚC 
DƯỚI ĐẤT
Bài 4
GVGD: TRƯƠNG THỊ THU HƯƠNG
www.themegallery.com
Company Logo
1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH NƯỚC DƯỚI ĐẤT
Nước dưới đất là một loại khoáng sản lỏng, vì
vậy chất lượng cũng như trữ lượng luôn có sự
thay đổi.
Cần phải định lượng hóa và mô tả chính xác sự
thay đổi đó để làm cơ sở cho các bài toán tính
toán lan truyền chất ô nhiễm, trữ lượng, dòng
chảy cũng như giúp cho công tác quản lý, quy
hoạch nguồn tài nguyên này một cách hiệu quả
www.themegallery.com
Company Logo
1.1. Mô hình dòng chảy nước dưới đất
Mô hình dòng chảy nước dưới đất dùng để đánh
giá tốc độ và hướng vận chuyển của nước dưới
đất thông qua các tầng chứa nước và lớp cách
nước dưới bề mặt.
Việc mô phỏng dòng chảy nước dưới đất đòi hỏi
phải có hiểu biết sâu sắc về đặc tính thủy văn của
vùng nghiên cứu.
www.themegallery.com
Company Logo
Việc khảo sát địa chất thủy văn phải mô tả được các đặc
trưng sau:
- Qui mô và chiều dày của tầng chứa nước và cách nước.
- Các biên thủy lực kiểm soát tốc độ và hướng di chuyển
của nước dưới đất.
- Đặc tính thủy lực của tầng chứa nước và cách nước.
- Mô tả sự phân bố theo phương ngang và thẳng đứng
của mực nước trong vùng nghiên cứu theo điều kiện ban
đầu, điều kiện ổn định và điều kiện không ổn định khi
mực nước thay đổi theo thời gian
- Sự phân bố và độ lớn của lượng nước được bổ cập; lưu
lượng khai thác hoặc ép nước, tính thấm của nước
10-May-11
2
www.themegallery.com
Company Logo
1.2. Mô hình lan truyền chất trong đất
Mô hình lan truyền chất mô phỏng các quá trình sau:
- Sự di chuyển của các chất nhiễm bẩn theo quá trình
chuyển tải và khuếch tán,
- Sự lan truyền và hòa tan các chất nhiễm bẩn bởi quá trình
chuyển tải.
- Sự loại bỏ hoặc giải thoát các chất nhiễm bẩn vào hoặc ra
khỏi trầm tích và đá bởi quá trình hấp thụ hoặc nhả.
- Sự thay đổi hóa học của các chất nhiễm bẩn bởi các phản
ứng hóa học bị kiểm soát bởi các quá trình sinh học hay
các phảnứng hóa học.
www.themegallery.com
Company Logo
Để lập MH lan truyền chất cần bổ sung các thông tin sau:
- Phân bố vận tốc nước dưới đất nằm ngang và thẳng đứng (hướng và độ
lớn) do mô hình dòng chảy nước dưới đất đã được hiệu chỉnh tính toán.
- Các điều kiện biên của chất tan.
- Phân bố ban đầu của chất tan (điều kiện ban đầu).
- Vị trí, lịch sử và khối lượng của nguồn hóa chất.
- Độ lỗ rỗng hữu hiệu.
- Dung trọng tự nhiên.
- Tỷ lệ C hữu cơ trong đất.
- Tỷ trọng của chất lỏng.
- Độ nhớt của chất lỏng.
- Hệ số phân tán dọc và ngang.
- Hệ số khuếch tán (phân tán).
- Tốc độ phân rã hóa học hay hằng số phân hủy.
- Phương trình mô tả các quá trình biến đổi hóa học.
- Sự phân bố ban đầu của các chất hấp thụ điện tử.
www.themegallery.com
Company Logo
1.3. Các khái niệm cơ bản và phương trình 
lan truyền chất
Quá trình khuếch tán
Là quá trình mà ion hay những phần tử hòa tan trong nước dịch
chuyển từ vùng có nồng độ (hay hoạt tính hòa tan) cao hơn đến
vùng có nồng độ thấp hơn.
Quá trình chuyển tải
Là quá trình nước dưới đất vận động mang theo các chất hòa tan
Quá trình phân tán
Là quá trình diễn ra khi các chất hòa tan đi qua môi trường lỗ rỗng.
Quá trình phân tán có tác động pha loãng và hạ thấp nồng độ chất
hòa tan.
www.themegallery.com
Company Logo
1.4. Phương trình lan truyền ô nhiễm
( ) ( ) å++¶
¶-
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
¶
¶
¶
¶=
¶
¶
n
k
ss
k
i
ij
k
ij
i
k
RCqCv
xx
CD
xt
C qqq
(I) (II) (III) (IV)
(I) Nồng độ biến đổi của chất ô nhiễm k trong đơn vị thời
gian t.
(II) Nồng độ biến đổi của chất ô nhiễm theo phương i và j
do quá trình khuếch tán.
(III) Nồng độ biến đổi của chất ô nhiễm theo phương i do
quá trình đối lưu.
(IV) Thành phần phụ và tổng các phảnứng hóa học.
10-May-11
3
www.themegallery.com
Company Logo
Với
- θ: độ lỗ rỗng hữu hiệu (không thứ nguyên)
- t: thời gian (T).
- xij: khoảng cách tương ứng dọc theo hệ trục tọa độ Decac
- Dij: hệ số phân tán thủy động lực (L2T-1).
- vi: vận tốc thấm hay vận tốc dòng chảy qua lỗ rỗng (LT-1). Nó liên quan
tới vận tốc dòng chảy trong định luật Darcy:
i
ii
i x
hKqv
¶
¶
-==
qq
qs: tỷ lệ lưu lượng thể tích cho mỗi đơn vị dung tích của tầng chứa
nước đại diện cho Sources (nguồn) và Sinks (vùng, bể) (T-1).
- Csk: nồng độ chất ô nhiễm thứ k chảy từ nguồn tự sinh và tự hoại
(ML-3).
- ΣRn: tổng các phản ứng hóa học (ML-3T-1).
www.themegallery.com
Company Logo
Phương trình tổng quát vận chuyển chất ô nhiễm mô tả sự thay đổi
tức thời nồng độ các chất ô nhiễm trong nước ngầm.
Điều kiện ban đầu được viết như sau
C (x,y,z,t) = C0 (x,y,z) khi t = 0
Với C0(x,y,z) là nồng độ đã biết trước
Điều kiện ban đầu
Điều kiện biên
Có ba điều kiện biên được đề cập trong mô hình lan truyền chất trong
nước dưới đất là:
• Nồng độ xác định dọc theo biên (điều kiện Dirichlet);
• Nồng độ biến đổi xác định chảy qua biên tính toán (điều kiện
Neumenn);
• Điều kiện hỗn hợp (kết hợp cả hai điều kiện trên).
www.themegallery.com
Company Logo
Điều kiện biên loại I
Là điều kiện nồng độ được xác định dọc theo biên trong suốt thời gian
thiết lập mô hình. Đó là nồng độ được xác định trước và giá trị này
không đổi trong suốt thời gian tính toán. Và được xác định như sau:
trên Γ, t ≥ 0( ) ( )tzyxCtzyxC ,,,,,, 0=G
Với: Γ là biên xác định và C0 (x,y,z,t) là nồng độ ô nhiễm xác định dọc theo biên Γ
Điều kiện biên loại II
Là điều kiện biên nồng độ chất hòa tan được xác định trước. Đó là các
ô mà nồng độ chất hòa tan chảy qua biên được xác định trước trong
suốt bước thời gian tính toán, và nó được mô tả qua phương trình sau:
( ) 0,,,, ³=
¶
¶
G ttzyxfx
CD i
j
ijq
fi (x,y,z,t) là phương trình được xác định đại diện cho dòng chảy phân tán tới biên Γ.
Trường hợp không có dòng chảy phân tán thì nồng độ được xác định bằng không,
nghĩa là fi(x,y,z.t) = 0.
www.themegallery.com
Company Logo
Điều kiện biên loại III
Là điều kiện biên mà giá trị nồng độ dọc theo biên và nồng độ biến đổi
chảy qua biên được xác định (điều kiện Cauchy). Và nó được mô tả
qua phương trình:
( )tzyxgCq
x
CD ii
j
ij ,,,=-¶
¶
Gq trên Γ, t ≥ 0
Với gi (x,y,z,t) là phương trình đại diện cho tổng dòng chảy (phân tán và
đối lưu) tới biên Γ. Với biên không thấm, thì cả dòng chảy phân tán và
đối lưu bằng không, nghĩa là gi (x,y,z,t) = 0.
Dòng chảy đối lưu chiếm ưu thế hơn so với dòng chảy phân tán, khi đó
phương trình trên sẽ được đơn giản như sau:
Phương trình này được tính toán dễ dàng trong mô hình vận chuyển chất ô 
nhiễm.
( )tzyxgCq ii ,,,=- G
10-May-11
4
www.themegallery.com
Company Logo
Các điều kiện biên thực tế 
Biên sông
Biên loại này được mô phỏng cho dòng chảy giữa tầng chứa nước và
nguồn chứa nước thường là sông hay hồ...
Trong điều kiện
biên loại này thì
nước ngầm có xu
hướng di chuyển
từ nơi có địa hình
cao sang nơi có
địa hình thấp, mà
ở đó tầng địa chất
phía dưới không
có khả năng giữ
nước và không
thấm.
www.themegallery.com
Company Logo
Biên tự nhiên địa chất
Các điều kiện biên thực tế (tt) 
www.themegallery.com
Company Logo
Một số lưu ý
- Phải có ít nhất một điều kiện biên mực nước tham chiếu.
- Không chọn các biên nhân tạo quá gần diện tích NC
- Không phải tất cả các đối tượng nước mặt đều được xem
là biên dòng chảy (ví dụ: nước ở tầng chứa nằm sâu dưới
đất sẽ chảy bên dưới đáy sông).
- Mô hình nhiều lớp có thể đòi hỏi các biên khác nhau cho
từng lớp của mô hình
www.themegallery.com
Company Logo
Ví dụ ứng dụng phần 
mềm Modflow trong 
tính toán lan truyền 
phèn - mặn trong đất ở 
Bến Lức- Long An
10-May-11
5
www.themegallery.com
Company Logo
Tiến hành mô phỏng quá trình lan truyền phèn
– mặn trong đất theo không gian bằng mô hình
Velocity and Mass Flux Calculators
Mô phỏng quá trình lan truyền phèn – mặn
trong đất theo thời gian bằng mô hình
MODFLOW kết hợp MT3DMS
www.themegallery.com
Company Logo
Các dữ liệu đầu vào của mô hình
Đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu: xét các tầng đất
khác nhau như tầng sét, tầng đất cát(theo mẫu đất
phẫu diện)
Đặc điểm thủy văn khu vực nghiên cứu: hệ thống
nước mặt với chế độ dòng chảy, lưu lượng dòng chảy
ntn nước ngầm vơí độ sâu bao nhiêu,
Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu
www.themegallery.com
Company Logo
Cơ sở lý thuyết của mô hình 
Mô hình lý tính đất
Dòng chảy trong đất được xét trong hai đới: bão hòa và
không bão hòa:
Trong vùng đất không bão hòa: dòng chảy theo
phương thẳng đứng, chảy qua các khoang nhỏ. Dòng
đối lưu được giới hạn trong khoang nhỏ. Trong trường
hợp này không có sự trao đổi giữa các khoang lớn và
khoang nhỏ.
Trong vùng đất bão hòa: dòng đối lưu được xem như
chảy hoàn toàn trong khoang lớn. Dòng chảy trong
khoang nhỏ do sự khuếch tán.
www.themegallery.com
Company Logo
Ta có phương trình liên tục:
)(hS
z
q
t
-
¶
¶
=
¶
¶q
Dòng chảy trong đất theo định luật Darcy 
)1( +
¶
¶
-=
z
hKq
Với:
q: dòng đối lưu (cm/phút)
θ: độ ẩm thể tích đất (cm3)
S: lượng nước hút của rễ trên mỗi đơn vị thể tích của đất và trên 
đơn vị thời gian (cm3/cm3/phút)
K: độ dẫn thủy lực hay hệ số thấm (cm/phút)
h: thế hút nước của đất (cm)
Các giá trị K, θ, S là hàm số của h trong đó: 
10-May-11
6
www.themegallery.com
Company Logo
Hàm tương quan giữa hệ số thấm và độ ẩm:
Log (K(θ)) = bo + 0.4343 x b1 x Log (Se)
Với:
rs
rSe
qq
qq
-
-
=
Hàm tương quan giữa thế hút nước và độ ẩm:
Log (h(θ)) = ao + 0.4343*a1*Log (θe/ θ)
Trong đó:
θ: độ ẩm tại điểm tính toán
θr: độ ẩm thường trú trong đất
θs: độ ẩm bão hòa đất
www.themegallery.com
Company Logo
Tính toán vận tốc dòng chảy trong đất
Việc tính toán vận tốc dòng chảy trong đất cần 3 tập hợp dữ liệu vô
hướng. Từ đó có thể tạo một tập hợp dữ liệu các vectơ mô tả vận
tốc thẩm thấu trong đất.
Các tập hợp cơ sở dữ liệu đầu vào ở đây gồm thế hút nước của đất,
hệ số xốp và độ dẫn thủy lực hay hệ số thấm. Các tính toán dựa trên
công thức định luật Darcy:
n
ki
n
vv ds ==
Trong đó:
vs: vận tốc thẩm thấu
vd: vận tốc Darcy
n: hệ số xốp
k: hệ số thấm
i: gradient thế hút nước của đất
www.themegallery.com
Company Logo
Trong mô hình 3 chiều, hàm này trở thành:
ú
ú
ú
û
ù
ê
ê
ê
ë
é
¶¶
¶¶
¶¶
ú
ú
ú
û
ù
ê
ê
ê
ë
é
-=
ú
ú
ú
û
ù
ê
ê
ê
ë
é
zh
yh
xh
kkk
kkk
kkk
v
v
v
zzzyzx
yzyyyx
xzxyxx
z
y
x
/
/
/
Nếu giả sử kx = ky = kh và kz = (hệ số anis)*kh thì hàm này
được đơn giản thành:
ú
ú
ú
û
ù
ê
ê
ê
ë
é
¶¶
¶¶
¶¶
ú
ú
ú
û
ù
ê
ê
ê
ë
é
-=
ú
ú
ú
û
ù
ê
ê
ê
ë
é
zh
yh
xh
k
k
k
v
v
v
z
h
h
z
y
x
/
/
/
00
00
00
Tính toán vận tốc dòng chảy trong đất (tt)
x
hkv hx ¶
¶
-=
y
hkv hy ¶
¶
-=
z
hkv zz ¶
¶
-=
Hoặc 
www.themegallery.com
Company Logo
Vận chuyển chất 2 chiều và sự thấm hút bề mặt 
Để kiểm tra khả năng của mô hình MT3DMS mô phỏng quá trình vận
chuyển chất tan trong hệ thống 2 chiều khi có mặt sự phân hủy bậc
nhất và sự thấm hút bề mặt tuyến tính. Hàm chủ đạo để giải quyết vấn
đề này là (Zheng và Wang, 1999):
imimimimmmmm
mm
m
im
imim
t
m
mm CRCRx
C
q
x
C
D
t
C
R
C
R qlqlqqq --
¶
¶
-
¶
¶
=
¶
¶
+
¶
¶
2
2
imimimimimm
im
imim CRCCt
C
R qlzq --=
¶
¶
)(
10-May-11
7
www.themegallery.com
Company Logo
Trongđó:
Cm và Cim lần lượt là nồng độ chất hòa tan trong môi trường lưu
động và không lưu động ;
θm và θim lần lượt là hệ số xốp của môi trường lưu động và không
lưu động, [vô hướng] ;
λm và λim lần lượt là tốc độ phân hủy lần đầu tiên đối với pha lỏng
di động và không di động ;
Rm và Rim lần lượt là các nhân tố làm chậm đối với môi trường lưu
động và không lưu động ;
ξ là hệ số tốc độ vận chuyển chất bậc nhất giữa môi trường lưu
động và không lưu động.
www.themegallery.com
Company Logo
Mô hình vận chuyển và dòng chảy số được phát triển sử
dụng là mô hình MODFLOW2000 và MT3DMS.
Mô hình bao gồm 101 cột, 101 dòng và 2 lớp, được sử
dụng để so sánh sự hòa tan đối với điều kiện ban đầu và
điều kiện biên.
Trong mô hình dòng chảy, cột đầu tiên và cuối cùng là
các biên thế hút nước hằng số. Các thế hút nước bất kỳ
được sử dụng để thiết lập gradient nước đồng nhất được
yêu cầu.
Trong mô hình vận chuyển, cột đầu tiên là biên nồng độ
hằng số với nồng độ có liên quan của một biên. Cột cuối
cùng phải đủ xa từ nguồn đến 1 vùng dòng chảy 1 chiều
nửa vô hạn khi được thực hiện trong quá trình hòa tan.
www.themegallery.com
Company Logo
Các thông số trong mô hình được sử dụng trong quá
trình mô phỏngđược liệt kê bên dưới
Ø Độ rộng lưới theo dòng (∆x) = 10 m
Ø Độ rộng lưới theo cột (∆y) = 1 m
Ø Độ dày lớp (∆z) = 1m
Ø Lưu lượng (lưu lượng Darcy) (q) = 0,06
m/ngày
Ø Sự phân tán theo chiều dọc = 10 m
Ø Hệ số thấm của vùng lưu động (θm) = 0.2
Ø Hệ số thấm của vùng đứng yên (θim) = 0.05
Ø Hệ số tốc độ vận chuyển chất giữa môi
trường lưu động và đứng yên (ζ) = 10-3/ngày
Ø Khoảng thời gian bắt đầu (t0) = 90 ngày
Ø Tổng thời gian mô phỏng (t) = 720 ngày
www.themegallery.com
Company Logo
VÍ DỤ VỀ ỨNG DỤNG 
PHẦN MỀM MODFLOW VÀ 
MT3DMS TÍNH TOÁN MÔ 
PHỎNG LAN TRUYỀN 
NITƠ TRONG NƯỚC DƯỚI 
ĐẤT Ở TP.HCM
10-May-11
8
www.themegallery.com
Company Logo
1. Lưới và đường đẳng mực nước của mô hình
Lưới tính được chia thành: 90 hàng x 90 cột tạo thành một
hệ thống lưới hai chiều.
Kích thước mỗi ô lưới của mô hình là: 1000 (m) x 1000 (m).
(Những ô lưới không thuộc diện tích lập mô hình là những
ô không hoạt động).
Lưới tính toán hai chiều: Dùng để nội suy các dữ liệu từ
các điểm rời rạc đến từng ô lưới và lưu dữ liệu thành từng
tập tin phục vụ cho việc chuyển dữ liệu này vào lưới ba
chiều.
www.themegallery.com
Company Logo
Lưới và 
đường đẳng 
mực nước 
của mô hình
www.themegallery.com
Company Logo
Hình ảnh lưới ba 
chiều của khu vực 
TP. Hồ Chí Minh
www.themegallery.com
Company Logo
2. Các lớp địa chất của TP. Hồ Chí 
Minh được sử dụng trong mô hình
10-May-11
9
www.themegallery.com
Company Logo
3. Dữ liệu về thông số địa chất thủy văn xung 
quanh khu vực các bãi rác
Hệ số thấm (Hydraulic conductivity)
Hệ số thấm thấm ngang (Horizontal K) và hệ số thấm dọc (Vertical K)
Dữ liệu về lượng bổ cập (Recharge package)
Lượng bổ cập là lượng nước từ nhiều nhân tố khác nhau đi vào hệ
thống nước dưới đất: mưa, lũ, úng ngập...
Theo tính toán của các nhà chuyên môn thì lượng bổ cập không vượt
quá 20% lượng mưa và phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là các yếu
tố sau: Độ dốc địa hình, thành phần đất đá trong từng vùng tiếp nhận
nước mưa và thảm thực vật.
www.themegallery.com
Company Logo
www.themegallery.com
Company Logo
4. Thiết lập và chạy MT3DMS
Giá trị các thông 
số đầu vào của 
mô hình lớn
TRPT: là tỷ số giữa độ
phân tán theo phương
ngang và phương dọc
theo dòng chảy
TRVT: là tỷ số giữa độ
phân tán theo phương
đứng và phương dọc
theo dòng chảy
www.themegallery.com
Company Logo
Các bước thiết lập của mô hình:
Bước 1: Thiết lập các lớp địa chất
Trước khi chạy MT3DMS, cần phải thiết lập 3 lớp địa chất và bãi rác Phước
Hiệp cho mô hình.
10-May-11
10
www.themegallery.com
Company Logo
Thiết lập bãi rác: mở thuộc tính vùng (recharge rate và recharge
concentration).
www.themegallery.com
Company Logo
Bước 2: Đưa dữ liệu GIS vào mô hình
Chuyển file có đuôi (*shp) chứa dữ liệu thông tin địa lý (GIS) về bãi rác (đã
xác định vị trí và tọa độ của bãi rác) vào mô hình.
www.themegallery.com
Company Logo
Bước 3:
Gán giá trị cho các lớp gồm độ rỗng và hệ số phân tán theo phương 
dọc theo dòng chảy (porosity and longitudinal dispersion)
www.themegallery.com
Company Logo
Bước 4: Thiết lập các dữ kiện cho MT3DMS.
10-May-11
11
www.themegallery.com
Company Logo
Bước 5: 
Gán giá trị thời gian nghiên cứu (ngày) và bước lặp tính toán (Length 
và Max transport steps)
www.themegallery.com
Company Logo
Bước 6:
Chọn các dữ kiện tính toán (tải, phân tán,nguồn tự sinh/tự hoại, theo dõi
lan truyền).
Company Logo
Bước 7: Chọn chất ô nhiễm (N tổng)
www.themegallery.com
Company Logo
Bước 8: Lựa chọn bước xuất dữ liệu tính toán ô nhiễm theo thời gian
10-May-11
12
www.themegallery.com
Company Logo
Bước 9:
Lựa chọn phương pháp để tính toán số hạng tải, sử dụng phương pháp
biến phân bậc 3.
www.themegallery.com
Company Logo
Bước 10: Gán giá trị cho hệ số phân tán cho các lớp 1, lớp 2 và lớp 3.
www.themegallery.com
Company Logo
Bước 11:
Gán giá trị tốc độ bổ cập và nồng độ bổ cập cho các bãi rác (recharge rate và
recharge conconcentration) cho hai bãi rác.
www.themegallery.com
Company Logo
Bước 12: Chuyển tất cả các dữ liệu đã thiết lập trên bản đồ vào
MT3DMS.
10-May-11
13
www.themegallery.com
Company Logo
Bước 13:
Chạy 
MODFLOW
www.themegallery.com
Company Logo
Kết quả chạy MODFLOW: Cho 
ra đường đẳng mực nước cả 
thành phố.
www.themegallery.com
Company Logo
Bước 14: Chạy MT3DMS
www.themegallery.com
Company Logo
Kết quả chạy MT3DMS.
10-May-11
14
LOGO
www.themegallery.com