Tài liệu Nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất áp dụng cho đảo côn sơn tỉnh bà rịa vũng tàu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ MINH TRANG NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN Ô NHIỄM TỪ NGHĨA TRANG ĐẾN TẦNG CHỨA NƯỚC DƯỚI ĐẤT ÁP DỤNG CHO ĐẢO CÔN SƠN – TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ MINH TRANG NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN Ô NHIỄM TỪ NGHĨA TRANG ĐẾN TẦNG CHỨA NƯỚC DƯỚI ĐẤT ÁP DỤNG CHO ĐẢO CÔN SƠN – TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU Chuyên ngành: Kỹ thuật Tài nguyên Nước Mã số chuyên ngành: 62580212 Phản biện độc lập 1: GS. TS. Nguyễn Thế Hùng Phản biện độc lập 2: TS. Phan Chu Nam Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Hồng Quân Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Chí Công Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Thống NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. Lê Đình Hồng 2. PGS.TS. Võ Khắc Trí LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Thị Minh Trang i TÓM TẮT LUẬN ÁN Sự phát thải ô nhiễm liên tục tại các nghĩa trang lâu năm xuống các tầng chứa nước dưới đất bên dưới đã và đang gây ra những mối lo ngại về chất lượng nước dưới đất nói riêng và sức khỏe của cộng đồng cũng như an ninh nguồn nước nói chung. Đặc biệt tại khu vực biển đảo như đảo Côn Sơn, tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu, do nguồn nước mặt hạn hẹp và khan hiếm, việc khai thác và cung cấp nguồn nước sạch phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt của cư dân trên đảo phụ thuộc rất nhiều vào nguồn nước dưới đất. Do đó, đề tài luận án “Nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất – Áp dụng cho đảo Côn Sơn, tỉnh Bà rịa Vũng Tàu” được hình thành nhằm đánh giá và dự báo khả năng lan truyền chất ô nhiễm phát thải từ nghĩa trang, điển hình tại nghĩa trang lâu năm Côn Đảo, đảo Côn Sơn, tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu. Đề tài mô phỏng hóa quá trình lan truyền chất ô nhiễm có nguồn gốc từ nước rỉ xác người đến tầng chứa nước dưới đất ngay dưới nghĩa trang trên cơ sở thiết lập phương pháp xác định thực nghiệm trong phòng thông số lan truyền chất ô nhiễm trong dung dịch đất tại nghĩa trang. Đây là các hệ số quan trọng chi phối đến quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong đất và nước dưới đất. Bên cạnh đó, đề tài đã áp dụng mô hình toán xác định được mức độ và phạm vi ảnh hưởng của chất ô nhiễm theo thời gian và không gian. Kết quả nghiên cứu của đề tài đóng góp thêm cơ sở khoa học cho các cơ quan chủ quản trong việc quy hoạch, quản lý các nghĩa trang lâu năm và hỗ trợ các đơn vị quản lý môi trường có thêm phương thức xác định – đánh giá được mức độ ô nhiễm của tầng chứa nước dưới đất nằm ngay dưới nghĩa trang. Từ các kết quả nghiên cứu, Luận án đóng góp được các tính khoa học mới như sau: (1) Xác định giá trị các thông số lan truyền chất hòa tan trong dung dịch đất bằng phương pháp thực nghiệm trong quy mô phòng thí nghiệm kết hợp với ước tính tối ưu thông số bằng mô hình Hydrus 1D. (2) Đề xuất quy trình xác định sự lan truyền ô nhiễm trong tầng chứa nước dưới đất ở các khu vực khác. Trong đó, việc ứng dụng quy trình xác định thực nghiệm các hệ số lan truyền chất ở các khu vực khác có thể được thực hiện trên cơ sở điều chỉnh các yếu tố có tác động chính đến kết quả mô phỏng lan truyền, điển hình như các đặc tính địa chất – địa chất thủy văn của khu vực nghiên cứu; các bộ thông số đầu vào cho mỗi mô hình mô phỏng và các điều kiện mô hình. ii ABSTRACT The continuous discharge of contaminants from long-standing cemeteries into groundwater has been causing concerns about groundwater quality in particular and public health as well as water resources security in general. Especially in the sea areas such as Con Son Island, Ba Ria Vung Tau Province, due to the limited reserves of surface water resources, the exploitation and supply of drinking water for the domestic demands of the island inhabitants depend deeply on groundwater. Therefore, the thesis entitled "Research on the spread of pollution from graveyards to underground aquifers - Applied to Con Son island, Ba Ria Vung Tau province" was formed in oder to evaluate and predict the contaminant transport from the cemetery, typical in Con Dao Cemetery located in Con Son Island, Ba Ria Vung Tau Province. The study is to simulate the contaminant transport from the leaking of human corpses down to groundwater aquifers directly underneath cemeteries on the basis of experimental setup to determine the contaminant transport coefficients in the cemetery soil. These are important factors that influence the contaminant transport in soils and groundwater. In addition, the study has applied the mathematical model to determine the extent and scope of contaminant effects over time and space. Research results contribute additional scientific basis to regulatory agencies in the planning and management of the long-standing cemeteries and support for environmental management units with additional methods for evaluating of the pollution level of groundwater aquifers located directly under the cemeteries. From the results of the study, the thesis presents new scientific features as follows: (1) Determine the value of contaminant transport parameters in the soil solution by empirical method in a laboratory scale in combination with the parameter estimation optimization using the Hydrus 1D model. (2) Propose a general procedure for determining the ability of contaminant transport into groundwater aquifers in different areas. In particular, the application of empirical determination of contaminant transport parameters in other areas can be done on the basis of adjusting the main effect factors on the simulation results, such as geological and hydro-geological characteristics of the study area; input parameters for each simulation model and model conditions. iii LỜI CÁM ƠN Luận án được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ tận tình của các Thầy hướng dẫn, các Thầy giảng viên Bộ môn Kỹ thuật và Quản lý Tài nguyên nước thuộc Khoa Kỹ thuật Xây dựng trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM, các cán bộ quản lý tại Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước Miền Nam, các cán bộ Trung tâm Thí nghiệm thuộc Viện Khoa học Thủy Lợi Miền Nam, các Thầy Cô giảng viên Khoa Kỹ thuật đô thị trường Đại học Kiến trúc Tp.HCM và gia đình. Tác giả xin trân trọng cám ơn đến tất cả các cá nhân và tập thể đã giúp đỡ trong thời gian vừa qua:  TS. Lê Đình Hồng và PGS.TS. Võ Khắc Trí đã tận tình hướng dẫn, bổ sung cập nhật những kiến thức, kinh nghiệm và điều kiện nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện Luận án.  Các Giảng viên tại Bộ môn Kỹ thuật và Quản lý Tài Nguyên nước thuộc Khoa Kỹ thuật Xây dựng trường Đại học Bách Khoa và các cán bộ quản lý tại Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước Miền Nam đã hướng dẫn tận tình, cung cấp tài liệu và đóng góp ý kiến cho việc hoàn thành Luận án.  Các cán bộ Trung tâm Thí nghiệm thuộc Viện Khoa học Thủy Lợi Miền Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cũng như hỗ trợ khoa học giúp việc hoàn thành các thí nghiệm thực nghiệm.  Phòng Quản lý khoa học Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã hỗ trợ mọi cơ sở và điều kiện nghiên cứu tốt nhất, giúp tôi hoàn thành Luận án này. Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khách quan khác nhau, Luận án không tránh khỏi những thiết sót. Tác giả mong muốn nhận được nhiều ý kiến đóng góp giúp cho Luận án được hoàn thiện hơn. iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.................................................................................. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................xi MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề .................................................................................................................... 1 2. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu ......................................................... 2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..................................................................................... 3 4. Đóng góp mới của luận án ........................................................................................... 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ............................................................ 5 Tổng quan nghiên cứu ngoài nước ..................................................................... 5 1.1.1 Lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất ............... 5 1.1.2 Xác định thông số lan truyền chất hòa tan trong dung dịch đất .................. 7 Tổng quan nghiên cứu trong nước ...................................................................... 8 1.2.1 Lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất ............... 9 1.2.2 Xác định thông số lan truyền chất hòa tan trong dung dịch đất ................ 12 Đánh giá tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước ................................ 12 Kết luận Chương 1..................................................................................................... 14 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ..................................... 15 Cơ sở lý thuyết dòng chảy nước dưới đất ......................................................... 16 2.1.1 Phương trình dòng chảy nước dưới đất ..................................................... 17 2.1.2 Biên và điều kiện biên ............................................................................... 17 2.1.3 Phương pháp giải....................................................................................... 19 Cơ sở lý thuyết lan truyền chất ô nhiễm ........................................................... 23 2.2.1 Phương trình lan truyền chất ô nhiễm ....................................................... 23 2.2.2 Biên và điều kiện biên ............................................................................... 25 2.2.3 Phương pháp giải....................................................................................... 25 Cơ sở lý thuyết mô hình Hydrus 1D ................................................................. 28 2.3.1 Module dòng chảy nước dưới đất ............................................................. 29 2.3.2 Module lan truyền chất.............................................................................. 30 2.3.3 Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên ................................................... 32 2.3.4 Tối ưu các thông số ................................................................................... 33 v Cơ sở về thực nghiệm lan truyền chất hòa tan trong các cột đất thực địa ........ 37 2.4.1 Lý do thực hiện thí nghiệm ....................................................................... 37 2.4.2 Mục tiêu thí nghiệm .................................................................................. 38 2.4.3 Quy trình thí nghiệm ................................................................................. 38 Kết luận Chương 2..................................................................................................... 43 CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG NGHIÊN CỨU CHO NGHĨA TRANG CÔN ĐẢO, ĐẢO CÔN SƠN, TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU ...................................................................... 44 Lý do chọn lựa vùng áp dụng nghiên cứu ........................................................ 44 Tổng quan vùng áp dụng nghiên cứu ............................................................... 45 3.2.1 Vị trí địa lý và đặc điểm tự nhiên .............................................................. 45 3.2.2 Tổng quan về nguồn nước tại Thung lũng Côn Sơn 2005-2015............... 48 3.2.3 Đánh giá mức độ dễ tổn thương của tầng chứa nước dưới đất Côn Sơn .. 54 3.2.4 Đánh giá khả năng xâm nhập các chất ô nhiễm vào nước dưới đất .......... 55 3.2.5 Hiện trạng ô nhiễm tại nghĩa trang Côn Đảo ............................................ 55 Thực nghiệm xác định các thông số lan truyền chất trong nước dưới đất ....... 57 3.3.1 Vị trí lấy mẫu ............................................................................................ 57 3.3.2 Đặc tính cơ lý của mẫu đất ........................................................................ 58 3.3.3 Quy trình thí nghiệm ................................................................................. 58 3.3.4 Kết quả thực nghiệm amoni trong các cột đất........................................... 59 Mô phỏng lan truyền amoni từ nghĩa trang Côn Đảo đến tầng chứa nước Pleistocen (2005-2015) .............................................................................................. 72 3.4.1 Sơ đồ hóa vùng lập mô hình...................................................................... 72 3.4.2 Dữ liệu đầu vào mô hình ........................................................................... 74 3.4.3 Quy trình thực hiện ................................................................................... 81 3.4.4 Hiệu chỉnh – kiểm định mô hình ............................................................... 83 3.4.5 Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 86 Mô hình dự báo lan truyền amoni từ nghĩa trang Côn Đảo đến tầng chứa nước Pleistocen (2015-2050) .............................................................................................. 91 3.5.1 Các thông số đầu vào mô hình RT3D 2015-2050 ..................................... 91 3.5.2 Kết quả mô phỏng lan truyền amoni RT3D 2015-2050............................ 92 Đánh giá độ nhạy của các thông số lan truyền chất ......................................... 93 3.6.1 Khái niệm và phương pháp đánh giá ........................................................ 93 3.6.2 Trình tự đánh giá độ nhạy thông số lan truyền chất .................................. 94 vi 3.6.3 Kết quả đánh giá độ nhạy thông số lan truyền chất .................................. 95 Đề xuất quy trình xác định sự lan truyền ô nhiễm trong tầng chứa nước dưới đất ở các khu vực khác .............................................................................................. 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................102 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................104 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................105 PHỤ LỤC ....................................................................................................................109 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Sơ đồ cơ sở nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến NDĐ ........... 15 Hình 2.2 Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa các mô hình số trong Luận án ................... 16 Hình 2.3 Điều kiện biên loại II ...................................................................................... 18 Hình 2.4 Điều kiện biên tổng hợp trong MH DCNDĐ ................................................. 18 Hình 2.5 Quy trình tính toán dòng chảy NDĐ cho bước thời gian bất kỳ .................... 19 Hình 2.6 Ô lưới i, j, k (nút lưới đặt ở tâm ô lưới) và 6 ô bên cạnh ............................... 20 Hình 2.7 Hình minh họa thuật toán MMOC ................................................................. 27 Hình 2.8 Quy trình tính toán và dự báo mực NDĐ và lan truyền ô nhiễm trong NDĐ 27 Hình 2.9 Quy trình ước tính ngược thông số trong Hydrus 1D .................................... 33 Hình 2.10 Quy trình ước tính các thông số lan truyền chất .......................................... 36 Hình 2.11 Phẫu diện đất tại trạm quan trắc CS9 ........................................................... 39 Hình 2.12 Mô hình thực tế (a) 04 ống cột và sơ đồ thí nghiệm (b) ............................... 40 Hình 3.1 Phối cảnh Thung lũng Côn Sơn, Huyện Côn Đảo.......................................... 45 Hình 3.2 Bản đồ vị trí các lỗ khoan quan trắc NDĐ trên Thung lũng Côn Sơn ........... 47 Hình 3.3 Đồ thị sự thay đổi nồng độ N-NH4+ từ 2005 đến 2015 trong tầng Pleistocen tại các trạm quan trắc NDĐ của Thung lũng Côn Sơn .................................................. 49 Hình 3.4 Đồ thị sự thay đổi nồng độ N-NO2- từ 2005 đến 2015 trong tầng Pleistocen tại các trạm quan trắc NDĐ của Thung lũng Côn Sơn .................................................. 49 Hình 3.5 Đồ thị sự thay đổi nồng độ COD từ 2014 đến 2015 trong tầng Pleistocen tại các trạm quan trắc NDĐ của Thung lũng Côn Sơn ....................................................... 50 Hình 3.6 Nồng độ N-NH4+ tại trạm quan trắc NDĐ CO3 và trung bình của 07 trạm quan trắc NDĐ còn lại tại Thung lũng Cỏ Ống từ 2005 - 2015 .................................... 51 Hình 3.7 Sơ đồ hóa vị trí nghĩa trang Côn Đảo và các trạm quan trắc NDĐ ................ 56 Hình 3.8 Hình ảnh thực tế các mẫu đất khoan tại Thung lũng Côn Sơn ....................... 58 Hình 3.9 Quy trình thực nghiêm và ước tính thông số lan truyền amoni...................... 59 Hình 3.10 Kết quả kiểm định ước tính ngược thông số lan truyền trên Cl- .................. 61 Hình 3.11 Kết quả kiểm định ước tính ngược thông số lan truyền trên N-NH4+ .......... 61 Hình 3.12 Đường cong Cl- theo số liệu thí nghiệm ....................................................... 62 Hình 3.13 Đường đẳng nhiệt hấp phụ tuyến tính của amoni trong đất Côn Sơn - TH164 Hình 3.14 Đường đẳng nhiệt hấp phụ amoni trong đất Côn Sơn .................................. 64 Hình 3.15 Đường cong amoni theo số liệu thí nghiệm và mô hình Hydrus 1D ............ 66 Hình 3.16 Các đường cong amoni tương ứng với sự thay đổi lưu lượng dòng chảy (nhiệt độ t = 30 ± 2ºC, C0 = 100 ± 2mg/l) ..................................................................... 69 Hình 3.17 Sơ đồ hóa vùng lập mô hình dòng chảy NDĐ.............................................. 73 Hình 3.18 Sơ đồ hóa vị trí nghĩa trang Côn Đảo tại Thung lũng Côn Sơn ................... 73 Hình 3.19 Sơ đồ thể hiện bộ thông số đầu vào mô hình dòng chảy NDĐ .................... 74 Hình 3.20 Sơ đồ bộ thông số đầu vào mô hình lan truyền amoni 2005-2010 ............... 74 Hình 3.21 Sơ đồ thể hiện bộ thông số đầu vào mô hình lan truyền amoni 2010-2015 . 75 Hình 3.22 Bản đồ vị trí các điểm độ cao (a) và chiều sâu đáy lớp 1 (b) ....................... 75 viii Hình 3.23 Lưới tính toán 2 chiều - 2D Grid (a) và 3 chiều - 3D Grid (b) ..................... 76 Hình 3.24 Bản đồ phân bố các thông số ĐCTV lớp 1 (a) và lớp 2 (b) ........................ 76 Hình 3.25 Bản đồ phân vùng bổ cập - bốc hơi (a) và vị trí các giếng khai thác (b) ..... 77 Hình 3.26 Bản đồ các loại biên sử dụng cho MH DCNDĐ .......................................... 80 Hình 3.27 Bản đồ các loại biên sử dụng cho mô hình lan truyền amoni ...................... 80 Hình 3.28 Điều kiện về nồng độ amoni ban đầu cho mô hình hiệu chỉnh 2005-2010 .. 81 Hình 3.29 Quy trình thực hiện mô phỏng dòng chảy NDĐ .......................................... 82 Hình 3.30 Sơ đồ các bước mô phỏng lan truyền amoni từ nghĩa trang Côn Đảo ......... 82 Hình 3.31 Đồ thị cao trình mực NDĐ quan trắc - tính toán tại CS9 2005-2015........... 84 Hình 3.32 Đồ thị cao trình mực NDĐ quan trắc - tính toán tại CS11 2005-2015......... 84 Hình 3.33 Cao trình mực nước tầng Pleistocen tháng 04/2006 và 09/2006.................. 87 Hình 3.34 Cao trình mực nước tầng Pleistocen tháng 04/2010 và 09/2010.................. 87 Hình 3.35 Cao trình mực nước tầng Pleistocen tháng 09/2014 và 04/2015.................. 87 Hình 3.36 Mô phỏng lan truyền và phân bố nồng độ amoni theo mặt cắt Đông Tây (a) và Nam Bắc (b) vào năm 2006 ...................................................................................... 90 Hình 3.37 Mô phỏng lan truyền và phân bố nồng độ amoni theo mặt cắt Đông Tây (a) và Nam Bắc (b) vào năm 2010 ...................................................................................... 91 Hình 3.38 Mô phỏng lan truyền và phân bố nồng độ amoni theo mặt cắt Đông Tây (a) và Nam Bắc (b) vào năm 2015 ...................................................................................... 92 Hình 3.39 Mô phỏng lan truyền amoni từ 2005-2015 ................................................... 93 Hình 3.40 Mô phỏng sự hấp phụ và phân bố nồng độ amoni bị hấp phụ theo mặt cắt Đông Tây (a) và Nam Bắc (b) vào năm 2006 ............................................................... 93 Hình 3.41 Mô phỏng sự hấp phụ và phân bố nồng độ amoni bị hấp phụ theo mặt cắt Đông Tây (a) và Nam Bắc (b) vào năm 2015 ............................................................... 89 Hình 3.42 Vị trí và tọa độ 05 ô lưới trong nghĩa trang Côn Đảo .................................. 89 Hình 3.43 Đồ thị suy giảm nồng độ amoni từ nghĩa trang Côn Đảo 2005-2015 .......... 90 Hình 3.44 Sơ đồ thể hiện bộ thông số đầu vào mô hình RT3D 2015-2050 .................. 91 Hình 3.45 Diễn biến quá trình suy giảm nồng độ amoni từ sau năm 2015 tại khu vực nghĩa trang Côn Đảo ...................................................................................................... 92 Hình 3.46 Tổng quát quy trình thực hiện nghiên cứu lan truyền ô nhiễm ..................100 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu về việc xác định thông số lan truyền chất hòa tan trong dung dịch đất...................................................................................... 7 Bảng 1.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu về lan truyền ô nhiễm từ các bãi chôn lấp chất thải và rác thải .................................................................................................. 11 Bảng 2.1 Yêu cầu về bộ thông số các mô hình toán số trong phân mềm GMS ............ 28 Bảng 2.2 Các bước xác định giá trị θ và h .................................................................... 30 Bảng 2.3 Các thông số của mô hình cân bằng và không cân bằng hóa học hai vị trí ... 35 Bảng 2.4 Các đặc tính cơ bản của bốn ống cột thí nghiệm ........................................... 38 Bảng 2.5 Nồng độ các chất thí nghiệm đầu vào các ống cột đất Côn Sơn .................... 41 Bảng 3.1 Bảng thống kê các chỉ tiêu vượt QCVN 09:2015/BTNMT vào mùa mưa (10/2014) và mùa khô (04/2015) tại Thung lũng Côn Sơn .......................................... 48 Bảng 3.2 Bảng thống kê nồng độ N-NH4+ giữa các trạm tại Thung lũng Côn Sơn ...... 50 Bảng 3.3 Bảng tổng hợp kết quả phân tích nồng độ các chất gây ô nhiễm NDĐ tại Trạm quan trắc CS9 và toàn Thung lũng Côn Sơn theo 04 giai đoạn .......................... 56 Bảng 3.4 Đặc tính cơ lý đất Côn Sơn ............................................................................ 58 Bảng 3.5 Kết quả tối ưu thông số đặc tính đất Côn Sơn trong Hydrus 1D ................... 60 Bảng 3.6 Bảng thống kê các thông số phản ứng đầu trong Hydrus 1D ........................ 60 Bảng 3.7 Khối lượng amoni bị hấp phụ trong sáu ống cột đất - Trường hợp 1 ............ 63 Bảng 3.8 Các thông số lan truyền amoni ước tính theo mô hình cân bằng và không cân bằng hóa học I với các nồng độ amoni khác nhau - Trường hợp 1 ............................... 65 Bảng 3.9 Khối lượng amoni bị hấp phụ khi lưu lượng dòng chảy và thời gian tiếp xúc thay đổi (nồng độ N-NH4+=100 ± 2 mg/l) ..................................................................... 68 Bảng 3.10 Các thông số lan truyền amoni ước tính theo mô hình không cân bằng hóa học II với các lưu lượng dòng chảy khác nhau - Trường hợp 2 .................................... 68 Bảng 3.11 Bảng so sánh kết quả ước tính các thông số lan truyền giữa một số nghiên cứu lan truyền ô nhiễm trong NDĐ ............................................................................... 70 Bảng 3.12 Kết quả hiệu chỉnh thông số mô hình dòng chảy NDĐ 2005-2015 ............. 83 Bảng 3.13 Kết quả hiệu chỉnh thông số đầu vào mô hình RT3D 2005-2010 ............... 85 Bảng 3.14 Bảng thống kê sai số trên mô hình lan truyền amoni 2005-2010 ............... 85 Bảng 3.15 Bảng thống kê sai số trên mô hình RT3D 2010-2015 ................................. 86 Bảng 3.16 Các thông số thành phần hình thành trữ lượng NDĐ vào 2014-2015 ......... 89 Bảng 3.17 Thuộc tính tầng chứa nước Côn Sơn tại nghĩa trang Côn Đảo .................... 94 Bảng 3.18 Giá trị của các thông số khác nhau cho các biến thiên -10% ÷ +10% ......... 94 Bảng 3.19 Độ nhạy (∑∆C2) trong mô phỏng biến thiên -10% ÷ -5% ........................... 95 Bảng 3.20 Độ nhạy (∑∆C2) trong mô phỏng biến thiên +5% ÷ +10% ......................... 96 Bảng 3.21 Bảng so sánh độ nhạy của 03 thông số lan truyền amoni (λ, Kd và α) ......... 96 x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT NDĐ ĐCTV CLĐ MH DCNDĐ CBNDĐ BĐKH MH CB MH KCB VL MH KCB HH D C 𝜕 𝜕𝑥 𝜕 𝜕𝑡 Kxx, Kyy, Kzz h Ss qs hay S θ Cs vi R ρb Kd Rn Nước dưới đất Địa chất thủy văn Cơ lý đất Mô hình dòng chảy nước dưới đất Cân bằng nước dưới đất Biến đổi khí hậu Mô hình cân bằng Mô hình không cân bằng vật lý Mô hình không cân bằng hóa học Hệ số phân tán (m2/s) Dispersion coefficient Nồng độ chất hòa tan (mg/l) Dissolved aqueous phase concentration Đạo hàm riêng phần theo phương x (1/m) Đạo hàm riêng phần theo thời gian t (1/s) Hệ số thấm theo phương x, y, z (m/ngày) Values of hydraulic conductivity along the x, y, z coordinate axes Tổng cột nước so với mặt chuẩn (m) Head Hệ số nhả nước (1/m) Specific storage coefficient of the aquifer Lưu lượng thêm vào/mất đi trên một đơn vị thể tích (m3/m3.ngày) Volumetric flow rate per unit volume of aquifer representing fluid sources (positive) and sinks (negative) Độ ẩm (m3/m3) Volumetric water content Nồng độ mất đi hoặc được bổ sung của chất ô nhiễm (mg/l) Concentration of source/sink Vận tốc dòng chảy qua lỗ rỗng (m/ngày) Linear pore water velocity Nhân tố làm chậm quá trình lan truyền ô nhiễm Retardation factor Tỷ trọng của đất (g/cm3) hay (kg/m3) Bulk density of the subsurface medium, Hệ số phân vùng hấp phụ (m3/kg) Distribution coefficient for the sorbed phase Số hạng phản ứng hóa học Chemical reaction term xi CS1, CS2 λ F α Khối lượng chất ô nhiễm bị hấp phụ tại vị trí I và II (mg/kg) Sorbed concentration in site I and site II Độ phân tán dọc (m hay cm) Longitudinal dispersivity Thông số vùng hấp phụ (l/kg hay cm3/g) Fraction of sorption sites Hệ số chuyển đổi chất (1/h) First-order mass transfer rate between the dissolved and sorbed phases xii MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Tại các vùng biển đảo như Đảo Côn Sơn, nguồn nước sạch đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển toàn diện của đảo. Do nguồn nước mặt hạn chế nên việc khai thác và cung cấp nguồn nước sạch phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt của cư dân trên Đảo Côn Sơn phụ thuộc rất nhiều vào nguồn nước dưới đất (NDĐ). NDĐ được khai thác thông qua hệ thống giếng khoan khai thác và được đưa vào vận hành từ nhiều thập kỷ trước. Hầu hết các giếng khoan có công suất lớn tại Đảo Côn Sơn đều nằm quanh hồ nước mặt Quang Trung và trong Thung lũng Côn Sơn. Nguồn cung cấp cho các tầng chứa nước chủ yếu là từ nước mưa và hai hồ nước mặt Quang Trung, An Hải. Nghĩa trang Côn Đảo có lịch sử hình thành lâu đời và là nghĩa trang lớn nhất trên Đảo Côn Sơn. Do nghĩa trang nằm trong khu vực bao gồm các loại đất cát bở rời, ngay trên tầng chứa nước mà không có lớp sét ngăn cách nên nước rỉ xác từ nghĩa trang lan truyền ô nhiễm đến tầng chứa nước nằm bên dưới là có thể xảy ra. Vì vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất – Áp dụng cho Đảo Côn Sơn, tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu” được hình thành nhằm đánh giá mức độ tác động của nghĩa trang đến chất lượng nguồn NDĐ. Đề tài mô phỏng con đường lan truyền chất ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng NDĐ trên cơ sở xác định thông số đầu vào mô hình mô phỏng - các hệ số lan truyền chất ô nhiễm trong dung dịch đất tại nghĩa trang, bằng phương pháp thực nghiệm trong phòng. Phương pháp này ít được sử dụng ở Việt Nam, bởi vì đối với các công trình nghiên cứu lan truyền chất có quy mô lớn hay các khu vực nghiên cứu có sẵn các bãi giếng quan trắc hoặc được đầu tư kinh phí để thực hiện các công tác khoan, bơm thí nghiệm thì kỹ thuật thực nghiệm tại hiện trường thường được ưu tiên sử dụng và đưa đến kết quả có giá trị thực tiễn cao. Trong trường hợp các vùng nghiên cứu không có điều kiện bố trí thực nghiệm hiện trường và kinh phí nghiên cứu hạn hẹp như tại nghĩa trang Côn Đảo thì phương pháp thực nghiệm trong phòng là một trong những phương pháp nghiên cứu phù hợp và cho kết quả tin cậy. Dựa trên kết quả xác định khả năng lan truyền ô nhiễm phát thải từ nghĩa trang, đề tài cũng đề xuất quy trình xác định sự lan truyền ô nhiễm trong tầng chứa NDĐ trên cơ sở điều chỉnh các dữ liệu hoặc các bước thực nghiệm với mục tiêu phù hợp với từng khu 1 vực cụ thể. Trong đó, việc đề xuất ứng dụng phương pháp xác định thực nghiệm các hệ số lan truyền chất ở các khu vực khác nhau là điều hữu ích khi có thể xây dựng bảng tham khảo giá trị các hệ số lan truyền chất trên các dạng địa chất – chất ô nhiễm khác biệt. Kết quả nghiên cứu của đề tài đóng góp thêm cơ sở khoa học cho các cơ quan chủ quản trong việc quy hoạch, quản lý các nghĩa trang lâu năm và hỗ trợ các đơn vị quản lý môi trường có thêm phương thức đánh giá và dự báo được mức độ ô nhiễm của tầng chứa NDĐ nằm ngay dưới nghĩa trang. 2. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu a. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định thông số lan truyền chất ô nhiễm; - Đánh giá và dự báo mức độ lan truyền chất ô nhiễm vào dung dịch đất nghĩa trang. b. Nội dung nghiên cứu Luận án bao gồm 02 nội dung nghiên cứu chính: (1) Thực nghiệm xác định các hệ số lan truyền chất ô nhiễm trong dung dịch đất nghĩa trang bằng phương pháp thực nghiệm lan truyền chất trên các cột đất thực địa trong quy mô phòng thí nghiệm, kết hợp với phương pháp ước tính tối ưu thông số lan truyền chất trên mô hình Hydrus 1D; (2) Ứng dụng phần mềm GMS 10.0 để đánh giá và dự báo mức độ lan truyền chất ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa NDĐ. Bố cục của luận án gồm các phần sau: - Phần Mở đầu. - Chương 1: Tổng quan nghiên cứu - Chương 2: Cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm - Chương 3: Áp dụng nghiên cứu cho nghĩa trang Côn Đảo, Đảo Côn Sơn, Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu - Kết luận và kiến nghị Bản phụ lục gồm các hình ảnh và bảng biểu bổ sung của các mô hình mô phỏng. c. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong Luận án bao gồm: 2  Phương pháp mô phỏng số Sử dụng các module MODFLOW và RT3D thuộc phần mềm GMS để mô phỏng mô hình dòng chảy NDĐ, mô hình lan truyền ô nhiễm và mô hình Hydrus 1D nhằm xác định các hệ số lan truyền ô nhiễm từ dữ liệu thực nghiệm.  Phương pháp thực nghiệm trong phòng Thực nghiệm quá trình lan truyền chất hòa tan trong các ống cột đất 1D nhằm mô phỏng và xác định thời gian và nồng độ chất hòa tan lan truyền trong các ống cột đất. Kết quả thực nghiệm là cơ sở quan trọng nhằm ước tính các hệ số lan truyền cũng như đánh giá được năng lực hoạt động của dung dịch đất nghĩa trang. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a. Ý nghĩa khoa học - Bước đầu tiếp cận phương pháp xác định thông số lan truyền chất của một tầng chứa nước lỗ hổng bằng thực nghiệm trong phòng để làm dữ liệu đầu vào cho một mô hình lan truyền chất trong điều kiện không có thí nghiệm hiện trường. - Vận dụng mô hình Hydrus 1D để tối ưu hóa việc tìm nghiệm bài toán phi tuyến do phụ thuộc nhiều yếu tố (tham số). - Áp dụng phần mềm GMS để mô phỏng hệ thống NDĐ cho khu vực nghĩa trang Côn Đảo và vận dụng kết quả mô phỏng này để tìm lời giải bài toán lan truyền chất nhằm dự báo ô nhiễm nguồn NDĐ cho các khu vực khác. b. Ý nghĩa thực tiễn - Phương pháp thực nghiệm được trình bày trong Luận án có thể ứng dụng, thực hiện ở các khu vực khác có điều kiện địa chất thủy văn tương tự và chưa có thí nghiệm hiện trường. - Kết quả dự báo mức độ lan truyền chất amoni N-NH4+ là thông tin hữu ích cho các nhà quản lý và quy hoạch định hướng khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên NDĐ trên địa bàn đảo Côn Sơn như: khoanh định vùng cấm và hạn chế khai thác NDĐ, vùng cần bảo vệ vệ sinh, … theo Thông tư quy định của Bộ Tài nguyên và Môi trường đã ban hành. 4. Đóng góp mới của luận án (1) Xác định giá trị các thông số lan truyền chất hòa tan trong dung dịch đất bằng phương pháp thực nghiệm trong quy mô phòng thí nghiệm kết hợp với ước tính tối ưu thông số bằng mô hình Hydrus 1D. 3 Luận án thực hiện nghiên cứu sâu và cung cấp dữ liệu mới về các hệ số lan truyền amoni trong đất pha cát như Đảo Côn Sơn, Huyên Côn Đảo. Các hệ số lan truyền amoni bao gồm: hệ số phân tán – độ phân tán, hệ số phân vùng hấp phụ và hệ số chuyển đổi chất. Đây là các hệ số có vai trò quan trọng và tính chủ đạo trong bài toán lan truyền amoni từ nghĩa trang Côn Đảo xuống tầng chứa nước Pleistocen tại Thung lũng Côn Sơn. Phương pháp ước tính các hệ số lan truyền amoni được đề xuất thực hiện nghiên cứu trong Luận án là phương pháp thực nghiệm lan truyền chất trên các cột đất thực địa thu nhỏ theo tỷ lệ xác định trong quy mô phòng thí nghiệm kết hợp với phương pháp ước tính ngược thông số của mô hình Hydrus 1D. Giá trị của các hệ số lan truyền amoni được xác định trong Luận án là các dữ liệu khoa học cụ thể của một vùng nghiên cứu – nghĩa trang Côn Đảo và phương thức đề xuất trong Luận án để xác định các hệ số này sẽ là cơ sở để phát triển chuyên sâu các nghiên cứu lan truyền chất ô nhiễm có nguồn gốc từ nghĩa trang nói riêng hay các bãi chôn lấp chất thải nói chung. (2) Đề xuất quy trình tổng quát xác định sự lan truyền ô nhiễm trong tầng chứa nước dưới đất ở các khu vực khác. Trong đó, việc ứng dụng quy trình xác định thực nghiệm các hệ số lan truyền chất ở các khu vực khác có thể được thực hiện trên cơ sở điều chỉnh các bộ thông số đầu vào cho mỗi mô hình mô phỏng. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Tổng quan nghiên cứu ngoài nước 1.1.1 Lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất Trên thế giới hiện có ít nghiên cứu cụ thể về tình trạng ô nhiễm của nghĩa trang đến chất lượng của NDĐ. Các nghiên cứu và báo cáo về khả năng ô nhiễm NDĐ xuất phát điểm từ sự tác động của các nghĩa trang phần lớn xảy ra tại khu vực có tầng NDĐ nông, được bao bọc bởi vùng không bão hòa mỏng bao gồm các tầng cát mịn, cát hạt, cát pha sét hoặc cát pha sỏi và chỉ có một số báo cáo chỉ ra tình hình ô nhiễm NDĐ tại một số khu vực nghĩa trang có cấu tạo địa tầng phía dưới là từ đất đá đứt gãy hoặc đá vôi. Nguyên nhân chính dẫn đến khả năng lan truyền ô nhiễm từ các ngôi mộ xuống tầng chứa NDĐ tại các khu vực kể trên là do cấu tạo hạt của các lớp địa tầng có độ thẩm thấu cao và khả năng lưu giữ chất ô nhiễm kém. Bên cạnh đó vẫn còn nhiều nguyên do khác đã hỗ trợ đắc lực cho quá trình lan truyền ô nhiễm, ví dụ như bổ cập tự nhiên từ mưa, xả thải tập trung… Một số công trình nghiên cứu ngoài nước điển hình về ô nhiễm từ nghĩa trang như sau: - Đề tài “Đánh giá sự ô nhiễm nguồn NDĐ từ một số nghĩa trang ở Hà Lan” của tác giả Van Haaren F.W.J. được thực hiện vào năm 1951 được xây dựng dựa trên hai yếu tố: (a) Các kết quả giám định tử thi và (b) Các kết quả phân tích tính chất hóa lý sinh của đất trong và xung quanh các nghĩa trang. Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài bao gồm: phân tích thành phần cấu tạo sinh học của một tử thi nam 70kg điển hình; phân định các yếu tố sinh lý hóa ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học xác người và khảo sát địa chất và phân tích hóa lý sinh các mẫu đất tại các nghĩa trang. Kết quả nghiên cứu đã xác nhận nghĩa trang là một dạng bãi chôn lấp đặc biệt, có khả năng lan truyền ô nhiễm nước rỉ xác người ra môi trường xung quanh. Ưu điểm của nghiên cứu này là vận dụng kết hơp cơ sở khoa học thuộc lĩnh vực pháp y và địa chất thủy văn để xác định được nồng độ các chất ô nhiễm phát thải từ một thân thể chết theo thời gian vào trong môi trường đất cũng như phân tích các yếu tố khách quan và chủ quan ảnh hưởng đến quá trình phân hủy xác người. Tuy nhiên, nghiên cứu này chưa định lượng mức độ lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến môi trường đất và NDĐ ngay tại và xung quanh các nghĩa trang nghiên cứu. 5 - Đề tài “Nghiên cứu ô nhiễm nghĩa trang đến môi trường tại Úc” của các tác giả Dent B. B và Knight M. J. được thực hiện vào năm 1996 và 1998 được thực hiện theo phương pháp điều tra hiện trạng và quan trắc chất lượng NDĐ trong vùng bão hòa và không bão hòa tại 09 nghĩa trang trên toàn nước Úc. Đề tài đã tiến hành lấy 305 mẫu được lấy từ 83 giếng và ao hồ nằm rải rác trong các nghĩa trang và phân tích chất lượng NDĐ của các mẫu này theo 38 chỉ tiêu hóa vô cơ và 05 chỉ tiêu vi sinh, nhằm phân tích mức độ tác động từ sự hiện diện của xác người trong đất đến tầng chứa NDĐ. Bên cạnh kết quả xác định được sự hiện diện của các nhóm sản phẩm phân hủy có nguồn gốc từ nitơ, phốt pho, Na, Mg, Sr, Cl và SO4, thì điểm nổi bật của nghiên cứu bao gồm: (a) Đánh giá được mức độ tác động ô nhiễm của nghĩa trang đến môi trường thông qua hoạt động của vi sinh vật gây bệnh, sự lan truyền của các kim loại nặng, các dưỡng chất có trong nước rỉ xác người; (b) Xác định khả năng gây ô nhiễm của nghĩa trang đến tầng chứa NDĐ tùy thuộc vào vị trí xây dựng nghĩa trang và quy trình quản lý – vận hành nghĩa trang có đảm bảo quy định bảo vệ môi trường hay không. Giới hạn của đề tài là chưa đề cập sự lan truyền ô nhiễm theo không gian và thời gian. - Đề tài “Tiềm năng ô nhiễm nghĩa trang” của tác giả Young C. P. và cộng sự được thực hiện vào năm 1999 đề cập đến hướng tiếp cận nhất quán khi đánh giá các rủi ro liên quan đến việc quy hoạch và phát triển nghĩa trang tại Anh, bao gồm các rủi ro tiềm ẩn đối với NDĐ, nước mặt, đất và không khí. Phương pháp nghiên cứu được sử dụng gồm: (a) Mô phỏng thí nghiệm và định lượng các rủi ro ô nhiễm thực tế trên cơ sở tham khảo số liệu từ mộ số trường hợp ô nhiễm nghĩa trang đã được công bố tại Anh; (b) Thu thập và đối chiếu các phương pháp đánh giá và quản lý rủi ro ô nhiễm nghĩa trang được sử dụng tại các Cơ quan Môi trường khác nhau của Anh. Ưu điểm của nghiên cứu là xác định và mô tả chi tiết các yếu tố cần xem xét khi đánh giá tác động tiềm năng ô nhiễm của nghĩa trang và từ đó đề xuất quy trình đánh giá nhất quán các rủi ro khi mở rộng hoặc phát triển các nghĩa trang theo tiêu chí giảm thiểu tác động ô nhiễm đến môi trường. - Đề tài “Đánh giá mức độ dễ ô nhiễm của nguồn NDĐ nằm ngay dưới các ngôi mộ xanh ở Anh và xứ Wales” của các tác giả Hart A. và Casper S. được thực hiện vào năm 2004 đã tiến hành khảo sát thực tế tình trạng ô nhiễm tại 49 ngôi mộ xanh tại Anh và xứ Wales từ 2001 – 2004 thông qua việc quan trắc địa chất thủy văn tại một số lỗ khoan nằm bên trong và bên ngoài chu vi các nghĩa trang. Kết quả nghiên cứu đã xác định được nồng độ các chất ô nhiễm vượt trội và xây dựng bảng đánh giá mức độ nhạy cảm 6