Tóm tắt Luận án Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KH&CN VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC ------------ LÊ MINH THÀNH MÔ HÌNH HÓA SỰ THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ OXI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA LỚP BÙN ĐÁY Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 62.44.01.19 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2015 Công trình được hoàn thành tại Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Lê Quốc Hùng. Viện Hóa học – Viện HLKH&CN VN. 2. TS. Phạm Hồng Phong. Viện Hóa học – Viện HLKH&CN VN. Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Xuân Hoàn. Trường ĐHKHTN – ĐHQG HN. Phản biện 2: PGS.TS. Vũ Thị Thu Hà. Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam. Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Văn Thắng. Trường Đại học Thủy Lợi. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại: Hội trường tầng 3, nhà A18, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm KH và CN Việt Nam. Địa chỉ tại 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội. Vào hồi giờ ngày tháng năm ...... Có thế tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia; Thư viện Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. i MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1 Tính cấp thiết và mục đích nghiên cứu của luận án ................................. 1 2 Nội dung nghiên cứu của luận án ............................................................. 1 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án............................................... 2 4 Điểm mới của luận án .............................................................................. 3 5 Bố cục của luận án ................................................................................... 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................. 4 1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxi hòa tan trong nước.................. 4 1.2 Các tính chất của bùn đáy ..................................................................... 4 1.3 Phương trình lan truyền khuếch tán tổng quát ...................................... 4 1.4 Tình hình nghiên cứu và những vấn đề cần giải quyết.......................... 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................................................. 5 2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình oxi hòa tan...................................... 5 2.1.1 Các giả thiết trong xây dựng mô hình............................................ 5 2.1.2 Phương trình toán học mô tả các yếu tố trong mô hình DO .......... 5 2.1.3 Thiết lập và giải mô hình ............................................................... 5 2.2 Thiết bị và phần mềm sử dụng .............................................................. 6 2.2.1 Mô hình vật lý và thiết bị ............................................................... 6 2.2.2 Phần mềm máy tính ....................................................................... 6 2.3 Phương pháp nghiên cứu....................................................................... 6 2.3.1 Phương pháp số giải bài toán khuếch tán....................................... 6 2.3.2 Phương pháp đo đạc thực nghiệm.................................................. 7 2.3.3 Phương pháp xây dựng và đánh giá mô hình................................. 7 2.4 Nhận xét chương 2 ................................................................................ 7 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 8 3.1 Bước đầu khảo sát khả năng mô phỏng của mô hình oxi hòa tan ......... 8 3.1.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả....................................... 8 3.1.2 Kết quả mô phỏng.......................................................................... 9 3.1.3 Nhận xét mô hình 1...................................................................... 11 3.2 Mô hình oxi hòa tan do ảnh hưởng chủ đạo bởi bùn đáy .................... 12 3.2.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả..................................... 12 3.2.2 Đánh giá mô hình, so sánh kết quả mô phỏng ............................. 13 3.2.3 Nhận xét mô hình 2...................................................................... 14 3.3 Mô hình khảo sát oxi hòa tan tại khu vực ranh giới pha bùn nước ..... 15 3.3.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả..................................... 16 3.3.2 Đánh giá mô hình, so sánh kết quả mô phỏng ............................. 17 3.3.3 Nhận xét mô hình 3...................................................................... 19 3.4 Mô hình tổng hợp ................................................................................ 19 3.4.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả..................................... 20 ii 3.4.2 So sánh kết quả mô phỏng ........................................................... 20 3.4.3 Nhận xét mô hình 4...................................................................... 22 3.5 Nhận xét chương 3 .............................................................................. 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................... 25 1 Kết luận .................................................................................................. 25 2 Các kiến nghị, đề xuất ............................................................................ 26 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU ĐÃ CÔNG BỐ ............................................... 28 1 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết và mục đích nghiên cứu của luận án Một trong các thông số quyết định đến chất lượng nước là lượng oxi hòa tan (Dissolved Oxygen – DO). Giá trị thông số này chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như không khí, hệ thủy sinh vật trong nước và bùn đáy. Ở nước ta, phần lớn các mô hình nghiên cứu sự biến đổi nồng độ DO đều phụ thuộc vào các phần mềm hoặc mô hình có sẵn của nước ngoài. Việc sử dụng phần mềm có sẵn như vậy không những hạn chế lựa chọn mô hình DO, mà còn ràng buộc về phương pháp giải số khi giải mô hình. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu khảo sát chất lượng nước còn đang thiếu các mô hình toán mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO mà xuất phát từ bản chất của các quá trình vật lý, hóa học, sinh học và thủy lực liên quan đến DO, dẫn đến thiếu nền tảng để tự xây dựng các phần mềm chất lượng nước ở Việt Nam. Hơn nữa, các mô hình mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO hiện nay chưa tập trung khảo sát đánh giá bản chất các quá trình hóa học và sinh học liên quan đến sự biến đổi nồng độ DO. Từ các lý do ở trên, kết hợp với kinh nghiệm của tập thể hướng dẫn, luận án hướng đến vấn đề “Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy” làm nội dung nghiên cứu. Mục đích của luận án nhằm xây dựng và phát triển mô hình toán học mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO trong nước dưới tác động chủ yếu của bùn đáy và một số yếu tố khác như: sự khuếch tán, tiêu thụ oxi bởi vi khuẩn tham gia phân hủy chất hữu cơ chất hữu cơ, quá trình trao đổi oxi giữa không khí và nước.... Đồng thời, khảo sát sự biến đổi nồng độ DO dưới tác động của lớp bùn đáy. 2 Nội dung nghiên cứu của luận án o Xây dựng mô hình toán học, các phương trình mô tả các quá trình hóa học, vật lý, sinh học liên quan đến sự sinh ra và tiêu thụ oxi trong nước. Cụ thể: quá trình trao đổi oxi giữa không khí và nước, nhu cầu oxi sinh hóa (BOD), nhu cầu oxi bùn đáy (SOD), sự xáo trộn và lắng đọng chất 2 hữu cơ giữa bùn và nước, quá trình khuếch tán của DO và các chất hữu cơ tiêu thụ oxi. o Thiết lập các bài toán biên nhằm khảo sát sự biến đổi của nồng độ DO trong một số trường hợp cụ thể: khảo sát lý thuyết khả năng mô phỏng của mô hình, xây dựng mô hình DO do ảnh hưởng chủ đạo của bùn đáy, xây dựng mô hình khảo sát DO tại khu vực ranh giới pha bùn nước, và xây dựng mô hình DO theo độ sâu. o Giải các bài toán biên đặt ra bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics. o Xây dựng mô hình vật lý để khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng chủ đạo của bùn đáy lên quá trình tiêu thụ DO trong nước, đồng thời để so sánh và kiểm nghiệm mô hình toán học đã thiết lập. o Khảo sát thực nghiệm sự biến đổi nồng độ DO do ảnh hưởng của bùn đáy trên mô hình vật lý trong phòng thí nghiệm. Đo khảo sát hiện trường sự biến đổi nồng độ DO theo độ sâu tại các hồ tự nhiên vùng Hà Nội và Hòa Bình. o So sánh, kiểm tra và phân tích sự tương quan giữa kết quả mô phỏng với các số liệu đo thu được theo mô hình vật lý và trong các hồ tự nhiên. 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: o Đã đưa ra được dạng phương trình động học mô tả tổng quát hơn sự tiêu thụ oxi bởi phản ứng sinh hóa với các chất hữu cơ trong môi trường nước. o Đã xây dựng được mô hình toán học mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO trong môi trường nước, trong đó đã kết nối được các kiến thức toán học, vật lý, hóa học vào việc mô phỏng. o Luận án đã kết hợp được giữa nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu lý thuyết với thực tế. Ý nghĩa thực tiễn: o Đưa ra được mô hình toán học mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO, mô hình được sử dụng như một công cụ để dự đoán, so sánh, đánh giá sự biến 3 đổi hàm lượng DO trong nguồn nước theo thời gian dưới tác động của các yếu tố như bùn đáy, chất hữu cơ phân hủy tiêu thụ oxi... o Tạo được cơ sở cho định hướng nghiên cứu chuyên sâu giải quyết các vấn đề của thực tiễn chăn nuôi thủy sản. o Góp phần vào việc nghiên cứu, bảo vệ chất lượng môi trường nước. 4 Điểm mới của luận án o Đã giải quyết được một vấn đề trong lý thuyết mô hình hóa DO trước đây, đó là đưa ra được dạng phương trình mô tả tổng quát hơn sự tiêu thụ oxi bởi các vi khuẩn tham gia phân hủy chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học trong môi trường nước (phương trình 2.2), xuất phát từ bản chất phản ứng sinh hóa đó. Đồng thời, cải tiến và đề xuất dạng phương trình toán học mô tả các quá trình tiêu thụ oxi bởi lớp bùn đáy, quá trình xáo trộn và lắng đọng của chất hữu cơ giữa bùn và nước (phương trình 2.10-2.12, 2.15). o Xây dựng được mô hình toán học mô phỏng sự thay đổi nồng độ DO trong môi trường nước (tổ hợp các phương trình 2.1-2.16). o Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của bùn đáy lên DO trong môi trường nước. Đồng thời mô phỏng các ảnh hưởng đó bằng mô hình toán học. o Thiết lập được các bài toán biên cho các trường hợp cụ thể, phù hợp với điều kiện giả lập trên mô hình vật lý trong phòng thí nghiệm cũng như trong các hồ ở môi trường tự nhiên (các mô hình 1-4). 5 Bố cục của luận án Luận án gồm 147 trang, gồm phần Mở đầu (4 trang), Chương tổng quan (38 trang), Chương thực nghiệm (24 trang), Chương kết quả và thảo luận (64 trang), Kết luận (5 trang), Danh mục các công trình khoa học liên quan đến luận án (1 trang), và Tài liệu tham khảo (11 trang). ----------------------------------------------- 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxi hòa tan trong nước Phần này trình bày tổng quan về các đặc điểm cơ bản nhất cũng như các phương trình toán học mô tả các quá trình liên quan đến sự tiêu thụ DO như: sự trao đổi oxi giữa không khí và nước, quá trình quang hợp và hô hấp của thủy sinh vật, nhu cầu oxi sinh hóa (BOD), nhu cầu oxi bùn đáy (SOD), nhu cầu oxi hóa học (COD), quá trình nitrat hóa, sự xáo trộn và lắng đọng chất hữu cơ giữa trầm tích và nước, và các yếu tố khác ảnh hưởng đến DO. 1.2 Các tính chất của bùn đáy Giới thiệu sơ lược một vài đặc điểm và tính chất của bùn đáy như: thành phần hóa học của bùn đáy, độ xốp của bùn đáy, mật độ của bùn đáy, và tỉ khối của bùn đáy. Việc lựa chọn những trình bày những yếu tố trên bởi chúng có ảnh hưởng nhất định tới khả năng tích trữ chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học cũng như hàm lượng oxi hòa tan tích trữ trong bùn. 1.3 Phương trình lan truyền khuếch tán tổng quát Để mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO cần phải giải quyết các bài toán lan truyền chất trong môi trường nước, bởi vì sự vận chuyển của các chất hòa tan trong nước phụ thuộc chủ yếu vào quá trình đối lưu và khuếch tán. Các bài toán này thường được biểu diễn bởi các phương trình lan truyền khuếch tán, có dạng phương trình vi phân đạo hàm riêng (Partial Differential Equation – PDE) [58]. Do vậy, phần này giới thiệu sơ lược phương trình lan truyền khuếch tán dạng tổng quát, các dạng điều kiện biên trong phần mềm Comsol Multiphysics (một phần mềm giải và phân tích phần tử hữu hạn cho các bài toán thuộc ngành vật lý và kỹ thuật ứng dụng). 1.4 Tình hình nghiên cứu và những vấn đề cần giải quyết Điểm qua những đặc điểm cơ bản trong lịch sử phát triển của mô hình hóa DO, bắt đầu từ năm 1925 cho đến ngày nay. Tiếp đó, tóm tắt lại những vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu trong việc xây dựng và phát triển mô hình DO. ----------------------------------------------- 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình oxi hòa tan 2.1.1 Các giả thiết trong xây dựng mô hình Các yếu tố tác động vào nồng độ DO trong nước luôn luôn thay đổi và diễn biến phức tạp, cho nên khó có thể phản ánh đồng thời các yếu tố đó vào trong một mô hình. Do đó, để có thể đưa ra được kết quả mô phỏng hợp lý nhất trong khuôn khổ của một luận án Hóa lý thuyết và Hóa lý nghiên cứu về bài toán khuếch tán, một số giả thiết được đưa ra như sau: o Môi trường nước trong hệ là đồng nhất. o BOD đại diện cho các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học tham gia tiêu thụ oxi, bao gồm CBOD, NBOD [11]. o Khuếch tán là cơ chế lan truyền duy nhất của DO và các chất hữu cơ tiêu thụ oxi trong hệ nghiên cứu. 2.1.2 Phương trình toán học mô tả các yếu tố trong mô hình DO Trong phần này, các phương trình toán học mô tả các yếu tố cơ bản thường có trong mô hình mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO, bao gồm phương trình (2.1) mô tả sự khuếch tán, phương trình (2.2) mô tả sự tiêu thụ DO bởi các chất hữu cơ, phương trình (2.3) mô tả sự trao đổi oxi tại ranh giới pha nước – không khí, phương trình (2.10), (2.11) mô tả nhu cầu tiêu thụ oxi bởi bùn đáy, và cuối cùng là phương trình (2.15) mô tả sự trao đổi chất hữu cơ giữa bùn đáy và nước được giới thiệu trong luận án. 2.1.3 Thiết lập và giải mô hình Toàn bộ các phương trình tính toán mô phỏng các thành phần của mô hình được thiết lập và giải bằng phần mềm Comsol Multiphysics. Các bước cài đặt và thực hiện giải hệ bằng phần mềm Comsol được trình bày trong phần phụ lục PL.4. 6 2.2 Thiết bị và phần mềm sử dụng 2.2.1 Mô hình vật lý và thiết bị Một mô hình vật lý được thiết kế trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu tác động của quá trình khuếch tán và phản ứng giữa DO và các chất hữu cơ. Mô hình này bao gồm một hệ thống sáu ống nhựa hình trụ trong suốt, có đường kính ống 10 cm, với chiều dài các ống là 0,5 m, 1,0 m và 2,0 m (mỗi chiều dài tương ứng có hai ống) đại diện cho các mức độ sâu khác nhau của nguồn nước, một đầu của ống được hàn kín, như được minh họa ở hình 2.1. Thiết bị được sử dụng để đo DO là thiết bị đo DO đa kênh (MCDM, do Phòng Tin học trong Nghiên cứu Hóa học, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam chế tạo) có thể điều khiển 16 sensor oxi, được kết nối với máy tính, như minh họa trên hình 2.2. Cùng với thiết bị MCDM, trong quá trình khảo sát DO thì nghiên cứu cũng đã sử dụng hai loại sensor để đo nồng độ DO, gồm sensor điện hóa tự chế tạo và loại sensor nhập ngoại (hình 2.3). 2.2.2 Phần mềm máy tính Phần mềm đo đa kênh oxi hòa tan (MultiDO) chạy trên hệ điều hành Windows XP hoặc Windows 7, được thiết kế để điều khiển hệ thiết bị MCDM đã giới thiệu ở trên (hình 2.5). 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp số giải bài toán khuếch tán Phương pháp số được sử dụng để giải gần đúng các bài toán khuếch tán trong luận án là phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM). Phương pháp này được lựa chọn bởi có khả năng giải quyết với những bài toán với miền xác định phức tạp và sử dụng lưới phi cấu trúc gồm các hình tam giác (trong không gian 2 chiều) hoặc các hình tứ diện (trong không gian 3 chiều) 7 2.3.2 Phương pháp đo đạc thực nghiệm Quá trình đo đạc thu thập số liệu thực nghiệm đã tiến hành hai phương pháp khảo sát DO: khảo sát DO dựa trên mô hình vật lý và khảo sát DO trong môi trường tự nhiên. 2.3.3 Phương pháp xây dựng và đánh giá mô hình Các bước xây dựng mô hình mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO do ảnh hưởng của lớp bùn đáy được tóm tắt như hình 2.7. Hình 2.7. Minh họa các bước để xây dựng một mô hình mô phỏng 2.4 Nhận xét chương 2 Nội dung của chương này đã trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết của các phương trình toán mà mô hình đã áp dụng, trong đó bao gồm những phương trình toán tự nghiên cứu đề xuất và các phương trình toán thừa kế từ các nghiên cứu trên thế giới. Đồng thời chương 2 cũng giới thiệu các trang thiết bị và phương pháp nghiên cứu đã sử dụng để tiến hành nghiên cứu. Cuối cùng, các phương pháp đo đạc nồng độ DO trên mô hình vật lý trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa, cùng với các phương pháp xây dựng, kiểm tra và đánh giá mô hình cũng được mô tả chi tiết trong phần nội dung của chương. ----------------------------------------------- 8 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Bước đầu khảo sát khả năng mô phỏng của mô hình oxi hòa tan Trong phần 3.1 này giới thiệu bài toán mô hình hóa dưới dạng nghiên cứu lý thuyết (được kí hiệu là mô hình 1) xuất phát từ vấn đề cơ bản nhất, dựa trên cơ sở các quá trình hóa học, vật lý, sinh học xảy ra trong môi trường nước, sử dụng các phương trình đạo hàm riêng để biểu diễn. 3.1.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả Để thiết lập mô hình 1, hệ nghiên cứu được giả định là một hồ kín hình lập phương cạnh 1 m, mặt hồ có sự trao đổi oxi với không khí, còn đáy hồ và 4 mặt bên được coi như không có sự trao đổi chất với bên ngoài. Hệ khảo sát được giả định đơn giản như vậy để có thể tập trung vào xem xét, đánh giá khả năng mô phỏng về mặt lý thuyết của các phương trình toán đã thiết lập trong phần 2.1.2. Hệ phương trình chủ đạo mô tả quá trình xảy ra trong hệ, với giả thiết rằng chỉ xét đến phần khuếch tán và tương tác giữa DO và các chất hữu cơ tiêu thụ oxi (đại diện bởi BOD). 2 2 2 *DO DO DO DO 1 1 DO BOD2 2 2 2 2 2 *BOD BOD BOD BOD 2 1 DO BOD2 2 2 C C C C D k C C t x y z C C C C D k C C t x y z                                         (3.1) Ngoài ra, các phương trình mô phỏng các quá trình xảy ra tại các ranh giới pha được áp dụng dưới dạng điều kiện biên, và được thiết lập như sau: o Tại ranh giới pha nước – không khí:  *DO 2 DOsat DO 0 BOD 0 0              z z C k C C n C n (3.2) o Tại bề mặt đáy và bốn mặt bên của hồ kín: DO , BOD , 0 0 maët beân maët ñaùy maët beân maët ñaùy C n C n         (3.3) 9 o Tại ranh giới pha giữa nguồn thải – môi trường nước: DO BOD BOD 0       beàmaët nguoàn thaûi beàmaët nguoàn thaûi C n C v (3.4) 3.1.2 Kết quả mô phỏng Kết quả giải hệ phương trình đạo hàm riêng phi tuyến (3.1) kết hợp với các điều kiện biên (3.2)-(3.4) thu được các thông tin về nồng độ DO trong hệ mô phỏng như: o Giá trị nồng độ DO tại các mốc thời gian và vị trí bất kỳ trong hệ. o Bài toán có thể giải quyết được với trường hợp đơn điểm và đa điểm gây ô nhiễm, trong đó mô hình tự động tính tới sự giao thoa của nồng độ DO tại các vùng mà chịu ảnh hưởng đồng thời của nhiều nguồn tác động. o Khuynh hướng chuyển dịch của nồng độ và đường đồng mức nồng độ tại mốc thời gian bất kỳ, xét theo các mặt phẳng cắt tùy ý. o Khoảng thời gian cần có để DO được phục hồi lại như ban đầu. o Mô phỏng động (dưới dạng video) diễn biến khuếch tán của DO trong toàn bộ thời gian xét. Kết quả mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO trong toàn hệ khi có một nguồn thải hữu cơ được minh họa tại hình 3.2 dưới dạng hình ảnh ba chiều. Theo hình 3.2 có thể thấy, chất hữu cơ tiêu thụ oxi từ nguồn thải lan tỏa ra toàn bộ hệ với hàm lượng lớn nên DO ở các vị trí lân cận với nguồn thải bị suy giảm trước. Sự suy giảm này có thể thấy rõ rệt hơn ở vùng nước phía dưới nguồn thải (hình 3.2b-c). Khi chất hữu cơ không còn lan tỏa (thời điểm sau 20 giây) thì nồng độ DO được hồi phục dần. Kết quả mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO dưới dạng hình ảnh hai chiều tại một số vị trí trong hệ được thể hiện trên hình 3.4. Kết quả thu được cho thấy vị trí nào càng ở gần nguồn thải thì hàm lượng DO càng biến động mạnh. Sau một khoảng thời gian nhất định, nồng độ DO có dấu hiện phục hồi lại gần như giá trị ban đầu. 10 a) Thời điểm t = 0 (s) b) Thời điểm t = 15 (s) c) Thời điểm t = 25 (s) d) Thời điểm t = 40 (s) Hình 3.2. Sự biến thiên nồng độ DO (mg/L) trong toàn bộ hệ Hình 3.4. Sự biến thiên nồng độ DO theo thời gian tại một số vị trí Không chỉ biểu diễn diễn biến nồng độ DO bằng màu sắc trong không gian hoặc theo mặt cắt của hệ, kết quả mô phỏng còn được biểu diễn dưới dạng các đường đồng mức theo một mặt phẳng tùy ý tại thời điểm bất kỳ. Hình ảnh đường đồng mức của nồng độ DO theo mặt phẳng Oyz và Oxy tại một vài thời điểm trong hệ được biểu diễn trên hình 3.5. 11 a) Thời điểm t = 15 (s) b) Thời điểm t = 40 (s) c) Thời điểm t = 15 (s) d) Thời điểm t = 40 (s) Hình 3.5. Đường đồng mức nồng độ DO (mg/L) theo mặt phẳng Oyz (a, b); và theo mặt phẳng Oxy (c, d) 3.1.3 Nhận xét mô hình 1 Bài toán lý thuyết này đã đưa ra cách tiếp cận mới trong mô phỏng thông số chất lượng nước, cụ thể là mô phỏng thông số DO. Trong đó tính mới của nghiên cứu thể hiện ở việc chủ động xây dựng và giải thành công các phương trình đạo hàm riêng biểu diễn các quá trình hóa, lý có trong môi trường nước mà liên quan trực tiếp đến nguồn sinh và nguồn tiêu thụ oxi (công việc mà các nghiên cứu ở nước ta khi mô phỏng chất lượng nước thường sử dụng các phần mềm có sẵn của nước ngoài, như đã trình bày trong phần 1.4.1). Bên cạnh đó, mô hình 1 này cũng đã sử dụng một dạng phương trình toán học mới (phương trình 2.2) để biểu diễn sự tiêu thụ DO bởi các chất hữu cơ theo cơ chế động học bậc hai (hàm số của nồng độ DO và hàm lượng các chất hữu cơ tiêu thụ oxi). Việc đề xuất phương trình này đã được phân tích chi tiết 12 trong phần 2.1.2. Kết quả mô phỏng thành công đã chứng tỏ được tính đúng đắn của phương trình toán học được đề xuất kể trên. Đồng thời, sự thành công đó sẽ là tiền đề cho việc ứng dụng thực tiễn của phương trình đó trong điều kiện thực nghiệm hoặc trong môi trường tự nhiên. Kết quả mô phỏng đã cho thấy diễn biến theo thời gian và không gian của nồng độ DO trong không gian ba chiều, hoặc theo mặt cắt, tại một thời điểm bất kỳ hoặc toàn bộ thời gian mô phỏng dưới dạng video, đường đồng mức hoặc đường xu hướng. Đồng thời, tác động của sự giao thoa và cộng hợp của đồng thời nhiều nguồn thải chất hữu cơ cũng được tính đến trong quá trình giải. Các kết quả mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO tỏ ra tương đối phù hợp với sự biến đổi nồng độ DO khi ảnh hưởng của các nguồn ô nhiễm thường thấy trong tự nhiên. Điều đó chứng tỏ rằng mô hình 1 có khả năng mô phỏng tốt sự biến đổi nồng độ DO trong môi trường nước trong không gian và theo thời gian. 3.2 Mô hình oxi hòa tan do ảnh hưởng chủ đạo bởi bùn đáy Mô hình oxi hòa tan do ảnh hưởng chủ yếu từ bùn đáy (được kí hiệu là mô hình 2) được nghiên cứu không chỉ để khảo sát sự khuếch tán và sự tiêu thụ DO trong nước bởi phản ứng oxi hóa sinh hóa các chất hữu cơ, mà còn xét đến sự phát tán chất hữu cơ từ bùn đáy vào nước. Hơn nữa, kết quả mô phỏng còn được kiểm chứng với số liệu nồng độ DO đo được từ mô hình vật lý trong phòng thí nghiệm. 3.2.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả Các yếu tố trong mô hình nghiên cứu bao gồm DO, chất hữu cơ trong nước, SOD trong bùn, oxi khuếch tán từ không khí vào nước và chất hữu cơ phát tán từ bùn đáy vào nước, như được minh họa ở hình 3.10a. Mô hình vật lý được thiết kế để tiến hành thực nghiệm đo đạc được minh họa trên hình 3.10b. Hệ phương trình chủ đạo mô tả quá trình xảy ra trong hệ có dạng phương trình (3.1). Ngoài ra, các phương trình mô phỏng các quá trình xảy ra tại các ranh giới pha được áp dụng dưới dạng điều kiện biên, và được thiết lập như sau: 13 o Tại ranh giới pha nước – không khí sử dụng phương trình (3.2). o Tại bề mặt bên xung quanh cột nước sử dụng phương trình (3.3). o Tại ranh giới pha nước – bùn đáy:   * ( 20)DO 3 s sed *BOD rese BODsed BOD                  T z h z h C k S n C k C C n (3.6) a) Minh họa các yếu tố trong mô hình b) Mô hình vật lý khảo sát Hình 3.10. Các thành phần trong hệ nghiên cứu 3.2.2 Đánh giá mô hình, so sánh kết quả mô phỏng Kết quả phân tích sự tương quan giữa nồng độ DO mô phỏng và đo đạc tại hai vị trí (cách bề mặt bùn khoảng 1 cm và 33 cm) cho thấy, mô hình đã mô phỏng tốt sự thay đổi nồng độ DO theo thời gian ở các vị trí khảo sát, với hệ số xác định R2 khoảng 0,99 (hình 3.11a-b). Đồng thời, kết quả đó cũng chứng tỏ rằng bộ các hệ số và tham số, được trình bày trong bảng 3.3, thu được từ quá trình hiệu chỉnh mô hình là phù hợp với mô hình khi mô phỏng hệ thí nghiệm tiến hành trên mô hình vật lý. Kết quả mô phỏng và so sánh với số liệu đo nồng độ DO trong quá trình kiểm chứng được minh họa trên hình 3.12, với các vị trí kiểm chứng được lấy tương tự như trong quá trình hiệu chỉnh. Một cách tổng quát có thể thấy mô hình đã mô phỏng tương đối chính xác sự biến đổi nồng độ DO trong thực nghiệm, với hệ số xác định R2 xấp xỉ 0,95 ở các vị trí kiểm tra. 14 a) Vị trí cách bề mặt bùn 1 cm b) Vị trí cách bề mặt bùn 33 cm Hình 3.11 So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan trong quá trình hiệu chỉnh. a) Vị trí cách bề mặt bùn 1 cm b) Vị trí cách bề mặt bùn 33cm c) Vị trí cách bề mặt bùn 1 cm d) Vị trí cách bề mặt bùn 33 cm Hình 3.12. So sánh kết quả mô phỏng (đường nét liền) và đo đạc (đường nét đứt) sự biến thiên nồng độ DO trong cột nước 1,0 m (hình a, b), cột nước 0,5 m (hình c, d), cùng kết quả phân tích tương quan trong quá trình kiểm chứng 3.2.3 Nhận xét mô hình 2 Nếu trong mô hình 1, các tham số được thiết lập mang tính giả định nhằm kiểm tra tính hợp lý của các phương trình toán học, thì trong mô hình 2 15 này các tham số đó được thiết lập hầu hết từ các số liệu đo đạc trong môi trường thực nghiệm thực hiện trên mô hình vật lý trong phòng thí nghiệm. Điều đó giúp mô hình tiệm cận gần hơn với việc áp dụng mô hình trong điều kiện môi trường nước tự nhiên, thể hiện trong mô hình 4 sau này. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm chứng với số liệu thu được từ các thí nghiệm tiến hành với cùng một nguồn nước và nguồn ô nhiễm. Mô hình cho kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả đo đạc thực nghiệm, với hệ số xác định R2 xấp xỉ 0,95. Điều đó đó chứng tỏ rằng mô hình toán học đã xây dựng cùng với các điều kiện biên tương ứng có khả năng mô phỏng tốt sự biến đổi nồng độ DO trong nước do ảnh hưởng của lớp bùn đáy, trong điều kiện thực nghiệm trên mô hình vật lý. Đồng thời, sự thành công đó sẽ là tiền đề cho việc ứng dụng thực tiễn của mô hình khi áp dụng để mô phỏng sự biến đổi DO trong môi trường tự nhiên. Kết quả mô phỏng thành công cũng chỉ ra rằng, các yếu tố được xây dựng trong mô hình toán học (bao gồm cả những phương trình được đề xuất trong luận án như phương trình 2.2, 2.11 và 2.15) đã thể hiện tốt vai trò của mình và phối hợp với nhau một cách hiệu quả khi mô tả các quá trình gây ảnh hưởng đến sự biến đổi nồng độ DO, như quá trình khuếch tán của oxi và các chất hữu cơ, quá trình trao đổi oxi tại ranh giới nước – không khí, quá trình tiêu thụ oxi bởi lớp bùn đáy... 3.3 Mô hình khảo sát oxi hòa tan tại khu vực ranh giới pha bùn nước Với mục tiêu nghiên cứu sâu hơn về sự biến đổi nồng DO tại khu vực gần ranh giới pha bùn – nước, phần tiếp sau đây sẽ cải tiến lại một mô hình nghiên cứu sự tiêu thụ oxi của bùn đáy (SOD) đã được công bố trong các tài liệu [7, 118, 120]. Trong các nghiên cứu đó đã đưa ra được phương trình mô tả sự biến đổi nồng độ DO trong môi trường nước và trong khối bùn, nhưng chưa có các phương trình cụ thể cho điều kiện biên của DO tại ranh giới pha nước – không khí, ranh giới pha bùn – nước và ranh giới pha phía dưới lớp đáy bùn. Những điều kiện biên đó đó sẽ được bổ sung trong mô hình khảo sát oxi hòa 16 tan tại khu vực ranh giới pha bùn nước (được kí hiệu là mô hình 3) như được trình bày trước đây. 3.3.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả a) Minh họa các yếu tố trong mô hình b) Sự phân bố lý thuyết nồng độ DO gần ranh giới pha bùn – nước Hình 3.17. Các thành phần trong hệ khảo sát Xét một môi trường nước tĩnh, trong đó không có dòng chảy trao đổi và đối lưu, như vậy DO chỉ còn chuyển động khuếch tán trong nước cũng như trong bùn. Thành phần của mô hình bao gồm sự trao đổi oxi tại ranh giới pha nước – không khí, oxi trao đổi tại ranh giới pha bùn – nước và sự tiêu thụ oxi trong bùn, đại diện bởi SOD. Các thành phần của mô hình được biểu diễn tóm tắt trên hình 3.17a. Các phương trình mô tả sự biến đổi nồng độ DO ở môi trường nước và khối bùn sẽ có dạng: 2 2 2 DO DO DO DO 1 2 2 2 2 2 2 * *DO DO DO DO DO 1 2 2 2 DOhalf DO 0 ( ) C C C C D khi h z t x y z C C C C C D khi d h z h t x y z k C                                               (3.7) Ngoài ra, các phương trình mô phỏng các quá trình xảy ra tại các ranh giới pha được áp dụng dưới dạng điều kiện biên, và được thiết lập như sau: o Tại ranh giới pha nước – không khí:  *DO 2 DOsat DO 0z C k C C n        (3.9) o Tại ranh giới pha bùn – nước: 17 * ( 20)DO 3 s sed T z h C k S n         (3.10) o Tại bề mặt xung quanh của môi trường nước: DO 0    maët beân C n (3.11) 3.3.2 Đánh giá mô hình, so sánh kết quả mô phỏng Số liệu đo đạc sự biến thiên nồng độ DO trong cột nước 2,0 m trong khoảng thời gian 4 giờ đầu được lựa chọn để hiệu chỉnh mô hình. Kết quả so sánh và phân tích tương quan giữa nồng độ DO mô phỏng và đo đạc được trình bày tại hình 3.18. Hình 3.18. So sánh kết quả mô phỏng (đường nét liền) và đo đạc (đường nét đứt) sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan trong hiệu chỉnh, tại vị trí cách bề mặt bùn 1,0 cm Kết quả phân tích tương quan giữa nồng độ DO mô phỏng và đo đạc với hệ số xác định R2 xấp xỉ 0,94 cho thấy khả năng mô phỏng tương đối phù hợp của mô hình đã đưa ra. Đồng thời, kết quả đó cũng chứng tỏ rằng bộ các hệ số và tham số, được trình bày trong bảng 3.4, thu được từ quá trình hiệu chỉnh mô hình là phù hợp với mô hình khi mô phỏng hệ thí nghiệm trên mô hình vật lý. Bộ hệ số và các tham số thu được từ quá trình hiệu chỉnh ở trên được sử dụng để tính toán mô phỏng cho các cột nước cao 1,0 m và 0,5 m trong quá trình kiểm chứng mô hình. Tương tự như đã trình bày với mô hình 2, quá trình kiểm chứng cũng được tiến hành kiểm tra với thời gian mô phỏng và đo đạc 18 lâu hơn (72 giờ) so với quá trình hiệu chỉnh (4 giờ) nhằm đánh giá tính ổn định của mô hình trong khoảng thời gian dài, đồng thời bước đầu kiểm tra khả năng dự đoán sự biến đổi của nồng độ DO của mô hình toán học đã xây dựng. Kết quả thu được từ quá trình kiểm chứng được trình bày trên hình 3.19. a) Trong cột nước 1,0 m b) Trong cột nước 0,5 m Hình 3.19. Giá trị nồng độ DO mô phỏng (đường nét liền), DO đo đạc (đường nét đứt) và kết quả phân tích tương quan trong quá trình kiểm chứng, tại vị trí cách bề mặt bùn 1,0 cm Song song với việc hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình 3, trong phần này cũng tiến hành so sánh đồng thời kết quả mô phỏng của mô hình 2 và mô hình 3 với cùng một bộ số liệu nồng độ DO đo đạc, và được biểu diễn trên hình 3.22. a) Trong cột nước 1,0 m b) Trong cột nước 0,5 m Hình 3.22. So sánh kết quả mô phỏng (của mô hình 3, mô hình 2) và đo đạc sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan tương ứng Theo hình 3.22 có thể thấy, cả hai mô hình đều đưa ra được xu hướng chung nhất diễn biến của sự biến đổi nồng độ DO theo thời gian, trong đó mô 19 hình 2 đã thể hiện khả năng mô phỏng tốt hơn so với mô hình 3, với giá trị R2 của mô hình 2 ( 2MH2R ) trong cả hai môi trường nước đều đạt giá trị cao hơn. Tuy vậy, vẫn tồn tại sự chênh lệch nhất định giữa giá trị giữa nồng độ DO mô phỏng của mô hình 2 và mô hình 3 tại một vài thời điểm (hình 3.22a). Điều này có thể do hai mô hình đã dùng các giả thuyết khác nhau để mô tả quá trình tiêu thụ oxi trong nước, cũng như việc sử dụng các đại lượng khác nhau trong phương trình toán học để biểu diễn các quá trình đó. Sự sai khác đó giảm đi trong trường hợp cột nước nước 0,5 m (hình 3.22b), với kết quả so sánh đã thể hiện sự chênh lệch không nhiều khác về giá trị nồng độ DO mô phỏng tại mỗi thời điểm. 3.3.3 Nhận xét mô hình 3 Nếu mô hình trong các tài liệu [7, 118, 120] chưa đưa ra được các điều kiện biên cho DO tại các ranh giới pha, thì các điều kiện biên đó đã được bổ sung trong mô hình 3 này. Kết quả mô phỏng của mô hình 3 đã đưa ra được xu hướng chung phù hợp với sự biến đổi nồng độ DO theo thời gian tại khu vực gần ranh giới pha bùn – nước, và kết quả đó cũng tương đồng với các số liệu đo đạc DO nêu ra trong các tài liệu trên. Đồng thời, sự chính xác của kết quả mô phỏng cũng thể hiện ở giá trị phân tích tương quan giữa nồng độ DO mô phỏng và đo đạc cho hệ số xác định R2 đạt xấp xỉ 0,95. Sự thành công của kết quả mô phỏng cũng minh chứng rằng, phương trình mô tả sự tiêu thụ oxi bởi lớp bùn đáy mà được đề xuất trong luận án (phương trình 2.11) khi áp dụng vào một mô hình khác vẫn thể hiện nghiệm đúng và đã thể hiện tốt vai trò của nó trong việc góp phần vào mô tả tổng thể sự biến đổi nồng độ DO trong môi trường nước. 3.4 Mô hình tổng hợp Nhằm kế thừa các mô hình toán học đã được xây dựng và kiểm chứng bằng kết quả đo đạc trong phòng thí nghiệm, như đã trình bày trong phần 3.2. Trong mô hình tổng hợp (được kí hiệu là mô hình 4) này, sẽ phát triển một bài toán biên để đánh giá khả năng ứng dụng của mô hình đó trong môi trường nước tự nhiên. Bài toán biên được xây dựng cũng bao gồm các yếu tố như oxi 20 khuếch tán từ không khí, chất hữu cơ phát tán từ bùn đáy vào nước, quá trình phát tiêu thụ DO bởi các chất hữu cơ.... Các kết quả mô phỏng nồng độ DO theo độ sâu của một số hồ tự nhiên trong các vùng Hà Nội và Hòa Bình được so sánh với số liệu đo đạc thực địa. Đồng thời, mô hình 4 cũng mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO theo độ sâu của hai hồ trên thế giới và đưa ra kết quả so sánh giữa giá trị DO mô phỏng với dữ liệu DO đo đạc của hai hồ đó. 3.4.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả Áp dụng phương trình (2.17) cho hệ nghiên cứu trên với giả thiết rằng chỉ xét đến phần khuếch tán và tương tác hóa học giữa DO và các chất hữu cơ. Khi đó động học của các quá trình khuếch tán oxi hòa tan và tiêu thụ oxi sinh học trong hệ được mô tả bởi một hệ hai phương trình có dạng như sau: 2 *DO DO 1 1 DO BOD2 2 *BOD BOD 2 1 DO BOD2 C C D k C C t z C C D k C C t z                             (3.14) Ngoài ra, các phương trình mô phỏng các quá trình xảy ra tại các ranh giới pha được áp dụng dưới dạng điều kiện biên, và được thiết lập như sau: o Tại ranh giới pha nước – không khí, sử dụng phương trình dạng (3.2). o Tại ranh giới pha bùn – nước:   * ( 20)DO 3 DO s DOhalf DO *BOD rese BODsed BOD T z h z h C k C n h k C C k C C n                   (3.16) 3.4.2 So sánh kết quả mô phỏng Kết quả so sánh, đánh giá giữa số liệu mô phỏng và số liệu đo đạc thực địa nồng độ DO tại một số hồ Hà Nội được trình bày trên hình 3.24. 21 a) hồ Bảy Mẫu b) hồ Gươm c) hồ Tây d) hồ Hòa Bình Hình 3.24. So sánh kết quả mô phỏng (đường nét liền) và đo đạc (đường nét đứt) sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan Nhìn chung có thể thấy, mặc dù nồng độ DO đo đạc trong các hồ đều thể hiện sự giảm mạnh theo độ sâu và diễn biến theo nhiều hướng khác nhau, nhưng kết quả mô phỏng vẫn khá trùng khớp. Đồng thời, xu hướng của đường DO mô phỏng khá sát với đường DO đo đạc, được thể hiện ở hệ số xác định (R2) trong các trường hợp đều có giá trị trong khoảng 0,93 đến 0,99 (hình 3.24a-d). Điều đó có thể chứng tỏ rằng, các phương trình động học cùng với các tham số tương ứng trong mô hình là tương đối phù hợp để mô tả sự biến thiên của DO theo độ sâu trong các trường hợp hồ đã khảo sát. Bên cạnh đó, nghiên cứu này cũng đã tiến hành mô phỏng nồng độ DO theo độ sâu hồ Toronto và Las Vegas (Mỹ), và so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu đo đạc nồng độ DO theo độ sâu của hai hồ đó thu được từ các nghiên cứu [125, 126] và kết quả đó được trình bày trên hình 3.25. 22 a) hồ Toronto d) hồ Las Vegas Hình 3.25. So sánh kết quả mô phỏng (đường nét liền) và đo đạc (đường nét đứt) sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan Kết quả mô phỏng diễn biến nồng độ DO theo độ sâu ở hồ Toronto (hình 3.25a) diễn ra khá sát với diễn biến nồng độ DO đo đạc được trong thực tế, cả về xu hướng lẫn giá trị. Kết quả phân tích tương quan với hệ số xác định R2 xấp xỉ 0,99 cho thấy kết quả mô phỏng và kết quả đo đạc gần như tương đồng nhau. Với trường hợp của hồ Las Vegas, đây là một hồ khá sâu trong đó độ sâu tại vị trí khảo sát là 24 m. Tương ứng với độ sâu đó thì nồng độ DO trong hồ dao động tương đối phức tạp từ ranh giới pha nước – không khí xuống đáy, giảm từ 9,0 mg/L về xấp xỉ 0 mg/L (hình 3.25b). Tuy vậy, kết quả mô phỏng cũng đã mô tả phù hợp được một phần của diễn biến này, thể hiện ở lớp nước có độ sâu từ 16-24 m cả nồng độ DO mô phỏng và đo đạc đều có giá trị xấp xỉ 0 mg/L.. 3.4.3 Nhận xét mô hình 4 Kế thừa và phát triển mô hình 2 đã được kiểm chứng trong phòng thí nghiệm, mô hình DO trong nghiên cứu này đã được thiết kế mở rộng để mô phỏng sự thay đổi của nồng độ DO theo độ sâu cho một số hồ trong môi trường tự nhiên. Trong đó, mô hình này đã tính đến ảnh hưởng của các yếu tố quan trọng như sự khuếch tán của oxi và chất hữu cơ, phản ứng tiêu thụ oxi bởi chất hữu cơ đại diện bởi BOD, nhu cầu oxi của lớp bùn đáy (SOD), sự trao 23 đổi oxi ở ranh giới pha nước – không khí, tốc độ phát tán chất hữu cơ từ bùn vào nước Kết quả mô phỏng nồng độ DO theo độ sâu trong mỗi hồ tự nhiên (các hồ ở khu vực Hà Nội, Hòa Bình, và hai hồ trên thế giới) đều được so sánh và phân tích tương quan với số liệu đo thực địa (do nghiên cứu tự tiến hành đo đạc, hoặc thu thập số liệu đo đạc từ các tài liệu tham khảo đã công bố). Kết quả phân tích tương quan thu được hệ số xác định R2 dao động trong khoảng 0,93 đến 0,99 (hình 3.24-3.25), chứng tỏ rằng mô hình toán học đã thiết kế có thể mô phỏng tương đối phù hợp xu hướng thay đổi của nồng độ DO theo độ sâu ở hồ tự nhiên. Sự thành công của kết quả mô phỏng cũng chứng minh rằng, các phương trình toán học mô tả các yếu tố thành phần mà được đề xuất trong luận án, như phương trình mô tả sự tiêu thụ oxi bởi các chất hữu cơ (2.2), phương trình mô tả sự tiêu thụ oxi bởi lớp bùn đáy (2.12), phương trình mô tả sự xáo trộn và lắng đọng các chất hữu cơ giữa bùn đáy và nước (2.15), đã hoàn thành tốt vai trò của mỗi phương trình. Đồng thời, các yếu tố kể trên cùng với các yếu tố khác trong mô hình toán học cũng đã phối hợp nhau một cách hiệu quả, để góp phần làm mô hình tổng thể đạt được kết quả mô phỏng như mục tiêu đề ra. 3.5 Nhận xét chương 3 Nội dung chương này đã trình bày chi tiết các kết quả thu được khi áp dụng mô hình DO tổng quát đã giới thiệu trong phần 2.1 vào bốn trường hợp cụ thể, ứng với bốn mô hình 1-4. Các mô hình này mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy, được phát triển theo trình tự từ đơn giản đến phức tạp, đồng thời kế thừa và phát huy được những ưu điểm của nhau, như được minh họa trên hình 3.27. Theo hình 3.27 có thể thấy, nghiên cứu trong mô hình 1 chỉ mang tính định hướng và thuần túy lý thuyết, nhằm kiểm tra khả năng mô phỏng của phương trình toán học (2.2) biểu diễn phản ứng tiêu thụ oxi bởi các chất hữu cơ mà được đề xuất trong luận án. Đồng thời, cũng là để khảo sát khả năng giải số của phần mềm Comsol Multiphysics. Tiếp nối với thành công của mô 24 hình 1, mô hình 2 ngoài việc vẫn tiếp tục áp dụng phương trình (2.2), còn được bổ sung thêm các phương trình cũng được đề xuất trong luận án như phương trình mô tả sự tiêu thụ oxi bởi lớp bùn đáy (2.11), phương trình mô tả sự xáo trộn & lắng đọng của chất hữu cơ (2.15). Hơn nữa, các kết quả mô phỏng thu được trong mô hình 2 đã bước đầu được kiểm chứng bởi các số liệu đo đạc nồng độ DO trên hệ thí nghiệm trong mô hình vật lý. Từ những kết quả đó, những thông tin quan trọng đã được ứng dụng vào để phát triển mô hình 4, mô hình mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO theo độ sâu của một số hồ trong môi trường nước tự nhiên. Những kết quả bước đầu của mô hình này khi áp dụng trong môi trường tự nhiên đã phần nào chứng minh khả năng ứng dụng cao của mô hình trong điều kiện thực tế. Cuối cùng, nhằm đi sâu vào khảo sát sự biến đổi nồng độ DO trên ranh giới pha bùn – nước và khu vực lân cận ranh giới này, mô hình 3 được cải tiến từ các nghiên cứu [7, 118, 120] đồng thời đã ứng dụng các điều kiện biên tổng quát đã xây dựng trong phần 2.1 để đưa ra kết quả mô phỏng. Kết quả đó cũng được kiểm chứng bằng các số liệu đo đạc thực hiện trên mô hình vật lý tương tự mô hình 2. Hình 3.27. Mối liên hệ giữa bốn mô hình ----------------------------------------------- 25 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1 Kết luận Qua quá trình nghiên cứu tìm hiểu các yếu tố, các quá trình sinh – hóa – lý tác động đến sự biến đổi nồng độ DO trong môi trường nước, cũng như ảnh hưởng của bùn đáy lên DO, các phương trình toán học mô phỏng các quá trình đó đã được xác lập. Kết quả mô phỏng của mô hình toán học đã được kiểm chứng qua việc so sánh với dữ liệu đo được trong thực tế. Nghiên cứu trong luận án đã thu được một số kết quả như sau: 1) Đã thiết lập thành công mô hình toán học tổng quát mô phỏng sự thay đổi nồng độ DO trong môi trường nước do ảnh hưởng chủ yếu của lớp bùn đáy. Sự thành công của mô hình tổng quát thể hiện ở: a. Bên cạnh yếu tố khuếch tán, mô hình đã bao quát tương đối đầy đủ các nguồn sinh và nguồn tiêu thụ oxi chủ yếu trong môi trường nước như: sự trao đổi oxi tại ranh giới không khí – nước, sự tiêu thụ oxi do phản ứng với các chất hữu cơ, tiêu thụ oxi do lớp bùn đáy... b. Các thành phần của mô hình toán học được thiết kế tương tự như các mô hình chất lượng nước trên thế giới. Bao gồm hệ phương trình PDE mô tả phản ứng xảy ra trong miền khảo sát (phương trình 2.1-2.2), hệ các phương trình PDE mô tả phản ứng xảy ra tại ranh giới của miền khảo sát với môi trường bên ngoài (được mô tả dưới dạng các điều kiện biên Neumann và Dirichlet, phương trình 2.3-2.16). c. Chủ động được công cụ toán học, quá trình thiết lập mô hình toán cũng như cách giải các bài toán biên. Giúp giảm bớt sự phụ thuộc vào các phần mềm mô phỏng chất lượng nước có sẵn của nước ngoài. 2) Đã đề xuất: a. Phương trình toán học chủ đạo của mô hình (phương trình 2.2) mô tả sự tiêu thụ oxi bởi các chất hữu cơ xuất phát từ bản chất phản ứng sinh hóa tiêu thụ oxi bởi các chất hữu cơ. b. Phương trình mô tả sự tiêu thụ oxi bởi lớp bùn đáy (phương trình 2.10- 2.12). 26 c. Phương trình mô tả sự xáo trộn & lắng đọng của chất hữu cơ (phương trình 2.15). Các phương trình trên đã thể hiện tốt vai trò của mỗi phương trình trong mô hình tổng thể, đồng thời các phương trình đó cũng đã phối hợp nhau một cách hiệu quả để đạt được kết quả mô phỏng tốt nhất. 3) Các mô hình 1-4 với các điều kiện biên tương ứng trong các trường hợp cụ thể đã được giải thành công. Sự thành công của việc giải các bài toán biên trong mô hình thể hiện ở: a. Kết quả giải phù hợp với tiêu chí đặt ra khi thiết lập bài toán. b. Các kết quả mô phỏng có độ tương quan tốt với các kết quả đo đạc thực nghiệm kiểm chứng, như đã phân tích trong phần kết quả của mỗi mô hình. 4) Các mô hình đều được đánh giá theo các bước cơ bản như hiệu chỉnh, kiểm chứng, phân tích độ nhạy các tham số... tương tự như hầu hết các mô hình trên thế giới. Quá trình hiệu chỉnh và kiểm chứng được tiến hành với số liệu đo đạc thực nghiệm trên mô hình vật lý, số liệu đo đạc trong môi trường tự nhiên hoặc từ các dữ liệu đo đạc đã công bố. Kết quả phân tích tương quan của các quá trình trên đều cho hệ số xác định R2 đạt kết quả ở mức độ chấp nhận được, với giá trị R2 đều lớn hơn 0,9. 5) Đã tiến hành các hoạt động thực nghiệm nhằm đánh giá, kiểm tra các giả thiết toán học đã đặt ra, cũng như kiểm tra kết quả mô phỏng như: a. Xây dựng mô hình vật lý để khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng chủ đạo của bùn đáy lên quá trình tiêu thụ DO trong nước, đồng thời để so sánh và kiểm nghiệm mô hình toán học đã thiết lập. b. Đo đạc thực nghiệm sự biến đổi nồng độ DO do ảnh hưởng của bùn đáy trên mô hình vật lý trong phòng thí nghiệm. Đo đạc hiện trường sự biến đổi nồng độ DO theo độ sâu tại các hồ tự nhiên vùng Hà Nội và Hòa Bình. 2 Các kiến nghị, đề xuất Trong điều kiện cho phép, mô hình toán học cần được bổ sung thêm các yếu tố như: 27 1) Cần bổ sung thêm các yếu tố phổ biến trong môi trường nước vào thành phần của mô hình, như yếu tố thủy văn (mực nước, lưu lượng nước, độ đục, hàm lượng chất lơ lửng, nhiệt độ nước...), yếu tố thủy lực (vận tốc dòng chảy, gia tốc dòng chảy...), sự đối lưu (gây ra bởi dòng chảy, bởi nhiệt độ...), thực vật thủy sinh (sự quang hợp, hô hấp, hàm lượng tảo, thành phần tảo...), yếu tố sinh học (thành phần và hàm lượng vi sinh vật tham gia xúc tác cho phản ứng tiêu thụ DO bởi chất hữu cơ...). 2) Cần nghiên cứu sâu hơn vào vai trò của lớp bùn đáy tới tốc độ tiêu thụ oxi, cũng như tốc độ phát tán chất hữu cơ của bùn vào nước, như độ sâu, độ dầy lớp bùn, thành phần lớp bùn (thành phần cơ giới, thành phần hóa học, thành phần vi sinh vật...), cấu trúc lớp bùn, độ xốp... và các yếu tố đó ảnh hưởng như thế nào tới nồng độ DO. 3) Cần nghiên cứu thực nghiệm thêm các trường hợp khác nhau giữa tương tác của bùn với nước, bằng cách chủ động tạo ra lớp bùn có BOD theo các mức độ khác nhau, cũng như chủ động tạo ra các môi trường nước nhân tạo khác nhau, như nước ô nhiễm từ nhẹ tới nặng, nước sông hồ tự nhiên, nước trong các bể xử lý nước... ----------------------------------------------- 28 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU ĐÃ CÔNG BỐ 1. Mô hình hóa quá trình suy giảm oxi trong môi trường nước do dư lượng thức ăn nuôi cá gây ra. Lê Minh Thành, Phạm Hồng Phong, Vũ Thị Thu Hà & Lê Quốc Hùng. Tạp chí Hóa học, 2012, 50 (4B), 205-209. 2. Ảnh hưởng của cấu hình điện cực đến tính năng của cảm biến oxi tự chế tạo. Lê Quốc Hùng, Phạm Thị Hải Yến, Vũ Phúc Hoàng, Phạm Thu Giang, Vũ Thị Thu Hà, Phạm Hồng Phong, Nguyễn Hoàng Anh, Lê Quốc Long & Lê Minh Thành. Tạp chí Hóa học, 2012, 50 (6), 742-746. 3. Bước đầu ứng dụng hệ đo đa kênh trong công nghệ xử lý nước thải và nuôi cá lồng. Lê Quốc Hùng, Phạm Thị Hải Yến, Vũ Phúc Hoàng, Phạm Thu Giang, Vũ Thị Thu Hà, Phạm Hồng Phong, Nguyễn Hoàng Anh, Lê Quốc Long & Lê Minh Thành. Tạp chí Hóa học, 2012, 50 (6), 751-755. 4. Modeling dissolved oxygen in water affected by the sediment layer in the bottom. Le Minh Thanh, Pham Hong Phong, Vu Thi Thu Ha & Le Quoc Hung. Vietnam Journal of Chemistry, 2013, 51 (5), 556-561. 5. Mô hình hóa sự biến đổi nồng độ oxi trong môi trường nước do ảnh hưởng bởi lớp bùn đáy. Lê Minh Thành, Phạm Hồng Phong & Lê Quốc Hùng. Tạp chí Hóa học, 2014, 52 (1), 24-29. 6. Mô phỏng sự suy giảm nồng độ oxi hòa tan theo độ sâu hồ. Lê Minh Thành, Phạm Hồng Phong & Lê Quốc Hùng. Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên trường Đại học Thủy lợi, 2014, 11/2014, 298-300. 7. Mô phỏng sự phân bố oxi hòa tan trong môi trường nước theo độ sâu. Lê Minh Thành, Phạm Hồng Phong, Vũ Thị Thu Hà & Lê Quốc Hùng. Tạp chí Hóa học, 2014, 52 (6A), 33-37. 8. Xây dựng cơ sở hóa lý và toán học để mô phỏng sự biến đổi oxi hòa tan trong môi trường nước. Lê Minh Thành. Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên trường Đại học Thủy lợi, 2015, 11/2015, 298-300. -----------------------------------------------