Nghiên cứu xây dựng phần mềm mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng chuyển động và lan truyền các chất ô nhiễm và nhiễm mặn trong môi trường nước dưới đất-Ứng dụng cho khu vực ven biển miền Trung

Hiện nay, trữ lượng và chất lượng tài nguyên nước dưới đất (NDĐ) là những vấn đề quan trọng không chỉ riêng đối với các nhà quản lý, hoạch định chính sách, các tổ chức và cá nhân khai thác kinh doanh nước và phục vụ sản xuất..., mà ngay cả đối với người dân người trực tiếp khai thác sử dụng và bị ảnh hưởng của các quá trình suy thoái về trữ lượng và chất lượng nước.

Đánh giá được tài nguyên NDĐ về lượng và chất hiện tại, xác định được các nguyên nhân suy thoái, sự lan truyền các chất ô nhiễm trong môi trường nước, dự báo được sự biến đổi chất lượng NDĐ theo không gian và thời gian do các nguyên nhân tự nhiên cũng như do các ảnh hưởng của hoạt động kinh tế xã hội… là cơ sở để quy hoạch khai thác và phát triển và bảo vệ nguồn tài nguyên NDĐ, phục vụ giám sát và quản lý môi trường một cách hiệu quả. Mô hình số chuyển động NDĐ và lan truyền các chất ô nhiễm hoà tan trong NDĐ (kể cả muối ăn) là phương pháp hữu hiệu và tin cậy nhất trong mô tả hiện trạng và dự báo biến động nước dưới đất về lượng và chất ở các điều kiện địa chất thuỷ văn (ĐCTV) phức tạp và các yếu tố ảnh hưởng biến động theo thời gian và không gian.

Rất nhiều các nghiên cứu ĐCTV liên quan đến chuyển động NDĐ, lan truyền các chất ô nhiễm và lan truyền mặn được thực hiện trong nước ta đều hoặc là sử dụng phương pháp giải tích khi làm đơn giản hoá miền phân bố tầng chứa nước về dạng vô hạn hoặc bán vô hạn và đồng nhất về các thông số ĐCTV và các điều kiện biên không đổi theo không gian và thời gian..., hoặc sử dụng các phần mềm mô hình của các nước trên thế giới như MODFLOW, MODPATH, MT3DMS/RT3D... khi giải bài toán có các điều kiện biên khác nhau theo không gian và biến đổi theo thời gian, điều kiện ban đầu biến đổi theo không gian, miền chuyển động và lan truyền chất ô nhiễm không đồng nhất theo diện và theo chiều sâu... Vì vậy, việc xây dựng một phần mềm phục vụ xây dựng mô hình khu vực chuyển động NDĐ, lan truyền các chất ô nhiễm và lan truyền mặn trong NDĐ của Việt Nam là cần thiết. Xuất phát từ lý do trên, từ năm 2013 đến năm 2018, PGS.TS. Nguyễn Văn Hoàng cùng các cộng sự tại Viện Địa Chất đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xây dựng phần mềm mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng chuyển động và lan truyền các chất ô nhiễm và nhiễm mặn trong môi trường nước dưới đất-Ứng dụng cho khu vực ven biển miền Trung”.

Một số kết quả nổi bật của nghiên cứu:

Về phần mềm mô hình:

Chương trình mô phỏng chuyển động NDĐ và lan truyền các chất ô nhiễm hoà tan (kể cả muối) trong NDĐ đã được xây dựng theo các thuật toán phần tử hữu hạn và đã được kiểm định và kiểm chứng tính chính xác của các thuật toán đã sử dụng và lập trình.

+ Các kết quả kiểm định-kiểm chứng mô hình chuyển động NDĐ khi hút nước với lưu lượng 100m3 /ngày từ tầng chứa nước có chiều dày 10m, hệ số thấm 5m/ngày và hệ số nhả nước đàn hồi là 10-3 cho các trường hợp mô hình tính toán.

+ Các kết quả kiểm định-kiểm chứng mô hình PTHH sử dụng hàm tuyến tính lan truyền các chất ô nhiễm và nhiễm mặn NDĐ có khả năng mô phỏng ở mức độ chính xác thoả mãn các bài toán thực tế.

+ Phần mềm mô hình chuyển động NDĐ và lan truyền mặn trong NDĐ bằng phương pháp PTHH đã được xây dựng có sự kiểm chứng-kiểm tra sự chính xác. Các kết quả mô phỏng các trường hợp chuẩn có lời giải giải tích cho thấy độ đúng đắn của chương trình mô hình, với độ sai số phù hợp cho các bài toán thực tế về địa chất thuỷ văn;

+ Phần mềm có giao diện chạy trên hệ điều hành Windows XP hoặc Windows 8 của máy tính cá nhân với các thực đơn trực quan dễ hiểu, không khó sử dụng.

+ Phần mềm được xây dựng mới được xây dựng trong khuôn khổ của một Đề tài cấp Nhà nước nên chưa có được đầy đủ các tính ưu việt như các phần mềm thương mại về lĩnh vực NDĐ trên thế giới như MODFLOW, FEFLOW... được một đội ngũ các nhà lập trình và chuyên môn ĐCTV hùng hậu với tiềm lực tài chính lớn xây dựng, duy trì và phát triển.

Về nước dưới đất khu vực Bắc Quảng Bình từ TP. Đồng Hới trở ra:

+ Nước dưới đất tầng chứa nước Holocen, đặc biệt là các dải cồn cát ven biển phía Bắc tỉnh Quảng Bình từ TP. Đồng Hới trở ra có nguồn trữ lượng thuộc loại trung bình, có vai trò quan trọng trong việc khai thác sử dụng trong sinh hoạt, và đặc biệt là khai thác phục vụ công tác hạn chế các tác hại của hạn hán khu vực.

+ Chất lượng NDĐ khu vực và trong trầm tích Đệ Tứ về cơ bản đáp ứng các yêu cầu về chất lượng nước cho ăn uống sinh hoạt, nhưng đặc biệt phải có xử lý đối hàm lượng coliform trong nước, một số diện tích nhỏ có hàm lượng muối cao;

+ NDĐ có nguồn cung cấp chính là nước mặt và nước mưa và có độ lưu thông tương đối tốt thể hiện qua hàm lượng ô-xy hoà tan trong nước thuộc dải trung bình đến cao;

+ Đã tính toán xác định trữ lượng khai thác NDĐ trong tầng chứa nước Holocen khu vực đồng bằng ven biển Bắc tỉnh Quảng Bình từ TP. Đồng Hới phục vụ cho công tác qui hoạch khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước khu vực phục vụ phát triển kinh tế xã hội trên phương diện tài nguyên nước; + Trong quá trình khai thác NDĐ với giá trị lưu lượng xác định theo kết quả tính toán giải tích theo ô lưới, mực nước trong các lỗ khoan hút nước vẫn cao hơn mực nước cho phép (là nửa tầng chứa nước) mặc dù tính toán không tính tới cung cấp từ nước mưa và nước mặt;

Về ứng dụng thực tế của phần mềm:

+ Phần mềm đã được sử dụng ứng dụng thử nghiệm trong Dự án lớn của Trung tâm Quốc gia Dự án "Bảo vệ NDĐ ở các đô thị lớn (Phạm vi: Đô thị Hà Nội)" do Trung tâm Quốc gia Qui hoạch và Điều tra Tài nguyên nước - Bộ Tài nguyên Môi trường Chủ trì thực hiện đã xác định đồng thời hai thông số liên quan trực tiếp đến lan truyền các chất ô nhiễm hoà tan trong NDĐ là độ lỗ rỗng hữu hiệu và độ phân tán dọc cuta tầng chứa nước Pleistocen khu vực Hà Nội tại huyện Thanh Trì nơi có ranh giới mặn-nhạt NDĐ của tầng chứa nước Pleistocen có nguy cơ gây xâm nhập mặn sâu vào phễu hạ thấp mực NDĐ khu vực TP. Hà Nội, và khu vực Mộ Lao quận Hà Đông nơi sông Nhuệ hiện đang bị ô nhiễm nghiêm trọng có quan hệ thuỷ lực với các tầng chứa nước qua các cửa số ĐCTV dẫn đến nguy cơ gây ô nhiễm đến NDĐ.

+ Phần mềm cũng đã được sử dụng ứng dụng trong Đề tài của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và đề tài của cấp Bộ Khoa học và Công nghệ do Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam chủ trì thực hiện.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 15202 tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

N.P.D (NASATI)