CHƯƠNG 1: Chương 2 :MÔ HÌNH LAN TRUYỀN PHÈN TRONG SÔNG KÊNH 2. NGUYÊN LÝ THIẾT LẬP CÁC PHƯƠNG TRÌNH TOÁN HỌC CHI PHỐI QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN NƯỚC PHÈN TRÊN KÊNH SÔNG Về đơn vị đo: Trong hóa học đơn vị thường được sử dụng cho nồng độ là Mol. Đây là trọng lượng phân tử tính bằng gam, một khái niệm định lượng quan trọng, vì mỗi một Mol gồm cùng một số lượng các phân tử. Tuy nhiên trong thực tế đo đạc hay trong phòng thí nghiệm đơn vị mg/L (hay g/L), tùy từng trường hợp cụ thể, cũng thường được dùng để đo nồng độ, vì vậy khi sử dụng trong tính toán phải chuyển đổi về cùng một đơn vị.
- Xác định cân bằng cho phèn nhôm và sắt ở Đồng Tháp Mười và Tứ giác Long Xuyên: Theo Nguyễn Thành Tín 1990), cân bằng Jurbanite cho phèn nhôm ở vùng Tân thạnh, Đồng Tháp Mười tuân thủ theo cân bằng : (4) Môi trường nước: H+ + OH- H2O => pH = pSu + pAl +d Cân bằng này cũng thấy cho phèn nhôm trong vùng TGLX. Còn theo Đặng Trung Thuận (2005) trong vùng TGLX các khoáng sulfua rất phổ biến. Khi pyrite bị phong hóa thì sản phẩm cuối cùng là oxit sắt, hợp chất này khó hòa tan và tích đọng dưới dạng mầu nâu. Các sản phẩm này cũng phổ biến ở vùng TGLX.
8 Quá trình oxy hóa pyrite FeS2 thành oxit sắt có thể xẩy ra theo một loạt phản ứng hay tương đương với phản ứng cân bằng: (5) Các phương trình cân bằng này sẽ được sử dụng để thiết lập các mối quan hệ trong thiết lập mối quan hệ toán học trong mô hình lan truyền nước phèn. Có thể thiết lập mối quan hệ sau để mô tả nước phèn nhôm: (6) (7) Với d là hằng số còn Al, H, SO4/Su là nồng độ tức thời nhôm, Hydrogen, và sulphat tại một điểm x, y, z, t. Với vùng Tứ giác Long Xuyên: Các nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng cân bằng jurbanite cho nhôm và jarosite cho sắt (mối tương quan tuyến tính giữa pH, Al và SO4 hoặc giữa pH, Fe và SO4 ) Tương tự như (7), với cân bằng cho khoáng sắt, ta có phương trình sau đây để tính độ pH: (8) Với m, α, β là hằng số còn Fe, H, SO4/Su là nồng độ tức thời sắt, Hydrogen, và sulphat tại một điểm x,y,z,t. Các đạo hàm theo thời gian của nhôm, Hydrogen, sunphate hay Fe ngoài việc tuân thủ các luật bảo toàn khối lượng vật chất, còn phải tuân thủ thêm các quy luật cân bằng sinh hóa, vì thế việc thiết lập và giải các bài toán lan truyền khó khăn và phức tạp hơn nhiều so với các bài toán lan truyền một chất bảo toàn, chẳng hạn như lan truyền nước mặn.
Mặc dù ở các dạng phức tạp khác nhau nhưng chúng đều có dạng chung của phương trình lan truyền và từ đó có thể áp dụng các phương pháp phổ biến để giải số các phương trình này. Dưới đây sẽ giới thiệu 9 ngắn gọn phương pháp đã áp dụng cho phèn nhôm với cân bằng jurbanite (6) (7): (9) 2. LAN TRUYỀN PHÈN TRONG SÔNG KÊNH Với một hệ thống nhiều kênh sông, các nhánh sẽ nối với nhau tại các điểm hợp hay phân lưu (thường được gọi là điểm nút); trong trường hợp này nếu biết được nồng độ tại các hợp lưu thì bài tóan đưa về giải cho từng nhánh sông đơn. Vì thế bài toán lan truyền phải được xét trong hệ thống kênh.
Bằng cách áp dụng phương pháp đường đặc trưng, khi dòng chảy hướng về các hợp lưu thì nồng độ tại các mặt cắt áp sát hợp lưu có thể tính được nhờ giải phương trình tải thuần túy, số hạng khuếch tán xem như đã biết (hay được đánh giá) tại lớp thời gian trước. Như vậy khi dòng chảy hướng tới hợp lưu tại các nhánh khác nhau không bắt buộc có nồng độ giống nhau (như các mô hình hiện có). Điều kiện duy nhất phải tuân theo là bảo tòan vật chất tại hợp lưu để tổng lượng vật chất vào hợp lưu bằng tổng lượng ra khỏi hợp lưu. Từ đó ta có điều kiện sau đây cho nồng độ chất tại các hợp lưu (hay phân lưu).
QjR là lưu lượng tại các mặt cắt áp sát hợp lưu của các nhánh chảy ra. Khi đã có giá trị nồng độ tại các hợp lưu kết hợp với điều kiện biên bài toán đưa về giải cho từng nhánh sông. Tất nhiên để giải được bài toán lan truyền phải có trường vận tốc U dọc theo dòng chảy. Với bài toán dòng chảy đã có nhiều phần mềm 10 đang được sử dụng, với bài toán kênh sông phần mềm Mike11 của DHI đang được sử dụng rộng rãi.
Tuy nhiên, như đã nêu ở trên, để thuận tiện và chủ động, trong nghiên cứu này tác giả đã sử dụng phần mềm DELTA của GS.TS Nguyễn Tất Đắc, phần mềm này đã được áp dụng cho nhiều dự án sử dụng nước ở ĐBSCL. LAN TRUYỀN PHÈN TRONG Ô RUỘNG Với giả thiết nước phèn trong từng ô ruộng được hòa đều thì các phương trình cân bằng trong từng ô ruộng trở nên đơn giản như được trình bầy dưới đây. Giả sử V là thể tích tổng thể của từng ô ruộng (trong thực hành nếu ô ruộng quá lớn có thể chia ra thành các ô ruộng nhỏ hơn), C là nồng độ của chất sinh phèn trên ô ruộng, Cs là nồng độ chất sinh phèn trong dòng trao đổi (chảy vào và chảy ra) giũa kênh và ô ruộng với lưu lượng Qs còn mưa rơi trên ruộng được ký hiệu là Qr, Qe là lưu lượng bốc hơi. Với ký hiệu như vậy, phương trình cân bằng cân bằng thể tích nước trong ô ruộng sẽ là (11): (11) Và phương trình cân bằng cho chất sinh phèn trong ô ruộng sẽ là (12): (12) Trong đó F(Cg) là tổng khối lượng chất sinh phèn từ dưới đất với nồng độ Cg, hoặc từ các nguồn khác nhau.
Việc xác đnh Cg bằng mô hình sẽ rất phức tạp và khó khăn, mục đích của nghiên cứu là xem xét quá trình lan truyền trên kênh, vì thế để đơn giản, trong luận án đã đề nghị sử dụng phương pháp tính toán Cg bằng công thức (13) sau đây: 11 (13) Trong đó Coi là nồng độ chất gây phèn ban đầu lúc bắt đầu mùa mưa trên mặt ruộng (hồ) tại điểm i ; a0 là hằng số phụ thuộc một số yếu tố, hằng số này được xác định qua số liệu đo đạc. Bằng cách sai phân, phương trình (13) đưa về dạng (14) sau: (14) Trong đó Al là hằng số đặc trưng cho quá trình hòa tan từng phần trong ô ruộng tại thời điểm t. V' và C' là thể tích nước và nồng độ chất sinh phèn trong ô ruộng tại thời điểm trước; Cs là nồng độ chất sinh phèn trong kênh nếu nước chảy ngược từ kênh vào ô ruộng và bằng nồng độ chất sinh phèn C’ trong ô ruộng trong trường hợp ngược lại (lưu ý rằng trong vùng triều nước có thể chảy từ ô ruộng ra kênh khi triều xuống và chảy từ kênh vào ô ruộng khi triều lên). Như vậy một khi đã biết đặc trưng dòng chảy từ tính toán thủy lực thì dễ dàng tính toán nồng đồ độ chất sinh phèn C trong các ô ruộng nhờ công thức (14).
CHƯƠNG TRÌNH MÁY TÍNH ACID2020 Dựa trên thuật toán đã mô tả tóm tắt ở các phần trên một chương trình máy tính đã được viết để thử nghiệm tính lan truyền nước phèn cho vùng TGLX mang tên ACID2020. Phần mềm này sử dụng ngôn ngữ Digital Visual Fortran, chạy trên hệ điều hành 64bit. Phần mềm ACID2020 tính lan truyền nước phèn nhôm (hay sắt) trong kênh sông (chủ yếu vào đầu mùa mưa), được hoàn thiện vào tháng 3 năm 2020. Trong ACID2020 gồm có phần tính thủy lực kênh sông dựa trên thuật toán và code của phần mềm DELTA.
Sơ đồ khối của chương trình ACID2000 như Hình 1. Phần tính phèn bao gồm các Subroutines (chương trình con) cho tính nhôm Al+3, sulphate SO4 hay sắt Fe. Thuật toán của các 12 Subroutine này dựa theo thuật toán mô tả trong luận văn được mô tả ở phần trên. Các Subroutine này do NCS thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS Nguyễn Hình 1: Sơ đồ làm việc của chương trình tính phèn ACID2020 ghép với phần tính thủy lực DELTA ACID2020 gồm phần chương trình chính MAIN để khởi đầu chương trình, các Subroutine để bố trí bộ nhớ, đọc số liệu, tính toán, in ấn.
Có một số subroutine (tính thời gian, ngày tháng, CPU time,.) lấy từ thư viện DFLIB. Phần lập trình cũng khá phức tạp Trong khuôn 13 khổ luận án GS.TS Nguyễn Tất Đắc và tác giả luận án muốn đưa ra code của phần tính nhôm và tính sulphate để người đọc quan tâm có thể tham khảo. Để có chương trình thực thi (.exe) phải dùng các compiler Fortran để biên dịch sau đó phải chuẩn bị các file số liệu đầu vào, tên các file số liệu đầu vào được liệt kê trong file có tên “Fvao.txt”, chương trình ACID2020.exe sẽ tìm các file đã liệt kê trong Fvao.txt để tìm kiếm số liệu rồi mới thực hiện tính toán. CHƯƠNG 2: Chương 3 : ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH ACID2020 MÔ PHỎNG LAN TRUYỀN PHÈN KHU VỰC KÊNH HÀ GIANG 3.
SƠ ĐỒ TÍNH Sơ đồ tính toán bao gồm 1061 mặt cắt (hay điểm tính toán), 424 nhánh sông, 233 nút hợp lưu, 05 biên thủy lực là mực nước Châu đốc, Vàm Nao, Cần Thơ, Rạch Giá, Hà Tiên. Các trạm mưa gồm Châu Đốc, Long Xuyên, Rạch Giá, Hà Tiên. Các công trình gồm đập cao su Tha la, Trà sư (đã thay bằng cống đập bê tông), 23 cống ngăn mặn dọc bờ biển. Hình 2: Thiết lập sơ đồ tính mạng lưới sông kênh cho vùng TGLX 14 Số liệu đầu vào: Tài liệu địa hình phần lớn được đo đạc cho tới năm 2011, có bổ sung một số đợt đo mới gần đây.
Tài liệu thủy văn lấy năm 2016. Thời gian mô phỏng: Vì xét ảnh hưởng phèn vào đầu mùa mưa nên tập trung khai thác kết kết quả của tháng 5 đến tháng 6 năm 2016 (thời gian mô phỏng có thể đến tháng 9); Nguồn phát thải: từ nước phèn trong một ô ruộng có diện tích 10ha thuộc khu vực kênh Hà Giang lan truyền ra ngoài kênh (Khi mưa xuống nước mưa thủy phân, đã rửa trôi lượng nước Acid trong đất xuống kênh rạch gây chua phèn). Tại các biên thủy lực và biển (Châu đốc, Vàm Nao, Long Xuyên, Rạch Giá, Hà Tiên, các cống ra biển) là nước không có phèn (độ pH trên 6). Các giá trị nhôm và sulphate ban đầu trong ruộng tương ứng với pH=2.
Khi lan truyền ra kênh sau một thời gian, dưới tác dụng của mưa và dòng triều, giá trị pH sẽ tăng dần (Xem đồ thị biến đổi phèn theo thời gian, các hình dưới). Bước thời gian tính toán: Δt = 900s (15 phút) 3.