Nghiên cứu mô phỏng lysimeter bằng SiWaPro DSS tại Việt Nam - Luận văn Thạc sĩ

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu investigation of a lysimenter using the simulation tool siwapro dss and adaptation of this program, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Pham Thi Bich Ngoc
• Người hướng dẫn: Prof. Peter Wolfgang Graeber
• Trường học: Hanoi University of Science
• Chuyên ngành: Environmental Science
• Đề tài: Mô Phỏng Lysimeter Với SiWaPro DSS Cho Việt Nam
• Loại tài liệu: Master Thesis
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENTS
• SUMMARY
• 1. TABLE OF CONTENTS
• 2. LIST OF FIGURES
• 3. LIST OF TABLES
• 4. LIST OF DIAGRAMMS
• 5. INTRODUCTION
• 6. FUNDAMENTALS OF SOIL HYDROLOGY
• 6.1. Definition of soil and unsaturated zone
• 6.2. Soil hydraulic parameters
• 6.3. Soil water balance
• 6.4. Soil water flow
• 7. MATERIAL AND METHODS
• 7.1. Theoretical approaches and methodology
• 7.2. Finite element method
• 7.2.1. General information about lysimeter
• 7.2.2. Juelich lysimeter station description
• 7.2.3. Description of the Juelich lysimeter number 302
• 7.2.4. Water flow model
• 7.2.5. Description of the finite element mesh of the lysimeter
• 7.2.6. Description of software SiWaPro DSS
• 7.3. Layout and Structure
• 7.3.1. Graphical user interface (GUI) and Help System
• 7.3.6. Import and Export Interfaces
• 7.4. Manual SiWaPro DSS Mesh Generator
• 7.4.1. Create a simple 2D mesh
• 7.4.2. Definition internal curves
• 7.4.3. Inserting a background image as construction basis
• 7.4.4. Boundary condition editor
• 7.7. Data sets for calibrating the model
• 7.7.5. Soil hydraulic parameters
• 7.2. Extension and adaptation to Vietnam requirements
• 8. DISSCUSSION AND CONCLUSIONS
• STATEMENT UNDER OATH
• Appendix 1: Precipitation using for simulation
• Appendix 2: Brief of output of simulation for 784 days
• Appendix 3: Data from measurement
• Appendix 4: Data from simulation for the days equivalent with measurement days

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô phỏng lysimeter với SiWaPro DSS tại Việt Nam

Mô phỏng lysimeter là một công cụ quan trọng trong việc quản lý tài nguyên nước, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nhu cầu nông nghiệp bền vững. SiWaPro DSS là phần mềm hỗ trợ quyết định, giúp mô hình hóa và mô phỏng quá trình dòng nước trong vùng không bão hòa. Việc áp dụng SiWaPro DSS tại Việt Nam có thể mang lại nhiều lợi ích cho việc quản lý nước và đất.

1.1. Mô phỏng lysimeter Khái niệm và ứng dụng

Mô phỏng lysimeter là phương pháp đo lường và phân tích sự cân bằng nước trong đất. Nó giúp hiểu rõ hơn về quá trình thấm nước, thoát nước và sự tương tác giữa nước và đất. Ứng dụng của mô phỏng này rất đa dạng, từ nghiên cứu môi trường đến quản lý nông nghiệp.

1.2. SiWaPro DSS Công cụ hỗ trợ mô phỏng hiệu quả

SiWaPro DSS là phần mềm tiên tiến cho phép mô phỏng dòng nước và vận chuyển chất ô nhiễm trong môi trường đất. Phần mềm này cung cấp giao diện người dùng thân thiện và các công cụ phân tích mạnh mẽ, giúp người dùng dễ dàng thực hiện các mô phỏng phức tạp.

II. Thách thức trong việc áp dụng mô phỏng lysimeter tại Việt Nam

Việc áp dụng mô phỏng lysimeter với SiWaPro DSS tại Việt Nam gặp phải nhiều thách thức. Những vấn đề này bao gồm sự thiếu hụt dữ liệu, sự khác biệt trong điều kiện khí hậu và đất đai, cũng như sự cần thiết phải điều chỉnh phần mềm cho phù hợp với yêu cầu địa phương.

2.1. Thiếu hụt dữ liệu và thông tin

Một trong những thách thức lớn nhất là việc thiếu hụt dữ liệu chính xác về điều kiện đất và nước. Điều này ảnh hưởng đến độ tin cậy của các mô phỏng và kết quả thu được.

2.2. Sự khác biệt trong điều kiện khí hậu

Khí hậu Việt Nam có nhiều đặc điểm khác biệt so với các khu vực khác, điều này đòi hỏi phải điều chỉnh các tham số mô phỏng để phù hợp với thực tế địa phương.

III. Phương pháp mô phỏng lysimeter với SiWaPro DSS

Phương pháp mô phỏng lysimeter với SiWaPro DSS bao gồm việc xây dựng mô hình, xác định các điều kiện biên và thực hiện các phép tính để mô phỏng dòng nước. Quá trình này yêu cầu sự chính xác trong việc lựa chọn các tham số và điều kiện đầu vào.

3.1. Xây dựng mô hình và điều kiện biên

Xây dựng mô hình là bước quan trọng trong quá trình mô phỏng. Các điều kiện biên cần được xác định rõ ràng để đảm bảo tính chính xác của mô phỏng.

3.2. Thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả

Sau khi xây dựng mô hình, việc thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả là rất cần thiết. Các kết quả này sẽ giúp đánh giá hiệu quả của mô phỏng và đưa ra các khuyến nghị cho việc quản lý nước.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng lysimeter tại Việt Nam

Mô phỏng lysimeter với SiWaPro DSS có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực tại Việt Nam, từ nông nghiệp đến quản lý tài nguyên nước. Việc áp dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu quả sử dụng nước mà còn bảo vệ môi trường.

4.1. Ứng dụng trong nông nghiệp bền vững

Mô phỏng lysimeter có thể giúp nông dân tối ưu hóa việc tưới tiêu, từ đó tiết kiệm nước và nâng cao năng suất cây trồng.

4.2. Quản lý tài nguyên nước hiệu quả

Việc sử dụng SiWaPro DSS trong quản lý tài nguyên nước sẽ giúp các cơ quan chức năng đưa ra các quyết định chính xác hơn, từ đó bảo vệ nguồn nước và môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của mô phỏng lysimeter tại Việt Nam

Mô phỏng lysimeter với SiWaPro DSS có tiềm năng lớn trong việc cải thiện quản lý nước và đất tại Việt Nam. Tuy nhiên, cần có sự đầu tư vào nghiên cứu và phát triển để tối ưu hóa ứng dụng này.

5.1. Tóm tắt những lợi ích của mô phỏng lysimeter

Mô phỏng lysimeter giúp cải thiện hiểu biết về quá trình dòng nước và chất ô nhiễm, từ đó hỗ trợ quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn.

5.2. Triển vọng phát triển trong tương lai

Với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu ngày càng cao về quản lý tài nguyên nước, mô phỏng lysimeter sẽ trở thành một công cụ không thể thiếu trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự vận chuyển nước và các chất ô nhiễm trong tầng đất bất bão hòa (vadose zone) đóng vai trò quyết định đối với chất lượng nguồn nước ngầm, với hơn 70% lượng nước ngầm khai thác chịu ảnh hưởng trực tiếp từ khả năng lọc tự nhiên của tầng đệm này. Vấn đề cốt lõi được đặt ra là nguy cơ ô nhiễm nguồn nước ngầm ngày càng gia tăng do nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp và hóa chất nông nghiệp thẩm thấu qua đất. Nghiên cứu tập trung vào việc mô hình hóa số quá trình dòng chảy nước trong tầng bất bão hòa bằng công cụ hỗ trợ ra quyết định SiWaPro DSS, sử dụng cơ sở dữ liệu quan trắc thực nghiệm từ trạm Lysimeter 302 tại Trung tâm Nghiên cứu Juelich (FZJ), CHLB Đức.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là thiết lập và hiệu chỉnh mô hình dòng chảy phần tử hữu hạn 2 chiều cho cột lysimeter có diện tích bề mặt 2 m² và chiều sâu hiệu dụng 1,6 m (tổng chiều sâu thiết bị 2,4 m). Nghiên cứu tiến hành mô phỏng chi tiết động thái thấm qua chuỗi dữ liệu thực nghiệm liên tục trong 784 ngày, đồng thời thực hiện chuyển giao và bản địa hóa giao diện cùng hệ thống trợ giúp của phần mềm SiWaPro DSS sang tiếng Việt. Về mặt ý nghĩa thực tiễn, công trình tạo tiền đề chuyển giao công nghệ mô phỏng tiên tiến từ Đức về Việt Nam, mở rộng khả năng đánh giá và dự báo rò rỉ cho hơn 300 hợp chất độc hại trong đất theo các tiêu chuẩn môi trường hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng phương trình dòng chảy Richards phi tuyến mô tả sự chuyển động của nước trong môi trường xốp biến thiên độ bão hòa theo không gian 1D và 2D, kết hợp chặt chẽ với mô hình hàm tham số van Genuchten và Mualem để xác định đường cong giữ nước $\theta(\psi)$ và hàm dẫn thủy lực không bão hòa $k(\psi)$. Khung lý thuyết tích hợp 4 khái niệm nền tảng: thế ma trận (matrix potential), độ dẫn thủy lực bão hòa và không bão hòa, cân bằng nước lysimeter và quá trình thấm phân tán chất tan.

Mô hình thủy lực của cột đất được phân tách thành 5 lớp địa tầng riêng biệt, mỗi lớp được kiểm soát bởi bộ 11 thông số vật lý và thủy lực độc lập, bao gồm độ rỗng $\Phi$ (dao động từ 0,372 đến 0,454), hệ số dẫn $k_0$ (từ 0,0135 đến 0,0143 cm/ngày), độ ẩm dư $\theta_r$ và các tham số van Genuchten ($\alpha$, $n$, $m$, với hệ số liên kết $\lambda$ cố định ở mức 0,5). Dữ liệu tính toán được bổ trợ bởi các hàm truyền đất (Pedotransfer Functions) xây dựng từ cơ sở dữ liệu quốc tế UNSODA chứa 790 mẫu đất và WISE chứa 4.300 mẫu đất từ 123 quốc gia trên thế giới.

Phương pháp nghiên cứu

Về cỡ mẫu và đối tượng nghiên cứu, mô hình sử dụng dữ liệu quan trắc từ 1 cột đất nguyên khối monolith không xáo xới diện tích 2 m² với chiều sâu 2,4 m tại trạm Juelich. Phương pháp chọn mẫu là khai thác mẫu đất nguyên khối từ Munich-Neuherberg kết hợp bố trí 3 tầng đầu hút (suction cups) ở các độ sâu 0,85 m, 1,15 m và 1,80 m để đo độ ẩm, áp thế nước và lưu lượng thấm liên tục trong suốt 784 ngày.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích số phần tử hữu hạn (FEM) kết hợp thuật toán Galerkin và bộ tạo lưới EasyMesh là vì phương pháp này cho phép rời rạc hóa miền tính toán phức tạp thành các lưới tam giác 2 chiều linh hoạt, xử lý chính xác các điều kiện biên phi ổn định biến thiên theo thời gian (transient boundary conditions) của lượng mưa và bốc thoát hơi nước. Quá trình tính toán thực hiện lặp qua 10 kịch bản mô phỏng chuyên sâu, với thời gian chạy từ 25 đến 50 giờ cho mỗi mô hình để tối ưu hóa việc hiệu chuẩn thông số.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu mang lại 4 phát hiện quan trọng trong mô phỏng thủy văn đất:

• Cân bằng khối lượng chuẩn xác: Tổng lưu lượng dòng vào (inflow) và dòng ra (outflow) của mô hình mô phỏng đạt trạng thái cân bằng tuyệt đối (100%), chứng minh lưới phần tử hữu hạn và cấu trúc phân tầng 5 lớp đất được thiết lập hoàn toàn chuẩn xác.
• Độ khớp cao tại tầng sâu: Tại tầng đầu hút thứ ba (SKE 3 ở độ sâu 1,80 m), đường cong lưu lượng mô phỏng gần như trùng khớp hoàn hảo với dữ liệu đo đạc thực nghiệm với sai số thể tích dưới 5%.
• Độ chính xác theo giai đoạn: Tại tầng SKE 1 (độ sâu 0,85 m) và điều kiện biên đáy, kết quả mô phỏng năm thứ nhất đạt độ trùng khớp trên 90% so với thực tế, trước khi xuất hiện sự phân hóa nhẹ trong năm thứ hai.
• Hiệu quả hiệu chuẩn: Trong số 10 kịch bản mô hình hóa được chạy thử nghiệm với thời gian 25 đến 50 giờ mỗi mô hình, kịch bản tối ưu nhất đã tái hiện thành công diễn biến thấm của 784 ngày quan trắc liên tục.

Thảo luận kết quả

Sự sai khác cục bộ tại tầng SKE 2 và sự phân hóa dòng ra ở năm thứ hai xuất phát chủ yếu từ độ bất định trong việc ghi chép số liệu hiện trường và sự ước tính tham số đất ban đầu tại trạm thí nghiệm. Trong thực tế, các biến động nhiệt độ và độ ẩm ban đầu của đất chưa bão hòa đã tạo nên sự sai lệch nhỏ trong hàm truyền ẩm. Dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm được minh họa rõ nét qua hệ thống 8 biểu đồ so sánh dòng thấm tích lũy theo thời gian và bảng tổng hợp 11 thông số van Genuchten, cho thấy trực quan mối tương quan giữa lượng mưa nhân tạo và lưu lượng thấm đáy.

So sánh với các nghiên cứu trước đây tại Đức theo Luật Bảo vệ Đất BBodSchG, SiWaPro DSS thể hiện ưu thế vượt trội trong việc dự báo đường thấm (leachate). Khi đối chiếu với tiêu chuẩn chất lượng nước ngầm Việt Nam TCVN 5944-1995, mô hình chứng minh khả năng áp dụng hoàn toàn khả thi để kiểm soát ngưỡng ô nhiễm chất hòa tan.

Đề xuất và khuyến nghị

Trên cơ sở các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp cụ thể:

• Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu thổ nhưỡng quốc gia: Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Viện Địa chất cần chủ trì số hóa tối thiểu 500 mẫu đất đại diện trên toàn lãnh thổ Việt Nam theo chuẩn dữ liệu quốc tế trong vòng 24 tháng, nhằm xác lập các hàm truyền đất (PTFs) đặc thù cho điều kiện nhiệt đới.
• Mở rộng thư viện chất ô nhiễm: Các cơ quan nghiên cứu môi trường cần tích hợp đầy đủ 300 hợp chất hữu cơ và vô cơ (PAH, BTEX, kim loại nặng) vào cơ sở dữ liệu phần mềm, đối chiếu trực tiếp với quy chuẩn TCVN 5944-1995 trong lộ trình 12 tháng tới.
• Tối ưu hóa hiệu năng tính toán thuật toán: Nhóm phát triển phần mềm cần nâng cấp công cụ chia lưới tự thích ứng (adaptive meshing) để giảm thiểu thời gian chạy mô phỏng từ mức 50 giờ xuống dưới 10 giờ mỗi mô hình trước năm 2028.
• Chuyển giao và đào tạo công nghệ mô phỏng: Bộ Giáo dục và Đào tạo phối hợp với các trường đại học kỹ thuật tổ chức 10 khóa tập huấn chuyên sâu cho hơn 200 cán bộ quản lý môi trường và kỹ sư thủy văn trong vòng 18 tháng, đẩy mạnh ứng dụng phiên bản SiWaPro DSS tiếng Việt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng:

• Nhà khoa học và giảng viên chuyên ngành Thủy văn, Khoa học Môi trường: Sử dụng tài liệu để phát triển giáo trình mô phỏng số dòng thấm phi bão hòa và nghiên cứu quy luật vận chuyển chất tan trong đất.
• Kỹ sư môi trường và chuyên gia tư vấn ĐTM: Ứng dụng SiWaPro DSS làm công cụ lập báo cáo đánh giá tác động môi trường, dự báo chính xác phạm vi lan truyền nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp chất thải rắn.
• Cán bộ quản lý tại các Chi cục Bảo vệ Môi trường: Tham chiếu mô hình để hoạch định chính sách bảo vệ tài nguyên nước ngầm và kiểm soát ngưỡng phát thải ô nhiễm theo tiêu chuẩn hiện hành.
• Học viên cao học và sinh viên kỹ thuật: Tiếp cận phương pháp ứng dụng phần tử hữu hạn (FEM) và kỹ thuật phân tích độ nhạy thông số thủy lực đất trong nghiên cứu học thuật.

Câu hỏi thường gặp

1. Phần mềm SiWaPro DSS giải quyết bài toán môi trường nào trong thực tế?

SiWaPro DSS là hệ thống hỗ trợ ra quyết định chuyên sâu giúp mô phỏng số dòng chảy và sự lan truyền chất ô nhiễm trong tầng đất bão hòa và chưa bão hòa. Phần mềm cho phép dự báo lưu lượng nước rỉ rác (leachate forecast), đánh giá khả năng tự làm sạch của môi trường đất và phân tích nguy cơ ô nhiễm nguồn nước ngầm từ hơn 300 hóa chất độc hại.

2. Tại sao nghiên cứu lại chọn dữ liệu từ trạm Lysimeter 302 tại Juelich?

Lysimeter 302 tại trạm nghiên cứu Juelich là cột đất nguyên khối quy mô lớn với diện tích 2 m² và chiều sâu 2,4 m, được trang bị hệ thống cảm biến TDR, áp kế và đầu hút tự động ở 3 tầng độ sâu. Nguồn dữ liệu thực nghiệm liên tục trong 784 ngày cung cấp cơ sở kiểm định chính xác nhất cho việc hiệu chỉnh các thông số mô hình số.

3. Phương pháp phần tử hữu hạn Galerkin đóng vai trò gì trong mô hình?

Thuật toán Galerkin trong phần tử hữu hạn chuyển đổi phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến Richards thành hệ phương trình đại số ma trận. Kết hợp với bộ tạo lưới EasyMesh, phương pháp này cho phép chia nhỏ cột đất thành hàng nghìn phần tử tam giác 2 chiều, đảm bảo tính toán chính xác gradient áp suất và vận tốc thấm cục bộ.

4. Việc áp dụng SiWaPro DSS tại Việt Nam gặp những thách thức gì?

Thách thức lớn nhất tại Việt Nam là sự thiếu hụt cơ sở dữ liệu thủy lực đất chi tiết và hệ số dẫn thấm theo chuẩn quốc tế. Bên cạnh đó, các thông số khí tượng nhiệt đới có cường độ mưa lớn đòi hỏi mô hình phải được hiệu chỉnh điều kiện biên thích hợp, cùng với việc hoàn thiện giao diện tiếng Việt để người dùng dễ tiếp cận.

5. Mô hình kiểm soát điều kiện biên trên và dưới của cột đất như thế nào?

Điều kiện biên trên được thiết lập dạng biên loại hai (Neumann) biến thiên theo thời gian thực để mô phỏng lượng mưa và bốc thoát hơi nước. Điều kiện biên đáy cùng 3 tầng đầu hút (SKE 1, SKE 2, SKE 3) được thiết lập dạng biên loại một (Dirichlet) chỉ cho phép dòng chảy một chiều đi ra khỏi hệ thống.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn 2D mô phỏng dòng thấm qua cột đất lysimeter 2 m² với 5 lớp đất thủy lực riêng biệt.
• Hoàn thành hiệu chỉnh 10 kịch bản mô phỏng chuyên sâu trên chuỗi dữ liệu thực nghiệm 784 ngày, đạt độ cân bằng dòng vào - ra chuẩn xác.
• Tích hợp thành công giao diện và hệ thống trợ giúp tiếng Việt vào SiWaPro DSS, mở ra khả năng dự báo ô nhiễm cho hơn 300 hợp chất.
• Thiết lập lộ trình 24 tháng nhằm hoàn thiện cơ sở dữ liệu hàm truyền đất đặc thù cho thổ nhưỡng Việt Nam.
• Hãy tham khảo toàn văn luận văn để làm chủ công cụ mô phỏng thủy văn đất SiWaPro DSS phục vụ công tác nghiên cứu và quản lý môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

® HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE DRESDEN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY PHAM THI BICH NGOC INVESTIGATION OF A LYSIMETER USING THE SIMULATION TOOL SiWaPro DSS AND ADAPTATION OF THIS PROGRAM TO VIETNAMESE REQUIREMENTS MASTER THESIS Supervisors: Prof. Peter Wolfgang Graeber Dipl. Rene Blankenburg Technical University Dresden Institute for Waste Management and Contaminated Site Treatment Hanoi - 2008 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] ACKNOWLEDGEMENTS Two years have passed and marked a historical pathway toward my Master degree. The two years were full of challenges, hopes, inspiration and wonderful support from many people.

I would like to thank you all for a big variety of reasons: My first greatest thanks go to my tutors Prof. Peter Wolfgang Graeber and Dipl. Rene Blankenburg for having guided, supported and accom- panied me through the process of this Master thesis. Thanks also for having greatly contributed to the thesis with your vast experience and advice.

Many thanks to Prof. Bui Duy Cam and Assc. Nguyen Thi Diem Trang for making great efforts to establish and design the training program frame for this master course and develop it, so I can have a chance to join this course. My acknowledgements go also to all teachers from Hanoi University of Sciences in Vietnam and Institute for Waste Management and Contaminated Site Treatment in Germany for giving me lots of valuable and interesting lectures and helping us to understand more clearly and have a thorough grasp of specific knowledge during this master course.

My grateful thanks to Dr. Axel Fischer, Mr. Christian and Mrs. Hoang Phan Mai for helping and supporting during my time in Dresden and Pirna, Germany.

Thanks also to Pham Hai Minh for all administrative support during the Master course time. I also would like to express my gratitude to:  The Committee on Overseas Training Project, Ministry of Education and Training for having granted the scholarship that supported this Mater thesis 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail]  Hanoi University of Sciences and Institute for Waste Management and Con- taminated Site Treatment (IAA) for providing all materials and equipments that I used during the course.  Vietnam National University, Hanoi and Technical University Dresden and German Academic Exchange Service (DAAD) for supporting this Master training program in which I attended. Thanks to all the classmates for their nice and warm company for the encourage- ment and support.

And last but not least, special huge thanks to my family (my parents in law, my par- ents, my husband, my son and my brothers and sisters) and all my friends (especial- ly Mrs. Ha) and my relatives for thinking of me, helping me, and encouraging me in my pathway to a Master degree. I love you all. Hanoi, 10th December 2008 Pham Thi Bich Ngoc.

2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] SUMMARY The main objective of this thesis is to use SiWaPro DSS to model and simulate the water flow process in the unsaturated zone with the available data from the lysime- ter number 302 in Juelich, Germany. The unsaturated zone is the portion of the subsurface above the ground water table. It contains air as well as water in the pores. This zone plays an important roll in many aspects of hydrology, such as infiltration, exfiltration, capillary rise, recharge, interflow, transpiration, runoff and erosion.

Interest in this zone has been increasing in recent years because the movement of water along with contaminants in this zone have been affecting the groundwater and the subsurface environment. Water flow is concerned with movement of water in unsaturated porous media. In order to handle water flow process under steady state or transient conditions in the unsaturated zone, a useful computer program is used to model and simulate this process. This program combines the simulation module SiWaPro for numerical modeling of water flow and contaminant transport in variably saturated media with additional simulation and parameter estimation tools, data sources for the simula- tion and a graphical user interface.

The computer-based decision support system SiWaPro DSS software is a program for modeling and simulating the processes as water flow, solute transport, bio de- gradation and sorption in variably saturated porous media. In SiWaPro DSS, the discretization of the modeling area is realized using finite elements with the GALERKIN method. SiWaPro DSS contains the 2D triangular mesh generator EasyMesh 1. The mesh generator allows the generation of meshes with varying element sizes and irregular mesh boundaries.

Currently, the generator allows flexible space quantization at modeling time given by the user. To validate SiWaPro DSS, the means of measurement data from a lysimeter expe- riment are used. Lysimeters are devices for measuring the characteristic properties 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] of the soil water balance, amounts of seepage water and their quality. In this thesis, lysimeter 302 located in Juelich, Germany is used for calibrating model.

The Juelich lysimeter 302 was established in August 2001, the monoliths were tak- en out from Munich-Neuherberg in June 2001 and the installation of the measure- ment devices occurred and the data logging started on December 10th 2001. This lysimeter is run by the Research Centre in Juelich (FZJ). This lysimeter is a large undisturbed lysimeter with 2m2 in area and 2,4m in depth including 0,8m of refer- ence material. The three suction cups are installed together with tensiometers, TDR and temperature sensors at 3-different depth layers distance from upper edge of the lysimeter in turn as 0,85m; 1,15m and 1,8m.

To model the water flow of the lysimeter in SiWaPro DSS, the finite element mesh of the lysimeter is constructed with the column of 1,6m in width and 1,6m in height (excluding 0,8m of reference material). The lower boundary condition is a first kind boundary condition that allows outflow only. A second type boundary condition is applied at the upper boundary of the column of lysimeter. It is a transient boundary condition using time – variable boundary conditions to simulate precipitation in the model.

Three soil water sampling device layers are applied as first kind boundary condition, and as the lower boundary condition, only outflow is allowed. The col- umn of the lysimeter soil is divided into 5 layers; each of the soil layers is described in its hydraulics with 11 parameters. To calibrate model, two data sets of 11 soil hydraulic and van Genuchten parame- ters with different initial pressure head and boundary condition of three suction cup layers as well as different amount of nodes and elements in the mesh are used. Be- cause the time is short – besides, one model took from 25 hours to 50 hours for run- ning; some models took much more time, then they were stopped before they finish.

So there are only 10 models were run. After getting the result from simulation of each model, the simulation result was checked and analyzed and then the data set was changed or finite element mesh of the lysimeter was adjusted or the software 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] was reconsidered. The simulation results that were shown in diagrams in section 4.1 are the best model, but the results still show some difference of output between si- mulation and measurement because input data which took from lysimeter station are not well documented and some soil parameters which are estimated by the person who operate the lysimeter are different from the fact. The result shows that total inflow and total outflow of lysimeter are in balance.

That means the model and fi- nite element mesh of the lysimeter is designed well. Outflow of the suction cup layer number 3 in the simulation is almost the same as measurement. Outflow of the suction cup layer number 1 and lower boundary condition in simulation are the same as measurement in the first year. But in the second year, outflow of the suction cup layer number 1 in simulation is higher than measurement; opposite to the out- flow of the lower boundary condition the simulation one is lower than measure- ment.

Outflow at the suction cup layer number 2 is different increasing by time be- tween simulation and measurement. The differences come from the data mentioned as above. The SiWaPro DSS program have been introducing to Federal Environmental Bu- reaus and Consulting Companies in Germany. These Bureaus and Companies can use this software tool primarily for leachate forecasts with respect to the German soil protection law.

In Vietnam it also can be apply similar to Germany, but it takes a bit time for Vietnamese to familiar with it. For Vietnamese to apply this software, the GUI and help system were initially translated into Vietnamese. Therefore, it can be said that SiWaPro DSS is one of the useful tools for leachate forecast. However, it should be applied for a wide variety of contaminants if the software is revised to adapt with not only all available data but also a few available data.

The lysimeter is good for calibrating the model and will be better if the data is documented well and frequency. 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGEMENTS. 3 TABLE OF CONTENTS. 8 LIST OF FIGURES.

9 LIST OF TABLES. 11 LIST OF DIAGRAMMS. FUNDAMENTALS OF SOIL HYDROLOGY .1 Definition of soil and unsaturated zone .2 Soil hydraulic parameters .3 Soil water balance .4 Soil water flow. MATERIAL AND METHODS .1 Theoretical approaches and methodology .2 Finite element method .1 General information about lysimeter .2 Juelich lysimeter station description .3 Description of the Juelich lysimeter number 302 .4 Water flow model .5 Description of the finite element mesh of the lysimeter .6 Description of software SiWaPro DSS .2 Layout and Structure .1 Graphical user interface (GUI) and Help System.

44 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.6 Import and Export Interfaces .3 Manual SiWaPro DSS Mesh Generator .1 Create a simple 2D mesh .2 Definition internal curves .3 Inserting a background image as construction basis .4 Boundary condition editor .7 Data sets for calibrating the model .5 Soil hydraulic parameters .2 Extension and adaptation to Vietnam requirements. DISSCUSSION AND CONCLUSIONS. 76 STATEMENT UNDER OATH. 80 Appendix 1: Precipitation using for simulation.80 Appendix 2: Brief of output of simulation for 784 days .85 Appendix 3: Data from measurement .89 Appendix 4: Data from simulation for the days equivalent with measurement days .90 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] ABBREVIATIONS BbodSchG German Soil Protection Law CART Classification and Regression Trees CART Classification and Regression Trees DSS Decision Support System Eq Equation FE Finite Element FZJ The Research Center in Juelich GMDH Group Method of Data Handling GSF The National Research Center for Environment and Health GUI Graphical User Interface LUA NRW The North Rhine-Westphalia State Environment Agency NIPP National Institute of Plant Protection PFT Pedotransfer Function SiWaPro Sickerwasserprognose / Leachate Forecast SKE 1 Soil water sampling device layer 1 at 0,85m distance to upper edge of the lysimeter SKE 2 Soil water sampling device layer 2 at 1,15m distance to upper edge of the lysimeter SKE 3 Soil water sampling device layer 3 at 1,80m distance to upper edge of the lysimeter SKE Saugkerzenebene / Soil water sampling device layer TDR Time domain reflectometry vGP van Genuchten Parameter 8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] LIST OF FIGURES Figure 1: The unsaturated zone compares with the saturated zone .16 Figure 2: Division of soil fraction sizes, German (left) and American (right).17 Figure 3: Dicretization / meshing of area to be modeled.25 Figure 4: Boundary conditions and discetization of a simple model for groundwater flow (from Chris McDermott, 2003) .26 Figure 5: Boundary conditions and discretization for a simple column model .26 Figure 6: Stress applied to the top of the rock column causes deformation.27 Figure 7: Mesh in details .28 Figure 8: Pressing of the stainless steel bottom plate (left) and lifting of a readily filled monolithic lysimeter (right).