Tóm tắt Luận án Nghiên cứu cơ chế dịch chuyển Asen từ tầng chứa nước holocen vào tầng chứa nước Pleistocen lấy ví dụ vùng Thạch Thất - Đan Phượng, Hà Nội

ng M¹c th«n T¸ ot t t x& HiÖpiii ub Thä Vùc Trung D−¬ng Thär §«ng H¶i i i i Chu Phan x& Trung Ch©u r X. Mét. ttt. . Thanh §iÒn i i i Trung Hµ th«n 1t t t Phó An §¹c Mét t t t §Þch Th−îngÞ Þ Þ QuÕ L©m Yªn Dôc xãm Ba x& HiÖp ThuËn i i i HiÖp Léci i i ub ub HiÖp ThuËni i i HiÕn HiÖpi ii ii i L.sÜ. Ü. Ü. Ü T©y S¬n H÷u Tr−ng V©n M«n Trung Hµ Lµng Trung L−¬ng r x& Thä An ub th«n Néit it it i th«n Ngo¹it it it i iiiiæ Hßa Th«n x& Tam ThuÊn ub §−êng Hång x& Thanh §a T¨ng Nãn Thanh M¹c Phó §a TÕ Gi¸p i i i Yªn Trung r L.sÜ. Ü. Ü. Ü ub xãm 3 xãm 8 xãm 9 x& H t¸ M«n t t t H t¸ M«nt t t xãm 6 ub Mü Giang i i i th«nttt HiÖp C¸ ti ti ti t x& V©n Hµ VÜnh ThuËnÜ Ü Ü th«n 2t t t ub ub x& V©n Nam VÜnh LécÜ Ü Ü x& H−¬ng Ng¶i i i i x& Tam HiÖp i i i Yªn D−¬ng Th−îng HiÖp i i i th«n 1t t t th«n 2t t t th«n 1t t t th«n 2At t t chî HiÖp i i i ub H−¬ng T¶o Phó VÜnh Ü Ü Ü x& Ngäc T¶o th«n Trungt t t Phó ThÞnh Þ Þ Þ Ngäc T¶o Kim Lòi i i Phó Mü Thu Vi i i iKim Lòi i i ub x& Th−îng Cèc x& V©n Phóc VÜnh KhangÜ Ü Ü chî B&i i i i VÜnh ThäÜ Ü Ü Phó Ch©u xãm G¹o X. LÇy. . . ub th«n §«ng t t t ub th«n Namt t t Néi Th«ni i i x& Phó Kim i i i x& Phông Th−îng Thuý Lai i iiPhó NghÜa Ü Ü Ü ub ub x& Xu©n Phó ¢n Phó x& Long Xuyªn th«n T©yt t t Phï Long Cùc Lùc ub ub Xu©n Chï Xu©n §oµi i i i B¶o Léc Thµnh PhÇn TriÖu Xu©ni ii xãm Tr¹i i i i Minh §øci i i B¶o VÖ x& Phóc Hßa ub Ngò S¬n L¹i Kh¸nhi i i B¸ch Kim i i i Ngo¹i Th«ni i i ub xãm Guét t t t GÊp Ba §¹i §ångi i i Minh NghÜai Üi Üi Ü x& §¹i §ång i i i L.sÜ. Ü.. ÜÜ ub Ngäc L©u H−¬ng Lam Vâng Néi i i i Yªn §×nh × × × x& CÈm §×nh × × × xãm T¸ m Phóc Tr¹ch r Phóc Thä §an Ph−îng Phóc Thä Th¹ch ThÊt Q™™™ÐÊ Q™š†Î¼ Q™š†Î¼ 2335700 2336700 2337700 2338700 # 2334700 LK 86 123.0 567600566600 LK A9 563600 564600 565600 LK 92 LK A8 2339700 2340700 562600561600 2338700 560600 56.0 LK 90 2339700 2340700 LK 58 LK 89 63.0 55.5 # # # # # # LK 83 # # # # # # # 2333700 2331700 567600 2328700 2329700 2330700 2332700 2328700 2329700 2330700 2331700 2332700 565600559600 563600 564600 566600562600561600560600 50.0 557600 558600 LK 69-S 102.5 LK 38-HN LK 60 64.2 LK 57 100.0 LK 84 LK A5 LK 53 55.0 39.5 559600557600 558600 LK 54 57.0 2333700 2334700 2335700 2337700 101.0 2336700 10,1 10,8 10,4 10 11,7 11,6 8,0 10 10,2 9,1 107,5 9,2 7, 5 7,6 9,7 8,6 8,5 11,4 10,4 10,6 10,2 11,4 11,0 15,6 10,6 10,0 10 9,7 10,5 11,1 1,0 11,3 11,511,4 10,9 10,5 10 11,5 10 10 9,8 10 11,0 10,8 8,9 9,5 9,2 7,2 7,6 10 10,1 9,5 11,4 9,0 8,7 7,3 7,3 7,8 8,5 9,8 7,2 7,1 9,9 8,0 7,7 9,3 9,79,4 7,3 11,8 5,4 11,6 7,4 8,8 15,6 8,3 10,9 9,7 7,4 11,8 7,6 5,6 16,1 11,4 10,2 11,7 11,3 10,4 6,8 10 10,7 9,4 11,4 10,8 10 10,5 9,2 7,6 7,6 12,4 10,3 7,5 11,4 9,2 9,4 9,5 9,2 10 10 12,0 9,5 12,0 11,8 9,9 14,6 10 10,2 11,0 9,5 11,5 11,5 9,7 9,8 9,4 8,7 9,7 9,2 9,4 8,5 11,9 11,2 10 10 9,8 9,3 8,8 10,8 9,5 9,1 9,2 7,8 7,3 9,7 7,9 8,7 8,9 7,3 7,4 7,9 9,0 6,8 9,0 8,9 7,6 8,2 8,2 7,7 10,3 10 9,7 8,5 8,9 11,5 8,2 7,7 8,8 11,1 8,7 9,7 8,6 7,7 7,5 9,7 9,5 10,2 9,0 10 10,4 9,8 9,8 9,3 9,5 9,2 9,2 9,4 9,2 10,3 11,7 10,5 9,7 7,8 9,4 11,1 9,8 8,1 10,3 10 10 11,2 8,2 9,5 10,3 10,6 10 10,4 10,3 10 10 9,6 13,1 11,6 12,9 8,9 12,7 11,9 8,2 12,9 10 10,5 11,612,4 11,6 10,9 12,3 12,4 11,7 10,7 11,0 3,5 10,8 9,8 9,2 9,0 9,0 10 11,8 10,2 9,3 12,412,9 5,0 12,4 11A (8) 6 nhùa (6) 4 nhùa TL 21B gS . §¸ y ch Sg. TÝ PR£-¤È½ bi h bi k bi v©n cèc bi th−îng cèc bi phông th−îng bi phó kim ch Vinh i i iÝÝÝÝ th«n Ph−îngt tt viÖn NC ng«i i i ph−îng th«n Thôyt t t B&i Th¸pi i i §ång V©n x& §ång Th¸p ub x& Ph−¬ng §×nh × × × §¹c B¶y §¹c S¸ u Cùc Nam ub §¹c ChÝn Ý Ý Ý B¾c Hµ An ThÞnh Þ Þ Þ §¹c Bèn Hoµ B×nh × × × Thä Xu©n x& §¹i ThÇni i i Song (x&( Ph−îng) ub Tam La Th¹ch Ph−¬ng M¹c th«n T¸ot t t x& HiÖpiii ub Thä Vùc Trung D−¬ng Thä §«ng H¶i i i i Chu Phan x& Trung Ch©u r X. Mét. t. t. t Thanh §iÒn i i i Trung Hµ th«n 1t t t Phó An §¹c Mét t tt §Þch Th−îngÞ Þ Þ QuÕ L©m Yªn Dôc xãm Ba x& HiÖp ThuËn i i i HiÖp Léci i i ub ub HiÖp ThuËni i i HiÕn HiÖpi ii ii i L.sÜ. Ü. Ü. Ü T©y S¬n H÷u Tr−ng V©n M«n Trung Hµ Lµng Trung L−¬ngr x& Thä An ub th«n Néit it it i th«n Ngo¹it it it i iiiiæ Hßa Th«n x& Tam ThuÊn ub §−êng Hång x& Thanh §a T¨ ng Nãn Thanh M¹c Phó §a TÕ Gi¸p i i i Yªn Trung L.sÜ. Ü. Ü. Ü ub xãm 3 xãm 8 xãm 9 x& H¸ t M«n t t t H¸ t M«nt tt xãm 6 ub Mü Giang i i i th«nttt HiÖp C t¸i ti ti t x& V©n Hµ VÜnh ThuËnÜ Ü Ü th«n 2t t t ub ub x& V©n Nam VÜnh LécÜ Ü Ü x& H−¬ng Ng¶i i i i x& Tam HiÖp i i i Yªn D−¬ng Th−îng HiÖp i i i th«n 1t t t th«n 2t t t th«n 1t t t th«n 2At t t chî HiÖp i i i ub H−¬ng T¶o Phó VÜnh Ü Ü Ü x& Ngäc T¶o th«n Trungt t t Phó ThÞnh Þ Þ Þ Ngäc T¶o Kim Lòi i i Phó Mü Thu Vi i i iKim Lòi i i ub x& Th−îng Cèc x& V©n Phóc VÜnh KhangÜ Ü Ü chî B&i i i i VÜnh ThäÜ Ü Ü Phó Ch©u xãm G¹o X. LÇy. .. ub th«n §«ng t t t ub th«n Namt t t Néi Th«ni i i x& Phó Kim i i i x& Phông Th−îng Thuý Lai i i iPhó NghÜa Ü Ü Ü ub ub x& Xu©n Phó ¢n Phó x& Long Xuyªn th«n T©yt t t Phï Long Cùc Lùc ub ub Xu©n Chï Xu©n §oµi i i i B¶o Léc Thµnh PhÇn TriÖu Xu©ni i i xãm Tr¹i r i i i Minh §øci i i B¶o VÖ x& Phóc Hßa ub Ngò S¬n L¹i Kh¸nhi i i B¸ch Kim iii Ngo¹i Th«ni i i ub xãm Guét t t t GÊp Ba §¹i §ångi i i Minh NghÜai Üi Üi Ü x& §¹i §ång i ii L.sÜ.sÜ. Ü. Ü ub Ngäc L©u H−¬ng Lam Vâng Néi i i i Yªn §×nh × × × x& CÈm §×nh × × × xãm T¸m Phóc Tr¹ch Phóc Thä §an Ph−îng Phóc Thä Th¹ch ThÊt Q™™™ÐÊ Q™š†Î¼ Q™š†Î¼ 2335700 2336700 2337700 2338700 # 2334700 LK 86 123.0 567600566600 LK A9 563600 564600 565600 LK 92 LK A8 2339700 2340700 562600561600 2338700 560600 56.0 LK 90 2339700 2340700 LK 58 LK 89 63.0 55.5 # # # # # # LK 83 # # # # # # # 2333700 2331700 567600 2328700 2329700 2330700 2332700 2328700 2329700 2330700 2331700 2332700 565600559600 563600 564600 566600562600561600560600 50.0 557600 558600 LK 69-S 102.5 LK 38-HN LK 60 64.2 LK 57 100.0 LK 84 LK A5 LK 53 55.0 39.5 559600557600 558600 LK 54 57.0 2333700 2334700 2335700 2337700 101.0 2336700 -55 -35 -15 5 0.0 300.0 600.0 As(T) ug/L Đan Phượng -55 -35 -15 5 0 100 200 300 As (T) ug/L Vân Cốc -55 -35 -15 5 0 50 100 As (T) ug/L Phụng Thượng -55 -35 -15 5 0 100 As (T) ug/L Phú Kim Hàm lượng As(T) µg/L 550 275 43 Hàm lượng As(T) µg/L 55 30 80 170 7 và 55µg/L trong TCN qp. Hàm lượng As biến đổi theo chiều sâu với quy luật gần như không có ở sát mực NDĐ, sau đó tăng dần lên cực đại trong TCN qh và giảm dần xuống tới thấp hơn trong TCN qp. 2.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến sự tồn tại và dịch chuyển As trong NDĐ 2.3.1. Thành phần khoáng vật - thạch học của trầm tích: Ở khu vực nghiên cứu, khu vực gần mặt đất tới độ sâu 5m hàm lượng bột sét chiếm 90%, bên dưới chủ yếu là cát. Thành phần mẫu cát chủ yếu là thạch anh và felspat. Các quá trình phong hoá silicat sẽ sinh ra bicacbonat và các khoáng vật sét. Sắt trong các khoáng vật biotit, hoblen sẽ tạo thành hydroxit sắt dạng không hoà tan, và As dễ hấp phụ lên chúng. Các khoáng vật khác như magnhetit, gơtit, ferrihydrite cũng được tìm thấy khi phân tích thạch học trầm tích và đều là các oxit hydroxit của sắt có khả năng hấp phụ đáng kể As. Kết quả thí nghiệm chiết cho thấy hàm lượng As tổng trong trầm tích khá cao so với ngưỡng trung bình là ~10mg/kg, chủ yếu tồn tại trên 2 pha sắt oxi hydroxit vô định hình và kết tinh. Pha sắt vô định hình dễ giải phóng As ra môi trường nước hơn pha sắt kết tinh. Phân tích nhiễu xạ tia X còn cho thấy hàm lượng vật chất hữu cơ lớn trong trầm tích TCN qh và qp, nhưng trong trầm tích TCN qh cao hơn hẳn trầm tích TCN qp. Phân tích chiết cũng cho thấy hàm lượng As có quan hệ rõ ràng với thành phần hạt, hạt càng mịn hàm lượng As càng cao. Hình 4. Phân bố As theo độ sâu tuyệt đối Bảng 1. Phân bố hàm lượng As trong các khoáng vật cỡ hạt (355-600µm), (mg/kg) Tên khoáng vật 5m.b.s 9m.b.s 15m.b.s 25m.b.s 30m.b.s 41m.b.s Max Min TB Max Min TB Max Min TB Max Min TB Max Min TB Max Min TB Fenspat 5,21 0,76 1,99 2,04 0,50 1,03 5,02 0,83 2,14 3,39 0,72 1,51 5,17 0,41 1,67 3,43 0,57 1,53 Biotit 164,25 20,20 66,83 53,88 5,41 26,01 67,32 6,41 27,79 89,34 3,87 30,65 - - - 53,62 7,47 18,55 Muscovit 9,77 0,69 1,52 1,75 0,69 1,08 3,12 0,64 1,27 2,09 0,59 1,09 - - - 7,02 0,72 1,42 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Cát ven sông Bùn đáy sông 11.33 m 10.33 m 9.33 m 8.33 m 7.33 m 6.83 m 6.28 m 5.83 m 5.18 m 4.33 m 2.83 m 0.33 m -1.17 m -3.16 m -5.81 m Hàm lượng As (mg/kg) As không tham gia tương tác bề mặt As tương tác bề mặt yếu As trên pha cacbonat As tái hấp phụ sau khi thoát ly khỏi pha cacbonat As trên phâ sắt oxit vô định hình As trên pha sắt oxit tinh thể As trên pha silicat/sunfua Mực nước ngầm 8 Chlorit 6,66 2,06 3,50 1,762 1,762 1,762 1,27 1,20 1,23 4,31 1,50 2,35 2,95 0,52 1,41 9,25 1,08 3,07 Mảnh đá 322,49 2,45 40,95 23,42 4,16 14,40 206,70 4,79 37,21 40,38 1,48 10,84 20,94 2,31 9,78 26,65 1,19 6,06 Các kv mafic khác 35,4 4,47 13,3 11,28 2,71 6,10 12,33 0,69 4,11 12,18 2,04 4,78 28,66 2,30 9,45 38,07 1,53 6,78 Tổng 543,8 30,6 128,0 94,13 15,2 50,38 295,8 14,5 73,75 151,7 10,2 51,22 57,7 5,5 22,3 138,0 12,5 37,4 Hình 5. Phân bố các khoáng vật trong cơ hạt (0,355-0,500mm) LK 1A 2.3.2. Đặc điểm ĐCTV và động thái NDĐ Khu vực nghiên cứu nằm ở vùng rìa tới trung tâm ĐBBB, được cấu tạo bởi các thành tạo địa chất Đệ Tứ bở rời ở bên trên và phủ trực tiếp lên các thành tạo gắn kết hoặc gắn kết yếu Neogen ở bên dưới. Các tập đất đá vụn thô xen kẽ hạt mịn là cơ sở để phân chia mặt cắt ĐCTV ra các tầng chứa nước khác nhau luân phiên với các thành tạo chứa nước kém hoặc cách nước, gồm các đơn vị ĐCTV: tầng chứa nước lỗ hổng (Holocen, Pleistocen) và các thành tạo cách nước Holocen dưới - giữa, Pleistocen giữa và lớp cách nước trầm tích Neogen. Trong đó, TCN qh phân bố ngay trên bề mặt khu vực nghiên 9 cứu với hàm lượng As cao hơn hẳn TCN qp nằm bên dưới. Hình 6. Dao động mực nước NDĐ và nước sông Hồng tại Đan Phượng Hình 7. Dao động mực nước NDĐ và nước sông Hồng tại Vân Cốc Hình 8. Dao động mực nước NDĐ và nước sông Hồng tại Phú Kim Hệ thống thuỷ động lực khu vực nghiên cứu là sự liên quan mật thiết giữa TCN qh, qp và sông Hồng. Khu vực nghiên cứu cũng là vùng rìa vào trung tâm và dựa theo các số liệu quan trắc động thái NDĐ thì khu vực nghiên cứu có động thái tự nhiên và chịu ảnh hưởng mạnh của khí tượng và hoạt động sông Hồng. Biên độ mực nước tại Đan Phượng gần sông Hồng nhất là 2,71m và dao động đồng pha. Điểm Phú Kim xa sông nhất có biên độ dao động chỉ 0,5m. Từ tài liệu khoan cho thấy tại Đan Phượng, Vân Cốc và Phú Kim thì giữa 2 TCN qh và qp không có lớp sét ngăn cách NDĐ của 2 TCN này tiếp xúc trực tiếp với nhau. Tại liệu quan trắc cho thấy mực NDĐ của 2 TCN tại 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 L ư ợn g m ư a, m m M ự c nư ớc , m Thời gian Sông Hồng-Sơn Tây T2P_Pleistocen T2H_Holocen Mưa Sơn Tây 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 2 4 6 8 10 01 /2 01 0 02 /2 01 0 03 /2 01 0 04 /2 01 0 05 /2 01 0 06 /2 01 0 07 /2 01 0 08 /2 01 0 09 /2 01 0 10 /2 01 0 11 /2 01 0 12 /2 01 0 01 /2 01 1 02 /2 01 1 03 /2 01 1 04 /2 01 1 05 /2 01 1 06 /2 01 1 07 /2 01 1 08 /2 01 1 09 /2 01 1 10 /2 01 1 11 /2 01 1 12 /2 01 1 01 /2 01 2 02 /2 01 2 L ư ợn g m ư a, m m M ự c nư ớc , m Thời gian Sông Hồng-Sơn Tây VCQP_Pleistocen VC06_Holocen Mưa Sơn Tây 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 2 4 6 8 10 01 /2 01 0 02 /2 01 0 03 /2 01 0 04 /2 01 0 05 /2 01 0 06 /2 01 0 07 /2 01 0 08 /2 01 0 09 /2 01 0 10 /2 01 0 11 /2 01 0 12 /2 01 0 01 /2 01 1 02 /2 01 1 03 /2 01 1 04 /2 01 1 05 /2 01 1 06 /2 01 1 07 /2 01 1 08 /2 01 1 09 /2 01 1 10 /2 01 1 11 /2 01 1 12 /2 01 1 01 /2 01 2 02 /2 01 2 L ư ợn g m ư a, m m M ự c nư ớc , m Thời gianSông Hồng-Sơn Tây PK12_Pleistocen PK01_Holocen Mưa Sơn Tây 10 2 điểm này gần như trùng khớp trong năm. Ở Đan Phượng, mùa mưa nước sông cung cấp cho NDĐ còn mùa khô NDĐ cung cấp ngược lại cho nước sông. Diều này tạo điều kiện thuận lợi cho As dịch chuyển từ TCN qh vào TN qp. 2.3.3. Thuỷ địa hoá học As là một nguyên tố á kim phổ biến trong vỏ trái đất. Đây là nguyên tố khá linh động trong môi trường khử của NDĐ với pH=6-8, eH<0 và chủ yếu có hoá trị III trong môi trường này. Các cơ chế giải phóng As vào NDĐ có thể kể đến: 1) Cơ chế khử hoà tan sắt oxy hydroxit có chứa As với sự có mặt của vật chất hữu cơ hoạt động; 2) Cơ chế cạnh tranh hấp phụ giữa các anion AsO43-, AsO33-, PO43-, HCO3-; 3) Cơ chế oxi hoá các khoáng vật sắt pyrit có chứa As. Cơ chế thứ 1 được chấp nhận rộng rãi và xảy ra trong điều kiện môi trường NDĐ có tính khử mạnh đặc biệt phổ biến trong các đồng bằng châu thổ. Cơ chế này cần có các chất hữu cơ hoạt động thường được trầm tích đồng thời với quá trình thành tạo các trầm tích tuổi Holocen trẻ. Các sắt oxit hydroxit này là nguồn rất giàu As hấp phụ do ái lực cao. Hình 9. Phân chia các đới thuỷ địa hoá tại Đan Phượng Hình 10. Tương quan giữa As(III) với Fe(II), NH4, CH4 tại Đan Phượng Môi trường thuỷ địa hoá là nhân tố quan trọng khống chế các quá trình -20 -10 0 10 0 10 C ốt c ao , m DO mg/L -20 -10 0 10 0 50 NO3 mg/L -20 -10 0 10 0 10 20 Fe(II) mg/L -20 -10 0 10 0 10 20 30 CH4 mg/L -20 -10 0 10 0 10 NH4+ mg/L -20 -10 0 10 0 300 600 As(III) ug/L 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 1 2 3 4 5 6 7 F e( II ), m M As(III), µM 0 1 2 3 4 5 6 7 0.0 0.2 0.4 0.6 A s( II I) , µ M NH4, mM 0 1 2 3 4 5 6 7 0.0 0.2 0.4 0.6 A s( II I) , µ M CH4, mM Đới oxy hoá Đới khử mạnh Đới khử yếu 11 dịch chuyển cũng như phân bố của As trong NDĐ. Phân bố As trong khu vực nghiên cứu liên quan mật thiết tới với môi trường oxi hoá khử của NDĐ. As hầu như không xuất hiện trong môi trường oxi hoá với hàm lượng DO lớn. Trong môi trường khử thì hàm lượng As cũng lớn. Hàm lượng As trong NDĐ có quan hệ chặt chẽ với hàm lượng NH4+, CH4 và Fe(II) là chỉ dấu cho môi trường khử và liên quan tới quá trình phân giải vật chất hữu cơ. 2.3.4. Khai thác NDĐ Khai thác NDĐ là nhân tố ảnh hưởng rất lớn tới dịch chuyển As trong NDĐ. Khai thác sẽ thay đổi mực nước, đường dòng và vận tốc di chuyển của NDĐ. Gần các bãi giếng khai thác công nghiệp, vận tốc di chuyển của nước lớn và có luôn có hướng tập trung vào giếng khai thác. Điều này sẽ kéo theo các chất hoà tan nói chung và As dịch chuyển cùng với nước vào lỗ khoan khai thác. Việc hạ thấp mực nước sẽ tạo thành chênh lệch mực NDĐ giữa 2 TCN và làm tăng dòng thấm xuyên giữa các TCN này đặc biệt là các khu vực có cửa sổ ĐCTV gần sông. Khu vực nghiên cứu Thạch Thất - Đan Phượng chủ yếu tồn tại hình thức khai thác nước bằng các giếng khoan kiểu UNICEF, hầu như không có các công trình cấp nước tập trung quy mô công nghiệp. Quan trắc mực nước tại các điểm nghiên cứu trên tuyến nghiên cứu đều cho thấy khu vực không bị ảnh hưởng bởi khai thác. Ảnh hưởng của khai thác NDĐ gây ra không chỉ với mực NDĐ mà cả đến dịch chuyển As trong NDĐ theo thời gian. Lấy ví dụ khu vực Nam Dư chịu ảnh hưởng mạnh của Nhà máy nước Nam Dư với công suất 60.000m3/ngày khai thác trong TCN qp. Các tài liệu quan trắc NDĐ và hàm lượng As trong NDĐ chỉ rõ điều này. Mực NDĐ của cả TCN qh và qp đều suy giảm theo thời gian và mực NDĐ TCN qh luôn cao hơn TCN qp vào khoảng ~2m điều này làm cho As có điều kiện thuận lợi dịch chuyển từ TCN qh vào TCN qp. Hàm lượng As trong các giếng khoan TCN qp (ND_02, ND_04) cũng tăng lên theo thời gian rất lớn (+50-55%) (Tran Vu Long và Pham Quy Nhan (2019)). CHƯƠNG 3: CƠ CHẾ DỊCH CHUYỂN ASEN TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT 3.1. Vấn đề và phương pháp nghiên cứu Quá trình dịch chuyển As trong NDĐ là tổng hợp của nhiều quá trình khác nhau. Để đánh giá ảnh hưởng của các quá trình này, đồng thời xác định cơ chế khống chế chính, mô hình số NDĐ MODFLOW kết hợp với mô hình dịch chuyển vật chất hoà tan MT3D-USGS được sử dụng để mô phỏng. 12 Trên cơ sở tổng quan các nghiên cứu về As trong NDĐ trên thế giới và ở Việt Nam cho thấy As trong NDĐ của khu vực nghiên cứu chủ yếu có nguồn gốc từ trầm tích aluvi trẻ và giải phóng vào NDĐ thông qua cơ chế khử hoà tan sắt oxi hydroxit có As hấp phụ diễn ra trong TCN qh. Lượng As này đã được hấp phụ trong suốt quá trình thành tạo trầm tích của TCN qh. NDĐ của TCN qh có hàm lượng As cao hơn hẳn NDĐ của TCN qp. Vì vậy trong nghiên cứu này, tác giả tập trung làm rõ quá trình dịch chuyển As từ TCN qh vào TCN qp cũng như cơ chế khống chế chính của quá trình này. Để làm rõ các vấn đề trên, phương pháp nghiên cứu chính ở đây là sử dụng mô hình số với 2 bước thực hiện: 1) Xây dựng mô hình dòng chảy ngầm bằng MODFLOW trong các TCN; 2) Xây dựng mô hình số mô phỏng dịch chuyển của As trong NDĐ bằng MT3D-USGS. Mô hình khu vực nghiên cứu được trích xuất từ mô hình số ĐBBB và bổ xung thêm các dữ liệu nghiên cứu, đồng thời lựa chọn điều kiện biên cho một cách phù hợp. Mô hình dịch chuyển As hòa tan trong NDĐ được xây dựng trên nền tảng mô hình dòng chảy của khu vực nghiên cứu. Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên của mô hình dịch chuyển dựa trên cơ sở mô hình dòng chảy, các kết quả điều tra khảo sát cấu trúc ĐCTV, hiện trạng phân bố As trong NDĐ. Kết quả chỉnh lý mô hình dòng chảy và mô hình dịch chuyển As dựa trên kết quả quan trắc trong hệ thống các lỗ khoan quan trắc tại khu vực nghiên cứu. 3.2. Lý thuyết mô hình số mô phỏng dịch chuyển As hoà tan trong NDĐ: Mô hình dòng ngầm MODFLOW được dựa trên phương trình tổng quát đạo hàm riêng duy nhất: ∂ ∂x
Kxx ∂h∂x + ∂ ∂y
Kyy ∂h∂y + ∂ ∂z
Kzz ∂h∂z - W= Ss ∂h ∂t Với K Kxx, Kyy, Kzz [LT-1] là các hệ số thấm theo phương x, y và z. Với z là chiều thẳng đứng. h [L] là cốt cao mực nước tại vị trí (x, y, z) ở thời điểm t [T]. W [T-1] là mô đun dòng ngầm, hay là các giá trị bổ cập, giá trị thoát đi của NDĐ tính tại vị trí (x, y, z) ở thời điểm t. Ss [L-1] là hệ số nhả nước của môi trường lỗ rỗng. Ss = Ss(x, y, z), Kxx = Kxx(x, y, z), Kyy = Kyy(x, y, z), Kzz = Kzz(x, y, z): 13 các hàm này phụ thuộc vào vị trí không gian x, y, z. Mô hình dịch chuyển vật chất hoà tan trong môi trường NDĐ MT3D- USGS sử dụng các kết quả tính toán từ mô hình dòng ngầm MODFLOW. Phương trình vi phân tổng quát sử dụng trong MT3D-USGS mô tả hàm lượng và quá trình dịch chuyển vật chất hoà tan k trong môi trường 3 chiều và hệ thống dòng ngầm không ổn định được viết như sau: ∂
θCk ∂t = ∂ ∂xi θDij ∂C k ∂xj  - ∂ ∂xi θviC k + qsCsk + ∑ Rn Trong đó: Ck là hàm lượng chất hòa tan k, [ML-3];  là độ lỗ hổng hữu hiệu của mô trường thấm, không có đơn vị; t là thời gian, [T]; xi, xj là khoảng cách theo trục toạ độ tương ứng với thành phần i, j, [L]; Dij là hệ số phân tán thủy động lực, [L2T-1]; Hệ số này liên quan đến quá trình khuếch tán, phân tán thấm; vi là vận tốc thấm thực trong lỗ rỗng, [LT-1]; vận tốc này liên hệ với lưu lượng đơn vị thông qua công thức vi = qi/; qs là lưu lượng đơn vị của TCN đại điện cho nguồn cấp (giá trị dương) và nguồn thoát (giá trị âm), [T-1]; Cks là hàm lượng của nguồn cấp hoặc nguồn thoát của chất k, [ML-3]; ∑Rn là thành phần phản ứng hóa học, [ML-3T-1]. Thành phần phản ứng hoá học trong phương trình có thể mô phỏng cho các phản ứng với tỉ lệ bậc 1 và các quá trình hấp phụ - giải hấp phụ. 2 dạng hấp phụ đẳng nhiệt mà MT3D-USGS có thể mô phỏng được là đường hấp phụ tuyến tính, hấp phụ phi tuyến Langmuir và Freundlich. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir được sử dụng mô phỏng quá trình dịch chuyển As trong NDĐ tại khu vực nghiên cứu thông qua các thông số được xác định bởi Nguyen Thi Hoa Mai và nnk (2014). 3.3. Mô số dịch chuyển As trong NDĐ tại khu vực nghiên cứu Thạch Thất - Đan Phượng 3.3.1. Mô hình số dòng chảy Mô hình mô phỏng tại khu vực nghiên cứu Thạch Thất - Đan Phượng 14 là một phần của mô hình ĐBBB. Mô hình này được trích xuất các dữ liệu từ mô hình ĐBBB và bổ xung các dữ liệu mới với độ chi tiết cao hơn. Mô hình số NDĐ Thạch Thất - Đan Phượng được xây dựng với 5 lớp, bước lưới 100×100m. Lớp 1: lớp thấm nước yếu không liên tục bề mặt; Lớp 2: là TCN trong trầm tích Holocen (qh); Lớp 3: là tầng thấm nước yếu kẹp giữa TCN qh và qp; Lớp 4: là TCN trong trầm tích Pleistocen (qp); Lớp 5: Đá gốc. Các dữ liệu về bề mặt địa hình, thông số ĐCTV được xác định qua các thí nghiệm hiện trường và qua các nghiên cứu trước đây. Bảng 2. Tổng hợp các thông số ĐCTV sử dụng trong mô hình TT Lớp mô phỏng Bề dày (m) Hệ số thấm (m/ngày) Hệ số nhả nước Hệ số dẫn nước (m2/ngày) Độ lỗ hổng (%) Trọng lực Đàn hồi 1 TCN qh 20 - 30 1,7 - 27,6 0,08 - 0,18 200 - 800 22 - 25 2 TCN qp 20 - 40 18 - 39,6 0,001 - 0,0022 300 - 1.200 30 - 34 Hệ thống khai thác nước được đưa vào mô hình theo tài liệu thống kế khai thác NDĐ trong thời gian từ 1994 - 2015. Trong khu vực nghiên cứu, hình thức khai thác NDĐ chủ yếu là các giếng khoan kiểu UNICEF, hầu như không có các hệ thống khai thác với quy mô công nghiệp. Lưới sai phân được sử dụng trong mô hình là các ô với bước lưới 100×100m với 145 hàng và 120 cột. Chính lý không ổn định với khoảng thời gian từ 31/12/1994 đến 31/12/2015 được chia 252 thời đoạn tương ứng 252 bước thời gian, tương ứng bước tính toán 01 tháng. Mô hình chỉnh lý được so sánh với các tài liệu quan trắc trong khu vực và trên tuyến nghiên cứu. Sau khi kết quả chỉnh lý là đáng tin cậy, mô hình số dòng ngầm được sử dụng làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình số dịch chuyển As hòa tan trong NDĐ. Hình 11. Sơ đồ phân lớp mô hình 15 3.3.2 Mô hình dịch chuyển As hòa tan trong NDĐ khu vực nghiên cứu Hình 12. Mô hình khái niệm dịch chuyển As tại khu vực nghiên cứu Hình 13. Lưới tính toán được làm dày tại các bãi giếng Mô hình khái niệm về dịch chuyển As tại khu vực nghiên cứu được xây dựng dựa trên cơ sở các phân tích điều kiện ĐCTV, động thái và từ mô hình dòng chảy tại đây. Mùa mưa, nước mặt từ sông Hồng bổ cập qua đáy sông và nước mưa bổ cập trên mặt đất đi qua lớp cát bột trên mặt tới TCN qh tại Đan Phượng, sau đó di chuyển xuống TCN qp và theo đường dòng đi về phía Tây Nam. Trong quá trình di chuyển, NDĐ đem theo As giải phóng từ trầm tích của TCN qh vào TCN qp. Nước mưa bổ cập tại khu vực vùng rìa ở Phú Kim vào TCN qh và đi vào TCN qp hướng vè phía sông Hồng. Mùa khô, tại Phú Kim, nước mưa vẫn tiếp tục bổ cập vào TCN qh và đem theo As giải phóng vào TCN qp hướng về phía sông Hồng. Ở Đan Phượng, nước mưa bổ cập vào TCN qh, đem theo As giải phóng đi vào TCN qp và sau đó chảy ra phía sông Hồng, thoát vào sông thông qua TCN qh và lớp đáy sông. Trong quá trình dịch chuyển, As tham gia các quá trình đối lưu phân tán và hấp phụ - giải hấp phụ với trầm tích và biến đổi hàm lượng. Lưới sai phân của mô hình dòng ngầm được làm dày tại các vị trí bãi a. Mùa mưa b. Mùa khô Phú Kim Phụng Thượng Vân Cốc 16 giếng nghiên cứu. Ô lưới được chia với kích thước nhỏ hơn là 6×6m mục đích chi tiết và chính xác quá trình dịch chuyển tại các điểm nghiên cứu. Các thông số dịch chuyển và tính toán cho gói tính toán phản ứng hoá học được nêu trong bảng: Bảng 3. Tổng hợp thông số dịch chuyển As trong khu vực nghiên cứu D* (m2/s) αL (m) αHT (m) αVT (m) KsAs(III) (L/mol) stot (mol/g) 2×10-9 20 2 0,2 1.500 8,4 Hình 14. Hàm lượng ban đầu theo chiều sâu thời điểm tháng 6/2009 Do nước mưa và bốc hơi không có As nên hàm lượng As được gán 0µg/L. Hàm lượng ban đầu mô phỏng tại các điểm nghiên cứu được gán dựa vào hàm lượng As phân tích trong NDĐ tại các lỗ khoan lấy mẫu vào cùng thời điểm. Các giá trị tại các vị trí khác được nội suy. Kết quả mô hình dịch chuyển As trong khu vực nghiên cứu được trích xuất theo các mốc thời gian. Hình 14. Hàm lượng As theo chiều sâu thời điểm tháng 3/2010 Phú Ki