Tiến Sĩ Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015


MỞ ĐẦU .1
1 Lý do lựa chọn đề tài luận án .1
2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 2
3 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án .3
4 Nội dung nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .5
1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxi hòa tan trong nước .5
1.1.1 Sự trao đổi oxi giữa không khí và nước 6
1.1.2 Quá trình quang hợp và hô hấp của thủy sinh vật .8
1.1.3 Nhu cầu oxi sinh hóa .14
1.1.4 Nhu cầu oxi bùn đáy 16
1.1.5 Nhu cầu oxi hóa học 18
1.1.6 Quá trình nitrat hóa 20
1.1.7 Sự xáo trộn và lắng đọng chất hữu cơ giữa trầm tích và nước 21
1.1.8 Các yếu tố khác ảnh hưởng đến oxi hòa tan 22
1.2 Các tính chất của bùn đáy .28
1.2.1 Thành phần hóa học của bùn đáy 29
1.2.2 Độ xốp của bùn đáy .30
1.2.3 Mật độ của bùn đáy .31
1.2.4 Tỉ khối của bùn đáy .31
1.3 Nghiên cứu về mô hình hóa các thông số chất lượng nước 31
1.3.1 Phương trình lan truyền khuếch tán tổng quát 32
1.3.2 Các dạng điều kiện biên 34
1.3.3 Các dạng phương trình đạo hàm riêng trong phần mềm Comsol
Multiphysics .35
1.4 Tình hình nghiên cứu và những vấn đề cần giải quyết .37
1.4.1 Tình hình nghiên cứu .37
1.4.2 Những vấn đề cần giải quyết .39

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU 42
2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình oxi hòa tan .42
2.1.1 Các giả thiết trong xây dựng mô hình .42
2.1.2 Các yếu tố trong mô hình oxi hòa tan .42
2.1.3 Thiết lập và giải mô hình .49
2.2 Thiết bị và phần mềm sử dụng 49
2.2.1 Mô hình vật lý và thiết bị 49
2.2.2 Phần mềm máy tính .52
2.3 Phương pháp nghiên cứu 53
2.3.1 Phương pháp số giải bài toán khuếch tán 53
2.3.2 Phương pháp xây dựng và đánh giá mô hình 54
2.3.3 Phương pháp đo đạc thực nghiệm .59
2.4 Nhận xét chương 2 64

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 65
3.1 Bước đầu khảo sát khả năng mô phỏng của mô hình oxi hòa tan 65
3.1.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả 66
3.1.2 Kết quả mô phỏng .72
3.1.3 Nhận xét mô hình 1 .83
3.2 Mô hình oxi hòa tan do ảnh hưởng chủ đạo bởi bùn đáy .85
3.2.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả 86
3.2.2 Đánh giá mô hình, so sánh kết quả mô phỏng và khảo sát sự biến thiên
nồng độ oxi hòa tan 90
3.2.3 Nhận xét mô hình 2 .99
3.3 Mô hình khảo sát oxi hòa tan tại khu vực ranh giới pha bùn – nước .101
3.3.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả 102
3.3.2 Đánh giá mô hình, so sánh kết quả mô phỏng và khảo sát sự biến thiên
nồng độ oxi hòa tan 107
3.3.3 Nhận xét mô hình 3 .113
3.4 Mô hình tổng hợp 116
3.4.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả 117
3.4.2 So sánh kết quả mô phỏng và phân tích độ nhạy 121
3.4.3 Nhận xét mô hình 4 .127
3.5 Nhận xét chương 3 129
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .131

1 Kết luận 131
2 Những đóng góp mới của luận án 133
3 Các kiến nghị, đề xuất 134
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU ĐÃ CÔNG BỐ 135
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 136
PHỤ LỤC 147
PL.1 Một số mô hình toán học của oxi hòa tan theo lịch sử .147
PL.2 Các dạng phương trình tham khảo tính hằng số k2 150
PL.3 Các toán tử thường gặp trong phương trình PDE 152
PL.4 Quy trình thực hiện giải số hệ phương trình PDE bằng phần mềm Comsol
Multiphysics 153
PL.5 Thành phần và tính chất của một số mẫu bùn đáy nghiên cứu 164
PL.6 Một số kết quả đo đạc nồng độ DO trong thực tế 164

MỞ ĐẦU
1 Lý do lựa chọn đề tài 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. Bên cạnh đó, DO còn tham gia
vào các quá trình hóa học, sinh hóa trong môi trường nước. Vì vậy, DO được coi là
một chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng nước và kiểm soát chất lượng môi trường,
đồng thời là thước đo mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học [1,
2]. Đồng thời, các nghiên cứu liên quan đến DO là thực sự cần thiết trong việc đánh
giá, quản lý chất lượng môi trường nước.
Một trong những hướng nghiên cứu đang được quan tâm nghiên cứu hiện



nay đó là sự phân bố DO trong môi trường nước khi bị tác động bởi các điều kiện
môi trường trong đó có lớp bùn đáy. Lớp bùn đáy thường có hàm lượng chất hữu cơ
phân hủy sinh học rất lớn, và cũng là đối tượng gây ảnh hưởng mạnh nhất đến sự
thay đổi hàm lượng DO trong nước, nhất là ở những vùng nước ô nhiễm hoặc vùng
nước nuôi trồng thủy sản [3, 4]. Ví dụ trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản, để hạn
chế quá trình DO bị tiêu thụ bởi nhu cầu oxi bùn đáy cũng là để đảm bảo vệ sinh
cho ao hồ thì việc cải tạo bùn đáy ao hồ là cần thiết và phải được tiến hành định kỳ.
Do đó, nghiên cứu về ảnh hưởng của bùn đáy đến sự phân bố DO đang là một vấn
đề khá bức thiết và cần được quan tâm nghiên cứu.
Trong các phương pháp nghiên cứu sự biến đổi nồng độ DO dưới tác động
của lớp bùn đáy, phương pháp mô hình hóa bằng cách sử dụng các phương trình
toán học là một hướng nghiên cứu còn khá mới. Mô hình hóa là một công cụ mạnh
giúp đưa ra những đánh giá, dự báo sự thay đổi của nồng độ DO cũng như các
thông số chất lượng nước khác dưới tác động của thiên nhiên cũng như các hoạt
động của con người. Mô hình hóa cũng giúp cho việc khảo sát, đánh giá riêng rẽ các
yếu tố được thuận lợi hơn; điều mà thường không thể thí nghiệm được trong môi
trường tự nhiên vì sự phức tạp và ảnh hưởng lẫn nhau của vô số các yếu tố khác lên
đối tượng khảo sát. Trên thế giới, hướng nghiên cứu mô hình hóa sự biến đổi nồng độ DO do ảnh hưởng của lớp bùn đáy đã có những kết quả nhất định [5-7]. Tuy
nhiên, để thu được những kết quả đó các tác giả đã sử dụng các phương trình toán
học đã được công bố để áp dụng cho các sông hồ hoặc vùng nước cụ thể, mà chưa
đưa ra một mô hình toán học mới hơn. Ở Việt Nam cho đến nay, hướng nghiên cứu
này vẫn còn để ngỏ với nhiều thách thức, chưa có công trình nghiên cứu nào được
công bố.
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.
2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
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.
DO – đối tượng nghiên cứu của bản luận án, là thông số chịu tác động của
nhiều quá trình như: hóa học, vật lý, sinh học, thủy lực, khuếch tán trong môi
trường nước. Tuy nhiên, các nghiên cứu trong bản luận án chỉ tập trung vào các quá
trình hóa học và khuếch tán, bởi đây là các quá trình thuộc lĩnh vực Hóa lý thuyết
và Hóa lý. Để đạt được mục đích đó, các phương trình toán học mô phỏng sự biến
đổi nồng độ DO cũng như quá trình liên quan là khuếch tán cũng đã được tập trung
nghiên cứu.