- XÁC ĐỊNH LƯU TỐC CỦA DÒNG CHẢY NƯỚC THẢI QUA VÙNG RỄ KHU ĐẤT NGẬP NƯỚC KIẾN TẠO. - CHẢY NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP LƯU VẾT. - Bốn thí nghiệm chất lưu vết là muối ăn (Sodium Chloride, NaCl) đã được tiến hành nhằm xác định lưu tốc dòng chảy lớn nhất của nước thải sinh hoạt đi qua vùng rễ của khu đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm. - Dòng chảy là đồng nhất qua mặt cắt ngang của hệ thống đất ngập nước kiến tạo đã được xây dựng tại Đại học Cần Thơ. - Thời gian tồn lưu chuẩn (hoặc lý thuyết) qua tầng rễ là 18 ngày dựa theo tính toán tỉ số giữa thể tích rỗng của khu đất ngập nước, độ rỗng của môi trường xốp và lưu lượng đi qua hệ thống. - Lưu tốc trung bình lớn nhất của dòng chảy được xác định là 0,67 m/ngày. - Kết quả cũng đã chứng minh việc dùng muối ăn làm chất lưu vết là một biện pháp rẻ tiền và bền vững để xác định lưu tốc trong một khu đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm. - Điều này có thể xem như một sáng tạo trong nghiên cứu đất ngập nước kiến tạo trong các nước đang phát triển như Việt Nam.. - Từ khóa: đất ngập nước kiến tạo, lưu tốc, vùng rễ, phương pháp lưu vết. - Đất ngập nước kiến tạo (Constructed wetland) được định nghĩa là một hệ thống công trình xử lý nước thải được kiến thiết và tạo dựng mô phỏng có điều chỉnh theo tính chất của đất ngập nước tự nhiên với cây trồng chọn lọc (Tuấn et al., 2009). - Đất ngập nước kiến tạo có thể thiết kế theo kiểu chảy ngầm hoặc chảy mặt.. - Đất ngập nước chảy ngầm có giá thành xây dựng cao hơn kiểu chảy mặt nhưng. - 1 Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên, Trường Đại học Cần Thơ. - hiệu quả xử lý chất ô nhiễm tốt hơn, giảm thiểu được các tác động xấu khác như sự phát tán mùi hôi vào không khí và hạn chế sự sinh sản của muỗi, côn trùng có thể gây hại cho sức khỏe con người (Davis, 1995).. - Một trong các vấn đề được các nhà thủy học môi trường quan tâm là xác định các đặc điểm thủy lực bên trong một khu đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm như thời gian tồn lưu thủy lực, lưu tốc dòng chảy trong đất và hệ số khuếch tán chất ô nhiễm (Mark, 2001. - Jan and Harry, 2002, Florent et al., 2003. - Sherman et al., 2009). - Độ dẫn thủy lực bão hòa của một loại đất được cho là một điểm số có ý nghĩa quan trọng trên đường cong độ dẫn thủy lực đối với thành phần nước trong đất. - Lý thuyết về dòng chảy dưới đất thường được bắt đầu bằng định luật Darcy khi dòng chảy là chảy tầng. - Định luật Darcy thuần túy là một nguyên lý mang tính toán học đơn giản cho sự quan hệ giữa lưu lượng dòng chảy tức thời ngang qua một môi trường xốp, độ nhớt của chất lưu và áp suất rơi giữa hai mặt cắt chọn sẵn nào đó. - Tiến trình chuyển vận chất ô nhiễm hòa lẫn có thể phân biệt một cách chi tiết như hình 1 (Tuấn et al., 2009).. - Hình 1: Sơ đồ phân biệt chi tiết các tiến trình vận chuyển chất ô nhiễm trong đấ t Thực tế trong hầu hết trường hợp, độ dẫn thủy lực trong các tầng đất được quyết định bởi ảnh hưởng của cả cấu trúc của dòng chảy ngầm và lưu tốc của nó khi đi qua khu đất ngập nước. - Các tầng đất nằm ngang với kích thước hạt rất nhỏ (cát rất mịn, sét, bùn) bị nén chặt hoặc kết cứng hoặc dạng than bùn ngập nước thì sẽ có tác dụng như một lớp chắn lên dòng nước do độ dẫn thủy lực cực nhỏ. - Ngược lại các tầng đất có kết cấu hạt lớn (cát trung, cát thô, sỏi, đá dăm) sẽ cho khả năng tạo dòng chảy lớn hơn do độ dẫn thủy lực cao (Tuấn et al., 2009). - Xác định lưu tốc dòng chảy trong môi trường đất thường là công việc khó khăn hơn nhiều so với việc đo đạc dòng chảy trong môi trường nước do tính chất không đồng nhất của đất đá và có sự hiện diện của lớp rễ thực vật. - Độ dẫn thủy lực có thể xác định bằng. - Hầu hết các đo đạc độ dẫn thủy lực trong đất đều khá đắt tiền và khó khăn đặc biệt là dòng chảy là nước thải chứa nhiều thành phần chất ô nhiễm từ sinh hoạt và sản xuất. - Nhiều nhà khoa học tìm cách đo trực tiếp lưu tốc dòng chảy dưới đất bằng phương pháp dùng chất lưu vết (tracers). - Chất lưu dẫn thường được chọn là các hóa chất độc hại như muối Bromide, chất nhuộm màu Rhodamine WT, Rhodamine B (Florent et al., 2003, Lin et al., 2003. - Sherman et al., 2009) hoặc chất kích hoạt phóng xạ (radioactive) như Tritium, thậm chí chất lưu dẫn là vết vi khuẩn (Everardo et al., 2003). - Bằng cách lấy mẫu, đo nồng độ chất lưu vết dọc theo chiều dòng chảy và vẽ các đường cong xuyên tuyến (Breakthrough curves - BTCs) trên trục tọa độ, ta có thể định được lưu tốc chuyển vận chất lưu vết bằng tỷ số giữa khoảng cách giữa 2 đỉnh các đường BTCs và thời gian vận chuyển, hoặc khoảng cách từ thời điểm lúc bơm chất lưu vết đến đỉnh các đường BTCs, được minh họa như hình 2.. - Hình 2: Nguyên tắc định lưu tốc bằng chất lưu vết qua đường cong xuyên tuyến. - Tuy nhiên, việc sử dụng hóa chất như chất nhuộm màu, chất phóng xạ, vi khuẩn thường tốn kém và gây hại cho môi trường, đặc biệt là các vùng đất ngập nước nhạy cảm với các loài sinh vật sinh sống ở đó. - Nghiên cứu dùng chất rẻ tiền, sẵn có, dễ đo như muối ăn (NaCl) được đề xuất áp dụng để nghiên cứu lưu tốc dòng chảy ở khu đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm để xử lý nước thải sinh hoạt. - Nồng độ muối dễ dàng đo độ dẫn điện bằng một máy Orion-105 EC-meter cầm tay.. - Năm 2003, một khu thực nghiệm đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm để xử lý nước thải sinh hoạt được xây dựng tại Khu I, trường Đại học Cần Thơ với các kích thước được mô tả như Hình 3. - Nước thải từ các hộ gia đình được bơm qua một khối cát lọc (cát xây dựng có độ rỗng 47%) có trồng sậy. - Cát được sử dụng trong thực nghiệm này là cát xây dựng đã được sàng rửa bằng nước sạch trước nhiều lần nhằm giới hạn trao đổi cation trong nền cát. - Lượng nước thải bơm ban đầu lúc thực nghiệm là 600 lít bơm thành 2 đợt lúc 7 giờ sáng và 7 giờ chiều.. - Nồng độ chất lưu vết (g/L). - Khoảng cách (m) Đường cong xuyên tuyến. - Điểm bơm chất lưu vết. - Hình 3: Mặt cắt đứng khu đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm. - Để xác định lưu tốc dòng chảy, một loạt các ống thu mẫu bằng ống PVC được chế tạo có đường kính 21 có chiều dài tương ứng với các độ sâu chôn ống 40 cm, 60 cm và 80 cm. - Phía trên mẫu được bịt kín bằng keo để ngăn nước mưa hoặc nước thải từ trên chảy xuống nơi lấy mẫu. - Hình 4: Minh họa chi tiết ống thu mẫu (trái) và chôn ống thu mẫu vào nền cát – sậy (phải). - Ống thu mẫu được bố trí giữa 2 điểm lấy mẫu theo ký hiệu và khoảng cách như hình 5 và hình 6. - Muối (Sodium Chloride, NaCl) được pha với nước ở nồng độ 500 g NaCl/20 Lít để bơm vào các ống ở vị trí S3. - Nồng độ này đã thử nghiệm trước để chứng tỏ không ảnh hưởng đến sinh trưởng cây sậy vì sậy có thể chịu đựng trong môi trường nước mặn đến 30 ppm (Tuấn et al., 2009). - Nước muối sẽ chảy từ vị trí S3 qua ống kiểm tra SX đến vị trí S| và tiếp tục đến vị trí S4. - Trước khi bơm nước muối ở vị trí S3, 9 ống này được rút nước với khối lượng 2L/ống để tạo lỗ rỗng. - Hình 5: Mặt bằng bố trí chôn ống bơm nước muối và thu mẫu. - Hình 6: Bố trí thực nghiệm mặt đứng ống lấy mẫu Các ký hiệu WL2, WL3 và WL4 là các ký hiệu vị trí thu mẫu nước của hệ thống. - Bốn đợt thực nghiệm đã tiến hành trong năm 2005, vào các thời điểm và 12-15/12. - Thời điểm thực nghiệm trời tốt, không có mưa.. - Ống kiểm tra SX được đo liên tục mỗi giờ để theo dõi diễn biến thay đổi độ mặn trong dòng chảy ngầm. - Khi ống kiểm tra SX phát hiện nồng độ muối đi qua ống này tăng cao, mẫu nước tại các vị trí, SX, S| và S4 được lấy mỗi giờ để đo độ dẫn điện. - Việc tính toán lưu tốc chủ yếu là đoạn từ SX đến S| vì càng đi xa nồng độ muối giảm nhanh vì bị pha loãng, khuếch tán qua không gian rỗng trong cát và được vật liệu lọc hấp thụ nên xác định điểm dẫn điện lớn nhất rất khó khăn, nhất là thời gian đo theo giờ qua đêm ở ngoài đồng đã hạn chế việc thực hiện. - Trong nghiên cứu này, giả thiết ban đầu là dòng chảy nước thải qua khu đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm nêu trên là đồng nhất theo các lớp chiều sâu vào theo phương ngang, các ảnh hưởng của dòng khuếch tán và dòng trọng lực là không đáng kể.. - Kết quả cho thời gian tồn lưu thủy lực theo lý thuyết (THR t ) của dòng nước thải đi qua khu thực nghiệm trong tầng rễ sậy là 18 ngày dựa vào tính toán tỷ số giữa khối lượng không gian rỗng trong khu đất ngập nước V w (dài x rộng x sâu = 12 m x 1,6. - Lưu tốc lý thuyết theo đỉnh đường cong xuyên tuyến, được xác định bằng chiều dài lớp cát mà dòng nước đi qua chia cho thời gian tồn lưu thủy lực, trung bình là V lt = 0,0279 m/giờ. - Tuy nhiên, nhiều thực nghiệm cho thấy thời gian tồn lưu thủy lực theo thực tế thấp hơn nhiều (THR a <. - THR t ) do tổn thất dòng chảy nước thải khi đi qua các khe rỗng trong cát và bị giữ lũy tích trong các lớp vật liệu lọc như đất đá và rễ cây (Breen and Chick, 1995. - Young et al., 2000) và lưu tốc dòng chảy cao nhất thực tế sẽ cao hơn vận tốc dòng chảy trung bình (V a >. - Dung dịch chất lưu vết có độ dẫn điện EC là 33,2 dS/m. - Trong 4 lần thực nghiệm, sau khi bơm chất lưu vết vào vị trí S3, việc phát hiện nồng độ chất lưu vết đầu tiên là khoảng 13-23 giờ tại điểm kiểm tra SX, cách điểm S3 là 0,5 m. - Khoảng cách giữa S3 và S| là 1,05 m, vậy lưu tốc điểm đỉnh đường cong xuyên tuyến dựa vào từ điểm S3 đến vị trí đỉnh của đường cong xuyên tuyến ở vị trí S|. - Đường cong xuyên tuyến EC theo thời gian của 4 lần thực nghiệm được thể hiện ở hình 7. - Kết quả tính toán lưu tốc cho thấy không có sự khác biệt đáng kể (sai số của hệ số biến động số liệu dưới 5%) giữa các vị trí lấy mẫu ở vị trí S| sau thời gian đồng thời bơm chất lưu vết (xem kết quả ở Bảng 1).. - Hình 7: Đường BTCs ứng với thời gian sau khi bơm chất lưu vết qua 4 đợt thực nghiệm. - Bảng 1: Kết quả đo độ dẫn điện lớn nhất và lưu tốc tại các vị trí S| theo độ sâu. - Chú thích: EC - độ dẫn điện (dS/m). - Giờ - thời gian từ lúc bơm chất lưu vết đến lúc ghi nhận điểm EC cao nhất (giờ) V p - lưu tốc dòng chảy (cm/ngày) xác định qua thực nghiệm. - vị trí bố trí điểm đo. - L - ký hiệu chỉ phía bên trái nhìn từ đầu nguồn dòng chảy M - ký hiệu chỉ phía giữa nhìn từ đầu nguồn dòng chảy R - ký hiệu chỉ phía bên phải nhìn từ đầu nguồn dòng chảy 40 - ký hiệu chỉ ống thu mẫu có độ sâu chôn ống 40 cm 60 - ký hiệu chỉ ống thu mẫu có độ sâu chôn ống 60 cm 80 - ký hiệu chỉ ống thu mẫu có độ sâu chôn ống 80 cm. - Hình 8 thể hiện lưu tốc dòng chảy nước thải xác định qua khu đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm nằm ngang qua thực nghiệm. - Giá trị sai biệt của các trị số lưu tốc nằm trong khoảng x 10 -4 m/giờ. - Sự sai biệt không lớn giữa các điểm đo (hệ số biến động từ Cv = 3,61E-06 ÷ 2,28E-05) chứng tỏ giả thiết ban đầu là hợp lý, nghĩa là dòng chảy đồng nhất qua hệ thống ngập nước kiến tạo.. - Ngày Nồng độ EC cao nhất ở các vị trí lấy mẫu. - V p Lưu tốc. - trung bình V a. - Hình 8: Lưu tốc dòng chảy nước thải chảy ngầm qua khu đất ngập nước kiến tạo. - Kết quả nghiên cứu cho thấy giả thiết lưu tốc dòng chảy đồng nhất qua khu đất ngập nước kiến tạo đã được minh chứng với 4 lần thực nghiệm. - Rễ cây sậy có thể phát triển tự do trong khu đất ngập nước nhưng do bố trí trồng đều đặn (theo mật độ 25 cây/m 2 ) nên sự phân bố rễ theo thời gian cũng tương đối đều khắp trong không gian vùng rễ. - Do đó sự sai biệt trung bình giữa các lần thực nghiệm không lớn và nằm trong mức chấp nhập được (V a(max/min. - Khoảng lưu tốc dòng chảy thực tế tại đỉnh đường BTCs cao hơn vận tốc trung bình lý thuyết (V lt = 0,0279 m/giờ) là hoàn toàn phù hợp.. - Việc sử dụng muối ăn được đánh giá là một biện pháp rất rẻ tiền, ít độc hại cho cây trồng và khá hiệu quả cho việc thực nghiệm dòng chảy trong đất ngập nước kiến tạo. - Qua thí nghiệm, sự phát triển của sậy không bị ảnh hưởng chứng tỏ nồng độ muối bơm vào hệ thống là phù hợp. - Nghiên cứu thực nghiệm có thể triển khai ở các độ sâu khác nhau dưới lớp đất ngập nước. - Việc lấy mẫu nước và đo đạc độ dẫn điện mỗi giờ khá tốn công sức và hạn chế khi không thể lấy mẫu thường xuyên vào ban đêm ở ngoài đồng. - Kiến nghị các nghiên cứu về sau có thể lắp các thanh đo cảm ứng (sensors) ở các vị trí khác nhau của khu đất ngập nước kiến tạo nối với một mạch điện tử ghi độ dẫn điện một cách liên tục theo các bước thời gian đo cho trước. - Cách làm này có thể đắt tiền hơn và hiện đại hơn nhưng sẽ cho chuỗi dữ liệu chính xác hơn.. - Hydrodynamics of horizontal subsurface flow constructed wetlands. - Lin A.Y.C., Debroux J.F., Cunningham J.A., and Reinhard M., 2003. - and Piotr M., 2003. - and Davey P., 2009. - Việt và Guido W., 2009. - Đất ngập nước kiến tạo