Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện Nguyễn Hoàng Long LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp sinh viên đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô giáo, gia đình và bạn bè Tôi xin chân thành cảm ơn những người đã giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận của mình Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các thầy, cô giáo trong khoa Tài nguyên và Môi trường cũng như các thầy cô giỏo khỏc đó tạo điều kiện cho tôi được học tập, nghiên cứu và tiếp thu các kiến thức că.
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tài nguyên nước và hiện trạng chất lượng nước một số con sông ở Việt Nam
Việt Nam sở hữu một mạng lưới sông ngòi dày đặc với 13 hệ thống sông lớn có diện tích trên 10.000 km², cung cấp tài nguyên nước mặt phong phú, chiếm khoảng 2% tổng lượng dòng chảy toàn cầu Sông Mê Kông có tổng lượng dòng chảy hàng năm đạt 500 km³, chiếm 59% tổng lượng dòng chảy của cả nước, tiếp theo là sông Hồng với 126,5 km³ (14,9%) và sông Đồng Nai với 36,3 km³ (4,3%) Các sông Mó, Cả, và Thu Bồn có lượng dòng chảy tương đương khoảng 20 km³ (2,3-2,6%), trong khi các hệ thống sông Kỳ Cùng, Thái Bình và sông Ba cũng gần nhau với khoảng 9 km³ (1%) Tổng cộng, các sông trên lãnh thổ Việt Nam cung cấp một nguồn dự trữ nước dồi dào lên tới 255 tỷ m³ mỗi năm, đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế của đất nước.
Việt Nam hiện đang đối mặt với nhiều thách thức về nguồn nước, với mức sử dụng chỉ khoảng 53 tỷ m³ mỗi năm do cơ sở vật chất và năng lực tài chính hạn chế Sự phân bố không đồng đều lượng mưa trung bình hàng năm (1960 mm) cùng với mùa khô kéo dài đã dẫn đến tình trạng thiếu nước ở nhiều khu vực Đặc biệt, tình trạng suy kiệt và ô nhiễm nguồn nước mặt đang diễn ra trên diện rộng, gây ra những lo ngại lớn cho xã hội và đất nước.
Lưu vực sông Cầu hiện nay đã hoàn toàn bị ô nhiễm, với khoảng 7 triệu người sinh sống trên diện tích 10.000 km² Khu vực này bao gồm Thỏi Nguyên, nơi có hoạt động khai thác mỏ và hóa chất lớn, cùng với hơn 800 cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp và quy mô nhỏ Lượng chất thải lỏng thải vào lưu vực ước tính khoảng 40 triệu m³/năm, trong đó khu vực Thỏi Nguyên thải ra khoảng 24 triệu m³, chứa nhiều kim loại độc hại như Selenium, Mangan, Chì, Thiếc và Thủy ngân.
Ngân và các hợp chất hữu cơ từ các nhà máy sản xuất hóa chất bảo vệ thực vật, bao gồm thuốc sát trùng, thuốc trừ sâu, và thuốc chống nấm, đang gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người.
Tại Bắc Ninh, hơn 60 làng nghề lâu đời đang hoạt động trong lĩnh vực chế biến lâm sản và ngành công nghiệp giấy Tuy nhiên, các ngành này thải ra nhiều hóa chất hữu cơ độc hại, đặc biệt là các chất tẩy trắng chứa clo, gây ô nhiễm nghiêm trọng Quá trình sản xuất này còn tạo ra dioxin, một tác nhân nguy hiểm liên quan đến bệnh ung thư Hơn nữa, tại các phụ lưu sông Cầu, nhiều chỉ số phân tích nước đều vượt tiêu chuẩn cho phép từ 2 đến hơn 50 lần, như nhu cầu oxy hóa học (COD), lượng oxy hòa tan (DO), tổng cặn lơ lửng (TSS) và nitrite (NO2).
Lưu vực sông Nhuệ - Đáy
Môi trường nước mặt của lưu vực sông Nhuệ - Đáy đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do nước thải sinh hoạt cùng với các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và thủy sản Chất lượng nước tại nhiều đoạn sông đã đạt mức báo động, với ô nhiễm chủ yếu từ các chất hữu cơ, dinh dưỡng, lơ lửng, mùi hôi, độ màu và vi khuẩn, đặc biệt trong mùa khô Xu hướng ô nhiễm nước sông trong lưu vực đang ngày càng gia tăng.
Các sông nội thành Hà Nội, đặc biệt là sông Tụ Lịch, đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng Sông Tụ Lịch là con sông bị ô nhiễm nặng nề nhất, làm ảnh hưởng đến sông Nhuệ khi nhận nước từ sông Tụ Lịch, đặc biệt vào mùa khô Mặc dù khu vực đầu nguồn, sau khi nhận nước từ sông Hồng, nước sông vẫn tương đối sạch, nhưng từ đoạn chảy qua thị xã Hà Động (Phúc La) đến trước khi tiếp nhận nước từ sông Tụ Lịch, chất lượng nước đã bắt đầu suy giảm Các chỉ số COD và BOD5 đã vượt quá quy định cho phép từ 3 đến 4 lần, khiến nước có màu đen, xuất hiện váng, cặn lắng và mùi tanh.
Sông Đáy đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm cục bộ ngày càng nghiêm trọng, đặc biệt là do ảnh hưởng từ sông Nhuệ Những đoạn sông Đáy, như từ thị xã Hà Đông (Hà Nội) đến thị xã Phủ Lý (Hà Nam), đều bị ô nhiễm với mức độ khác nhau Tại cầu Hồng Phủ (Phủ Lý, Hà Nam), nơi hợp lưu giữa sông Nhuệ, Đáy và sông Châu Giang, mức độ ô nhiễm hữu cơ tăng cao, đặc biệt trong mùa khô từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau Các chỉ số như BOD5, COD, hợp chất Nitơ và Coliform đều không đạt tiêu chuẩn cho phép.
Lưu vực sông Ðồng Nai và sông Sài Gòn
Lưu vực này không chỉ là một khu vực đông dân cư với diện tích 14.500 km² và dân số khoảng 17,5 triệu người, mà còn là vùng phát triển công nghiệp lớn nhất và đô thị hóa nhanh nhất tại Việt Nam Hằng năm, sông ngòi trong lưu vực tiếp nhận khoảng 40 triệu m³ nước thải công nghiệp, cùng với hơn 30.000 cơ sở sản xuất hóa chất tại thành phố Hồ Chí Minh Ngoài ra, nước thải sinh hoạt ước tính lên đến khoảng 360 triệu m³.
Ngoài các chất thải công nghiệp như hợp chất hữu cơ và kim loại độc hại như đồng, chì, sắt, kẽm, thủy ngân, cadmium, mangan, khu vực này còn chứng kiến hiện tượng nước sông bị acid hóa, đặc biệt là đoạn sông từ cầu Bình Long đến Bến Than với độ pH có thể xuống đến 4 Nghiêm trọng hơn, sông Rạch Tra là nơi tiếp nhận nước rỉ từ các bãi rác thành phố và hệ thống nhà máy dệt nhuộm ở khu Tham Lương.
Vào tháng 12/2005, Bộ Tài nguyờn và Môi trường đã tổ chức hội thảo
Bảo vệ môi trường lưu vực hệ thống sông Đồng Nai là một vấn đề quan trọng, được nhấn mạnh trong hội thảo gần đây Kết luận từ hội thảo cho thấy có bốn khu vực đang bị ô nhiễm trầm trọng, cần được chú ý và xử lý kịp thời.
1 Ðoạn sông Ðồng Nai từ cầu Hòa An đến cầu Ðồng Nai, nơi cung cấp nguồn nước chính cho cư dân Sài Gòn,
2 Ðoạn từ Bình Phước đến Tân Thuận, địa phận của trên 10 khu chế xuất,
3 Ðoạn sông Thị Vải từ nhà máy hóa chất và bột ngọt Vedan của ÐàiLoan đến cảng Phú Mỹ,
4 Và nước sông Vàm Cỏ éụng Riờng sụng Vàm Cỏ éụng, nước sông này đang bị acid hóa nặng [5]
Lưu vực sông Tiền Giang và Hậu Giang là vùng đặc biệt với diện tích 39.000 km² và gần 30 triệu cư dân, chủ yếu phát triển nông nghiệp và chăn nuôi thủy sản Mặc dù không phải là trọng điểm công nghiệp, nhưng vấn đề ô nhiễm môi trường do khai thác nông nghiệp và thủy sản đang ngày càng nghiêm trọng Sự ô nhiễm hóa chất từ dư lượng phân bón và thuốc bảo vệ thực vật, cùng với sự hiện diện của các hóa chất độc hại như DDT và Nitrate, đang gây ra mối lo ngại về sức khỏe cộng đồng, đặc biệt là nguy cơ ung thư.
Việc khai thác chăn nuôi thủy sản trên sông không chỉ cản trở dòng chảy và làm khó khăn cho việc di chuyển, mà còn gây ra vấn đề môi trường nghiêm trọng Từ thượng nguồn Châu Đốc, An Giang đến Mỹ Tho, cỏ bố trong mựa cỏ đã chết hàng loạt do ô nhiễm nguồn nước từ thượng nguồn, dẫn đến cá chết và ảnh hưởng đến hạ lưu.
Việc khai thác nguồn nước cho tưới tiêu và xây dựng đê điều không hợp lý đã dẫn đến tình trạng ngập mặn tại Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt trong bối cảnh hạn hán kéo dài Năm 2005, nước mặn đã xâm nhập sâu vào đất liền hơn 120 km, làm gia tăng nguy cơ hoang hóa đất và đe dọa hệ sinh thái do ô nhiễm.
Mô hình hóa trong nghiên cứu môi trường nước
2.2.1 Khái quát về công cụ mô hình hóa môi trường
Mô hình hóa là quá trình sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để mô phỏng các quá trình trong hệ thống tự nhiên nhằm đạt được mục tiêu cụ thể Mô hình trở thành công cụ hiệu quả và tiết kiệm khi thay thế hệ thống tự nhiên phức tạp Việc sử dụng mô hình đã trở thành phần quan trọng trong tổ chức, phân tích và sử dụng dữ liệu quan trắc hiện tượng tự nhiên, giúp hiểu rõ bản chất và tác động của chúng.
Mô hình là công cụ thiết yếu trong khoa học, giúp khám phá thực tế một cách nhanh chóng và tiết kiệm Tuy nhiên, việc mô phỏng chính xác, ngay cả với những yếu tố nhỏ, là một thách thức lớn Mô hình hóa cho phép các nhà khoa học tương tác liên tục với thực tế, thử nghiệm các giả định để xây dựng mô hình dự báo phù hợp hơn.
Nghiên cứu mô hình môi trường là một lĩnh vực phức tạp, kết hợp các quan điểm từ nhiều ngành khoa học tự nhiên như vật lý, hóa học, sinh học, và xã hội học Các chuyên gia hàng đầu nỗ lực mô tả thực tế một cách chính xác nhằm đưa ra quyết định cải thiện mối quan hệ giữa con người và môi trường Điều này dựa trên dữ liệu tích hợp và kiến thức đa ngành, biến mô hình thành kỹ năng và công cụ thiết yếu trong nghiên cứu môi trường.
Ngày nay, mô hình hóa đã trở thành công cụ quan trọng trong việc cung cấp luận cứ khoa học nhằm giải quyết các vấn đề môi trường và biến đổi khí hậu Sự quan tâm của các nhà hoạch định chính sách, người ra quyết định và công chúng đối với mô hình hóa ngày càng gia tăng Điều này cho thấy mô hình hóa đang hỗ trợ hiệu quả cho công tác bảo vệ môi trường và được ứng dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới.
2.2.2 Ứng dụng của mô hình hóa trong nghiên cứu chất lượng nước
Theo lịch sử phát triển mô hình chất lượng nước tại Mỹ, các mô hình này được phân chia thành 5 giai đoạn khác nhau, phản ánh sự tiến bộ của công nghệ máy tính Mỗi giai đoạn thể hiện những cải tiến trong khả năng phân tích và dự đoán chất lượng nước, từ những phương pháp đơn giản ban đầu đến các mô hình phức tạp hiện đại Sự phát triển này không chỉ nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
Bảng 2.1 Các giai đoạn phát triển của mô hình chất lượng nước ở Mỹ
STT Giai đoạn Đặc điểm công nghệ máy tính Đặc điểm mô hình
Một số mô hình tiêu biểu
Sự ra đời của những máy tính có kích thước lớn (mainframe computer)
Phát triển những mô hình đầu tiên
SWMM, QUAL ban đầu, MIT-DNM
Máy tính cỡ nhỏ (minicomputer)
Cải tiến và khái quát hóa mô hình
HSPF, WASP3, QUAL2E, EXAMS, HEC-RAS HEC-DSS, HEC-HMS, CE- QUAL-R1, CE- QUAL-W2, CE- QUAL-RIV1
Máy tính chạy trên hệ điều hành DOS
Sự chuẩn hóa các mô hình chất lượng nước
5, QUAL2E-UNCAS, cải tiến EXAMS, CE- QUAL-ICM, HSPF liên kết với mô hình động lực 3 chiều (CH3D), EFDC
Máy tính để bàn với tốc độ cao chạy trên hệ điều hành windown và sự phát triển của mạng internet
Tăng khả năng truy cập và biểu diễn của mô hình
Tiếp tục phát triển và mở rộng ứng dụng các mô hình: SWMM, BASINS, QUAL2E, WASP
Máy tính tốc độ cao, internet được sử dụng rộng rãi
Phát triển mô hình tích hợp, GIS và cơ sở dữ liệu
Sự liên kết các mô hình trong một khung mô hình, ví dụ:
BASINS bao gồm: HSPE, SWAT, PLOAD, GWLF, WASP, AQUATOX
(Nguồn: Tổng hợp theo Robert B.Ambrose và cộng sự, 2009).
Trên toàn cầu, nhiều quốc gia và tổ chức đã tiến hành nghiên cứu và phát triển các mô hình đánh giá tác động của con người đến hệ sinh thái, đặc biệt là môi trường nước.
Hiện nay có rất nhiều công cụ sẵn có để thực hiện công tác lập chiến lược quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông, bao gồm:
− Các mô hình dựa trên các phần mềm phân tích chế độ thủy văn trên lưu vực
− Các mô hình với mục tiêu là phân tích hệ thống dòng chảy ngầm
− Các mô hình với mục tiêu là phân tích toàn bộ lưu vực sông hay các công cụ phân tích lưu vực sông hoàn chỉnh.
Có thể kể tới một số mô hình đánh giá chất lượng nước đã được nghiên cứu như:
Việc thải các chất có nhu cầu oxy vào sông làm giảm hàm lượng oxy hòa tan trong nước, gây nguy hiểm cho cá và các sinh vật thủy sinh khác khi nồng độ oxy giảm xuống dưới mức an toàn Để dự đoán mức độ suy giảm oxy, cần xác định loại chất thải và lượng oxy cần thiết để phân hủy chúng.
Vào năm 1925, Streeter và Phelps đã công bố nghiên cứu về “Đường cong thiếu hụt DO” trên sông Ohio, giải thích sự giảm thiểu DO theo khoảng cách dòng chảy do phân hủy BOD, dẫn đến việc hình thành phương trình Streeter-Phelps Năm 2007, phần mềm Streeter được phát triển, giúp người dùng tự động hóa quá trình tính toán ô nhiễm BOD và độ thiếu hụt oxy trong nước.
Mô hình QUAL2E, QUAL2K, ENVIMQ2K
Mô hình QUAL2K là một công cụ quan trọng trong việc đánh giá chất lượng nước sông, được phát triển thông qua sự hợp tác giữa Đại học Tufts và Trung tâm Mô hình Chất lượng nước của Cục Môi trường Mỹ Mô hình này được sử dụng phổ biến để dự đoán tải lượng chất thải cho phép thải vào sông, đồng thời cho phép mô phỏng 15 thông số chất lượng nước, bao gồm nhiệt độ, DO, chlorophyll, nitơ hữu cơ, nitrit, nitrat, photpho hữu cơ, photpho hòa tan, coliform và ba thông số khác biến đổi trong nước.
Mô hình này có thể áp dụng cho các sông và nhánh sông bị xáo trộn hoàn toàn, với giả thiết rằng cơ chế vận chuyển chính của dòng là tải và phân tán dọc theo hướng chính của dòng Nó cho phép tính toán với nhiều nguồn thải, các điểm lấy nước cấp, các nhánh phụ, cũng như các dung dịch thêm vào và lấy ra Ngoài ra, mô hình QUAL2K còn có khả năng tính toán lưu lượng cần thiết để đạt được giá trị oxy hòa tan theo tiêu chuẩn.
Mô hình QUAL2K có khả năng tính toán ở cả hai chế độ trạng thái ổn định và động, giúp nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng chất thải đến chất lượng nước sông Ở trạng thái ổn định, mô hình hỗ trợ phân tích cường độ, chất lượng và vị trí của tải trọng từ các nguồn không điểm, kết hợp với chương trình lấy mẫu thực địa Trong khi đó, ở trạng thái động, QUAL2K cho phép khảo sát tác động của biến đổi khí hậu hàng ngày đến các yếu tố như oxy hòa tan và sự thay đổi oxy hòa tan do hô hấp và tăng trưởng của tảo.
Mặc dù QUAL2K không tích hợp GIS và gặp khó khăn trong việc tự động hóa tính toán theo các kịch bản, nhóm tác giả tại phòng Geoinformatics, Viện Môi Trường và Tài Nguyên, Đại học Quốc gia TP.HCM đã phát triển phần mềm ENVIMQ2K Phần mềm này kết hợp ưu điểm tính toán của QUAL2K với khả năng ứng dụng GIS và tự động hóa tính toán từ các phần mềm ENVIM truyền thống ENVIMQ2K phiên bản 1.0 được ra mắt vào tháng 9/2007 và sau đó được đổi tên thành ENVIMQ2K 2008 từ tháng 3/2008.
Mô hình WASP (Water quality Analysis Simulation Program)
Chương trình phân tích chất lượng nước (WASP) phiên bản 7 được cải tiến từ các phiên bản trước (Di Toro et al., 1983; Connolly and Winfield, 1984; Ambrose, R.B et al., 1988) nhằm hỗ trợ người dùng trong việc trình diễn và dự báo chất lượng nước WASP là một phần quan trọng trong mô hình hệ thống dưới nước, bao gồm cột nước và sinh vật dưới nước, cho phép kiểm tra các hệ thống với 1, 2 và 3 kích thước cùng nhiều loại chất gây ô nhiễm khác nhau Mô hình mô tả chu trình thay đổi theo thời gian của sự phân tán, điểm và sự phát tán tải lượng sinh khối, cũng như sự thay đổi ranh giới Ngoài ra, WASP có khả năng liên kết với các mô hình động lực học và sự di chuyển chất lắng đọng, cung cấp thông tin về dòng chảy, độ sâu, tốc độ, nhiệt độ, sự nhiễm mặn và biến đổi lắng đọng.
Aquatox là một mô hình mô phỏng hệ thống dưới nước, giúp dự báo sự phát triển của các chất ô nhiễm như dinh dưỡng và hợp chất hóa học, cùng với tác động của chúng lên hệ sinh thái, bao gồm cá, động vật không xương sống và thực vật dưới nước Mô hình này rất hữu ích cho các nhà sinh thái học, sinh vật học, chuyên gia mô hình chất lượng nước và những người tham gia đánh giá nguy cơ diễn biến sinh thái trong các hệ thống sinh thái dưới nước.
Mô hình EDP – RIV1 (One Dimensional Riverine Hydrodynamic and Water Quality Model)
EDP – RIV1 là một hệ thống chương trình mô phỏng động lực học nước một chiều và chất lượng nước, được phát triển từ mô hình CE-QUAL-RIV1 do U.S Army Engineers Waterways Experiment Station (WES) thực hiện Mô hình này được thiết kế đặc biệt cho bộ phận bảo vệ môi trường thuộc cơ quan tài nguyên thiên nhiên của chính phủ Georgia.
Mô hình QUAL2K trong nghiên cứu môi trường nước
2.3.1 Giới thiệu chung về QUAL2K
Mô hình QUAL2K là một công cụ phân tích chất lượng nước sông toàn diện, được phát triển thông qua sự hợp tác giữa Đại học Tufts và Trung tâm mô hình chất lượng nước của Cục môi trường Mỹ Mô hình này được sử dụng phổ biến để dự đoán hàm lượng chất thải cho phép thải vào sông, với khả năng mô phỏng 15 thông số chất lượng nước quan trọng Các thông số này bao gồm nhiệt độ, BOD5, DO, chlorophyl, nitơ hữu cơ, nitrit, nitrat, phốt pho hữu cơ, photpho hòa tan, coliform, cùng với ba thông số khác có sự biến đổi trong nước.
Mô hình này có thể áp dụng cho các sông nhánh xáo trộn hoàn toàn, với giả thiết rằng cơ chế vận chuyển chính của dòng là lan truyền và phân tán dọc theo trục chiều dài của dòng và kênh Nó cho phép tính toán với nhiều nguồn thải, các điểm lấy nước cấp, các nhánh phụ và các dũng thêm vào và lấy ra Ngoài ra, mô hình QUAL2K cũng có khả năng tính toán lưu lượng cần thiết để đạt được giá trị oxy hòa tan theo tiêu chuẩn.
Mô hình QUAL2K có khả năng tính toán trong hai chế độ: trạng thái ổn định và trạng thái động Ở trạng thái ổn định, mô hình giúp nghiên cứu tác động của tải trọng chất thải, bao gồm cường độ, chất lượng và vị trí, đến chất lượng nước sông, đồng thời hỗ trợ nhận diện đặc tính của tải trọng từ các nguồn diện thông qua chương trình lấy mẫu thực địa Trong khi đó, ở trạng thái động, QUAL2K cho phép phân tích ảnh hưởng của sự thay đổi khí hậu hàng ngày đến chất lượng nước, như oxy hòa tan và nhiệt độ, cũng như sự biến đổi oxy hòa tan do hoạt động hô hấp và tăng trưởng của tảo.
Mô hình QUAL2K là một công cụ mã nguồn mở, được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu chất lượng nước tại nhiều lưu vực sông trên thế giới, như lưu vực sông Rio Blanco ở Mexico và sông Tahtali tại Izmir Tại Việt Nam, QUAL2K cũng đã được sử dụng để đánh giá chất lượng nước của các con sông lớn, như sông Hương, cho thấy tính ứng dụng cao và hiệu quả của mô hình trong thực tiễn.
2011) [6]; Lưu vực sông Thị Tính – Bình Dương (Trần Minh Trí, 2008) [9]; Sông Hồng (Nguyễn Thành Sơn, 2004) [10].
2.3.2 Cơ sở khoa học của mô hình QUAL2K
2.3.2.1 Sự phân đoạn trong mô hình QUAL2K
Theo phần mềm QUAL2K, để mô hình hóa một hệ thống sông, bước đầu tiên là chia hệ thống này thành các đoạn sông (reaches) có đặc tính thủy lực tương đối đồng nhất Mỗi đoạn sông sẽ được chia thành nhiều phân tử tính toán (computational element) có chiều dài bằng nhau, do đó, mỗi đoạn sông bao gồm một số lượng nhất định các phân tử tính toán.
Hình 2.1 Sự phân đoạn của Qual2K trong hệ thống sông không có nhánh
Có tất cả 7 loại phân tử tính toán khác nhau như sau:
− Phân tử thượng nguồn (headwater element) bắt đầu mỗi nhánh sông
(hay phụ lưu) cũng như hệ thống sụng chớnh, vì vậy nó là phân tử tính toán đầu tiên trong đoạn sông thượng lưu (headwater reach)
Phân tử chuẩn là một loại phân tử không thuộc sáu loại phân tử khác Đối với phân tử chuẩn, lưu lượng bổ sung chỉ có dòng chảy vào, trong khi đó, lưu lượng bổ sung có thể xuất hiện ở tất cả các loại phân tử khác.
Phân tử loại cận nối tiếp (element just upstream from a junction) là một phân tử quan trọng trong tuyến chính, nằm ngay phía thượng nguồn của phân tử nối tiếp.
− Phân tử nối tiếp (junction element) là phần tử có sông nhánh (được đưa vào mô hình) chảy vào
Phân tử cuối cùng trong hệ thống sông là phân tử tính toán duy nhất, đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thiện quá trình vận hành của hệ thống.
− Phân tử nước đi vào (input element) là phân tử tiếp nhận tải trọng chất thải và nhánh sông không được đưa vào tính toán trong mô hình
− Phân tử nước đi ra (withdrawal element)là phần tử từ đó nước bị lấy ra
(tại vị trí lấy nước cấp)
Các đoạn sông, bao gồm các phần tử tính toán, là nền tảng cho tất cả dữ liệu đầu vào của mô hình Dữ liệu liên quan đến thủy lực, hằng số tốc độ phản ứng, điều kiện ban đầu và số liệu lưu lượng bổ sung đều được giữ nguyên cho tất cả các phần tử tính toán trong mỗi đoạn sông.
Hình 2.2 Sự phân đoạn của Qual2K cho trường hợp sông với cỏc nhỏnh:
(a) Hệ thống thực; (b) Hệ thống biểu diễn trong Qual2K
(Nguồn: User Manual QUAL2K, 2008). 2.3.2.2 Cân bằng lưu lượng
Trạng thái cân bằng lưu lượng được thực hiện cho mỗi khúc (reach) sông
Qi = lưu lượng ra từ khúc sông thứ i vào khúc sông thứ i + 1 (m 3 /ngày)
Qi-1 = lưu lượng vào khúc i từ khúc sông phía trên nó (theo dòng chảy) i-
Qin,i = tổng lưu lượng chảy vào khúc từ các nguồn điểm hoặc nguồn diện (m 3 /ngày)
Qout,i = tổng lưu lượng chảy ra từ khúc i từ các nguồn điểm hay nguồn diện (không phải dạng điểm) (m 3 /ngày)
Hình 2.3 Sự cân bằng lưu lượng của khúc sông I
Tổng lưu lượng đi vào khúc i được tính theo công thức:
− Qps,i,j là lưu lượng của nguồn điểm thứ j đổ vào khúc i (m 3 /ngày), psi tổng số nguồn điểm đổ vào khúc i
− Qnps,i,j = lưu lượng nguồn diện (không phải dạng điểm) thứ j đổ vào khúc i
− npsi = tổng số nguồn diện đổ vào khúc i.
Tổng lưu lượng đi ra từ khúc i được tính theo công thức:
− Qpa,i,j = là lưu lượng từ nguồn điểm j đi ra khỏi khúc i (m3/ngày)
− pai = tổng số nguồn điểm đi ra từ khúc i
− Qnpa,i,j = lưu lượng từ nguồn diện j đi ra khỏi khúc i m3/ngày)
− npai = tổng số nguồn diện đi ra từ khúc i
Các nguồn diện và nguồn lấy nước được mô hình hóa như những nguồn đường, với ranh giới xác định bởi các điểm km bắt đầu và kết thúc Dòng chảy của nguồn nước được phân bổ theo trọng số chiều dài và trọng lượng khi vào hoặc ra từ mỗi đoạn.
Hình 2.4 Cách thức dòng chảy từ nguồn diện phân bố đến một nhánh sông
(Nguồn: User Manual QUAL2K, 2008). 2.3.2.3 Các đặc tính thủy lực
Mô hình thủy lực được áp dụng để xác định độ sâu và vận tốc dòng chảy tại từng khúc sông Q2K cung cấp ba tùy chọn để xác định các đặc tính thủy lực của mỗi khúc.
− Nếu chiều cao của đập được nhập vào khi đó tuỳ chọn đập sẽ được xem xét
− Nếu chiều cao đập bằng 0 và hệ số nhám Manning (n) được nhập, khi đó tùy chọn phương trình Manning được máy lựa chọn
− Nếu cả hai trường hợp trên đều bằng không, QUAL2K dùng đường cong tương quan (rating curves). a Đập ngăn sông
Hình 2.5 chỉ ra phương thức đập ngăn được thể hiện trong QUAL2K
Hình 2.5 Đập nước tại biên giữa hai khúc.
− Hi = độ sâu của khúc (reach) về phía thượng nguồn so với đập (m)
− Hi+1 = độ sâu của khúc về phía hạ nguồn sau khi qua đập (m)
− Elev2i = độ cao so với mực nước biển của phía đầu đoạn (m)
− Elev1i+1 = độ cao so với mực nước biển của phía cuối đoạn (m)
− Hw = độ cao của đập so với elev2i (m)
− Hd = độ chênh lệch giữa độ cao so với mực nước biển của mặt khúc i
− Hh = độ cao mực nước tràn qua đập (m)
− Bi = chiều rộng của mặt cắt ngang của khúc i (m)
− Bw = độ rộng của đập [m] Đối với đập có đỉnh nhọn Hh/Hw < 0.4, lưu lượng được tính theo công thức:
Qi là lưu lượng ra từ khỳc trờn đập (m3/s), Bi và Hh đơn vị (m)
Từ phương trình (9.4) ta có:
Kết quả này có thể sử dụng để tính toán độ sâu của khúc sông i, và độ chênh lệch phía trên đập:
Và: Hd = elev2i + Hi – elev1i+1 – Hi+1
Diện tích mặt cắt ngang, vận tốc, diện tích bề mặt và thể tích phần tử i có thể được tính như sau:
Vi = Bi.Hi.∆xi b Đường cong tương quan
Các phương trình được sử dụng thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc, độ sâu với lưu lượng
H = αQ^β, trong đó a, b, α, β là các hệ số thực nghiệm được xác định dựa trên mối quan hệ giữa vận tốc, lưu lượng và trạng thái lưu lượng tương ứng Giá trị vận tốc và độ sâu được sử dụng để tính toán diện tích mặt cắt ngang và chiều rộng.
Công thức B = Ac/H cho thấy mối quan hệ giữa các yếu tố trong tính toán Giá trị đặc trưng của số mũ b và β được trình bày trong Bảng 9-1 Cần lưu ý rằng tổng của b và β không được vượt quá 1; nếu tổng này bằng 1, thì lòng sông có hình dạng vuông.
Bảng 2.2 Giá trị đặc trưng cho số mũ của khúc quanh ước tính để xác định vận tốc và độ sâu từ lưu lượng
Phương trình Số mũ Giá trị đặc trưng Phạm vi
(Nguồn: Barnwell et al.1989). c Phương trình Mainning
Mỗi khúc sông được lý tưởng hoá thành một kênh có thiết diện hình thang Phương trình Manning có thể được sử dụng để mô tả mối quan hệ giữa lưu lượng và độ sâu của sông, với điều kiện lưu lượng không đổi.
− n = hệ số thô (hệ số gồ ghề) Manning
− Ac = diện tích mặt cắt ngang (m 2 )
− P = chu vi phần thấm nước (m)
Diện tích mặt cắt ngang của kênh hình thang được tính như sau:
Ac = [B0 + 0,5(ss1 + ss2).H].H (2) Trong đó:
− ss1 và ss2 = hai độ dốc của cạnh như trong Hình 7 (m/m)
− H = độ sâu của nhánh sông (m)
Chu vi phần bị thấm nước được tính như sau:
Thay phương trình (2) và (3) vào (1), khi ấy phương trình (1) có thể dựng phộp lặp để tính độ sâu như sau:
Trong đó k = 0,1,2, ,n, n = số lần lặp
Phương pháp hoàn tất khi sai số ước tính dưới giá trị 0,001% Sai số ước tính được tính như sau:
Diện tích mặt cắt ngang có thể được xác định bởi phương trình (9.15) và sau đó vận tốc được xác định từ phương trình kế tiếp:
U Chiều rộng trung bình của nhánh sông, B(m), được tính như sau:
B Giá trị của hệ số Manning được liệt kê trong Bảng 2.3.
Bảng 2.3 Hệ số thô (hệ số gồ ghề) cho các mặt kênh thông thoáng
Sỏi ở đáy với cạnh làm bằng
Bê tông 0,020 Đá trát vữa 0,023 Đóng đắp (đổ đá) 0,033
Sạch, quanh co và có cỏ dại 0,03 – 0,05
Cỏ dại, vực, quanh co 0,05
Dòng suối có đá cuội 0,04 – 0,10
Nhiều cây bụi và thân gỗ 0,05 – 0,20
(Nguồn: Chow et al 1988 cited in User Manual QUAL2K, 2008)
Hệ số Manning n thay đổi theo lưu lượng và độ sâu, với giá trị n dao động từ 0,015 cho các đoạn kênh thông suốt đến 0,15 cho các đoạn kênh gồ ghề tự nhiên Khi độ sâu giảm ở nơi có lưu lượng thấp, sự gồ ghề tăng lên tương ứng Các giá trị này phản ánh điều kiện dòng chảy qua các khu vực có gờ và bãi ngầm Đặc biệt, điều kiện tới hạn để đánh giá chất lượng nước thường nhỏ hơn nhiều so với độ sâu cú bói ngầm, và độ gồ ghề có thể cao hơn đáng kể.
ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu
Sông Cầu Bây, đoạn chảy qua địa phận huyện Gia Lâm – Hà Nội, có tổng chiều dài là 7,02km Trong đó, các vấn đề được quan tâm là:
− Các thông số thủy lực: Lưu lượng dòng chảy, vận tốc dòng chảy.
− Các thông số chất lượng nước:
+ Hàm lượng oxy hòa tan trong nước (DO, mgO2/l).
+ Nhu cầu oxy sinh học nhanh đối với Cacbon (CBODfast, mgO2/l).
+ Hàm lượng Nitơ – Amoni trong nước (NH4 +, àgN/l).
+ Hàm lượng Photpho vô cơ trong nước (PO4 3-, àgP/l).
Nội dung nghiên cứu
− Đánh giá hiện trạng chất lượng nước sông Cầu Bây, đoạn chảy qua địa phận huyện Gia Lâm, Hà Nội.
− Thiết lập mô hình QUAL2K mô phỏng chất lượng nước sông Cầu Bây.
− Hiệu chỉnh và kiểm định tính chính xác của mô phỏng.
− Ứng dụng mô hình QUAL2K để đánh giá tác động của việc phát triển KTXH đến chất lượng nước sông.
− Đề xuất một số biện pháp quản lý môi trường nước.
Phương pháp nghiên cứu
3.3.1 Phương pháp thu thập thông tin thứ cấp
− Thu thập các thông tin về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của vùng nghiên cứu.
Để thực hiện mô phỏng khí tượng chính xác, cần thu thập các điều kiện như nhiệt độ không khí (°C), nhiệt độ điểm sương (°C), tốc độ gió (m/s), độ che phủ mây (%) và độ bóng (%).
− Thu thập các thông tin liên quan đến đề tài thông qua các nghiên cứu trong và ngoài nước về mô hình QUAL2K.
Bảng 3.1 Phương pháp thu thập/Nguồn gốc các thông tin thứ cấp
STT Nhóm thông tin Loại thông tin / số liệu Phương phỏp/Nguồn
- KTXH khu vực nghiên cứu
Diện tích, dân số, đất đai… Phỏng vấn, Phòng dân số và Hợp tác xã Nông nghiệp Thị trấn Trâu Quỳ. Điều kiên tự nhiên
Cơ cấu cây trồng nông nghiệp Quy hoạch, định hướng phát triển […]
Trạm khí tượng Láng, Hà
Nhiệt độ điểm sương (t 0 C) Tốc độ gió (m/s) Độ che phủ mây (%) Độ bóng (%)
3 Các nghiên cứu về mô hình QUAL2K
Hướng dẫn sử dụng mô hình
Khả năng ứng dụng của mô hình QUAL2K trong điều kiện thực tế nước ta
Các nghiên cứu về QUAL2K ở nước ngoài […]
3.3.2 Phương pháp quan trắc chất lượng nước a, Phương pháp lấy mẫu
− Mẫu nước sông được lấy theo phương pháp lấy mẫu nước mặt (TCVN
− Mẫu nước thải được lấy theo phương pháp lấy mẫu tại nguồn (TCVN
5999 – 1995). b, Phương pháp đo đạc các thông số thủy văn, thủy lực dòng chảy
Bảng 3.2 chỉ ra các phương pháp đo đạc đối với các thông số thủy văn, thủy lực dòng chảy.
Bảng 3.2 Phương pháp đo đạc các thông số thủy văn, thủy lực dòng chảy
STT Nhóm thông số Thông số Phương pháp đo đạc
1 Địa hình Độ dốc đáy sông Đo đạc trực tiếp, sử dụng máy kinh vĩ và thủy chuẩn. Độ đốc 2 bờ sông Độ chênh cao địa hình
Lưu lượng dòng sông Đo đạc trực tiếp thông qua giá trị vận tốc và tiết diện dòng chảy theo công thức (1).
Lưu lượng dòng thải Chiều dài và chiều rộng mỗi khúc sông Đo đạc trực tiếp Độ cao mực nước Đo đạc trực tiếp
(1): Q = v.F ; Trong đó, v: vận tốc dòng chảy (m/s); F: tiết diện mặt cắt ngang (m 2 ) c, Phương pháp phân tích
− Hàm lượng oxy hòa tan (DO, mgO2/L): Xác định bằng phương pháp đo nhanh hiện trường bằng máy đo DO meter.
− Nhu cầu oxy sinh học (BOD5, mgO2/L): Xác định bằng phương pháp nuôi cấy ở 20 0 C trong 5 ngày.
− Nhu cầu oxy hóa học (COD, mgO2/L): Xác định bằng phương pháp chuẩn đô, sử dụng K2Cr2O7 làm chất oxy hóa.
− Hàm lượng Amoni trong nước (tính theo Nitơ, N-NH4 +, àgN/L): Xác định bằng phương pháp so màu Indophenol.
− Hàm lượng Nitrat trong nước (tính theo Nitơ, N-NO3 -, àgN/L): Xác định bằng phương pháp so màu Salisilic.
− Hàm lượng Photpho vô cơ trong nước (P-PO4 3-, àgP/L): Xác định bằng phương pháp so màu Molipdatamon.
− Tổng chất rắn lơ lửng (TSS, mg/L): Xác định bằng phương pháp khối lượng.
3.3.3 Phương pháp mô phỏng chất lượng nước sử dụng mô hình QUAL2K
Bước 1: Chuẩn hóa dữ liệu đầu vào của mô hình
Để thực hiện mô phỏng, các dữ liệu đầu vào cần được chuẩn hóa đơn vị theo yêu cầu của mô hình Cụ thể, các thông số như N-NH4 +, N-NO3 -, và P-PO4 3- sẽ được chuyển đổi từ đơn vị mg/L sang àgN/L và àgP/L tương ứng.
Bước 2: Phân chia thủy vực và mô tả nguồn thải
Sông Cầu Bây là một con sông đào bắt nguồn từ hồ Kim Quan, phường Việt Hưng, chảy đến cống Xuân Quan thuộc hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải Đoạn sông chảy qua huyện Gia Lâm, Hà Nội có tổng chiều dài khoảng 7 km Dựa vào địa hình, chế độ dòng chảy và các nguồn xả thải, đoạn sông này được chia thành 6 phân đoạn, với chiều dài từ 0,45 km đến 2,17 km.
Hình 3.1 Phân đoạn dòng chảy thủy vực nghiên cứu.
Trên đoạn sông nghiên cứu tiếp nhận 3 loại nước thải:
Thị trấn Trâu Quỳ bao gồm các khu dân cư như An Lạc, An Đào, Đào Nguyên và Vườn Dõu, trong khi xã Đa Tốn có các khu dân cư như Ngọc Động, Lờ Xỏ, Đào Xuyên và Thuận Tốn.
+ Từ các khu vực trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội (khu hành chính và ký túc xá) và khu tập thể Viện nghiên cứu Rau – Quả miền Bắc.
− Nước thải từ hoạt động sản xuất nông nghiệp
+ Từ các khu vực trồng lúa thuộc Thị trấn Trâu Quỳ, xó Đụng Dư, xã Đa Tốn và xó Kiờu Kỵ.
+ Từ các khu ruộng thí nghiệm của Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, Viện Lúa và Viện nghiên cứu Rau – Quả miền Bắc.
+ Nước chảy tràn qua các khu dân cư trong lưu vực.
+ Nước chảy tràn qua khu sản xuất nông nghiệp.
Kết quả phân đoạn và mô tả nguồn thải được trình bày cụ thể trong hình 3.2.
Hình 3.2 Sự phân chia đoạn sông và mô tả các nguồn thải
Sau khi hoàn tất các thủ tục nhập dữ liệu đầu vào thì tiến hành chạy mô hình QUAL2K để mô phỏng diễn biến chất lượng nước.
Bước 3: Xây dựng các kịch bản phát triển KTXH cho mô hình
Sự phát triển kinh tế - xã hội tại lưu vực sông Cầu Bây đã làm gia tăng áp lực lên chất lượng nước sông, chủ yếu do nguồn nước thải từ hoạt động sinh hoạt của người dân Để bảo vệ môi trường nước sông trong tương lai, cần thiết phải xử lý các nguồn nước thải trước khi thải ra môi trường tiếp nhận, nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái nước.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, một trong những trường đại học hàng đầu trong lĩnh vực Nông – Lâm – Ngư, đang đối mặt với sự gia tăng lượng nước thải từ các khu ký túc xá, khu hành chính – giảng đường và phòng thí nghiệm do nhu cầu tuyển sinh ngày càng cao và sự đa dạng hóa ngành đào tạo Đặc biệt, mức độ độc hại của nước thải cũng gia tăng do sự hiện diện của hóa chất từ các phòng thí nghiệm Để giải quyết vấn đề này, Nhà trường dự kiến xây dựng hệ thống xử lý nước thải với hiệu suất xử lý yêu cầu đạt 80%, nhằm hạn chế ô nhiễm môi trường tiếp nhận trong những năm tới.
Dựa vào các cơ sở trờn, tụi tiến hành tính toán theo 3 kịch bản sau:
Kịch bản 1: Thành lập kịch bản gốc với điều kiện khí tượng và chất lượng nước hiện thời.
Trong tương lai, Thị trấn Trâu Quỳ sẽ thực hiện quy hoạch tổng thể cho mạng lưới kinh tế - xã hội, trong đó sẽ có các trạm xử lý nước thải được đầu tư xây dựng Mục tiêu của việc này là giảm thiểu ô nhiễm môi trường sống trong khu vực.
Trong kịch bản 2, giả định rằng các nguồn thải phát sinh tại Thị trấn Trâu Quỳ được xử lý đạt tiêu chuẩn thải theo QCVN 14-2008/BTNMT, trong khi các nguồn thải tại xã Đa Tốn vẫn chưa được xử lý do quy trình quy hoạch nông thôn diễn ra chậm hơn.
Giả định rằng các nguồn thải phát sinh tại xã Đa Tốn được xử lý đạt tiêu chuẩn theo QCVN 14-2008/BTNMT, tức là Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt, trong khi các nguồn thải tại Thị trấn Trâu Quỳ vẫn chưa được xử lý.
Giả thiết rằng tất cả các nguồn thải dọc theo lưu vực sông Cầu Bây đều được xử lý và tuân thủ tiêu chuẩn xả thải trước khi đổ vào sông, điều này sẽ góp phần bảo vệ môi trường và cải thiện chất lượng nước.
3.3.4 Phương pháp xử lý số liệu và đánh giá kết quả a, Phương pháp xử lý số liệu
Dữ liệu đầu vào cho quá trình mô phỏng chất lượng nước được xử lý và hiển thị kết quả trên phần mềm Microsoft Excel, cho phép đánh giá chính xác hiện trạng chất lượng nước Phương pháp này giúp cải thiện độ tin cậy của các mô phỏng và kết quả phân tích.
Chất lượng nước sông Cầu Bây hiện nay được đánh giá theo QCVN 08-2008/BTNMT, quy định về chất lượng nước mặt, cùng với Thông tư số 02/2009/TT-BTNMT, hướng dẫn đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước Để đảm bảo tính chính xác trong việc mô phỏng, các phương pháp đánh giá cần được áp dụng một cách nghiêm ngặt.
Quá trình hiệu chỉnh được tiến hành với dữ liệu quan trắc chất lượng nước sông Cầu Bây vào tháng 4 năm 2011.
Quá trình kiểm chứng được tiến hành với bộ dữ liệu chất lượng nước sông Cầu Bây vào tháng 6 năm 2011, tháng 8 năm 2011 và tháng 3 năm 2012.
Tính chính xác của mô phỏng được thực hiện bằng phương pháp tính toán sai số giữa kết quả mô phỏng và giá trị quan trắc thực tế.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Đặc điểm tự nhiên, kinh tế - xã hội của khu vực nghiên cứu
4.1.1 Đặc điểm tự nhiên a, Vị trí địa lý
Huyện Gia Lâm là huyện ngoại thành, nằm ở phía Đông Bắc Thủ đô Hà Nội, ở về phía bờ trỏi sụng Hồng Có diện tích khoảng 114,79 km 2
− Phía bắc giáp thị xã Từ Sơn và huyện Tiên Du (Bắc Ninh).
− Phớa tây bắc giáp huyện Đông Anh.
− Phớa tây giỏp quận Long Biên, quận Hoàng Mai
− Phớa tây nam giáp huyện Thanh Trì.
− Phớa đông giỏp huyện Thuận Thành (Bắc Ninh)
− Phớa đông nam giáp huyện Văn Giang (Hưng Yên). b, Thời tiết, khí hậu
Khí hậu Phù Đổng mang đặc trưng khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm của vùng ĐBSH và Hà Nội, với mùa hè nóng, mưa nhiều và mùa đông lạnh, ít mưa Nhiệt độ trung bình hàng năm đạt 23,5°C, độ ẩm trung bình 79% và lượng mưa trung bình 1.800 mm, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của cây lúa và các loại cây trồng khác Đất đai tại huyện chủ yếu là đất phù sa sông Hồng, với tính chất đất từ thịt trung bình đến thịt nặng, pH dao động từ 6,5-7,5, hàm lượng cacbon hữu cơ từ 1,2-1,8%, và hàm lượng N, P, K ở mức khá, phù hợp cho nông nghiệp.
Đất tại khu vực này có hàm lượng dinh dưỡng 25 mg/100 g đất, với dung tích hấp thụ cation (CEC) dao động từ 15-25 lđl/100g đất và độ no bazơ (BS) trung bình đến khá, thường nằm trong khoảng 40-60% Những đặc điểm này khiến đất phù hợp cho nhiều loại cây trồng, trong đó cây lúa và ngô là hai loại cây trồng chủ lực của xã.
Huyện có nhiều con sông quan trọng như sông Hồng, tạo ranh giới với quận Hoàng Mai và huyện Thanh Trì; sông Đuống, giáp huyện Đông Anh và quận Long Biên; cùng với sông Cầu Bây, sông Bắc Hưng Hải và sông Thiên Đức.
4.1.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội
Huyện Gia Lâm là khu vực phát triển đô thị ở phía Đông Bắc của Thủ đô
Hà Nội là trung tâm quan trọng của giao thông và hạ tầng kỹ thuật quốc gia, đồng thời phát triển mạnh mẽ các cơ sở công nghiệp và trung tâm dịch vụ, thương mại lớn Hiện tại, huyện có 3 siêu thị lớn và 17 chợ, trong đó 13 chợ có quy mô bán kiên cố Ngoài ra, có 890 doanh nghiệp ngoài quốc doanh với tổng vốn đầu tư hơn 3.300 tỷ đồng, tạo ra 13.118 việc làm tính đến năm 2011.
Giá trị sản xuất công nghiệp ngoài quốc doanh năm 2011 đạt gần 603 triệu đồng Đến hết quý I năm 2011, giá trị sản xuất các ngành kinh tế tăng 10,96% so với cùng kỳ năm 2010, trong đó thương mại dịch vụ tăng 16,7% và công nghiệp xây dựng tăng 12,2%.
Gia Lâm, khu vực nông nghiệp ngoại thành Hà Nội, ghi nhận giá trị sản xuất nông, thủy sản tăng trưởng hàng năm, với trồng trọt tăng 1,5%, chăn nuôi 5,6% và thủy sản 10,2% Diện tích rau an toàn đạt 60%, trong khi một số cây trồng hiệu quả kinh tế thấp đang dần được thay thế bởi cây ăn quả, rau hoa và cây cảnh có giá trị kinh tế cao hơn Huyện đã hình thành các vùng sản xuất rau an toàn tập trung tại các xã như Văn Đắc, Lệ Chi, Đặng Xá và Đụng Dư Mục tiêu của Gia Lâm là đến năm 2013, 100% diện tích rau sẽ được sản xuất theo quy trình rau an toàn.
Huyện Gia Lâm nổi bật với nhiều làng nghề truyền thống như Bát Tràng chuyên sản xuất gốm sứ, Kiêu Kỵ với nghề dát bạc và đồ gỗ, cùng Ninh Hiệp nổi tiếng về trồng thuốc Bắc và buôn bán vải Hiện nay, thôn Đỡnh Vỹ và xóm Yên Thường đang thu hút sự quan tâm của các doanh nhân nhờ vào những cơ hội đầu tư hấp dẫn.
Trong những năm gần đây, đời sống của người dân huyện Gia Lâm đã có sự cải thiện rõ rệt Tính đến năm 2011, hơn 10.000 lao động trong huyện đã được tạo việc làm với thu nhập ổn định, tỷ lệ hộ nghèo giảm xuống còn 2,3% Huyện đã hoàn thành việc xóa nhà dột nát, 100% xã và thị trấn có trạm y tế đạt chuẩn, 22 trường học đạt chuẩn quốc gia, và tất cả các đường liên thôn, xóm đều được bê tông hóa.
Hiện trạng chất lượng nước sông Cầu Bây, đoạn chảy qua địa phận huyện Gia Lâm, Hà Nội
Theo kết quả quan trắc tháng 3 năm 2012, các thông số phản ánh chất lượng nước sông Cầu Bây hầu hết không đạt so với quy định cho phép
Bảng 4.1 Giá trị quan trắc chất lượng nước sông Cầu Bây tháng 3 năm 2012
Khoảng cách pH DO N-NH 4 + N-NO 3 - P-PO 4 3- COD BOD 5
Ghi chú: Cột “Khoảng cách (km)” là độ dài tính từ điểm cuối dòng sông đến vị trí điểm lấy mẫu.
Trong quá trình quan trắc, chất lượng nước có sự biến động rõ rệt theo không gian, với hàm lượng oxy hòa tan (DO, mg/l) giảm dần, trong khi các chỉ số pH, N-NH4 +, P-PO4 3- và COD lại tăng lên Những biến động này cho thấy rằng chất lượng nước sông chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố áp lực của nguồn thải.
Giá trị pH của nước sông dao động từ 6,83 đến 7,51, cho thấy mức độ trung tính đến hơi kiềm Hầu hết các điểm quan trắc có pH lớn hơn 7,0, điều này cho thấy sự ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt có pH cao đến chất lượng nước.
Hàm lượng oxy hòa tan (DO) trong nước giảm dần từ đầu nguồn đến cuối nguồn, với giá trị dao động từ 0,12 – 0,51 mg/l Sự gia tăng lưu lượng nước thải và tải lượng ô nhiễm theo chiều dài sông là nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm DO, thấp hơn tiêu chuẩn cho phép từ 7,8 – 33,3 lần Điều này gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của hệ thực vật thủy sinh, hạn chế các quá trình sinh học trong nước và làm suy giảm khả năng tự làm sạch của thủy vực.
Các thông số dinh dưỡng như N-NH4 +, N-NO3 -, P-PO4 3- có sự biến động theo không gian Hàm lượng Amoni tính theo Nitơ dao động từ 12,90 đến 13,83, vượt mức TCCP từ 25,8 đến 27,7 lần Thông số P-PO4 3- cũng ở mức cao, lớn hơn quy định tại QCVN 08-2008/BTNMT Cột B1 từ 4,9 đến 6,6 lần Trong khi đó, hàm lượng Nitrat tính theo Nitơ có xu hướng giảm dần theo dòng chảy, với nồng độ dao động từ 1,29 đến 2,41, vẫn nằm trong giới hạn cho phép của QCVN 08-2008/BTNMT.
Giá trị các thông số hữu cơ có xu hướng tăng dần về phía cuối nguồn, tuy nhiên sự chuyển biến không rõ ràng Nhu cầu oxy hóa học (COD, mgO2/L) vượt quá tiêu chuẩn cho phép (TCCP) từ 1,8 đến 2,3 lần Trong khi đó, nhu cầu oxy sinh học (BOD5, mgO2/L) có khoảng giá trị từ 36 đến 48 mgO2/L, cao hơn quy định từ 2,4 đến 3,2 lần.
Theo số liệu quan trắc chất lượng nước sông Cầu Bây năm 2011, môi trường nước ở đây bị ô nhiễm nặng và mất khả năng tự làm sạch vốn có.
Bảng 4.2 Giá trị trung bình của các thông số chất lượng nước năm 2011
DO N-NH 4 + N-NO 3 - P-PO 4 3- COD BOD 5 mg/l
Hàm lượng oxy hòa tan trong nước (DO) hiện dao động từ 0,91 đến 1,22 mg/l, thấp hơn nhiều so với quy định cho phép Nguyên nhân chính là do sự xả thải từ các nguồn ô nhiễm ở thượng nguồn và dọc theo đoạn sông nghiên cứu, dẫn đến nồng độ chất ô nhiễm duy trì ở mức cao Điều này không chỉ làm suy giảm hệ sinh vật nước mà còn gây ra tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng hàm lượng oxy hòa tan trong nước.
Các thông số dinh dưỡng trong nước cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn cho phép Cụ thể, hàm lượng Amoni (N-NH4 +) vượt quá 22,5 lần, hàm lượng Nitrat (N-NO3 -) vượt quá 1,15 lần, và hàm lượng Phospho vô cơ (P-PO4 3-) vượt quá 8,7 lần.
Giá trị trung bình của các thông số hữu cơ trong các đợt quan trắc đều vượt mức quy định nhiều lần Cụ thể, nhu cầu oxy hóa học (COD, mg/l) có giá trị trung bình dao động từ 24,67 đến 53 mg/l, cao hơn tiêu chuẩn cho phép 1,2 lần.
Giá trị trung bình qua 3 đợt quan trắc của thông số BOD5 là 20,92 mg/l, cao hơn so với TCCP 1,4 lần.
Hình 4.1 Diễn biến nồng độ các thông số chất lượng nước năm 2011.
Hàm lượng oxy hòa tan (DO) trong nước tại các điểm quan trắc đều thấp hơn tiêu chuẩn cho phép (TCCP) nhiều lần, với sự giảm dần từ điểm KM5,07 và đạt giá trị thấp nhất tại KM3,77, nơi tiếp nhận nước thải ô nhiễm từ Thị trấn Trâu Quỳ và Đại học Nông nghiệp Hà Nội Mặc dù từ KM3,77 trở đi, giá trị DO có dấu hiệu cải thiện, nhưng vẫn chưa đạt yêu cầu cho chất lượng nước phục vụ nông nghiệp Đối với các chất hữu cơ, chỉ số COD trong tháng 4 và tháng 6 năm 2011 cũng vượt quá TCCP tại các điểm quan trắc.
Vào năm 2011, mưa liên tục trong những ngày trước thời điểm quan trắc đã giúp pha loãng và phân tán chất ô nhiễm trong nguồn nước, dẫn đến giá trị COD thấp hơn so với hai thời điểm quan trắc trước đó và đạt tiêu chuẩn chất lượng nước Tuy nhiên, giá trị COD ghi nhận sự gia tăng bất thường tại các điểm KM4,95 và KM4,6, nơi có dòng chảy đi qua khu dân cư Thị trấn Trâu Quỳ và đặc biệt là trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, nơi phát sinh lượng nước thải chứa các chất độc hại từ hệ thống phòng thí nghiệm.
Xu hướng biến đổi của các chất dinh dưỡng trong nước sông tương tự như thông số hữu cơ, với giá trị quan trắc N-NH4+ và P-PO4 3- giảm nhẹ từ đầu nguồn đến KM3,77 Tuy nhiên, sau KM3,77, nồng độ các chất dinh dưỡng trong nước có xu hướng tăng lên do ảnh hưởng từ nguồn nước thải sinh hoạt từ khu dân cư xã Đa Tốn.
Kết quả đánh giá khả năng chịu tải và khả năng tự làm sạch của sông Cầu Bây theo Thông tư số 02/2009/TT-BTNMT cho thấy rằng thủy vực này đã vượt quá khả năng chịu tải đối với hầu hết các chỉ tiêu chất lượng nước.
Bảng 4.3 Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm (mg/l) trong nước thải của sông Cầu Bây
TSS N-NH 4 + N-NO 3 - P-PO 4 3- COD BOD Tháng 4/2011 -450,95 -33,89 3.673 -7,21 -29,66 -8,60
Chất lượng nước sông Cầu Bây, đoạn chảy qua huyện Gia Lâm, Hà Nội, đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, không đảm bảo tiêu chuẩn cho nguồn cấp nước phục vụ sản xuất nông nghiệp, theo dữ liệu quan trắc và đánh giá cảm quan từ khảo sát thực tế.
Tớnh chính xác của mô hình QUAL2K trong mô phỏng chất lượng nước sông Cầu Bây, đoạn chảy qua địa phận huyện Gia Lâm, Hà Nội
4.3.1 Phân tích độ nhạy và hiệu chỉnh các thông số trong mô hình
Phân tích độ nhạy của các thông số là quá trình đánh giá sự biến đổi của các giá trị biến trong mô hình khi các thông số liên quan thay đổi Mục tiêu của việc phân tích này là xác định các yếu tố gây ra sự nhạy cảm lớn của các biến, từ đó có biện pháp nâng cao độ chính xác của mô hình bằng cách tìm ra các giá trị tối ưu cho các thông số liên quan.
Hiệu chỉnh (Calibration) là quá trình điều chỉnh các thông số và biến số của mô hình để đảm bảo kết quả đầu ra phù hợp với thực tế (Lê Anh Tuấn) Quá trình này được thực hiện vào tháng 4 năm 2011, dựa trên các kết quả quan trắc thực tế Các thông số đã được phân tích độ nhạy được lựa chọn để điều chỉnh, nhằm cải thiện khả năng mô phỏng chất lượng nước với mục tiêu giảm thiểu sai số tính toán.
Đối với hàm lượng oxy hòa tan trong nước (DO, mgO 2 /L)
Các thông số ảnh hưởng đến kết quả DO bao gồm mô hình tính toán hệ số hấp thụ oxy và tác động của gió Việc xem xét sự thay đổi của DO khi thay đổi mô hình tính hệ số hấp thụ oxy cho thấy sự khác biệt rõ rệt Kết quả DO trung bình được ghi nhận trong hai trường hợp khác nhau.
(1) Áp dụng mô hình Internal, khụng xột tới ảnh hưởng của gió:
(2) Áp dụng mô hình Thackston-Dawson, khụng xột tới ảnh hưởng của gió:
Nhận xét: Khi thay đổi công thức tính hệ số hấp thụ oxy ka từ Internal sang Thackston-Dawson thì DO đã thay đổi trung bình 22,2%
Khi xét tới sự ảnh hưởng của gió trong mô hình, DO trung bình trong trường hợp:
(3) Áp dụng mô hình Internal, xét tới ảnh hưởng của gió:
Khi áp dụng công thức Banks – Herrera để tính toán ảnh hưởng của gió, DO trung bình đã tăng 23,5% so với khi không tính đến yếu tố này.
Đối với thông số nhu cầu oxy sinh học (BOD 5 , mgO 2 /L)
Với BOD5 thông số có ảnh hưởng lớn đến kết quả là hệ số oxy hóa OR (kdc) Kết quả BOD5 trung bình trong 2 trường hợp:
(1) Hệ số oxy hóa kdc = 2: BOD5, tb = 56,57 (mgO2/l).
(2) Hệ số oxy hóa kdc = 4: BOD5, tb = 54,31 (mgO2/l).
Nhận xét: Khi tăng hệ số oxy hóa 50% thì CBOD đã giảm trung bình 4%.
Đối với thông số Amonium (N-NH 4 + , àgN/L)
Với Ammonium thông số có ảnh hưởng lớn đến kết quả là hệ số thủy phân (kna) Hàm lượng N-NH4 + trung bình trong 2 trường hợp:
(1) Hệ số thủy phân kna = 1,5: N-NH4 + tb = 21086,30 (àgN/L).
(2) Hệ số thủy phân kna = 3: N-NH4 + tb = 20522,51 (àgN/L).
Nhận xét: Khi tăng hệ số thủy phân kna lên 50% thì nồng độ Amonium giảm trung bình 2,67%.
Kết quả hiệu chỉnh các thông số quan trọng được thể hiện ở bảng 4.4; kết quả hiệu chỉnh chi tiết được thể hiện trong hình 4.10.
Bảng 4.4 Giá trị các thông số hiệu chỉnh của mô hình
STT Thông số Phép toán Giới hạn điều chỉnh
Giá trị hiệu chỉnh cuối cùng
2 RWE Thay thế - Banks – Herrera
Hình 4.2 Giỏ trị các thông số hiệu chỉnh trong mô hình
4.3.2 Tính chính xác của mô phỏng Để đánh giá tính chính xác của mô phỏng, tôi tiến hành so sánh kết quả mô phỏng của mô hình QUAL2K với kết quả quan trắc chất lượng nước thực tế đối với 4 thông số quan trọng là BOD5, DO, N-NH4 +, P-PO4 3- Diễn biến chất lượng nước theo không gian của các thông số được biểu diễn trong hình 4.3.
Hình 4.3 Kết quả mô phỏng các thông số chất lượng nước vào tháng 3/2012
Sau khi áp dụng phương pháp thử sai, kết quả tính toán sai số giữa giá trị mô phỏng và thực tế đã được xác định ở ba thời điểm: tháng 6 năm 2011, tháng 8 năm 2011 và tháng 3 năm 2012, như được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 4.5 Giá trị sai số giữa mô phỏng và thực tế của các thông số (Đơn vị: %)
Thông số DO BOD 5 N-NH 4 + PO 4 3-
Theo bảng trên, ngoại trừ các giá trị sai số của thông số DO và BOD5 trong tháng 8 năm 2011, hầu hết các mức sai số đều nằm trong khoảng giá trị cho phép của mô hình, với mức sai số tối đa dưới 30% theo tiêu chuẩn của EPA (1997) và hướng dẫn sử dụng QUAL2K.
Manual 2008) Kết quả mô phỏng tại 3 thời điểm phù hợp nhất đối với thông số
P-PO4 3- và ít chính xác nhất đối với thông số DO Mặt khác, kết quả mô phỏng có độ tin cậy cao ở 2 thời điểm tháng 6 năm 2011 và tháng 3 năm 2012, trong khi tháng 8 năm 2011 có độ chính xác không đảm bảo đối với 2 thông số DO và BOD5 Vào thời điểm tháng 8 năm 2011, có sự biến động mạnh về nồng độ các chất ô nhiễm tại các vị trí quan trắc, do đó kết quả tính toán sai số giữa mô phỏng và thực tế chưa đạt giá trị mong muốn.
Kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp với thực tế đối với hầu hết các thông số đánh giá tại các thời điểm khác nhau, chứng tỏ các hệ số và thông số đầu vào đã phù hợp với điều kiện thực tế của sông Cầu Bây tại huyện Gia Lâm, Hà Nội Hơn nữa, các đường biểu diễn nồng độ của các thông số quan tâm cũng cho thấy sự tương đồng rõ rệt giữa kết quả đo đạc thực tế và kết quả mô phỏng từ mô hình.
Ứng dụng mô hình dự báo tác động của các kịch bản quy hoạch phát triển KTXH đến diễn biến chất lượng nước sông
Mô phỏng chất lượng nước sông Cầu Bây theo các kịch bản quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội giúp đánh giá tác động của từng kịch bản đến chất lượng nước Việc so sánh các ảnh hưởng này sẽ cung cấp cái nhìn rõ ràng về sự thay đổi chất lượng nước trong bối cảnh phát triển bền vững.
Kịch bản 1: Thành lập kịch bản gốc với điều kiện khí tượng và chất lượng nước hiện thời.
Giả thiết rằng các nguồn thải tại Thị trấn Trâu Quỳ được xử lý đạt tiêu chuẩn QCVN 14-2008/BTNMT về nước thải sinh hoạt, trong khi các nguồn thải tại xã Đa Tốn vẫn chưa được xử lý do quy trình quy hoạch nông thôn diễn ra chậm hơn.
Kịch bản 3 giả định rằng các nguồn thải phát sinh tại xã Đa Tốn được xử lý đạt tiêu chuẩn thải theo QCVN 14-2008/BTNMT, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt Trong khi đó, các nguồn thải tại Thị trấn Trâu Quỳ vẫn chưa được xử lý.
Giả thiết rằng tất cả các nguồn thải dọc theo lưu vực sông Cầu Bây đều được xử lý và đạt tiêu chuẩn xả thải trước khi thải vào sông, điều này sẽ góp phần bảo vệ môi trường và cải thiện chất lượng nước.
Hình 4.15 đến 4.18 so sánh sự biến đổi của các thông số đánh giá chất lượng nước theo từng kịch bản đánh giá
Hình 4.4 So sánh hàm lượng oxy hòa tan trong nước giữa các kịch bản đánh giá
Hàm lượng oxy hòa tan trong nước ổn định từ khoảng cách KM 7,02 đến KM 4,2, nhưng từ KM 4,2 trở xuống, hàm lượng này bắt đầu tăng lên.
Giá trị DO (độ hòa tan oxy) trong các kịch bản đánh giá chỉ đạt tối đa 2,3 mgO2/L, thấp hơn nhiều so với quy định tối thiểu 4 mgO2/L theo QCVN 08-2008/BTNMT Mặc dù nồng độ ô nhiễm từ các nguồn thải đã qua xử lý giảm, tạo điều kiện cho sự phát triển của hệ thực vật thủy sinh và tăng hàm lượng oxy hòa tan, nhưng việc tiếp nhận một lượng lớn nước thải từ khu dân cư và khu công nghiệp Sài Đồng B phía thượng nguồn đã làm giảm đáng kể giá trị DO của nguồn nước.
Hình 4.5 So sánh nhu cầu oxy sinh học trong nước giữa các kịch bản đánh giá
Nồng độ BOD5 trong nước có sự ổn định từ KM 7,02 đến KM 4,2, nhưng từ KM 4,2 trở đi, nồng độ BOD5 thay đổi rõ rệt giữa các kịch bản Sự khác biệt này xuất phát từ việc giảm nồng độ chất ô nhiễm do các nguồn thải và quá trình tự làm sạch của thủy vực Mặc dù BOD5 giảm dần theo hướng dòng chảy, nhưng vẫn chưa đạt tiêu chuẩn chất lượng cho nguồn nước mặt phục vụ tưới tiêu nông nghiệp.
Hình 4.6 So sánh nồng độ Nitơ-Amoni trong nước giữa các kịch bản đánh giá
Nồng độ Nitơ – Amoni có sự khác biệt từ KM 7,02 đến KM 4,0 và từ
Từ KM 4,0 trở đi, sự chênh lệch nồng độ giữa các kịch bản xử lý nước thải tại Thị trấn Trâu Quỳ và xã Đa Tốn trở nên rõ rệt hơn Mặc dù có quá trình tự làm sạch theo hướng dòng chảy, nồng độ Nitơ – Amoni trong nước vẫn ở mức cao và chưa đạt tiêu chuẩn cho chất lượng nước mặt phục vụ sản xuất nông nghiệp.
Hình 4.7 So sánh nồng độ Photpho vô cơ trong nước giữa các kịch bản đánh giá
Nồng độ Phospho vô cơ trong nước cho thấy sự khác biệt không lớn giữa các kịch bản, với xu hướng giảm dần về phía cuối dòng Giá trị P-PO4 3- dao động từ 955,51 đến 2034,65 àgP/L, vượt quá quy định từ 3,2 đến 6,8 lần.
Qua các kịch bản mô phỏng chất lượng nước sông Cầu Bây tại huyện Gia Lâm – Hà Nội, nhận thấy nước có xu hướng cải thiện về phía hạ nguồn nhờ vào các quá trình pha loãng, xáo trộn và sinh học Mặc dù các chất ô nhiễm đã giảm đáng kể trong môi trường nước, ở kịch bản 4, khi nguồn nước thải được xử lý đạt tiêu chuẩn, các thông số đánh giá vẫn cao hơn quy định nhiều lần Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng này là do nước thải từ khu dân cư và khu công nghiệp, đặc biệt là từ KCN Sài Đồng B, có độ ô nhiễm cao, vẫn tiếp tục làm tăng nồng độ chất ô nhiễm trong sông.
