Bài viết trình bày đánh giá hiện trạng và mô phỏng chất lượng nước sông Cu Đê thành phố Đà Nẵng. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng mô hình toán MIKE 11 để đánh giá hiện trạng và mô phỏng chất lượng nước sông Cu Đê, TP. Đà Nẵng.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC SƠNG CU ĐÊ THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG Đồn Thụy Kim Phương TĨM TẮT Trong nghiên cứu này, mơ hình tốn MIKE 11 phát triển áp dụng để đánh giá chất lượng nước sông Cu Đê, TP Đà Nẵng Sau hiệu chỉnh kiểm định với số liệu năm 2014, mơ hình sử dụng để dự báo chất lượng nước sông Cu Đê, phục vụ cho kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội (KT-XH) TP tương lai Kết mơ chất lượng nước sơng Cu Đê có xu hướng giống với thực đo có kết chênh lệch với thực đo không lớn (sai số < 5%) Hầu hết, thông số (DO, nhiệt độ, N-NH4, P-PO4) đạt QCVN 08:2018/BTNMT Ngoại trừ số vị trí khu vực hạ lưu sông Cu Đê (S1, S2), môi trường nước bị ô nhiễm hữu nồng độ BOD5 cao (10 - 27 mg/l) Kết cho thấy, hàm lượng BOD đạt giá trị cao vào mùa kiệt; thời điểm khả tự làm sơng thấp nhất, lưu lượng dịng chảy nhỏ, khả khuếch tán ôxy nước thấp, nên dễ bị nhiễm cao Từ khóa: MIKE 11, mơ hình chất lượng nước, sơng Cu Đê Nhận bài: 24/5/2022; Sửa chữa: 3/6/2022; Duyệt đăng: 6/6/2022 Mở đầu Nằm vùng kinh tế trọng điểm miền Trung, TP Đà Nẵng địa phương có q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa nhanh Việt Nam, với vấn đề nhiễm nước như: xâm nhập mặn, thiếu nguồn nước sạch, ô nhiễm sông, biển quan tâm thường xuyên Do đó, việc đánh giá trạng chất lượng nước quan trọng Mặt khác, việc áp dụng công nghệ thông tin quản lý mơi trường phổ biến Mơ hình tính tốn cịn nhiều hạn chế sở liệu, nhiên phương pháp tìm xu hướng chuyển biến khả chịu tải nguồn nước, cho phép đánh giá, dự báo chất lượng nước với độ xác cao Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng mơ hình tốn MIKE 11 để đánh giá trạng mơ chất lượng nước sông Cu Đê, TP Đà Nẵng Phương pháp áp dụng mơ hình 2.1 Phạm vi nghiên cứu Sơng Cu Đê là dịng sơng tại phía Bắc TP Đà Nẵng Sơng có chi lưu chính sơng Bắc sông Nam bắt nguồn từ dãy núi Trường Sơn (Hình 1) 2.2 Số liệu thực đo Các thơng số nhiệt độ, pH, DO, độ đục đo thiết bị đo nhanh trường Những thơng số cịn lại phân tích phịng thí nghiệm theo phương pháp tiêu chuẩn ▲Hình Bản đồ phân bố tiểu lưu vực sông Cu Đê (Nguồn: Trung tâm Nghiên cứu BVMT Đà Nẵng) ▲Hình Vị trí thu mẫu sơng Cu Đê 2.3 Cách tiếp cận mơ hình 2.3.1 Các phương trình mơ hình Hệ phương trình Saint – Venant với biến Q (x, t) h (x, t) sau : wh wQ q Phương trình liên tục: Q (1.1) wt wx Phương trình động lượng: QQ wQ wQ § Q · wh (1.2) D gA g wt ă wx ăâ A áạ wx AC R Khoa Xây Dựng Cơng Trình Thủy, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng Chuyên đề II, tháng năm 2022 25 Bảng Vị trí thu mẫu sơng Cu Đê (được thể Hình 2) STT Vị trí Chân cầu Nam Ơ Dưới hầm đường dẫn hầm Hải Vân, cách cửa sông 2.600 m phía thượng nguồn Tọa độ 16° 7'14.56"N - 108° 7'19.31"E 16° 6'54.97"N - 108° 6'16.27"E Kí hiệu S1 S2 Chân cầu Trường Định 16° 6'30.64"N - 108° 5'13.85"E S3 Cách cửa sơng 6.000 m phía thượng nguồn 16° 6'42.95"N - 108° 4'0.19"E S4 Dưới chân cầu Phò Nam Cách thượng nguồn 4.000 m phía cửa sơng 16° 7'53.00"N - 108° 3'4.57"E 16° 8'0.82"N - 108° 1'5.52"E S5 S6 Cách thượng nguồn 2.000 m phía cửa sơng 16° 7'21.65"N - 108° 0'0.72"E S7 Hợp lưu sông Bắc - sông Nam 16° 7'18.52"N - 107°58'59.70"E S8 Trong phương trình (1.1) giả thuyết dòng nhập bên trực giao với dòng nên phương trình động lượng mới, ta triệt tiêu thành phần q Q: Lưu lượng dòng chảy (m3/s); A: diện tích mặt cắt ướt (m2); R: bán kính thủy lực (m); 16 R (√m/s); Hệ số Manning C: Hệ số Chezy (C n 1 ) M C MR n n: Hệ số nhám; q: lưu lượng dòng nhập lưu đơn vị chiều dài dọc sơng (m2/s); B: Bề rộng mặt thống (m); h: độ sâu dòng chảy (m); α: hệ số hiệu chỉnh động - Mô đun tải - khuếch tán dựa phương trình chiều bảo tồn khối lượng chất hịa tan lơ lửng sơng sử dụng kết tính tốn mơ đun thuỷ lực Phương trình chủ đạo mơ đun phương trình tải - khuếch tán có dạng: ∂AC ∂QC ∂ ∂C + − AD = − AKC + C2 q (3.3) ∂t ∂x ∂x ∂x C: nồng độ chất quan tâm; D: hệ số khuếch tán; K: hệ số phân hủy tuyến tính; C2: nồng độ nguồn; q: dòng gia nhập đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s); x: biến không gian (theo chiều dọc sông); t: biến thời gian; A: diện tích mặt cắt ngang 2.3.2 Quy trình áp dụng mơ hình Quy trình áp dụng mơ hình tính tốn diễn biến chất lượng môi trường nước sông Cu Đê thực theo sơ đồ (Hình 3) Số liệu mạng lưới sơng (Hình 4) cung cấp từ số liệu Dự án xây dựng mơ hình thủy văn thủy lực phát triển đô thị TP Đà Nẵng số liệu đo địa hình sơng Cu Đê từ dự án xây dựng Nhà máy cấp nước Hòa Liên 2.3.3 Mơ hình thủy lực Sơ đồ mạng lưới sơng: Dữ liệu mạng lưới sông Cu Đê với 240 điểm, 34 mặt cắt 26 Chuyên đề II, tháng năm 2022 ▲Hình Sơ đồ áp dụng mơ hình tính tốn diễn biến chất lượng nước ▲Hình Sơ đồ mạng lưới lưu vực sông Cu Đê Điều kiện biên: Số liệu điều kiện biên cần để chạy mơ hình, bao gồm: ▲Hình Dịng chảy tiểu lưu vực Cu Đê giai đoạn 1/2014 12/2015-Biên thượng lưu Biên thượng lưu (MC 0.000 m): Thừa hưởng kết mơ dịng chảy sông Cu Đê từ tháng 1/2014 đến 12/2015 Biên hạ lưu (MC 14.000 m): Thừa hưởng kết tính tốn mực nước triều vịnh Đà Nẵng từ ngày 1/1/2014 đến ngày 1/12/2015 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ ▲Hình Mực nước triều vịnh Đà Nẵng từ ngày 1/1/2014 đến 1/12/2015 (Biên hạ lưu) Biên nguồn thải: Các nguồn thải lưu vực sông Cu Đê có lưu lượng nhỏ, gần thường thải cánh đồng trước vào sông Cu Đê, nên gộp chung lại Để mơ hình mơ xác chất lượng nước sơng, cần tính tốn tổng hợp lưu lượng, thông số chất lượng nước thải quy vị trí thể xả thải nguồn thải khu công nghiệp (KCN) nguồn thải dân cư (KDC) Số liệu tính tốn lấy từ báo cáo “Điều tra trạng xả nước thải vào nguồn nước sông Cu Đê sông Túy Loan” + Nguồn thải KCN (lý trình 11.000 m): Tiếp nhận nguồn thải chủ yếu như: nước chảy tràn; nước thải Trạm xử lý nước thải (XLNT) KCN Hòa Khánh + Nguồn thải KDC (lý trình 12.500 m): Tiếp nhận nguồn thải chủ yếu nước chảy tràn; thải sinh hoạt; nước thải từ hoạt động sản xuất nông nghiệp số khác 2.3.4 Mơ hình khuếch tán chất lượng nước Số liệu biên dùng mô hình chất lượng nước trích xuất từ kết mơ hình thủy lực hiệu chỉnh kiểm định Trong bước chạy mơ hình chất lượng nước, bổ sung thêm thông số ô nhiễm vào điều kiện biên mơ hình (Bảng 2) ▲Hình Kết thí nghiệm thực đo vị trí lấy mẫu Nồng độ BOD5 số vị trí sông vượt giá trị cho phép cột A2 QCVN 08:2015 Với nồng độ DO, phía thượng lưu giá trị cao so với hạ lưu, điều thấy chất lượng nước vùng thượng lưu tốt, với trạng tiến hành khảo sát 3.2 Kết mơ hình thủy lực Kết mô chất lượng nước sông Cu Đê thực từ ngày 1/1/2014 -1/12/2015 Ở sử dụng mực nước thực đo từ ngày 23/11 - 30/11/2014 mặt cắt 11087.62m (Trạm Nam Ơ) để phục vụ cơng tác hiệu chỉnh kiểm định mơ hình (Hình 8) Hệ số nhám n = 0.04 hiệu chỉnh toàn tuyến để mô thủy lực Bảng Điều kiện biên thơng số nhiễm mơ hình khuếch tán chất lượng nước Biên Biên thượng lưu (MC 0.000 m) Biên hạ lưu (MC 14.000 m) Biên nguồn thải KCN (MC 11.000 m) Biên nguồn thải KDC (MC 12.500 m) DO (mg/l) 5.5 Nhiệt độ (ºC) 28,1 BOD5 (mg/l) 1,4 5,42 28,2 2,4 5,1 30,1 38,5 4,7 33,3 304,33 Kết thảo luận 3.1 Kết tiến hành thí nghiệm Nhìn chung, hầu hết thơng số chất lượng nước sông Cu Đê DO, BOD5, PO43-, NH4+ đạt Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia chất lượng nước mặt QCVN 08:2015 cột A2 ▲Hình Mực nước tính tốn thực đo Trạm Nam Ô từ ngày 23/11 - 30/11/2014 Kết mô thủy lực (Hình 8) đưa hình dạng xu Sai số mực nước thực đo mơ vị trí khơng lớn Với số liệu đo đạc dùng để hiệu chỉnh kiểm định chấp nhận điều kiện số liệu đo đạc hạn chế 3.3 Kết mô hình khuếch tán chất lượng nước Để hiệu chỉnh thơng số mơ hình chất lượng nước, số liệu quan trắc chất lượng nước vào mùa kiệt số điểm quan trắc dọc sông sử dụng Các số liệu đo đạc đồng với số liệu dùng làm biên biên mơ hình thủy lực mơ Chun đề II, tháng năm 2022 27 Bảng Giá trị thực đo tính tốn thơng số DO BOD ngày 8/5/2015 Vị trí S1 S4 S8 Vị trí S1 S4 S8 BOD (mg/l) Tính tốn (mg/l) 2.4 2.301518 1.4 Tính tốn (mg/l) 5.42 5.435367 5.5 Thực đo (mg/l) 2.4 2.3 1.4 Sai số (%) 0.066 DO (mg/l) Thực đo (mg/l) 5.4 5.2 5.48 Sai số (%) 0.37 4.526 0.365 hình chất lượng nước Tất dựa “Kết quan trắc chất lượng nước sông, hồ TP Đà Nẵng giai đoạn 2014 - 2016” Việc hiệu chỉnh mơ hình chất lượng nước tiến hành mùa kiệt (5/2014), thông qua việc hiệu chỉnh kết tính tốn chất lượng nước điểm có số liệu thực đo (ngày 8/5/2014) Với hệ số kd = 0.5 hiệu chỉnh mơ hình kết sau (Bảng 3) Do trạng số liệu chất lượng nước nói chung số liệu lưu vực sơng Cu Đê nói riêng khơng đo đạc thường xun liên tục, nên kết thường không tối ưu, nằm sai số cho phép Cụ thể, kết hiệu chỉnh chất lượng nước thể Hình 10 cho kết hợp lý Mơ hình cho kết có xu hướng khớp với thực đo với thực tế Do vậy, sử dụng thơng số mơ để tính tốn cho kịch chất lượng nước sơng Cu Đê theo Quy hoạch 2030 ▲Hình Kết tính tốn hiệu chỉnh DO thực đo 8/5/2014 ▲Hình 10 Kết tính tốn hiệu chỉnh BOD thực đo 8/5/2014 3.4 Xây dựng kịch chất lượng nước sông Cu Đê theo Quy hoạch 2030 -KCN: + KCN Hòa Khánh: 12.000 m3/ngày đêm Nước sau xử lý đạt loại B (theo QCVN 40:2011/BTNMT) + KCN Hòa Khánh mở rộng: XLNT KCN Hòa Khánh mở rộng tiếp nhận thêm nước thải từ cụm 28 Chuyên đề II, tháng năm 2022 Bảng Số liệu kịch chất lượng nước sông Cu Đê theo Quy hoạch 2030 Tên nguồn Lưu lượng Tải lượng BOD Ghi thải (m3/s) (mg/l) KCN 0.194 50 Nguồn thải từ KCN KDC 1.09 304.34 Nguồn thải từ KDC Bảng Kết mô nồng độ BOD mặt cắt 11087,6 m (vị trí tiếp nhận nguồn thải KCN) Thời Hiện Kịch Hiện Kịch QCVN gian MC tại 08:2015/ KCN BOD (mg/l) BOD5 (mg/l) BTNMT (Cột A1) (Đối với thông số BOD5 (mg/l)) Mùa kiệt 2.434 4.431 2.427 4.416 (8/5) Mùa lũ 1.471 1.685 1.466 1.679 (26/10) Bảng Kết mô nồng độ BOD mặt cắt 12445.1 m kịch 2030 Thời Hiện gian MC KDC Kịch Hiện Kịch QCVN 08:2015/ BTNMT (Cột A1) (Đối với thông số BOD5 BOD (mg/l) BOD5 (mg/l) (mg/l)) Mùa kiệt 2.446 4.432 2.438 4.418 (8/5) Mùa lũ 1.703 2.709 1.698 2.7 (26/10) công nghiệp Thanh Vinh: 4.500 m3/ngày đêm Nước sau xử lý đạt loại B (theo QCVN 40:2011/BTNMT), BOD = 50 mg/l - KDC: 94.481 m3/ngày.đêm lưu lượng ước tính khoảng 1.094 m3/s, nồng độ chất ô nhiễm giữ nguyên thời điểm Kết mô thông số BOD DO tồn lưu vực sơng Cu Đê với xu hướng trạng chất lượng nước sông Cu Đê (nồng độ BOD tăng dần từ thượng nguồn hạ lưu – khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp từ nguồn thải KDC, KCN, nồng độ DO có xu hướng giảm dần hạ lưu) QCVN 08:2015/BTNMT: A1 - Sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt, bảo tồn động thực vật thủy sinh mục đích khác loại A2, B1 B2 Hàm lượng BOD mặt cắt 12445,1 m (vị trí tiếp nhận nguồn thải KDC) có chênh lệch tương tự Thời điểm (BOD = 2,446 mg/l) thời điểm mô theo kịch (BOD = 4,432 mg/l) (Bảng 5) Tại mặt cắt 11087.6 (vị trí tiếp nhận nguồn thải KCN) mặt cắt 12445.1 (vị trí tiếp nhận nguồn thải KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ KDC) có nồng độ BOD tăng cao vào tháng mùa kiệt (tháng 2-8) giảm dần vào mùa lũ (tháng 9-12) Nồng độ BOD mô thấp vào tháng 10 Thời điểm sông Cu Đê nhận lượng nước lớn từ thượng nguồn đổ (lũ), dòng chảy mạnh tạo điều kiện tăng khả khuếch tán ôxy nước, đồng thời pha lỗng chất nhiễm lớn dẫn đến nồng BOD giảm thời điểm mùa lũ Kết mô cho thấy hàm lượng BOD đạt giá trị cao vào mùa kiệt Vì để đánh giá chất lượng môi trường nước, ta xét cho mùa kiệt (tháng 5-7) thời điểm khả tự làm sông thấp nhất, lưu lượng dòng chảy nhỏ, khả khuếch tán ôxy nước thấp, nên dễ bị ô nhiễm cao Với thay đổi theo kịch quy hoạch 2030 hàm lượng BOD vị trí mặt cắt 11087.6 m mặt cắt 12445,1 m vượt 1,1 lần ngưỡng cho phép QCVN 08:2015/ BTNMT (Cột A1) Kết luận Kết phân tích nước cho thấy, môi trường nước TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Khoa học Công nghệ Môi trường, Trung tâm Tiêu chuẩn Chất lượng (2002), Các tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam Môi trường, tập 3, 4: Chất lượng nước, Hà Nội Nguyễn Dương Quang Chánh (2014), Áp dụng mơ hình MIKE 11 mơ chất lượng nước hạ lưu Vu Gia - Hàn, TP Đà Nẵng, Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng QCVN 08:2015/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia nước mặt sông Cu Đê TP Đà Nẵng có biến động điểm nghiên cứu Hầu hết thông số (DO, nhiệt độ, COD, N-NH4, P-PO4) đạt QCVN 08:2018/BTNMT Ngoại trừ số vị trí khu vực hạ lưu sơng Cu Đê (S1, S2) nước bị ô nhiễm hữu BOD5 cao (10 - 27 mg/l) Kết mô chất lượng nước sơng Cu Đê có xu hướng giống với thực đo có kết chênh lệch với thực đo khơng lớn (sai số < 5%) nên áp dụng để dự báo diễn biến chất lượng môi trường nước sông Cu Đê cho tương lai Kết cho thấy hàm lượng BOD đạt giá trị cao vào mùa kiệt thời điểm khả tự làm sơng thấp nhất, lưu lượng dịng chảy nhỏ, khả khuếch tán ôxy nước thấp, nên dễ bị ô nhiễm cao Trong tương lai, sông Cu Đê trực tiếp tiếp nhận nguồn nước thải lớn từ KCN khu dân cư lân cận mơi trường nước sơng Cu Đê bị ô nhiễm hữu Để Nhà máy nước Hòa Liên tương lai hoạt động hiệu cần có giải pháp phù hợp giảm thiểu ô nhiễm hữu sông Cu Đê thời gian tới■ Sở TN&MT(2016), Điều tra trạng xả nước thải vào nguồn nước lưu vực sông Cu Đê sông Túy Loan, UBND TP Đà Nẵng Trung tâm Nghiên cứu BVMT - Đại học Đà Nẵng, Báo cáo thủy văn Dự án Nhà máy nước Hòa Liên, Viện thủy điện Năng lượng tái tạo Trần Xuân Vũ (2013), Quản lý môi trường lưu vực sông Cu Đê TP Đà Nẵng mơ hình chất lượng nước, Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng (2007), A modelling System for Rivers and Channels User Guide, DHI Water and Environment, Denmark ASSESSMENT OF CURRENT STATUS AND WATER QUALITY MODELLING FOR THE CU DE RIVER IN DA NANG CITY Doan Thuy Kim Phuong University of Science and Technology, University of Danang ABSTRACT In this paper, the one-dimensional MIKE 11 model was applied for water quality assessment in Cu De river, Danang city After calibrating and validating with the data in the year 2014, the model was used to predict water quality for the Cu De river which correspondents plans for economic and social development of Da Nang in the future This study shows that the simulation results are similar to the measurement data and the difference between the modelled and measured data are small (error