Bài viết Phát triển mô hình Streeter - Phelps dự đoán chất lượng nước khu vực thượng nguồn sông Nhuệ chịu tác động của một số nguồn thải bước đầu phát triển mô hình đơn giản dự đoán chất lượng nước sông và xác định ảnh hưởng của các nguồn thải tới chất lượng thủy vực. Mô hình tính toán dựa vào phương trình cơ bản Streeter - Phelps.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH STREETER - PHELPS DỰ ĐỐN CHẤT LƯỢNG NƯỚC KHU VỰC THƯỢNG NGUỒN SÔNG NHUỆ CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA MỘT SỐ NGUỒN THẢI Nguyễn Thị Ngọc Ánh1 Lê Huy Hàm1,3 Nguyễn Thị Lan, Nguyễn Đình Quang (2) Hồng Thị Thu Hương* TĨM TẮT Sơng Nhuệ, chảy địa bàn Hà Nội thuộc lưu vực sông ô nhiễm trọng điểm ở Việt Nam Do ảnh hưởng thị hóa gia tăng hoạt động nông nghiệp khu vực ven đô, chất lượng nước sông ngày suy giảm nghiêm trọng Nghiên cứu đã bước đầu phát triển mơ hình đơn giản dự đốn chất lượng nước sơng xác định ảnh hưởng nguồn thải tới chất lượng thủy vực Mô hình tính tốn dựa vào phương trình Streeter - Phelps Kết nghiên cứu cho thấy, nước thải sinh hoạt nước thải từ các trang trại chăn nuôi nguồn thải quan trọng nhất ảnh hưởng tới chất lượng nước sông Nhuệ và dòng sông có khả tự làm thấp Đánh giá diễn biến DO cho giá trị kiểm định χ2 = 0,48 thể hiện mô hình có độ tin cậy cao Vận tốc dòng chảy, độ sâu mực nước thơng số nhạy với mơ hình Mơ hình đã xây dựng thích hợp để xác định các ng̀n thải chính và đánh giá khả tự làm của dòng sông sau tiếp nhận nguồn thải Việc ứng dụng mô hình cho phép đề xuất những giải pháp hiệu quả để bảo vệ và phục hồi chất lượng dòng sơng Từ khóa: Chất lượng nước sơng, khả tự làm sạch, phương trình Streeter - Phelps Nhận bài: 19/4/2022; Sửa chữa: 10/5/2022; Duyệt đăng: 15/5/2022 Đặt vấn đề Hàm lượng ơxy hịa tan nước (DO) một những thông số quan trọng để biểu diễn chất lượng nước dòng chảy Các q trình ảnh hưởng đến DO tiêu thụ ôxy vi sinh vật sống nước trầm tích, và quá trình phân hủy chất hữu dễ phân hủy sinh học (thể hiện qua giá trị nhu cầu ơxy sinh hóa BOD) Có nhiều phương pháp sử dụng để đánh giá diễn biến chất lượng nước thủy vực quan trắc hay mơ hình hóa Tuy nhiên, việc xác định chất lượng nước sông hồ gặp nhiều khó khăn đánh giá mức đợ biến đổi theo không gian và thời gian Để đánh giá thay đổi chất lượng nước, đặc biệt diễn biến BOD, DO sông theo không gian thời gian, mơ hình chất lượng nước sơng Streeter Phelps đã bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1925 và tiếp tục cho thấy hiệu quả đến ngày Các tác giả xây dựng mối quan hệ phân hủy chất thải hữu DO sơng, phát triển mơ hình sụt giảm ơxy hịa tan cổ điển Trong quá trình ứng dụng, điều chỉnh mở rộng mơ hình thực liên quan đến thông số DO, BOD động học BOD bậc để dự đốn DO dịng sơng cho phép mơ hình hóa chất lượng nước đánh giá tác động nguồn xả thải khác [1] Mặc dù phương trình Streeter - Phelps phương trình cổ điển, nhiều nghiên cứu khai thác sửa đổi phương trình để phát triển mơ hình tính tốn chất lượng nước dịng chảy khác [2], [3] Lưu vực sông Nhuệ - Đáy có vị trí vai trị quan trọng phát triển kinh tế - xã hội, nhiên kết quan trắc cho thấy sông Nhuệ lưu vực sơng có chất lượng mơi trường nước khu vực phía Bắc [4] Chất lượng nước nước sông Khoa Công nghệ Nông nghiệp, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Viện Khoa học Công nghệ môi trường, Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Di truyền Nông nghiệp, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam Chuyên đề II, tháng năm 2022 bị ô nhiễm cách nghiêm trọng hoạt động phát triển kinh tế - xã hội từ khu đô thị, dân cư, làng nghề, hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ hai bên bờ sơng Có nhiều nghiên cứu chất lượng nước sông Nhuệ, sông Đáy thực Nhóm tác giả thuộc Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Môi trường năm 2006 sử dụng mơ hình MIKE 11 để mơ tính tốn thủy lực, chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy với BOD DO Kết có thấy, chất lượng nước sơng nhánh sơng bị ô nhiễm mức độ khác tùy thuộc đoạn sơng, thời điểm, lưu lượng dịng chảy đặc biệt lượng thời điểm xả thải nguồn thải [5] Năm 2004 - 2009, dự án Nghiên cứu mạng lưới quan trắc chất lượng môi trường nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy, nghiên cứu sử dụng mơ hình QUAL2E, mơ hình sinh thái AQUASIM phương pháp đánh giá nhanh WHO để tính tốn diễn biến chất lượng nước theo kịch khác Kết nghiên cứu đưa chất lượng nước sông Nhuệ vượt tiêu chuẩn cho phép hạng B1 từ 1,8 đến lần có biến đổi mạnh mẽ theo chiều dài sơng [6] Mục tiêu nghiên cứu này xây dựng mơ hình đơn giản, dựa vào phương trình Streeter - Phelps sử dụng thơng số đặc trưng là DO, BOD và đặc điểm hình thái, thủy văn đoạn sơng, nhiệt độ dịng thải chảy vào sơng Mơ hình cho phép đánh giá ảnh hưởng nguồn thải và phát triển tính tốn để dự đoán chất lượng nước sơng vị trí khác Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu thực đoạn sông Nhuệ chảy qua Phú Diễn, Hà Nội dài 3,2 km, bắt nguồn từ cống Chèm, lấy nước từ sơng Hồng chảy vào Vị trí cụ thể đặc điểm 10 điểm lấy mẫu mô tả Bảng Trong 10 điểm lấy mẫu có nhánh thải đổ vào sơng Nhuệ, vị trí nhánh thải minh họa Hình mơ hình chia đoạn theo phương trình Streeter - Phelps Bảng Vị trí lấy mẫu sơng Nhuệ Mã Vị trí Tọa độ Đặc điểm Nhánh thải vào N1 Cống Chèm (sau cửa cống khoảng 30m) Cống thải gần nhà máy nước Thụy Phương Cổng thải sinh hoạt phường Thụy Phương (sau cửa cống khoảng 3m) Điểm lấy sộng cạnh cống Liên Mạc (sau cửa cống khoảng 20m) Cống thải Cổ Nhuế (sâu cửa cống khoảng 3m) Cống thải đường Tân Nhuệ (sau cửa cống khoảng 3m), cách cầu Mới khoảng 200m Điểm lấy sông cách cầu Mới khoảng 30 m Cống thải sau Cầu Mới (sau cửa cống khoảng 3m) Điểm lấy sông cách cầu Noi khoảng 30 m Cống thải gần Cầu Noi (sau cửa cống khoảng m) 105046’14.64”E 2105’19.46”N 105046’15.77”E 2105’49.10”N 105046’16.21”E 2104’43.63”N Nước thải từ nhà máy cọc bê tông Chèm Nước thải sinh hoạt người dân phường Thụy Phương Nước thải sinh hoạt người dân phường Thụy Phương (1) Khoảng cách tới thượng nguồn (m) 324 (2) 632 (3) 1.150 105046’16.82”E 2104’48.82”N Nước thải sinh hoạt người dân phường Thụy Phương (4) 1.610 105046’17.35”E 2104’29.19”N Nước thải sinh hoạt từ khu Cổ Nhuế (5) 1.930 105046’18.82”E 2104’16.71”N Nước thải từ trường Học viện Cảnh sát (6) 2.420 105046’19.06”E 2104’2.32”N 105046’19.85”E 2103’58.63”N Khơng có cống thải điểm Nước thải từ nhà máy sơn (7) 2.580 105046’20.75”E 2103’46.62”N 105046’20.17”E 2103’41”N Khơng có cống thải điểm Nước thải từ Viện chăn nuôi Quốc gia (8) 3.200 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 Chuyên đề II, tháng năm 2022 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Mơ tả số liệu sử dụng Số liệu đầu vào cho mơ hình chất lượng nước Streeter - Phelps bao gồm: (1) Các điều kiện thủy văn sông: Nhiệt độ (oC), lưu lượng dòng chảy (m3/s), vận tốc dòng chảy bề mặt (m/s), độ sâu (cm); (2) giá trị các thơng sớ chất lượng nước vị trí quan trắc (Bảng 2.2; 2.3); (3) Các nguồn ô nhiễm: Vị trí nguồn gây nhiễm dổ xuống dịng sông; nồng độ chất nguồn gây ô nhiễm lưu vực sông; lưu lượng nước thải nguồn gây ô nhiễm Quan trắc được tiến hành đợt là tháng 1, tháng và tháng năm 2021 Bảng Các thông số đo trường STT Thơng số Nồng độ ơxy hịa tan (DO) (mg/L) pH Nhiệt độ nước (0C) Độ dẫn điện (EC) (µS/cm) Độ sâu (cm) Vận tốc chảy bề mặt (m/s) Thông số BOD5 (mgO2/L) COD (mg O2/L) NH4+ - N (mg/L) NO2- - N (mg/L) NO3- - N (mg/L) TKN (mg/L) 2.2.3 Xây dựng mơ hình Mơ hình Streeter - Phelps dựa đánh giá cân vật chất cho điểm bất kỳ sơng Trong mơ hình, sơng chia thành các đoạn nhỏ, với đoạn có thơng số xác định chiều dài, độ sâu, vận tốc dòng chảy, nhiệt độ hình dạng xác định Phương trình Streeter - Phelps được áp dụng phân đoạn i =1÷ n để tìm lời giải cho toán (Hình 1) [7] Phương pháp Thiết bị HACH HQ40d Thiết bị HACH HQ40d Thiết bị HACH HQ40d Thiết bị HACH HQ40d Thước dây có buộc vật nặng Thả miếng xốp trơi theo dịng chảy, bấm thời gian Bảng Các thơng sớ và phương pháp phân tích phịng thí nghiệm STT W tải lượng ô nhiễm với W= Qw.Lw; Ls giá trị BOD dịng chảy sơng (mg/l); Q lưu lượng dịng chảy sơng (m3/s); Lw giá trị BOD dòng chất thải dòng chảy nhánh đổ vào sơng (mg/l); Qw lưu lượng dịng chất thải dịng chảy nhánh đổ vào sơng (m3/s) Phương pháp TCVN 6001-2008 TCVN 6491-1999 TCVN 6179-1996 TCVN 6178-1996 TCVN 61801-1996 TCVN 5987-1995 2.2.2 Phương trình Streeter - Phelps Phương trình Streeter - Phels áp dụng để đánh giá khả tự làm nguồn nước sau [1]: Trong đó, D độ thiếu hụt ơxy nước sông sau tiêu thụ phân hủy chất hữu theo thời gian, mg/l; D0 độ thiếu hụt ban đầu sau nước sông nước thải xáo trộn, mg/l; L0 BOD lúc đầu sau nước sông nước thải xáo trộn, mg/l; Kd số tốc độ khử ôxy, ngày -1; Ka số tốc độ nạp khí, ngày -1; Với giả thiết dịng chảy nhánh đổ vào xáo trộn mặt cắt ngang điểm xả, nồng độ L0 (mg/l) xác định sau: Nhánh thải Nhánh thải vào (1) vào (2) Vào Qini CBODini NBODini DOini Nhánh thải vào (4) Nhánh thải vào (3) 10 11 CBOD (1) CBOD (2) CBOD (3) NBOD (1) NBOD (2) NBOD (3) DO (1) DO (2) DO (3) Tải lượng ô nhiễm Nhánh thải vào (5) 12 13 Nhánh thải vào (6) 14 15 Nhánh thải vào (7) 16 17 18 Nhánh thải vào (8) 19 CBOD (19) NBOD (19) DO (19) 20 CBOD (20) NBOD (20) DO (20) Tải lượng ô nhiễm Mỗi đoạn xác định đặc điểm chiều dài, độ sâu, tốc độ, nhiệt độ, lưu lượng ▲Hình Sơ đồ cân vật chất cho nhiều đoạn sông nhỏ (n=20) Giá trị DO BOD nguồn nhiễm dịng vào khảo sát đầu đoạn sông Trong đoạn này, dòng vào đoạn từ đầu đoạn thoát cuối đoạn Trong thời gian này, chất nhiễm phân hủy bổ sung phụ thuộc vào điều kiện thực tế Giá trị ban đầu các thông số đoạn thay đổi phụ thuộc vào phụ lưu nguồn thải vào dòng thải tải lượng ô nhiễm từ hoạt động sinh hoạt, nông nghiệp, trang trại công nghiệp Ở cuối bước thời gian, khối lượng thành phần chất ô nhiễm kh́y trộn hồn tồn 2.2.4 Kiểm định mơ hình Sử dụng phân phối Chi bình phương (χ2) để kiểm định phù hợp mơ hình số liệu quan trắc (goodness of fit) Tra bảng χ2 để xác định giá trị kiểm định, ta thấy với mức ý nghĩa alpha = 0,1 df=5 χ2 = 1,61 Như vậy với χ2