Nghiên cứu tác động của các loại nguồn xả thải đến chất lượng nước vùng bán đảo cà mau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA CÁC LOẠI NGUỒN XẢ THẢI ĐẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÙNG BÁN ĐẢO CÀ MAU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA CÁC LOẠI NGUỒN XẢ THẢI ĐẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÙNG BÁN ĐẢO CÀ MAU Ngành: Môi trường đất nước Mã số: 44 03 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hà Nội – 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan tất kết nghiên cứu Luận án cá nhân tơi thực khóa học nghiên cứu sinh hoàn toàn chịu trách nhiệm lời cam đoan Tác giả luận án ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam; Ban Tổ chức Hành (Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam); Viện Nước, Tưới tiêu Môi trường; Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình học tập nghiên cứu thực luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới Thầy hướng dẫn GS.TS (Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam) GS.TS người hướng dẫn khoa học luận án, Thầy đào tạo, hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả suốt trình thực hoàn thiện luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy, cô, nhà khoa học, chuyên gia quan có đóng góp ý chân thành quý báu giúp tác giả hồn thiện tốt cơng trình nghiên cứu Tác giả xin chân thành cảm ơn đến anh, chị, bạn bè đồng nghiệp Phòng Tài nguyên nước Biến đổi Khí hậu (Viện Nước, Tưới tiêu Môi trường); Trung tâm Thủy công Thủy lực (Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam) tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt trình học tập thực luận án Đồng thời tác giả cảm ơn bạn bè đồng nghiệp quan tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trình thực hiện, chia sẻ trao đổi thông tin số liệu phục vụ nghiên cứu Cuối tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân động viên, ủng hộ chỗ dựa vững suốt trình nghiên cứu giúp tác giả hoàn thành luận án iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH ix CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU xiii MỘT SỐ KÝ HIỆU xiv MỘT SỐ THUẬT NGỮ xv MỞ ĐẦU 1 ĐẶT VẤN ĐỀ .1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU NỘI DUNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN TÁC ĐỘNG CỦA CÁC NGUỒN XẢ THẢI ĐẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT TRÊN THẾ GIỚI VÀ VÙNG BÁN ĐẢO CÀ MAU 1.1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT TRÊN THẾ GIỚI VÀ VÙNG BÁN ĐẢO CÀ MAU 1.1.1 Một số quốc gia giới 1.1.2 Ở Việt Nam Vùng Bán đảo Cà Mau 1.2 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI NGUỒN XẢ THẢI .14 1.2.1 Các loại nguồn nước thải vùng Bán đảo Cà Mau 14 1.2.2 Tác động nguồn thải đến chất lượng nước mặt vùng Bán đảo Cà Mau 20 iv 1.3 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN NGUỒN XẢ THẢI VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT VÙNG BÁN ĐẢO CÀ MAU 22 1.3.1 Tổng quan nghiên cứu liên quan đến tác động loại nguồn xả thải đến chất lượng nước mặt 22 1.3.2 Tổng quan công cụ nghiên cứu 26 1.4 XÁC ĐỊNH VÀ GIỚI HẠN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN .31 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 2.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .33 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 33 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu .33 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN 35 2.2.1 Phương pháp đo đạc trường, lấy mẫu phân tích 35 2.2.2 Phương pháp đánh giá nguồn xả thải 38 2.2.3 Tính tốn tải lượng ô nhiễm 46 2.2.4 Phương pháp tính tốn số chất lượng nước mặt (WQI) 46 2.2.5 Phương pháp mô hình tốn 47 2.2.6 Phương pháp Bayes 55 2.2.7 Phương pháp học máy 56 2.2.8 Sơ đồ phương pháp nghiên cứu Luận án .58 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC LOẠI NGUỒN XẢ THẢI ĐẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT VÙNG BÁN ĐẢO CÀ MAU .60 3.1 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH NGUỒN XẢ THẢI VÙNG BÁN ĐẢO CÀ MAU 60 3.1.1 Xác định nguồn thải vùng nghiên cứu 60 3.1.2 Tính tốn lưu lượng nước thải 61 3.1.3 Tính tốn tải lượng nhiễm 71 v 3.2 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT THEO CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT (WQI) VÙNG BÁN ĐẢO CÀ MAU 74 3.2.1 Khảo cứu số liệu quan trắc nước mặt 74 3.2.2 Kết nghiên cứu số chất lượng nước mặt (WQI) .78 3.2.3 Dự báo số chất lượng nước mặt 80 3.3 NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN CÁC NGUỒN NƯỚC VÙNG BÁN ĐẢO CÀ MAU .84 3.3.1 Nghiên cứu lan truyền nguồn biên vùng BĐCM 84 3.3.2 Nghiên cứu lan truyền nguồn nước thải thường xuyên nội vùng BĐCM 90 3.3.3 Nghiên cứu lan truyền nguồn nước thải không thường xuyên 96 3.4 MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÙNG BĐCM 105 3.4.1 Kết mô thông số DO 106 3.4.2 Kết mô thông số BOD5 107 3.4.3 Kết mô thông số NH4+ .109 3.5 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA NGUỒN XẢ THẢI ĐẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC 111 3.5.1 Đánh giá tác động nguồn nước thải sinh hoạt đến chất lượng nước 112 3.5.2 Đánh giá tác động nguồn nước thải công nghiệp đến chất lượng nước 114 3.5.3 Đánh giá tác động nguồn nước thải nông nghiệp đến chất lượng nước 115 3.6 ĐỊNH HƯỚNG CÁC BIỆN PHÁP KỸ THUẬT KIỂM SOÁT NGUỒN NƯỚC THẢI .117 3.6.1 Cơ sở khoa học định hướng biện pháp kỹ thuật kiểm soát nguồn thải 117 3.6.2 Đề xuất định hướng biện pháp kỹ thuật kiểm soát nguồn thải .118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122 KẾT LUẬN 122 vi KIẾN NGHỊ 125 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ 126 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .127 TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT .127 TÀI LIỆU TIẾNG ANH 135 PHỤ LỤC .141 PHỤ LỤC 142 PHỤ LỤC 1.1: THỐNG KÊ CÁC NGUỒN THẢI THEO TỪNG TUYẾN KÊNH .142 PHỤ LỤC 1.2: TỔNG HỢP NGUỒN THẢI .151 PHỤ LỤC 152 PHỤ LỤC 2.1: THIẾT LẬP MƠ HÌNH MIKE11-ECOLAB 152 PHỤ LỤC 2.2: HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH MIKE11-ECOLAB .159 PHỤ LỤC 3: LÝ THUYẾT LAN TRUYỀN CÁC NGUỒN NƯỚC 170 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Phương pháp phân tích thông số quan trắc .37 Bảng 2.2: Bảng tổng hợp loại nguồn thải nguồn gốc phát sinh nguồn nước thải vùng BĐCM 38 Bảng 2.3: Các hệ số sử dụng công thức (2.1) (2.2) 39 Bảng 2.4: Giá trị thông số ô nhiễm làm sở tính tốn giá trị tối đa cho phép nước thải sinh hoạt 43 Bảng 2.5: Giá trị hệ số K ứng với loại hình sở dịch vụ, công cộng chung cư 44 Bảng 2.6: Giá trị C thông số ô nhiễm nước thải công nghiệp 45 Bảng 2.7: Hệ số Kq ứng với lưu lượng dòng chảy nguồn tiếp nhận nước thải 45 Bảng 2.8: Hệ số lưu lượng nguồn thải Kf 45 Bảng 2.9: Mức đánh giá chất lượng nước theo giá trị WQI 47 Bảng 2.10: Số liệu biên mơ hình chất lượng nước 49 Bảng 2.11: Đặc tính nguồn nước vùng BĐCM 54 Bảng 3.1: Kết tính tốn lượng nước thải sinh hoạt xả vào kênh vùng BĐCM năm 2016, 2020 2030 62 Bảng 3.2: Kết tính tốn lượng nước thải cơng nghiệp xả vào kênh vùng BĐCM năm 2016, 2020 2030 64 Bảng 3.3: Kết tính tốn lượng nước thải chăn nuôi vùng BĐCM năm 2016, 2020 2030 65 Bảng 3.4: Kết tính tốn lượng nước thải trồng trọt vùng BĐCM năm 2016, 2020 2030 66 Bảng 3.5: Kết tính tốn lượng nước thải NTTS vùng BĐCM năm 2016, 2020 2030 68 Bảng 3.6: Tổng lượng nước thải nguồn theo tỉnh vùng BĐCM năm 2016, 2020 2030 69 Bảng 3.7: Tổng lượng nước thải theo nguồn thải vùng BĐCM năm 2016, 2020 2030 .70 Bảng 3.8: Tải lượng thông số ô nhiễm nguồn thải điểm vùng BĐCM 73 viii Bảng 3.9: Tổng hợp kết phân tích chất lượng nước vùng BĐCM .74 Bảng 3.10: Bảng thống kê kết đánh giá mơ hình học máy dự báo số chất lượng nước mặt vùng BĐCM 83 Bảng 3.11: Tỷ lệ thành phần (%) nguồn nước mơ mơ hình vùng BĐCM (trung bình tháng 1/2016) .95 Bảng 3.12: Tỷ lệ thành phần (%) nguồn nước (hiệu chỉnh) vùng BĐCM (trung bình tháng 1/2016) 95 Bảng 3.13: Các trường hợp tính tốn thường gặp lan truyền nước thải NTTS hệ thống sông kênh 97 161 Hình PL2 6: Biểu đồ so sánh độ mặn mô thực đo (2013) –Gị Quao Hiệu chỉnh mơ hình chất lượng nước (Mike11-Ecolab): Việc hiệu chỉnh chất lượng nước lấy đại lượng tham chiếu độ mặn tiêu chất lượng nước Trong hiệu chỉnh, mô hình thực trước theo độ mặn (chất bảo tồn, tiêu quan trọng), sau cân chỉnh cho tiêu chất lượng nước Theo đó, hệ số khuyếch tán xác định trước cân chỉnh mặn, sau xác định hệ số/tham số mô chất lượng nước Kết hiệu chỉnh mơ hình chất lượng nước cho thấy, giá trị mô phù hợp với giá trị thực đo, kết mô số trạm điển hình (đã nêu) cho thấy có độ phù hợp tốt (sai số nhỏ 15%) Bảng PL2 4: Kết hiệu chỉnh mơ hình Ecolab TT Trạm Ninh Kiều (Sông Cần Thơ) Ngã Phụng Hiệp (K Quản Lộ - Phụng Hiệp) Nhà máy Đường Hậu Giang (Kênh Cái Côn) Cầu Quay (Sông Cầu Quay) Công ty CPTS Nigico (K Cà Mau – Bạc Liêu) Cà Mau (Sông Rạch Chéo) Tọa độ Mô (mg/l) BOD5 DO Thực đo (mg/l) BOD5 DO X Y 574442 1102172 5,03 7,14 5,77 7,3 590258 1084670 5,53 4,85 5,25 4,0 589774 1083317 5,50 4,27 5,26 3,9 607139 1061985 2,09 11,20 1,99 8,7 548285 1020564 3,76 18,16 4,51 18,9 492671 975360 4,74 20,82 4,90 21,5 162 Hình PL2 7: Biểu đồ diễn biến thông số DO vị trí hiệu chỉnh mơ hình Mike11-Ecolab vùng BĐCM (Tháng 1/2013) 163 Hình PL2 8: Biểu đồ diễn biến thơng số BOD5 vị trí hiệu chỉnh mơ hình Mike11-Ecolab vùng BĐCM (Tháng 1/2013) Kiểm định mơ hình Chuỗi số liệu kiểm định chọn mùa khơ năm 2016, năm có đầy đủ số liệu khí tượng, thủy văn, thủy lực, mặn, chất lượng nước năm có mức độ cạn kiệt nguồn nước căng thẳng Việc lựa chọn kiểm mơ hình năm 2016 để đánh giá phù hợp kết mơ mơ hình với trạng chất lượng nước vùng nghiên cứu sở để dùng mơ hình mơ phương án khác sau Kiểm định mơ hình Thủy lực (HD): kết mô mực nước tương đối phù hợp với kết thực đo (hệ số Nash > 0,85) 164 Hình PL2 9: Biểu đồ kết kiểm định mực nước mô thực đo (Mùa khơ 2016) – trạm Cần Thơ Hình PL2 10: Biểu đồ so sánh kết kiểm định mô hình mực nước mơ thực đo (Mùa khơ 2016) – trạm Phước Long Hình PL2 11: Biểu đồ so sánh kết kiểm định mơ hình mực nước mô thực đo (Mùa khô 2016) – trạm Cà Mau Kiểm định mơ hình tải khuyếch tán (Mike11-AD): mơ hình xâm nhập mặn vùng nghiên cứu thông qua việc thay đổi hệ số khuyếch tán (D) Kết hiệu chỉnh cho 165 thấy, hệ số D sơng nằm khoảng từ 200 – 500 m2/s; cho kênh từ 20 - 100 m2/s Kết mô độ mặn phù hợp với số liệu thực đo Hình PL2 12: Biểu đồ so sánh kết kiểm định mơ hình xâm nhập mặn (Mike11AD) mô thực đo (Mùa khô 2016) – trạm Trần Đề Hình PL2 13: Biểu đồ so sánh kết kiểm định mơ hình xâm nhập mặn (Mike11AD) mô thực đo (Mùa khô 2016) – trạm Xẻo Rơ Hình PL2 14: Biểu đồ so sánh kết kiểm định mơ hình xâm nhập mặn (Mike11AD) mô thực đo (Mùa khô 2016) – trạm Gị Quao 166 Kiểm định mơ hình chất lượng nước (Mike11-Ecolab): Kết hiệu chỉnh mơ hình chất lượng nước cho thấy, giá trị mô phù hợp với giá trị thực đo, kết mô số trạm điển hình (đã nêu) cho thấy có độ phù hợp tốt (sai số nhỏ 15%) Bảng PL2 5: Kết kiểm định mơ hình Ecolab TT Trạm Ninh Kiều (Sông Cần Thơ) Ngã Phụng Hiệp (K Quản Lộ - Phụng Hiệp) Nhà máy Đường Hậu Giang (Kênh Cái Côn) Cầu Quay (Sông Cầu Quay) Công ty CPTS Nigico (K Cà Mau – Bạc Liêu) Cà Mau (Sông Rạch Chéo) Tọa độ Mô (mg/l) BOD5 DO Thực đo (mg/l) BOD5 DO X Y 574442 1102172 5,58 8,52 5,77 7,3 590258 1084670 4,96 5,80 5,25 4,0 589774 1083317 4,01 6,59 5,26 5,9 607139 1061985 2,31 14,64 1,99 13,7 548285 1020564 4,38 17,72 4,51 18,9 492671 975360 3,75 21,34 4,90 21,5 167 Hình PL2 15: Biểu đồ diễn biến thơng số DO vị trí kiểm định mơ hình Mike11-Ecolab vùng BĐCM (Tháng 1/2016) 168 Hình PL2 16: Biểu đồ diễn biến thông số BOD5 vị trí kiểm định mơ hình Mike11-Ecolab vùng BĐCM (Tháng 1/2016) Bộ thơng số mơ hình (đối với DO, BOD5 NH4+) điều chỉnh kết Bảng PL2.6 sau: Bảng PL2 6: Bộ thông số sau hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Mike11-Ecolab TT Mô tả Nhiệt độ: Vĩ độ Nhiệt độ: Bức xạ mặt trời hấp thụ tối đa Nhiệt độ: Sự dịch chuyển xạ mặt trời tối đa từ 12 đêm Nhiệt độ: Bức xạ nhiệt phát Độ /ngày Giá trị 10 4992 /ngày 1608 Đơn vị 169 TT Mô tả Quá trình oxy: Số biểu tái nạp Quá trình oxy: Hệ số nhiệt độ Quá trình oxy: Hô hấp động vật thực vật Đơn vị không nguyên không nguyên /ngày không nguyên /ngày Giá trị thứ thứ 1,02 thứ Quá trình oxy: Hệ số nhiệt độ hơ hấp 1,08 Q trình oxy: Phát sinh oxy quang hợp tối đa 3,5 Q trình oxy: Sản xuất / hơ hấp m2 (= 1) 10 m3 (= 2) 11 Suy thoái: tốc độ phân hủy mức 20 độ /ngày 0,1 khơng thứ 12 Suy thối: Hệ số nhiệt độ tốc độ phân rã nguyên 1,07 13 Suy thối: Nồng độ oxy nửa bão hịa mg/l 14 Quá trình oxy: Hằng số hồi quy số /ngày khơng thứ 15 Q trình oxy: Số mũ số 1, vận tốc dòng chảy nguyên khơng thứ 16 Q trình oxy: Số mũ số 1, độ sâu nước nguyên không thứ 17 Quá trình oxy: Số mũ số 1, độ dốc sơng nguyên 18 Quá trình oxy: Hằng số hồi quy số /ngày khơng thứ 19 Q trình oxy: Số mũ số 2, vận tốc dòng chảy nguyên khơng thứ 20 Q trình oxy: Số mũ số 2, độ sâu nước nguyên không thứ 21 Quá trình oxy: Số mũ số 2, độ dốc sơng nguyên 22 Quá trình oxy: Hằng số hồi quy số /ngày khơng thứ 23 Q trình oxy: Số mũ số 3, vận tốc dòng chảy nguyên khơng thứ 24 Q trình oxy: Số mũ số 3, độ sâu nước nguyên không thứ 25 Quá trình oxy: Số mũ số 3, độ dốc sơng nguyên 26 Nitơ: Tỷ lệ NH4 giải phóng phân rã BOD gNH4/gBOD không thứ 27 Nitơ: Sự hấp thu amonia thực vật nguyên 0,066 không thứ 28 Nitơ: Sự hấp thu amonia vi khuẩn nguyên 0,109 Nitrat hóa: phản ứng bậc = trình thực = khơng thứ 29 qúa trình nửa thực ngun 0,05 30 Nitrat hóa: tốc độ phân hủy amoniac 20 độ C /ngày 1,54 khơng thứ 31 Nitrat hóa: Hệ số nhiệt độ q trình nitrat hóa ngun 1,088 32 Nitrat hóa: Nhu cầu oxy cho nitrat hóa gO2/gHN4 4,47 33 Khử nitrat: Hằng số nửa bão hòa mg/l 0,05 170 PHỤ LỤC 3: LÝ THUYẾT LAN TRUYỀN CÁC NGUỒN NƯỚC Khái niệm nguồn nước tỷ lệ nguồn nước thành phần Một hệ thống nguồn nước thông thường minh họa Hình Hình 1: Sơ đồ minh họa hệ thống nguồn nước, hệ thống có số nguồn nước thành phần, như: nguồn nước từ Hồ chứa A (p1); Hồ chứa B (p2); Hồ chứa C (p3); Mưa (p4); Thành phố (p5); Khu nông nghiệp (p6); Khu công nghiệp (p7); Khu nuôi thủy sản (p8); Cửa sông F (p9); Cửa sông E (p10) Cửa sơng (p11) Xét thể tích nước dw dịng chảy thể tích nguồn nước thành phần dwi tạo nên sau: Hình 2: Sơ họa khối nước nguồn nước thành phần Tỷ lệ nguồn nước thành phần i (ký hiệu pi) điểm M thời gian t định nghĩa là: 𝑝𝑖 (M,t) = dw𝑖 dw (5) 171 với điều kiện: ∑𝑛𝑖=1 𝑝𝑖 = 1;  pi  1; (6) Trong đó: dwi thể tích nguồn nước thành phần; dw thể tích nước Lưu ý rằng, theo định nghĩa trên, tỷ lệ nguồn nước i hiểu “nồng độ thể tích” nguồn nước Trong toán chiều (1D), thành phần nguồn nước pi trở thành: 𝑝𝑖 (M,t) = 𝑄𝑖 (7) 𝑄 Trong định nghĩa trên, pi = 1,0 (= 100%) khối nước hồn tồn nguồn i, nguồn khác không (không tồn tại); ngược lại, pi = 0,0 (= 0%) khơng tồn nguồn i hay nói khác nguồn i chưa lan truyền đến vị trí Trong đó, Qi lưu lượng nguồn i; Q lưu lượng nguồn Phương trình lan truyền nguồn nước Hệ phương trình tốn lan truyền nguồn nước pi bao gồm hai loại phương trình: (1) Phương trình bảo tồn thành phần nước, (2) Phương trình thủy lực (Saint Venant) Hệ phương trình lan truyền nguồn nước i (bài toán chiều – 1D): 𝜕𝜔 𝜕𝑡 + 𝜕𝑣 𝑔 𝜕𝑡 𝜕𝑄 𝜕𝑥 + −𝑞 =0 𝛼𝑣 𝜕𝑣 𝑔 𝜕𝑥 + 𝜕𝑧 𝜕𝑥 (8) + 𝑘𝑣|𝑣| = p i p  p q +v i − D i  i − (p iq − p i ) = t x  x x  (9) (10) Trong đó: o Q, z lưu lượng mực nước mặt cắt; o v: vận tốc trung bình mặt cắt; o ω: diện tích mặt cắt ngang (ướt) lòng dẫn; o α: hệ số moment; o q: lưu lượng đơn vị gia nhập bên; o pi , piq: tỷ lệ thành phần nguồn nước i tỷ lệ thành phần nguồn nước i dòng gia nhập bên q; o Di: hệ số phát tán; o g: gia tốc trọng trường 172 Trong tính tốn pi biểu thị theo giá trị thực hay chuyển đổi theo số % cho dễ sử dụng Điều kiện biên, điều kiện ban đầu, cách giải Điều kiện biên: gồm biên thủy lực biên tỷ lệ nguồn nước: - Điều kiện biên nguồn nước i tỷ lệ nguồn i biên, tổng quát có dạng: 𝑝𝑏,𝑖 = 𝑓(𝑡) (11) - Trong nhiều trường hợp, biên có nguồn nước, lúc pb=1 khơng xuất nguồn nước quan tâm, lúc pb=0 Điều kiện ban đầu: bao gồm điều kiện ban đầu thủy lực nguồn nước Điều kiện ban đầu nguồn nước i tỷ lệ nguồn i tại thời điểm ban đầu hệ thống Tổng quát điều kiện ban đầu có dạng: 𝑝𝑖𝑛𝑖,𝑖 = 𝑓(𝑥, 𝑡0 ) (12) Cách giải: Giải phương trình truyền chất thơng thường Sử dụng phần mềm tính tốn truyền chất để giải (chẳng hạn MIKE11, KOD, SAL, ISIS…) Các ứng dụng Lý thuyết lan truyền nguồn nước áp dụng để giải nhiều tốn thực tế tính nồng độ thể tích, xâm nhập mặn, Nhờ biết tác động nguồn nước đến vùng khác nên sử dụng lý thuyết để tính tốn điều khiển hệ thống thuận lợi Trong phân tích nguồn nước cho mục tiêu khác nên sử dụng số tiêu đánh giá nguồn nước, chẳng hạn cường suất ảnh hưởng nguồn (Ii), số so sánh độ mạnh nguồn (Ni/J), tuổi nguồn nước, số pha loãng, tốc độ pha lỗng • Tính nồng độ thể tích Nồng độ tức thời: ∗ Nồng độ chất A nguồn i gây ra: 𝐶𝐴,𝑖 (𝑡) = 𝑝𝑖 (𝑡)𝐶𝐴,𝑖 ; (13) Trong đó: CA,i* nồng độ chuẩn quy ước chất A; pi(t) tỷ lệ nguồn nước i (hoặc nồng độ thể tích nguồn nước i) Khi có nhiều nguồn, nồng độ tổng cộng chất tan A n nguồn khác gây ∗ điểm/mặt cắt là: 𝐶𝐴 = ∑𝑛𝑖=1 𝐶𝐴,𝑖 = ∑𝑛𝑖=1 𝑝𝑖 𝐶𝐴,𝑖 Nồng độ trung bình thời gian: (14) 173 Nồng độ trung bình thời gian chất tan A nguồn thứ i gây điểm ∗ 𝐶𝐴,𝑖 = 𝑝𝐴,𝑖 𝐶𝐴,𝑖 tính theo cơng thức: (15) Nồng độ trung bình thời gian tổng cộng chất A n nguồn khác gây là: ∗ ∗ 𝐶𝐴 = ∑𝑛𝑖=1 𝐶𝐴,𝑖 = ∑𝑛𝑖=1(𝑝𝑖 𝐶𝐴,𝑖 ) = ∑𝑛𝑖=1 𝑝𝑖 𝐶𝐴,𝑖 ); • (16) Các tiêu đánh giá nguồn nước Ngoài tỷ lệ nguồn nước, xin nêu thêm số thơng số sử dụng để đánh giá nguồn nước Thể tích thành phần nguồn nước i trao đổi qua mặt cắt: Dòng thành phần nguồn i qua mặt cắt thời gian T: - Dạng tích phân: 𝑊𝑝𝑖 = ∫𝑇 𝑄𝑖 𝑑𝑡 = ∫𝑇 𝑝𝑖 𝑄𝑑𝑡 (17) - Dạng sai phân (thường hay dùng thực hành): 𝑊𝑝𝑖 = ∑𝑇 𝑝𝑖 𝑄 𝛥𝑡 = ∑𝑘 𝑝𝑖 (𝑡 + 𝑘𝛥𝑡)𝑄(𝑡 + 𝑘𝛥𝑡)𝛥𝑡 (18) Thể tích thành phần nguồn nước i trao đổi vùng: Để biết tổng lượng thành phần nguồn nước i trao đổi miền khảo sát (vào-ra) ta cô lập miền khảo sát Nj mặt cắt tính tổng đại số (vào lấy trị dương, lấy trị âm): 𝑁𝑗 - Dạng tích phân: 𝑊𝑝𝑖 = ∑𝑗=1 ∫𝑇 𝑝𝑖 𝑄𝑑𝑡 (19) - Dạng sai phân (thường hay dùng thực hành): 𝑊𝑝𝑖 = ∑𝑇 ∑𝑁𝑗 ∑ ∑ 𝑗=1 𝑝𝑖𝑗 𝑄 𝛥𝑡 = 𝑗 𝑘 𝑝𝑖𝑗 (𝑡 + 𝑘𝛥𝑡)𝑄(𝑡 + 𝑘𝛥𝑡)𝛥𝑡 (20) Cường suất ảnh hưởng nguồn, I: Tỷ lệ thành phần nguồn nước vị trí phản ảnh vai trị nguồn đến vị trí Để đánh giá rõ suất ảnh hưởng nguồn đến vị trí hệ thống, ta đưa thêm vào thông số cường suất ảnh hưởng nguồn, định nghĩa sau: 𝐼𝑖 = 𝑝𝑖 𝑄 𝑏𝑖𝑒𝑛 𝑐𝑢𝑎 𝑛𝑔𝑢𝑜𝑛 𝑖 Trong đó: o Ii cường suất ảnh hưởng nguồn i; o 𝑝𝑖 tỷ lệ thành phần i tính trung bình thời gian; (21) 174 o 𝑄 𝑏𝑖𝑒𝑛 𝑐𝑢𝑎 𝑛𝑔𝑢𝑜𝑛 𝑖 lưu lượng trung bình thời kỳ nguồn i biên hệ thống Theo định nghĩa, Ii vị trí hệ thống tỷ lệ thành phần nguồn i đơn vị nguồn (1m3/s) gây (tính trung bình), phản ảnh độ mạnh đơn vị nguồn Chỉ số so sánh độ mạnh nguồn, Ni/j: Để đánh giá vai trò tương đối độ mạnh nguồn i so với nguồn j vị trí hệ thống ta đưa vào thông số hệ số ảnh hưởng nguồn, định nghĩa là: 𝑁𝑖/𝑗 = 𝐼𝑖 (22) 𝐼𝑗 Trị số Ni/j cho biết ảnh hưởng đơn vị (tức m3/s) tác động (tại biên) nguồn i lớn ảnh hưởng đơn vị tác động (tại biên) nguồn j lần (tại vị trí hệ thống) Đây thơng số quan trọng giúp tính tốn nhanh cách điều khiển nguồn theo hướng có lợi (chẳng hạn xả nước từ hồ để đẩy mặn, xả nguồn nước để pha lỗng nhiễm,…) Mức độ triết giảm tỷ lệ thành phần nước, pi: Mức triết giảm tỷ lệ thành phần nguồn nước i điểm (vị trí) M thời đoạn từ thời điểm t=t1 đến thời điểm t=t2 định nghĩa là: 𝛥𝑝𝑖 (𝑀) = 𝑝𝑖 (𝑀, 𝑡1 ) − 𝑝𝑖 (𝑀, 𝑡2 ) (23) Chỉ số triết giảm tương đối tỷ lệ thành phần nước, K: Tại vị trí M vùng nghiên cứu, số triết giảm pi thời đoạn từ thời điểm ban đầu t=t0 đến thời điểm t=t2 định nghĩa là: 𝐾𝑝𝑙−𝑝𝑖 (𝑀) = 𝑝𝑖 (𝑀,𝑡2 ) 𝑝𝑖 (𝑀,𝑡0 ) 100 (%) (24) Chỉ số triết giảm yếu tố quan trọng cho biết thành phần nguồn nước lại phần trăm (%) so với ban đầu Đây thông số đánh giá mức độ lưu cữu thành phần i Chỉ số tốc độ pha loãng, I (Tốc độ pha loãng tức thời): Tốc độ pha loãng tức thời nguồn nước i điểm M hệ thống giới hạn: p i (M) t t →0 I pl−pi (M) = lim Trong đó: (%/giờ) (25) 175 o 𝛥𝑝𝑖 (𝑀) = 𝑝𝑖 (𝑀, 𝑡1 ) − 𝑝𝑖 (𝑀, 𝑡2 ) o 𝛥𝑡 = 𝑡2 − 𝑡1 : thời gian triết giảm Trong số trường hợp, để thủy sản thủy sinh không bị sốc thay đổi pi nhanh cần phải khống chế thay đổi thành phần nguồn nước khơng q lớn, tốc độ pha lỗng an tồn lồi thủy sinh tính sau: 𝐼𝑝𝑙−𝑝𝑖 ≤ [𝐼𝑝𝑙−𝑝𝑖 ] (26) Tốc độ pha lỗng trung bình thời gian: Tốc độ pha lỗng thành phần nguồn nước trung bình thời gian biểu thức: 𝐼𝑝𝑙−𝑝𝑖 (𝑀) = 𝛥𝑝𝑖 (𝑀) 𝛥𝑡 (%/ngày, %/tuần, ) (27) Trong ký hiệu giống Đây thông số đánh giá mức độ lưu cữu thành phần nguồn nước i Tốc độ trung bình thời gian tiêu quan trọng số nhiệm vụ hệ thống, việc thay nước làm ao nuôi hay hệ thống thủy lợi cho thủy sản Chẳng hạn, nuôi tôm cần khống chế tốc độ thay nước ao thỏa mãn điều kiện: 𝐼𝑝𝑙 (𝑀) ≥ 𝐼𝑝𝑙 (𝑀) (28) Trong [Ipl] tốc độ triết giảm yêu cầu, thường tính theo ngày vài ba ngày, tuần khống chế mức (10  30%)/ngày tùy theo vùng thổ nhưỡng khác Đây tốc độ lớn địi hỏi cơng trình phải có quy mơ lớn, vượt xa quy mô yêu cầu cho mục đích tưới tiêu nơng nghiệp