Luận văn tốt nghiệp ứng dụng mô hình qual2k trong quản lý chất lượng nước sông cầu bây đoạn chảy qua địa phận huyện gia lâm hà nội

Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Long LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực khóa luận tốt nghiệp sinh viên nhận nhiều giúp đỡ thầy cô giáo, gia đình bạn bè Tơi xin chân thành cảm ơn người giúp đỡ tơi hồn thành khóa luận Trước tiên tơi xin gửi lời cảm ơn tới tồn thể thầy, giáo khoa Tài nguyên Môi trường thầy cô giỏo khỏc tạo điều kiện cho tơi học tập, nghiên cứu tiếp thu kiến thức cần thiết suốt bốn năm sinh viên trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Trịnh Quang Huy, người luụn tận tình bảo, truyền đạt cho nhiều kiến thức, kỹ làm việc, giúp đỡ học tập, nghiên cứu khoa học suốt q trình thực khóa luận Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Giảng viên Nguyễn Ngọc Tú, Nguyễn Thị Thu Hà, Hồ Thị Thúy Hằng Những người cộng tác, giúp đỡ tơi hồn thành khóa luận Tơi xin gửi lời cảm ơn tới bạn phịng thí nghiệm luụn chia sẻ kiến thức giúp đỡ tơi q trình lấy mẫu phân tích Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bạn Nguyễn Thị Thùy Trang, người cung chia sẻ kiến thức giúp đỡ tơi nhiều q trình học tập thực khóa luận tốt nghiệp Cuối muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới bố, mẹ em gái tôi, người ni dưỡng dìu dắt để tơi có kết ngày hôm Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2012 Sinh viên Nguyễn Hồng Long i Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Long DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BOD5 : Nhu cầu oxy sinh học BTNMT : Bộ Tài nguyên Môi trường CN : Cử nhân ĐBSCS : Đồng sông Cửu Long ĐHNN : Đại học Nông nghiệp DO : Hàm lượng oxy hòa tan nước KB : Kịch KCN : Khu công nghiệp KM : Kilomet KTXH : Kinh tế xã hội LVS : Lưu vực sông N-NH4+ : Hàm lượng Amoni tính theo Nitơ N-NO3- : Hàm lượng Nitrat tính theo Nitơ NTSH : Nước thải sinh hoạt P-PO43- : Hàm lượng Photpho vô nước QCVN : Quy chuẩn Việt Nam TCCP : Tiêu chuẩn cho phép TSS : Tổng chất rắn lơ lửng UBND : Ủy ban nhân dân ii Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Long DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 2.1 Các giai đoạn phát triển mơ hình chất lượng nước Mỹ .9 Bảng 2.2 Giá trị đặc trưng cho số mũ khúc quanh ước tính để xác định vận tốc độ sâu từ lưu lượng 20 Bảng 2.3 Hệ số thô (hệ số gồ ghề) cho mặt kênh thơng thống 22 Bảng 3.1 Phương pháp thu thập/Nguồn gốc thông tin thứ cấp 34 Bảng 3.2 Phương pháp đo đạc thơng số thủy văn, thủy lực dịng chảy 34 Bảng 4.1 Giá trị quan trắc chất lượng nước sông Cầu Bây tháng năm 2012 42 Bảng 4.2 Giá trị trung bình thơng số chất lượng nước năm 2011 44 Bảng 4.3 Khả tiếp nhận chất ô nhiễm (mg/l) nước thải sông Cầu Bây 46 Bảng 4.4 Giá trị thông số hiệu chỉnh mơ hình 48 Bảng 4.5 Giá trị sai số mô thực tế thông số (Đơn vị: %) 52 iii Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Long DANH MỤC HèNH Trang Hình 2.1 Sự phân đoạn Qual2K hệ thống sơng khơng có nhánh .14 Hình 2.2 Sự phân đoạn Qual2K cho trường hợp sơng với nhánh 15 Hình 2.3 Sự cân lưu lượng khúc sông I 16 Hình 2.4 Cách thức dịng chảy từ nguồn diện phân bố đến nhánh sông .17 Hình 2.5 Đập nước biên hai khúc 18 Hình 2.6 Kênh hình thang .20 Hình 2.7 Thác nước .23 Hình 2.8 Cân khối lượng 25 Hình 2.9 Mơ hình động lượng q trình lan truyền chất 27 Hình 3.1 Phân đoạn dòng chảy thủy vực nghiên cứu 36 Hình 3.2 Sự phân chia đoạn sơng mơ tả nguồn thải 37 Hình 4.1 Diễn biến nồng độ thông số chất lượng nước năm 2011 45 Hình 4.2 Giá trị thơng số hiệu chỉnh mơ hình .51 Hình 4.3 Kết mơ thơng số chất lượng nước vào tháng 3/2012 52 Hình 4.4 So sánh hàm lượng oxy hòa tan nước kịch đánh giá 54 Hình 4.5 So sánh nhu cầu oxy sinh học nước kịch đánh giá 55 Hình 4.6 So sánh nồng độ Nitơ-Amoni nước kịch đánh giá 55 Hình 4.7 So sánh nồng độ Photpho vô nước kịch đánh giá 56 iv Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Long MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN .i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ii DANH MỤC BẢNG iii DANH MỤC HÌNH iv MỤC LỤC v PHẦN I – ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục tiêu yêu cầu nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.2 Yêu cầu nghiên cứu PHẦN II – TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .4 2.1 Tài nguyên nước trạng chất lượng nước số sông Việt Nam 2.2 Mơ hình hóa nghiên cứu môi trường nước 2.2.1 Khái qt cơng cụ mơ hình hóa mơi trường .7 2.2.2 Ứng dụng mô hình hóa nghiên cứu chất lượng nước 2.3 Mơ hình QUAL2K nghiên cứu mơi trường nước 12 2.3.1 Giới thiệu chung QUAL2K 12 2.3.2 Cơ sở khoa học mơ hình QUAL2K 13 PHẦN III – ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 3.1 Đối tượng nghiên cứu 33 3.2 Nội dung nghiên cứu .33 3.3 Phương pháp nghiên cứu .33 3.3.1 Phương pháp thu thập thông tin thứ cấp 33 3.3.2 Phương pháp quan trắc chất lượng nước .34 v Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Long 3.3.3 Phương pháp mơ chất lượng nước sử dụng mơ hình QUAL2K .35 3.3.4 Phương pháp xử lý số liệu đánh giá kết .39 PHẦN IV – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 40 4.1 Đặc điểm tự nhiên, kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu 40 4.1.1 Đặc điểm tự nhiên 40 4.1.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội 41 4.2 Hiện trạng chất lượng nước sông Cầu Bây, đoạn chảy qua địa phận huyện Gia Lâm, Hà Nội 42 4.3 Tính xác mơ hình QUAL2K mô chất lượng nước sông Cầu Bây, đoạn chảy qua địa phận huyện Gia Lâm, Hà Nội 46 4.3.1 Phân tích độ nhạy hiệu chỉnh thơng số mơ hình .46 4.3 Ứng dụng mơ hình dự báo tác động kịch quy hoạch phát triển KTXH đến diễn biến chất lượng nước sông 53 PHẦN V – KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58 5.1 Kết luận 58 5.2 Kiến nghị .59 PHẦN VI – TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHẦN VII – PHỤ LỤC 63 vi Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Long PHẦN I – ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tính cấp thiết đề tài Dân số gia tăng nhanh chóng thập kỷ qua tác động mạnh mẽ làm suy giảm nghiêm trọng chức thành phần môi trường Nước tài nguyên quý giá cần thiết sống người, dạng tài nguyên tái tạo với việc khai thác bừa bãi, q trình sử dụng lãng phí không phù hợp khiến trữ lượng nước giảm dần vơ hình chung làm giá trị vốn có Nguồn nước mặt chịu áp lực nặng nề trình phát triển, từ chức cung cấp nước cho hoạt động sinh hoạt sản xuất, điều hịa khí hậu…trở thành nơi tiếp nhận chứa đựng chất thải Điều khiến cho nhiều thủy vực bị ô nhiễm nặng nề vấn đề nhức nhối cho nhà quản lý công tác bảo vệ môi trường Sông Cầu Bây sông đào, bắt nguồn từ hồ Kim Quan, phường Việt Hưng đến cống Xuân Quan thuộc huyện Văn Giang – Hưng Yên, thuộc hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải Trong đó, đoạn chảy qua địa phận huyện Gia Lâm – Hà Nội có tổng chiều dài khoảng km, sơng nguồn cung cấp nước cho hầu hết diện tích đất nơng nghiệp huyện Q trình phát triển dân sinh khu vực năm gần gia tăng áp lực đến môi trường nước sông, với nguồn nước thải từ hoạt động sinh hoạt, nước thải từ sản xuất nơng nghiệp, nước thải từ phịng thí nghiệm thuộc Trường Đại học Nơng nghiệp Hà Nội…; đó, cơng tác quản lý mơi trường địa phương chưa trọng tỏ lỏng lẻo việc kiểm soát hạn chế nguồn thải Với tầm quan trọng sông Cầu Bây, đoạn chảy qua huyện Gia Lâm, việc theo dõi dự báo diễn biến chất lượng nước cần thực nhằm bảo vệ chất lượng nước sông Để làm điều này, thông thường người ta cần tiến hành đo đạc, phân tích thơng số lý – hóa – sinh biểu thị cho chất lượng nước Tuy nhiên phương pháp địi hỏi chi phí cao cần thiết bị chuyên dụng phức tạp Chính vậy, mụ hỡnh hóa mơi Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Long trường ứng dụng rộng rãi dần trở thành công cụ hỗ trợ đắc lực công tác quản lý bảo vệ môi trường với ưu điểm tiết kiệm chi phí, phản ánh thực tế có độ tin cậy cao Mơ hình QUAL2K mơ hình chất lượng nước sơng tổng hợp tồn diện phát triển hợp tác trường Đại học Tufts University Trung tâm mơ hình chất lượng nước Cục môi trường Mỹ QUAL2K mô 15 thông số chất lượng nước dựng khỏ phổ biến công tác mô phỏng, dự báo xu diễn biến chất lượng nước theo kịch phát triển khác Bên cạnh đó, QUAL2K dùng để dự báo tác động nguồn thải dịng sơng, xác định khả tự làm tính tốn tải lượng nhiễm tối đa đưa vào thủy vực nhằm phục vụ cho cơng tác quản lý kiểm sốt chất lượng mơi trường nước, đặc biệt điều kiện cú quỏ ớt liệu chất lượng nước Xuất phát từ vấn đề trờn, tụi định tiến hành thực đề tài: “Ứng dụng mơ hình QUAL2K quản lý chất lượng nước sông Cầu Bây, đoạn chảy qua địa phận huyện Gia Lâm – Hà Nội” 1.2 Mục tiêu yêu cầu nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu  Xác định áp lực đánh giá trạng chất lượng nước sông Cầu Bây, đoạn chảy qua địa phận huyện Gia Lâm – Hà Nội  Đánh giá tính xác mơ hình QUAL2K mô chất lượng nước đoạn sông nghiên cứu  So sánh diễn biến chất lượng nước thủy vực theo kịch phát triển KTXH khác Từ đó, đề xuất số giải pháp quản lý môi trường bảo vệ chất lượng nước sông 1.2.2 Yêu cầu nghiên cứu  Thu thập đầy đủ xác thơng tin liên quan đến thủy vực nghiên cứu, bao gồm: ranh giới thủy vực, chế độ thủy lực, thơng số thủy Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Long văn hóa – lý – sinh học sơng Cầu Bõy, cỏc nguồn nhiễm có tác động đến chất lượng nước sơng, yếu tố thời tiết, khí hậu…  Tuân thủ chặt chẽ yêu cầu liệu đầu vào thủ tục trình thao tác với mơ hình QUAL2K  Đảm bảo độ xác cao kết phân tích mẫu ngồi trường phịng thí nghiệm  Sử dụng cơng thức tốn học để kiểm định mối tương quan kết mô mô hình với kết thực tế đạt Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Long PHẦN II – TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 Tài nguyên nước trạng chất lượng nước số sơng Việt Nam Việt Nam có mạng lưới sơng ngịi dày đặc, có 13 hệ thống sơng lớn có diện tích 10.000 km2 Tài nguyên nước mặt tương đối phong phú, chiếm khoảng 2% tổng lượng dòng chảy cỏc sụng trờn giới Tổng lượng dịng chảy năm sơng Mê Kụng 500 km3, chiếm tới 59% tổng lượng dòng chảy năm cỏc sụng nước, hệ thống sông Hồng 126,5 km3 (14,9%), hệ thống sông Đồng Nai 36,3 km2 (4,3%), sụng Mó, Cả, Thu Bồn có tổng lượng dòng chảy xấp xỉ nhau, khoảng 20 km (2,3 – 2,6%), hệ thống sơng Kỳ Cùng, Thái Bình sông Ba xấp xỉ nhau, khoảng km3 (1%), cỏc sụng lại 94,5 km (11,1%) [15] Tất cỏc sụng chảy lãnh thổ Việt Nam cung cấp nguồn dự trữ nước dồi (255 tỷ m3 năm) Đây nguồn tài nguyên quý giá, góp phần quan trọng vào phát triển kinh tế - xã hội đất nước Tuy nhiên, sử dụng nước mức thấp cỡ khoảng 53 tỷ m3 năm sở vật chất lực tài cịn thiếu Ngồi ra, phân bố khơng đồng lượng mưa trung bình năm (1960 mm) nước mùa khô kéo dài dẫn đến tình trạng thiếu nước nhiều khu vực Hiện nay, nước mặt Việt Nam đối mặt với nhiều thách thức, đáng kể tình trạng suy kiệt nhiễm diện rộng [13]  Lưu vực sông Cầu éõy nguy ô nhiễm mà lưu vực bị nhiễm hồn tồn Dân số sống lưu vực chiếm khoảng triệu người diện tích độ 10.000 km2 Trong lưu vực này, ngồi khu sản xuất công nghiệp lớn Thỏi Nguyờn, qua việc khai thác mỏ hóa chất, cũn cú 800 sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp quy mô công nghiệp nhỏ làng nghề tập trung Lượng chất thải lỏng thải hồi vào lưu vực sơng Cầu ước tính khoảng 40 triệu m3/năm Riêng khu vực Thỏi Nguyờn thải hồi khoảng 24 triệu m3 có nhiều kim loại độc hại Selenium, Mangan, Chì, Thiết, Thủy Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Long 81 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Long 82 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Long 83 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Long 84 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Long 85 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Long 86 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Long 87 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Long 88 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Long 89 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Long 90 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Long 91 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Long PHỤ LỤC MỘT SỐ HÌNH ẢNH KẾT QUẢ ĐẦU RA CỦA MƠ HÌNH DƯỚI DẠNG ĐỒ THỊ 92 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Long PHỤ LỤC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THEO CÁC KỊCH BẢN KM DO (mgO2/L) KB1 KB2 KB3 KB4 BOD5 (mgO2/L) KB1 KB2 KB3 KB4 7,02 1,30 1,30 1,30 1,30 60,00 60,00 60,00 60,00 6,97 1,16 1,16 1,16 1,16 59,70 59,70 59,70 59,70 6,88 1,05 1,14 1,05 1,14 59,73 57,82 59,74 57,82 6,78 1,00 1,07 1,00 1,07 59,46 57,55 59,47 57,55 6,69 0,96 1,03 0,96 1,03 59,19 57,29 59,21 57,29 6,59 0,93 1,05 0,93 1,05 59,24 55,75 59,27 55,75 6,50 0,91 1,09 0,91 1,09 59,33 54,31 59,37 54,31 6,38 0,90 1,10 0,90 1,10 59,20 52,96 59,27 52,96 6,23 0,90 1,08 0,90 1,08 58,80 52,58 58,90 52,58 6,08 0,91 1,07 0,91 1,07 58,40 52,21 58,52 52,21 5,83 0,92 1,07 0,92 1,07 57,51 51,39 57,70 51,39 5,50 0,91 1,17 0,91 1,17 57,91 48,79 58,18 48,79 5,17 0,93 1,17 0,92 1,17 57,02 48,00 57,37 48,00 4,84 0,93 1,23 0,93 1,23 56,57 46,29 57,00 46,29 KB1 21435,5 21352,3 21364,0 21291,1 21220,2 21194,6 21191,0 21129,6 21029,3 20929,1 20706,9 20872,0 20656,0 20543,1 93 N-NH4+ (àgN/L) KB2 KB3 21435,5 21435,5 4 21352,3 21352,3 9 20498,0 21364,0 20424,5 21291,1 20353,5 21220,2 19652,0 21194,6 18997,1 21191,0 18414,2 21129,6 18314,7 21029,4 18216,2 20929,2 9 18000,2 20707,3 16876,2 20872,7 16669,9 20657,1 15981,6 20544.7 KB4 21435,5 21352,3 20498,0 20424,5 20353,5 19652,0 18997,1 18414,2 18314,7 18216,3 18000,2 16876,2 16669,9 15981,6 KB1 2034,6 2018,6 2003,1 1988,0 1973,0 1966,9 1953,1 1948,7 1927,8 1907,2 1862,4 1827,6 1787,1 1757,5 P-PO43- (àgP/L) KB2 KB3 2034,6 2034,6 5 2018,6 2018,6 0 2003,0 2003,1 1987,9 1988,0 1972,9 1973,0 1966,7 1966,9 1952,8 1953,1 1948,3 1948,7 1927,3 1927,8 1906,5 1907,2 1861,5 1862,4 1743,7 1827,6 3 1704,7 1787,1 1679,2 1757,5 KB4 2034,6 2018,6 1942,7 1928,1 1913,5 1851,2 1793.4 1737,7 1719,0 1700,4 1660,3 1558,2 1523.3 1457,0 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Long 4,22 0,97 1,27 0,97 1,27 54,17 44,21 54,85 44,21 3,66 0,97 1,26 1,02 1,33 54,17 44,60 53,21 42,93 3,44 0,96 1,23 1,13 1,44 54,75 45,88 50,60 41,00 3,23 0,96 1,22 1,16 1,49 54,68 46,13 49,31 39,99 3,01 0,98 1,23 1,15 1,50 54,11 45,66 48,82 39,52 2,79 0,98 1,22 1,19 1,55 53,92 45,78 47,66 38,60 2,58 0,99 1,23 1,19 1,56 53,36 45,31 47,18 38,15 2,36 0,98 1,21 1,27 1,64 53,52 45,92 45,55 36,93 2,14 0,99 1,22 1,27 1,65 52,96 45,46 45,09 36,49 1,93 1,00 1,23 1,27 1,67 52,39 45,00 44,62 36,05 1,71 1,00 1,23 1,31 1,72 52,21 45,09 43,65 35,29 1,33 1,17 1,42 1,56 2,01 51,16 44,43 41,99 33,89 0,80 1,23 1,49 1,68 2,18 50,03 43,68 40,44 32,57 0,27 1,25 1,52 1,76 2,30 48,92 42,93 38,93 31,30 19964,4 19974,2 20199,4 20236,0 20104,0 20176,7 20045,5 20261,9 20132,6 20003,1 20061,4 19888,3 19669,5 19445,8 94 15441,1 15604,7 16114,6 16264,5 16139,9 16314,2 16190,3 16577,4 16454,9 16332,5 16474,1 16397,1 16261,5 16117,9 19968,3 19253,4 18024,4 17477,5 17349,4 16857,5 16732,3 15982,8 15861,8 15741,2 15335,8 14753,8 14224,3 13712,6 15441,1 14881,7 13942,2 13513,1 13395,6 13008,9 12894,2 12319,8 12209,8 12100,0 11781,7 11308,1 10875,5 10458,4 1658,8 1650,5 1654,8 1645,7 1625,2 1620,4 1600,6 1611,8 1592,9 1574,3 1565,9 1536,7 1505,5 1474,7 1584,1 1579,0 1588,4 1581,8 1561,8 1559,2 1540,0 1554,3 1536,0 1517,9 1511,2 1484,3 1455,2 1426,4 1658,9 1599,4 1509,8 1464,8 1446,4 1406,3 1389,0 1335,1 1319,3 1303,8 1272,1 1221,7 1176,4 1133,8 1374,4 1327,7 1258,5 1223,0 1207,5 1175,8 1161,2 1119,5 1106,2 1093,0 1068,0 1027,1 990,23 955,51