TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011 ÁP DỤNG MÔ HÌNH QUAL2K ðÁNH GIÁ DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC DÒNG CHÍNH SÔNG HƯƠNG Nguyễn Bắc Giang Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế TÓM TẮT
Trang 1TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011
ÁP DỤNG MÔ HÌNH QUAL2K ðÁNH GIÁ DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC DÒNG CHÍNH SÔNG HƯƠNG
Nguyễn Bắc Giang Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế
TÓM TẮT
Bài báo giới thiệu mô hình một chiều (Qual2K) tính toán lan truyền chất trong sông và ứng dụng ñể nghiên cứu mô phỏng diễn biến chất lượng nước (CLN) cho Sông Hương Bài báo cũng trình bày các bước cơ bản ứng dụng mô hình cho một ñối tượng cụ thể Ngoài ra, ñã tiến hành kiểm ñịnh mô hình với giá trị sai số nhỏ hơn 30% Từ kết quả này ñã tiến hành dự báo sự thay ñổi chất lượng nước theo thời gian vào năm 2010 và 2020
Từ khóa: Qual2K, sông Hương
1 Mở ñầu
Gần ñây việc ứng dụng mô hình ñể mô phỏng chất lượng nước (CLN) ñã trở nên phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới Các mô hình CLN ñược xem là một trong những công cụ hỗ trợ ñắc lực cho công tác quản lý CLN, giúp ñánh giá và dự báo về sự biến ñổi CLN trong tương lai
Trong số các mô hình CLN ñang ñược áp dụng, Qual2K là mô hình CLN sông tổng hợp, ñơn giản và miễn phí ñược áp dụng phổ biến nhiều nơi trên thế giới Mô hình Qual2K ñã ñược áp dụng trong mô phỏng DO của sông Blackstone (Mỹ); ñánh giá CLN chảy qua ñập Gavins Point trên sông Missouri (Mỹ); tính toán tác ñộng của nước thải công nghiệp và ñô thị ñến DO sông Sava (Slovenia); ñánh giá CLN sông Sungai Selangor (Malaysia)[6]
Hiện nay, các số liệu quan trắc CLN sông Hương khá ñồng bộ và ñầy ñủ, tuy nhiên việc tổng hợp các số liệu này và sử dụng các mô hình ñể mô phỏng và dự báo xu thế biến ñổi CLN phục vụ cho mục ñích quản lý CLN sông Hương vẫn chưa ñược quan tâm nhiều Vì vậy, nghiên cứu áp dụng mô hình Qual2K cho sông Hương sẽ góp phần
bổ sung tính ña dạng các công cụ phục vụ công tác quản lý CLN của ñịa phương
2 Tổng quan về mô hình Qual2K
2.1 Giới thiệu mô hình Qual2K
Trang 2học Tuft và Trung tâm Mô hình CLN của Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ Mô hình này chạy trên nền MS Excel với giao diện ñơn giản, dễ sử dụng, tốc ñộ tính toán khá nhanh Qual2K mô phỏng ñược 15 thông số bao gồm: ñộ dẫn ñiện, chất rắn vô cơ lơ lửng, oxy
2.2 Cơ sở lý thuyết của mô hình Qual2K
Với mỗi thành phần liên quan tới CLN, phương trình lan truyền chất có dạng như sau:
S dt
dC dx A dx x
C U A dx x
x
C D A t
M
x x
x
+
× +
∂
×
×
∂
−
∂
∂
∂
×
∂
=
∂
∂
)
( ) (
)
(1.1) (I) (II) (III) (IV) (V)
U: vận tốc trung bình dòng chảy
(I): thay ñổi khối lượng theo thời gian (II): sự khuếch tán
(III): sự chuyển tải (IV): thành phần (nồng ñộ) thay ñổi theo thời gian (V): các nguồn từ bên ngoài và sự lắng ñọng các chất
Hình 1 Phân ñoạn hệ thống sông có nhánh và không có nhánh của Qual2K
Bước ñầu tiên của chương trình tính Qual2K là chia hệ thống sông thành các
Thượng nguồn
Hạ nguồn
1
2
3
4
5
Nguồn thải ñiểm
Nguồn thải phân tán
Dòng ra
Các ñoạn
19
18
17
16
19
18
17
16
1
5
4
3
2
1
5
4
3
2
20
28
27
26
21
29
20
28
27
26
21
29
12
15
14
13
12
15
14
13
8
7
6
8
7
6
9
11
10
9
11
10
24
23
22
25
Nguồn
nước 2
Nguồn
nước 3
Nguồn
nước 4
Dòng chính
Nguồn nước 1
Trang 3ñoạn sông Mỗi ñoạn sông lại ñược chia thành 7 phần tử tính toán như: phần tử thượng nguồn; phần tử chuẩn; phần tử cận nối tiếp; phần tử nối tiếp; phần tử cuối cùng; phần tử nước ñi vào; phần tử nước ñi ra,… Trong mỗi ñoạn sông sẽ chứa ñựng các dữ liệu liên quan ñến mô hình như: thủy lực, hằng số tốc ñộ phản ứng,…
Các công thức, phương trình, mô hình cơ bản ñược sử dụng ñể tính toán trong
mô hình Qual2K như: phương trình cân bằng lưu lượng; phương trình Manning; thời
gian di chuyển; mô hình nhiệt ñộ; mô hình thành phần (Thực vật phù du; CBOD dễ
Sau khi nhập các số liệu ở các Worksheet, bao gồm dữ liệu ñầu vào (CLN, lưu lượng nước, hệ số nhám, nhiệt ñộ, các nguồn thải, thủy lực, ), Qual2K sẽ tính toán trên nền của MS Excel và cho kết quả tính toán, mô phỏng ở các Worksheet dưới dạng biểu
ñồ hoặc dữ liệu
2.3 Phạm vi ứng dụng của mô hình Qual2K
Qual2K là mô hình một chiều với ñiều kiện dòng chảy ñều và tải lượng nguồn thải ñều Kết quả tính toán các thông số CLN trong mô hình ñược thể hiện dưới dạng ñồ thị theo dọc chiều dài dòng chảy
Mô hình Qual2K có một số hạn chế như chỉ mô phỏng một chiều và chỉ áp dụng ñược cho sông không quá rộng, không tính toán ñược ảnh hưởng của thủy triều [7]
3 ðối tượng và phương pháp nghiên cứu
3.1 ðối tượng nghiên cứu
Mô phỏng và dự báo diễn biến
CLN ñược nghiên cứu với ñối tượng là
dòng chính sông Hương ðây là nguồn
cung cấp nước mặt quan trọng cho mọi
hoạt ñộng của thành phố Huế, ñồng thời
cũng là nơi tiếp nhận hầu hết các chất thải
chưa qua xử lý của ñô thị Huế Hình 2
giới thiệu ñoạn sông nghiên cứu, từ ngã
ba Tuần về ñến ngã ba Sình, có chiều
dài 28 km
Tuy nhiên, các kết quả mô
phỏng chưa tính ñến sự ñóng góp các
chất hữu cơ và dinh dưỡng của các hồ
(1)
(2)
(4) (5)
(6) (7)
(8)
(9) (10)
(11)
(3)
(12)
(13) (14)
(17)
Trang 43.2 Phương pháp nghiên cứu
3.2.1 Phân ựoạn dòng chảy
Dựa vào các ựiều kiện về ựịa hình, chế ựộ dòng chảy và các nguồn xả thải vào sông Hương mà ựoạn sông nghiên cứu ựược phân chia thành 17 phân ựoạn tương ứng (xem hình 2 và bảng 1)
Bảng 1 Phân ựoạn dòng chảy theo mô hình Qual2K
quan trắc(*)
Ngã Ba Tuần
Xước Dũ
đông Ba
đập La Ỷ
Ghi chú :(*) các ựiểm quan trắc CLN sông Hương thực tế
3.2.2 Kiểm ựịnh và hiệu chỉnh mô hình
Các nhóm số liệu ựầu vào dùng ựể hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình bao gồm:
- Lưu lượng dòng chảy: sử dụng lưu lượng nước tự nhiên của sông Hương (chưa
có sự ựiều tiết của 2 hồ chứa)
Trang 5- Các thông số thủy lực: vận tốc dòng chảy, diện tích mặt cắt ngang, ñộ dốc, ñộ sâu dòng chảy,
- Các hệ số tốc ñộ thông khí, hằng số tốc ñộ phân hủy các chất hữu cơ; tốc ñộ chuyển hóa nitơ và photpho,
- Các thông số CLN các tháng mùa khô (tháng 5), mùa mưa (tháng 11) của năm
2003 và năm 2007
- Các thông số về nguồn thải: nồng ñộ, tải lượng và tính toán lưu lượng của các nguồn thải sinh hoạt, ñô thị và công nghiệp,
3.2.3.Mô phỏng chất lượng nước vào các năm 2010 và 2020
Các trường hợp mô phỏng:
- Năm 2010: chỉ có hồ Bình ðiền tham gia ñiều tiết dòng chảy
- Năm 2020: cả hai hồ chứa Bình ðiền và hồ Tả Trạch cùng ñiều tiết dòng chảy Các số liệu ñầu vào:
- Số liệu thủy văn: ñến năm 2010 có tính ñến sự ñiều tiết cùa hồ Bình ðiền và năm 2020 có sự ñiều tiết của hồ Tả Trạch
- Số liệu CLN: sử dụng kết quả quan trắc CLN từ năm 2003 ∼ 2007 [5, 6]
- Số liệu các nguồn thải: sử dụng các số liệu thống kê các nguồn thải ñiểm và không ñiểm ñồng thời có tính ñến lượng nước thải phát sinh vào các thời ñiểm tương ứng trong tương lai [2, 3, 4]
- Sử dụng lại các hệ số thủy lực, các hằng số tốc ñộ phân hủy, hằng số tốc ñộ thông số, các hệ số chuyển hóa,… như ở phần kiểm ñịnh mô hình [8]
3.2.4 Các phương pháp khác
Các số liệu về CLN, thủy văn,…ñược xử lý bằng phương pháp thống kê Việc ước tính tải lượng các nguồn thải ñược thực hiện thông qua phương pháp ñánh giá nhanh nguồn thải [1] Sử dụng phương pháp chuyên gia ñể lấy ý kiến về các vấn ñề liên quan ñến ñánh giá CLN, mô hình CLN,
4 Kết quả nghiên cứu
4.1 Kết quả kiểm ñịnh và hiệu chỉnh mô hình
Kết quả chạy mô hình các thông số CLN cho các tháng mùa khô và mùa mưa năm 2003 và năm 2007 ñược trình bày lần lượt ở các hình 3, 4, 5 và 6
Trang 60
1
2
3
4
5
6
Khoang cach
BOD (Mô phỏng)
DO (Mô phỏng) DO(Thực ño) BOD (Thực ño)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Khoang cach
NH4 (Mô phỏng) NO3 (Mô phỏng) PO4 (Mô phỏng) NH4 (Thực ño) NO3 (Thực ño) PO4 (Thực ño)
( µµµµ
cho mùa khô năm 2003
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Khoang cach
DO (Mô phỏng) BOD (Mô phỏng)
DO (Thực ño) BOD (Thực ño)
0 20 40 60 80 100 120 140
Khoang cach
( µµµµ
NH4 (Mô phỏng) NO3 (Mô phỏng) PO4 (Mô phỏng) NH4 (Thực ño) NO3 (Thực ño) PO4 (Thực ño)
cho mùa mưa năm 2003
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Khoang cach
DO (Mô phỏng) BOD (Mô phỏng)
DO (Thực ño) BOD (Thực ño)
0 50 100 150 200 250
Khoang cach
( µµµµ
NH4 (Mô phỏng) NO3 (Mô phỏng) PO4 (Mô phỏng) NH4 (Thực ño) NO3 (Thực ño) PO4 (Thực ño)
cho mùa khô năm 2007
Khoảng cách Khoảng cách
Khoảng cách Khoảng cách
Trang 71
2
3
4
5
6
7
8
9
Khoang cach
DO (Mô phỏng) BOD (Mô phỏng)
DO (Thực ño) BOD (Thực ño)
0 50 100 150 200 250 300
Khoang cach
( µµµµ
NH4 (Mô phỏng) NO3 (Mô phỏng) PO4 (Mô phỏng) NH4 (Thực ño) NO3 (Thực ño) PO4 (Thực ño)
cho mùa mưa năm 2007
Sau khi áp dụng phương pháp thử sai, sai số giữa giá trị thực ño và kết quả mô phỏng là ± 30%, ñây là mức sai số có thể chấp nhận ñược ðiều này cho thấy, các hệ số
và thông số ñầu vào mô hình phù hợp với ñiều kiện thực tế của dòng chảy sông Hương Ngoài ra, các kết quả tính toán cho thấy, tất cả các ñường phân bố các thông số: BOD,
và kết quả tính toán
4.2 Kết quả mô phỏng chất lượng nước vào các năm 2010 và 2020
4.2.1.Các kết quả ñầu ra của mô hình
ñược mô phỏng cho mùa khô và mùa mưa vào các năm 2010 ñến 2020 lần lượt ở các hình từ 7 ñến 14
(a)
Trang 8(b)
Hình 7 (a, b) Kết quả mô phỏng DO và BOD vào mùa khô năm 2010
(a)
(b)
(c)
Hình 8 (a, b, c) Kết quả mô phỏng NH 4 -N, NO 3 -N và PO 4 -P mùa khô năm 2010
Trang 9(a)
(b)
Hình 9 (a, b) Kết quả mô phỏng DO và BOD mùa mưa năm 2010
(a)
Trang 10(c)
(a)
(b)
Hình 11 (a, b) Kết quả mô phỏng DO và BOD mùa khô năm 2020
Trang 11(a)
(b)
(c)
Hình 12 (a, b, c) Kết quả mô phỏng NH 4 -N, NO 3 -N và PO 4 -P mùa khô năm 2020
Trang 12(b)
Hình 13 (a, b) Kết quả mô phỏng DO và BOD mùa mưa năm 2020
(a)
(b)
(c)
Trang 13So sánh các kết quả mô phỏng CLN vào năm 2010 và 2020 với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08:2008/BTNMT cho thấy:
- DO trong nước giảm ựi rất nhiều Hầu hết các ựiểm ựều không ựạt quy chuẩn loại A và có một số ựiểm ựã vượt quy chuẩn loại B
- Thông số BOD hầu hết ựều không ựạt quy chuẩn loại A chỉ trừ một số ựiểm ở thượng nguồn
A, còn lại vẫn nằm trong giới hạn cho phép
Nhìn chung, CLN sông Hương vào các thời ựiểm 2010 và 2020 sẽ bị suy giảm theo thời gian Qua kết quả mô phỏng CLN cho các năm 2010 và 2020 cho thấy tất cả các ựường phân bố các chất ô nhiễm ựều phù hợp với thực tế Chứng tỏ các hệ số ựã ựược tắnh toán xác ựịnh phù hợp với ựiều kiện của sông Hương và có thể sử dụng các hệ
số này ựể dự báo diễn biến CLN cho các năm sau
4.3 đánh giá tổng hợp diễn biến CLN
Diễn biến CLN sông Hương sau khi mô phỏng ựược trình bày lần lượt ở các hình từ 15 ựến 18
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
MC
(Ngã Ba
Tuần)
(Ngã Ba Sình)
Vị trắ
Năm 2007 Năm 2010 Năm 2020
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 180.00 200.00
MC (Ngã Ba Tuần)
(Ngã Ba Sình)
Vị trắ
Năm 2007 Năm 2010 Năm 2020
Hình 15 Diễn biến DO và BOD mùa khô qua các năm
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
MC
(Ngã Ba
Tuần)
MD ME MF MG MH
(Ngã Ba Sình)
Vị trắ
Năm 2003 Năm 2007 Năm 2010 Năm 2020
0.00 2000.00 4000.00 6000.00 8000.00 10000.00 12000.00 14000.00 16000.00 18000.00
MC (Ngã Ba Tuần)
(Ngã Ba Sình)
Vị trắ
Năm 2003 Năm 2007 Năm 2010 Năm 2020
Trang 140.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
MC
(Ngã Ba
Tuần)
(Ngã Ba Sình)
Vị trắ
Năm 2007 Năm 2010 Năm 2020
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 180.00
MC (Ngã Ba Tuần)
(Ngã Ba Sình)
Vị trắ
Năm 2007 Năm 2010 Năm 2020
Hình 17 Diễn biến DO và BOD mùa mưa qua các năm
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
80.00
90.00
100.00
MC
(Ngã Ba
Tuần)
(Ngã Ba Sình)
Vị trắ
Năm 2003 Năm 2007 Năm 2010 Năm 2020
0.00 2000.00 4000.00 6000.00 8000.00 10000.00 12000.00 14000.00 16000.00 18000.00
MC (Ngã Ba Tuần)
(Ngã Ba Sình)
Vị trắ
Năm 2003 Năm 2007 Năm 2010 Năm 2020
Từ các kết quả mô phỏng CLN năm 2003, 2007, 2010 và 2020 cho thấy diễn biến các thông số CLN dọc theo ựoạn sông ựang xét biến ựộng khá lớn nhất là ựoạn chảy ngang qua thành phố Huế, cụ thể là ựoạn từ Xước Dũ ựến đông Ba
Cũng qua kết quả tắnh toán của mô hình cho thấy nồng ựộ tất cả các thông số CLN ựều có xu hướng tăng theo thời gian (ngoại trừ DO) điều này chứng tỏ CLN sông Hương ựang diễn biến theo chiều hướng xấu ựi
5 Kết luận
đã áp dụng mô hình Qual2K ựể mô phỏng CLN cho ựoạn Ngã Ba Tuần ựến Ngã
Ba Sình vào các thời ựiểm năm 2003 và năm 2007 Kiểm ựịnh mô hình cho thấy các kết quả mô phỏng ựều nằm trong sai số cho phép ổ 30%
Các kết quả chạy mô hình dự báo diễn biến CLN vào năm 2010 và 2020, cho thấy:
+ Vào năm 2020, giá trị DO và BOD vượt quy chuẩn cho phép 3 lần ựối với khu
Trang 15Từ các kết quả mô phỏng qua các năm 2003, 2007, 2010, 2020, cho phép nhận ựịnh như sau:
+ CLN sông Hương có xu hướng giảm dần theo thời gian, cụ thể là nồng ựộ các
+ CLN sông Hương giảm khi chảy ngang khu vực thành phố Huế (nhất là ựoạn
từ Kim Long ựến đông Ba)
Kết quả chạy mô hình về sự phân bố nồng ựộ các chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng với các mốc thời gian khác nhau cho kết quả phù hợp với quy luật phân bố, chuyển hóa các chất trong dòng chảy sông Hương
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Economopoulos, A.P Assessment of Sources of Air, Water, and Land pollution, A guide
to Rapid Source Inventory Techniques and their use in Formulating Environmental Control Strategies, Part 1: Rapid Inventory Techniques in Environmental Pollution,
WHO, 1993
[2] Ban Quản lý Dự án Sông Hương, Báo cáo kết quả ựề tài - Khảo sát tình hình hiện trạng các cống thải hai bờ sông Hương ựoạn qua trung tâm thành phố Huế, Huế, 2007 [3] Trung tâm tư vấn và phát triển Khoa học & Công nghệ Thừa Thiên Huế, Báo cáo kết quả quan trắc môi trường tỉnh Thừa Thiên Huế quý 4/2007, Huế, 2007
[4] Hoàng Thái Long, điều tra ựánh giá tác ựộng của các nguồn nước thải ựến môi trường
và xây dựng cơ sở dữ liệu các nguồn thải ở ựô thị Huế, đề tài nghiên cứu khoa học cấp
Bộ, Trường đại học Khoa học, đại học Huế, 2003
[5] Cục Bảo vệ Môi trường, Báo cáo toàn văn: Kết quả quan trắc và phân tắch chất lượng môi trường nước sông Hương ở thành phố Huế, 2003
[6] Cục Bảo vệ Môi trường, Báo cáo toàn văn: Kết quả quan trắc và phân tắch chất lượng môi trường nước sông Hương ở thành phố Huế, 2007
[7] Chapra S and Pelletier G., QUAL2K - A Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality: Documentation and Users Manual Civil and
Environmental Engineering Dept, Tufts University, Medford, 2003
[8] Trần Văn Quang, Nghiên cứu xây dựng mô hình chất lượng nước sông Hương theo chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường đại học Xây dựng,
Trang 16APPLYING QUAL2K MODEL TO WATER QUALITY ASSESSMENT
OF THE HUONG RIVER’S MAINSTREAM
Nguyen Bac Giang College of Sciences, Hue University
SUMMARY
This paper presents an one-dimensional model for substance transport in a river and its application for simulation of water quality variations in Huong river The paper also introduces basic steps of applying the model to a specific substance In addition, the model was tested with
an accepted deviation of less than 30 percent Based on these results, the prediction of temporal water quality variations in 2010 and 2020 was undertaken It also discusses advantages and disadvantages of the model application
Key word: Qual2K, Huong river
