nghiên cứu áp dụng mô hình toán mike 11 tính toán dự báo chất lượng nước lưu vực sông cầu

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MIKE 11 TÍNH TOÁN DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG CẦU Trần Hồng Thái, Phạm Văn Hải, Trần Thị Diệu Hằng Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trườn

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MIKE 11 TÍNH TOÁN

DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG CẦU

Trần Hồng Thái, Phạm Văn Hải, Trần Thị Diệu Hằng

Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường

1 Giới thiệu chung

Lưu vực Sông Cầu (LVS) nằm trong phạm vi tọa độ địa lý: 21007' - 22018' vĩ bắc,

105028' - 106008' kinh đông, có diện tích lưu vực 6030 km2 Sông Cầu là dòng chính của hệ thống sông Thái Bình, bắt nguồn từ vùng núi Phia Đeng (1527m) ở sườn đông nam của dãy Pia-bi-óc Dòng chính Sông Cầu chảy qua các tỉnh Bắc Cạn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh rồi đổ vào sông Thái Bình tại Phả Lại

Lượng mưa hàng năm trong LVS khá lớn,

khoảng 1500-2700 mm Mùa mưa thường bắt đầu từ

tháng V và kết thúc vào tháng IX ở thượng lưu hay

tháng X ở trung lưu và hạ lưu Lượng mưa trong mùa

mưa chiếm khoảng 65 - 85% tổng lượng mưa năm

Các kết quả quan trắc, khảo sát độc lập về

chất lượng nước trong lưu vực sông Cầu do Cục

Bảo vệ Môi trường, các cơ quan nghiên cứu, các

sở Tài nguyên Môi trường của các tỉnh

[4,5,6,7,8,9,10] cho thấy chất lượng nước sông

Cầu có xu hướng suy giảm Trong nghiên cứu

này chúng tôi đã sử dụng công cụ mô hình toán

học nhằm đánh giá dự báo biến đổi chất lượng

nước sông Cầu trong tương lai

Hình 1 Lưu vực sông Cầu

2 Giới thiệu Mô hình Mike 11

MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng, được ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy văn thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác Đây là mô hình tích hợp, bao gồm các mô đun chuyên dụng độc lập phục vụ thực hiện các nhiệm vụ khác nhau Trong nghiên cứu này, các mô đun sau đã được ứng dụng:

ƒ Mô đun thuỷ lực (Hydrodynamic - HD);

ƒ Mô đun tải khuyếch tán (Advection Dispersion - AD);

ƒ Mô đun sinh thái (Ecolab)

Giới hạn trong khuôn khổ nghiên cứu này, chúng tôi chỉ đi sâu vào phần nội dung tính toán dự báo chất lượng nước lưu vực sông Cầu

a Cơ sở lý thuyết mô hình thủy lực MIKE 11

Mô hình thủy lực là phần quan trọng nhất trong bộ mô hình MIKE 11, được xây dựng trên hệ 2 phương trình Saint - Venant cho dòng một chiều không ổn định với các giả thiết kèm theo [3]

- Phương trình liên tục:

q

- Phương trình động lượng:

2

AR

Q

gQ Q A

gA

α

Trong đó: Q: Lưu lượng (m3/s)

A: Diện tích mặt cắt (m2)

q: Lưu lượng nhập lưu trên một đơn vị

chiều dài dọc sông (m2/s)

C: Hệ số Chezy [3]

α: Hệ số sửa chữa động lượng R: Bán kính thuỷ lực (m)

Các số liệu cần thiết để tính toán cho mô hình thủy lực của dòng chảy một chiều không ổn định trong sông tự nhiên bao gồm:

- Số liệu địa hình, thể hiện bằng mặt cắt ngang sông;

- Số liệu lưu lượng và mực nước theo thời gian tại các biên trên và biên dưới, các điểm đo dùng để hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình;

- Số liệu lưu lượng và mực nước tại thời điểm t=0 dùng làm điều kiện ban đầu để tính toán cho mô hình

b Cơ sở lý thuyết mô hình chất lượng nước MIKE 11

Bài toán mô phỏng chất lượng nước được mô hình MIKE 11 giải quyết thông qua mô đun truyền tải khuyếch tán và mô đun sinh thái, kết hợp với mô đun thủy lực

HD Phương trình cơ bản trong hai mô đun này là phương trình truyền tải khuyếch tán:

- Phương trình truyền tải - khuyếch tán

2

Trong đó:

A: Diện tích mặt cắt (m2)

C: Nồng độ (kg/m3)

D: Hệ số khuyếch tán

q: Lưu lượng nhập lưu trên 1 đơn vị chiều dài dọc sông

(m2/s)

K: Hệ số phân huỷ sinh học, K chỉ được dùng khi các

hiện tượng hay quá trình xem xét có liên quan đến các phản ứng sinh hoá

Hệ số phân huỷ sinh học K bao hàm trong đó rất nhiều các hiện tượng và phản ứng sinh hoá Hệ số này không cần xem xét trong bài toán lan truyền chất thông thường

3 Các số liệu đầu vào

Nghiên cứu đã thu thập và xử lý một khối lượng lớn các số liệu về địa hình, khí tượng, thủy văn từ năm 2000 đến năm 2006 Hầu hết các số liệu đều được đo đạc bởi Tổng cục Khí tượng Thuỷ văn cũ (nay là Bộ Tài nguyên và Môi trường)

a Số liệu mặt cắt

Nghiên cứu đã mô phỏng chế độ dòng chảy trên phạm vi mạng lưới sông bao gồm: sông Cầu, sông Thương, sông Lục nam và sông Cà Lồ Số liệu mặt cắt thu thập trình bày trên Bảng 1:

Bảng 1: Thống kê mặt cắt trên các sông lưu vực sông Cầu

Stt Tên sông Số lượng

mặt cắt

Khoảng cách trung bình (km)

b Số liệu lưu lượng, mực nước

Trong nghiên cứu này, số liệu thủy văn các năm 2003 và 2005 (lưu lượng trung bình ngày) được dùng để hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình thủy lực.(Bảng 2)

Bảng 2 Số liệu của các trạm thủy văn được dùng trong mô hình

5 Phủ Lạng Thương Thương H Hiệu chỉnh, kiểm nghiệm

c Số liệu chất lượng nước

Số liệu đo đạc chất lượng nước trên sông Cầu được quan trắc bởi Trung tâm Quan trắc và Bảo vệ Môi trường Thái Nguyên Thời gian quan trắc từ đầu tháng 04/10/2005 đến cuối tháng 07/ 12/2005 chia làm 3 đợt:

o Đợt 1: Từ 04/10/2005 đến 08/10/2005

o Đợt 2: Từ 03/11/2005 đến 08/11/2005

o Đợt 3: Từ 01/12/2005 đến 07/12/2005

Các thông số quan trắc tại 7 điểm trên sông Cầu (Bảng 3) bao gồm: BOD, DO, Tổng N, Tổng P, Coliform

Bảng 3.Vị trí các điểm quan trắc chất lượng nước trên sông

1 Phường Quan Thiều-Thành phố

Thái nguyên

Nước thải nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ, nhiệt điện Cao Ngạn

2 Phường Trưng Vương-TP Thái Nguyên Nước thải sinh hoạt thành phố và đoạn sông phía trên

3 Cam Gía-Thành phố Thái Nguyên Nước thải khu công nghiệp gang thép Thái Nguyên

4 Úc Sơn-Phú Bình- Thái Nguyên Trước khi sông Cầu ra khỏi Thái Nguyên

5 Xã Hợp Thịnh-Hiệp Hòa-Bắc Giang Khống chế CLN hợp lưu sông Công và sông Cầu

6 Xã Hương Lâm- Việt Yên-Bắc

Giang

Khống chế CLN SC trước khi sông

Cà Lồ nhập vào

7 Vạn An - Yên Phong Chịu ah từ làng Vân Hà-Bắc Giang Nước đục, nhiều tàu bè qua lại

Các phân tích, đánh giá số liệu cho thấy số điểm quan trắc chất lượng nước ít,

số liệu quan trắc ngắn, một số chỉ tiêu quan trắc bị gián đoạn và không đồng bộ

d Số liệu nguồn gây ô nhiễm

Đối với bài toán mô phỏng chất lượng nước, việc thu thập số liệu các nguồn

gây ô nhiễm là hết sức quan trọng, cần thiết và gặp không ít những khó khăn Các số

liệu chủ yếu được thu thập từ các báo cáo hiện trạng môi trường hàng năm của các tỉnh

[4,5,6,7,8,9,10]

• Hiện trạng các nguồn ô nhiễm đổ vào sông Cầu

Các nguồn gây ô nhiễm cho sông Cầu có thể kể đến nhiều nhất là các nguồn

thải từ các khu công nghiệp và nước thải sinh hoạt từ các khu dân cư

Các nguồn thải từ các khu công nghiệp

Nguồn thải từ các khu công nghiệp trên lưu vực sông Cầu tập trung chủ yếu

trên hai tỉnh Thái Nguyên và Bắc Ninh được thống kê theo Bảng 4

Bảng 4 Hiện trạng các Khu công nghiệp tỉnh Bắc Ninh và Thái

Nguyên năm 2005 Khu công nghiệp

Tỉnh DT (ha) Tỉ lệ lấp đầy(%)

15 cụm công nghiệp vừa và nhỏ

Bắc Ninh

357 100

12 Khu - CCN nhỏ mới thành lập

Thái

Ước tính, lượng nước thải từ các khu công nghiệp này đổ vào sông Cầu trên

70.000 m3/ngày đêm

Các nguồn thải từ các khu dân cư

Hầu hết các nước thải sinh hoạt của nhân dân lưu vực sông Cầu đều được đổ

vào sông Cầu mà không qua xử lý Lượng nước thải (m3/ngày đêm) = Số dân (người)

x Lượng nước cấp trung bình ngày(lít/người/ngày) (Bảng 5)

Bảng 5 Lượng nước thải sinh hoạt từ các khu dân cư đổ vào sông Cầu

Stt Nguồn thải sinh hoạt (10 Dân số 3 người) (10 Lượng nước thải 3 m 3 /ngày đêm)

• Dự báo các nguồn ô nhiễm đổ vào sông Cầu đến năm 2010

Với tốc độ gia tăng dân số trung bình trên lưu vực sông Cầu là 3% cùng với nhu

cầu dùng nước tăng, đến năm 2010 lượng nước thải đổ vào sông Cầu sẽ theo Bảng 6

Bảng 6 Dự báo lượng nước thải sinh hoạt đổ vào sông Cầu đến 2010

Stt Nguồn thải sinh hoạt (10 Dân số 3 người)

Lượng xả thải (10 3 m 3 /ngày đêm)

1 Thành phố Thái Nguyên và

Nguồn:

- Báo cáo hiện trạng môi trường tỉnh Thái Nguyên 2004-2005 UBND tỉnh Thái Nguyên

- Quy hoạch tổng thể phát triển KTXH Bắc Ninh đến năm 2020- UBND tỉnh Bắc Ninh

Theo các quyết định 88/UB của UBND tỉnh Thái Nguyên và 118/2003

QĐ-TTg của UBND tỉnh Bắc Ninh về quy hoạch chung các KCN của tỉnh, đến năm 2010

sẽ lấp đầy các khu công nghiệp hiện có và xây dựng thêm các khu công nghiệp mới

Các thông tin cụ thể và dự tính lượng thải tương ứng được trình bày trong Bảng 8 và 9

Bảng 7 Quy hoạch các KCN tỉnh Thái Nguyên đến năm 2010 Stt Năm Khu công nghiệp DiệnTích (ha) lấp đầy (%) Tỉ lệ DT đã thải(m Lượng nước 3 /ng.đêm)

Nguồn:

- Báo cáo hiện trạng môi trường tỉnh Thái Nguyên năm 2004-2005 UBND tỉnh Thái Nguyên

- Website: http://www.thainguyen.gov.vn

Bảng 8 Quy hoạch các KCN tỉnh Bắc Ninh đến năm 2010 Năm Khu công nghiệp Diện tích (ha) Độ lấp đầy(%) (m Nước thải 3 /ng.đêm)

Tiên Sơn 500 70 19200

2005

Yên Phong II Quế Võ II Thuận Thành Nam Sơn- Hạp Lĩnh

1000 66 31680

2010

Nguồn:

- Tạp chí Khu công nghiệp Việt Nam - http://www.khucongnghiep.com.vn/

- Quy hoạch tổng thể phát triển KTXH Bắc Ninh đến năm 2020- UBND tỉnh Bắc Ninh

Với giả thiết các KCN được lấp đầy, lưu lượng nước thải từ các KCN đổ vào sông Cầu đến năm 2010 sẽ tăng mạnh và được biểu diễn như trong Bảng 9 và Hình 2

Bảng 9 Lượng nước thải từ các KCN và từ sinh hoạt đổ vào sông

năm 2005 và dự báo đến năm 2010 Năm Công nghiệp

(10 3 m 3 /ng.đêm)

Sinh hoạt (10 3 m 3 /ng.đêm)

Biểu đồ so sánh sự gia tăng lượng nước thải từ các KCN và từ các khu dân cư đến năm 2010

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Công nghiệp Sinh hoạt

3 m

3 / ngà

Hình 2 So sánh sự gia tăng lượng nước thải từ các KCN và các khu dân cư đến năm 2010

4 Nghiên cứu áp dụng mô hình Mike 11 tính toán dự báo chất lượng nước

lưu vực sông Cầu

Dựa trên các số liệu thu thập được, nghiên cứu đã mô phỏng chế độ dòng chảy cho hệ thống gồm 4 sông chính là sông Cầu, sông Thương, sông Lục Nam và sông Cà

Lồ Sơ đồ tính toán thuỷ lực trên hệ thống sông với lưới tính toán được xây dựng trên bản đồ số hoá trong khu vực nghiên cứu và bộ mô hình MIKE 11 như Hình 1 Các kết quả mô phỏng của mô hình thuỷ lực được sử dụng như điều kiện biên cho mô hình

trên các sông Thương, sông Lục Nam, sông Cà Lồ nên trong nghiên cứu này chỉ mô phỏng chất lượng nước trên sông Cầu đoạn từ Thác Bưởi đến nút giao giữa sông Cầu

và sông Thương

Trong nghiên cứu này, các mô-đun thủy lực, truyền tải khuếch tán và sinh thái của bộ mô hình Mike11 đã được sử dụng để tính toán mô phỏng và dự báo chất lượng nước cho lưu vực sông Cầu Trình tự các bước tính toán mô phỏng như sau:

(i) Tính toán hiệu chỉnh và kiểm định

mô hình Thủy lực; (ii) Mô phỏng chế

độ dòng chảy cho sông Cầu; (iii) Tính

toán hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

chất lượng nước

Sai số giữa số liệu thực đo và

tính toán được đánh giá theo chỉ số

Nash-Sutcliffe Kết quả mô phỏng chế

độ dòng chảy hệ thống sông lưu vực

sông Cầu là rất tốt Qua so sánh, có thể

thấy kết quả tính toán khá phù hợp với

tài liệu thực đo Mức hiệu quả của mô

hình (được xác định theo chỉ số

NASH) đạt giá trị lớn nhất là 99.1% Hình 3 Sơ đồ mạng tính toán thủy lực hệ thống sông Cầu

Bảng 10: Phân tích hiệu quả của hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

TT Trạm đo Hiệu chỉnh Kiểm định

2 Phủ Lạng Thương 98.6% 96.2%

Hình 4 Kết quả tính toán hiệu chỉnh và kiểm định mô hình diễn toán

Mike11 tại các trạm

Số liệu chất lượng nước từ tháng 10 đến tháng 12 năm 2006 được dùng để hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước Các thông số chất lượng nước mô phỏng là: BOD,

DO, Tổng Ni-Tơ, Tổng Photpho, Coliform Kết quả hiệu chỉnh mô hình khá tốt, tuy vẫn còn một số nơi độ trùng khớp giữa đo đạc và tính toán chưa cao (xem chi tiết tại [1a]) Nguyên nhân có thể kể đến ở đây là do số liệu quan trắc chất lượng nước ngắn, thiếu đồng bộ Số liệu thống kê nguồn thải chưa đầy đủ Một số kết quả hiệu chỉnh chất lượng nước trình bày trên Hình 5

Hình 5 Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước

Sau khi đã hiệu chỉnh và kiểm định các mô hình Thủy lực và Chất lượng nước, tác giả đã áp dụng mô hình tính toán dự báo chất lượng nước cho sông Cầu theo 3 kịch bản:

(1) Kịch bản 1: Lượng nước thải trong lưu vực tăng theo số liệu quy hoạch, nhưng

không được xử lý;

(2) Kịch bản 2: Lượng nước thải trong lưu vực tăng theo số liệu quy hoạch, nhưng đã

được xử lý 30%);

(3) Kịch bản 3: Lượng nước thải tăng theo quy hoạch và đã được xử lý theo TCVN

5945-1995 - B

Kết quả tính toán dự báo chất lượng nước cho sông Cầu được trình bày trên các Hình 6 và Hình 7

5

10

15

20

25

30

P.Quan Thiều-TP Thái

nguyên

P.Tr ưng Vương-TP Thái Nguyên Cam Gía-TP Thái Nguyên

Úc Sơn-Phú Bình- Thái Nguyên

Xã Hợp Thịnh-Hiệp Hòa-Bắc Giang

V ị t r í

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Cam Gía-TP Thái Nguyên

Úc Sơn-Phú Bình- Thái Nguyên

Xã Hợp Thịnh-Hiệp Hòa-Bắc Giang

Xã Hương Lâm- Việt Yên-Bắc Giang Vạn An - Yên Phong

V ị t r í

Hình 6 So sánh nồng độ BOD tại các

điểm quan trắc theo các kịch bản phát

triển Kinh tế - Xã hội

Hình 7 So sánh Tổng Nitơ tại các điểm quan trắc theo các kịch bản phát triển

Kinh tế - Xã hội

Các kết quả tính toán dự báo cho thấy môi trường nước sông Cầu đã và đang tiếp tục bị ô nhiễm nghiêm trọng Trong năm chỉ tiêu chất lượng nước dự báo thì chỉ

có chỉ tiêu tổng Coliform là đạt tiêu chuẩn A tiêu chuẩn chất lượng nước mặt Việt Nam TCVN 5942-1995, bốn chỉ tiêu còn lại đều không đạt chỉ tiêu A, trong đó có chỉ tiêu còn vượt quá tiêu chuẩn B

Mức độ ô nhiễm dọc sông là khác nhau Đoạn sông chảy qua thành phố Thái Nguyên - phía sau nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ và đoạn sông chảy qua 2 tỉnh Bắc Ninh và Bắc Giang- khu vực thuộc xã Vạn An - Bắc Ninh ô nhiễm lớn nhất với lượng

DO dao động từ 2- 4 mg/l; lượng BOD gấp 4 lần TCVN 5942-1995 (gấp 1.3 lần so với năm 2005) Điều đó có nghĩa là đến năm 2010, nước sông Cầu đoạn này không thể sử dụng cho mục đích ăn uống và sinh hoạt Đoạn sông Cầu trước khi vào thành phố Thái Nguyên và đoạn sông Cầu sau khi ra khỏi thành phố Thái Nguyên (trước đoạn nhập lưu với sông Cà Lồ) chất lượng nước còn khá tốt Chất lượng nước trên các đoạn sông còn lại cũng đang ở mức báo động rất cao

5 Kết luận, kiến nghị

Nghiên cứu này tập trung chủ yếu vào việc tính toán dự báo chất lượng nước sông Cầu, bước đầu đã đạt được các kết quả tốt

Kết quả của nghiên cứu có thể được sử dụng tham khảo trong việc quy hoạch các khu công nghiệp, khu dân cư Cũng thông qua nghiên cứu giúp người đọc có cái nhìn tổng quát về hiện trạng chất lượng nước và tương lai của nó trong các kịch bản khác nhau

Trên thực tế chất lượng nước sông Cầu còn xấu hơn nhiều so với kết quả tính toán vì trong nghiên cứu này chỉ xét một cách chưa đầy đủ đến 2 nguồn ô nhiễm chính

là nguồn thải từ các khu công nghiệp và nguồn thải từ sinh hoạt của các khu dân cư

Để mô hình đạt kết quả tốt hơn, trong thời gian tới cần thực hiện các công việc sau:

- Tiếp tục quan trắc diễn biến chất lượng nước dọc sông Cầu và các sông khác trên lưu vực

- Cần tiến hành khảo sát, thống kê thêm về các nguồn gây ô nhiễm khác đổ vào sông Cầu

Tài liệu tham khảo

1 TS Trần Hồng Thái - Numerical Methods for Parameter Estimation and

Optimal Control of the Red River Network - Heidelberg, 2005

1a TS Tran Hong Thai, et al - Water quality Modelling for the three river basins:

Cau, Nhue Day- Sai Gon Dong Nai

2 PGS.TS Đặng Văn Bảng - Đại học Thuỷ Lợi - Mô hình toán thuỷ văn -Hà Nội, 2005

3 V Techow, D.R Maidment, L.W Mays - Thuỷ văn ứng dụng - Đỗ Hữu Thành

dịch - NXB Giáo dục -1994

4 Nguyễn Văn Cư và nnk - Báo cáo kết quả dự án KHCN cấp nhà nước: Môi

trường lưu vực sông Cầu Hà Nội, 2003

5 Sở Khoa học Công nghệ và Môi trường tỉnh Thái Nguyên - Tổng quan hiện

trạng môi trường Thái Nguyên 5 năm (1994 - 1999) Thái Nguyên, 1999

6 Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên - Báo cáo hiện trạng môi trường

tỉnh Thái Nguyên năm 2004-2005, Thai Nguyên 7/2005

7 Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bắc Giang - Môi trường và Bảo vệ Môi

trường Bắc Giang - Bắc Giang, 2005

8 Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bắc Giang - Báo cáo hiện trạng môi trường

tỉnh Bắc Giang năm 2005 - Tháng 6/2005

9 Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Hải Dương - Quy hoạch tổng thể phát triển

kinh tế xã hội tỉnh Hải Dương giai đoạn 2006-2020

10 Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Vĩnh Phúc - Quy hoạch tổng thể phát triển

kinh tế xã hội tỉnh Hải Dương giai đoạn 2001-2010 và định hướng đến năm

2020 - Vĩnh Phúc 7/2004

11 Cục bảo vệ môi trường Việt Nam - Báo cáo kết quả quan trắc môi trường lưu

vực sông Cầu năm 2005 - Thái Nguyên, 01/2006

12 Ủy ban nhân dân tỉnh Bắc Ninh - Báo cáo tổng thể phát triển kinh tế - xã hội

tỉnh Bắc Ninh đế năm 2020 Bắc Ninh 2005

13 DHI software - MIKE software 2004 User Guide

14 DHI software - MIKE 11 Reference Manual - 2004