NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MIKE 11 TÍNH TOÁN CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG NHUỆ - SÔNG ĐÁY

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MIKE 11 TÍNH TOÁN CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG NHUỆ - SÔNG ĐÁY Lê Vũ Việt Phong, Trần Hồng Thái, Phạm Văn Hải Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường

Trang 1

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MIKE 11 TÍNH TOÁN CHẤT

LƯỢNG NƯỚC SÔNG NHUỆ - SÔNG ĐÁY

Lê Vũ Việt Phong, Trần Hồng Thái, Phạm Văn Hải

Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường

1 Giới thiệu

Trong những năm gần đây, với sự tăng trưởng của dân số và các ngành kinh tế

xã hội, lưu vực sông Nhuệ - Đáy đang đứng trước nhiều nguy cơ và thách thức, nổi bật trong số đó là vấn đề chất lượng môi trường nước của hai con sông huyết mạch trong lưu vực, sông Nhuệ và sông Đáy

Sông Đáy nguyên là một phân lưu lớn của sông Hồng, có chiều dài khoảng 247 km, bắt đầu từ cửa Hát Môn cho đến cửa Đáy trước khi đổ ra biển Đông Do ảnh hưởng của đập Đáy nên đoạn thượng nguồn (từ sau đập Đáy đến Ba Thá dài 71 km) của sông Đáy gần như

là một sông chết Lượng nước chủ yếu cung cấp cho sông Đáy lấy từ các sông nhánh đổ vào, trong đó quan trọng nhất là sông Tích, sông Bôi, sông Đào và sông Nhuệ

Sông Nhuệ lấy nước từ sông Hồng qua cống Liên Mạc, phục vụ nước tưới cho

hệ thống thủy nông Đan Hoài Bên cạnh đó, sông Nhuệ còn có nhiệm vụ tiêu nước cho thành phố Hà Nội, thị xã Hà Đông trước khi đổ vào sông Đáy tại thị xã Phủ Lý Đây cũng là hai nguồn gây ô nhiễm chủ yếu cho sông Nhuệ, đặc biệt là nước thải từ thành phố Hà Nội qua đập Thanh Liệt Lưu lượng nước trung bình trên sông Tô Lịch qua đập Thanh Liệt đổ vào sông Nhuệ từ 11-17 (m3/s), cực đại là 30 (m3/s)

Những nghiên cứu đo đạc gần đây cho thấy chất lượng nước tại một số điểm quan trắc trên sông Nhuệ và sông Đáy đều đang ở mức ô nhiễm nặng nề, thậm chí còn có những nơi chất lượng nước không đạt tiêu chuẩn nước mặt loại B (TCVN

5945 - 1995) Số liệu quan trắc nồng độ oxy hòa tan (Dissolved Oxygen - DO) và nhu cầu oxy sinh hóa (Biological Oxygen Demand - BOD) tại các điểm đo trong hệ thống lưu vực sông Nhuệ-Đáy được thu thập và cung cấp bởi Cục Bảo vệ Môi trường - Bộ Tài nguyên và Môi trường (Bảng 1 và Bảng 2)

Bảng 1 Nồng độ Oxy hòa tan DO (mg/l) và nhu cầu ôxy sinh hoá

BOD (mg/l) tại các điểm quan trắc trên sông Nhuệ tháng 11/2005

Đồng Quan

Cống

Trang 2

Trạm Ba

Thá

Tế Tiêu

Cầu Quế

Hồng Phú

Trung Hiếu Hạ

Khánh Phú

Độc

Bộ

Đò Mười

(Nguồn: Cục Bảo vệ Môi trường)

Dựa trên các số liệu quan trắc cho

thấy sông Nhuệ và sông Đáy đang bị ô

nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt là sông

Nhuệ Sự trong sạch và khỏe mạnh của

dòng sông có ảnh hưởng rất lớn đến sinh

hoạt và sản xuất của cả một vùng dân cư

rộng lớn, chính vì vậy, việc nghiên cứu

áp dụng các biện pháp khoa học góp

phần cải thiện tình trạng ô nhiễm tại các

dòng sông trên là vô cùng cấp thiết Ở

đây, trong bài báo này, nhóm các tác giả

đã nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE

11 trong tính toán chất lượng nước (DO,

BOD và nhiệt độ) sông Nhuệ và sông

Đáy bởi đây là mô hình có tích hợp

nhiều các tính năng ưu việt và đồng bộ,

thuận tiện cho việc nghiên cứu

Hình 1 Bản đồ lưu vực sông Nhuệ - Đáy

2 Nội dung nghiên cứu - cơ sở lý thuyết

MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng, được ứng dụng để mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác Mô hình giải quyết những bài toán liên quan thông qua các mô đun độc lập được tích hợp lại với nhau để thực hiện các quy trình tính toán cần thiết Trong nghiên cứu này, các mô đun được ứng dụng bao gồm:

Mô đun mưa - dòng chảy (Rainfall Runoff - RR);

Mô đun thuỷ lực (Hydrodynamic - HD);

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

Mô đun sinh thái (Ecolab)

Trang 3

Bài báo này chỉ đi sâu vào phần nội dung mô phỏng và tính toán thuỷ lực, chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ và sông Đáy L.V.V.Phong [7] đã cung cấp chi tiết nội dung nghiên cứu ứng dụng mô hình mưa dòng chảy MIKE - NAM khôi phục số liệu dòng chảy phục vụ cho mô hình thuỷ lực

a Cơ sở lý thuyết mô hình thủy lực MIKE 11

Mô hình thủy lực (Hydrodynamic module - HD) là phần quan trọng nhất trong

bộ mô hình MIKE 11, được xây dựng trên hệ 2 phương trình Saint - Venant viết cho dòng một chiều không ổn định với một số giả thiết đi kèm [2, 4, 5]

- Phương trình liên tục:

q

- Phương trình động lượng:

2

AR

Q

gQ Q A

gA

α

(2)

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 [2]

α: Hệ số sửa chữa động lượng

R: Bán kính thuỷ lực (m)

Hiện nay hệ phương trình Saint - Venant chỉ tìm được nghiệm giải tích trong trường hợp hệ thống đơn giản và phải kèm theo rất nhiều các giả thiết Hệ phương trình này chủ yếu được giải bằng phương pháp gần đúng, cụ thể trong mô hình MIKE

11 đó là phương pháp sai phân hữu hạn [4, 5, 6]

Tài liệu yêu cầu cho mô hình thủy lực tính toán cho bài toán 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

Trang 4

Ngoài phần mô hình thủy lực có nhiệm vụ tính toán về chế độ thủy lực của dòng chảy trong sông, bài toán chất lượng nước được mô hình MIKE 11 giải quyết thông qua mô đun truyền tải khuyếch tán và mô đun sinh hóa Mô đun truyền tải khuyếch tán có chức năng tính toán sự lan truyền của các chất huyền phù hoặc hòa tan (phân hủy) dưới tác động của dòng chảy Bài toán đặt ra trong nghiên cứu này là bài toán có liên quan đến các chu trình sinh hóa diễn ra trong dòng sông, do đó các tác giả không những chỉ sử dụng mô đun truyền tải khuyếch tán mà còn phải kết hợp với mô đun sinh hóa để giải quyết vấn đề Phương trình cơ bản trong hai mô đun này là phương trình truyền tải khuyếch tán [6]:

- Phương trình truyền tải - khuyếch tán

2

Trong đó:

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 Nghiên cứu áp dụng mô hình MIKE 11 tính toán chất lượng nước sông Nhuệ

và sông Đáy

a Số liệu đầu vào phục vụ cho mô hình thuỷ lực và chất lượng nước

Một trong những mục tiêu của nghiên cứu này đó là mô phỏng lại toàn bộ quá trình chất lượng nước diễn ra trong lưu vực sông Nhuệ, sông Đáy từ những số liệu cần thiết thu thập được tại những điểm rời rạc trên sông Nội dung này được thực hiện qua công tác hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình, từ đó thu được những thông

số mô hình phù hợp với thực tế

Trước hết, hệ thống sông nghiên cứu tính toán trong mô hình thuỷ lực và chất lượng nước có 6 sông với 219 mặt cắt (Hình 1) bao gồm: sông Hồng, sông Nhuệ, sông Đáy, sông Đuống, sông Đào và sông Hoàng Long, trong đó:

- Thượng nguồn sông Nhuệ nối với sông Hồng tại cống Liên Mạc

- Hạ lưu sông Nhuệ nối với sông Đáy tại thị xã Phủ Lý

- Hạ lưu sông Hoàng Long nối với sông Đáy tại Gián Khẩu

- Sông Đào nối với sông Đáy tại Độc Bộ

Mô hình cần có các số liệu địa hình, thuỷ văn, thuỷ lực và chất lượng nước

Trang 5

i Số liệu mặt cắt các sông nghiên cứu

(219 mặt cắt) được tiến hành đo đạc

vào năm 2000, riêng sông Nhuệ số

liệu đo năm 1990, chi tiết như sau::

- Sông Hồng: 89 mặt cắt (Từ trạm

Sơn Tây - trạm Hưng Yên)

- Sông Đuống: 3 mặt cắt (Từ ngã ba

sông Đuống - trạm Thượng Cát)

- Sông Nhuệ: 43 mặt cắt (Từ cống

Liên Mạc - Phủ Lý)

- Sông Đáy: 60 mặt cắt (Từ trạm Ba

Thá - trạm Như Tân)

- Sông Đào: 10 mặt cắt (Từ nhập lưu

với sông Đáy - trạm Nam Định)

- Sông Hoàng Long: 14 mặt cắt (Từ

trạm Hưng Thi - trạm Gián Khẩu)

ii Số liệu lưu lượng và mực nước:

Hình 2 Sơ đồ mạng sông tính toán

Số liệu lưu lượng và mực nước thực đo dùng để làm điều kiện biên trên, biên dưới và hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình thuỷ lực Các số liệu thuỷ văn (∆t =1 ngày)

từ tháng 11/1998 đến tháng 5/1999 được dùng hiểu chỉnh mô hình thuỷ lực, số liệu thuỷ văn (∆t =1 ngày) từ 11/1999 đến tháng 5/2000 được dùng để kiểm nghiệm mô hình thuỷ lực Danh sách các trạm thuỷ văn sử dụng trong mô hình như Bảng 3

Bảng 3 Danh sách các trạm thủy văn dùng trong tính toán mô hình thuỷ lực

8 Gián Khẩu Hoàng Long H Hiệu chỉnh, kiểm nghiệm

(*, **)

Trang 6

Được dùng để làm điều kiện biên trên, biên dưới và hiệu chỉnh, kiểm nghiệm trong mô hình chất lượng nước

Số liệu chất lượng nước được quan trắc tại các điểm trên trên với tần suất 12 lần/ năm Các số liệu chất lượng nước quan trắc (DO, BOD, nhiệt độ) từ tháng 10 đến tháng 12 năm 2005 được dùng để hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình Danh sách các trạm quan trắc trong Bảng 4

- Số liệu nguồn thải và nguồn gây ô nhiễm

Nguồn thải là những nguồn gây ô nhiễm chính trong các sông trên lưu vực, được hình thành từ các hoạt động dân sinh kinh tế của con người Số liệu nguồn thải được thu thập cho hai nguồn chính:

9 Số liệu nước thải công nghiệp dựa trên các báo cáo quan trắc môi trường khu công nghiệp, quy mô và tần suất hoạt động

9 Số liệu nước thải sinh hoạt ước tính dựa trên dân số và lượng nước cấp trong từng khu vực, phân bổ theo mạng lưới kênh và sông nhánh Ngoài ra còn có một số các nguồn phụ khác, được thu thập đầy đủ nhất có thể nhưng cũng không hoàn toàn chính xác do công tác quản lý các nguồn này còn nhiều hạn chế và bất cập như nước thải trực tiếp trên sông, nước thải nông nghiệp v.v

Bảng 4 Danh sách các trạm quan trắc chất lượng nước mặt dùng

trong tính toán mô hình chất lượng nước

5 Cự Đà Hồng Phú

b Một số kết quả

Kết quả hiệu chỉnh và kiểm nghiệm cho mô hình thủy lực được nêu trong Hình

3, Hình 4 và Bảng 5

Trang 7

Bảng 5 Phân tích hiệu quả và sai số của hiệu chỉnh mô hình thủy lực

mô hình (%)

Sai số tuyệt đối (m)

Kết quả hiệu chỉnh và kiểm nghiệm cho mô hình chất lượng nước được nêu

trong các hình từ Hình 5 đến Hình 8

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

SONGDAY 100575.00 SONG HONG 26100.00 External TS 1 HLienMac HHaNoi

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5

SONGNHUE 15700.00 HOANGLONG 50658.00 External TS 1 HHaDong HGianKhau

Hình 3 So sánh giữa kết quả hiệu chỉnh mô hình diễn toán MIKE11 với số liệu

mực nước thực đo, trạm Hà Nội, Liên Mạc, Phủ Lý, Hà Đông và Gián Khẩu

tháng 11/1998 đến tháng 5/1999

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

SONGDAY 100575.00 SONG HONG 26100.00 External TS 1 HPhuLy HLienMac HHaNoi

0.0 1.0 2.0 2.5 3.5 4.0 5.0 6.0 6.5 7.5 8.0

SONGNHUE 15700.00 HOANGLONG 50658.00 External TS 1 HHaDong HGianKhau

Hình 4 So sánh giữa kết quả kiểm nghiệm mô hình diễn toán MIKE11 với số

liệu mực nước thực đo, trạm Hà Nội, Liên Mạc, Phủ Lý, Hà Đông và Gián

Khẩu tháng 11/1998 đến tháng 5/1999

Trang 8

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

Tế Tiêu Cầu Quế Khánh Phú Độc Bộ Đò Mười

Vị trí quan trắc

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Phúc La Cự Đà Đò Quan Cống Thần Đò Kiều

Hình 5 So sánh giữa kết quả hiệu chỉnh DO với số liệu thực đo dọc sông Đáy

và sông Nhuệ tháng 11/2005

So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ BOD

với số liệu thực đo, dọc sông Đáy , tháng 11/2005.

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

Tế Tiêu Trung Hiếu Hạ Khánh Phú Độc Bộ Đò Mười

Tính toán Thực đo TCVN 5942-B

So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ BOD với số liệu thực đo, dọc sông Nhuệ , tháng 11/2005.

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0

Phúc La Cự Đà Đò Quan Cống Thần

Hình 6 So sánh giữa kết quả hiệu chỉnh BOD với số liệu thực đo dọc sông Đáy

So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ DO với

số liệu thực đo, dọc theo sông Đáy, tháng 12/2005.

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

Tế Tiêu Cầu Quế Khánh Phú Độc Bộ Đò Mười

So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ DO với

số liệu thực đo, dọc theo sông Nhuệ, tháng 12/2005.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Phúc La Cự Đà Đò Quan Cống Thần Đò Kiều

Hình 7 So sánh giữa kết quả kiểm nghiệm DO với số liệu thực đo dọc sông Đáy

Trang 9

So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ BOD

với số liệu thực đo, dọc sông Đáy, tháng 12/2005.

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

Tế Tiêu Trung Hiếu Hạ Khánh Phú Độc Bộ Đò Mười

So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ BOD với số liệu thực đo, dọc sông Nhuệ, tháng 12/2005.

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 160.0 180.0 200.0

Phúc La Cự Đà Đò Quan Cống Thần

Hình 8 So sánh giữa kết quả kiểm nghiệm BOD với số liệu thực đo dọc sông

Đáy và sông Nhuệ tháng 12/2005

Nhìn chung, các kết quả tính toán thu được còn có sự khác nhau giữa một số trạm thủy văn dùng để hiệu chỉnh mô hình, đặc biệt là kết quả tính toán tại trạm Hà Đông còn thấp, không được như mong muốn Kết quả này có thể giải thích do trạm

Hà Đông không nằm trong Mạng lưới trạm quốc gia của Bộ Tài Nguyên và Môi trường nên số liệu thu thập tại trạm không được chính xác Hơn thế nữa, mặt cắt sử dụng trên sông Nhuệ đo đạc cách đây đã lâu nên độ chính xác đã giảm đi rất nhiều

Kết quả hệ số nhám thu được trên các sông nghiên cứu có giá trị trung bình từ 0.03 đến 0.055, hệ số nhám này nói chung tương đối cao do thời gian tính toán trong mùa kiệt

Sau khi tính toán được các đặc trưng thuỷ lực của hệ thống sông đang nghiên cứu, nhóm tác giả đã áp dụng mô đun mô hình chất lượng nước để tính toán sự lan truyền các chất ô nhiễm, cụ thể là sự lan truyền của 2 chỉ tiêu: BOD và DO Sau khi hiệu chỉnh, mô hình đã cho kết quả với sai số của mô hình với số liệu đo đạc nhỏ hơn 10% Điều đó chứng tỏ mô hình MIKE có thể sử dụng hiệu quả để mô phỏng sự lan truyền chất ô nhiễm trên sông

4 Kết luận

Mô hình MIKE 11 là một công cụ hữu ích dùng để tính toán và mô phỏng chất lượng nước một chiều trong sông tự nhiên với độ chính xác tương đối cao Đây là một bộ phần mềm mang tính thương mại và phải có bản quyền sử dụng, tuy nhiên với sự chính xác, độ ổn định cao của các kết quả tính toán, chúng tôi đề xuất triển khai sử dụng bộ phần mềm này trên các sông thực tế để góp phần đánh giá hiện trạng ô nhiễm tại các sông ở Việt Nam

Căn cứ vào các kết quả tính toán cũng như quan trắc, khảo sát, có thể nhận thấy chất lượng nước trên sông Nhuệ, sông Đáy đã xấu hơn nhiều so với tiêu chuẩn nước mặt Việt Nam Nếu các khu đô thị mới, khu công nghiệp mới được bố trí xây dựng không hợp lý thì chắc chắn tình trạng ô nhiễm môi trường nước sẽ ngày càng trầm trọng, dẫn đến kết quả cuối cùng là các dòng sông sẽ chết Chính vì vậy, chúng tôi khuyến nghị áp dụng công cụ mô hình để tính toán dự báo chất lượng môi trường nước cho các sông ở Việt Nam với các kịch bản xả thải khác nhau, phù hợp với các kế hoạch phát triển kinh tế xã hội trong khu vực, nhằm lựachọn được phương án quy

Trang 10

đề án tổng thể bảo vệ môi trường lưu vực sông Nhuệ và sông Đáy - Hà Nội,

2005

2 V Techow, D.R Maidment, L.W Mays - Thuỷ văn ứng dụng - Đỗ Hữu Thành dịch - NXB Giáo dục -1994

3 Trần Hồng Thái và nnk - Ứng dụng mô hình tính toán dự báo ô nhiễm môi trường nước cho các lưu vực sông: Cầu, Nhuệ - Đáy, Sài Gòn - Đồng Nai, Hà Nội, năm

2006

4 TS Trần Hồng Thái - Numerical Methods for Parameter Estimation and Optimal Control of the Red River Network - Heidelberg, 2005

5 P.G.Ciarlet and J.L.Lions - Finite Difference Methods- Elservier Science Publisher B.V - 1996

6 DHI - MIKE 11 Reference Manual - DHI software 2004

7 Lê Vũ Việt Phong - Đồ án tốt nghiệp - Nghiên cứu áp dụng mô hình MIKE11 tính toán chất lượng nước sông Nhuệ và sông Đáy - Hà Nội, 2006

Định dạng
Số trang	10
Dung lượng	590,52 KB