Ứng dụng mô hình Mike 11 trong quản lý nước sông Nhuệ, đoạn chảy qua địa phận thành phố Hà Nội

Mô hình MIKE 11 với rất nhiều ưu điểm như: là một bộ phần mềm tích hợp đa tính năng, đã được kiểm nghiệm thực tế, cho phép tính toán thủy lực và chất lượng nước với độ chính xác cao, gia

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Phạm Sóng Biển

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 TRONG QUẢN LÝ NƯỚC SÔNG NHUỆ,

ĐOẠN CHẢY QUA ĐỊA PHẬN THÀNH PHỐ HÀ NỘI

Chuyên nghành:Khoa học môi trường

Mã số: 60 44 03 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PSG TS DƯƠNG HỒNG SƠN PSG TS TRỊNH THỊ THANH

Hà Nội - Năm 2014

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Dương Hồng Sơn và cô PGS.TS Trịnh Thị Thanh đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình em thực hiện luận văn

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô trong khoa Môi Trường, đặc biệt các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Môi Trường đã dạy dỗ và truyền đạt cho em những kiến thức chuyên nghành hữu ích trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội

Em cũng xin giử lời cảm ơn tới các chuyên viên phòng Nghiên cứu Dự Báo Môi Trường-Trung tâm Nghiên cứu Môi trường-Viện Khoa Học Khí Tượng Thủy Văn Và Biến đổi khí hậu đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình thu thập số liệu đo đạc, tài liệu

và cài đặt chạy mô hình MIKE 11

Em xin dành lời cảm ơn tới bố mẹ, những người thân trong gia đình và bạn bè

đã động viên tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành luận văn thạc sĩ

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày 15 tháng 1 năm 2015

Phạm Sóng Biển

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN 2

1.1 Giới thiệu mô hình MIKE 11 2

1.1.1 Mô đun thủy động lực (HD) 3

1.1.2 Mô đun truyền tải - khuyếch tán (AD) 7

1.1.3 Mô đun sinh thái (Ecolab) 11

1.2 Những nghiên cứu bằng mô hình MIKE11 và lưu vực sông Nhuệ 12

1.2.1 Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế-xã hội lưu vực sông Nhuệ 12

1.2.2 Những nghiên cứu chất lượng nước trên lưu vực nghiên cứu 23

1.2.3 Tổng quan tình hình sử dụng các mô hình trong tính toán chất lượng nước 24 1.2.4 Những nghiên cứu chất lượng nước sử dụng mô hình MIKE 11 29

Chương 2 - MỤC TIÊU – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 32

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 32

2.2 Mục tiêu nghiên cứu 32

2.3 Nội dung nghiên cứu 33

2.4 Phương pháp nghiên cứu 34

2.4.1 Phương pháp thống kê, thu thập tài liệu 34

2.4.2 Phương pháp tính toán ước lượng nhu cầu sử dụng và nước thải cho từng đoạn sông 34

2.4.3 Phương pháp mô hình 37

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 Mô phỏng, kiểm định chất lượng nước sông Nhuệ bằng mô hình MIKE11 38

3.1.1 Phân đoạn sông Nhuệ chảy qua thành phố Hà Nội 38

40

40

3.1.2 Mô phỏng, kiểm định chất lượng nước sông Nhuệ 40

3.2 Dự báo diễn biến chất lượng nước sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội đến năm 2015 và năm 2020 47

3.2.1 Cơ sở dự báo nguồn thải 48

3.2.2 Kết quả dự báo 58

3.3 Đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ 62

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 71

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Sơ đồ hữu hạn sai phân 6 điểm ẩn Abbott 5

Hình 2 Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x-t 5

Hình 3 Sơ đồ sai phân 9

Hình 4 Bản đồ lưu vực hệ thống sông Nhuệ 32

Hình 5 Sơ đồ phân đoạn khúc sông Nhuệ 40

Hình 6 Sơ đồ mặt cắt hệ thống sông Nhuệ-Đáy sử dụng để tính toán trong MIKE 11 41 Hình 7 Sơ đồ mạng lưới thủy lực 42

Hình 8 Mô phỏng, kiểm định nồng độ DO với số liệu thực đo sông Nhuệ, tháng 3/2008 44

Hình 9 Mô phỏng, kiểm định nồng độ BOD với số liệu thực đo sông Nhuệ, tháng 3/2008 45

Hình 10 Mô phỏng, kiểm định nồng độ T-N với số liệu thực đo sông Nhuệ, tháng 3/2008 45

Hình 11 Dự báo nồng độ BOD năm 2015 59

Hình 12 Dự báo nồng độ DO năm 2015 59

Hình 13 Dự báo nồng độ N năm 2015 60

Hình 14 Dự báo nồng độ BOD năm 2020 61

Hình 15 Dự báo nồng độ DO năm 2020 61

Hình 16 Dự báo nồng độ N tổng năm 2020 62

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho các cấp đô thị (l/người/ngàyđêm) 36

Bảng 2 Phân đoạn sông Nhuệ 39

Bảng 3 Các biên sử dụng trong mô hình 42

Bảng 4 Đánh giá mức hiệu quả mô phỏng mô hình thủy lực 43

Bảng 5 Đánh giá hiệu quả mô phỏng chất lượng nước dọc sông Nhuệ năm 2008 46

Bảng 6 Dự báo lưu lượng nước thải sinh hoạt của thành phố Hà Nội theo thời gian 49

Bảng 7 Tải lượng ô nhiễm nước thải sinh hoạt tính cho một người trong ngày đêm 50

Bảng 8 Ước lượng dân số và chất thải rắn đổ vào sông Nhuệ năm 2015 và 2020 50

Bảng 9 Danh sách các khu công nghiệp đổ vào sông Nhuệ năm 2008 51

Bảng 10 Ước lượng chất thải rắn công nghiệp đổ váo sông Nhuệ năm 2015 và 2020 53 Bảng 11 Ước lượng chất thải rắn y tế đổ vào sông Nhuệ năm 2015 và năm 2020 54

Bảng 12 Dự báo nhu cầu sử dụng nước nước đến năm 2015 và năm 2020 54

Bảng 13 Dự báo các nguồn thải vào sông Nhuệ vào năm 2015 55

Bảng 14 Dự cáo các nguồn thải vào sông Nhuệ năm 2020 57

Bảng 15 Bảng số liệu lưu lượng mực nước 71

Bảng 16 Giá trị nguồn thả theo đoạn sông 88

Bảng 17 Dự báo các nguồn thải vào sông Nhuệ vào năm 2015 90

Bảng 18 Dự cáo các nguồn thải vào sông Nhuệ năm 2020 91

Bảng 19 Dự báo lưu lượng nước thải sinh hoạt của thành phố Hà Nội theo thời gian 92 Bảng 20 Tải lượng ô nhiễm nước thải sinh hoạt tính cho một người trong ngày đêm 93 Bảng 21 Danh sách các khu công nghiệp đổ vào sông Nhuệ năm 2010 93

Bảng 22 Giá trị quan trắc nước mặt sông Nhuệ t3 năm 2008 94

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT QCVN08/2008 BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt HD: Thủy động lực

AD: Truyền tải – Khuyếch tán

WQ : Chất lượng nước

DO: Oxy hòa tan

T-N: Tổng Nitơ

BOD: Nhu cầu ôxy sinh học

COD : Nhu cầu ôxy hóa học

MỞ ĐẦU Dân số gia tăng nhanh chóng cùng với quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa

đã làm gia tăng vấn đề ô nhiễm môi trường không khí, đất, nước trong đó đặc biệt có môi trường nước sông quanh đô thị Các sông đô thị chịu tác động từ rất nhiều nguồn gây ô nhiễm như: khu công nghiệp, rác thải sinh hoạt, bệnh viện,…sông Nhuệ là một con sông như vậy Theo số liệu quan trắc trong nhiều năm gần đây, chất lượng nước sông Nhuệ ngày càng xuống cấp nghiêm trọng tại nhiều điểm quan trắc, nồng độ oxy hòa tan khá thấp không đạt quy chuẩn B1, nồng độ COD và BOD5 vượt tiêu chuẩn tới 37,1 và 54,1 lần, các hợp chất chứa Nitơ (NH4+, NO2-, NO3-) khá cao đều vượt quy chuẩn chất lượng nước mặt QCVN 08/2008 BTNMT với mục đích sử dụng cho tưới tiêu B1 Xuất phát từ thực tế trên đã đặt ra nhu cầu cấp thiết cần những nghiên cứu dự báo chất lượng nước là cơ sở phục vụ công tác quản lý môi trường tổng thể, giúp cân bằng giữa quá trình phát triển kinh tế xã hội và môi trường nước sông

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và tin học ngày càng nhiều ứng dụng mô hình được sử dụng trong nghiên cứu mô phỏng, dự báo chất lượng nước Một

ưu điểm không thể phủ nhận của việc sử dụng mô hình một cách phù hợp là tiết kiệm kinh phí, hiệu quả cao, chính xác nhất là các nghiên cứu trong một khu vực rộng lớn như lưu vực sông

Mô hình MIKE 11 với rất nhiều ưu điểm như: là một bộ phần mềm tích hợp đa tính năng, đã được kiểm nghiệm thực tế, cho phép tính toán thủy lực và chất lượng nước với độ chính xác cao, giao diện thân thiện, dễ sử dụng, có ứng dụng kỹ thuật GIS,

có một kỹ thuật mới với độ chính xác cao, đang ngày càng trở nên hiệu quả trong nghiên cứu dự báo.Vì vậy đề tài “ Ứng dụng mô hình MIKE 11 trong quản lý nước sông Nhuệ, đoạn chảy qua địa phận thành phố Hà Nội”, là cấp thiết

TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu mô hình MIKE 11

Mô hình MIKE 11 là bộ mô hình một chiều được phát triển bởi Viện thủy lực Đan Mạch (DHI) từ mô hình gốc đầu tiên ra đời năm 1972 dùng để mô phỏng thủy lực nước trong sông Hiện nay MIKE 11 có thể tích hợp nhiều mô đun như mô đun truyền tải–khuyếch tán (AD), mô đun chất lượng nước (WQ), mô đun vận chuyển bùn cát (ST) và mô đun mưa rào–dòng chảy(RR) Mô hình MIKE 11 được sử dụng rộng rãi ở các nước châu âu và trên thế giới

Mô đun thủy lực trong MIKE11 mô phỏng động lực cả ở trong sông và cửa sông, có thể áp dụng cho mạng sông phân nhánh và mạng sông phức tạp Vì mô hình là một chiều nên nó tuân theo các giả thiết rằng điều kiện dòng chảy trên toàn dòng sông

là đồng nhất, tuy nhiên những dòng chảy qua đập là vẫn có thể được mô phỏng Sự vận chuyển chất hòa tan trong mô hình cũng được giải quyết bằng phương trình cân bằng khối lượng như Qual2K nhưng MIKE 11 có thêm cả phương trình thủy lực xem xét các yếu tố động lực Mô đun (AD) có thể mô phỏng phản ứng phân hủy bậc nhất của các yếu tố, nhưng để chi tiết cần sử dụng mô đun chất lượng nước (WQ)[1]

MIKE 11 cung cấp cho người dùng chuỗi thời gian của dòng chảy, độ sâu và nồng độ của mỗi yếu tố ở từng đoạn sông, đồng thời mô hình cũng cung cấp cho người dùng biểu đồ số và các lựa chọn thống kê để hiển thị kết quả MIKE 11 là một bước tiến trong mô hình hóa dòng chảy cũng như chất lượng nước, tuy nhiên nó cũng gặp phải vấn đề cho các mô hình phức tạp là cần nhiều số liệu MIKE 11 đã cố gắng khắc phục vấn đề này bằng cách cho phép người dùng chạy với những mức độ khác nhau nếu quá trình phức tạp[2, 3]

1.1.1 Môđun thủyđộng lực(HD)

Mô đun thủy động lực (HD) là phần trung tâm của hệ thống mô hình MIKE 11

và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô đun khác bao gồm: dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và mô đun vận chuyển bùn cát Mô đun thủy lực trong MIKE 11 giải các phương trình tổng hợp theo phương dòng chảy để đảm bảo tính liên tục và bảo toàn của động lượng (hệ phương trình Saint Venant)

Đặc trưng cơ bản của hệ thống mô hình MIKE11 là cấu trúc mô đun tổng hợp với nhiều loại mô đun được thêm vào để mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông Ngoài các mô đun thủy lực MIKE 11 còn có các mô đun bổ sung đối với

a.Hệ phương trình Saint Venant

Phương trình cơ bản của mô hình để tính toán cho trường hợp dòng không ổn định là hệ phương trình bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng (hệ phương trình Saint Venant) với các giả thiết :

-Dòng chảy là dòng một chiều, độ sâu và vận tốc chỉ thay đổi theo chiều dọc của lòng dẫn

-Dòng chảy thay đổi từ từ dọc theo lòng dẫn để áp suất thủy tĩnh chiếm ưu thế, gia tốc theo chiều thẳng đứng được bỏ qua

-Trục của lòng dẫn được coi như một lòng thẳng

-Độ dốc đáy lòng dẫn nhỏ và đáy lòng dẫn cố định, bỏ qua hiện tượng xói và bồi

-Có thể áp dụng hệ số sức cản của dòng chảy rối đều, ổn định cho dòng không

ổn định để mô tả các tác động của lực cản

-Chất lỏng không nén được và có khối lượng không đổi trong toàn dòng chảy Phương trình liên tục

+ = q Phương trình động lượng

= ( / + gA + + | |

=0 Trong đó:

b.Phương pháp giải hệ phương trình Saint Venant

Hệ phương trình Saint Venant là một hệ gồm hai phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến tính bậc nhất Trong trường hợp tổng quát hệ phương trình dạng này không giải được bằng phương pháp giải tích mà phải giải bằng phương pháp gần đúng (phương pháp số hóa) MIKE 11 cũng dùng phương pháp này để giải hệ phương trình Saint Venant với lược đồ sai phân hữu hạn 6 điểm bằng sơ đồ ẩn Abbott-Inoescu

Hình 1 Sơ đồ hữu hạn sai phân 6 điểm ẩn Abbott

Hình 2 Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x-t

Trong phương trình liên tục, ta có

=>

Sai phân hóa phương trình trên tại các bước thời gian thứ (n +1/2), ta thu được các phương trình sai phân

A h b

Với b trong phương trình được tính theo công thức :

trong đó:

Aoj : Diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lưới j-1 và điểm lưới j

Ao+1: Diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lưới j và điểm lưới j+1

Δ2xj: Khoảng cách giữa hai điểm lưới j-1và j+1

Thế vào các phương trình sai phân, rút gọn các hệ số sẽ thu được phương trình:

Với phương trình động lượng, sai phân hoá phương trình với α, β, γ là hàm của

b và δ, ngoài ra nó còn phụ thuộc vào giá trị Q và h tại bước thời gian n và giá trị Q tại bước thời gian n+1/2

Với phương trình động lượng, sai phân hoá phương trình

Để xác định thành phần bậc 2 trong phương trình , sử dụng phương trình gần đúng:

Với θ là hệ số do người sử dụng tự xác định (hệ số này của mô đun HD được mặc định từ 0 đến 1)

Thế vào các phương trình sai phân và rút gọn các hệ số, thu được phương trình động lượng viết dưới dạng

trong đó

Từ đó, khi viết các phương trình này với đầy đủ các bước thời gian sẽ thu được một ma trận tính toán Để tìm nghiệm của bài toán phải sử dụng công cụ toán học để giải các ma trận này

Tính ổn định của phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình Saint Venant được bảo đảm khi các điều kiện sau được thoả mãn:

Số liệu địa hình phải tốt, giá trị cho phép tối đa với ∆x (dx-max) được lựa chọn trên cơ sở này

Bước thời gian ∆t cần thiết đủ nhỏ để điều kiện ổn định Courant được thoả mãn Tuy nhiên, khi giải hệ phương trình Saint Venant với sơ đồ ẩn thì điều kiện ổn định Courant không nhất thiết phải thoả mãn[2]

1.1.2 Mô đun truyền tải-khuyếch tán(AD)

Mô đun truyền tải-khuyếch tán (AD) được dùng để mô phỏng vận chuyển một chiều của chất huyền phù hoặc hòa tan (phân hủy) trong các lòng dẫn hở dựa trên

phương trình để tích lũy với giả thiết các chất này được hòa tan, trộn lẫn, nghĩa là không có thay đổi hay biến động trong cùng mặt cắt và dòng chảy không phân tầng

Phương trình truyền tải-khuyếch tán

+ - (AD ) = -AKC + C2q 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 hủy sinh học, K chỉ được dùng khi các hiện tượng hay quá trình xem xét có liên quan đến các phản ứng sinh hóa

C2: Nồng độ nguồn thải (kg/m3)

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

Phương trình truyền tải-khuyếch tán thể hiện hai cơ chế truyền tải, đó là truyền tải đối lưu do tác dụng của dòng chảy và truyền tải khuyếch tán do Gradient hay sự chênh lệch nồng độ gây ra

Sự khuyếch tán theo chiều dọc sông gây ra do sự kết hợp của dòng chảy rối và

sự khuyếch tán Sự phân tán dọc theo sông do ảnh hưởng của dòng chảy rối lớn hơn rất nhiều so với sự phân tán đơn lẻ Về mặt trị số, thành phần khuyếch tán rối lớn hơn nhiều so với thành phần khuyếch tán phân tử Sự phân bố của các thành phần khuyếch tán rối trong dòng chảy là không đồng đều, nó phụ thuộc vào hướng của tốc độ dòng chảy và khoảng cách đến thành ống, do đó hệ số khuyếch tán rối khác nhau theo các hướng khác nhau Quá trình truyền tải khuyếch tán tuân theo định luật Fick

Hệ số khuyếch tán được xác định như là một hàm của dòng chảy trung bình

Djn+1 = α│Qn+1/2/ An+1/2│ba

Trong đó a, b là hằng số do người dùng xác định

Phương pháp giải phương trình truyền tải-khuyếch tán

Phương trình truyền chất thường được giải theo phương pháp số với sơ đồ sai phân ẩn trung tâm Sơ đồ sai phân hữu hạn này được xây dựng bằng cách xem xét lượng dòng chảy vào một thể tích kiểm tra xung quanh nút điểm j Các giới hạn biên của thể tích kiểm tra này là đáy sông, bề mặt nước và hai mặt cắt tại hai điểm j-1/2 và j+1/2

Hình 3 Sơ đồ sai phân Phương trình liên tục

C: Nồng độ (mg/l)

V: Thể tích (m3)

T: Tải lượng qua thể tích tính toán (kg/s)

q: Lượng nhập lưu trên một đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s)

∆t: Bước thời gian

nồng độ nội suy phía thượng lưu được tính theo công thức:

với σ là số Courant σ = u∆t/∆x

Thay thế và sắp xếp các phương trình trên lại, thu được một phương trình sai phân hữu hạn sơ đồ ẩn

Khi viết lại các phương trình với đầy đủ các bước thời gian thì cũng thu được một ma trận như trong môđun tính toán thuỷ lực, để giải và tìm nghiệm của các ma trận

này người ta cũng sử dụng các phương pháp toán học như trên Bằng sự trợ giúp của máy tính, việc giải các phương trình và ma trận trở nên nhanh hơn rất nhiều[2]

1.1.3 Mô đun sinh thái (Ecolab)

Mô đun sinh thái (Ecolab) trong mô hình MIKE 11 giải quyết khía cạnh chất lượng nước trong sông tại những vùng bị ảnh hưởng bởi các hoạt động dân sinh kinh tế.v.v Mô đun này phải được đi kèm với mô đun tải - khuyếch tán (AD), điều này có nghĩa là mô đun chất lượng nước giải quyết các quá trình biến đổi sinh học của các hợp chất trong sông còn mô đun tải - khuyếch tán (AD) được dùng để mô phỏng quá trình truyền tải - khuyếch tán của các hợp chất đó[4]

Nước là môi trường sống và phát triển của rất nhiều loài động thực vật thủy sinh cũng như các vi sinh vật sống trong nước Chúng luôn luôn có sự tương tác qua lại với môi trường Do đó trong môi trường nước xảy ra rất nhiều các quá trình trao đổi phức tạp như sự hô hấp và phân hủy của các loại động thực vật, quá trình hấp thụ nhiệt.v.v Các quá trình này đều được mô hình hoá và đưa vào mô đun chất lượng nước Có thể tác động vào các quá trình này thông qua các hệ số hiển thị trong trình duyệt của mô đun chất lượng nước có trong mô hình

Mô đun sinh thái tính toán tới 13 thông số chất lượng nước với 6 cấp độ khác nhau, mô phỏng và biểu diễn những quá trình chuyển hóa giữa các hợp phần có liên quan tới các quá trình Cụ thể như sau:

Tính toán lượng oxy hoà tan trong nước (Dissolved Oxygen – DO): bao gồm các quá trình tương tác với ôxy khí quyển trên bề mặt, quá trình hô hấp và quang hợp của sinh vật dưới nước, tiêu thụ ôxy trong quá trình chuyển hoá ammonia thành nitrate, nhu cầu ôxy đáy;

Tính toán nhu cầu ôxy sinh hoá (Biological Oxygen Demand – BOD): có thể tính toán được các hợp phần BOD riêng rẽ, đó là BOD lơ lửng, BOD dạng hòa tan trong nước và BOD trong lớp bùn đáy Mô hình còn cho phép tính toán các quá trình

sinh hóa của BOD là quá trình phân rã BOD và các quá trình chuyển hóa giữa các hợp phần BOD

Tính toán phốtpho: mô hình cho phép tính toán hai hợp phần phốtpho riêng biệt

là Orthophophate và Particulate phosphorus, các quá trình sinh hóa xảy ra như thu nhận phốtpho từ quá trình phân rã BOD, tiêu hao phốtpho do sinh vật hấp thụ

Tính toán amonia: sinh ra do quá trình phân hủy BOD, tiêu hao do chuyển hóa thành nitrate, do thực vật và vi khuẩn hấp thụ

Tính toán nitrate: sinh ra do quá trình chuyển hóa từammonia sang nitrate (quá trình nitrate hoá), sút giảm do chuyển hóa thành nitơ tự do

Tính toán coliform: mô hình có thể tính được coliform theo hai hợp phần là faecol coliform và tổng coliform Các quá trình biến đổi lượng coliform do chúng chết

đi và nhận các hợp phần coliform từ các nguồn thải[5]

Các giá trị tham số của mô hình chất lượng nước và sinh thái được liệt kê và cho sẵn các giá trị ngưỡng của từng tham số ứng với các mức độ tính toán Điều này đặc biệt có ý nghĩa với việc hiệu chỉnh mô hình khi số lượng thông số là rất nhiều Các lựa chọn để kết xuất dữ liệu cho phép lấy và kiểm tra các quá trình chuyển hóa giữa các hợp phần tính toán với nhau Với tính đồng bộ cao, mô hình còn cho phép cập nhật các nguồn thải dưới dạng nguồn điểm hay nguồn diện trên từng đoạn sông[2]

1.2 Những nghiên cứu bằng mô hình MIKE11 và lưu vực sông Nhuệ

1.2.1 Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế-xã hội lưu vực sông Nhuệ

1.2.1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên

Vị trí địa lý

Lưu vực sông Đáy-Nhuệ nằm ở hữu ngạn sông Hồng trong phạm vi từ 200 đến

21020' vĩ độ Bắc và từ 1050 đến 106030' kinh độ Đông, với tổng diện tích tự nhiên là

7665 km2, bao gồm một phần thủ đô Hà Nội, Hoà Bình, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình Giới hạn của lưu vực như sau:

- Phía Bắc và Đông Bắc được bao bởi đê sông Hồng từ ngã ba Trung Hà tới cửa

Ba Lạt với tổng chiều dài khoảng 242 km

- Phía Tây Bắc giáp sông Đà từ Ngòi Lát tới Trung Hà với chiều dài khoảng 33

km

- Phía Tây và Tây Nam là đường phân lưu giữa lưu vực sông Hồng và lưu vực sông Mã bởi dãy núi Ba Vì, Cúc Phương – Tam Điệp, kết thúc tại núi Mai An Tiêm (nơi có sông Tống gặp sông Cầu Hội) và tiếp theo là sông Càn dài 10 km rồi đổ ra biển tại cửa Càn

- Phía Đông và Đông Nam là biển Đông có chiều dài khoảng 95 km từ cửa Ba Lạt tới cửa Càn

- Sông bắt nguồn từ cống Liên Mạc (21005’27” vĩ độ Bắc, 105046’12” kinh độ Đông) lấy nước từ sông Hồng trong địa phận huyện Từ Liêm (thành phố Hà Nội) và điểm kết thúc là cống Phủ Lý khi hợp lưu với sông Đáy gần thành phố Phủ Lý (20032’42” vĩ độ Bắc, 105054’32” kinh độ Đông)

- Lưu vực sông Nhuệ dài 74 km tính từ nguồn là cống Liên Mạc về đến cống Phủ Lý (Hà Nam) Trên địa phận Hà Nội sông có chiều dài 61,5km Độ rộng trung bình của sông là 30-40m Sông chảy ngoằn ngoèo theo hướng Bắc-Nam ở phần thượng nguồn và theo hướng Tây Bắc - Đông Nam ở trung lưu và hạ lưu

- Sông Đáy là một chi lưu lớn nằm bên hữu ngạn của sông Hồng, diện tích lưu vực khoảng 6595km2, chiều dài sông chính khoảng 247km (tính từ cửa Hát Môn đến cửa Đáy trước khi đổ ra biển Đông) Sông Đáy chảy qua địa phận các tỉnh Hà Nội, Hà Nam, Ninh Bình và Nam Định Tọa độ địa lý: 20033’ đến 21019’ vĩ độ Bắc và 105017’ đến 105050’ kinh độ Đông[6]

Địa hình địa mạo

Nằm trên vùng châu thổ sông Hồng, lưu vực Nhuệ - Đáy nằm trải dài theo phương vĩ tuyến từ Hà Nội đến Nam Định lại chịu ảnh hưởng của nhiều đới cấu trúc

địa chất khác nhau khiến cho địa hình khu vực nghiên cứu có sự phân hoá tương phản thể hiện rõ nét theo hướng Tây - Đông và hướng Bắc - Nam Xét về mặt cấu trúc ngang

đi từ Tây sang Đông có thể chia địa hình khu vực nghiên cứu thành vùng chính như sau:

Vùng đồi núi

Địa hình núi phân bố ở phía Tây và Tây Nam và chiếm khoảng 30% diện tích,

có hướng thấp dần từ Đông Bắc xuống Tây Nam ra biển và thấp dần từ Tây sang Đông Phần lớn là các dãy núi thấp có độ cao trung bình 400 - 600m được cấu tạo bởi các đá trầm tích lục nguyên, cacbonat; chỉ một vài khối núi có độ cao trên 1000m được cấu tạo bởi đá trầm tích phun trào như khối núi Ba Vì có đỉnh cao 1296m, khối núi Viên Nam có đỉnh cao 1031m và cấu tạo bởi đá xâm nhập granit như khối núi Đồi Thơi (Kim Bôi - Hoà Bình) có đỉnh cao 1198m Địa hình núi trong khu vực cũng có sự phân

dị và mang những đặc trưng hình thái khác nhau.Địa hình đồi được tách ra với địa hình núi và đồng bằng bởi độ chênh cao <100m, độ phân cắt sâu từ 15 - 100m Trong phạm

vi lưu vực sông Đáy - Nhuệ, địa hình đồi chỉ chiếm khoảng 10% diện tích có độ cao phần lớn dưới 200m, phân bố chuyển tiếp từ vùng núi xuồng đồng bằng Theo đặc điểm hình thái, có thể chia thành 2 khu vực: Vùng đồi phía Bắc và vùng đồi phía Nam

Vùng đồng bằng

Diện tích vùng đồng bằng chiếm khoảng 60% lãnh thổ, địa hình khá bằng phẳng

có độ cao <20m và thấp dần từ Tây sang Đông, từ Tây Bắc xuống Đông Nam Bề mặt đồng bằng lại bị chia cắt bởi hệ thống sông và kênh mương chằng chịt Có thể chia đồng bằng thành 4 khu vực có đặc điểm khác nhau: Vùng đồng bằng phía Bắc, Vùng đồng bằng trung tâm, Vùng đồng bằng phía Nam, Vùng đồng bằng thung lũng

Bề mặt lưu vực có hướng dốc thay đổi, đầu nguồn hệ thống sông hướng Bắc - Nam; trung và hạ nguồn hướng Tây Bắc - Đông Nam.Thượng lưu hệ thống sông uốn khúc, quanh co, hẹp và dốc, nhiều thác ghềnh, nước chảy xiết, là nguy cơ tạo nên các hiện

tượng xói lở, lũ quét Trung lưu và hạ lưu lòng sông được mở rộng, dòng sông chảy chậm, khả năng thoát nước kém dẫn đến tình trạng ngập lũ mỗi khi xuất hiện mưa lớn -Địa hình khu vực nghiên cứu chủ yếu là vùng đồng bằng nhờ phù sa bồi đắp (chiếm 4/5 diện tích tự nhiên toàn khu vực), độ cao địa hình giảm dần theo hướng từ Bắc xuống Nam, từ Tây sang Đông với độ cao trung bình từ +5 đến +20m so với mực nước biển Phía Tây Bắc là vùng núi Ba Vì là thượng nguồn của sông Tích (một nhánh của sông Đáy), phía Đông là khu vực nội thành thành phố Hà Nội, với mật độ dân cư và các công trình dày đặc, cũng là khu vực thường xuyên xảy ra ngập lụt khi mưa lớn Phía Tây Nam là khu vực các huyện Ứng Hòa, Phú Xuyên, Thường Tín đây là vùng trũng nhất.Ngoài địa hình đồng bằng thì khu vực nghiên cứu cũng có một dạng địa hình là địa hình đồi núi Phần diện tích đồi núi phần lớn thuộc các huyện Ba Vì, Quốc Oai, Mỹ Đức với các đỉnh như Ba Vì cao 1281m, Gia Dê 707m, Thiên Trù 378m Chuyển tiếp dưới chân dãy núi cao là những dải đồi có độ cao 200-250m, rồi thấp dần với độ cao 25 - 150m ở ven rìa đồng bằng

Đặc điểm thổ nhưỡng

Do nằm trong vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng nên đất trong khu vực chủ yếu là đất phù sa của hệ thống sông Hồng và sông Đáy bồi đắp nên Mặc dù được bao bọc bởi các đê sông Hồng, sông Đáy song hầu như hàng năm phần lớn diện tích đất canh tác ít nhiều đều được tưới bằng nước phù sa lấy từ các cống tự chảy hoặc các trạm bơm Quá trình bồi tụ, hình thành và phát triển của các nhóm đất ở từng khu vực khác nhau đã tạo nên sự đa dạng về loại hình đất trong hệ thống Song nhìn chung chúng đều

là loại đất ít chua và chua có hàm lượng mùn và các chất dinh dưỡng ở mức độ trung bình đến nghèo Những khu vực cao ven sông Hồng, sông Đáy đất có thành phần cơ giới nhẹ chủ yếu là đất cát hoặc pha cát khá chua và nghèo chất dinh dưỡng Các vũng trũng ven sông Nhuệ, đất có thành phần cơ giới nặng hơn chủ yếu là loại đất thịt nặng

và sét nhẹ ít chua và giàu các chất dinh dưỡng hơn

Đặc điểm khí hậu

Khí hậu Hà Nội tiêu biểu cho vùng Bắc Bộ với đặc điểm của khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, có mùa hè nóng ẩm, mưa nhiều và mùa đông lạnh, mưa ít Với một mạng lưới loại các trạm khí tượng dày đặc trải đều khắp địa bàn Hà Nội

Bức xạ mặt trời và số giờ nắng

Bức xạ mặt trời là nguồn nhiệt chính tạo nên nhiệt độ không khí và nhiệt độ đất Phân bố bức xạ trong năm liên quan đến tiến trình năm của độ cao mặt trời và thời gian chiếu sáng trong ngày Tổng lượng bức xạ hàng năm ở khu vực nghiên cứu cỡ 122,8 kcal/cm2/năm Bức xạ cực đại thường xảy ra vào tháng VII (15,2 kcal/cm2/tháng) và cực tiểu thường xảy ra vào tháng II (5,2 kcal/cm2/tháng)

Số giờ nắng hàng năm dao động trong khoảng từ 1300 đến 1700 giờ Theo tài liệu thống kê số liệu từ năm 2005 – 2009, tại hai trạm Láng thuộc nội thành và Sơn Tây của cục thống kê thành phố Hà Nội trong niên giám thống kê Hà Nội năm 2009 cho thấy: trung bình một năm tại trạm Láng có số giờ nắng 1338,6 giờ và tại trạm 14

Sơn Tây là 1341,9 giờ Nhiều nhất là vào các tháng mùa hè đặc biệt là tháng VII tháng

có nhiệt độ cao nhất trong năm trung bình 165,4 giờ đối với Láng và 175,6 giờ đối với Sơn Tây Còn vào các tháng mùa đông (II - III) có nhiều ngày âm u mưa phùn nên số giờ nắng trung bình một năm là ít khoảng 42,7 giờ đối với Láng; 40,9 giờ đối với Sơn Tây

Nhiệt độ

Nhiệt độ không khí cao nhất tuyệt đối tới 42,8°C, thấp nhất tuyệt đối chỉ 2,7°C, trung bình năm dao động trong khoảng 23 - 24°C với cơ chế hoàn lưu gió đã tạo ra sự phân hóa rõ rệt theo hai mùa:

- Mùa nóng từ tháng V-X, có nhiệt độ trung bình tháng từ 24,0°C đến 29,3°C Tháng có nhiệt độ trung bình cao nhất là tháng VII

- Mùa lạnh từ tháng XI-IV, có nhiệt độ trung bình tháng từ 16,6°C đến 21,6°C

Trong những năm gần đây, do ảnh hưởng chung của sự biến đổi khí hậu toàn cầu, nhiệt

độ không khí có xu hướng tăng cao nên nền nhiệt độ không khí trung bình năm của những năm gần đây cũng tăng lên (như năm 1998 là 25,1°C)

Độ ẩm

Độ ẩm không khí trong khu vực nghiên cứu khá lớn, trung bình năm dao động trong khoảng 84 - 86% Mùa có mưa phùn (tháng III và IV hàng năm) là thời kỳ ẩm ướt nhất còn nửa đầu mùa đông (tháng XII và tháng I hàng năm), do ảnh hưởng gió mùa Đông Bắc khô hanh nên là thời kỳ khô nhất của năm

Diễn biến của lượng bốc hơi phụ thuộc vào diễn biến của nhiệt độ và độ ẩm không khí Lượng bốc hơi tháng bình quân nhiều năm dao động trong khoảng 60 - 100 mm Tháng

có lượng bốc hơi lớn nhất trong năm là tháng VII, tới 98 mm Thời kỳ khô hanh đầu mùa đông cũng là thời kỳ có lượng bốc hơi lớn, trung bình dao động trong khoảng 90 -

95 mm

Độ ẩm trung bình năm ở ngoại thành Hà Nội cao hơn ở nội thành (ngoại thành: 84%, nội thành: 79%) Thấp nhất vào tháng XI-XII là các tháng mùa khô (ngoại thành: 79,6% , nội thành 73,5%) Cao nhất vào tháng III các tháng mùa khô (ngoại thành 87%, nội thành: 84%)

Lượng mưa

Khu vực nghiên cứu có lượng mưa khá lớn so với các vùng khác ở xung quanh, lượng mưa trung bình năm khoảng 1608,19 mm Do ảnh hưởng của địa hình đô thị nên vùng nội thành có lượng mưa năm lớn hơn vùng ngoại thành Lượng mưa năm lớn nhất tại Hà Nội là 2977,9 mm (2008, đo tại trạm Hà Đông) Lượng mưa năm nhỏ nhất tại

Hà Nội là 917,84 mm (1976, đo tại trạm Sóc Sơn) Lượng mưa năm lớn nhất nhiều gấp 3,2 lần lượng mưa năm nhỏ nhất Mỗi năm trung bình có khoảng trên dưới 114 ngày có mưa Lượng mưa phân phối rất không đều theo thời gian trong năm Một năm hình thành hai mùa mưa và khô rất rõ rệt

Mùa mưa thường kéo dài 5 tháng, từ tháng V đến tháng X với tổng lượng mưa chiếm tới xấp xỉ 85% tổng lượng mưa năm Tháng mưa nhiều nhất thường là VII hoặc VIII với lượng mưa chiếm tới trên 34,8% tổng lượng mưa năm Ba tháng liên tục có mưa lớn nhất trong năm là VII, VIII, IX Tổng lượng mưa của ba tháng này chiếm tới trên 49% tổng lượng mưa năm

Mùa khô thường kéo dài 7 tháng, từ tháng XI đến tháng IV năm sau với tổng lượng mưa chỉ chiếm khoảng 14,7% lượng mưa của cả năm Tháng ít mưa nhất thường

là tháng XII hoặc tháng I với lượng mưa chỉ chiếm trên dưới 1,2% tổng lượng mưa năm Ba tháng liên tục mưa ít nhất là các tháng XII, I và II Tổng lượng mưa của ba tháng này chỉ chiếm khoảng 4,1% tổng lượng mưa năm

Nguyên nhân gây mưa lớn ở khu vực nghiên cứu có nhiều: bão, áp thấp nhiệt đới, rãnh áp thấp nóng phía Tây bị nén bởi cao áp phía Bắc kết hợp với sự xâm lấn của

áp thấp vịnh Bắc Bộ và cao áp Thái Bình Dương, dải hội tụ nhiệt đới, bão kết hợp với không khí lạnh và xoáy thấp vịnh Bắc Bộ, đường đứt kết hợp với rãnh áp thấp nóng phía Tây bị nén và xoáy thuận tầng cao Ngoài ra, hoạt động của gió mùa Tây Nam hoặc Đông Nam cũng gây ra những trận mưa rào, mưa dông có cường độ lớn Hàng năm, khu vực nghiên cứu chịu ảnh hưởng của 8 - 10 cơn bão hoặc áp thấp nhiệt đới Bốc hơi

Lượng bốc hơi phụ thuộc rất nhiều vào chế độ nắng vào gió và phụ thuộc vào lượng mưa trên địa bàn tỉnh Lượng bốc hơi trung bình năm ở Hà Nội là 978,9 mm, lượng bốc hơi trung bình tháng ở Hà Nội từ 82,6 – 98,2 mm Các tháng có lượng bốc hơi lớn nhất trong năm là các tháng trong mùa hè và đầu mùa đông (V-XII) do có lượng mưa lớn và số giờ nắng nhiều

- Các tháng có lượng bốc hơi ít nhất là tháng I-IV, lượng bốc hơi trung bình tháng từ 57,2 - 69,6 mm

- Các tháng có lượng bốc hơi lớn nhất là VI-VII, lượng bốc hơi trung bình tháng

từ 98,2 - 110,1 mm

Sương mù

Số ngày có sương mù ở Hà Nội tương đối ít, trung bình năm chỉ là 10 ngày Tháng có số ngày có sương mù nhiều nhất là tháng XII và tháng I, trung bình tháng có 2,0 -2,8 ngày Tháng VI-VIII không có sương mù

Các đặc trưng nhiều năm của nhiệt độ không khí tại Hà Nội và trạm khí tượng Láng theo số liệu của Cục thống kê Hà Nội được thể hiện trong bảng 1.1 và bảng 1.2

Tốc độ gió

Tốc độ gió trung bình năm ở Hà Nội là 1,9 m/s Tốc độ gió trung bình từng tháng biến đổi không nhiều (từ 1,6 m/s đến 2,2 m/s)

- Các tháng từ I-V có tốc độ gió trung bình tháng từ 2,1-2,2m/s tại Hà Nội

- Các tháng VI-XII có tốc độ gió trung bình tháng là 1,6-1,9m/s tại Hà Nội Tốc

độ gió lớn nhất trong các tháng từ 15 - 34m/s

Tốc độ gió lớn nhất đã quan trắc được là 34m/s, hướng Bắc (8/VII/1956)

Hướng gió chủ yếu trong năm là hướng Đông Nam với tần suất chiếm 21,91%, rồi đến hướng Đông Bắc chiếm 11,76% Các hướng Đông, Đông Đông Bắc, Bắc và Tây Bắc có tần suất từ 5,22 – 6,73

Đặc điểm thủy văn

Sông Nhuệtức Nhuệ Giang là một con sông nhỏ dài 74 km, diện tích lưu vực

khoảng 1075 km2 (phần bị các đê bao bọc) chảy ngoằn ngoèo gần như theo hướng Bắc Tây Bắc - Nam Đông Nam qua địa phận thành phố Hà Nội và tỉnh Hà Nam Điểm bắt đầu của nó là cống Liên Mạc, lấy nước từ sông Hồng trong địa phận huyện Từ Liêm (thành phố Hà Nội) và điểm kết thúc của nó là cống Phủ Lý khi hợp lưu với sông Đáy gần thành phố Phủ Lý (tỉnh Hà Nam) Sông chảy qua các quận, huyện, thị gồm quận Cầu Giấy, Hà Đông, huyện Từ Liêm, Thanh Trì, Hoài Đức, Thường Tín, Thanh Oai, Phú Xuyên và cuối cùng đổ vào sông Đáy qua cống Lương Cổ ở khu vực thành phố Phủ Lý Về mùa kiệt cống Liên Mạc luôn mở để lấy nước sông Hồng vào sông Nhuệ, còn về mùa lũ chỉ mở khi mực nước sông Hồng dưới báo động cấp I và trong đồng có

nhu cầu cấp nước Cống Lương Cổ về mùa lũ luôn luôn mở để tiêu nước và chỉ đóng lại khi có phân lũ qua đập Đáy

Nối sông Đáy với sông Nhuệ còn có các sông nhỏ như sông La Khê (qua thành phố Hà Đông), sông Vân Đình, sông Duy Tiên, sông Ngoại Độ và một số sông nhỏ khác tạo thành một mạng lưới tưới tiêu tự chảy cho hệ thống khi điều kiện cho phép Sông Duy Tiên dài 21 km, mặt cắt sông rất rộng có chỗ lên tới gần 100m nhưng lại rất nông do ít được nạo vét, cao độ đáy hiện nay cao hơn thiết kế từ 2,0m đến 3,0m Sông Vân Đình dài 11,8 km nối sông Nhuệ với sông Đáy qua cống Vân Đình Sông La Khê dài 6,8 km được nối với sông Đáy qua công La Khê

Mạng lưới sông, các kênh tiêu trong khu vực nghiên cứu khá phức tạp, lại có các hướng tiêu thoát khác nhau, vì thế để có thể mô phỏng được vấn đề ngập lụt một cách chính xác cần phải xây dựng một hệ thống mạng tính toán bao quát được hết các chế

độ thủy văn, các điều kiện tiêu thoát của cả sông Đáy, sông Nhuệ, các sông nối sông Đáy với sông Nhuệ và toàn bộ các kênh tiêu nội đồng

Ngoài hai con sông lớn đó, khu vực nghiên cứu còn có nhiều dòng chảy khác, tuy nhỏ và ngắn, song gắn chặt với lịch sử lâu đời của Hà Nội Đó là sông Tô Lịch, gắn với sự hình thành của Hà Nội từ hơn 1500 năm trước Dòng chảy cũ liền với sông Hồng ở đầu phố chợ Gạo đã bị lấp từ đầu thế kỷ 20, nay chỉ còn đoạn chảy giữa phố Thuỵ Khuê - Hoàng Hoa Thám, lên đến chợ Bưởi, rồi chảy ngoặt về phía 20

Nam Cầu Giấy, Ngã Tư Sở, xuôi về Cầu Bươu, hợp với sông Nhuệ, sông Thiên Đức, sông Nghĩa Trụ, sông Cheo Reo, Ngũ Huyện Giang, sông Kim Ngưu

Các sông trên khu vực nghiên cứu đa số bị tình trạng lấn chiếm, đổ phế thải hai bên bờ, cũng như bùn đất theo nước thải chảy xuống làm cho hẹp lại và nông Hiện Hà Nội đang thực hiện các dự án "xanh hóa" các con sông với các biện pháp như kè bờ, nạo vét, xây dựng hệ thống lọc nước thải trước khi đổ xuống sông

1.2.1.2 Đặc điểm kinh tế -xã hội

Khu vực nghiên cứu là phần lớn thành phố Hà Nội, trung tâm chính trị, hành chính, kinh tế, văn hóa, giáo dục, y tế của cả nước nên tập trung các cơ quan đầu não của Chính phủ, các sứ quán nước ngoài và các tổ chức quốc tế; có nhiều đầu mối giao thông, dễ thông thương với bên ngoài Có nguồn và chất lượng lao động khá tốt và đồng đều, có tiềm lực khoa học kỹ thuật lớn mạnh, có nền tảng và điều kiện cơ sở vật chất kỹ thuật tốt cùng với nguồn tài nguyên du lịch dồi dào, có khả năng thu hút và hấp dẫn lượng khác du lịch trong và ngoài nước Đặc biệt hội tụ đầy đủ điều kiện và tiềm

lực hội nhập với các khu vực tam giác phát triển của Châu Á và trên thế giới

Đây là khu vực có dân cư, KT - XH phát triển liên tục từ rất lâu đời, cho đến ngày nay vùng hữu ngạn sông Hồng vẫn là một vùng kinh tế - xã hội phát triển nhất châu thổ đồng bằng sông Hồng Đặc biệt trong giai đoạn hiện nay, khi nền kinh tế cả nước nói chung, ở lưu vực sông Nhuệ Đáy nói riêng phát triển khá mạnh mẽ Trong lưu vực này đã hình thành một mạng lưới đô thị phát triển với thủ đô Hà Nội (đô thị loại đặc biệt), thị xã Sơn Tây, và nhiều các quận, huyện khác

Khu vực kinh tế: dịch vụ, công nghiệp và xây dựng là điểm mạnh của vùng Tổng sản phẩm nội địa của vùng (GRDP) năm 2011 đạt khoảng 280 nghìn tỷ đồng, trong đó dịch vụ chiếm 52,6%; công nghiệp và xây dựng chiếm 41,8% còn lại là nông - lâm nghiệp, thủy sản chiếm 5,6%

Tình hình kinh tế khu vực nghiên cứu: trong nhiều năm qua ngành công nghiệp

đã có những bước phát triển mạnh mẽ Các khu công nghiệp, cơ sở công nghiệp đã được hình thành, phát triển và không ngừng được mở rộng với quy mô lớn hơn và nhiều ngành nghề đa dạng hơn Tính đến hết năm 2011, Hà Nội có 99.927 cơ sở sản xuất, kinh doanh, trong đó số các cơ sở thuộc khu vực kinh tế ngoài nhà nước là 99.447

cơ sở (99,5%) Các làng nghề cũng được khôi phục, phát triển góp phần giải quyết công ăn việc làm, nâng cao đời sống của nhân dân, góp phần tích cực vào công cuộc công nghiệp hoá hiện đại hoá nông nghiệp và nông thôn

Cơ cấu kinh tế chuyển dịch đúng hướng theo xu thế hiện đại hóa, cơ cấu kinh tế dịch vụ - công nghiệp - nông nghiệp đã hình thành rõ nét Nền công nghiệp và dịch vụ tăng trưởng nhanh với chất lượng và trình độ càng ngày càng được nâng cao Quan hệ giữa các ngành kinh tế bước đầu có sự thay đổi về chất

Ngày 22/12/2008, Thủ tướng Chính phủ đã ra Quyết định số 1878/QĐ-TTG phê duyệt: Nhiệm vụ đề án quy hoạch chung xây dựng Thủ đô Hà Nội mở rộng đến năm

2030 và tầm nhìn đến năm 2050

Với tình hình phát triển xã hội như hiện nay, dự báo đến năm 2030 dân số Hà Nội sẽ đạt xấp xỉ 9,1 triệu người (trong đó thành thị chiếm 6,1 triệu người, nông thôn chiếm 3 triệu người) với tỉ lệ đô thị hóa đạt 68,8%, tầm nhìn đến năm 2050 đạt ngưỡng

10 triệu người Tính từ nay đến năm 2030, tốc độ tăng trưởng dân toàn thành phố tăng

từ 2 - 3%/năm, giảm dần còn dưới 1,5% giai đoạn 2030 - 2050 (thời kỳ 1994 - 2007: 2,4%/năm) Tốc độ tăng tự nhiên chung trong khoảng 0,8 - 1%/năm Tốc độ tăng cơ học (chuyển đổi ranh giới hành chính và lực hút đô thị) của toàn thành phố 1 - 2%/năm (0,4%/năm 2007 ); của riêng đô thị 3 - 4%/năm

Để xứng tầm với đô thị 10 triệu dân, Chính phủ đang có chương trình chiến lược

ưu tiên phát triển Hà Nội thành một Thủ đô có quy mô lớn, tầm cỡ quốc tế, là trung tâm chính trị - hành chính quốc gia, trung tâm lớn về văn hoá, khoa học, giáo dục, kinh

tế và giao dịch quốc tế Ngoài ra việc quy hoạch và phát triển thủ đô cũng phải đảm bảo yêu cầu về bảo tồn các yếu tố lịch sử văn hóa của dân tộc Gắn tầm nhìn vào xu hướng phát triển của thủ đô trong tương lai, hài hòa với cảnh quan chung trong khu vực vùng

Nhìn chung, việc quy hoạch và phát triển thủ đô với mục tiêu đưa Hà Nội trở thành trung tâm hành chính - chính trị , trung tâm văn hóa khoa học công nghệ và giáo dục quan trọng của cả nước, là trung tâm kinh tế - dịch vụ và thương mại trong nước và của cả khu vực

Những lợi ích về kinh tế do phát triển công nghiệp mang lại là rất lớn Bên cạnh

đó, hoạt động công nghiệp đã gây tác hại vào môi trường cũng không phải là nhỏ[6] 1.2.2 Những nghiên cứu chất lượng nước trên lưu vực nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu sông Nhuệ, đoạn chảy qua thành phố Hà Nội là một lưu vực có ý nghĩa rất quan trọng trong sự phát triển của thủ đô Hà Nội bởi vì nó chịu tác động trực tiếp từ rất nhiều nguồn Có thể xem đây là nơi chứa đựng những phần thải dư thừa của thành phố Hà Nội Hơn thế môi trường lưu vực nước sông còn có vai trò vô cùng quan trọng đến chất lượng nước ngầm xung quanh lưu vực, chất lượng không khí

vì vậy không thể xem nhẹ vấn đề này Không chỉ những năm gần đây mà còn trước đó

đã có rất nhiều những nghiên cứu, điều tra, quan trắc chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ.Để thấy rõ bức tranh ô nhiễm nước sông Nhuệ trong những năm gần đây luận văn đã thực hiện tổng kết một số nghiên cứu về chất lượng nước sông Nhuệ Theo

nghiên cứu Khảo sát hiện trạng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ-Đáy năm 2011 của

nhóm tác giả Nguyễn Thanh Sơn, Nguyễn Ý Như, Trần Ngọc Anh, Lê Thị Hườngthì tình trạng ô nhiễm nước sông Nhuệ-Đáy ngày càng trở nên nghiêm trọng, nước sông chịu tác động rất lớn của nước thải công nghiệp, sinh hoạt…Hàm lượng chất hữu cơ trong nước cao, nồng độ COD vượt quá giới hạn cho phép chất lượng nước mặt loại A

từ 2 đến 3 lần, trong khi nồng độ BOD5 vượt quá giới hạn này từ 4-6 lần, hàm lượng

DO rất thấp chỉ đạt 2,89 mg/l Ước tính lượng nước thải từ công nghiệp và sinh hoạt đổ vào sông trung bìnhkhoảng 5,4m3/s[7] Hơn thế theo Nghiên cứu đề xuất mô hình quản

lý nguồn thải gây ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ đoạn chảy qua Hà Nội năm

2012 của Nguyễn Thị Nga, Nguyễn Mạnh Khải cho thấy hàm lượng DO tại tất cả các

vị trí quan trắc đều thấp hơn quy chuẩn cho phép quy định bởi QCVN 08:2008/BTNMT loại B1, dao động trong khoảng từ 2,6 đến 3,1 mg/l chỉ đáp ứng nhu cầu loại B2 cho mục đích giao thông thủy lợi và cho các mục đích khác có chất lượng nước thấp Hàm lượng COD tại tất cả các vị trí quan trắc đều vượt mức tối đa giới hạn cho phép QCVN08: 2008/BTNMTloại B1, nguyên nhân của tình trạng này có thể do

sông Nhuệ chịu tác động mạnh của hoạt động sinh hoạt và phát triển đô thị của các khu dân cư trong thủy vực nhận nước của sông,đối với thông số BOD5 cũng vậy gần như tại tất cả các vị trí quan trắc trên sông Nhuệ đều vượt tiêu chuẩn cho phép bởi QCVN 08: 2008/BTNMT nhiều lần[8]

Theo báo cáo thực hiện quan trắc định kỳ hàng năm của trung tâm quan trắc môi trường, tổng cục môi trường theo chỉ số chất lượng nước WQI đợt 1 năm 2013 và đợt 1 năm 2014 đoạn sông từ cống Liên Mạc đến Cự Đà có giá trị WQI thấp, nằm trong khoảng từ 25-50 Nguyên nhân gây ô nhiễm chủ yếu do nước thải sinh hoạt từ các quận nội thành Hà Nội và nước thải sản xuất của các cơ sở sản xuất và làng nghề Một số điểm quan trắc như Đồng Quan, Nhật Tựu, Đò Kiều, Cầu Hồng Phú chất lượng nước tốt hơn giá trị WQI nằm trong khoảng 51-75 Giá trị WQI đợt 1 năm 2014 so cùng đợt với năm 2013 tại đầu đoạn sông Nhuệ được cải thiện, tuy nhiên tại một số điểm cuối nguồn như Cống Thần, Nhật Tựu, cầu Hồng Phú chất lượng nước suy giảm, giá trị thông số BOD5, N-NH4 vượt QCVN 08/2008 BTNMT loại B1

Trên đây là những tổng hợp về các nghiên cứu chất lượng nước sông Nhuệ trong những năm vừa qua để cho chúng ta thấy hiện trạng nước sông Nhuệ trong những năm vừa qua và trong những năm tới đang ngày càng ô nhiễm nghiểm trọng, cho thấy vai trò thiết yếu của công tác dự báo môi trường nước sông

1.2.3 Tổng quan tình hình sử dụng các mô hình trong tính toán chất lượng nước

+ Ôxy hoà tan DO

+ Nhu cầu ôxy sinh hoá BOD

+ Nhiệt độ

+ Tảo mô phỏng như diệp lục a

+ Nitơ mô phỏng như N

+ Amonia mô phỏng như N

+ Photpho hữu cơ mô phỏng như P

+ Photpho hoà tan mô phỏng như P

Về mặt thuỷ lực, Qual2E chỉ giới hạn mô phỏng trong thời kỳ cả lưu lượng nước trong lưu vực và lưu lượng nước thải nhập lưu hầu như không đổi,Qual2E có thể chạy trong trường hợp dòng chảy ổn định, mô hình có thể được sử dụng để nghiên cứu tác động của nước thải (bao gồm chất, lượng và vị trí) đối với chất lượng nước sông và nó

có thể được sử dụng trong chương trình lấy mẫu ngoài thực địa để xác định các nguồn nước thải không phải là nguồn điểm Bằng cách chạy mô hình động lực người sử dụng

có thể nghiên cứu những ảnh hưởng biến động trong ngày của các yếu tố khí tượng đối với chất lượng nước (trước hết đối với ôxy hoà tan và nhiệt độ) và nghiên cứu sự biến động ôxy hoà tan trong ngày do sự sinh truởng và hô hấp của tảo

Mô hình CORMIX

Mô hình CORMIX (Cornell Mixing Zone Expert System) là mô hình hệthống chuyên nghiên cứu vùng pha trộn nước thải dùng để phân tích, dự báo và thiết kế các miệng xả nước thải vào nguồn nước tự nhiên Mô hình này được các chuyên gia thuộc trường Đại học Cornell (Mỹ) xây dựng trong thời gian từ1985 đến 1995 Mô hình cho phép mô tả quá trình pha trộn nước thải ở gần miệng xả cũng như xa miệng xả

CORMIX có ba hệ thống chương trình phụ tuơng ứng với ba điều kiện nước thải khác nhau Các hệ thống chương trình phụ này là:

CORMIX 1: Dùng phân tích cho cửa xả đơn ngập nước

CORMIX 2: Dùng phân tích cho nhiều cửa xả ngập dưới nước

CORMIX 3: Dùng phân tích cho cửa xả trên mặt nước

Mật độ xung quanh là đồng đều, CORMIX thừa nhận ba dạng chung của các đường bao phân tầng được sử dụng coi là gần đúng đối với việc phân chia mật độ theo phương thẳng đứng

Nguyên tắc các hệ thống CORMIX là chế độ dòng chảy phải ổn định Tuy nhiên, có thể phân tích quá trình pha trộn không ổn định trong trường hợp chịu ảnh hưởng của triều Tất cả các hệ thống CORMIX có thể tính vùng pha trộn cho các chất bảo toàn và các chất bị phân rã Ngoài ra, có thể mô hình hoá quá trình trao đổi nhiệt

Mô hình SAL của PGS.TS Nguyễn TấtĐắc

Chương trình viết trên ngôn ngữ Fortran đã được xây dựng từ năm 1982 Khởi đầu SAL đã được sử dụng để tính triều và mặn trên một phần của sông Đồng Nai – Sài Gòn, Gành Hào – Cà Mau Bắt đầu từ năm 1985 do sự du nhập của các máy vi tính vào nước ta, chương trình được mở rộng để tính toán một số yếu tố của chất lượng nước như BOD, DO, nitơ, phốt pho, phèn,… Sử dụng SAL có thể tính được các yếu tố sau:

- Mực nước, lưu lượng của mọi điểm quan tâm trên hệ thống kênh, sông

- Độ mặn, nồng độ BOD, DO và một số yếu tố chất lượng nước (Nitơ,

phốt pho, phèn,…) của mọi điểm quan tâm trên hệ thống sông

- Trên hệ thống sông có thể có các loại công trình

- Mưa, bốc hơi, trao đổi nước giữa sông và ô đồng cũng được xét trongtính toán Chương trình SAL gồm một chương trình chính để kết nối một sốchương trình con vào quá trình tính toán khi cần thiết Có 7 chương trình con như sau: Subroutine Corres, Subroutine Input, Subroutine Comhq, Subroutine Coms, Subroutine Comdo, Subroutine Result, Subroutine Fini Trong đó chương trình Coms được dùng để tính độ mặn (hoặc BOD hay yếu tố thứ nhất của chất lượng nước như NH3,…), chương trình Comdo dùng để tính các yếu tốthứ 2 trở đi của chất lượng nước (như DO, NO2,…)

Mô hình MASTER

Do Viện Thuỷ lực Delft Hà Lan lập ra từ năm 1988 theo đơn đặt hàng của Ban thư kí Mekong để mô phỏng chuyển động của nước trên hạ lưu Mekong từ Chiang

Sean ra đến biển và sự lan truyền mặn từ các cửa sông và biển trong nội đồng Đây là

mô hình được xây dựng trên hệ phương trình SaintVenant đầy đủ và những phương trình truyền mặn Thực tế mô hình MASTER bao gồm 3 mô hình làm việc khá độc lập nhau là mô hình RIVER (áp dụng đểlập biên lưu lượng tại Pakse cho DELTA FLOOD model và nghiên cứu vận chuyển nước trong miền từ Pakse ra biển) và mô hình DELTA TIDAL (mô tảchuyển động nước và xâm nhập mặn vùng lân cận các cửa sông Cửu Long) Đây là một mô hình tốt về học thuật đối với bài toán dòng không ổn định trong hệ thống kênh hở

Mô hình DELFT-3D

Mô hình DELFT-3D là một hệ thống tổng hợp các mô đun thành phần do Viện Thuỷ lực Delft Hà Lan xây dựng DELFT-3D bao gồm các mođun: thủy động lực, sóng, truyền tải bùn cát, chất lượng nước, sinh thái học Mô hình cho phép kết hợp giữa

mô hình thuỷ lực 2,3 chiều với mô hình chất lượng nước Ưu điểm của mô hình này là

sử dụng lưới cong trực giao và kết hợp giữa các mô đun tính toán phức tạp để đưa ra những mô phỏng cho nhiều chất và nhiều quá trình tham gia

Mô hình MIKE 11

Mô hình MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thuỷlực Đan Mạch (DHI) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, được ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển cát vùng cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác MIKE 11 bao gồm nhiều mô đun có các khả năng và nhiệm vụ khác nhau như: mô đun mưa dòng chảy (RR), mô đun thuỷ động lực (HD), mô đun tải - khuếch tán (AD), mô đun sinh thái (Ecolab) và một số mô đun khác Trong đó, mô đun thuỷ lực (HD) được coi là phần trung tâm của mô hình, tuy nhiên tuỳ theo mục đích tính toán mà chúng ta kết hợp sử dụng với các mô đun khác một cách hợp lý và khoa học

1.2.4 Những nghiên cứu chất lượng nước sử dụng mô hình MIKE 11

Mô hình MIKE 11 với rất nhiều ưu điểm của nó đã được sử dụng rất nhiều trong những nghiên cứu thủy văn, không dừng lại ở đó mô hình còn cho kết quả mô phỏng

chất lượng nước rất tốt với hiệu quả mô hình rất cao.TheoNghiên cứu áp dụng mô hình

toán MIKE 11 tính toán chất lượng nước sông Nhuệ-sông Đáynhóm các tác giả Lê Vũ

Việt Phong, Trần Hồng Thái, Phạm Văn Hải đã nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE

11 trong tính toán chất lượng nước (DO, BOD, nhiệt độ) sông Nhuệ và sông Đáy sử dụng 4 mô đun là: mô đun mưa-dòng chảy(RR); mô đun thủy lực ( HD); mô đun truyền tải-khuyếch tán (AD); mô đun sinh thái (Ecolab); Nghiên cứu đã sử dụng nguồn

số liệu cho đầu vào thủy lực(HD) bao gồm số liệu địa hình sông Nhuệ 43 mặt cắt ( từ Cống Liên Mạc đến Phủ Lý) và sông Đáy 60 mặt cắt và số liệu lưu lượng và mực nước dùng làm biên trên, biên dưới và hiệu chỉnh kiểm định mô đun thủy lực tại 12 trạm thủy văn Mô hình chất lượng nước bao gồm số liệu nguồn ô nhiễm và nguồn thải cùng

số liệu quan trắc nước mặt để hiệu chỉnh, kiểm định cho kết quả rất tốt với sai số tuyệt đối từ 0,15m đến 0,35m và mức hiệu quả của mô hình từ 88% đến 97% mô phỏng tính toán đối với thông số DO và BOD[9]

Theo Nghiên cứu áp dụng mô hình toán MIKE 11 tính toán dự báo chất

lượng nước sông Cầunhóm tác giảTrần Hồng Thái, Phạm Văn Hải, Trần Thị Diệu

Hằng đã sử dụng 3 mô đun là mô đun thủy lực HD, mô đun truyền tải khuyếch tán AD,

mô đun sinh thái Ecolab Nguồn số liệu đầu vào cho mô đun thủy lực gồm 53 mặt cắt,

số liệu lưu lượng, mực nước tại 7 trạm thủy văn sử dụng làm biên trên, biên dưới và hiệu chỉnh kiểm định Nguồn số liệu cho mô đun chất lượng nước gồm số liệu nguồn thải và nguồn gây ô nhiễm cùng với số liệu quan trắc nước mặt để hiệu chỉnh, kiểm định đã cho kết quả với hiệu quả mô hình từ 99,1% đến 96,4 % đã mô phỏng hiệu chỉnh, kiểm định mô hình chất lượng nước với 4 thông số DO, T-N, T-P, Coliform.Sau

đó mô hình đã thực hiện 3 kịch bản với lưu lượng nước thải khác nhau đã đưa ra kết quả dự báo chất lượng nước sông Cầu theo kịch bản với thông số BOD và T-N[10]

TrongNghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 tính toán thủy lực, chất lượng

nước cho lưu vực sông Sài Gòn- Đồng Naitác giảTrần Hồng Thái, Hoàng Thị Thu

Trang, Nguyễn Văn Thao, Lê Vũ Việt Phong đã sử dụng 3 mô đun là mô đun thủy lực

HD, mô đun truyền tải-khuyếch tán AD, mô đun sinh thái Ecolab với nguồn dữ liệu đầu vào cho mô đun thủy lực HD gồm 42 mặt cắt sông và số liệu lưu lượng và mực nước tại 7 trạm thủy văn sử dụng làm biên trên, biên dưới và hiệu chỉnh, kiểm định Nguồn số liệu cho mô đun chất lượng nước là số liệu nguồn thải và nguồn ô nhiểm cùng số liệu quan trắc chất lượng nước mặt, mô hình đã tính toán và mô phỏng chất lượng nước DO và BOD với hiệu quả mô hình từ 90% đến 94%[11]

TrongNghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 và MIKE 21 trong mô phỏng chất

lượng nước sông Cầu Trắng-Đà Nẵng nhóm tác giả Phạm Phú Lâm, Trần Văn Quang,

Nguyễn Dương Quang Chánh đã sử dụng 28 mặt cắt cùng các số liệu lưu lượng và mực nước hiệu chỉnh, kiểm định mô đun thủy lực và số liệu nguồn thải cùng nguồn ô nhiễm

và số liệu quan trắc nước mặt để mô phỏng chất lượng nước 1 chiều và 2 chiều đối với thông số DO và BOD Sau đó mô hình đã thay đổi mức lưu lượng xả thải khác nhau để xây dựng 6 kịch bản đối với thông số DO và BOD [12]

Theo Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán MIKE 11 mô phỏng, đánh giá chất

lượng nước hạ lưu sông Đồng Nai đoạn chảy qua thành phố Biên Hòa theo quy hoạch phát triển kinh tế xã hội đến năm 2020của Phan Viết Chính đã sử dụng 3 mô

đun là mô đun thủy lực HD, mô đun truyền tải-khuyếch tán AD và mô đun sinh thái Ecolab với nguồn số liệu đầu vào cho mô đun thủy lực HD gồm 45 mặt cắt và số liệu lưu lượng, mực nước tại 4 trạm thủy văn làm biên trên, dưới và hiệu chỉnh kiểm định

Số liệu nguồn thải và nguồn gây ô nhiễm cùng số liệu quan trắc chất lượng nước để hiệu chỉnh kiểm định Mô hình đã mô phỏng kiểm định 3 thông số DO, BOD, nhiệt độ với hiệu quả mô phỏng Trên cơ sở đó mô hình đã xây dựng các kịch bản chất lượng nước tới năm 2020 với các mức giả thiết lưu lượng xả thải khác nhau cho kết quả với thông số DO và BOD[13]

Cuối cùngNghiên cứu ứng dụng mô hình toán dự báo ô nhiễm và xác định

nguồn gây ô nhiễm cho hạ lưu sông Sài Gòn Đồng Nai Nhóm các tác giả Trần Hồng

Thái và những người khácđã sử dụng kết hợp mô hình MIKE11 với một số mô hình khác để tính toán chất lượng nước trên cơ sở đó dự báo chất lượng nước sông Sài Gòn-Đồng Nai đối với thông số DO, BOD, T-N[14]

Theo tất các nghiên cứu sử dụng mô hình MIKE 11 đã đề cập ở trên thường sử dụng để mô phỏng chất lượng nước tại thời điểm nghiên cứu, chưa có nhiều nghiên cứu để mô phỏng chất lượng nước Hơn thế, các nghiên cứu dự báo để có độ chính xác tin cậy và mang ý nghĩa thực tế cần có cở sở để đảm bảo rằng số liệu dự báo nguồn thải

và dân số có độ tin cậy

Để khắc phục tính chính xác tin cậy và mang ý nghĩa thực tế của việc Dự Báo

Nguồn Thải Và Dân SốNghiên cứu sử dụngQuy Hoạch Tổng Thể Phát Triển Kinh Tế- Xã Hội Thành Phố Hà Nội Đến Năm 2020, Đinh Hướng Năm 2030 và Quy Hoạch Tổng Thể Phát Triển Kinh Tế -Xã Hội đến năm 2020, chi tiết cấp huyện của các huyện: Hoài Đức, Từ Liêm, Hà Đông, Thanh Trì, Thanh Oai, Thường Tín, Phú Xuyên, Ứng Hòa làm cơ sở để dự báo

Trên đây luận văn đã tổng kết một số các nghiên cứu của các tác giả đã sử dụng

mô hình MIKE11 để mô phỏng, dự báo chất lượng nước để thấy rằng đề tài sử dụng

mô hình MIKE 11 để dự báo chất lượng nước sông Nhuệ ( DO, BOD, T-N) là hoàn toàn có cơ sở và có thể thực hiện với kết quả chính xác đáng tin cậy