ứng dụng mô hình mike 11 đánh giá chất lượng nước sông hậu (đoạn qua khu công nghiệp trà nóc, thành phố cần thơ)

Trong những năm gần đây, với sự phát triển của công nghệ thông tin cũng như khoa học kỹ thuật, các mô hình toán ứng dụng trong lĩnh vực mô phỏng đặc tính thủy lực chất lượng nước ngày cà

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

BỘ MÔN QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG & TNTN

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG HẬU (ĐOẠN QUA KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ NÓC,

THÀNH PHỐ CẦN THƠ)

Sinh viên thực hiện

Cán bộ hướng dẫn ThS HUỲNH VƯƠNG THU MINH

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến cô Huỳnh Vương Thu Minh, giảng viên khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên trường Đại học Cần Thơ đã hướng dẫn tận tình cũng như giúp đỡ, động viên và cho tôi những lời khuyên vô cùng quý báu trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Vũ Văn Năm, cô Bùi Thị Bích Liên, thầy Nguyễn Hồng Đức cũng như quý thầy cô của bộ môn Quản lý Môi trường & Tài nguyên thiên nhiên, khoa Môi trường & Tài nguyên thiên nhiên đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm chuyên môn trong suốt quá trình học tập, làm nền tảng giúp tôi hoàn thành đề tài này

Đồng thời, tôi cũng xin cám ơn anh Trần Trung Tín, anh Nguyễn Phương Tân, chị Nguyễn Thị Thùy Trang và anh Lê Văn Tiến đã chia sẽ những kinh nghiệm quý báu cũng như động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Xin gởi lời tri ân sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã luôn ủng hộ, tạo động lực và điều kiện tốt để tôi có thể hoàn thành nghiên cứu này

Một lần nữa, xin cảm ơn tất cả mọi người !

Cuối lời, tôi xin kính chúc quý thầy cô trường Đại Học Cần Thơ, đặc biệt là giảng viên khoa Môi trường & Tài nguyên thiên nhiên luôn thực hiện tốt công tác giảng dạy, chúc mọi người được dồi dào sức khoẻ, hạnh phúc và thành công trong công việc cũng như trong cuộc sống !

Xin chân thành cảm ơn !

MỤC LỤC

Trang

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 4

1.2.1 Mục tiêu tổng quát 4

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 4

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4

1.3.1 Nội dung 1 4

1.3.2 Nội dung 2 4

1.3.3 Nội dung 3 5

1.4 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 5

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 6

2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 6

2.2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH 9

2.2.1 Các định nghĩa có liên quan 9

2.2.2 Mục tiêu thành lập mô hình 10

2.2.3 Giới thiệu mô hình Mike 11 10

2.2.4 Các bước ứng dụng mô hình trong đề tài 20

2.2.5 Đánh giá mô hình 20

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

3.1 VÙNG NGHIÊN CỨU 21

3.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

3.2.1 Tiến trình thực hiện 22

3.2.2 Phương pháp lược khảo tài liệu 24

3.2.3 Phương pháp khảo sát thực địa 24

3.2.4 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 26

3.2.5 Phương pháp mô hình hóa 27

3.2.6 Phương pháp hiệu chỉnh và kiểm định 28

3.2.7 Xây dựng các kịch bản dự báo chất lượng nước 29

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THẢO LUẬN 30

4.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH 30

4.1.1 Dữ liệu hình học 30

4.1.2 Xác định biên vùng tính toán 32

4.1.3 Số liệu thủy văn 34

4.1.4 Số liệu chất lượng nước 36

4.2 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THỦY LỰC SÔNG HẬU (ĐOẠN QUA KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ NÓC) 37

4.2.1 Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực 37

4.2.2 Kết quả kiểm định mô hình thủy lực 38

4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG HẬU (ĐOẠN QUA KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ NÓC) 39

4.4 DỰ BÁO DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG HẬU (ĐOẠN QUA KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ NÓC) THEO CÁC KỊCH BẢN ĐÃ XÂY DỰNG 41

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43

5.1 KẾT LUẬN 43

5.2 KIẾN NGHỊ 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

PHỤ LỤC 48

3.1 Sơ đồ vị trí Khu công nghiệp Trà Nóc, Thành Phố Cần

3.3 Khảo sát hiện trạng môi trường trên sông, rạch tại vùng

3.6 Tiến trình thực hiện mô phỏng thủy lực và chất lượng

4.2 Sơ đồ mặt cắt hệ thống sông Hậu và các kênh rạch 31 4.3 Mặt cắt ngang tại trạm quan trắc Châu Đốc (Hauriver,

4.4 Mặt cắt ngang sông Hậu vùng nghiên cứu (Hauriver,

4.6 Lưu lượng các trạm Châu Đốc và Vàm Nao tháng 01/2008 35 4.7 Mực nước tại trạm Rạch Giá và Đại Ngãi tháng 01/2008 36 4.8 Mực nước thực đo và mô phỏng tại trạm Cần Thơ từ ngày

DANH MỤC BẢNG

4.1 Khoảng cách trung bình giữa 2 mặt cắt ngang liên tiếp 31

4.3 Số liệu các trạm thủy văn được dùng trong mô hình 34 4.4 Lưu lượng thực đo các trạm Châu Đốc và Vàm Nao năm

4.8 Kịch bản cho mô hình toán mô phỏng chất lượng nước

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

TN & MT Tài nguyên và Môi trường

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Sông Hậu có vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế – xã hội của đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) Đây là nguồn cung cấp nước chính cho nhu cầu sinh hoạt và hoạt động sản xuất của các tỉnh nằm dọc theo lưu vực sông Cần Thơ nằm ở cửa ngõ lưu vực sông Hậu với nền kinh tế đang phát triển theo hướng công nghiệp hóa – hiện đại hóa Bên cạnh sự phát triển, Thành phố Cần Thơ (TPCT) còn phải đối mặt với nhiều khó khăn trong việc giải quyết các vấn đề về môi trường, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường nước mặt

Tính đến năm 2012 trên tuyến sông Hậu đã có 22 KCN đi vào hoạt động, chủ yếu là lĩnh vực chế biến thủy sản đông lạnh xuất khẩu Với tổng diện tích gần 5.000

ha, nếu lấp đầy diện tích đất sẽ phát sinh lượng nước thải vào khoảng 180.000 - 200.000 m3/ngày Trong đó, chỉ có 7/22 KCN có hệ thống xử lý nước thải tập trung Nước thải từ hoạt động sản xuất của các doanh nghiệp trong khu, cụm công nghiệp chỉ được xử lý sơ bộ rồi xả vào hệ thống thoát nước thải của khu, cụm công nghiệp, sau đó thải trực tiếp ra sông Hậu (Bộ TN&MT, 2012) Khu công nghiệp Trà Nóc chưa có trạm xử lý nuớc thải tập trung, các nhà máy công nghiệp đơn lẻ phải tự xử lý nuớc thải trong các hệ thống phân tán, sau đó xả vào các hệ thống thoát nuớc mưa nằm dọc đuờng và cuối cùng chảy vào sông Hậu (Ferdinand Friedrichs, 2013) Việc xả nước thải không qua xử lý hoặc xử lý không đạt tiêu chuẩn là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nước tại sông Hậu (Tổng cục Môi trường, 2012)

Kết quả quan trắc chất lượng nước sông Hậu trong giai đoạn 1999 – 2008 cho thấy chất lượng nước trên sông Hậu đang ngày càng ô nhiễm; cụ thể theo kết quả của Trung tâm quan trắc Tài nguyên và Môi trường TPCT (2009) cho thấy chỉ có 3 chỉ tiêu (pH, NO3, Nitơ) chất lượng nước đạt Quy chuẩn Việt Nam (QCVN); còn lại các chỉ tiêu khác không đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt (QCVN 08:2008/BTNMT) Hàm lượng BOD tại các kênh, rạch đều vượt QCVN 08:2008/BTNMT (cột A2; riêng vị trí chợ Ô Môn vượt quy chuẩn cột B1) (Hình 1.1) Hàm lượng DO tại các vị trí quan trắc đều vượt quá giới hạn cho phép cột B1 QCVN 08:2008/BTNMT (Hình 1.2)

Hình 1.1 Diễn biến hàm lượng BOD trong nước mặt giai đoạn 1999 – 2008

(Trung tâm quan trắc Tài nguyên và Môi trường TPCT, 2009)

Hình 1.2 Diễn biến hàm lượng DO trong nước mặt giai đoạn 1999 – 2008

(Trung tâm quan trắc Tài nguyên và Môi trường TPCT, 2009)

Chất lượng nước mặt vùng ĐBSCL bị ảnh hưởng bởi nước thải phát sinh từ hoạt động nuôi trồng và chế biến thủy sản, canh tác nông nghiệp trong khu vực (Bộ

TN & MT, 2012) Riêng lưu vực sông Hậu đoạn qua KCN Trà Nóc, nguồn nước mặt ô nhiễm chủ yếu là do nước thải từ hoạt động sản xuất của các doanh nghiệp Nước thải của 129 doanh nghiệp sau khi được xử lý cục bộ tại các doanh nghiệp thải trực tiếp ra sông Hậu (qua 14 cửa xả), rạch Cái Chôm và rạch Sang Trắng Tuy nhiên, hiện chỉ có khoảng 38 doanh nghiệp có công trình xử lý sơ bộ riêng Do không có sự kiểm soát chặt chẽ từ các cơ quan quản lý nhà nước về chất lượng nước thải ra sông, phần lớn

Chợ Ô Môn

TB các kênh, rạch

nước thải qua xử lý sơ bộ vẫn không đạt mức xả thải loại B theo Quy chuẩn Việt Nam (QCVN 40:2011/BTNMT) (CIPCO, 2012).

Nước thải tại KCN Trà Nóc có hàm lượng chất hữu cơ vượt Quy chuẩn Việt Nam (QCVN) từ 5 – 6 lần, chất rắn lơ lửng từ 2 – 53 lần, coliform vượt từ 2 – 48 lần (QCVN 08:2008/BTNMT); điều này đã làm gia tăng mức độ ô nhiễm môi trường trên các sông, rạch Mức độ ô nhiễm môi trường nước mặt đặc biệt nghiêm trọng tại thủy vực tiếp nhận với giá trị thể hiện giảm dần khi ra đến thủy vực lân cận và đối chứng: hàm lượng chất rắn lơ lửng vượt tiêu chuẩn cho phép từ 1 – 53 lần, ôxy hòa tan thấp hơn chuẩn từ 1 – 60 lần, chất hữu cơ vượt chuẩn từ 4 – 138 lần, nitrit vượt chuẩn từ 2 – 9 lần; và tổng Coliform vượt tiêu chuẩn cho phép từ 2 – 48 lần (Bùi Thị Nga, 2008)

Thêm vào đó, theo Quyết định Quy hoạch chung của TPCT đến năm 2025 (Quyết định của Thủ tướng Chính phủ: 207/2006/QĐ – TTg), các định hướng phát triển về công nghiệp của TPCT bao gồm: (i) phía Tây Bắc dọc theo sông Hậu phát triển khu đô thị công nghiệp dịch vụ ở huyện Thốt Nốt, khu công nghệ cao ở phía Bắc rạch Ô Môn và KCN nặng kết hợp với cảng phía Nam rạch Ô Môn; (ii) phía Đông Nam dọc theo sông Hậu phát triển khu đô thị cảng công nghiệp Cái Răng Nam sông Cần Thơ; (iii) phía Tây Nam dọc theo sông phát triển khu đô thị sinh thái gắn với các khu bảo tồn tự nhiên sông nước, vườn trái cây; (iv) phía Tây phát triển các vành đai sinh thái ngoại thành Những định hướng phát triển về công nghiệp của TPCT đến năm

2025 đa phần phát triển dọc theo sông Hậu; vì vậy, khả năng ô nhiễm nguồn nước này rất cao Do đó, cần mô phỏng chất lượng nước sông Hậu cũng như xác định và đánh giá khả năng mang tải chất ô nhiễm của dòng sông này ở hiện tại và tương lai

Trong những năm gần đây, với sự phát triển của công nghệ thông tin cũng như khoa học kỹ thuật, các mô hình toán ứng dụng trong lĩnh vực mô phỏng đặc tính thủy lực chất lượng nước ngày càng phổ biến và phát triển như: HEC-RAS, MIKE,

VRSAP, ISIS (Van et al., 2012) Nghiên cứu lựa chọn áp dụng bộ phần mềm Mike 11

để thực hiện mô phỏng chất lượng nước sông Hậu, bởi nó đáp ứng được các tiêu chí: (i) là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng; (ii) là bộ phần mềm đã được kiểm nghiệm thực tế; (iii) cho phép tính toán thủy lực và chất lượng nước với độ chính xác cao; (iv) giao diện thân thiện, dễ sử dụng; (v) có ứng dụng kỹ thuật GIS, là một kỹ thuật mới với tính hiệu quả cao (Trần Hồng Thái, 2006)

Từ thực trạng nêu trên, cần thiết tiến hành “Ứng dụng mô hình Mike 11 đánh

giá chất lượng nước sông Hậu (đoạn qua khu công nghiệp Trà Nóc, Thành phố Cần Thơ)” nhằm xác định xu hướng thay đổi chất lượng nước và khả năng tiếp nhận

trên sông trong tương lai, tạo cơ sở cho việc đề ra các chính sách phát triển kinh tế –

xã hội phù hợp; đồng thời thông qua việc dự đoán chất lượng nước mặt trong những năm 2030 để đề xuất các giải pháp tổng hợp hướng đến mục tiêu bảo vệ nguồn nước sông Hậu

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

1.2.1 Mục tiêu tổng quát

Ứng dụng Mike 11 đánh giá chất lượng nước sông Hậu (đoạn qua khu công nghiệp Trà Nóc)

1.2.2 Mục tiêu cụ thể

 Đánh giá hiện trạng chất lượng nước trong khu vực nghiên cứu;

 Đánh giá lan truyền chất ô nhiễm và chất lượng nước trên sông Hậu (đoạn qua khu công nghiệp Trà Nóc) với các chỉ tiêu (BOD, DO và nhiệt độ);

 Dự đoán diễn biến chất lượng nước vùng nghiên cứu đến những năm 2030 theo Quyết định 1533/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ “Quyết định Phê duyệt Quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế – xã hội Thành phố Cần Thơ đến năm

2020, tầm nhìn đến năm 2030”

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Để hoàn thành các mục tiêu đã đề ra, nghiên cứu đã thực hiện 3 nội dung:

1.3.1 Nội dung 1

 Tìm hiểu các nghiên cứu đã được triển khai có liên quan đến vùng nghiên cứu

và nội dung nghiên cứu;

 Lược khảo tài liệu về hệ số nhám và hệ số truyền tải khuyếch tán của các kênh rạch vùng nghiên cứu

 Thu thập số liệu mực nước, lưu lượng từ Trung tâm Khí tượng thủy văn Đồng bằng sông Cửu Long Các số liệu về mực nước, lưu lượng (theo giờ) tại trạm Cần Thơ từ ngày 01/01/2008 – 31/5/2008 cho hiệu chỉnh mô hình, từ 01/01/2010 – 31/05/2010 cho kiểm định mô hình và điều kiện biên tại các trạm Châu Đốc, Vàm Nao, Rạch Giá, Đại Ngãi;

 Xác định các nguồn xả tập trung từ khu công nghiệp Trà Nóc và các nguồn xả phân tán từ khu dân cư trong vùng nghiên cứu;

 Sử dụng Mike 11 để mô phỏng thủy lực, hiệu chỉnh (năm 2008) và kiểm định

mô hình (năm 2010);

 Sử dụng Mike 11 để mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm và chất lượng nước (BOD, DO và nhiệt độ), hiệu chỉnh (năm 2008) và kiểm định mô hình (năm 2014);

 Dựa vào kết quả mô phỏng để đánh giá lan truyền chất ô nhiễm, so sánh số liệu

mô hình với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08:2008/BTNMT (cột A2) để đánh giá chất lượng nước sông Hậu (đoạn qua khu công nghiệp Trà Nóc)

1.3.3 Nội dung 3

 Mô phỏng mô hình chất lượng nước trong những năm 2030 theo “Quyết định Phê duyệt Quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế – xã hội Thành phố Cần Thơ đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030”;

 Dựa vào kết quả mô hình để dự đoán diễn biến chất lượng nước vùng nghiên cứu đến những năm 2030

1.4 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

Đề tài chỉ triển khai nghiên cứu dọc theo sông Hậu (đoạn qua khu công nghiệp Trà Nóc) và các phụ lưu

Đề tài tập trung mô phỏng và dự đoán chất lượng nước của vùng nghiên cứu dựa theo các chỉ tiêu BOD, DO và nhiệt độ

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Theo Ferdous Ahmed (2010), “Mô hình thủy động lực cho vùng hạ lưu sông Rideau” Nghiên cứu áp dụng mô hình thủy động lực học cho hệ thống hạ lưu sông Rideau với mô hình Mike 11 của DHI Hệ thống sông này phức tạp, bao gồm nhiều nhánh sông, các khu vực thoát nước cục bộ và nhiều kiểu quản lý dòng nước Mô hình được hiệu chỉnh với số liệu đo đạc dòng chảy trong vòng 5 năm và được kiểm nghiệm với số liệu của 5 năm tiếp theo Nhiều phương pháp đã được sử dụng, phương pháp định tính và định lượng để đánh giá độ chính xác của mô hình Nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô hình có thể mô phỏng tương đối chính xác thủy động lực học của dòng sông trong khoảng thời gian khác nhau Mô hình này hiện được áp dụng với nhiều mục tiêu quản lý thủy vực khác nhau, bao gồm dự báo lũ, đánh giá sự an toàn của đập nước, định lượng chức năng của đất ngập nước

Nghiên cứu “Ảnh hưởng của mực nước biển dâng đến vùng Đồng bằng Sông Cửu Long: cao trình mực nước trong mùa lũ và tác động đối với sản lượng lúa” (Wassmann et al., 2004) sử dụng mô hình VRSAP để nghiên cứu tác động của mực nước biển dâng trong vùng ĐBSCL Mô hình được hiệu chỉnh dựa vào các dữ liệu quan trắc lũ lụt năm 1996 Sau đó, mô hình đã được áp dụng để tính toán mực nước ở vùng đồng bằng theo các kịch bản mực nước biển dâng khác nhau

Theo nghiên cứu “Ứng dụng mô hình Mike 11 để đánh giá khả năng làm việc lập quy trình vận hành của các cống thuộc hệ thống thủy lợi ngọt hóa Gò Công – Tiền Giang thích ứng với Biến đổi khí hậu – Nước biển dâng” (Mai Đức Phú, 2010), Mike

11 có một số ưu điểm (i) có tính đồng bộ cao thể hiện qua việc kết nối với các mô hình thành phần khác của Mike cũng như các ứng dụng liên quan; (ii) hệ thống file số liệu được tổ chức có tính khoa học cao, tiện lợi khi giải quyết những bài toán lớn, phức tạp; (iii) độ ổn định cao trong tính toán với hệ thống mã báo lỗi chi tiết thuận tiện cho người sử dụng Module Mike 11 được đưa vào tính toán thủy văn đã tiết kiệm rất nhiều được thời gian tính toán, khối lượng tính toán giảm đi đáng kể Kết quả thu được chính xác và rất đáng tin cậy, theo nghiên cứu “Ứng dụng module Mike 11 tính toán thủy văn cho sông và luồng ra vào cảng” (Nguyễn Hoàng, 2009) Theo “Nghiên cứu Ứng dụng mô hình hai chiều đứng CE–QUAL–W2 mô phỏng và dự báo chất lượng nước hồ Hòa Bình” Các kết quả tính toán từ module thuỷ lực được sử dụng trong các tính toán thành phần chất lượng nước Do đó, tính toán chính xác các yếu tố thuỷ lực

sẽ góp phần quan trọng trong tính toán chất lượng nước (Nguyễn Kiên Dũng, 2005)

Theo Bùi Thị Nga (2008), chất lượng nước tại các cống thải KCN Trà Nóc không đạt tiêu chuẩn nước thải công nghiệp (TCVN 5945 – 2005) xả thải vào môi trường lân cận thể hiện ở các chỉ tiêu đạm tổng, lân tổng và sắt tổng Mức độ ô nhiễm

nước mặt đặc biệt nghiêm trọng tại thủy vực tiếp nhận trực tiếp (rạch Sang Trắng 1), ít hơn ở thủy vực lân cận (rạch Sang Trắng 2) và thủy vực đối chứng (Sông Hậu) vượt tiêu chuẩn chất lượng nước mặt của Việt Nam (TCVN 5942 – 1995) Chế độ triều đã

có ảnh hưởng đáng kể đến nồng độ của các chất ô nhiễm ở thủy vực tiếp nhận, thủy vực lân cận và thủy vực đối chứng

Trong đề tài “Nghiên cứu đánh giá khả năng chịu tải và đề xuất các giải pháp bảo vệ sông Vàm Cỏ Đông – đoạn chảy qua huyện Bến Lức, tỉnh Long An” (Nguyễn Minh Lâm, 2012) đã đưa ra cách nhìn mới về phương pháp tính toán sức chịu tải bằng việc ứng dụng chỉ số chất lượng nước WQI và phần mềm Mike 11 để đánh giá và đưa

ra dự báo cụ thể về diễn biến chất lượng nước và khả năng chịu tải của sông Vàm Cỏ Đông đến 2020 Từ đó, làm cơ sở phân vùng chất lượng nước phục vụ quản lý: (i) kiểm soát các nguồn thải; (ii) cấp phép xả thải trên sông; (iii) phục vụ cho quy hoạch tiếp nhận các ngành nghề đầu tư vào địa bàn huyện Bến Lức, định hướng di dời một số ngành nghề ô nhiễm nặng dọc theo sông Vàm Cỏ Đông vào các vị trí khác phù hợp

Theo báo cáo chuyên đề “Dự báo chất lượng nước do quy hoạch phát triển kinh

tế – xã hội” (Tổng cục Môi trường, 2009) từ dự án “Điều tra, khảo sát, đánh giá khả năng chịu tải môi trường của hạ lưu sông Mekong và xây dựng cơ sở dữ liệu môi trường phục vụ công tác kiểm soát ô nhiễm môi trường nước vùng nghiên cứu” Báo cáo đã dựa vào kết quả điều tra về tải lượng và nồng độ các chất ô nhiễm có trong nước thải của các KCN đang hoạt động trong phạm vi cả nước để đưa ra các phương pháp ước tính tải lượng ô nhiễm của vùng nghiên cứu; áp dụng phương pháp tính toán, phân tích và đánh giá diễn biến chất lượng nước vùng nghiên cứu bằng mô hình Mike

11 với các kịch bản khác nhau nhằm đánh giá khả năng tiếp nhận của lưu vực sông từ các nguồn xả thải (chủ yếu là từ hoạt động nuôi trồng thủy sản); từ đó giúp các nhà khoa học có cơ sở để đề ra những quy hoạch phát triển hợp lý trong tương lai

Nghiên cứu "Ứng dụng Mike 11 tính toán thủy lực, chất lượng nước cho lưu vực sông Sài Gòn - Đồng Nai" (Trần Hồng Thái, 2007) Trong nghiên cứu này, phương pháp mô hình toán đã được sử dụng trong việc mô phỏng chế độ thủy văn, thủy lực và chất lượng nước cho hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai trên cơ sở phần mềm Mike 11 – một lưu vực sông lớn và giữ vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế đất nước Kết quả tính toán, mô phỏng thủy văn, thủy lực chất lượng nước bằng mô hình Mike 11 khá tốt, cho thấy khả năng ứng dụng hiệu quả của mô hình

Nghiên cứu “Ứng dụng Mike 11 mô phỏng chất lượng nước sông Ba, Gia Lai

theo các kịch bản phát triển kinh tế xã hội” (Bùi Tá Long và ctv, 2012) Trong báo cáo

này, phương pháp mô hình diễn toán MIKE11 được sử dụng để mô phỏng chế độ thủy văn, thủy lực và chất lượng nước cho sông Ba, Gia Lai Nghiên cứu xây dựng 3 kịch bản khác nhau: (i) Kịch bản hiện trạng: mô phỏng chất lượng nước sông Ba tại thời điểm hiện tại; (ii) Kịch bản 1: mô phỏng chất lượng nước sông Ba với giả thiết lưu lượng nguồn thải tăng 10 lần, được xả thải xuống sông và không qua hệ thống xử lý

nước thải; (iii) Kịch bản 2: với giả thiết nồng độ ô nhiễm tăng 10 lần, nhưng giữ nguyên lưu lượng như kịch bản hiện trạng

Đề tài nghiên cứu khoa học “Ứng dụng mô hình toán đánh giá chất lượng nước

hạ lưu sông Đồng Nai đến năm 2020” (Phan Viết Chính, 2011) Trong đề tài này, mô hình toán dòng chảy trong kênh hở một chiều Mike 11 đã được áp dụng mô phỏng đánh giá chất lượng nước hạ lưu sông Đồng Nai đoạn chảy qua Thành phố Biên Hòa (hiện trạng năm 2005 và mô phỏng dự báo chất lượng nước năm 2011 và 2020 do tác động bởi các nguồn xả thải của đô thị Biên Hòa theo qui hoạch phát triển kinh tế xã hội đến năm 2020 của tỉnh Đồng Nai) Tác giả sử dụng số liệu địa hình, số liệu thủy lực, thủy văn năm 2003, số liệu chất lượng nước thực đo năm 2003 và năm 2005 để hiệu chỉnh và kiểm tra mô hình Sử dụng bộ thông số đã hiệu chỉnh để mô phỏng dự báo chất lượng nước cho các phương án phát triển kinh tế xã hội của thành phố Biên Hòa đến năm 2020

Nghiên cứu “Ứng dụng mô hình toán mô phỏng đặc tính thủy lực và diễn biến chất lượng nước trên kênh Xáng, Thành phố Sóc Trăng” (Trương Thị Yến Nhi, 2013)

mô phỏng thủy lực và chất lượng nước (các chỉ tiêu COD, BOD, tổng đạm và tổng lân) Ứng dụng mô hình thủy lực một chiều HEC-RAS để mô phỏng đặc tính thủy lực

và chất lượng nước trên tuyến kênh Xáng, thành phố Sóc Trăng, dựa trên các kịch bản thay đổi về nồng độ chất thải và lưu lượng nước từ thượng nguồn Chất lượng nước

mô phỏng được tác giả so sánh với Quy chuẩn chất lượng nước mặt QCVN 08:2008, cột A2 và cột B1, đó là cơ sở để đánh giá chất lượng nước mặt mô phỏng kênh Xáng

Nghiên cứu “Mô phỏng xâm nhập mặn Đồng bằng sông Cửu Long dưới tác động mực nước biển dâng và sự suy giảm lưu lượng từ thượng nguồn” (Trần Quốc Đạt, 2012) Dựa vào hiện trạng mực nước biển dâng và lưu lượng thượng nguồn suy giảm, tác giả ứng dụng mô hình Mike 11 để mô phỏng xâm nhập mặn ở đồng bằng sông Cửu Long dựa trên bộ số liệu năm 1998 và năm 2005 Các kịch bản được xây dựng dựa trên kịch bản CRES B2, kịch bản tăng diện tích nông nghiệp và kịch bản diện tích nông nghiệp không đổi Nghiên cứu cho thấy mặn có thể xâm nhập vào nội đồng ở hầu hết các diện tích được bảo vệ bởi các dự án ngăn mặn

Đề tài “Động thái dòng chảy ở vùng Tứ giác Long Xuyên dưới tác động của đê bao ngăn lũ” (Nguyễn Thành Tựu, 2013) sử dụng phần mềm HEC-RAS mô phỏng mô hình thủy lực dòng chảy một chiều cho hệ thống sông vùng Tứ giác Long Xuyên dưới tác động của đê bao ngăn lũ dựa vào bộ số liệu mô hình năm 2000 Các kịch bản xây dựng trong nghiên cứu bao gồm: (i) kịch bản dựa trên dữ liệu năm 2000 (không có đê bao); (ii) kịch bản dựa trên hệ thống đê bao khép kín Nghiên cứu đã xác định được các đặc tính thủy lực và động thái dòng chảy đối với hai kịch bản, đồng thời, đánh giá những ảnh hưởng có thể xảy ra của hệ thống đê bao khép kín lên khu vực nghiên cứu nếu sự kiện lũ năm 2000 lặp lại trong tương lai

2.2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH

2.2.1 Các định nghĩa có liên quan

Mô hình (Model) là một sơ đồ phản ánh đối tượng, con người dùng sơ đồ đó để

nghiên cứu, thực nhiệm nhằm tìm ra quy luật hoạt động của đối tượng hay nói cách khác mô hình là đối tượng thay thế của đối tượng gốc để nghiên cứu về đối tượng gốc

Mô hình là loại công cụ được sử dụng rộng rãi trong khoa học Các nhà khoa học trước đây sử dụng rộng rãi các mô hình vật lý để tiến hành các thí nghiệm ngoài hiện trường cũng như trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu các mối quan hệ chính

mà người ta quan tâm Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ máy tính và công nghệ thông tin, xu thế phổ biến là làm các thí nghiệm trên máy tính trước khi tiến hành bắt buộc một số thí nghiệm vật lý nhằm kiểm định các kết quả từ máy tính, và do đó

=mô hình toán được sử dụng rất rộng rãi Do tính phức tạp của môi trường và hệ sinh thái, việc mô hình hoá là bắt buộc để khám phá ra mối liên hệ giữa các yếu tố và tương tác giữa các yếu tố Chẳng hạn khi xem xét sự ô nhiễm nước sông chịu ảnh hưởng của thuỷ triều Khi thải chất bẩn vào dòng chảy, dưới tác động của thuỷ triều, chất bẩn lan toả đi các hướng khác nhau và cũng giảm dần nồng độ bẩn do quá trình tự làm sạch

Để tính toán được phạm vi ảnh hưởng của các nguồn ô nhiễm cũng như nồng độ tại từng thời điểm thì chỉ có mô hình hoá mới giải quyết được (Tô Văn Trường, 2010)

Mô hình môi trường là ngành khoa học cung cấp các công cụ ở dạng hình ảnh,

sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay sa bàn, … để chuyển các hiểu biết từ các đo đạc thực tế của một khu vực nghiên cứu thành các lý giải cần thiết cho nhu cầu thông tin và tiên đoán diễn biến của môi trường – sinh thái

Mô hình hóa (Modeling) là thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình nhằm thu

nhận các thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệm trên

mô hình Lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên cứu mô hình để hiểu biết về đối tượng gốc

Mô hình hóa môi trường là ngành khoa học mô phỏng hiện tượng lan truyền

chất ô nhiễm và các dự báo thay đổi môi trường theo không gian và thời gian

Hiệu chỉnh mô hình (calibration) là tiến trình mà trong đó các thông số và biến

số của mô hình được điều chỉnh để kết quả ra của mô hình phù hợp với thực tế quan sát được Do khi phát triển mô hình, chúng ta phải tối giản các hiện tượng vật lý trong

tự nhiên để thuận lợi cho người làm thuật toán Điều này sẽ khiến các số liệu nhập vào

mô hình có những giá trị không hoàn toàn chắc chắn và kết quả ra sẽ sai biệt với thực

tế Hiệu chỉnh là công việc nhằm rút ngắn các khoảng cách sai biệt bằng cách đưa ra các thông số điều chỉnh gọi là thông số mô hình (model parameters)

Kiểm định mô hình là bước tiếp theo sau công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm

kiểm tra các thông số mô hình đưa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế hay không (Lê Anh Tuấn, 2008)

Mặt cắt ngang lòng sông tại một vị trí trên sông là mặt cắt vuông góc với hướng

dòng chảy tại vị trí đó Bộ phận mặt cắt có nước chảy thường xuyên gọi là lòng sông, phần mặt cắt ngang chỉ ngập lụt về mùa lũ được gọi là bãi sông Mặt cắt ngang sông có

cả lòng sông và bãi sông chỉ có nước chảy qua về mùa lũ được coi là mặt cắt lớn

Thượng lưu là đoạn nối trực tiếp với nguồn sông Đặc điểm là lòng sông hẹp,

độ dốc lớn, nước chảy xiết, xói mòn chủ yếu theo chiều sâu, thường có thác ghềnh lớn

Trung lưu là đoạn sông nối tiếp với thượng lưu, độ dốc lòng sông giảm nhiều,

không có những ghềnh thác lớn, nước chảy yếu hơn, xói lở phát triển sang 2 bên bờ mạnh làm cho lòng sông đã mở rộng dần, bãi sông xuất hiện, trên mặt bằng sông có dạng uốn khúc

Hạ lưu là đoạn cuối cùng của sông trước khi đổ ra biển, hồ chứa hoặc con sông

khác Đặc điểm đoạn hạ lưu là độ dốc lòng sông rất nhỏ, nước chảy chậm, bồi nhiều hơn xói, tạo nhiều bãi sông nằm ngang ở giữa lòng sông, hình dạng lòng sông quanh

co uốn khúc rất nhiều, lòng sông mở rộng ra nhiều so với đoạn trên

Cửa sông là nơi sông tiếp giáp với biển hoặc hồ hoặc một con sông khác Ở cửa

sông lòng sông mở rộng, lưu tốc nhỏ dần, phù sa lắng đọng tạo thành những tam giác

2.2.2 Mục tiêu thành lập mô hình

Có 3 mục tiêu khi thực hiện một mô hình:

- Tạo cơ sở lý luận

+ Mô hình giúp ta dễ diễn tả hình ảnh sự kiện hoặc hệ thống;

+ Mô hình mang tính đại diện các đặc điểm cơ bản nhất của sự thể;

+ Mô hình giúp ta cơ sở đánh giá tính biến động một cách logic khi có tác động bên ngoài vào hoặc từ trong ra

- Tiết kiệm chi phí và nhân lực

+ Mô hình giúp ta thêm số liệu cần thiết;

+ Mô hình giúp giảm chi phí lấy mẫu;

+ Mô hình có thể được thử nghiệm với các thay đổi theo ý muốn

- Mô hình tạo mẫu cho những triển khai sản xuất hàng loạt (Lê Anh Tuấn,

2008)

2.2.3 Giới thiệu mô hình Mike 11

Mike 11 – là một phần mềm đóng gói thuộc bản quyền của hãng DHI Water & Environment (DHI – Danish Hydraulic Institute) Mike 11 được xây dựng cho máy tính cá nhân và từ năm 1996, chương trình được viết để chạy trên hệ thống Window 95/98/2000/NT Chương trình này là sản phẩm công nghệ máy tính cao (với bộ nhớ động và CSDL) Chương trình tích hợp rất nhiều mô hình toán được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước

Mike 11 là một gói phần mềm kỹ thuật chuyên môn để mô phỏng thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác

Mike 11 là công cụ lập mô hình động lực, một chiều và thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, Mike 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch

Mô-đun mô hình thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống lập

mô hình Mike 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô-đun bao gồm dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và các mô-đun vận chuyển bùn lắng không có cố kết Mô-đun Mike 11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và động lượng (momentum), nghĩa là phương trình Saint Venant

Các ứng dụng liên quan đến mô-đun Mike 11 HD bao gồm:

 Dự báo lũ và vận hành hồ chứa

 Các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ

 Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát bề mặt

 Thiết kế các hệ thống kênh dẫn

 Nghiên cứu sóng triều và dâng nước do mưa ở sông và cửa sông

Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mô hình Mike 11 là cấu trúc mô-đun tổng hợp với nhiều loại mô-đun được thêm vào mỗi mô phỏng các hiện tượng liên quan đến

 Vận chuyển bùn cát không có cố kết (không có tính dính)

Hiện nay với sự tài trợ của chính phủ Đan Mạch dự án DANIDA đã có chương trình hỗ trợ nâng cao năng lực cho các Viện ngành nước tại Việt Nam Trong quá trình đào tạo của dự án các thành viên tham dự được tiếp cận và sử dụng các mô hình thuộc

họ Mike của Viện nghiên cứu thủy lực Đan Mạch (DHI) một cách hợp pháp và dưới

sự giúp đỡ của các chuyên gia mô hình Mike 11

a Điều kiện biên

Hệ phương trình Saint-Venant là hệ phương trình hyperbolic á tuyến tính có hai

họ đường cong đặc trưng Do vậy số điều kiện cần khảo sát cho mỗi biên là số đặc trưng xuất phát từ biên đi vào giới miền đang xét Tại thời điểm ban đầu t = 0, mỗi

điểm trên trục sẽ có hai đường đặc trưng đi vào miền hay hai điều kiện sau: Q(x,0) và Z(x,0)

Khi | | < V (chế độ chảy êm): xét hai đầu biên của miền tính tại x = 0 và x = L chỉ có một họ đường đặc trưng đi vào miền tính cho nên tại mỗi đầu biên có một điều kiện Trong thực tế, các bài toán thường cho Q(0,t) hoặc Z(0,t) hoặc thiết lập quan hệ Q(Z) tại x = 0; tương tự với x = L

Khi | | > V (chế độ chảy xiết), theo chiều dòng chảy thì trên biên thượng lưu

có cả hai họ đặc trưng đi vào miền và tại đó có hai điều kiện Tuy vậy, ta chỉ xét chế

độ chảy êm

Một số kinh nghiệm cho thấy: tại các đầu biên có thể gán giá trị mực nước cho tất cả các biên nhưng không nên gán lưu lượng tại tất cả các biên Bài toán sẽ hoàn chỉnh hơn nếu tại các biên thượng lưu gán lưu lượng Q, còn các biên hạ lưu nên gán cho mực nước Z

b Cơ sở lý thuyết mô hình toán thuỷ lực

Mô đun thủy lực được xây dựng trên cơ sở hệ phương trình Saint - Venant một

chiều cho trường hợp dòng không ổn định, gồm hai phương trình sau:

Phương trình liên tục:

t

A x

Q gQ x

h gA x

A Q t

Mô hình MIKE 11 HD là mô hình thuỷ động lực một chiều Module MIKE 11

HD sử dụng giải các phương trình tổng hợp theo phương trình liên tục và động lượng (phương trình Saint - Venant) Trong đó, phương trình liên tục thiết lập từ cơ sở định luật bảo toàn khối lượng với kỹ thuật phép tính vi phân và định lý Taylor được viết trong không gian vô cùng bé nằm giữa hai mặt kênh (Hình 2.1)

Hình 2.1 Mô tả lưu lượng ra - vào đoạn kênh qua hai mặt cắt ướt

Chênh lệch lượng nước ra – vào đoạn kênh ds qua hai mặt cắt ướt trong thời gian dt là:

.Biến thiên thể tích đoạn kênh trong thời gian đó là:

A

(4) (3) và (4) là phương trình liên tục của dòng chảy không ổn định trong kênh hở

G - trọng lượng khối chất lỏng giữa hai mặt cắt 1-1 và mặt cắt 2-2

Pb - thành phần trên phương s của áp lực trên thành kênh tác dụng lên

khối chất lỏng

Xét đoạn kênh ds để thiết lập nên phương trình động lượng các giả thiết sau được xem xét:

Lưu lượng thay đổi chậm

Sức cản thuỷ lực trong dòng không ổn định được coi là giống sức cản thuỷ lực trong dòng ổn định Ta cũng bỏ qua tổn thất cục bộ

Độ dốc đáy kênh rất nhỏ ( i<<1 )

Áp lực trên mặt cắt ướt phân bố theo qui luật thuỷ tĩnh

Theo định luật II Newton:

Phân tích các thành phần: (1) áp lực tác dụng lên các mặt cắt ướt; (2) ứng suất

ma sát trong lòng kênh, theo phương trình cơ bản của dòng chảy đều: τ = γRJ; (3) phản lực thành kênh trên phương s Trên dải dy, áp lực trên phương s

Phương trình động lượng:

02 2

2 0

Q Q A

Q s gA s

z t

Q gA





(5)

Hay

q C AKC x

C AD x x

QC t

Hệ số nhám thủy lực theo công thức của Manning’s n được sử dụng vào việc

hiệu chỉnh kết quả mô phỏng đặc tính thủy lực của dòng chảy:

c Cơ sở lý thuyết mô hình chất lượng nước

Để giải quyết vấn đề chất lượng nước có liên quan đến những phản ứng sinh hóa sử dụng đồng thời hai mô đun là mô đun tải - khuếch tán (AD) và mô đun sinh thái (Ecolab) trong tính toán và mô đun truyền tải khuếch tán

Mô đun truyền tải khuếch tán

Được dùng để mô phỏng vận chuyển một chiều của chất huyền phù hoặc hoà tan (phân huỷ) trong các lòng dẫn hở dựa trên phương trình để trữ tích luỹ với giả thiết các chất này được hoà tan trộn lẫn Quá trình này được biểu diễn qua phương trình sau:

q C AKC x

C AD x x

QC t

Mô đun sinh thái (Ecolab)

Mô đun sinh thái giải quyết khía cạnh chất lượng nước trong sông tại những vùng bị ảnh hưởng bởi các hoạt động dân sinh kinh tế Mô đun này luôn 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 Nước là môi trường sống và phát triển của rất nhiều loài động thực vật thuỷ sinh cũng như các vi sinh vật sống trong nước Chúng luôn có sự tương tác qua lại với môi trường Do đó trong môi trường nước xảy ra rất nhiều quá trình trao đổi phức tạp như sự hô hấp và phân huỷ của các loại động thực vật, quá trình hấp thụ nhiệt Các quá trình này đều được mô hình hoá và đưa vào mô đun chất lượng nước Chúng ta 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 dựa trên 13 thông số chất lượng nước với 6 cấp độ khác nhau, mô phỏng và biểu diễn những quá trình chuyển hoá giữa các hợp phần liên quan tới các quá trình

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

Tính toán nhu cầu oxy sinh hoá (Biological Oxygen Demand - BOD): có thể tính toán được các hợp phần BOD riêng rẽ, đó là BOD lơ lửng, BOD dạng hoà tan trong nước và BOD trong lớp bùn đáy Mô hình còn cho phép tính toán các quá trình sinh hoá của BOD là quá trình phân rã BOD và các quá trình chuyển hoá giữa các hợp phần BOD;

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

là Orthophophate và Particule Phosphorus, các quá trình sinh hoá 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 huỷ BOD, tiêu hao do chuyển hoá thành Nitrate, do thực vật và vi sinh hấp thụ;

Tính toán Nitrate: sinh ra do quá trình chuyển hoá từ Ammonia sang Nitrate (quá trình Nitrate hoá), sút giảm do chuyển hoá thành Nitơ tự do;

Tính toán Coliform: mô hình có thể tính được Coliform theo hai hợp phần là Faecol Coliform và Total Coliform Các quá trình biến đổi lượng Coliform do chúng chết đi và nhận các hợp phần Coliform từ các nguồn thải 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 cho việc hiệu chỉnh mô hình khi có rất nhiều số lượng thông số Các lựa chọn để xuất dữ liệu cho phép lấy và kiểm tra các quá trình chuyển hoá giữa các hợp phần tính toán với nhau Với khả năng tính nồng độ cao, mô hình còn cho phép cập nhật các nguồn thải dưới dạng các nguồn điểm hay nguồn đại diện trên từng đoạn sông

Phương trình lan truyền chất trong sông

Nguyên lý bảo toàn là sự thay đổi của đại lượng C nào đó trong thể tích V trong khoảng thời gian Δt sẽ bằng tổng lượng dòng vào của C cộng với tổng lượng sinh ra của C trong chính thể tích V

Hình 2.3 Sơ đồ dòng thông lượng

Xét đoạn sông chiều dài dx giữa hai mặt cắt 1-1 và 2-2 Thông lượng của chất tải C qua hai mặt cắt này tương ứng là và + ( )

Theo nguyên lý bảo toàn

Trong đó:

A - diện tích mặt cắt ướt 1-1; S - số hạng mô tả cho tốc độ sản sinh chất tải C Thông lượng bao gồm hai thành phần là: tải theo dòng chảy và khuyếch tán từ nơi nồng độ cao sang nơi nồng độ thấp:

Trong đó:

D - hệ số phân tán; v - vận tốc dòng chảy Thay biểu thức Flux vào phương trình nguyên lý bảo toàn và sắp xếp lại các số hạng, ta được phương trình vận tải chất trong sông:

Phương trình trên được giải sau khi có v và A từ lời giải của phương trình Saint – Venant

Phương trình lan truyền chất

Là phương trình loại parabol cho nên tại mỗi đầu biên miền tính toán có một điều kiện cho nồng độ chất tải Cụ thể là tại đầu sông nơi nước chảy vào điều kiện biên

là nồng độ chất tải và tại đầu sông nơi nước chảy ra có thể có nhiều kiểu điều kiện biên, nhưng thông dụng nhất là biên đạo hàm

Điều kiện tại điểm hợp lưu hay phân lưu: tại điểm hợp lưu thường sử dụng định luật bảo toàn khối lượng và giả thuyết khuếch tán đều để gán cho nồng độ tại các mặt cắt áp sát hợp lưu bằng nhau Tuy nhiên khi sử dụng điều kiện này phải xác định được thể tích các hợp lưu và không xác định được nồng độ của các nhánh chảy tới hợp lưu Giả sử giá trị nồng độ tại các nhánh chảy tới hợp lưu là khác nhau nhưng tại nhánh chảy ra thì như nhau sau quá trình xáo trộn Do vậy có thể tính được nồng độ tại các nhánh chảy ra bằng công thức sau:

=∑

∑Trong đó:

CN là nồng độ tại các mặt cắt có hướng dòng chảy ra khỏi hợp lưu; Ci, tương ứng là nồng độ tại mặt cắt áp sát hợp lưu của nhánh chảy vào hợp lưu; là lưu lượng tại các mặt cắt của nhánh chảy ra khỏi hợp lưu Lưu ý rằng điều kiện bảo toàn lưu lượng tại hợp lưu cho:

Giải hệ phương trình Saint -Venant

Thông thường hệ phương trình Saint – Venant được giải theo phương pháp sai phân hữu hạn ẩn

Giải hệ phương trình Saint – Venant theo sơ đồ sai phân ẩn

Hệ phương trình Saint – Venant được viết lại như sau:

+ + + | |= 0

Sử dụng sơ đồ sai phân ẩn Preissmann để tính giá trị của hàm

Thông thường người ta giải theo phương pháp truy đuổi Đây là một phương pháp khá hữu hiệu để giải hệ phương trình đại số có các hệ số tập trung trên 5 đường chéo xung quanh đường chéo chính

Giải phương trình lan truyền chất

Phương pháp đường đặc trưng

Trong phương pháp giải này phương trình vận tải chất được biến đổi thành:

dC

Tóm lại, mô hình MIKE 11 được xây dựng dựa trên module mô hình thủy động lực (HD) làm nền tảng, kết hợp với các module khác như module chất lượng nước AD

và module sinh thái (Ecolab)

Phương trình tính toán hệ số phân tán

Phương trình tính toán hệ số phân tán của Fischer (1979) được ứng dụng trong

ECRAS Theo Fischer (1979), hệ số phân tán được tính theo công thức sau:

Trong đó:

u: Vận tốc trung bình dòng chảy (m/s);

w: Độ rộng trung bình kênh (m);

y: Độ sâu trung bình kênh (m);

u*: Vận tốc trung bình cắt dọc sông, được xác định bởi:

∗ =

g: Gia tốc trọng trường (9.81 m/s2);

d: Độ sâu trung bình kênh (m);

S: Độ dốc mặt nước (1/mm)

2.2.4 Các bước ứng dụng mô hình trong đề tài

Bước 1: Thu thập dữ liệu bao gồm mạng lưới sông, mặt cắt, lưu lượng, mực nước, số liệu quan trắc chất lượng nước trên sông kênh khu vực nghiên cứu;

Bước 2: Xây dựng mô hình:

- Bổ sung và chỉnh sửa mạng sông kênh cho phù hợp với phạm vi nghiên cứu;

- Xác định điều kiện biên, điều kiện ban đầu và nhập vào mô hình

Bước 3: Chạy mô hình;

Bước 4: Hiệu chỉnh mô hình;

Bước 5: Kiểm định mô hình

2.2.5 Đánh giá mô hình

Để kiểm tra kết quả của mô hình cần phải tiến hành đánh giá chuỗi số liệu mô phỏng và chuỗi số liệu thực đo Trong phạm vi nghiên cứu này, phương pháp thống kê được sử dụng bao gồm:

- Hệ số tương quan ( , ) cho biết độ mạnh của mối tương quan tuyến tính giữa hai biến số X và Y với kỳ vọng tương ứng là và , độ lệch chuẩn và Hệ số tương quan càng gần tiến đến ± 1 thì mức đồng tương quan càng lớn

Trong đó:

X: giá trị thực đo;

Y: giá trị mô phỏng;

cov: hiệp phương sai

- Hệ số Nash – Sutcliffe (EI): xác định tổng chênh lệch giữa giá trị thực đo và giá trị mô phỏng, hệ số EI có giá trị từ -∞ đến 1 Khi EI càng tiến đến 1 thì kết quả mô phỏng càng chính xác (Nash and Sutcliffe, 1970) và được tính như sau:

n

i

i i n

i i

X X

Y X X

X EI

1

2 1

2 1

2

)(

)(

)(

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 VÙNG NGHIÊN CỨU

Khu công nghiệp Trà Nóc đã hoạt động từ thập niên 90 bao gồm KCN Trà Nóc

1 (chính thức hoạt động năm 1995) và Trà Nóc 2 (chính thức hoạt động năm 1998) với tổng diện tích quy hoạch là 300 ha Trong đó, KCN Trà Nóc 1 thuộc phường Trà Nóc, quận Bình Thủy và KCN Trà Nóc 2 thuộc phường Phước Thới, quận Ô Môn được phân chia bởi rạch Sang Trắng (Hình 3.1)

Hình 3.1 Sơ đồ vị trí Khu công nghiệp Trà Nóc, Thành Phố Cần Thơ

(Nguồn: Biên tập bản đồ Lê Văn Tiến, 2013)

Nằm cách trung tâm TPCT khoảng 10 km về phía Bắc, KCN Trà Nóc nằm dọc theo lưu vực sông Hậu Vùng lân cận KCN Trà Nóc chủ yếu là các khu dân cư, vị trí tiếp giáp của KCN Trà Nóc được mô tả như sau:

 Phía Bắc giáp với sông Hậu;

 Phía Đông và phía Nam giáp với Quốc lộ 91A đi các tỉnh An Giang, Kiên Giang;

 Phía Tây giáp với rạch Cái Chôm

Khu vực nghiên cứu nằm trên vùng đồng bằng phù sa với điều kiện tự nhiên mang tính chất chung của TPCT, có bề mặt địa hình tương đối bằng phẳng Cao trình

từ 0,8 ÷ 1,0 m, thấp dần từ Đông Bắc sang Tây Nam, thường hay ngập về mùa lũ

Khí hậu vùng nghiên cứu nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa tương đối ôn hòa với 2 mùa rõ rệt Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau Nhiệt độ trung bình năm là 27oC, lượng mưa trung bình khoảng

1800 mm/năm, tổng số giờ nắng trong năm khoảng 2500 giờ, độ ẩm trung bình năm dao động theo mùa từ 82% – 87%

Vùng nghiên cứu có đoạn sông Hậu chảy qua (3,5 km) với lượng nước ngọt, thuận lợi cho việc cấp nước Lưu lượng cực đại là 40.000 m3/s, thấp nhất là vào tháng

3và tháng 4, lưu lượng nước trên sông tại khu vực chỉ còn 2.000 m3/s, giảm 20 lần so với lưu lượng cực đại Ngoài ra, trong vùng nghiên cứu có nhiều kênh rạch lớn nhỏ khác nối tiếp với sông Hậu, đáng chú ý là rạch Sang Trắng, rạch Cái Chôm và rạch Chùm Hồi là nơi tiếp nhận nước thải của KCN Trà Nóc

Hệ thống sông ngòi chịu ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều không đều Do ảnh hưởng bởi nước ngọt thượng lưu nên chân triều tại khu vực cao, mùa kiệt biên độ

từ 2,22 – 2,6 m mùa lũ biên độ chỉ còn 1,1 – 1,8 m (Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, 2012)

3.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.2.1 Tiến trình thực hiện

Nghiên cứu được thực hiện theo tiến trình được thể hình ở Hình 3.2

Hình 3.2 Sơ đồ các bước nghiên cứu

Nghiên cứu thực hiện dựa trên các phương pháp: (i) lược khảo tài liệu; (ii) khảo sát thực địa; (iii) thu thập số liệu thứ cấp; (iv) mô hình hóa; (v) hiệu chỉnh và kiểm định mô hình; (vi) xây dựng các kịch bản dự báo chất lượng nước

Vấn đề nghiên cứu

Lược khảo tài liệu Mục tiêu nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu Vùng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu

Số liệu đầu vào của mô hình

Điều chỉnh điều kiện ban đầu, bước thời gian, hệ

số nhám và hệ số khuyếch tán Hiệu chỉnh mô hình

Xử lí số liệu và nhập vào Mike 11

Chạy mô hình theo các kịch bản khác nhau và dự

đoán diễn biến chất lượng nước

Viết báo cáo

và chỉnh sửa

Báo cáo

3.2.2 Phương pháp lược khảo tài liệu

Lược khảo tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về (i) nghiên cứu ứng dụng Mike 11 trong quản lý chất lượng nước (mô phỏng mô hình thủy lực và mô hình chất lượng nước); (ii) hệ số nhám và hệ số khuếch tán của các mô hình đã ứng dụng ở vùng ĐBSCL

3.2.3 Phương pháp khảo sát thực địa

a Khảo sát sơ bộ

Chuyến khảo sát được tiến hành ngày 17/12/2013 Các thiết bị hỗ trợ bao gồm:

01 máy định vị GPS, 02 máy chụp hình, sổ ghi chép, bút, 01 tàu Khảo sát dọc theo bờ sông Hậu và các con rạch trong vùng nghiên cứu (rạch Cái Chôm, rạch Sang Trắng 1

và 2, rạch Bình Thủy) để xác định:

 Vị trí các cống xả thải và các điểm đo đạc (xác định tọa độ vị trí xả thải, ghi lại hình ảnh);

 Hình thức xả thải của KCN và khu dân cư (tập trung hay phân tán);

 Hiện trạng môi trường nước mặt vùng nghiên cứu (Hình 3.3)

Hình 3.3 Khảo sát hiện trạng môi trường trên sông, rạch tại vùng nghiên cứu

b Khảo sát thực địa kết hợp với thu thập số liệu sơ cấp

 Khảo sát được tiến hành vào ngày 25 - 27/3/2014

 Phương tiện khảo sát và thu mẫu: (i) xe máy di chuyển đến các vị trí thu mẫu cặp bờ sông; (ii) tàu thu mẫu ở giữa sông Hậu; (iii) máy định vị GPS; (iv) máy đo DO, nhiệt độ; (v) máy đo lưu tốc; (vi) can thu mẫu 1 lít; (vii) thùng đá ướp mẫu; (vii) sổ tay, bút

 Thời gian thu mẫu: bắt đầu lúc 12h ngày 25/3/2014 và kết thúc 8h ngày 27/3/2014 Các thời điểm thu mẫu trong ngày: 8 giờ (bắt đầu ca sản xuất), 12 giờ (cuối

ca sản xuất sáng), 16 giờ (cuối ca sản xuất chiều), 20 giờ (không sản xuất), 24 giờ (không sản xuất), 4 giờ (không sản xuất)

 Vị trí thu mẫu: gồm 08 vị trí (Hình 3.4);

Hình 3.4 Sơ đồ vị trí thu mẫu

Trong đó, có 02 vị trí thu mẫu ở giữa sông Hậu, 04 vị trí thu mẫu là cống xả, 02

vị trí thu mẫu trên rạch Sang Trắng và Cái Chôm (Bảng 3.1)

Bảng 3.1 Vị trí các điểm thu mẫu

Ký hiệu Sông/nhánh sông Mô tả vị trí

S1 Hậu Cách KCN Trà Nóc 2.500 m hướng về

phía thượng lưu S2 Cái Chôm Rạch Cái Chôm cách sông Hậu 100m

S3 Hậu Công ty Cổ phần Thủy sản Bình An

S4 Hậu Công ty Xuất nhấp khẩu Caseamex

S5 Sang Trắng Rạch Sang Trắng cách sông Hậu 100 m

S6 Hậu Công ty TNHH Thủy sản Trường

Nguyên S7 Hậu Xí nghiệp Chế Biến Thực phẩm Meko

S8 Hậu Cách KCN Trà Nóc 1.100 m về phía hạ

lưu

 Các chỉ tiêu thu thập gồm có: nhiệt độ, DO, BOD Tổng số mẫu thu là 96 mẫu nhiệt độ, 96 mẫu DO, 96 mẫu BOD; trong đó, các mẫu DO và nhiệt độ được đo đạc tại hiện trường (Phụ lục 4)

 Trong quá trình thu mẫu, kết hợp đo lưu tốc dòng chảy, kích thước các cống xả thải (chiều ngang, dọc) để tính lưu lượng xả thải

Hình 3.5 Đo DO và nhiệt độ tại hiện trường

Để có những đánh giá tổng hợp về hiện trạng môi trường của khu vực nghiên cứu có tính cập nhật cao hơn, cần tiến hành khảo sát thực địa khu vực nghiên cứu: sử dụng tàu có thể chạy ở dọc theo sông Hậu và các kênh rạch nhỏ (phụ lưu) (đoạn qua KCN Trà Nóc) để xác định các nguồn thải chính (từ KCN và khu dân cư) nhằm xác định các nguồn xả thải tập trung và phân tán làm đầu vào cho mô hình chất lượng nước và hỗ trợ các kết quả từ mô hình mô phỏng;

3.2.4 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp

Kế thừa số liệu từ Viện Khoa học thủy lợi miền Nam về mạng lưới sông ngòi, mặt cắt sông

Thu thập số liệu quan trắc chất lượng nước năm 2008 và 2010 về các chỉ tiêu BOD, DO và nhiệt độ từ Trung tâm Quan trắc tài nguyên và môi trường Cần Thơ; số liệu thủy văn về mực nước, lưu lượng được thu thập từ Trung tâm khí tượng thủy văn ĐBSCL Các số liệu về mực nước, lưu lượng (theo giờ, từ ngày 01/01/2008 - 31/5/2008) cho hiệu chỉnh mô hình, (theo giờ, từ 01/01/2010 – 31/05/2010) cho kiểm định mô hình tại trạm Cần Thơ và điều kiện biên tại các trạm Châu Đốc, Vàm Nao, Rạch Giá, Đại Ngãi

3.2.5 Phương pháp mô hình hóa

Đối với phần ứng dụng mô hình MIKE 11, phương pháp thực hiện gồm 2 phần: xây dựng mô hình thủy lực và mô phỏng chất lượng nước được mô tả cụ thể như Hình 3.6

Hình 3.6 Tiến trình thực hiện mô phỏng thủy lực và chất lượng nước trong Mike 11

Xây dựng mô hình thủy lực:

 Nhập dữ liệu mặt cắt trên sông Hậu đoạn từ Châu Đốc tới cửa Định An, Trần Đề;

 Nhập điều kiện biên và điều kiện ban đầu của mô hình Điều kiện biên phải thỏa điều kiện sau: những thay đổi bên trong vùng nghiên cứu không ảnh hưởng đến điều kiện biên, ngược lại sự thay đổi của điều kiện biên sẽ ảnh hưởng tới diễn biến bên trong vùng nghiên cứu;

 Hiệu chỉnh mô hình: dựa trên số liệu đầu vào đo đạc được để xác định và hiệu chỉnh hệ số nhám nhằm thu được kết quả tốt nhất;

Dự báo diễn biến chất lượng nước đạt

Nhập dữ liệu hình học, điều

kiện biên, điều kiện ban đầu,

tải lượng và lưu lượng xả thải

Hiệu chỉnh mô hình

Mô phỏng thủy lực

Kiểm định mô hình

Mô phỏng chất lượng nước

Hiệu chỉnh mô hình

Kiểm định mô hình chất lượng nước

đạt

Mô phỏng chất lượng nước theo các kịch bản

Bộ thông số thủy lực phù hợp

không đạt

không đạt

 Kiểm định mô hình: kiểm tra lại mô hình với bộ thông số đầu vào khác để kiểm chứng tham số của mô hình được xác định ở trên có đúng với các kết quả không

Mô phỏng chất lượng nước:

 Nhập điều kiện biên và điều kiện ban đầu đối với từng chỉ tiêu mô phỏng;

 Nhập tải lượng và lưu lượng của các nguồn xả thải tập trung và phân tán;

 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

Mô hình thủy lực sử dụng mô-đun thủy động lực (HD) một chiều (1D) để mô phỏng thủy lực lưu vực sông Hậu đoạn qua KCN Trà Nóc Mô-đun thủy động lực giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và động lượng (momentum), nghĩa là hệ 2 phương trình Saint Venant

Mô hình chất lượng nước sử dụng đun truyền tải khuếch tán (AD) và đun sinh hóa (ECOlab) Mô-đun sinh hóa giải quyết các vấn đề biến đổi sinh học của các hợp chất trong sông, còn mô-đun tải khuyếch tán được dùng để mô phỏng quá trình truyền tải khuyếch tán của các hợp chất đó Phương trình cơ bản trong hai mô-đun này là phương trình truyền tải khuếch tán:

Hiệu chỉnh nồng độ sinh hóa từ 0 giờ ngày 01/01/2008 đến 23 giờ ngày 31/5/2008 và kiểm định năm 2014

3.2.6 Phương pháp hiệu chỉnh và kiểm định

Mô hình được hiệu chỉnh qua 2 bước với bộ số liệu bao gồm: bộ số liệu thủy lực và chất lượng nước từ ngày 01/01/2008 đến 31/05/2008 tại trạm quan trắc TPCT bằng cách thay đổi các thông số trong mô hình (hệ số nhám Manning’s n trong mô-đun

thủy lực và hệ số khuếch tán trong mô-đun truyền tải khuếch tán) cho đến khi kết quả

mô hình phù hợp với kết quả thực đo Các thông số trong mô hình được hiệu chỉnh dựa vào bộ thông số đã được dùng để hiệu chỉnh cho ĐBSCL: hệ số nhám Manning’s

n trong khoảng 0,018 – 0,03; hệ số khuếch tán trong khoảng 300 – 700 cho sông chính

và từ 50 – 125 cho các sông khác (Trần Quốc Đạt, 2008) Sau đó mô hình được kiểm định bằng bộ cơ sở dữ liệu năm 2010

3.2.7 Xây dựng các kịch bản dự báo chất lượng nước

Việc xây dựng kịch bản (KB) cho mô hình dựa trên sự thay đổi tải lượng thải của vùng nghiên cứu Sự thay đổi tải lượng thải của các doanh nghiệp dựa vào các dự

án gia tăng quy mô, công suất của nhà máy sản xuất và dự án nhà máy xử lí nước thải tập trung của KCN Trà Nóc trong tương lai Bên cạnh đó, việc xây dựng các kịch bản còn dựa vào các quyết định ban hành về quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội vùng nghiên cứu, cụ thể là: (i) Quyết định phê duyệt Quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế -

xã hội thành phố Cần Thơ đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030; (ii) Quyết định 1711/QĐ-UBND phê duyệt quy hoạch xây dựng vùng Vĩnh Long (giai đoạn 2011 –

2020 và tầm nhìn đến năm 2030)

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THẢO LUẬN

Kết quả nghiên cứu thể hiện qua 4 phần: (i) Xây dựng mô hình; (ii) Kết quả tính toán thủy lực sông Hậu (đoạn qua KCN Trà Nóc); (iii) Kết quả mô phỏng chất lượng nước sông Hậu (đoạn qua KCN Trà Nóc); (iv) Dự báo diễn biến chất lượng nước sông Hậu (đoạn qua KCN Trà Nóc) theo các kịch bản đã được xây dựng

nội đồng trong khu vực nghiên cứu, được thể hiện trong Hình 4.1

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống sông kênh trong mô hình

Hệ thống mạng lưới sông có 93 sông kênh (18 sông, 16 kênh cấp I, 6 kênh cấp

II và 69 kênh cấp III) Tổng chiều dài sông Hậu là 190 km tính từ đầu vào Châu Đốc đến cửa biển Trần Đề, trong đó, đoạn qua TPCT dài 65 km (qua KCN Trà Nóc 3,5

km) Khoảng cách trung bình giữa 2 nhánh sông kênh gần nhau là 8 – 10 km

b Mặt cắt ngang

Hệ thống mặt cắt ngang gồm 309 mặt cắt được thu thập từ Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam (SIWRR) Số liệu mặt cắt được đo đạc năm 1998, vì vậy, độ tin cậy chưa cao Sơ đồ mặt cắt hệ thống sông vùng nghiên cứu được thể hiện trong Hình 4.2

Hình 4.2 Sơ đồ mặt cắt hệ thống sông Hậu và các kênh rạch

Khoảng cách giữa 2 mặt cắt liên tiếp từ 1.000 m đến 10.000 m (Bảng 4.1)

Bảng 4.1 Khoảng cách trung bình giữa 2 mặt cắt ngang liên tiếp

STT Loại sông kênh Khoảng cách giữa 2 mặt ngang cắt liên tiếp

Hình 4.3 Mặt cắt ngang tại trạm quan trắc Châu Đốc (Hauriver, chainage 122.600)

Hình 4.4 Mặt cắt ngang sông Hậu vùng nghiên cứu (Hauriver, chainage 236.000)

4.1.2 Xác định biên vùng tính toán

Biên vùng tính toán là các biên mở thỏa mãn các điều kiện sau:

 Biên giới hạn vùng tính toán trùng với biên tự nhiên khống chế chế độ thủy văn

và thủy lực hệ thống sông, kênh vùng nghiên cứu

 Tại các biên mở và biên nhập lưu đều có các trạm đo khí tượng và thủy văn thuộc mạng lưới trạm Kĩ thuật thủy văn quốc gia

 Số liệu chuỗi giá trị mực nước và lưu lượng theo thời gian từ ngày 01/01/2008 đến ngày 31/05/2008 Bước thời gian tính toán trong mô hình là 1 giờ Biên vùng tính toán thể hiện Bảng 4.2

Bảng 4.2 Dữ liệu biên vùng tính toán

STT Mô tả biên Kiểu biên

Sông/nhánh sông Chainage

Biên tính toán trong mô hình gồm:

 Biên trên: 2 biên lưu lượng (Q~t) tại thượng lưu (trạm Châu Đốc và Vàm Nao);

 Biên dưới: 4 biên mực nước (H~t) ờ hạ lưu tại trạm Rạch Giá (sông Cái Lớn, sông Cái Bé) và Đại Ngãi (cửa Định An, cửa Trần Đề);

 Biên chất lượng nước: biên lưu lượng gia nhập, nguồn xả tập trung, nguồn xả phân tán (Hình 4.5)