BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠT [HC XÂY DỰNG HÀ NỘI
DANG XUAN WIEN
NGHIEN CUU PHAN TICH, MG PHONG
SINH THÁI-CHẤT LƯỢNG NƯỚC PHỤC VỤ VIỆC SỬ DỤNG HỢP LÝ NGUỒN NƯỚC SƠNG
CHUYỂN NGẦNH: CẤP NƯỚC VÀ THOÁT NƯỚC MÃ SỐ: 2.15.12
TOM TAT LUAN AN TIEN SI KY THUAT
Trang 2Công trính được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng Hà nội
Người! nướng dẫn khoa học GS, T§ Trần Hiếu Nhuệ
Phan biện l: PGS.TS Hoàng Văn Huệ Đạt học Kiến trúc Hà nội
Phan biện 2: PGS.TS Định Văn Sám Đại học Bách khoa Hà nội
Phản biện 3: PGS.TS Tran Đình Khai
Độ Xây dựng
luiận ấn sẽ được bảo vẻ tại Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại Đại học Xây dưng Hà nọi vào hổi giờ ngày tháng nám 2000
an niều luận ấu pai: * Thư xiên Quốc gia
Trang 3MO DAU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Việt nam có 2260 con sông với chiểu đài trên LÔ km Các nguồn nước sông là nguồn tài nguyên quý giá đem lại nhiều lợi ích to lớn cho con người như cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp, tưới tiêu cho nông nghiệp, giao thông thuỷ, phát
diện, Ở nhiều nước, các nguồn nước dang bị khai thác quá mức, trong khi đó việc quản lý và bảo vệ các nguồn tài nguyên quý giá này hiện nay đang có nhiều bất cập,
các con sông đang bị suy thoái do phải tiếp nhận các loại nước thải và chất thải sinh
hoạt, công nghiệp không qua xử lý đổ vào; sự mất rừng và thảm phủ thực vật ở đầu nguồn kéo theo sự xói mòn rửa trôi các chất trên bể mặt và trong đất, dua cde chat nay
vào nước Hệ thống tưới tiêu cũng đưa vào sông các loại phân hoá học, thuốc trừ sâu đùng trong nông nghiệp Hệ quả là chất lượng nước và các thành phần sinh học của
sông đang có xu thế bị giảm sút nghiêm trọng, gây khó khăn lớn cho việc sử dụng các
nguồn nước này, đặc biệt để cấp nước và nguy hại hơn nếu các nguồn nước này được
sử dụng trực tiếp cho ăn uống và sinh hoạt của nhân dân hai bên bờ sông
Theo quan điểm hiện đại, việc nghiên cứu chất lượng nước sông không chỉ dừng
lại ở đánh giá theo các chỉ tiêu hoá học, việc đánh giá các thành phần sinh học cũng như năng suất sơ cấp của sông là rất quan trọng, vì chúng ngoài ảnh hưởng tương hỗ tới các thành phần chất lượng nước khác của sông sẽ còn là cơ sở để đánh giá tài nguyên sinh học của sông
Vì vậy, việc nghiên cứu phân tích và mô phỏng sinh thái-chất lượng nước của sông là công việc hết sức cấp thiết nhằm tìm ra công cụ để đánh giá và dự báo tình trạng
chất lượng nước và sinh thái của sông, trên cơ sở đó để xuất chiến lược quy hoạch,
bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên quan trọng này 2 Mục đích nghiên cứu của luận án
Các yếu tố sinh thái-chất lượng nước và tương tác giữa chúng trong sông là một
quá trình phức tạp, có quan hệ chặt chẽ với các quá trình vật lý, hoá học và sinh học xảy ra trong nguồn nước sông cũng như các quá trình thuỷ động lực học trong dòng
chảy Nghiên cứu phân tích và mô phỏng chúng đồi hỏi phải tính các tham số thuỷ
lực, tính và định lượng các quá trình sinh thái và sinh học chủ yếu, tính toán sự phân bố của các chất và sinh vật trong dòng chảy Đây là một vấn đề lớn cần đến các
thông tin về khí tượng thuỷ văn, địa hình hệ thống sông và các số liệu sinh thái, chất lượng nước của các sông nghiên cứu Nghiên cứu nhằm phát triển và thiết lập mô hình sinh thái-chất lượng nước sòng dựa trên cơ sở phương trình thuỷ động lực và phương trình cân bảng chất sinh học có xét đến tương tác của các chất và các thành phần sinh học trong dòng chảy sông, ảnh hưởng của động học các quá trình sinh thái, các quá
trình sinh học-chất lượng nước trong sông cũng như tương tác của các chất trong nước
và trong đáy trong quá trình chảy Trong khuôn khổ luận án, nghiên cứu chủ yếu để cập đến những vấn đề sau:
1 Trên cơ sở phân tích đặc điểm sinh thái-chất lượng nước sông, các ảnh hưởng tương hỗ giữa chúng và các tham số quá trình, xảy dựng sơ đổ cấu trúc tổng quát
của mô hình xinh thải-chất lượng nước sông,
Nghiên cứu phát triển mô hình động học một số quá trình sinh thái và sinh học
trong dòng chảy sòng trên cơ sở kế thừa các nghiên cứu đi trước, gồm: tốc độ sản
xuất bậc I, tấc độ ăn mỗi của động vậi nổi, tốc độ giải phông các chất từ bàn đáy vào nước, cũng như động học quá trình nirat hoá và sự phát triển của vì khuẩn nát; động học xự phát triển của tìo; động học sự phát triển của động vật nổi
1
Trang 4z “ Pa ahs hep at _ 4,
Xúc định các hệ số của mô hình sinh thái-chất lượng nước song
fu Xây dựng mô hình sinh thái-chất lượng nước sông có kể tới các ảnh hưởng của
các hiện tượng vật lý, các chuyển hoá sinh hoá học, các quá trình sinh học-sinh thái đối với các thành phần sinh học và chất lượng nước sông, tương tác giữa các
chất trong nước và các chất trong bùn đáy trong quá trình chảy Ở đây còn xét tới
vùng mở rộng và vùng nước lặng trong sông
5 Ứng dụng kết quả nghiên cứu của mô hình vào một số đoạn sông thuộc hệ thông sông Hồng và sông Thái bùnh Trên cơ sở mô hình có thể xác định được phạm vi ảnh hưởng của nguồn thải, từ đó có thể xác định được vị trí dùng để khai thấc nước cho mục đích cấp nước và tưới tiêu
Trên cơ số mô hình, vác định khả năng chịu tải của sông hay tải lượng một số chất ô nhiễm được phép xả vào sông, từ đó kiến nghị công nghệ xử lý nước thải hợp lý cho
khu vực nghiên cứa nhằm duy trì chất lượng nước séng dap img các yêu cầu sử dụng hợp lý nguồn nước sông cho mục đích cấp nước cũng như các mục đích khác của nên
kinh tế quốc dân
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng ở dây là các tham số của mô hình số mô phỏng sinh thái-chất lượng nước của dòng chảy sông Mô hình này mô tả chuyển động của các chất và các sinh vật trong dòng chảy rnà tổng quát ta gọi chung là các chất Ở đó các chất chịu sự tương tác của các quá trình vật lý, hoá học, sinh học, sinh thái trong sông như: hấp thụ ánh sáng mặt trời, hấp phụ, đính kết, lắng cũng như chịu ảnh hưởng của phản ứng thuỷ phân, phản ứng ôxy hoá-khử, phân huỷ, nitrat hoá, quang hợp và sản xuất bậc Ï,
động học quá trình phát triển, hê hấp và chết của thực vật nổi, động vật nổi và động
vật đầy, sự an mồi, sản xuất bậc I, Các chết trong nước còn có tương tác với các
chất cũng như quá trình hình thành do các phản ứng sinh hoá xảy ra trong lớp bùn đáy Mô hình là hệ phương trình phi tuyến một chiều được viết đưới dạng trung bình
mặt cắt ngang, trong đó các chất trong nước được chia thành ø nhóm theo đặc tính của chúng và phương trình được viết riêng cho từng nhóm Hệ gồm phương trình liên
tục, phương trình động lượng, ø® phương trình cân bằng chất sinh học xác định biến thiên nồng độ ứng với các nhóm chất Trong hệ này, hai phương trình liên tục và động lượng là các phương trình Saint-Venant, còn ø¡ phương trình xác định nồng độ các
chất có đạng phương trình khuếch tấn rối nhưng có đưa vào các thành phần như: tốc
độ phát triển của tảo, tốc độ chết của tảo, tốc độ chết của động vật nổi, tốc độ ăn mồi của động vật nổi tốc độ amơn hố, tốc độ nitrat hoá, tốc độ khử nitrat, và hệ số trao đổi với các chất trong bùn đáy của dòng chảy
Như vậy so với các mô hình mô tả dòng vận chuyển chất đã có thì đây là mô hình tổng quát hơn có chú ý đến sự bỏ sung hay suy giảm nồng độ vật chất trong dòng chảy do các quá tình sinh thái và sinh học-chất lượng nước, c phản ứng sinh hoá
học và các hoạt động sống của các sinh vật nước cũng như kể đến sự trao đổi giữa các chất trong nước và trong bùa đáy của dòng chảy
Phạm vi nghiên cứu của luận án:
- Trong luận án chỉ tập trung nghiên cứa đối với dòng chảy một chiều không ổn định, thay đổi chậm trong sông, dừng lại ở giả thiết rang dong chay trong sông là một
chiều, hơn nữa vận tốc dòng nước và vận tốc các chất trong sông là như nhau trong
Trang 5-_ Khi phản tích đánh giá đặc điểm sinh thái chất lượng nước sông, chỉ giới hạn cho lưu vực sông Hồng và sông Thái bùnh (sông Thương), ở nơi mô hình sẽ áp dụng
- Việc nghiên cứu phân tích mô phng sinh thái chất lượng nước sông không chỉ giới hạn nhằm phục vụ cấp nước cho các đô thị và khu công nghiệp, mà sẽ nhằm phục
vụ đa mục đích hơn, đó là bảo vệ và sử dụng hợp lý các nguồn nước sông nói chung - Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án chỉ kiến nghị sơ đồ công nghệ xứ lý
nước thải hợp lý cho khu vực nghiên cửu Bãi bằng-Lâm thao-Viét tri, mang tinh chat định tính mà sẽ không đi vào chỉ tiết kỹ thuật
4, Phương pháp nghiên cứu
- Để nghiên cứu các quá trình sinh học, mơ hình hố sinh thái-chất lượng nước và
tổng quát hơn là hệ sinh thái trong các sông tự nhiên phức tạp ở đây sử dụng
phương pháp nghiên cứu phân tích hệ thống với việc sử dụng công cụ mơ hình hố
tốn học
- Mối quan hệ giữa các thành phần sinh thái-chất lượng nước sông và các quá trình vật lý, hoá học, sinh học, sinh thái trong dòng chảy sông được đánh giá bằng phương
pháp ma trận trên cơ sở xây dựng một ma trận các thông số ảnh hưởng tương hỗ nhau
- Các tham số quá trình được phân tích đánh giá trên cơ sở xây dựng sơ đồ cấu trúc
của mô hình cho các chất khác nhau và tổng hợp thành sơ đổ cấu trúc tổng quát
chung của mô hình sinh thái-chất lượng nước sông
- Các phương trình và bài toán thiết lập lên được giải bằng phương pháp số
- Phương pháp thống kê được sử dụng để xử lý số liệu khí tượng thuỷ văn và chất lượng nước
- Các hệ số của mô hình sinh thái-chất lượng nước được xác định trong Phòng thí nghiệm vi sinh vật và cân bằng chất sinh học, một số hệ số được tính bằng các công thức bán thực nghiệm hoặc lấy tham khảo từ kết quả nghiên cứu của các tác giả khác đã công bố Các hệ số này sau đó được kiểm nghiệm lại bằng các thực nghiệm số
Nghiệm số của bài toán đã được so sánh với nghiệm giải tích và một số bài toán thực
tế Kết quả mỏ phỏng đã được kiểm nghiệm so sánh với các số liệu thực đo trong
nhiều sông
5, Những đóng góp mới của luận án
1 Trên cơ sở đặc điểm sinh thái-chất lượng nước của các sông, phân tích ma trận các thông số ảnh hưởng tương hỗ, đã đưa ra sơ đề cấu trúc tổng quát của mô hình và các tham số quá trình chủ yếu khi mơ hình hố sinh thái-chất lượng
rước sông
2 Trên cơ sở các kết quả thu được trong Phòng thí nghiệm vì sinh vật, cân bằng
chất sinh học và các kết quả thực nghiệm số, kiến nghị giá trị của 6 hệ số của
mô hình sinh thái-chất lượng nước một chiều cho các sông nghiên cứu của niên
hdc Viet nam (By Bx Oy, Op Ha Mp)
Phát triển và thiết lập:
trà
ø — Công thức tổng quát trên cơ sở kế thừa các nghiên cứu đi trước nhằm xác định một số quá trình sinh thái và sinh học chủ yếu trong sông như: zốc độ sản xuất bậc 1, động học quá trình nhưạt hoá và động học sự phát triển của vì khuẩn nărạt, động học sự phát triển của táo, động học sự phát uw tên của động vật nổi, tốc độ giải phóng các chất dinh dưỡng từ bàn đáy vào nước sông
Trang 6,
+ Cúc cơng thức tốn học biểu thị mối quan lệ giữa các quá trinh sinh hoc va
sink thái với các yếu tố chất lượng nước và sùth học của sông, và có kế đến 'hất trong nước và trong lớp bùn đáy
tượng tác trao đổi giữa các
*® Mo hinh todn sinh thắi-chất lượng nước sông, gắn kết bài toán cân bằng chất sinh học đã thiết lập ở phần trên và bài toán thuỷ động lực với các diều kiện ban đầu và điểu kiện biên thích hợp cho mỗi bài toán Ở đây có xét đến các vị trí
đặc biệt trong sông như vùng mở rộng, vùng nước lặng
4 Ứng dụng mô hình đã tết lập để tính một số thành phần xinh học và chất lượng
nước cho một số đoạn sông thuộc thuộc hệ thống sông Hồng và sông Thái bình
Mô hình cho phép xác định được nhạm ví ảnh hưởng của nguồn thải và Vị trí có thể khai thác nước mặt để cấp nước; xác định được tải lượng chất bẩn được phép xổ vào sông và từ đó kiến nghị công nghệ xứ lộ nước thai cho các nhà máy xí nghiệp trong khu vực Bãi bằng-Lâm thao-Việt trì nhằm bảo vệ và sử dụng hợp lý
nguồn nước sòng
6 Bố cục của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận
Chương 1 : Đặc điểm sinh thái-chất lượng nước sông Hồng-Thái bình và cơ sở khoa
học của việc nghiên cứu mô hình sinh thái-chất lượng nước
Chương 2 : Mô hình động học một số quá trình sinh thái và sinh học-chất lượng
nước trong dòng chảy sông
Chương 3: Mô hình sinh thái- chất lượng nước của đồng chảy sông
Chương 4 : Kết quả nghiên cứu ứng dụng mô hình sinh thái- chất lượng nước vào hệ thống sông Hồng và sông Thái bình, kiến nghị các biện pháp công nghệ xử lý nước thải nhằm bảo vệ chất lượng nước sông
CHƯƠNG 1
ĐẶC ĐIỂM SINH THÁI-CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG VÀ
CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU
MƠ HÌNH SINH THÁI-CHẤT LƯỢNG NƯỚC
1.1 Đặc điểm sinh thái-chất lượng nước của dòng chảy sông Hồng-Thái bình
1.1.1 Đặc điểm thuỷ sinh của dòng chảy sông
Từ các kết quả nghiên cứu đặc điểm thuỷ sinh và sinh thái của đồng chảy sông ta
có nhận xét là các thành phần sinh học như: tảo, động vật nối, động vật đấy, các ví
sinh vật nitrat, vị khuẩn đị dưỡng, cá là các thành phần chủ yếu của cộng đồng thuỷ
sinh trong sông Các nhóm sinh vật này có quan hệ hữu cơ với các thành phần chất lượng nước sông Đặc tính thuỷ sinh biểu thị qua tảo, động vật nổi, động vật đáy
mang đặc trưng của sông tự nhiên với thành phần loài tập trung ở các nhóm tảo như: tảo silic, tảo lục; các nhóm động vật nổi như: giáp xác chân chèo, giáp xác râu chẻ;
c nhóm động vật đáy: loài ăn lọc Số lượng cá bị giảm sút do môi trường sống thay đổi và khai thác quá mức Không thấy xuất hiện các nhóm sinh vật chỉ thị cho các
vũng nước nhiễm bẩn hữu cơ, giầu đỉnh dưỡng
1.1.2 Đặc điểm chất lượng nước sông
BOD, dao động trong các sông nghiên cứu từ 0,21mg/1 dén 4.31 mg/l Giá trị COD đao động không lớn, từ 2,20 đến 21,14 mg/1 Nông độ DO khá cao, thường lớn hơn
Trang 7
,
4.0 mg/ Các chất dinh dưỡng ni tơ và phốt pho có hầm lượng thấp hơn tiêu chuẩn cho phép với nguồn nước mặt loại A Hầu hết các chỉ tiêu chất lượng nước đều thấp
hon gid trị cho phép, trừ hàm lượng cặn, độ mầu, độ đục khá cao về mùa lũ,
Các đặc tính vật lý, thuỷ hố của sơng Hồng đoạn từ Yên bái đến Sơn tây, sông Đà (từ Hồ bình), sơng Lơ (từ Vụ quang) xuống phía dưới hạ lưu, và sông Thái bình cho
thấy chất lượng nước các sông này chưa bị ảnh hưởng đáng kể của nước thải từ các
nhà máy, khu đân cư đổ vào
1.2 Tổng quan sơ lược một sở nghiên cứu về dòng chảy sóng và một số vấn đề trong nghiên cứu mỏ hình chất lượng nước
“Trong phần này đã trình bày tổng quan sơ lược các công tình nghiên cứu về dong chẩy sông của các tác giả trong nước và nước ngoài, tổng quan một số mơ hình tốn
được ứng dụng trong nghiên cứu chất lượng nước của các kênh sông, một số nhận xét
vẻ phương pháp số trong nghiên cứu mô hình thuỷ động lực số một chiểu, một số nhận xét về phương pháp số giải bài toán vận chuyển vật chất trong dòng chảy sông
Các nghiên cứu về mô hình chất lượng nước đã có chưa đề cập đến một số quá
trình quan trọng trong sông như động học các quá trình sinh thái và sinh học-chất lượng nước, quả trình rao đổi giữa các chất trong nước và trong bàn đáy trong quá trình chảy
Nghiên cứu động học mội số quá trình sinh thái và sinh học-chất lượng nước trong
dòng chảy sông là rất cần thiết và quan trọng nhằm hoàn thiện cơ sở lý thuyết về vấn dé nay, phục vụ việc thiết lập bài toán cân bằng chất sinh học trong dòng chảy sông
một cách chính xác hơn
Việc dánh giá mối quan hệ giữa các thành phần chất lượng nước, các thành phần thuỷ sinh và các tham số quá trình trong sông phải dựa trên các phân tích đặc điểm sinh thái sông vùng nghiên cứa, phân tích sơ đề mô hình cấu trúc của các thành phần sinh thái-chất lượng nước chủ yếu trong sông cũng như sơ đồ cấu trúc tổng quát của mô hình, từ đó thiết lập mối quan hệ toán học giãa các thành phần và các quá trình
trong hệ sinh thái sông Trên cơ sở này, mô hình sinh thái-chất lượng nước thiết lập lên có khá năng mô tả sát thực hơn các tương tác và các quá trình diễn ra trong sông
Các phân tích cho thấy sơ đồ sai phân ấn 4 điểm của Preissmann là Sơ đổ khả đi
để giải hệ phương trình Saint-Venant Sơ đồ nay đã được chứng minh là ổn định, có độ chính xác cao, dễ đàng hơn cho việc đo và thu thập các số liệu biên, số liệu ban đầu và số liệu kiểm tra, ảnh hưởng của điều kiện ban đầu rất nhỏ và gần như bị loại
trừ sau một sở bước thời gian tính toán Để khắc phục hiện tượng khuyếch tán số, luận
án đã tiệm cận phương pháp phân rã toán tử để giải phương trình cân bằng chất sinh học Voi phuong phap nay, bài toán vận chuyển tải-khuyếch tán chất phức tạp được đưa về các bài toán đơn giản là bài tốn tai khơng thuần nhất và bài toán khuyếch tán Từ những phân tích ở trên rút ra những vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu
1.3 Các quá trình chủ yếu khi mô hình hoá sinh thái-chất lượng nước sông
* Trong môi trường nước: các quá trình cần xét là cân bằng nhiệt, điểu kiện ánh
sáng trong cột nước, trao đổi ôxy giữa môi trường nước và khơng khí qua mật thống, sản xuất bậc [ của tảo, quá trình niưrat hoá và sự phát triển cua vi sinh vat nitrat, qua
tinh khitr nitrat hod, phan huy sinh hoá các chất hữu cơ, qua trình lắng, tốc độ an mdi, sản xuất bậc II, động học sinh trưởng, hô hấp và chết của tảo, động vật nội, động vật
đấy, vi khuẩn dị dưỡng, và cá
* Trong bần đáy: các quá trình cần xét là: phân huỷ sinh hố, như cầu ơxy của bùn đầy, quá trình nitrat hoá
Trang 8
* Trong vàng nước-bùn: các quá trình trao đối giữa ắc chất trong khối nước và các
chất trong bùn đáy tại vùng nước-bùn của sông
Các tương tắc của các yếu tố sinh thái-chất lượng nước gồm các yếu tố vật lý, các
thông số dòng chảy sơng, các thành phần hố học, các sinh vật thuỷ sinh được xét trong quá trình mơ hình hố trên cơ sở xây dựng ma trdn cde thông số ảnh hưởng tương hỗ trong hệ sinh thái sông
Từ các đặc điểm sinh thái-chất lượng nước sông, trên cơ sở đánh giá ma trận các
thông số ảnh hưởng tương hỗ trong sông và phân tích các tham số quá trình chủ yếu đối với mỗi chất cần mô phỏng, ta xây dựng sơ đổ mô hình cấu trúc của các thành phần chủ yếu trong mô hình, niu BOD, DO, cae chất dinh dưỡng, ido, sinh vật tiêu
thụ Qua phân tích cấu trúc của các mô hình chủ yếu ở trên cũng như đặc điểm sinh
thái-chất lượng nước sông và các ảnh hưởng tương hỗ giữa chúng, các tham số quá trình khi mơ hình hố từng thành phần trong hệ sinh thái sông được tổng hợp lại, cuối cùng đi đến thiết lập một sơ đồ cẩu trúc tổng quát và các tham số quả trình của mô hình sinh thái-chất lượng nước sông
Kết luận chương 1
Chất lượng nước các sông còn khá sạch, tuy nhiên bước đầu đang bị ảnh hưởng
của nước thải không được xử lý từ các nhà máy xí nghiệp đổ vào Các thành phần sinh
học như: tảo (tảo silic và tảo lục), động vật nổi (giáp xác chân chèo và giáp xác râu ché), động vật đầy (loài ăn lọc), vi khuẩn niữat, vi khuẩn dị dưỡng, cá là các thành phần chủ yếu của cộng đồng thuỷ sinh trong sông Đặc điểm thuỷ sinh khu vực
nghiên cứu mang đặc tính của sông tự nhiên Không thấy xuất hiện các nhóm sinh vật
chi thị cho các vùng nước nhiễm bẩn hữu cơ, giầu dinh dưỡng
Sông là một hệ sinh thái mở có các quan hệ gắn kết với môi trường xung quanh nó Trong mở hình hố sinh thái sơng, các tham số quá trình cần thiết được đánh giá vì mối quan hệ giữa các thành phần chất lượng nước, các thành phần thuỷ sinh và các yếu tố sinh thái của sông có ảnh hưởng tương hỗ và phụ thuộc lẫn nhau, và đã được đánh giá trên cơ sở mư trộn các thông số ảnh hưởng tương hỗ gồm 33x33 phần tử Các thông số xét trong ma trận là các thành phần vật lý, thuỷ động lực, thuỷ hoá, sinh học và các quá trình sinh thái-sinh học chủ yếu trong đòng chảy sông Trên cơ sở
phân tích đánh giá ma trận này, sơ đồ mỏ hình cấu trúc cho các chất và sink vat chủ
yếu trong hệ vinh thái sông được thiết lập, từ đó tổng hợp lên sơ đồ cấu trúc tổng quát
của mô hình sinh thái-chất lượng nước sông
Trong sơ đồ cấu trúc tổng quát của mỏ hình có ba khối chính là: khối nước, khối
bùn dáy và vùng phân cách bùn- nước của sông Các nhóm vật chất chính trong sơ đồ
gồm: nhóm cde chdt (NHy, NO, NO, PO,, BOD, DO, ni to hitu co, phốt pho hữu cơ,
các bon, chất vấn), và nhóm sinh vật (tảo, động vật nổi, động vật đáy, vị khuẩn nitrat, vi khuẩn dị dưỡng, cá) Sơ đồ cấu trúc cũng có thể được chia theo các khối như: z;hóm vát chất của quả trình nïrát (nì tơ hữu cơ, nì tơ vô cơ, vì khuẩn nitrat), nhém BOD-vi khuẩn dị dưỡng, nhóm phốt pho (phốt pho hữu cơ và PO,), nhóm chất vẩn-cacbon, nhóm sinh hoc (tao, động vật nổi, động vật đấy, cá), và nhóm trung tâm là ơxy hồ
tan Giữa các nhóm trên và các thành phần của chúng được gần kết chặt chẽ, có mối quan hệ tác động tương hỗ nhau do các quá trình vật lý, hoá học, sinh học xảy ra
trong sông Các :rao đổi và tương tác giữa chúng được số hoá bằng cúc tham số quả trình
Các tham số quá trình chủ yếu mà đóng vai trò quan trọng trong cân bảng chất
sinh học và có khả năng làm thay đổi chất lượng nước-sinh thái sông đã được xét ở
6
Trang 9
trên sẽ được nghiên cứu kỹ trong các chương tiếp theo khi nghiên cứu mỏ hình hoá một số quá trình sinh thái và sinh học-chất lượng nước sông Việc mô hình hoá và định lượng các quá trình này cũng sẽ được trình bày trong các chương này
Như trên đã chỉ ra, hiện tại có nhiều phương pháp số và nhiều sơ đồ sai phan dé
giải hệ phương trình Saint-Venant Tổng quan về các phương pháp số đã được mô tả
trong nhiều tài liệu và cho thấy hiện chưa có phương pháp nào là tốt nhất Mỗi sơ đổ
có độ chính xác khác nhau đối với số liệu ban đầu và số liệu biên Việc lựa chọn một
phương pháp số để giải bài toán cần phải thoả mãn các điểu kiện cơ bản sau: phương pháp phải là ổn định, bảo đảm độ chính xác cần thiết cho lời giải của bài toán, dễ chương trình hoá và ảnh hưởng của sự không chính xác của số liệu ban đầu đối với sơ
đổ sai phân là bé nhất Hiện tại có khá ít các kết quả nghiên phân tích về độ chính xác
của các sơ đồ tính và các ưu nhược điểm của các sơ đồ này So dé sai phân ẩn 4 điểm
của Preissmamn là sơ đồ được biết đến nhiều nhất Theo sơ đồ này các hàm ẩn Q và H
đều cùng được tính tại một điểm lưới Sơ đồ này đã được chứng minh là ổn định, có độ chính xác cao, dễ dàng hơn cho việc đo và thu thập các số liệu biên, số liệu ban
đầu và số liệu kiểm tra, ảnh hưởng của điều kiện ban đầu rất nhỏ và gần như bị loại trừ sau một số bước thời gian tính toán Sơ đồ này được áp dụng cho mô hình thuỷ động lực trong chương 3 của luận án
Để khắc phục hiện tượng khuếch tấn số, luận án đã tiệm cận phương pháp phân rã toán tử để giải phương trình cân bằng chất sinh học hay (còn được gọi là phương trình vận chuyển tải-khuếch tán vật chất), tương tự như phương pháp đã sử
dụng cho bài toán nhiều chiểu trong không khí Với phương pháp này, bài toán vận chuyển tải-khuếch tán chất phức tạp được đưa vẻ các bài toán đơn giản là bài tốn tải
khơng thuần nhất và bài toán khuếch tán
CHƯƠNG 2
MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC MỘT SỐ QUÁ TRÌNH SINH THÁI VÀ SINH HỌC-CHẤT LƯỢNG NƯỚC TRONG DÒNG CHẢY SƠNG
2.1 Mơ hình hố một số quá trình sinh thái trong dòng chảy sông
2.1.1 Các thành phần chủ yếu trong hệ sinh thai song va mô hình sinh thái Các thành phần chủ yếu của hệ sinh thái sông một cách tổng quát gồm: các thành phần hoá học như chất vơ cơ hồ tan, chất hữu cơ hoà tan, chất hữu cơ ở dang hat, và
các thành phần hữu sinh như: thực vật nổi, động vật nổi, động vật đáy, sinh vật phân huỷ, và một số loài trong các chuỗi thức an bac cao
Tổng quát, các thành phần sinh thái trong sông được chia thành hai loại: các thành
phần vô sinh và các thành phần hữu sinh
* Các thành phần vô sữnh trong dòng chảy sông:
Các chất vô sinh được vận chuyển bởi các quá trình tải khuếch tán, vào, ra, lắng
và tái hoà tan Nồng độ của chúng được tăng lên hoặc giảm đi do các quá trình phân
huy và chuyển hoá Các quá mình bao gồm: quá trình nitrat hoá (NH, > NO, — NO,), phan huy BOD (BOD - CO,), phan huy chat van
(chất hữu com NH,,CO,,PO,) Ô xy bị tiêu thụ bởi BOD hoặc được sản xuất ra (do quang hợp) cùng với các chuyển hoá sinh học Các chất vô sinh khác như: các
Trang 10* Các thành phần hữu sinh trong dong chảy xông: gỉ ảnh hưởng bởi quá trình tải, khuyếch tán, động hạc của sự phát triển, hô hấp, chết và dnkh hưởng ăn môi phụ thuộc vào các bậc dinh dưỡng
2.1.2 Mơ hình hố một số quá trình sinh thái trong sông
2.1.2.1 Sản xuäf bác một trong đòng chảy sông
Phương trình quang hợp của chất nguyên sinh của tảo được viết theo Qdum Tốc độ sản xuất bậc một P, của tảo là một hàm của sinh khối, cường độ ánii sáng, nhiệt
độ, pH, sự cung cấp chất dinh dưỡng cho tế bao, và các quá trình bên trong tế bào Trên cơ sở phát triển công thức của Mauersberger dựa trên phương trình động học
Monod, chting tôi đưa ra biểu thức toán học để xấp xỉ P, như sau:
f%,= PÈ./0/70)/(N)./()./(50 (2.1)
ở dây /(),/(ŒT), ƒ(N), ƒCP)., ƒGŠ7) tương ứng là các hàm biểu thị sự phụ
thuộc của quá trình quang hợp vào cường độ ánh sáng I, nhiệt độ T, nồng độ các chất
dinh dưỡng ni tơ, phốt pho va silic
« — Hàm quan hệ biểu thị sự phụ thuộc của quá trình quang hợp vào cường độ chiếu
sáng được biểu thị bằng công thức sau (Talling,1994): f= Te Ky.t) = 1,exp-e) 22) với I„ là cường độ ánh sáng trên bể mặt nước, I là cường độ ánh sáng trong nước, còn K, là hệ số bão hoà ánh sáng » — Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ sinh học được biểu thị bằng hàm sau: #Œ@)›=K”" (23) e - Ảnh hưởng của ve chất đinh dưỡng tới tốc độ quang hợp được biểu thị bang: Si AM = RO Pe, SD= FE 04)
Tốc độ quang hợp lớn nhất Po được xác định trong phòng thí nghĩ êm, phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng, nhiệt độ và chất dinh dưỡng Tuy nhiên, việc xác định giá trị của Pee khá phức tạp, vì thế chúng tôi tạm thời sử dụng các kết quả của
WoIf (1993) Khi không có số liệu vẻ #”” nhưng có số liệu thực nghiệm về tốc độ
phát triển lớn nhất của tảo Uy, thì tốc độ sản xuất sơ cấp hay tốc độ sản xuất bậc Ï được tính theo công thức (2.1) bằng cách thay vào đó Lu" C,
O day: P.- Téc độ quang hợp của tảo (mg/l/ngày);, /4,- Hệ số tốc độ phát triển
max
của tảo (ngày ty Hà 7 Hệ số tốc độ phát triển lớn nhất của tảo (ngày' ), N- Néng độ của ni tơ vơ cơ hồ tan (mg/l; P- Nông độ cửa phốt pho vơ cơ hồ tan (mg/);
C, - Néng độ của sinh khối tảo (mg/D; J - Bức xạ mật trời: Ấ, - Hệ số bão hoà ánh
sáng; Ky - Hang sé Michaelis của việc str dung ni to vo co hoa tan (mg/l); K, - Hang sé Michaelis của việc sử dụng phốt pho vỏ cơ hoà tan (mg/l)
Trang 11,
2.1.2.2 Tốc độ ăn mỗi của động vat noi
Phương trình động học tốc độ ăn mỗi của động vật nổi được thiết lập như sau:
dC,
dt
ở đây: C„ - Nông độ của động vật nổi (cá thể/), C, - Nông độ của thực vật nổi (mg/), &„ -Hàng số tốc độ
2.1.2.3 Quá trình khử các chát trong nước ảo lẳng
Tốc độ khử bỏ các chất do lắng được tính theo công thức của Jorgensen và
Harleman, 1988
2.1.2.4 Tốc độ khoáng hod chat van
Tốc độ khoáng hoá chất vấn được xác định theo công thức sau:
Br = Kay Coen (2.6)
ky = hog F(T) (2.7)
Trong đó: /, - Tốc độ khoáng hoá ctia chat van (mg//ngay), Ky, - Hệ số khoáng
=-k,.C,.C, (2.5)
hoá của chất van (ngay"), kg," - Hé sé khoáng hod lớn nhất của chất vấn (ngày ”)
2.1.2.5 Quá trình khit nitrat hod
Tốc độ khử nitrat được tính bằng biểu thức sau (Torgensen, ¡986):
4 = k„ụ,.MO, (238)
Ở đây: /8 - Tốc độ khử nitrat hoá (mg/l/ngày), & (ngày), MƠ) - Nơng độ của NO, (mg/l)
2.1.2.6 Các quá trình phán huỷ sinh hố trong sơng
Tốc độ phân huỷ sinh hoá của các chất trong dòng chảy sông phụ thuộc vào tốc độ phát triển của vị sinh vật, mà sự phát triển của vi sinh vật lại tỷ lệ với tốc độ phát triển
sa - Hệ số khử nitrat hoá
lớn nhất My và phụ thuộc vào nồng độ chất nền Quá trình này được biểu thị bằng phương trình động học Monod:
2.1.2.7 Quá trình hoà tan ôxy từ không khí
Quá trình hồ tan ưxy từ khóng khí vào khối nước sông được biểu thị bằng hệ số
&; (1/ngày), xác định bằng công thức thực nghiệm của Owens, Edwards Hệ số này phụ thuộc vào mức độ chuyển động rối của dòng nước, nhiệt độ của không khí và nước và sự có mật của các chất hoạt tính bẻ mắt trong nguồn nước sông
3.1.2.8 Sự phân huỷ trong lớp bùn đáy
Sự phân huỷ các chất trong lớp bùn đáy của sông dược biểu thị bằng phương trình
vị phân bậc một Park:
dl, _K,
-—=—_—l, (2.9)
dt ler
Trong đó: K,- Hé s6 téc độ nhu cầu của sinh vật day (ngay'), L, - Har lượng BOD ctia bin day (mg/l), 7 - Hé số ức chế quá trình phân huỷ
Trang 12Khi mò hình hoá, đã đặc biệt chú trọng vào sự trao đối giữa các chất trong nước và trong bùn đáy trong quá trình chảy, đặc biệt là các chất dinh dưỡng và các chất hữu
cơ Công thức tổng quát được đưa ra ở đây nhằm xác định tốc độ giải phóng các chất
dinh dưỡng từ bùn đáy vào nước, được tính như sau:
Hee, = K rey Hy (2.109
phong; £4 - Téc dé khir bé cdc chất do lắng đã định nghĩa ở phần trên
2.1.2.10 Anh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sinh học
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sinh học được xác định bằng công thức của Lassister va Kearns, 1988
2.1.2.11 Anh hướng gây chết của các chat déc dén thanh phần sinh học
Mối quan hệ giữa nồng độ của các chất độc và tốc độ chết của thành phần sinh học thường được biểu thị như sau (Jorgensen, 1991):
My = My, + À Cự, (2.11)
G day: m„- Hệ số tốc độ chết tự nhiên (ngày); Â- Hệ số độc (mẺ/mg.ngày); C„ -Nồng độ của chất doc (mg/l)
Kết quả xác định giá trị một số hệ số đặc trưng cho các quá trình sinh thái chủ
yếu của sông trong Phòng thí nghiệm vị sinh vật và cản bằng chất sinh học được cho
trong bảng TN.I của chương 3
2.2 Mơ hình hố một số quá trình sinh học-chất lượng nước trong dòng chảy
sông
2.2.1 Mơ hình hố q trình nitrat hoá trong đồng chảy song 2.2.1.1 Quá trình nitraf trong dòng chay sông
Phản ứng tổng quất có thể được viết như sau:
NH,'+2O; ——> NÒ,+H,O+2H' +4l8§KJ (2.12)
Sự chuyển hố của NH, thành NO; và NO; đi kèm với việc tiêu thụ một lượng lớn
ôxy hoà tan, và vì thế quá trình này tác động đến cân bằng ôxy của sông
Trong dòng chảy sông, một quá trình quan trọng còn chưa được các tác giả xét tới là quá trình tương tác trao đổi giữa ni tơ trong sông và ni tơ trong bùn đáy Quá trình này được biểu thị thông qua chu trình nỉ tơ trong vùng phân cách nước-bùn của song
2.2.1.2 Mô hình hoá toán học quá trình nitrat hoá trong dòng chảy song
Các yếu tổ ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình nitrat là nồng độ các chất nền NH,-
N, NO,-N, oxy hoa tan, ahiét d6 va pH cho su phat trién cla cde vi sinh vat nitrat
tham gia vào quá trình này Quá trình này được biểu thị bằng cỏng thức sau trên cơ sở
phát triển và cải tiến công thức của Michaelis-Menten:
NH, NO,
max 2
= Ly > WT, O,, BOD, Y, ) (2.13)
Hy = Hy Ky, + NH, Ky, + NO, HT, O, ›
Trong đó: /¿¿ - Hệ số tốc độ phát triển của vị sinh vật nirat (ngày 9; /@y - Hệ số tốc dé phat triển lớn nhất của vi sinh vật nitrat (ngày); VH,, NÓ, - Nông do của
Trang 13NH, va NO, trong nước (mg/)); ưu, ` Kyo, - Hang s6 Michaelis cla NH, va NO, (mg/l); @ la ham xét dén sự phụ thuộc của quá trình nitrat hoá vào nhiệt độ, ơxy hồ tan, BOD, và vận tốc dòng chảy
Các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu là pH, nhiệt độ, ơxy hồ tan, BOD;, các chất độc cũng như hình thái của sông, chuyển động rối và ánh sáng Sau đây sẽ xét các yếu tố
ảnh hưởng chủ yếu
2.2.1.3 Các ảnh hưởng đến quá trình nitrat hoá trong dòng chảy sông
a Ảnh hưởng của pH;Hiệu suất tối ưu của các vi sinh vật tham gia quá trình nitrat đạt
được khi giá trị pH nằm trong khoảng từ 7.5 đến 8.5
b Sự phụ thuộc nhiệt độ của q trình nhrất hố:Sự ảnh hưởng của nhiệt độ có thể được biểu thị bang quan hé ham Warwick
c O xy hoa tan:Sự phụ thuộc của tốc độ của quá trình nitrat hoá vào hàm lượng
Oxy bra được biểu thị bằng phương trình phản ứng động hoc enzym của Michaelis- Menten Trường hợp ôxy hoà tan quá nhỏ, ta có thể lấy Poo =0
đ Sự phụ thuộc của quá trình nhat hoá vào BQD,:Sự phụ thuộc của quá trình nitrat hoá vào BOD; được biểu thị bằng công thức của Curtis (1994)
Ngoài ra còn phải kể đến ảnh hưởng của các chất độc kìm hãm, các chất hữu cơ
có khả năng phân huỷ và ánh sáng
Công thức tính /¿„ được viết tổng hợp lại như sau:
NH, NO,
Kyy, + NHy Kye, + NO,
Biéu thitc déng hec cho qud trink nitrat hod trong dong chay séng dugc dua ra đưới dang sau:
dN ~ = ly 1 NH, ` NO, DO -
dt Ty NH, + Ky, NO: + Kyo, DO+ Kyo
& day: NV - Néng do NH, va NO,trong nudéc (mg/l); By - Néng 46 sinh khéi cia vi
sinh vat nitrat hod (mg/l); Y,- Sản lượng vi sinh vật déi véi qué winh nitrat hoá, Kv, , Ky, - Hang sé Michaelis đối với NH, và NÓ; (mg/1);
Giá trị F¿„ tìm dược 18 0,06 (Muller, 1995); Với hệ số tốc độ phát triển /„ được
tính từ phương trình trên, tốc độ phát triển của vi sinh vật nirat hoá trong thời gian t
được biểu thị dưới dạng hàm mũ như sau: By (t) = B, (0).e%' (2.16) Với: 3,0) - Nông độ của vi sinh vật nirat hoá ở thời điểm t(mg/); _ ,,max Hy = Hy - Gr to, Pop (2.14) B,, (2.15) NO,
B,, (0) - Nông độ của vị sinh vật nitrat hoá ở thời điểm t =0 (mg/1)
Vì các vi sinh vật này rất nhạy cảm với nhiệt độ và ta có phương, trình thực nghiệm sau đây (Mũller et ai, L995):
HP = 0,043 +0,0061T + 0,0009T? 2.17)
Trang 14+
với T là nhiệt độ nước (°C), còn Me “TA he sé toe JO phat trién lén hat cla vi sinh vat nitrat hoá (ngày ”)
Phương trình dòng học sự phát triển của các vị sinh vật nitrat trong sông dược đưa ra như sau: dB, at ở dây: ,, - Sinh khối của vi sinh vat nitrat (mg/l); Ly - Hé so t6c độ phát triển của =(yTmy).By (2.18)
vi sinh vật nitrat (ngày ; 7y - Hệ số tốc độ chết của vị sinh vật niưat (ngày: ')
Tốc độ phát triển của vi khuẩn nitrat được phát triển từ công thức Monod khi xét
đến ảnh hưởng của ôxy hoà tan, nhiệt độ và chất nên NH: NH, oN, NH, +&k,,, L ở đây: /; Hầm ảnh hưởng của nhiệt độ; f2„;- Hàm ảnh hưởng của ðxy hoa tan; max Hy = Hy Soo-Sr (2.19)
k,,, - Hing sé Michaelis cia quá trình ôxy hố amơn; /# "` - Hệ số tốc độ phát triển
lớn nhất của vi sinh vat nitrat
¡nh khối cla sinh vat nitrat duoc tinh bằng cách sử dụng công thức MNSL (maximal oxygen demand for nitrification under standardized condition) khi xdc định nhu cầu ôxy lớn nhất cho quá trình nirat hoá dưới các điều kiện tiêu chuẩn (Möller,
1995):
By, = 0.0012 MNSD* (2.20)
2.2.3 Mô hình hoá quá trình khử nitrat trong dòng chảy song
Sơ đã phản ứng cho quá trình khử nhat được viết như sau: Denurifier 6NO,+5CH(OH —————m> 3N,+5CO,+7H,0+ 60H Tốc độ dộng học khử NÓ; dược thiết lập có dạng tương tự công thức Monod như sau: aNO, mạ S at =-uy By (2.21)
Ko, , VO; + Kyo, S+ Ky
ở dây: /@ ` - Hệ số tốc độ phat wién [én nhat cua vi khudn di dudng (ngay): My), -
Hệ số sản lượng sinh khéi quan trac déi voi NH, (mg/l); S - Néng do chat nén (mg/l):
K,- Hàng số Michuelis đối với chat nén (mg/l), B, - Néng do sinh khoi cua vi
khuẩn dị dưỡng (mg/):
4 XIö hình hoả sự phát triển của tảo trong dòng chảy sông,
wi 4.1 Các phương trình cơ bản
Db học sự phát triển của Táo trong nước dược chúng tôi phát triển có tính đến tộc độ chết, tốc độ ăn tảo của động vật nội, biểu thị bảng phương trình tổng quát sau:
Trang 15dC, dt với :C„- Nỏng độ sinh khdi tao (g/m*), Yu, - Hé so tée độ phát triển của tảo an = (My —F, — My ~O, — Uz").Cp (2.22) (ngày”); m„- Hệ số tốc độ chết của tảo (ngày ”), F, - Hé s6 téc dé ho hap cha tảo ny: A số rấc đã TẢ xứ tra cv pe te a ge (ngày); Øi- Hệ số tốc độ lắng của tảo (ngay"); 2" - Hệ số tốc độ an tảo của động vật nổi (ngày ”)
2.2.4.2 Động học sự phát triển của tảo
Sự phát triển của tảo trong nước được biểu thị bằng phương trình :
C,(f) = C,,(0).e8" (2.23)
Trong dé: C,,(f)- Sinh khối tảo ở thdi gian t (mg); C,(0) - Sinh khối tảo ở thời gian t, (mg/l); L4- Hệ số tốc độ phát triển của Tảo (ngày ); t- Thời gian (ngày);
Sinh khối tảo C„.(0) hay (C»)ạ tính gần đúng từ nồng độ Chlorophyll-a như
sau:
(Cy) = Chia a (2.24)
Với:Chla- Nồng độ Chlorophyll-a (mg/l); c- Hé s6 ty lé (a = 0,077)
Tốc độ phát triển u„ của tảo được tính từ tốc độ phát triển lớn hat Ke CO xét
đến sự cung cấp chất dinh dưỡng, điều kiện ánh sáng trong nước, nhiệt độ và ảnh
hưởng của sự kìm hãm quang hợp:
HẠ S BT fy fy bp fy fh (2.25) Uh
ở đây: ue - Hệ số tốc độ phát triển lớn nhất của tảo (ngày; fÿ„ f„ ff f_ - Lần
lượt là các hệ số ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng, ánh sáng, nhiệt độ, ảnh hưởng
của sự kìm hãm quang hợp và lắng của tảo
2.2.4.3 Các yếu tổ ảnh hưởng đến sự phát triển của Tảo trong nguỏn nước
a Ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng: Ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng ni to, phốt pho và sĩ líc đối với sự phát triển của tảo được biểu thị dưới dạng biểu thức của Michaelis-Menten b Ảnh hưởng của ánh sáng: Ảnh hưởng của ánh sảng lên tốc độ phát triển, theo Talling cé dang: 26) i opt
Với: /„- Cường độ ánh sáng rung bình trong lớp sản xuất (LE/m”.s): Lot - Cường độ
ánh sáng tối ưu dối với sự phát triển của tảo, xúc định bằng thực nghiệm (hE/m”s),
c Ảnh hưởng của nhiệt độ: Sự phụ thuộc của rốc độ phát triển của tảo vào nhiệt độ có
thể được xét bằng công thức của O NeiII,
d Tốc dộ mất đi của táo do lắng: Tốc độ mất di của táo do lắng được tính theo công thức của Reynolds và Wisernan
Trang 16Hy" =k, Cy.Cp , (2.27)
Vidi: 405" - Hệ số tốc độ an mỏi của động vật nổi (ngày '); k„.- Hệ số tốc độ lọc của động vật nổi(ngày”); C, - Sinh khối của động vật nổi (mg/l); Cạ- Sinh khối của
tảo (mg/1
Mô hình hoá sự phát triển của động vật nổi
Tốc dộ động học phát triển của động vật nổi trong nước dược chúng tôi phat trién,
đưa bổ sung thêm hệ số tốc độ hô hấp của động vật nổi và tốc độ ăn mỗi của cá đối
với động vật nổi Phương trình động học được phát triển đưới dạng phương trình tổng quat sau: dC, dt voi C, - Nang d6 dong vat ndi; jz - Tée độ phát triển của động vật nổi (ngày; = (uy —T+y —m; — rị,).C; (2.28)
m; - Tốc độ chết của động vật nổi (ngày ”); r; - Tốc độ hô hấp của động vật nổi, xác
định bằng thực nghiệm (ngày”), 7z - Hệ số tốc độ ăn mồi của cá đối với động vật
nổi
Tốc độ phát triển của động vật nổi được rút ra từ nghiên cứu trên cơ sở cai tiến
công thức Monod có xét thêm các hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ và ơxy hồ tan, được biểu thị bằng công thức sau: oe Cpt Ke, ở dây: C„- Sinh khối tảo, /(„ - Hiệu suất tiêu hoá (đồng hoá) của động vật nổi, Hz = Hy Cota" St-foo (2.29) Hz" - Téc do ân mỗi của động vật nổi; Ke, - Hãng số Michaelis của động vật nổi đối ae tuy ca a VY T-20 ¬
với tảo: /+ - Hàm ảnh hưởng ca nhiét do, f = 1.047 : /„¿ - Hàm ảnh hưởng
của ơxy hồ tan; với tốc độ tiêu hoá /¿„ phụ thuộc vào tốc độ tiêu hoá lớn nhất KH và hầm lượng chiorophyll-a của nước Giá trị /¿„ chỉ đạt được ở nồng độ
chlorophyll-a tối ưu
Kết luận chương 2
Mô hình động học một số quá trình sinh thái-sinh học quan trọng nhất trong
đồng chảy sông đã được phái triển và thiết lập, bao gồm: tốc độ sản xuất bắc 1, tév dé
ăn mỗi của động vật nổi, tốc độ khoảng hoá chất vấn, tốc độ giải phóng các chất từ bùn đáy vào nước, động học quá trùth nhát hoá và động học sự phát triển của vi khudn nitrat, động học quá trình phát triển của thực vật nổi ttáo) động vật nổi, động vất đáy, ví khuẩn dị dưỡng và cá
Quá trình nitrat hoá trong sông ở đây có xét tới sự ao đới giữa nỉ tơ trong khối nước và nữ tơ trong lớp bàn đáy thông qua chủ tPùlll ni tợ trang tùng bằn nước của sông Tác nhân quan trọng cho quá trình nhát trong xông là các vi khuẩn nhrát cũng được mơ hình hố
Sự phát triển của tảo trong sông là một trong những quá trình sinh học quan trọng nhất ảnh hưởng đến các thành phần chất lượng nước và thành phần sinh học của sông,
14
Trang 17
vì nó không chỉ tác động đến cản bằng “öxy sinh học của sông và nông độ các chất ni tơ hữu cơ, phôt pho hữu cơ, NH¿, NÓ;¿, PO, trong chư trình ni tơ và chu trình phốt pho
của sỏng mà còn ảnh hưởng đến quần thể động vật nổi trong sòng do tảo là nguồn thức ăn của chúng Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến sự phát triển của táo hay thực vật nổi là: nhiệt độ, bức xạ, các chất dinh dưỡng, động vật nổi, độ trong, các chất
độc độ sâu của sông, vận tốc dòng chảy cũng đã được phân tích đánh giá
Các quá trình trên đóng vai trồ rất quan trọng tới môi trường sống trong sông, chỉ phối chất lượng nước và sinh thái của nguồn nước sông Các quá trình sinh học để cập
Ở trên và các yếu tố ảnh hưởng đến các quá trình này đã được đánh giá và được mơ
hình hố dưới dạng các biểu thức toán học, cho phép dễ dàng tính và xác định được
độ lớn của chúng
Phương pháp nghiên cứu các quá trình sinh thái trong nguồn nước sông là mồ hình hoá bằng cơng cụ tốn học, có khả năng chính xác hoá và khái quát hoá phạm vì nghiên cứu Các quá trình sinh học, các quá trình và tương tác sinh thái phức tạp xảy ra trong nguồn nước sông được chuyển tải thành các biểu thức tổng quát hoặc
phương trình toán học đơn giản, cho phép đánh giá chính xác các quá trình sinh thái
xảy ra trong nguồn nước, đánh giá chất lượng nước và đặc tính sinh thái sông, giúp
cho việc đánh giá hệ sinh thái nguồn nước sông
Động học các quá trình sinh thái và sùth thái chủ yếu xảy ra trong sơng được mơ
hàình hố chuyển thành các công thức tổng quát hoặc phương trình toán học tổng
quát Các quá trình gồm: tốc độ sản xuất bác 1, tốc độ thoát các chất từ bùn đáy vào
nước, động học quá trình nirat hoá và sự phát triển của vi khuẩn nurat, động học phát triển của tảo, động vật nổi Các quá trình trên được mơ hình hố viết dưới dạng
các biểu thức hoặc phương trình toán học tổng quát Từ đó có thể dễ dàng định lượng
được các quá trừuh này
Tương quan của mỗi thành phần chất lượng nước, sinh học của sông với các quá
trình sinh thái-sinh học xây ra trong sơng sẽ được số hố và chuyển tải thành các biểu thức toán học (3.6a-3.6u) trong luận án Các biểu thức này tương ứng là thành phần của các phương trừnh vận chuyển-chuyển hố hay cơn gọi là phương trình cân
bằng chất sinh học Các phương trình này có khả năng mô tả tương đối sát thực các quá trình xảy ra trong dòng chảy sông
Việc nghiên cứu mơ hình hố sinh thái sông là vấn để khoa học phức tạp nhưng ý nghĩa thực tiễn cao, sẽ được trình bày chỉ tiết trong chương 3 của luận án
“ Một số hệ số đặc trưng của quá trình sinh học quan trọng nhất trong sông dược
xác định trong Phòng thí nghiệm Ví sinh vật và Cân bằng chất sinh học, được trình bày trong các bảng TN.I-TN.4 thuộc chương 3 của luận án
CHƯƠNG 3
MƠ HÌNH SINH THÁI-CHẤT LƯỢNG NƯỚC DÒNG CHẢY SƠNG
3.1 Mơ hình thuỷ động lực học một chiều
3.1.1 Phương trình cơ bản và các điều kiện ràng buộc
Bài toán thuỷ động lực được viết như sau
Trang 18hay (Tir day ky hieu: A, =; QO, =—> ; vakyhieu /(x,,/,) =f")
Trong các phương trình |3.1}-{3.3) ta ký hiểu: A(K,D- Diện tích mặt cắt ngang lòng sông (m?), B(x,)-Độ rộng lòng sông (m), R(x,t)-Bán kính thuỷ lực (m), g-Gia tốc trọng trường (m/s”}, Q(x,1)-Lưu Tượng nước sông (m”/s), h(x,)-Cao độ mực nước
(m), C-Hệ số Chezy (s/m'”), q(x,)-Lưu lượng Uổ sung hoặc mất đi trên một đơn vị
chiều dài dòng chảy (m?/s.m), con x,t lA cdc bién không gian và thời gian (ms)
Các phương trình (3.1)-3.2) được gọi là hệ phương trình Saint-Venant, hệ phương trình hyperbolic bậc nhất một chiều phi tuyến Ta phải giải hệ trên để tìm h, Q trong miền {x5 SxS#y,,<£< } thoả mãn các điều kiện ban đầu và các điều kiện biên
3.1.2 Mô hình vùng mở rộng
Các đoạn dọc theo dòng chảy sông mà không có hoặc ít có nước chay qua duge gọi là các vùng lưu ứ Để mơ hình hố các vùng này, ta sử dụng quan điểm là một sự bù mực nước giữa dung tích dòng chính (A) và dung tích lưu chứa (A,) xảy ra và tỷ lệ với sự chênh lệch mực nước của chúng (h-h,,) Các phương trình Saint-Venant được viết lại trong trường hợp này
3.2 Mô hình vận chuyển tải-khuếch tán vật chất trong dòng chảy song
Phương trừnh tải - khuếch tán vật chất trong sông được viết nhị sau: C, =-vC, + EC, + SOx) (3.4) S(x.) =[$,] + |ồC | (3.5) C= -vC, +6, +[6,]+[5C,] (3.6) vai x €[x),x,], c[fg,t], C>» 0 & a Ce (Ky higur¢, = ;¡ £ = —.te,„=r) a œ& x
Trong dé: C,(x,f) - Néng độ chất tinh toán trong sông: [o,]- Su thay đổi vật chất
thông qua các nguồn điểm: [8c] - Tốc độ thay đổi nồng độ chất, E - Hé s6 khuéch
tan theo Thatcher va Harlermam (m?/s): w hoặc
6 2 ¬ ~
E=63nv.R`° : với d,,d; là các hằng số, n là hệ số nhám Mlanning
Trên cơ sở phản tích đặc điểm sinh thái-chất lượng nước, các mới quan hệ tương hỗ giữa các thành phần sinh học, thành phần chất lượng nước và các tham sở quá
Trang 19trình, đã phát triển và chuyển tải các “quan hệ này trong hệ sinh thái sông thành các
biểu thức và phương trình toán học
Các mô hình khác nhau được biểu thi hiện ứng với Ló | và |đC Ìcho các chất
khác nhau được chúng tôi phát triển và thiết lập như: mỏ hình BOD, mô hình DO, mò
hình PO,, mỏ hình phốt pho hữu cơ, mô hình NH,, mỏ hình nitrit (NO,), m6 hinh niưat (NO;), ni tơ hữu cơ, mô hình các chất khỏng phản huỷ (COD, độ dẫn điện, cận lo lửng,5¡, ), chất vấn, bùn lắng hữu cơ, các bon, mô hình tảo, mô hình coliform, động vật nồi, động vật đáy, cá, nhiệt độ, vi khuẩn dị dưỡng, vi khuẩn nitrat
Phương trình cân bằng chất sinh học khi áp dụng cho các thành phần sinh học như cá, động vật đáy thì sẽ không có các thành phản tải và khuyếch tán
* Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên
Phương trình (3.1)-(3.2) và (3.4) được giải với điểu kiện ban đầu và điểu kiện
biên sau trong đoạn xạ € xX SXy:
+ Điều kiện ban đầu:
tạ=Ö : h=ha(x,Ð) ; Q=@,(x0);C= G(x,9) ẰN_ + Điểu kiện biên:
Pr x=xa¿: Q=QGD); hoặc h =h(X„D ; C= CŒu,Ð)
x =x, : h=h(x,Ù); hoặc Q=Q(xj) ;C= C@,Ð và 2C!a*(x,Ð =0 * Ghép nốt nhiều mô hình và các điều kiện biên trong:
Các điều kiện này bao gồm các điều kiện liên tục về lưu lượng và một điều kiện bố
sung, chẳng hạn như cân bằng mực nước hoặc cân bằng nãng lượng và cân bằng nồng
độ vật chất
3.3 Phương pháp số của mô hình
3.3.1 Bài toán tính dòng chẩy không dừng một chiều
Miễn tính được rời rạc hoá bởi các điểm tính trong mặt phẳng (xÙ được định aghia béi tip hop w= w, xw, = 100.0, 5%.) = %, FAL Ho + At;
/.n € N} Hàm liên tục ƒ(Y,/), các dạo hàm theo thời gian t va theo khong gian x của hầm ƒ (x,/) trong các phương trình (3.1) và (3.3) được xấp xỉ bằng cấc biểu thức sai phân theo sơ đồ sai phản ẩn Preismann, và giả thiết rằng tất cả các hàm f(4,Q)
trong các phương trình đại số phi tuyến được rời rạc hoá là đã biết tại bước thời gian
HAI và là khả vi theo h va Q Khi đó ta có thể dánh gid mot ham f bat kỳ của chúng
tại bước thời gian (+ lAf bởi khai triển chuỗi Taylor Phuong trình dại số phí
tuyến tiếp theo được tuyến tính hoá và chí giữ lại số hạng bậc nhất, từ đồ ta thu được
hệ phương trình đại số Hệ phương trình này viết cho cập điểm tính toán (Jj+i) Nếu
trên nhánh sông có N diém tinh G = 1.2 N-1.N), ta nhan duge 2(N-1) phương trình
cho 2N dn số Vì hai điều kiện biến của nhánh sông phải được cho trước nén thường
có 3(N-1)+2 = 2N phương trình đại số cho 2N ẩn số (C,„,) Hệ phương trình dược
Trang 20
Hiện có nhiều phương pháp số để giải hệ các phương trình này Ờ đây ta sử dụng phương pháp khử đuôi bằng cách sử dụng cơng thức truy tốn (recurrence formula) dé giải hệ phương trình này
3.3.2 Phương pháp số giải bài toán vận chuyển vật chất trong sông
Xét bài toán tải-khuếch tán một chiều tổng quái:
C,=-vC, + EC, + S(x,t) (3.7)
với C clxy.si| xi, là C> 0
Phương trình (3.7) 14 dang parabolic cé thể được giải bằng một số phương pháp
sổ Ở đây, bài toán (3.7) được giải bằng phương pháp phân rã toán tử thành hai bài
toán: bài toán tải không thuần nhất và bài toán khuếch tán Bài tốn tải ở dạng khơng
thuần nhất có dạng phương trình hyperbolic, và là bậc nhất theo không gian cho nên
chỉ cần một điểu kiện biên Bài toán tải được giải bằng phương pháp đặc trưng, thay
việc giải phương trình vi phân đạo hàm riêng bằng việc giải liên tiếp hệ hai phương trình vĩ phân thường phi tuyến trên lưới tính (x,Ð) Nghiệm của chúng nhận được bằng
tích phân số
Bài toán khuếch tán có dạng phương trình vi phân đạo hàm riêng tuyến tính bậc hai dang parabolic, phải cẩn tới hai điều kiện biên thượng lưu và hạ lưu Điểu kiện ban đầu đối với bước thời gian cho trước là kết quả thu được từ tính toán bài toán tải ở phần trên Các đạo hàm riêng bậc nhất theo t và bậc hai theo x trong phương trình
khuếch tán được xấp xi bằng các sai phân hữu hạn (FDAs) theo sơ đồ sai phân ẩn sáu
điểm, sau khi rút gọn ta được hệ phương trình đại số ba đường chéo Để giải hệ
phương trình ba đường chéo này, có thể áp dụng một số phương pháp số quen thuộc
Phương pháp số và mô hình trên đã được kiểm nghiệm với trường hợp nghiệm
giải tích và một số bài toán thực tế, và đã chỉ ra rằng chúng cho nghiệm số thoả mãn yêu cầu
3.4 Xác định các hè số của mô hình sinh thái-chất lượng nước
Nhiều thí nghiệm đã được tiến hành trong Phòng thí nghiệm ví sinh vật và cân bằng chất sinh học, thuộc Viện liên bang nghiên cứu nguồn nước (MISTOFF-CHLB
Đức) nhằm xác định các hệ số của mò hình sinh thái-chất lượng nước, mô hình tao, mỏ hình động vật nổi, mô hình động vật đáy Các kết quả thu được sau khi xử lý số liệu được trình bày trong các bảng TN.I-TN.3 dưới đây
BảngTN.L Giá trị các hệ số của mô hình sinh thái-chất lượng nước sông
xe Thông số Giá trị Đơn vị Nơi thí nghiệm
1 Tốc độ nhủ cầu oxy cla bùn đầy 05-10 gO./ m2.ngày Phòng thí nghiệm MISTOFF 2 | Téc do bd sung BOD tr bin day 0,004 mg//ngày Phòng thí nghiệm MISTOFF 3 Nông độ ni tơ trong tảo 0,003- meN/msA Phong thi nghiém 0.009 MISTOFF 4 Nông dò phốt pho trong tao 0,009-0,01 | mgP/mgA Phòng thí nghiệm MISTOFF
5 | He 36 tốc độ sản xuất oxy của 013 mg Omg Cp Phòng thí nghiệm
mot don vị sinh khối tảo phát MISTOEF
triển
6— | Tốc dộ öxy bị lấy đi khi ðxy hoá | 30-0 Phòng thí nghiệm
Trang 21
[ C7 | Tủc độ 6y bị lấy di khỉ oxy hoá? L0-I,14 Phòng thí nghiệm
mot don vi NO,-N mg O./mg N MISTOEFF
8 Í Tốc độ giải phóng NO; từ bùn 005-0.5 Ï mgNO/Ingày | Phòng thí nghiệm MISTOFF 9 Hệ số tốc độ oxy hoá sinh học | 001-007 | ngày! Phòng thí nghiệm
chuyển NH, thành NO; MISTOFF
10 | Hệ số tốc độ oxy hoá sinh học 0.012- ngày" Phòng thí nghiệm
chuyển NO; thành NÓ; 0.091 MISTOFF
11 | Tốc độ giải phóng NÓ; của bin | 0.01-0.2 | mgNO/Lngày | Phòng thí nghiệm đầy MISTOFF 12 Hệ số tốc độ khử nitraL 0.01-0,12 ngày! Phòng thí nghiệm MISTOFF 13 | Tốc do giải phóng PO, từ bùn | 0.001-0.02 | mẹPO/1/ngày | Phong thí nghiệm day MISTOFF I4 | Tốc độ giải phóng NH, từ bùn | 0.001-0.05 | mgNH.ngày | Phòng thí nghiệm day MISTOFE
Bảng TN.2 Giá trị các hệ số trong mô hình tảo
SOTT Thông sở Giá trí Đơn ví Nơi thí nghiêm
1 "Tốc độ lắng của tảo 0,024-0,15 m/ngày Phòng thí nghiệm MISTOFF
2 Hệ số tốc độ phát triển lớn nhất 1,0-2.5 ngày ! Phòng thí nghiệm
của táo MISTOFE
3 Hệ số tốc dộ chết của tảo 0,05-0,09 ngày! Phòng thí nghiệm MISTOFF 4 Hệ số tốc độ chết nhỏ nhất của 0.002 ngày Ì Phòng thí nghiệm tạo MISTOFF 5 Hệ số tốc độ chết lớn nhất của 0.38 ngày” Phòng thí nghiệm tảo MISTOFF Bảng TN.3 Giá trị các hệ số trong mô hình động vật nổi Số
TT Thong so Gid tri Don vi Noi thi nghiém 1 Hệ số tốc độ ân mỗi của động 0,045 ngày" Phòng thí nghiệm
vật nổi với thực vật nỏi MISTOFE
2 Hệ số tốc độ chết tự nhiên của 0,004- ngày! Phòng thí nghiệm
đóng vật nổi 9.096 MISTOEE
3 Hệ số tốc độ chết lớn nhất của 13 ngày" Phòng thí nghiệm
đông vật nổi MISTOFF
Một số hệ số khác được tính thông qua các biểu thức thu được bang lý thuyết và
thực nghiệm
Để phục vụ cho nghiên cứu mô hình hố, chúng tơi đã tổng hợp và hệ thống hoá
giá trị của các hệ số tốc độ liên quan đến các thành phần sinh học và các chất chủ yếu trong sông trên cơ sở kế thừa một phần những số liệu nghiên cứu của các nhà nghiên cứu khác Tuy nhiên các giá trị này sẽ được kiểm nghiệm lại khi áp dụng cho khu vực sông nghiên cứu thông qua các thực nghiệm số
Kết luàn chương 3
Trong chương nay đã trình bày các nội dung chủ yếu của mô hình sinh thái chat lượng nước sông Cơ sở của mỏ hình sinh thái-chất lượng nước là tổ hợp của mỏ hình
Trang 22’
thuỷ động lực và mô hình căn bằng chất sinh học Mô hình thuỷ động lực một chiều được dựa trên cơ sở phương trình Saint-Venant Mô hình cân bằng chất sinh học ở đây
có dạng phương trình vận chuyển tải-khuếch tán vật chất được viết ở dạng tổng quát cho các thành phản sinh học và chất lượng nước trong dòng chảy sông một chiều
Mối quan hệ của các thành phần sinh học-chất lượng nước với các quá trình sinh
thái và sinh học được phân tích đánh giá trên cơ sở xây dựng một ma trận các thông sở ảnh hưởng tương hỗ, và được chuyển tải thành các phương trình toán học, được viết riêng cho mỏi thành phần sinh học như: tảo, động vật nổi, vi khuẩn nitrat, vi khuẩn di dưỡng, động vật đáy và các chất vô sinh khác (3.6a-3.6u) Các phương trình toán học
này là thành phần của phương trình cân bằng chất sinh học
Mô hình sinh thái-chất lượng nước đưa ra trong luận án gồm phương trình cơ bản với các điều kiện ràng buộc, các điểu kiện biên trong của mô hình, phương pháp số
của mô hình Phương pháp số dùng trong luận án đối với bài toán thuỷ động lực là sơ
đồ sai phân dn Preissmann với lưới tính không đều; còn phương pháp phân rã toán tử
ứng dụng để giải bài toán vân chuyển-chuyển hoá vật chất trong sóng Bài toán tải
được giải bằng phương pháp đặc trưng, đưa việc giải số phương trình dạng hyperbolic
vẻ việc tích phân số hai phương trình vị phân thường Bài toán khuếch tán được giải bằng sơ đổ sai phân ấn sáu điểm Các sơ đồ số này cho nghiệm ổn định và hội tụ
Kết quả kiểm nghiệm cho thấy mò hình cho kết quả tính phù ¡hợp với số liệu thực đo Các hệ số của mô hình sinh thái-chất lượng nước, đặc biệt là các kết quả xác định
giá trị các hệ số của mô hình trong Phòng thí nghiệm Vi sinh vật và Cân bằng chất
sinh học (MISTOFF) (xem các bảng TN.1-TN.3) là nguồn tài liệu quan trọng phục vụ
mô hình hoa
- CHƯƠNG 4
KẾT QUÁ NGHIÊN CỨU UNG DUNG MÔ HÌNH SINH THÁI-
CHAT LUONG NUGCCHO HE THONG SONG HONG VA SONG THAI BINH
4.1, Các hệ số của mô hình sinh thái-chất lượng nước sông
Các hệ số trong mô hình sinh thái-chất lượng nước được xác định trong Phòng thí nghiệ vị sinh vật và cân bằng chất sinh học Một số hệ số lấy tham khảo theo kết
quả của các tác giả khác đã công bố Các hệ số này được chuẩn hoá lại bảng phương
pháp thực nghiệm số khi kiểm nghiệm mò hình cho các sông nghiên cứu thuộc hệ thống sông Hồng và sông Thái bình Các hệ số kiến nghị sử dụng cho mô hình sinh thái-chất lượng nước sông được cho trong các bảng 4.1 -4.4 Bang 4.1 Giá trị các hệ số sử dụng trong mỏ hình sinh thái-chất lượng nước sông
: Thông số Kỹ hiểu Cải trị sử dựng Đơn vị
{ Nông độ nị tơ trong táo đị 0,003-0,009 mgN/mgA
Trang 23Bảng 4.2 Giá trị các hệ số sử dụng trong mô hình tảo SốTT :
Thông xố Kỹ hiểu Giá trí xự dụng Don vi
1 Hệ sở tốc độ lắng của tảo G 0,02-0,05 mingay
L
2 | Hệ số tốc độ phát triển lớn max 15-20 ngày”
nhất của tảo, Hy
3 | Hạ số tốc độ hô hấp của tảo y P 0.050-0.080 ngày” 4 | Hệ số tốc độ chết của táo m 0.05 ngày" P 5 Hệ số tốc độ ăn tảo của động an 0.025 ngày”! vật nổi Hz Bảng 4.3 Giá trị các hệ số sử dụng trong mỏ hình động vật nổi Số
rr Thông số Kỹ hiệu Giá trị xử dụng Dan vi
1 Hệ số tốc độ phát triển lớn max 0,1-0,15 ngày” nhất của động vật nổi Hz 2 Hệ số tốc độ hô hấp của động r 0,045 ngày” vật nổi Zz 3 Hệ số tốc độ chết tự nhiên của m 0.005 ngày! động vật nồi £
4 Hệ số tốc độ ăn mỏi của cá đối 7 0.0t ngày”
với đông vật nổi Zz Bang 4.4 Giá trị các hệ số sử dụng trong mô hình vi khudn nitrat Thứ - ¬
ne Thơng xố Ký hiện Giá trị xử dụng Don vi
1 Hệ số tốc độ chết của vi khuẩn m 01 ngày”!
niưat N
2 Hệ số tốc đô phát triển lớn: max 1,2 ngày!
nhất của vĩ khuẩn nitrat Hy
3 | Nhụ cấu ôxy lớn nhất cho quả | MNSL 415-577 ma
trình niữat hoá ở diều kiện
tiêu chuẩn
4.2 Áp dụng để mô phỏng chất lượng nước trong hệ thống sóng Hồng va song Thương
Số liệu biên để mô phỏng dòng chảy dựa trên số liệu lưu lượng tại Trạm thuỷ văn Yên bái, Vụ quang, Hoà bình và số liệu mực nước tại Trạm thuy văn Sơn tây, được do
trong cdc nam 1991, 1992, 1995 và 1997,
Mô hình đã được kiểm định với các số liệu có sẵn của sông Hồng, sông Đà, sông Lo trong thời gian của các năm 1992, 1995 va 1997
Kết quả tính được kiểm chứng với các số liệu đo đạc thực tế cho thấy mô hình
trên có sai số nhỏ hơn 15 %, tuy nhiên kết quả tính động vật nổi có sai số tới 27,58 % Sai số này là chấp nhận được trong thực tế tác nghiệp Mỏ hình đưa ra ở đây có thể
Trang 24Kết quả tính được kiểm chứng với các số liệu đo đạc thực tế cho thấy mỏ hình trên
có thể sử dụng để tính toán và dự báo sinh thái-chất lượng nước trong dòng chảy sông
4.3, Nghiên cứu khả năng tiếp nhận tải lượng ô nhiễm do nước thải trên cơ sở mô
hình sinh thái-chất lượng nước sông
Khả năng chịu tải của một dòng chảy ở một điều kiện thuỷ ván nào đó tức là lượng chất ô nhiễm được phép thải vào dòng chảy mà với lượng thải này chất lượng nước sông xét về mặt sinh hố khơng bị ảnh hưởng đáng kể, tức đạt nồng độ bằng hay dưới mức cho phép ở một khoảng cách cho phép phía dưới nguồn thải Twy nhiên cần
có giả thiết chất ô nhiễm trong nước thải được xáo trộn hoàn toàn với nước sông Để
tính mức độ chịu tải chất ò nhiễm của một dòng chảy, cần dựa vào một số thông số
chính như ĐO, BOD, COD, NO;, PO,, kim loại nặng,
Mô hình bước đầu tính cho một số kịch bản, đó là các thay đổi về quy mô công nghiệp trong các khu vực, sự thay đổi về công suất nguồn thải và nồng độ các chất của nguồn thải trong tương lai đưa vào các sông, kết quả tính cho ta thấy phạm vị ảnh hưởng của nguồn thải tới chất lượng nước sông hiện tại và theo các kịch bản phát triển trong tương lai
Để tính khả năng chịu tải của sông ta phải giải quyết bài toán ngược Với giả thiết vị trí các cửa thải không thay đổi, sau đó tăng dần các tải lượng ô nhiễm vở từng đoạn sông Bằng cách phân tích các kết quả tính của mô hình theo profil nồng độ BOD; đọc
sông theo các phương án tải lượng, từ đây có thể xác định dược tải lượng tối đa của
mỗi nguồn thải mà tại tải lượng đó, nồng độ BOD; trong nước sông vẫn nằm dưới tiêu chuẩn cho phép ngay sau cửa thải
Bằng cách tương tự ta có thể tính được sự phân bố của COD, các chất dinh dưỡng ni tơ, phốt pho, theo các kịch bản quy hoạch Từ đó có thể kiến nghị mức độ xử lý
và biện pháp xử lý nước thải cho các nhà máy xí nghiệp và khu dân cư trước khi xả vào các nguồn nước sông theo các kịch bản phát triển trong tương lai
4.4 Kiến nghị công nghệ xử lý nước thải hợp lý cho các nhà máy thuộc khu vực nghiên cứu trước khi xã vào sông để bảo vệ chất lượng nước sông
Trên cơ sở hiện trạng và quy hoạch phát triển khu công nghiệp, có thể xúc định lưu
lượng, thành phần tính chất nước thải từ các nhà máy xí nghiệp Trên cơ sở các kết
quả điều tra khảo sát tại các nhà máy, xí nghiệp và các cơ sở sản xuất, có thể xác định
tải lượng các chất ô nhiễm trong nước thải của các nhà máy xí nghiệp và tồn khu
cơng nghiệp Chúng tôi đã để xuất một số công nghệ vử lý nước thải phù hợp với Hừng quy mô sản xuất (xử lý chủ yếu bằng công nghệ xử lý bậc II) cho các loại nhà máy: nhà máy giấy: nhà máy Super hoá chất; nhà máy hoá chất; Nhà máy bìa rượu, nước giải khát: nhà máy chế biến thực phẩm, nhà máy đường, Nhà máy dệt nhuộm, nhà ;máy cơ khi
Kết luận chương 4
Các hệ số trong mô hình sinh thái-chất lượng nước được tổng hợp lại dựa trên các số liệu thu được từ thí nghiệm trong Phòng thí nghiệm vi sinh vật và cân bằng chất
sinh học và trên cơ sở kế thừa, tham khảo các kết quả của các tác giả khác đã công bố
Khi áp dụng cho các sông nghiên cứu của ta, các giá trị này được chuẩn hoá lại bảng các thực nghiệm số Kết quả xác đit giá trị các hệ số được trình bày trong các bảng 41,42, 4.3, 44
Trang 25Mo hình đã được áp dụng để mô phỏng thất lượng nước trong hệ thống sông Hồng
và sông Thương thuộc hệ thống sông Thái bình Các thông số tính toán sử dụng ở đây gồm NH„, NÓ:, NÓ;, BOD, DO, tổng chất rấn vơ cơ hồ tan, sinh khối tdo, ví khuẩn
nhrát và động vật nổi
Kết quả tính đối với sông Hồng được kiểm định với các số liệu đo đạc thực tế trong các năm 1992, 1995, 1997 cho thấy mô hình có độ chính xác đạt yêu cẩu để tác
nghiệp trong thực tế Afô hình trên có thể sử dụng để tính toán và dự báo sinh thái
chất lượng nước trong dòng chảy sông Mô hình là còng cụ để nghiên cứu và kiểm
soát sinh thái-chất lượng nước sông, nhằm đánh giá ảnh hưởng và phạm vi ảnh hưởng của các nguồn nước thải đưa vào sông, phục vụ mục tiêu bảo vệ và sử dụng hợp lý các nguồn nước này cho các yêu cầu phát triển kinh tế như cấp nước, tưới tiêu, nuôi trồng thuỷ sản
Từ mô hình có thể xác định phạm ví ảnh hướng của nguân thải dựa vào việc phản tích kết quả tính trên nroBi của chất tính toán cần quan tâm, từ đó xác định diễn có
thể khai thắc nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp
Mô hình có thể xác định khả năng chịu tải hay tải lượng chất bẩn cha phép đưa
vào sông theo từng chất khác nhau, ví dụ theo DO, BOD,, COD, NO:, PO, Trên cơ sở này, đã kiến nghị công nghệ xứ lý nước thải hợp lý cho các nhà máy xí nghiệp thuộc
khu Phú thọ-Lâm thao-Việt trì trước khi thải vào sông
Mô hình bước dầu dã tính cho một số kịch bản phát triển trong tương lai, đồ là sự thay đổi về vị trí và công suất nguồn thải, sự thay đổi về số lượng điểm thải và chất lượng nguồn thải trong tương lai tại các sông này Bằng công cụ mô hình có thể tính
và dự báo được các thay đổi về sinh thái- chất lượng nước do ảnh hưởng của các
nguồn thải, điều kiện thuỷ ván, các yếu tố tự nhiên, các hoạt động của con người trong lưu vực sông v .v Dựa vào kết quả tính, kiến nghị chỉ nên phát triển công
nghiệp tại khu vực phía dưới Việt trì mà không nên tập trung công nghiệp tại khu vực
phía trên nhà máy giấy Bài bằng
Các kết quả tính ở trên cho thấy với lượng thải vào khu vực sông nghiên cứa như
hiện nay thì chất lượng nước các đoạn sông nghiên cứu vẫn sạch do khả năng tự lầm
sạch của sông lớn Hầu hết các chỉ tiêu chất lượng nước trong sòng đều thấp hơn mức cho phép, trừ độ đục và độ mầu do bản chất tự nhién của sông Việc chọn điểm khai
thắc nước trên sông Hồng chưa bị ràng buộc nhiều vào chế độ thải nước hiện nay
Qua phân tích các kết quả tính có thể kết luận rằng các nguồn thải từ khu công
nghiệp giấy Bãi bằng, khu công nghiệp Super phất phát và hoá chất Lâm thao, khu công nghiệp Việt trì có gây tác động tới chất lượng nước sông Hồng, đặc biệt là tại khu vực ngay phía dưới cửa thải thường đạt giá trị ở mức cao so với các đoạn khác
“Tại các đoạn sông Hồng sau các điểm hợp lưu với sông Đà và sông Lô, do ảnh hưởng
của quá rrình xáo trộn và pha loãng của hai hợp lưu lớn cho nên chất lượng nược sông
Hồng tại các đoạn này được cải thiện đáng kể
Để bảo vệ sông khi công nghiệp phát triển trong tương lai, cẩn có các biện pháp
bảo vệ chất lượng nước sông khu vực nghiên cứu, bao gồm các biện pháp kỹ thuật
cong nghệ, quy hoạch nguồn nước, các chính sách quản lý và giám sát môi trường nước sông
Trang 26KẾT LUẬN ,
Những đóng gếp và kết quả chính của luận ân nÌ Sa:
Thiết lập trong mô hình ma trận cúc thông số ảnh hưởng tương hỗ gồm 33 thông số nhằm đánh giá tương quan của các hiện tượng vật lý, các chuyển hoá sinh hoá học và các quá trình sinh học-sinh thái cũng như các tương tác trao đổi giữa các chất trong nước với các chất trong bùn day trong suốt quá trình chảy Trên cơ sở này xảy dựng sơ đồ cấu trúc tổng quát của mô hình sinh thái-chất lượng nước sông với ba khối là: khối môi trường nước, khối bùn đáy và vàng nước-bùn của sông Các nhóm thông số trong sơ đồ cấu trúc gầm: nhóm thành phần chất lượng nước (NH„,NO,,NO,,PO,, BÓD, DO, ni to hitu co, phét pho hitu ca, chat vdn), nhóm sinh học (tảo, động vật nổi, động vật đáy, ví khuẩn nitrat, vi khudn di dưỡng, có), nhóm các tham số quá trình
Phát triển thiết lập công thức động học tổng quát cho một số quá trình sinh thái và sinh học trong dòng chảy sông như: rốc độ sản xuất bậc Ì, tốc độ giải phóng các
chất từ bàn đáy vào nước, động học quá trình nirat hoá và sự phát triển của vi khuẩn nirat; động học sự phát triển của tảo; động học sự phát triển của động vật
nổi
Phát triển và thiết lập các cơng thức tốn học biểu thị tương quan của các thành
phần sinh học-chất lượng nước chủ yếu trong sông (3.6a)-(3.6u), đã xét đến các tương tác vật lý, hoá học, sinh học, đặc biệt là các quá trình sinh thái và sinh hoc ảnh hưởng đến trạng thái sinh thdi-chdt lượng nước và các thành phân sinh học
trong sông, và các tương tác trao đổi giữa các chất trong nước và trong bùn trong quả trình chảy
Kiến nghị giá trị của 6 hệ số của mô hình sinh thái- chất lượng nước một chiâu cho
các sông nghiên cứu của niên bắc Việt nam, như: Bị, Ö„ỚI, Ở; , uy
các bang 5 (4 1)-(4.4) của chương 4)
Phát triển và xây dựng mỏ hình sinh thái-chất lượng nước cho dòng chảy sông, ghép nối hệ phương trình Sain-Venam và các phương trình cân bằng chất sinh
học (hay phương trình vận chuyển-chuyển hoá vật chất) càng với các điều kiện ràng buộc, có xét đến vùng sông mở rộng và vùng nước lưu ứ rong đồng chảy Mô hình đã được ứng dụng để tính một số thành phần sinh thái-chất lượng nước nhut BOD, DO, NH,, NO», NO,, PO,, tổng các chất vô cơ hoà tan, sinh khối tảo ví khuẩn n¡rat, động vật nổi trong các đoạn thuộc hệ thống sông Hồng và sông Thương Kết quả ứng dụng vào hệ thống sông Hồng cho thấy tính hợp lý của mỏ hình Sai số bình quân g gita do đạc và tính toán nhỏ hơn 15 %, trừ động vật nổi có sai số tính tốn tới 27.58 % Mơ hình có thể ứng dụng cho các sông khác khi có
đầy đủ các dữ liệu cần thiếc
Mô hình có khả năng xác định được ảnh hưởng của nguồn thải phục vụ việc tìm vị trí điểm lấy nước để cấp nước Trên cơ sở mò hình có thể xác định được tải lượng cho phép thải vào sông Trên cơ sở tải lượng này, kiến nghị công nghệ xử ly nước thải cho các nhà máy xí nghiệp trong khu vực Bai bằng-Lam thao-Việt trì trước khi xả vào sông Mô hình là công cụ quan trọng phục vụ việc quản lý và sử dụng hợp lý nguồn nước cho các mục đích khác nhau như cấp nước cho các đò
thị và khu công nghiệp, nuôi trồng thuỷ sản, bảo vệ môi trường,
„ p(xem
Trang 27BU ae VA NHUNG CONG TRINA L 4> a Đăng Xuân tiển, T Đăng
CAC KET QUA CUA LUAN AN BUOC BAO CAO TAI
Seminar ‘abet Wassergtuitermodelie, 21 August, Karlsruhe, Deutchland, 1996 Seminar uber Wasserg3 temodelle +L3, September Aachen Deutschland, 1996
Seminar iber Modellieruny, BfG, 25 September, Koblenz, Deutschland, 1997
Hội aghi Khoa học lân thư L3, Tiường Đại học Xây dựng Hà nội tháng 2, 1998
Hải thảo quốc gia về Môi trường Hà nội, Š-8 tháng ä, 1998,
Hội tháo về Mô hình hố trong Mơi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc giá Hà nội, Hà nội, L9, tháng 3, 1908
EN QUAN DEN LUAN AN DUOC CONC BO TAL 2 Dang Xuân Hiển và CTV Chất lượng nước sông Thương Tập san Khí tượng Thuỷ văn, số tháng 6, pp 39-33, Hà nội, 1993
Đăng Xuân Hiển Đỗ Haải Dương Chất lượng nước hạ dụ sông Đà sau khi hình thành hỏ chứa Hoà bình Háo cáo Khoa học tại Hội thảo Quốc giá về hồ chứa Hoà
bình Hà nội , tháng LI ¡993
Đặng Xuân Hiển Mô phòng toán học Ninate (NÓ) nong sông Báo cáo Đề tài nghiên cứu Khoa học cấp Bê, Tổng cục Khí tượng Thuỷ vấn Hà nói, thang 1, 1895 Buen, N.Hien, Ð.X Miederschláge und AbfuBdsinulaien mm Àfselgeb Beiräse zum Kolloquiurn Gewásserekosystem, Juni, pp !0-33 Kotienz, Deutschland, 1995 Milller.D., Hien, D X., Scholl unter Bericksichtigung d a WisserschafHicne Referate, Liv 92, Baja-Ungam 1996
Đăng Xuân Hiển, Trần Hiếu Nhua Cong nghé tính toán và dự hảo chất lượng nước song Báo cío khoa học rai Hội thao Khoa học lần chứ 12 Trrong Đại học Xây dựng Hà nội tháng 2, ¡998 :
Dang Xuân HH i a Nhe
cửa sông › cáo Khoa học tại Hội thảo Khoa hoe lần thử L2,
dung Ha adi, chang 2, 1998,
tết,
der BRG an der Saar Konierenz der Í2,
¢
\ Erprobuag des Giitemodall: mags durch Dreissena Proc 31
logische Berichte Donau 3 Augus, pp 87- Tương nic ar hos > § = = % 4 3 a a 3 3 3 S 3 a 5 LOW tưng Xuận Hiển, Mô nình sở mộ phòng NÓ trong song và hệ thong công, Tạp chí Khí tượng Thuy ván, [SSN 0866-8744, pp.36 7/999
Đáng Xuân Hiển Mô hình mê phỏng sinh thái và mỏi số qua ve sink học wong
dềng chảy song Tạp chí Khí tượng Thuy van, ISSN 0896-5 745, ain Hiểu Nhé Mô hình số mo phỏng sự phá! 19¢9 đồng chảy sông, Tp chí Xây dung, pp.24-27, số tháng 7/ toán học quá trình n;at trong % a 12, số tháng 7/1999
Trần Hiểu Nhuệ Đăng én Mod hinh sở mỏ phòng chấi lượng t, Thị xã Hai dưa 40 hi Tioat dòng Khoa hoe Giri bai thing 53-1909) Dang Xudin Hién Mo hinh số mỏ phòng sự vận chuyén ends trong sony
song Tap chi Thuy ioi (Gui bai tining 6-999)
rap chi Người
THis: ving Ke
đồng
Xuân Hiển Miõ hình số mô phòng xự nhát triển của táo trong cửa sống, Tạp