Nghiên cứu đánh giá khả năng chịu tải của môi trường nước phục vụ quy hoạch bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn nước lưu vực sông nhuệ đáy

Qua phân tích tình hình quan trắc chất lượng nước, thu thập và xử l ý thông tin môi trường tại các cơ quan như: Sở Tài nguyên và Môi trường của các tỉnh nằm trên lưu vực sông Nhuệ - sông

- -

NGUYỄN THỊ KIM OANH

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI

CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC PHỤC VỤ QUY HOẠCH BẢO VỆ

VÀ SỬ DỤNG HỢP LÝ NGUỒN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS ĐẶNG XUÂN HIỂN

Hà Nội - 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày 10 tháng 9 năm 2012

HỌC VIÊN

Nguyễn Thị Kim Oanh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC BẢNG x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI Ô NHIỄM CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG VÀ MÔ HÌNH MIKE 11 6

1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC THUỘC LĨNH VỰC LUẬN VĂN 6

1.1.1 Ngoài nước 6

1.1.2 Trong nước: 7

1.2 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG 9

1.2.1 Các khái niệm về sức chịu tải 9

1.2.2 Phương pháp đánh giá sức chịu tải môi trường nước 10

1.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MIKE 11 12

1.3.1 Cơ sở lý thuyết mô hình mưa – dòng chảy (NAM) 13

1.3.1.1 Cấu trúc mô hình NAM 13

1.3.1.2 Các thông số cơ bản của mô hình NAM 14

1.3.1.3 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến dòng chảy trong mô hình NAM 16

Lượng trữ bề mặt: 16

1.3.1.4 Điều kiện ban đầu của mô hình 19

1.3.1.5 Hiệu chỉnh thông số mô hình 20

1.3.2 Cơ sở lý thuyết mô hình thủy lực (mô đun thủy lực) 20

1.3.3 Cơ sở lý thuyết mô hình chất lượng nước (mô đun truyền tải khuếch tán và mô đun sinh thái) 22

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY 25

2.1 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 25

2.1.1.Vị trí địa lý 25

2.1.2.Đặc điểm địa hình 25

2.1.3.Đặc điểm khí tượng, thủy văn 27

2.2 ĐIỀU KIỆN KINH TẾ - XÃ HỘI 29

2.2.1.Dân số 29

2.2.2.Hiện trạng kinh tế - xã hội 30

2.2.3.Mục tiêu, chiến lược phát triển KTXH tại các địa phương 31

2.3 HIỆN TRẠNG CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY 32

2.3.1 Giá trị hàm lượng oxy hòa tan (DO) 32

2.3.2.Giá trị BOD5 32

2.3.3 Giá trị COD 33

2.3.4 Giá trị NH4+ 34

2.3.5 Giá trị Coliform 35

2.3.6 Nhận xét: 35

CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG MÔ HÌNH ĐỂ TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY 37

3.1 HIỆN TRẠNG SỐ LIỆU 37

3.1.1.Số liệu mặt cắt và thủy văn 38

3.1.2.Số liệu chất lượng nước 41

3.2 TÍNH TOÁN DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỆ THỐNG SÔNG NHUỆ - ĐÁY 42

3.2.1 Áp dụng mô hình NAM khôi phục lưu lượng tại biên đầu vào cho mô hình thuỷ lực và chất lượng nước 42

3.2.2 Áp dụng mô hình MIKE 11 tính toán thuỷ lực lưu vực sông Nhuệ - Đáy 45

3.2.2.1.Hiệu chỉnh mô hình thủy lực 47

3.2.2.2.Kiểm nghiệm mô hình 51

iv

3.2.3 Áp dụng mô hình MIKE 11 tính toán chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ

sông Đáy 54

3.2.3.1 Mục tiêu 54

3.2.3.2 Các bước ứng dụng 54

3.2.3.3 Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình 55

3.3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 DỰ BÁO DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỆ THỐNG SÔNG NHUỆ - ĐÁY 62

3.3.1 Dự báo tải lượng ô nhiễm 62

3.3.1.1 Tải lượng phát thải trên lưu vực 62

3.3.1.2.Dự báo tải lượng theo kịch bản phát triển kinh tế đến năm 2015 mà không được xử lý 64

3.3.2 Đánh giá diễn biến chất lượng nước hệ thống sông Nhuệ - Đáy theo các kịch bản 71

3.4 KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC SÔNG NHUỆ - SÔNG ĐÁY 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 84

KH&CN Khoa học và công nghệ

vi

DANH MỤC HÌNH

Hình 2-1: Cấu trúc của mô hình NAM 16

Hình 2-1 Bản đồ hành chính lưu vực sông Nhuệ - Đáy 26

Hình 2-2: Phân bố dòng chảy trung bình tháng (m3/s) - trạm Ba Thá (1961-1980) 28

Hình 2-3.Giá trị DO trong năm 2009 và 2010 trên sông Nhuệ 32

Hình 2-4.Giá trị DO trong năm 2009 và 2010 trên sông Đáy 32

Hình 2-5.Giá trị BOD5 trong năm 2009 và 2010 trên sông Nhuệ 33

Hình 2-6.Giá trị BOD5 trong năm 2009 và 2010 trên sông Đáy 33

Hình 2-7.Giá trị COD trong năm 2009 và 2010 trên sông Nhuệ 34

Hình 2-8.Giá trị COD trong năm 2009 và 2010 trên sông Đáy 34

Hình 2-9.Giá trị NH4+ trong năm 2009 và 2010 trên sông Nhuệ 34

Hình 2-10.Giá trị NH4+ trong năm 2009 và 2010 trên sông Đáy 34

Hình 2-11.Giá trị Coliform trong năm 2009 và 2010 trên sông Nhuệ 35

Hình 2-12 Giá trị Coliform trong năm 2009 và 2010 trên sông Đáy 35

Hình 3-1: So sánh giữa kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình mưa – dòng chảy với số liệu lưu lượng thực đo, trạm Hưng Thi, năm 1973-1975 44

Hình 3-2: So sánh giữa kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình mưa – dòng chảy với số liệu lưu lượng thực đo, trạm Ba Thá, năm 1976-1978 44

Hình 3-3: So sánh giữa kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình mưa – dòng chảy với số liệu lưu lượng thực đo, trạm Hưng Thi, năm 1976-1977 45

Hình 3-4: So sánh giữa kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình mưa – dòng chảy với số liệu lưu lượng thực đo, trạm Ba Thá, năm 1972-1973 45

Hình 3-5: Sơ đồ mặt cắt hệ thống sông Nhuệ - Đáy sử dụng để tính toán trong mô hình MIKE11 47

Hình 3-6 Sơ đồ mạng sông tính toán 49

Hình 3-6: So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Hà Nội tháng 11/2006 đến tháng 5/2007 50Hình 3-7: So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Hưng Yên tháng 11/2006 đến tháng 5/2007 50Hình 3-8: So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Phủ Lý tháng 11/2006 đến tháng 5/2007 51Hình 3-9: So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Ninh Bình tháng 11/2006 đến tháng 5/2007 51Hình 3-10: So sánh kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Hà Nội tháng 11/2007 đến tháng 5/2008 52Hình 3-11: So sánh kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Hưng Yên tháng 11/2007 đến tháng 5/2008 53Hình 3-12 So sánh kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Phủ Lý tháng 11/2007 đến tháng 5/2008 53Hình 3-13: So sánh kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Phủ Lý tháng 11/2007 đến tháng 5/2008 54Hình 3-14: So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ DO với số liệu thực

đo, dọc theo sông Đáy, tháng 11/2006 56Hình 3-15: So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ DO với số liệu thực

đo, dọc theo sông Nhuệ, tháng 11/2006 56Hình 3-16: So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ BOD với số liệu thực đo, dọc sông Đáy, tháng 11/2006 57Hình 3-17: So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ BOD với số liệu thực đo, dọc sông Nhuệ, tháng 11/2006 57Hình 3-18: So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh tổng Nitơ với số liệu thực đo, dọc sông Đáy, tháng 11/2006 58

Hình 3-19: So sánh kết quả tính toán hiệu chỉnh tổng Nitơ với số liệu thực đo, dọc sông Nhuệ, tháng 11/2006 58Hình 3-20: So sánh kết quả tính toán kiểm nghiệm DO với số liệu thực đo, dọc sông Đáy, tháng 3/2008 59Hình 3-21: So sánh kết quả tính toán kiểm nghiệm DO với số liệu thực đo, dọc sông Nhuệ, tháng 3/2008 59Hình 3-22: So sánh kết quả tính toán kiểm nghiệm BOD với số liệu thực đo, dọc sông Đáy, tháng 3/2008 60Hình 3-23: So sánh kết quả tính toán kiểm nghiệm BOD với số liệu thực đo, dọc sông Nhuệ, tháng 3/2008 60Hình 3-24: So sánh kết quả tính toán kiểm nghiệm nồng độ tổng Nitơ với số liệu thực đo, dọc sông Đáy, tháng 3/2008 61Hình 3-25: So sánh kết quả tính toán kiểm nghiệm nồng độ tổng Nitơ với số liệu thực đo, dọc sông Nhuệ, tháng 3/2008 61Hình 3.26 Tỷ lệ các nguồn thải tính theo lưu lượng thải của LVS Nhuệ - Đáy63Hình 3.27 Tỷ lệ lượng nước thải của các tỉnh/TP trong LVS Nhuệ - Đáy 63Hình 3-28: Nồng độ BOD dự báo năm 2015 với hiện trạng (2008) dọc theo sông Đáy – KB 1, KB 2, KB 3 71Hình 3-29: Nồng độ DO dự báo năm 2015 với hiện trạng (2008) dọc theo

sông Đáy – KB 1, KB 2, KB 3 72Hình 3-30: Nồng độ N tổng dự báo năm 2015 với hiện trạng (2008) dọc theo sông Đáy – KB 1, KB 2, KB 3 72Hình 3-31: Nồng độ BOD dự báo năm 2015 với hiện trạng (2008) dọc theo sông Nhuệ – KB 1, KB 2, KB 3 73Hình 3-32: Nồng độ DO dự báo năm 2015 với hiện trạng (2008) dọc theo

sông Nhuệ – KB 1, KB 2, KB 3 73

ix

Hình 3-33: Nồng độ N tổng dự báo năm 2015 với hiện trạng (2008) dọc theo

sông Nhuệ – KB 1, KB 2, KB 3 74

Hình 3-34:Diễn biến nồng độ DO trên sông Nhuệ 74

Hình 3-35:Diễn biến nồng độ BOD5trên sông Nhuệ 74

Hình 3-36:Diễn biến nồng độ NH4+trên sông Nhuệ 75

Hình 3-37: Diễn biến nồng độ NO3-trên sông Nhuệ 75

Hình 3-38: Diễn biến nồng độ DO trên sông Nhuệ 76

Hình 3-39:Diễn biến nồng độ BOD5trên sông Nhuệ 76

Hình 3-40:Diễn biến nồng độ NH4+trên sông Nhuệ 76

Hình 3-41:Diễn biến nồng độ NO3-trên sông Nhuệ 76

Hình 3-42:Diễn biến nồng độ DO trên sông Nhuệ 77

Hình 3-43:Diễn biến nồng độ BOD5trên sông Nhuệ 77

Hình 3-44:Diễn biến nồng độ NH4+trên sông Nhuệ 77

Hình 3-45:Diễn biến nồng độ NO3-trên sông Nhuệ 77

x

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2-1 Dân số các đô thị trong LVS Nhuệ- Đáy đến 01/4/2009 29

Bảng 2-2 Một số chỉ tiêu KTXH chính của các tỉnh, thành phố ở lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy đến năm 2015, định hướng đến 2020 31

Bảng 3-1: Danh sách các trạm thuỷ văn trên lưu vực sông Nhuệ, sông Đáy có sử dụng số liệu lưu lượng 39

Bảng 3-2: Các trạm đo mưa và bốc hơi được sử dụng để tính toán dòng chảy tại các trạm thượng nguồn sông Đáy, sông Hoàng Long 40

Bảng 3-3: Thời gian và mục đích sử dụng số liệu tại các trạm thuỷ văn trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy 40

Bảng 3-4: Giá trị các thông số mô hình mưa- dòng chảy (NAM) cho các lưu vực sông 43

Bảng 3-5: Kết quả hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình mưa - dòng chảy 44

Bảng 3-6: Hiệu quả của hiệu chỉnh mô hình 49

Bảng 3-7: Hiệu quả và sai số của kiểm định mô hình 52

Bảng 3.7 Hiện trạng tải lượng chất ô nhiễm và tổng lượng nước thải của các nguồn gây ô nhiễm tiềm tàng trên LVS Nhuệ - Đáy 62

Bảng 3.8 Tổng tải lượng chất ô nhiễm từ nguồn thải sinh hoạt trong LVS Nhuệ - Đáy theo kịch bản đến năm 2015 (mùa kiệt) 64

Bảng 3.9 Tổng tải lượng chất ô nhiễm và lượng nước thải từ nguồn Công nghiệp trong LVS Nhuệ - Đáy theo kịch bản đến năm 2015, mùa kiệt 65

Bảng 3.10.Tổng tải lượng chất ô nhiễm và lượng nước thải từ nguồn nông nghiệp trong LVS Nhuệ - Đáy đến năm 2015, mùa kiệt 67

Bảng 3.11 Tổng lượng nước thải theo kịch bản phát triển kinh tế xã hội đến năm 2015 và không được xử lý 68

xi

Bảng 3.12: Tổng lượng nước thải theo kịch bản phát triển kinh tế xã hội đến năm 2015 và xử lý được 60% 69Bảng 3.13: Tổng lượng nước thải theo kịch bản phát triển kinh tế xã hội đến năm 2015 và xử lý được 80% 69Bảng 3-14 Khả năng chịu tải của nước sông (kg/ngày) theo các kịch bản- QCVN loại B1 79

1

MỞ ĐẦU

Lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy nằm ở hữu ngạn sông Hồng với diện tích tự nhiên khoảng 7665 km2, dân số năm 2006 là 10.304.100 người.Lưu vực có toạ độ địa lý từ 200 - 21020' vĩ độ Bắc và 1050 - 106030' kinh độ Đông, bao gồm các tỉnh, thành phố sau: Hoà Bình, Hà Nội, Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình

Trong những năm gần đây, tình hình phát triển kinh tế - xã hội trong lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy diễn ra rất mạnh mẽ, đem lại nhiều lợi ích to lớn cho nền kinh tế quốc dân, nộp ngân sách nhà nước hàng trăm tỷ đồng, góp phần nâng cao đời sống cho người dân, giải quyết công ăn việc làm cho một số lượng lớn người lao động Tuy nhiên, ngoài những lợi ích mang lại thì tình trạng ô nhiễm do những mặt trái của các hoạt động trên gây ra đang ở mức báo động Môi trường nói chung

và môi trường nước nói riêng trong khu vực đang bị ô nhiễm nghiêm trọng gây ảnh hưởng đến sức khoẻ người lao động, dân cư cũng như đến hệ sinh thái cảnh quan trong vùng Các báo cáo gần đây cho thấy toàn lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy phải tiếp nhận lượng nước thải khoảng 800.000 m3/ngày đêm, trong đó nguồn nước thải riêng khu vực Hà Nội cũ (chưa mở rộng) chiếm trên 50% lượng nước thải Lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy là một trong 3 lưu vực sông đang bị ô nhiễm nghiêm trọng ở nước ta Các con số thống kê còn cho thấy có hơn 700 nguồn thải: công nghiệp, làng nghề, bệnh viện, sinh hoạt thải vào sông Nhuệ - Đáy, hầu hết không qua xử lý, gây ô nhiễm nghiêm trọng Qua phân tích tình hình quan trắc chất lượng nước, thu thập và xử l ý thông tin môi trường tại các cơ quan như: Sở Tài nguyên và Môi trường của các tỉnh nằm trên lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy, các trung tâm thông tin địa chất, lâm nghiệp, các trung tâm viễn thám thuộc các Bộ/ngành và các địa phương có thể thấy chất lượng nước sông Nhuệ, Đáy bị ô nhiễm cao với các chỉ

số DO, COD, BOD5, NH4

+

, Coliform đều vượt nhiều lần tiêu chuẩn cho phép Diễn biến của tình trạng ô nhiễm không có dấu hiệu được cải thiện mà còn tăng lên

Các tác động mạnh mẽ nhất đến môi trường lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy

là do các hoạt động phát triển KT – XH như hoạt động của các khu công nghiệp,

2

sản xuất làng nghề, khu khai thác và chế biến, các tụ điểm dân cư Sự ra đời và hoạt động của hàng loạt các khu công nghiệp thuộc các tỉnh, thành phố, các hoạt động tiểu thủ công nghiệp trong gần 400 làng nghề, các xí nghiệp kinh tế quốc phòng cùng với các hoạt động khai thác, chế biến khoáng sản, canh tác trên hành lang thoát lũ, chất thải bệnh viện, trường học làm cho môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng ngày càng xấu đi, nhiều đoạn sông đã bị ô nhiễm tới mức báo động

Mặt khác, nhu cầu sử dụng nước ngày càng cao và mở rộng do sự phát triển

KT - XH, trong khi môi trường nước trên các sông thuộc lưu vực đang bị ô nhiễm nặng nề Trong tương lai, chuỗi đô thị dọc bờ hữu sông Tích phát triển cũng đòi hỏi thêm nhu cầu nước cho khu vực này không những để đáp ứng mục đích sử dụng cho các hộ dùng nước mà còn đòi hỏi nguồn nước để duy trì hệ sinh thái, pha loãng

để hạn chế ô nhiễm nguồn nước trước khi tập trung đổ vào sông Đáy Điều này đòi hỏi cần sớm kiểm kê các nguồn thải, đánh giá diễn biến môi trường, nhất là môi trường nước mặt, xác định tải lượng và thành phần nước thải, từ đó các chỉ tiêu giới hạn về an toàn môi trường sẽ được xác định và sử dụng làm cơ sở cho tính toán khả năng chịu tải của môi trường cũng như các ngưỡng an toàn cho môi trường nước tại lưu vực sông Các chỉ tiêu lý hóa học của chất lượng nước, các sinh vật chỉ thị theo các Tiêu chuẩn (TCVN) cũng được ứng dụng để đánh giá sức chịu tải môi trường Qua đó đề xuất các giải pháp nhằm quản lý và khắc phục tình trạng ô nhiễm môi trường nước lưu vực sông Nhuệ- sông Đáy

Chính vì vậy, việc lựa chọn nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu đánh giá khả năng chịu tải của hệ sinh thái phục vụ quy hoạch bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy” là hết sức cần thiết và cấp bách nhằm dự đánh giá

dự báo ngưỡng chịu tải của sông Nhuệ - Đáy, từ đó giúp các nhà quản lý có căn cứ

để đưa ra những chính sách cụ thể nhằm bảo vệ môi trường trên lưu vực sông Nhuệ

- Đáy và định hướng quy hoạch phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường trong thời gian tới

3

Mục đích của đề tài, các vấn đề giải quyết:

nước sông và khả năng chịu tải của môi trường nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy

- Nghiên cứu tổng quan phương pháp mô sinh hoá ứng dụng để tính toán và

mô phỏng sinh thái- chất lượng nước sông

- Áp dụng mô hình để tính toán cho khu vực nghiên cứu; trên cơ sở kết quả nghiên cứu có đề xuất các biện pháp kỹ thuật tổng hợp, định hướng quy hoạch sử dụng, khai thác và bảo vệ nguồn lợi của con sông này

Địa điểm và phạm vi thực hiện

Nhiệm vụ được thực hiện trên lưu vực sông Nhuệ- sông Đáy bao gồm các tỉnh, thành phố trực thuộc trung ương: Hòa Bình, Hà Nội, Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình

Lưu vực sông Nhuệ - Đáy khá phức tạp, gồm nhiều lưu vực riêng của các chi lưu như sông Tích, sông Thanh Hà, sông Hoàng Long, sông Châu Giang, sông Sắt, sông Đào, … Do vậy, trong phạm vi thực hiện nhiệm vụ chỉ tiến hành phân tích, đánh giá khả năng tiếp nhận và đồng hóa các chất ô nhiễm môi trường nước trên 2 sông chính là sông Nhuệ và sông Đáy

Phương pháp thực hiện

+ Phương pháp thống kê: phân tích hệ thống và kế thừa các tài liệu đã có nhằm thống kê các nguồn thải, phân tích đánh giá các tác nhân gây ô nhiễm môi trường và

4

tính toán tải lượng thải vào lưu vực sông Nhuệ - Đáy

+ Phương pháp điều tra, khảo sát đo đạc ngoài hiện trường: được thực hiện theo tuyến, điểm đặc trưng nhằm bổ sung tài liệu và kiểm tra kết quả nghiên cứu Các kết quả đo đạc khảo sát sẽ bổ sung cho bức tranh hiện trạng môi trường, đồng thời là các

dữ liệu đầu vào cho các mô hình tính toán dự báo chất lượng môi trường nước

+ Phương pháp đánh giá nhanh: trên cơ sở hệ số ô nhiễm do tổ chức y tế Thế giới thiết lập nhằm ước tính tải lượng các chất ô nhiễm từ các hoạt động kinh tế xã hội trên hệ thống sông Nhuệ - Đáy

+ Phương pháp viễn thám, bản đồ và hệ thống thống tin địa lý nhằm theo dõi, đánh giá hiện trạng và diễn biến môi trường toàn lưu vực sông Lưu trữ và cập nhật các thông tin dữ liệu bản đồ

+ Phương pháp kế thừa: Kế thừa các kết quả nghiên cứu của các chương trình, dự án trước đây thuộc lưu vực sông Cầu phục vụ cho công tác nghiên cứu của nhiệm vụ

+ Phương pháp ứng dụng mô hình toán: được sử dụng trong việc đánh giá và

dự báo các tác động của mỗi kịch bản đề xuất nhằm lựa chọn phương án tối ưu

+ Phương pháp thực nghiệm số trị: dùng để tính toán và hiệu chỉnh mô hình

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

-Xác định được tải lượng ô nhiễm và mức độ xử lý nước thải cần thiết của các điểm xả nước thải tập trung trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy

-Làm cơ sở để đề xuất được giải pháp tổng hợp bảo vệ môi trường lưu vực sông Nhuệ - Đáy

-Tổng hợp được những vấn đề lý thuyết và thực nghiệm

*Các lợi ích mang lại và các tác động của kết quả nghiên cứu

5

- Đối với lĩnh vực KH&CN có liên quan: Trên cơ sở đánh giá ngưỡng chịu

tải ô nhiễm các đoạn sông có thể đề xuất được các biện pháp tổng hợp bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn nước sông Nhuệ - Đáy

- Đối với nơi ứng dụng kết quả nghiên cứu: Các số liệu và thông tin tường

minh, dễ sử dụng

- Đối với kinh tế - xã hội và môi trường: góp phần vào việc định hướng lập

quy hoạch bảo vệ môi trường trên lưu vực sông và sử dụng hợp lý tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy

Năm 2002, Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ đã tiến hành một nghiên cứu về sức chịu tải môi trường cho 4 thị trấn, đặc biệt là đánh giá sức chịu tải cho môi trường nước 4 hồ

Các nghiên cứu về sức chịu tải của môi trường nước ở Trung Quốc bắt đầu vào năm 1980 Giai đoạn đầu Trung quốc đã thảo luận và áp dụng các phương pháp tiếp cận toán học khác nhau như mô hình chất lượng nước và quá trình tự làm sạch

để xây dựng tiêu chuẩn chất lượng môi trường nước.Các dự án này bao gồm đánh giá chất lượng môi trường các vùng ngoại ô phía Đông Nam Bắc Kinh, Hoàng Hà ở Quảng Châu, sông Đồ Môn, sông Tùng Hoa, sông Lệ Giang

Có nhiều nghiên cứu về khả năng tự làm sạch của các sông nhờ các yếu tố động lực học, sinh học và về quá trình pha loãng, chuyển hoá các chất ô nhiễm trong sông hồ Các mô hình chất lượng nước được phát triển từ đầu thế kỷ thứ XX Hiện nay các mô hình chất lượng nước tập trung vào các vấn đề kiểm soát độc tố và sinh thái chất lượng nước Đối với nhiều nước như Hoa Kỳ, Hà Lan, Đức, Đan Mạch, Ấn độ, Trung quốc, vấn đề ô nhiễm và xử lý nước thải bảo vệ các lưu vực sông được nghiên cứu nhiều Các vấn đề ô nhiễm sông được nghiên cứu dựa vào việc đánh giá khả năng tự làm sạch để từ đó thiết lập các mô hình kiểm soát chất lượng nước sông Một số mô hình kiểm soát chất lượng nước sông vùng đồng bằng thuộc các đề án của Ngân hàng Thế giới (WB) là các mô hình MIKE11 của Viện Thuỷ lực Đan Mạch để quản lý chất lượng nước sông Yangtze và sông Chang

7

Jialing (Trung Quốc) năm 1998, mô hình DIVAST của Binnie&Parttners dùng để kiểm soát ô nhiễm việc xả nước thải 2 triệu m3/ngày ra vịnh Bombay (Ấn Độ), các

mô hình QUAL 2E, QUAL2E-UNCAS và WASP4 của Cục Bảo vệ môi trường Hoa

Kỳ để quản lý chất lượng nước sông ở nhiều nơi trên thế giới Dựa vào các mô hình chất lượng nước có thể xác định được ngưỡng chịu tải các đoạn sông Tuy nhiên, độ tin cậy của các mô hình phụ thuộc vào việc hiệu chỉnh và kiểm chuẩn trên cơ sở các

số liệu thu thập, khảo sát tại hiện trường Vì vậy, chưa có một mô hình nào vạn năng, có thể ứng dụng cho tất cả các sông

1.1.2 Trong nước:

Lưu vực sông Nhuệ - Đáy là lưu vực quan trọng nhất trong hệ thống sông Thái Bình, có vị trí địa lý đặc biệt, đa dạng và phong phú về tài nguyên cũng như về lịch sử phát triển kinh tế - xã hội Tuy nhiên, trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội, trong đó đặc biệt là các hoạt động công nghiệp, hoạt động sinh hoạt và hoạt động của các làng nghề… trên toàn bộ lưu vực đã tạo nên những tác động hết sức sâu sắc đến nguồn nước, môi trường cảnh quan lưu vực sông Nhuệ - Đáy, vì vậy cần phải có những giải pháp tổng hợp để quản lý và sử dụng hợp lý tài nguyên nước

Trong hơn một thập kỷ qua, các nghiên cứu về mô hình chất lượng nước tại Việt Nam chủ yếu phát triển theo các hướng sau:

- Sử dụng mô hình chất lượng nước nước ngoài chuyển giao hoặc từ các nguồn khác nhau;

- Xây dựng mô hình tính toán lan truyền và chuyển hoá chất ô nhiễm cho một đối tượng cụ thể trên cơ sở các dữ liệu đầu vào khảo sát và thu thập được

Trong cả hai trường hợp trên, mô hình chất lượng nước chủ yếu tập trung cho các con sông chính của Việt Nam như:

+ Mô hình WQ97 mô phỏng sự thay đổi BOD&DO trên hệ thống kênh Sài Gòn;

8

+ Sử dụng mô hình STREAM II xác định khả năng chịu tải ô nhiễm của dòng chảy sông Hồng; sử dụng mô hình Qual2E tính toán sự lan truyền và phân bố các chất ô nhiễm từ các hoạt động phát triển trên lưu vực sông Thị Vải;

+ Sử dụng mô hình một chiều để tính toán thay đổi BOD trong hệ thống kênh rạch Tp,HCM; nghiên cứu mô phỏng sinh thái - chất lượng nước phục vụ hợp lý nguồn nước sông, trên cơ sở mô hình Qual2E để mô phỏng chất lượng nước sông; + Ứng dụng mô hình chất lượng nước WASP5 để đánh giá các điều kiện thuỷ lực và tính toán khả năng lan truyền chất trên trục chính sông Nhuệ của Nguyễn Quang Trung (2000);

+ Nghiên cứu mô hình chất lượng nước sông Hương theo các chất dễ phân huỷ…

+ Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 và Mike 21 trong mô phỏng chất lượng nước sông Cầu Trắng – Đà Nẵng Phạm Phú Lâm, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, 2012

+ Ứng dụng mô hình SWAT tính toán số liệu kéo dài dòng chảy lưu vực sông Lục Nam Trương Minh Ngọc, ĐH Khoa học Tự nhiên, 2009

Tại Việt Nam, mô hình CLN chủ yếu tập trung cho các con sông chính như

mô hình WQ97 mô phỏng sự thay đổi BOD&DO trên hệ thống kênh Sài Gòn; sử dụng mô hình STREAM II xác định khả năng chịu tải ô nhiễm của dòng chảy sông Hồng; mô hình QUAL 2 tính toán sự lan truyền và phân bố các chất ô nhiễm từ các hoạt động phát triển trên lưu vực sông Thị Vải; mô hình một chiều để tính toán thay đổi BOD trong hệ thống kênh rạch Tp.HCM (mô hình MIKE 11); nghiên cứu mô phỏng sinh thái - chất lượng nước phục vụ hợp lý nguồn nước sông, trên cơ sở mô hình QUAL 2E để mô phỏng CLN sông

Các mô hình chất lượng nước sông chủ yếu tập trung mô phỏng quá trình chủ đạo trong sông là lan truyền chất ô nhiễm thông qua quá trình pha loãng và xáo trộn Ảnh hưởng của quá trình sinh thái ít được đề cập hoặc chỉ đề cập dưới dạng hệ

9

số ảnh hưởng mà chưa mô phỏng bản chất của quá trình Để tính toán lan truyền ô nhiễm môi trường nước trên các sông, hồ, thường sử dụng một số mô hình như: Qual2, SWAT, CORMIX, Modflow… Hiện nay, một số mô hình như MIKE, SMS đang được nghiên cứu đưa vào áp dụng tính toán chất lượng nước cho các sông

Các đề tài nghiên cứu khoa học nói trên, là những tài liệu rất hữu ích cho nhiệm vụ đặt ra, nó cung cấp cho đề tài tổng quan về những công trình đã nghiên cứu, những luận chứng khoa học, những số liệu về chất lượng nước sông và diễn biến chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy trong nhiều năm qua

1.2 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG

1.2.1 Các khái niệm về sức chịu tải

- Năng lực môi trường (environmental capacity) được định nghĩa bởi GESAMP (1986)1 (Group of Experts on the Scientific Aspects of Marine Pollution) là tính chất của môi trường và khả năng thích nghi của nó trong việc điều tiết một hoạt động nào đó mà không gây ra những tác động môi trường không thể chấp nhận được

- Sức tải của môi trường là giới hạn cho phép mà môi trường có thể tiếp nhận và hấp thụ các chất gây ô nhiễm [Luật BVMT, 2005]

- Ngưỡng chịu tải theo Điều 40 C.F.R2 Khoản 130.2 (f) của Hoa Kỳ định nghĩa là lượng chất ô nhiễm lớn nhất môi trường nước có thể tiếp nhận được mà không làm ảnh hưởng đến tiêu chuẩn chất lượng nước

Tóm lại, sức chịu tải của môi trường nước là khả năng tiếp nhận các loại chất thải tối đa mà vẫn đáp ứng các yêu cầu chất lượng cho những mục đích sử dụng được quy định tại khu vực nghiên cứu (duy trì cân bằng sinh thái, đảm bảo các mức chất lượng cho mục đích tưới tiêu, sinh họat…) Như vậy, theo quan điểm này, sức chịu tải nước sông phụ thuộc trước hết vào khả năng tự làm sạch tự nhiên của các

- Khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước là khả năng nguồn nước có thể tiếp nhận được thêm một tải lượng ô nhiễm nhất định mà vẫn bảo đảm nồng độ các chất ô nhiễm trong nguồn nước không vượt quá giới hạn được quy định trong các quy chuẩn, tiêu chuẩn chất lượng nước cho các mục đích sử dụng của nguồn tiếp nhận

- Mục tiêu chất lượng nước là mức độ chất lượng nước của nguồn nước tiếp nhận cần phải duy trì để bảo đảm mục đích sử dụng của nguồn nước tiếp nhận

- Tải lượng ô nhiễm là khối lượng chất ô nhiễm có trong nước thải hoặc nguồn nước trong một đơn vị thời gian xác định

- Tải lượng ô nhiễm tối đa là khối lượng lớn nhất của các chất ô nhiễm có thể có trong nguồn nước tiếp nhận mà không làm ảnh hưởng đến khả năng đáp ứng mục tiêu chất lượng nước cuûa nguồn tiếp nhận

1.2.2 Phương pháp đánh giá sức chịu tải môi trường nước

Sức chịu tải của sông là sức chịu tải của tự nhiên đối với các hoạt động của con người Con người dựa vào sông để cung cấp cho những nhu cầu sống của mình, đồng thời chính các hoạt động ấy lại làm cho nó bị ô nhiễm và suy thoái Khi lượng thải vượt khả năng tiếp nhận của thủy vực, sức chịu tải vượt ngưỡng và dòng sông trở thành dòng sông chết

Do đó sức chịu tải ô nhiễm được hiểu là thải lượng tối đa các chất ô nhiễm đưa vào nguồn nước mà không làm chất lượng nước vượt quá các giới hạn cho phép Sức chịu tải của thủy vực đối với một số chất ô nhiễm được tính theo IMO/FAO (1986) và Bộ thủy sản – DANIDA/FSPS/SUMA (2005) như sau:

Cp = (

Trong đó:

Cp: Khả năng tải của thủy vực đối với chất nhiễm bẩn I (kg)

R: Tỷ lệ trao đổi nước của thủy vực

V: Thể tích trung bình của thủy vực (m3)

Như vậy sức chịu tải đươc đánh giá là hiệu số của tổng lượng chất ô nhiễm ở mức tiêu chuẩn – tổng lượng chất ô nhiễm hiện tại trong nguồn nước

: được xác định theo tiêu chuẩn nước mặt

: do các số liệu quan trắc rời rậc nên cần một công cụ mô phỏng diễn biến

các thông số chất lượng nước dọc theo dòng chảy Công cụ sử dụng trong luận văn

là MIKE 11

Từ kết quả mô phỏng so sánh với :

: nguồn nước vẫn còn khả năng tiếp nhận các chất ô nhiễm;

: nguồn nước hiện đã vượt mức chịu tải

: nguồn nước đạt ngưỡng chịu tải

Xác định sức chịu tải dựa vào công cụ mô hình hóa được tiến hành như sau:

+ Mô phỏng chất lượng nước hiện tại dựa vào các điều kiện yêu cầu của mô hình

và các dữ liệu thu thập về nguồn thải, tiến hảnh hiệu chỉnh thông số để kết quả mô phỏng chính xác nhất Từ kết quả mô hình thu được:

+ Nồng độ ô nhiễm để so sánh với

+ Tổng lượng chất ô nhiễm tại (ở đây là 3 kịch bản)

+ Từ mức tăng dần tải lượng thải đầu vào đến khi đạt mức

Tổng lượng chất ô nhiễm thêm vào chính là hiệu số giữa lượng chất ô nhiễm ở mức tiêu chuẩn với lượng chất ô nhiễm hiện tại, là sức chịu tải của lưa vực tại mức

tiêu chuẩn cần xác định

1.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MIKE 11

Mô hình MIKE 11 là bộ mô hình 1 chiều được phát triển bởi Viện thủy lực Đan Mạch (DHI) từ mô hình gốc đầu tiên ra đời năm 1972 dùng để mô phỏng thủy lực trong sông MIKE 11 có thể tích hợp nhiều module như module truyền tải – khuếch tán (AD), module chất lượng nước (WQ), module vận chuyển bùn cát (ST)

và module mưa rào – dòng chảy (RR), đây là các mô hình được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới Trong đó, đáng chú ý là các modunle MIKE basin và MIKE 11 Ecolab, đây là hai module được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu thủy vực cũng như là lưu vực sông Trong mô hình MIKE 11, quá trình lan truyền, vận chuyển chất ô nhiễm do ảnh hưởng của các quá trình sinh hóa và vật lý đã được mô phỏng

và tính toán làm cơ sở cho việc tính toán tải lượng ô nhiễm trong sông Module thủy lực trong MIKE 11 mô phỏng động lực cả ở sông và cửa sông và có thể áp dụng cho đoạn sông phân nhánh cũng như các mạng sông phức tạp MIKE 11 cung cấp cho người dùng chuỗi thời gian của dòng chảy, độ sâu và nồng độ của mỗi yếu tố tại mỗi đoạn sông, đồng thời mô hình cũng cung cấp cho người dùng biểu đồ số và các lựa chọn thống kê để hiển thị kết quả MIKE 11 là một bước tiến trong mô hình hóa dòng chảy cũng như chất lượng nước, tuy nhiên nó cũng gặp phải vấn đề phổ biến cho các mô hình phức tạp là cần nhiều số liệu MIKE 11 đã cố gắng khắc phục vấn

đề này bằng cách cho phép người dùng chạy với những mức độ khác nhau nếu quá trình phức tạp Trong tính toán (1 chiều) các quá trình chất lượng nước có liên quan đến những phản ứng sinh hoá, ngoài ảnh hưởng của các phản ứng này gây ra, còn

có ảnh hưởng của các quá trình thuỷ văn thuỷ lực của dòng chảy, do vậy, để giải

quyết vấn đề chất lượng nước trong mô hình MIKE 11, phải đồng thời sử dụng cả hai mô đun đó là mô đun tải - khuyếch tán (AD) và mô đun sinh thái (Ecolab) Trong những trường hợp tính toán các yếu tố không liên quan đến các phản ứng sinh hoá thì chỉ cần sử dụng mô đun truyền tải - khuyếch tán để tính toán, khi đó các hệ số liên quan đến các phản ứng sinh hoá sẽ không được xét đến và mô đun sinh thái (Ecolab) không cần được kích hoạt Các quá trình trao đổi phức tạp xảy ra trong môi trường nước được mô hình hóa và đưa vào modul chất lượng nước của

mô hình MIKE 11 tính toán cho 13 thông số chất lượng nước tương ứng với 6 cấp

độ và các quá trình chuyển hóa khác nhau có liên quan Các giá trị tham số của mô hình chất lượng nước và sinh thái được liệt kê và cho sẵn các giá trị ngưỡng của từng tham số ứng với các mức độ tính toán Điều này đặc biệt có ý nghĩa với việc hiệu chỉnh mô hình khi số lượng thông số là rất nhiều Các lựa chọn để chiết xuất

dữ liệu cho phép lấy và kiểm tra các quá trình chuyển hóa giữa các hợp phần tính toán với nhau Với tính đồng bộ cao, mô hình còn cho phép cập nhật các nguồn thải dưới dạng nguồn điểm hay nguồn diện trên từng đoạn sông

Việc lựa chọn mô hình là khâu đầu tiên rất quan trọng trong phương pháp mô hình toán, nó phụ thuộc vào yêu cầu công việc, điều kiện về tài liệu cũng như tiềm năng tài chính và nguồn nhân lực Trong nghiên cứu này, mô hình tất định (MIKE 11) đã được chọn dựa trên dữ liệu quan trắc và những mục đích của nghiên cứu, ngoài ra còn phải kể đến một số ưu việt của bộ mô hình như:

Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng;

Là bộ phần mềm đã được kiểm nghiệm thực tế;

Cho phép tính toán thủy lực và chất lượng nước với độ chính xác cao;

Giao diện thân thiện, dễ sử dụng;

Có ứng dụng kỹ thuật GIS - một kỹ thuật mới với tính hiệu quả cao

1.3.1 Cơ sở lý thuyết mô hình mưa – dòng chảy (NAM)

1.3.1.1 Cấu trúc mô hình NAM

Mô hình NAM được xây dựng tại Khoa Thuỷ văn Viện Kỹ thuật Thuỷ động lực và Thuỷ lực thuộc Đại học Kỹ thuật Đan Mạch năm 1982 NAM là chữ viết tắt của cụm từ tiếng Đan Mạch “Nedbør - Afstrømnings - Models” có nghĩa là mô hình mưa rào dòng chảy Mô hình NAM đã được sử dụng rộng rãi ở Đan Mạch và một

số nước nằm trong nhiều vùng khí hậu khác nhau như Srilanca, Thái Lan, Ấn Độ và Việt Nam.v.v Trong mô hình NAM, mỗi lưu vực được xem là một đơn vị xử lý, do

đó các thông số và các biến là đại diện cho các giá trị được trung bình hóa trên toàn lưu vực Mô hình tính quá trình mưa-dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng

ẩm trong năm bể chứa riêng biệt có tương tác lẫn nhau

Cấu trúc mô hình NAM được xây dựng trên nguyên tắc các hồ chứa theo chiều thẳng đứng và các hồ chứa tuyến tính, gồm có 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng như Hình 2-1

Bể chứa tuyết tan: được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ở nước ta, không xét đến bể chứa này

Bể chứa mặt: lượng nước ở bể chứa này bao gồm lượng nước mưa do lớp phủ thực vật chặn lại, lượng nước đọng lại trong các chỗ trũng và lượng nước trong tầng sát mặt Giới hạn trên của bể chứa này được ký hiệu bằng Umax

Bể chứa tầng dưới: là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nước cho bốc, thoát hơi Giới hạn trên của lượng nước trong bể chứa này được ký hiệu là Lmax, lượng nước hiện tại được ký hiệu là L và tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa

Bể chứa nước ngầm tầng trên

Bể chứa nước ngầm tầng dưới

1.3.1.2 Các thông số cơ bản của mô hình NAM

Mô hình có các thông số cơ bản sau:

CQOF: Hệ số dòng chảy mặt không có thứ nguyên, có phạm vi biến đổi từ 0.0 đến 0.9, phản ánh điều kiện thấm và cấp nước ngầm Vì vậy nó ảnh hưởng nhiều đến tổng lượng dòng chảy và đoạn cuối của đường rút Thông số này rất quan trọng vì nó quyết

định phần nước dư thừa để tạo thành dòng chảy tràn và lượng nước thấm Các lưu vực có địa hình bằng phẳng, cấu tạo bởi cát thô thì giá trị CQOF tương đối nhỏ, ở những lưu vực

mà tính thấm nước của thổ nhưỡng kém như sét, đá tảng thì giá trị của nó sẽ rất lớn

CQIF: Hệ số dòng chảy sát mặt, có thứ nguyên là thời gian (giờ)-1, chính là phần của lượng nước trong bể chứa mặt (U) chảy sinh ra dòng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian Thông số này ảnh hưởng không lớn đến tổng lượng lũ, đường rút nước

CBL: là thông số dòng chảy ngầm, được dùng để chia dòng chảy ngầm ra làm hai thành phần: BFU và BFL Trường hợp dòng chảy ngầm không quan trọng thì có thể chỉ dùng một trong 2 bể chứa nước ngầm, khi đó chỉ cần CBFL=0, tức là lượng cấp nước ngầm đều đi vào bể chứa ngầm tầng trên

CKOF, CKIF: Là các ngưỡng dưới của các bể chứa để sinh dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm, các thông số này không có thứ nguyên và có giá trị nhỏ hơn 1 Chúng có liên quan đến độ ẩm trong đất, khi các giá trị của ngưỡng này nhỏ hơn L/Lmax thì sẽ không có dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm Về ý nghĩa vật lý, các thông số này phản ánh mức độ biến đổi trong không gian của các đặc trưng lưu vực sông Do vậy, giá trị các ngưỡng của lưu vực nhỏ thường lớn so với lưu vực lớn

Umax, Lmax: Thông số biểu diễn khả năng chứa tối đa của các bể chứa tầng trên và tầng dưới Do vậy, Umax và Lmax chính là lượng tổn thất ban đầu lớn nhất, phụ thuộc và điều kiện mặt đệm của lưu vực Một đặc điểm của mô hình là lượng chứa Umax phải nằm trong sức chứa tối đa trước khi có lượng mưa vượt thấm, khi đó lượng nước thừa sẽ PN

xuất hiện, tức là U< Umax Do đó trong thời kỳ khô hạn, tổn thất của lượng mưa trước khi

có dòng chảy tràn xuất hiện có thể được lấy làm Umax ban đầu

CK1,2, CKBF: là các hằng số thời gian biểu thị thời gian tập trung nước của dòng chảy mặt và sát mặt Chúng là các thông số rất quan trọng, ảnh hưởng đến dạng đường quá trình và đỉnh

Hình 2-1: Cấu trúc của mô hình NAM

1.3.1.3 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến dòng chảy trong mô hình NAM

Lượng trữ bề mặt:

Lượng ẩm bị giữ lại bởi thực vật cũng như được trữ trong các chỗ trũng trên tầng trên cùng của bề mặt đất được coi là lượng trữ bề mặt Umax biểu thị giới hạn trên của tổng lượng nước trong lượng trữ bề mặt Tổng lượng nước U trong lượng trữ bề mặt liên tục bị giảm do bốc hơi cũng như do thấm ngang Khi lượng trữ bề mặt đạt đến mức tối đa, một lượng nước thừa PN sẽ gia nhập vào sông với vai trò là dòng chảy tràn trong khi lượng còn lại sẽ thấm vào tầng thấp bên dưới và tầng ngầm

Lượng trữ tầng thấp hay lượng trữ tầng rễ cây:

Độ ẩm trong tầng rễ cây, lớp đất bên dưới bề mặt đất, tại đó thực vật có thể hút nước để bốc thoát hơi đặc trưng cho lượng trữ tầng thấp Lmax biểu thị giới hạn trên của tổng lượng nước trữ trong tầng này Độ ẩm trong lượng trữ tầng thấp cung cấp cho bốc thoát hơi thực vật Độ ẩm trong tầng này điều chỉnh tổng lượng nước gia nhập vào lượng trữ tầng ngầm, thành phần dòng chảy mặt, dòng sát mặt và lượng gia nhập lại

Bốc thoát hơi nước:

Nhu cầu bốc thoát hơi đầu tiên được thoả mãn từ lượng trữ bề mặt với tốc độ tiềm năng Nếu lượng ẩm U trong lượng trữ bề mặt nhỏ hơn yêu cầu (U

< Ep) thì phần còn thiếu được coi rằng là do các hoạt động của rễ cây rút ra từ lượng trữ tầng thấp theo tốc độ thực tế Ea Ea tương ứng với lượng bốc hơi tiềm năng và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng trữ ẩm trong đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm tầng thấp

Khi lượng trữ bề mặt đã vượt qua ngưỡng (U > Umax), thì lượng nước thừa

PN sẽ phát sinh dòng chảy mặt Thông số QOF đặc trưng cho phần nước thừa PN đóng góp vào dòng chảy mặt Nó được giả thiết là tương ứng với PN và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng trữ ẩm đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm tầng thấp

OF

OF OF

TQ

Trong đó: CQ OF = hệ số dòng chảy mặt (0 ≤ CQOF ≤ 1),

T OF = giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF ≤ 1)

Phần lượng nước thừa PN không tham gia vào thành phần dòng chảy mặt sẽ thấm xuống lượng trữ tầng thấp Một phần trong đó, ∆L, của nước có sẵn cho thấm, (PN-QOF), được giả thiết sẽ làm tăng lượng ẩm L trong lượng trữ ẩm tầng thấp Lượng ẩm còn lại, G, được giả thiết sẽ thấm sâu hơn và gia nhập vào lượng trữ tầng ngầm

Dòng chảy sát mặt

Sự đóng góp của dòng chảy sát mặt, QIF, được giả thiết là tương ứng với U

và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng chứa ẩm của lượng trữ tầng thấp

TQ

Trong đó CKIF là hằng số thời gian dòng chảy sát mặt và TIF là giá trị ngưỡng tầng rễ cây của dòng sát mặt (0 ≤ TIF ≤ 1)

Diễn toán dòng chảy mặt và dòng sát mặt:

Dòng sát mặt được diễn tả qua chuỗi hai hồ chứa tuyến tính với cùng một hằng số thời gian CK12 Diễn toán dòng chảy mặt cũng dựa trên khái niệm hồ chứa tuyến tính nhưng với hằng số thời gian có thể biến đổi

Theo phương trình trên, diễn toán dòng chảy mặt được tính bằng phương pháp sóng động học, và dòng chảy sát mặt được tính theo mô hình NAM như dòng chảy mặt (trong lưu vực không có thành phần dòng chảy mặt) được diễn toán như một hồ chứa tuyến tính

Lượng gia nhập nước ngầm

Tổng lượng nước thấm G gia nhập vào lượng trữ nước ngầm phụ thuộc vào

độ ẩm chứa trong đất trong tầng rễ cây

 L PN QOF G

Dòng chảy cơ bản

Dòng chảy cơ bản BF từ lượng trữ tầng ngầm được tính toán như dòng chảy

ra từ một hồ chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF

1.3.1.4 Điều kiện ban đầu của mô hình

Điều kiện ban đầu mô hình bao gồm:

1 U là lượng nước chứa trong bể chứa mặt (mm)

2 L là lượng nước chứa trong bể chứa tầng dưới (mm)

5 BF - cường suất dòng chảy ngầm (mm/h)

1.3.1.5 Hiệu chỉnh thông số mô hình

Hiệu chỉnh thông số mô hình nhằm xác định các thông số của mô hình sao cho đường quá trình tính toán phù hợp nhất với đường quá trình thực đo Việc hiệu chỉnh các thông số mô hình có thể được tiến hành bằng 2 phương pháp: phương pháp thử sai hoặc phương pháp tối ưu Ở đây sử dụng phương pháp thử sai để dò tìm bộ thông số cho lưu vực cần tính toán Để đánh giá sự phù hợp giữa đường quá trình thực đo và đường quá trình tính toán, đã sử dụng chỉ tiêu NASH

Tóm lại, mô hình NAM được sử dụng để xác định đường quá trình lưu lượng tại mặt cắt cửa ra của lưu vực từ số liệu mưa bằng cách đi tìm một bộ thông số phù hợp với đặc điểm của lưu vực nghiên cứu Để xác định các thông số cần thiết đó, cần phải có số liệu lưu lượng thực đo một vài năm dùng để hiệu chỉnh và kiểm định

mô hình Với bộ thông số này, từ số liệu khí tượng, có thể khôi phục số liệu tại cửa

ra của lưu vực cần nghiên cứu, như là điều kiện biên cho mô hình thuỷ lực

1.3.2 Cơ sở lý thuyết mô hình thủy lực (mô đun thủy lực)

Mô đun mô hình thuỷ động lực (HD) là phần trung tâm của hệ thống mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô đun bao gồm: dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát Mô đun thuỷ lực trong MIKE

11 giải các phương trình tổng hợp theo phương dòng chảy để đảm bảo tính liên tục

và bảo toàn động lượng (hệ phương trình Saint Venant)

Phương trình cơ bản trong mô hình cho dòng không ổn định là hệ phương trình Saint Venant bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng với các giả thiết:

Dòng chảy là dòng một chiều, độ sâu và vận tốc chỉ thay đổi dọc theo lòng dẫn Dòng chảy thay đổi từ từ dọc theo lòng dẫn để áp suất thuỷ tĩnh chiếm ưu thế, gia tốc theo chiều thẳng đứng được bỏ qua

Trục của lòng dẫn được coi như một đường thẳng

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

Có thể áp dụng hệ số sức cản của dòng chảy rối đều, ổn định cho dòng không ổn định để mô tả các tác động của lực cản

Chất lỏng không nén được và có khối lượng không đổi trong toàn dòng chảy

α: Hệ số sửa chữa động lượng

R: Bán kính thuỷ lực (m)

1.3.3 Cơ sở lý thuyết mô hình chất lượng nước (mô đun truyền tải khuếch tán và

mô đun sinh thái)

Ngoài mô đun thuỷ lực (HD) là phần trung tâm của mô hình làm nhiệm vụ tính toán thuỷ lực, MIKE 11 còn cho phép giải quyết vấn đề chất lượng nước

Trong tính toán (1 chiều) các quá trình chất lượng nước liên quan đến những phản ứng sinh hoá, ngoài ảnh hưởng của các phản ứng này gây ra, còn có ảnh hưởng của các quá trình thuỷ văn thuỷ lực của dòng chảy, do vậy, để giải quyết vấn

đề chất lượng nước trong mô hình MIKE 11, phải đồng thời sử dụng mô đun tải - khuếch tán (AD) và mô đun sinh thái (Ecolab) Trong những trường hợp tính toán các yếu tố không liên quan đến các phản ứng sinh hoá thì chỉ cần sử dụng mô đun tải - khuếch tán, khi đó mô đun sinh thái (Ecolab) không cần được kích hoạt

Mô đun tải khuyếch tán

Mô đun tải khuyếch tán (AD) 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 trữ tích lũy, với giả thiết các chất này được hoà tan trộn lẫn, nghĩa là không có thay đổi hay biến động trong cùng mặt cắt và dòng chảy không phân tầng (đồng đẳng)

Phương trình tải - khuyếch tán

q : Lưu lượng nhập lưu trên 1 đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s)

Mô đun sinh thái (Ecolab)

Mô đun sinh thái (Ecolab) trong mô hình MIKE 11 giải quyết khía cạnh chất lượng nước trong sông tại những vùng bị ảnh hưởng bởi các hoạt động dân sinh kinh tế.v.v Mô đun này phải được đi kèm với mô đun tải - khuyếch tán (AD), điều này có nghĩa là mô đun chất lượng nước giải quyết các quá trình biến đổi sinh học của các hợp chất trong sông còn mô đun tải - khuyếch tán (AD) mô phỏng quá trình truyền tải khuyếch tán của các hợp chất đó Trong môi trường nước xảy ra rất nhiều các quá trình trao đổi phức tạp như sự hô hấp

và phân hủy của các loại động thực vật, quá trình hấp thụ nhiệt.v.v Các quá trình này đều được mô phỏng trong mô đun chất lượng nước Việc tác động vào các quá trình này thông qua các hệ số trong mô hình

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

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

Tính toán nhu cầu ôxy sinh hoá (Biological Oxygen Demand – BOD): có thể tính toán các hợp phần BOD riêng rẽ, là BOD lơ lửng, BOD dạng hòa tan trong nước và

BOD trong lớp bùn đáy Mô hình còn cho phép tính toán các quá trình sinh hóa của BOD như quá trình phân rã BOD và các quá trình chuyển hóa giữa các hợp phần BOD

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

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

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

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

Tính toán 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 thông số của mô hình chất lượng nước và sinh thái được liệt

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

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY

2.1 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN

2.1.1.Vị trí địa lý

Lưu vực sông Nhuệ - Đáy nằm ở hữu ngạn sông Hồng với tổng diện tích tự nhiên 7.665 km2 (riêng lưu vực sông Đáy là 6.965 km2), tọa độ địa lý của lưu vực từ

200 đến 21020’ vĩ độ Bắc, và từ 1050 đến 106030’ kinh độ Đông Lưu vực bao gồm:

Các tỉnh Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình

Một phần của thủ đô Hà Nội và bốn huyện của tỉnh Hòa Bình (Lương Sơn, Kim Bôi, Lạc Thủy, Yên Thủy)

Lưu vực được giới hạn như sau: Phía Bắc và phía Đông được bao bởi đê sông Hồng kể từ ngã ba Trung Hà tới cửa Ba Lạt với chiều dài khoảng 240km Phía Tây Bắc giáp sông Đà từ Ngòi Lát tới Trung Hà với chiều dài khoảng 33km Phía Tây và Tây Nam là đường phân lưu giữa lưu vực sông Hồng và lưu vực sông

Mã bởi dãy núi Ba Vì, Cúc Phương - Tam Điệp, kết thúc tại núi Mai An Tiêm (nơi

có sông Tống gặp sông Cầu Hội) và tiếp theo là sông Càn dài 10 km rồi đổ ra biển tại cửa Càn Phía Đông và Đông Nam là biển Đông có chiều dài khoảng 95 km từ cửa Ba Lạt tới cửa Càn

2.1.2.Đặc điểm địa hình

Lưu vực sông Nhuệ - Đáy có địa hình đa dạng, với các vùng núi, đồi và 2/3 diện tích là đồng bằng nên có những thuận lợi để phát triển kinh tế Xét cấu trúc ngang đi từ Tây sang Đông có thể chia địa hình lưu vực sông Đáy thành ba vùng chính là: Vùng núi; vùng đồng bằng và vùng cửa sông ven biển Địa hình lưu vực sông Đáy thấp dần theo hướng Tây Bắc - Đông Nam từ Bất Bạt Trung Hà đến giáp sông Ninh Cơ và biển Chiều rộng trung bình của lưu vực sông Đáy khoảng 60 km Phía hữu ngạn sông Đáy chủ yếu là miền núi, có nhiều dãy núi đá vôi xen kẽ đồi núi đất (các khu đá vôi có nhiều hang động và hiện tượng Karst mạnh), phần đồng bằng

chiếm rất ít và bị chia cắt khá phức tạp Phía tả ngạn sông Đáy là đồng bằng phì nhiêu, thấp dần về phía biển, đất cao thấp không đều nên đã hình thành những vùng trũng Các vùng đất thấp dọc các sông có cao trình khoảng + 10,0 m ở phía Bắc và thấp dần về phía Nam khoảng từ +0,5 m đến +1,0 m Theo điều kiện địa hình cụ thể dọc sông, có thể chia sông Đáy thành các đoạn như sau: Đoạn từ Vân Cốc đến Đập Đáy dài khoảng 12 km có dạng hình phễu, thực tế đây là khu chứa lũ Vân Cốc khi phân lũ Đoạn từ Đập Đáy đến cầu Mai Lĩnh dài 23 km, chiều rộng trung bình giữa hai đê là 3000 m, lòng sông quanh co uốn khúc, trong mùa kiệt không có nguồn sinh thuỷ nên cạn kiệt, mùa lũ nước chủ yếu là nước tiêu chảy tràn trên bãi sông Đoạn Mai Lĩnh - Tân Lang dài 75 km, đây là đoạn đi qua nhiều địa phương và điều kiện khác nhau, lòng sông quanh co uốn khúc nên có thể chia thành hai đoạn cụ thể: Đoạn Mai Lĩnh - Ba Thá dài 27 km có khoảng cách giữa 2 đê khoảng 3000 4000

m, nơi hẹp nhất khoảng 700 m; Đoạn Ba Thá - Tân Lang dài 48 km, khoảng cách 2

bờ biến đổi từ 300  1500m (Từ Trinh Tiết trở xuống chủ yếu là lũ chảy trong lòng sông) Tại Tân Lang địa hình lòng sông thu hẹp rất đáng kể do các dãy núi

Hình 2-1 Bản đồ hành chính lưu vực sông Nhuệ - Đáy

Nguồn:[ http://www.nea.gov.vn]

Đoạn Tân Lang - Gián Khẩu dài 53 km, bờ tả có đê còn bờ hữu là chân núi,

từ bờ sông vào chân núi là những cánh đồng nhỏ thuộc huyện Kim Bảng, Thanh Liêm tỉnh Hà Nam khi gặp lũ lớn thường bị ngập Đoạn từ Gián Khẩu đến biển dài khoảng 82 km lòng sông mở rộng dần biến đổi từ 150  600 m, có một số chỗ bãi

bờ tả khá rộng làm khoảng cách hai đê lên đến 3000  4000 m, đoạn sông này luôn luôn ảnh hưởng của thủy triều

2.1.3.Đặc điểm khí tượng, thủy văn

Đặc điểm khí tượng: Sông Nhuệ nằm trong khu vực mang đầy đủ những

thuộc tính cơ bản của khí hậu miền Bắc Việt Nam đó là nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, mùa đông khá lạnh và ít mưa, mùa hè nắng nóng nhiều mưa tạo nên bởi tác động qua lại của các yếu tố: bức xạ mặt trời, địa hình, các khối không khí luân phiên khống chế

Về chế độ nắng, sông Nhuệ nằm trong miền khí hậu nhiệt đới gió mùa, với lượng bức xạ tổng cộng trung bình năm khoảng 105-120 kcal/cm2 và có số giờ nắng thuộc loại trung bình, đạt khoảng 1600-1750 giờ/năm

Chế độ nhiệt trong khu vực này phân hoá khá rõ rệt theo đai cao trong khu vực nghiên cứu Nhiệt độ trung bình năm ở vùng thấp đạt từ 25 - 270C, vùng đồi núi phía Tây và Tây Bắc nhiệt độ trung bình năm xấp xỉ 240C Chế độ nhiệt của nước phụ thuộc vào chế độ nhiệt của không khí đã ảnh hưởng đến các quá trình hoá lý xảy ra trong nước, nó ảnh hưởng đến đời sống các vi sinh vật và vi khuẩn sống trong nước

Về chế độ gió, mùa đông có hướng thịnh hành là Đông Bắc, tần suất đạt 60 – 70% Một số nơi do ảnh hưởng của địa hình, hướng gió đổi thành Tây Bắc và Bắc, tần suất đạt 25 – 40% Mùa hè các tháng V, VI, VII hướng gió ổn định, thịnh hành

là Đông và Đông Nam, tần suất đạt khoảng 60 - 70% Tháng VIII hướng gió phân tán, hướng thịnh hành nhất cũng chỉ đạt tần suất 20 – 25% Các tháng chuyển tiếp hướng gió không ổn định, tần suất mỗi hướng thay đổi trung bình từ 10 – 15%

Đặc điểm thủy văn: Chế độ dòng chảy của sông Nhuệ phụ thuộc hoàn toàn

vào quy trình của cống Liên Mạc (lấy nước từ sông Hồng), đập Thanh Liệt (lấy nước từ sông Tô Lịch) và một số cống lớn khác dọc sông Nhuệ như Hà Đông, Đồng Quan, Nhật Tựu, Lương Cổ-Diệp Sơn

10.3 11.2 9.7 14.6

29.6 55.8 78.2

113.9 120.8

75.7

38.9

12.8 48.9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Month

Average Flow by Month Average Flow by Year

Q (m 3 /s)

Hình 2-2: Phân bố dòng chảy trung bình tháng (m3/s) - trạm Ba Thá (1961-1980)

Mạng lưới sông ngòi

Lưu vực sông Nhuệ - Đáy nằm ở phía bắc Việt Nam, đi qua địa phận của 2 tỉnh/thành phố bao gồm: Hoà Bình, Hà Nội mở rộng, Hà Nam Sông Nhuệ trước đây vốn là các nhánh phân lưu của sông Hồng

Sông Nhuệ lấy nước từ sông Hồng qua cống Liên Mạc tại khu vực Từ Liêm,

Hà Nội để tưới cho hệ thống thủy nông Đan Hoài với lưu lượng khoảng 30 m3/s Sông Nhuệ còn có nhiệm vụ tiêu nước cho thành phố Hà Nội, thị xã Hà Đông rồi sau đó chảy vào sông Đáy tại thị xã Phủ Lý

Chế độ dòng chảy cạn

Biến đổi của dòng chảy mùa cạn

Mùa cạn dòng chảy của sông Hồng cấp nước cho hơn 72.000 ha đất canh tác,

có thể nói sông Nhuệ đóng vai trò hết sức quan trọng trong phục vụ sản xuất nông nghiệp trên khu vực trong thời kỳ mùa cạn Chế độ thuỷ văn trên sông Nhuệ trong thời kỳ mùa cạn thay đổi và phụ thuộc vào quy trình lấy nước trên hệ thống, tức là hoàn toàn phụ thuộc vào quá trình quản lý và vận hành các công trình có liên quan