Sử dụng phần mềm QUAL2K trong quản lý chất lượng nước tỉnh vĩnh

Lịch sử nghiên cứu: Ở nước ta, mô hình QUAL2K cũng đã được ứng dụng để nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước của một số con sông lớn như: Sông Hương Nguyễn Bắc Giang, 2011; Lưu vực sông

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG 6

DANH MỤC HÌNH 8

MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ MỘT SỐ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG 12

1.1 Tổng quan về tỉnh Vĩnh Phúc 12

1.1.1 Vị trí địa lý [14] 12

1.1.2 Địa hình, địa mạo 13

1.1.3 Tài nguyên rừng 13

1.1.4 Tài nguyên nước mặt [14] 14

1.2 Một số mô hình mô phỏng chất lượng nước sông 14

1.3 Giới thiệu về sông Cà Lồ 18

1.3.1 Lưu vực sông Cà Lồ 18

1.3.2 Nguồn gây ô nhiễm nước mặt sông Cà Lồ 20

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH QUAL2K 23

2.1 Sự phân đoạn trong QUAL2K [16] 23

2.2 Cân bằng lưu lượng [16] 25

2.3 Các đặc tính thủy lực [16] 26

2.4 Mô hình nhiệt độ [16] 27

2.6 Chạy mô hình 30

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 32

3.1 Thu thập các dữ liệu về địa hình, khí tượng thủy văn và khí tượng 32

3.1.1 Các dữ liệu về địa hình 32

3.1.2 Dữ liệu thủy văn, thủy lực 32

3.1.3 Dữ liệu về khí tượng 34

3.1.4 Các thông hệ số động học được sử dụng trong mô hình 35

3.1.5 Chất lượng nước ranh giới thượng nguồn 36

3.2 Kiểm tra sự tương hợp của mô hình QUL2K đối với khu vực nghiên cứu 37

3.2.1 Các nguồn nước thải vào sông Cà Lồ 37

3.2.2 Tính toán dữ liệu các nguồn thải vào sông 39

3.2.3 Chất lượng nước sông Cà Lồ mùa mưa 2013 44

3.2.4 Kết quả mô hình chất lượng nước sông Cà Lồ mùa mưa 2013 44

3.3 Ứng dụng mô hình QUAL2K dự báo chất lượng nước sông Cà Lồ theo các kịch bản 46

3.4 Tính toán mô hình hóa cho các kịch bản 47

3.4.1 Kịch bản 1 47

3.4.2 Kịch bản 2 và Kịch bản 3 53

3.5 Đề xuất một số biện pháp quản lý tổng hợp nguồn nước mặt sông 60

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn này do tôi tự lập nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Trịnh Thành

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong mục Tài liệu tham khảo, ngoài ra tôi không sử dụng bất kì tài liệu nào mà không được liệt kê

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi trình bày trong luận văn này

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

HỌC VIÊN

Đỗ Đình Chính

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời chúc sức khỏe, lời cảm ơn chân thành tới TS Trịnh Thành, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp

Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới toàn thể các thầy cô giáo trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giảng dạy giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn quan tâm, động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

HỌC VIÊN

Đỗ Đình Chính

UBND Ủy ban nhân dân WHO Tổ chức y tế thế giới

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Những chỉ tiêu thái được mô tả trong mô hình [16] 28

Bảng 3.1 Dữ liệu địa hình 32

Bảng 3.2 Dữ liệu thủy văn, thủy lực sông Cà Lồ 32

Bảng 3.3 Lưu lượng nước trung bình theo các tháng và năm của sông Cà Lồ 32

Bảng 3.4 Thông số các đoạn sông 33

Bảng 3.5 Thông số khí tượng đo tại trạm Vĩnh Yên [9] 34

Bảng 3.6 Tốc độ gió trung bình tháng và năm 34

Bảng 3.7 Các hệ số động học 35

Bảng 3.8 Chất lượng nước ranh giới thượng nguồn và hạ nguồn 37

Bảng 3.9 Vị trí các nguồn thải so với cuối đoạn sông Cà Lồ 38

Bảng 3.10 Lượng nước thải sinh hoạt thải vào đoạn sông Cà Lồ 40

Bảng 3.11 Định mức tải lượng các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt 40

Bảng 3.12 Tỷ lệ hộ sử dụng bể tự hoại năm 2013 40

Bảng 3.13 Nồng độ các chất ô nhiễm của các nguồn thải 41

Bảng 3.14 Chất lượng nước thải KCN Bình Xuyên 2013 42

Bảng 3.15 Số lượng vật nuôi ở các khu vực 42

Bảng 3.16 Lượng nước thải chăn nuôi thải vào đoạn sông Cà Lồ 43

Bảng 3.17 Đặc trưng nước thải chăn nuôi [1] 43

Bảng 3.18 Chất lượng nước sông Cà Lồ mùa mưa 2013 44

Bảng 3.19 Lượng nước thải sinh hoạt thải vào đoạn sông Cà Lồ 48

Bảng 3.20 Tỷ lệ hộ sử dụng bể tự hoại 48

Bảng 3.21 Nồng độ các chất ô nhiễm của các nguồn thải 48

Bảng 3.22 Chất lượng nước thải KCN Bình Xuyên 49

Bảng 3.23 Số lượng vật nuôi ở các khu vực 49

Bảng 3.24 Lượng nước thải chăn nuôi thải vào đoạn sông Cà Lồ 50

Bảng 3.25 Đặc trưng nước thải chăn nuôi [1] 50

Bảng 3.26 Lượng nước thải sinh hoạt thải vào đoạn sông Cà Lồ năm 2020 54

Bảng 3.27 Chất lượng nước thải sinh hoạt theo kịch bản 2 và 3 54

Bảng 3.28 Chất lượng nước thải theo kịch bản 2 và 3 55 Bảng 3.29 Số lượng vật nuôi ở các khu vực năm 2020 55 Bảng 3.30 nồng độ các chất ô nhiễm có trong nước thải chăn nuôi theo kịch bản 2

và 3 56

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Bản đồ tỉnh Vĩnh Phúc 12

Hình 1.2 Sông Cà Lồ chảy qua địa phận tỉnh Vĩnh Phúc 19

Hình 2.1 Sự phân đoạn của QUAL2K trong hệ thống sông không có nhánh [16] 23

Hình 2.2 Sự phân loại của QUAL2K cho trường hợp sông với các nhánh: (a) là hệ thống thực, (b) là hệ thống được biểu diễn trong QUAL2K [16] 24

Hình 2.3 Sự phân đoạn trong QUAL2K thành các phần tử tính toán [16] 25

Hình 2.4 Sự cân bằng lưu lượng của khúc sông i 25

Hình 2.5 Cách thức dòng chảy từ nguồn không ở dạng điểm phân bổ đến một nhánh sông 26

Hình 2.6 Cân bằng nhiệt 28

Hình 2.7 Cân bằng khối lượng 29

Hình 2.8 Mô hình động lượng và quá trình lan truyền chất Các biến trạng thái được định nghĩa trong 30

Hình 2.9 Các bước chạy mô hình QUAL2K 30

Hình 3.1 Các đoạn sông 33

Hình 3.2 Nguồn nước chảy vào và ra khỏi đoạn sông 38

Hình 3.3 Kết quả mô phỏng nồng độ oxy hòa tan với nồng độ đo thực 44

Hình 3.4 Kết quả mô phỏng nồng độ BOD5 với kết quả thực đo 45

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng nồng độ NH4+ và kết quả thực đo 45

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng nồng độ PO4 và kết quả thực đo 46

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng nồng độ oxy hòa tan theo chiều dọc sông 51

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng nồng độ BOD5 theo chiều dọc sông 51

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng nồng độ NH4+ theo chiều dọc sông 52

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng nồng độ NO3- theo chiều dọc sông 52

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng nồng đô Phốt phát theo chiều dọc sông 53

Hình 3.12 Kết quả mô phỏng nồng độ Oxy hòa tan theo chiều dọc sông 56

Hình 3.13 Nồng độ BOD5 dọc theo chiều dài sông 57

Hình 3.14 Nồng độ Amoni dọc theo chiều dài sông 57

Hình 3.15 Nồng độ NO3 dọc theo chiều dài sông 58 Hình 3.16 Nồng độ PO43-

dọc theo chiều dài sông 58

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài:

Hiện nay, chất lượng nước mặt Vĩnh Phúc đã và đang có dấu hiệu suy giảm

về chất lượng, nguyên nhân gây suy giảm chất lượng nước mặt chủ yếu do các hoạt động của con người gây ra Do đó, cần có sự đánh giá mô phỏng chất lượng nước mặt tỉnh Vĩnh Phúc cho thời điểm hiện tại và tương lai để có thể có các biện pháp giảm thiểu các tác động gây ô nhiễm tới chất lượng nước mặt tỉnh Vĩnh Phúc

Sự mô phỏng chất lượng nước bằng công cụ toán học là một nhánh khoa học đang phát triển nhanh, đạt được thành công lớn trong những năm gần đây Trong thực tế, các thực nghiệm trực tiếp với kênh sông tự nhiên thường gặp khó khăn và trong nhiều trường hợp là không thể cho nên khả năng mô phỏng bài toán môi trường trong phòng thí nghiệm thường rất hạn chế Các mô hình toán học là công cụ

cơ bản cho tính toán định lượng cũng như áp dụng vào thực tế khi nghiên cứu mô phỏng chất lượng nước kênh sông

Để mô phỏng chất lượng nước kênh sông cần phải giải quyết bài toán dòng chảy trong hệ thống kênh sông cùng bài toán lan truyền chất Các bài toán truyền lan chất ô nhiễm được xác định bởi các hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng mô

tả các định luật vật lý cơ bản Các phương trình này mô tả sự di chuyển lưu chất trên kênh sông và sự lan truyền những chất hòa tan khác nhau

Mô hình QUAL2K là mô hình chất lượng nước sông tổng hợp và toàn diện được phát triển do sự hợp tác giữa trường Đại học Tufts University và Trung tâm

mô hình chất lượng nước của Cục môi trường Mỹ Mô hình này được sử dụng rộng rãi để dự đoán hàm lượng tải trọng của các chất thải cho phép thải vào sông

Lịch sử nghiên cứu:

Ở nước ta, mô hình QUAL2K cũng đã được ứng dụng để nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước của một số con sông lớn như: Sông Hương (Nguyễn Bắc Giang, 2011); Lưu vực sông Thị Tính – Bình Dương (Trần Minh Trí, 2008);

Đối với tỉnh Vĩnh Phúc chưa chú trọng đến việc sử dụng phương pháp mô hình hóa chất lượng nước mặt tính toán chất lượng nước

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu mô hình QUAL2K;

- Ứng dụng mô hình QUAL2K để để tính toán, mô hình hóa chất lượng nước mặt sông Cà Lồ theo không gian, và theo các kịch bản quản lý

Phạm vi nghiên cứu: Để có cơ sở đánh giá chất lượng nước mặt tỉnh Vĩnh Phúc và đưa ra các biện pháp quản lý, trong phạm vi đề tài chọn sông Cà Lồ tỉnh Vĩnh Phúc làm đối tượng nghiên cứu, trong đó sẽ tập trung nghiên cứu mô hình hóa cho một đoạn sông Cà Lồ chảy qua huyện Bình Xuyên, tỉnh Vĩnh Phúc Các thông

số chất lượng chủ yếu được nghiên cứu và đánh giá gồm: DO, BOD5, NH4+, NO3-,

PO43-

Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới:

Luận văn đã mô phỏng được chất lượng nước mặt sông Cà Lồ theo kịch bản hiện trạng và các kịch bản trong tương lai năm 2020 Trên cơ sở kết quả nghiên cứu

đã đề xuất một số biện pháp quản lý chất lượng nước mặt của sông Cà Lồ nói riêng

và nước mặt tỉnh Vĩnh Phúc nói chung

Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp mô hình hóa bằng phần mềm QUAL2K để tính toán, mô phỏng chất lượng nước

Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ MỘT

SỐ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG

1.1 Tổng quan về tỉnh Vĩnh Phúc

1.1.1 Vị trí địa lý [14]

Vĩnh Phúc nằm trong khu vực châu thổ sông Hồng thuộc vùng trung du và miền núi phía Bắc Tổng diện tích tự nhiên là 123.176,43 ha và có 9 đơn vị hành chính, bao gồm: thành phố Vĩnh Yên, thị xã Phúc Yên và 7 huyện: Lập Thạch, Sông

Lô, Tam Dương, Bình Xuyên, Tam Đảo, Vĩnh Tường, Yên Lạc với 112 xã, 12 thị trấn, 13 phường

Hình 1.1 Bản đồ tỉnh Vĩnh Phúc

Tỉnh Vĩnh Phúc tiếp giáp với các tỉnh:

- Phía Tây Bắc giáp với tỉnh Tuyên Quang;

- Phía Đông Bắc giáp với tỉnh Thái Nguyên;

- Phía Đông Nam - Nam giáp với Thành phố Hà Nội;

- Phía Tây giáp với tỉnh Phú Thọ

Vĩnh Phúc là tỉnh thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía bắc, vành đai thành phố vệ tinh của thủ đô Hà Nội, là nơi thuận tiện cho giao lưu, buôn bán, vận chuyển hàng hoá và hành khách với nhiều tuyến đường quan trọng chạy qua như: Quốc lộ 2A, đường sắt Hà Nội - Lào Cai, gần sân bay quốc tế Nội Bài và hiện đường Xuyên

Á đang xây dựng

1.1.2 Địa hình, địa mạo

Vĩnh Phúc là tỉnh thuộc vùng đồng bằng Bắc Bộ nhưng địa hình tương đối phức tạp, bao gồm cả địa hình miền núi (huyện Tam Dương và huyện Bình Xuyên); địa hình trung du (huyện Lập Thạch), còn lại là các huyện có địa hình đồng bằng Địa hình Vĩnh Phúc dựa lưng vào dãy núi Tam Đảo ở phía Đông - Bắc với đỉnh núi Đạo Trù cao 1.592m cũng là đỉnh của tam giác châu thổ sông Hồng Phía Tây Nam bao bọc bởi sông Lô và sông Hồng với dạng địa hình thuỷ thế đa dạng, địa hình cao nhất là dãy núi Tam Đảo thấp dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam và chia làm 3 vùng sinh thái: Đồng bằng, trung du và vùng núi

1.1.3 Tài nguyên rừng

Đất lâm nghiệp của tỉnh hiện có 30.236,08 ha, chiếm 22,0% tổng diện tích

tự nhiên Trong đó, rừng tự nhiên 9.591,47 ha (2003), chiếm 31,72% tổng đất lâm nghiệp, rừng trồng 20.640,87ha, chiếm 68,27% Độ che phủ rừng của tỉnh năm

2004 Đạt 23,14% và dự kiến năm 2005 Đạt 23,7%

Đất lâm nghiệp của tỉnh đã có xu hướng tăng từ 26.007,92 ha năm 1997 lên 30.236,08 ha năm 2003, trong đó, đất rừng trồng tăng mạnh, từ 15.434,52 ha năm

1997 lên 20.640,87ha năm 2003, song đất có rừng tự nhiên đã giảm khoảng 1.000

ha Mục tiêu quan trọng nhất đối với quỹ rừng ở đây là bảo vệ môi trường, đảm bảo cân bằng sinh thái, chống xói mòn đất canh tác, giảm lũ xô cho vùng hạ du và phát triển du lịch Khôi phục vốn rừng đã mất, trồng thêm và tái tạo quỹ rừng là một

trong những nhiệm vụ cần được quan tâm đặc biệt trong các chương trình bảo vệ môi trường sinh thái của tỉnh

1.1.4 Tài nguyên nước mặt [14]

Nằm ở trung lưu của hệ thống sông Hồng, Vĩnh Phúc tiếp nhận nguồn nước của 3 sông lớn là sông Đà, sông Thao, sông Lô và sông Phó Đáy các sông nội địa (sông Phan, sông Cà Lồ, sông Cầu Tôn, sông Tranh), các đầm lớn trong tỉnh (đầm Vạc, đầm Rưng, ) Các sông suối trên đều mang tính chất sông đồng bằng có đặc điểm chung của các sông khu vực Bắc bộ, các sông đã cung cấp nước đồng thời cũng là nơi nhận nước tiêu cho Vĩnh Phúc

1.2 Một số mô hình mô phỏng chất lượng nước sông

Trên cơ sở mối quan hệ giữa các quá trình, các yếu tố hình thành và ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước, các mô hình chất lượng nước được chia thành hai loại: Mô hình tính toán sự lan truyền, phân bố các chất ô nhiễm trong dòng chảy

và mô hình mô phỏng sự hình thành chất lượng nước và xu thế biến đổi chất lượng nguồn nước [5]

Mô hình tính toán sự lan truyền, phân bố các chất ô nhiễm trong dòng chảy

Mô phỏng sự biến đổi các chỉ tiêu chất lượng nước theo thời gian trong không gian của dòng chảy Việc thiết lập mô hình dựa trên cơ sở giải phương trình tải và tải - phân tán các chất ô nhiễm trong dòng chảy Các yếu tố đặc trưng về dòng chảy được xác định từ các mô hình thủy lực, các số liệu thống kê hoặc đo thực nghiệm như các mô hình QualI, II; Stream I, II [5]

Mô hình mô phỏng sự hình thành chất lượng nguồn nước Mô phỏng sự hình thành các nguồn gây ô nhiễm (các nguồn thải và tải lượng các chất thải) và sự thay đổi chất lượng nước theo thời gian và không gian Thiết lập trên cơ sở ghép nối các

mô hình thủy lực với mô hình lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy như WSHMM, MIKE SYSTEM [5]

Với các mục đích nghiên cứu, mô phỏng trên các đối tượng khác nhau nên các mô hình chất lượng nước rất phong phú và đa dạng Theo hướng dẫn của ngân hàng thế giới (WB) trong lĩnh vực ngăn ngừa và giảm thiểu ô nhiễm đối với các dự

án phát triển thường sử dụng các phần mền sau để tính toán mô phỏng chất lượng nước [5]:

- Mô hình HSPF (Hydrological Simulation Program Fortran (USEPA)

(1984)): Mô phỏng trong không gian 2 chiều ở trạng thái động lực với các thông số chất lượng nước: Các chất hoà tan, SS, DO, các chất dinh dưỡng và các loại vi khuẩn chỉ thị Dự báo xu thế thay đổi chất lượng nước trong dòng chảy sau các trận mưa và các thông tin về việc thu nước ở các kênh

- Mô hình SWMM (Storm Water Management Model ): Phát triển trên cơ sở

mô hình HSPF, tính toán xu thế biến đổi chất lượng nước cho cả một lưu vực sông với các nguồn thải không điểm Mô hình SWMM là mô hình 1 chiều với trạng thái động lực mô phỏng sự chảy tràn nước mưa qua các vùng đất nông nghiệp

và các khu vực đô thị với các thông tin về dòng chảy của các hệ thống thu gom nước

- Mô hình WAPS (USEPA): Ghép nối mô hình thuỷ lực (DYNHYD) với mô

hình lan truyền chất (WAPS), mô phỏng sự lan truyền và chuyển hóa các chất ô nhiễm trong dòng chảy Tùy theo mục đích, số liệu đầu vào và các thông tin cơ sở

về các quá trình chuyển hóa các chất trong dòng chảy, có thể sử dụng để tính toán ở các dạng đơn giản, cải tiến hay phức tạp

- Hệ thống MIKE: Trong những năm 1990, viện thủy lực Đan mạch đã thiết

lập hệ thống mô hình chất lượng nước cho kênh, sông Hệ thống này có thể tính toán sự lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy từ các nguồn khác nhau vào các lưu vực khác nhau Tùy thuộc đối tượng nghiên cứu, yêu cầu tính toán các thông số chất lượng nước trong dòng chảy sông, cửa sông, hồ hay biển mà áp dụng các phiên bản khác nhau như MIKE 11, MIKE 21, MIKE 3, MIKE SHE, MIKE MOUSE và MIKE BASIN

+ Ưu điểm:

- Là phần mềm thương mại nên phần giao diện rất mạnh, hữu hiệu

- Phần kết nối với công cụ GIS rất mạnh kể cả tạo database (mặc dù phải cần thêm các phần mềm GIS như Arc View, ArcGis,…)

- Các tiện ích đầy đủ, dễ cho người sử dụng.- Thuận tiện cho việc giải quyết các bài toán vừa và nhỏ

+ Nhược điểm:

- Khi phải tính các bài toán lớn thì Mike 11 đòi hỏi nhiều thời gian tính trên máy, không thuận tiện cho giai đoạn chạy và hiệu chỉnh vì phải chạy rất nhiều lần mới hiệu chỉnh được một tham số nên tốn nhiều thời gian

- Độ chính xác của kết quả tính, đặc biệt cho các bài toán lan truyền chất nhiều khi không đảm bảo do bản chất thuật toán được sử dụng (khuếch tán số dẫn đến nồng độ âm hoặc nồng độ sát biên lớn hơn biên khi không có nguồn trong miền)

- Là phần mềm thương mại nên giá thành rất đắt

- Nhiều nghiên cứu trong nước đã sử dụng mô hình mike 11 để làm công cụ tính toán thủy lực và chất lượng nước Nhưng sau khi hoàn thành dự án thì không chuyển giao công nghệ được vì các cơ quan hưởng lợi từ dự án không có bản quyền

sử dụng mike 11 và dự án cũng không có đủ kinh phí để mua phần mềm

- Mô hình WQRRS (Water quality for River ): Ghép nối mô hình Qual II với

mô hình tính toán sự lan truyền chất ô nhiễm trong các hồ chứa nước Tính toán 1, 2 chiều cho hệ thống sông - hồ ở trạng thái động lực với số liệu đầu ra là chất lượng nước sông làm số liệu đầu vào cho mô hình chất lượng nước hồ

Ưu điểm:

Mô hình có thể áp dụng cho các sông nhánh xáo trộn hoàn toàn Với giả thiết rằng cơ chế vận chuyển chính của dòng là lan truyền và phân tán dọc theo hướng chính của dòng (trục chiều dài của dòng và kênh) Mô hình cho phép tính toán với nhiều nguồn thải, các điểm lấy nước cấp, các nhánh phụ và các nguồn vào và nguồn

ra Mô hình QUAL2K cũng có thể tính toán lưu lượng cần thiết thêm vào để đạt được giá trị oxy hoà tan theo tiêu chuẩn [7]

Về mặt thuỷ lực mô hình QUAL2K có thể tính toán được ở hai chế độ là trạng thái ổn định và trạng thái động Ở trạng thái ổn định, mô hình có thể được sử dụng để tính toán nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng chất thải (cường độ, chất lượng và vị trí) đối với chất lượng nước sông và cũng có thể sử dụng liên kết với chương trình lấy mẫu thực địa để nhận diện các đặc tính cường độ và chất lượng của tải trọng từ các nguồn diện (nonpoint sources) Ở trạng thái động, mô hình QUAL2K có thể được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng do sự thay đổi khí hậu hằng ngày đối với chất lượng nước (ôxy hoà tan nhiệt độ) và cũng có thể nghiên cứu sự thay đổi oxy hoà tan hằng ngày do sự hô hấp và tăng trưởng của tảo [7]

QUAL2K là mô hình ứng dụng mã nguồn mở và có tính ứng dụng cao trong thực tế và dễ dàng trong chuyển giao, sử dụng Nhiều nghiên cứu tại các quốc gia trên thế giới đã ứng dụng mô hình QUAL2K để mô phỏng chất lượng nước tại một

số lưu vực sông do có có thiết kế đơn giản, tính toán dựa trên các cơ sở khoa học

Nhược điểm:

QUAL2K là mô hình một chiều tính toán với điều kiện dòng chảy và tải lượng nguồn thải đều Kết quả tính toán các thông số chất lượng nước trong mô hình được thể hiện dưới dạng đồ thị theo dọc chiều dài dòng chảy

Mô hình QUAL2K có một số hạn chế như chỉ mô phỏng một chiều và chỉ áp dụng được cho sông không quá rộng và không tính toán được ảnh hưởng của thủy

triều [16]

1.3 Giới thiệu về sông Cà Lồ

Để có cơ sở đánh giá chất lượng nước mặt tỉnh Vĩnh Phúc và đưa ra các biện pháp quản lý, trong phạm vi đề tài chọn sông Cà Lồ tỉnh Vĩnh Phúc làm đối tượng nghiên cứu, trong đó sẽ tập trung nghiên cứu mô hình hóa cho một đoạn sông Cà Lồ chảy qua huyện Bình Xuyên, tỉnh Vĩnh Phúc Đoạn sông nghiên cứu hiện nay đang

là môi trường tiếp nhận của rất nhiều nguồn thải khác nhau như: Sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp…

Theo quy hoạch phát triển kinh tế xã hội huyện Bình Xuyên, đến năm 2020 tất cả các nguồn thải phải được xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường trước khi thải ra ngoài môi trường (theo Quyết định số 01/2012/QĐ-UBND ngày 10/1/2012 của UBND tỉnh Vĩnh Phúc về việc ban hành quy định phân vùng môi trường tiếp nhận nước thải và khí thải trên địa bàn tỉnh vĩnh phúc thì đến năm 2015 các nguồn thải trước khi đổ vào sông Cà Lồ phải đạt loại A theo QCVN), tuy nhiên, hầu hết các nguồn thải chưa được xử lý theo quy chuẩn và đang suy giảm chất lượng nước sông

Cà Lồ theo thời gian

Sông Cà Lồ có chiều rộng không lớn do đó khi áp dụng mô hình QUAL2K

sẽ phù hợp

Do đó, trong phạm vi đề tài sẽ tập trung nghiên cứu mô hình hóa cho một đoạn sông Cà Lồ chảy qua huyện Bình Xuyên, tỉnh Vĩnh Phúc để có cơ sở đề xuất các biện pháp quản lý phù hợp

Các thông số chất lượng chủ yếu được nghiên cứu và đánh giá gồm: DO, BOD5, NH4-, NO3-, PO43-

1.3.1 Lưu vực sông Cà Lồ

Sông Cà Lồ được tính từ Hương Canh huyện Bình Xuyên, sông chảy qua thị

xã Phúc Yên, tỉnh Vĩnh Phúc, huyện Mê Linh, huyện Sóc Sơn, thành phố Hà Nội và nhập vào sông Cầu tại ngã ba Xá (gần trạm thuỷ văn Phúc Lộc Phương), xã Tam Giang, huyện Yên Phong, tỉnh Bắc Ninh Chiều dài sông 89 km, diện tích lưu vực

881 km2

Nguồn nước sông Cà Lồ ngày nay chủ yếu là nước các sông, suối bắt nguồn

từ núi Tam Đảo, núi Sóc Sơn, lưu lượng bình quân khoảng 28,4m3/giây Lưu lượng cao nhất về mùa mưa là 286m3/giây Tác dụng chính là tiêu úng mùa mưa Riêng khúc sông đầu nguồn cũ, từ Vạn yên đến sông Cánh đã được đắp chặn lại ở gần thôn Đại Lợi (Mê Linh), dài gần 20km, biến thành một hồ chứa nước lớn tưới ruộng

và nuôi cá [14]

Sông Cà Lồ có vai trò cung cấp nước cho sản xuất nông nghiệp, tiêu úng mùa mưa và đồng thời cũng là nơi tiếp nhận các nguồn thải đô thị, khu dân cư và công nghiệp

Hình 1.2 Sông Cà Lồ chảy qua địa phận tỉnh Vĩnh Phúc

1.3.2 Nguồn gây ô nhiễm nước mặt sông Cà Lồ

1.3.2.1 Nguồn tự nhiên

Môi trường nước mặt sông Cà Lồ có thể bị ô nhiễm do mưa, lũ lụt, gió bão… hoặc do các sản phẩm hoạt động sống của sinh vật Tuy nhiên, ô nhiễm nước do các yếu tố tự nhiên (xói mòn, bão, lụt, ) có thể rất nghiêm trọng, nhưng không thường xuyên, và không phải là nguyên nhân chính gây suy thoái chất lượng nước

1.3.2.2 Nguồn nhân tạo

a Từ sinh hoạt của người dân

Nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý thải trực tiếp ta môi trường nguyên nhân lớn gây ô nhiễm nước mặt sông Cà Lồ, do trong nước thải sinh hoạt có chứa hàm lượng các chất gây ô nhiễm cao như chất hữu cơ, vi trùng, Tại các địa phương trên địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc hầu hết chưa có hệ thống xử lý nước thải nói chung và nước thải sinh hoạt nói riêng, nước thải do đó được thải trực tiếp ra môi trường đã và đang là nguyên nhân quan trọng dẫn đến ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nguồn nước mặt

Nước rỉ rác từ các bãi rác, các điểm tập kết rác tạm thời, rác đổ bừa bãi cũng

là nguyên nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước, vì đặc trưng của loại nước thải này là chứa hàm lượng các chất ô nhiễm cao, độ màu lớn

b Ảnh hưởng từ hoạt động nông nghiệp

Hàng năm ngành chăn nuôi gia súc, gia cầm thải ra môi trường một lượng lớn chất thải gồm cả rắn và lỏng Lượng chất thải này hầu hết chưa được xử lý trước khi thải ra môi trường Trong những năm qua ngành chăn nuôi của tỉnh phát triển khá nhanh và quy mô hơn, theo số liệu điều tra của Trung tâm Tài nguyên và Bảo

vệ môi trường tỉnh Vĩnh Phúc thực hiện năm 2009 thì lượng chất thải rắn từ chăn nuôi hàng năm là trên 20.000 tấn/năm và có khoảng 518.000 m3/năm chất thải lỏng, lượng chất thải được xử lý chỉ khoảng 40–50%, tuy nhiên việc xử lý cũng chưa đảm bảo quy định cho phép trước khi thải ra môi trường, chất thải chăn nuôi chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao, mùi khó chịu, là một trong những nguyên nhân gây ra ô nhiễm nguồn nước mặt

Bên cạnh đó, các hoạt động sản xuất nông nghiệp khác cũng góp gây ô nhiễm nguồn nước Hàng năm, lượng phân bón và hóa chất bảo vệ thực vật sử dụng trong nông nghiệp là rất lớn, dư lượng thuốc bảo vệ thực vật và phân khoáng là nguyên nhân gây phú dưỡng hoặc nhiễm độc nguồn nước

c Ảnh hưởng từ phát triển công nghiệp và dịch vụ

Nước mặt sông Cà Lồ là nơi tiếp nhận cuối cùng của nước thải KCN huyện Bình Xuyên Hiện nay, việc tăng nhiều nhà máy, xí nghiệp KCN Bình Xuyên với quy mô lớn dẫn đến nhu cầu về nguồn nước tăng, không những nước phục vụ cho sản xuất mà còn phục vụ sinh hoạt cho một số lượng lớn công nhân từ nhiều vùng khác nhau tập trung về Sự khai thác quá mức nước để sử dụng cho sinh hoạt và sản xuất cùng với sự gia tăng về lượng thải gây áp lực ngày càng lớn đến chất lượng môi trường nước mặt

d Ảnh hưởng do một số nguyên nhân khác

Hệ thống kênh rạch không được nạo vét dẫn đến tích tụ một khối lượng lớn các vật chất hữu cơ từ nước thải, rác thải gây bồi lắng và ảnh hưởng đến việc tiêu thoát của dòng nước

Các dòng nước mặt trên sông, kênh rạch còn bị ô nhiễm do xăng dầu của các tàu bè đi lại, hoặc các sự cố vận chuyển khác trên sông

Ảnh hưởng do chưa có ý thức về sử dụng và bảo vệ nguồn nước như sử dụng bừa bãi hoang phí, không đúng mục đích sử dụng

Khả năng tự làm sạch của tự nhiên bị suy giảm cũng là nguyên nhân khiến ô nhiễm nguồn nước ngày càng trở lên nghiêm trọng Hiện nay các nguồn nước mặt hầu hết bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nông nghiệp và rác thải Các chất ô nhiễm sẽ tạo thành một lượng dư chất phá vỡ chu trình Sự ô nhiễm quá mức sẽ làm cho nhiều chất hữu cơ không ổn định, cơ chế cân bằng của sinh vật, sự cung cấp oxy, diễn ra không bình thường dẫn đến làm mất khả năng tự làm sạch của nước, hơn nữa khả năng tự làm sạch của nước sẽ diễn ra không hiệu quả khi trong nước thải có chứa các chất độc hại đối với sự sống của các vi sinh vật, quá trình tự làm sạch của nước chỉ diễn ra khi các chất độc hại trong nước bị tiêu

tan hoặc pha loãng Mặt khác, diện tích mặt nước cũng đang bị thu hẹp do chuyển mục đích hoặc lấn chiếm, làm giảm diện tích lưu chứa nước thải, càng làm giảm khả năng tự làm sạch của nước

1.3.2.3 Hiện trạng quản lý chất lượng nước sông Cà Lồ

Để có cơ sở bảo vệ nguồn nước mặt UBND tỉnh Vĩnh Phúc đã có quyết định

số 01/2012/QĐ-UBND ngày 10/1/2012 về việc ban hành quy định phân vùng môi trường tiếp nhận nước thải và khí thải trên địa bàn tỉnh vĩnh phúc, trong đó quy định đến năm 2015 tất cả nước thải vào sông Cà Lồ phải được xử lý đạt loại A theo quy chuẩn Việt Nam trước khi thải vào môi trường

Tuy nhiên, hiện nay trên địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc mới chỉ quan tâm quản lý chất lượng nước thải của các Công ty, xí nghiệp và nước thải từ các KCN, còn đối với nước thải sinh hoạt của người dân từ các khu dân cư và nước thải phát sinh từ hoạt động chăn nuôi vẫn chưa có sự quản lý về chất lượng nước thải

Trên địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc đã có dự án cải tạo môi trường, cảnh quan sinh thái sông Phan, tuy nhiên mới chỉ thực hiện thí điểm và chưa có hiệu quả Đối với sông Cà Lồ vẫn chưa được quan tâm chỉ đạo để thực hiện cải tạo môi trường, cảnh quanh sinh thái

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH QUAL2K

2.1 Sự phân đoạn trong QUAL2K [16]

Mô hình QUAL2K sẽ chia hệ thống sông thành các đoạn sông (reaches), các đoạn sông này là một phần dòng chảy có đặc tính thuỷ lực tương đối đồng nhất Mỗi đoạn sông này lại được chia thành nhiều phân tử hay phân tố tính toán (computational element) có chiều dài bằng nhau Do đó, tất cả các đoạn sông có bao gồm một số nguyên các phân tử tính toán [16]

Có tất cả 7 loại phân tử tính toán khác nhau như sau [16]:

- Phân tử thượng nguồn (headwater element)

- Phân tử chuẩn hay phân tử mẫu (standard element)

- Phân tử cận nối tiếp (element just upstream from a junction)

- Phân tử nối tiếp (junction element)

- Phân tử cuối cùng trong hệ thống (last element in system)

- Phân tử nước đi vào (input element)

- Phân tử nước đi ra (withdrawal element)

Hình 2.1 Sự phân đoạn của QUAL2K trong hệ thống sông không có nhánh

[16]

Hình 2.2 Sự phân loại của QUAL2K cho trường hợp sông với các nhánh: (a) là

hệ thống thực, (b) là hệ thống được biểu diễn trong QUAL2K [16]

Phân tử thượng nguồn bắt đầu mỗi nhánh sông (hay phụ lưu) cũng như hệ thống sông chính, vì vậy nó là phân tử tính toán đầu tiên trong đoạn sông thượng lưu (headwater reach)

Phân tử chuẩn là một phân tử không được xếp vào sáu loại phân tử còn lại Lưu lượng bổ sung (incremental) vào cho phép có ở tất cả các phân tử, đối với phân tử chuẩn chỉ có dòng chảy vào là lưu lượng bổ sung

Phân tử loại cận nối tiếp là phân tử cận nối tiếp được sử dụng để chỉ một phân tử trên tuyến chính mà nó nằm kế ngay phân tử nối tiếp về phía thượng nguồn

Phân tử nối tiếp là phần tử có sông nhánh (được đưa vào mô hình) chảy vào Phân tử cuối cùng trong hệ thống là phân tử tính toán cuối cùng trong hệ thống sông, do đó chỉ có duy nhất một phân tử loại này

Phân tử nước đi vào là phân tử tiếp nhận tải trọng chất thải và nhánh sông không được đưa vào tính toán trong mô hình Phân tử nước đi ra là phần tử từ đó nước bị lấy ra (tại vị trí lấy nước cấp)

Các đoạn sông (tập hợp của các phần tử tính toán) là cơ sở của tất cả các dữ liệu đưa vào mô hình Các dữ liệu về thuỷ lực, hằng số tốc độ phản ứng, các điều

kiện ban đầu, các số liệu về lưu lượng bổ sung là không đổi cho tất cả các phần tử tính toán trong một đoạn sông

Hình 2.3 Sự phân đoạn trong QUAL2K thành các phần tử tính toán [16] 2.2 Cân bằng lưu lượng [16]

Trạng thái cân bằng lưu lượng được thực hiện cho mỗi khúc (reach) sông:

Trong đó:

 Q i: Lưu lượng ra từ khúc sông thứ i vào khúc sông thứ i+1

 Q i1: Lưu lượng vào khúc i từ khúc sông phía trên nó (theo dòng chảy) i-1

 Q in i, : Tổng lưu lượng chảy vào khúc từ các nguồn điểm hoặc nguồn diện

nguồn diện (không phải dạng điểm)

Hình 2.4 Sự cân bằng lưu lượng của khúc sông i

Tổng lưu lượng đi vào khúc i được tính theo công thức:

i  1

Qin,i Qout,i

 psi: Tổng số nguồn điểm đổ vào khúc i

vào khúc i

 npsi: Tổng số nguồn diện đổ vào khúc i

Tổng lưu lượng đi ra từ khúc i được tính theo công thức:

j

j pa i

Q

1 , 1

,

Trong đó:

 pai: Tổng số nguồn điểm đi ra từ khúc i

 npai: Tổng số nguồn diện đi ra từ khúc i

Hình 2.5 Cách thức dòng chảy từ nguồn không ở dạng điểm phân bổ đến một

nhánh sông 2.3 Các đặc tính thủy lực [16]

Mô hình thủy lực được sử dụng để tính độ sâu và vận tốc dòng chảy tại mỗi khúc QUAL2K cho phép có ba tùy chọn để quyết định đặc tính thủy lực của mỗi khúc:

Q npt

- Nếu chiều cao của đập được nhập vào khi đó tuỳ chọn đập sẽ được xem xét

- Nếu chiều cao đập bằng 0 và hệ số nhám Manning (n) được nhập, khi đó tùy chọn phương trình Manning được mô hình lựa chọn

- Nếu cả hai trường hợp trên đều bằng không, QUAL2K dùng đường cong tương quan (rating curves)

 E’ i = hệ số phân tán khối giữa khúc sông i và i+1

 W h,i = lượng nhiệt thực từ nguồn điểm và nguồn diện vào trong khúc sông i

 w = tỉ trọng của nước

 C pw = nhiệt dung riêng của nước

 J a,i = thông lượng nhiệt khí - nước

 J s,i = thông lượng nhiệt bùn cặn– nước

Hình 2.6 Cân bằng nhiệt 2.5 Mô hình tính toán cho các phần tử [7,16]

Bảng 2.1 Những chỉ tiêu thái đƣợc mô tả trong mô hình [16]

Nhu cầu ôxy sinh hóa trong phản ứng chậm

(CBOD slow)

c s mgO2/L Nhu cầu ôxy sinh hóa trong phản ứng nhanh

Sinh vật đáy a b mgA/m2

i i i i

i i i

i out i i

i i i

i i

S V

W c c V

E c c V

E c V

Q c V

Q c V

' 1 ,

1 1

(5)

Trong đó:

 W i = tải lƣợng xâm nhập từ thành phần bên ngoài lên phần tử i

 S i = nguồn tự sinh hay tự hoại của thành phần phản ứng và chuyển đổi hoá học

Hình 2.7 Cân bằng khối lƣợng

Hình 2.8 Mô hình động lƣợng và quá trình lan truyền chất Các biến trạng

thái đƣợc định nghĩa trong

s

s

s

sod cf

s

s

s

sod cf

Hiệu chỉnh các thông

số mô hình

Kết quả mô phỏng các chất ô nhiễm

Các nhóm dữ liệu cơ bản cần thu thập để chạy mô hình bao gồm:

- Dữ liệu địa hình: Độ dốc đáy sông, độ dốc 2 bờ sông, độ chênh cao địa hình

- Các số liệu về thủy lực: Lưu lượng dòng chảy, hệ số nhám manning, chiều dài, chiều rộng mỗi đoạn sông tính toán

- Các dữ liệu về khí tượng: Nhiệt độ, tốc độ gió, lưu lượng mưa,

- Các số liệu về nguồn thải và nguồn lấy nước: Bao gồm lưu lượng xả thải, nồng độ các chất ô nhiễm

Sau khi có các dữ liệu, tiến hành nhập và chạy mô hình QUAL2K và được kết quả là sự mô phỏng nồng độ các chất thông số chất lượng nước theo chiều dọc sông như: DO, BOD5, NH4+, PO43-…

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 Thu thập các dữ liệu về địa hình, khí tượng thủy văn và khí tượng

Nguồn: Chi cục Thủy lợi Vĩnh Phúc

3.1.2 Dữ liệu thủy văn, thủy lực

Bảng 3.2 Dữ liệu thủy văn, thủy lực sông Cà Lồ

2 Lưu lượng dòng chảy trung bình Q m3/s 28,4

3 Vận tốc dòng chảy trung bình m/s 0.98

Nguồn: Chi cục Thủy lợi Vĩnh Phúc

Lưu lượng nước trung bình nhiều năm của sông Cà Lồ đo tại trạm đo Phú Cường

Bảng 3.3 Lưu lượng nước trung bình theo các tháng và năm của sông Cà Lồ

Lồ mà đoạn sông nghiên cứu được chia thành 5 phân đoạn tương ứng, có chiều dài

từ 1.039 km đến 2.19 km