Nghiên cứu phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng ở các vùng nước tĩnh nông, ứng dụng cho hồ cự chính hà nội tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TẠ ĐĂNG THUẦN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG Q TRÌNH PHÚ DƯỠNG Ở CÁC VÙNG NƯỚC TĨNH NÔNG, ỨNG DỤNG CHO HỒ CỰ CHÍNH-HÀ NỘI Chun ngành: Mơi trường Đất Nước Mã số chuyên ngành: 9.44.03.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019 Công trình hồn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Bùi Quốc Lập Phản biện 1: PGS.TS Trần Liên Hà- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Dương Thị Thủy- Viện Công nghệ môi trường Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương- Trường Đại học Thủy Lợi Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ở vùng nước tĩnh (các ao hồ nơng nghiệp, hồ tự nhiên) có trao đổi nước với nguồn nước bên ảnh hưởng gió bề mặt, với q trình chất dinh dưỡng, chất nhiễm từ khu vực xung quanh bị rửa trơi dịng chảy tràn lưu vực ngày tích lũy vùng nước làm suy giảm chất lượng nước Một vấn đề chất lượng nước hay xảy vùng nước tĩnh tượng phú dưỡng gây nhiều tác hại phát triển mức rong, tảo thực vật thủy sinh, làm phát sinh vi khuẩn lam (VKL), tảo độc có hại cho người sinh vật Khi rong tảo, thực vật thủy sinh chết bị phân hủy làm giảm nồng độ oxy hòa tan (DO) sinh nitrite (NO2-N) nitrate (NO3-N),… gây độc cho nước, đe dọa trực tiếp đến sống loài động vật nước tơm, cá,… Ở vùng nước tĩnh hồ nơng với độ sâu trung bình nhỏ mét nơi thường xuyên xảy tượng phú dưỡng [1] Một hướng nghiên cứu phổ biến phát triển mạnh việc nghiên cứu xây dựng, phát triển mơ hình tốn mơ q trình phú dưỡng hồ dựa mối tương quan yếu tố môi trường nhiệt độ nước, cường độ ánh sáng mặt trời, mưa…đến sinh trưởng, phát triển thực vật trao đổi chất dinh dưỡng Mơ hình tốn với nhiều ưu điểm cho kết tính tốn nhanh, giá thành rẻ, dễ dàng thay đổi để phù hợp với yêu cầu tốn Thêm vào chúng đưa kết dự báo để từ đề xuất biện pháp quản lý phù hợp cải thiện chất lượng nước nhằm đáp ứng chất lượng mục tiêu sử dụng bảo tồn bền vững chất lượng nước [2] Ngoài ra, chúng khắc phục khó khăn việc tiến hành thí nghiệm trực tiếp với mơi trường tự nhiên chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố tác động, gây nhiễu kết khảo sát nhiều trường hợp việc tiến hành thí nghiệm với mơi trường tự nhiên khơng thể [3] Q trình nghiên cứu phát triển mơ hình phú dưỡng hồ thập niên 1970, ứng dụng nhiều vào thực tế thu kết đáng ghi nhận Tuy vậy, mơ hình phú dưỡng hồ giới xây dựng, phát triển chủ yếu hồ tự nhiên có diện tích độ sâu lớn vùng khí hậu ơn đới mà chưa thực quan tâm nhiều đến hồ nhỏ, nông vùng khí hậu nhiệt đới cận nhiệt đới Bên cạnh đó, q trình phú dưỡng hồ diễn phức tạp, gắn liền với điều kiện cụ thể vùng điều kiện khí hậu, thủy văn, đặc điểm địa chất thổ nhưỡng hoạt động phát triển kinh tế-xã hội khu vực Do đó, số trường hợp cụ thể, việc áp dụng mơ hình sẵn có tỏ không phù hợp Hơn nữa, việc sử dụng số phần mềm thương mại giới thường chi phí đắt đòi hỏi nhiều loại số liệu phức tạp điều kiện kinh tế hạn hẹp chưa thể đáp ứng Còn áp dụng mơ hình điều kiện Việt Nam lại thiếu lược bớt số liệu cần thiết dẫn đến kết mô dự báo không đạt kết mong muốn Hồ nội thành Hà Nội đóng vai trị quan trọng việc điều hòa nước mưa, tạo cảnh quan, điều hòa khí hậu cịn nơi cư trú nhiều động, thực vật nước Đa số chúng có kích thước vừa, nhỏ tương đối nơng nên có tính chất thủy động lực học chất lượng nước khác với hồ rộng, sâu nằm nội thành Những năm gần đây, tượng tảo “nở hoa” xảy nhiều hồ nội đô Hà Nội gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng nước hồ cảnh quan thị Thực tế địi hỏi phải có nghiên cứu chuyên sâu diễn biến trình phú dưỡng hồ Hà Nội làm sở cho việc đề xuất giải pháp phù hợp để hỗ trợ hoạt động quản lý kiểm soát tượng phú dưỡng Vì lý nêu trên, đề tài luận án “Nghiên cứu phát triển mơ hình tốn mơ q trình phú dưỡng vùng nước tĩnh nơng, ứng dụng cho hồ Cự Chính-Hà Nội” tác giả lựa chọn thực Mục tiêu nghiên cứu luận án - Phát triển cơng cụ mơ hình tốn mơ q trình phú dưỡng vùng nước tĩnh nơng - Ứng dụng mơ hình phú dưỡng phát triển vào hồ tự nhiên nông bị ảnh hưởng phú dưỡng nội thành Hà Nội Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trình phú dưỡng thông số sinh khối thực vật nổi, động vật phù du chất lượng nước (chất dinh dưỡng nitơ phốt pho, carbon nồng độ oxy hịa tan) vùng nước tĩnh nơng 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu luận án: Hồ Cự Chính, hồ tự nhiên nơng bị ảnh hưởng phú dưỡng nội đô Hà Nội Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận - Tiếp cận thực tế kế thừa Phạm vi nghiên cứu mà luận án tập trung vào hồ nông bị ảnh hưởng phú dưỡng nội Hà Nội Vì việc khảo sát thực tế, thu thập thông tin để lựa chọn đối tượng hồ phù hợp nghiên cứu quan trọng Ngồi nghiên cứu sử dụng có chọn lọc kết nghiên cứu đề tài, dự án trước phú dưỡng hồ có liên quan đến nội dung nghiên cứu luận án - Tiếp cận tổng hợp đa ngành Để thực luận án cần sử dụng kiến thức tổng hợp nhiều ngành khoa học hóa học, sinh học, tốn học để làm rõ mối liên hệ biến trạng thái yếu tố ảnh hưởng từ môi trường hồ tĩnh nơng bị phú dưỡng Từ sử dụng cơng cụ tin học lập trình phát triển mơ hình tốn mơ phú dưỡng phù hợp cho điều kiện hồ nông nội thành Hà Nội 4.2 Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp thực luận án gồm có: - Phương pháp phân tích, đánh giá, tổng hợp: Tổng quan nghiên cứu phú dưỡng, tình hình nghiên cứu phát triển mơ hình mơ trình phú dưỡng hồ giới Việt Nam, khả ứng dụng hạn chế cần khắc phục Phân tích, đánh giá kết thu sở kết điều tra khảo sát khu vực nghiên cứu kết đo đạc trường, phân tích mẫu nước, mẫu thực vật phịng thí nghiệm; - Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa: Tổ chức điều tra khảo sát thực tế hồ nội thành Hà Nội để lựa chọn hồ nghiên cứu phù hợp Từ khảo sát cụ thể điều kiện tự nhiên, điều kiện xã hội khu vực nghiên cứu Từ xác định thơng số hồ vị trí, thời gian lấy mẫu phù hợp - Phương pháp mơ hình tốn: Sử dụng phương pháp giải số cơng cụ lập trình để giải phương trình tốn học sang mơ hình tốn Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học Phát triển mơ hình tốn mơ q trình phú dưỡng vùng nước tĩnh nông sở bổ sung thành phần dinh dưỡng từ khí lượng nước mưa chảy tràn vào hồ phương trình động học chất dinh dưỡng 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Áp dụng mơ hình phát triển thành cơng vào hồ Cự Chính nằm nội Hà Nội Kết nghiên cứu luận án tài liệu khoa học phục vụ cho công tác đào tạo nghiên cứu lĩnh vực liên quan Những đóng góp luận án - Phát triển mơ hình tốn mơ q trình vùng nước tĩnh nông việc bổ sung nồng độ chất dinh dưỡng từ khí nước mưa chảy tràn - Ứng dụng mơ hình phát triển cho hồ Cự Chính nội Hà Nội với giá trị tham số hiệu chỉnh tương ứng Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu phần kết luận, luận án bao gồm 03 chương: Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương Phát triển mô hình tốn mơ q trình phú dưỡng hồ tĩnh nông Chương Kết nghiên cứu thảo luận CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan phú dưỡng Hiện tượng phú dưỡng (hay phú dưỡng) dạng gây suy giảm chất lượng nước thường xảy hồ, hồ chứa nồng độ chất dinh dưỡng hồ tăng cao, chủ yếu phốt [4], gây bùng phát thực vật thủy sinh dẫn đến làm tăng hàm lượng chất lơ lửng, chất hữu cơ, làm suy giảm lượng oxy hòa tan nước tầng đáy gây ảnh hưởng không tốt đến chất lượng hệ sinh thái nước [5] Khi hình thành, hồ tình trạng nghèo dinh dưỡng, nước thường Chất dinh dưỡng đến hồ bổ sung từ nước mưa, dòng chảy mang phù sa giàu chất dinh dưỡng, khống chất, trầm tích, phân hủy xác động thực vật thủy sinh chất thải chúng Do chất rắn, trầm tích lắng xuống đáy hồ, phát triển mạnh lồi thực vật có rễ ven bờ làm cho hồ nước ngày trở nên nơng diện tích mặt thống ngày bị thu hẹp nên hồ tự nhiên dần biến thành đầm lầy sau trở thành đồng cỏ [6] Theo nhiều nghiên cứu, có nhiều nguyên nhân dẫn đến phú dưỡng chủ yếu nồng độ chất dinh dưỡng vùng nước cao, đặc biệt muối đa lượng nitơ phốt [9], nhiệt độ nước ấm, cường độ xạ mặt trời mức cao, giá trị pH cao nồng độ CO2 thấp [10], [11] Có nhiều nghiên cứu phát triển phương pháp đánh giá phú dưỡng điển hình số phương pháp Hakanson et al (2007) tập trung sử dụng giá trị nồng độ thông số TN, TP Chlorophyll-a (Chl.a) để phân chia thành mức độ dinh dưỡng Thêm vào phương pháp Carlson cơng thức tính số trạng thái dinh dưỡng Carlson với mối liên hệ với giá trị nồng độ TP Chl.a TP chất dinh dưỡng hạn chế chủ yếu cho phát triển thực vật Chl.a giá trị đặc trưng cho nồng độ sinh khối thực vật 1.2 Tình hình nghiên cứu, phát triển mơ hình phú dưỡng hồ Các mơ hình phú dưỡng hồ từ đơn giản đến phức tạp, từ mô tả vài biến số đến nhiều biến số tham số ảnh hưởng Hồ giả thiết đối tượng đồng nhất, pha trộn phân chia thành phần khác theo phương ngang phương thẳng đứng theo cột nước trầm tích Ban đầu chất dinh dưỡng mơ chủ yếu phốt pho, sau phát triển bổ sung thêm nitơ, carbon silic Chất dinh dưỡng phân chia thành thành phần khác tập trung chủ yếu phân chia thành dạng hấp thu trực tiếp thực vật phù du phải thơng qua q trình biến đổi q trình khống hóa thủy phân hấp thu Mơ hình phú dưỡng thường mơ hình sinh thái chiều hai chiều kết hợp với trình động lực học, tương tác hóa học sinh học Các đối tượng thực vật phù du tập trung mô chủ yếu tảo Có thể coi thực vật thành nhóm phân chúng thành nhóm điển VKL, tảo lục tảo silic vv Việc nghiên cứu xây dựng mơ hình phụ thuộc vào mục tiêu, đối tượng hồ điều kiện khí hậu khác vv Các mơ hình phú dưỡng hồ giới xây dựng nghiên cứu chủ yếu hồ tự nhiên có diện tích lớn sâu nơi có khí hậu ơn đới mà chưa thực quan tâm đến hồ nhỏ, nông vùng khí hậu nhiệt đới cận nhiệt đới Đây hướng nghiên cứu mà luận án tập trung nghiên cứu Công tác quản lý môi trường nước nói chung mơi trường nước hồ nói riêng Việt Nam cần phát triển mơ hình phú dưỡng phù hợp cho đối tượng hồ khác vùng khác Việt Nam Tuy nhiên, số vấn đề cần quan tâm giải việc phát triển mơ hình phú dưỡng hồ, cụ thể là: Ở nước ta, phần lớn mơ hình nghiên cứu phú dưỡng hồ phụ thuộc vào phần mềm mơ hình sẵn có nước ngồi Việc sử dụng phần mềm có sẵn làm hạn chế việc lựa chọn mơ hình phú dưỡng để phù hợp với điều kiện Việt Nam Các mơ hình chủ yếu mơ hình hộp đen, người dùng khó hiểu hết phương trình toán sử dụng bị ràng buộc phương pháp số giải mơ hình mơ Thêm vào việc thiếu mơ hình tốn mơ q trình phú dưỡng hồ xuất phát từ chất q trình vật lý, hóa học, sinh học thủy lực liên quan đến phú dưỡng, dẫn đến thiếu tảng để tự xây dựng, phát triển mô hình phú dưỡng Việt Nam Ngồi ra, hệ sinh thái hồ có nhiều q trình phức tạp khác dẫn đến có nhiều nguyên nhân gây khó khăn việc xây dựng, phát triển mơ hình sinh thái, bao gồm: - Hồ đối tượng có môi trường sống không đồng liên kết với (ví dụ tầng trên, tầng tầng đáy hồ có khác biệt lớn) - Ở trạng thái dinh dưỡng khác nhau, hệ sinh thái hồ có số lượng lồi khác mà khó mô tả tổng thể riêng biệt - Sự tương tác trầm tích cột nước quan trọng với hệ sinh thái hồ, đặc biệt khuếch tán chất dinh dưỡng từ trầm tích Để khắc phục những hạn chế, khó khăn luận án tập trung phát triển mơ hình sinh thái hồ với định hướng nghiên cứu sau: - Nghiên cứu sở lý thuyết mơ hình hóa q trình phú dưỡng hồ tĩnh nơng từ phát triển phương trình tốn mơ tả mối liên hệ chất dinh dưỡng đến trình sinh trưởng phát triển nhóm thực vật - Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải phù hợp, ổn định với hệ phương trình mơ q trình phú dưỡng hồ - Trên sở hệ phương trình mơ phỏng, thuật tốn giải, tiến hành lập trình phát triển mơ hình mơ q trình phú dưỡng hồ tĩnh nơng; - Ứng dụng mơ hình phát triển để hiệu chỉnh, kiểm định mơ q trình phú dưỡng với số liệu thực đo hồ Hà Nội 1.3 Tổng quan phạm vi nghiên cứu Trên sở trình khảo sát thực địa hồ nội thành Hà Nội, nghiên cứu lựa chọn hồ Cự Chính có đặc điểm phù hợp với mục tiêu nghiên cứu giả thiết tốn phát triển mơ hình phú dưỡng Hồ Cự Chính hồ thị nơng nằm khu vực nội có vị trí địa lý giá trị 21000’ độ vĩ bắc, 105048’ độ kinh đông, phía Tây Nam trung tâm thành phố Hà Nội (được biểu thị hình 1.3) Theo kết điều tra khảo sát đo đạc, hồ Cự Chính nằm giáp ranh hai phường Thượng Đình Nhân Chính (quận Thanh Xuân) Khu vực hứng nước mưa có mật độ dân cư cao nhiều khu thương mại đa số bề mặt đệm bê tơng hóa khơng thấm nước mưa Khu vực bao gồm diện tích nhà dân cư, đất dành cho khu thương mại, trụ sở, quan, trường học bệnh viện, đất mặt đường giao thơng có đường Quan Nhân với mật độ giao thông cao Gần khơng có nguồn thải đổ trực tiếp vào hồ nước thải sinh hoạt khu vực dân cư nước mưa chảy tràn phần lớn thu gom vào hệ thống đường ống nước thải thành phố, nguồn bổ sung từ nước ngầm hạn chế xung quanh hồ có kè gạch bờ rào thép chắn Chỉ có lượng nước mưa rơi bề mặt hồ lượng nước chảy tràn khuôn viên hồ Xác định mục tiêu tốn Các phương trình tốn học Giải PT phương pháp số Thu thập liệu Phân tích độ nhạy Hiệu chỉnh mơ hình Kiểm định mơ hình Mơ Hình 2.1 Các bước phát triển mơ hình tốn mơ q trình phú dưỡng 2.2 Cơ sở lý thuyết phát triển mơ hình phú dưỡng Trong phần trình bày chi tiết sở lý thuyết sử dụng luận án để phát triển mơ hình mơ phú dưỡng hồ tĩnh nơng bao gồm yếu tố ảnh hưởng, giả thiết, phương trình tốn, biến trạng thái, biến ngoại sinh, số tham số ảnh hưởng trình phát triển, đánh giá ứng dụng mơ hình Các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến phú dưỡng nước bao gồm: (1) Nồng độ TN, TP mức cao, (2) vận tốc dòng chảy chậm, (3) nhiệt độ cao yếu tố môi trường khác thuận lợi (4) hoạt động vi sinh vật đa dạng sinh học Phú dưỡng xảy nhanh tất điều kiện môi trường thuận lợi Để giảm thiểu độ phức tạp đảm bảo việc mơ q trình phú dưỡng hồ cách hợp lý luận án số giả thiết đưa sau: Hồ tĩnh nơng, khơng có dịng chảy vào, khơng bị tác động gió bề mặt; Đối tượng mơ cột nước hồ chế độ pha trộn hồn tồn (có xem xét đến trao đổi chất hữu cột nước bề mặt trầm tích); Lựa chọn nhóm thực vật chiếm ưu hồ đối tượng thực vật phù du để mô phỏng; Động vật phù du hồ mơ tả đơn giản dạng nhóm đơn; Các chất dinh dưỡng lựa chọn mô nitơ, phốt 11 carbon hữu cơ; Khơng có nguồn nước đổ thải trực tiếp vào hồ Nguồn bổ sung chất dinh dưỡng tự nhiên vào hồ lắng đọng từ khí nước mưa chảy tràn lưu vực Trong giả thiết hệ số khuếch tán chất dinh dưỡng từ khí vào cột nước nồng độ chất dinh dưỡng nước mưa chảy tràn không đổi suốt thời gian mô Với giả thiết mơ hình phú dưỡng phát triển dựa kết hợp trình động học nồng độ sinh khối nhóm thực vật chiếm ưu thế, động vật phù du q trình sinh hóa chất dinh dưỡng bao gồm biến trạng thái sau: Nồng độ sinh khối nhóm thực vật (tảo lục, VKL, tảo silic), động vật phù du, nồng độ nitơ vơ hịa tan DIN (NH4-N, NO3-N, NO2-N ); phốt phát vô hòa tan DIP (PO4-P), biến hữu (DOC, TOC), biến tổng dinh dưỡng (TN, TP) nồng độ ôxy hòa tan (DO) Sự thay đổi theo mùa nhiệt độ cột nước, cường độ xạ ánh sáng lắng đọng từ khí ảnh hưởng lớn đến q trình hóa sinh hồ mơ tả biến ngoại sinh Khái qt mơ hình phú dưỡng hồ trình bày hình 2.2, mơ tả tương tác biến trạng thái Hình 2.2 Sơ đồ mơ hình mơ phú dưỡng hồ tĩnh nơng 12 Như đề cập ngồi phương trình kế thừa từ nghiên cứu trước luận án đề xuất cải tiến phương trình mơ tả trình động học chất dinh dưỡng bổ sung nguồn chất dinh dưỡng carbon hữu cơ, phốt nitơ từ khí bao gồm khuếch tán từ khơng khí, mưa lượng nước mưa chảy tràn cụ thể sau: WPOC V = A × kaPOC + X × A × CRPOC +  × X × F × COPOC A×Z+X×A+×X×F (2-1) WDOC V = A × kaDOC + X × A × CRDOC +  × X × F × CODOC V (2-2) WDIP V W NH4 V W NO2 V W NO3 V = A × kaDIP + CrDIP × X × A+  × X × F × CODIP V k aNH4 = aNO2 k = rNH4 × X × A +  × X × F ×C ONH4 V k = ×A+C aNO3 × A+C rNO2 ×A+C × X × A +  × X × F ×C rNO3 (2-3) ONO2 V ×X×A+×X×F×C ONO3 V (2-4) (2-5) (2-6) Hệ PTVPT mô tả q trình phú dưỡng hồ tĩnh nơng bao gồm phương trình 2-1 đến 2-13 với giá trị thành phần trình bày chi tiết phụ lục từ phương trình PL1-1 đến PL1-31 thành phần bổ sung nguồn dinh dưỡng vào hồ thể phương trình từ 2-26 đến 2-31 Tổng kết lại ta có mơ hình mơ phú dưỡng hồ có 14 biến trạng thái bao gồm: 1.Nồng độ sinh khối tảo lục, 2.Nồng độ sinh khối VKL, 3.Nồng độ sinh khối tảo silic; 4.Nồng độ sinh khối ĐVPD, 5.TOC, 6.TP, 7.TN, 8.DO, 9.POC, 10.DOC, 11.PO4-P, 12.NH4-N, 13.NO2-N, 14.NO3-N 95 tham số mơ hình 2.3 Phương pháp giải phương trình Phương pháp Runge - Kutta kết hợp bậc bậc phương pháp số lựa chọn để giải hệ PTVPT đồng thời cho giá trị nồng độ biến trạng thái theo thời gian Sử dụng ngôn ngữ lập trình MATLAB tích hợp sẵn có mơđun, cho phép giải số phương trình PTVPT 13 Sử dụng RSME biểu thị độ lớn trung bình sai số T T RMSEk = √ ∑t=1(Ot,k − Pt,k )2 (2-7) Vì luận án, thuật giải di truyền hiệu chỉnh tự động thông qua giá trị hàm mục tiêu (fitness function) nhằm xác định giá trị tham số mơ hình, mơ tả thơng qua công thức sau: Fitness = K  K k =1 (2-8) RMSE k Điều kiện hàm mục tiêu đạt giá trị tối ưu khi: Fitness = min( K RMSE k )  k =1 K (2-9) Trong Fitness giá trị hàm mục tiêu, k thứ tự biến trạng thái Ngoài sử dụng sai số RMSE, nghiên cứu sử dụng ba trị số sai số gồm: hệ số Nash, NSE (the Nash–Sutcliffe Efficiency), tỷ lệ sai số quân phương độ lệch chuẩn số liệu thực đo RSR (RMSE-observations standard deviation ratio) số phần trăm sai số PBIAS (Percent BIAS) sử dụng đánh giá mức độ phù hợp giá trị mô giá trị thực đo Tiêu chí đánh giá chất lượng cho số sai số trình bày bảng 2.3 Mơ hình đánh giá “đạt” NSE > 0,5, RSR ≤ 0,7 PBIAS < ±25% giá trị biến trạng thái Bảng 2.1 Tiêu chí đánh giá chất lượng cho số sai số [122] Xếp loại NSE RSR PBIAS (%) Rất tốt 0,75 < NSE ≤ ≤ RSR ≤ 0,5 PBIAS < ± 10 Tốt 0,65 < NSE ≤ 0,75 0,5 ≤ RSR ≤ 0,6 ±10 ≤ PBIAS < ±15 Đạt yêu cầu 0,5 < NSE ≤ 0,65 0,6 ≤ RSR ≤ 0,7 ±15 ≤ PBIAS < ±25 Không đạt NSE ≤ 0,5 RSR > 0,7 PBIAS ≥ ±25 2.4 Lấy mẫu, đo đạc thực nghiệm Thời gian lấy mẫu nước thực từ tháng 4/2017 đến tháng 3/2018 chia khoảng thời gian từ mùa mưa (từ tháng 5-10) mùa khô (từ tháng 11-4) 14 Mỗi tháng lấy mẫu từ 1-2 lần Tiến hành lấy mẫu đại diện trộn từ điểm hồ với độ sâu khoảng 20 cm mực nước hồ (hình 1) lọc giấy lọc GF/F Phần mẫu nước lọc bảo quản riêng biệt chai nhựa để phân tích chất dinh dưỡng Một lượng thể tích nước định thu cố định dung dịch Lugol nhằm xác định mật độ tế bào thực vật 2.5 Ứng dụng mơ hình phú dường phát triển hồ Cự Chính-Hà Nội Để thiết lập q trình mơ phỏng, liệu đầu vào đầu mơ hình trình bày hình 2.6 Giá trị ban đầu biến trạng thái, biến ngoại sinh, nguồn bổ sung chất dinh dưỡng sở liệu đầu vào cho mơ hình Hình 2.3 Tổng quan liệu đầu vào, đầu mơ hình phú dưỡng hồ Giá trị biến ngoại sinh bao gồm giá trị nhiệt độ nước cường độ xạ mặt trời trung bình ngày tính tốn dựa liệu nhiệt độ khơng khí số nắng ngày Lượng mưa ngày thực đo trạm khí tượng Láng kèm theo chất lượng nước mưa trung bình tuần Giá trị độ sâu trung bình hồ Z=1,6 m diện tích mặt nước hồ 4000 m2 Thời gian lựa chọn hiệu chỉnh mơ hình từ ngày 4.5.2017 đến ngày 30.9.2017 với chuỗi gồm số liệu thu thập cho biến trạng thái Thời gian lựa 15 chọn kiểm định mơ hình từ ngày 19.10.2017 đến ngày 8.3.2018 với số liệu thực đo cho biến trạng thái Thông qua kết đánh giá sai số kết mô thông số q trình hiệu chỉnh kiểm định mơ hình, thông số đạt yêu cầu với tiêu chuẩn đánh giá lựa chọn để mơ hình phú dưỡng phát triển sử dụng giá trị tham số hiệu chỉnh để mô số kịch kỹ thuật xảy thực tế bào gồm sục khí, nạo vét trầm tích diệt tảo 2.6 Kết luận chương Nội dung chương trình bày chi tiết sở lý thuyết phương trình tốn mà mơ hình lựa chọn để áp dụng bao gồm phương trình động học thực vật nổi, ĐVPD, chất dinh dưỡng nồng độ oxy hịa tan Trong phương trình động học chất dinh dưỡng luận án đề xuất cải tiến bổ sung thêm thành phần chất dinh dưỡng lắng đọng từ khí nước mưa chảy tràn Thêm vào đó, chương giới thiệu phương pháp nghiên cứu trang thiết bị để phục vụ nghiên cứu Trong phần mềm Matlab tích hợp phương pháp giải số Runge-Kutta bậc bậc để giải hệ phương trình tốn mơ hình đồng thời mơi trường thuận tiện cho việc lập trình phát triển mơ hình Thời gian quan trắc, đo đạc thực tế hồ Cự Chính chia thành hai giai đoạn: thời gian hiệu chỉnh (từ ngày 4.5.2017 đến 30.9.2017) kiểm định mơ hình (từ ngày 19.10.2017 đến 8.3.2018) Từ kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình, luận án đề xuất số biện pháp giảm thiểu tình trạng phú dưỡng hồ thơng qua số kịch mô CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết phân tích chất lượng nước đánh giá phú dưỡng - Việc đánh giá chất lượng nước so sánh với quy chuẩn quốc gia chất lượng nước mặt mức A2-QCVN 08:2015/BTNMT, 2015 16 - Đánh giá mức độ phú dưỡng: Dựa vào tỷ số TN/TP, so sánh với tiêu chuẩn Tổ chức Y tế giới [12] xem xét chất dinh dưỡng yếu tố hạn chế với phát triển thực vật So sánh thông số TP, TN Chl.a với phân loại dinh dưỡng theo tiêu chuẩn Hakanson [21] Tính tốn số trạng thái dinh dưỡng Carlson với số TSI(TP), TSI(Chl.a) TSI(TN) [23] Từ số liệu phân tích chất lượng nước, thực vật vài kết luận rút phú dưỡng hóa hồ Cự Chính sau : 1- Chất lượng nước hồ Cự Chính phù hợp với tiêu chuẩn nước thấp khơng phù hợp cho mục đích bảo tồn động thực vật thủy sinh Nồng độ DO, BOD5 số thời điểm không phù hợp với QCVN 08–2015, BTNMT mức A2 Nồng độ thông số NH4-N, NO2-N, PO4-P lớn tiêu chuẩn cho phép, khơng thích hợp cho việc bảo tồn động thực vật nước có biến đổi theo mùa, chủ yếu tăng mùa mưa giảm mùa khô 2- Kết đánh giá mức độ phú dưỡng cho thấy phốt chủ yếu chất dinh dưỡng giới hạn phát triển thực vật cịn ni tơ có số thời điểm tháng mùa mưa Trạng thái phú dưỡng hồ đánh giá theo số TSI(TN), TSI(TP), TSI(Chl.a) nồng độ TN,TP cho thấy mức độ phú dưỡng hồ ln trì trạng thái siêu phú dưỡng ngoại trừ với nồng độ Chl.a hồ mức đọ phú dưỡng Điều chứng tỏ hồ mức ô nhiễm hữu cao 3- Thực vật hồ chiếm ưu tảo lục VKL với chi điển hình thị sinh học ô nhiễm hữu Scenedesmus nở hoa nước Microcystis, Anabaena Mật độ tế bào thực vật hồ có dao động lớn có giá trị cao vào mùa mưa Hơn mật độ tế bào VKL đặc biệt chi Microcystis, Anabaena thời gian quan trắc cho thấy nguy sản sinh độc tố thần kinh độc tố gan tác động lên động thực vật hồ 3.2 Kết phát triển mơ hình mơ q trình phú dưỡng Các tham số mơ hình phân thành nhóm: Nhóm 42 tham số có giá trị số, biểu thị chi tiết bảng 3.6 nhóm 53 tham số 17 có giá trị xác định dựa khoảng giá trị tin cậy Q trình hiệu chỉnh mơ hình sử dụng thuật tốn di truyền (GA) để tối ưu giá trị tham số mơ hình thơng qua hàm mục tiêu giá trị trung bình sai số quân phương (RMSE) Trình tự bước thực trình bày hình 3.13 Hình 3.1 Quá trình tối ưu tham số mơ hình phú dưỡng hồ Nghiên cứu phát triển mơ hình mơ q trình phú dưỡng hồ tĩnh, nơng với mức độ phù hợp giá trị mô giá trị thực đo chấp nhận Kết q trình tối ưu hóa giá trị 15 tham số có mức độ ảnh hưởng liên quan đến nhóm thực vật cho thấy tốc độ tăng trưởng tối đa, nhiệt độ tối ưu nhóm thực vật khoảng giá trị nhỏ Ngược lại, giá trị tham số gây suy giảm sinh khối thực vật hệ số hô hấp, tỷ lệ chết không ăn mồi dao động khoảng giá trị lớn Trong nghiên cứu thu hẹp khoảng giá trị cho 15 tham số, giúp cải thiện độ tin cậy xác cho mơ hình mơ q trình phú dưỡng Q trình tối ưu hóa GA với giá trị hàm mục tiêu nhỏ ta độ tin cậy để tìm kiếm giá trị tham số tối ưu mơ hình Kết mơ 18 thực đo nồng độ sinh khối, chất dinh dưỡng dễ hấp thu nhóm thực vật có xu biến đổi tương đối phù hợp có giá trị RMSE thấp Bảng 3.11 So sánh giá trị sai số RMSE, RSR PBIAS biến trạng thái phép tối ưu 53 tham số GA, với 15 tham số trước sau điều chỉnh TT 10 11 12 13 14 Biến trạng thái Nồng độ sinh khối tảo lục Nồng độ sinh khối VKL Nồng độ sinh khối tảo silic Nồng độ sinh khối ĐVPD TOC TP TN DO POC DOC PO4–P NH4-N NO2-N NO3-N 15 tham số chưa điều chỉnh RMSE PBIAS NSE RSR (mg/l) (%) 15 tham số điều chỉnh RMSE PBIAS NSE RSR (mg/l) (%) 0,072 0,89 0,502 -29,4 0,006 1,00 0,044 -2,5 0,103 0,65 0,338 -52,8 0,055 0,95 0,18 -23,3 0,005 0,93 0,163 -23,7 0,004 0,95 0,15 -20,7 9E-06 0,95 0,38 -20,0 1E-05 0,94 0,254 -19,9 0,578 0,144 2E-04 0,417 0,037 0,275 0,157 0,03 0,0002 0,06 0,94 -3,29 1,00 0,87 0,99 0,96 -53,2 0,94 1,00 0,65 0,37 0,78 0,001 0,54 0,049 0,247 2,93 0,19 0,0015 0,33 -22,6 -184,0 0,0 -32,5 7,4 -17,1 -654,8 21,1 -0,2 52,7 0,315 0,046 0,012 0,238 0,066 0,261 0,002 0,046 0,035 0,043 0,96 0,91 0,97 0,96 0,98 0,97 0,99 0,95 0,96 0,83 0,2 0,25 0,03 0,31 0,088 0,233 0,037 0,29 0,264 0,238 -12,3 5,6 3,6 18,5 13,4 -16,3 9,1 22,9 22,6 38,5 Kết hiệu chỉnh mô hình đưa số kết tương đối hợp lý xu diễn biến giá trị sai số giá trị mô thực đo biến trạng thái Kết số NSE, RSR PBIAS cho thấy hiệu q trình mơ thơng số nồng độ sinh khối tảo lục, VKL tảo silic, nồng độ chất dinh dưỡng vơ hịa tan, DO TOC xếp loại từ mức đạt đến tốt Chỉ có thơng số nồng độ NO3-N có giá trị PBIAS 25% chưa đạt yêu cầu giá trị mô giá trị thực đo số thời điểm có chênh lệch lớn Kết kiểm định mơ hình cho thấy đa số thơng số có q trình mơ mơ tả tương đối phù hợp với kết thực đo Các giá trị sai số NSE, RSR PBIAS cho thấy thơng số nồng độ sinh khối nhóm thực vật nổi, 19 sinh khối ĐVPD, TOC, TP, TN, DO, DOC NO3-N hiệu mơ mơ hình xếp loại từ mức đạt đến tốt, thông số PO4-P, NH4-N NO2-N có số RSR đạt yêu cầu số NSE, PBIAS có sai số lớn chưa đạt u cầu cịn với thơng số POC số không đạt yêu cầu Kết phần cho thấy giá trị tham số mơ hình phú dưỡng hồ có độ tin cậy Với thông số đạt yêu cầu đánh giá trị số sai số, mơ hình sử dụng giá trị tham số để dự báo, mô kịch hồ Cự Chính Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình chứng minh tính đắn mà phương trình tốn học đề xuất kể áp dụng thực tiễn hồ nội đô Hà Nội Kết hiệu chỉnh kiểm định cho thấy thơng số nồng độ sinh khối nhóm thực vật nổi, sinh khối ĐVPD, TOC, TP, TN, DO, DOC NO3-N hiệu mơ mơ hình đánh giá thông qua giá trị sai số NSE, RSR PBIAS xếp loại từ mức đạt đến tốt 3.3 Kết tính tốn mơ hình theo kịch mô Kết so sánh giá trị nồng độ sinh khối thực vật nổi, nồng độ oxy hòa tan DIP hồ trạng thái ban đầu với kịch mô thể bảng 3.14 Bảng 3.14 Tác động, ưu nhược điểm kịch mô đến nồng độ sinh khối thực vật nổi, oxy hoàn tan DIP trung bình hồ Cự Chính Kịch Độ biến thiên (%) Sinh khối DO DIP TVN Làm giàu oxy - 0,1 + 24,9 + 0,01 Nạo vét trầm tích -11,35 + 27,8 - 61,07 Hóa chất diệt thực vật - 16,45 - 3,24 3,8 Ưu điểm Nhược điểm Cải thiện đáng kể nồng độ DO nước hồ Giúp giảm tương đối lớn nồng độ DIP, độ sinh khối thực vật đồng thời cải thiện DO hồ Tác động không đáng kể cho nồng độ sinh khối thực vật DIP hồ Giúp giảm tương đối lớn nồng độ sinh khối thực vật Tốn kém, khó áp dụng thường xuyên so với số kỹ thuật khác Mùi, mùi vị chất độc tồn nước; Có thể gây thay đổi trình khác hồ Kết kịch mô cho thấy với việc sử dụng biện pháp nạo vét trầm tích hóa chất diệt thực vật có tác động lớn giúp giảm thiểu 20 nồng độ sinh khối thực vật biện pháp sục khí có ảnh hưởng hạn chế Trong nồng độ DO biện pháp nạo vét trầm tích có giúp cải thiện lớn đến biện pháp sục khí cịn sử dụng hóa chất diệt thực vật làm giảm phân hủy nhiều xác thực vật mức giảm không đáng kể Đối với nồng độ DIP biện pháp nạo vét trầm tích giúp làm giảm đáng kể nồng độ chúng góp phần hạn chế sinh trưởng phát triển thực vật Mặc dù biện pháp sử dụng hóa chất mang lại hiệu kinh tế mối lo ngại đến hệ sinh thái hồ áp dụng biện pháp Trong thực tế Hà Nội biện pháp áp dụng rộng rãi cho nhiều hồ biện pháp sục khí sử dụng hóa chất diệt thực vật Các biện pháp số hạn chế thu kết tích cực, góp phần cải thiện chất lượng nước hồ nói chung tượng phú dưỡng nói riêng Cịn biện pháp nạo vét trầm tích sử dụng tốn khó thực thực tế Vì trường hợp cụ thể mà ta lựa chọn biện pháp khác cho phù hợp với mục tiêu đề 3.4 Kết luận chương Kết phân tích đánh giá chất lượng nước phú dưỡng hồ Cự Chính hồ bị ô nhiễm hữu nguyên nhân chủ yếu nitơ phốt Mức độ phú dưỡng hồ cao trì trạng thái phú dưỡng chí siêu phú dưỡng Ba số nhóm thực vật có mật độ tế bào chiếm ưu hồ tảo lục, VKL, tảo silic chúng có mối quan hệ chặt chẽ với nồng độ chất dinh dưỡng, yếu tố môi trường nhiệt độ nước cường độ xạ mặt trời Kết nghiên cứu luận án phát triển thành cơng mơ hình tốn mơ q trình phú dưỡng vùng nước tĩnh nông ứng dụng hồ Cự Chính, hồ nơng bị phú dưỡng nội đô Hà Nội quan trắc thời gian 12 tháng - Mơ hình cải tiến phương trình động học chất dinh dưỡng carbon hữu cơ, phốt nitơ việc bổ sung thêm nguồn từ khí lượng nước 21 mưa chảy tràn đồng thời chủ động sử dụng phương pháp Runge-Kutta bậc bậc để giải hệ PTVPT - Q trình hiệu chỉnh mơ hình khoảng thời gian từ 4.5.2017 đến 30.9.2017 xác định tham số tối ưu mơ hình thơng qua thuật giải di truyền GA tích hợp Matlab với giá trị hàm mục tiêu (RMSE) nhỏ 0,0791 Giá trị số NSE, RSR PBIAS cho thấy q trình mơ thơng số nồng độ sinh khối tảo lục, VKL tảo silic, nồng độ chất dinh dưỡng vơ hịa tan, DO TOC xếp loại từ mức đạt đến tốt Chỉ có thơng số NO3-N có giá trị PBIAS 25% chưa đạt yêu cầu giá trị mô giá trị thực đo số thời điểm có chênh lệch cịn lớn - Q trình kiểm định mơ hình nhận thấy đa số biến trạng thái có kết mơ tương đối phù hợp với kết thực đo Các giá trị sai số NSE, RSR PBIAS cho thấy thơng số nồng độ sinh khối nhóm thực vật nổi, sinh khối ĐVPD, TOC, TP, TN, DO, DOC NO3-N cho hiệu mô xếp loại từ mức đạt đến tốt, thông số PO4-P NO2-N có số RSR đạt yêu cầu số NSE, PBIAS có giá trị sai số chưa đạt yêu cầu Từ kết hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình, thông số nồng độ sinh khối thực vật DO lựa chọn để đánh giá thay đổi so với trạng thái ban đầu với kịch mô kỹ thuật Kết cho thấy kịch sử dụng hóa chất diệt thực vật nạo vét trầm tích cho hiệu cao việc làm giảm sinh khối thực vật kịch sục khí nạo vét trầm tích giúp gia tăng nồng độ DO hồ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết đạt luận án - Đã phát triển thành cơng mơ hình tốn mơ q trình phú dưỡng cho hồ tĩnh nơng, ứng dụng cho hồ Cự Chính-Hà Nội: + Thiết lập hệ phương trình mơ q trình phú dưỡng mơ tả q trình động học nhóm thực vật nổi, nồng độ chất dinh dưỡng DO ảnh 22 hưởng biến ngoại sinh gồm nhiệt độ nước, cường độ xạ lượng mặt trời biểu thị 12 PTVPT với 14 biến trạng thái 95 tham số + Cải tiến phương trình động học nồng độ chất dinh dưỡng bổ sung tải lượng chất dưỡng lắng đọng từ khí nước mưa chảy tràn vào hồ khu vực + Sử dụng phương pháp Runge - Kutta kết hợp bậc bậc để giải số xác định giá trị biến trạng thái hệ PTVPT lập trình Matlab phiên 2016a + Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình cho thấy biến trạng thái mơ nồng độ sinh khối nhóm thực vật nổi, nồng độ sinh khối ĐVPD, DO số tiêu dinh dưỡng có kết mơ tốt Điều cho thấy sử dụng giá trị tham số mơ hình dùng để dự báo diễn biến chất lượng nước nở hoa thực vật - Đã đưa kết kịch mô thể biện pháp nhằm giảm thiểu sinh khối thực vật tăng nồng độ DO nước cho thấy biện pháp nạo vét trầm tích có tác động đáng kể đến chất lượng nước hồ đến sử dụng hóa chất diệt thực vật Trong biện pháp sục khí giúp bổ sung tốt nồng độ DO có tác động khơng đáng kể đến ngăn chặn tảo nở hoa hồ Trên sở đánh giá giải pháp để cân nhắc lựa chọn phương án áp dụng phù hợp thực tế Những đóng góp luận án - Phát triển mơ hình tốn mơ q trình vùng nước tĩnh nơng việc bổ sung nồng độ chất dinh dưỡng từ khí nước mưa chảy tràn - Ứng dụng mô hình phát triển cho hồ Cự Chính nội đô Hà Nội với giá trị tham số hiệu chỉnh tương ứng Những hạn chế định hướng nghiên cứu Luận án tập trung mô q trình phú dưỡng hồ nơng với giả thiết hồ pha trộn hồn tồn khơng có nguồn gia nhập nước thải tập trung Nguồn bổ sung 23 chất dinh dưỡng cho hồ lắng đọng từ khí dòng chảy tràn mưa Do giới hạn tổng thời gian nghiên cứu kinh phí thực hiện, luận án tập trung ứng dụng mơ hình phú dưỡng hồ Cự Chính Để khắc phục hạn chế đó, nghiên cứu đề xuất số định hướng nghiên cứu tiếp theo: - Đối với nhóm thực vật cần bổ sung thêm từ nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng yếu tố khí tượng xảy trường hợp thời tiết cực đoan nắng nóng kéo dài mưa lớn cục thời gian ngắn Đồng thời tăng số lần lấy mẫu đặc biệt khoảng thời gian mà yếu tố khí tượng có thay đổi lớn nhằm đánh giá mức độ phản ứng biến trạng thái với điều kiện môi trường - Thời gian hiệu chỉnh điều chỉnh theo mùa để giá trị tham số mơ hình mang giá trị đặc trưng tăng mức độ dự báo xác mơ hình - Cần đo đạc chất lượng nước nhiều hồ nội thành Hà Nội để có sở liệu đa dạng phục vụ tốt trình hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Kiến nghị Trên sở kết nghiên cứu đạt vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ứng dụng cho hồ nội đô Hà Nội, tác giả luận án có kiến nghị sau: - Việc phát triển mơ hình phú dưỡng hồ nội thành Hà Nội cần tiếp tục thực để tạo thêm cơng cụ hữu ích nghiên cứu phú dưỡng - Ngồi hồ Cự Chính kết nghiên cứu áp dụng vào hồ có đặc điểm tương đồng với hồ Cự Chính để dự báo phát triển sinh khối thực vật hồ từ đề xuất biện phát kỹ thuật phù hợp để kiểm sốt q trình phú dưỡng 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Tạ Đăng Thuần, Bùi Quốc Lập, Phân tích biến đổi theo mùa yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng tảo hồ nội đô Hà Nội sử dụng mơ hình phú dưỡng, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, Số 64, pp 6068, 2019 ISSN 1859-3941 Dang Thuan Ta, Quoc Lap Bui, Dang Binh Thanh Nguyen, Quang Tri Doan, Jaya Kandasamy, Application of a Genetic Algorithm for the Calibration of Eutrophication model in an Urban Lake, International Journal of Earth Sciences and Engineering (H-index: 10 (2017), Vol 12(1), pp 1-15, February 2019 ISSN 0974-5904 (SCOPUS).DOI:10.21276/ijee.2019.12.0101 Thuan Ta Dang, Lap Bui Quoc, The eutrophication status of Hanoi Lakes and a case study of a shallow lake in the inner city, Hanoi Forum 2018: Towards Sustainable Development, pp 164, 2018 Tạ Đăng Thuần, Bùi Quốc Lập, Một số đặc điểm phú dưỡng hồ nông nội đô Hà Nội, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Mơi trường, Số 61, pp 52-61, 2018 ISSN 1859-3941 Tạ Đăng Thuần, Bùi Quốc Lập, Khảo sát đánh giá ban đầu tình trạng phú dưỡng hồ Hà Nội, Hội nghị khoa học thường niên trường đại học Thủy Lợi, pp 409-411, 2017 ISBN: 978-604-82-2274-1 ... Runge - Kutta kết hợp bậc bậc phương pháp số lựa chọn để giải hệ PTVPT đồng thời cho giá trị nồng độ biến trạng thái theo thời gian Sử dụng ngơn ngữ lập trình MATLAB tích hợp sẵn có mơđun, cho phép... liên hệ với giá trị nồng độ TP Chl.a TP chất dinh dưỡng hạn chế chủ yếu cho phát triển thực vật Chl.a giá trị đặc trưng cho nồng độ sinh khối thực vật 1.2 Tình hình nghiên cứu, phát triển mơ hình... (VKL), tảo độc có hại cho người sinh vật Khi rong tảo, thực vật thủy sinh chết bị phân hủy làm giảm nồng độ oxy hòa tan (DO) sinh nitrite (NO2-N) nitrate (NO3-N),… gây độc cho nước, đe dọa trực