Trong bài báo này, mô hình toán thủy động lực học một chiều MIKE11 với hai mô đun thủy lực và sinh thái đã được áp dụng để mô phỏng đánh giá chất lượng nước sông Đuống cho giai đoạn hiện trạng và dự báo chất lượng nước trong tương lai dựa trên các kịch bản khác nhau. Nhóm tác giả sử dụng bộ số liệu đầu vào gồm địa hình, số liệu thủy lực, thủy văn và chất lượng nước thực đo các năm 2013 và 2014 để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.
BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ DỰ BÁO DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG ĐUỐNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH TỐN Trịnh Xn Mạnh1, Nguyễn Hà Anh1, Nguyễn Tiến Quang1 Tóm tắt: Trong báo này, mơ hình tốn thủy động lực học chiều MIKE11 với hai mô đun thủy lực sinh thái áp dụng để mô đánh giá chất lượng nước sông Đuống cho giai đoạn trạng dự báo chất lượng nước tương lai dựa kịch khác Nhóm tác giả sử dụng số liệu đầu vào gồm địa hình, số liệu thủy lực, thủy văn chất lượng nước thực đo năm 2013 2014 để hiệu chỉnh kiểm định mô hình Sau đó, sử dụng thơng số hiệu chỉnh để mô dự báo chất lượng nước dựa dựa thay đổi tải lượng thải lưu lượng nước thượng nguồn Kết mô chất lượng nước cho hai tiêu DO BOD5 tương lai so sánh đánh giá với qui chuẩn mơi trường nước mặt (QCVN08: 2015/BTNMT) Nhìn chung, số vị trí nghiên cứu chất lượng nước sơng nằm giới hạn cho phép QCVN Tuy nhiên, số vị trí khác khơng đảm bảo nguồn cấp nước loại A2 theo qui chuẩn đảm bảo mức B1 Từ khóa: Chất lượng nước, sông Đuống, MIKE 11 HD MIKE 11 Ecolab ĐẶT VẤN ĐỀ* Tỉnh Bắc Ninh thời kỳ phát triển cơng nghiệp thị hóa Bên cạnh thành tựu phát triển kinh tế-xã hội (KTXH) tình trạng nhiễm mặt trái hoạt động gây mức báo động Mơi trường nói chung mơi trường nước nói riêng khu vực bị nhiễm nghiêm trọng gây ảnh hưởng đến sức khoẻ người lao động, dân cư đến hệ sinh thái cảnh quan vùng (Ngô Xuân Hậu, 2015) Các tác động mạnh mẽ đến môi trường phân lưu sông Đuống hoạt động phát triển KTXH hoạt động khu công nghiệp, sản xuất làng nghề, khu khai thác chế biến, tụ điểm dân cư Sự đời hoạt động hàng loạt khu công nghiệp, hoạt động tiểu thủ công nghiệp gần 100 làng nghề, xí nghiệp kinh tế quốc phòng với hoạt động khai thác, canh tác hành lang thoát lũ, chất thải bệnh viện, trường học làm cho mơi trường nói chung mơi trường nước nói riêng ngày bị nhiễm (Bộ Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Tài nguyên Môi trường (BTNMT), 2006) Trước trạng đó, vấn đề đặt phải có giải pháp quản lý thích hợp, nhanh chóng hiệu nhằm kiểm soát giải hợp lý vấn đề môi trường, đặc biệt môi trường nước.Trong năm gần đây, với phát triển công nghệ thông tin khoa học kỹ thuật, mơ hình tốn ứng dụng lĩnh vực mơ đặc tính thủy lực chất lượng nước ngày phổ biến phát triển như: HEC, MIKE, VRSAP, ISIS Với số ưu điểm bật (ví dụ, cho kết tính tốn nhanh linh hoạt việc thay đổi kịch bản) mơ hình tốn trở thành công cụ phục vụ đắc lực cho công tác quản lý tài nguyên môi trường (Phan Viết Chính, 2011) Trong đó, mơ hình MIKE nghiên cứu phát triển Viện Thủy Lực Đan Mạch đã, ứng dụng nhiều giới đặc biệt Việt Nam Do vậy, nghiên cứu lựa chọn mơ hình nhằm thực mục tiêu: (i) đánh giá khả ứng dụng phần mềm thủy lực chiều (MIKE 11 Ecolab) cho sông Đuống; và, (ii) Đánh giá dự báo chất lượng nước theo thời gian điều KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 17 kiện dự báo lan truyền ô nhiễm theo kịch phát triển thay đổi dòng chảy thượng nguồn PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mơ hình thủy động lực MIKE 11 MIKE 11 Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) phát triển, gói phần mềm dùng để mơ dòng chảy, chất lượng nước vận chuyển bùn cát cửa sông, sông, kênh tưới thuỷ vực khác Mô đun thủy động lực phần quan trọng mô hình MIKE11, xây dựng từ hệ phương trình Saint - Venant cho dòng chiều, khơng ổn định (DHI, 2009) Phương trình liên tục: A Q q t x (1) Phương trình động lượng: A Q h gQ Q gA α (2) t x A x ARC Trong đó: Q: Lưu lượng (m3/s); A: Diện tích mặt cắt (m2); q: Lưu lượng nhập lưu đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s); C: Hệ số Chezy; α: Hệ số sửa chữa động lượng; R: Bán kính thuỷ lực (m) MIKE11 chương trình tính thuỷ lực áp dụng với chế động sóng động lực hồn tồn cấp độ cao Trong chế độ MIKE 11 có khả tính tốn với dòng chảy biến đổi nhanh, lưu lượng thuỷ triều, sóng lũ, lòng dẫn có độ dốc lớn Các ứng dụng mơ hình liên quan đến chất lượng nước bao gồm: Nghiên cứu truyền tải vật chất chiều trình xâm nhập mặn, chất lượng nước, tượng phì dưỡng sơng 2.2 Mơ đun chất lượng nước Mô đun truyền tải khuếch tán AD: Trong MIKE11, q trình truyền tải khuếch tán mơ tả phương trình (DHI, 2009): AC QC C AD AKC C q (3) t x x X Trong đó: A: Diện tích mặt cắt (m2); C: Nồng độ (kg/m3); D: Hệ số khuếch tán; q: Lưu lượng nhập lưu đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s); K: Hệ số phân huỷ sinh học, K 18 dùng tượng hay trình xem xét có liên quan đến phản ứng sinh hố Phương trình tải khuếch tán phản ánh hai chế vận chuyển: (1) Q trình vận chuyển chất dòng chảy (advection); (2) Quá trình khuếch tán chất dòng chảy rối (turbulent diffusion) Mơ đun sinh thái Ecolab: Mơ đun sinh thái mơ hình MIKE11 mơ q trình biến đổi sinh-hố chất lượng nước sông Mô đun phải kèm với mô đun thủy lực tải khuếch tán mô trình truyền tải khuếch tán hợp chất Từ việc chuyển hóa hợp phần nước, xác định cơng thức tính tốn tốc độ biến đổi nồng độ hợp phần sinh hóa chuyển hóa chúng mơ hình MIKE 11 Cơng thức tính tốc độ biến đổi nồng độ DO BOD sau: dC DO REAERATION + dt PHOTOSYNTHESIS – RESPIRATION – BODdecay (4) dC BOD BODdecay + RESUSPENTION dt – SEDIMENTATION (5) Trong đó: RESUSUSPENTION tốc độ trao đổi lượng BOD từ đáy vào nước trình khuấy vật chất đáy; SEDIMENTATION tốc độ trao đổi lượng BOD từ nước xuống đáy trình lắng đọng; BODdecay tốc độ lượng ôxy ôxy tham gia vào trình phân hủy BOD; PHOTOSYNTHESIS tốc độ sinh lượng ôxy quang hợp thực vật; RESPIRATION tốc độ lượng ôxy hô hấp sinh vật, REAERATION lượng ôxy trao đổi nước khơng khí 2.3 Thiết lập mơ hình Các số liệu đầu vào cần thiết cho phần thủy lực mơ hình gồm: - Dữ liệu địa hình: Số liệu thực đo mặt cắt đoạn sông mô (được tham chiếu địa lý cụ thể); - Điều kiện biên: Biên chuỗi giá trị lưu lượng tính tốn theo thời gian trạm thủy văn Sơn Tây; biên chuỗi giá trị mực nước thực KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) đo theo thời gian trạm thủy văn Hà Nội Bến Hồ Hình Sơ đồ hóa mạng sơng Đuống mơ hình MIKE 11 Ngồi ra, số liệu cần thiết cho mô đun chất lượng nước gồm: - Điều kiện ban đầu: Nồng độ thực đo ban đầu biến chất lượng nước đoạn sông (DO BOD5) biên điểm quan trắc dọc theo sơng Thơn Đình, Bến Đò Tri Phương, Thơn Dền, Phà Hồ Cầu Hồ - Tải lượng gia nhập: Tải lượng thực đo thông số chất lượng nước số vị trí tương ứng với cống thải KCN Đại Đồng Cụm CN Tân Chi 2.4 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Mơ hình hiệu chỉnh dựa vào (i) số liệu thủy lực; (ii) số liệu chất lượng nước (nồng độ DO BOD5) thực đo từ ngày 1/10/2013 đến ngày 31/12/2013 cách thay đổi thơng số mơ hình gồm hệ số nhám thủy lực Manning’s n phần mô thủy lực, hệ số khuyếch tán D thông số khác phần mô chất lượng nước Việc chọn thông số mơ hình thực phương pháp thử sai kết mơ hình đánh giá phù hợp với kết thực đo Sau đó, mơ hình kiểm định liệu thủy lực chất lượng nước thực đo từ ngày 1/2/2014 đến ngày 30/4/2014 2.5 Xây dựng kịch dự báo chất lượng nước Việc xây dựng kịch (KB) cho mơ hình dựa thay đổi tải lượng thải lưu lượng nước thượng nguồn (bảng 1) Trong đó, - KB 1: (i) Lưu lượng thải tăng 70% giả định có mở rộng quy mô sản xuất nhà máy; (ii) Lưu lượng nước thượng nguồn tăng 10% 20% vào mùa mưa giảm 10% 20% vào mùa khô - KB 2: Kịch xây dựng ứng với việc áp dụng công nghệ xử lý nước thải cải tiến, nồng độ thông số ô nhiễm nước thải sau xử lý đạt QCVN 08:2015, cột B (đối với nước thải công nghiệp): (i) Lưu lượng thải tăng 70% (giống kịch 1); và, (ii) Lưu lượng nước thượng nguồn giảm 10% 20% Trong đó, chất lượng nước mô so sánh với QCVN 08:2015 cột B1 A2 (Bảng 2) để đánh giá mức độ ô nhiễm đoạn sông Đuống tương lai có thay đổi lưu lượng nước từ thượng nguồn gia tăng tải lượng thải Bảng Kịch mô chất lượng nước sông Đuống tương lai Kịch Kịch Lưu lượng nước thượng nguồn Mùa mưa Mùa khô +10%; +20% -10%; -20% Lưu lượng nồng độ thải từ nhà máy Lưu lượng thải tăng 70% Nồng độ thải từ nhà máy không thay đổi so với kịch Kịch Lưu lượng thải tăng 70% -10%; -20% Nồng độ thải từ nhà máy sau xử lý giảm theo QCVN 08:2015 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 19 Bảng Chỉ tiêu chất lượng nước lựa chọn để so sánh theo QCVN 08:2015 Thông số chất lượng nước DO BOD5 Đơn vị QCVN loại A2 QCVN loại B1 mg/l mg/l 15 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết tính tốn thủy lực Mơ hình MIKE 11 hiệu chỉnh thơng qua việc thay đổi hệ số nhám thủy lực Manning’s n Theo đó, với hệ số nhám thủy lực dao động từ 0,025 – 0,035 mực nước mô trạm Thượng Cát phù hợp với thực đo (hình 2) Kết kiểm định mơ hình (hình 3) cho thấy tương đồng hai đường q trình tính tốn thực đo Kết hợp đánh giá tiêu Nash theo công thức (Alexakis, 2012): Xo, i Xs, i 2 Nash Xo, i Xo (6) Trong đó: Xo,i: Giá trị thực đo; Xs,i: Giá trị tính tốn mơ phỏng; Xo : Giá trị thực đo trung bình Nhận xét trạm Thượng Cát cho thấy đường tính tốn đường thực đo tương đối bám sát pha dao động giá trị đỉnh Chênh lệch mực nước lớn chệnh lệch mực nước thấp tính tốn giá trị thực đo khơng đáng kể Sai số lệch đỉnh trạm kiểm tra nằm phạm vi cho phép Kết tính tốn hệ số NASH tương đối tốt, đạt từ 0,92 đến 0,94 cho năm 2013 2014 Hình Kết hiệu chỉnh mơ hình thủy lực năm 2013 Thượng Cát 20 Hình Kết kiểm định mơ hình thủy lực năm 2014 Thượng Cát 3.2 Kết tính tốn chất lượng nước Kết hiệu chỉnh mơ đun MIKE11 Ecolab: Thực tế thấy rằng, chất lượng nước sơng Đuống có suy giảm đáng kể Số liệu quan trắc môi trường năm 2013 cho thấy tất vị trí quan trắc giá trị DO nằm giới hạn cho phép QCVN 08:2015/BTNMT Kết quan trắc cho thấy hàm lượng BOD vị trí quan trắc có giá trị dao động từ 9,8 mg/l đến 14 mg/l; hàm lượng BOD vượt giới hạn cho phép QCVN 08:2015/BTNMT cột A2, khơng đáp ứng mục đích sử dụng cho việc sinh hoạt, đáp ứng mục đích tưới tiêu thủy lợi mục đích sử dụng khác có u cầu chất lượng nước tương tự theo QCVN 08:2015/BTNMT cột B1 (hình 4) Kết mô thông số chất lượng nước cho thấy có tương đồng xu nhiễm dọc theo sông (các thông số ô nhiễm gia tăng dần phía hạ lưu sơng) Giá trị tiêu mô tương đối sát so với thực thế, sai số tương đối dao động khoảng đến 35% Như vậy, thông số mô-đun EcoLab gồm nhiều thông số KBOD (0,1 -1,5 l/day); Pmax (1.75 - 7.0 gO2/m²/day); R20 (1.0 5.0 gO2/m²/day)… dùng để kiểm định tiếp tục cho năm 2014 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) Hình Kết hiệu chỉnh nồng độ DO BOD5 số vị trí vào 10/2013 Kết kiểm định mô đun MIKE11 Ecolab: Thời điểm quan trắc tháng 2/2014, giá trị DO vị trí quan trắc nằm khoảng giới hạn cho phép QCVN08-2015; hàm lượng BOD5 vượt QCVN 08:2015/BTNMT cột A2 nằm giới hạn phép QCVN 08:2015 cột B1 (hình 5) Kết mơ kiểm định chất lượng nước cho thấy có tương đồng xu biến đổi tiêu dọc theo sông từ thượng nguồn đến hạ lưu phạm vi mô thuỷ lực Sai số tương đối kết thực đo tính tốn dao động từ 21 đến 28% Kết cho thấy có chênh lệch đáng kể sử dụng mơ hình để mơ Tuy nhiên có nhiều ngun nhân dẫn đến sai lệch này, trong nguyên nhân việc thu thập số liệu nguồn gồm lưu lượng xả thải chất lượng nước thải dọc sơng (tập trung phân tán) thiếu hạn chế Hình Kết kiểm định nồng độ DO BOD5 số vị trí vào 2/2014 3.3 Dự báo chất lượng nước sông Đuống theo kịch Theo kịch xây dựng hầu hết cho kết diễn biến DO đoạn sông thỏa mãn QCVN 08:2015 cột A2 Tuy vậy, giá trị BOD5 mô lại vượt giá trị quy định cột A2 Sau xem xét kết DO BOD5 đoạn sơng vị trí quan trắc Kết kịch 1: Với kịch gia tăng tải lượng thải lưu lượng nước thượng nguồn hầu hết tiêu vượt QCVN 08:2015 mức A2 nhiều lần, chưa vượt ngưỡng cột B1 Kết phản ánh việc lưu lượng nước sơng đủ lớn để pha lỗng phân tán chất nhiễm theo thời gian Chỉ tiêu BOD5 mô vượt mức A2 tất vị trí quan trắc (hình 6), đồng thời đa KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 21 số trường hợp không đạt thuộc kịch giảm lưu lượng nước thượng nguồn Trong kịch nồng độ DO BOD5 dọc theo đoạn sông tăng giảm khoảng 12,8 đến 20% Hình Kết diễn biến DO BOD5 dọc sông Đuống so sánh với QCVN 08:2015 (KB1) Kết kịch 2: Với kịch 2, nồng độ thông số ô nhiễm nước thải sau xử lý đạt QCVN 08:2015, cột B (đối với nước thải công nghiệp) nên hầu hết kết tiêu DO BOD5 trường hợp tải lượng gia tăng 70% cho kết khơng vượt QCVN 08:2015 cột B1 (hình 7) Trong trường hợp nồng độ DO BOD5 khơng có nhiều biến động đáng kể, lượng tăng giảm giao động khoảng -10% Hình Kết diễn biến DO BOD dọc sông Đuống so sánh với QCVN 08:2015 (KB 2) KẾT LUẬN Mơ hình MIKE 11 cho kết mô thủy văn, thủy lực chất lượng nước tốt đoạn sông Đuống thuộc địa bàn tỉnh Bắc Ninh Kết cho thấy theo vị trí quan trắc, giá trị DO nằm giới hạn A2 QCVN 08:2015/BTNMT Theo thời gian trong mùa mưa mùa khô chất lượng nước Sơng Đuống có nồng độ chất hữu tăng nhẹ nằm giới hạn B1 QCVN 22 08:2015/BTNMT khoảng thời gian từ vào mùa khơ dòng chảy lưu lượng thay đổi nguồn nước bị hạn chế Đối với kết dự báo chất lượng nước sông Đuống cho thấy thay đổi nồng độ DO BOD5 đoạn sông chịu ảnh hưởng gia tăng tải lượng thải nhà máy phụ thuộc không nhỏ vào thay đổi lưu lượng nước thượng nguồn Khi lưu lượng nước thượng nguồn tăng giảm 10% đến 20% đồng thời lưu lượng xả thải tăng lên đến 70% KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) nồng độ DO BOD5 tăng giảm khoàng 12,8 đến 20% tùy vào vị trí Bên cạnh đó, lưu lượng nước giảm 10 đến 20% đồng thời lưu lượng thải tăng lên 70% xử lý tiêu chuẩn B1 theo QCVN08:2015/BTNMT nồng độ DO BOD5 tăng giảm giao động khoảng -10% Kết nghiên cứu cho thấy, mơ hình MIKE 11 với mơ đun HD, AD Ecolab có ứng dụng tốt nghiên cứu diễn biến chất lượng nước sông Đuống Tuy nhiên để tăng mức độ xác tin cậy nghiên cứu cần thực việc điều tra chi tiết cơng trình xả thải cập nhật việc đo đạc địa hình lòng dẫn Bên cạnh đó, việc tăng số lượng trạm quan trắc chất lượng nước thủy văn cho khu vực cần thiết để ứng dụng mơ hình cách tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Tài nguyên Môi trường (2015) QCVN 08:MT 2015/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước mặt, Hà Nội Bộ TN&MT (2006) Báo cáo môi trường quốc gia – môi trường sông Đuống Ngô Xuân Hậu (2015) “Đánh giá chất lượng nước mặt thành phố Bắc Ninh, tỉnh Bắc Ninh giai đoạn 2010-2015”, Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Hà Nội Phan Viết Chính (2011) “Ứng dụng mơ hình tốn đánh giá chất lượng nước hạ lưu sông Đồng Nai đến năm 2020”, Đại học Đông Á, Nghiên cứu khoa học (4), Tr 40-52 Alexakis.D (2012) “Water quality models: An overview”, European Water DHI (2009) “User manual”, MIKE BY DHI 2009 Abstract: EVALUATION AND PREDICTION OF WATER QUALITY IN THE DUONG RIVER BY USING NUMERICAL MODELS In this paper, the 1D hydrodynamic model MIKE 11 including the hydraulic module and the ecoenvironmental module were applied to simulate the water quality change in the Duong River within the current period and future period based on different scenarios The authors used a set of database including topography, hydrology, and hydraulics, as well as water quality data, which observed in the year 2013 and 2014, as inputs for the processes of the modeling A set of optimal model parameters was obtained in order to simulate the future water quality of the Duong River using different scenarios of inflow and wastewater release The results of Dissolved Oxygen and Biochemical Oxygen Demand obtained from these models were used to make a comparison with the National Standard of Surface Water Quality (QCVN 08:2008) In general, the water quality of some locations in the River is in the range of the National Standard However, some other locations are out of the A2 level but under the B1 level Keywords: Water quality, Duong River, MIKE 11 HD, and MIKE 11 Ecolab Ngày nhận bài: 17/8/2018 Ngày chấp nhận đăng: 13/11/2018 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 23 ... chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước mặt, Hà Nội Bộ TN&MT (2006) Báo cáo môi trường quốc gia – môi trường sông Đuống Ngô Xuân Hậu (2015) Đánh giá chất lượng nước mặt thành phố Bắc Ninh, tỉnh... khoảng -1 0% Kết nghiên cứu cho thấy, mơ hình MIKE 11 với mơ đun HD, AD Ecolab có ứng dụng tốt nghiên cứu diễn biến chất lượng nước sông Đuống Tuy nhiên để tăng mức độ xác tin cậy nghiên cứu cần... nguồn gồm lưu lượng xả thải chất lượng nước thải dọc sông (tập trung phân tán) thiếu hạn chế Hình Kết kiểm định nồng độ DO BOD5 số vị trí vào 2/2014 3.3 Dự báo chất lượng nước sông Đuống theo kịch