Ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng chất lượng nước lưu vực kênh than và đề xuất xây dựng trạm thu gom, xử lý nước thải cho đô thị trung tâm vùng huyện tĩnh gia, tỉnh thanh hóa

Các ứng dụng chủ yếu của WQI bao gồm: - Phục vụ quá trình ra quyết định phân bổ tài chính và xác định các vấn đề ưu tiên; - Phân vùng chất lượng nước; - Thực thi tiêu chuẩn qua việc đánh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguy ễn Quốc Trung

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC LƯU VỰC KÊNH THAN VÀ ĐỀ XUẤT XÂY DỰNG TRẠM THU GOM, X Ử LÝ NƯỚC THẢI CHO ĐÔ THỊ TRUNG TÂM VÙNG

HUY ỆN TĨNH GIA, TỈNH THANH HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà N ội - Năm 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguy ễn Quốc Trung

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC LƯU VỰC KÊNH THAN VÀ ĐỀ XUẤT XÂY DỰNG TRẠM THU GOM, X Ử LÝ NƯỚC THẢI CHO ĐÔ THỊ TRUNG TÂM VÙNG

HUY ỆN TĨNH GIA, TỈNH THANH HÓA

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

L ỜI CẢM ƠN

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và tri ân sâu sắc tới PGS.TS Trần Văn Quy và TS Trịnh Thành đã trực tiếp hướng dẫn, luôn luôn sát sao, động viên,

nhắc nhở kịp thời và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian

thực hiện nghiên cứu phục vụ cho luận văn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới quý thầy cô bộ môn Công nghệ môi trường nói riêng và toàn thể thầy cô Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội nói chung đã luôn quan tâm,

tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức bổ ích và vô cùng quý báu cho tôi trong suốt thời gian theo học tập tại trường

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các phòng, ban thuộc Ủy ban nhân dân huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa đã giúp đỡ nhiệt tình về các nguồn số liệu và các anh chị cán bộ của Viện Nghiên cứu Biển và Hải đảo đã hỗ trợ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình sử dụng phần mềm mô hình MIKE 11 để tôi có thể thuận lợi hoàn thành

luận văn của cá nhân mình

Tôi xin chân thành cảm ơn!

H ọc viên

Nguy ễn Quốc Trung

i

M ỤC LỤC

M Ở ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Sơ lược về khu vực nghiên cứu 3

1.1.1 V ị trí địa lý, địa hình, địa mạo 3

1.1.2 Đặc điểm khí tượng, thuỷ văn 4

1.1.3 Đặc điểm kinh tế xã hội 5

1.2 Sơ lược về chỉ số chất lượng nước WQI 5

1.3 Các h ệ thống thu gom và các công nghệ xử lý nước thải đô thị 8

1.3.1 Các h ệ thống thu gom 8

1.3.2 Các phương pháp xử lý 10

1.3.3 Công ngh ệ thu gom và xử lý nước thải tại Việt Nam 13

1.4 Các mô hình tính toán ch ất lượng nước 15

1.4.1 Gi ới thiệu các mô hình trên thế giới và ứng dụng, nghiên cứu ở Việt Nam 15 1.4.2 L ựa chọn mô hình tính toán, mô phỏng chất lượng nước 18

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 20

2.2 Phương pháp nghiên cứu 21

2.2.1 Phương pháp thu thập số liệu, tài liệu thứ cấp 21

2.2.2 Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa 22

2.2.3 Phương pháp lấy mẫu, bảo quản và phân tích mẫu 23

2.2.4 Phương pháp đánh giá nhanh 24

2.2.5 Phương pháp phân tích, so sánh và đánh giá tổng hợp 24

2.2.6 Phương pháp mô hình toán 25

2.2.7 Phương pháp tần suất thống kê 46

ii

2.2.8 Phương pháp tính toán 47

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 52

3.1 Hi ện trạng thoát nước và chất lượng nước khu vực nghiên cứu 52

3.1.1 Hi ện trạng thoát nước 52

3.1.2 Hi ện trạng chất lượng nước lưu vực kênh Than 54

3.2 Áp d ụng mô hình và kết quả 54

3.2.1 Các thông tin đầu vào cho mô hình thủy lực 54

3.2.2 K ết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực 59

3.2.3 K ết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình chất lượng nước kênh Than 62

3.2.4 Đánh giá hiện trạng chất lượng nước lưu vực kênh Than 65

3.3 Đề xuất hệ thống công nghệ thu gom và xử lý nước thải cho trung tâm th ị trấn Tĩnh Gia 76

3.3.1 Sơ đồ công nghệ, thiết bị 76

3.3.2 Đặc tính nước thải đầu vào và hiệu quả xử lý 77

3.3.3 Đề xuất, lựa chọn vị trí công nghệ thu gom xử lý nước thải 78

3.3.4 Tính toán các thi ết bị và công trình liên quan 79

3.3.5 Khái toán đầu tư cho dây chuyền công nghệ lựa chọn 87

3.3.6 Chi phí v ận hành, giá thành 88

K ẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 90

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 92

PH Ụ LỤC 94

iii

DANH M ỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AD Truyền tải – Khuyếch tán (Advection Dispersion) BOD Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand) CSO Giếng tách dòng (Combined Sewer Overflows)

DO Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen) GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System)

HD Thủy động lực (Hydrodynamic parameters)

TN Tổng nitơ (Total Nitrogen)

TP Tổng phốt pho (Total Phosphorus)

TS Tổng chất rắn (Total Solids) TSS Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solids) UBND Ủy ban nhân dân

VK Vi khuẩn VSV Vi sinh vật

WQ Chất lượng nước (Water Quality)

iv

DANH M ỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các phương pháp tính chỉ số WQI 7

Bảng 2.1 Mạng lưới quan trắc trong vùng và lân cận 22

Bảng 2.2 Một số các phương pháp phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước 24

Bảng 2.3 Các yếu tố đầu vào, đầu ra của mô hình MIKE 11 25

Bảng 2.4 Hằng số trong MIKE ECO Lab 44

Bảng 2.5 Các thông số tích hợp sẵn trong MIKE ECO Lab 45

Bảng 2.6 Chất lượng nước đầu vào và quy chuẩn so sánh 48

Bảng 2.7 Tính toán thoát nước theo quy hoạch phát triển kinh tế xã hội 49

Bảng 2.8 So sánh lựa chọn công nghệ xử lý nước thải 50

Bảng 3.1 Địa hình lòng dẫn lưu vực kênh Than 55

Bảng 3.2 Thống kê đánh giá sai số trận lũ kiểm định mô hình tại các vị trí đo trên kênh Than 61

Bảng 3.3 Biên các nguồn nước thải sinh hoạt đổ vào kênh Than 66

Bảng 3.4 Dân số các xã Đô thị trung tâm vùng huyện Tĩnh Gia theo quy hoạch 73

Bảng 3.5 Tính toán hiệu quả nhà máy xử lý nước thải 77

Bảng 3.6 Mức chịu tải của kênh Than đối với nguồn tiếp nhận không qua xử lý 82

Bảng 3.7 Bảng thông số kích thước hồ sinh học 86

Bảng 3.8 Bảng khái toán tổng mức đầu tư 87

Bảng 3.9 Chi phí vận hành và bảo dưỡng hệ thống thu gom nước thải 88

Bảng 3.10 Chi phí vận hành và bảo dưỡng nhà máy xử lý nước thải 89

v

DANH M ỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ vị trí đô thị trung tâm vùng huyện Tĩnh Gia 3

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống thoát nước chung với giếng tách dòng 9

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn 10

Hình 2.1 Hiện trạng tuyến kênh Than 20

Hình 2.2 Sơ đồ các vị trí lấy mẫu quan trắc môi trường nước 23

Hình 2.3 Sơ đồ chuyển hóa giữa các hợp phần trong các quá trình sinh hóa 33

Hình 2.4 Sơ đồ Áp dụng mô hình Mike 11 tính toán diễn biến WQ 36

Hình 2.5 Bản đồ hiện trạng khu vực nghiên cứu 37

Hình 2.6 Sơ đồ mạng kênh Than trong giao diện MIKE 11 38

Hình 2.7 Các thành phần mô phỏng chất lượng nước kênh Than 43

Hình 2.8 Mô hình WQ Level 3 được sử dụng trong tính toán chất lượng nước 44

Hình 3.1 Sơ đồ các lưu vực thoát nước trung tâm vùng huyện Tĩnh Gia 52

Hình 3.2 Sơ đồ mạng lưới kênh tiêu của lưu vực kênh Than 53

Hình 3.3 Một số mặt cắt ngang điển hình của hệ thống kênh Than trong mô hình MIKE 11 56

Hình 3.4 Lựa chọn thông số tính toán thủy động lực 58

Hình 3.5 Lựa chọn thông số tính toán lan truyền, khuếch tán 58

Hình 3.6 Kết quả hiệu chỉnh điều kiện ban đầu 59

Hình 3.7 Kết quả hiệu chỉnh hệ số nhám 60

Hình 3.8 So sánh mực nước giữa tính toán với số liệu thực đo tại Bến Ngao 60

Hình 3.9 So sánh mực nước giữa tính toán với số liệu thực đo tại Đò Bè 61

Hình 3.10 So sánh chỉ tiêu DO giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại các vị trí quan trắc 63

Hình 3.11 So sánh chỉ tiêu BOD5 giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại các vị trí quan trắc 63

vi

Hình 3.12 So sánh chỉ tiêu NH4+ giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại các vị

trí quan trắc 64

Hình 3.13 So sánh chỉ tiêu NO3- giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại các vị trí quan trắc 64

Hình 3.14 Hàm lượng các chỉ tiêu chất lượng nước của biên dòng chảy cơ bản 69

Hình 3.15 Diễn biến giá trị DO tại một số vị trí trên kênh Than (KB1) 70

Hình 3.16 Diễn biến giá trị BOD5 tại một số vị trí trên kênh Than (KB1) 71

Hình 3.17 Diễn biến giá trị NH4+ tại một số vị trí trên kênh Than (KB1) 71

Hình 3.18 Diễn biến giá trị NO3- tại một số vị trí trên kênh Than (KB1) 71

Hình 3.19 Diễn biến giá trị DO (< 3,5 mg/L) tại vị trí cống Đò Bè (KB2) 74

Hình 3.20 Diễn biến giá trị BOD5 (dao động từ 16 - >20 mg/L) tại vị trí cống Đò Bè (KB2) 75

Hình 3.21 Diễn biến giá trị NH4+ (theo KB2) 76

Hình 3.22 Diễn biến giá trị NO3- (theo KB2) 76

Hình 3.23 Sơ đồ tổ chức hệ thống thu gom nước thải 77

Hình 3.24 Mặt bằng phân chia lưu vực thoát nước thải 80

Hình 3.25 Hướng tuyến thoát nước thải 81

Hình 3.26 Mặt bằng trạm xử lý nước thải 83

1

M Ở ĐẦU

Tĩnh Gia là huyện cực nam của tỉnh Thanh Hóa, bao gồm thị trấn Tĩnh Gia

và 32 xã Với địa hình đa dạng và cảng biển lớn đã tạo cho Tĩnh Gia tiềm năng và

lợi thế đặc biệt trong phát triển kinh tế xã hội tương đối toàn diện như phát triển du

lịch, công nghiệp và thủy, hải sản

Đô thị trung tâm vùng huyện Tĩnh Gia, với diện tích 7.718 ha bao gồm 07 xã

và 01 thị trấn: xã Hải Nhân, Ninh Hải, Hải Hòa, Hải Thanh, Bình Minh, Nguyên Bình, Xuân Lâm và thị trấn Tĩnh Gia là đô thị hạt nhân gắn với định hướng phát triển và mở rộng khu kinh tế Nghi Sơn cũng như huyện Tĩnh Gia, giúp toàn huyện

trở thành đô thị loại 1 trong tương lai

Song song với những tiềm năng, triển vọng và thành tựu kinh tế đã đạt được trong nhiều năm qua, Tĩnh Gia cũng đang đối mặt với những thách thức không nhỏ

về môi trường với nhiều hoạt động kinh tế - xã hội đồng thời phát triển như các hoạt động công nghiệp, xây dựng hạ tầng đô thị và khu công nghiệp, phát triển mạng lưới giao thông thủy bộ và cảng biển, nuôi trồng - đánh bắt, chế biến thủy sản, du

lịch – dịch vụ đã làm nảy sinh nhiều vấn đề mâu thuẫn giữa các ngành kinh tế với nhau và cùng làm gia tăng sức ép lên môi trường sinh thái và hệ tài nguyên sinh vật

Chất lượng môi trường ở một số khu vực trọng điểm đã và đang bị tác động

mạnh trong đó cụ thể là khu vực Đô thị trung tâm vùng huyện Tĩnh Gia Hiện nay, tình trạng ô nhiễm chất lượng nước của hệ thống kênh tiêu liên xã huyện Tĩnh Gia đang dần trở thành vấn đề cấp bách do hệ thống hạ tầng kỹ thuật chưa được đầu tư đồng bộ theo đúng quy hoạch Hệ thống thoát nước thải và nước mưa đang đi chung Phần lớn lượng nước thải sinh hoạt và nước mặt đang thoát chung vào hệ

thống mương hở hoặc tự thấm, các hộ dân nông nghiệp hầu hết chưa có hệ thống bể

tự hoại, chủ yếu thoát theo kiểu tự tiêu gây mất vệ sinh môi trường và là mầm mống gây bệnh tật cho con người

Với khu vực Đô thị trung tâm vùng huyện Tĩnh Gia có khoảng hơn 70.000 người, nước thải tại khu vực này được thu về các tuyến cống chung và đổ trực tiếp

ra kênh Than là kênh tiêu chính cho các xã với diện tích 6.691 ha, chiều dài

2

23,215 km đã và đang gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến cuộc sống của các

hộ dân sống hai bên tuyến kênh này

Cho đến nay, việc đánh giá tổng thể chất lượng nước của kênh tiêu này vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ, đồng thời việc ứng dụng các mô hình hiện đại để tính toán, dự báo còn đang hạn chế Do vậy, việc lựa chọn và thực hiện đề tài luận văn

đề xuất xây dựng trạm thu gom, xử lý nước thải cho Đô thị trung tâm vùng huy ện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa” là cần thiết và có ý nghĩa thực tế, nhằm góp

phần phát triển một đô thị bền vững khu vực nghiên cứu nói riêng và cho cả nước nói chung

M ục tiêu nghiên cứu: Mô phỏng đánh giá được chất lượng nước và dự báo

được xu thế, diễn biến chất lượng nước lưu vực kênh Than theo Quy hoạch phát triển kinh tế xã hội đến năm 2030 của khu Đô thị trung tâm vùng huyện Tĩnh Gia,

tỉnh Thanh Hóa Trên cơ sở đó đề xuất được giải pháp xây dựng hệ thống thu gom

và xử lý nước thải cho khu đô thị này theo Quy hoạch phát triển kinh tế xã hội

N ội dung nghiên cứu bao gồm:

- Khảo sát, đánh giá hiện trạng chất lượng môi trường nước tại lưu vực kênh Than vùng huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa;

- Nghiên cứu ứng dụng mô hình số Mike 11 để đánh giá và dự báo chất lượng nước lưu vực kênh Than khu đô thị trung tâm vùng huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa;

- Đề xuất giải pháp xây dựng trạm thu gom và xử lý nước thải đô thị cho trung tâm vùng huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược về khu vực nghiên cứu

1.1.1 V ị trí địa lý, địa hình, địa mạo

Đô thị trung tâm Vùng huyện Tĩnh Gia bao gồm thị trấn Tĩnh Gia và các xã Bình Minh, Hải Thanh, Hải Hòa, Nguyên Bình, Hải Nhân, Ninh Hải, Xuân Lâm; phía Bắc giáp xã Định Hải (khu vực Cầu Hang); phía Nam giáp sông Bạng; phía Đông giáp biển Đông và phía Tây giáp xã Phú Lâm (Hình 1.1)

Hình 1.1 Sơ đồ vị trí đô thị trung tâm vùng huyện Tĩnh Gia

Ngu ồn: Báo cáo Quy hoạch chung xây dựng Đô thị Trung tâm vùng huyện Tĩnh Gia, t ỉnh Thanh Hóa đến năm 2030 tầm nhìn đến 2050, Thanh Hóa, 2015

Khu vực này có địa hình đồng bằng xen đồi núi thấp, là vùng bán sơn - địa

với cao độ trung bình (+2,50), cao trình mặt đất thay đổi từ (+0,30) đến (+2,50)

4

trong đồng lúa và từ (+2,00) đến (+4,00) trong khu dân cư và đường xá Địa mạo có

độ dốc thoải dần từ phía đất liền ra biển [4]

1.1.2 Đặc điểm khí tượng, thuỷ văn

Khí hậu mang tính đặc trưng của khí hậu vùng đồng bằng ven biển tỉnh Thanh Hóa, chịu ảnh hưởng của khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm và mưa nhiều

Nhiệt độ không khí trong năm trung bình 250C, cao nhất 380C - 390C, thấp

nhất 4,10C vào tháng 12

Độ ẩm tương đối của không khí từ 85 - 87 % và độ ẩm tuyệt đối trung bình

từ 24 - 25,4 g/m3, sự chênh lệch độ ẩm giữa các vùng không lớn Độ ẩm thấp đi rõ

rệt vào các tháng đầu mùa hạ [4]

Gió đông bắc từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau Gió Tây Nam khô nóng từ tháng 4 đến tháng 7 làm mất thế cân bằng nước trong đất và thực vật, gây ra hạn hán có khi rất trầm trọng Hướng gió thịnh hành từ tháng 3 đến tháng 7 chủ yếu Đông Nam đến Tây Nam, từ tháng 8 đến tháng 10 hướng chính là Tây và Tây Bắc,

từ tháng 11 đến tháng 2 năm sau gió hướng Bắc và Đông Bắc Tốc độ gió trung bình khoảng 1,8 m/s, gió mạnh nhất thường là do bão gây ra đạt tới 40 m/s [4]

Mùa mưa bão thường bắt đầu từ tháng 5 và tháng 6, kết thúc vào tháng 10 và tháng 11 trong năm Bình quân mỗi năm có từ 3 đến 5 trận bão có nguy cơ đổ bộ vào Thanh Hóa mà Tĩnh Gia là vùng chịu ảnh hưởng trực tiếp [4]

Lượng bốc hơi trung bình nhiều năm trong khu vực khoảng 870 mm Mùa nóng bốc hơi nhiều hơn mùa lạnh [4]

Lượng mưa trung bình: 1920 mm, lớn nhất: 3024 mm (1994) và nhỏ nhất:

1100 mm (1957) Lượng mưa này phân bổ không đều theo tháng Số ngày mưa trong năm từ 125 - 135 ngày [4]

Khu vực này chịu ảnh hưởng trực tiếp của thuỷ triều, biên độ thuỷ triều lớn

Tốc độ truyền sóng triều khi triều lên trung bình khoảng 10 km/h và khi thuỷ triều

xuống đạt hơn 10 km/h Kênh Than không bị ảnh hưởng của thủy triều, do kênh Than tiêu ra sông Yên và sông Bạng qua 2 cửa tiêu có nhiệm vụ ngăn mặn và giữ

ngọt là cống Bến Ngao và cống Đò Bè [4]

5

1.1.3 Đặc điểm kinh tế xã hội

Khu vực này là Trung tâm Hành chính - chính trị, kinh tế, văn hóa - xã hội

của huyện Tĩnh Gia (trong giai đoạn toàn huyện Tĩnh Gia chưa hình thành một đô

thị) Dân số hiện tại khoảng 69.557 người Trong đó Hải Thanh là xã có mật độ dân

số và quy mô dân số tập trung cao nhất, cao hơn cả thị trấn Tĩnh Gia

Huyện Tĩnh Gia có tỷ trọng công nghiệp - xây dựng cao hơn hẳn và tỷ trọng nông, lâm, thủy sản thấp hơn so với toàn tỉnh Cơ cấu nông, lâm, thuỷ sản chiếm 7,5 %; công nghiệp - xây dựng chiếm 82,5 %; dịch vụ chiếm 10 %

Trên địa bàn có 01 trung tâm thương mại và các chợ lớn, như chợ Hải Bình,

chợ Thượng Hải - xã Hải Thanh và chợ Thị trấn Tính đến cuối năm 2014, trên địa bàn đã có 37 khách sạn, nhà nghỉ, đáp ứng được nhu cầu du lịch, giải trí của các du khách thập phương, đặc biệt vào mùa du lịch (từ tháng 5 đến tháng 9 hàng năm) [5]

1.2 Sơ lược về chỉ số chất lượng nước WQI

 Gi ới thiệu chung về WQI

Chỉ số chất lượng nước WQI (Water Quality Index) là một chỉ số tổ hợp được tính toán từ các thông số chất lượng nuớc xác định thông qua một công thức toán học WQI dùng để mô tả định lượng về chất lượng nước và được biểu diễn qua

một thang điểm Các ứng dụng chủ yếu của WQI bao gồm:

- Phục vụ quá trình ra quyết định phân bổ tài chính và xác định các vấn đề

ưu tiên;

- Phân vùng chất lượng nước;

- Thực thi tiêu chuẩn qua việc đánh giá mức độ đáp ứng/không đáp ứng

của chất lượng nước đối với tiêu chuẩn hiện hành;

- Phân tích diễn biến chất lượng nước theo không gian và thời gian;

- Công bố thông tin cho cộng đồng;

- Nghiên cứu khoa học (đánh giá tác động của quá trình đô thị hóa đến chất lượng nước khu vực, đánh giá hiệu quả kiểm soát phát thải,…)

 Quy trình xây d ựng WQI

Hầu hết các mô hình WQI hiện nay đều được xây dựng theo 4 bước

6

B ước 1: Lựa chọn thông số

Sự lựa chọn các thông số để tính toán WQI phụ thuộc vào mục đích sử dụng nguồn nước và mục tiêu của WQI Dựa vào mục đích sử dụng WQI có thể được phân loại thành chỉ số chất lượng nước thông thường và chỉ số chất lượng nước cho

mục đích sử dụng đặc biệt

Việc lựa chọn thông số có thể dùng phương pháp Delphi hoặc phân tích nhân

tố quan trọng Các thông số nên được lựa chọn theo 5 chỉ thị: Hàm lượng ôxy hòa tan (DO); phú dưỡng (NH4+, NO3-, tổng N, PO43-, tổng P, BOD5, COD, TOC); các

yếu tố ảnh hưởng tới sức khỏe (tổng Coliform, Fecal Coliform, dư lượng thuốc

bảo vệ thực vật, các kim loại nặng); đặc tính vật lý (nhiệt độ, pH, màu sắc) và chất

rắn lơ lửng (TSS), độ đục [15]

Bước 2: Chuyển đổi thông số về cùng một thang đo (tính toán chỉ số phụ)

Các thông số thường có đơn vị khác nhau và có các khoảng giá trị khác nhau

Vì vậy cần phải chuyển các thông số về cùng một thang đo, và tạo ra một chỉ số phụ cho mỗi thông số Chỉ số phụ có thể được tạo ra bằng tỉ số giữa giá trị thông số và giá trị trong quy chuẩn [15]

Bước 3: Trọng số của các thông số

Các thông số có tầm quan trọng khác nhau đối với chất lượng nước Trọng số

có thể xác định bằng phương pháp Delphi; Phương pháp đánh giá tầm quan trọng

dựa vào mục đích sử dụng; Tầm quan trọng của các thông số đối với đời sống thủy sinh; Tính toán trọng số dựa trên các tiêu chuẩn hiện hành; Dựa trên đặc điểm của nguồn thải vào lưu vực và bằng các phương pháp thống kê, …[15]

Bước 4 : Tính toán chỉ số WQI cuối cùng

Một số bất cập khi tính toán chỉ số WQI cuối cùng là một chỉ số phụ thể

hiện WQ xấu nhưng có thể chỉ số cuối cùng lại thể hiện chất lượng tốt (tính che khu ất); hoặc khi WQ chấp nhận được nhưng chỉ số WQI lại thể hiện ngược lại (tính

mơ hồ); ngoài ra, một thông số có thể bổ sung vào việc đánh giá WQ nhưng lại không được tính vào WQI do phương pháp đã được cố định (tính không mềm dẻo)

Các phương pháp thường sử dụng được thống kê trong Bảng 1.1 [15]

Ngu ồn: Tổng cục Môi trường, 2010

trong đó: qi - chỉ số phụ; n - số lượng thông số chất lượng nước ; wi - trọng số

 Kinh nghi ệm xây dựng WQI của một số quốc gia trên Thế giới và ở Việt Nam

Từ những năm 70 đến nay, trên thế giới đã có hàng trăm công trình nghiên

cứu phát triển và áp dụng mô hình WQI cho quốc gia hay địa phương theo một trong 3 hướng: Áp dụng một mô hình WQI có sẵn hoặc cải tiến của nước ngoài vào

quốc gia/ địa phương hoặc nghiên cứu phát triển một mô hình mới

Ở Hoa Kỳ, WQI được xây dựng cho mỗi Bang, đa số các Bang tiếp cận theo phương pháp của Quỹ Vệ sinh Quốc gia Mỹ (National Sanitation Foundation - NSF), sau đây gọi tắt là WQI - NSF Tại Canada, từ năm 2001 đã xây dựng WQI theo phương pháp của Cơ quan Bảo vệ môi trường Canada (The Canadian Council

of Ministers of the Environment - CCME) Các quốc gia ở châu Âu cũng như

8

Malaysia và Ấn Độ chủ yếu áp dụng WQI - NSF (của Hoa Kỳ), tuy nhiên các thông

số và phương pháp tính chỉ số phụ được lựa chọn riêng tùy theo mục đích sử dụng

Tại Việt Nam WQI cũng đã được triển khai chính thức Tôn Thất Lãng và các cộng sự (năm 2008) đã sử dụng phương pháp Delphi để lựa chọn các thông số (BOD, tổng N, DO, SS, pH, Coliform) để tính WQI cho sông Đồng Nai và kết hợp

với phương pháp đường cong tỉ lệ để tính toán chỉ số phụ Trên cơ sở đó đã xác định được các thông số chất lượng nước quan trọng, xây dựng chỉ số phụ và hàm

chất lượng nước để đánh giá, phân loại chất lượng nước hệ thống sông Đồng Nai theo chỉ số WQI cuối cùng [15]

Lê Trình và các cộng sự (năm 2008) đã áp dụng theo 2 mô hình WQI cơ bản

của Hoa Kỳ (NSF) và Ấn Độ (Bhargava) đã phân vùng được chất lượng nước theo các chỉ số và đánh giá được khả năng sử dụng các nguồn nước sông, kênh rạch ở vùng thành phố Hồ Chí Minh [15]

Từ năm 2011, Tổng cục môi trường, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã ban

hành “S ổ tay hướng dẫn tính toán chỉ số chất lượng nước” để hướng dẫn việc tính

toán chỉ số chất lượng nước từ số liệu quan trắc môi trường nước mặt lục địa

1.3 Các h ệ thống thu gom và các công nghệ xử lý nước thải đô thị

1.3.1 Các h ệ thống thu gom

 Hệ thống thoát nước chung

Là hệ thống trong đó tất cả mọi loại nước thải, nước mưa được thu gom trong cùng một hệ thống Hệ thống này có kinh phí đầu tư xây dựng thấp nhất trong các

loại hệ thống thoát nước, có thể nâng cấp thành hệ thống thoát nước riêng hoặc hệ

thống chung với giếng tách dòng Tuy nhiên, chế độ thủy lực làm việc không ổn định Mùa mưa nước chảy đầy cống, có thể gây ngập, nhưng mùa khô khi chỉ có nước thải sinh hoạt và sản xuất (lưu lượng nhỏ hơn nhiều lần so với nước mưa) thì

độ đầy và tốc độ dòng chảy nhỏ sẽ gây lắng đọng cặn, làm giảm khả năng chuyển

tải… Ngoài ra do nước thải chảy tới trạm bơm, trạm xử lý không điều hòa về lưu lượng và chất lượng, nên công tác điều phối trạm bơm và trạm xử lý trở nên phức

tạp, khó đạt hiệu quả mong muốn [7]

9

 H ệ thống thoát nước chung với giếng tách dòng

Hệ thống thoát nước chung với giếng tách dòng (CSO) bao gồm một mạng lưới cống thoát nước chung nhưng tại tuyến cống cuối, trước khi xả ra nguồn tiếp

nhận, xây dựng giếng tràn tách nước mưa và nước thải Sơ đồ hệ thống được thể

hiện trên Hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống thoát nước chung với giếng tách dòng

Hệ thống này yêu cầu hành lang để lắp đặt các tuyến cống thu gom nước mưa, nước thải ít hơn so hệ thống riêng hoàn toàn, đồng thời dễ dàng phân đoạn đầu

tư xây dựng và đưa vào sử dụng theo thứ tự ưu tiên đối với mạng lưới cống chung

dọc theo các trục đường phố trước, các giếng tách nước mưa nước thải tại cuối các tuyến cống chung, các tuyến cống bao, trạm bơm thu gom nước thải và nhà máy xử

lý nước thải

Tuy nhiên, hệ thống này đòi hỏi kinh phí đầu tư xây dựng ban đầu cao, vì

phải xây dựng song song 2 hệ thống mạng lưới đồng thời Những chỗ giao nhau của hai mạng lưới phải xây dựng giếng tách nước mưa, thường không đạt hiệu quả mong muốn về vệ sinh [7]

 Thoát nước riêng hoàn toàn

Hệ thống này thoát nước mưa và nước thải riêng biệt, được sử dụng hầu hết

tại các khu công nghiệp tập trung, các khu dân cư mới Sơ đồ hệ thống được thể

hiện trên Hình 1.3

Đối tượng thoát nước

Tuyến nước mưa, nước thải

10

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn

Hệ thống này yêu cầu vốn đầu tư xây dựng đợt đầu không cao, chế độ thủy

lực ổn định, công tác quản lý duy trì không phức tạp Tuy nhiên, sẽ tồn tại đồng thời nhiều hệ thống công trình, mạng lưới trong đô thị Ngoài ra, cảm quan về vệ sinh kém hơn so những hệ thống khác bởi chất bẩn trong nước mưa không được xử lý

mà xả trực tiếp vào nguồn tiếp nhận Tổng giá thành xây dựng toàn hệ thống và chi phí quản lý cao [7]

1.3.2 Các phương pháp xử lý

Hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam có rất nhiều các phương pháp

xử lý nước thải đô thị được áp dụng Các phương pháp này thường bao gồm xử lý

cơ học, hóa lý, sinh học

- Song chắn rác, lưới lọc dùng để chắn giữ các cặn bẩn có kích thước lớn

hoặc ở dạng sợi như giấy, rau cỏ, rác…

- Bể lắng cát để loại bỏ cát, sỏi, đá dăm, các loại xỉ khỏi nước thải Bể lắng cát thường được đặt phía sau song chắn rác và trước bể lắng sơ cấp Đôi khi bể lắng cát được đặt trước song chắn rác, tuy nhiên việc đặt sau song chắn có lợi cho việc quản lý

Đối tượng thoát nước

Tuyến nước thải

11

bể lắng cát hơn Trong bể lắng cát các thành phần cần loại bỏ lắng xuống nhờ trọng

lượng bản thân của chúng

- Sân phơi cát đặt ở gần bể lắng cát để làm khô cặn xả ra từ bể lắng cát Kích thước sân phơi cát được xác định với điều kiện tổng chiều cao lớp cát chọn bằng 3

đến 5 m/năm

- Bể điều hòa được dùng để duy trì dòng thải và nồng độ các chất ô nhiễm vào công trình, làm cho công trình làm việc ổn định, khắc phục những sự cố vận hành do dao động về nồng độ và lưu lượng của quá trình xử lý nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của quá trình xử lý sinh học Có thể được phân làm ba loại như sau: Điều hòa về lưu lượng; nồng độ; cả lưu lượng và nồng độ

- Bể tách dầu mỡ thường được ứng dụng khi xử lý nước thải công nghiệp,

nhằm loại bỏ các tạp chất có khối lượng riêng nhỏ hơn nước

- Bể lắng tách các chất không tan ở dạng lơ lửng trong nước thải theo nguyên

tắc trọng lực Các bể lắng có thể bố trí nối tiếp nhau Quá trình lắng tốt có thể loại

bỏ đến 90 - 95% lượng cặn có trong nước thải, thường bố trí xử lý ban đầu hay sau

xử lý sinh học Để có thể tăng cường quá trình lắng có thể thêm vào chất đông tụ sinh học Có các loại lắng ngang; lắng đứng và lắng li tâm

- Bể lọc nhằm tách các chất ở trạng thái lơ lửng kích thước nhỏ bằng cách cho nước thải đi qua lớp vật liệu lọc, thường làm việc với hai chế độ lọc và rửa lọc Quá trình lọc chỉ áp dụng cho các công nghệ xử lý nước thải tái sử dụng và cần thu

hồi một số thành phần quí hiếm có trong nước thải Thường có các loại như lọc qua vách lọc; với vật liệu lọc dạng hạt; lọc chậm; lọc nhanh; cột lọc áp lực [11]

 Phương pháp xử lý hóa lý

Trong dây chuyền công nghệ xử lý, công đoạn xử lý hóa lý thường được áp

dụng sau công đoạn xử lý cơ học Phương pháp này được sử dụng để loại khỏi nước

thải các hạt lơ lửng phân tán, các chất hữu cơ và vô cơ hòa tan Trong xử lý nước

thải sinh hoạt, phương pháp đông tụ và keo tụ được sử dụng để làm trong và khử màu nước thải bằng cách dùng các chất keo tụ (phèn), các chất trợ keo tụ để liên kết

tạo tế bào cũng như tích luỹ năng lượng cho quá trình sinh trường và phát triển chính vì vậy sinh khối vi sinh vật không ngừng tăng lên Thường được đặt sau khi nước thải đã được xử lý sơ bộ qua các công trình cơ học, hóa học, hóa lý Những công trình xử lý sinh học bao gồm:

 Các công trình trong đó quá trình xử lý thực hiện trong điều kiện tự nhiên

- Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc: Việc xử lý nước thải dựa trên khả năng giữ các cặn nước ở trên mặt đất, nước thấm qua đất như đi qua lọc Nhờ có oxy trong lỗ

hổng và mao quản của lớp đất, các VSV hiếu khí hoạt động phân hủy các chất hữu

cơ nhiễm bẩn Công trình là những mảnh đất được san phẳng hay tạo dốc không

đáng kể và được ngăn cách tạo thành các ô bằng các bờ đất

- Hồ sinh học: Đây là phương pháp xử lý đơn giản nhất, không yêu cầu kỹ thuật cao, vốn đầu tư ít, chi phí hoạt động thấp, quản lý đơn giản và hiệu quả cũng khá cao Quy trình được tóm tắt như sau: Nước thải → loại bỏ rác, cát, sỏi → Các

ao hồ ổn định → Nước đã xử lý Hệ thống bao gồm:

+ H ồ hiếu khí: Hồ nông 0,3 – 0,5 m có quá trình oxy hóa các chất bẩn hữu

cơ chủ yếu nhờ các vi sinh vật Gồm 2 loại: Hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo

+ H ồ kị khí: Là loại hồ sâu, ít hoặc không có điều kiện hiếu khí Các VSV kị

khí hoạt động, chúng sử dụng oxy từ các hợp chất như nitrat, sulfat để oxy hóa các chất hữu cơ; các loại rượu; khí CH4, H2S, CO2,…; khí và nước Chiều sâu của

hồ khá lớn khoảng 2 - 6 m

13

+ H ồ tùy nghi: Là sự kết hợp hai quá trình song song: phân hủy hiếu khí các

chất hữu cơ hòa tan có đều ở trong nước và phân hủy kị khí (chủ yếu là CH4) cặn

lắng ở vùng lắng Ao hồ tùy nghi được chia làm ba vùng: Lớp trên là vùng hiếu khí, vùng giữa là vùng kị khi tùy tiện và vùng phía đáy sâu là vùng kị khí Chiều sâu của

hồ khoảng 1 - 1,5 m

 Các công trình trong đó quá trình xử lý thực hiện trong điều kiện nhân tạo

- Công trình xử lý hiếu khí nhân tạo thường gồm hai quá trình cơ bản: Quá trình xử lý sinh trưởng lơ lửng và sinh trưởng bám dính Các công trình tương thích như: Aeroten bùn hoạt tính (vi sinh vật lơ lửng), bể thổi khí sinh học tiếp xúc (vi sinh vật bám dính), bể lọc sinh học (bể biophin), tháp lọc sinh học, bể sinh học tiếp xúc quay Do các điều kiện tạo nên bằng nhân tạo mà quá trình xử lý diễn ra nhanh hơn, cường độ mạnh hơn Quá trình xử lý có thể đạt được hiệu suất khử trùng 99,9 % so với các công trình xử lý trong điều kiện tự nhiên

- Công trình xử lý kị khí nhân tạo: Phân hủy kị khí (Anaerobic Descomposotion) là quá trình phân hủy chất hữu cơ thành các chất khí (CH4 và

CO2) trong điều kiện không có ôxy Ưu điểm nổi bật của quá trình xử lý kị khí là lượng bùn sinh ra rất thấp, vì thế chi phí cho việc xử lý bùn thấp hợn nhiều so với các quá trình xử lý hiếu khí Điển hình có công trình bể UASB (Upflow anaerobic Sludge Blanket): Nước thải được đưa trực tiếp vào phía dưới đáy bể và được phân

phối đồng đều, sau đó chảy ngược lên xuyên qua lớp bùn sinh học dạng hạt nhỏ (bông bùn) và chất hữu cơ bị phân hủy Các bọt khí mêtan và NH3, H2S nổi lên trên

và được thu bằng các chụp thu khí để dẫn ra khỏi bể Nước thải tiếp theo đó chuyển đến vùng lắng của bể phân tách 2 pha lỏng và rắn Sau đó ra khỏi bể, bùn hoạt tính thì hoàn lưu lại vùng lớp bông bùn [11]

1.3.3 Công ngh ệ thu gom và xử lý nước thải tại Việt Nam

Hiện nay, hệ thống thoát nước phổ biến nhất ở các đô thị của Việt Nam là hệ

thống thoát nước chung Phần lớn được xây dựng cách đây khoảng 100 năm, chủ

yếu để thoát nước mưa, ít khi được sửa chữa, duy tu, bảo dưỡng nên đã xuống cấp

14

nhiều Việc xây dựng bổ sung được thực hiện một cách chắp vá, không theo quy

hoạch lâu dài, không đáp ứng được yêu cầu phát triển đô thị

Các dự án thoát nước đô thị sử dụng vốn ODA (Hỗ trợ phát triển chính thức) cho khoảng 10 đô thị đã và đang được triển khai thực hiện thường áp dụng kiểu hệ

thống chung trên cơ sở cải tạo nâng cấp hệ thống hiện có Tuy nhiên, cá biệt như thành phố Huế áp dụng hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn

Đối với các khu công nghiệp, được xây dựng từ 1994 đến nay, việc tổ chức

hệ thống thoát nước theo dạng phổ biến trên thế giới Thông thường có hai hoặc ba

hệ thống thoát nước riêng biệt như thoát cho nước mưa, nước thải sản xuất, nước

thải sinh hoạt và nước mưa thoát riêng, còn nước thải sản xuất sau khi đã xử lý sơ

bộ trong nhà máy thì thoát chung rồi xử lý kết hợp với nước thải sinh hoạt [18]

Các kênh rạch thoát nước chủ yếu là sử dụng kênh rạch tự nhiên, nền và thành bằng đất do vậy thường không ổn định Các cống, ống thoát nước được xây

dựng bằng bê tông hoặc xây gạch, tiết diện cống thường có hình tròn, hình chữ

nhật, có một số tuyến cống hình trứng Ngoài ra tại các đô thị tồn tại nhiều mương đậy nắp đan hoặc mương hở, các mương này thường có kích thước nhỏ, có nhiệm

vụ thu nước mưa và nước bẩn ở các cụm dân cư Các hố ga thu nước mưa và các

giếng thăm trên mạng lưới bị hư hỏng nhiều ít được quan tâm sửa chữa gây khó khăn cho công tác quản lý Theo báo cáo của các công ty thoát nước và công ty môi trường đô thị, tất cả các thành phố, thị xã của cả nước đều bị ngập úng cục bộ trong mùa mưa [18]

Hiện trạng về xử lý nước thải trong khu vực đô thị và khu công nghiệp tính đến đầu năm 2005, mỗi ngày có khoảng 3.110.000 m3 nước thải sinh hoạt và sản

xuất từ các khu công nghiệp xả trực tiếp vào nguồn tiếp nhận Cả nước hiện có 12 thành phố: Hà Nội, Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Hạ Long, Huế, Buôn Mê Thuột, Đà

Lạt, Thái Nguyên, Vũng Tàu, Cần Thơ, Bắc Ninh, Hải Dương và Vinh có các dự án

có trạm xử lý nước thải đô thị công suất trên 5.000 m3/ngày đêm đang trong giai đoạn qui hoạch và xây dựng.Trên tổng số 76 khu công nghiệp và chế xuất chỉ có 16

trạm xử lý nước thải tập trung, hoạt động với tổng công suất là 41.800 m3/ngày

15

đêm Công nghệ chủ yếu là sinh học hoặc hoá học kết hợp với sinh học Nước thải sau xử lý đạt yêu cầu loại A hoặc loại B theo tiêu chuẩn xả nước thải công nghiệp vào nguồn nước mặt [18]

1.4 Các mô hình tính toán ch ất lượng nước

Mô hình toán chất lượng nước là các phần mềm tính toán các chỉ tiêu phản ánh chất lượng nguồn nước bao gồm các chỉ tiêu: vật lý, hóa học và thành phần sinh

học trên cơ sở giải các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa các chỉ tiêu

phản ánh chất lượng nước cũng như các quá trình có liên quan đến nó Trong những năm gần đây được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực: dự báo ô nhiễm, đánh giá xu thế biến đổi chất lượng nước, khai thác sử dụng hợp lý nguồn nước và làm

cơ sở khoa học cho việc quản lý tổng hợp tài nguyên nước

1.4.1 Gi ới thiệu các mô hình trên thế giới và ứng dụng, nghiên cứu ở Việt Nam

Với 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 Một số mô hình thường được

sử dụng để tính toán mô phỏng hiện nay như sau:

 Mô hình QUAL2K

Là mô hình chất lượng nước sông tổng hợp và toàn diện được phát triển bởi

Cục môi trường Mỹ, được sử dụng rộng rãi để dự đoán hàm lượng tải trọng của các

chất thải cho phép thải vào sông Mô hình cho phép mô phỏng 15 thành phần thông

số chất lượng nước sông bao gồm nhiệt độ, BOD5, DO, tảo dưới dạng chlorophyll, nitơ hữu cơ, nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), phốt pho hữu cơ, phốt pho hòa tan, coliform

và 3 thông số khác ít biến động trong nước Đây là một trong những mô hình được

sử dụng phổ biến nhất do nhu cầu số liệu đầu vào ít

Tuy nhiên, điểm hạn chế là không xem xét sự lan truyền của các thông số kim loại nặng và các chất phần tán như dầu, mỡ…; thiếu phần ứng dụng GIS Bên

cạnh đó quá trình tự động hóa tính toán theo kịch bản gặp nhiều khó khăn [2]

16

 Mô hình WASP7

Từ năm 1983 Cục bảo vệ môi trường Mỹ đã phát triển mô hình có tên là WASP (Water Quaity Analysis Simulation; EPA) với các phiên bản tiếp theo là: WASP4 (1988), WASP5 (1993), WASP6 (2001), WASP7 (2006)

WASP7 bao gồm 2 mô hình động lực con mô phỏng 2 nhóm chính về các

vấn đề chất lượng nước: phần ô nhiễm thông thường (như ôxy hòa tan, nhu cầu ôxy hóa, chất dinh dưỡng và phú dưỡng hóa) và phần ô nhiễm chất độc (như các chất

hữu cơ, kim loại và chất lắng) lần lượt là EUTRO và TOXI Ưu điểm là cho phép người sử dụng trong không gian 1 chiều nhưng cũng có thể mô phỏng tựa 2 chiều

và 3 chiều bằng cách chia hộp với đa dạng thành phần chất ô nhiễm; có thể ứng

dụng cho hầu hết mọi nguồn nước (ao, hồ, sông, suối, cửa sông, các vùng ven biển);

chạy dễ dàng trên máy tính cá nhân với giao diện đơn giản, dễ sử dụng hơn với phiên bản trước của nó; có thể mô phỏng chất lượng nước ở những bước thời gian

ngắn (ngày, giờ chứ không bắt buộc phải mùa hay năm…); có thể tích hợp với GIS, WASP sử dụng các hệ số tỷ lệ (Scale Factor) trong các trình đơn “Loads”,

“Exchanges”, “Flows”, “Boundarys” giúp người sử dụng thuận tiện và nhanh chóng hơn khi hiệu chỉnh mô hình, tìm hiểu các quá trình hoặc xây dựng các kịch bản

mô phỏng

Tuy nhiên, khi áp dụng đòi hỏi nhiều số liệu; WASP7 tách riêng 2 modul EUTRO và TOXI, do đó khi mô phỏng quá trình phú dưỡng, EUTRO không xét đến ảnh hưởng của kim loại, hóa chất dạng vết hay bùn cát, hạt mịn; không sử lý được những biến số và quá trình của chất lỏng không đồng nhất là nước (chẳng hạn đối với sự cố tràn dầu), của phân đoạn khô (như đầm lầy, đồng bằng cửa sông do nước lũ tạo thành), của phản ứng tạo kim loại; việc tính toán chất lượng nước bằng

phần WASP7 mất rất nhiều thời gian và công sức do quá trình tính toán phải bao

gồm 6 bước lần lượt là chia phân đoạn, xác định chiều sâu phân đoạn, tính thể tích phân đoạn, tính lưu lượng vào - ra tại mỗi phân đoạn, tính tải lượng dinh dưỡng, tính toán nồng độ ban đầu và nồng độ biên [3]

17

 Mô hình DELFT 3D

Cho phép kết hợp giữa mô hình thủy lực 3 chiều với mô hình chất lượng nước; có khả năng kết hợp giữa các module tính toán phức tạp để đưa ra những kết

quả mô phỏng cho nhiều chất và nhiều quá trình tham gia; mô hình có nhiều thông

số giúp cho việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình trở nên đơn giản và sát với thực

tế Tuy nhiên, trong tính toán mô phỏng chất lượng nước 2 chiều hoặc 3 chiều DELFT 3D sử dụng lưới cong trực giao nên việc chia lưới là vô cùng phức tạp, tốn nhiều thời gian và miền lưới tính toán khó có thể bao trùm toàn bộ vùng nghiên

cứu; trong quá trình áp dụng cần có những người đã có nhiều kinh nghiệm trong

việc sử dụng mô hình này [10]

 Mô hình Telemac

Là một công cụ mạnh để mô hình hóa dòng chảy có mặt thoáng như của sông và biển Có thể chi tiết hóa miền tính toán, đặc biệt tại những vị trí có địa hình hay địa mạo phức tạp Có rất nhiều các mô hình có sẵn, với mã nguồn mở dùng cho

việc giải các bài toán thủy động lực như: Telemac2D, Telemac3D, Mascret, Artemis Nhưng khi sử dụng giao diện phần mềm chưa thực sự trực quan và đòi hỏi người dùng phải am hiểu về các thuật toán, có khả năng lập trình, hơn nữa phần

mềm chưa liên kết được với các công cụ hỗ trợ khác như GIS, [17]

 Mô hình MIKE 11

Là mô hình thương mại nổi tiếng do Viện Thuỷ lực Đan Mạch xây dựng Đây thuộc lớp mô hình thuỷ lực và chất lượng nước loại một chiều một và hai chiều

có độ tin cậy rất cao, thích ứng với các bài toán thực tế khác nhau Đã được áp dụng

rất phổ biến để tính toán, dự báo lũ, chất lượng nước và xâm nhập mặn 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 [19]

Một số đặc điểm nổi trội của mô hình MIKE 11 được tóm tắt như sau: Là bộ

phần mềm tích hợp đa tính năng, có thể tích hợp với các công cụ hỗ trợ khác như Word, Excel, Mapinfo, Google Earth, Arc-Gis…; đã được kiểm nghiệm thực tế,

Ở trong nước, các mô hình hiện đại trên đã được nghiên cứu áp dụng tính toán rộng rãi cho các lưu vực sông của nhiều cơ quan khác nhau Viện Quy hoạch

Th ủy lợi: Xây dựng nghiên cứu ứng dụng và phát triển các phần mềm tiên tiến trong

đánh giá nguồn nước, quy hoạch, thiết kế xây dựng thủy lợi (các mô hình lưu vực sông MIKE BASIN, REBASIN, MIKE SHE, mô hình thủy văn SSARR, NAM, TANK, ARIMA…, mô hình thủy lực VRSAP, KOD1, MIKE11, MIKE21, MIKE FLOOD, TELEMAC-2D, mô hình chất lượng nước QUALK2, MIKE BASIN-QW,

MIKE Ecolab…) Vi ện Khí tượng Thủy văn: Triển khai và ứng dụng mô hình

DESERT tính toán chất lượng nước được nghiên cứu ứng dụng bởi Viện tính toán cho các quá trình lan truyền các chất thải cho các đoạn sông thuộc hệ thống sông

Hồng (từ Yên Bái - Hòa Bình - Vụ Quang - Sơn Tây) Các mô hình MIKE, SMS,

NAM cũng được triển khai và ứng dụng Tổng cục Môi trường: Triển khai và ứng

dụng mô hình DELFT mô phỏng chất lượng nước Hồ Tây do tác giả Hoàng Dương Tùng sử dụng mô hình DELFT - 3D FLOW tính toán thủy lực và DELFT 3D - WAQ mô phỏng chất lượng nước Hồ; Ứng dụng mô hình MIKE 11 trong mô phỏng

chất lượng nước lưu vực sông Cầu do Trung tâm Tư vấn và Chuyển giao Công nghệ Môi trường thực hiện Các cơ quan khác đang sử dụng rải rác các loại mô hình này

hoặc tự xây dựng các mô hình ở mức độ nghiên cứu [16]

1.4.2 L ựa chọn mô hình tính toán, mô phỏng chất lượng nước

Hiện nay, các mô hình toán với nhiều ưu điểm như cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, dễ dàng thay đổi các kịch bản bài toán,… đang trở thành công

cụ mạnh, phục vụ tốt cho nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực quản lý tài nguyên và

19

môi trường Lựa chọn mô hình là khâu đầu tiên 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 sẵn có Qua các mô hình tính toán thủy lực và

chất lượng nước kể trên nhận thấy Mike 11 tính toán đầy đủ và tiện ích nhất Do đó,

đã lựa chọn phần mềm MIKE 11 để nghiên cứu đánh giá dự báo chất lượng nước kênh Than, huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa

Một số ứng dụng của MIKE 11 trong công tác đánh giá, quản lý chất lượng

nước điển hình như: “Ứng dụng mô hình MIKE 11 đánh giá diễn biến chất lượng nước sông Truồi, Thừa Thiên - Huế” - Nguyễn Đăng Huy và cộng sự, 2012 Nghiên

cứu đã đánh giá được tác động của làng nghề sản xuất và chế biến tinh bột sắn Xuân Lai và đưa ra những khuyến cáo giúp cho công tác quy hoạch, quản lý nguồn nước

của vùng; “Ứng dụng MIKE 11 đánh giá chất lượng nước lưu vực sông Đồng Nai”

- Nguyễn Huy Khôi, Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam, 2009 Nghiên cứu cho

thấy xu thế và diễn biến dòng chảy cũng như chất lượng nước nhằm đánh giá những

biến đổi do tác động của thiên nhiên cũng như con người vào thiên nhiên

20

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là chất lượng môi trường nước lưu vực kênh Than đoạn qua Đô thị trung tâm vùng huyện Tĩnh Gia trên địa bàn 4 xã: Ninh Hải, Hải Hòa, Hải Thanh và Bình Minh

 Sơ lược về lưu vực kênh Than thuộc phạm vi nghiên cứu [5, 6]

Kênh Than được hình thành từ thời nhà Lê, nhiệm vụ chính là giao thông thuỷ Bắc Nam (từ sông Yên về sông Bạng) và tiêu cho gần 1/2 huyện Tĩnh Gia,

gồm 14 xã (trong đó có 3 xã thuộc trung tâm huyện: Ninh Hải, Hải Hòa, Bình Minh), phía đông đô thị, với diện tích lưu vực 6.691 ha Hiện nay nhiệm vụ của kênh Than là trục tiêu chính cho huyện Tĩnh Gia với 2 cửa tiêu được phân lưu tại

cầu Kênh tiêu ra sông Yên qua cống Bến Ngao và tiêu ra Sông Bạng qua cống Đò

Bè Ngoài ra, kênh Than còn có nhiệm vụ tích nước ngọt để tưới cho vùng diện tích ven kênh Than bằng những trạm bơm Núi Nồi, trạm bơm Ninh Hải, trạm bơm Hải Lĩnh, trạm bơm Tân Dân

Hình 2.1 Hi ện trạng tuyến kênh Than

Đặc điểm của kênh Than là lòng dẫn duy trì được nhờ năng lượng của dòng triều tại tại các cửa sông đẩy vào Đoạn giáp triều giữa sông Yên và sông Bạng trên kênh Than là đoạn cầu Hang do vậy lưu vực kênh Than đổ về sông Bạng sẽ được tính từ cầu Hang Trên kênh Than đã xây dựng cống ngăn mặn giữ ngọt đò Bè

21

Cống này chỉ mở khi ruộng đất phía thượng lưu cống cần tiêu Về phía nam kênh Than đã bị chặn lại bằng đập Thạch Luyện

Ngoài các cống tiêu trực tiếp vào kênh, còn có một số nhánh suối nhỏ như,

suối Đò Bè đổ vào kênh Than cách cống Đò Bè khoảng 2200 m; Nhánh suối Đồng Thùng bắt nguồn từ sườn Tây núi Bợm có cao độ trên 400 m so với mực nước biển Ngoài ra, còn có một số nhánh suối nhỏ bắt nguồn từ các vùng đồi núi của xã Hải Thanh, Hải Lĩnh, Định Hải,… các nhánh suối này nhỏ có diện tích lưu vực khoảng

từ 1 - 5 km2

Các hệ thống kênh tiêu liên xã đổ ra kênh Than bao gồm: Kênh Đồng Chìa là kênh tiêu cho 2 xã Hải An, Triều Dương với diện tích tiêu là 350 ha; Kênh Đồng

Hậu, kênh tiêu cho 3 xã Anh Sơn, Hùng Sơn, Ngọc Lĩnh với diện tích tiêu là

410 ha; Kênh Cẩm Lệ là kênh tiêu cho 2 xã Hải Nhân, Hải Hòa với diện tích tiêu là 610,4 ha; Kênh Cầu Nhớt, kênh tiêu cho 2 xã Hải Nhân, Ninh Hải với diện tích tiêu

là 265 ha; Kênh Cầu Trắng, kênh tiêu cho 4 xã Hải Nhân, thị trấn Tĩnh Gia, Nguyên Bình, Bình Minh với diện tích tiêu là 960 ha Hiện trạng gồm 3 lưu vực sau:

Lưu vực 1: Có diện tích là 3669,4 ha Toàn bộ phần phía Tây của đường sắt

Bắc Nam Nước mưa chứa vào các hồ Ao Quan, hồ khe Miễu, hồ khe Chan, hồ khe

Dầu và thoát theo các suối như suối Cầu Hung, suối khe Chan, khe Dầu xả xuống sông Bạng

Lưu vực 2: Có diện tích là 960 ha gồm các xã Hải Nhân, Thị trấn, Nguyên

Bình, Bình Minh một phần phía Đông của đường sắt Bắc Nam và Q.Lộ 1A nước mưa thoát xuống kênh Cầu Trắng chảy vào kênh Than xả ra sông Bạng

Lưu vực 3: Có diện tích 1.118,1 ha gồm các xã Ninh Hải, Hải Hòa, Bình

Minh nước mưa thoát xuống kênh Than xả ra sông Bạng

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp thu thập số liệu, tài liệu thứ cấp

Tài liệu, số liệu liên quan tới nội dung nghiên cứu được thu thập từ các cơ quan, ban ngành liên quan (Sở Tài nguyên và Môi trường, UBND huyện Tĩnh Gia (Văn phòng, phòng Nông nghiệp, Ban Quản lý các dự án, phòng Kinh tế Hạ

22

t ầng, phòng Tài nguyên và Môi trường), Trạm khí tượng thủy văn) và từ thư viện,

internet, … bao gồm các số liệu về thuỷ văn, thuỷ lực và chất lượng nước

Các tài liệu, số liệu liên quan tới địa hình tuyến kênh được thu thập tại phòng Kinh tế Hạ tầng, UBND huyện Tĩnh Gia Tài liệu khí tượng thủy văn về mực nước

và lưu lượng được sử dụng để làm điều kiện biên trên (Q~t), biên dưới (H~t) hoặc

để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được thu thập từ các trạm thủy văn trong và lân

cận vùng nghiên cứu được liệt kê trong Bảng 2.1

B ảng 2.1 Mạng lưới quan trắc trong vùng và lân cận

hơi; S - Số giờ nắng; H - Mực nước; Q - Lưu lượng

Số liệu chất lượng nước mặt quan trắc tại các điểm lấy mẫu vào năm 2010 thuộc dự án “Nâng cấp, sửa chữa, cải tạo hệ thống tiêu kênh Than huyện Tĩnh Gia

t ỉnh Thanh Hóa” (2010), do Ban Quản lý các dự án, UBND huyện Tĩnh Gia

thực hiện Các nguồn thải gây ô nhiễm chính đối với hệ thống lưu vực kênh Than được nhận diện là nguồn thải từ khu đô thị, từ các làng nghề - tiểu thủ công nghiệp

tập trung, hoạt động sản xuất nông nghiệp

Các số liệu thuỷ văn, thuỷ lực trước tiên được sử dụng để diễn toán chế độ thuỷ lực trong hệ thống sông nghiên cứu, làm đầu vào cho bài toán chất lượng nước, sau đó kết hợp với các số liệu chất lượng nước để tính toán mô phỏng chất lượng nước trong kênh

2.2.2 Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa

Đã tiến hành khảo sát thực tế tại khu vực nghiên cứu để điều tra vị trí chính xác các nguồn thải, vị trí lấy mẫu quan trắc chất lượng nước, hệ thống thu gom

xã Hải Thanh và 4 vị trí lấy mẫu nước thải tại khu vực trung tâm thị trấn Tĩnh Gia

Thời gian lấy mẫu vào tháng 10 năm 2017 Sơ đồ vị trí lấy mẫu được thể hiện trên Hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ các vị trí lấy mẫu quan trắc môi trường nước

2.2.3 Phương pháp lấy mẫu, bảo quản và phân tích mẫu

Các mẫu nước được lấy và bảo quản theo TCVN 5992 - 1995 và TCVN

5993 – 1995, được gửi phân tích tại Công ty TNHH 1TV Kỹ thuật Tài nguyên và Môi trường, theo phương pháp tiêu chuẩn tương ứng được đưa ra trong Bảng 2.2

Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5) TCVN 6001-1: 2008

2.2.4 Phương pháp đánh giá nhanh

Bằng cách quan sát và tính toán các đại lượng trung bình trong trường hợp

cần thiết, phương pháp này cho phép hoàn chỉnh thêm số liệu về môi trường của khu vực trong thời gian nghiên cứu như màu và mùi của nước, các điểm xả thải trên các tuyến của lưu vực kênh Than; hiện trạng hệ thống thu gom: hố ga, cống thu gom, hướng tuyến đặt công trình; hiện trạng vị trí dự kiến xây dựng trạm xử lý nước

thải: loại đất, cao trình vị trí, mức độ giải phóng mặt bằng…

2.2.5 Phương pháp phân tích, so sánh và đánh giá tổng hợp

Để đánh giá khu vực nghiên cứu, đã sử dụng các Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về môi trường dưới đây:

+ QCVN 08-MT:2015/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước mặt;

25

+ QCVN 14:2008/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước

thải sinh hoạt;

Để đề xuất biện pháp xây dựng trạm thu gom, xử lý nước thải, sử dụng các tiêu chuẩn và quy phạm dưới đây:

+ TCXD - 33/2006: Cấp nước - Mạng lưới đường ống và công trình – Tiêu chuẩn thiết kế; TCVN 7957 - 2008: Thoát nước – Mạng lưới và công trình bên ngoài – Tiêu chuẩn thiết kế;

+ Quy chuẩn xây dựng Việt Nam tập II, III ban hành theo văn bản số 439/BXD-CSXD ngày 25/9/1997;

+ QCXDVN 01:2008/BXD: Quy chuẩn Kỹ thuật quốc gia về quy hoạch xây dựng; QCVN 07:2010/BXD: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về các công trình hạ tầng kỹ thuật đô thị

Các tài liệu, số liệu và kết quả được tổng hợp theo các nội dung phù hợp của

luận văn để có báo cáo hoàn chỉnh

2.2.6 Phương pháp mô hình toán

Với mục tiêu mô phỏng và tính toán chế độ thủy văn, thủy lực và chất lượng nước cho lưu vực kênh Than, đã lựa chọn áp dụng bộ mô hình MIKE 11 với các mô đun thủy lực (HD), mô đun tải - khuếch tán (AD) và mô đun sinh thái (Ecolab) Các đầu vào (Input), đầu ra (Output) của mô hình được thể trong Bảng 2.3

B ảng 2.3 Các yếu tố đầu vào, đầu ra của mô hình MIKE 11

 Biên trên là quá trình lưu lượng thực đo của

các trạm (Q ~ t);

 Biên dưới là quá trình mực nước thực đo

của các trạm (H ~ t);

 Biên kiểm tra là quá trình lưu lượng hoặc

mực nước thực đo của các trạm trong hệ

26

 Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên

 Các điều kiện ban đầu

Khi sử dụng các mô hình thủy động lực (HD model), mô hình lan truyền, khuếch tán (AD model) và mô hình chất lượng nước (WQ model) là: (i) Mực nước; (ii) Lưu lượng và (iii) Hàm lượng/nồng độ các thành phần chất Khi bắt đầu tính toán cần phải chọn cách xác định điều kiện ban đầu Đối với mô đun thủy lực (HD), MIKE 11 có 3 dạng điều kiện ban đầu để lựa chọn: dạng Steady-state: Hệ thống

kênh, sông ở trạng thải ổn định luôn có nước; dạng Prameter file: dựa vào file

thông số do người sử dụng đã khai báo trong file *.hd11; dạng Hotstart: dựa vào

file kết quả thủy lực đã có sẵn (lấy từ kết quả mô phỏng trước) [20]

 Các điều kiện biên: Để tính toán và mô phỏng chất lượng nước, các điều kiện biên được xác định cho các mô đun trong MIKE 11 như sau:

 Mô đun thủy lực (HD): Có 3 dạng điều kiện biên có thể lựa chọn để đưa vào

tính toán trong mô đun HD:

- Biên mực nước (H) và lưu lượng (Q) không đổi theo thời gian;

- Biên mực nước (H) và lưu lượng (Q) biến đổi theo thời gian;

- Biên quan hệ H/Q

Mỗi loại điều kiện biên đưa vào tính toán dựa trên các phương trình nút khác nhau Việc lựa chọn điều kiện biên chô mô đun HD tùy thuộc vào hiện trạng thực tế được mô phỏng và sự sẵn có của số liệu

- Biên lưu lượng (Q) được sử dụng tại các vị trí: thượng lưu của sông; dòng bên ra nhập (lateral inflow); hạ lưu và lưu lượng điều tiết (bơm)

- Biên mực nước (H) được sử dụng tại các vị trí: hạ lưu của sông và cửa sông

- Biên quan hệ Q/H chỉ áp dụng ở hạ lưu của sông hoặc dòng ra tới hạn từ mô hình tính toán

 Mô đun lan truyền, khuếch tán và mô đun chất lượng nước

Có các dạng điều kiện biên sau đây để lựa chọn sử dụng trong tính toán vận chuyển và chuyển hóa các thành phần chất:

27

- Biên nồng độ/ hàm lượng mở dòng vào và dòng ra: Các biên nồng độ mở trong mô đun AD tương ứng với các biên lưu lượng, mực nước hoặc các biên Q-h trong mô đun thủy động lực HD;

- Biên vận chuyển mở: Các điều kiện biên vận chuyển mở chỉ sử dụng tại

những biên khi có dòng vào Chuyển vận vào khu vực mô hình được tính bằng cách

sử dụng lưu lượng tại biên được tính bằng mô đun thủy lực HD nhân với nồng độ

biên được xác định theo công thức: C = C bf  Q.C = Q bf C bf trong đó Cbf - Nồng

độ biên (giá trị được chỉ ra ở đầu vào mô hình);

- Biên kín: Điều kiện biên kín là tại những điểm không có chất gì được vận chuyển vào và ra khỏi mô hình tính toán

- Điều kiện biên nhiệt độ: Khi sử dụng mô hình chất lượng nước kết nối với

mô hình lan truyền, khuếch tán thì trong mô hình chất lượng nước cần thiết phải có biên nhiệt độ (T) [21]

 Các thông s ố và số liệu tính toán

 Các thông s ố, số liệu tính toán thủy động lực

Thông số thủy động lực cho phép người sử dụng xác định các giá trị cho một

số biến trong mô hình tính toán thủy động lực (HD)

- Mực nước và lưu lượng ở điều kiện ban đầu: Hai thông số này có thể được

áp dụng trên toàn bộ các nút tính toán trong mô hình hoặc tại một số nút trên các nhánh sông hoặc kênh dẫn

- Hệ số lực cản đáy (Bed Resistance): Có thể lựa chọn 1 trong 3 dạng sau: (i)

Hệ số Manning’n; (ii) Hệ số Manning M (M = 1/n) - hệ số này đã được mặc định; (iii) Hệ số Chezy (C = R1/6/n = M R1/6)

- Ứng suất di chuyển của gió (wind shear stress): τw = t fac C w ρ a V 10 2 Trong đó: Cw - Hệ số ma sát gió (3,24.10-6); tfac - Hệ số phụ thuộc địa hình; V10 - Vận tốc gió trên bề mặt (10 m); ρa - Mật độ không khí Khi người sử dụng đưa thông số dịch chuyển của gió vào tính toán thì một điều kiện biên là biến thời gian (t) cho trường gió phải được đưa vào mô phỏng Điều kiện biên trường gió bao gồm các mô tả về hướng gió và vận tốc gió

28

- Thông số kiểm soát dòng giả ổn định (Quasi steady)

- Hệ số lực cản bãi ngập lũ (Flood Plain Resistance): Hệ số lực cản bãi ngập được đưa vào bằng cách chỉnh các hệ số lực cản tương đối trong mô tả dữ liệu mặt

cắt hoặc có thể điều chỉnh hệ số lực cản bãi ngập lụt bằng cách điều chỉnh hệ số lực

cản (Resistance Factor) trong dữ liệu mặt cắt đã xử lý

- Mặt thủy chuẩn (datum): Việc điều chỉnh mặt thủy chuẩn sẽ được đưa vào cho tất cả các tọa độ z và tất cả các cao trình [21]

 Các thông s ố, số liệu tính toán lan truyền, khuếch tán

- Nồng độ ban đầu của các thành phần cần tính toán

- Hệ số phát tán dọc trục: D = f.V ex trong đó: D - hệ số phát tán (m2/s); V -

vận tốc dòng chảy (m/s); f - Hệ số; ex - số mũ không có thứ nguyên Hệ số phát tán

tối thiểu và tối đa được xác định sao cho không vượt quá giới hạn mà hệ số khuếch tán được tính có thay đổi

- Hệ số phân hủy (K): Nồng độ các thành phần phân hủy được xác định theo công thức:

𝑑𝑑𝑐𝑐𝑑𝑑𝑡𝑡 = 𝐾𝐾 𝐶𝐶 Trong đó: K - hệ số phân hủy (giờ-1); C - nồng độ thành phần phân hủy

 Các thông s ố, số liệu tính toán chất lượng nước

- Hệ số nhiệt độ Arrhennius (Θ(T-20))

- Nồng độ ôxy bão hòa (Cs):

Cs=14,652+T{-0,41022+T(0,007991.T-0,000077774.T2)}

29

- Nhiệt độ của nước (0C)

- Hằng số bổ cập ôxy ở 200C (ngày-1), K2

- Hằng số phân hủy chất hữu cơ dạng hòa tan ở 200C (ngày-1), Kd3

- Hằng số phân hủy chất hữu cơ dạng lơ lửng ở 200C (ngày-1), Ks3

- Tốc độ lắng đọng (m/ngày), K5

- Tốc độ pha loãng (resuspension) (g/m2/ngày), S1

- Hằng số phân hủy chất hữu cơ dạng lắng đọng ở 200C (ngày-1), Kb3

- Tốc độ Nitrat hóa ở 200C (ngày-1), K4

- Tốc độ phản Nitrat ở 200C (ngày-1), K6

- Hằng số tốc độ giải phóng photpho hòa tan, K8

- Hệ số hấp thụ, U3

- Năng suất quá trình quang hợp thực tế (g O2/m2/ngày), P

- Tốc độ quá trình hô hấp thực tế (g O2/m2/ngày), R

- Hệ số sản lượng photpho (thể hiện lượng photpho giải phóng từ quá trình phân

hủy), Y3

- Hằng số tốc độ giải phóng photpho từ quá trình phân hủy sinh học, K3

- Tốc độ pha loãng (resuspension) của các hạt hữu cơ, S2

- Tốc độ lắng đọng trầm tích của các hạt hữu cơ, K6

- Tốc độ phân hủy tác động đến biến đổi Coliform hoặc faecal Coliform (ngày-1), Kd

- Tốc độ phân hủy ở 200C (ngày-1), không tính đến độ mặn và ánh sáng, K

- Hệ số mặn, Θs

- Độ mặn, Sal

- Hệ số ánh sáng, ΘI

- Cường độ ánh sáng (Kw/m2), I

- Nhiệt độ của nước (0C), T

Sau khi đã có đủ các thông số, số liệu, các điều kiện ban đầu và điều kiện biên, giải các phương trình của mô hình sẽ cho kết quả phân bố vận tốc, nồng độ các cấu tử theo không gian và thời gian [22] MIKE 11 sử dụng các phương pháp và

cơ sở lý thuyết của mô hình như sau:

30

 Mô đun thủy lực (HD)

Mô đun thủy lực được xây dựng trên cơ sở hệ phương trình Saint Venant

một chiều cho trường hợp dòng không ổn định, gồm hai phương trình:

+ Phương trình liên tục:

q t

A x

Q

=

∂

∂+

|Q

|Q

= 0

trong đó: Q - Lưu lượng qua mặt cắt (m3/s); A - Diện tích mặt cắt ướt (m2); t - Thời gian tính toán (s); α - Hệ số động năng; g - Gia tốc trọng trường g= 9.81 m/s2; R - Bán kính thủy lực; q - Lưu lượng nhập lưu; x - Chiều dài theo dòng chảy (m); β -

Hệ số phân bố lưu tốc; C - Hệ số Sê-di

Hệ phương trình này nói chung không giải được bằng phương pháp giải tích,

mà được giải bằng phương pháp số với lược đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn (Abbott - Inoescu) [21]

 Các mô đun chất lượng nước

Để giải quyết vấn đề chất lượng nước có liên quan đến những phản ứng sinh hóa, mô hình MIKE 11 sử dụng đồng thời hai mô đun là mô đun tải - khuếch tán (AD) và mô đun sinh thái (Ecolab) trong tính toán

- Mô đun truyền tải khuếch tán được dùng 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 để trữ tích luỹ với giả thiết các chất này được hoà tan trộn lẫn Quá trình này được biểu diễn qua phương trình sau:

trong đó: A - diện tích mặt cắt ngang; C - nồng độ; C2 - nồng độ nguồn; D - hệ số khuếch tán; K - hệ số phân huỷ tuyến tính; q - dòng gia nhập; t - thời gian; x - khoảng cách

q C AKC x

C AD x

x

QC t

AC

2+

∂

∂

31

Phương trình phản ánh cơ chế vận chuyển bình lưu/ đối lưu bởi dòng chảy trung bình và vận chuyển khuếch tán bởi gradient nồng độ [13]

- Mô đun sinh thái (Ecolab) trong mô hình MIKE 11 giải quyết khía cạnh

chất lượng nước trong kênh tại những vùng bị ảnh hưởng bởi các hoạt động dân sinh kinh tế… Mô đun này phải được đi kèm với mô đun tải – khuếch tán, điều này

có nghĩa là mô đun chất lượng nước giải quyết các quá trình biến đổi sinh học của

hợp chất trong sông còn mô đun tải – khuếch tán được dùng để mô tả quá trình truyền tải của các hợp chất đó

Phần tính toán chất lượng nước với 6 mức độ khác nhau mô phỏng tính toán các quá trình chuyển hóa các hợp phần Phần tính toán sinh thái cho phép tính tới 13 thông số sinh thái và các quá trình sinh học phức tạp Các tác động của các yếu tố

vật lý và địa lý như nhiệt độ, bức xạ mặt trời, điều kiện ánh sáng, độ muối và vị trí địa lý cũng được đưa vào mô hình [16]

+ Tính toán DO với các quá trình tương tác với ôxy khí quyển trên bề mặt, các quá trình hô hấp và quang hợp của sinh vật, quá trình ôxy chuyển amoni thành nitrat, nhu cầu ôxy đáy

+ Tính toán BOD5 thông qua các thông số lựa chọn, có thể tính toán được BOD5 dạng lơ lửng và dạng hòa tan trong nước, BOD5 trong lớp bùn đáy Mô hình còn cho phép tính toán các quá trình sinh hóa của BOD5 là phân rã BOD5, các quá trình chuyển hóa giữa các hợp phần BOD5

+ Tính toán phốt pho mô hình cho phép tính toán hai hợp phần riêng biệt là

phốt pho vô cơ và hữu cơ, các quá trình sinh hóa xảy ra như nhận phốtpho từ phân

rã BOD5, phốt pho chuyển hóa vào sinh vật, phân hủy phốt pho do vi khuẩn

+ Tính toán amoni với quá trình sinh ra do phân hủy BOD5, tiêu hao do chuyển hóa thành nitrat, thực vật và vi khuẩn hấp thụ

+ Tính toán nitrat với các quá trình sinh ra do chuyển hóa amoni, suy giảm

do chuyển hóa thành nitơ tự do

+ Tính toán các hợp phần kim loại nặng và các chất rắn lơ lửng trong nước, các hợp phần kim loại nặng được phân ra và tính toán tồn tại trong dạng kết dính