Ứng dụng phần mềm hydrogis và MIKE 21/3FM để phân tích, đánh giá môi trường nước sông cái, TP. Nha Trang

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu phân tích dự báo diễn biến và đánh giá khả năng lan truyền các chất ô nhiễm trong môi trường nước sông Cái (Nha Trang). Sử dụng phần mềm HydroGis và Mike 21FM để mô phỏng chất lượng môi trường nước trong điều kiện hiện trạng cũng như dự báo diễn biến môi trường nước trong tương lai. Mời các bạn tham khảo!

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM HYDROGIS VÀ MIKE 21/3FM ĐỂ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ MƠI TRƯỜNG NƯỚC SƠNG CÁI, TP NHA TRANG ThS Phan Mạnh Hùng, TS Nguyễn Hữu Nhân, PGS.TS Lương Văn Thanh Viện Kỹ thuật Biển Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu phân tích dự báo diễn biến đánh giá khả lan truyền chất ô nhiễm môi trường nước sông Cái (Nha Trang) Tác giả sử dụng phần mềm HydroGis Mike 21FM để mô chất lượng môi trường nước điều kiện trạng dự báo diễn biến môi trường nước tương lai Chất lượng môi trường nước vùng nghiên cứu tiếp tục suy giảm đáng báo động nguồn thải, thông số thị ô nhiễm (BOD5, TSS, tổng N, tổng P) tăng qua thời kỳ, mức tăng khác trung bình từ 15% đến 35% qua giai đoạn năm Kết báo sở tham khảo cho nhà quản lý đưa biện pháp khả thi cho công tác kiểm tra, giám sát lựa chọn cơng trình xử lý nhằm giảm thiểu nguồn gây ô nhiễm cải thiện môi trường nước sông Cái tương lai Từ khóa:Mơ hình tốn, HydroGis, MIKE21/3FM, chất lượng nước, sơng Cái, kịch Abstract: This paper presents the result of research on analysing, evaluating and predicting the dispersion/advection phenomenon of pollutants in water environment of the Cai river Hydrogis and M ike 21/3FM modeling software have been used to simulate water environment at present and in the future Water quality in the research areas has continuous alarming decline due to emission of solid and liquid waste sources; The simulation shows that polluted indicator/parameters (BOD5, TSS, total N, toal P) increase in the range from 15% to 35% every years The results of this paper can be the scientific basis reference for managers/decision makers to propose possible solutions for inspection, monitoring and selection of treatment facilities to reduce pollution sources and improve river water environment at present and for the long term as well Keywords: M odeling, HydroGis, M IKE21/3FM , Water quality, Cai river, Scenarios I ĐẶT VẤN ĐỀ Sông Cái sông lớn chảy qua huyện Khánh Vĩnh, Diên Khánh, Tp.Nha Trang tỉnh Khánh Hòa, cung cấp nguồn nước phục vụ sinh hoạt, sản xuất nơng nghiệp cơng nghiệp cho tồn lưu vực, góp phần quan trọng phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Khánh Hòa Tuy nhiên, năm gần đây, áp lực phát triển mạnh mẽ sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, khu dân cư tập trung khai thác tài nguyên làm cho nguồn nước sông ngày ô nhiễm ảnh hưởng tới môi trường sống mà đặc biệt vùng hạ du Vì vậy, việc nghiên cứu, đề xuất giải pháp bảo vệ, cải thiện chất lượng mơi trường nước mang tính bền vững, có kết hợp hài hịa giải pháp cơng trình phi cơng trình, có tính phù hợp cao vơ quan trọng cấp thiết thời điểm mà cho giai đoạn phát triển tương lai Để giải vấn đề đặt ra, tác giả sử dụng phương pháp mơ hình tốn với độ tin cậy cao (phần mềm mềm HydroGis M ike 21FM ) mô biến đổi chất lượng nước sông tác nhân gây ô nhiễm Dựa sở vững mặt số liệu, phương pháp tiếp cận hợp lý, phương pháp tính tốn khoa học tác giả đánh giá áp lực định mà môi trường nước phải gánh chịu tương lai Nguồn liệu khảo sát chất lượng nước hệ thống sông Cái Nha Trang Viện Kỹ thuật Biển sử dụng để làm số liệu đầu vào II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp mơ hình tốn sử dụng mơ hình HydroGIS [1] để mơ phỏng, tính tốn lan truyền chất cho tồn nhánh sông suối lưu vực sông Cái - Nha Trang Riêng đoạn sơng chảy qua Tp.Nha Trang có đặc điểm chế độ thủy văn, dòng chảy nguồn xả thải phức tạp, việc dùng mơ hình HydroGIS (1D) kết hợp M ike 21FM (2D) [3] để mô phỏng, đánh giá diễn biến thành phần chất lượng nước (CLN) phù hợp, đáp ứng yêu cầu tính toán đặt - Phương pháp điều tra thu thập - Phương pháp chun gia III THIẾT LẬP MƠ HÌNH 3.1 Cơ sở liệu (CS DL) Các mơ hình tính tốn tác nghiệp loại sở liệu (CSDL): - Dữ liệu biên rắn: bình đồ địa hình vùng hạ lưu sơng Cái Nha Trang (SCNT) từ trạm Đồng Trăng, qua Suối Dầu đến Hà Ra cửa Bé, tỷ lệ đo vẽ 1:10.000 Công ty Tư vấn Xây dựng Thủy lợi Tỉnh Khánh Hòa thực từ năm 1996 đến năm 2001 bao gồm: địa hình, cơng trình hạ tầng - Dữ liệu biên khí tượng thủy văn (KTTV): lưu lượng mực nước điểm biên mở mưa - Bộ giá trị thơng số mơ hệ số nhám đáy, hệ số tán xạ rối - Bộ liệu điều khiển trình thực thi thực nghiệm số: bước tính, thời khoảng tính, thời điểm bắt đầu tính tốn, chế độ tính tốn - Vị trí lượng xả thải sinh hoạt, nơng nghiệp công nghiệp nằm lưu vực Sông Cái đưa vào mơ hình để mơ từ Hình đến Hình Bảng 1: Tần suất xuất yếu tố trạm thuộc lưu vực sông Cái P% Yếu tố 1% 3% 5% 10% BĐIII BĐII Q Đồng Trăng (m /s) 4074 3485 3195 2778 1294 832 H Đồng Trăng (cm) 1465 1413 1384 1337 1100 950 H Diên An (cm) 726 706 695 676 584 526 Trạm cầu Trần Phú Trạm cầu Bình Tân Bảng 2: M ực nước triều ứng với tần suất P(%) 1% 3% 5% 10% Hp(m) 1,49 1,41 1,37 1,31 P(%) 1% 3% 5% 10% Hp(m) 1,39 1,32 1,29 1,23 20% 1,24 20% 1,17 50% 1,12 50% 1,06 Bảng 3: Lượng mưa (mm) ngày lớn ứng với cấp tần suất (%) P% 10 20 50 Xtb Trạm Nha Trang Đồng Trăng 484 430 382 343 334 303 273 250 212 197 132 127 160 150 Hình 1: Sơ đồ vị trí điểm xả thải sinh hoạt lưu vực SCNT Hình 2: Sơ đồ vị trí điểm xả thải nơng nghiệp lưu vực SCNT Hình 3: Sơ đồ vị trí điểm xả thải cơng nghiệp lưu vực SCNT Tả i lượng (kg /ngày ) BIỂU ĐỒ SO SÁNH TẢI LƯỢNG CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT BOD TSS ΣN ΣP 21,000 18,000 15,000 12,000 9,000 6,000 3,000 Kịch 2010 2015 Kịch Kịch 2020 Tải lượng (kg/ng ày) BIỂU ĐỒ SO SÁNH TẢI LƯỢNG CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP BOD 1300 1170 1040 910 780 650 520 390 260 130 TSS ΣN ΣP Kịch 2010 Kịch 2015 Kịch 2020 Tải lượng (kg/ngà y) BIỂU ĐỒ SO SÁNH TẢI LƯỢNG CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC THẢI NÔNG NGHIỆP BOD TSS ΣN ΣP 300,000 270,000 240,000 210,000 180,000 150,000 120,000 90,000 60,000 30,000 2010 2015 2020 3.2 * Hiệu chỉnh mơ hình Bộ liệu đầu vào (bao gồm số liệu địa hình sơng rạch, cầu, cống, bờ bao, đường giao thông, số liệu số điều hịa sóng triều, thấm, bốc hơi…) có độ tin cậy chấp nhận để mơ [2] thể qua hình * Số liệu tính tốn dịng chảy mực nước phù hợp với số liệu thực đo tất điểm kiểm tra * So sánh cụ thể số vị trí thu thập mẫu chất lượng nước cho thấy, kết tính tốn thực đo có tương đồng cao * Bộ thông số nhận sau hiệu chỉnh để ứng dụng mơ hình cho vùng nghiên cứu bảo đảm ổn định bảo tồn để chạy mơ hình khoảng thời gian dài cho kết dự báo thể qua hình từ Hình đến Hình  Hệ số nhám M anning tối ưu 0,024-0,03 vùng ngập nước thường xuyên (sông biển) 0,1-0,2 cho vùng lũ tràn qua  Bước tính theo thời gian tối ưu tương ứng giây  Hệ số tán xạ rối mùa lũ 0,11 m2/s  Hệ số khuếch tán: tính theo cơng thức tỉ lệ hệ số nhớt xoáy 0,6  Hệ số phân huỷ BOD5: 0.000006/s, N P 0,000001/s  Đường kính trung bình hạt d50 = 0,09 mm  Khối lượng riêng trung bình hạt: s=1800 kg/m  Hệ số nhớt động học nước = 1,01.10-6 m2/s SO SÁNH MỰC NƯỚC TÍNH TOÁN VÀ MỰC NƯỚC TH Ự C ĐO TẠI S C AI-1 (SÔNG CÁI, NH A TRANG ) - KHÁ NH H Ò A THÁNG 11/2010 T hư ïc đ o T Ính toá n M u c n ướ c ( m ) 0 0 0 0 Hình Sơ đồ thiết lập mơ lưu vực sông Cái /1 /1 :0 /1 /1 2 :0 /1 /1 :0 /1 /1 2 :0 /1 /1 :0 /1 /1 2 :0 /1 /1 :0 /1 /1 2 :0 /1 /1 :0 2 /1 /1 2 :0 2 /1 /1 :0 /1 /1 2 :0 /1 /1 :0 /1 /1 2 :0 -0 20 /1 /1 :0 0 0 Hình 5:Kết kiểm định mơ hình GIÁ TR Ị B OD5 TÍ N H TỐN V À TH ỰC Đ O GIÁ TR Ị B OD5 TÍ N H TỐN V À TH ỰC Đ O Giá t r ị B OD G iá t rị BO D5 5,0 5,00 4,00 4,0 3,00 3,0 Tí n h t o n 2,00 Tí nh t ố n Thự c đ o 1,00 2,0 T h ực đ o 1,0 0,00 0,0 T h ời g i a n T hờig a in Hình 6: So sánh giá trị BOD5 tính tốn thực đo cầu đường sắt sơng Cái, tháng 4/2011 Hình 7: So sánh giá trị T SS tính tốn thực đo tạ đường sắt sông Cái, tháng 4/2011 G IÁ TRỊ TỔNG P TÍNH TỐNVÀ THỰC ĐO GIÁ TR Ị TỔNG N TÍ N H TỐN V À TH ỰC Đ O G i t r ị Tổng N G i t rị T P 3,000 0,160 2,500 0,140 0,120 2,000 0,100 1,500 ,080 ,060 Tí nh t ốn T ín h t ốn ,040 Thực đo T hự c đo ,020 1,000 0,500 ,000 0,000 T h ời g i a n Hình 8: So sánh giá trị tổng N tính tốn thực đo cầu đường sắt sơng Cái, tháng 4/2011 T h ời gi a n Hình 9: So sánh giá trị tổng P tính tốn thực đ cầu đường sắt sông Cái, tháng 4/2011 3.3 Xây dựng kịch (KB): Các kịch xây dựng cho chạy mơ hình tốn cụ thể sau: Năm 2010: sử dụng nồng độ đặc trưng nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước thải nông nghiệp trạng nhằm khôi phục trạng môi trường nước thời điểm mùa lũ (tháng 11/2010), mùa kiệt (tháng 4/2011) Năm 2015 2020: kịch xây dựng tương ứng sau: Kịch (KB1): Sử dụng nồng độ đặc trưng nước thải từ nguồn sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp chưa qua xử lý, đổ trực tiếp môi trường trạng (2015 2020) - Kịch (KB2): Có xét đến trường hợp nước thải sinh hoạt xử lý trước thải môi trường sử dụng nồng độ tương đương với cột B – QCVN 14:2008, nồng độ chất ô nhiễm công nghiệp xử lý đáp ứng tiêu chuẩn xả thải QCVN 24:2009/BTNM T cột B KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Diễn biến BOD5: BOD5 có xu chung cao vào mùa kiệt thấp vào mùa lũ, khu vực phía thượng nguồn có hàm lượng BOD5 thấp so với khu vực khác phía hạ du Với KB trạng hầu hết khu vực có hàm lượng BOD5 nước đạt QCVN 08:2008 Cột A2 (6 mg/l) dao động trung bình từ mg/l – 3,5 mg/l Tuy nhiên, số vị trí có nhiễm cục vượt qua ngưỡng tiêu chuẩn cho phép khu vực sông Kim Bồng qua phường Phương Sơn, Ngọc Hiệp, Phương Sài, cửa xả thải phường Xương Huân, cụ thể giá trị BOD5 thường mức 20 mg/l – 25 mg/l, đặc biệt xảy triều rút Đến năm 2015 ứng với KB1 cho thấy, vào mùa kiệt mức tăng hàm lượng BOD5 so với xấp xỉ 21 % dao động từ 3,6 mg/l – 4.1 mg/l Với KB2 thành phần ô nhiễm từ nước sinh hoạt công nghiệp khống chế mức định thấy mức giảm mạnh so với KB1 vào mùa kiệt đạt xấp xỉ 23%, dao động từ 2,8 – 3,3 mg/l Vào năm 2020 ứng với KB1 tương tự năm 2015 hàm lượng BOD5 tiếp tục tăng, nhiên mức tăng BOD5 có giảm, cụ thể vào mùa kiệt mức tăng bình quân xấp xỉ 14% so với năm 2015, dao động khoảng – 4,5 mg/l Và với KB2, mức giảm mạnh so với KB1 vào mùa kiệt đạt xấp xỉ 47%, vào khoảng 2,2 – 2,6 mg/l a) c) b) d) Hình 10a, b, c, d: Giá trị BOD5 cho kịch trạng, năm 2015 KB1, năm 2020 KB1 KB2 Diễn biến TSS: Vào mùa kiệt, hàm lượng TSS trung bình dao động từ 24 - 35 mg/l thấp Cột B1 (50 mg/l), vào mùa lũ hàm lượng vượt QCVN 08:2008 Cột B1 từ ÷ lần, dao động trung bình từ 250 - 280 mg/l Tại số vị trí cửa xả thải phường Xương Huân, Vĩnh Thọ, có lượng tổng chất rắn lơ lửng chất thải sinh hoạt, cơng nghiệp gây trì mức cao vượt ngưỡng cho phép, dao động 120 – 150 mg/l vào mùa kiệt Đến năm 2015, ứng với KB1, vào mùa kiệt mức tăng hàm lượng TSS đạt xấp xỉ 18%, dao động khoảng 29 - 41 mg/l Với KB2, mức giảm so với KB1 xấp xỉ 78 % vào khoảng từ 10 mg/l hầu hết vị trí đạt QCVN 08:2008 Cột A2 (30 mg/l) Vào năm 2020, ứng với KB1, hầu hết vị trí đạt QCVN 08:2008 Cột B1 (50 mg/l) Lượng TSS nước dao động khoảng 32 - 43 mg/l Đối với KB2, vào mùa kiệt TSS giảm khoảng 54 % dao động khoảng 15-30mg/l vị trí thấp QCVN 08:2008 Cột B1 a) c) b) d) Hình 11 a, b, c, d: Giá trị TSS cho kịch trạng, năm 2015 KB1, năm 2020 KB1 KB2 Diễn biến tổng Nitơ: Nitơ tổng cao điểm K3 (cầu Đường Sắt) trung bình khoảng 2,37 mg/l, thấp K1 (cầu Trần Phú) trung bình khoảng 1,57 mg/l vào mùa kiệt, nằm khoảng cho phép QCVN 08:2008 cột A2 (5 mg/l) M ột số vị trí có cửa xả thải từ chất thải sinh hoạt, nơng nghiệp có hàm lượng tổng Nitơ cao, vượt ngưỡng cho phép theo QCVN 08:2008, thường xuyên dao động 10-15 mg/l, đặc biệt triều rút Đến năm 2015, ứng với KB1, hàm lượng Nitơ tổng vào mùa kiệt tăng bình quân so với 11% giá trị dao động từ 1,83 đến 2,56 mg/l Vào năm 2020, ứng với KB1, mức tăng bình quân vào mùa kiệt khoảng 11 % so với thời điểm năm 2015, mức tăng xấp xỉ mức tăng giai đoạn từ 2011 đến 2015 Đối với KB2, cho thấy giảm mạnh hàm lượng tổng Nitơ nước, mức giảm xấp xỉ 31 % so với KB1, dao động 1,38 – 2,04 mg/l a) c) b) d) Hình 12 a, b, c, d: Giá trị Nitơ cho kịch trạng, năm 2015 KB1, năm 2020 KB1 KB2 Diễn biến tổng Photpho: Giá trị tổng Photpho vào mùa kiệt trung bình dao động khoảng 0,045 mg/l, nằm khoảng cho phép QCVN 08:2008 cột A2 (0,2 mg/l) Cũng tương tự giá trị tổng Nitơ, số vị trí cửa xả thải xảy ô nhiễm chất dinh dưỡng từ ô nhiễm nước thải, nông nghiệp phường Xương Huân, phường Ngọc Hiệp, xã Vĩnh Ngọc v.v , giá trị thường dao động 0,5 – 0,7 mg/l, vượt ngưỡng cho phép Đến năm 2015, ứng với KB1, mức tăng bình quân vào mùa kiệt xấp xỉ đạt 23 % Đối với KB2, vào mùa kiệt hàm lượng Photpho giảm đáng kể, khu vực cửa sông giảm từ 0.07 mg/l (KB1) 0,01 mg/l Vào năm 2020, ứng với KB1, hàm lượng tổng Photpho nước tiếp tục tăng thấp giai đoạn từ 2011 đến 2015, mức tăng bình qn vào mùa kiệt ước tính khoảng 9% Đối với KB2, vào mùa kiệt tiếp tục giảm vị trí, khu vực cửa sơng hàm lượng Photpho giảm từ 0,08 mg/l (KB1) 0,02 mg/l a) b) c) d) Hình 13a, b, c, d: Giá trị Photpho cho kịch trạng, năm 2015 KB1, năm 2020 KB1 KB2 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết tính tốn cho thấy tranh tổng thể trạng diễn biến chất lượng môi trường nước tương lai qua giai đoạn định Kết thu cho thấy môi trường nước vùng nghiên cứu tiếp tục bị tác động nguồn thải suy giảm chất lượng, thông số thị tăng qua thời kỳ, mức tăng khác trung bình từ 15% đến 35% qua giai đoạn năm Bên cạnh đó, qua việc tính tốn KB2 nghiên cứu kỹ nhóm thực hiện, thấy nguồn xả từ hoạt động sản xuất công nghiệp nước thải sinh hoạt người dân kiểm soát tốt tình trạng nhiễm mơi trường khơng q nghiêm trọng tương lai Qua kết thấy rằng, xét tổng thể chất lượng nước toàn lưu vực sông Cái Nha Trang chưa đáng báo động tương lai gần, chúng nhanh chóng pha lỗng lượng nước từ thượng nguồn triều biển Đông Tuy nhiên, số vị trí cục cửa xả thải phường Xương Huân, khu vực sông Kim Bồng qua phường Phương Sơn, Phương Sài bị ô nhiễm, vượt tiêu chuẩn cho phép theo QCVN 08-2002 Là thành phố du lịch, có yêu cầu cao chất lượng môi trường, thập niên tới đề nghị quyền ban, ngành địa phương cần nỗ lực công tác quản lý nguồn xả thải làm tốt công tác kiểm tra, giám sát mơi trường địa phương nhanh chóng đưa giải pháp đồng bộ, quán, đặc biệt đề cao kết hợp hài hòa nhóm giải pháp cơng trình phi cơng trình nhằm đáp ứng yêu cầu kịch KB2 đưa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Hữu Nhân, 2002 Giáo trình hướng dẫn sử dụng Hydrogis [2] TS Nguyễn Hữu Nhân, 2004 Nghiên cứu chế độ thủy lực sơng Cái mơ hình tốn mơ hình vật lý [3] Danish Hydraulics Institute, 2009 Giáo trình hướng dẫn M ike 21/3 FM ... Phương pháp mơ hình tốn sử dụng mơ hình HydroGIS [1] để mơ phỏng, tính tốn lan truyền chất cho tồn nhánh sông suối lưu vực sông Cái - Nha Trang Riêng đoạn sơng chảy qua Tp .Nha Trang có đặc điểm chế... xả thải phức tạp, việc dùng mơ hình HydroGIS (1D) kết hợp M ike 21FM (2D) [3] để mô phỏng, đánh giá diễn biến thành phần chất lượng nước (CLN) phù hợp, đáp ứng yêu cầu tính toán đặt - Phương pháp... sánh giá trị BOD5 tính tốn thực đo cầu đường sắt sơng Cái, tháng 4/2011 Hình 7: So sánh giá trị T SS tính tốn thực đo tạ đường sắt sông Cái, tháng 4/2011 G IÁ TRỊ TỔNG P TÍNH TỐNVÀ THỰC ĐO GIÁ