Nghiên cứu ứng dụng mô hình dòng chảy vật chất (MFA) và hệ thống thông tin địa lý (GIS) đánh giá nguồn phát thải và biến đổi hàm lượng nitơ trong môi trường nước hệ thống sông thái bình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Phú Đồng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH DỊNG CHẢY VẬT CHẤT (MFA) VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) ĐÁNH GIÁ NGUỒN PHÁT THẢI VÀ BIẾN ĐỔI HÀM LƢỢNG NITƠ TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC HỆ THỐNG SƠNG THÁI BÌNH KHU VỰC TỈNH HẢI DƢƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Phú Đồng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH DỊNG CHẢY VẬT CHẤT (MFA) VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) ĐÁNH GIÁ NGUỒN PHÁT THẢI VÀ BIẾN ĐỔI HÀM LƢỢNG NITƠ TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC HỆ THỐNG SƠNG THÁI BÌNH KHU VỰC TỈNH HẢI DƢƠNG Chun ngành: Hóa Phân tích Mã số: 60440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Lê Văn Chính PGS.TS Tạ Thị Thảo Hà Nội - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình dịng chảy vật chất (MFA) hệ thống thông tin địa lý (GIS) đánh giá nguồn phát thải biến đổi hàm lƣợng Nitơ mơi trƣờng nƣớc hệ thống sơng Thái Bình khu vực tỉnh Hải Dƣơng” cơng trình nghiên cứu thân Tất thông tin tham khảo dùng luận văn lấy từ cơng trình nghiên cứu có liên quan đƣợc nêu rõ nguồn gốc danh mục tài liệu tham khảo Các kết nghiên cứu đƣa luận văn hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khoa học khác Ngày tháng năm 2014 TÁC GIẢ Lê Phú Đồng LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lê Văn Chính, PGS.TS Tạ Thị Thảo tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ tơi suốt thời gian làm hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn ông Tạ Hồng Minh, bà Phan Thị Uyên tập thể cán Trung tâm Quan trắc Phân tích mơi trƣờng tỉnh Hải Dƣơng ln quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến bổ ích để tơi hồn thành luận văn Qua xin chân thành cám ơn TS Đỗ Thu Nga giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến khoa học để tơi hồn thành nghiên cứu Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình ln bên cạnh, động viên tạo điều kiện để tơi hồn thành nội dung nghiên cứu Ngày tháng 12 năm 2014 Lê Phú Đồng MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái quát điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội khu vực nghiên cứu 1.1.1 Vị trí địa lý 1.1.2 Địa hình, địa mạo 1.1.3 Đặc điểm khí tƣợng – thủy văn 1.1.3.1 Điều kiện khí tƣợng 1.1.3.2 Điều kiện thuỷ văn 1.1.4 Hiện trạng sử dụng đất 1.1.5 Phát triển kinh tế - xã hội, môi trƣờng 1.1.5.1 Về sản xuất công nghiệp tiểu thủ công nghiệp 1.1.5.2 Về khu, cụm công nghiệp 1.1.5.3 Dân số phát triển đô thị 11 1.1.2.4 Hiện trạng môi trƣờng khu vực nghiên cứu 12 1.2 Phƣơng pháp phân tích dịng chảy vật chất (MFA) 15 1.2.1 Lịch sử phát triển 15 1.2.2 Các ứng dụng mơ hình MFA mơi trƣờng .16 1.3 Giới thiệu GIS (Geographic Information System) 19 1.3.1 Giới thiệu chung GIS 19 1.3.2 Các ứng dụng GIS lĩnh vực môi trƣờng nƣớc .20 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM .24 2.1 Thiết bị, vật tƣ hóa chất 24 2.1.1 Hóa chất, vật tƣ 24 2.1.2 Thiết bị, dụng cụ 25 2.2 Vị trí điểm lấy mẫu, quan trắc 25 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 29 2.3.1 Xây dựng mơ hình MFA 29 2.3.1.1 Tìm kiếm biểu đồ dòng chảy N cho nghiên cứu MFA Hải Dƣơng 29 2.3.1.2 Thiết lập mơ hình MFA sơ cấp sau có khảo sát trƣờng 31 2.3.1.3 Đánh giá thông số sau tiếp tục khảo sát trƣờng đợt 33 2.3.1.4 Giai đoạn kết thúc 33 2.3.2 Xây dựng mơ hình tính tải lƣợng Nitơ dựa vào tham số mơ hình phân phối GIS 34 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 Đánh giá trạng ô nhiễm Nitơ môi trƣờng nƣớc thuộc hệ thống sông khu vực tỉnh Hải Dƣơng 37 + 3.1.1 Hiện trạng ô nhiễm NH4 -N nƣớc sông khu vực tỉnh Hải Dƣơng 37 + 3.1.1.1 Phân tích hàm lƣợng NH4 -N hệ thống sơng Thái Bình .37 + 3.1.1.2 Phân tích hàm lƣợng NH4 -N hệ thống sông Bắc Hƣng Hải 38 - 3.1.2 Hiện trạng ô nhiễm NO2 -N nƣớc sông khu vực tỉnh Hải Dƣơng 39 - 3.1.2.1 Phân tích hàm lƣợng NO2 -N hệ thống sơng Thái Bình 39 - 3.1.2.2 Phân tích hàm lƣợng NO2 -N hệ thống sông Bắc Hƣng Hải 40 - 3.1.3 Hiện trạng ô nhiễm NO3 -N nƣớc sông khu vực tỉnh Hải Dƣơng 40 - 3.1.3.1 Phân tích hàm lƣợng NO3 -N hệ thống sơng Thái Bình 40 - 3.1.3.1 Kết NO3 -N thuộc hệ thống sông Bắc Hƣng Hải 41 3.2 Nghiên cứu ứng dụng mơ hình MFA để đánh giá nguồn thải N 42 3.2.1 Đề xuất q trình mơ hình MFA tính tốn chu trình N tồn tỉnh Hải Dƣơng 42 3.2.2 Các thông số đầu vào cho mơ hình MFA 44 3.2.3 Thảo luận mơ hình MFA 44 3.2.3.1 Quá trình “Hộ gia đình (1)” 44 3.2.3.2 Q trình "cơng trình vệ sinh (2)" 45 3.2.3.3 Q trình “ Hệ thống nƣớc” (3) 46 3.2.3.4 Quá trình “Thu gom chất thải rắn” (4) 46 3.2.3.5 Quá trình “ chợ” (6) 47 3.2.3.6 Quá trình “bãi rác” (7) 47 3.2.3.7 Q trình “chăn ni” (12) 48 3.2.3.8 Quá trình “ Thủy sản (13)” 49 3.2.3.9 Quá trình “Trồng lúa loại trồng khác” (14) 49 3.2.4 Đánh giá thơng số mơ hình MFA 50 3.2.5 Phân tích độ nhạy thơng số mơ hình MFA 51 3.2.5.1 Dòng N chảy vào nƣớc mặt 51 3.2.5.2 Dòng N chảy vào hệ thống thoát nƣớc 53 3.2.6 Mơ hình MFA với N cho Hải Dƣơng 55 3.3 Xây dựng mơ hình tính tải lƣợng N dựa tham số mơ hình phân phối GIS 56 3.3.1 Các thông số hệ thống thông tin địa lý GIS 57 3.3.2 Khu vực nghiên cứu 58 3.3.2 Số liệu nguồn thải số liệu quan trắc năm 61 3.3.3 Xây dựng mơ hình tính tốn tải lƣợng N 64 3.3.4 Đánh giá mơ hình tính tốn 66 3.4 Kịch ô nhiễm N môi trƣờng tỉnh Hải Dƣơng đến năm 2020 67 3.4.1 Áp dụng mơ hình MFA 68 3.4.2 Áp dụng mơ hình tính tốn tải lƣợng N 69 KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤC LỤC 77 DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT CCN Cụm công nghiệp GIS Hệ thống thông tin địa lý KCN Khu công nghiệp LVS Lƣu vực sông MFA Dòng chảy vật chất N Nitơ QCVN Quy chuẩn Việt Nam DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Lƣợng mƣa tháng năm từ năm 2009 đến năm 2013 (mm) .6 Bảng 1.2 Hiện trạng sử dụng đất tỉnh Hải Dƣơng năm 2013 Bảng 2.1: Vị trí tọa độ điểm lấy mẫu phân tích hợp chất Nitơ .26 Bảng 3.1: Hiện trạng sử dụng đất 03 huyện, thành phố 59 Bảng 3.2: Thống kê tải lƣợng N nƣớc thải công nghiệp 61 Bảng 3.3: Lƣợng phát thải N từ hoạt động cấy lúa 62 Bảng 3.4: Tổng tải lƣợng N phát thải từ nguồn công nghiệp, 63 nông nghiệp vào tháng tháng hàng năm 63 Bảng 3.5: Kết quan trắc chất lƣợng nƣớc sông qua năm 63 Bảng 3.6: Tải lƣợng N tháng 64 Bảng 3.7: Tải lƣợng N tháng 64 Bảng 3.8: Kết quan trắc tải lƣợng N vào 3/2014 66 Bảng 3.9: Bảng số liệu thống kê phát triển kinh tế tỉnh Hải Dƣơng năm 2020 .67 Bảng 3.10: So sánh tải lƣợng N thải vào nƣớc mặt năm 2012 năm 2020 68 Bảng 3.11: So sánh tải lƣợng N thải vào không khí năm 2012 năm 2020 69 Bảng 3.12: So sánh tải lƣợng N thải vào nƣớc ngầm năm 2012 năm 2020 69 Bảng 3.13: Diện tích sử đất huyện thành phố đến năm 2020 70 Bảng 3.14: Số liệu đầu vào để xác định tải lƣợng N đến năm 2020 70 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Diễn biến phát triển dân số từ năm 1999 - 2010 12 Hình 1.2: Dự tốn dòng chảy Nitơ hệ thống "phân loại quản lý chất thải rắn hữu nhƣ sản xuất lƣơng thực Việt Trì, Việt Nam" .17 Hình 2.1: Bản đồ vị trí lấy mẫu phân tích hợp chất Nitơ 28 Hình 2.2: Hệ thống MFA sơ khu vực tỉnh Hải Dƣơng 29 Hình 2.3: Kế hoạch nghiên cứu mơ hình MFA Hải Dƣơng 30 Hình 2.4: Kế hoạch nghiên cứu mơ hình tính tốn tải lƣợng Nitơ 36 + Hình 3.1: Nồng độ NH4 -N thuộc hệ thống sơng Thái Bình 37 + Hình 3.2: Nồng độ NH4 -N thuộc hệ thống sơng Bắc Hƣng Hải 38 - Hình 3.3: Nồng độ NO2 -N thuộc hệ thống sơng Thái Bình 39 - Hình 3.4: Nồng độ NO2 -N thuộc hệ thống sông Bắc Hƣng Hải 40 - Hình 3.5: Nồng độ NO3 -N thuộc hệ thống sơng Thái Bình 40 - Hình 3.6: Nồng độ NO3 -N thuộc hệ thống sơng Bắc Hƣng Hải 41 Hình 3.7: MFA với N địa bàn tỉnh Hải Dƣơng sau lần khảo sát thứ .43 Hình 3.8: MFA với N địa bàn tỉnh Hải Dƣơng sau lần khảo sát thứ hai 43 Hình 3.9: Dịng chảy N trình “Hộ gia đình” (tấn N/năm) 44 Hình 3.10: Dịng N từ q trình “cơng trình vệ sinh” 45 Hình 3.11: Dịng N từ q trình “Hệ thống nƣớc” 46 Hình 3.12: Dịng N trình “Thu gom chất thải rắn” 46 Hình 3.13: Dịng N q trình “Chợ” 47 Hình 3.14: Dịng N q trình “Bãi rác” 48 Hình 4.15: Dịng N q trình “ chăn ni” 48 Hình 4.16: Dịng N trình “Thủy sản” 49 Hình 4.17: Dịng N quy trình “Trồng trọt” 50 Hình 3.18: Ảnh hƣởng việc tăng 10% thơng số 52 dịng N chảy vào nƣớc mặt 52 Hình 3.19: Ảnh hƣởng việc tăng 10% thơng số dịng N chảy vào hệ thống thoát nƣớc 54 Tỷ lệ hộ dân sử dụng bể tự hoại 84 Tỷ lệ hộ dân khơng có hố tiêu hợp vệ sinh Tỷ lệ hộ dân có hố tiêu hợp vệ sinh Tỷ lệ hộ dân có bể biogas Hệ hố chuyển hóa N vào bùn từ bể tự hoại Tỷ lệ nƣớc thải bể tự hoại vào hệ thống nƣớc Tần số hút bùn Hệ số chuyển hóa N bùn từ phân Lƣợng tro cho vào nhà xí Hàm lƣợng N tro Tần số hút bùn Hệ số chuyển hóa N bùn từ bể biogas Tần số hút bùn bể biogas Quá trình “Hệ thống thoát nƣớc” Lƣợng hợp chất hữu hệ thống nƣớc Khí N phân hủy Diện tích hệ thống nƣớc Hệ số khơng thấm nƣớc 85 Tỷ lệ thời tiết khô năm Hệ số nƣớc mƣa nuôi trồng thủy sản Lƣợng bùn hệ thống thoát nƣớc Hàm lƣợng N hữu Hàm lƣợng chất rắn bùn hữu Quá trình “Thu gom chất thải rắn” Tỷ lệ chất thải rắn tới bãi rác Tỷ lệ phát si lƣợng N rắn Hàm thải rắn hữu Tỷ lệ chất thải hữu Quá trình “bãi rác” Hệ số thấm bãi rác Chiều rác trến lót Độ dày lớp đất Hàm lƣợng N nƣớc thải rỉ rác cao rắ Diện tích bãi rác Q trình “chăn ni” – lợn 86 Số lƣợng lợn thịt Số lƣợng lợn nái Tỷ lệ lợn con/lợn nái Lƣợng thức ăn cho lợn (cả lợn nái lợn thịt) Lƣơng thức ăn cho lợn Tỷ lê thức ăn thừa thức ăn cho lơn Tỷ lệ rau thức ăn lợn Hàm lƣợng N thức cho lợn Hàm lƣợng N thịt lợn Số lƣợng vật liệu đệm lót giữ ấm cho lợn Tỷ lợn đƣợc ấp vật liệu đệm Tải lƣợng N phân lợn Tỷ lệ phân lợn cho vào bể biogas Tỷ lệ phân lợn cho vào ao nuôi cá Tỷ lệ phân lợn vào hệ thống nƣớc Hàm lƣợng N đệm lót Trọng lƣợng thể lợn 87 Tỷ lệ lợn thịt năm Tỷ lệ thất khí N (N phân lợn) Q trình “chăn ni” –gia cầm Số lƣợng gia cầm Lƣợng thức ăn trung bình gia cầm Số lƣợng gia cầm cạn Lƣợng gia cầm hệ thống gà-cá Lƣợng gia cầm hệ thống vịt-ao Năng (trọng lƣợng trứng, thịt) Lƣợng phân hệ thống vịt-ao Lƣợng phân hệ thống gà-cá Lƣợng phân hệ thống gia cầm cạn Hàm lƣợng N ăn Hàm lƣợng N trung gia cầm Tỷ lệ thức ăn cho gia cầm suất Tỷ lệ thức ăn nông nghiệp 88 gia cầm Hàm lƣợng N phân hệ thống gà cá Hàm lƣợng N phân hệ thống vịt-ao Hàm lƣợng N phân hệ gia cầm cạn Tỷ lệ chuyển hóa N từ hệ thống gia cầm khơ Q trình “chăn ni” – gia súc Số lƣợng trâu Số lƣợng bò Số lƣợng bê cho bò năm Lƣợng thức ăn cho gia súc năm Tỷ lệ thức ăn thừa thức ăn gia súc Tỷ lệ cỏ làm thức ăn cho gia súc Hàm lƣợng N cỏ Tỷ lệ thức ăn rơm Tỷ lệ N thức ăn gia súc Tỷ lệ gia súc giết mổ hàng năm Hàm lƣợng N tron gia súc Trọng lƣợng gia súc 89 Tải lƣợng thải N gia súc Tỷ lệ khí N bị Q trình “Ni trồng thủy sản” Diện tích ao ni cá Tỷ lệ chuyển hóa tức ăn Sản lƣợng cá Lƣợng N tích tụ vào bùn Lƣợng N thải vào mặt Hàm lƣợng N cá Hàm lƣợng N ăn cá Hàm lƣợng N nƣớc mặt mùa hè Độ sâu ao cá Quá trình “Trồng trọt” - lúa Số vụ cấy lúa Diện tích lúa Lƣợng N phân bón cho lúa năm Lƣợng mƣa trung bình Sản lƣợng lúa Sản lƣợng thóc Độ sâu nƣớc ruộng lúa 90 Hệ số phát thải N vào không qua bay phân bón Hệ số thải N vào khơng khí đốt cháy rơm rạ Tỷ lệ rơm rạ bị đốt cháy Tỷ lệ chuyển hóa N vào đất (phân bón hóa học) Hàm lƣợng N nƣớc mƣa Hàm lƣợng N gạo Hàm lƣợng N rơm rạ Hàm lƣợng N nƣớc mặt bơm vào đồng ruộng Tỷ lệ N thải vào nƣớc mặt (phân bón hóa học) 91 ... Đồng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH DỊNG CHẢY VẬT CHẤT (MFA) VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) ĐÁNH GIÁ NGUỒN PHÁT THẢI VÀ BIẾN ĐỔI HÀM LƢỢNG NITƠ TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC HỆ THỐNG SƠNG THÁI BÌNH... nghiên cứu đề tài ? ?Nghiên cứu ứng dụng mơ hình dịng chảy vật chất (MFA) hệ thống thơng tin địa lý (GIS) đánh giá nguồn phát thải biến đổi hàm lượng Nitơ môi trường nước hệ thống sơng Thái Bình. .. đoan luận văn ? ?Nghiên cứu ứng dụng mơ hình dịng chảy vật chất (MFA) hệ thống thông tin địa lý (GIS) đánh giá nguồn phát thải biến đổi hàm lƣợng Nitơ mơi trƣờng nƣớc hệ thống sơng Thái Bình khu vực