Nghiên cứu, áp dụng mô hình qual2k đề dự báo diễn biến chất lượng nước trên lưu vực sông cầu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - MẠC THỊ VIỀN “NGHIÊN CỨU, ÁP DỤNG MƠ HÌNH QUAL2K ĐỀ DỰ BÁO DIỄN BIẾN CHẤT LƢỢNG NƢỚC TRÊN LƢU VỰC SÔNG CẦU” LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN MẠC THỊ VIỀN “NGHIÊN CỨU, ÁP DỤNG MƠ HÌNH QUAL2K ĐỀ DỰ BÁO DIỄN BIẾN CHẤT LƢỢNG NƢỚC TRÊN LƢU VỰC SÔNG CẦU” Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số: 60440301 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN TIỀN GIANG LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn luận văn PGS.TS Nguyễn Tiền Giang, thầy tạo điều kiện, động viên giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Sự hiểu biết sâu sắc khoa học kinh nghiệm thầy tiền đề giúp tơi đạt thành tựu kinh nghiệm quý báu Xin bày tỏ lịng biết ơn tới thầy giáo khoa Môi trường, người đem lại cho kiến thức bổ trợ, vơ có ích năm học vừa qua Xin cảm ơn khoa Môi trường, Phòng đào tạo sau đại học, Trường đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Cuối xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, người ln bên tơi, động viên khuyến khích tơi q trình thực luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Mạc Thị Viền BẢN CAM KẾT Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan, giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn ghi rõ nguồn gốc Học viên thực luận văn Mạc Thị Viền MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN LƢU VỰC SÔNG CẦU 1.1 Tổng quan lƣu vực sông Cầu 1.1.1 Đặc điểm điều kiện tự nhiên 1.1.1.1 Vị trí địa lý 1.1.1.2 Đặc điểm địa hình 1.1.1.3 Đặc điểm khí hậu 1.1.1.4 Mạng lưới sơng ngịi 1.1.1.5 Mạng lưới trạm 1.1.2 Khái quát tình hình kinh tế xã hội lưu vực sông Cầu 1.1.2.1 Dân số phân bố dân số tỉnh lưu vực sông Cầu 1.1.2.2 Các đô thị lưu vực sông Cầu 1.1.2.3 Hoạt động cơng nghiệp, nơng nghiệp khai khống lưu vực sông Cầu 1.2 Tổng quan chất lƣợng nƣớc nguồn thải sông Cầu 1.2.1 Tổng quan chất lượng nước lưu vực sông Cầu 1.2.2 Tổng quan nguồn thải lưu vực sông Cầu 1.2.2.1 Nguồn thải công nghiệp 1.2.2.2 Nguồn thải từ làng nghề 1.2.2.3 Nguồn thải từ sinh hoạt, y tế 1.2.2.4 Chất thải sản xuất nông nghiệp 1.2.2.5 Nguồn thải từ hoạt động khai thác khoáng sản 1.2.3.1 Tình hình xả nước thải 1.2.3.2.Tình hình xử lý nước thải 1.2.4 Tổng quan đề tài dự án nghiên cứu đến chất lượng nước lưu vực sông Cầu 1.2.5 Tổng quan áp dụng mơ hình Qual2k để quản lý chất lượng nước Việt Nam CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH QUAL2K 2.1 Nghiên cứu sở lý thuyết mơ hình Qual2k 2.1.1 Giới thiệu chung Qual2k 2.1.2 Cơ sở khoa học mơ hình Qual2k 2.1.2.1 Nguyên tắc phân đoạn sông 2.1.2.2 Cân lưu lượng 2.1.2.3 Các đặc trưng thủy lực 2.1.2.4 Cấu tạo mơ hình 2.2 Quy trình mơ diễn biến chất lƣợng nƣớc CHƢƠNG ÁP DỤNG MƠ HÌNH QUAL2K ĐỂ DỰ BÁO DIỄN BIẾN CHẤT LƢỢNG NƢỚC SÔNG CẦU VÀ BIỆN PHÁP QUẢN LÝ TẠI CÁC ĐOẠN SÔNG 3.1 Hiện trạng số liệu 3.1.1 Số liệu khí tượng, thủy văn 3.1.2 Số liệu quan trắc chất lượng nước sông nguồn thải 3.2 Áp dụng mơ hình Qual2k để đánh giá diễn biến chất lƣợng nƣớc sông Cầu 3.2.1 Sơ đồ tính tốn 3.2.2 Hiệu chỉnh mơ hình 3.2.3 Kiểm nghiệm mơ hình 3.2.4 Áp dụng mơ hình Qual2k để dự báo diễn biến chất lượng nước sông Cầu đánh giá khả chịu tải sông .77 3.2.5 Đánh giá khả chịu tải đoạn sông 84 3.2.5.1 Phân đoạn sông 84 3.3 Đề xuất biện pháp quản lý đoạn sông để khôi phuc chất lƣợng nƣớc sông Cầu .96 KẾT LUẬN .99 TÀI LIỆU THAM KHẢO .101 MỤC LỤC BẢNG BẢNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 10 Bảng 1.1 Lượng mưa trung bình năm (mm) trạm thuộc LVS Cầu 16 Bảng 1.2 Thống kê đặc điểm thủy văn sông 19 Bảng 1.3 Các trạm khí tượng lưu vực sông Cầu 20 Bảng 1.4 Trạm đo mực nước lưu lượng sông lưu vực Sông Cầu 21 Bảng 1.5 Dân số tỉnh thuộc lưu vực sông Cầu 22 Bảng 1.6 Đơ thị hóa tỉnh thuộc lưu vực sông Cầu 22 Bảng 1.7 Hoạt động công nghiệp tỉnh thuộc lưu vực sông Cầu 23 Bảng 1.8 Hoạt động nông nghiệp tỉnh thuộc lưu vực sông Cầu 23 Bảng 1.9 Các trạm quan trắc nước sông sông Cầu 25 Bảng 1.10 Tổng lượng nước thải sinh hoạt tỉnh LVS Cầu (nghìn m³/ngày) 32 Bảng 2.1 Giá trị hệ số mũ dòng chảy cong để xác định độ sâu vận tốc (Barnwell, 1989) 52 Bảng 2.2 Hệ số nhám Manning với bề mặt kênh khác (Chow et al, 1988) 54 Bảng 2.3 Các biến mơ hình Qual2K 57 Bảng 3.1 Số liệu trạm thủy văn dùng mơ hình 69 Bảng 3.2 Bảng nguồn thải đoạn sơng 86 Bảng 3.3 Giá trị nồng độ chất ô nhiễm nước thải sinh hoạt qua xử lý bể tự hoại thông thường 89 Bảng 3.4 Giá trị nồng độ số chất ô nhiễm nước thải chăn nuôi 90 Bảng 3.5 Bảng lượng nước thải hoạt động chăn nuôi 91 Bảng 3.6 Kết tính tốn tải lượng 92 MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ vị trí lưu vực sơng Cầu 13 Hình 1.2 Vị trí trạm thủy văn lưu vực sơng Cầu 20 Hình 1.3 Diễn biến BOD5 sông Cầu đo trạm 26 Hình 1.4 Diễn biến TSS sông Cầu đo trạm 26 + Hình 1.5 Diễn biến amoni (NH4 ) sông Cầu 27 Nguồn: [4] 36 Hình 1.6 Mô chất lượng nước sông Cầu đoạn tỉnh Bắc Cạn Thái Nguyên với kịch phát triển kinh tế xã hội mức 36 Hình 1.7 Mơ chất lượng nước sông Cầu đoạn tỉnh Bắc Cạn Thái Nguyên với kịch phát triển kinh tế xã hội mức thấp, bản, cao năm 2020 37 Hình 1.8 Tải lượng chất ô nhiễm nước thải sinh hoạt công nghiệp khơng có biện pháp xử lý đạt QCMT 40 Hình 1.9 Tải lượng chất nhiễm nước thải sinh hoạt công nghiệp có biện pháp xử lý đạt QCMT 41 Hình 1.10 Kết mơ chất lượng nước sơng Cầu Bây 43 Hình 1.11 Kết mơ hình chất lượng nước sơng Sài Gịn 44 Hình 2.1 Cách phân đoạn Qual2K cho sông đơn 47 Hình 2.2 Cách phân đoạn Qual2K cho đoạn sông nhiều yếu tố .48 Hình 2.3.Chia đoạn sơng thành đoạn sông yếu tố 48 Hình 2.4 Cân dịng chảy .49 Hình 2.5 Đập tràn đỉnh nhọn hai đoạn sông 50 Hình 2.6 Mặt cắt hình thang cân 52 Hình 2.7 Cân nhiệt phần tử .56 Hình 2.8 Cân khối lượng 56 Hình 2.9 Các trình động học chuyển tải biến mơ hình 58 Hình 2.10 Tương tác thành phần chất lượng nước 60 Hình 2.11 Quy trình mơ chất lượng nước sơng Cầu mơ hình Qual2K 67 Hình 3.1 Sơ đồ vị trí nguồn thải vị trí trạm quan trắc chất lượng nước .70 Hình 3.2 Thời gian chảy truyền ngày 15.7.2012 71 Hình 3.3 Đường q trình lưu lượng sơng Cầu 15.7.2012 71 Hình 3.4 Mực nước mặt cắt 15.7.2012 .72 Hình 3.5 Kết mơ hàm lượng BOD5 sông Cầu 15.7.2012 .72 Hình 3.6 Kết mơ hàm lượng NH4+ sông Cầu 15.7.2012 .73 - Hình 3.7 Kết mơ hàm lượng NO3 sơng 15.7.2012 .73 Hình 3.8 Thời gian chảy truyền ngày 15.9.2012 74 Hình 3.9.Đường trình lưu lượng sông Cầu 15.9.2012 75 Hình 3.10 Mực nước mặt cắt 15.9.2012 75 Hình 3.11 Kết mơ hàm lượng BOD5 sơng Cầu 15.9.2012 75 Hình 3.12 Kết mô hàm lượng NH4 sông Cầu 15.9.2012 .76 Hình 3.13 Kết mơ hàm lượng NO3- sông 15.7.2012 76 Hình 3.14 Kết mơ nồng BOD5 dự kiến năm 2020 kịch 78 - Hình 3.16 Kết mơ nồng độ NH4 dự kiến năm 2020 kịch 79 - Hình 3.17 Kết mơ nồng độNO3 dự kiến năm 2020 kịch 79 Hình 3.18 Bản đồ phân vùng nồng độ BOD5 lưu vực sông Cầu 81 Hình 3.19 Bản đồ phân vùng nồng độ TSS lưu vực sông Cầu 82 Hình 3.20 Bản đồ phân vùng nồng độ NH4 lưu vực sơng Cầu .83 Hình 3.21 Kết mô nồng độ BOD5 dự kiến năm 2020 kịch .83 Hình 3.22 Kết mô nồng độ TSS dự kiến năm 2020 kịch 84 + Hình 3.23 Kết mô nồng độ NH4 dự kiến năm 2020 kịch 84 Bộ TN&MT Sở TN&MT UBND LVS BVMT KCN CCN TCVN TCCP HSPSCT CLN 10 Đoạn II Đoạn 94 STT Nguồn thải Đoạn Đoạn 95 STT Nguồn thải Đoạn 3.3 Đề xuất biện pháp quản lý đoạn sông để khôi phuc chất lƣợng nƣớc sông Cầu Trên lưu vực sông Cầu, đoạn sông qua khu đô thị lớn, chất lượng nước sơng phân tích đánh giá trên, hầu hết vượt qúa khả tự làm hay nói cách khác vượt ngưỡng chịu tải Nguyên nhân gây ô nhiễm phân tích thống kê nước thải sinh hoạt, cơng nghiệp, làng nghề, chăn ni…trong nước thải sinh hoạt chiếm tới 36% tổng lượng nước thải đổ vào sông Cầu, phân bố chủ yếu khu thị lớn nguồn nhiễm làm cho chất lượng nước sông Cầu ngày xấu Để giảm tải lượng chất gây ô nhiễm BOD, COD thải sông Cầu từ nước thải sinh hoạt vùng dân cư đông đúc, tương lai đòi hỏi phải xử lý nước thải sinh hoạt cho khu đô thị khu dân cư tập trung Qua bảng kết tính tốn tải lượng thải vào sơng Cầu theo đoạn để trì cải thiện chất lượng nước sông Cầu đề xuất sau: a Đoạn từ đầu nguồn giáp với tỉnh Bắc Cạn đến đập Thác Huống: Đoạn sơng phía thượng nguồn tương đối sạch, phía hạ nguồn đoạn bị ô nhiễm đoạn sông chảy qua thành phố Thái Nguyên cần kiểm soát nguồn thải sinh hoạt, nguồn thải sở sản xuất nhỏ Kiểm soát nguồn thải để tải lượng BOD5 đoạn sông sau: + Đoạn 1: Từ Văn Lăng đến sông Đu