Nghiên cứu đánh giá chất lượng nước sông cầu bằng mô hình số trên cơ sở đó đề xuất các giải pháp tổng hợp để quản lý môi trường nước sông cầu

PHẠM TIẾN NHẤT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG CẦU BẰNG MƠ HÌNH SỐ, TRÊN CƠ SỞ ĐĨ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP TỔNG HỢP ĐỂ QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG NƯỚC SÔNG CẦU PHẠM TIẾN NHẤT 2007 – 2009 HÀ NỘI- 2009 HÀ NỘI 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG CẦU BẰNG MƠ HÌNH SỐ, TRÊN CƠ SỞ ĐĨ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP TỔNG HỢP ĐỂ QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG NƯỚC SÔNG CẦU NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ:………………… PHẠM TIẾN NHẤT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG XUÂN HIỂN HÀ NỘI - 2009 LỜI CẢM ƠN Qua trình học tập, nghiên cứu, giúp đỡ tận tình thầy, cơ, nhà khoa học, nhà quản lý, bạn đồng nghiệp, em hồn thành chương trình học tập nghiên cứu luận văn với đề tài: Nghiên cứu đánh giá chất lượng nước sơng Cầu mơ hình số, sở đề xuất giải pháp tổng hợp để quản lý môi trường nước sông Cầu Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy giáo PGS.TS Đặng Xuân Hiển, người hướng dẫn em nghiên cứu hoàn thành luận văn Cảm ơn thầy hướng dẫn tận tình, động viên em q trình nghiên cứu, để hồn thành luận văn thời hạn Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới Thầy, Cô giáo trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Khoa sau đại học, đặc biệt Thầy, Cô Viện khoa học Công nghệ Môi trường, trang bị cho em kiến thức, kinh nghiệm thực tế để em có khả hồn thành luận văn qua nâng cao kiến thức Tơi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trung tâm tư vấn Công nghệ môi trường, bạn đồng nghiệp gia đình tạo điều kiện cho tơi hồn thành chương trình học tập nghiên cứu luận văn Một lần em xin trân trọng cảm ơn Học viên Phạm Tiến Nhất LỜI CAM ĐOAN Đề tài: Nghiên cứu đánh giá chất lượng nước sơng Cầu mơ hình số, sở đề xuất giải pháp tổng hợp để quản lý môi trường nước sông Cầu Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Người làm Luận văn Phạm Tiến Nhất -i- MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1.1.Tổng quan tình hình nghiên cứu mơ hình chất lượng nước ……………… 1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2 Tổng quan điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu………….…….…………6 1.2.1 Vị trí địa lý 1.2.2 Địa hình .7 1.2.3 Thổ nhưỡng 1.2.4 Thảm phủ thực vật 1.2.5 Mạng lưới sông suối 10 1.3 Tổng quan trạng chất lượng nước khu vực nghiên cứu…… ………… 14 1.3.1 Nguồn gây ô nhiễm môi trường nước 14 1.3.2 Chất lượng nước sông Cầu 15 1.3.2.1 Sông Cầu 15 1.3.2 Sông Công 20 1.3.2.3 Sông Ngũ Huyện Khê .23 1.3.2.4 Các sông khác bao gồm suối Nghinh Tường, sơng Đu, sơng Cà Lồ suối Phượng Hồng 25 1.3.3 Ngun nhân suy thối mơi trường lưu vực sông Cầu 28 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MƠ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC MIKE 11 29 2.1 Giới thiệu chung hệ thống mơ hình phần mềm MIKE………….…… 29 2.2 Hệ thống module phần mềm MIKE 11 ….….…….………………30 2.3 Cơ sở liệu mơ hình MIKE 11………….…….…………… 34 - ii - 2.4.1 Các phương trình 35 2.4.1.1 Hệ phương trình Sain - Venant 35 2.4.1.2 Phương trình lan truyền, khuyếch tán .38 2.4.1.3 Phương trình mơ tả chu trình phản ứng mơi trường nước.40 2.4.2 Các điều kiện đầu điều kiện biên 50 2.4.2.1 Các điều kiện đầu 50 2.4.2.2 Các điều kiện biên .50 2.4.3 Các thơng số số liệu tính tốn 52 2.4.3.1 Các thông số, số liệu tính tốn thủy động lực 52 2.4.3.2 Các thơng số, số liệu tính tốn lan truyền, khuyếch tán 54 2.4.3.3 Các thông số, số liệu tính tốn chất lượng nước .54 2.5 Các phương pháp số sử dụng phần mềm 56 2.6 Các điều kiện ổn định mơ hình ………….…….……………………… 57 2.7 Yêu cầu liệu đầu vào………….…….…………… .58 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ DỮ LIỆU TRONG MƠ HÌNH 60 3.1 Các liệu địa hình ………….…….………………………………………60 3.1.1 Dữ liệu mạng sông 60 3.1.2 Dữ liệu mặt cắt 62 3.2 Các liệu biên………….…….…………………………………………… 66 3.3 Các thông số lan truyền, khuyếch tán …….………………………………….68 CHƯƠNG 69 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MIKE 11 TÍNH TỐN CHẤT LƯỢNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG CẦU 69 4.1 Thu thập số liệu ………….…….………………………………………………69 4.1.1 Số liệu thuỷ văn, thuỷ lực: .69 - iii - 4.1.2 Số liệu chất lượng nước: 71 4.2 Áp dụng mơ hình MIKE11 tính tốn chế độ thủy lực hệ thống sơng lưu vực sông Cầu………….…….………………………………………………………… 73 4.2.1 Mục tiêu 73 4.2.2 Các bước ứng dụng 73 4.2.3 Sơ đồ tính toán 73 4.2.4 Hiệu chỉnh mơ hình thuỷ lực 74 4.2.5 Kiểm nghiệm mơ hình thuỷ lực 77 4.3 Áp dụng mơ hình MIKE 11 tính tốn diễn biến chất lượng nước sơng Cầu….72 4.3.1 Mục tiêu 79 4.3.2 Các bước ứng dụng 79 4.3.3 Hiệu chỉnh mơ hình 81 4.4 Dự báo diễn biến chất lượng nước hệ thống sông lưu vực sông Cầu theo số Phương án phát triển kinh tế xã hội…………………… ……………………… 85 4.5 Phân vùng khu vực chất lượng nước bị đe doạ môi trường…….……93 4.5.1 Phương pháp xác định vùng chất lượng nước bị đe doạ môi trường……………………………………………………………………………………… 93 4.5.2 Vùng chất lượng nước bị đe doạ môi trường…………………95 4.6 Đề xuất số giải pháp tổng hợp nhằm quản lý bảo vệ môi trường nước lưu vực sông Cầu.………………………………………………………………………… 96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 PHỤ LỤC - iv - DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BVMT Bảo vệ môi trường BTNMT Bộ tài nguyên Mơi trường CP Chính phủ CEETIA Trung tâm kỹ thuật Môi trường đô thị Khu công nghiệp CT-TW Chỉ thị Trung ương GDP Thu nhập quốc dân theo đầu người KH&CN Khoa học công nghệ KHTH& CN Khoa học tự nhiên công nghệ KHCN Khoa học công nghệ LVS Lưu vực sông MTĐT Môi trường đô thị NĐ Nghị định NQ Nghị PGS.TS Phó Giáo sư, tiến sĩ QĐ-TTg Quyết định Thủ tướng QCVN Quy chuẩn Việt nam TN&MT Tài nguyên Môi trường QCVN Quy chuẩn Việt nam TNHH Trách nhiệm hữu hạn KCN Khu công nghiệp CCN Cụm công nghiệp KTXH Kinh tế xã hội -v- DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1 Số liệu trạm thủy văn dùng mơ hình 64 Bảng 4.2 Số liệu trạm thủy văn dùng mơ hình 68 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TT Trang Hình 1.1 Bản đồ lưu vực sơng Cầu Hình 1.2 Hình ảnh số nguồn thải gây nhiễm nước sơng Cầu 13 Hình 1.3 Diễn biến DO sơng Cầu 16 Hình 1.4 Diễn biến COD sơng Cầu 16 Hình 1.5 Diễn biến BOD5 sơng Cầu 17 Hình 1.6 Diễn biến Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) 18 Hình 1.7 Diễn biến NH4+ dọc sơng Cầu 18 Hình 1.8 Diễn biến dầu mỡ dọc sơng Cầu 19 Hình 1.9 Diễn biến DO dọc sơng Cơng 20 Hình 1.10 Diễn biến BOD5 dọc sơng Cơng 20 Hình 1.11 Diễn biến COD dọc sơng cơng 21 Hình 1.12 Diễn biến NH4+ sơng Cơng 21 Hình 1.13 Diễn biến Dầu mỡ sơng Cơng 22 Hình 1.14 DO dọc sơng Ngũ Huyện Khê 23 Hình 1.15 BOD5 dọc sơng Ngũ Huyện Khê 23 Hình 1.16 COD dọc sơng Ngũ Huyện Khê 24 Hình 1.17 NH4 dọc sơng Ngũ Huyện Khê 24 Hình 1.18 Diễn biến Dầu sơng NHK 25 Hình 1.19 Diễn biến DO đợt quan trắc 26 Hình 1.20 Diễn biến COD đợt quan trắc 26 Hình 1.21 Diễn biến BOD5 đợt quan trắc 27 Hình 1.22 Diễn biến NH4+ đợt quan trắc 28 - vi - Hình 2.1 Cấu trúc mơ hình phần mềm MIKE 11 29 Hình 2.2 Chu trình biến đổi oxy 41 Hình 2.3 Các trình vận chuyển Nitơ 45 Hình 2.4 Các trình biến đổi Photpho nước 47 Hình 3.1 Trình soạn thảo mạng sơng (Network Editor) 54 Hình 3.2 Trình soạn thảo số liệu thơ (Cross-section, raw data 56 editor) Hình 3.3 Cửa sổ trình soạn thảo mặt cắt xử lý (Cross-section 57 processed data editor) Hình 3.4 Diện tích mặt cắt độ cao tối đa xác định 58 Hình 3.5 Trình soạn thảo chuỗi thời gian (hộp thoại Time File 59 properties) Hình 3.6 Dữ liệu chuỗi thời gian (hộp thoại Time series data) 60 Hình 3.7 Trình soạn thảo biên (Boundary Editor) 60 Hình 3.8 Trình soạn thảo chất lượng nước 61 Hình 4.1 Sơ đồ mơ thủy lực sông thuộc hệ thống sông 63 lưu vực sơng Cầu Hình 4.2 Hình 4.2: Sơ đồ mạng tính tốn thủy lực hệ thống sơng 67 Cầu- Thương Hình 4.3 Hình 4.3: So sánh kết tính tốn hiệu chỉnh mơ 69 hình diễn tốn MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo Đáp Cầu từ 01/01/2003 đến tháng 31/12/2003 Hình 4.4 Hình 4.4: So sánh kết tính tốn hiệu chỉnh mơ 69 hình diễn toán MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo Phủ Lạng Thương từ 01/01/2003 đến tháng 31/12/2003 Hình 4.5 Hình 4.5: So sánh kết tính tốn hiệu chỉnh mơ 70 hình diễn tốn MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo Lục Nam từ 01/01/2003 đến tháng 31/12/2003 Hình 4.6 So sánh kết tính tốn kiểm nghiệm mơ hình diễn 71 Phụ lục 01 - Vị trí điểm quan trắc mơi trường nước sơng Cầu - 2008 STT Vị trí Cầu Phà Ký hiệu SCA-1-1 Thuộc sông Cầu Chợ Mới SCA-1-2 Cầu Văn Lăng SCA-1-3 Cầu Sơn Cẩm SCA-1-4 Cầu Cầu Gia Bảy SCA-1-5 Cầu Cầu Mây SCA-1-6 Cầu Cầu Vát SCA-1-7 Cầu Phúc Lộc Phương SCA-1-8 Cầu Vạn Phúc SCA-1-9 Cầu 10 Hòa Long SCA-1-10 Cầu 11 Yên Dũng SCA-1-11 Cầu 12 Phú Cường SCO-1-12 Công 13 Hồ Núi Cốc SCO-1-13 Công 14 Cầu Đa Phúc SCO-1-14 Công 15 Yên Ninh SCC-1-15 Chợ Đu 16 Kim Sơn SNT-1-16 Nghinh Tường Địa Phường Đức Xuân, thị xã Bắc Kạn Thị trấn Chợ Mới, Bắc Kạn Xã Văn Lăng, Võ Nhai Xã Sơn Cẩm, Phú Lương Trưng Vương, TP Thái Nguyên Úc Sơn, Phú Bình, Thái Ngun Hiệp Hịa, Bắc Giang Tam Giang, Yên Phong, Bắc Ninh Vạn An, Yên Phong, Bắc Ninh Hòa Long, Yên Phong, Bắc Ninh Yên Dũng, Bắc Giang Phú cường, Đại Từ, Thái Nguyên Tân Thái, Đại Từ, Thái Nguyên Xã Thuận Thành, Phổ Yên, Thái Nguyên Định Hóa, Thái Nguyên Thần Xa, Võ Nhai, Thái 17 Giang Tiên, Phú Lương SDU-1-17 Đu 18 Cầu Lộc Hà NHK-1-18 Ngũ Huyện Khê 19 Đầm Vạc (*) SCL-1-19 Cà Lồ 20 Cầu Gia Tân SCL-1-20 Cà Lồ 21 22 Thác Riềng Hịa Bình SCA-2-1 SCA-2-2 Cầu Cầu 23 Hồng Văn Thụ SCA-2-3 Cầu 24 Cầu Trà Vườn SCA-2-5 Cầu 25 Cầu Thị Cầu SCA-2-6 Cầu 26 Hương Lâm SCA-2-7 Cầu 27 Cầu Huy Ngạc SCO-2-8 Công 28 Nam Hồ Núi Cốc SCO-2-9 Công 29 Mỏ Chè SCO-2-11 Công 30 Cầu Bến Đẫm SCO-2-12 Công 31 Cầu Song Thát NHK-2-16 32 Văn Môn NHK-2-17 33 Cầu Đào Xá NHK-2-18 34 Cầu Tam Canh SCL-2-20 Ngũ Huyện Khê Ngũ Huyện Khê Ngũ Huyện Khê Cà Lồ 35 Cầu Loàng SLO-2-21 Suối Loàng 36 Tân Long SPH-2-23 Suối Phượng Hoàng Nguyên Giang Tiên, Phú Lương Mai Lâm, Đông Anh, Hà Nội Đống Đa, Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc Sóc Sơn, Hà Nội Thị xã Bắc Kạn Đồng Hỷ, Thái Nguyên Phường Quan Triều, TP Thái Nguyên Cam Giá, TP Thái Nguyên Phường Thị Cầu, Bắc Ninh Việt Yên, Bắc Giang Thị trấn Hùng Sơn, Đại Từ, Thái Nguyên Xã Phúc Trìu, TP Thái Nguyên Thị xã Sông Công, Thái Nguyên Phổ Yên, Thái Nguyên Yên Phong, Bắc Ninh Yên Phong, Bắc Ninh Phong Khê, Bắc Ninh Bình Xuyên, Vĩnh Phúc Phường Gia Sàng, Thái Nguyên Tân Long, TP Thái Nguyên Phụ lục 02 Một số nguồn thải lưu vực sơng Cầu thải STT KH NT_1 Tên nguồn ô nhiễm Lượng thải (m3/tháng) 2008 2010 2020 Xí nghiệp Thiếc Đại Từ 10.500 14.910 45.021 Nhà máy Cơ Khí mỏ Bắc Thái 990 1.129 3.408 Cơng ty cổ phần Ban Tích 1.200 1.368 4.131 Xưởng Chế biến Phù Trúc Trọng Tín 120 137 413 Công ty cổ phần xây dựng khai thác than Thái Nguyên 45.000 51.300 154.900 Xí nghiệp than Khánh Hịa Cơng ty Cổ phần giấy xuất Thái Nguyên KCN Sơn Cẩm Nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ 69.000 78.660 4.950 5.643 33.600 105.000 119.700 Thông số nguồn thải COD: 423 BOD: 119,66 Pb: 0,211 TDS: 4080 As: 0,02 TSS: 241 Hg: kph Cd: 0,206 Độ dẫn: 8140 COD: 74,76 BOD: 42,96 TSS: 173 Pb: 0,0002 Cd: 0,0005 BOD: 26,5 COD: 31,8 TSS: 150 COD: 41 BOD: 25 TSS: 393 pH: 8,31 NH4: 5,5 BOD: COD: 42 TSS: 62 237.514 Pb: 0,021 As: 0,003 Cd: 0,007 BOD: 300,67 17.039 COD: 357 SS: 72 101.455 361.434 Tổng Nơi nhận thải Coliform DO Temp Tổng N BOD Tổng P 0,2-7 23-35 1,03 119,66 0,39 5.000 0,2-7 23-36 43,64 42,96 16,36 10.000 Sông Đu 0,2-7 23-37 35,4 26,5 13,28 10.000 Sông Đu 0,2-7 23-38 24 25 5.000 Sông Đu 0,2-7 23-39 0,64 2,9 0,24 5.000 Suối Nam Tiến 0,2-7 23-40 10,43 3,91 15.000 Suối Phượng Hoàng 23-41 3,3/45 300,67 8,18 22,4 12,47 8,4 3,3-45 250-1.300 0,64 0,2-7 23-42 Sơng Đu Suối Phượng 15.000 Hồng (gần sơng Cầu) 2.800 12.000170.000 Nhà máy điện Cao Ngạn NT_2 Khu dân cư xóm Gị Chè CCN nhỏ Cao Ngạn Nhà máy lợp Amiang xi măng Thái Nguyên 36.000 41.040 123.920 0,2-7 23-43 3.600 4.104 12.392 0,2-7 23-44 42.000 126.819 4.200 4.788 14.457 Cơng ty khí 3-2 240 274 826 Nhà máy xi măng Núi Voi 1.500 1.710 5.163 120 137 413 54.000 61.560 185.880 Công ty cổ phần xi NT_3 măng Cao Ngạn Khu dân cư Chùa Hang Bệnh viện Gang Thép Nhà máy xi măng La Hiên 4.500 8.394 5.130 9.569 4,1-11,2 30-65 0,75 360 30 15.000 15.000 Sông Cầu 28 BOD: 64,19 COD: 138 SS: 318 BOD: 22,3 COD: 28,5 TSS: 179 Pb: 0,005 pH: 7,6 BOD: 22,9 COD: 57,12 TSS: 570 Hg: 0,00002 Pb: 0,101 As: 0,01316 Cd: 0,005 BOD: 5,43 COD: 11,24 TSS: 276 Pb: 0,002 As: 0,043 Cd: 0,001 0,2-7 23-45