Ứng dụng mô hình mike 11 mô phỏng quá trình lan truyền chất ô nhiễm do nuôi trồng thủy sản trên một số sông lớn tỉnh quảng trị

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 250-255 Ứng dụng mơ hình Mike 11 mơ q trình lan truyền chất ô nhiễm nuôi trồng thủy sản số sông lớn tỉnh Quảng Trị Nguyễn Vũ Anh Tuấn1,*, Nguyễn Quang Hưng2, Nguyễn Thanh Sơn2, Nguyễn Thị Liên2 Tổng cục Hậu cần - Kỹ thuật, Bộ Công an, 80 Trần Quốc Hoàn, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 08 tháng năm 2016 Chỉnh sửa ngày 26 tháng năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 12 năm 2016 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết mơ chất lượng nước sơng tỉnh Quảng Trị có xét đến tác động xả thải từ điểm nuôi trồng thủy sản sử dụng mơ hình Mike 11 Số liệu mưa mực nước năm 2005 2009 sử dụng để xây dựng mơ hình thủy văn thủy lực Các số liệu quan trắc chất lượng nước 30 điểm hệ thống sông năm 2013 2014, số liệu thực đo khảo sát đơn vị nuôi trồng thủy sản sử dụng để thiết lập mơ hình chất lượng nước, mơ q trình lan truyền chất ô nhiễm sông Các kết mô so sánh với số liệu thực đo để khẳng định độ tin cậy mơ hình phân tích, làm sáng tỏ trạng chất lượng nước làm sở để xây dựng công cụ quy hoạch ni trồng thủy sản khía cạnh bảo vệ mơi trường Từ khóa: Chất lượng nước, ni trồng thủy sản, Mike 11 WQ, Quảng Trị Khái quát khu vực nghiên cứu1 sinh kinh tế người dân phụ thuộc lớn vào chế độ thủy văn chất lượng nước hệ thống sông đặc biệt thành phần kinh tế nông nghiệp nuôi trồng thủy sản (NTTS) Cũng số tỉnh miền Trung khác, nuôi trồng thủy sản tỉnh Quảng Trị có xu hướng phát triển mạnh khoảng thời gian 10 năm trở lại Tổng diện tích ni trồng thủy sản Quảng Trị năm 2003 1730 ha, năm 2006 2380,4 đến năm 2013 3,1 nghìn [2, 4] Theo số liệu thống kê thu Sở Nông nghiệp phát triển nơng thơn tỉnh Quảng Trị, năm 2013 tính riêng diện tích ni trồng thủy sản nước 2185 nước mặn, nước lợ 1022 [4] Quảng Trị nằm phạm vi từ 16018 đến 17 10 vĩ độ Bắc; 106032 đến 107024 kinh độ Đơng Phía Bắc giáp với tỉnh Quảng Bình, phía Nam giáp với tỉnh Thừa Thiên Huế, phía Tây giáp tỉnh Savanakhet Salavan - nước CHDCND Lào, phía Đơng biển Đông với chiều dài bờ biển 75km [1] Quảng Trị tỉnh nghèo miền Trung, dân số chủ yếu sống tập trung dải ven biển dọc theo hệ thống sơng sơng Bến Hải Thạch Hãn, hoạt động dân _ * Tác giả liên hệ ĐT.: 84-983250586 Email: anhtuan86bca@gmail.com 250 N.V.A Tuấn nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 250-255 Vấn đề ô nhiễm nuôi trồng thủy sản Bên cạnh lợi ích kinh tế mà NTTS mang lại phát triển lĩnh vực có tác động tiêu cực đến môi trường ngồi ao ni Đối với ao hồ ni thủy sản nước ngọt, hình thức ni bán thâm canh nuôi thả, nước thải chủ yếu đợt thay nước nuôi thu hoạch, xả trực tiếp vào môi trường không qua xử lý Các hộ nói chung khơng sử dụng loại thuốc kháng sinh, nhiên ô nhiễm xuất thức ăn thừa gây nên [1] Đối với khu nuôi nước mặn, lợ nước thải xả thẳng môi trường với lưu lượng tần suất lớn Đối với tôm sú tôm chân trắng, thời gian thay nước lên tới 20% lượng nước ni trồng ngày, mang theo thức ăn thừa chất thuốc kháng sinh, ảnh hưởng lớn đến môi trường xung quanh [1] Thành phần lớp bùn đầm, ao NTTS chủ yếu chất hữu prôtêin, lipids, axit béo, photpholipids, Sterol, vitamin D3, hoocmon, carbohydrate, chất khống vitamin, vỏ tơm lột xác, Lớp bùn ln tình trạng ngập nước, yếm khí, vi sinh vật yếm khí phát triển mạnh, phân huỷ hợp chất tạo thành sản phẩm hydrosulphua (H2S), a-mơ-ni-ắc (NH3), khí metan (CH4), có hại cho thuỷ sinh vật Khí a-mơ-ni-ắc (NH3) sinh từ trình phân huỷ yếm khí thức ăn tồn dư gây độc trực tiếp cho tôm, làm ảnh hưởng đến độ pH nước kìm hãm thực vật phù du phát triển [5] Việc sử dụng chất hóa học việc bảo vệ sức khoẻ động vật thuỷ sản diễn phổ biến Ngành NTTS công nghiệp sử dụng lượng lớn loại thuốc kháng sinh loại thuốc khác lạm dụng dùng không cách tồn dư chất hóa học kéo theo hậu định đến hệ sinh thái thủy sinh nguồn nước tiếp nhận xung quanh [3, 5] Quá trình chuyển dịch sử dụng đất từ diện tích trồng lúa sang ni trồng thủy sản 251 diễn quy mơ lớn vùng mặn hóa ven biển làm gia tăng xâm nhập mặn vùng ven biển Nhiều ao hồ nuôi khu đất sinh hoạt, khu đất ven biển, ven sơng, lót đáy, nên nước ni khơng trực tiếp ngấm xuống đất Tuy nhiên, xả thải không xử lý gây ảnh hưởng đến nguồn nước ngầm Đồng thời, q trình ni trồng địi hỏi bổ sung lượng lớn nước sạch, chủ yếu từ giếng khoan dẫn đến khả làm sụt mực nước ngầm, sụt lở đất [1, 3] Theo Cơ quan bảo vệ môi trường (Environemtal Protection Agency - EPA) Hoa Kỳ - hoạt động nuôi trồng thủy sản phát sinh nhiều yếu tố gây nguy hại đến mơi trường thủy sinh xả thải vào môi trường nước tiếp nhận lượng đáng kể [6] Chất rắn lơ lửng tăng làm tăng độ đục, gây cản trở xâm nhập ánh mặt trời, qua làm giảm hoạt động quang hợp tiêu thụ ô-xy thực vật thủy sinh phù du, lượng ơ-xy hịa tan nước giảm khiến động vật (tôm, cá,…) chết theo Việc gia tăng chất lơ lửng khiến nhiệt độ nước bề mặt tăng cao hấp thụ nhiều ánh mặt trời, làm giảm lượng ơ-xy hịa tan nước Chất rắn lơ lửng làm xước xát mang da động vật thủy sinh nhạy cảm, tăng nguy nhiễm trùng bệnh tật Khi lắng xuống đáy, hạt rắn cịn làm hỏng trứng cá, gây cản trở cho sinh sản loài thủy sản Ni-tơ với Phốt-pho hai dưỡng chất khu NTTS xả thải môi trường Việc nguồn nước tiếp nhận dư thừa nhiều dưỡng chất dẫn đến tượng phú dưỡng, gây hậu thực vật phát triển mức, đục nước, DO thấp, cá chết, suy giảm hệ sinh vật, kích thích hoạt động vi sinh vật, có số chủng lồi có hại đến sức khỏe người Chất hữu thải từ khu NTTS chủ yếu phân thức ăn thừa Nồng độ chất hữu gia tăng làm tăng nhanh tượng phú dưỡng suy giảm ô-xy (vi sinh vật cần tiêu thụ ô-xy để phân hủy chất hữu cơ) Sự gia tăng diện tích NTTS nước mặn, lợ dẫn tới gia tăng tải lượng chất hữu 252 N.V.A Tuấn nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 250-255 cặn lơ lửng Tuy nhiên khả tự làm thời hai sông lớn nên chưa gây hậu nghiêm trọng Tuy nhiên, nồng độ chất ô nhiễm hữu cặn lơ lửng đặc biệt lớn vị trí xả thải ao nuôi thời gian ao nuôi xả thay nước Lăng nhập với hệ thống sơng Ơ Lâu trước đổ biển Sơ đồ thủy lực mơ phần hạ lưu tính tốn sơng minh họa Hình Ứng dụng mơ hình MIKE 11 mơ q trình lan truyền chất nhiễm tự làm Tồn mạng tính tốn chiều thiết lập với 140 mặt cắt, 398 nút tính tốn Để mô thủy lực cho hệ thống sông Bến Hải – Thạch Hãn, số liệu lưu lượng biên số liệu mực nước biên sử dụng bao gồm: Số liệu biên trên: Cầu Sa Lung, Gia Vịng, Cam Tuyền, Đăkrơng, Hải Sơn, Phị Trạch Căn điều kiện số liệu quan trắc, số biên có biên Gia Vòng lấy giá trị thực đo lưu lượng, biên cịn lại sử dụng tài liệu dịng chảy tính tốn từ mưa mơ hình thủy văn (NAM) với thông số hiệu chỉnh kiểm định Số liệu biên dưới: Mực nước triều Cửa Tùng, Cửa Việt, Cửa Lác Mực nước triều Cửa Việt, Cửa Lác khơng có trạm đo, hiệu chỉnh theo mực nước Cửa Việt Các số liệu chất lượng nước đưa vào tính tốn mơ nghiên cứu bao gồm DO, BOD, Tổng N Nguồn số liệu đo đạc chất Để đánh giá tình hình nhiễm chất lượng nước hệ thống sông tỉnh Quảng Trị, phương pháp sử dụng phương pháp mơ hình tính thủy động lực kết hợp với lan truyền chất trình biến đổi sinh học hợp chất sơng Nhóm nghiên cứu lựa chọn mơ hình MIKE 11 với mơ đun thủy động lực (HD), mô đun lan truyền chất (AD) mô đun chất lượng nước (WQ) 3.1 Lý thuyết mơ hình MIKE 11 [7, ] Mô đun thủy lực (HD): xây dựng sở hệ phương trình Saint Venant bao gồm hai phương trình, để xác định lưu lượng mực nước mặt cắt hệ thống sơng, sở để xây dựng hầu hết mô đun khác Mô đun lan truyền chất (AD): dùng để mô vận chuyển chiều chất huyền phù phân hủy lòng dẫn hở dựa phương trình khuếch tán Mơ đun chất lượng nước (WQ): giải khía cạnh chất lượng nước sông Mô đun kèm với mơ đun lan truyền chất, có nghĩa mơ đun chất lượng nước giải trình biến đổi sinh học hợp chất sơng cịn mơ đun lan truyền chất dùng để mô trình tải khuếch tán hợp chất 3.2 Thiết lập mạng thủy lực Khu vực nghiên cứu có hai hệ thống sơng Bến Hải Thạch Hãn Nối kết hai hệ thống sông sơng Cánh Hịm Ngồi ra, địa bàn tỉnh Quảng Trị cịn có sơng Vĩnh Định, nối từ cống Việt Yên thuộc xã Triệu An chảy qua huyện Triệu Phong, Hải 3.3 Số liệu lượng nước sông hệ thống sông Bến Hải Thạch Hãn 10/2014 Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Quảng Trị sử dụng để mô chất lượng nước Nguồn gây ô nhiễm xét đến nghiên cứu sở nuôi trồng thủy sản địa bàn tỉnh Dựa đợt khảo sát, vị trí xả thải, lưu lượng xả nồng độ vị trí xả thu thập Điểm xả thải số khu tập hợp thành kênh xả đổ vào hệ thống sơng Tải lượng chất nhiễm gia nhập từ kênh xả đưa vào mơ biên nội hệ thống 3.4 Hiệu chỉnh kiểm nghiệm mơ hình thủy lực - Số liệu mực nước thực đo dùng để hiệu chỉnh mơ hình: 17/9 - 5/12/2004 N.V.A Tuấn nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 250-255 253 - Số liệu mực nước thực đo dùng để kiểm định mơ hình: 1/9 - 30/11/2009 (Hình 2, 3) Kết so sánh hình -3 cho thấy giá trị tính tốn từ mơ hình phù hợp với giá trị thực đo giá trị pha dao động Đường q trình mực nước gần trùng khít Từ kết cho thấy ứng dụng mơ hình cho tính tốn 3.5 Thiết lập mơ hình chất lượng nước Điều kiện ban đầu: dựa vào số liệu quan trắc môi trường vị trí sơng tỉnh Quảng Trị năm 2014 để thiết lập điều kiện khởi tạo ban đầu hệ thống hệ số khuếch tán D (m2/s) Biên lưu lượng nhập bên: gồm 12 biên nhập bên, lưu lượng thải từ nguồn gây ô nhiễm Biên nồng độ: nồng độ chất biên trên, biên biên nhập bên Mơ hình chạy với thời gian từ 1/10 - 31/10 Hình 9, 10, 11 đồ mô nồng độ chất ô nhiễm cao hệ thống sông thuộc tỉnh Quảng Trị (Hình 4, 5, 6) Kiểm Định Hình Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình thủy lực trạm Đông Hà Hiệu chỉnh Kiểm định Hình Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình thủy lực trạm Thạch Hãn Hình Sơ đồ mạng lưới tính tốn thủy lực hệ thống sơng Bến Hải - Thạch Hãn Hiệu chỉnh Hình Bản đồ phân bố nồng độ BOD hệ thống sông tỉnh Quảng Trị 254 N.V.A Tuấn nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Mơi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 250-255 Hình Bản đồ phân bố nồng độ DO hệ thống sơng tỉnh Quảng Trị thời gian khoảng 1-2 tiếng lượng chất ô nhiễm trôi xa khoảng 11km sông Bến Hải, km hệ thống sông Thạch Hãn, 3,5 km sông Sa Lung Thời gian để q trình tự làm pha lỗng xáo trộn đưa chất lượng nước giá trị cân ban đầu khoảng đến vài ngày, tùy thuộc vào điểm xả thải (có giá trị nồng độ lưu lượng xả thải khác nhau) Nghiên cứu sử dụng số liệu đo đạc năm 2014, nhiên với thay đổi nhanh chóng diện tích nuôi trồng thủy sản, chất lượng nước sông thay đổi nhanh theo chiều hướng xấu Vì thế, sử dụng mơ hình kết hợp với số liệu đo đạc công cụ tốt để quy hoạch nuôi trồng thủy sản cho địa phương tỉnh, dựa vào kết tính tốn tải lượng nhiễm tối đa sơng Tài liệu tham khảo Hình Bản đồ phân bố nồng độ tổng N hệ thống sông tỉnh Quảng Trị Kết luận Các kết mô cho thấy mơ hình Mike 11 đáp ứng tốt việc tính tốn mơ thủy văn, thủy lực chất lượng nước sông thuộc địa bàn tỉnh Quảng Trị Việc ứng dụng chạy mô cho thời gian dài liên tục 30 ngày giúp mơ hình có tính ổn định cao, mơ đầy đủ trình lan truyền chất tự làm sông Từ đồ cho thấy, hầu hết nồng độ BOD, DO, N nằm giới hạn A1 Tuy nhiên, nồng độ BOD, DO vị trí ao ni khu vực xung quanh ao ni có xu hướng tăng dần vượt mức giới hạn B1 Giá trị nồng độ tổng N tăng dần vị trí ao ni, nằm giới hạn A1, A2 Kết mô hình cho thấy, điểm xả, mơi nước thải NTTS xả [1] Nguyễn Quang Hưng, Nguyễn Thanh Sơn, Nguyễn Vũ Anh Tuấn (2015), “Tổng quan phương pháp xử lý có khả áp dụng để xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản tỉnh Quảng Trị”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 31, Số 1S, tr 39 - 47 [2] Nguyễn Tiền Giang mk (2007), Đánh giá trạng ô nhiễm nguồn nước nuôi trồng thủy sản, vấn đề xâm nhập mặn tỉnh Quảng Trị đề xuất giải pháp góp phần phát triển kinh tế xã hội bảo vệ môi trường [3] Nguyễn Tiền Giang, Trần Ngọc Anh, Nguyễn Thanh Sơn mk (2007), Đánh giá trạng ô nhiễm nguồn nước nuôi trồng thủy sản, vấn đề xâm nhập mặn tỉnh Quảng Trị đề xuất giải pháp góp phần phát triển kinh tế xã hội bảo vệ môi trường, Trường Đại học Quốc gia Hà Nội [4] Sở nông nghiệp phát triển nông thôn tỉnh Quảng Trị (2013), Báo cáo tình hình ni trồng thủy sản 2013 Kế hoạch nuôi trồng thủy sản năm 2014, Quảng Trị [5] Trịnh Ngọc Tuấn (2005), Nghiên cứu trạng khai thác, nuôi trồng thủy sản Việt Nam đề xuất phương pháp xử lý nước thải [6] Environmental Protection Agency (2004), “Chapter 6: Water use, wastewater characterization, and pollutants of concern” N.V.A Tuấn nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 250-255 Technical development document for the final effluent limitations guidelines and new source performance standards for the concentrated aquatic animal production point source category (Revised August 2004) 255 [7] Denmark Hydraulic Institute (DHI), MIKE 11 User Guide, DHI, 2004 [8] Denmark Hydraulic Institute (DHI), Reference Manual, MIKE 11 - A modeling system for rivers and channels, DHI, 2004 Application of MIKE 11 Model to Simulate the Spread of Contaminants caused by Aquaculture Acitivities on Some Major Rivers in Quang Tri Province Nguyen Vu Anh Tuan1, Nguyen Thanh Son2, Nguyen Quang2, Nguyen Thi Lien2 Department of Logistic and Engineering, Ministry of Public Security, 80 Tran Quoc Hoan Street, Cau Giay, Hanoi, Vietnam VNU University of Science, 334 Nguyen, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam Abstract: By means of using MIKE 11 Model with the consideration to the impact of the discharge from aquaculture sites, this paper show the simulation results on water quality of some major rivers in Quang Tri Province The rainfall and water level data in the year of 2005 and 2009 were used to run hydrology and hydraulic models In addition, the monitoring data of water quality at more than 30 points as well as the measured data at the aquaculture ponds, which were taken in the year of 2013 and 2014, were used to establish water quality model and simulate the spread of contaminants on rivers The simulation results were compared with the measured data in order to confirm the reliability of the modelling process Some analysis were conducted in order for demostrating current state of water quality as well as making fundament to research and create an aquaculture plan in terms of environmental protection in Quang Tri Province Keywords: Water quality, Aquaculture, MIKE 11, Quang Tri  ... thôn tỉnh Quảng Trị (2013), Báo cáo tình hình ni trồng thủy sản 2013 Kế hoạch ni trồng thủy sản năm 2014, Quảng Trị [5] Trịnh Ngọc Tuấn (2005), Nghiên cứu trạng khai thác, nuôi trồng thủy sản. .. Hải Thạch Hãn 10/2014 Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Quảng Trị sử dụng để mô chất lượng nước Nguồn gây ô nhiễm xét đến nghiên cứu sở nuôi trồng thủy sản địa bàn tỉnh Dựa đợt khảo sát, vị trí xả thải,... 250-255 Hình Bản đồ phân bố nồng độ DO hệ thống sông tỉnh Quảng Trị thời gian khoảng 1-2 tiếng lượng chất nhiễm trôi xa khoảng 11km sông Bến Hải, km hệ thống sông Thạch Hãn, 3,5 km sông Sa Lung