Nghiên cứu ứng dụng mô hình mike 11 đánh giá chất lượng nước hệ thống thủy lợi bắc hưng hải phục vụ công tác quản lý bảo vệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI -*** - BÙI KIM NGỌC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MIKE 11 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỆ THỐNG THỦY LỢI BẮC HƯNG HẢI PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ BẢO VỆ Chuyên ngành: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Mã số: 844 0301 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM VĂN CHIẾN PGS TS BÙI QUỐC LẬP HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BÙI KIM NGỌC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MIKE 11 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỆ THỐNG THỦY LỢI BẮC HƯNG HẢI PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ BẢO VỆ Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số: 844 0301 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM VĂN CHIẾN PGS TS BÙI QUỐC LẬP HÀ NỘI, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Học viên xin cam đoan công trình nghiên cứu thân học viên Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn Bùi Kim Ngọc i LỜI CÁM ƠN Trước hết, học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Phạm Văn Chiến – Giảng viên khoa Thủy Văn Tài Nguyên Nước, Trường Đại học Thủy lợi PGS.TS Bùi Quốc Lập, Trưởng khoa Môi trường, Trường Đại học Thuỷ lợi tận tình hướng dẫn, định hướng tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn Cuối cùng, em xin chân thành cám ơn thầy, Khoa Mơi trường, phịng Đào tạo Đại học Sau đại học, Trường Đại học Thuỷ lợi động viên, khích lệ đóng góp ý kiến q báu cho em việc soạn thảo, hoàn thiện Luận văn Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng Học viên Bùi Kim Ngọc ii năm 2019 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ x MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết Đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hệ thống thuỷ lợi Bắc Hưng Hải 1.1.1 Vị trí địa lý 1.1.2 Đặc điểm địa hình 1.1.3 Đặc điểm khí hậu, khí tượng 1.1.4 Đặc điểm thuỷ văn 10 1.1.5 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng 14 1.1.6 Đặc điểm kinh tế xã hội, dân cư lao động 15 1.2 Tổng quan nghiên cứu chất lượng nước giới Việt Nam .16 1.3 Các nghiên cứu liên quan đến chất lượng nước hệ thống thuỷ lợi Bắc Hưng Hải .18 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MIKE 11 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỆ THỐNG THUỶ LỢI BẮC HƯNG HẢI .27 2.1 Phân tích lựa chọn mơ hình 27 2.1.1 Các mơ hình chất lượng nước giới 27 2.1.2 Các mơ hình chất lượng nước Việt Nam 28 2.2 Giới thiệu mơ hình MIKE 11 .29 2.2.1 Module thủy lực 30 2.2.2 Giới thiệu mô module tải khuếch tán (AD) 33 2.2.3 Giới thiệu module sinh thái (Ecolab) 34 2.3 Thiết lập mơ hình MIKE 11 cho hệ thống thuỷ lợi Bắc Hưng Hải 38 2.3.1 Mơ hình hố mạng lưới sơng, kênh hệ thống thuỷ lợi Bắc Hưng Hải 38 2.3.2 Mơ hình hố cơng trình cống hệ thống mơ hình 40 2.3.3 Các thiết lập cho tính tốn mơ thuỷ lực 42 2.3.4 Các thiết lập cho tính tốn mô chất lượng nước .45 iii CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÀ ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP QUẢN LÝ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG NƯỚC HỆ THỐNG THUỶ LỢI BẮC HƯNG HẢI 47 3.1 Xây dựng kịch tính tốn mơ chất lượng nước 47 3.2 Các tiêu đánh giá sai số 47 3.3 Kết hiệu chỉnh kiểm định module thuỷ lực 48 3.3.1 Kết phân tích độ nhạy hiệu chỉnh thơng số module thuỷ lực 49 3.3.2 Kết kiểm định module thuỷ lực 69 3.4 Kết hiệu chỉnh kiểm định module chất lượng nước 72 3.4.1 Kết hiệu chỉnh thông số module chất lượng nước 72 3.4.2 Kết kiểm định module chất lượng nước 84 3.5 Kết mô đánh giá chất lượng nước theo kịch 90 3.5.1 Kết mô BOD5 91 3.5.2 Kết mô DO 94 3.5.3 Kết mô nhiệt độ 96 3.5.4 Đánh giá diễn biến chất lượng nước hệ thống thuỷ lợi Bắc Hưng Hải 98 3.6 Đề xuất biện pháp quản lý, bảo vệ môi trường nước hệ thống thuỷ lợi Bắc Hưng Hải 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 PHỤ LỤC 106 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1: Bản đồ mạng lưới sơng kênh hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải Hình 1: Bản đồ hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải Hình 2: Bản đồ số trạm đo mưa hệ thống Bắc Hưng Hải .7 Hình 3: Mạng lưới sông/kênh hệ thống Bắc Hưng Hải .12 Hình 4: Hình ảnh doanh nghiệp xả trộm nước thải chưa qua xử lý kênh Kim Sơn, xã Bạch Sam, huyện Mỹ Hào, tỉnh Hưng Yên (Nguồn: Báo Môi trường sống) 20 Hình 5: Dịng nước đen đặc cơng trình cống Kênh Cầu (Nguồn: Báo An ninh nhân dân) .21 Hình 6: Nhánh kênh qua huyện Bình Giang, Hải Dương bị ô nhiễm trầm trọng (Nguồn:Vnexpress.net) 21 Hình 7: Bản đồ vị trí điểm xả thải sông Kim Sơn hệ thống 22 Hình 8: Biểu đồ giá trị cao tiêu chất lượng nước năm [14] 23 Hình 9: Ơ nhiễm nước cống Xn Thụy (hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải (tháng 4/2014) 25 Hình 10: Cá chết nước cấp hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải bị ô nhiễm (tháng 6/2014) 25 Hình 11: Biểu đồ giá trị cao Coliform năm [14] 25 Hình 1: Sơ hoạ điểm nút tính tốn module thuỷ lực mơ hình MIKE 11 .32 Hình 2: Sơ hoạ điểm kết nối vị trí phân/nhập lưu module thuỷ lực mơ hình MIKE 11 33 Hình 3: Sơ đồ sơng kênh hệ thống Bắc Hưng Hải mô tả lại MIKE 11 38 Hình 4: Sơ đồ vị trí mặt cắt sông hệ thống Bắc Hưng Hải MIKE11 .40 Hình 5: Sơ đồ vị trí cống hệ thống Bắc Hưng Hải 41 Hình 6: Hình ảnh cống hệ thống Bắc Hưng Hải 41 Hình 7: Mặt cắt thượng lưu hạ lưu cống Xuân Quan 42 Hình 8: Vị trí biên thượng hạ lưu mô thuỷ lực hệ thống thuỷ lợi Bắc Hưng Hải mơ hình MIKE 11, điểm chấm đen biên thượng lưu, hình chữ nhật vị trí biên hạ lưu điểm chấm đỏ vị trị cống .43 v Hình 9: Quá trình mực nước thực đo năm 2015 tại: a)Xuân Quan, b) Cầu Cất c) Cầu Xe, d)An Thổ 44 Hình 10: Quá trình mực nước thực đo năm 2016 tại: a)Xuân Quan, b) Cầu Cất c) Cầu Xe, d)An Thổ 44 Hình 11: Vị trí điểm nguồn (và điểm so sánh) chất lượng nước 45 Hình 1: Cửa số giao diện để thử sai giá trị hệ số nhám 50 Hình 2: Mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Xuân Quan 53 Hình 3: Chuỗi mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Xuân Quan 53 Hình 4: Mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Báo Đáp 55 Hình 5: Chuỗi Mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Báo Đáp 55 Hình 6: Mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Kênh Cầu 56 Hình 7: Chuỗi mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Kênh Cầu 56 Hình 8: Mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Cầu Cất 57 Hình 9: Chuỗi mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Cầu Cất 57 Hình 10: Mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Lực Điền 58 Hình 11: Chuỗi mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Lực Điền 58 Hình 12: Mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Cống Neo 59 Hình 13: Chuỗi mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Cống Neo 59 Hình 14: Mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Cống Tranh 60 Hình 15: Chuỗi mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Cống Tranh 60 Hình 16: Mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Bá Thuỷ 61 Hình 17: Chuỗi mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Bá Thuỷ 61 vi Hình 18: Mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Cầu Xe .62 Hình 19: Chuỗi mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác Cầu Xe .62 Hình 20: Mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác An Thổ .63 Hình 21: Chuỗi mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ nhám số khác An Thổ 63 Hình 22: Biểu đồ Taylor, tại: a) Xuân Quan, b) Báo Đáp, c) Kênh Cầu, d) Cầu Cất, e) Lực Điền, f) Cống Neo, g) Cống Tranh, h) Bá Thuỷ, i) Cầu Xe k) An Thổ 65 Hình 23: Chuỗi mực nước thực đo tính tốn ứng với hệ số nhám thích hợp (khi sử dụng hệ sơ nhám khác nhau), tại: a) Xuân Quan, b) Báo Đáp, c) Kênh Cầu, d) Cầu Cất, e) Lực Điền, f) Cống Neo, g) Cống Tranh, h) Bá Thuỷ, i) Cầu Xe k) An Thổ 67 Hình 24: Chuỗi mực nước thực đo tính tốn cho kiểm định module thuỷ lực, tại: a) Xuân Quan, b) Báo Đáp, c) Kênh Cầu, d) Cầu Cất, e) Lực Điền, f) Cống Neo, g) Cống Tranh, h) Bá Thuỷ, i) Cầu Xe k) An Thổ 71 Hình 25: Cửa số giao diện để thử sai giá trị thông số mô chất lượng nước .73 Hình 26: Cửa số giao diện để thử sai giá trị thông số mô BOD5, DO nhiệt độ .73 Hình 27: Đường q trình nhu cầu ơxy sinh hố tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc cống Xuân Thuỷ 76 Hình 28: Đường trình nhu cầu ơxy sinh hố tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc cống An Cư .76 Hình 29: Đường trình nhu cầu ơxy sinh hố tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc cống Chơ 77 Hình 30: Đường trình nhu cầu ơxy sinh hố tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc cầu Như Quỳnh 77 Hình 31: Đường q trình ơxy hồ tan tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc cầu Như Quỳnh .80 Hình 32: Đường q trình ơxy hồ tan tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc cống Chô 81 Hình 33: Đường q trình ơxy hồ tan tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc Cầu Xộp 81 Hình 34: Đường q trình nhiệt độ tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc cống Xuân Thuỷ 84 Hình 35: Đường q trình nhiệt độ tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc cống Xuân Thuỷ 84 vii Hình 36: Đường trình nhu cầu ơxy sinh hố tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc cầu Như Quỳnh 86 Hình 37: Đường trình nhu cầu ơxy sinh hố tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc cống Trà Phương 86 Hình 38: Đường trình ơxy hồ tan tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc cống An Cự 88 Hình 39: Đường q trình ơxy hồ tan tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc cầu Như Quỳnh 88 Hình 40: Đường trình nhiệt độ tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc cống Xuân Thuỷ 90 Hình 41: Đường q trình nhiệt độ tính tốn giá trị thực đo vị trí quan trắc cầu Như Quỳnh 90 Hình 42: Đường q trình mơ BOD5 cầu Trà Phương 91 Hình 43: Đường q trình mơ BOD5 cuối sơng Tu Hồ Sài Thị 92 Hình 44: Đường q trình mơ BOD5 Cầu Xộp 92 Hình 45: Đường trình mô BOD5 cống Bá Thuỷ 92 Hình 46: Đường q trình mơ BOD5 cống Bình Lâu 93 Hình 47: Đường q trình mơ BOD5 cống Xuân Thuỷ 93 Hình 48: Đường q trình mơ BOD5 cầu Như Quỳnh 94 Hình 49: Đường trình mơ DO cống Lực Điền 94 Hình 50: Đường trình mô DO cầu Xộp 95 Hình 51: Đường q trình mơ DO cống Bá Thuỷ 95 Hình 52: Đường q trình mơ DO cống Xuân Thuỷ 95 Hình 53: Đường q trình mơ DO cầu Như Quỳnh 96 Hình 55: Đường q trình mơ nhiệt độ cống Trà Phương 97 Hình 56: Đường q trình mơ nhiệt độ cầu Bình Lâu 97 Hình 57: Đường trình mơ nhiệt độ cống Xn Thuỷ 97 Hình 58: Đường trình mô nhiệt độ cầu Như Quỳnh 98 viii TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Thanh Xuân, “Đặc điểm thủy văn nguồn nước sông Việt Nam”, NXB Nông nghiệp, 2007 [2] Công ty TNHH MTV Khai thác Cơng trình Thủy lợi Bắc Hưng Hải, “Báo cáo Giới thiệu hệ thống Bắc Hưng Hải tồn khó khăn quản lý khai thác hệ thống”, 2015 [3] Trần Hồng Thái cộng sự, “Ứng dụng mơ hình Mike 11 tính tốn thủy lực, chất lượng nước cho sơng Sài Gịn tỉnh Đồng Nai”, Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Mơi trường, 2017, tr 342-350 [4] Charalampos Doulgeris, et al., “Ecosystem approach to water resources management using the MIKE 11 modeling system in the Strymonas River and Lake Kerkini”, Journal of Environmental Management, vol 94, pp 132-143, 2012 [5] Mir Mostafa Kamal, et al., “Assessment of pollution of the river Burlganga, Bangladesh, using a water quality model”, Wal Sci Tech Vol 40, No.2, pp 129-136, 1999 [6] Kanda E.K., et al., “Simulation of organic carbon loading using MIKE 11 model:a case of River Nzoia, Kenya”, Water Practice & Technology, Vol 10 No Pp 298-304, 2015 [7] Girbachu A., et al., “Water Quality Modelling Using Mike 11”, REV CHIM., vol 66, No.8, pp 1206-1211, 2015 [8] Guangtao Fu., et al, “The impact of new developments on river water quality from an integrated system modelling perspective”, Science of The Total Environment, vol 407, pp 1257 – 1267, 2009 [9] Peter Young & Bruce Beck, “The Modelling and Control of Water Quality in a River System”, Automatica, Vol 10, pp 455-468, 1974 [10] Q T DOAN., et al., “Numerical Modeling in Water Quality Management for Rivers – Case Study of the Day/ Nhue River Sub-basin, Vietnam”, International Journal of Earth Sciences and Engineering, vol 6, No 5(01), pp 1111-1119, 2013 [11] Vũ Thị Thanh Hương cộng sự, “Phân vùng ô nhiễm nước cơng trình thủy lợi Bắc Hưng Hải”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy Lợi, số 43,tr 59-68, 2018 [12] Vũ Thị Thanh Hương cộng sự, “Nghiên cứu dự báo chất lượng nước hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải theo kịch phát triển kinh tế xã hội đến năm 2020”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy, số 50, tr 118-128, 12/2018 [13] Vũ Thị Thanh Hương, Vũ Quốc Chính, “Đánh giá ảnh hưởng ô nhiễm nước hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải đến sản xuất đời sống dân cư”, Viện Nước, Tưới tiêu Môi trường, 2010 [14] Vũ Thị Thanh Hương cộng sự, “Đánh giá diễn biến chất lượng nước hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải giai đoạn 2005-2013“, Viện Nước, Tưới tiêu Môi trường, 2013 [15] DHI (2011), MIKE 11 – UserManual PHỤ LỤC Bảng PL1: Số liệu DO thực đo năm 2014, 2015, 2016và 2017 hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải (theo Cơng ty TNHH MTV Khai thác Cơng trình Thủy lợi Bắc Hưng Hải) Thời 16-17/ Gian 4/201 Trạm TB.An Vu 28,8 Cong Vang 24,6 Cau Dam 28,8 Cong Sao 38,4 C.An Tho 19,4 C.Cau Xe 24,0 Nga Ba Cu Loc 28,0 C Ha Ky 19,2 C An Cu 21,4 TB Doc Bung 28,8 Cong Le 32,6 15/3 15/4 14-15/ 08/201 15/7