Nghiên cứu tiếp cận đánh giá sức chịu tải ô nhiễm môi trường nước một lưu vực sông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lương Thị Phương Dung NGHIÊN CỨU TIẾP CẬN ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC MỘT LƯU VỰC SƠNG Chun ngành : Quản lý Mơi trường LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành : Quản lý Môi trường NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Trịnh Thành Hà Nội – 2012 Luận văn thạc sỹ khoa học Viện Khoa học Công nghệ Môi trường MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .4 DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .7 CHƯƠNG TỔNG QUAN .9 1.1 Tổng quan lưu vực sông Việt Nam 1.1.1 Định nghĩa lưu vực sông 1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm lưu vực sông 1.1.3 Hiện trạng lưu vực sông Cầu 12 1.1.2.1 Vị trí địa lý đặc trưng lưu vực 13 1.1.2.2 Mạng lưới sơng ngịi 13 1.1.2.3 Đặc điểm khí tượng - thủy văn 14 1.1.2.4 Đặc điểm Tài nguyên thiên nhiên Môi trường .15 1.1.2.5 Đặc điểm kinh tế - xã hội 16 1.1.2.6 Hiện trạng khai thác sử dụng nước 16 1.1.2.7 Chất lượng nước 18 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu sức chịu tải lưu vực sông 20 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ DỮ LIỆU ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG .24 2.1 Khái niệm sức chịu tải 24 2.1.1 Cơ sở sinh học 24 2.1.2 Sức chịu tải trái đất người 25 Lương Thị Phương Dung 10BQLMT Luận văn thạc sỹ khoa học Viện Khoa học Công nghệ Môi trường 2.2 Phương pháp đánh giá sức chịu tải ô nhiễm môi trường nước lưu vực sông 28 2.2.1 Công thức tổng quát 28 2.2.2 Các thông số mô 30 2.2.2.1 Nồng độ oxy hòa tan – DO 30 2.2.2.2 Nhu cầu oxy sinh hóa – BOD 32 2.2.2.3 Amoni Nitrat 33 2.2.3 Xác định nồng độ tiêu chuẩn (C tiêu chuẩn ) 35 2.2.3.1 Nồng độ tiêu chuẩn ngưỡng tự làm 35 2.2.3.2 Nồng độ tiêu chuẩn theo mục đích tưới tiêu thủy lợi 37 2.2.3.3 Nồng độ tiêu chuẩn theo mục đích trì thủy sản 38 2.2.4 Cơng cụ tính tốn sức tải – Mơ hình Qual2k 41 2.2.4.1 Nguyên tắc phân đoạn sông .41 2.2.4.2 Cân dòng chảy 42 2.2.4.3 Đặc trưng thủy lực .43 2.2.4.4 Thời gian chảy truyền 45 2.2.4.5 Sự phân tán theo chiều dọc 45 2.2.4.6 Cân nhiệt .46 2.2.4.7 Cân nồng độ 47 2.2.4.8 Các thành phần mơ hình 48 2.2.4.9 Các phản ứng 49 2.2.4.10 Mối quan hệ biến mơ hình với liệu 50 2.3 Cơ sở liệu 56 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 64 Lương Thị Phương Dung 10BQLMT Luận văn thạc sỹ khoa học Viện Khoa học Công nghệ Mơi trường 3.1 Mơ hình chất lượng nước 64 3.1.1 Q trình tính tốn 64 3.1.2 Kết tính toán 64 3.1.2.1 Hiệu chỉnh mơ hình .64 3.1.2.2 Kết mơ hình 67 3.1.2.3 Đánh giá chất lượng nước 71 3.2 Xác định sức tải giới hạn tự làm .71 3.3 Xác định sức chịu tải đích đảm bảo chất lượng nước cho tưới tiêu 73 3.4 Xác định sức chịu tải mức ngưỡng trì thủy sản .75 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77 4.1 Kết luận 77 4.2 Kiến nghị 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO .81 PHỤ LỤC .86 PHỤ LỤC .87 PHỤ LỤC .89 Lương Thị Phương Dung 10BQLMT Luận văn thạc sỹ khoa học Viện Khoa học Công nghệ Môi trường DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT LVS Lưu vực sông KCN Khu công nghiệp TP Thành phố QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCXD Tiêu chuẩn xây dựng TT Thơng tư NĐ Nghị định CP Chính phủ BTNMT Bộ tài ngun mơi trường Xo Lượng mưa trung bình nhiều năm µo Mơ đun dịng chảy năm Q sh Tổng lượng nước sinh hoạt DO Nồng độ oxy hòa tan COD Nhu cầu oxy hóa học CBODf Nhu cầu oxy hóa nhanh BOD Nhu cầu oxy sinh hóa NH + Ammonium NH Amoni NO - Nitrite NO - Nitrate N Nitơ SS Chất rắn lơ lửng k dc Hệ số oxy hóa BOD k na Hệ số nitrate hóa k dc Hệ số khử nitơ Lương Thị Phương Dung 10BQLMT Luận văn thạc sỹ khoa học Viện Khoa học Công nghệ Môi trường DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các mức ô nhiễm BOD chất lượng nước sông 32 Bảng 2.2 Tỷ lệ Amonia NH tổng Amonia Nitrogen pH nhiệt độ khác 34 Bảng 2.3 Giá trị giới hạn thơng số tính tốn theo QCVN 08:2008 38 Bảng 2.4 Mối liên hệ thông số chất lượng nước với sinh trưởng cá 39 Bảng 2.5: Hệ số nhám Manning với kênh sông thiên nhiên (Chow et al, 1988) 45 Bảng 2.6: Các biến mơ hình Q2K 48 Bảng 2.7 Vị trí điểm quan trắc chất lượng nước dọc sông Cầu .57 Bảng 2.8: Hiện trạng nguồn ô nhiễm đồ vào sông Cầu 58 Bảng 2.9 Một số làng nghề điển hình 58 Bảng 2.10 Dự báo dân số tỉnh LVS Cầu 59 Bảng 2.11 Ước tính tải lượng nước thải sinh hoạt cho tỉnh LVS Cầu năm 2020 60 Bảng 2.12: Hệ số Kq ứng với lưu lượng dòng chảy nguồn tiếp nhận nước thải 61 Bảng 2.13: Hệ số lưu lượng nguồn thải Kf .61 Bảng 3.1 Sai số giá trị BOD k dc khoảng từ 0,05 đến 0,25 67 Bảng 3.2 So sánh sai số giá trị k na .67 Bảng 3.3 Tổng lượng thải chất ô nhiễm mô ngưỡng giới hạn tự làm 73 Bảng 3.4.Tổng lượng thải chất nhiễm đích tưới tiêu thủy lợi 74 Bảng 3.5.Tổng lượng thải chất ô nhiễm mơ đích trì thủy sản 76 Lương Thị Phương Dung 10BQLMT Luận văn thạc sỹ khoa học Viện Khoa học Cơng nghệ Mơi trường DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Bản đồ lưu vực sơng Cầu 19 Hình 2.1 Các kịch sức tải 25 Hình 2.2 Đường cong sức chịu tải nhân loại 28 Hình 2.3 Nguồn cung cấp tiêu thụ oxy thủy vực .31 Hình 2.4 Chu trình Nitơ tự nhiên 33 Hình 2.5 Đường cong diễn biến oxy nước .36 Hình 2.6 Biểu đồ tỷ trọng dùng nước ngành lưu vực 2007 .37 Hình 2.7 Ảnh hưởng hàm lượng oxy hịa tan lên sức khỏe cá 40 Hình 2.8 Cách phân đoạn Qual2k cho sông nhánh 42 Hình 2.9 Cân dịng chảy 42 Hình 2.10 Mặt cắt hình thang cân 43 Hình 2.11 : Cân nhiệt phần tử 47 Hình 2.12 Cân khối lượng 47 Hình 2.13 : Các trình động học chuyển tải biến mơ hình .49 Hình 2.14 Tương tác thành phần chất lượng nước 51 Hình 2.15 Cơ cấu nguồn thải vào lưu vực sông Cầu 2010 62 Hình 3.1 Kết mơ DO với mơ hình tính tốn hệ số hấp thụ 65 Hình 3.2 Mơ hình Thackson – Dawson có tính đến tác động gió .66 Hình 3.3 Kết mơ thơng số DO, BOD 5, NH , NO 68 Hình 3.4 Đồ thị so sánh kết DO 69 Hình 3.5 Đồ thị so sánh kết BOD 69 Hình 3.6 Đồ thị so sánh kết NH .70 Hình 3.7 Đồ thị so sánh kết NO .70 Hình 3.8 Kết chạy mơ hình cho mức ngưỡng DO = 72 Hình 3.9 Kết chạy mơ hình đích tưới tiêu thủy lợi 74 Hình 3.10 Kết chạy mơ hình đích trì thủy sản 75 Lương Thị Phương Dung 10BQLMT Luận văn thạc sỹ khoa học Viện Khoa học Công nghệ Môi trường MỞ ĐẦU Nước không yêu cầu cho tồn người, nguồn tài nguyên chiến lược kinh tế xã hội, tạo trì văn minh vật chất lồi người, xây dựng hệ sinh thái tự nhiên rừng, đồng cỏ, đầm lầy, sông hồ hệ sinh thái nhân tạo khác thơng qua vịng tuần hoàn nước Trong thời gian dài, cân nhắc gần tập trung vào lợi ích kinh tế việc sử dụng nước Ở nhiều nơi nguồn tài ngun nước dịng sơng phát triển cách mức “không gian sinh thái” bị chiếm giữ mà khơng tính đến sức chịu tải dịng sơng Bởi thờ này, dẫn đến hậu tai hại mà có nhiều ví dụ cho chuỗi thiệt hại môi trường nước hệ sinh thái thủy sinh kết phát triển sử dụng vượt ngưỡng nguồn tài ngun nước Do vai trị nó, việc quản lý tổng hợp bền vững lưu vực sông vấn đề quan tâm hàng đầu tất quốc gia phát triển phát triển giới Đối với nước phát triển Việt Nam nay, nhu cầu lớn ngun liệu lượng cho cơng nghiệp hóa, thị hóa dẫn đến nguồn tài ngun thiên nhiên cạn kiệt dần Mặt khác, phát triển gây suy thối mơi trường tất lĩnh vực Câu hỏi đặt khai thác tự nhiên đến mức nào, tự nhiên cung cấp cho đến mức Do đó, vấn đề sức chịu tải đặt nghiên cứu giới từ năm 60 kỷ 20 lưu vực sông lớn bị ô nhiễm nghiêm trọng Hầu hết quốc gia, kể Việt Nam thấy cần thiết văn pháp lý quản lý tổng hợp bền vững lưu vực sông Việc đánh giá sức chịu tải nguồn nước công cụ hữu hiệu quản lý quy hoạch môi trường nước lưu vực Đối với khía cạnh liên quan đến người, sức chịu tải không phụ thuộc vào hạn chế tự nhiên, mà phụ thuộc chủ yếu vào lựa chọn người vấn đề kinh tế, xã hội ( bao gồm tài sách), mơi trường dân số Lương Thị Phương Dung 10BQLMT Luận văn thạc sỹ khoa học Viện Khoa học Cơng nghệ Mơi trường • Mục đích nghiên cứu luận văn - Xác định khái niệm sức chịu tải - Tiếp cận phương pháp xác định sức chịu tải - Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Qual2k làm công cụ tính tốn • Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tương nghiên cứu : LVS Cầu đoạn từ đập Thác Huống – thành phố Thái Nguyên đến đoạn nhập lưu với sơng Thái Bình Phả Lại - Phạm vi nghiên cứu : Sử dụng phần mềm Qual2k mô thông số DO, BOD , NH +, NO Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập tài liệu: thu thập tài liệu địa hình, địa chất, thủy văn, kinh tế xã hội trạng ô nhiễm khu vực nghiên cứu Thu thập tài liệu nghiên cứu nước khái niệm sức tải giới hạn thông số ô nhiễm nước mặt mục đích sử dụng - Phương pháp xử lý số liệu: số liệu thu thập tiền hành xử lý phần mềm Mapinfo phương pháp thống kê toán học liệu biên mơ hình • Nội dung luận văn: bố cục gồm chương Chương Tổng quan Chương Cơ sở lý thuyết liệu đánh giá sức chịu tải ô nhiễm môi trường nước lưu vực sông Chương Kết nghiên cứu Chương Kết luận kiến nghị Luận văn tiến hành đánh giá sức tải lưu vực sông Cầu theo ba mục tiêu chất lượng nước : tưới tiêu nơng nghiệp, trì thủy sản ngưỡng giới hạn khả tự làm Đây ba mức đích tương đối có ý nghĩa điều kiện phát triển kinh tế - xã hội địa phương thuộc lưu vực sông Cầu Lương Thị Phương Dung 10BQLMT Luận văn thạc sỹ khoa học Viện Khoa học Công nghệ Môi trường CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lưu vực sông Việt Nam 1.1.1 Định nghĩa lưu vực sông Nước bề mặt đất tuân theo quy luật chung chảy từ nơi cao xuống nơi thấp, lâu ngày đường chảy tạo thành sông suối Mỗi dịng sơng có phần diện tích hứng tập trung nước gọi lưu vực sông (LVS) - Lưu vực sông định nghĩa vùng cung cấp nước ( bao gồm nước mặt nước ngầm) nhánh suối đổ đại dương đổ vào hồ cuối biển nội địa [17] - Lưu vực sông mà vùng lãnh thổ mà từ dịng chảy bề mặt chảy qua hệ thống nối tiếp dịng suối, sơng, hồ đổ biển qua cửa sông [18] Phần thu nước mặt phần diện tích bề mặt trái đất mà từ tất lượng nước sinh gia nhập vào hệ thống sông sông riêng biệt Phần thu nước ngầm tạo nên phần đất đá mà từ nước ngầm chảy vào lưới sông Lưu vực sông giới hạn đường chia nước Lưu vực sông gọi lưu vực kín có đường chia nước mặt đường chia nước ngầm trùng nhau; khơng trùng gọi lưu vực hở Trong thực tế, khó xác định xác đường phân nước ngầm nên thường coi trùng với đường phân nước mặt Lưu vực sông hệ thống mở ln tương tác với tầng khí bên thơng qua hoạt động hồn lưu khí chu trình thủy văn 1.1.2 Hiện trạng nhiễm lưu vực sơng Việt Nam có hệ thống sơng ngịi dày đặc, có 13 hệ thống sơng lớn có diện tích 10.000 km2 Tài ngun nước mặt tương đối phong phú, chiếm khoảng 2% tổng lượng dòng chảy sông giới Đây nguồn tài nguyên quý giá, góp phần quan trọng vào phát triển kinh tế - xã hội đất nước Lương Thị Phương Dung 10BQLMT Luận văn thạc sỹ khoa học Viện Khoa học Công nghệ Môi trường 47.520 kg BOD /ngày, 9.504 kg NH +/ngày 12.355 kg NO -/ngày Các địa phương lưu vực xả thải thơng số giới hạn mà không ảnh hưởng tới chất lượng nguồn nước tưới tiêu Việc đánh giá sức chịu tải mục tiêu chất lượng nước quan trọng với cấu kinh tế nông nghiệp chiếm tỷ trọng cao, nhu cầu nước tưới cho khu vực lớn Các ưu tiên cho phát triển công nghiệp phải đảm bảo chất lượng nước cung cấp cho hệ thống kênh mương tưới tiêu địa phương lưu vực, đặc biệt ba tỉnh Thái Nguyên, Bắc Ninh, Bắc Giang 3.4 Xác định sức chịu tải mức ngưỡng trì thủy sản Các thông số mô đạt giá trị giới hạn : DO >=5mg/l; BOD phụ thuộc DO, khống chế khoảng - 20mg/l; NH +