Để kiểm tra kết quả của mô hình cần phải tiến hành đánh giá chuỗi số liệu mô phỏng và chuỗi số liệu thực đo. Trong phạm vi nghiên cứu này, phương pháp thống kê được sử dụng bao gồm:
- Hệ sốtương quan ( , ) cho biết độ mạnh của mối tương quan tuyến tính giữa hai biến số X và Y với kỳ vọng tương ứng là và , độ lệch chuẩn và . Hệ số tương quan càng gần tiến đến ± 1 thì mức đồng tương quan càng lớn.
, = ( , )
Trong đó:
X: giá trị thực đo; Y: giá trị mô phỏng; cov: hiệp phương sai.
- Hệ số Nash – Sutcliffe (EI): xác định tổng chênh lệch giữa giá trị thực đo và giá trị mô phỏng, hệ số EI có giá trị từ -∞ đến 1. Khi EI càng tiến đến 1 thì kết quả mô phỏng càng chính xác (Nash and Sutcliffe, 1970) và được tính như sau:
n i i n i i i n i i X X Y X X X EI 1 2 1 2 1 2 ) ( ) ( ) (
---
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 VÙNG NGHIÊN CỨU
Khu công nghiệp Trà Nóc đã hoạt động từ thập niên 90 bao gồm KCN Trà Nóc 1 (chính thức hoạt động năm 1995) và Trà Nóc 2 (chính thức hoạt động năm 1998) với tổng diện tích quy hoạch là 300 ha. Trong đó, KCN Trà Nóc 1 thuộc phường Trà Nóc, quận Bình Thủy và KCN Trà Nóc 2 thuộc phường Phước Thới, quận Ô Môn được phân chia bởi rạch Sang Trắng (Hình 3.1).
Hình 3.1 Sơ đồ vị trí Khu công nghiệp Trà Nóc, Thành Phố Cần Thơ
(Nguồn: Biên tập bản đồ Lê Văn Tiến, 2013)
Nằm cách trung tâm TPCT khoảng 10 km về phía Bắc, KCN Trà Nóc nằm dọc theo lưu vực sông Hậu. Vùng lân cận KCN Trà Nóc chủ yếu là các khu dân cư, vị trí tiếp giáp của KCN Trà Nóc được mô tả như sau:
Phía Bắc giáp với sông Hậu;
Phía Đông và phía Nam giáp với Quốc lộ 91A đi các tỉnh An Giang, Kiên Giang;
Khu vực nghiên cứu nằm trên vùng đồng bằng phù sa với điều kiện tự nhiên mang tính chất chung của TPCT, có bề mặt địa hình tương đối bằng phẳng. Cao trình từ 0,8 ÷ 1,0 m, thấp dần từĐông Bắc sang Tây Nam, thường hay ngập về mùa lũ.
Khí hậu vùng nghiên cứu nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa tương đối ôn hòa với 2 mùa rõ rệt. Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau. Nhiệt độ trung bình năm là 27oC, lượng mưa trung bình khoảng 1800 mm/năm, tổng số giờ nắng trong năm khoảng 2500 giờ, độ ẩm trung bình năm dao động theo mùa từ 82% – 87%.
Vùng nghiên cứu có đoạn sông Hậu chảy qua (3,5 km) với lượng nước ngọt, thuận lợi cho việc cấp nước. Lưu lượng cực đại là 40.000 m3/s, thấp nhất là vào tháng 3và tháng 4, lưu lượng nước trên sông tại khu vực chỉ còn 2.000 m3/s, giảm 20 lần so với lưu lượng cực đại. Ngoài ra, trong vùng nghiên cứu có nhiều kênh rạch lớn nhỏ khác nối tiếp với sông Hậu, đáng chú ý là rạch Sang Trắng, rạch Cái Chôm và rạch Chùm Hồi là nơi tiếp nhận nước thải của KCN Trà Nóc.
Hệ thống sông ngòi chịu ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều không đều. Do ảnh hưởng bởi nước ngọt thượng lưu nên chân triều tại khu vực cao, mùa kiệt biên độ từ 2,22 – 2,6 m mùa lũ biên độ chỉ còn 1,1 – 1,8 m (Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, 2012).
3.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.2.1 Tiến trình thực hiện
---
Hình 3.2 Sơ đồ các bước nghiên cứu
Nghiên cứu thực hiện dựa trên các phương pháp: (i) lược khảo tài liệu; (ii) khảo sát thực địa; (iii) thu thập số liệu thứ cấp; (iv) mô hình hóa; (v) hiệu chỉnh và kiểm định mô hình; (vi) xây dựng các kịch bản dự báo chất lượng nước.
Vấn đề nghiên cứu
Lược khảo tài liệu Mục tiêu nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu Vùng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu
Số liệu đầu vào của mô hình
Điều chỉnh điều kiện ban đầu, bước thời gian, hệ
số nhám và hệ số khuyếch tán Hiệu chỉnh mô hình Thu thập số liệu Khảo sát thực địa Xây dựng mô hình Kiểm định mô hình Ứng dụng mô hình Xử lí số liệu và nhập vào Mike 11
Chạy mô hình theo các kịch bản khác nhau và dự đoán diễn biến chất lượng nước
Viết báo cáo và chỉnh sửa
3.2.2 Phươngpháp lược khảo tài liệu
Lược khảo tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về (i) nghiên cứu ứng dụng Mike 11 trong quản lý chất lượng nước (mô phỏng mô hình thủy lực và mô hình chất lượng nước); (ii) hệ số nhám và hệ số khuếch tán của các mô hình đã ứng dụng ở vùng ĐBSCL.
3.2.3 Phương pháp khảo sát thực địa
a Khảo sát sơ bộ
Chuyến khảo sát được tiến hành ngày 17/12/2013. Các thiết bị hỗ trợ bao gồm: 01 máy định vị GPS, 02 máy chụp hình, sổ ghi chép, bút, 01 tàu. Khảo sát dọc theo bờ sông Hậu và các con rạch trong vùng nghiên cứu (rạch Cái Chôm, rạch Sang Trắng 1 và 2, rạch Bình Thủy) đểxác định:
Vị trí các cống xả thải và các điểm đo đạc (xác định tọa độ vị trí xả thải, ghi lại hình ảnh);
Hình thức xả thải của KCN và khu dân cư (tập trung hay phân tán); Hiện trạng môi trường nước mặt vùng nghiên cứu (Hình 3.3).
Hình 3.3 Khảo sát hiện trạng môi trường trên sông, rạch tại vùng nghiên cứu
b Khảo sát thực địa kết hợp với thu thập số liệu sơ cấp
Khảo sát được tiến hành vào ngày 25 - 27/3/2014.
Phương tiện khảo sát và thu mẫu: (i) xe máy di chuyển đến các vị trí thu mẫu cặp bờ sông; (ii) tàu thu mẫu ở giữa sông Hậu; (iii) máy định vị GPS; (iv) máy đo DO, nhiệt độ; (v) máy đo lưu tốc; (vi) can thu mẫu 1 lít; (vii) thùng đá ướp mẫu; (vii) sổ tay, bút.
Thời gian thu mẫu: bắt đầu lúc 12h ngày 25/3/2014 và kết thúc 8h ngày 27/3/2014. Các thời điểm thu mẫu trong ngày: 8 giờ (bắt đầu ca sản xuất), 12 giờ (cuối
--- ca sản xuất sáng), 16 giờ (cuối ca sản xuất chiều), 20 giờ (không sản xuất), 24 giờ (không sản xuất), 4 giờ (không sản xuất).
Vị trí thu mẫu: gồm 08 vị trí (Hình 3.4);
Hình 3.4 Sơ đồ vị trí thu mẫu
Trong đó, có 02 vị trí thu mẫu ở giữa sông Hậu, 04 vị trí thu mẫu là cống xả, 02 vị trí thu mẫu trên rạch Sang Trắng và Cái Chôm (Bảng 3.1).
Bảng 3.1 Vịtrí các điểm thu mẫu
Ký hiệu Sông/nhánh sông Mô tả vị trí
S1 Hậu Cách KCN Trà Nóc 2.500 m hướng về
phía thượng lưu
S2 Cái Chôm Rạch Cái Chôm cách sông Hậu 100m S3 Hậu Công ty Cổ phần Thủy sản Bình An S4 Hậu Công ty Xuất nhấp khẩu Caseamex S5 Sang Trắng Rạch Sang Trắng cách sông Hậu 100 m S6 Hậu Công ty TNHH Thủy sản Trường
Nguyên
S7 Hậu Xí nghiệp Chế Biến Thực phẩm Meko S8 Hậu Cách KCN Trà Nóc 1.100 m về phía hạ
Các chỉ tiêu thu thập gồm có: nhiệt độ, DO, BOD. Tổng số mẫu thu là 96 mẫu nhiệt độ, 96 mẫu DO, 96 mẫu BOD; trong đó, các mẫu DO và nhiệt độđược đo đạc tại hiện trường (Phụ lục 4).
Trong quá trình thu mẫu, kết hợp đo lưu tốc dòng chảy, kích thước các cống xả thải (chiều ngang, dọc) đểtính lưu lượng xả thải.
Hình 3.5 Đo DO và nhiệt độ tại hiện trường
Để có những đánh giá tổng hợp về hiện trạng môi trường của khu vực nghiên cứu có tính cập nhật cao hơn, cần tiến hành khảo sát thực địa khu vực nghiên cứu: sử dụng tàu có thể chạy ở dọc theo sông Hậu và các kênh rạch nhỏ (phụ lưu) (đoạn qua KCN Trà Nóc) để xác định các nguồn thải chính (từ KCN và khu dân cư) nhằm xác định các nguồn xả thải tập trung và phân tán làm đầu vào cho mô hình chất lượng nước và hỗ trợ các kết quả từ mô hình mô phỏng;
3.2.4 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp
Kế thừa số liệu từ Viện Khoa học thủy lợi miền Nam về mạng lưới sông ngòi, mặt cắt sông.
Thu thập số liệu quan trắc chất lượng nước năm 2008 và 2010 về các chỉ tiêu BOD, DO và nhiệt độ từ Trung tâm Quan trắc tài nguyên và môi trường Cần Thơ; số liệu thủy văn về mực nước, lưu lượng được thu thập từTrung tâm khí tượng thủy văn ĐBSCL. Các số liệu về mực nước, lưu lượng (theo giờ, từ ngày 01/01/2008 - 31/5/2008) cho hiệu chỉnh mô hình, (theo giờ, từ 01/01/2010 – 31/05/2010) cho kiểm định mô hình tại trạm Cần Thơ và điều kiện biên tại các trạm Châu Đốc, Vàm Nao, Rạch Giá, Đại Ngãi.
---
3.2.5 Phương pháp mô hình hóa
Đối với phần ứng dụng mô hình MIKE 11, phương pháp thực hiện gồm 2 phần: xây dựng mô hình thủy lực và mô phỏng chất lượng nước được mô tả cụ thểnhư Hình 3.6.
Hình 3.6 Tiến trình thực hiện mô phỏng thủy lực và chất lượng nước trong Mike 11
Xây dựng mô hình thủy lực:
Nhập dữ liệu mặt cắt trên sông Hậu đoạn từ Châu Đốc tới cửa Định An, Trần Đề;
Nhập điều kiện biên và điều kiện ban đầu của mô hình. Điều kiện biên phải thỏa điều kiện sau: những thay đổi bên trong vùng nghiên cứu không ảnh hưởng đến điều kiện biên, ngược lại sự thay đổi của điều kiện biên sẽ ảnh hưởng tới diễn biến bên trong vùng nghiên cứu;
Hiệu chỉnh mô hình: dựa trên số liệu đầu vào đo đạc được để xác định và hiệu chỉnh hệ số nhám nhằm thu được kết quả tốt nhất;
Dự báo diễn biến chất
lượng nước
đạt Nhập dữ liệu hình học, điều kiện biên, điều kiện ban đầu, tải lượng và lưu lượng xả thải
Hiệu chỉnh mô hình Mô phỏng thủy lực Kiểm định mô hình Mô phỏng chất lượng nước Hiệu chỉnh mô hình Kiểm định mô hình chất lượng nước đạt Mô phỏng chất lượng nước theo các kịch bản Bộ thông số thủy lực phù hợp không đạt không đạt
Kiểm định mô hình: kiểm tra lại mô hình với bộ thông sốđầu vào khác để kiểm chứng tham số của mô hình được xác định ở trên có đúng với các kết quả không.
Mô phỏng chất lượng nước:
Nhập điều kiện biên và điều kiện ban đầu đối với từng chỉ tiêu mô phỏng; Nhập tải lượng và lưu lượng của các nguồn xả thải tập trung và phân tán; Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.
Mô hình thủy lực sử dụng mô-đun thủy động lực (HD) một chiều (1D) để mô phỏng thủy lực lưu vực sông Hậu đoạn qua KCN Trà Nóc. Mô-đun thủy động lực giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng đểđảm bảo tính liên tục và động lượng (momentum), nghĩa là hệ2 phương trình Saint Venant.
Phương trình liên tục: + = 0 Phương trình động lượng: ∂ α ∂x + gA ∂h ∂x+ gQ|Q| C AR = 0
Mô hình được hiệu chỉnh dựa vào thông số thủy lực thực đo từ 0 giờ ngày 1/1/2008 đến 23 giờ ngày 31/5/2008 bằng cách thay đổi hệ số nhám thủy lực Manning’s n dựa vào độ sâu cột nước trong mô hình. Hệ số nhám thủy lực là một giá trị quan trọng trong việc tính toán trong kênh hở, có thể thay đổi theo lưu lượng, độ sâu, đặc điểm tự nhiên và cấu trúc của kênh; hệ số nhám thủy lực của sông/kênh trên nền phù sa của đồng bằng nằm trong khoảng n = 0.01 – 0.05 (Chow, 1959). Sai số giữa số liệu tính toán và thực đo được đánh giá theo chỉ số Nash-Sutcliffe.
Mô hình chất lượng nước sử dụng mô-đun truyền tải khuếch tán (AD) và mô- đun sinh hóa (ECOlab). Mô-đun sinh hóa giải quyết các vấn đề biến đổi sinh học của các hợp chất trong sông, còn mô-đun tải khuyếch tán được dùng để mô phỏng quá trình truyền tải khuyếch tán của các hợp chất đó. Phương trình cơ bản trong hai mô- đun này là phương trình truyền tải khuếch tán:
+ − AD =−AKC + C q
Hiệu chỉnh nồng độ sinh hóa từ 0 giờ ngày 01/01/2008 đến 23 giờ ngày 31/5/2008 và kiểm định năm 2014.
3.2.6 Phương pháp hiệu chỉnh và kiểm định
Mô hình được hiệu chỉnh qua 2 bước với bộ số liệu bao gồm: bộ số liệu thủy lực và chất lượng nước từ ngày 01/01/2008 đến 31/05/2008 tại trạm quan trắc TPCT bằng cách thay đổi các thông số trong mô hình (hệ số nhám Manning’s n trong mô-đun
--- thủy lực và hệ số khuếch tán trong mô-đun truyền tải khuếch tán) cho đến khi kết quả mô hình phù hợp với kết quả thực đo. Các thông số trong mô hình được hiệu chỉnh dựa vào bộ thông sốđã được dùng để hiệu chỉnh cho ĐBSCL: hệ số nhám Manning’s n trong khoảng 0,018 – 0,03; hệ số khuếch tán trong khoảng 300 – 700 cho sông chính và từ 50 – 125 cho các sông khác (Trần Quốc Đạt, 2008). Sau đó mô hình được kiểm định bằng bộcơ sở dữ liệu năm 2010.
3.2.7 Xây dựng các kịch bản dự báo chất lượng nước
Việc xây dựng kịch bản (KB) cho mô hình dựa trên sự thay đổi tải lượng thải của vùng nghiên cứu. Sựthay đổi tải lượng thải của các doanh nghiệp dựa vào các dự án gia tăng quy mô, công suất của nhà máy sản xuất và dự án nhà máy xửlí nước thải tập trung của KCN Trà Nóc trong tương lai. Bên cạnh đó, việc xây dựng các kịch bản còn dựa vào các quyết định ban hành về quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội vùng