- ưu vc sông Phan
1.1.2.3. Các nguồn thải nước thải vào lưu vực sông Phan (trong phạm vi nghiên
cứu của Báo cáo)
Nước thải sinh hoạt
Nhìn chung, hầu như nước thải sinh hoạt và sản xuất của các hộ dân, các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ, các làng nghề nằm xen kẽ trong khu dân cư đều xả thải trực tiếp vào môi trường. Nước thải chảy qua các mương, rãnh xuống các thủy vực xung quanh và cuối cùng có thể dẫn tới sông Phan.
Lưu lượng nước thải sinh hoạt thải vào sông Phan phụ thuộc vào các yếu tố như số dân, mật độ dân số và sự phân bố của các khu dân cư. Với dân số lưu vực nghiên cứu ước tính khoảng 98.915 người (theo số liệu của các Niên giám thống kê) và với nhu cầu sử dụng nước sinh hoạt trung bình khoảng 80 lít/người/ngày, có thể ước tính được tổng lượng nước thải sinh hoạt đổ vào sông Phan khu vực nghiên cứu là khoảng 6.330 m3/ngày. Với đặc điểm các khu dân cư tập trung phân bố không đều trên lưu vực - thưa thớt ở vùng thượng nguồn và đông đúc hơn ở khu vực trung và hạ lưu, do đó lưu lượng nước thải sinh hoạt ở trung và hạ lưu sông lớn hơn so với phần thượng lưu sông. Đặc biệt, tại khu vực tập trung đông đúc dân cư là TP. Vĩnh Yên, lưu lượng thải sẽ tăng đột biến làm thay đổi của một số tính chất nước như: hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học tăng, nồng độ oxy hòa giảm, hiện tượng phú dưỡng, các thông số Coliform, E.coli tăng.
Nước thải công nghiệp
Nước thải từ các cơ sở công nghiệp trên địa bàn đều xả thải trực tiếp vào các hệ thống kênh rạch, rồi đổ vào sông Phan không qua xử lý hoặc có xử lý sơ bộ chưa đạt TCCP của các Quy chuẩn nước thải hiện hành. Nước thải từ các cơ sở công nghiệp lại là tác nhân lớn gây ô nhiễm môi trường nước sông Phan.
Lưu lượng nước thải trung bình hàng năm tại các khu công nghiệp là rất lớn. Hầu hết các khu công nghiệp nằm chủ yếu ở dọc tuyến quốc lộ 2A và tập trung ở một số huyện, thành phố, thị xã như: Thành phố Vĩnh Yên (KCN Khai Quang),
15
huyện Bình Xuyên (KCN Bình Xuyên và CCN Hương Canh), nên nguồn thải công nghiệp mang tính cục bộ cao. Lưu lượng thải ước tính cho toàn bộ các khu công nghiệp này đổ vào sông Phan khu vực dự án khoảng 8.000 m3/ngày. Với đặc trưng tập trung chủ yếu ở hạ lưu sông Phan, nước thải các khu công nghiệp có nguy cơ gây ô nhiễm cục bộ cho đoạn sông này.
1.1.3.
Theo các báo cáo kết quả phân tích “Quan trắc hiện trạng môi trường” trong các năm 2010, 2011, 2012, 2013, 2014 [10], [11], [12], [13], [14] cho thấy: chất lượng nước sông Phan vẫn còn tương đối tốt, các thông số hầu hết nằm trong giới hạn cho phép so với quy chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT- cột B1. Tuy nhiên cũng có một vài thông số như DO, BOD, coliform, Ecoli, NH4+… ở một vài điểm lấy mẫu cao hơn quy chuẩn Việt Nam và sự ô nhiễm này chỉ là cục bộ ở một số nơi, đặc biệt là các khu vực đông dân cư như phường Đồng Tâm, làng nghề Tề Lỗ, Thị trấn Yên Lạc, Đầm Vạ
Bình Xuyên...
Hình 1.3.Phạm vi nghiên cứu, đánh giá dự báo chất lượng nước sông Phan, Vĩnh Phúc (đoạn từ Xã Vũ Di, huyện Vĩnh Tường đến xã Quất Lưu, huyện Bình Xuyên)
Dựa trên các kết quả phân tích chất lượng nước mặt ở các tài liệu trên, đánh giá các thông số lý-hóa-sinh cho thấy sông Phan, đoạn từ xã Vũ Di, huyện Vĩnh Tường đến phường Đồng Tâm, thành phố Vĩnh Yên có một số thông số lý - hoá -
16
sinh vượt quá quy chuẩn cho phép và nguồn nước đã bị ô nhiễm do dòng sông tiếp nhận nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi từ khu dân cư đông đúc. Bên cạnh việc dòng sông Phan đi qua khu vực này đang ngày càng bị bức tử bởi ô nhiễm thì sự ảnh hưởng cũng như sự tác động của chất lượng nước sông Phan tới đời sống và sự phát triển kinh tế của toàn vùng là vô cùng to lớn. Do đó, Đề tài đã xác định lựa chọn khu vực sông Phan đoạn từ Xã Vũ Di, huyện Vĩnh Tường đến xã Quất Lưu, huyện Bình Xuyên làm khu vực trọng tâm nghiên cứu, đánh giá dự báo chất lượng nước. Đoạn sông nghiên cứu có tổng chiều dài là 25.000 m.
, dự báo chất lượng môi trường nước
quản lý chất lượng nước nay.
1.2.
Với các mục đích nghiên cứu, mô phỏng trên các đối tượng khác nhau nên các rất phong phú và đa dạng. Theo hướng dẫn của ngân hàng thế giới (WB) trong lĩnh vực ngăn ngừa và giảm thiểu ô nhiễm đối với các dự án phát triển và các ứng dụng trong thực tiễn trên thế giới cũng như nước ta trong những năm gần đây, các phần mềm sau thường sử dụng để tính toán mô phỏng chất lượng nước:
1.2.1. QUAL2K
QUAL2E do Brown và Barnwell xây dựng năm
1987, QUAL2K là bản cải tiến ra đời 3/2006. Những công trình đầu tiên về QUAL2 được trình bày trong tài liệu Quai I & II, Stream Water Quality, Texas Water Development Board, Environmental Protection Agency; (1971, 1973) và sau này được trình bày trong công trình Qual2E, Enhanced Stream Water Quality Model; EPA, Center for Exposure Assessment Modeling (1985). QUAL2E-UNCAS là một phiên bản nâng cao của QUAL2E nó cung cấp những khả năng để phân tích tính không chắc chắn. Sự ra đời của QUAL2E đã thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng các công cụ mô hinh
17
trong bài toán mô phỏng chất lượng nước cho hệ thống kênh sông. QUAL2K là phiên bản mới nhất ra đời vào tháng 3/2006.
Mô hình QUAL2K là mô hình chất lượng nước sông tổng hợp và toàn diện được phát triển do sự hợp tác giữa trường Đại Học Tufts University và Trung tâm mô hình chất lượng nước của Cục Môi Trường Mỹ. Mô hình này được sử dụng rộng rãi để dự đoán hàm lượng tải trọng của các chất thải cho phép thải vào sông. Mô hình cho phép mô phỏng các thành phần thông số chất lượng nước sông bao gồm nhiệt độ, BOD5, DO, tảo dưới dạng chlorophyl, nitơ hữu cơ (Norg), nitrit ( N-NO2), nitrat (N-NO3- ), phot pho hữu cơ (Porg), phot pho hoà tan, coliform và 3 thông số khác ít biến đổi trong nước.
Mô hình có thể áp dụng cho các sông nhánh xáo trộn hoàn toàn. Với giả thiết rằng cơ chế vận chuyển chính của dòng là lan truyền và phân tán dọc theo hướng chính của dòng (trục chiều dài của dòng và kênh). Mô hình cho phép tính toán với nhiều nguồn thải, các điểm lấy nước cấp, các nhánh phụ và các dòng thêm vào và lấy ra. Mô hình QUAL2K cũng có thể tính toán lưu lượng cần thiết thêm vào để đạt được giá trị ôxy hoà tan theo tiêu chuẩn.
Về mặt thuỷ lực mô hình QUAL2K có thể tính toán được ở 2 chế độ là trạng thái ổn định và trạng thái động. Ở trạng thái ổn định, mô hình có thể được sử dụng để tính toán nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng chất thải (cường độ, chất lượng và vị trí) đối với chất lượng nước sông và cũng có thể sử dụng liên kết với chương trình lấy mẫu thực địa để nhận diện các đặc tính cường độ và chất lượng của tải trọng từ các nguồn diện (non-point sources). Ở trạng thái động, mô hình QUAL2K có thể được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng do sự thay đổi khí hậu hằng ngày đối với chất lượng nước (ôxy hoà tan nhiệt độ) và cũng có thể nghiên cứu sự thay đổi oxy hoà tan hằng ngày do sự hô hấp và tăng trưởng của tảo.
1.2.1.1. QUAL2K
18 -
-
(nhu cầu số liệu đầu vào ít).
1.2.1.2. QUAL2K
- Phần mềm QUAL2K đóng gói nên việc chỉnh sửa, thay đổi không thể thực hiện.
- Hạn chế không xem xét sự lan truyền của các thông số kim loại nặng và các chất phân tán như dầu, mỡ...
1.2.2. m WASP7
Từ năm 1983 Cục bảo vệ môi trường Mỹ đã phát triển phần mềm có tên là WASP (Water Quality Analysis Simulation; EPA) với các phiên bản tiếp theo là: WASP4 (1988), WASP5 (1993), WASP6 (2001), WASP7 (2006).
WASP7 là phiên bản nâng cấp mới nhất trong họ WASP chạy trong môi trường Windows của Bộ Chương trình mô phỏng phân tích chất lượng nước. Phiên bản WASP7 được phát triển nhằm giúp đỡ các nhà lập mô hình thực hiện Chương trình mô phỏng phân tích chất lượng nước. WASP có 3 đặc trưng như sau: phần tiền xử lý, phần xử lý dữ liệu nhanh, và phần hậu xử lý biểu diễn đồ họa giúp nhà lập mô hình sử dụng WASP nhanh hơn một cách dễ dàng, ngoài ra còn có thể đánh giá các kết quả từ mô hình dưới dạng số và đồ họa.
WASP7 bao gồm: l) giao diện dựa trên các cửa sổ dễ dùng, 2) một bộ tiền xử lý giúp nhà lập mô hình chuyển dữ liệu về dạng thích hợp cho WASP, 3) các phần xử lý mô hình phú dưỡng hóa và chất hữu cơ có tốc độ cao, và 4) phần hậu xử lý - biểu diễn đồ họa để xem các kết quả của WASP và so sánh chúng với các dữ liệu thực đo.
Do kiến trúc được thiết kế của WASP7 làm cho người sử dụng dễ dàng phát triển các mô đun động lực cho WASP. Hiện tại USEPA đang dự định phát triển mô hình phú dưỡng hóa nâng cao bao gồm thêm một số biến trạng thái: 2 nhóm tảo, độ mặn, cân bằng nhiệt đầy đủ, coliform, nhóm BOD thứ 2, mô hình chất lắng,...
19
Hệ thống WASP bao gồm 2 chương trình tính toán độc lập: DYNHYD và WASP6; chúng có thể chạy riêng rẽ hoặc kết hợp với nhau. Chương trình thủy động lực - DYNHYD mô phỏng sự chuyển động của nước trong khi đó chương trình chất lượng nước - WASP - mô phỏng sự chuyển động và tương tác của các chất ô nhiễm trong nước. Ngoài DYNHYD kết hợp cùng với WASP còn có các chương trình thủy động lực khác cũng có thể được liên kết WASP.
Trong đó WASP7 bao gồm 2 mô hình động lực con mô phỏng 2 nhóm chính về các vấn đề chất lượng nước: phần ô nhiễm thông thường (như ôxy hòa tan, nhu cầu ôxy sinh hóa, chất dinh dưỡng và phú dưỡng hóa) và phần ô nhiễm chất độc (như các chất hữu cơ, kim loại, và chất lắng), lần lượt là EUTRO và TOXI.
1.2.2.1. WASP7
- ời sử dụng áp dụng trong không gian 1D nhưng
cũng có thể mô phỏng tựa 2D và 3D bằng cách chia hộp với đa dạng thành phần chất ô nhiễm.
- Có thể ứng dụng cho hầu như mọi nguồn nước (ao, suối, hồ, sông, cửa sông, các vùng ven biển);
- Chạy dễ dàng trên máy tính cá nhân cấu hình bình thường với giao diện đơn giản, dễ sử dụng hơn so với các phiên bản trước của nó;
- Có thể mô phỏng chất lượng nước ở những bước thời gian ngắn (ngày, giờ chứ không bắt buộc phải mùa hay năm…);
- Có thể tích hợp với GIS; WASP sử dụng các hệ số tỷ lệ (Scale Factor) trong các trình đơn “Loads”, “Exchanges”, “Flows”, “Boundarys” giúp người sử dụng thuận tiện và nhanh chóng hơn khi hiệu chỉnh mô hình, tìm hiểu các quá trình hoặc xây dựng các kịch bản mô phỏng.
1.2.2.2. WASP7
- Khi áp dụng WASP đòi hỏi nhiều số liệu;
- WASP tách riêng 2 modul EUTRO và TOXI, do đó khi mô phỏng quá trình phú dưỡng, EUTRO không xét đến ảnh hưởng của kim loại, hoá chất dạng vết hay bùn cát, hạt mịn.
20
- Không xử lý được những biến số và quá trình của chất lỏng không đồng nhất là nước (chẳng hạn đối với sự cố tràn dầu); của phân đoạn khô (như đầm lầy, đồng bằng cửa sông do nước lũ tạo thành); của phản ứng tạo kim loại.
-
bao gồm 6 bước lần lượt là: chia phân
đoạn; xác định chiều sâu phân đoạn; tính thể tích phân đoạn; tính lưu lượng vào-ra tại mỗi phân đoạn; tính tải lượng dinh dưỡng; tính toán nồng độ ban đầu và nồng độ biên.
1.2.3. P DELFT 3D
Bộ phần mềm các mô hình tính toán thuỷ lực và chất lượng nước DELFT (Viện thủy lực Hà Lan) bao gồm hệ thống các phần mềm như DELFT3D, SOBEK, RIBASIM, DELFT-FLS, và DELFT-WAVES.
1.2.3.1. DELFT 3D
- Cho phép kết hợp giữ ực 3 chiều với mô hình chất lượng nước.
- ết hợp giữa các module tính toán phức tạp để đưa ra những kết quả tính mô phỏng cho nhiều chất và nhiều quá trình tham gia.
-
1.2.3.2. DELFT 3D
-
-
1.2.4. Telemac
Telemac là một công cụ mạnh để mô hình hình hóa dòng chảy có mặt thoáng. Ở châu Âu, hệ thống Telemac trở thành một công cụ hữu hiệu để tính toán dòng chảy của sông và biển. Hệ thống này gồm nhiều modules được xây dựng trên các
21
thuật toán mạnh khi dùng phương pháp phần tử hữu hạn. Miền tính toán được rời rạc hóa bằng lưới các phần tử tam giác phi cấu trúc. Nhờ vậy, Telemac có thể chi tiết hóa miền tính toán, đặc biệt tại những vị trí có địa hình hay địa mạo phức tạp.
Bên cạnh đó, Telemac có bộ công cụ chuẩn bị và xử lý số liệu trước và sau khi tính toán rất hiệu quả, tạo giao diện thuận lợi cho người sử dụng. Hầu hết các chương trình tính toán xử lý số liệu đều được xây dựng từ các thư viện vì thế có thể cung cấp cho người sử dụng một lượng thông tin cần thiết. Lưới tính toán có thể dễ dàng tạo nên khi dùng một bộ chương trình tạo lưới được gắn sẵn trong hệ thống Telemac.
Thực tế chương trình Telemac là 1 chương trình trong hệ thống TELEMAC- MASCARET của Trung tâm nghiên cứu thủy lực quốc gia của Điện lực Pháp. Trước đây, hệ thống này được phát triển và có thu phí như các hệ thống tính toán thủy lực khác. Nhưng đến năm 2010 hệ thống này chính thức được cung cấp miễn phí cho cộng đồng người sử dụng thông qua trang www.opentelemac.org. Hệ thống này có thể chạy trên các hệ điều hành như: Window, Linux, UNIX, siêu máy tính (Cray, Fujitsu, IBM,..).
1.2.4.1. Telemac
- r
- Có rất nhiều các mô hình có sẵn, với mã nguồn mở dùng cho việc giải các bài toán thủy động lực như: Telemac2D, Telemac3D, Mascret, Artemis. Khi chạy Telemac trên các hệ thống máy có nhiều processors (vi xử lý) với thời lượng tính toán rất ngắn với độ chính xác cao.
1.2.4.2. Telemac
- G
- ;
22
1.2.5. Các ứng dụng và nghiên cứu ở trong nước
Ở trong nước, các mô hình hiện đại trên đã được nghiên cứu áp dụng tính toán rộng rãi cho các lưu vực sông của nhiều cơ quan khác nhau. Tại Viện Khí tượng Thủy văn sử dụng mô hình MIKE để tính toán dự báo lũ. Các cơ quan khác ứng dụng các mô hình này chủ yếu cho việc tính toán thủy lực và thủy văn thiết kế. Nhưng về mảng tính toán chất lượng nước và sinh thái thì chưa được triển khai rộng rãi. Các cơ quan đang sử dụng và tính toán bằng các mô hình này gồm:
Viện Quy hoạch thủy lợi: xây dựng nghiên cứu ứng dụng và phát triển các phần
mềm tiên tiến trong đánh giá nguồn nước, quy hoạch, thiết kế xây dựng thủy lợi (các mô hình lưu vực sông MIKE BASIN, MIKE SHE, MITSIM, REBASIN, mô hình thủy văn SSARR, NAM, TANK, AR, ARIMA…, mô hình thủy lực VRSAP, KOD1, WENDY, SOBEK, MIKE11, MIKE21, MIKE FLOOD, TELEMAC-2D, mô hình chất lượng nước QUALK2, MIKE BASIN-QW, MIKE Ecolab… ).
Viện Khí tượng Thủy văn: triển khai và ứng dụng mô hình DESERT tính toán chất lượng nước được nghiên cứu ứng dụng bởi Viện khí Tượng thủy Văn tính toán cho các quá trình lan truyền các chất thải cho các đoạn sông thuộc hệ thống sông Hồng (từ Yên Bái - Hòa Bình - Vụ Quang - Sơn Tây). Các mô hình của MIKE, SMS, NAM cũng được triển khai và ứng dụng.
Tổng cục Môi trường (Cục bảo vệ môi trường cũ): triển khai và ứng dụng mô
hình DELFT mô phỏng chất lượng nước Hồ Tây do tác giả Hoàng Dương Tùng sử dụng mô hình DELFT - 3D FLOW tính toán thủy lực và DELFT 3D -WAQ mô phỏng chất lượng nước Hồ; ứng dụng mô hình Mike 11 trong mô phỏng chất lượng nước lưu vực sông Cầu do Trung tâm Tư vấn và Chuyển giao Công nghệ môi trường thực hiện.
Các cơ quan khác hiện đang sử dụng rải rác các loại mô hình này hoặc tự xây dựng các mô hình ở mức độ nghiên cứu.
23
1.2.6.
Trong những năm 1990, Viện thủy lực Đan Mạch đã thiết lập hệ thống