- Từ đó đưa ra các phương án giảm thiểu nồng độ chấ tô nhiễm trong gia
liệu mô phỏng diến biến môi trường sinh thái nguồn nước.
CƠ QUAN CHỦ TRÌ THỰC HIỆN THỰC HIỆN
Chủ nhiệm đề tài: TS. Tô Trung Nghĩa
Người viết báo cáo chuyên đề: Th.S. Trịnh Xuân Hoàng
BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ
Rà soát, phân tích đánh giá các nguồn thông tin tài liệu mô phỏng diến biến môi trường sinh thái nguồn nước.
PHẦN I. GIỚI THIỆU CHUNG
Giới thiệu chung:
Trong những năm gần đây, khuynh hướng quản lý dựa trên mối hiểm nguy đối với việc bảo vệ chất lượng nước ngày càng trở nên phổ biến. Khuynh hướng này dựa trên việc nhận dạng và nhằm vào những bài toán (vấn đề) của các trường hợp xấu nhất các bài toán này cần phải nhấn mạnh ngay từđầu. Một trong những công cụ kỹ thuật hiện có, được tin tưởng làm thoả mãn các nhu cầu lớn nhất và cung cấp cơ sở tốt nhất cho việc giải bài toán trong tương lai, là việc phát triển và ứng dụng các mô hình lưu vực để hiểu biết và dự đoán mối quan hệ của các điều kiện lưu vực và các hoạt động quản lý đối với các sức tải trầm tích và hoá chất vào các sông và hồ. Các công cụ hữu dụng mang tính khoa học cao dự báo các sức tải nhiễm bẩn nguồn điểm và phi điểm được kết hợp, phải được kết hợp lại trong các mô hình trong sông và hồ, do vậy các kết quả quản lý khác nhau và các kịch bản và lựa chọn điều khiển có thểđược mô phỏng và dựđoán. Các mô hình động học này hẳn là có khả năng đánh giá các biến đổi của sức tải theo (phạm vi) không gian và thời gian và phải xem xét cả về lượng lẫn loại nhiễm bẩn.
Hiện nay trên thế giới, đặc biệt là tại khu vực châu Á và tại các nước đang phát triển , thách thức trong vấn đề hiểu và quản lý chất lượng nước mặt đang ngày càng tăng lên. Việc quản lý chất lượng nước mặt chủ yếu mới chỉ dừng lại ở mức xây dựng và vận hành các chương trình quan trắc chất lượng nước, việc sử dụng các mô hình số trong vấn đề dự báo, quản lý về chất lượng nước cũng đang mới bắt đầu. Việc không sử dụng được các công cụ mô hình toán trong dự báo, khai thác,vận hành hệ thống đã dẫn đến tình trạng không quản lý được chất lượng nước mặt. Đề tài nghiên cứu ”Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệđể phát triển bền vững lưu vực sông Hồng” nhằm góp phần nghiên cứu các giải pháp công nghệ phục vụ
việc quản lý, phát triển bền vững trên lưu vực sông Hồng. Trong đề tài này có nghiên cứu các giải pháp quản lý và phát triển bền vững cho sông Nhuệ - con sông hiện đang được coi là một trong ba sông ô nhiễm nhất của Việt Nam. Chuyên đề ”Rà soát, phân tích đánh giá các nguồn thông tin tài liệu mô phỏng diến biến môi trường sinh thái nguồn nước” sẽ có nhiệm vụ đánh giá tổng quan về các vấn đề nghiên cứu liên quan đến mô phỏng diễn biến môi trường sinh thái nguồn nước.
Mục tiêu:
Thu thập, đánh giá tổng quan các thông tin trên thế giới và Việt nam về mô phỏng diễn biến môi trường sinh thái nguồn nước.
PHẦN II. PHƯƠNG PHÁP VÀ SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU
Căn cứ vào mục tiêu của chuyên đề phương pháp nghiên cứu trong chuyên đề này là tổng hợp tài liệu từ các nguồn thông tin trong và ngoài nước, các dự án đã nghiên cứu, từ internet đã nghiên cứu về việc mô hình hoá diễn biến nguồn nước, sinh thái.
III.1. Quá trình thực hiện mô hình chất lượng nước trên lưu vực
Hàng thập kỷ, tồn tại nhu cầu đề cập đến các vấn đề của lượng nước trên lưu vực như mối nguy về lũ lụt, điều tiết lũ, cấp nước. Các mô hình thủy văn thuỷ lực, dựđoán sự phân tích trên lưu vực, đã được sử dụng rộng rãi ở Mỹ và rất nhiều nơi trên thế giới từ đầu những năm 1970. Đặc biệt lưu ý là các mô hình của HEC do nhóm kỹ sư quân đội của V.S, trung tâm kỹ thuật thủy văn ở Davis, CA, tạo ra và duy trì.
Nhận thức và thực tiễn chung của việc làm mô hình chất lượng nước tại lưu vực chậm so với làm mô hình định lượng nước. Trong khi một nhóm chuyên môn như phòng thí nghiệm nghiên cứu môi trường EPA ở Athen, Georgia, đã có những quan tâm đến quá trình trên lưu vực và nghiên cứu làm mô hình gần hai thập kỷ, thì áp dụng thực tiễn của các mô hình như vậy mới thỉnh thoảng và rời rạc. Tuy vậy việc làm mô hình lưu vực cũng đã đạt được ứng dụng qua một số năm và chắc chắn được tiếp tục trong tương lai gần.
Sự phát triển và ứng dụng các mô hình chất lượng nước lưu vực được thúc đẩy bởi sự cần thiết có các công cụ dùng đểđánh giá 2 vấn đề: Các tác động nhiểm bẩn nguồn phi điểm (đánh giá về giới hạn và (hoặc) sức tải), và các kế hoạch quản lý hoá chất như các kế hoạch quản lý nông nghiệp tốt nhất đối với chất đạm và thuốc trừ sâu hoặc gần đây hơn, đối với tổng sức tải cực đại hàng ngày, kể cả nguồn nhiểm bẩn điểm và phi điểm. Vào cuối năm 1970, các yêu cầu điều chỉnh kết qủa của phần 208 của đạo luật sửa đổi năm 1972 vềđiều khiển nhiễm bẩn nước của Liên bang đã ủng hộ việc phát triển và sử dụng các mô hình tính toán lưu vực và lưu vực khép kín (lưu vực sông) để phục vụ như là một cơ cấu để đánh giá các kế hoạch quản lý chất lượng nước lưu vực thời hạn dài đối với các chất nhiễm bẩn thông thường. Không may, tại thời điểm đó các công cụ làm mô hình chất lượng nước lưu vực và nguồn phi điểm lại không có sẵn để thoả mãn đầy đủ nhu cầu kỹ thuật được yêu cầu vào thời kỳ điều tiết. Vào đầu những năm 1980, mối quan tâm đến sự phân huỷ và vận chuyển của thuốc sâu và các chất độc nguồn phi điểm khác, một lần nữa đã cho thấy nhu cầu về các mô hình cho việc đánh giá chất lượng nước trên lưu vực. Vào giữa những năm 1980, ở những vùng địa lý nơi nước tập trung tiếp tục bị xấu đi dù cho có thực hiện việc điều tiết mạnh các nguồn điểm, sự cần thiết của việc sử dụng các công cụ phân tích lưu vực đã lên đến mức mà các tổ chức của chính quyền cấp trên bắt đầu thực hiện những bước đầu tiên thực hiện các cố gắng làm mô hình chất lượng nước lưu vực/lưu vực sông thời kỳ hạn dài. Đặc biệt là cố gắng thực hiện làm mô hình vịnh và lưu vực, nó được khởi thuỷ bởi chương trình vịnh Chesapeake vào đầu năm 1980 và nó vẫn tiếp tục cho đến nay. Phong trào xây dựng mô hình lưu vực được thúc đẩy mạnh mẽ hơn nữa bởi đạo luật nước sạch (phần 303) của điều lệ quản lý quy hoạch nước của tổ chức EPA (40 CFR phần 130). Điều luật này yêu cầu sự cân bằng các yếu tố khác nhau giữa việc điều tiết của chất chất nhiễm bẩn nguồn điểm và phi điểm để phát triển chiến lược quản lý tổng lượng hoá chất của lưu vực cần thiết.
Trong những năm gần đây, toàn thể cộng đồng các nhà chuyên ngành môi trường bao gồm: các nhà khoa học, các kỹ sư, các nhà quy hoạch, các nhà điều tiết đi đến nhận thức rằng sự hiểu biết tác động đầy đủ của việc thải hoá chất vào môi trường và sự phát triển các chiến lược quản lý để bảo vệ sự lành mạnh của môi trường cần được đi liền với việc thực hiện các phân tích trên lưu vực. Năm 1992, đề án nghiên cứu nguồn phi điểm ORD EPA trong 5 năm đã được chuẩn bị tại sơ sở thí nghiệm, Athen (EPA, 1992 a). Đề án vạch ra một dải rộng các hoạt động nghiên cứu được tiến hành trong hoàn cảnh lưu vực; lưu ý rằng "đánh giá logic, quản lý, và đơn vị phục hồi là lưu vực, sử dụng đất bao quanh, đất liên đới, việc sử dụng nước này có đóng góp vào hệ thống nước. Các bài toán được định dạng trong ngữ cảnh lưu vực; bởi vậy các giải pháp dài hạn yêu cầu các kế hoạch quản lý vùng địa lý hay lưu vực phải đề cập đến các nguồn phức hợp của bài toán nguồn phi điểm và các giải pháp đối với bài toán này". Ngoài các nhu cầu về quản lý và điều tiết, sự phát triển của các mô hình thế hệ hiện tại được định hình do tình trạng
học tăng lên qua 2 thập kỷ, khả năng biểu thị các quá trình quan trọng của mô hình, mà các mô hình này xác định sự phân huỷ và vận chuyển hoá chất, đã được cải tiến đáng kể. Số liệu nhiều và tốt hơn đã cho phép các nhà làm mô hình kiểm tra và củng cố các mô hình của họ hiệu quả hơn, bởi vậy mô hình lại tạo ra được niềm tin càng tăng lên cho cả kết qủa của mô hình và việc sử dụng mô hình đểđánh giá các chiến lược quản lý luân phiên. Các máy tính nhanh, mạnh và ít tốn kém cho phép sử dụng các mô hình dựa vào nhiều nhà làm mô hình hơn, và các ứng dụng phức tạp tăng lên. Phần mềm tính toán được cải tiến tạo thuận lợi về tương tác giữa số liệu, mô hình và người làm mô hình. Tất cả các yếu tố này sẽ tiếp tục đóng góp vào các hướng trong tương lai mà sự phát triển và ứng dụng mô hình lưu vực sẽ dấn thân vào
III.2. Vai trò của mô hình trong các bài toán lưu vực
Trong cuộc sống hiện tại, làm mô hình trở thành một thực tế chung trong hầu hết mọi lĩnh vực hoạt động, phân tích và quy hoạch chất lượng nước lưu vực cũng không phải là ngoại lệ. Giá trị chủ yếu của bất kỳ mô hình nào cũng có 2 mặt. Trước hết để hiểu biết và tái tạo ra hệ thống được mô hình làm việc (hoạt động) như thế nào? và sau đó để dự báo hệ thống sẽ phản ứng lại các điều kiện và các hoạt động biến đổi trong tương lai như thế nào. Trong lưu vực, chất lượng nước tại bất kỳ chỗ nào cũng được xác định bởi các đóng góp thực từ tất cả các nguồn điểm và phi điểm. Việc đánh giá ảnh hưởng thực do thực hiện một hoặc nhiều hoạt động trên lưu vực gây ra không phải là tính ngay ra được. Ví dụ, các luống đồng mức đất nông nghiệp có thể giảm dòng chảy mặt của nitơ từ phân bón nhưng cùng thời gian lại có thể tạo ra sự thấm ni tơ tăng lên đối với dòng chảy sát mặt, kết qủa là sẽđe dọa cung cấp nước sinh hoạt lấy ra từ giếng. Từ đó, sự tin cậy vào trực giác, kinh nghiệm kỹ thuật và các kỹ thuật phân tích đơn giản không phải là một phương tiện thích hợp để làm các quyết định quản lý, các quyết định này có thể có những hậu quả về môi trường và kinh tế cực kỳ lớn. Nhu cầu xem xét toàn thể các quá trình, quá trình quyết định sự phân huỷ và vận chuyển các vật chất trong nước, đã dẫn đến một thuật ngữ phổ biến ngày nay là "phân tích chất lượng nước toàn diện". Như là một quy định, phân tích toàn diện thực sự không thểđạt được khi không sử dụng các mô hình toán học phức tạp.
Sự phân huỷ hoá chất trong môi trường được quyết định bởi tương tác phức hợp của nhiều yếu tố, gồm: các tính chất lý hoá của hoá chất, hiện tượng tự nhiên hoặc các hoạt động ứng dụng liên quan đến hoá chất; đặc trưng của các lớp bề mặt và sát mặt, qua chúng sự vận chuyển xảy ra và các điều kiện khí hậu. Tương tự, sự phân hủy và vận chuyển trầm tích bị tác động bởi các đặc tính của đất, địa hình, các nhiễu loạn thời tiết và nhiễu loạn do con người gây ra và các điều khiển. Các mô hình mô phỏng cung cấp một cơ chếđánh giá các tương tác này và ước lượng phạm vi mà các hoá chất có thể chuyển đến các môi trường không nhằm tới, như là nước thu nhận từ bề mặt hoặc các tầng nước ngầm. Hơn nữa việc mô hình hoá cho phép thực hiện các đánh giá để thực hiện theo thời gian - chi phí - hiệu quảđể so sánh với việc tiến hành các nghiên cứu giám sát thực địa tốn kém. Nói chung, độ tin tưởng cao gắn liền với các nghiên cứu thực địa bởi vì các nghiên cứu thực địa phản ánh các nồng độ đo được. Tuy nhiên, các nghiên cứu thực địa hầu hết không có ý nghĩa thực tế khi phải giải quyết với các vấn đề trên phạm vi toàn lưu vực. Các kết qủa nghiên cứu thực địa chỉ miêu tả một vị trí nhất định dưới một tập hợp các điều kiện môi trường. Ngược lại, các mô hình mô phỏng cho phép đánh giá các tác động liên quan của nhiều tham số môi trường. Bởi vì, các mô hình mô phỏng là các biểu hiện toán học của các quá trình lý, hoá và sinh học, độ tin cậy vào kết qủa mô hình phản ánh mức độ và độ chính xác và các tham sốđầu vào có thểđược xác định, và chứng tỏđược khả năng của mô hình để tái tạo ra các hiện tượng được quan trắc.
Lợi ích do mô hình chất lượng nước đem lại: Một phạm vi khá rộng các vấn đề chất lượng nước có thểđược đề cập tới bằng thực hiện làm mô hình toàn lưu vực. Các công cụ tính hiện đại và các khuynh hướng đánh giá lưu vực thì thích hợp với các hoạt động trợ giúp sau đây:
• Thể hiện các đánh giá giới hạn chi tiết như là 1 phần của việc xem xét hoá chất đặc biệt.
• Cung cấp tổng lượng sức tải cực đại ngày (TMDLS) cho các nguồn điểm và phi điểm kết hợp bằng cách so sánh, trong một cơ chế tổng hợp, hiệu qủa tiềm năng của việc thực thi làm giảm nguồn điểm, các chiến lược điều hành dòng chảy đô thị và các thực hành quản lý tốt nhất vùng phi đô thị.
• Đánh giá hiệu qủa các thực hành quản lý Lâm-Nông lên sự xói lở trầm tích và giới hạn tiềm năng đối với thuốc sâu và chất dinh dưỡng trong nước ngầm, nước mặt và không khí.
• Đánh giá các tác động của giới hạn và sự phát tán chất bẩn từ các vị trí thải nguy hiểm không được điều khiển.
• Đánh giá hiệu quả của các hoạt động sửa chữa đề ra đối với các vị trí quá nhiều nguồn phi điểm như là các vùng khai thác mỏ hạng nặng.
• Đánh giá giới hạn nhiều lớp gắn liền với các chiến lược xử lý chất thải nước bẩn đô thị và thuốc sâu.
• Đánh giá hiệu qủa của các chiến lược điều khiển nguồn phi điểm, phi công trình và công trình.
• Đánh giá cả về sự thay đổi phía thượng lưu và môi trường sống nơi tập trung nước và các bài toán về mối nguy sinh thái.
• Thiết kế mạng lưới lấy mẫu chất lượng nước.
III.3. Giới thiệu các mô hình lưu vực
Tiêu điểm của phần này là diễn tả các phương pháp và mô hình được sử dụng chủ yếu là để phân tích toàn lưu vực. Tuy nhiên trước khi làm như vậy, cần thiết phải cung cấp một giới thiệu vắn tắt về các mô hình lưu vực và việc làm mô hình.
III.3.1. Nguyên tắc cơ bản xây dựng mô hình
Các giới thiệu về làm mô hình và những điều báo trước của việc làm mô hình đã được trình bày do một số tác giả, gồm có: Tame và Burges (1982), Kibler (1982), Huber (1985, 1986), Donigian và Huber (1991) và nhóm làm mô hình tới hạn của hội hoá chất nông nghiệp quốc gia- EMWG (1994). Các tóm tắt bổ sung cũng được cung cấp ít nhất là một cuốn sổ tay thực hành (WPCF, 1989), và sổ đăng ký liên bang (EPA, 1992 b). Do trong 1 cuốn sách không thể thảo luận đầy đủ những hoạt động cần thiết của các ứng dụng mô hình thành công, chỉ 1 vài nguyên tắc cơ bản được làm nổi bật dưới đây:
Có một tuyên bố rõ ràng các mục tiêu của dự án: