4. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.4 Thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE11 Ecolab
Trong nội dung này mục đích là để tính toán nồng độ một số chỉ tiêu chất lƣợng nƣớc quan tâm trong sông theo thời gian và không gian, tƣơng ứng với các điều kiện
biên thủy lực ở điều kiện hiện tại, theo kịch bản BĐKH và các nguồn thải trong khu vực. Các bƣớc thực hiện thiết lập mô-đun MIKE 11 EcoLab bao gồm:
- Thiết lập mô hình thủy lực (nhƣ đã nêu trong phƣơng pháp mô hình thuỷ lực MIKE 11);
- Thiết lập các điều kiện biên cho mô hình thuỷ lực (nhƣ đã nêu trong phần cơ sở lý thuyết mô hình thủy lực MIKE11);
-Thiết lập các điều kiện biên về chất lƣợng nƣớc và các nguồn thải đổ vào sông
Nhuệ - Đáy: (i) nồng độ chất lƣợng nƣớc tại các biên trên: số liệu quan trắc chất lƣợng nƣớc mặt tại các vị trí quan trắc đƣợc dùng làm biên trên tại vị trí cống Liên Mạc và trạm thủy văn Ba Thá, (ii) nồng độ chất lƣợng nƣớc tại các biên dƣới: số liệu quan trắc chất lƣợng nƣớc mặt tại các vị trí đƣợc dùng làm biên dƣới tại ngã ba sông Đáy và sông
Hoàng Long, (iii) nồng độ, lƣu lƣợng và vị trí các nguồn xả thải đƣợc trình bày trong phần phụ lục và hình 2.22;
- Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình để xác định các thông số phù hợp;
- Sử dụng mô hình với các thông số mới đƣợc xác định để mô phỏng thủy lực và chất lƣợng nƣớc theo không gian, thời gian với các điều kiện biên thích hợp.
Hình 2.21: Sơ đồ mô phỏng chất lƣợng nƣớc sông Nhuệ - Đáy trong mô hình MIKE 11 Ecolab
Do việc thiếu trạm quan trắc dòng chảy trên sông Nhuệ và Đáy nên sơ đồ mạng thuỷ lực đƣợc mở rộng thêm các sông khác trong hệ thống sông Hồng – Thái Bình. Tuy nhiên, trong nội dung tính toán này một số sông mở rộng không cần sử dụng đến trong tính toán chất lƣợng nƣớc và mạng lƣới quan trắc nƣớc mặt chủ yếu tập trung trên sông Nhuệ và sông Đáy nên lƣới sông tính toán trong mô hình chất lƣợng nƣớc đã giới hạn phạm vi phục vụ chỉ gồm hai sông chính là sông Nhuệ và sông Đáy.
Theo đó, phạm vi giới hạn mô hình thuỷ lực đƣợc tính từ cống Liên Mạc trên sông Nhuệ và trạm thuỷ văn Ba Thá trên sông Đáy xuống hạ lƣu sông Đáy đến vị trí ngã ba giữa sông Đáy và sông Hoàng Long. Sơ đồ tính toán thuỷ lực thể hiện trong hình dƣới đây.
Để hiệu chỉnh các thông số của mô hình chất lƣợng nƣớc, số liệu quan trắc chất lƣợng nƣớc tại một số điểm quan trắc dọc sông đƣợc sử dụng. Do việc hạn chế về các thông tin chất lƣợng nƣớc thu thập đƣợc, nên trong luận văn chỉ tập trung nghiên cứu một số thông số chất lƣợng nƣớc chính nhƣ gồm nồng độ DO, BOD5, Nhiệt độ và N- NH4+. Các số liệu này đƣợc đo đạc đồng bộ với số liệu dùng làm biên trên và biên dƣới trong mô hình thuỷ lực và mô hình chất lƣợng nƣớc. M i năm số liệu chất lƣợng nƣớc đƣợc quan trắc trong 5 đợt thì tháng 1 đến tháng 12, trung bình 2 tháng sẽ có một đợt quan trắc. Nguồn số liệu đƣơc thu thập tại các cơ quan, tổ chức trong ngành Tài nguyên và Môi trƣờng nhƣ Tổng cục Môi trƣờng, Trung Tâm Khí tƣợng thủy văn Quốc gia…Cụ thể, trên sông Nhuệ sẽ sử dụng số liệu quan trắc tại Phúc La, Cầu Tó, Cự Đà, Cầu Chiếc, Đồng Quan, Cống Thần, Cống Nhật Tựu và Đò Kiều. Trên sông Đáy có các vị trí nhƣ Tế Tiêu, Đền Đức Thánh Cả, Cầu Quế, Cầu Đọ Xá, Thanh Nộn, Cầu Kiện Khê, Thanh Tân, Xi Măng Việt-Trung và Trung Hiếu Hạ.
Tiêu chí của hiệu chỉnh mô hình là tìm ra một bộ thông số phù hợp để mô phỏng thích hợp với các giá trị thực đo. Thời gian dùng để hiệu chỉnh là trong năm 2013, 2014. Theo đó mô-đun Ecolab đƣợc thiết lập với mô hình CLN WQ level 4 phù hợp với các thông số CLN đã thu thập đƣợc.
Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lƣợng nƣớc nhƣ trong các hình 2.24 đến hình 2.31
Hình 2.24: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ DO với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2013
Hình 2.25: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ DO với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2013
Hình 2.26: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nhiệt độ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2013
Hình 2.27: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nhiệt độ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2013
Hình 2.28: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ BOD5 với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2013
Hình 2.29: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ BOD5 với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2013
Hình 2.30: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ N-NH4+ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2013
Hình 2.31: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ N-NH4+ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2013
Qua kết quả mô phỏng CLN năm 2013 thấy rằng chất lƣợng nƣớc trên sông Nhuệ và Đáy đang suy giảm đánh kể. Số liệu quan trắc môi trƣờng trong năm 2013 cho thấy các chỉ tiêu gần nhƣ đã vƣợt ngƣỡng cho phép, tại các vị trí thƣợng nguồn nƣớc sông ô nhiễm ít hơn. Tuy nhiên trên sông Nhuệ, từ vị trí quan trắc Phúc La đến ngã ba nhập lƣu sông Đáy, các thông số nhƣ DO, BOD5 và N-NH4+ đều vƣợt ngƣỡng cho phép so với QCVN08-2015. Kết quả mô phỏng các thông số chất lƣợng nƣớc cho thấy có sự tƣơng đồng về xu thế ô nhiệm dọc theo các sông. Theo đó các thông số ô nhiễm gia tăng dần về phía hạ lƣu sông (hình 2.24 đến 2.31). Bên cạnh đó, giá trị các chỉ tiêu mô phỏng cũng tƣơng đối sát so với thực thế, sai số tƣơng đối giao động trong khoảng 1 đến 33% thể hiện trong các bảng 2.9 đến 2.10.
Bảng 2.9: So sánh kết quả tính toán và thực đo một số chỉ tiêu chất lƣợng nƣớctrên sông Đáy, tháng 5/2013
DO (mg/l) Nhiệt độ (0C) BOD5 (mg/l) N-NH4+ (mg/l)
Sai Sai Sai Sai
Thực Tính số Thực Tính số Thực Tính số Thực Tính số
Vị trí đo toán ∆% đo toán ∆% đo toán ∆% đo toán ∆%
Cầu Tế Tiêu 3,6 4,5 -25 33,0 37,4 -13 6,0 6,8 -13 1,0 1,3 -31 ĐĐ-Thánh Cả 3,5 3,3 5 32,0 28,5 11 5,0 4,4 12 0,9 1,1 -25 Cầu Quế 5,6 4,9 13 29,0 22,6 22 9,0 6,8 24 0,5 0,5 5 TB-Thanh Nộn 6,2 4,8 22 29,0 20,0 31 5,0 4,8 5 0,4 0,4 12 Cầu Đọ Xá 3,6 2,6 28 27,5 22,6 18 5,0 5,1 -3 3,1 2,7 11 CP-Kiện Khê 4,2 3,5 16 31,0 24,5 21 3,0 2,5 18 3,1 3,0 4 50
Thanh Tân 4,6 3,1 33 31,0 25,7 17 4,0 3,6 11 3,0 2,2 26
XM-Việt Trung 4,4 3,7 15 31,0 26,4 15 5,0 3,6 28 3,2 2,9 11
Trung Hiếu Hạ 3,5 2,6 25 33,0 33,3 -1 5,0 3,9 23 0,1 0,1 35
Bảng 2.10: So sánh kết quả tính toán và thực đo một số chỉ tiêu chất lƣợng nƣớc trên sông Nhuệ, tháng 5/2013
DO (mg/l) Nhiệt độ (0C) BOD5 (mg/l) N-NH4+ (mg/l)
Sai Sai Sai Sai
Thực Tính số Thực Tính số Thực Tính số Thực Tính số
Vị trí đo toán ∆% đo toán ∆% đo toán ∆% đo toán ∆%
Phúc La 2,1 2,7 -30 29,6 39,4 -33 6,0 5,8 4 4,1 4,9 -20 Cầu Tó 1,8 1,7 8 29,5 25,1 15 6,0 5,0 16 4,8 4,3 10 Cự Đà 1,5 1,5 2 29,6 22,2 25 9,0 7,5 17 4,8 4,0 17 Cầu Chiếc 2,1 1,6 24 30,4 20,7 32 6,0 4,7 21 7,6 5,0 34 Đồng Quan 3,9 2,9 25 28,0 24,6 12 8,0 6,0 25 4,2 3,1 25 Cống Thần 1,8 1,4 23 29,0 28,7 1 10,0 7,9 21 8,4 6,6 21 Cống Nhật 3,3 2,7 17 29,0 25,5 12 6,0 5,0 17 5,5 5,0 8 Tựu Đò Kiều 2,7 2,2 19 29,0 31,5 -9 7,0 6,0 14 4,9 4,7 4
Kết quả mô phỏng chất lƣợng nƣớc năm 2014 trên sông Nhuệ - Đáy phục vụ bƣớc hiệu chỉnh mô hình nhƣ dƣới đây.
Hình 2.32: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ DO với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2014
Hình 2.33: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ DO với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2014
Hình 2.34: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nhiệt độ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2014
Hình 2.35: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nhiệt độ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2014
Hình 2.36: Kết quả tính toán hiệu chỉnh BOD5 với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2014
Hình 2.37: Kết quả tính toán hiệu chỉnh BOD5 với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2014
Hình 2.38: Kết quả tính toán hiệu chỉnh N-NH4+ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2014
Hình 2.39: Kết quả tính toán hiệu chỉnh N-NH4+ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2014
Bảng 2.11: So sánh kết quả tính toán và thực đo một số chỉ tiêu chất lƣợng nƣớc trên sông Đáy, tháng 5/2014
DO (mg/l) Nhiệt độ (0C) BOD (mg/l) N-NH4+ (mg/l)
Sai Sai Sai Sai
Thực Tính số Thực Tính số Thực Tính số Thực Tính số
Vị trí đo toán ∆% đo toán ∆% đo toán ∆% đo toán ∆%
Cầu Tế Tiêu 3,6 2,7 25 31,0 26,7 14 6,0 5,7 5 0,8 0,6 25 ĐĐ-Thánh Cả 3,5 3,0 15 31,2 27,5 12 3,0 2,6 15 1,2 1,0 15 Cầu Quế 5,6 5,3 5 31,0 30,7 1 2,0 1,5 25 0,4 0,4 5 TB-Thanh Nộn 6,2 4,8 22 31,2 28,4 9 6,0 4,2 31 0,5 0,4 22 Cầu Đọ Xá 3,6 3,0 18 31,0 25,4 18 3,0 2,6 15 1,0 0,8 18 CP-Kiện Khê 4,2 3,9 6 31,0 23,6 24 5,0 3,9 22 1,0 0,9 6 Thanh Tân 4,6 2,9 36 31,2 24,6 21 8,0 7,1 11 1,9 1,2 36 XM-Việt Trung 4,4 3,9 11 32,2 20,9 35 9,0 6,5 28 1,8 1,6 11 Trung Hiếu Hạ 3,5 2,6 25 32,2 27,0 16 9,0 7,0 23 0,9 0,7 25
Bảng 2.12: So sánh kết quả tính toán và thực đo một số chỉ tiêu chất lƣợng nƣớc trên sông Nhuệ, tháng 5/2014
DO (mg/l) Nhiệt độ (0C) BOD5 (mg/l) N-NH4+ (mg/l)
Vị trí Thực Tính Sai Thực Tính Sai Thực Tính Sai Thực Tính Sai
số số số số
đo toán đo toán đo toán đo toán
∆% ∆% ∆% ∆% Phúc La 3,2 2,8 14 31,0 28,5 8 12,0 10,3 14 6,6 5,7 14 Cầu Tó 2,3 2,0 11 31,0 26,4 15 41,0 36,5 11 29,5 26,3 11 Cự Đà 2,2 2,0 7 33,8 30,1 11 32,0 29,8 7 26,2 24,4 7 Cầu Chiếc 1,8 1,4 24 31,0 30,4 2 39,0 29,6 24 24,9 18,9 24 Đồng Quan 1,3 0,8 35 32,0 26,2 18 14,0 9,1 35 6,7 4,4 35 Cống Thần 4,7 3,6 23 30,0 27,9 7 25,0 19,3 23 6,0 4,6 23 Cống Nhật 4,0 3,7 7 31,0 27,3 12 31,0 28,8 7 2,9 2,7 7 Tựu Đò Kiều 4,6 4,0 14 31,0 30,4 2 22,0 18,9 14 5,1 4,4 14
Tƣơng tự, qua mô phỏng chất lƣợng nƣớc trên sông Nhuệ và Đáy năm 2014 thấy rằng, chất lƣợng nƣớc vẫn đang suy giảm đánh kể. Số liệu quan trắc môi trƣờng trong năm 2014 thể hiện các chỉ tiêu gần nhƣ đã vƣợt ngƣỡng cho phép. Cũng giống năm 2013, trên sông Nhuệ, từ vị trí quan trắc Phúc La đến ngã ba nhập lƣu sông Đáy, các thông số nhƣ DO, BOD5 và N-NH4+ đều vƣợt ngƣỡng cho phép so với QCVN08- 2015. Bên cạnh đó, kết quả mô phỏng các thông số chất lƣợng nƣớc cho thấy có sự tƣơng đồng về xu thế ô nhiễm dọc theo các sông. Theo đó các thông số ô nhiễm gia tăng dần về phía hạ lƣu sông (hình 2.31 đến 2.38). Kết quả tính toán thểi hện các chỉ tiêu mô phỏng cũng tƣơng đối sát so với thực thế, sai số
tƣơng đối giao động trong khoảng 2 đến 36,5 % thể hiện trong các bảng 2.11 đến 2.12.
Sau khi đã xác đinh đƣợc bộ thông số mô hình Ecolab cho lƣu vực sông Nhuệ - Đáy thì bƣớc kiểm định mô hình đƣợc thực hiện nhằm kiểm tra lại mức độ phù hợp của bộ thông số thu đƣợc trong bƣớc hiệu chỉnh mô hình. Kết quả kiểm định mô hình chất lƣợng nƣớc nhƣ trong các hình 2.40 đến 2.47. Các số liệu về dòng chảy và chất lƣợng nƣớc năm 2015 đƣợc sử dụng. Kết quả thu đƣợc cho thấy bộ thông số chất lƣợng nƣớc ở mức chấp nhận đƣợc nhƣng còn có sự sai lệch so với giá trị thực đo. Có thể thấy rằng xu thế gia tăng ô nhiễm về phía hạ lƣu sông đƣợc mô phỏng tƣơng đối tốt trong mô hình. Tiếp tục sử dụng sai số tƣơng đối để đánh giá độ tin cậy mô hình, kết quả đánh giá thể hiện trong Bảng 2.13 và 2.14.
Hình 2.40: Kết quả tính toán kiểm định nồng độ DO với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2015
Hình 2.41: Kết quả tính toán kiểm định nồng độ DO với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2015
Hình 2.42: Kết quả tính toán kiểm định nhiệt độ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2015
Hình 2.43: Kết quả tính toán kiểm định nhiệt độ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2015
Hình 2.44: Kết quả tính toán kiểm định nồng độ BOD5 với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2015
Hình 2.45: Kết quả tính toán kiểm định nồng độ BOD5 với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2015
Hình 2.46: Kết quả tính toán kiểm định nồng độ N-NH4+ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2015
Hình 2.47: Kết quả tính toán kiểm định nồng độ N-NH4+ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2015
Bảng 2.13: So sánh kết quả tính toán và thực đo một số chỉ tiêu chất lƣợng nƣớc trên sông Đáy, tháng 5/2015
DO (mg/l) Nhiệt độ (0C) BOD5 (mg/l) N-NH4+ (mg/l)
Vị trí Thực Tính Sai Thực Tính Sai Thực Tính Sai Thực Tính Sai
số số số số
đo toán ∆% đo toán ∆% đo toán ∆% đo toán ∆%
Cầu Tế Tiêu 5,3 5,0 5 30 34,5 -15 8 8,4 -5 1,2 1,3 -9 ĐĐ-Thánh Cả 5,8 4,9 15 30 26,4 12 7 6,0 15 1,7 2,0 -19 Cầu Quế 6,2 4,7 25 32 21,6 33 6 6,9 -15 3,2 3,1 5 TB-Thanh Nộn 6 4,2 31 31 20,2 35 4 2,8 31 2,2 1,6 31 Cầu Đọ Xá 6,4 5,4 15 31 27,6 11 5 4,3 15 1,9 1,4 25 CP-Kiện Khê 5,7 4,4 22 30 23,4 22 11 9,7 12 2,2 1,7 24 Thanh Tân 6,5 5,8 11 31 27,6 11 5 4,5 11 0,3 0,3 11 XM-Việt Trung 5,8 4,2 28 30 21,8 28 5 4,1 18 0,2 0,2 26 Trung Hiếu Hạ 6,1 4,7 23 32 24,0 25 3 2,3 25 0,1 0,1 25
Bảng 2.14: So sánh kết quả tính toán và thực đo một số chỉ tiêu chất lƣợng nƣớc trên sông Nhuệ, tháng 5/2015
DO (mg/l) Nhiệt độ (0C) BOD5 (mg/l) N-NH4+ (mg/l)
Vị trí Thực Tính Sai Thực Tính Sai Thực Tính Sai Thực Tính Sai
số số số số
đo toán đo toán đo toán đo toán
∆% ∆% ∆% ∆%
Phúc La 3,4 2,9 14 31,0 29,8 4 31,0 26,7 14 2,3 2,5 -9 Cầu Tó 2,8 2,5 11 31,0 27,6 11 38,0 41,4 -9 1,3 1,5 -19 Cự Đà 3,2 3,0 7 31,0 29,8 4 46,0 42,8 7 1,6 1,5 7 Cầu Chiếc 4,9 3,7 24 31,0 23,6 24 52,0 39,5 24 1,6 1,2 24 Đồng Quan 3,9 2,5 35 30,0 18,5 39 28,0 32,2 -15 22,1 14,4 35 Cống Thần 5,2 4,0 23 32,0 25,1 22 21,0 16,2 23 18,9 14,5 23 Cống Nhật Tựu 6,1 5,7 7 31,0 25,4 18 13,0 15,7 -21 14,0 11,6 17