B. PHẦN NỘI DUNG
3.3.1. Quá trình tính toán mô phỏng
Trong nghiên cứu này chỉ tập trung đánh giá 4 thông số sau: hàm lượng oxi hòa tan DO, hàm lượng ammoni NH4+, hàm lượng nitrat NO3-, hàm lượng phosphate PO43-. Vì lý do có khá nhiều các dòng sông nhỏ và có nhiều tiểu lưu vực nên đề tài chỉ lấy ra 2 tiểu lưu vực 2 và 3 để đánh giá chất lượng nước của lưu vực sông Bung .Chất lượng nước mặt được đánh giá dựa trên nhiều thông số khác nhau (chi tiết xem trong QCVN
56
08:2008/BTNMT).
Bảng Phân cấp chất lượng nước theo QCVN 08:2008/BTNMT. Ghi chú: Việc phân hạng nguồn nước mặt nhằm đánh giá và kiểm soát chất lượng nước, phục vụ cho các mục đích sử dụng nước khác nhau
Bảng 3.4: Phân cấp chất lượng nước theo QCVN 08:2008/BTNMT
Cấp Mục đích
A1 Sử dụng tốt cho mục đích cấp nước sinh hoạt và các mục đích khác như loại: A2- B1- B2.
A2 Dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt nhưng phải áp dụng công nghệ xử lý phù hợp; bảo tồn động thực vật thuỷ sinh, hoặc các mục đích sử dụng như loại B1 và B2.
B1 Dùng cho mục đích tưới tiêu thuỷ lợi hoặc các mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự hoặc các mục đích sử dụng như loại B2.
B2 Giao thông và các mục đích khác với yêu cầu nước chất lượng thấp.
Lưu ý cần quan tâm là theo QCVN 08:2008/BTNMT, giá trị giới hạn của các thông số chất lượng nước mặt tính theo nồng độ mg/l, trong khi đó đơn vị tính của các thông số này trong mô hình SWAT lại tính theo đơn vị kg. Do vậy, cần phải chuyển đổi đơn vị tính của các thông số này trong SWAT về cùng đơn vị tính theo tiêu chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT. Quá trình chuyển đổi sẽ được thực hiện thông qua các bước sau:
- Tính toán tổng lượng dòng chảy tháng W (m3 ), hay lượng nước chảy qua mặt cắt cửa xả tiểu lưu vực trong khoảng thời gian tháng theo công thức: W = Q * T
Trong đó:
+ Q là lưu lượng dòng chảy tháng (m3/s), Q bằng giá trị FLOW_OUT trong SWAT. + T là số giây trong tháng (s), T = số ngày trong tháng * 24 giờ * 60 phút * 60 giây. - Xác định nồng độ của các thông số (mg/l) bằng cách lấy giá trị tính trong SWAT (kg) chia cho tổng lượng dòng chảy tháng W (m3), sau đó quy đổi sang đơn vị mg/l, cụ thể như sau: + Nồng độ DO = (DISOX_OUT / W) * 103 + Nồng độ NO-3 = (NO3_OUT / W) * 103 + Nồng độ NH+ 4 = (NH4_OUT / W) * 103 + Nồng độ PO3- 4 = (MINP_OUT / W) x 103 3.3.2. Đánh giá độ chính xác.
Hiệu quả của mô hình được đánh giá bằng cách so sánh kết quả chạy mô hình với số liệu thực đo dòng chảy của lưu vực theo năm, tháng, ngày. Để đánh giá độ tin cậy của mô hình người ta thường sử dụng chỉ số Nash – Sutcliffe (NSI) (Nash, J.E. và J.V.
57
Sutcliffe, 1970) và giá trị trung bình - độ lệch chuẩn - hệ số xác định (R2) (P. Krause et al., 2005). - Công thức tính chỉ số NSI: 𝑵𝑺𝑰 = 𝟏 −∑ (𝑶𝑰− 𝑷𝑰) 𝟐 𝒏 𝒏=𝟏 ∑𝒏 (𝑶𝑰− 𝑶̇𝑰)𝟐 𝒏=𝟏 Trong đó: O: giá trị thực đo (m3/s);
: giá trị thực đo trung bình (m3/s); : giá trị mô phỏng (m3/s);
N : số lượng giá trị tính toán. Chỉ số NSI chạy từ - ∞ đến 1.
+ Nếu NSI nhỏ hơn hoặc gần bằng 0, khi đó kết quả được xem là không thể chấp nhận hoặc độ tin cậy kém.
+ Ngược lại, nếu NSI bằng 1, thì kết quả mô phỏng của mô hình là hoàn hảo. Hiệu chỉnh mô hình: Nếu kiểm định mô hình mà các chỉ số không đạt yêu cầu thì ta phải quay lại hiệu chỉnh và kiểm tra lại các thông số đầu vào của mô hình rồi chạy lại mô hình. - Giá trị trung bình - độ lệch chuẩn - hệ số xác định (R2) (P. Krause et al., 2005).
Giá trị R2 nằm trong khoảng từ 0 - 1, thể hiện mối tương quan giữa giá trị thực đo và giá trị mô phỏng.
Nghiên cứu tiến hành kiểm chứng mô hình thông qua chỉ số NSI dựa trên lưu lượng dòng chảy từ ngày 01/01/2000 đến 31/12/2015 tại trạm Thành Mỹ. Kết quả cho thấy chỉ số NSI trung bình của mô hình là 0.7045. Giá trị trung bình của mô hình nằm trong khoảng từ 0.7 – 0.9, mức độ mô phỏng của mô hình ở mức khá. Sở dĩ chỉ số NSI chưa cao là do dữ liệu tiếp cận được còn hạn chế, còn thiếu một số yếu tố khí tượng như tốc độ gió, bức xạ mặt trời,... và ảnh hưởng của các công trình thủy điện trên hệ thống sông Bung. Tuy nhiên, với giá trị NSI như vậy, những kết quả của mô hình có thể ứng dụng để đánh giá chất lượng nước sông Bung – đoạn chảy qua huyện Nam Giang, tỉnh Quảng Nam.
3.4. KẾT QUẢ CỦA MÔ HÌNH SWAT.
Sau khi chạy thành công mô hình SWAT, chúng ta có thể thu được nhiều kết quả tương ứng. Kết quả từ mô hình SWAT dùng để đánh giá chất lượng nước sông Bung, ngoài ra còn có thể được sử dụng vào mục đích quản lý và bảo vệ nguồn tài nguyên
58
thiên nhiên.
Hình 3.15: Hộp thoại mô phỏng những kết quả của mô hình SWAT
59
Hình 3.17: Mô phỏng giá trị trầm tích trên lưu vực sông
60
61
62
3.3.1. Đánh giá thông số DO.
Nồng độ oxi hoà tan thích hợp là một yêu cầu cơ bản cho một hệ sinh thái thuỷ sinh khoẻ mạnh. Nồng độ oxy hoà tan trong dòng suối là một chức năng của khí quyển, tổng hợp photpho, thực vật và động vật hô hấp, nhu cầu của sinh vật đáy, nhu cầu oxy hoá, nitrat hoá, độ mặn và nhiệt độ. Sự thay đổi nồng độ oxy hoà tan trong ngày được tính bởi phương trình (S.L. Neisch, J.G. Arnold, J.R. Kiniry, J.R. Williams, 2009):
Trong đó,
ΔOxstr : sự thay đổi nồng độ oxi hoà tan (mg O2/L).
K2 : tỷ lệ cho sự khuếch tán Fickian (day- 1 or hr- 1). Oxsat : nồng độ oxi bão hoà (mg O2/L).
Oxstr : nồng độ oxi hoà tan trong lưu vực sông (mg O2/L).
α3 : tỷ lệ sản xuất oxy cho mỗi đơn vị quang hợp của tảo (mg O2/mg alg). μa : tốc độ tăng trưởng của tảo (day- 1 or hr- 1).
α4 : tỷ lệ hấp thu oxy trên một đơn vị tảo sống (mg O2/mg alg). ρa : tỷ lệ sự sống hoặc chết đi của tảo (day- 1 or hr- 1).
K1 : tỷ lệ cbod khử oxy (day- 1 or hr- 1).
cbod : nồng độ nhu cầu oxi sinh học của cacbon (mg CBOD/L).
K4 : tỷ lệ nhu cầu oxi của trầm tích (mg O2/(m2.day) or mg O2/(m2.hr)). depth : độ sâu của nước trong dòng sông (m).
βN,1 : hằng số tốc độ cho quá trình oxi hoá sinh học của nitơ ammonia (day- 1 or hr- 1). NH4str : nồng độ amoni đầu ngày (mg N/L).
α6 : tỷ lệ hấp thu oxy trên một đơn vị quá trình oxy hóa NO- 2 (mg O2/mg N).
βN,2 : hằng số tốc độ cho quá trình oxi hoá sinh học nitrit thành nitrat NO2str : nồng độ nitrit đầu ngày (mg N/L).
algae: nồng độ sinh khối của tảo vào đầu ngày (mg alg/L).
TT : dòng chảy trong thời gian di chuyển của lưu vực sông (day or hr).
Hàm lượng DO thấp nghĩa là nước có nhiều chất hữu cơ, dẫn đến nhu cầu oxi tăng, làm giảm lượng oxi trong nước. Nồng độ oxi hoà tan dưới 5 mg/l có thể ảnh hưởng xấu đến chức năng hoạt động và sự sống còn của các cộng đồng sinh học và nếu dưới 2 mg/l có thể dẫn đến cái chết của nhiều loài cá. (Nguyễn Kim Lợi và ctv, 2011).Việc đo lường DO có thể được sử dụng để chỉ ra mức độ ô nhiễm bởi các chất hữu cơ, quá trình phân huỷ các chất hữu cơ và mức độ tự làm sạch của nước (D.Chapman and V.Kimstach, 1996). Hàm lượng DO thấp là nước có nhiều chất hữu cơ, dẫn đến nhu cầu
63
oxi hoá tăng, yêu cầu tiêu thụ nhiều oxi trong nước. Ngược lại, DO cao chứng tỏ nước có nhiều rong tảo tham gia vào quá trình giải phóng oxi.
3.3.1.1.Theo kịch bản 1 dựa trên bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2000
Bảng 3.5: Hàm lượng DO hoà tan trung bình tháng tại đầu ra lưu vực giai đoạn 2000-2015 theo kịch bản 1
THÁNG 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
NỒNG ĐỘ
DO 4.24 4.10 4.25 4.24 4.41 4.27 4.39 4.10 4.07 4.02 4.01 3.98
Hình 3.20: Biểu đồ lượng DO hoà tan trung bình tháng tại đầu ra lưu vực giai đoạn 2000-2015 theo kịch bản 1
Nồng độ DO trong 12 tháng của giai đoạn 2000- 2015 không biến động lớn lắm, dao động trong khoảng từ 3.98 - 4.41. Trong đó, tháng 5 là tháng có hàm lượng DO cao nhất (4.41 mg/l), còn tháng 12 có hàm lượng DO thấp nhất với 3.98 mg/l. Nhìn chung, hàm lượng DO ở đây hơi thấp < 5 mg/l có thể ảnh hưởng xấu đến chức năng hoạt động và sự sống còn của các cộng đồng sinh học. Do đó, cần có giải pháp kịp thời để gia tăng hàm lượng DO trong nước, đảm bảo môi trường sông cho sinh vật phát triển.
Bảng 3.6: Phân cấp lượng DO trong nước của 2 tiểu lưu vực theo QCVN08:2008/BTNMT theo kịch bản 1 THÁNG 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 TLV 2 0.45 0.43 0.45 0.45 0.46 0.44 0.45 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 LOẠI B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 TLV 3 0.85 0.82 0.85 0.85 0.88 0.85 0.88 0.82 0.81 0.80 0.80 0.80 LOẠI B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2
64
Hình 3.21: Biểu đồ lượng DO hoà tan trung bình tháng tại tiểu lưu vực 2 và tiểu lưu vực 3 giai đoạn 2000- 2015 theo kịch bản 1
Từ tháng 3 đến tháng 7, lượng DO ở sông Bung trong giai đoạn này là lớn nhất, trong đó tháng 5 và tháng 7 ở tiểu lưu vực 3 đạt giá trị cao nhất (0.88 mg/l), còn thấp nhất là từ tháng 8- 12 ở tiểu lưu vực 2 với giá trị 0.42 mg/l.
Nồng độ DO của từng tiểu lưu vực nhìn chung có sự biến động nhưng không lớn lắm, dao động từ 0.3 -0.8 mg/l. Lượng Do giảm dần vào mùa khô ( từ tháng 7 đến tháng 12). Đánh giá chung, hàm lượng DO 2 tiểu lưu vực 2 và 3 giai đoạn 2000- 2015 là khá thấp dẫn đến chất lượng nước thấp. Hàm lượng DO ở 2 tiểu lưu vực < 2 mg/l có thể dẫn đến cái chết của nhiều loại cá, ảnh hưởng đến chất lượng nước sông, cần có biện pháp khắc phục.
3.3.1.2. Theo kịch bản 2 dựa trên bản đồ hiện trang sử dụng đất năm 2015.
Bảng 3.7: Hàm lượng DO hoà tan trung bình tháng tại đầu ra lưu vực giai đoạn 2000-2015 theo kịch bản 2
THÁNG 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
NỒNG ĐỘ
65
Hình 3.22: Biểu đồ lượng DO hoà tan trung bình tháng tại đầu ra lưu vực giai đoạn
2000-2015 theo kịch bản 2
Đối với kịch bản 2, giai đoạn từ năm 2000- 2015, hàm lượng DO trong năm này cũng không cao lắm, dao động trong khoảng từ 4.18- 4.71. Trong đó, tháng 4 là tháng có hàm lượng DO cao nhất với 4.86 mg/l, còn tháng có hàm lượng DO thấp nhất trong năm là tháng 10 với 4.05 mg/l. Nhìn chung, hàm lượng DO kịch bản 2 có cao hơn kịch bản 1 nhưng vẫn còn khá thấp, ảnh hưởng đến khả năng sinh sống và phát triển của sinh vật.
Bảng 3.8: Phân cấp lượng DO trong nước của 2 tiểu lưu vực theo QCVN08:2008/BTNMT theo kịch bản 2 Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 LV 2 0.46 0.45 0.50 0.51 0.50 0.49 0.48 0.44 0.43 0.42 0.43 0.43 LOẠI B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 LV3 0.89 0.87 0.96 0.99 0.97 0.95 0.94 0.84 0.82 0.81 0.82 0.82 LOẠI B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2
66
Hình 3.23: Biểu đồ lượng DO hoà tan trung bình tháng tại tiểu lưu vực 2 và tiểu lưu
vực 3 giai đoạn 2000- 2015 theo kịch bản 2
Giống như kịch bản 1, hàm lượng DO theo kịch bản 2 vào giai đoạn từ tháng 3 -7 là lớn nhất, trong đó cao nhất là tháng 4 ở tiểu lưu vực 3 với 0.99 mg/l. Ngược lại giai đoạn từ tháng 8 – 12 là giai đoạn hàm lượng DO thấp nhất với đỉnh điểm là tháng 10 ở tiểu lưu vực 2 với 0.42 mg/l.
Kết luận :
Nhìn một cách tổng quát thì hàm lượng DO ở sông Bung khá thấp, hàm lượng DO có tăng lên qua từng tháng nhưng không đáng kể. Hàm lượng DO thấp dẫn đến chất lượng nước của sông Bung thấp.
Phân cấp lượng DO trong nước của 2 tiểu lưu vực theo QCVN08:2008/BTNMT là B1, B2. Nước không sử dụng làm nước sinh hoạt được chỉ dùng cho mục đích tưới tiêu thuỷ lợi hoặc các mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự hoặc các mục đích sử dụng và sử dụng cho giao thông và các mục đích khác với yêu cầu nước chất lượng thấp
67
68
3.3.2. Đánh giá thông số NO3-
Nitrat (NO3-) là dạng phổ biến của nitơ kết hợp trong môi trường nước tự nhiên. Nó có thể trở thành nitrit (NO2-) do quá trình khử nitơ, thường trong điều kiện yếm khí. Nhưng sau đó, các ion nitrit thường dễ bị ôxi hóa để trở thành nitrat.
Là một dưỡng chất thiết yếu cho các thực vật thủy sinh, NO3- thay đổi theo mùa phụ thuộc vào sự phát triển và phân rã các thực vật thủy sinh này. Nồng độ tự nhiên của NO3-
, ít khi vượt quá 0,1 mg/l, có thể tăng lên bởi nước thải đô thị và công nghiệp. Trong khu vực nông thôn và ngoại thành, việc sử dụng phân bón nitrat vô cơ có thể là một nguồn quan trọng làm gia tăng nồng độ nitrat.
Nồng độ nitrat cũng có thể được giảm bởi sự hấp thụ NO3- từ tảo. Sự thay đổi lượng nitrat trong ngày được tính bởi phương trình (3.2) (S.L. Neisch, J.G. Arnold, J.R. Kiniry, J.R.Williams, 2009):
(3.2) Trong đó,
ΔNO3str : sự thay đổi nồng độ nitrat ( mg N /L).
βN,2 : hằng số tốc độ cho quá trình oxi hóa sinh học của nitrat ( day - 1 or hr - 1) NO2str : nồng độ nitat đầu ngày (mg N/L).
frNH4 : các thành phần của tảo đã hấp thụ nito từ lượng amoni trong lưu vực sông. α1 : một phần nhỏ sinh khối của tảo là nito (mgN /mg algbiomass).
μa : tốc độ tang trưởng của tảo (day - 1 or hr- 1).
Algae : nồng độ sinh khối của tảo vào đầu ngày( mg alg/ L).
TT: dòng chảy trong thời gian di chuyển cuả lưu vực sông ( day or hr).
3.3.2.1.Theo kịch bản 1 dựa trên bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2000
Bảng 3.9: Hàm lượng NO3- hòa tan trung bình tháng tại đầu ra lưu vực giai đoạn 2000- 2015 theo kịch bản 1.
THÁNG 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
NỒNG ĐỘ NO3-
69
Hình 3.24: Biểu đồ hàm lượng NO3- hòa tan trung bình tháng tại đầu ra lưu vực giai đoạn 2000- 2015 theo kịch bản 1.
Theo kịch bản 1, giai đoạn này hàm lượng NO3- của lưu vực sông Bung khá cao, đặc biệt là vào tháng 1 với hàm lượng NO3- 23.23 mg/l. Tháng có hàm lượng NO3- thấp nhất là vào tháng 7 với chỉ 0.39 mg/l. Hàm lượng NO3- cao chứng tỏ lưu vực sông Bung có khả năng ô nhiễm nguồn nước lớn, có thể đây chính là nguồn chứa các chất thải công nghiệp từ các nhà máy đổ ra, do đó cần có giải pháp kịp thời đển giảm thiểu.
Bảng 3.10: Phân cấp lượng NO3- trong nước của 2 tiểu lưu vực theo QCVN08:2008/BTNMT theo kịch bản 1 THÁNG 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 TLV 2 1.70 1.51 0.57 0.06 0.03 0.02 0.02 0.09 0.15 0.15 0.17 0.24 LOẠI A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 TLV 3 1.96 1.66 0.70 0.10 0.05 0.03 0.03 0.08 0.12 0.11 0.13 0.23 LOẠI A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1