STT Tập tin Đặc điểm
1 Trạm khí tƣợng
(*.txt)
Liệt kê các trạm khí tƣợng đƣợc sử dụng dể mô phỏng lƣu vực
2 Thời tiết (*.wgn) Lƣu trữ thông tin thời tiết( bức xạ Mặt Trời, vận tốc gió, độ ẩm tƣơng đối)
3 Lƣợng mƣa (*.pcp) Dữ liệu lƣợng mƣa hàng ngày tại trạm khí tƣợng
4 Nhiệt độ (*.tmp) Dữ liệu nhiệt độ hàng ngày tại trạm khí tƣợng
Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc dữ liệu thời tiết
3.2. ỨNG DỤNG M H NH SW T ĐỂ Đ NH GI CHẤT LƢỢNG NƢỚC CỦ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
3.2.1. Quy tr nh nh gi chất lƣợng nƣớc bằng m h nh SW T ở khu vực nghiên cứu
Để đánh giá chất lƣợng nƣớc lƣu vực sông Thu Bồn chảy qua huyện Nông Sơn, tỉnh Quảng Nam, đề tài đã thực hiện theo quy trình sau:
Hình 3.3. Quy trình ứng dụng SWAT trong chất lượng nước
Từ các số liệu đầu vào của mơ hình bao gồm dữ liệu về địa hình, hiện trạng sử dụng đất, thổ nhƣỡng, lƣu lƣợng dòng chảy, các số liệu khí tƣợng nhƣ: nhiệt độ, lƣợng mƣa, độ ẩm khơng khí, bức xạ mặt trời, gió,… Đề tài tiến hành xử lý dữ liệu phù hợp với đầu vào của mơ hình SWAT. Tiếp tục, đề tài sử dụng cơng cụ ArcSWAT đƣợc tích hợp trong phần mềm ArcGIS để chạy mơ hình này. Sau khi có kết quả, đề tài tiến hành kiểm định mơ hình dựa vào số liệu về lƣu lƣợng dịng chảy thu thậpở trạm thủy văn Nông Sơn từ năm 2003 đến 2013.
3.2.2. C c bƣớc chạy m h nh SW T
Mục tiêu của đề tài là đánh giá chất lƣợng nƣớc mặt lƣu vực sông Thu Bồn nên đề tài đã ứng dụng mơ hình SWAT vào trong nghiên cứu. Dữ liệu đầu vào trong mơ hình SWAT bao gồm bản đồ DEM, bản đồ đất, bản đồ sử dụng đất và dữ liệu thời tiết.
Trong đó tiến trình thực hiện qua 6 bƣớc Bƣớc 1: Tạo ranh giới lƣu vực và tiểu lƣu vực
Hình 3.4: Load bản đồ DEM và Load Mask của khu vực
Hình 3.5: Nhập dữ liệu địa hình DEM, xác định ranh giới lưu vực
Hình 3.7. Nhập dữ liệu thổ nhưỡng trong SWAT
Hình 3.8. Nhập dữ liệu độ dốc trong SWAT
Bƣớc 3: Định nghĩa dữ liệu về thời tiết
27
Hình 3.10: Nhập dữ liệu lượng mưa và nhiệt độ trong SWAT
Hình 3.11: Nhập dữ liệu độ ẩm và năng lượng mặt trời
Hình 3.12: Nhập dữ liệu năng lượng gió
Bƣớc 4: Chạy mơ hình SWAT
Hình 3.14: Kết quả chạy mơ hình SWAT cho các năm
Bƣớc 5. Xuất kết quả
Sau khi chạy thành cơng mơ hình SWAT, chúng ta sẽ thu đƣợc rất nhiều kết quả liên quan. Trong giới hạn của đề tài, chúng tôi nghiên cứu về chất lƣợng nƣớc của lƣu vực sông Thu Bồn chảy qua huyện Nông Sơn, tỉnh Quảng Nam.
Bƣớc 6: Kiểm định mơ hình
Kết quả mơ phỏng dịng chảy trong SWAT đƣợc đánh giá dựa trên giá trị lƣu lƣợng dòng chảy thực đo. Chỉ số NSE (Nash- Sutcliffe Effciency) và PBIAS (Percent Bias) đƣợc sử dụng để đánh giá độ tin cậy của mơ hình SWAT. Giá trị NSE và PBIAS chạy từ - ∞ 1, chỉ số NSE đo mức độ phù hợp giữa số liệu mơ phỏng vói số liệu quan trắc trên đƣờng 1:1, chỉ số PBIAS đo xu hƣớng trung bình của số liệu mơ phỏng là lớn hơn hay nhỏ hơn so với số liệu quan trắc.
* Bảng phân cấp cho lƣu lƣợng dòng chảy: Rất tốt: 0,75 < NSE ≤ 1,00 PBIAS < 10 Tốt: 0,65 < NSE ≤ 0,75 10 ≤ PBIAS < 15
Chấp nhận: 0,50 < NSE ≤ 0,65 15 ≤ PBIAS < 25 Không chấp nhận: NSE ≤ 0,50PBIAS 25
Công thức tính NSE và PBIAS đƣợc thể hiện lần lƣợt trong cơng thức (1) và (2)
Trong đó, Yobs là giá trị thực đo, Ysim là giá trị mô phỏng, Ymean là giá trị thực đo trung bình, n là số lƣợng giá trị tính tốn.
Nghiên cứu tiến hành kiểm chứng mơ hình thơng qua chỉ số NSE dựa trên lƣu lƣợng dòng chảy năm 2012 của trạm Nông Sơn. Kết quả kiểm chứng cho thấy chỉ số
NSE của mơ hình bằng 0,7. Sở dĩ kết quả kiểm chứng chƣa cao là do nhiều nguyên nhân:
- Nhiều loại đất của khu vực khơng có trong danh mục đất của mơ hình SWAT, vì vậy khi đổi qua tƣơng ứng sẽ có sự sai lệch.
- Ảnh hƣởng của các thủy điện trên hệ thống sơng Thu Bồn nên dịng chảy khơng cịn tự nhiên theo mơ hình.
- Một số yếu tố khi tƣợng nhƣ gió, độ ẩm chƣa đƣợc thu thập đầy đủ.
Tuy nhiên, với giá trị NSE là 0,7. Đây là mức có thể chấp nhận đƣợc và chúng ta có thể sử dụng kết quả của mơ hình để đánh giá các thơng số liên quan đến chất lƣợng nƣớc của khu vực nghiên cứu.
3.3. Đ NH GI , PHÂN TÍCH C C TH NG SỐ LIÊN QU N ĐẾN CHẤT LƢỢNG NƢỚC CỦ LƢU VỰC S NG THU BỒN ĐOẠN CHẢY QU HUYỆN N NG SƠN
3.3.1. Kết quả của m phỏng của m h nh SW T
Chất lƣợng nƣớc mặt đƣợc đánh giá dựa trên nhiều thông số khác nhau (chi tiết xem trong QCVN 08:2008/BTNMT) với 4 cấp độ phân hạng (bảng 4.1): A1, A2, B1 và B2 (Bộ Tài Nguyên và Môi Trƣờng, 2008).
Bảng 3.3. Giá trị giới hạn các thông số chất lượng nước mặt (QCVN 08:2008/BTNMT) S TT Thông số Đơn vị
Giá trị giới hạn Ghi
chú A1 A2 B1 B2 1 DO mg/l ≥ 6 ≥ 5 ≥ 4 ≥ 2 2 NH4+ mg/l 0.1 0.2 0.5 1 3 NO3- mg/l 2 5 10 15 4 PO43- mg/l 0.1 0.2 0.3 0.5
Ghi chú: Việc phân hạng nguồn nƣớc mặt nhằm đánh giá và kiểm soát chất lƣợng nƣớc, phục vụ cho các mục đích sử dụng nƣớc khác nhau
Bảng 3.4. Phân cấp chất lượng nước theo QCVN 08:2008/BTNMT
Cấp Mục ích
A1
Sử dụng tốt cho mục đích cấp nƣớc sinh hoạt và các mục đích khác nhƣ loại:
A2- B- B2.
A2 phù hợp; bảo tồn động thực vật thuỷ sinh, hoặc các mục đích sử dụng nhƣ loại B1 và B2.
B1
Dùng cho mục đích tƣới tiêu thuỷ lợi hoặc các mục đích sử dụng khác có u cầu chất lƣợng nƣớc tƣơng tự hoặc các mục đích sử dụng nhƣ loại B2.
B2 Giao thơng và các mục đích khác với yêu cầu nƣớc chất lƣợng thấp.
Lƣu ý cần quan tâm là theo QCVN 08:2008/BTNMT, giá trị giới hạn của các thơng số chất lƣợng nƣớc mặt tính theo nồng độ mg/l, trong khi đó đơn vị tính của các thơng số này trong mơ hình SWAT lại tính theo đơn vị kg. Do vậy, cần phải chuyển đổi đơn vị tính của các thơng số này trong SWAT về cùng đơn vị tính theo tiêu chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT. Q trình chuyển đổi sẽ đƣợc thực hiện thơng qua các bƣớc sau:
- Tính tốn tổng lƣợng dòng chảy tháng W (m3), hay lƣợng nƣớc chảy qua mặt cắt cửa xả tiểu lƣu vực trong khoảng thời gian tháng theo công thức: W = Q x T. Trong đó: Q là lƣu lƣợng 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 x 24 giờ x 60 phút x 60 giây. - Xác định nồng độ của các thông số (mg/l) bằng cách lấy giá trị tính trong SWAT (kg) chia cho tổng lƣợng dòng chảy tháng W (m3), sau đó quy đổi sang đơn vị mg/l, cụ thể nhƣ sau: Nồng độ DO = (DISOX_OUT / W) x 103 Nồng độ PO3- 4 = (MINP_OUT / W) x 103 Nồng độ NO3- = (NO3_OUT / W) x 103 Nồng độ NH+4 = (NH4_OUT / W) x 103 3.3.2. Đ nh gi th ng số DO
Nồng độ oxi hồ tan thích hợp là một yêu cầu cơ bản cho một hệ sinh thái thuỷ sinh khoẻ mạnh. Nồng độ oxy hoà tan trong dịng 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 đƣợc tính bởi phƣơng trình (S.L. Neisch, J.G. Arnold, J.R. Kiniry, J.R. Williams, 2009):
Trong đó,
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 hồ tan trong lƣu vực sơng (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 trƣởng 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 nƣớc trong dịng sơng (m).
βN,1 : hằng số tốc độ cho quá trình oxi hố 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 q trình oxy hóa NO2- (mg O2/mg N). βN,2 : hằng số tốc độ cho q trình oxi hố 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 lƣu vực sông (day or hr).
Oxi cần thiết cho tất cả các dạng sống dƣới nƣớc. Hàm lƣợng oxi hoà tan (DO) trong nƣớc tự nhiên thay đổi theo thời gian, tuỳ thuộc vào nhiệt độ, độ mặn, các hoạt động sinh học (ví dụ nhƣ quang hợp và hơ hấp) và áp suất khí quyển. Xác định nồng độ DO là một phần cơ bản của quy trình đánh giá chất lƣợng nƣớc, bởi vì oxi có liên quan, hoặc ảnh hƣởng đến gần nhƣ tất cả các quá trình sinh học, hố học trong môi trƣờng nƣớc (FrancisFloyd, R., 1992).
Hàm lƣợng DO thấp nghĩa là nƣớc có nhiều chất hữu cơ, dẫn đến nhu cầu oxi tăng, làm giảm lƣợng oxi trong nƣớc. Nồng độ oxi hoà tan dƣới 5 mg/l có thể ảnh hƣởng xấu đến chức năng hoạt động và sự sống còn của các cộng đồng sinh học và nếu dƣới 2 mg/l có thể dẫn đến cái chết của nhiều loài cá. (Nguyễn Kim Lợi và ctv, 2011).Việc đo lƣờng DO có thể đƣợc 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 nƣớc (D.Chapman and V.Kimstach, 1996). Hàm lƣợng DO thấp là nƣớc có nhiều chất hữu cơ, dẫn đến nhu cầu oxi hoá tăng, yêu cầu tiêu thụ nhiều oxi trong nƣớc. Ngƣợc lại,
Hình 3.15: Biểu đồ lượng DO hồ tan trung bình tháng tại đầu ra lưu vực giai đoạn 2003- 2013
Hình 3.16: Biểu đồ lượng DO hồ tan trung bình tháng tại tiểu lưu vực 1 và tiểu lưu vực 2 giai đoạn 2003- 2013
Bảng 3.5: Phân cấp lượng DO trong nước của 2 tiểu lưu vực số 1 và số 2 theo QCVN08:2008/BTNMT Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 LV 1 2.21 2.11 2.21 2.75 3.08 3.20 3.24 3.10 2.79 2.48 2.31 2.25 LOẠI B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 LV2 0.90 0.87 0.90 1.05 1.12 1.15 1.16 1.13 1.05 0.98 0.93 0.92 LOẠI B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2
Nhận xét: Nồng độ DO của nƣớc sông Thu Bồn huyện Quảng Nam
Từ tháng 4 đến tháng 10 vào mùa mƣa lƣợng DO của sơng Thu Bồn tăng trong đó tháng cao nhất là tháng 7 ở tiểu lƣu vực 1 chỉ đạt giá trị là 3.24 (mg/l) còn ở tiểu lƣu vực 2 chỉ đạt giá trị là 1.16 (mg/l).
Nồng độ DO của từng tiểu lƣu vực qua các tháng tƣơng đối tăng giảm đồng đều không chênh lệch lớn tuy nhiên nồng độ DO ở tiểu lƣu vực 1 lớn hơn so với tiểu lƣu vực 2 nhiều trong tháng 7 nồng độ DO của lƣu vực 1 lớn hơn so với lƣu vực 2 là 2.79 lần.
Đánh giá nồng độ DO ở sông Thu Bồn là thấp dẫn đến chất lƣợng nƣớc thấp. Hàm lƣợng DO thấp nghĩa là nƣớc có nhiều chất hữu cơ, dẫn đến nhu cầu oxi tăng,làm giảm lƣợng oxi trong nƣớc. Nồng độ oxi hoà tan dƣới 5 mg/l có thể ảnh hƣởng xấu đến chức năng hoạt động và sự sống còn của các cộng đồng sinh học và dƣới 2 mg/l có thể dẫn đến cái chết của nhiều lồi cá, nƣớc có nhiều chất hữu cơ dẫn đến nhu cầu oxi hoá tăng, yêu cầu tiêu thụ nhiều oxi trong nƣớc. Hàm lƣợng oxi hòa tan (DO) trong nƣớc tự nhiên thay đổi theo thời gian, tùy thuộc vào nhiệt độ, độ mặn, các hoạt động sinh học (ví dụ nhƣ quang hợp và hơ hấp) và áp suất khí quyển.
Phân cấp lƣợng DO trong nƣớc của 2 tiểu lƣu vực theo QCVN08:2008/BTNMT là B2 .Nƣớc không sử dụng làm nƣớc sinh hoạt đƣợc chỉ dùng cho mục đích tƣới tiêu thuỷ lợi hoặc các mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lƣợng nƣớc tƣơng tự hoặc các mục đích sử dụng, sử dụng cho giao thông và các mục đích khác với yêu cầu nƣớc chất lƣợng thấp.
3.3.3. Đ nh gi th ng số NO3-
Khối lƣợng nitrat trong lƣu vực sơng có thể tang bởi q trình oxi hóa của NO2- . Nồng độ nitrat cũng có thể đƣợc giảm bởi sự hấp thụ NO3- từ tảo. Sự thay đổi lƣợng nitrat trong ngày đƣợc tính bởi phƣơng 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 q 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 lƣợng amoni trong lƣu vực sông. α1 : một phần nhỏ sinh khối của tảo là nito (mgN /mg algbiomass).
μa : tốc độ tang trƣởng 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 lƣu vực sông ( day or hr). Kết quả mô phỏng lƣợng NO- 3 giai đoạn 2003 – 2013
Nitơ cần thiết cho sinh vật nhƣ là một thành phần quan trọng của protein, bao gồm cả vật liệu di truyền. Thực vật và vi sinh vật chuyển đổi nitơ vô cơ thành nitơ hƣu cơ. Trong môi trƣờng, nitơ vô cơ tồn tại ở nhiều trạng thái ơxi hố khác nhau nhƣ nitrat, nitrit, amoni và phân tử nitơ. Nitrat là dạng phổ biến của nitơ kết hợp trong mơi trƣờng tự nhiên. Nó có thể trở thành nitrit do quá trình khử nitơ, thƣờng trong điều kiện yếm khí. Nhƣng sau đó, các ion nitrit thƣờng dễ bị ơxi hố thành nitrat. (Nguyễn Kim Lợi và ctv,2011)
Hình 3.17. Biểu đồ lượng NO3- hồ tan trung bình tháng tại đầu ra lưu vực giai đoạn 2003- 2013
Hình 3.18: Biểu đồ lượng NO3- hồ tan trung bình tháng tại tiểu lưu vực 1 và tiểu lưu vực 2 giai đoạn 2003- 2013
Bảng 3.6. Phân cấp lượng NO3- trong nước của 2 tiểu lưu vực theo QCVN08:2008/BTNMT Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 LV1 0.30 0.25 2.72 2.36 1.23 0.88 0.82 0.80 0.55 0.36 0.29 0.29 LOẠI A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 LV2 0.31 0.26 2.95 1.25 0.88 0.79 0.75 0.79 0.52 0.35 0.29 0.30 LOẠI A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1
Nhận xét : Nồng độ NO3- trong nƣớc sông Thu Bồn huyện Quảng Nam
Tháng 3 và tháng 4 là tháng nồng độ NO3- tăng, cao nhất là tháng 3 tiểu lƣu vực 1 đạt giá trị là 2.72 (mg/l), tiểu lƣu vực 2 đạt giá trị là 2.95 (mg/l) sau đó bị giảm dần qua các tháng tháng có nồng độ thấp nhất là tháng 2 ở tiểu lƣu vực 1 đạt giá trị 0.25 (mg/l) và tiểu lƣu vực 2 đạt giá trị 0.24 (mg/l). Nồng độ NO3- tăng giảm đột biến và có sự chênh lệch lớn giữa các tháng trong năm.
Nhìn chung nồng độ NO3- trong nƣớc sông Thu Bồn thấp nên đƣợc phân cấp lƣợngtrong nƣớc của 2 tiểu lƣu vực theo QCVN08:2008/BTNMT là A1, sử dụng tốt cho mục đích cấp nƣớc sinh hoạt và các mục đích khác chất lƣợng nƣớc tốt.
3.3.4. Đ nh gi th ng số NH 4+
Khối lƣợng amoni (NH+4) trong lƣu vực sơng có thể tang lên bởi các khống nito