CHƢƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦ ĐỀ TÀI
2.3. HIỆN TRẠNG CHẤT LƢỢNG NƢỚC TẠI KHU VỰC NGHIÊN CỨU
2.3.1. Hiện trạng môi trƣờng nƣớc sông Thu Bồn
Môi trƣờng nƣớc mặt đoạn sông Thu Bồn qua huyện Nông Sơn, không những chịu ảnh hƣởng do quá trình phát triển kinh tế xã hội của huyện mà còn chịu tác động từ các hoạt động phát sinh ô nhiễm từ khu vực lân cận ở thƣợng nguồn.
Nguồn nƣớc mặt tại nơi đây đã và đang có nguy cơ bị ô nhiễm ngày thêm trầm trọng, làm cho chất lƣợng nƣớc ngày càng giảm nên chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu sản xuất và đời sống dân sinh.
Đã có nhiều chƣơng trình quan trắc mơi trƣờng nƣớc mặt lục địa đƣợc tiến hành trên địa bàn tỉnh Quảng Nam nói chung và huyện Nơng Sơn nói riêng, có liên quan đến chất lƣợng mơi trƣờng nƣớc lƣu vực sông Thu Bồn nhƣ:
- Chƣơng trình Quan trắc mơi trƣờng nƣớc mặt Vùng kinh tế trọng điểm miền Trung.
- Chƣơng trình Quan trắc môi trƣờng nƣớc lƣu vực sông Vu Gia- Thu Bồn; - Chƣơng trình Quan trắc mơi trƣờng tỉnh Quảng Nam;
- Chƣơng trình Quan trắc mơi trƣờng của huyện Nơng Sơn.
2.3.2. Khả năng chịu tải của sông Thu Bồn oạn qua huyện N ng Sơn
Qua số liệu quan trắc nhiều năm từ các Chƣơng trình quan trắc, tính tốn, đánh giá khả năng tiếp nhận nguồn thải sông Vu Gia- Thu Bồn từ các sông với các thông số quá tải đối với sông Vu Gia- Thu Bồn là :
TSS = 29.652,48- 1.256.093,22 kg/ngày PO43- = 3.075,3810 kg/ngày
NH4+ = 18,6513 - 541,6209 kg/ngày Fe = 1.085,5351- 3.439,7637 kg/ngày NO2- = 4,435776kg/ ngày.
CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG M H NH SW T Đ NH GI CHẤT LƢỢNG NƢỚC TẠI LƢU VỰC S NG THU BỒN ĐOẠN CHẢY QU HUYỆN
N NG SƠN 3.1. TỔNG QU N DỮ LIỆU NGHIÊN CỨU 3.1.1. Dữ liệu ịa h nh
Dữ liệu địa hình thể hiện bằng bản đồ số mơ hình độ cao (DEM - Digital Elevation Model) (Borrough, 1986). DEM là bản đồ dạng raster, đƣợc xác định dựa trên bản đồ đƣờng đồng mức (contour).
Bản đồ DEM đƣợc tạo thành từ qui trình xử lý dữ liệu địa hình bằng phần mềm ArcGIS.
Hình 3.1. Quy trình xử lý dữ liệu địa hình
3.1.2. Dữ liệu thổ nhƣỡng
Đầu vào của mơ hình SWAT đƣợc phân chia thành hai nhóm: đặc điểm vật lý và đặc điểm hoá học của đất. Đặc điểm vật lý của đất chi phối sự di chuyển của nƣớc và khơng khí xun qua các lớp đất và có tác động đáng kể đến chu trình nƣớc trong phạm vi của HRU. Đặc điểm hoá học đất đƣợc sử dụng để thiết lập ban đầu của hoá học đất. Trong khi, các thơng số về vật lí là điều bắt buộc thì các thơng
số hóa học cho phép tùy ý có hoặc khơng. Dữ liệu đầu vào của đất chứa các đặc trƣng vật lý đối vối toàn bộ các lớp trong đất (Bảng 3.1).
Bảng 3.1. Thông số dữ liệu đất trong mơ hình SWAT
Thơng số Mơ tả
TITLE/TEXT
Dịng đầu tiên của file soil là những ghi chú của ngƣời dùng. Độ rộng của chuỗi kí tự cho phép tối đa là 80 spaces.
SNAM Tên đất
HYDGRP Nhóm thủy văn đất (Soil hydrologic group): A, B, C, D.
SOL_ZMX Độ sâu cực đại của lớp đất trong phạm vi khảo sát (mm).
ANION_EXCL
Hầu hết các chất khống trong đất đều mang điện tích âm ở pH trung tính và có sự tƣơng tác giữa lớp điện tích ngồi cùng với các anion cùng dấu, đó là lực đẩy bề mặt của các hạt khống. Nếu khơng có số liệu thì mặc định giá trị ANION_EXCL là 0.5 (Neitsch et al., 2002).
SOL_CRK Tỷ lệ thể tích lớn nhất khi bị nén/ tổng thể tích ban đầu
TEXTURE Kết cấu đất
SOL_Z Độ dày của từng lớp đất (mm)
SOL_BD Dung trọng của lớp đất (g/cm3)
SOL_AWC Phạm vi nƣớc hữu hiệu của đất (mm H2O/mm soil)
Ksat Tốc độ dẫn nƣớc bão hòa (mm/hr)
SOL_CBN Hàm lƣợng Carbon hữu cơ (%)
CLAY % thành phần sét (% theo khối lƣợng)
SILT % thành phần thịt (% theo khối lƣợng)
SAND % thành phần cát (% theo khối lƣợng)
ROCK % thành phần đá (% theo khối lƣợng)
SOL_ALB Suất phản chiếu (khơng có số liệu)
USLE_K Hệ số xói mịn đất
SOL_EC Độ dẫn điện (dS/m)
(Nguồn: S.L. Neitsch nnk, 2004)
3.1.3. Dữ liệu sử dụng ất
Hình thức sử dụng đất thể hiện các hoạt động của con ngƣời trên khu vực nghiên cứu. Đây là một thành phần quan trọng của dữ liệu đầu vào trong SWAT. Hình thức sử dụng đất có liên quan hầu hết đến các quá trình. Trên mỗi đơn vị diện tích ứng với mỗi loại hình sử dụng đất, SWAT sẽ ứng dụng các mơ hình để tính tốn, xác định, mô phỏng sự di chuyển chất ô nhiễm trong đất, nƣớc trên phạm vi toàn khu vực nghiên cứu.
Trong các thành phần dữ liệu đầu vào của SWAT, hình thức sử dụng đất thể hiện ý chí và chủ đích của con ngƣời rõ rệt nhất. Nó thay đổi khơng ngừng theo thời gian, mục đích sử dụng của con ngƣời và phụ thuộc vào điều kiện kinh tế- xã hội, đƣờng lối chiến lƣợc phát triển của địa phƣơng. SWAT giúp mơ hình, dự báo các q trình
cơng cụ đánh giá chất lƣợng môi trƣờng, giúp nhà quản lí cân nhắc đến yếu tố bền vững của môi trƣờng trƣớc khi ra quyết định cho một chiến lƣợc, kế hoạch phát triển của địa phƣơng.
Hình thức sử dụng đất đƣợc phân chia thành hai nhóm chính sau:
- Đất dành cho thực vật, hoạt động canh tác nông nghiệp của con ngƣời: đất rừng, đất trồng lúa, đất trồng ngô…
- Đất dành cho q trình đơ thị hóa: khu dân cƣ, thƣơng mại, công nghiệp, công viên…
3.1.4. Dữ liệu thời tiết
Dữ liệu thời tiết bao gồm các thành phần: toạ độ trạm đo, số liệu lƣợng mƣa, nhiệt độ khơng khí, độ ẩm khơng khí tƣơng đối, năng lƣợng bức xạ mặt trời, tốc độ gió. Trong đó, ba thành phần số liệu về vị trí địa lý bắt buộc phải cung cấp thông tin cho SWAT: trạm đo, lƣợng mƣa, nhiệt độ. Các số liệu về độ ẩm khơng khí, năng lƣợng bức xạ mặt trời, tốc độ gió… có thể tùy chọn có hoặc không phụ thuộc vào điều kiện số liệu.
Dữ liệu thời tiết đƣợc biên soạn thành các định dạng thích hợp để chạy mơ hình SWAT, bao gồm tập tin Trạm khí tƣợng (*.txt), tập tin Thời tiết (*.wgn), tập tin Lƣợng mƣa (*.pcp), tập tin Nhiệt độ (*.tmp). Các tập tin này đƣợc mô tả trong bảng 3.2:
Bảng 3.2. Thông tin về các tập tin dữ liệu thời tiết
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 công 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 dòng 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
Cơng thức tính NSE và PBIAS đƣợc thể hiện lần lƣợt trong công 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 yêu 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 thông 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 dịng 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