CHƢƠNG 2 : PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.1 Xây dựng mơ hình MFA
2.3.1.1 Tìm kiếm biểu đồ dịng chảy N cho nghiên cứu MFA tại Hải Dương
Trong nghiên cứu này, chúng tôi xác định khu vực nghiên cứu ứng dụng MFA là toàn bộ tỉnh Hải Dƣơng. Trong những năm gần đây, nồng độ các thông số NH4+, NO2-, NO3- thuộc hệ thống sông ngịi khu vực tỉnh Hải Dƣơng có xu hƣớng tăng, chất lƣợng mơi trƣờng ngày càng xấu, tại nhiều điểm nồng độ NH4+
, NO2- cao hơn mức B2 (mức chỉ sử dụng cho mục đích giao thơng thủy) của quy chuẩn kĩ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc mặt QCVN 08:2009/BTNM, không đáp ứng đƣợc yêu cầu về chất lƣợng nƣớc dùng cho mục đích sinh hoạt và sản xuất. Trong nghiên cứu này dựa trên kết quả quan trắc chất lƣợng môi trƣờng trên địa bàn tỉnh Hải Dƣơng qua các năm từ 2011 đến 2013, chúng tôi đề xuất mơ hình MFA cho khu vực tỉnh Hải Dƣơng tại hình 2.2 và kế hoạch nghiên cứu mơ hình MFA đối với N trên địa bàn tỉnh Hải Dƣơng đƣợc thể hiện tại hình 2.3.
Hình 2.3: Kế hoạch nghiên cứu mơ hình MFA tại Hải Dƣơng
Giai đoạn thứ hai của
MFA Tìm các số liệu thống kê và các tài liệu có liên quan
Xác định sơ bộ về hệ thống MFA với các q trình chính và tải lƣợng
Giai đoạn chuẩn bị
Xây dựng mơ hình MFA sơ bộ
Tiến hành phân tích độ khơng đảm bảo đo và thu đƣợc kết quả đầu tiên của đầu ra
Xác định các thơng số cần đánh giá chính xác hơn Xây dựng kế hoạch thu thập dữ liệu
Đánh giá lại giá trị của các thông số Thu thập số liệu
Dữ liệu cơ sở:
- Quan sát
- Phỏng vấn ngắn
Số liệu thứ cấp:
- Rà soát lại các tài liệu
Kiểm tra lại MFA
Giai đoạn đầu tiên của
MFA
Tiến hành đánh giá độ nhạy và độ không đảm bảo đo
Hiệu chỉnh mơ hình MFA
Phân tích mơ hình MFA(các nguồn ơ nhiễm chính…)
Phát triển kịch bản, giải thích và hồn thiện tài liệu
Giai đoạn kết thúc
2.3.1.2 Thiết lập mơ hình MFA sơ cấp sau khi có các cuộc khảo sát tại hiện trường
Sau khảo sát tại hiện trƣờng, hệ thống MFA sơ bộ đã đƣợc đánh giá và mơ hình MFA đầu tiên đƣợc thiết lập (Xem phần 3.2). Phần tính tốn các liệu của mơ hình MFA đƣợc dựa trên phần mềm Microsoft office với kỹ thuật Macro. Với mỗi quá trình biến đổi nitơ sẽ tƣơng ứng với một số phƣơng trình cân bằng chất. Xác định cơ sở dữ liệu (đánh giá tham số) và sau đó tƣơng ứng là tính tốn các thơng số mơ hình (sự phân phối và các thơng số phân phối).
a) Xây dựng phƣơng trình mơ hình và phƣơng trình cân bằng
Phân tích mơ hình là các khái niệm đƣợc hình thành trên cơ sở của các mơ hình tốn học trong đó mỗi tải lƣợng hoặc tỷ lệ thay đổi trữ lƣợng tồn tại là một biến thể hiện chức năng của các thơng số.
Có hai loại phƣơng trình: phƣơng trình mơ hình và phƣơng trình cân bằng. Định luật bảo tồn khối lƣợng cho phép xây dựng phƣơng trình cân bằng cho mỗi quá trình. Phƣơng trình mơ hình dựa trên kiến thức khoa học, kiến thức chuyên môn và thể hiện việc các thông số khác nhau xác định lƣu lƣợng (các biến) trong hệ thống nhƣ thế nào. Điều quan trọng là cần phải xây dựng các phƣơng trình theo cách làm giảm nhu cầu thu thập dữ liệu. Do đó, số lƣợng các thông số đƣợc giảm đến mức tối thiểu và các phƣơng trình chứa các thơng số khó đánh giá đƣợc xây dựng lại để loại bỏ hoặc thay những thơng số này.
Một phƣơng trình cân bằng dựa trên định luật bảo tồn khối lƣợng sẽ đƣợc xây dựng cho mỗi quá trình trong hệ thống.
𝑑𝑀𝑖(𝑗 )
𝑑𝑡 = 𝐴𝑖,𝑟−𝑗
𝑟
− 𝐴𝑖,𝑗 −𝑠 𝑠
Vế trái của phƣơng trình cho thấy sự thay đổi tỷ lệ lƣợng tồn trữ của chất i trong quá trình j; vế phải là sự khác biệt giữa lƣu lƣợng đầu vào và lƣu lƣợng đầu ra của chất i đến và đi trong quá trình j.
Phƣơng trình mơ hình đƣợc phát triển để thể hiện cách các thông số khác nhau xác định các biến trong hệ thống. Phƣơng trình mơ hình cho phép thay thế các
thơng số khó định lƣợng bằng các thơng số dễ ƣớc tính hoặc dễ xác định hơn. Các phƣơng trình mơ hình này đƣợc xây dựng dựa trên thông tin từ tổng quan tài liệu và từ các phỏng vấn ngắn với chuyên gia.
b) Xây dựng tiêu chuẩn hợp lý
Việc đƣa ra tiêu chuẩn phù hợp, đại diện cho các thông số, các biến (tải lƣợng) hoặc mối quan hệ giữa các thơng số hoặc giữa các biến (ví dụ nhƣ tỷ lệ N/P) cho phép xác định tính hợp lý của các thông số đầu vào mô hình và kết quả mơ hình. Các tiêu chuẩn phù hợp này đƣợc lấy ra từ những nguồn đáng tin cậy ( từ tài liệu đã đƣợc cơng bố, kiến thức chun mơn). Điều này có thể bao gồm độ chính xác cho các thông số và quan trọng là dựa trên việc phân tích độ nhạy của các phƣơng trình mơ hình. Phân tích độ nhạy để cung cấp cái nhìn sâu sắc về các thơng số có tính quyết định nhất.
c) Đánh giá thơng số
Đánh giá tham số thô trƣớc khi thiết lập kế hoạch thu thập dữ liệu là một bƣớc quan trọng, đặc biệt là khi các phƣơng tiện thu thập dữ liệu cịn hạn chế. Vì vậy, ban đầu các giá trị tham số đƣợc đánh giá bằng cách xem xét các báo cáo của địa phƣơng, các số liệu thống kê, các tài liệu khoa học đã đƣợc công bố, và các ý kiến đánh giá của các chuyên gia cho cuộc khảo sát thực địa lần thứ hai. Hơn nữa, do phải tính đến độ không đảm bảo đo của dữ liệu nên giá trị tham số sẽ đƣợc thể hiện nhƣ các phân phối xác suất.
d) Tính tốn các biến mơ hình và các thơng số mơ hình
Biến, tức là tải lƣợng cũng nhƣ tỷ lệ thay đổi lƣợng tồn tại trong mỗi q trình, đƣợc tính tốn dựa trên các giá trị tham số và các phƣơng trình mơ hình xác định. Đơ khơng chắc chắn của biến đƣợc đánh giá bằng phƣơng pháp MonteCarlo, theo đó một tập hợp các giá trị đƣợc tính cho mỗi biến bằng cách chọn ngẫu nhiên các giá trị tham số dựa trên hàm phân phối xác suất của chúng và áp dụng phƣơng trình mơ hình. Ứng dụng macro Excel ® Microsoft ® để:
- Xác định giá trị ngẫu nhiên cho mỗi thơng số có ảnh hƣởng đến biến dựa trên phân bố xác suất của tham số,
- Tính tốn một giá trị biến dựa trên các giá trị tham số đƣợc xác định một cách ngẫu nhiên và dựa trên phƣơng trình mơ hình,
- Lặp lại 2 bƣớc trên "n" lần để thu đƣợc một tập hợp các giá trị "n" của biến. Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của biến sau đó đƣợc tính tốn dựa trên "giá trị bất biến”. Độ không đảm bảo đo của biến đƣợc minh họa qua biểu đồ tần số. Số lần lặp (n) đƣợc xác định là 1000, do đó dẫn đến sự khác biệt là khoảng 0,01% giữa trung bình của tất cả các giá trị "n" và trung bình của tất cả các giá trị "n-1". Cần phải lƣu ý rằng do tính độ khơng đảm bảo đo của các thơng số đầu vào cao nên nó chi phối độ không đảm bảo đo xấp xỉ cung cấp bởi dữ liệu hạn chế theo phƣơng pháp MonteCarlo. Do vậy, số lần lặp lại cao hơn sẽ khơng có ý nghĩa. Làm việc với phân bố xác suất sẽ tăng mơ hình thơng tin đầu ra. Khi so sánh tác động của các đề xuất khác nhau, kiến thức về phân bố xác suất cho phép xác định rõ có hay không những tác động của các đề xuất khác nhau trong cùng một phạm vi hoặc chúng có khác biệt đáng kể gì khơng.
2.3.1.3 Đánh giá thơng số sau khi tiếp tục khảo sát tại hiện trường đợt 2
Sau khảo sát thực địa lần thứ hai, mơ hình MFA đƣợc sửa đổi bởi các dữ liệu thu thập đƣợc, loại bỏ hoặc thêm một số tải lƣợng và q trình. Sau đó, độ chính xác của mơ hình đƣợc đánh giá thơng qua đánh giá tham số. Đánh giá tham số là một quá trình lặp đi lặp lại. Ban đầu lƣu lƣợng đƣợc tính toán trên cơ sở các giá trị xấp xỉ tham số đầu tiên. Sau đó, tính phù hợp của các giá trị tham số và kết quả mơ hình sẽ đƣợc đánh giá. Theo tác giả Đỗ Thu Nga [15] ít nhất 68% thông số ƣớc tính hoặc các giá trị của biến tính đƣợc nằm trong phạm vi chấp nhận). Sau đó, kiến thức thu đƣợc thơng qua các biện pháp có thể đƣợc kết hợp với kiến thức chuyên môn .
2.3.1.4 Giai đoạn kết thúc
2.3.1.4.1 Kiểm sốt độ nhạy và phân tích sự khơng chắc chắn
Bƣớc này so sánh giá trị tham số và kết quả mơ hình với phạm vi đáng tin cậy xác định bởi các tiêu chí hợp lý (Chƣơng 3). Ngồi ra, độ chính xác mục tiêu cho các biến quan trọng đƣợc thành lập nhƣ là tiêu chuẩn cho chất lƣợng mơ hình. Nếu tiêu chuẩn hợp lý không phải là dụng cụ đo sự khơng chắc chắn của biến
lớn hơn độ chính xác mục tiêu (tức là 10% - 20% lƣu lƣợng đánh giá) thì việc đánh giá tham số nên đƣợc lặp đi lặp lại. Vì vậy, phân tích độ nhạy đƣợc tiến hành và các thông số nhạy đƣợc đánh giá lại một cách chính xác hơn cho đến khi đạt đƣợc tất cả các tiêu chuẩn hợp lý và độ chính xác mục tiêu. Một khi giá trị tham số mơ hình và kết quả mơ hình là đáng tin cậy thì độ chính xác mục tiêu cho các biến quan trọng cũng đạt đƣợc, giá trị dòng vật liệu đƣợc sử dụng làm căn cứ để xác định vấn đề và mơ phỏng đề xuất.
Phân tích độ nhạy định lƣợng tác động của sự thay đổi giá trị tham số đối với một biến nhất định và cung cấp thông tin về các thông số yêu cầu đƣợc xem xét kỹ hơn khi sửa đổi giá trị tham số. Đây là một bƣớc rất quan trọng khi các nguồn thu thập dữ liệu bị hạn chế, vì nó giới hạn số lƣợng các thơng số u cầu định lƣợng thêm. Các thông số nhạy nhất đƣợc đánh giá lại trong cuộc khảo sát nghiên cứu lần thứ hai cho đến khi tất cả các tiêu chuẩn hợp lý đƣợc đáp ứng. Tại thời điểm này, các xem xét quan trọng về hệ thống và phƣơng trình mơ hình cũng rất có ý nghĩa.
2.3.1.4.2 Xác định mơ hình MFA
Đánh giá tính phù hợp của giá trị tham số và kết quả mơ hình sử dụng tiêu chuẩn hợp lý đƣợc thực hiện trong bƣớc này. Nếu không phải tất cả các tiêu chuẩn phù hợp đƣợc đáp ứng hoặc sự khơng chắc chắn của biến lớn hơn độ chính xác mục tiêu thì cần thực hiện lại việc phân tích độ nhạy và phân tích sự không chắc chắn; việc đánh giá tham số cũng nên đƣợc lặp lại.
2.3.2 Xây dựng mơ hình tính tải lượng Nitơ dựa vào các tham số của mơ hình phân phối GIS
Nhƣ đã nêu trong Chƣơng I, hiện nay, có nhiều phƣơng pháp tính tốn tải lƣợng Nitơ trong nguồn nƣớc thông qua nhiều thơng số tính tốn gây khó khăn cho ngƣời sử dụng. Ví dụ phƣơng pháp MFA cũng là một trong những phƣơng pháp tính tải lƣợng Nitơ nhƣng nó phụ thuộc rất nhiều vào các số liệu thống kê, các hệ số biến đổi của dòng chảy N trong các quá trình. Năm 2007, Lê Văn Chính và các cộng sự đã xây dựng mơ hình tính tốn tải lƣợng Nitơ của sông Chikugo – Nhật Bản, tác giả đã dựa trên kết quả quan trắc chất lƣợng môi trƣờng tại đầu ra và các
dữ liệu về nguồn thải chính đến khu vực nghiên cứu[18]. Một phƣơng pháp tính tốn tƣơng tự cũng đang đƣợc nghiên cứu để ứng dụng trong Đề tài “Nghiên cứu
thiết lập mơ hình phân phối thơng số GIS để mơ phỏng và dự báo dịng chảy, lan truyền các chất ô nhiễm và đề xuất các giải pháp trong qui hoạch và quản lý tổng hợp nguồn nước tại lưu vực sông Cầu” .
Trong khuôn khổ của luận văn này, chúng tơi ứng dụng phƣơng pháp tính tồn này để tính tốn tải lƣợng N cho 03 huyện: Bình Giang, Cẩm Giàng, Gia Lộc và thành phố Hải Dƣơng. Lý do lựa chọn khu vực này để ứng dụng là tại khu vực này thì các cơ sở sản xuất kinh doanh đều nằm trong khu cơng nghiệp tập trung nên có các dữ liệu về nguồn thải, bên cạnh đó khu vực này diện tích nơng nghiệp chiếm đến 80% tổng diện tích (theo số liệu thống kê năm 2013).
Các bƣớc tiến hành xây dựng mơ hình tính tốn tải lƣợng N cho khu vực nghiên cứu:
Bƣớc 1: Xác định vùng nghiên cứu: + Dựa trên bản đồ hệ thống sơng ngịi + Dựa trên bản đồ hành chính
+ Dựa trên đặc điểm, điều kiện tự nhiên và xã hội của vùng nghiên cứu Bƣớc 2: Thu thập các số liệu thống kê của vùng nghiên cứu:
+ Thu thập dữ liệu về các nguồn thải
+ Xác định tổng lƣợng thải N vào nguồn nƣớc + Thu thập về số liệu quan trắc tổng N qua các năm Bƣớc 3: Xây dựng mơ hình tính tốn tải lƣợng N
+ Ứng dụng mơ hình tính tốn tải lƣợng N của sơng Chikugo + Tìm ra mơ hình phù hợp cho lƣu vực sơng
Bƣớc 4: Đánh giá lại mơ hình
+ Đánh giá mơ hình thơng qua hệ số tƣơng quan R2
+ Đánh giá mơ hình thơng qua số liệu quan trắc Bƣớc 5: Kết luận và đƣa ra các kịch bản
+ Xây dựng các kịch bản phù hợp cho quá trình phát triển của vùng nghiên cứu, hƣớng ứng dụng của mơ hình.
Hình 2.4: Kế hoạch nghiên cứu mơ hình tính tốn tải lƣợng Nitơ
Bản đồ hệ thống sơng ngịi Bản đồ sử dụng đất
Hệ thống thông tin địa lý GIS
Phân bố nguồn thải
Nông nghiệp
Công nghiệp Lâm nghiệp Thủy sản Sinh hoạt
Tổng lƣợng thải N Kết quả quan trắc Ntổng, lƣu lƣợng nơi tiếp nhận nguồn thải
Phƣơng trình tính tốn tải lƣợng N: 𝐿𝑇𝑖 𝐴 = 𝑘 𝑄𝑖 𝐴 𝑛 𝑆𝑇 𝑖 𝐴
Tìm các thơng số k, n (mơ hình) của khu vực nghiên cứu
Kiểm định mơ hình
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Đánh giá hiện trạng ô nhiễm Nitơ trong môi trƣờng nƣớc thuộc các hệ thống sông khu vực tỉnh Hải Dƣơng. thống sông khu vực tỉnh Hải Dƣơng.
Để đánh giá hiện trạng ô nhiễm Nitơ trong môi trƣờng nƣớc thuộc các hệ thống sông khu vực tỉnh Hải Dƣơng, luận văn tiến hành lấy mẫu tại 31 điểm với tần suất 4 đợt/năm, thời gian lấy mẫu từ năm 2011- 2013. Qua các đợt lấy mẫu, phân tích các dạng của Nitơ chúng tơi nhận thấy nồng độ các hợp chất tăng giảm không theo quy luật, có nhiều vị trí nồng độ các thông số nhƣ NH4+-N, NO2--N cao hơn mức quy định của quy chuẩn kĩ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc mặt QCVN 08:2008/BTNMT. Kết quả phân tích đƣợc trình bày tại phụ lục 1.
3.1.1 Hiện trạng ô nhiễm NH4+-N trong nước sông tại khu vực tỉnh Hải Dương 3.1.1.1. Phân tích hàm lượng NH4+-N trên hệ thống sơng Thái Bình
a- Các điểm lấy mẫu từ S1 →S11; b- Các điểm lấy mẫu từ S12 → S19
Hình 3.1: Nồng độ NH4+
-N thuộc hệ thống sơng Thái Bình
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Đợt I - 2011 Đợt II - 2011 Đợt III - 2011 Đợt IV - 2011 Đợt I - 2012 Đợt II - 2012 Đợt III - 2012 Đợt IV - 2012 Đợt I - 2013 Đợt II - 2013 Đợt III - 2013 Đợt IV- 2013 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 Mức B2 Mức B1 mg/l Mức A2 Mức A1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 Đợt I - 2011 Đợt II - 2011 Đợt III - 2011 Đợt IV - 2011 Đợt I - 2012 Đợt II - 2012 Đợt III - 2012 Đợt IV -