CHƢƠNG I : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.3. Tổng quan về mô hình chất lƣợng nƣớc có thể dùng tính tốn sức chịu tả
1.3.1. Một số mơ hình mơ phỏng chất lượng nước của Việt Nam
a. Mơ hình VRSAP
Mơ hình VRSAP [23] do cố PGS. Nguyễn như Khuê xây dựng từ 1978, dùng để tính tốn thuỷ lực mạng lưới kênh, sông. Từ khi ra đời, mơ hình này đã được sử dụng rộng rãi cho nhiều dự án qui hoạch tài nguyên nước trên đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long, kể cả trong khuôn khổ các dự án do nước ngoài tài
trợ, như dự án qui hoạch tổng thể Đồng bằng sông Cửu long do NEDECO thực hiện, dự án qui hoạch và kiểm sốt lũ châu thổ sơng Mê cơng do cơng ty KOICA của Hàn quốc thực hiện,... Trong quá trình áp dụng, chương trình VRSAP đã được nâng cấp để tính tốn lan truyền mặn, hồn thiện dần từ chạy trên môi trường DOS chuyển sang môi trường WINDOWS, nối kết với công cụ thông tin địa lý (GIS). Về cơ bản chương trình VRSAP đã đáp ứng được các u cầu tính tốn thời đó. Tuy nhiên do nhu cầu phát triển, kích cỡ của các bài tốn qui hoạch cũng tăng dần (ví dụ không trong khuôn khổ Đồng bằng sông Cửu long của Việt Nam mà cho cả châu thổ Mê Kơng trong đó có Căm pu chia chẳng hạn), và thời gian mơ phỏng dài, địi hỏi mô tả phức tạp về vận hành các hệ thống cống đập,... thì mơ hình VRSAP chưa đáp ứng được. Ngồi ra, khả năng kết nối với cơng cụ GIS và Database chưa mạnh. Mơ hình VRSAP được thiết kế chỉ để tính lan truyền mặn trong hệ thống kênh sơng, mà chưa đề cập đến tính tốn các chất ơ nhiễm thơng thường.
b. Mơ hình SALOWIN
SALOWIN [23] là mơ hình lan truyền mặn, có tính tới ảnh hưởng của thuỷ triều trong hệ thống sông rạch, được xây dựng bởi Nguyễn Hữu Nhân từ những năm cuối 1990. Mơ hình này dựa trên kỹ thuật sai phân ẩn để giải hệ phương trình thủy lực và thuật tốn phân rã tốn tử để giải phương trình tải – khuếch tán. Cũng như VRSAP, mơ hình này được xây dựng để tính lan truyền mặn và không phải đối tượng xem xét đánh giá trong báo cáo này. Tuy nhiên, cơ sở của SALOWIN được khai thác và kế thừa trong mô hình tính tốn chất lượng nước sơng HYDROLOGIS của tác giả và các cộng sự Đại học khoa học TP. Hồ Chí Minh.
c. Mơ hình HYDROGIS
Mơ hình HYDROGIS [23] được Nguyễn Hữu Nhân và cộng sự xây dựng và áp dụng trong một số đề tài nghiên cứu khoa học tại TP. Hồ Chí Minh và các tỉnh phía Nam trong những năm gần đây. Mơ hìnhcho phép tính tốn dịng chảy và lan truyền ơ nhiễm, tràn dầu có tính đến ảnh hưởng của thuỷ triều và dịng chảy xiết.
d. Mơ hình chất lượng nước WQ
Mơ hình này được xây dựng trên cơ sở mơ hình truyền mặn SAL của tác giả Nguyễn Tất Đắc và các cộng sự thuộc Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam đầu những năm 1980. Nhiều phiên bản của WQ được Nguyễn Tất Đắc và nhóm cán bộ Phân Viện Quy hoạch thủy lợi Nam Bộ (nơi ông Đắc chuyển tới làm việc từ Viện Cơ học) xây dựng,phục vụ đánh giá và dự báo chất lượng nước sơng Đồng Nai – Sài Gịn vào những năm 1009. Phiên bản WQ96 đã được cài đặt cho Sở KHCN thành phố Hồ Chí Minh có khả năng mơ phỏng dịng chảy phứctạp, với sự hiện diện của các cơng trình lấy nhiều nước và của nhiều nguồn thải.
Ngồi ra cịn một số mơ hình khác như mơ hình DELTA, mơ hình SHADM…Các mơ hình trên đa phần khơng tính ảnh hưởng của mật độ (chẳng hạn độ mặn) và vận tốc của dịng gia nhập dịng chảy trong sơng kênh. Ảnh hưởng của gió cũng được một số mơ hình đưa vào khi cần xem xét trong một số trường hợp như đối với các cửa sơng lớn, tuy nhiên khi tính trong mạng kênh sơng nội đồng, do chiều rộng kênh hẹp nên hiệu ứng gió được bỏ qua.
1.3.2. Một số mơ hình mơ phỏng chất lượng nước của nước ngồi
a. Mơ hình CORMIX
Đây là mơ hình tính lan truyền ơ nhiễm, nhiệt 3 chiều có tính đến ảnh hưởng của thuỷ triều, tuy nhiên chỉ áp dụng cho 01 nguồn thải hay một dãy nguồn thải liền nhau trên sơng, biển ven bờ. Mơ hình này khơng áp dụng được cho hệ thống kênh, sơng có rất nhiều nguồn thải khác nhau, phân tán trên toàn lưu vực sơng. Do vậy, mơ hình này khơng được xem xét trong nghiên cứu này.
b. Mơ hình MITSIM
Mơ hình được sử dụng để đánh giá về mặt thủy văn và kinh tế của các phương án khai thác nguồn nước mặt, bao gồm các hệ thống tưới, các hồ chứa, các nhà máy thủy điện, cấp nước sinh hoạt và công nghiệp tại nhiều vị trí khác nhau
trong hệ thống sơng. Mơ hình MITSIM đã được sử dụng để tính cân bằng nước phần thượng lưu và trung lưu hệ thống sông Đồng Nai. Tuy nhiên, Mơ hình MITSIM khơng dùng để tính tốn các chất ơ nhiễm, do vậy nó khơng được xét đến trong nghiên cứu này.
c. Mơ hình QUAL 2K
QUAL2E là một mô hình dịng chảy ổn định một chiều để tính chất lượng nước và dịng chảy trong sơng. Mơ hình QUAL2E có thể mơ phỏng tới 16 yếu tố đánh giá chất lượng nước dọc theo dịng sơng và các nhánh sơng. Mơ hình địi hỏi các giả thiết sau:
+ Sự vận chuyển do đối lưu dựa trên dòng chảy trung bình.
+ Xáo trộn hồn tồn dẫn đến chỉ thị chất lượng nước là như nhau trên tồn mặt cắt sơng + Sự vận chuyển do khuếch tán liên quan với gradient nồng độ
Mơ hình cho phép người dùng mơ phỏng mọi tổ hợp của các yếu tố sau: DO, nhiệt độ, photpho, nitrat, nitrit, amoni, nitơ hữu cơ, Chlorophyll-a, và 3 chất hòa tan bảo tồn, chất hịa tan khơng bảo toàn và vi khuẩn coliform. Trong khi phần lớn các yếu tố trên được mô phỏng theo quá trình phân hủy bậc nhất, nitrat, phốt phát và DO có thể được mơ phỏng chi tiết ở bậc cao hơn.
u cầu dữ liệu của mơ hình như sau: + Dữ liệu về lưu lượng và các thông số thủy lực + Điều kiện ban đầu
+ Các hệ số tốc độ phản ứng
+ Dữ liệu khí hậu cục bộ để tính tốn cân bằng nhiệt
+ Thông số tốc độ của tất cả các phản ứng sinh học và hóa học
Ưu điểm chính của mơ hình QUAL2E là: Có nhiều tài liệu hướng dẫn cơ sở lý thuyết rõ ràng dễ hiểu. Có thể tải miễn phí từ trang web. Địi hỏi ít dữ liệu để mơ phỏng trầm tích và chỉ địi hỏi một số đại lượng về thủy lực.
Mơ hình QUAL2E cải tiến và QUAL2E-UNCAS là các mơ hình chất lượng nước một chiều (dọc theo dịng chảy của sơng), có giả thiết là dịng chảy ổn định (thủy lực ở trạng thái ổn định), nhưng cho phép mô phỏng sự thay đổi về nhiệt độ
hoặc q trình quang hợp và hơ hấp của tảo. QUAL2E mô phỏng một hệ thống các đoạn sông độc lập, không giống nhau tạo thành một nhánh sông. Ảnh hưởng của sự lấy nước từ sơng, sự có mặt của các nhánh sơng, hợp lưu đều được mô phỏng. Các biến số chất lượng nước được mơ phỏng bao gồm các hợp chất bảo tồn, nhiệt độ, vi khuẩn, BOD, DO, ammonia; nitrit, nitrat, và nitơ hữu cơ, phosphate và photphat hữu cơ, và tảo. QUAL2E được sử dụng rộng rãi để tính tải lượng cực đại ngày và cho việc xác định hạn ngạch xả thải ở Mỹ và nhiều nước khác. Phần mềm có tuổi thọ ứng dụng nhiều năm và là một công cụ phân tích hiệu quả. Phiên bản 3 của QUAL2E lồng ghép nhiều phương pháp phân tích tính khơng chắc chắn, điều này hữu ích cho công tác đánh giá rủi ro. Do QUAL2E được coi là mơ hình tính tốn được sử dụng rộng rãi nhất để tính tốn và dự báo ảnh hưởng của các chất thải thông thường trong sông suối, người ta thường dùng nó như là mơ hình tham khảo để so sánh các mơ hình khác nhau.
QUAL2K (hay Q2K) được hiện đại hóa từ mơ hình QUAL2E theo một khía cạnh sau:
+ Tác nghiệp trong mơi trường Microsoft Windows, lập trình trên ngơn ngữ Visual Basic; sử dụng giao diện đồ họa
+ Sử dụng các đoạn chia không bằng nhau tùy thuộc vào nguồn thải nhiều hay ít + Tính 2 dạng BOD ơ xi hóa chậm và nhanh carbonat để thể hiện carbon hữu cơ, tính đến quá trình khử nitrat, thể hiện tương tác ẩn nước-trầm tích, mơ phỏng hiện ảnh hưởng của tảo sống đáy,…
d. Mơ hình MIKE 11
Mơ hình thủy lực MIKE11 do Viện Thuỷ Lực Đan Mạch (DHI) xây dựng và được chuyển giao trong khuôn khổ dự án nâng cao năng lực các Viện ngành nước. Các mô đun được sử dụng bao gồm:
- Mô đun thủy lực (HD)
- Mơ đun mưa dịng chảy (NAM). - Mô đun tải khuyếch tán (AD).
Mơ đun mơ hình thuỷ động lực (HD) là phần trung tâm của hệ thống mơ hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô đun bao gồm: dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và các mô đun vận chuyển bùn cát. Mô đun thuỷ lực trong MIKE 11 giải các phương trình tổng hợp theo phương dịng chảy để đảm bảo tính liên tục và bảo tồn động lượng (hệ phương trình Saint Venant).
Ngồi ra cịn có một số mơ hình khác như HEC-RAS, WASP, DELTA…Nói chung, tất cả các mơ hình đều được xây dựng dựa trên phương trình Saint-Venant đối với dịng chảy và phương trình đối lưu – khuếch tán đối với các chất ơ nhiễm. Các mơ hình đơn giản dựa trên ngun tắc bảo tồn khối lượng.
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Các đoạn sơng trên tồn bộ lưu vực sơng Cầu, trọng tâm đánh giá sức chịu tải đoạn sông Cầu chảy qua tỉnh Bắc Ninh
Tổng quan khu vực nghiên cứu Lưu vực sông Cầu
Sông Cầu là con sông quan trọng nhất trong hệ thống sơng Thái Bình, là một trong những lưu vực sơng (LVS) lớn ở Việt Nam. Sơng Cầu có vị trí địa lý đặc biệt, đa dạng và phong phú về tài nguyên cũng như về lịch sử phát triển kinh tế- xã hội của các tỉnh nằm trong lưu vực của nó. Sơng Cầu cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp, cung cấp nước tưới, phục vụ thủy điện, phục vụ giao thông, khai thác lịng sơng [8]...
Diện tích lưu vực sơng Cầu khoảng 6.030 km2. Lưu vực sơng bao gồm tồn bộ tỉnh Thái Ngun và một phần của các tỉnh Bắc Kạn, Bắc Giang, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh và Hải Dương. Sông Cầu bắt nguồn từ núi Vân Ôn, với độ cao 1.527 mét về phía đơng nam của dãy Pia-bi-oc ở tỉnh Bắc Kạn. Chiều dài sông Cầu là 288 km. Sông Cầu chảy qua Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh và Hải Dương (Hình 2.1). Mật độ mạng lưới sông dao động từ 0,7 - 1,2 km/km2. Các nhánh chính bao gồm sơng Chợ Chu, sông Nghinh Tường, sông Đu, sông Công, sông Cà Lồ, sông Ngũ Huyện Khê và sơng Tào Khê. Có 68 con sơng và suối chiều dài trên 9,0 km và tổng chiều dài sông suối khoảng 1.602 km. Các nhánh sơng chính của lưu vực sông Cầu bao gồm sông Cầu, sông Công, sông Cà Lô, sông Ngũ Huyện Khê, sông Nghinh Tường, sông Đu, sông Chợ Chu, sông Thiếp...
Lưu vực sơng Cầu có dạng trải dài từ Bắc xuống Nam. Thung lũng phia thượng lưu và trung lưu nằm giữa hai cánh cung sông Gâm và cánh cung Ngân Sơn – Yên Lạc. Phần thượng lưu sông Cầu chảy theo hướng Bắc Nam, độ cao trung bình
đạt tới 300 – 400 m, lịng sơng hẹp và rất dốc, nhiều thác ghềnh và có hệ số uốn khúc lớn (>2,0), độ rộng trung bình trong mùa cạn khoảng 50 đến 60 m, 80 – 100 m trong mùa lũ, độ dốc khoảng >0.1%. Phần trung lưu từ Chợ Mới, sông Cầu chạy theo hướng Tây Bắc – Đông Nam trên một đoạn khá dài sau đó trở lại hướng cũ cho tới Thái Nguyên. Đoạn này địa hình đã thấp xuống đáng kể, lịng sơng mở rộng độ dốc càng giảm chỉ còn khoảng 0,05 %, độ uốn khúc vẫn cao [11].
Hạ lưu sơng Cầu được tính từ Thác Huống đến Phả Lại, từ đây hướng chảy chủ đạo là Tây Bắc – Đông Nam, địa hình có độ cao trung bình 10 – 20 m, lịng sơng rất rộng 70 đến 150 m và độ dốc giảm đáng kể, chỉ còn khoảng 0,01 %.
Hình 2.1. Lưu vực sơng Cầu
Mật độ sơng suối trong lưu vực sông Cầu thuộc loại cao: 0,95-1,2km/km2. Tổng chiều dài phụ lưu có chiều dài lớn hơn 10km là 1.602 km [11]
a. Đặc điểm khí hậu và thủy văn
Khí hậu lưu vực sơng Cầu có đặc điểm cơ bản của khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, có mùa đơng khá lạnh, mùa hè nóng, mưa nhiều.
Nhiệt độ phân hóa mạnh mẽ trong toàn lưu vực. Vùng thấp (dưới 100m) nhiệt độ trung bình năm vào khoảng 22,5 – 230C, vùng có độ cao đến 500 m nhiệt độ trung bình năm vào khoảng 200C, vùng cao trên 1000 m, nhiệt độ trung bình năm vào khoảng 17,5 – 180
C. Nhiệt độ cao nhất trong lưu vực đạt đến 400C (tại Hiệp Hòa- Bắc Giang), còn thấp nhất là – 100C (tại Bắc Kạn).
Lưu vực sơng Cầu có lượng mưa khá lớn, lượng mưa hàng năm vào khoảng từ 1.500 – 2.700 mm. Trong lưu vực tồn tại một trung tâm mưa lớn đó là Tam Đảo. ở đây lượng mưa hằng năm có thể đạt đến 3.000 mm. Vùng mưa này kéo dài sang phía Đơng qua thành phố Thái Nguyên với lượng mưa vượt quá 2.000 mm [8].
Thủy văn: Dòng chảy trên lưu vực sông Cầu khá đồng đều. Chế độ dịng chảy của sơng Cầu phân biệt rõ rệt là mùa lũ và mùa cạn. Mùa lũ thường bắt đầu vào tháng 5 – 10 nhưng khơng kết thúc đồng đều trên tồn bộ lưu vực, thông thường trong khoảng thời gian tháng 9 (những nơi kết thúc sớm) và tháng 10 (những nơi muộn hơn: sông Đu và sơng Cơng). Lượng dịng chảy mùa lũ cũng không vượt quá 80 – 85 % lượng nước cả năm. Trong thời gian lũ, các tháng có lượng dịng chảy lớn nhất là 7, 8, 9, lượng dòng chảy chiếm hơn 50% lượng dòng chảy cả năm. Mùa cạn kéo dài từ tháng 11 đến tháng 4, lượng dòng chảy chiếm khoảng 18 – 20% lượng dòng chảy cả năm. Ba tháng cạn nhất là 1, 2, 3 dòng chảy chỉ chiếm 5, 6 – 7, 8% [8].
b. Đặc điểm kinh tế xã hội
Tổng dân số của 4 tỉnh Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh thuộc lưu vực sông Cầu năm 2016 khoảng 4 – 5 triêụ người. Trong đó dân số nơng thơn chiếm chủ yếu. Vùng núi thấp và trung du là khu vực có mật độ dân cư thấp nhất trong lưu vực, chiếm khoảng 63 % diện tích tồn lưu vực nhưng dân số chỉ chiếm khoảng 15% dân số lưu vực. Mật độ dân số cao ở khu vực trung tâm và khu vực đồng bằng.
Thành phần dân cư đa dạng có sự đan xen của 8 dân tộc anh em: Kinh, Tày, Nùng, Sán Dìu, Mơng, Sán Chay, Hoa Dao trong đó người kinh chiếm đa số.
2. Tỉnh Bắc Ninh bao gồm: T.P Bắc Ninh và 4 huyện Từ Sơn, Yên Phong, Tiên Du và Quế Võ.
3. Tỉnh Bắc Giang: T.P Bắc Giang, 4 huyện là Hiệp Hòa, Tân Yên, Việt Yên và Yên Dũng.
4. Tỉnh Bắc Kạn: TX. Bắc Kạn và 3 huyện là Bạch Thông, Chợ Đồn và huyện Chờ Mới.
5. Tỉnh Thái Nguyên: TP. Thái Nguyên và các huyện là Đại Từ, Đồng Hỷ, Định Hóa, Phổ n, Phú Bình, Phú Lương, Thị xã Sơng Cơng và một phần của huyện Võ Nhai
6. Tỉnh Vĩnh Phúc: TP. Vĩnh Yên, TX. Phúc Yên, và 6 huyện là Bình Xuyên, Mê Linh, Tam Đảo, Tam Dương, Vĩnh Tường và huyện Yên Lạc.
7. Thành phố Hà Nội: Tập trung ở 3 huyện Mê Linh, Đơng Anh và Sóc Sơn, tổng cộng khoảng 800 nghìn người.
c. Vai trị của sơng Cầu đối với đời sống kinh tế - xã hội trong lưu vực
Lưu vực sông Cầu là một trong các LVS lớn ở Việt Nam. Sơng Cầu đã làm nên nét văn hóa đặc trưng của vùng trung du miền núi và đồng bằng Bắc Bộ, là con