Kết quả quan trắc NH4+- N trên sơng Nhuệ: kết quả quan trắc amoni cho thấy có 10/10 điểm quan trắc dọc sơng Nhuệ có nồng độ NH4+
- N cao hơn quy chuẩn cho phép loại B1. Trong đó tại điểm quan trắc cầu Tó nồng độ amoni cao nhất. Nguyên nhân chủ yếu là do nguồn nước tại những điểm tiếp nhận nước thải sinh hoạt của thành phố Hà Nội qua đập Thanh Liệt và các hộ dân hai bên bờ sông. [10]
1.2.2.2. Hiện trạng môi trường nước sông Đáy.
Nước mặt sông Đáy ô nhiễm nhẹ hơn sông Nhuệ và ô nhiễm chỉ mang tính cục bộ. Sông Đáy chủ yếu bị ô nhiễm hữu cơ ở từng đoạn sông với các mức độ khác nhau.
Theo kết quả phân tích chất lượng nước của Tổng cục Môi trường năm 2014, chất lượng nước sông Đáy đang ô nhiễm cục bộ tại một số điểm tiếp nhận nước thải của dân cư sống dọc hai bên bờ sông, không đáp ứng được QCVN 08:2008/BTNMT loại A1.
Đoạn từ cầu Mai Lĩnh đến Ba Thá do ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt và công nghiệp nên mức độ ô nhiễm khá cao; đoạn phía hạ lưu, chất lượng nước được cải thiện, tuy nhiên vẫn có thời gian khơng đạt QCVN 08:2008/BTNMT loại A2. Ơ nhiễm trên sơng Đáy chủ yếu là cục bộ tại một số khu vực đi qua khu dân cư, khu công nghiệp, tiếp nhận nguồn thải lớn.
0 5 10 15 20 25 30 35 Cống Liên Mạc Phúc La Cầu Tó CựĐà Cầu Chiếc Đồng Quan Cống Thần Cống Nhật Tựu Đị Kiều Cầu Hồng Phú Đợt 1 Đợt 2 Đợt 3 Đợt 4 QCVN 08:2008 Loại A2 QCVN 08:2008 Loại B1
Hình 1.5: Biểu đ ồ diễn biến hàm lượng COD trên sông Đáy năm 2014 [10]
Kết quả quan trắc COD trên sông Đáy cho thấy: từ Hà Đông đến Phủ Lý nước sông Đáy chủ yếu bị ô nhiễm hữu cơ cục bộ với mức độ khác nhau. Tại cầu Mai Lĩnh, Ba Thá có giá trị COD cao nhất do ảnh hưởng trực tiếp từ nước thải sinh hoạt của quận Hà Đông và các hộ dân hai bên bở sông.
Hình 1.6: Biểu đ ồ diễn biến hàm lượng BOD trên sông Đáy năm 2014 [10]
0 10 20 30 40 50 60 70 Đợt 1 Đợt 2 Đợt 3 Đợt 4 QCVN 08:2008 Loại A2 QCVN 08:2008 Loại B1 0 5 10 15 20 25 Đợt 1 Đợt 2 Đợt 3 Đợt 4 QCVN 08:2008 Loại A2 QCVN 08:2008 Loại B1
Kết quả quan trắc BOD5 trên sông Đáy cho thấy: tại 18 điểm quan trắc trên sơng Đáy có giá trị BOD5 đạt QCVN 08:2008/BTNMT loại B1. Duy nhất điểm quan trắc cầu Mai Lĩnh có giá trị BOD5 khơng đạt BOD5 loại B1.
Hình 1.7: Biểu đ ồ diễn biến hàm lượng NH4+-N trên sông Đáy năm 2014 [10]
Kết quả quan trắc NH4+-N sông Đáy cho thấy: NH4+-N sông Đáy tăng cao ở những điểm chịu ảnh hưởng của nước thải như khu vực Mai Lĩnh (chịu nước thải sinh hoạt từ Hà Đông); khu vực Ba Thá (chịu nước từ sông Bùi đổ vào). Tại 14/19 điểm quan trắc có nồng độ NH4+-N cao hơn quy chuẩn cho phép QCVN 08:2008/BTNMT loại A2. Tại các điểm quan trắc hạ nguồn sông Đáy, đến thời điểm hiện tại chưa có dấu hiệu ơ nhiễm NH4+-N. [10]
1.3. Giới thiệu về mơ hình B ASINS
1.3.1. Tổng quan về mơ hình BASINS
Mơ hình BASINS (Better Assessment Science Integrating Point and Nonpoint
Sources) được xây dựng bởi Văn phịng Bảo vệ Mơi trường Hoa Kỳ. Mơ hình được
xây dựng để đưa ra một công c ụ đánh giá và tổng hợp tốt hơn các nguồn phát thải tập trung và không tập trung trong công tác quản lý chất lượng nước trên lưu vực. Đây là một hệ thống phân tích mơi trường đa mục tiêu, có khả năng ứng dụng cho
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Đợt 1 Đợt 2 Đợt 3 Đợt 4 QCVN 08:2008 Loại A2 QCVN 08:2008 Loại B1
một quốc gia, một vùng để thực hiện các nghiên cứu về nước, bao gồm cả số lượng và chất lượng nước trên lưu vực.
BASINS tập hợp các cơng c ụ mơ hình hóa, mơi trường khơng gian và các dữ liệu dạng bảng trong một giao diện hệ thống thông tin địa lý (GIS). BASINS có thể được sử dụng cho điều tra và phân tích một loạt các quy mơ khơng gian địa lý từ các lưu vực nhỏ trong một đô thị đơn lẻ, đến các lưu vực lớn xuyên các quốc gia [19]. BASINS sử dụng "Plug -ins" để thêm vào một số mơ hình, các tiện ích và công cụ. “Plug -ins” cung cấp chức năng cần thiết cho BASINS, và bao gồm tính năng "Data Download" để tải các chuỗi dữ liệu không gian và thời gian. “Plug-ins” cung cấp GIS bổ sung, các chuỗi thời gian, thiết lập mơ hình phân tích, và các tiện ích tính tốn. [22]
Người dùng có thể bắt đầu các dự án mới bằng cách sử dụng tùy chọn "Build BASINS Project" để trích xuất dữ liệu mơi trường cho một khu vực địa lý cụ thể; và cần phải kết nối internet để truy cập dữ liệu. Người dùng cũng có thể tạo ra các dự án từ các dự án MapWindow hiện có, ho ặc tạo ra một dự án mà là một tập hợp con của một dự án BASINS hiện có. Cuối cùng, người dùng có thể chọn một dự án BASINS hiện có và mở ArcGIS hoặc ArcView để sử dụng các lớp dữ liệu trong BASINS, sử dụng các khả năng GIS mạnh mẽ hơn của ArcView và ArcGIS để thực hiện các thao tác trên các lớp như mong muốn, và sau đó trở về với BASINS. [19]
Mơ hình BASINS là một cơng cụ hữu ích trong cơng tác nghiên cứu về chất và lượng nước. Với nhiều mô đun thành phần trong hệ thống, thời gian tính tốn được rút ngắn hơn, nhiều vấn đề được giải quyết hơn và các thông tin được quản lý hiệu quả hơn trong mơ hình. Với việc sử dụng GIS, mơ hình BASINS thuận tiện hơn trong việc biểu thị và tổ hợp các thông tin (sử dụng đất, lưu lượng các nguồn thải, lượng nước hồi quy...) tại bất kỳ một vị trí nào. Các thành phần của mơ hình cho phép người sử dụng có thể xác định ảnh hưởng của lượng phát thải từ các điểm tập trung và không tập trung. Tổ hợp các mơ đun thành phần có thể giúp cho việc phân tích và quản lý lưu vực theo các hướng như sau:
- Xác định giới hạn lưu vực;
- Đặc trưng các nguồn thải, độ lớn và tiềm năng phát thải;
- Tổ hợp lượng thải từ các điểm nguồn tập trung và không tập trung, quá trình vận chuyển trên lưu vực cũng như trên sông;
- Xác định, so sánh giá trị tương đối của các chiến lược kiểm soát ô nhiễm; - Thể hiện các kết quả dưới dạng các bảng biểu, hình vẽ và bản đồ;
Các chức năng của mơ hình BASIN cho phép người sử dụng có thể trình diễn, xuất dữ liệu và thực hiện các phân tích theo các mục tiêu khác nhau.
Mơ hình BASIN được sử dụng rộng rãi ở Mỹ, nó thuận tiện trong việc lưu trữ và phân tích các thơng tin mơi trường, và có thể sử dụng như là một công cụ hỗ trợ ra quyết định trong quá trình xây dựng khung quản lý lưu vực. [19]
Mơ hình BASINS được xây dựng để đáp ứng 3 mục tiêu:
+ Thuận tiện trong cơng tác kiểm sốt các thơng tin mơi trường; + Hỗ trợ cơng tác phân tích hệ thống mơi trường;
+ Cung cấp hệ thống các phương án quản lý lưu vực; Các ứng dụng của mơ hình BASINS:
+ Mô tả dữ liệu chất lượng nước; + Nhận dạng các nguồn gây ô nhiễm;
+ Điều tra nghiên cứu về sự phân bổ các chất phụ tải; + Đánh giá biến đổi khí hậu;
Phiên bản BASINS đầu tiên (BASINS 1.0) được công bố vào tháng 9/1996, phiên bản này tập hợp các dữ liệu về chất lượng và số lượng nước, hiện trạng sử dụng đất, các nguồn điểm và một bộ hữu hạn các mơ hình chất lượng nước để thực hiện các đánh giá ở quy mô LVS. Phiên bản mới nhất hiện nay của mơ hình là BASIN 4.1 (công bố năm 2013), được xây dựng dựa trên phiên bản ổn định mới nhất, mã nguồn mở MapWindowGIS. BASINS 4.1 cung cấp một số cải tiến đáng kể so với phiên bản BASINS 4.0, giao diện MapWindow mới đã được thay đổi hình thức từ BASINS 4.0, nhưng các chức năng chính khơng thay đổi so với phiên bản này. [25]
Các số liệu đầu vào và kết quả đầu ra c ủa mô hình
a. Các số liệu đầu vào của mơ hình: u cầu số liệu vào của mơ hình được
biểu diễn dưới hai dạng, dạng số liệu không gian và số liệu thuộc tính. Số liệu khơng gian dưới dạng bản đồ bao gồm:
+ Bản đồ độ cao số hóa DEM; + Bản đồ sử dụng đất;
+ Bản đồ loại đất;
+ Bản đồ mạng lưới sông suối, hồ chứa trên lưu vực; Số liệu thuộc tính bao gồm:
+ Số liệu về khí tượng bao gồm nhiệt độ khơng khí, bức xạ, tốc độ gió, mưa, + Số liệu về thuỷ văn bao gồm dòng chảy, bùn cát, hồ chứa...;
+ Số liệu về đất bao gồm: loại đất, đặc tính loại đất theo lớp của các phẫu diện đất.. + Số liệu về loại cây trồng trên lưu vực, độ tăng trưởng của cây trồng... ;
+ Số liệu về loại phân bón trên lưu vực canh tác...; + Số liệu về lưu lượng thải, đặc điểm nguồn thải;
b. Các kết quả đầu ra của mơ hình
- Đánh giá cả về lượng và về chất của nguồn nước
- Đánh giá lượng bùn cát vận chuyển trên lưu vực
- Đánh giá quá trình canh tác đất thơng qua mođun chu trình chất dinh dưỡng; Đánh giá công tác quản lý lưu vực; [24][25]1.3.2. Cơ sở lý thuyết của mơ
hình
Cơ sở tính tốn dịng chảy được sử dụng trong mơ hình BASINS dựa trên phương trình cân bằng nước như sau:
R = P – ET – IG – ΔS [21]
Trong đó:
R: Tổng lượng nước mặt P: Tổng lượng mưa
ET: Lượng nước bốc thoát hơi IG: Lượng nước đi vào tầng ngầm ΔS: Sự thay đổi lượng trữ
Mơ hình BASINS có thể xác định sự chuyển tải lượng nước, bồi lắng, các chất dinh dưỡng và hóa chất nơng nghiệp tới kênh chính, rồi diễn tốn theo mạng lưới sơng suối trên lưu vực. Ngồi việc tính tốn lưu lượng nước, mơ hình cịn mơ tả sự biến đổi của các hóa chất trong kênh.
Các thông số chất lượng nước được xác định trong mơ hình bao gồm:
+ Nhiệt độ nước; + Trầm tích;
+ Nhu c ầu oxy sinh hóa (BOD); + Oxy hịa tan (DO);
+ Nitơ (NH4, NO2/NO3, Tổ ng N); + Phot pho (PO4, Tổng P);
+ Vi khuẩn, trực khuẩn;
Phương trình thuật tốn tính lượng oxy hịa tan (DO)
Nồng độ oxi hồ tan thích hợp là một u cầu cơ bản cho một hệ sinh thái thuỷ sinh khoẻ mạnh. Sự thay đổi nồng độ oxy hồ tan trong ngày được tính bởi phương trình sau:
∆Oxstr = K2. (Oxsat – Oxstr)+(α3.µa – α4.ρa).algae – K1.CBOD – 𝐾4
1000 .𝑑𝑒𝑝𝑡 ℎ – α5.βN,1.NH4str – α6. βN,2.NO2str).TT [27]
Trong đó,
+ ΔOxstr : sự thay đổi nồng độ oxi hoà tan (mg O2/L) + K2 : tỷ lệ cho sự khuếch tán Fickian (day-1 hoặc hr-1 ) + Oxsat : nồng độ oxi bão hoà (mg O2/L)
+ Oxstr : nồng độ oxi hồ tan trong lưu 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 trưởng của tảo (day-1 hoặc 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 hoặc hr-1 ) + K1 : tỷ lệ cbod khử oxy (day-1 hoặc hr-1 )
+ CBO D: 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) hoặc mg O2/( m2.hr)) + depth : độ sâu của nước trong dịng sơng (m)
+ α5 : tỷ lệ hấp thu oxy trên một đơn vị q trình oxy hóa NH4+ (mg O2/mg N) + βN,1 : hằng số tốc độ cho q trình oxi hố sinh học của nitơ ammonia (day-1 hoặc 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 NO-2 (mg O2/mg N) + βN,2 : hằng số tốc độ cho q trình oxi hố sinh học của nitrit thành nitrat (day-1 hoặc hr-1 )
+ 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 sơng (day hoặc hr)
Phương trình thuật tốn tính lượng NO-
3
Khối lượng nitrat trong lưu vực sơng có thể tăng bởi q trình oxy hóa của NO-2. Nồng độ nitrat cũng có thể được giảm bởi sự hấp thụ NO-
3 từ tảo. Sự thay đổi lượng nitrat trong ngày được tính bởi phương trình sau:
∆NO3str = [βN,2. NO2str – (1 – frNH4). α1. µa.algae].TT [27]
Trong đó,
+ ΔNO3str : sự thay đổi nồng độ nitrat (mg N/L)
+ βN,2 : hằng số tốc độ cho quá trình oxi hố sinh học của nitrat (day-1 hoặc hr-1
) + NO2str : nồng độ nitrit đầu ngày (mg N/L)
+ frNH4: các thành phần của tảo đã hấp thụ nitơ từ lượng amoni trong lưu vực sông + α1 : một phần nhỏ sinh khối của tảo là nitơ (mg N/mg alg biomass)
+ μa : tốc độ tăng trưởng của tảo (day-1 hoặc hr-1 )
+ algae: nồng độ sinh khối của tảo vào đầu ngày (mg alg/L)
Phương trình thuật tốn tính lượng NH4+
Khối lượng amoni (NH4+) trong lưu vực sơng có thể tăng lên bởi các khống nito hữu cơ và sự khuếch tán của amoni từ các trầm tích bên dưới sơng. Nồng độ amoni trong lưu vực sơng có thể được giảm từ việc chuyển đổi của NH4+sang NO2- hoặc sự hấp thụ NH4+của tảo. Sự thay đổi lượng amoni trong ngày được tính bởi phương trình sau
∆NH4str = [βN,3. orgNstr – βN,1.NH4tr + 𝜎3
1000.𝑑𝑒𝑝𝑡 ℎ – frNH4. α1. µa.algae].TT [27]
Trong đó,
+ ΔNH4str : sự thay đổi nồng độ amoni (mg N/L)
+ βN,3 : hằng số tốc độ cho thuỷ ngân từ nitơ hữu cơ sang nitơ ammonia (day-1 hoặc hr-1
)
+ orgNstr : nồng độ nitơ hữu cơ đầu ngày (mg N/L)
+ βN,1: hằng số tốc độ cho q trình oxi hố sinh học của nitơ ammonia (day-1
hoặc hr-1
)
+ NH4str : nồng độ amoni đầu ngày (mg N/L)
+ σ3 : tỷ lệ nguồn amoni trong các trầm tích (mg N/m2-day hoặc mg N/m2-hr) + depth : độ sâu của nước trong dịng sơng (m)
+ frNH4: các thành phần của tảo đã hấp thụ nitơ từ lượng amoni trong lưu vực sông + α1 : một phần nhỏ sinh khối của tảo là nitơ (mg N/mg alg biomass)
+ μa : tốc độ tăng trưởng của tảo (day-1 hoặc hr-1)
+ 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 hoặc hr)
Phương trình thuật tốn tính lượng PO43-
Khối lượng photpho (PO43-) trong lưu vực sơng có thể tăng lên bởi sự chuyển hóa photpho trong sinh khối tảo thành photpho hữu cơ. Lượng photpho hữu cơ tập trung trong dịng sơng có thể giảm đi bởi sự chuyển hóa của photpho hữu cơ hịa tan thành photpho vô cơ ho ặc sự mất đi của lượng photpho hữu cơ trầm tích. Sự thay đổi lượng photpho trong ngày được tính bởi phương trình sau
∆orgPstr = ( α.ρa.algae – βP,4. orgPstr – σ5. orgPstr).TT [27]
Trong đó,
+ ΔorgPstr : sự thay đổi nồng độ photpho (mg N/L)
+ α2 : một phần nhỏ sinh khối của tảo là photpho (mg P/mg alg biomass) + ρa : tỷ lệ sự sống hoặc chết đi của tảo (day-1 hoặc hr-1)
+ βN,4 : hằng số tốc độ khoáng hoá của photpho hữu cơ (day-1 hoặc hr-1) + orgPstr : nồng độ photpho hữu cơ đầu ngày (mg N/L)
+ σ5 : hệ số tỷ lệ photpho hữu cơ mất đi (day-1 hoặc hr-1) + 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 hoặc hr)
1.3.3. Các mơ hình thành phần
Mơ hình BASIN bao gồm các mơ hình thành phần sau: - Mơ hình mƣa – dịng chảy SWMM:
Mơ hình SWMM (Storm Water Management Model) là mơ hình động lực học mơ phỏng mưa – dịng chảy cho các khu vực đơ thị cả về chất và lượng, và tínhtốn q trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước của nó.Mơ hình vừa có thể mơ phỏng cho từng sự kiện ( từng trận mưa đơn lẻ ), vừa có thể mơ phỏng liên tục
SWMM được sử dụng rộng rãi nhằm mục đích lập kế hoạch, phân tích và các thiết kế liên quan đến lượng nước chảy tràn, kết hợp với hệ thống cống, hệ thống