Hạng mục(ha) Tổng Nguyên Thái Giang Bắc Ninh Bắc Phúc Vĩnh Kạn Bắc
ĐấtLâmNghiệp 663100 165400 130800 700 33100 333100 I- Đất có rừng 570500 165100 113800 700 33100 257800 1- Rừng tự nhiên 399500 101700 63600 - 10100 224100 2- Rừng trồng 171000 63400 50200 700 23000 33700 II- Rừng bị cháy 36,5 3,5 17,2 0,9 11,5 3,4 Rừng bịchặt phá 15,5 3 4,5 - - 8
2.1.3. Chất lượng nước sông Cầu[2,3,9,11]
Các thông số vật lý nước:
Giá trị pH của nước sông quan trắc ở dịng chảy chính sơng Cầu, các sông nhánh và suối Cam Giá, suối Mỏ Bạch có giá trị trung bình dao động trong khoảng 6,83 – 7,89, trung vị trong khoảng 6,70n- 7,96. Điều này cho thấy giá trị pH trung bình đã phản ảnh khá sát các giá trị quan trắc và luôn nằm trong giới hạn cho phép Cột A, QCVN 08:2008/BTNMT. Giá trị pH quan trắc ở suối Cam Giá tại cầu Lưu Nhân Chú biến động mạnh, xuất hiện cực trị vượt giới hạn cho phép cột B, nguyên nhân là do tiếp nhận nguồn thải từ khu gang thép có thành phần phức tạp. Giá trị pH quan trắc ở đầu nguồn sông Cầu, tại Thần Sa và Thác Giềng có biểu hiện xuống thấp, nhiều giá trị quan trắc nhỏ hơn giới hạn cột A, QCVN 08:2008/BTNMT.
Hàm lượng oxy hòa tan trong nước (DO) quan trắc ở dịng chảy chính và các sơng nhánh có giá trị trung bình dao động trong khoảng 5,93 – 8,89mg/l, nằm trong giới hạn cho phép cột A2, QCVN 08:2008/BTNMT. Giá trị DO quan trắc ở suối Cam Giá (tại cầu Lưu Nhân Chú) và suối Mỏ Bạch (tại cầu Mỏ Bạch) có biểu hiện suy giảm mạnh, không đạt giới hạn cột B2, QCVN 08:2008/BTNMT, nguyên nhân là do tiếp nhận nguồn thải từ khu đô thị và công nghiệp ở khu vực Tp. Thái Nguyên.
Tổng chất rắn lơ lửng trong nước xác định được có giá trị trung bình khác nhau rõ rệt ở các trạm quan trắc. Khu vực đầu nguồn sông Cầu thuộc tỉnh Bắc Kạn và sông Đu, sông Chợ Chu nước còn khá trong, giá trị TSS trung bình đo được trong khoảng 27 – 36 mg/l; khu vực cuối tỉnh Thái Nguyên, tại Cầu Vát, giá trị TSS trung bình khá cao, lên tới 109 mg/l, vượt giới hạn cho phép cột B2, QCVN 08:2008/BTNMT.
Ô nhiễm hữu cơ
Nhu cầu oxy hóa học (COD) xác định được giá trị trung bình chênh lệch khá lớn giữa các trạm quan trắc, dao động từ 7,46 mg/l đến 23,74mg/l, trung vị cũng thayd dổi từ 5 mg/l đến 24,5 mg/l. Suối Cam Giá và suối Mỏ Bạch tiếp nhận nước thải đơ thị nên có hàm lượng hữu cơ cơ, các thơng số COD đều vượt giới hạn cho phép cột A2, QCVN 08:2008/BTNMT từ 1,53 đến 1,58 lần. Tại các khu vực cịn lại, thơng số COD đều có giá trị trung bình nằm trong giá trị cho phép cột A1, QCVN 08:2008/BTNMT. Tuy nhiên, thông số COD của mẫu nước ở tất cả các trạm quan trắc đã xuất hiện cực trị vượt từ 1,1,3 đến 3,4 lần giới hạn cột B2, QCVN 08:2008/BTNMT.
Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5) có giá trị trung bình khác nhau khá lớn giữa các trạm quan trắc, dao động từ 1,35 mg/l đến 7,0 mg/l. Giá trị trung bình đo được ở suối Cam Giá và suối Mỏ Bạch cao nhất trọng khu vực, cột A2 từ 1,11 đến 1,17 lần; cho thấy mức độ ô nhiễm hữu cơ ở khu vực này đã diễn ra thường xuyên; nguyên nhân là do nước thải đô thị Tp. Thái Nguyên chưa được thu gom, xử lý theo tiêu chuẩn. Thông số BOD5 ở các khu vực còn lại đều có giá trị trung bình nằm trong giới hanjc ho phép cột A1, QCVN 08:2008/BTNMT. Kết quả quan trắc ở Thác Bưởi cho thấy thông số BOD5 đã xuất hiện những giá trị cực trị vượt 2,33 lần giới hạn cột A2, QCVN 08:2008/BTNMT. Nguyên nhân chính là do nước sinh hoạt từ các khu vực dân cư ven sông, đặc biệt là từ khu vực thị trấn Chợ Mới.
Ô nhiễm các chất dinh dưỡng
Tổng phốt phơ hữu cơ quan trắc được trong khu vực nghiên cứu có giá trị trung bình dao động từ 0,03 mg/l đến 0,16 mg/l. Tổng nitơ quan trắc được có giá
trung bình dao động từ 0,68mg/l đến 7,07mg/l. Ngoại trừ suối Cam Giá và suối Mỏ Bạch có hàm lượng các chất dinh dưỡng trong nước cao, khu vực thủy vực cịn lại có hàm lượng các chất dinh dưỡng đạt trung bình.
Hàm lượng amoni (NH4+) trong nước suối Cam Giá và suối Mỏ Bạch có giá trị trung bình cao nhất trong khu vực vượt từ 1,3 đến 5,45 lần giới hạn cho phép cột B2, QCVN 08:2008/BTNMT. Các điểm quan trắc còn lại hàm lượng am oni trong nước có giá trị trung bình vượt từ 1,25 đến 2,3 lần giới hạn cho phép cột A2. Kết quả quan trắc cũng cho thấy ở tất cả các khu vực thủy vực đã xuất hiện những giá trị NH4+ cực trị vượt giới hạn cho phép cột B1, QCVN 08:2008/BTNMT.
Nhận xét
Như vậy lưu vực thuộc tỉnh Bắc Kạn và vùng nông thôn, miền núi phía Bắc tỉnh Thái Ngun đã xuất hiện ơ nhiễm cục bộ. Nguyên nhân chủ yếu là do nước thải khai khoáng, nước chảy tràn qua khu vực canh tác nông nghiệp và khu dân cư ven sông.
Khu vực Tp Thái Nguyên ô nhiễm mức độ lớn nhất, đặc biệt là ô nhiễm hưu vưc, suy giảm DO. Nguyên nhân chính là do tiếp nhận nguồn nước thải từ nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất công nghiệp chưa được xử lý triệt để.
Khu vực nơng thơn phía dưới thành phố Thái Ngun ơ nhiễm chủ yếu TSS. Nguyên nhân là do hoạt động khai thác cát sỏi.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn đã sử dụng một phần kết quả nghiên cứu thuộc nhiệm vụ nghị định thư với Canada “Quản lý tổng hợp LVS Cầu” do Viện Công nghệ môi trường (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) thực hiện từ 2008 đến 2012. Kết quả của nhiệm vụ đã xây dựng mơ hình quản lý tổng hợp LVS cho phần thượng du LVS Cầu trên cơ sở mơ hình GIBSI. Các mơ hình thành phần của GIBSI (thủy văn, xói mịn, chất lượng nước) đã được hiệu chỉnh và kiểm định với các số liệu năm 1996- 2008 [3]. Mơ hình GIBSI đã được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của một số kịch bản phát triển kinh tế - xã hội của khu vực nghiên cứu.
Trong mơ hình GIBSI, các mơ hình thành phần được liên kết với nhau, hỗ trợ nhau về số liệu đầu vào. Hình 2.2 mơ phỏng mối quan hệ và trao đổi dữ liệu giữa các mơ hình:
Hình 2.2: Mối quan hệ và trao đổi dữ liệu giữa các mơ hình Các mơ hình thành phần của GIBSI Các mơ hình thành phần của GIBSI
GIBSI là cơng cụ mơ phỏng các q trình lý – hóa – sinh cơ bản ảnh hưởng đến dòng chảy và chất lượng nước trong lưu vực sông [1]. Đây là phần mềm tích hợp một hệ thống mơ hình tốn và hệ thống tin học quản lý và hiển thị dữ liệu.
Mơ hình xử lý địa hình phân chia tiểu lưu vực
(Physitel)
Bản đồ số Bản đồ độ dốc Phia chia các tiểu lưu vực Hệ thống sông …
Mơ hình thủy văn (HYDROTEL) Mơ hình thủy văn
Mơ hình xói mịn lưu vực (RULSE)
Mơ hình chất lượng nước cho mạng sơng
(QUAL2E) Mơ hình chất dinh dưỡng và vận chuyển dư lượng thuốc trừ sâu (SWAT) Lượng mưa Nhiệt độ mỗi lớp đất Nhiệt độ lớp đất mặt Nhiệt độ khơng khí TB ngày
Nhiệt độ khơng khí cao nhất
Nhiệt độ khơng khí thấp nhất
Chiều sâu lớp nước mặt Chiều sâu mực nước của dịng bên ngồi
Mức nước chứa trong mỗi lớp đất
Bốc hơi tiềm năng Chỉ số diện tích lá cây
Nitrate trong dòng lân cận Nitrate trong dòng mặt Cấu trúc bùn cát Nitơ hữu cơ
Phốt phát hữu cơ Phốt phát hòa tan Thuốc trừ sâu Thuốc trừ sâu hòa tan
Lượng mưa Lớp dịng Đính dịng chảy mặt Nhiệt độ trung bình Dịng chảy mặt Dịng chảy Tải lượng trầm tích
GIBSI mơ phỏng các q trình thủy văn, xói mịn, vận chuyển ô nhiễm trên bề mặt và trong mạng sông. Các mô đun mô phỏng bao gồm các mơ hình:
a) Mơ hình Hydrotel : là mơ hình thủy văn phân bố do Trung tâm Đất, nước và môi trường – Viện nghiên cứu Khoa học Quốc gia Québec (INRS, Institut National de la Recherche Scientifiqua) phát triển.
b) Mơ hình xói mịn RUSLE
c) Mơ hình vận chuyển chất ơ nhiễm SWAT
d) Mơ hình QUAL2E: mơ phỏng các q trình lý hóa sinh của các chất ơ nhiễm trong mạng kênh sơng.
2.2.1. Mơ hình thủy văn HYDROTEL
HYDROTEL là một dạng mơ hình thủy văn phân bố do Trung tâm Đất, Nước và Môi trường – Viện nghiên cứu Khoa học Quốc gia Québec (INRS, Institut National de la Recherche Sientifique) xây dựng trong những năm gần đây (Fortin – 2001). HYDROTEL có giao diện thuận tiện và đã được ứng dụng tại nhiều lưu vực ở Canada và trên thế giới.
Mơ hình HYDROTEL bao gồm 6 mơ hình thành phần, ứng với 6 bài tốn cụ thể: (1) tính phân bố lượng mưa trên lưu vực, (2) tính lượng tuyết tan, (3) tính bốc thốt hơi nước, (4) tính cân bằng nước theo phương đứng (tương tác với dòng chảy ngầm), (5) diễn tốn dịng chảy trên bề mặt, (6) diễn tốn dịng chảy trong hệ thống sông.
a) Cơ sở lý thuyết của mơ hình HYDROTEL
Cấu trúc khơng gian: Trên cơ sở các bản đồ cao độ số, mạng sông suối, bản đồ thảm phủ và bản đồ loại đất có độ phân giải cao, chương trình PHYSTEL tạo ra các bản đồ về độ dốc, hướng dòng chảy, mạng sông suối chi tiết, và bản đồ phân chia lưu vực thành các đơn vị thủy văn (RHHU- Relatively Homogeneous Hydrological Units) có tính tương đối đồng nhất về đặc trưng thủy văn.
Hình 2.4 : Ví dụ A) lưu vực chia thànhcác đơn vị thủy văn tương đối đồng nhất (RHHU); B) hướng dòng chảy trong RHHUs.
Hình 2.5: a) Phân loại sử dụng đất; B) Loại đất.
Tính lượng mưa trên lưu vực: Mơ hình tính tốn lượng mưa dựa trên 2 dạng số liệu: số liệu mưa tại trạm và số liệu mưa ra đa. Số liệu mưa ra đa sẽ được phân tích và cập nhật đến từng ơ lưới trên lưu vực, trong khi đó số liệu mưa trại trạm đo được sử dụng để tính lượng mưa phân bổ theo 2 phương pháp nội suy: nội suy đa giác Thiessen và nội suy 3 trạm gần nhất.
Tính lượng bốc hơi tiềm năng: Việc tính tốn cân bằng nước tại mỗi bước thời gian đều yêu cầu tính tốn lượng bốc hơi thực tế từ các thảm thực vật trên bề mặt cũng như sư bay hơi từ đất trống. Để cho phép tính tốn lượng bốc hơi tiềm năng trên các lưu vực, HYDROTEL sử dụng một trong 5 phương pháp:
Thornthwaite (1948), Hydro-Québec, Linacre (1977), Penman-Monteith (Monteith, 1965) và Priestley-Taylor (1972). Trong một vài nghiên cứu, cả 5 phương trình được so sánh với số liệu đo thực tế thì Hydro-Québec cho kết quả tốt hơn so với các phương trình khác.
Cân bằng nước theo chiều thẳng đứng: Đây là một trong những thành phần chính trong mơ hình HYDROTEL. Thuật tốn cân bằng nước theo chiều đứng trong đất BV3C (cân bằng sử dụng 3 lớp đất) được phát triển để mơ phỏng q trình vật lý và tương thích với dữ liệu viễn thám và GIS (Fortin et al, 1995 et 2001). Trong BV3C tầng đất chứa nước được chia thành 3 lớp (Hình 2.4): lớp bề mặt tương đối mỏng (10 – 20cm) là lớp đất bị ảnh hưởng bởi sự bay hơi và có ảnh hưởng trực tiếp đến dịng chảy mặt; lớp thứ hai là lớp chuyển tiếp giữa lớp đầu tiên và lớp thứ 3, vai trịn của nó là tạo ra các dịng chảy trễ trong lớp đất khơng bão hịa; dịng chảy cơ sở (nước ngầm) được tạo ra bởi lớp thứ 3.
Hình 2.6: Phân chia tầng đất chứa nước
CÂN BẰNG NƢỚC CHIỀU THẲNG ĐỨNG
Mưa và tuyết tan chảy
Lớp chứa nước 1 Lớp chứa nước 2 Lớp chứa nước 3 ĐẤT Bốc hơi nước Dòng chảy bề mặt Dòng chảy sát mặt Dòng chảy ngầm
Dòng chảy thẳng đứng giữa các lớp được xác định theo các phương trình: 1 2 1 2 1 1 2 2 , 1 2 , 1 K Z Z Z q 1 2 2 3 1 2 2 3 3 , 2 3 , 2 K Z Z Z Z q
Dòng chảy ngang trong các lớp được xác định Beven (1989)
S Z Z K Q2 2 sin arctan n 2 1 3 23 3 k Z Z Q r
Trong đó: Kij là độ dẫn giữa 2 lớp i và j; θi độ ẩm trong lớp I; ψ là hàm thế bão hòa; Sn là độ dốc, Zi là cao độ đáy lớp I; kr là hệ số rút nước.
Dòng chảy trên bề mặt: Phương pháp để xác định dịng chảy mặt là phương pháp sóng động học. Khi sử dụng phương pháp sóng động học, các phương trình cho phép tính dịng chảy có thể được coi như xấp xỉ với phương trình Saint – Vernant 1 chiều. Trong trường hợp này, các phương trình liên tục được mơ tả bởi phương trình: i t h x R Và phương trình Manning dạng động học : R S n h d 0 5 3 Trong đó:
R là dịng chảy giữa các ơ lưới (m2s-1); h là độ sâu của dòng chảy (m);
i dòng chảy từ sự cân bằng thẳng đứng (m s-1); n là hệ số Manning; S0 là độ dốc của bề mặt lưới (m m-1 ); d là hệ số (= 3/5); x là khoảng cách (m); t là thời gian (s).
b) Các thơng số cơ bản của mơ hình HYDROTEL
Giới hạn lưu vực nghiên cứu và mạng sông suối: Bản đồ độ cao và mạng sông suối cần được thu thập nhằm thiết lập các đơn vị thủy văn mà trong đó mỗi đơn vị có đặc tính tương đối đồng nhất.
Phân loại đất và thảm phủ thực vật: Các thông tin về hiện trạng sử dụng đất và lớp phủ thổ nhưỡng được xử lý từ ảnh vệ tinh và tích hợp vào GIBSI thơng qua mơ hình Physitel. Trong mơ hình này, thành phần cơ giới đất được chia thành 11 loại chính dựa trên tam giác cơ giới:
Hình 2.7: Tam giác phân loại đất theo thành phần cơ giới
Các số liệu khí tượng và thủy văn: Để phục vụ tính tốn mơ hình thủy văn cho lưu vực nghiên cứu, các số liệu khí tượng , thủy văn cần được thu thập. Số liệu khí tượng bao gồm các thơng số: nhiệt độ trung bình ngày, nhiệt độ cao nhất, nhiệt độ thấp nhất, lượng mưa ngày, độ ẩm tương đối, bốc hơi ngày, tốc độ gió tối đa, hướng gió, số giờ nắng, nhiệt độ ướt. Số liệu thủy văn gồm có thơng số về mực nước, lưu lượng và lượng mưa ngày.
Trong khn khổ của đề tài nghiên cứu, mơ hình thủy văn Hydrotel được xây dựng cho phần thượng du LVS Cầu thuộc 2 tỉnh Thái Ngun và Bắc Cạn. Mơ hình
được thiết lập bao gồm 1003 đoạn sơng, 02 hồ, 1015 lưu vực đơn vị và diện tích thu nước là 4415,5km2.
Hiệu chỉnh mơ hình:
Căn cứ vào kết quả phân tích độ nhạy của các tham số mơ hình, mơ hình được hiệu chỉnh bằng phương pháp thử - sai để xác định các thông số phù hợp cho giai đoạn 1997 – 2001.
Q trình hiệu chỉnh mơ hình Hydortel thu được bộ thơng số bao gồm 7 tham số được trình bày trong bảng 2.2.
Bảng 2.2: Bộ thơng số hiệu chỉnh cho mơ hình Hydrotel
TT Dạng tham số Trị số
1 Chênh lệch nhiệt độ theo độ cao (0C/100m) -0,5
2 Hệ số bốc hơi 0,9 3 Hệ số DES 0,6 4 Hệ số rút nước (m/h) 1e – 5 5 Hệ số nhám vùng rừng 0,5 6 Hệ số nhám vùng nước 0,015 7 Hệ số nhám các vùng khác 0,2
Kết quả hiệu chỉnh được đánh giá theo cá chỉ số Nash-Sutcliffe và RCEQM xác định tại bảng 2.3.
Bảng 2.3: Các tiêu chuẩn đánh giá
Chỉ tiêu Cơng thức tính Ghi chú
Chỉ số Nash – Sutcliffe ∑ ∑ ̅̅̅̅
Kết quả tính tốn tốt nhất khi chỉ số này tiến càng gần đến 1 và chấp nhận được khi lớn hơn hoặc
bằng 0,6
Chỉ số RCEQM √∑
Kết quả tính tốn tốt nhát khi chỉ số này tiến hành
càng gần đến 0. Chỉ số