L ượng nước nềnYêu cầu nước
1. Mô hình mô phỏng hệ thống nguồn nước lưu vực sông
4.2.2. Khái quát về mô hình chất lượng nước
Mô hình hóa chất lượng nước
Một tác nhân ô nhiễm sau khi được đưa ra từ nguồn sẽ bị chuyển hóa, biến đổi về thành phần và khối lượng do tác động của các yếu tố môi trường (nhiệt độ, gió, nước, địa hình, sinh vật...). Trong nhiều trường hợp sự phân tán hoặc pha loãng chất ô nhiễm theo thời gian và không gian có thểđược dự báo bằng phương pháp mô hình hóa môi trường.
Mô hình hóa môi trường là cách tiếp cận toán học mô phỏng diễn biến chất lượng môi trường nói chung và diễn biến chất lượng nước nói riêng dưới ảnh hưởng của một hoặc tập hợp các tác nhân có khả năng tác động đến môi trường. Đây là phương pháp có ý nghĩa lớn trong quản lý môi trường, dự báo tác động môi trường và kiểm soát các nguồn gây ô nhiễm. Mô hình hóa chất lượng nước cũng là một phần của mô hình hóa môi trường. Mô hình hóa chất lượng nước nhằm xây dựng một sự tương
đương về toán học đối với hệ thống chất lượng nước thực tế và sử dụng để tính toán và dự báo sự biến đổi chất lượng nước.
Do quy luật biến đổi của chất lượng nước cũng rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố và các mối quan hệ giữa các yếu tố đó. Vì thế trong mô phỏng toán học thường phải đơn giản hóa các quan hệđó để xây dựng các mô hình toán.
Xét theo đặc tính biểu thị có thể chia các thông số chất lượng nước thành các nhóm thông số vật lý, thông số hóa học và thông số sinh học. Tuy nhiên xét theo sự
biến đổi khối lượng của chúng theo thời gian thì có thể chia các thông số chất lượng nước chia thành 2 nhóm là nhóm bảo tồn và nhóm không bảo tồn, trong đó các chất không bảo tồn thường có khối lượng biến đổi theo thời gian, còn ngược lại đối với các chất bảo tồn thì khối lượng vật chất không thay đổi theo thời gian.
Một phần tử có thể bảo tồn trong một vài hệ thống nhất định nhưng lại không bảo tồn trong các hệ thống khác. Thí dụ: trong một thể nước mà được đặc trưng bởi
điều kiện háo khí và có nhiều loài thực vật quan trọng mọc ở đó thì NO3 sẽ có vai trò như là chất bảo tồn; trong một hệ thống khác được đặc trưng bởi các điều kiện yếm khí thì NO3 có thể sẽ là chất không bảo tồn, nồng độ của nó bị biến đổi đi do các vi khuẩn khử nitơ.
Các chất không bảo tồn
Tốc độ biến đổi theo thời gian của nồng độ hay tải lượng các chất không bảo tồn
được mô tả bởi quy luật động học bậc nhất Michaelis-Menten: dC
kC
dt = Tích phân ta được Ct = Coe-kt Trong đó: Ct - nồng độ của vật chất tại thời điểm t;
C0 - nồng độ ban đầu của vật chất;
k - hệ số biểu thị tốc độ phân hủy bậc nhất.
Quy luật động học bậc nhất này thường được sử dụng trong các mô hình chất lượng nước để mô tả sự sút giảm nhu cầu ôxy sinh hóa, sự chết của các vi khuẩn coliform hay mô tả sự phân hủy các chất phóng xạ và các hiện tượng tương tự như vậy.
Các chất bảo tồn
Việc mô phỏng trạng thái của các chất bảo tồn nhìn chung yêu cầu ít phức tạp hơn so với trường hợp các chất không bảo tồn. Bởi vì khối lượng các chất bảo tồn không thay đổi theo thời gian nên cần phải tính toán lượng chất vào hệ thống và ra khỏi hệ thống.
Nồng độ ôxy hòa tan DO - một thông số cơ bản của mô hình
Nồng độ ôxy hòa tan DO được xem như là một thông số quan trọng nhất trong số các thông số mà phải thỏa mãn các giới hạn cho phép về chất lượng nước mặt. Không phải tất cả các tiêu chuẩn chất lượng nước mặt đều định ra các ngưỡng giới hạn và tiêu chuẩn cho phép đối với nồng độ DO, đó là do vị trí địa lý, các quy định, luật lệ
của các tổ chức quản lý và một số lý do khác nữa.
Phân tích sau đây cho thấy vai trò của DO đối với việc duy trì sự sống của các loài thủy sinh trong nước, trong đó có cá:
- Đối với các sinh vật sống ở thể nước ấm, nồng độ DO trong nước phải lớn hơn 5 mg/l; tuy nhiên, trong một số điều kiện khắc nghiệt giá trị này có thể thay đổi từ 4-5 mg/l trong một giai đoạn ngắn 24 giờ. Trong các hồ phân tầng nhiệt thì không áp dụng yêu cầu này đối với tầng sát đáy (hypolimnion). Trong các hồ nông không chịu sự
- Đối với các sinh vật sống ở thể nước lạnh thì nồng độ DO thường ở mức gần bão hòa hoặc bão hòa. Điều này đặc biệt quan trọng trong các vùng đẻ trứng của tôm cá thì DO không được nhỏ hơn 7 mg/l. Để cho các loài thủy sinh trong nước có thể phát triển tốt thì nồng độ DO không được nhỏ hơn 6 mg/l. Trong một số điều kiện khắc nghiệt thì DO có thể biến đổi trong phạm vi từ 5-6 mg/l trong một thời
đoạn ngắn. Trong một số hồ hoặc sông rộng có phân tầng thì DO không được nhỏ hơn 4 mg/l.
- DO trong tầng sát đáy (hypolimnion) của các hồ nhỏ hoặc lớn lại nghèo chất dinh dưỡng thì không được thấp hơn 6mg/l tại bất kỳ thời điểm nào
Trong thực tế nồng độ ôxy hòa tan của nước có liên quan rất chặt chẽ với BOD một thông số biểu thị sự ô nhiễm hữu cơ, với xu thế chung giá trị BOD càng cao thì giá trị thông số DO càng giảm. Vì thế DO và BOD là các thông số thường được sử dụng để đặc trưng cho đánh giá ô nhiễm nước, gọi là mô hình DO - BOD.
Nước trong các thủy vực sông, hồ cũng thường bị đe dọa bởi hiện tượng phú dưỡng của nước mà biểu hiện của hiện tượng này là do quá dư thừa các chất dinh dưỡng mà khiến cho các loài tảo, rong phát triển quá mức trên bề mặt nước, ảnh hưởng
xấu đến chất lượng nước, cá và các sinh vật thủy sinh.
Phú dưỡng hóa được định nghĩa như là sự làm giàu nước quá mức bởi những chất dinh dưỡng vô cơ cùng với dinh dưỡng có nguồn gốc thực vật. Thông thường là các muối chứa nitơ và phốt pho như muối nitrat và phosphat.
Khi nước các sông, hồ dư thừa quá mức các chất dinh dưỡng này thì hiện tượng phú dưỡng sẽ xảy ra và gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng nước và hệ sinh thái nước. Hiện tượng phú dưỡng có thể xảy ra đối với các thủy vực nước mặt như sông, hồ, nhưng thường xảy ra và đặc biệt nghiêm trọng đối với các hồ tự nhiên và hồ chứa nước bởi vì các hồ này là nơi tập trung và lắng đọng các nguồn dinh dưỡng trên lưu vực thượng lưu chuyển về. Trong sông, phú dưỡng thường tác động đến đoạn sông hạ lưu các khu tưới lớn mà trên đó có sử dụng một lượng lớn các phân bón hóa học.
Mô phỏng quá trình biến đổi các chất dinh dưỡng trong nước sông, các thông số
biểu thị các chất dinh dưỡng có gốc N, P được dùng làm thông số tính toán và dự báo chất lượng nước.
Mô hình chất lượng nước mô phỏng sự biến đổi của các quá trình vật lý, hóa học và sinh học bằng việc lựa chọn các phương trình toán học phù hợp. Mô hình cũng có thể coi như một công cụ có thể sử dụng để giải bài toán liên quan đến ô nhiễm nước và quản lý bảo vệ chất lượng nước.
Bởi vì trong mô hình chất lượng nước có thể sử dụng nhiều quan hệ phức tạp (chứa nhiều biến số) để mô phỏng, còn mối quan hệ bên trong giữa các biến có thể chưa biết hoặc khó biểu thị. Vì thế khi ứng dụng mô hình chất lượng nước cũng cần hiệu chỉnh để xác định các thông số mô hình dựa theo các số liệu thực đo và sau đó kiểm tra lại các thông số mô hình trước khi sử dụng mô hình trong dự báo chất lượng nước.