1. 3 Tình hình dân cư kinh tế xã hội khu vực
3.2.3.Một số đặc điểm, tính năng của phần mềm EFDC
Giao diện sử dụng: Giao diện của phần mềm mô hình hoá EFDC dựa trên các tệp văn bản mẫu. Giao diện này đảm bảo tính khả chuyển giữa các phần máy tính và cho phép người sử dụng mô hình có thể dễ dàng chỉnh sửa các tệp số liệu đầu vào. Giao diện cũng cho phép chỉnh sửa các tệp số liệu mô hình trên các hệ thống máy tính xa nhau và trong môi trường mạng không thuần nhất.
Phần mềm tiền xử lý: Trước giai đoạn tính toán và mô phỏng, phần mềm mô hình EFDC có bộ mã tiền xử lý tạo lưới với tên gọi GEFDC. Bộ mã tiền xử lý này cho phép xây dựng lưới mô hình ngang, đưa vào các số liệu đo đạc độ sâu cũng như các thông số ban đầu như độ cao mặt nước, độ mặn... cho các ô lưới mô hình. Qua quá trình xử lý của bộ mã tiền xử lý này, các tệp số liệu đầu vào mô hình EFDC cụ thể (bao gồm tệp số liệu đầu vào về lưới mô hình địa hình và tệp số liệu đầu vào về các thông số ban đầu) được tạo ra. Bộ mã tiền xử lý của phần mềm mô hình EFDC có khả năng tạo ra các lưới toạ độ mô hình dạng Đề Cát hoặc dạng lưới cong – trực giao, những loại lưới này cũng đã được sử dụng trong rất nhiều phần mềm tạo lưới mô hình khác như của Mobley và Stewart (1980), Ryskin và Leal (1983), Kang và Leal (1992)...
Định dạng chương trình: Mã phần mềm mô hình EFDC chỉ tồn tại trong một phiên bản chung duy nhất. Khả năng sử dụng và ứng dụng của mô hình được phát triển, mở rộng bởi các bộ thông tin dữ liệu trong các tệp số liệu đầu vào. Để giảm tối đa yêu cầu bộ nhớ cho các ứng dụng cụ thể, một tệp số liệu thực đã được tạo ra qua việc điều chỉnh kích cỡ các mảng khác nhau một cách thích hợp trong tệp số liệu thông số mô hình và kết hợp với mã nguồn.
Tính toán thời gian chạy mô hình: Mô hình EFDC có khả năng tính toán, chuẩn đoán thời gian chạy mô hình tối ưu từ những dữ liệu, thông tin đầu vào do người sử dụng mô hình thiết lập. Các dự tính bao gồm bước thời gian tối đa (CFL), thời gian và vị trí các điểm có độ sâu âm, các kiểm tra về cân bằng thể tích và khối lượng...
3.3. Xây dựng mô hình chất lƣợng nƣớc Hồ Tây-Hà Nội 3.3.1. Số liệu địa hình
Địa hình lòng hồ Tây được xây dựng dựa theo tài liệu đo độ sâu hồ năm 1997 (Hình 3.3) của văn phòng kiến trúc sư trưởng thành phố Hà Nội. Cốt cao địa hình lòng hồ Tây được tính với giả định rằng mực nước hồ vào thời điểm đo là 6.5m (Hình 3.4). Phần mềm tiền xử lý EFDC cho phép nội suy chiều sâu và cốt cao lòng hồ cho từng ô lưới cụ thể qua tính toán và chạy mô hình cho kết quả như hình (Hình 3.5 và 3.6).
Hình 3.6. Độ sâu lòng hồ ban đầu miền mô hình được nội suy bằng phần mềm EFDC
3.3.2. Số liệu khí tƣợng
Số liệu khí tượng là một chỉ tiêu quan trọng cho phép tính toán xác định lượng nước mưa vào hồ, lượng nước bốc hơi do gió và mặt trời từ đó tính toán cân bằng lượng nước vào ra hồ. Nó cũng là số liệu rất quan trọng ảnh hưởng lớn tới sự thay đổi chất lượng nước hồ.
Lượng nước mưa rơi lên mặt hồ và chảy tràn mặt đất vào hồ trong phạm vi phần thủy vực của hồ được tính toán dựa vào lượng mưa trung bình tháng tại trạm khí tượng Láng (Bảng 3.1). Nhiệt độ không khí và tốc độ gió trung bình tháng cũng lấy tại trạm này (Bảng 3.1). Các số liệu này là điều kiện biên về dòng chảy từ nước mưa vào hồ và điều kiện khí tượng mặt nước hồ.
Bảng 3.1 Bảng thống kê số liệu khí tượng thuỷ văn
Tháng-năm Mƣa tháng (mm) Nhiệt độ TB tháng (oC) Vận tốc gió TB tháng (m/s) 1-2004 0.0 17.2 2 2-2004 6.0 18.1 2 3-2004 29.0 20.7 1 4-2004 45.0 24.2 2 5-2004 161.0 26.6 2 6-2004 335.3 29.8 1 7-2004 229.0 29.2 2 8-2004 366.0 29.1 1 9-2004 247.0 28.3 1 10-2004 107.0 26.1 1 11-2004 8.0 23.1 2 12-2004 24.0 19.3 2 (Trạm khí tượng Láng-Hà Nội 2005)
3.3.3. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên
- Điều kiện ban đầu:
Thời điểm ban đầu là ngày 1/1/2004 vào giữa mùa khô lấy mực nước ban đầu có cốt cao là 5.593m.
Theo các tài liệu đã tổng hợp, đối với nước sông tự nhiên một số thông số chất lượng nước có thể tính theo quan hệ nêu trong Bảng 3.2 [25]. Chất lượng nước hồ Tây trong mô hình vào thời điểm ban đầu được lấy và tính toán theo các số liệu quan trắc hiện trạng nêu trong Bảng 2.2 và Bảng 2.3 nêu trên. Quy đổi đối với các thông số khác theo bảng 3.2 và được thể hiện trong Bảng 3.3.
Bảng 3.2. Tính quy đổi một số thông số chất lượng nước mặt tự nhiên (mg/l)
Thông số Thông số tính ra Hệ số nhân Giá trị thông số
BODu(=2.30BOD5) TOC=2BODu 0.25 ROC 0.40 LOC 0.35 DOC TP TORP=0.3TP 0.10 ROP 0.37 LOP 0.53 DOP Octophotphat =0.7TP=0.014
Nitơ NH3 =0.1N TORN=0.02 Nitơ NH3
2.70 RON
2.70 LON
0.60 DON
Bảng 3.3. Giá trị chất lượng nước ban đầu
Thông số (đơn vị) Giá trị
Green Algae (mg/l): 0.1
Refractory POC (mg/l): 4.792
Labile POC (mg/l): 7.667
Dis Org Carbon (mg/l): 6.708 Ref Part Org Phosphorus (mg/l): 0.0006 Lab Part Org Phosphorus (mg/l): 0.0022 Dis Org Phosphorus (mg/l): 0.0016 Total Phosphate (mg/l): 0.02 Ref Part Org Nitrogen (mg/l): 0.756 Lab Part Org Nitrogen (mg/l): 0.756 Dis Org Nitrogen (mg/l): 0.168 Ammonia Nitrogen (mg/l): 0.28 Nitrate Nitrogen (mg/l): 0.25 Chemical Oxygen Demand (mg/l): 39.3333 Dissolved Oxygen (mg/l): 7.0 Fecal Coliform (MPN/l): 864
- Điều kiện biên thủy lực và chất lượng
Có 7 biên dòng chảy vào (hoặc ra) hồ Tây là S1-S8 (trừ S3) mà lưu lượng đã biết theo mùa khô và mùa mưa (Hình 3.3). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.10. Lưu lượng tại các biên miền mô hình (giá trị dương: chảy vào hồ, âm chảy ra khỏi hồ)
Giữa mùa khô và mùa mưa lưu lượng được nội suy tuyến tính. Tương tự chất lượng nước tại các biên này cũng được lấy theo các giá trị phân tích vào mùa mưa (Bảng 3.6) và mùa khô (Bảng 3.7). Những vị trí nào không có giá trị thì được nội suy qua tỷ lệ tính trung bình giữa mùa khô và mùa mưa (Bảng 3.8).
Theo các tài liệu đã tổng hợp [22], đối với nước thải một số thông số chất lượng nước có thể tính theo Bảng 3.4.
Bảng 3.4. Tính quy đổi một số thông số chất lượng nước thải (mg/l) Thông số Thông số tính ra Hệ số ĐV nƣớc thải Thông số trong MH BOD5 TOC=7.58BOD5 0.10 ROC 0.27 LOC 0.63 DOC TP TORP=0.5TP=5.5 0.13 ROP 0.29 LOP 0.58 DOP Octophotphat =0.5TP=5.5 TORN TORN 0.16 RON 0.28 LON 0.56 DON DO DOX
Vị trí các cống thải vào và thoát ra của hồ Tây.
Hình 3.11. Lưới mô hình và vị trí các cống (biên lưu lượng)
Ngoài 7 biên dòng chảy nước thải chảy vào hồ Tây, còn hai biên khác là biên dọc theo bờ hồ Tây do nước mưa chảy tràn vào và trên toàn bộ mặt hồ Tây có nước mưa rơi trực tiếp xuống và nước bốc hơi từ mặt hồ. Lưu lượng nước mưa chảy tràn vào hồ dọc theo bờ hồ được tính qua diện tích lưu vực giới hạn giữa các đường Thụy Khuê, Lạc Long Quân, Âu Cơ, Nghi Tàm và Thanh Niên và đường bờ hồ Tây và lượng mưa. Diện tích này là 3.372.100m2 (diện tích miền mô hình: 5.195.390m2;
diện tích đường phân thủy: 8.567.015m2). Lượng mưa và bốc hơi lấy theo trạm khí tượng Láng-Hà Nội (Bảng 3.1).
Về chất lượng nước mưa, độ ôxy hoà tan lấy bằng 5.75ml/l (hình 3.12) [26], BOD tổng bằng 37mg/l, COD bằng 41mg/l và NH3 bằng 21.17mg/l [24]. Các giá trị các thông số khác của chất lượng nước mưa lấy bằng chất lượng nước hồ Tây thời điểm ban đầu mô hình.
Dissolved Oxygen (DO) of Rooftop Rainwater
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 Roof Rainwater Source D is s o lv e d O x y g e n ( m g /L ) Pure Rainwater FR / R / NoL Sch / R / NoL PP1 / R / NoL PP1 / NoR / NoL PP1 / NoR / L PP2 / R / NoL
Hình 3.12. Độ ôxy hoà tan của nước mưa [26]
Đó là các điều kiện biên ban đầu, và các thông số sử dụng để chạy mô hình EFDC. Sau thời gian chạy với bước thời gian mô hình 5 giây ta có kết quả chất lượng nước thể hiện như sau.
CHƢƠNG 4
KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 4.1. Kết quả
Mô hình thủy lực và chất lượng nước hồ Tây được chạy cho thời gian 1 năm (theo các số liệu thống kê năm 2004 và những năm trước đó đã thu thập được) với bước thời gian mô hình là 5 giây.
Cốt cao mực nước của hồ dao động từ 5.55m (trong khoảng thời gian mùa khô) đến 6.4m (vào khoảng giữa tháng 9). Mực nước trong hồ dao động phụ thuộc chủ yếu vào lượng mưa trong lưu vực hồ và bốc hơi do gió, bức xạ mặt trời. Và lượng nước thải đổ vào và lượng nước thoát ra khỏi hồ.
Hình 4.1 thể hiện mức độ biến đổi mực nước hồ trong một năm, qua tính toán của mô hình phù hợp với thực tế các số liệu đã quan trắc.
W S El ev at io n (m ) 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Time (days) Mo hinh thuy luc Ho Tay
Legend
i=33,j=21
Hướng dòng chảy trong hồ, do đặc thù của hồ khác với sông, hồ là hệ thống nước tĩnh, khả năng xáo trộn phân huỷ và chuyển hoá chất bẩn trong hồ kém hơn so với dòng sông là hệ thống nước động. Vận tốc dòng chảy trong hồ nhỏ và hướng dòng chảy phụ thuộc chủ yếu vào hướng gió chính, địa hình lòng hồ, vị trí cống xả, cống thoát và lưu lượng nước thải vào hồ, nước thoát ra khỏi hồ. Nước hồ chủ yếu chảy theo hướng Tây - Bắc và có các dòng chảy xoáy quẩn trong hồ thể hiện qua mô hình sau.
Tuổi nước hồ, với nước mưa và nước thải vào hồ có tuổi bằng 0 thì tuổi nước trong hồ tương đối cao, thể hiện mức độ nước hồ Tây được thay thế bởi nước mưa và nước thải tương đối chậm. Nếu nguồn nước có tuổi càng cao chứng tỏ nước có khả năng bị tù đọng nhiều. Tuổi của nước hồ Tây cũng thay đổi rất đáng kể: phần phía Bắc hồ dọc đường lạc Long Quân có tuổi cao, phần còn lại có tuổi thấp. Điều này phù hợp với thực tế là hướng dòng chảy qua mô hình và nước thải vào hồ chủ yếu ở phía Trích Sài và đường Thanh Niên và thoát ở cống Xuân La.
Nhiệt độ nước hồ Tây được quyết định bởi điều kiện khí hậu khu vực, theo các mùa là chủ yếu, mùa đông nhiệt độ xuống thấp khoảng 14oC (Hình 4.4) và mùa hè nhiệt độ tăng cao (Hình 4.5) tới khoảng 30oC và đặc trưng biến đổi nhiệt độ theo mùa được thể hiện trên Hình 4.6.
Tem p er at u re (°C ) 15.0 16.5 18.0 19.5 21.0 22.5 24.0 25.5 27.0 28.5 30.0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Time (days)
Mo hinh thuy luc Ho Tay
Legend
i=56,j=19, phia Dong i=31,j=19, phan 4 phia Dong i=15,j=40, phan 4 phia Bac i=19,j=64, phia Bac
Hình 4.6 Nhiệt độ theo năm
Nhiệt độ nước hồ liên quan đến sự tồn tại của các sinh vật trong hồ, ảnh hưởng đến tốc độ và dạng phân huỷ các hợp chất chất hữu cơ trong hồ, qua đó ảnh hưởng tới khả năng tự làm sạch của nguồn nước. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chỉ tiêu nồng độ ôxy hoà tan. Theo TCVN 5942-1995 không quy định nồng độ oxy hoà tan, nhưng theo TCVN 6774:2000 tiêu chuẩn về nguồn nước dùng để nuôi trồng thuỷ sản thì quy định DO phải >5mg/l thực tế chạy mô hình sau một năm đa số các điểm đều cao và đạt trên 5mg/l, Độ ôxy hoà tan tương đối cao dao động từ 6mg/l đến trên 9mg/l. Do đặc điểm trong hồ có một số loài tảo và các loài thực vật thuỷ sinh nên trong hồ quá trình quang hợp diễn ra nhanh mạnh thu nhận CO2
các chất khoáng đồng thời cung cấp nhiều oxy cho hồ. Một phần nữa nhờ độ sâu hồ không lớn mặt hồ rộng và thoáng dễ tiếp xúc với không khí khu vực xung quanh hồ với mật độ cây xanh tương đối nhiều giúp cung cấp lượng oxy dồi dào cho môi
trường không khí xung quanh, mặt khác hồ được xáo trộn đáng kể do gió nên lượng oxy đưa vào hồ khá lớn.
Hồ Tây cũng là một nơi nuôi trồng thuỷ sản rất thuận lợi cung cấp một nguồn cá lớn cho Hà Nội, nồng độ oxy hoà tan là một chỉ tiêu quan trọng trong nuôi trồng thuỷ sản vì hàm lượng oxy trong nước rất cần cho quá trình hô hấp của các loài cá. Qua mô hình ta thấy nồng độ oxy hoà tan cao hơn ở phía Tây Bắc của hồ và thấp hơn ở phía Đông Nam hồ. Lượng nước thải ra chủ yếu cũng từ phía Đông Nam hồ và chảy về hướng Tây Bắc, theo hướng chảy chính của hồ.
Quá trình chạy mô hình cho thấy thời điểm nồng độ oxy hoà tan trong nước xuống thấp nhất khoảng từ tháng 9 đến tháng 1 năm sau khi đó nồng độ oxy hoà tan một số điểm xuống khoảng 1-5mg/l, đó là khoảng thời gian mùa khô (Biến đổi oxy hoà tan trong một năm thể hiện qua Hình 4.5) Theo điều tra, khảo sát và hỏi những người dân quanh hồ thì cũng vào thời điểm này trong năm các loài cá nổi lên trên mặt nước, nhất là vào các buổi sáng nhiều sương, một số lượng lớn bị chết nổi lên. Có một phần do thời tiết lạnh và một phần do hàm lượng oxy hoà tan giảm xuống gây thiếu hụt oxy trong nước. Nồng độ oxy hoà tan đạt mức cao nhất là vào tháng 5 đến tháng 7. Trùng với mùa mưa, nồng độ oxy khuyếch tán vào nước tăng lên đạt mức 7-9mg/l.
Tại các điểm ven bờ nồng độ oxy trong nước thấp hơn so với xa bờ, gần các điểm xả nước thải nồng độ oxy hoà tan xuống rất thấp có nơi chỉ đạt khoảng 0.1- 2mg/l. (Hình 4.7 Phân bố oxy hoà tan sau 1 năm). Nguyên nhân do lượng chất thải hữu cơ và vô cơ trong nước thải lớn, quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ diễn ra nhanh, mạnh vi sinh vật sử dụng một lượng lớn oxy để oxy hoá các hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học dẫn đến nồng độ oxy hoà tan trong nước ven bờ và tại vị trí các cống xả nước thải xuống thấp hơn so với giữa hồ (thể hiện qua hình 4.8)
D is s o lv ed Ox y g en (m g /l ) 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Time (days)
Mo hinh thuy luc Ho Tay
Legend i=56,j=19, phia Dong i=32,j=21, phan 4 phia Dong i=16,j=32, phan 4 phia Bac i=15,j=59, phia bac
Hình 4.8 Biến đổi ôxy hoà tan trong năm (màu đỏ: khu vực ảnh hưởng nhiều bởi nước thải; màu đen: khu vực ít ảnh hưởng bởi nước thải)
Nồng độ COD ban đầu tương đối cao (41mg/l) nhưng chỉ sau khoảng 1 tuần đã giảm đi đáng kể, nhìn chung trên toàn hồ nồng độ COD chỉ nằm trong khoảng 5- 40mg/l so với TCVN là đạt tiêu chuẩn, và mô hình sau 1 năm cho thấy phần có nồng độ COD lớn hơn 30mg/l chỉ là những diện nhỏ xung quanh các điểm thải nước thải vào hồ.
Lục tảo (green algae) phát triển vào mùa hè, tảo xanh đóng vai trò quan trọng trong khả năng tổng hợp chất hữu cơ các muối khoáng đồng thời cung cấp oxy cho hồ. Những khu vực nước thải chảy qua tảo phát triển kém hơn, phát triển nhiều