1. 3 Tình hình dân cư kinh tế xã hội khu vực
3.2.1. Cấu trúc mô hình EFDC
Mục đích của đề tài là sử dụng mô hình số EFDC mô phỏng quá trình lan truyền chất ô nhiễm và biến đổi chất lượng nước nhằm dự báo được chất lượng nước hồ Tây trong tương lai để có thể có được các biện pháp đúng đắn giảm thiểu ô nhiễm nước hồ, bảo vệ môi trường tự nhiên hồ.
Mô hình EFDC gồm 4 modul chính: (1) Mô hình thuỷ động học, (2) Mô hình chất lượng nước, (3) Mô hình vận chuyển bùn cát, (4) Mô hình lan truyền, phân huỷ các chất độc trong môi trường nước mặt.
Mô hình thuỷ động lực học EFDC gồm 6 modul lan truyền vận chuyển, bao gồm: động lực học, màu sắc, nhiệt độ, độ mặn... Nhiều kết quả tính toán từ mô hình thuỷ động lực học (như độ sâu, vận tốc, tốc độ xáo trộn...) được kết hợp và sử dụng trực tiếp trong các modul còn lại như mô hình chất lượng nước, mô hình vận chuyển bùn cát và mô hình lan truyền, phân huỷ độc chất.
Các cấu trúc cơ bản mô hình EFDC.
Hình 3.1 : Cấu trúc cơ bản của mô hình EFDC
Hình 3.2 : Cấu trúc của mô hình thủy động lực học EFDC
3.2.2. Mô hình thuỷ động lực học và bài toán lan truyền nhiệt, lan truyền mặn
Mô hình EFDC giải được các phương trình thuỷ tĩnh theo chiều đứng, chế độ chảy phẳng, chảy rối trung bình trong không gian ba chiều đối với dòng chảy có tỷ trọng thay đổi. Nó cũng giải các phương trình kép lan truyền vật chất đối với các trường hợp truyền nhiệt động rối, rối theo chiều dọc, lan truyền mặn và truyền nhiệt. EFDC sử dụng hệ toạ độ Đề cát hoặc cong trực giao.
Để giải các phương trình động lượng, mô hình EFDC sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn không gian chính xác bậc 2. Việc kết hợp thời gian trong mô hình sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 3 cấp thời gian chính xác bậc 2 với kiểu
Mô hình EFDC MH Thủy động lực học MH Chất lượng nước MH vận chuyển bùn cát MH lan truyền chất độc MH thủy động lực học Động lực học (vận tốc, độ cao…)
Màu sắc Nhiệt độ Độ mặn Ảnh hưởng
tách riêng quá trình chuyển động do các yếu tố chính trong các lớp nước tạo ra (internal mode – kiểu trong) và quá trình do các yếu tố trên bề mặt nước (sóng, gió...) (external mode – kiểu ngoài). Kiểu ngoài là bán ẩn và tính toán đồng thời trường độ cao hai chiều bằng bước gradient liên hợp có điều kiện (preconditioned conjugate gradient). Kiểu ngoài được thực hiện khi tính toán vận tốc trung bình theo độ sâu (sử dụng mực nước mới được tính).
Kiểu trong được thực hiện đồng thời với kiểu ngoài và hoàn toàn chỉ liên quan đến khuyếch tán theo chiều đứng do ứng suất cắt và cắt do dòng chảy.
Mô hình EFDC ứng dụng sơ đồ giải theo không gian và thời gian có độ chính xác bậc hai theo sơ đồ bước giải phân đoạn bảo toàn khối lượng đối với các phương trình lan truyền mặn, truyền nhiệt, chất lơ lửng, chất lượng nước và các chất ô nhiễm trong nước. Các thông số chính sử dụng để chạy phần mền gồm có.
Các thành phần chất lượng nước phần mềm EFDC mô hình là: - Tổng chất rắn lơ lửng - Độ mặn - Nhiệt độ - Cyanobacteria - Diatomaceous Algae - Tảo xanh (Green algae) - Cacbon hữu cơ không hoà tan (Refractory POC) - Cacbon hữu cơ dạng khí (Labile POC)
- Cacbon hữu cơ hoà tan (Dissolved POC)
- Photpho hữu cơ không hoà tan (Refractory POP)
- Photpho hữu cơ dạng khí - Photpho hữu cơ hoà tan - Tổng photphat
- Nitơ hữu cơ không hoà tan (Refractory PON) - Nitơ hữu cơ dạng khí (Labile PON)
- Nitơ hữu cơ hoà tan (Dissolved PON) - Nitơ ammoniac - Nitơ nitrate
- Silic dioxyt sinh vật - Silic dioxyt hoà tan - Nhu cầu ôxi hóa học
- Ô xy hòa tan
- Tổng kim loại họat tính - Fecal Coliform
- Tảo macro
- Tổng cacbon hữu cơ (TOC)
- Tổng nitơ - Tổng photpho - Chlorophyll a - Tổng nitơ hữu cơ (TORN)
- Tổng nitơ vô cơ - Tổng photpho hữu cơ (TORP)
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).
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.
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