Tài liệu ứng dụng phương pháp mô hình hóa dự đoán diễn biến chất lượng nước sông cầu đoạn chảy qua tỉnh thái nguyên và đề xuất giải pháp quản lý phù hợp

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA DỰ ĐOÁN DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG CẦU ĐOẠN CHẢY QUA TỈNH THÁI NGUYÊN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP QUẢN LÝ PHÙ HỢP CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGUYỄN TƯỜNG KHƯƠNG DUY HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA DỰ ĐOÁN DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG CẦU ĐOẠN CHẢY QUA TỈNH THÁI NGUYÊN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP QUẢN LÝ PHÙ HỢP NGUYỄN TƯỜNG KHƯƠNG DUY CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 60440301 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 PGS.TS. HOÀNG ANH HUY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 2 TS. PHẠM THỊ MAI THẢO HÀ NỘI, NĂM 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu được thực hiện bởi chính tôi trong khoảng thời gian học tập và nghiên cứu theo quy định. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn đều đảm bảo tính trung thực, khoa học và chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào bởi một tác giả khác không thuộc nhóm nghiên cứu. Mọi số liệu kế thừa trong luận văn đều được sự đồng thuận của tác giả và có nguồn gốc rõ ràng. Hà Nội, tháng năm 2018 Học viên Nguyễn Tường Khương Duy i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin trân trọng cảm ơn đến Ban giám hiệu, các thầy cô giáo Khoa Môi trường, các thầy cô giáo Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS. Hoàng Anh Huy và TS. Phạm Thị Mai Thảo, trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu đã luôn giúp đỡ, hướng dẫn tận tình em trong việc giải quyết các vấn đề nghiên cứu và ủng hộ, động viên, hỗ trợ để em có thể hoàn thành luận văn của mình. Em xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Trung tâm Quan trắc môi trường Tổng cục Môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập và công tác. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới toàn thể bạn bè đồng nghiệp tại phòng Hệ thống Quan trắc môi trường, phòng Hệ thống thông tin báo cáo môi trường và Phòng Thí nghiệm môi trường đã động viên, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn chính quyền địa phương, lãnh đạo các công ty, xí nghiệp, các phòng ban chuyên môn trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên đã nhiệt tình cộng tác và giúp đỡ em trong quá trình điều tra, khảo sát và thu thập số liệu tại hiện trường. Đặc biệt, chân thành cảm ơn Ủy ban nhân dân tỉnh Thái Nguyên, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên, Trung tâm Tư vấn và Công nghệ Môi trường – Tổng cục Môi trường đã tạo điều kiện cho phép em được tiếp cận và trích dẫn nguồn tư liệu, số liệu khổng lồ từ các báo cáo cần thiết phục vụ cho công tác hoàn thành Luận văn. Cuối cùng, em xin tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè những người đã quan tâm, ủng hộ em hoàn thành công việc học tập và nghiên cứu một cách tốt nhất. Hà Nội, tháng năm 2018 Học viên Nguyễn Tường Khương Duy ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...............................................................................................İ LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... İİ DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................... V DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... Vİ DANH MỤC BẢNG ...................................................................................... Vİİ MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN .............................. 3 1.1. Mô hình hóa chất lượng nước ............................................................................... 3 1.2. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình chất lượng nước trên thế giới ....................... 5 1.3. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình chất lượng nước trong nước có liên quan ..... 7 1.4. Kết quả nghiên cứu, ứng dụng mô hình MIKE 11 để đánh giá chất lượng nước trên thế giới và ở Việt Nam ......................................................................................... 8 1.5. Bộ phần mềm mô hình MIKE 11........................................................................ 13 1.6. Vị trí nghiên cứu ................................................................................................. 20 CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................................................................... 37 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 37 2.2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 38 2.2.1. Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu ......................................................... 38 2.2.2. Phương pháp điều tra khảo sát thực địa và thu thập nguồn thải .................. 39 2.2.3. Phương pháp quan trắc và phân tích mẫu.................................................... 39 2.2.4. Phương pháp ứng dụng mô hình hóa ........................................................... 41 2.2.5. Phương pháp dự báo diễn biến .................................................................... 48 2.2.6. Phương pháp xử lý số liệu và viết báo cáo .................................................. 48 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 50 3.1. Kết quả khảo sát chất lượng nước lưu vực sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên ....................................................................................................................... 50 3.2. Vị trí nguồn thải và dữ liệu đầu vào mô hình ..................................................... 54 3.3. Kết quả ứng dụng mô hình Mike 11 ................................................................... 62 3.3.1. Dự báo sự thay đổi chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên năm 2020.................................................................................................................... 66 3.3.2. Dự báo sự thay đổi chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên năm 2030.................................................................................................................... 69 3.4. Một số giải pháp quản lý phù hợp nhằm kiểm soát ô nhiễm nguồn nước sông Cầu đoạn chảy qua địa bàn tỉnh Thái Nguyên ........................................................... 72 iii KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................... 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 78 TÀİ LİỆU TİẾNG VİỆT .................................................................................. 78 TÀİ LİỆU TİẾNG ANH .................................................................................. 80 PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ QUAN TRẮC MÔİ TRƯỜNG NƯỚC MẶT LƯU VỰC SÔNG CẦU ĐOẠN CHẢY QUA ĐỊA BÀN TỈNH THÁİ NGUYÊN 81 PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC TẾ .............................................. 85 PHỤ LỤC 3: CÁC ĐİỂM QUAN TRẮC, LẤY MẪU TRÊN ĐOẠN SÔNG NGHİÊN CỨU ................................................................................................. 87 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích AD Mô đun truyền tải khuếch tán BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường Cv Ecolab Hệ số dòng chảy năm Mô đun sinh thái EPA United States Environmental Protection Agency FDI Foreign Direct Investment GDP Gross Domestic Product HD Mô đun thủy động lực học LVS Lưu vực sông QCVN Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam USACE United States Army Corps of Engineers Wo WHO Tổng lượng dòng chảy trung bình World Health Organization v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sự vận chuyển các chất hòa tan trong quá trình truyền tải và khuếch tán ...............16 Hình 1.2: Bản đồ hành chính tỉnh Thái Nguyên ......................................................................21 Hình 1.3: Bản đồ sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên.................................................26 Hình 2.1: Lưu vực sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên ..............................................37 Hình 2.2: Sơ đồ các điểm lấy mẫu trên đoạn sông nghiên cứu................................................39 Hình 2.3: Mạng lưới đoạn sông nghiên cứu ............................................................................42 Hình 2.4: Sơ đồ mạng lưới nguồn thải trên đoạn sông nghiên cứu .........................................42 Hình 2.5: Mạng lưới dòng chảy đoạn sông nghiên cứu ...........................................................43 Hình 2.6: Mạng lưới mặt cắt trên đoạn sông nghiên cứu ........................................................44 Hình 2.7: Mặt cắt một vị trí trên đoạn sông nghiên cứu ..........................................................44 Hình 2.8: Một số hệ số nhám có thể áp dụng trên đoạn sông nghiên cứu ...............................45 Hình 2.9: Lưu lượng biên trên tại điểm Trạm thủy văn Gia Bảy ............................................46 Hình 2.10: Mô hình mô phỏng Module Ecolab .......................................................................46 Hình 2.11: Dữ liệu biên thủy lực .............................................................................................47 Hình 2.12: Các bước ứng dụng mô hình MIKE11 trên đoạn sông ..........................................48 Hình 3.1: Diễn biến DO trên đoạn sông nghiên cứu ...............................................................51 Hình 3.2: Diễn biến BOD5 trên đoạn sông nghiên cứu ...........................................................51 Hình 3.3: Diễn biến NH4+ trên đoạn sông nghiên cứu .............................................................52 Hình 3.4: Diễn biến NO3- trên đoạn sông nghiên cứu .............................................................53 Hình 3.5: Diễn biến PO43- trên đoạn sông nghiên cứu.............................................................53 Hình 3.6: Diễn biến Coliform trên đoạn sông nghiên cứu .......................................................54 Hình 3.7: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số DO ................................62 Hình 3.8: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số BOD5 ............................62 Hình 3.9: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số NH4+ .............................63 Hình 3.10: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số NO3- ............................63 Hình 3.11: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số PO43- ...........................64 Hình 3.12: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số Coliform .....................64 Hình 3.13: Giá trị DO ..............................................................................................................66 Hình 3.14: Giá trị NH4+ ...........................................................................................................66 Hình 3.15: Giá trị NO3- ............................................................................................................67 Hình 3.16: Giá trị BOD5 ..........................................................................................................67 Hình 3.17: Giá trị PO43- ...........................................................................................................67 Hình 3.18: Giá trị Coliform .....................................................................................................68 Hình 3.19: Giá trị DO ..............................................................................................................69 Hình 3.20: Giá trị NH4+ ...........................................................................................................70 Hình 3.21: Giá trị NO3- ............................................................................................................70 Hình 3.22: Giá trị BOD5 ..........................................................................................................70 Hình 3.23: Giá trị PO43- ...........................................................................................................71 Hình 3.24: Giá trị Coliform .....................................................................................................71 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Đặc trưng hình thái các sông thuộc lưu vực ............................................................24 Bảng 1.2: Đặc trưng dòng chảy năm tại các trạm thủy văn trên lưu vực ................................27 Bảng 2.1: Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu ..................................................................40 Bảng 2.2: Phương pháp lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu nghiên cứu ...................................40 Bảng 3.1: Vị trí các nguồn thải trên đoạn sông nghiên cứu .....................................................54 Bảng 3.2: Lượng nước thải sinh hoạt trong địa bản tỉnh [11]..................................................57 Bảng 3.3: Nguồn tiếp nhận nước thải đô thị trên địa bàn Thái Nguyên[11] ...........................57 Bảng 3.4: Nhu cầu sử dụng nước khu dân cư [11] ..................................................................58 Bảng 3.5: Dự báo lưu lượng nước thải sinh hoạt đổ vào đoạn sông căn cứ theo [9] [11] ........................................................................................................................59 Bảng 3.6: Tổng hợp nhu cầu sử dụng nước căn cứ theo [9] [11] ............................................59 Bảng 3.7: Nhu cầu sử dụng nước cho chăn nuôi căn cứ theo [9] [11].....................................60 Bảng 3.8: Dự báo lượng nước thải nông nghiệp căn cứ theo [9] [11] .....................................60 Bảng 3.9: Nhu cầu sử dụng nước cho công nghiệp căn cứ theo [9] [11].................................61 vii MỞ ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ngày nay dẫn tới sự phát triển nhanh chóng của sản xuất hàng hóa và quá trình đô thị hóa trên thế giới. Quá trình phát triển kinh tế xã hội một mặt không ngừng tạo ra các vấn đề về suy thoái môi trường toàn cầu, đặc biệt ở các nước đang phát triển. Vì vậy, việc bảo vệ môi trường đang trở thành một vấn đề bức thiết của toàn xã hội. Trong đó, vấn đề bảo vệ môi trường nước chiếm một vị trí quan trọng. Lưu vực sông Cầu là một trong những lưu vực sông chính và quan trọng nhất trong hệ thống sông Thái Bình, có diện tích lưu vực khoảng 6.030 km2, với chiều dài lưu vực trên 288 km bao gồm toàn bộ hay một phần lãnh thổ của các tỉnh: Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Ninh, Bắc Giang, Vĩnh Phúc, Hải Dương và Hà Nội. Trong đó vị trí của tỉnh Thái Nguyên đối với khu vực này tương đối quan trọng. Thái Nguyên là tỉnh có khu gang thép đầu tiên của cả nước và là địa phương có nhiều cơ sở công nghiệp quan trọng. Mặc khác, trong xu thế phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh trong những năm gần đây, dưới tác động của các yếu tố tự nhiên và hoạt động của con người, môi trường nước LVS Cầu đoạn chảy qua tỉnh đang dần có hiện tượng ô nhiễm nguồn nước, nhiều vấn đề môi trường đã và đang diễn ra rất phức tạp. Chất lượng nước ở đoạn sông chịu tác động nhiều từ các hoạt động của con người. Do vậy, để có cơ sở đề xuất các giải pháp quản lý, giải pháp kỹ thuật nhằm bảo vệ chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua địa bàn tỉnh Thái Nguyên, phục vụ an toàn cho cấp nước đồng thời phục vụ cho các mục đích phát triển bền vững trên toàn lưu vực cần phải áp dụng nhiều phương pháp khác nhau như mô hình hóa và kết hợp với đo đạc thực địa để lấy số liệu. Trước lý do đó đề tài: “Ứng dụng phương pháp mô hình hóa dự đoán diễn biến chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên và đề xuất giải pháp quản lý phù hợp” được đưa ra nhằm phục vụ công tác quản lý môi trường trong việc đánh giá và dự báo ô nhiễm nước sông trong thời gian tới. 1 Trên thế giới hiện nay phát triển rất nhiều mô hình chất lượng nước nhằm thay thế cho phương pháp tính toán giải tích thông thường. Để giải quyết bài toán chất lượng nước, mô hình Mike 11 đã được lựa chọn để ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Ưu điểm của phương pháp sử dụng mô hình Mike 11 là: - Cung cấp một bức tranh tổng thể với những đáp ứng khác nhau và có khả năng dự đoán sự biển đổi của môi trường dưới tác động của nhiều yếu tố tổng hợp. - Phân tích được mối quan hệ giữa các yếu tố chất lượng nước và tương tác giữa các yêu tố, các quá trình lan truyền, biến đổi chất trong nước. Qua nghiên cứu, tác giả đề tài lựa chọn sông Cầu đoạn chảy qua địa bàn tỉnh Thái Nguyên, bắt đầu từ điểm Trạm thủy văn Gia Bảy xuôi dòng đến điểm cuối là điểm Tân Phú (đây là điểm trước khi vào hợp lưu giữa sông Công và sông Cầu, cũng là điểm cuối của sông Cầu trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên) để nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 trong đánh giá dự báo diễn biến chất lượng sông. Mục tiêu của đề tài: - Đánh giá chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên. - Ứng dụng mô hình hóa dự đoán diễn biến chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên. - Đề xuất giải pháp quản lý chất lượng nước cho khu vực nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu: - Thu thập số liệu, khảo sát, lấy mẫu, phân tích nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên. - Ứng dụng mô hình Mike 11 tính toán dự báo ô nhiễm nước mặt sông Cầu, cụ thể sử dụng mô hình Mike 11 để mô phỏng dự báo 06 yếu tố: DO, NH4+, NO3-, BOD5, PO43- và Coliform. - Đề xuất giải pháp quản lý chất lượng môi trường. 2 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1.1. Mô hình hóa chất lượng nước Mô hình hóa là phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm trên mô hình của một hiện tượng (quá trình, sự vật,…) thay vì nghiên cứu trực tiếp hiện tượng ấy ở dạng tự nhiên (thực địa). Quá trình mô hình hóa bao gồm hai phần là chế tạo mô hình và tiến hành thực nghiệm trên mô hình ấy. Mô hình hóa chất lượng nước là phương pháp sử dụng các phần mềm tính toán các chỉ tiêu phản ánh chất lượng nước. Các chỉ tiêu bao gồm: các chỉ tiêu vật lý, hóa học và các thành phần sinh học của nguồn nước trên cơ sở giải các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa các chỉ tiêu phản ánh chất lượng nước cũng như các quá trình có liên quan đến nó. a. Phân loại mô hình chất lượng nước và phạm vi ứng dụng Các mô hình chất lượng nước được chia thành 2 loại: Mô hình tính toán sự lan truyền, phân bố các chất ô nhiễm trong dòng chảy; Mô hình mô phỏng sự hình thành chất lượng nước và xu thế biến đổi chất lượng nguồn nước. Mô hình tính toán sự lan truyền, phân bố các chất ô nhiễm trong dòng chảy Mô phỏng sự biến đổi các chỉ tiêu chất lượng nước theo thời gian trong không gian của dòng chảy. Việc thiết lập mô hình dựa trên cơ sở giải phương trình tải và tải-phân tán các chất ô nhiễm trong dòng chảy. Các yếu tố đặc trưng về dòng chảy được xác định từ các mô hình thủy lực, các số liệu thống kê hoặc đo thực nghiệm như các mô hình Qual I, II; Stream I, II;... Loại mô hình này có ưu điểm: - Cho kết quả nhanh về sự lan truyền, phân bố các chất từ các nguồn thải đến chất lượng nước. Từ đó cho phép chúng ta đánh giá tác động ban đầu cũng như những ảnh hưởng lâu dài đến chất lượng nguồn nước. - Độ tin cậy cao, dễ sử dụng do đòi hỏi ít các số liệu đầu vào. - Áp dụng rộng rãi trong việc đánh giá tác động của các hoạt động phát triển, dự báo xu thế biến đổi chất lượng nguồn nước. 3 Nhược điểm: chưa xem xét đến các yếu tố hình thành chất lượng nguồn nước, việc tính toán mô phỏng trong các khoảng thời gian ngắn và đặc biệt đánh giá ảnh hưởng của các nguồn thải phân tán, các sự cố môi trường đến chất lượng nguồn nước còn gặp nhiều khó khăn. Mô hình mô phỏng sự hình thành chất lượng nguồn nước Mô phỏng sự hình thành các nguồn gây ô nhiễm (các nguồn thải và tải lượng các chất thải) và sự thay đổi chất lượng nước theo không gian và thời gian. Thiết lập trên cơ sở ghép nối các mô hình thủy lực với mô hình lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy như WSHMM, MIKE SYSTEM,... Loại mô hình này có các ưu điểm và hạn chế sau: - Mô tả một cách tổng quát và toàn diện hơn về chất lượng nguồn nước cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến các chỉ tiêu chất lượng nước. - Xem xét, đánh giá được mức độ tác động của các chất ô nhiễm từ các nguồn không điểm đến chất lượng nguồn nước. Các chất ô nhiễm có nguồn gốc từ các hoạt động nông nghiệp, từ các khu vực đô thị và tập trung dân cư được đưa vào dòng chảy theo nước mưa chảy tràn. - Đòi hỏi một lượng rất lớn và đồng bộ các thông tin ban đầu như: các số liệu địa hình lưu vực, các số liệu về thủy văn, dòng chảy,...và khối lượng tính toán lớn và phức tạp. - Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình cũng như chuẩn hóa các hệ số,...gặp nhiều khó khăn trong thực tế và đòi hỏi một khoảng thời gian dài do việc dự báo các thông tin ban đầu có độ tin cậy thấp. b. Mục đích của phương pháp mô hình hóa – Làm sáng tỏ vấn đề: chúng ta có thể đưa ra được các lỗi của hệ thống từ việc tiếp cận trực quan đồ họa hơn là từ các dạng trình bày nguyên thủy. Hơn nữa, việc mô hình hoá giúp chúng ta dễ dàng hiểu được cách thức hoạt động của vấn đề. 4 – Mô phỏng được hình ảnh tương tự: hình thức trình bày của mô hình có thể đưa ra được một hình ảnh giả lập như hoạt động thực sự của hệ thống thực tế, giúp cho người tiếp cận cảm thấy thuận tiện khi làm việc với mô hình. – Gia tăng khả năng duy trì hệ thống: các ký hiệu trực quan có thể cải tiến khả năng duy trì hệ thống. Thay đổi các vị trí được xác định và việc xác nhận trực quan trên mô hình các thay đổi đó sẽ giúp làm giảm đi số lượng lỗi. Do đó, có thể tạo ra các thay đổi nhanh hơn và các lỗi được kiểm soát hoặc xảy ra ít hơn. – Làm đơn giản hóa vấn đề: mô hình hoá có thể biểu diễn vấn đề ở nhiều mức, từ mức tổng quát đến mức chi tiết do đó sẽ càng đơn giản hoá việc hiểu. 1.2. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình chất lượng nước trên thế giới a. Bộ phần mềm mô hình Streeter – Phelps mở rộng Được áp dụng để đánh giá chất lượng nước cho sông Oreto, Ý (Giorgio Mannina, 2010). Mô hình tích hợp các quá trình lý hóa và sinh học phù hợp để mô hình hóa chất lượng nguồn nước. Ưu điểm của mô hình là có thể áp dụng được để đánh giá chất lượng nước đối với những con sông nhỏ, thiếu dữ liệu. Nhược điểm là do thuật toán của mô hình đơn giản nên không thể mô phỏng trong trường hợp có quá nhiều dữ liệu đầu vào, hơn nữa số lượng mẫu cũng như các chỉ tiêu chất lượng nước mà mô hình có thể đánh giá là rất hạn chế. b. Mô hình Duflow Được phát triển bởi Viện thủy lực (IHE) của Hà Lan, Đại học công nghệ Delft, STOWA và trường Đại học Nông nghiệp Wageningen. Duflow được thiết kế để sử dụng cho nhiều mục tiêu (triều, lũ, sử dụng nước...) và các bài toán lan truyền chất trong kênh sông có các công trình. Trên thế giới, mô hình đã được ứng dụng để thực hiện Dự án đánh giá chất lượng nước sông Chicago và hồ Michigan tại Mỹ, đánh giá ảnh hưởng của những kịch bản chất lượng nước trong tương lai, từ đó sẽ chỉ ra những 5 biện pháp giảm thiểu cần được thực hiện để mang lại những thay đổi tích cực cho môi trường (USACE, 2014) [31]. Ưu điểm của mô hình là có giao diện đồ họa dễ sử dụng. Tuy nhiên, đây là phần mềm thiết kế chủ yếu cho giảng dạy và đào tạo, vì thế khi sử dụng cho các bài toán lớn trong thực tế thì cần phải cải biên nhiều. c. Mô hình Qual2E Là sản phẩm của Cục bảo vệ môi trường Mỹ (EPA). Qual2E là mô hình thuỷ động lực sử dụng hệ phương trình Saint-Venant và lan truyền chất hai chiều: theo chiều dòng chảy và chiều sâu. Mô hình được áp dụng cho sông ngòi, hồ, hồ chứa và vùng cửa sông. Nó có thể mô phỏng tới 15 thành phần bất kỳ trong một tổ hợp nào đó do người sử dụng đề ra. Nhược điểm của mô hình Qual2E là chỉ áp dụng cho mạng sông đơn giản hình cây (không áp dụng cho mạng sông dạng mạch vòng), thiết diện sông phải đều dạng hình thang/hình chữ nhật và không chịu ảnh hưởng của thủy triều. d. Mô hình CORMIX Là mô hình hệ thống chuyên nghiên cứu vùng pha trộn nước thải dùng để phân tích, dự báo và thiết kế các miệng xả nước thải vào nguồn nước tự nhiên. Mô hình này được các chuyên gia thuộc trường Đại học Cornell (Mỹ) xây dựng trong thời gian từ 1985 đến 1995. Mô hình cho phép mô tả quá trình pha trộn nước thải ở gần miệng xả cũng như xa miệng xả. Nhược điểm của mô hình CORMIX là chỉ cho phép mô phỏng chất lượng nước đối với nguồn thải điểm (là nguồn thải xác định được vị trí xả thải), không mô phỏng được nguồn thải dạng diện. e. Mô hình MASTER Do Viện Thuỷ lực Delft Hà Lan lập ra từ năm 1988 theo đơn đặt hàng của Ban thư kí Mekong để mô phỏng chuyển động của nước trên hạ lưu Mekong từ Chiang Sean ra đến biển và sự lan truyền mặn từ các cửa sông và 6 biển trong nội đồng. Đây là mô hình được xây dựng trên hệ phương trình Saint-Venant đầy đủ và những phương trình truyền mặn. Đây là một mô hình tốt về học thuật đối với bài toán dòng không ổn định trong hệ thống kênh hở. 1.3. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình chất lượng nước trong nước có liên quan a. Mô hình VRSAP Là mô hình thủy lực khởi đầu cho quá trình áp dụng mô hình toán để giải quyết các bài toán thủy lực kênh hở ở Việt Nam trên các mạng máy lớn (main frame) trước kia. Trong quá trình áp dụng, VRSAP được cải tiến, phát triển liên tục và được thêm phần tính mặn vào năm 1988 dựa trên thuật toán sai phân trung tâm tương tự thuật toán của MEKSAL. Phần mềm VRSAP đã được sử dụng rộng rãi tính lũ kiệt, đặc biệt là trong tính toán qui hoạch lũ cho Đồng bằng sông Cửu Long phía Việt Nam và toàn bộ hạ lưu Mê Kông, cũng như trong tính toán qui hoạch các dự án tài nguyên nước cho kết quả đáng tin cậy. VRSAP cũng có phần tính mặn. Tuy nhiên, cách tính mặn dựa trên sơ đồ sai phân trung tâm nên khó hiệu chỉnh do hiện tượng khuếch tán số. Nhược điểm của sơ đồ VRSAP là khó chạy được khi dùng một sơ đồ chạy song song cho cả lũ và kiệt. b. Mô hình SAL và VRSAP-SAL Chương trình SAL gồm một chương trình chính để kết nối một số chương trình con vào quá trình tính toán khi cần thiết. Có 7 chương trình con gồm: Subroutine Corres, Subroutine Input, Subroutine Comhq, Subroutine Coms, Subroutine Comdo, Subroutine Result, Subroutine Fini. Trong đó chương trình Coms được dùng để tính độ mặn (hoặc BOD hay yếu tố thứ nhất của chất lượng nước như NH3,…), chương trình Comdo dùng để tính các yếu tố thứ 2 trở đi của chất lượng nước (như DO, NO2,…). 7 VRSAP-SAL là sơ đồ cải tiến nhằm phối hợp một số ưu điểm của VRSAP với SAL. Về mặt thuật toán, cấu trúc số liệu và phần tính truyền chất giữ nguyên như SAL. c. Mô hình HYDROGIS Mô hình HYDROGIS của TS. Nguyễn Hữu Nhân là phần mềm có phần giao diện khá tiện dụng so với các phần mềm khác và đã sử dụng một số công cụ GIS trong biểu diễn kết quả. Vì là mô hình thương mại nên có các tiện ích và tổ chức dữ liệu rất tốt, phần biểu diễn kết quả đẹp mắt. Do vậy nên giá thành khá đắt cho mỗi license. Nhược điểm nữa là phần tính lan truyền chất khá lâu. Phần mềm của Việt Nam còn hạn chế về cách tổ chức dữ liệu và đặc biệt là cách kết nối với công cụ GIS. Phần tính lan truyền chất trong các một số các mô hình của Việt Nam có nhiều ưu điểm về mặt thuật toán và đặc biệt là có thể chủ động cải biên khi cần cập nhật. 1.4. Kết quả nghiên cứu, ứng dụng mô hình MIKE 11 để đánh giá chất lượng nước trên thế giới và ở Việt Nam 1.4.1. Trên thế giới - Tại Anh, mô hình Mike 11 được áp dụng cho dự án “Đánh giá phương án quản lý tài nguyên nước sông Stour, vùng Kent” (John, A.Cox, Upton, & Simons). Thời gian lựa chọn để chạy mô hình từ 01/02/2007 – 30/06/2007 nhằm phục vụ đánh giá các phương án quản lý tài nguyên nước. Kết quả mô phỏng của mô hình cho kết quả tính toán khá phù hợp với dữ liệu thực đo. Sau khi mô phỏng mô hình, tiến hành chạy 09 kịch bản khác nhau với những giả thiết khác nhau về lưu lượng dòng chảy trên sông mà không có sự giả định về sự biến đổi chất lượng nước. Kết quả mô phỏng các kịch bản là căn cứ để cơ quan chính quyền có các phương án quản lý nguồn nước sông Stour [32]. - Tại Bỉ, mô hình Mike 11 được áp dụng cho nghiên cứu “Mô hình hóa oxy hòa tan và nhu cầu oxy sinh hóa trong nước sông” của nhóm tác giả M. 8 Radwan năm 2003 [29]. Nhóm tác giả đã ứng dụng mô hình Mike 11 để mô phỏng hai chỉ tiêu chất lượng nước là DO và BOD ở sông Dender vùng Flanders, bị ô nhiễm do sản xuất nông nghiệp. Nghiên cứu này thực hiện nhằm phục vụ công tác quy hoạch và quản lý tài nguyên nước, bao gồm các nội dung: (1) mô tả hiện trạng dòng chảy và chất lượng nước, (2) dự báo các kịch bản biến đổi chất lượng nước. Dữ liệu sử dụng cho mô hình bao gồm dữ liệu về khí tượng (mưa, nhiệt độ), thủy văn (mực nước, lưu lượng) theo giờ, chuỗi thời gian mô phỏng là 8 năm từ 1990 – 1997. Nghiên cứu kết luận, việc ứng dụng mô hình Mike 11 trong mô phỏng hai chỉ tiêu DO và BOD đã cho kết quả tốt, được xem là một công cụ hữu ích, hỗ trợ trong công tác quản lý và quy hoạch tài nguyên nước. - Tại Iraq, mô hình Mike 11 được áp dụng cho nghiên cứu “Ứng dụng mô hình Mike 11 đánh giá chất lượng nước sông Euphrates tại Iraq” của nhóm tác giả Kamel năm 2008. Việc quy hoạch và quản lý tài nguyên nước đòi hỏi phải có một công cụ kỹ thuật phù hợp giúp những người ra quyết định có thể đưa ra chiến lược hành động và nhóm thực hiện đã lựa chọn mô hình Mike 11. Thời gian thực hiện từ 01/05/2000 – 31/05/2000 [28]. Dữ liệu sử dụng cho mô hình bao gồm 14 mặt cắt ngang sông với khoảng cách giữa mỗi mặt cắt tầm 1,6km, dữ liệu biên là lưu lượng và mực nước tại các biên của mô hình, dữ liệu về chất lượng nước và chế độ xả nước thải trên sông. Kết quả mô phỏng cho thấy sai số giữa số liệu tính toán và thực đo nằm trong giới hạn cho phép, mô hình có khả năng mô phỏng tốt thủy động lực học cũng như chất lượng nước sông, là một công cụ hỗ trợ tích cực trong việc ra quyết định phòng ngừa và dự báo lũ, thiết kế và vận hành các công trình thủy lợi, phân tích đánh giá và dự báo tình trạng ô nhiễm nước sông. - Tại Thái Lan, mô hình Mike 11 được áp dụng cho nghiên cứu “Ứng dụng mô hình MIKE 11 để đánh giá chất lượng nước của sông Klong U9 Tapao, miền Nam Thái Lan” của tác gia Teartisup.P. Klong U-Tapao là một nhánh sông của lưu vực sông Songkhla, miền Nam Thái Lan. Nghiên cứu này đã áp dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng thủy lực, đặc điểm khuếch tán của nước và các hệ số chất lượng nước [30]. Kết quả mô hình đã dự đoán các kịch bản chất lượng nước năm 2007, 2012, 2017, 2022 và 2027, đồng thời đánh giá tác động của các ngành kinh tế tới chất lượng nước. - Tại Malaysia, cũng trong năm 2012, mô hình Mike 11 được áp dụng cho 02 nghiên cứu, đó là nghiên cứu “Ứng dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng chất lượng nước của sông Bertam, Cameron vùng cao, Malaysia” của tác giả Eisakhani M. Nghiên cứu này đã mô phỏng hiện trạng chất lượng nước dựa trên dữ liệu lưu vực sông và các nguồn ô nhiễm. Từ các mô phỏng của tình trạng chất lượng nước, phát triển các kịch bản chất lượng nước tương ứng với các dữ liệu dự báo kinh tế xã hội nhằm đưa ra được những giải pháp quản lý chất lượng nước phù hợp [26]. Và nghiên cứu “Ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng quá trình sinh hóa và vận chuyển nhu cầu oxy hóa học” của nhóm tác giả Eisakhani, Abdullah, Karim, & Malakahmad. Mục đích của nghiên cứu này là mô hình hóa dòng chảy, các phản ứng sinh hóa và xác định tải lượng của BOD và COD tại các mặt cắt sông Bertam ở cao nguyên Cameron, Malaysia. Nhóm nghiên cứu đã ứng dụng các mô đun thủy động lực học (HD), truyền tài khuếch tán (AD) và mô đun sinh thái (Ecolab) của mô hình Mike 11 để mô phỏng dòng chảy và chất lượng nước trên sông [27]. Nghiên cứu kết luận rằng mô hình Mike 11 là một công cụ phù hợp và có khả năng mô phỏng chính xác cho những kịch bản tương lai và kịch bản phát triển. - Năm 2014, tại Romania, nhóm tác giả Cheversan, Dinu & R.Drobot đã áp dụng mô hình Mike 11 cho dự án “Nghiên cứu Công cụ hỗ trợ ra quyết định trong quản lý tài nguyên nước” [25]. 10 Nghiên cứu này trình bày hai công cụ được ứng dụng mạnh mẽ trong hệ thống hỗ trợ ra quyết định nhằm giảm thiểu những tác động của ô nhiễm môi trường nước, đó là mô hình Mike 11 và ứng dụng web ArcGIS online. Mô hình Mike 11 được dùng để mô phỏng đoạn sông Dambovita dài khoảng 30km về phía hạ lưu Glina. Đoạn sông này tiếp nhận nước thải từ hơn 2 triệu dân cư của thủ đô, mà chỉ được xử lý bởi nhà máy xử lý nước thải Bucharest. Điều này đã gây ra những ảnh hưởng tới hệ sinh thái trên sông. Mô hình Mike 11 đã mô phỏng bốn kịch bản khác nhau để xác định nồng độ các chất ô nhiễm dọc sông và thời gian lan truyền khuếch tán của các chất. Kết quả mô phỏng các kịch bản chất lượng nước của mô hình Mike 11 được tích hợp với ứng dụng web ArcGIS online để tạo nên những bản đồ chất lượng nước với những hình ảnh động, từ đó hỗ trợ cung cấp những giải pháp nhanh chóng để quản lý chất lượng nước. 1.4.2. Tại Việt Nam Tại Việt Nam, mô hình MIKE 11 được ứng dụng rộng rãi trong tính toán, đánh giá, dự báo chất lượng nước và đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước. - Từ năm 2005, tác giả Nguyễn Huy Khôi đã thử nghiệm và áp dụng mô hình Mike 11 cho đề tài “Ứng dụng MIKE 11 đánh giá chất lượng nước lưu vực sông Đồng Nai” của ông [3]. Nghiên cứu mô phỏng hiện trạng chất lượng nước 2003 và xây dựng kịch bản mô phỏng chất lượng nước với các phương án xử lý nước thải. Kết quả tính toán cho thấy rằng với mức độ xử lý từng khu vực như phương án 2010IV, 2015-IV và 2020-IV thì chất lượng nước cải thiện một cách rõ rệt. - Trong năm 2006, nhóm tác giả Trần Hồng Thái, Hoàng Thị Thu Trang, Nguyễn Văn Thao, Lê Vũ Việt Phong đã áp dụng mô hình Mike 11 cho nghiên cứu “Ứng dụng mô hình MIKE 11 tính toán thủy lực, chất lượng nước cho lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai” [17]. 11