TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước
Oxy là yếu tố thiết yếu cho tất cả các dạng sống dưới nước, và hàm lượng oxy hòa tan trong nước tự nhiên cũng như nước thải phụ thuộc vào các điều kiện hóa lý và hoạt động sinh học của vi sinh vật Việc xác định hàm lượng oxy hòa tan không chỉ giúp kiểm soát ô nhiễm do hoạt động của con người mà còn đánh giá hiệu quả xử lý nước thải Ngoài ra, hàm lượng oxy hòa tan trong nước tự nhiên thay đổi theo thời gian, chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ không khí, độ mặn, các quá trình sinh học như quang hợp và hô hấp, cùng với áp suất khí quyển.
Xác định nồng độ oxy hòa tan (DO) là một yếu tố quan trọng trong đánh giá chất lượng nước, vì oxy ảnh hưởng đến hầu hết các quá trình sinh học và hóa học trong môi trường nước Nồng độ DO thấp cho thấy nước chứa nhiều chất hữu cơ, dẫn đến sự giảm lượng oxy và tăng nhu cầu oxy trong nước Khi nồng độ oxy hòa tan dưới 5 mg/L, điều này có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng cho hệ sinh thái thủy sinh.
Nồng độ 4 mg/l có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến chức năng và sự sống còn của quần thể sinh vật, trong khi nồng độ dưới 2 mg/l có thể dẫn đến cái chết của nhiều loài cá Chất rắn lơ lửng (TSS) cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong môi trường nước.
Chất rắn lơ lửng là các hạt nhỏ hữu cơ hoặc vô cơ có trong nước thải, có thể lọc được Khi dòng chảy giảm tốc độ, phần lớn các chất này sẽ lắng xuống đáy hồ, trong khi các hạt không lắng tạo ra độ đục cho nước Chất rắn lơ lửng hữu cơ tiêu thụ oxy để phân hủy, dẫn đến giảm nồng độ DO trong nguồn nước Để loại bỏ TSS, có thể áp dụng phương pháp keo tụ tạo bông và lọc.
TDS (Total Dissolved Solids) là chất rắn không thể lọc, bao gồm các muối như carbonat, bicarbonat, clorua, sunfat, phosphat và nitrat Để loại bỏ TDS, có thể sử dụng các phương pháp như trao đổi ion, kết tủa và lọc ngược Cơ thể con người có khả năng thích nghi với sự thay đổi môi trường nhưng chỉ trong giới hạn nhất định; nhiều người có thể gặp phải chứng nhuận tràn cấp tính khi tiếp xúc với nước có hàm lượng TDS cao, trong khi cư dân địa phương thường không gặp phản ứng nào Ngành cấp nước khuyến cáo hàm lượng TDS nên duy trì dưới 500 mg/l, với giới hạn tối đa là 1.000 mg/l.
Nitrit là một giai đoạn trung gian trong chu trình đạm hóa, hình thành từ sự phân hủy các chất đạm hữu cơ Nồng độ nitrit được sử dụng để đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ trong môi trường Bên cạnh đó, nitrit còn đóng vai trò quan trọng trong ngành cấp nước với chức năng chống ăn mòn Tuy nhiên, nồng độ nitrit trong nước uống không được phép vượt quá 0,1 mg/l để đảm bảo an toàn cho sức khỏe.
Nitrat là sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy các chất chứa nitơ từ chất thải của người và động vật Trong nước tự nhiên, nồng độ nitrat thường nhỏ hơn 5 mg/l Tuy nhiên, do ảnh hưởng của chất thải công nghiệp và nước chảy tràn từ các khu nông nghiệp, nồng độ nitrat trong nguồn nước có thể tăng cao, gây ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt và nuôi trồng thủy sản Trẻ em uống nước có nồng độ nitrat cao có nguy cơ mắc hội chứng methemoglobin, hay còn gọi là hội chứng “trẻ xanh xao”.
Quy định 5942-1995 xác định nồng độ tối đa của nitrat trong nguồn nước mặt phục vụ sinh hoạt là 10 mg/l (theo N) và 15 mg/l cho các mục đích khác Nitrat, giai đoạn oxy hóa cao nhất trong chu trình nitơ, thường xuất hiện ở dạng vết trong nước mặt nhưng có thể có hàm lượng cao trong nước ngầm mạch nông Nước uống chứa quá nhiều nitrat có thể gây bệnh huyết sắc tố ở trẻ em, do đó nồng độ nitrat trong nguồn nước cấp cho sinh hoạt không được vượt quá 6 mg/l.
Ammonia (NH4+) là một chất độc hại cho nước, có mặt trong nước mặt và nước ngầm do sự phân hủy hữu cơ của vi sinh vật trong điều kiện yếm khí Ngoài ra, ammonia còn được hình thành từ các quy trình công nghiệp như sản xuất giấy và bột giấy, cũng như từ chất thải sinh hoạt và hoạt động nông nghiệp như phân bón và nước thải chăn nuôi.
Phosphat là một chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển của thực vật thủy sinh, với nồng độ trong nước không ô nhiễm thường nhỏ hơn 0,01 mg/l Tuy nhiên, tại các khu vực bị ô nhiễm do nước thải đô thị hoặc công nghiệp, nồng độ phosphat có thể tăng lên đến 0,5 mg/l Mặc dù phosphat không độc hại cho con người và không có tiêu chuẩn nồng độ tối đa, nhưng khi có mặt với nồng độ cao cùng với nitơ, nó có thể gây ra hiện tượng phú dưỡng, dẫn đến sự phát triển bùng nổ của tảo Hiện tượng này thường xảy ra ở các hồ nước ít lưu thông, nơi mà các chất dinh dưỡng tích tụ từ nước chảy tràn và sự phân hủy của sinh vật thủy sinh Khi hồ bắt đầu phú dưỡng, nước sẽ trở nên đục và chất lượng nước bị suy giảm mạnh.
Màu xanh của hồ thường là dấu hiệu của sự tích tụ bùn lắng từ xác chết của tảo, dẫn đến quá trình lân hóa Khi hồ dần chuyển thành vùng đầm lầy và cuối cùng là đất khô, sự sống của động vật thủy sinh bị ảnh hưởng nghiêm trọng Phosphat, sản phẩm tự nhiên của lân hóa, thường xuất hiện với nồng độ thấp trong nước Tuy nhiên, khi hàm lượng phosphat tăng cao, nó sẽ thúc đẩy sự phát triển của rong rêu, làm gia tăng nhu cầu oxy hóa học (COD) trong môi trường nước.
Nhu cầu oxy hóa học (COD) đo lường lượng oxy cần thiết để oxy hóa các cấu trúc hữu cơ trong mẫu nước bằng tác nhân hóa học mạnh, là phương pháp nhanh chóng và quan trọng trong khảo sát các thông số nước và nước thải công nghiệp, đặc biệt trong xử lý nước thải Mặc dù không cần chất xúc tác, phương pháp này không bao quát tất cả các hợp chất hữu cơ có lợi cho vi sinh vật, như axit axetic, nhưng lại có khả năng oxy hóa các chất như cellulozo, những chất không làm thay đổi lượng oxy trong dòng nước hiện tại.
BOD, hay nhu cầu oxy sinh hóa, là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí Chỉ số này được xác định thông qua các phân tích tại nhiều phòng thí nghiệm, giúp tìm hiểu mối quan hệ giữa nhu cầu oxy và hoạt động sinh học hiếu khí trong nước thải hoặc dòng chảy ô nhiễm Dữ liệu BOD được sử dụng để đánh giá chất lượng nước thải sinh hoạt và công nghiệp, là chỉ tiêu duy nhất phản ánh lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học và khả năng tự làm sạch của nguồn nước.
Nguồn gây ô nhiễm nước
Ô nhiễm tự nhiên xảy ra do các hiện tượng như mưa, tuyết tan, lũ lụt và gió bão, cũng như từ các sản phẩm hoạt động sống của sinh vật, bao gồm cả xác chết của chúng.
Cây cối và sinh vật khi chết sẽ được vi sinh vật phân hủy thành chất hữu cơ, một phần trong số đó sẽ thấm vào lòng đất và ảnh hưởng đến nước ngầm, gây ô nhiễm, hoặc hòa vào các dòng nước lớn.
Lụt lội có thể làm ô nhiễm nguồn nước, khuấy động chất bẩn trong hệ thống cống rãnh, mang theo chất thải độc hại từ các bãi rác và cuốn theo hóa chất đã được lưu trữ trước đó.
Nước lụt có thể bị ô nhiễm bởi hóa chất từ nông nghiệp và công nghiệp, cũng như các tác nhân độc hại tại khu vực phế thải Mặc dù ô nhiễm nước do các yếu tố tự nhiên như núi lửa, xói mòn, bão và lụt có thể rất nghiêm trọng, nhưng chúng không xảy ra thường xuyên và không phải là nguyên nhân chính gây suy thoái chất lượng nước toàn cầu.
Nước thải sinh hoạt, phát sinh từ hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn và trường học, chứa các chất thải từ hoạt động sinh hoạt và vệ sinh của con người Thành phần chính của nước thải này bao gồm các chất hữu cơ dễ phân hủy như cacbonhydrat, protein, dầu mỡ, cùng với chất dinh dưỡng như phốt pho và nitơ, chất rắn và vi khuẩn Lượng nước thải và tải lượng chất trong đó phụ thuộc vào mức sống và lối sống của mỗi người, với mức sống cao thường dẫn đến lượng nước thải lớn hơn Tại nhiều khu vực, nước thải và phân người không được xử lý, dẫn đến ô nhiễm môi trường và nguy cơ lây lan bệnh tật Nước thải không qua xử lý chảy vào sông, rạch và ao hồ, gây thiếu oxy và đe dọa sự sống của nhiều loài động vật và thực vật.
Theo báo cáo của Sở Khoa học Công nghệ và Môi trường TP.HCM (22/10/2002), sông Đồng Nai và Sài Gòn hàng ngày phải tiếp nhận trên 852.000 m³ nước thải sinh hoạt ô nhiễm, với hàm lượng DO thấp và COD cao.
Từ các hoạt động công nghiệp
Nước thải công nghiệp là loại nước thải phát sinh từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp và giao thông vận tải Khác với nước thải sinh hoạt hay nước thải đô thị, thành phần của nước thải công nghiệp rất đa dạng và phụ thuộc vào từng ngành sản xuất cụ thể Chẳng hạn, nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm có thể chứa nhiều chất ô nhiễm khác nhau tùy thuộc vào quy trình sản xuất.
Nước thải từ các xí nghiệp thuộc da chứa nhiều chất hữu cơ, kim loại nặng và sulfua, gây ra nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Đáng lo ngại, hầu hết các cơ sở sản xuất công nghiệp và khu chế xuất hiện nay vẫn chưa có hệ thống xử lý nước thải và khí thải phù hợp, làm gia tăng áp lực lên môi trường.
Nước thải bệnh viện phát sinh từ nhiều nguồn như phòng phẫu thuật, phòng xét nghiệm, khu vực giặt là, và hoạt động sinh hoạt của bệnh nhân cùng nhân viên Loại nước thải này có khả năng lan truyền vi khuẩn gây bệnh, đặc biệt từ các khoa truyền nhiễm Ngoài ô nhiễm thông thường như chất hữu cơ và vi khuẩn, nước thải y tế còn chứa các chất độc hại như phế phẩm thuốc, chất khử trùng, dung môi hóa học, và kháng sinh Việc sử dụng phổ biến các chất tẩy rửa tại bệnh viện cũng có thể làm giảm hiệu quả của hệ thống xử lý nước thải.
Sau khi hòa vào hệ thống nước thải sinh hoạt, mầm bệnh có thể lan rộng, xâm nhập vào thủy sản, vật nuôi và cây trồng, đặc biệt là rau thủy canh, từ đó trở lại với con người Sự tiếp xúc gần với nguồn ô nhiễm này làm tăng nguy cơ mắc ung thư và các bệnh hiểm nghèo khác cho người dân.
Từ hoạt động sản xuất nông nghiệp
Chất thải từ chăn nuôi gia súc, bao gồm phân, nước tiểu và thức ăn thừa, nếu không được xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường Bên cạnh đó, việc sử dụng thuốc trừ sâu và phân bón trong sản xuất nông nghiệp từ ruộng lúa, vườn cây và rau cũng có thể chứa các hóa chất độc hại, dẫn đến ô nhiễm nguồn nước ngầm và nước mặt.
Từ hoạt động sản xuất thủy hải sản
Nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nước là do thức ăn và nước trong hồ, ao nuôi lâu ngày bị phân hủy không được xử lý đúng cách, dẫn đến việc xả thải ra sông, suối và biển Chất thải từ hoạt động nuôi trồng thủy sản là một trong những yếu tố quan trọng làm gia tăng tình trạng ô nhiễm này.
Trồng thủy sản có thể gây ra ô nhiễm môi trường do nguồn thức ăn dư thừa thối rữa và các chất tồn dư như hóa chất, thuốc kháng sinh, vôi và khoáng chất Hơn nữa, các xưởng chế biến thủy hải sản hàng ngày thải ra lượng nước thải lớn, chứa hóa chất và chất bảo quản, ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái.
Hiện tượng lan truyền chất trong môi trường nước
Độc chất tồn tại ở nồng độ thấp trong nước tự nhiên dưới dạng hòa tan và hấp phụ Các chất hòa tan di chuyển cùng với dòng nước mà không có sự trượt đáng kể, trong khi các hóa chất hấp phụ vào vật liệu keo hoặc chất rắn lơ lửng có thể trải qua các quá trình như đóng cặn và lắng, làm chậm sự di chuyển của chúng so với nước Để hiểu rõ hành vi của các chất hữu cơ độc hại, cần xem xét cả sự di chuyển của nguồn nước và sự vận chuyển của trầm tích huyền phù.
Sự lan truyền hóa chất độc trong nước chủ yếu diễn ra qua hai hiện tượng: chuyển tải và phân tán Chuyển tải là quá trình di chuyển của chất hòa tan hoặc vật liệu hạt mịn theo ba hướng: dọc, ngang và thẳng đứng Trong khi đó, phân tán liên quan đến việc hòa trộn các chất trong cột nước, cũng diễn ra theo ba hướng tương tự như chuyển tải Hình 2-1 minh họa quá trình chuyển tải, khuếch tán rối và phân tán trong dòng chảy.
(1) chuyển tải, sự di chuyển của chất hoà tan hay hạt mịn theo dòng chảy;
(2) sự khuếch tán rối, sự lan tỏa của chất hoà tan do mạch động xoáy (eddy fluctuations);
(3) sự phân tán, sự lan tỏa của chất hoà tan do mạch động xoáy (eddy fluctuations) trong một trường gradian vận tốc vĩ mô
Hình 2-1 Các quá trình lan truyền
Ba quá trình góp phần hòa trộn gồm:
Khuếch tán phân tử là quá trình hòa trộn các hóa chất hòa tan do chuyển động ngẫu nhiên của phân tử trong chất lưu, được tạo ra bởi năng lượng động lượng từ các chuyển động lắc, tròn quay và tịnh tiến của phân tử Quá trình này tương tự như việc tăng entropy, khi các chất hòa tan di chuyển từ khu vực có nồng độ cao sang khu vực có nồng độ thấp theo luật khuếch tán của Fick Mặc dù khuếch tán phân tử diễn ra rất chậm, có thể mất đến 10 ngày để 1 mg L^-1 chất hòa tan khuếch tán qua 10 cm cột nước, nhưng nó cũng có thể bị ảnh hưởng bởi sự lan truyền qua lớp màn mỏng tại bề mặt tiếp xúc khí – nước hoặc vận chuyển trong nước chứa cặn.
Khuếch tán rối (turbulent diffusion) là quá trình hòa trộn các chất hòa tan và hạt mịn do sự rối trong phạm vi vi mô Quá trình này diễn ra nhờ các mạch động xoáy trong dòng chảy rối, với lực dịch chuyển trong khối nước đủ mạnh để tạo ra sự pha trộn Sự khuếch tán rối có độ lớn vượt trội so với khuếch tán phân tử, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả khuếch tán trong môi trường nước.
11 phân tán Sự khuếch tán rối có thể diễn ra ở tất cả ba hướng nhưng thường là không đẳng hướng
Phân tán là sự tương tác giữa khuếch tán rối và gradian vận tốc do lực cắt trong khối nước, tạo ra sự xáo trộn lớn hơn Sự lan truyền độc chất trong dòng chảy và sông chủ yếu do chuyển tải, trong khi ở hồ và vùng cửa sông, sự phân tán đóng vai trò quan trọng hơn Gradients vận tốc hình thành từ lực cắt tại biên các khối nước, chẳng hạn như tại mặt cắt đứng của vận tốc gió giữa nước và không khí, cũng như do ứng suất cắt tại tiếp xúc giữa nước và trầm tích Hơn nữa, gradian vận tốc có thể phát triển trong khối nước do hình thái học và tính quanh co của kênh nước, dẫn đến sự hình thành các dòng thứ cấp trong dòng chảy và kênh sông, góp phần vào mức độ hòa trộn lớn Hình 2-2 minh họa dòng xoắn ốc hình thành từ hình thái học trong các kênh sông.
Hình 2-2 Sơ đồ biểu diễn gradian vận tốc khác nhau do ứng suất cắt tại nơi phân cách nước- không khí, đáy- nước, bờ- nước
Phương pháp mô phỏng, đánh giá chất lượng nước
Khi muốn xác định đặc tính một lượng nước lớn, cặn đáy hoặc bùn, thường không thể kiểm tra toàn bộ mà cần phải lấy mẫu.
- Lấy mẫu định kỳ: quá trình lấy mẫu theo những khoảng cố định, có thể là theo thời gian, theo thể tích hoặc theo dòng chảy
Quá trình lấy mẫu theo khu vực diễn ra tại các điểm đã được lựa chọn trong một khu vực cụ thể, trong khi các thông số khác như thời gian và độ sâu được giữ ổn định ở mức tối đa.
Lấy mẫu sơ lƣợc theo chiều sâu là quá trình thu thập mẫu tại các độ sâu đã được xác định tại một vị trí cụ thể, trong khi các thông số khác như thời gian và dòng chảy được duy trì ở mức ổn định tối đa.
Mục đích của việc thu mẫu và kiểm tra là xác định giá trị các thông số vật lý, nồng độ các chất hóa học, sinh học và phóng xạ, đồng thời đánh giá sự thay đổi liên tục của các đối tượng quan trắc theo không gian và thời gian Qua đó, đảm bảo tuân thủ đúng các chuẩn mực, tiêu chuẩn hoặc mục tiêu đã đề ra.
Việc xác định địa điểm lấy mẫu phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu, từ việc chọn điểm riêng lẻ đến toàn bộ lưu vực sông Một mạng lưới mẫu cơ bản trên sông thường bao gồm các điểm ở giới hạn vùng triều, nhánh sông chính và các đường cống thải Khi thiết kế mạng lưới kiểm tra chất lượng nước, cần lưu ý đến việc đo lưu lượng dòng chảy tại các vị trí quan trọng.
Mô hình toán
Hiện nay, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy sự phát triển của các mô hình toán ứng dụng Những mô hình này mang lại nhiều lợi ích như tính toán nhanh, chi phí thấp và khả năng thay đổi kịch bản dễ dàng, trở thành công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là quản lý tài nguyên và môi trường Việc lựa chọn mô hình là bước đầu tiên và rất quan trọng trong phương pháp mô hình toán, phụ thuộc vào yêu cầu công việc, điều kiện tài liệu, cũng như tiềm năng tài chính và nguồn nhân lực có sẵn Tùy thuộc vào đối tượng và mục đích nghiên cứu, việc áp dụng các mô hình phù hợp sẽ mang lại hiệu quả cao.
13 loại mô hình tính toán cũng khác nhau Có thể liệt kê một số mô hình thường được áp dụng để đánh giá CLN trên thế giới
The WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) is an advanced model developed from its predecessor, WASP, which was created by Di Toro in 1983, Connolly and Winfield in 1984, and Ambrose, R.B in 1988.
Mô hình AQUATOX là công cụ mô phỏng hệ sinh thái thủy sinh, giúp dự báo quá trình suy tàn do ô nhiễm từ nhiều loại chất như dinh dưỡng và hóa chất hữu cơ Mô hình này đánh giá tác động của ô nhiễm lên các loài cá, động vật không xương sống và thực vật thủy sinh, từ đó cung cấp cái nhìn tổng quan về sức khỏe của hệ sinh thái.
Mô hình QUAL2K (Q2K), hay còn gọi là Mô hình Chất lượng Nước Sông và Suối, được phát triển từ mô hình QUAL2E (Q2E) do Brown và Barnwell giới thiệu vào năm 1987 Mô hình này cho phép mô phỏng chất lượng nước trong các dòng suối và sông theo chiều một chiều, với giả thuyết rằng đoạn sông được tính toán có sự xáo trộn hoàn toàn cả theo phương ngang và phương đứng.
DELFT 3D, phát triển bởi Viện Nghiên cứu Thủy lực Hà Lan, cho phép tích hợp mô hình thủy lực 3 chiều với mô hình CLN Mô hình này nổi bật với khả năng kết hợp các mô-đun tính toán phức tạp, mang lại kết quả mô phỏng cho nhiều loại chất và quá trình khác nhau.
Trung tâm nghiên cứu và phát triển kỹ thuật của quân đội Mỹ đã phát triển một hệ thống SMS cho phép kết hợp mô hình thuỷ lực 1 và 2 chiều với mô hình CLN Mô-đun RMA4 trong hệ thống này là mô hình số trị, có khả năng vận chuyển các yếu tố CLN phân bố đồng nhất theo độ sâu Nó có thể tính toán sự tập trung của 6 thành phần bảo toàn hoặc không bảo toàn, được tính toán theo lưới 1 chiều hoặc 2 chiều.
ECOHAM (phiên bản 1 và 2) là mô hình 3D kết hợp giữa mô-đun thủy lực và mô-đun sinh thái, được phát triển bởi nhóm nghiên cứu Trường đại học Hamburg (Đức) Mô hình này chủ yếu tính toán dựa trên chu trình của các hợp phần nitơ và phospho, đồng thời xem xét cả thực vật và động vật phù du trong môi trường biển.
ECOSMO (ECOSystem MOdel) là một mô hình ba chiều về thủy động lực băng biển và sinh địa hóa, được phát triển dựa trên mô hình thủy động lực HAMSOM (HAMburg shelf Ocean Model) Mô hình này đã được tích hợp với các mô-đun động lực và nhiệt động lực biển-băng (Schrum và Backhaus, 1999) cùng với mô-đun sinh học (Schrum, 2006).
BASINS của EPA hỗ trợ đánh giá và kiểm tra hệ thống dữ liệu thông tin môi trường, đồng thời cung cấp các công cụ phân tích môi trường và các phương án quản lý hiệu quả Điểm nổi bật của BASINS là áp dụng cách tiếp cận mới dựa trên nền tảng lưu vực sông, kết hợp quản lý dữ liệu không gian thông qua hệ thống thông tin địa lý GIS.
Bộ phần mềm MIKE, do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) phát triển, nổi bật với tính dễ sử dụng và giao diện thân thiện với Windows, đồng thời tích hợp chặt chẽ với GIS MIKE bao gồm các mô-đun thuỷ lực (HD) và CLN (ECO Lab), phục vụ cho các ứng dụng như thuỷ lực, truyền tải và khuếch tán CLN Với nhiều tính năng mạnh mẽ, MIKE có khả năng ứng dụng rộng rãi cho nhiều dạng thuỷ vực khác nhau.
Nghiên cứu này nhằm mô phỏng và đánh giá chất lượng nước mặt lưu vực sông La Ngà đã lựa chọn mô hình SWAT, vì mô hình này đáp ứng đầy đủ các tiêu chí cần thiết.
- Cho phép mô tả bài toán là một chiều;
- Cho phép mô phỏng lưu lượng dòng chảy và CLN với độ chính xác khá cao và đã đƣợc kiểm nghiệm thực tế
- Giao diện thân thiện, dễ sử dụng; có khả năng tích hợp với GIS
- Đặc biệt, SWAT là mô hình miễn phí
Hệ thống thống tin địa lý (GIS)
Nguyễn Kim Lợi và ctv (2009) định nghĩa GIS là một hệ thống thông tin sử dụng dữ liệu đầu vào và các thao tác phân tích để quản lý, xử lý, và hiển thị thông tin không gian từ thế giới thực Hệ thống này hỗ trợ việc thu thập, lưu trữ và phân tích thông tin địa lý nhằm giải quyết các vấn đề tổng hợp cho con người, bao gồm việc ra quyết định trong quy hoạch và quản lý sử dụng đất, tài nguyên thiên nhiên, môi trường, giao thông, cũng như quy hoạch phát triển đô thị và lưu trữ dữ liệu hành chính.
Thành phần của GIS
Theo Shahab Fazal (2008), GIS có 6 thành phần cơ bản (nhƣ Hình 2-3):
Phần cứng của hệ thống GIS bao gồm máy tính cá nhân hoặc siêu máy tính, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng Để đảm bảo hiệu suất, máy tính cần có bộ vi xử lý mạnh mẽ và dung lượng bộ nhớ đủ lớn để lưu trữ dữ liệu cần thiết cho phần mềm GIS hoạt động hiệu quả.
Phần mềm GIS cung cấp các công cụ và chức năng cần thiết để lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian Mặc dù tất cả các phần mềm GIS đều đáp ứng được các yêu cầu này, nhưng giao diện của chúng có thể khác nhau.
- Dữ liệu: dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan là nền tảng của GIS
Dữ liệu cho hệ thống thông tin địa lý (GIS) có thể được thu thập nội bộ hoặc mua từ nhà cung cấp thương mại Bản đồ số là loại dữ liệu đầu vào cơ bản, trong khi dữ liệu thuộc tính đi kèm với đối tượng bản đồ cũng có thể được tích hợp Hệ thống GIS sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu để kết hợp dữ liệu không gian và các loại dữ liệu khác.
Phương pháp trong hệ thống GIS là một kế hoạch vận hành bao gồm các mô hình và cách thức thực hiện cho từng nhiệm vụ cụ thể Nó chủ yếu tập trung vào các phương pháp phân tích không gian cho các ứng dụng nhất định Chẳng hạn, trong quá trình lập bản đồ, có nhiều kỹ thuật khác nhau được áp dụng, như chuyển đổi tự động từ raster sang vector hoặc thực hiện vector hóa thủ công trên nền ảnh quét.
Con người sử dụng GIS có thể là các chuyên gia kỹ thuật thiết kế và thực hiện hệ thống, hoặc là những người dùng GIS để hỗ trợ công việc hàng ngày GIS giúp giải quyết các vấn đề không gian theo thời gian thực, cho phép con người lên kế hoạch, thực hiện và vận hành hệ thống để đưa ra những kết luận hữu ích, hỗ trợ cho quá trình ra quyết định.
Mạng lưới đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin địa lý (GIS) nhờ sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin Thiếu mạng lưới, việc giao tiếp và chia sẻ thông tin số sẽ không thể thực hiện được Hiện nay, GIS phụ thuộc vào internet để thu thập và chia sẻ một lượng lớn dữ liệu địa lý.
Hình 2-3 Sáu thành phần cơ bản của GIS
Chức năng của GIS
GIS có 4 chức năng cơ bản (Basanta Shrestha et al., 2001), đó là:
Dữ liệu trong GIS được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm số hóa thủ công, quét ảnh hàng không, bản đồ giấy và dữ liệu số có sẵn GIS cung cấp công cụ để tích hợp các dữ liệu này thành một định dạng chung, giúp so sánh và phân tích hiệu quả Ngoài ra, ảnh vệ tinh và Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) cũng là những nguồn dữ liệu quan trọng trong quá trình thu thập.
Quản lý dữ liệu trong GIS là quá trình lưu trữ và duy trì dữ liệu sau khi thu thập và tích hợp Hệ thống quản lý dữ liệu hiệu quả cần đảm bảo an toàn, toàn vẹn, cũng như khả năng lưu trữ, trích xuất và thao tác dữ liệu một cách chính xác.
Phân tích không gian là chức năng nổi bật nhất của GIS, giúp phân biệt nó với các hệ thống khác Chức năng này bao gồm các khả năng như nội suy không gian, tạo vùng đệm và chồng lớp, mang lại giá trị cao trong việc xử lý và phân tích dữ liệu địa lý.
Một trong những đặc điểm nổi bật của GIS là khả năng hiển thị thông tin qua nhiều phương pháp khác nhau Bên cạnh các bảng biểu và đồ thị truyền thống, GIS còn cung cấp bản đồ và hình ảnh ba chiều, giúp nâng cao trải nghiệm trực quan Khả năng hiển thị trực quan này cho phép người sử dụng tương tác hiệu quả với dữ liệu.
2.4.1 Tổng quan về mô hình SWAT
The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) is a comprehensive tool for assessing water and soil, developed by Dr Jeff Arnold at the Agricultural Research Service (ARS) of the United States Department of Agriculture (USDA) in collaboration with Professor Srinivasan from Texas A&M University.
SWAT là công cụ mạnh mẽ cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lý trên cùng một lưu vực, giúp đánh giá ảnh hưởng của quản lý sử dụng tài nguyên đất đến nguồn nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất từ mất rừng và hoạt động nông nghiệp Mô hình này sử dụng các phương trình tương quan và hồi quy để mô tả mối quan hệ giữa các thông số đầu vào như sử dụng đất, thảm thực vật, địa hình và khí hậu với các thông số đầu ra như lưu lượng dòng chảy và bồi lắng Để hoạt động hiệu quả, SWAT cần dữ liệu về thời tiết, sử dụng đất, địa hình, thực vật và tình hình quản lý tài nguyên đất trong lưu vực.
Nguyên lý mô hình SWAT
Mô hình thủy học trong lưu vực được phân chia thành hai nhóm chính (Susan L.N et al., 2009):
Pha đất trong chu trình thủy văn đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát lượng nước, phù sa, dinh dưỡng và thuốc trừ sâu từ các tiểu lưu vực chảy ra sông chính.
Hình 2-4 Sơ đồ chu trình thủy văn trong pha đất
(phỏng theo Susan L.N et al., 2009) SWAT mô hình hóa chu trình nước dựa trên cơ sở phương trình cân bằng nước sau (Susan L.N et al., 2009):
- SW t : lượng nước trong đất tại thời điểm t (mm H2O)
- SW o : lượng nước trong đất tại thời điểm ban đầu trong ngày thứ i (mm
- R day : lượng nước mưa trong ngày thứ i (mm H 2 O)
- Q surf : lƣợng dòng chảy bề mặt trong ngày thứ i (mm H 2 O)
- E a : lượng nước bốc hơi trong ngày thứ i (mm H2O)
- w seep : lượng nước thấm vào vùng chưa bão hòa trong ngày thứ i (mm H 2 O)
- Q gw : lượng nước ngầm chảy ra sông trong ngày thứ i (mm H 2 O)
Quá trình chia nhỏ lưu vực thành các tiểu lưu vực và HRUs làm cho việc mô tả cân bằng nước thêm độ chính xác và tốt hơn
Dữ liệu đầu vào và các quá trình trong pha đất của chu trình thủy văn bao gồm nhiều yếu tố quan trọng như khí hậu, thủy văn, thực phủ, sự phát triển cây trồng, xói mòn, dinh dưỡng, thuốc trừ sâu và quản lý Những yếu tố này ảnh hưởng sâu sắc đến chất lượng đất và sự phát triển bền vững của hệ sinh thái.
Pha nước trong chu trình thủy văn đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sự di chuyển của dòng nước và quá trình bồi lắng Những quá trình này diễn ra thông qua hệ thống sông ngòi của lưu vực cho đến cửa xả.
Hình 2-5 Sơ đồ các quá trình diễn ra trong dòng chảy
SWAT là một công cụ quan trọng trong việc xác định quá trình di chuyển nước, phù sa, dưỡng chất và thuốc trừ sâu vào mạng lưới sông ngòi của lưu vực Theo nghiên cứu của Susan L.N et al (2009), SWAT sử dụng cấu trúc lệnh để mô phỏng các quá trình này (Williams và Hann, 1972) Bên cạnh đó, SWAT cũng thể hiện sự di chuyển và biến đổi của hóa chất trong các kênh, rạch và sông chính, giúp quản lý hiệu quả tài nguyên nước.
Hình 2-6 Vòng lặp HRU/tiểu lưu vực
(Phỏng theo Susan L.N et al., 2009)
Tổng quan tình hình nghiên cứu
2.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Nghiên cứu phát triển và ứng dụng mô hình toán trong quản lý tài nguyên nước lưu vực sông đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học và tổ chức toàn cầu, đặc biệt tại Mỹ, châu Âu và châu Úc Các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào việc đánh giá lưu lượng dòng chảy và chất lượng nước (CLN) của lưu vực sông, chịu ảnh hưởng từ biến đổi sử dụng đất và biến đổi khí hậu, thông qua các mô hình như MIKE, NAM, SWAT, QUAL2E, WASP5 và CE-QUAL-RIV1.
Một số nghiên cứu điển hình trong lĩnh vực mô hình hóa chất lượng nước bao gồm mô hình tăng cường CLN QUAL2E và QUAL2E-UNCAS (Brown, LC và TO Barnwell, Jr., 1987), cũng như mô hình dòng chảy mặt và ngầm (Amild, JG, PM Allen, và G Bemhardt, 1993) Những nghiên cứu này thể hiện sự kết hợp giữa các mô hình để cải thiện độ chính xác trong việc đánh giá chất lượng nước.
Nghiên cứu về 21 chất lượng lưu vực nhỏ sử dụng công cụ GIS đã được thực hiện bởi Srinivasan và Arnold vào năm 1994 Đồng thời, ảnh hưởng của biến đổi không gian lên mô hình lưu vực cũng đã được phân tích bởi Mamillapalli cùng các cộng sự vào năm 1996.
Mô hình SWAT đã được áp dụng trong nhiều nghiên cứu, bao gồm việc điều tra các hiệu ứng thủy văn tại lưu vực sông Sanducky, Hoa Kỳ (Chen Qui, 2001); đánh giá sự thay đổi sử dụng đất tại lưu vực sông Pinios ở Thesaly (Pikounis M và Varanou E., 2003); mô hình hóa chất lượng nước sông Raccoon, Hoa Kỳ (Manoj K Jha, Jeffrey Arnod và Philip Gasman, 2006); và phân tích, định lượng cân bằng nước cho lưu vực sông Kunthipuzha ở Kerala, Ấn Độ (Sathian K và Syamala P., 2007).
Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
Hiện nay, nhiều mô hình đánh giá chất lượng nước lưu vực sông như NAM, SWAT, MIKE BASIN đang được áp dụng rộng rãi Trong những năm gần đây, công cụ SWAT đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, với nhiều đề tài nghiên cứu sử dụng nó để đánh giá tác động của con người và thiên nhiên đến lưu vực của một số sông lớn tại Việt Nam.
Nghiên cứu của Lương Hữu Dũng và cộng sự (2004) đã ứng dụng mô hình SWAT và IQQM để tính toán cân bằng nước lưu vực sông Cả Kết quả từ các kịch bản sử dụng nước của mô hình được phân tích nhằm hỗ trợ các nhà quản lý đưa ra quyết định khai thác hợp lý hơn nguồn tài nguyên nước của sông Cả.
Nghiên cứu của Nguyễn Kiên Dũng và Nguyễn Thị Bích (2005) đã ứng dụng mô hình SWAT để tính toán dòng chảy và bùn cát trong lưu vực sông Sê San Nghiên cứu dựa trên hai phương pháp chính: phương trình cân bằng nước và phương trình mất đất (MUSLE) Kết quả đạt được cho thấy độ chính xác cao và phù hợp với một số kịch bản khai thác trong lưu vực.
Nhóm tác giả Nguyễn Kim Lợi và Nguyễn Hà Trang đã áp dụng thành công mô hình SWAT để đánh giá lưu lượng dòng chảy và hiện tượng bồi lắng tại lưu vực sông La Ngà vào năm 2008 Tuy nhiên, mô hình này vẫn chưa được hiệu chỉnh và kiểm chứng một cách đầy đủ.
Nghiên cứu của Nguyễn Hà Trang (2009) đã ứng dụng công nghệ GIS và mô hình SWAT để đánh giá và dự báo chất lượng nước (CLN) lưu vực sông Đồng Nai Nghiên cứu này tích hợp GIS và mô hình SWAT nhằm mô phỏng lưu lượng dòng chảy và xác định một số nguyên nhân chính dẫn đến sai số lớn khi áp dụng mô hình SWAT vào thực tế Tuy nhiên, nghiên cứu vẫn chưa đi sâu vào việc phân tích chất lượng nước và chưa đề cập đến quá trình lan truyền chất trong nước.
Nghiên cứu của Nguyễn Thanh Tuấn (2011) ứng dụng công nghệ GIS và mô hình SWAT để đánh giá chất lượng nước lưu vực hồ Dầu Tiếng, so sánh với các Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về Chất lượng nước mặt (QCVN 08:2008/BTNMT) Tuy nhiên, nghiên cứu gặp nhiều hạn chế do dữ liệu sử dụng đều miễn phí và có độ phân giải thấp, dẫn đến độ chính xác của mô hình không cao Điều này gây khó khăn cho công tác điều tra, đánh giá và kết quả đầu ra chưa được kiểm nghiệm, hiệu chỉnh.
Nghiên cứu của Trần Xuân Lộc (2012) đã ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá chất lượng nước lưu vực hồ Cầu Mới tại tỉnh Đồng Nai, trong đó xác định được bộ thông số chất lượng nước cho mô hình Kết quả tính toán cho thấy lượng bồi lắng tại hồ là 4.375 tấn Tuy nhiên, nghiên cứu chưa xem xét các yếu tố như mức độ sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu, phương pháp làm đất, quản lý chăm sóc và chăn nuôi, những yếu tố này có thể ảnh hưởng đến các thông số chất lượng nước của hồ.