VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KHCN THUỘC CÁC HƯỚNG KHCN ƯU TIÊN CẤP VIỆN HÀN LÂM KHCNVN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN PHÂN BỐ HỢP LÝ CÁC NGUỒN THẢI VÀ XÁC ĐỊNH TẢI LƯỢNG Ô NHIỄM NGÀY TỐI ĐA PHỤC VỤ KIỂM SỐT VÀ QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG Ở VIỆT NAM Mã số: VAST07.05/2018-2019 Hướng KHCN ưu tiên: Môi trường lượng (VAST07) Đơn vị chủ trì: Viện Cơng nghệ mơi trường Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Hà Ngọc Hiến Hà Nội, 2/2020 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KHCN THUỘC CÁC HƯỚNG KHCN ƯU TIÊN CẤP VIỆN HÀN LÂM KHCNVN NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN PHÂN BỐ HỢP LÝ CÁC NGUỒN THẢI VÀ XÁC ĐỊNH TẢI LƯỢNG Ô NHIỄM NGÀY TỐI ĐA PHỤC VỤ KIỂM SỐT VÀ QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG Ở VIỆT NAM Mã số: VAST07.05/2018-2019 Hướng KHCN ưu tiên: Môi trường lượng (VAST07) Đơn vị chủ trì: Viện Cơng nghệ mơi trường Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Hà Ngọc Hiến Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì PGS.TS Hà Ngọc Hiến Trịnh Văn Tuyên Xác nhận Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm KHCNVN* Phản biện I Phản biện II PGS.TS Lê Thị Phương Quỳnh PGS.TS Vũ Đức Lợi Hà Nội, 2/2020 MỤC LỤC Phần I Kết đề tài Mở đầu 1.1 BÁO CÁO KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI 1.1.1 Cơ sở khoa học tính tốn phân bố hợp lý nguồn thải dọc sông (a) Phân bố nguồn thải trường hợp A=0 (b) Phân bố nguồn thải trường hợp A0 (c) Áp dụng cho đoạn sông cụ thể 1.1.2 Lựa chọn tích hợp phần mềm tính tốn (a) Đánh giá phần mềm tính lan truyền nhiễm vào sơng (b) Lựa chọn tích hợp mơ hình mơ cho lưu vực sơng Cầu 11 1.1.3 Kết thiết lập mô hình tính tốn tải lượng tối đa ngày cho số đoạn sông thuộc lưu vực sông Cầu 13 (a) Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình QUAL2K 14 (b) Kết tính tốn sức chịu tải khả tự làm 15 1.1.4 Đề xuất quy trình tính tốn tải lượng nhiễm ngày tối đa 22 1.1.5 Kết luận 23 1.2 BÁO CÁO CHI TIẾT 24 1.2.1 Tổng quan sức chịu tải nguồn nước sông 24 (a) Sức chịu tải khả tự làm dòng chảy 24 (b) Các trình vật lý chế tự làm nguồn nước 25 (c) Các q trình liên quan đến nồng độ ơxy hịa tan 28 (d) Phát triển thực vật phù du (tảo chlorophyll-A) 31 (e) Phát triển sinh vật đáy (Bottom algea) 39 (f) Chu trình Ni tơ 43 (g) Chu trình Phốt 47 (h) Tổng quan khái niệm sức chịu tải (Loading capacity) dịng sơng 49 (i) Kinh nghiệm quốc tế liên quan đến đánh giá sức chịu tải 51 (j) Kinh nghiệm Việt Nam 56 1.2.2 Phương pháp nghiên cứu 62 1.2.3 Cơ sở khoa học tính toán phân bố hợp lý nguồn thải xác định tải lượng ô nhiễm ngày tối đa 62 (a) Đặt toán 63 (b) Mơ hình tốn học 63 (c) Kết xác định phân bố nguồn thải trường hợp A=0 64 (d) Kết phân bố nguồn thải trường hợp A0 66 (e) Áp dụng cho đoạn sông cụ thể 68 1.2.4 Lựa chọn tích hợp phần mềm tính tốn 71 (a) Đánh giá mơ hình tính tải lượng nhiễm vào sơng 71 (b) Lựa chọn tích hợp mơ hình mơ cho lưu vực sơng Cầu 82 i 1.2.5 Kết tính tốn tải lượng tối đa ngày cho số đoạn sông thuộc lưu vực sông Cầu 83 (a) Tổng quan lưu vực sông Cầu 83 (b) Ước tính tải lượng nhiễm cho khu vực nghiên cứu 87 (c) Xây dựng mơ hình QUAL2K cho khu vực nghiên cứu 96 (d) Kết kiểm định mơ hình chất lượng nước cho đợt khảo sát 2018 107 (e) Tính tốn sức chịu tải cho đoạn sông lưu vực sông Cầu 112 (f) Ước tính tải lượng xả thải trạng khả tiếp nhận đoạn sơng 121 1.2.6 Đề xuất quy trình tính tốn tải lượng ô nhiễm ngày tối đa 122 (a) Cơ sở để đánh giá sức chịu tải đoạn sông 122 (b) Đề xuất quy trình đánh giá sức chịu tải đoạn sông 126 1.2.7 Đề xuất giải pháp bảo vệ, kiểm sốt mơi trường nước cho vùng nghiên cứu131 1.3 MINH CHỨNG VỀ CÁC KẾT QUẢ CÔNG BỐ VÀ ĐÀO TẠO 133 1.3.1 Bản photocopy toàn văn báo từ tạp chí giấy chấp nhận đăng bài; 133 1.3.2 Bản Photocopy Tiến sỹ, Thạc sỹ văn xác nhận quan đào tạo (Giấy xác nhận, Quyết định thành lập hội đồng, Bảng điểm bảo vệ, ).133 Kết luận kiến nghị 135 Tài liệu tham khảo 137 Phụ lục 141 Minh chứng sản phẩm báo đào tạo 141 Báo cáo khảo sát thực địa 141 Đề cương phê duyệt Error! Bookmark not defined Phần II: Hồ sơ đề tài 141 ii BẢNG CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt BOD BTNMT CEM CNMT COD DHI DO EPA Tên đầy đủ Biochemical Oxygen Demand/Nhu cầu xy sinh hóa Bộ tài ngun môi trường Center for Environmental Monitoring/Trung tâm quan trắc môi trường Công nghệ môi trường Chemical Oxygen Demand/Nhu cầu ô xy hóa học Dansk Hydraulisk Institut (Danish Hydraulic Institute)/Viện thủy lực Đan mạch Dissolved Oxygen / Ơ xy hịa tan Environmental Protection Agency/Cục bảo vệ môi trường (Mỹ) HĐH Hệ điều hành HEC-RAS Hydrologic Engineering Center's (CEIWR-HEC) River Analysis System/Phần mềm HEC-RAS phân tích, mơ dịng chảy sơng IET KCN KTTV LVS MIKE11 MONRE NOAA Ghi Thuộc Tổng cục môi trường Phát triển Công ty kỹ nghệ, Bộ quốc phịng Mỹ Institute of Environmental Technology/Viện Cơng nghệ mơi trường Khu cơng nghiệp Khí tượng thủy văn Lưu vực sơng Phần mềm mơ phịng dịng chảy chất lượng nước sông Phát triển DHI Đan Mạch, phần mềm thương mại Ministry of Natural Resource and Environment/Bộ tài ngun mơi trường National Oceanic and Atmospheric Administration/Đồn Ủy nhiệm Quản trị Khí Đại dương Quốc gia Mỹ iii QCVN Quy chuẩn Việt nam QUAL2E/QU Phần mềm mô chất lượng nước AL2K QUAL2E, QUAL2K SWAT TMDL TN TP TPLCS TPLMS UNEP UNESCO WASP Soil Water Assessment Tool/ Phần mềm mơ nước xói mịn đất Phát triển EPA đạihọc Mỹ, sử dụng miễn phí Phát triển EPA đạihọc Mỹ, sử dụng miễn phí Total Maximum Daily Load/ Tải lượng ngày tối đa Total Nitrogen/Tổng Ni tơ Total Phophorus/Tổng Phốt Total pollution load control system/Hệ thống Kiểm soát tổng tải lượng ngày Total Pollution Loads Management System/Hệ thống quản lý tổng tải lượng thải môi trường nước United Nations Environment Programme/Chương trình mơi trường liên hiệp quốc United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization/Tổ chức GD, KH VH Liên hiệp quốc USEPA Water Quality Analysis Simulation Program/ Chương trình phân tích, mơ chất lượng nước Cục bảo vệ mơi trường Mỹ Quy trình bảo vệ chất lượng nước Nhật Quy trình bảo vệ chất lượng nước Hàn Quốc iv Phần I Kết đề tài Mở đầu Trong năm vừa qua, trình phát triển kinh tế - xã hội lưu vực sông diễn đặc biệt sôi động, vùng kinh tế trọng điểm nằm khu vực hạ lưu lưu vực sông lớn cửa sông ven biển Tuy nhiên, chất lượng môi trường nước (CLN) lưu vực sơng bị suy thối nhiều nơi, đặc biệt đoạn sông chảy qua khu vực đô thị, khu công nghiệp (KCN), làng nghề Các sông thường nguồn cung cấp nước sinh hoạt cho người dân phía hạ lưu Đặc biệt người dân vùng nông thôn người có thu nhập thấp thường sử dụng trực tiếp nước sông, hồ bị ô nhiễm, nguyên nhân gây nhiều bệnh tật, tác động trực tiếp đến điều kiện sống, sức khỏe nhân dân ảnh hưởng đến điều kiện phát triển kinh tế - xã hội Tình trạng nhiễm, suy thối chất lượng nước sông, suối, kênh, rạch phản ánh nhiều kỳ họp Quốc hội phương tiện thông tin đại chúng Đánh giá sức chịu tải (SCT) hay khả chịu tải cách tiếp cận để ngăn ngừa tải môi trường chất thải người hoạt động họ Ở Việt Nam, khái niệm hiểu sau: “Sức chịu tải/Khả chịu tải thủy vực tổng tải lượng chất thải đưa vào thủy vực cho thủy vực cịn có khả tự làm để đạt yêu cầu sử dụng, nghĩa đạt tiêu chuẩn, quy chuẩn chất lượng quy định cho mục đích sử dụng” Từ kết tính tốn sức chịu tải, nhà quản lý xác định phân bổ hạn ngạch xả nước thải cho đối tượng xả thải cụ thể lưu vực Sức chịu tải hạn ngạch xả nước thải phục vụ lập điều chỉnh quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội quy hoạch phát triển ngành, lĩnh vực; xem xét chấp thuận chủ trương đầu tư, chứng nhận đầu tư cho dự án lưu vực sông phục vụ mục tiêu phát triển bền vững Để phục vụ cho công việc quản lý cải thiện môi trường lưu vực sông phạm vi nước việc triển khai thực đề tài “Nghiên cứu tính tốn phân bố hợp lý nguồn thải xác định tải lượng nhiễm ngày tối đa phục vụ kiểm sốt quản lý chất lượng môi trường nước lưu vực sông Việt Nam” với mục tiêu cần thiết:  Xác lập sở khoa học tính tốn phân bố hợp lý nguồn thải xác định tải lượng ô nhiễm ngày tối đa sở mơ hình số có tính đến đầy đủ trình tự làm dạng nguồn thải khác  Xác định tải lượng ngày tối đa ô nhiễm hữu dinh dưỡng cho số đoạn sông thuộc lưu vực sông Cầu  Đề xuất quy trình tính tốn tải lượng ô nhiễm ngày tối đa giải pháp quản lý chất lượng nước lưu vực sông Các phương pháp nghiên cứu sử dụng đề tài bao gồm: (1) Phương pháp kế thừa: đề tài kế thừa kết thiết lập mơ hình CLN cho sơng Cầu, số liệu KTTV, ô nhiễm sông Cầu thực Viện CNMT; (2) Phương pháp khảo sát thực địa: Đề tài tiến hành khảo sát thực địa để bổ sung số liệu cần thiết việc kiểm định mơ hình CLN; (3) Phương pháp thơng kê: Xử lý số liệu KTTV, xây dựng kịch dòng chảy mùa kiệt 7Q10…(4) Phương pháp giải tích tốn học: Thu nhận lời giải giải tích cho tốn phân bố nguồn thải; (5) Phương pháp mô số: Sử dụng để mô CLN sông xác định sức chịu tải ô nhiễm cho đoạn sông Báo cáo kết nghiên cứu đề tài trình bày phần Phần trình bày Kết đề tài Phần trình bày Hồ sơ đề tài (theo mẫu báo cáo Viện Hàn lâm KH&CN VN) Phần bao gồm mục chính: (1) Báo cáo kết đạt đề tài; (2) Báo cáo chi tiết kết đề tài; (3) Minh chứng kết công bố đào tạo Phần bao gồm hồ sơ phục vụ việc lưu trữ, quản lý đề tài 1.1 BÁO CÁO KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI Phần trình bày tóm tắt kết đạt đề tài (giới hạn 20 trang) 1.1.1 Cơ sở khoa học tính tốn phân bố hợp lý nguồn thải dọc sông Một kết quan trọng đề tài tìm lời giải giải tích tốn phân bố nguồn thải dọc sơng ứng với sức chịu tải lớn Bài toán đặt chất ô nhiễm chịu ảnh hưởng q trình pha lỗng, truyền tải, lắng đọng phân hủy trường hợp: (a) khơng tính đến ảnh hưởng trình phân tán (b) tính đến ảnh hưởng q trình phân tán khuếch tán Đặt tốn Xem xét đoạn sơng độ dài L, thiết diện A lưu lượng Q không đổi Nồng độ chất thải đầu vào đoạn sông c0, hệ số suy giảm  (gồm phân hủy, lắng đọng) Phân bố tải lượng xả thải hai bên bờ sơng (x) Tìm (x) cho tổng tải lượng hai bên bờ vào đoạn sông lớn Các điều kiện ràng buộc sau: (1) Nồng độ chất ô nhiễm đoạn sông không vượt tiêu chuẩn cho phép cmax (2) Mật độ tải lượng xả thải đơn vị độ dài dọc theo sông khơng vượt q giới hạn max Mơ hình tốn học Đoạn sông biểu diễn trục tọa độ x từ tọa độ a,b (đoạn L= [a,b]) Trong trường hợp lưu lượng dịng chảy Q khơng đổi, tốn xem xét tốn dừng Phân bố nồng độ chất nhiễm định xác định phương trình vi phân sau: 𝑣 𝑑𝑐 𝑑𝑥 =𝛼 𝑑2𝑐 𝑑𝑥 − 𝜆𝑐 + 𝜚(𝑥) (1.1) Trong c(x) [mg/L] nồng độ chất nhiễm; v=Q/A [m/s] vận tốc trung bình dịng chảy;  [m2/s] hệ số phân tán dọc;  [1/s] hệ số suy giảm chất ô nhiễm; (x) [mg/L.s] mật độ xả thải chất ô nhiễm dọc sông Các điều kiện ràng buộc: (1) 0