CHƯƠNG 2 ĐÁNH GIÁ DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG THƯƠNG ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ BẮC GIANG
2.7. Tính toán đánh giá biến đổi chất lượng nước và ô nhiễm nước sông theo mô hình toán chất lượng nước
2.7.1.Đặt vấn đề
Ở các phần trên, luận văn đã đánh giá chất lượng nước theo số liệu thực đo, dựa trên 10 vị trí quan trắc. Tuy nhiên, để làm rõ hơn biến đổi chất lượng nước thì cần phải sử dụng các công cụcũng như các phương pháp hiện đại hơn như sử dụng mô hình toán. Các kết quả này cũng là đầu vào quá trình để đề xuất các biện pháp để quản lý, kiểm soát, từng bước khắc phục ô nhiễm.
Trong chương này, luận văn sẽ lựa chọn mô hình toán chất lượng nước phù hợp và ứng dụng mô hình để tính toán đánh giá biến đổi chất lượng nước trong
sông. Mô hình cũng sẽ được sử dụng để xem xét các phương án quản lý kiểm soát các nguồn gây ô nhiễm nước trong chương sau
2.7.2.Khái quát chung về mô hình toán và lựa chọn mô hình 1). Khái quát chung về mô hình toán
Để đánh giá, dự báo chất lượng nước sông thì phương pháp được sử dụng phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay là áp dụng mô hình toán. Trên thế giới nói chúng và ở Việt Nam nói riêng hiện nay đang sử dụng rất nhiều phương pháp mô hình toán khác nhau như Mike 11, Qual2E, Qual2K,...
Có nhiều mô hình toán chất lượng nước được xây dựng để mô phỏng biến đổi chất lượng nước trong sông, một số mô hình đã được ứng dụng nhiều trên thế giới thí dụ như một số mô hình sau:
Mô hình Mike 11
Mô hình do Viện Thủy lực Đan mạch (DHI) xây dựng và phát triển, được ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác. Mike 11 là công cụ lập mô hình động lực một chiều, thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp[11]. Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, Mike 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch.Mike 11 được ứng dụng tương đổi thông dụng trên thế giới cũng như ở Việt Nam hiện nay.
Mô hình QUAL2E
Mô hình do cơ quan bảo vệmôi trường của Mỹ (EPA) phát triển và đã được sử dụng rộng rãi ở Mỹ và một sốnước châu Âu. Qual2E đã được du nhập vào Việt Nam qua một số dự án. Qual2E cũng sử dụng hệ phương trình Saint-Venant và lan truyền chất một chiều và giải bằng phương pháp sai phân và có thể sử dụng cho yếu tố ô nhiễm( BOD, DO, tảo, Nito, photpho,…). Nhược điểm của Qual2E là chỉ áp dụng cho mạng sông đơn giản có dạng hình cây (không áp dụng cho mạng sông
dạng mạch vòng), thiết diện sông phải đều dạng hình hình thang, hay hình chữ nhật và không chịu ảnh hưởng của thủy triều.
QUAL2K
QUA2K là mô hình mô phỏng biến đổi chất lượng nước trong sông được phát triển từ mô hình QUAL2E (Brown and Barnwell 1987). Giống như mô hình QUAL2E, mô hình QUAL2K được áp dụng cho trường hợp dòng chảy một chiều và hòa trộn đều theo chiều đứng và chiều ngang, trạng thái thủy lực ổn định.
QUAL2K mô phỏng dòng chảy ổn định không đồng bộ. QUAL2K còn mô phỏng diễn biến nhiệt độ và chất lượng nước theo thời gian. Ngoài ra, các nguồn điểm, nguồn phân tán nhập vào hay thoát ra khỏi sông đều được mô phỏng trong mô hình QUAL2K này.
Trong vài thập kỷ gần đây, Việt Nam cũng đã áp dụng rộng rãi các mô hình toán để dự báo diễn biến chất lượng nước để từđó có các biện pháp quản lý, kiểm soát phù hợp. Bên cạnh việc sử dụng các mô hình của nước ngoài như trên thì để áp dụng phù hợp với điều kiện sông hồ ở Việt Nam, nhiều nhà khoa học đã tự xây dựng các phần mềm để khi cần thiết có thể tự cập nhật và sửa đổi để có thểđáp ứng được các yêu cầu tính toán cụ thể. Nổi bật trong sốđó là một số phần mềm sau đây:
VRSAP
Đây là bộ phần mềm được xem là đầu tiên cho tính toán thủy lực mạng kênh sông do cố PGS Nguyễn Như Khuê phát triển sau đợt thực tập tại Hà Lan vào năm 1978. VRSAP đã được Phân viện Khảo sát Quy hoạch Thủy lợi Nam bộ (nay là Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam) sử dụng cho nhiều dự án quy hoạch cả dự án trong nước và quốc tế.
• HydroGIS
Phần mềm của TS Nguyễn Hữu Nhân. Đây là phần mềm mới được xây dựng trong một số năm gần đây, phần nối công cụ GIS, demo kết quả và giao diện khá tốt. Tuy nhiên do tác giả ít công bố về thuật toán nên khó đánh gia. HydroGIS cũng giải hệphương Saint-Venant một chiều bằng sơ đồsai phân Preissmann, nhưng giải trực tiếp hệ sai phân bằng phương pháp lặp nên tốc độ tính toán chưa nhanh. Gần
đây TS Nhân có thêm phần tính dòng chảy xiết bằng phương pháp sóng động lực, tuy nhiên trên vùng núi có những đoạn vừa chảy xiết, vừa chảy êm thì phương pháp sóng động lực không áp dụng được.
2) Lựa chọn mô hình toán ứng dụng cho sông Thương
Dựa trên điều kiện thực tế của đoạn sông nghiên cứu tương đối ngắn, tình tình hình số liệu vềđịa hình, thủy văn, số liệu chất lượng nước và số liệu về nguồn thải thu thập được, luận văn đã lựa chọn mô hình QUAL2K để mô phỏng diễn biến chất lượng nước cho sông Thương.
2.7.3.Giới thiệu tóm tắt mô hình QUAL2K
Mô hình QUAL2K là mô hình chất lượng nước sông tổng hợp và toàn diện được phát triển do sự hợp tác giữa trường Đại học Tufts University và Trung tâm mô hình chất lượng nước của Cục môi trường Mỹ. Mô hình này được sử dụng rộng rãi để dự đoán hàm lượng tải trọng của các chất thải cho phép thải vào sông. Mô hình cho phép mô phỏng 15 thành phần thông số chất lượng nước sông bao gồm nhiệt độ, BOD5 , DO, tảo dưới dạng chlorophyl, nitơ hữu cơ ( N-org), nitrit ( N- NO2), nitrat (N-NO3-), phốt pho hữu cơ (P-org), photpho hoà tan, coliform và 3 thông số khỏc ớt biến đổi trong nước[12].
Mô hình có thể áp dụng cho các sông nhánh xáo trộn hoàn toàn. Với giả thiết rằng cơ chế vận chuyển chính của dòng là lan truyền và phân tán dọc theo hướng chính của dòng (trục chiều dài của dòng và kênh). Mô hình cho phép tính toán với nhiều nguồn thải, các điểm lấy nước cấp, các nhánh phụ và cỏc dũng thêm vào và lấy ra. Mô hình QUAL2K cũng có thểtính toán lưu lượng cần thiết thêm vào đểđạt được giá trị oxy hoà tan theo tiêu chuẩn.
Về mặt thuỷ lực mô hình QUAL2K có thể tính toán được ở hai chế độ là trạng thái ổn định và trạng thái động. Ở trạng thái ổn định, mô hình có thể được sử dụng để tính toán nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng chất thải (cường độ, chất lượng và vị trí) đối với chất lượng nước sông và cũng có thể sử dụng liên kết với chương trình lấy mẫu thực địa để nhận diện các đặc tính cường độ và chất lượng
của tải trọng từ các nguồn diện. Ở trạng thái động, mô hình QUAL2K có thểđược sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng do sự thay đổi khí hậu hằng ngày đối với chất lượng nước (ụxy hoà tan nhiệt độ) và cũng có thể nghiên cứu sự thay đổi oxy hoà tan hằng ngày do sự hô hấp và tăng trưởng của tảo[13].
QUAL2K là mô hình ứng dụng mã nguồn mở và có tính ứng dụng cao trong thực tế. Nhiều nghiên cứu tại các quốc gia trên thế giới đã ứng dụng mô hình QUAL2K để mô phỏng chất lượng nước tại một số LVS như: LVS Rio Blanco, Mexico, LVS Tahtali…
Ở nước ta, mô hình QUAL2K cũng đã được ứng dụng để đánh giá chất lượng nước của một số con sông lớn như: Sông Hương, LVS Thị Tính, Sông Hồng.
2.7.4.Cơ sở khoa học của mô hình QUAL2K (Tham khảo phục lục 5) 2.7.5. Phương pháp xác định thông số mô hình
Để thuận tiện cho ứng dụng và nâng cao độ chính xác trong ứng dụng mô hình, mô hình QUAL2K sử dụng phương pháp tối ưu hóa thông số để xác định thông số mô hình. Khi ứng dụng cần giả thiết giá trị ban đầu các thông số mô hình, đưa vào các số liệu đầu vào cần thiết cho hiệu chỉnh thông số. Mô hình sẽ tự động hiệu chỉnh thông số theo thuật toán tối ưu để đạt được giá trị hàm mục tiêu : sai số giữa tính toán và thực đo là nhỏ nhất[14].
2.7.6. Số liệu đầu vào và kết quả đầu ra của mô hình 1) Số liệu đầu vào
• Mô hình yêu cầu có các số liệu đầu vào như sau: Số liệu địa hình : Số liệu địa hình bao gồm mặt cắt và độ dài đoạn sông của sông chính và các nhánh nhập lưu phục vụ cho tính toán thủy lực nước trong sông.
• Số liệu khí tượng, thủy văn
• Số liệu vềkhí tượng: nhiệt độ không khí theo giờ, nhiệt độđiểm sương theo giờ, tốc độ gió theo giờ, mây theo giờ, độ che phủ.
• Số liệu thủy văn : Lưu lượng nước chảy vào đoạn sông, lưu lượng nước của các sông nhánh chảy vào, số liệu vận tốc nước,… các số liệu này để làm điều kiện biên và điều kiện ban đầu cho tính toán thủy văn thủy lực các đoạn sông
• Số liệu các nguồn thải
Bao gồm nguồn thải tập trung và phân tán chảy vào sông: Tên, vị trí của nguồn điểm hoặc nguồn phân tán, Lưu lượng, số liệu về nhiệt độ và giá trị của các thông chất lượng nước của nguồn điểm hoặc nguồn phân tán.
2) Kết quả đầu ra của mô hình
Kết quảđầu ra của QUAL2K được hiển thị trên các bảng tính, biểu đồ, tóm tắt về chất lượng nguồn nước, tóm tắt về nhiệt độ, tóm tắt về thủy lực của mỗi đoạn sông thành phần.
2.6.7. Các bước ứng dụng mô hình
Đểứng dụng mô hình cần theo các bước sau đây:
1) Sơ đồ hóa đoạn sông tính toán: chia đoạn sông, xác định các điểm nút cho tính toán.
2) Hiệu chỉnh, xác định bộ thông số của mô hình
Hiệu chỉnh mô hình là tiến trình mà trong đó các thông số và biến số của mô hình được điều chỉnh để kết quảđầu ra của mô hình phù hợp với thực tế.
Để hiệu chỉnh thông số, cần có số liệu thực đo chất lương nước trong giai đoạn hiệu chỉnh thông số để so sánh với kết quả mô phỏng của mô hình từđó đánh giá độ chính xác của mô phỏng . Qua bước hiệu chỉnh thông số sẽxác định được giá trị bộ thông số mô hình ứng dụng trên đoạn sông
3) Kiểm định thông số
Sử dụng bộ thông sốđã xác định được ởbước hiệu chỉnh thông sốđể tính toán kiểm định mô hình theo số liệu thực đo chất lượng nước giai đoạn hiệu chỉnh. Nếu kết quả mô phỏng phù hợp với số liệu thực đo thì kiểm định mô hình đạt kết quả tốt.
Bộ thông sốmô hình xác định được ở trên có thể sử dụng cho tính toán biến đổi chất lượng nước các phương án/kịch bản quản lý kiểm soát ô nhiễm được xem xét.
4) Ứng dụng mô hình tính toán biến đổi hoặc dự báo chất lượng nước đoạn sông theo các kịch bản/phương án
Sử dụng bộ thông sốđã xác định ở trên, ứng dụng mô hình để tính toán biến đổi chất lượng nước theo các phương án/ kịch bản phát triển với số liệu đầu vào tương ứng của kịch bản/phương án.