Giới thiệu dự án

Nguồn tài nguyên nước mặt tại khu vực Nam Trung Bộ, đặc biệt là tỉnh Bình Thuận, luôn nằm trong tình trạng căng thẳng do đặc thù khí hậu bán khô hạn với lượng mưa trung bình năm chỉ dao động từ 800 – 1.150 mm. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu diễn biến phức tạp và tốc độ đô thị hóa gia tăng, hệ thống thủy lợi hồ Sông Quao (huyện Hàm Thuận Bắc) đóng vai trò là "mạch máu" cung cấp nước ngọt phục vụ sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt cho toàn bộ cư dân huyện Hàm Thuận Bắc cùng thành phố Phan Thiết.

Tuy nhiên, áp lực từ các hoạt động nhân sinh dọc lưu vực như thâm canh thanh long, chăn nuôi gia súc gia cầm, cơ sở chế biến thực phẩm thủ công (đặc biệt là các làng nghề sản xuất bún tại xã Hàm Trí, Hàm Liêm), nước thải y tế và sinh hoạt đô thị chưa qua xử lý triệt để đã đe dọa nghiêm trọng chất lượng nước. Các đợt quan trắc giai đoạn 2015 – 2016 ghi nhận nhiều thời điểm nồng độ chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD₅) và nitrit ($\text{NO}_2^-$) vượt ngưỡng giới hạn cho phép theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột A2 và B1.

Trước yêu cầu cấp thiết về công cụ giám sát và dự báo động thái môi trường nước, đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng mô hình MIKE 11 để đánh giá chất lượng nước hệ thống kênh chính hồ Sông Quao, tỉnh Bình Thuận" được triển khai nhằm thiết lập cơ sở khoa học định lượng phục vụ công tác quản lý tài nguyên nước bền vững.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                            HỆ THỐNG THỦY LỢI HỒ SÔNG QUAO                         |
|                                                                                   |
|  [Hồ Sông Quao] ---> [Kênh chính L = 24.68 km] ---> [Hồ Cẩm Hang] ---> [Phan Thiết]
|         |                     |                             |                     |
|         v                     v                             v                     v
|   Nguồn cấp chính     19 Kênh cấp 1 (66 km)          Kênh Đông trung chuyển   Nhà máy nước
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Số hóa và mô hình hóa thủy lực: Thiết lập mạng lưới tính toán 1 chiều (1D) cho 24,68 km tuyến kênh chính và hệ thống kênh nhánh cấp 1 thuộc công trình thủy lợi hồ Sông Quao với 368 nút tính toán và 23 nhánh kênh.
  2. Mô phỏng động thái chất lượng nước: Ứng dụng mô đun Thủy động lực học (HD) kết hợp mô đun Truyền tải – Khuếch tán (AD) để tính toán diễn biến các thông số ô nhiễm cốt lõi: BOD₅, COD, TSS và $\text{NO}_2^-$.
  3. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: Đối soát kết quả mô phỏng với dữ liệu thực đo mùa mưa (tháng 09 – 10/2015) tại các vị trí kiểm tra (điển hình tại cầu Trung Liêm - VMT05), đánh giá độ chính xác qua hệ số tương quan ($R^2$) và chỉ số Nash-Sutcliffe ($E$).
  4. Xây dựng kịch bản xả thải dự báo: Dự báo chất lượng nước đến năm 2020 theo các kịch bản gia tăng dân số, mở rộng công nghiệp - tiểu thủ công nghiệp và biến động lưu lượng xả thải.
  5. Đề xuất giải pháp kiểm soát: Thiết lập phương án kỹ thuật và quản lý môi trường nước chuyên biệt nhằm bảo vệ vùng bảo hộ vệ sinh khu vực lấy nước sinh hoạt.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

  • Phạm vi không gian: Tuyến kênh chính hồ Sông Quao với lưu lượng thiết kế đầu kênh $Q_{tk} = 13{,}5\text{ m}^3/\text{s}$, cao trình mực nước thiết kế $+66{,}36\text{ m}$, cùng 19 tuyến kênh nhánh cấp 1 (tổng chiều dài 66 km) trải dài qua các xã Thuận Hòa, Hàm Phú, Hàm Trí, Thuận Minh, Hàm Liêm, Hàm Hiệp và thị trấn Ma Lâm.
  • Phạm vi thời gian: Dữ liệu thủy văn, khí tượng và hiện trạng chất lượng nước tập trung phân tích chi tiết trong chuỗi thời gian mùa mưa năm 2015 và tính toán dự báo đến giai đoạn 2020.
  • Giới hạn mô hình: Mô hình 1D giả định các chất ô nhiễm hòa tan và phân tán đồng nhất trên toàn bộ diện tích mặt cắt ướt, không xét đến hiện tượng phân tầng nhiệt độ hay gradient nồng độ theo phương đứng và phương ngang của mặt cắt kênh.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Để lựa chọn công cụ mô hình hóa tối ưu cho bài toán kênh hở phân nhánh phức tạp, nghiên cứu đã tiến hành đánh giá so sánh đa tiêu chí giữa các phần mềm tính toán thủy lực và chất lượng nước phổ biến:

Phần mềm Ưu điểm cốt lõi Nhược điểm / Hạn chế Mức độ phù hợp với dự án
MIKE 11 (DHI) - Đa mô đun tích hợp (HD, AD, Ecolab)
- Thuật toán sai phân ẩn Abbott-Ionescu 6 điểm ổn định cao
- Kết nối GIS và xử lý chuỗi thời gian mạnh		 - Chi phí bản quyền thương mại cao
- Yêu cầu dữ liệu mặt cắt chi tiết		 Rất cao (Được lựa chọn)
QUAL2K (US EPA) - Tối ưu cho mô phỏng chất lượng nước sông thẳng
- Mã nguồn mở, dễ tiếp cận		 - Giả định dòng chảy dừng (steady state)
- Khó mô phỏng mạng lưới kênh phân nhánh phức tạp		 Thấp
ISIS / Flood Modeller - Tính toán dòng không ổn định tốt
- Ứng dụng rộng rãi tại Mekong WUP		 - Khả năng tương thích dữ liệu GIS hạn chế tại Việt Nam
- Mô đun chất lượng nước chưa được kiểm chứng sâu		 Trung bình
VRSAP - Phát triển riêng cho ĐBSCL
- Giải tốt bài toán ô nhiễm phèn mặn diện rộng		 - Tốc độ tính toán chậm trên mạng lưới dày
- Khả năng liên kết cơ sở dữ liệu không gian hạn chế		 Trung bình 
+---------------------------------------------------------------------------------+
|               MA TRẬN YÊU CẦU HỆ THỐNG MÔ HÌNH HÓA (MoSCoW)                     |
+---------------------------------------------------------------------------------+
| [MUST HAVE]                                                                     |
| - Giải hệ phương trình Saint-Venant 1 chiều cho dòng không ổn định.             |
| - Mô phỏng quá trình truyền tải - khuếch tán các chất ô nhiễm (BOD, COD, TSS).  |
| - Tích hợp dữ liệu hình học kênh hình thang biến đổi từ Google Earth và DEM.   |
|                                                                                 |
| [SHOULD HAVE]                                                                   |
| - Tự động nội suy nồng độ các nguồn thải điểm và nguồn diện theo thời gian.     |
| - Khả năng trích xuất chuỗi thời gian tại từng trạm kiểm tra (Cross-section).  |
|                                                                                 |
| [COULD HAVE]                                                                    |
| - Liên kết trực tiếp bản đồ ô nhiễm lên nền tảng WebGIS.                        |
|                                                                                 |
| [WON'T HAVE]                                                                    |
| - Mô phỏng động học 3 chiều (3D CFD) tại các kết cấu công trình xi-phông, tràn. |
+---------------------------------------------------------------------------------+

Thiết kế hệ thống mô hình

Hệ thống mô hình toán được cấu trúc hóa qua 5 tệp tin chức năng liên kết chặt chẽ trong môi trường MIKE 11:

                  +-----------------------------------+
                  |   DỮ LIỆU ĐẦU VÀO KHÔNG GIAN      |
                  |  - Ảnh ASTER Global DEM 30m       |
                  |  - Bản đồ GIS Thủy lợi 1/10.000   |
                  +-----------------+-----------------+
                                    |
                                    v
+---------------------------------------------------------------------------+
|                          MIKE 11 CORE MODULES                             |
|                                                                           |
|  [Network Editor (.nwk11)]      <--- Số hóa 368 nút & 23 nhánh kênh       |
|  [Cross-Section (.xns11)]       <--- 5 phân đoạn hình học (B = 2.0-5.0m)  |
|  [Boundary Conditions (.bnd11)] <--- Q(t) thượng lưu, H(t) hạ lưu, Nguồn C |
|  [HD Parameters (.hd11)]        <--- Hệ số nhám Manning n = 0.020 - 0.030 |
|  [AD Parameters (.ad11)]        <--- Hệ số khuếch tán D, phân hủy K       |
+-------------------------------------+-------------------------------------+
                                      |
                                      v
                  +-----------------------------------+
                  |     SIMULATION ENGINE (.sim11)    |
                  |   - Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott  |
                  |   - Kiểm soát bước thời gian dt   |
                  +-----------------+-----------------+
                                    |
                                    v
                  +-----------------------------------+
                  |     KẾT QUẢ VÀ TRÍCH XUẤT         |
                  |  - MIKE View (Diễn biến Q, H, C)  |
                  |  - Đánh giá Nash-Sutcliffe & R2   |
                  +-----------------------------------+

Nền tảng phương pháp và công thức toán học

1. Mô đun Thủy động lực học (HD)

Mô đun HD giải hệ phương trình Saint-Venant vi phân phi tuyến bậc nhất mô tả dòng chảy một chiều không ổn định trong lòng dẫn hở:

  • Phương trình liên tục: $$\frac{\partial Q}{\partial x} + \frac{\partial A}{\partial t} = q$$

  • Phương trình động lượng: $$\frac{\partial Q}{\partial t} + \frac{\partial}{\partial x}\left(\alpha \frac{Q^2}{A}\right) + gA\frac{\partial h}{\partial x} + \frac{g|Q|Q}{C^2AR} = 0$$

Trong đó:

  • $Q$: Lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt ($\text{m}^3/\text{s}$)
  • $A$: Diện tích mặt cắt ướt ($\text{m}^2$)
  • $q$: Lưu lượng nhập lưu bên trên một đơn vị chiều dài kênh ($\text{m}^3/\text{s}\cdot\text{m}$)
  • $h$: Mực nước trong kênh ($\text{m}$)
  • $\alpha$: Hệ số hiệu chỉnh động năng (Boussinesq coefficient)
  • $C$: Hệ số chảy đều Chezy ($C = \frac{1}{n}R^{1/6}$, với $n$ là hệ số nhám Manning)
  • $R$: Bán kính thủy lực ($R = A/\chi$, $\chi$ là chu vi ướt) ($\text{m}$)
  • $g$: Gia tốc trọng trường ($9{,}81\text{ m}/\text{s}^2$)

Hệ phương trình trên được rời rạc hóa bằng sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott-Ionescu. Thuật toán phân tách mạng lưới thành các điểm tính mực nước ($h$) tại các mắt lưới chẵn và điểm tính lưu lượng ($Q$) tại các mắt lưới lẻ, giải quyết ma trận 5 đường chéo bằng phương pháp quét kép (Double Sweep Algorithm).

2. Mô đun Truyền tải – Khuếch tán (AD)

Mô đun AD mô phỏng quy luật lan truyền và biến đổi sinh hóa của chất ô nhiễm theo phương trình vi phân truyền tải:

$$\frac{\partial (AC)}{\partial t} + \frac{\partial (QC)}{\partial x} - \frac{\partial}{\partial x}\left(A D \frac{\partial C}{\partial x}\right) = -A K C + C_q q$$

Trong đó:

  • $C$: Nồng độ chất ô nhiễm ($\text{mg/l}$ hoặc $\text{g/m}^3$)
  • $D$: Hệ số khuếch tán dọc dòng chảy ($\text{m}^2/\text{s}$), tuân theo định luật Fick và quan hệ dòng chảy trung bình: $D = a \cdot v^b$ (với $v$ là vận tốc trung bình, $a, b$ là tham số thực nghiệm)
  • $K$: Hệ số phân hủy sinh hóa bậc 1 ($\text{s}^{-1}$ hoặc $\text{day}^{-1}$)
  • $C_q$: Nồng độ chất ô nhiễm trong dòng nhập lưu bên ($\text{mg/l}$)

Để đảm bảo độ ổn định số trị tuyệt đối, điều kiện bước thời gian $\Delta t$ và bước không gian $\Delta x$ được khống chế nghiêm ngặt qua số Courant: $$Cr = \frac{(v + \sqrt{gh})\Delta t}{\Delta x} \le 10 \div 15$$

Implementation và kết quả

Quá trình triển khai mô hình

1. Thiết lập hình học mạng lưới kênh

Kênh chính hồ Sông Quao có tổng chiều dài $24{,}68\text{ km}$, mặt cắt hình thang được phân đoạn chi tiết theo tài liệu thiết kế kỹ thuật:

Phân đoạn kênh Lý trình Chiều dài ($L$) $B_{\text{đáy}}$ ($\text{m}$) $H_{\text{kênh}}$ ($\text{m}$) Bờ phải ($\text{m}$) Bờ trái ($\text{m}$) Hệ số nhám Manning ($n$)
Đoạn I K0 – K2+412 2.412 m 5,0 2,82 3,5 2,0 0,0225
Đoạn II K2+412 – K8+779 6.367 m 3,0 – 4,0 2,46 – 2,50 3,5 2,0 0,0225 – 0,0300
Đoạn III K8+779 – K15+000 6.221 m 3,5 2,40 3,5 2,0 0,0225
Đoạn IV K15+000 – K17+788 2.788 m 3,5 2,34 – 2,44 3,5 2,0 0,0225 – 0,0300
Đoạn V K17+788 – K24+678 6.890 m 2,0 – 2,5 1,60 – 3,00 3,5 1,5 0,0200 – 0,0250 
# Script kiểm tra và tối ưu hóa điều kiện ổn định Courant cho mạng lưới MIKE 11
import numpy as np

def calculate_courant_number(velocity, depth, dx, dt, g=9.81):
    """
    velocity: Vận tốc dòng chảy trung bình (m/s)
    depth: Độ sâu cột nước (m)
    dx: Bước lưới không gian (m)
    dt: Bước thời gian mô phỏng (s)
    """
    wave_celerity = np.sqrt(g * depth)
    courant = ((velocity + wave_celerity) * dt) / dx
    return courant

# Thiết lập thông số thực nghiệm đoạn kênh chính Sông Quao
dx_grid = 150.0  # Bước không gian trung bình giữa 2 mặt cắt (m)
dt_step = 30.0   # Bước thời gian lựa chọn (s)
v_avg = 0.85     # Vận tốc dòng chảy thiết kế (m/s)
h_water = 2.20   # Độ sâu trung bình (m)

cr = calculate_courant_number(v_avg, h_water, dx_grid, dt_step)
print(f"Hệ số Courant tính toán: {cr:.2f}")
# Output: Hệ số Courant = 1.10 (Thỏa mãn tiêu chuẩn Cr <= 10 - 15)

2. Xử lý dữ liệu biên và điều tra tải lượng nguồn ô nhiễm

  • Biên thủy lực:

    • Biên trên (Thượng lưu): Quá trình lưu lượng thời gian thực $Q(t)$ từ hồ Sông Quao đổ vào kênh chính tại trạm VMT07 kết hợp lưu lượng bổ sung từ kênh Đại Ninh tại VMT04 ($Q = 6{,}49 \div 7{,}95\text{ m}^3/\text{s}$).
    • Biên nội đồng: Lưu lượng điều tiết phân phối qua 19 cống lấy nước kênh cấp 1 (N1 đến N33).
    • Biên dưới (Hạ lưu): Quá trình mực nước theo giờ $H(t)$ tại trạm VMT03 dẫn vào hồ Cẩm Hang ($H = 24{,}13 \div 24{,}24\text{ m}$) và nhánh đổ về hồ Cà Giang.

  • Thống kê nồng độ các nguồn thải đặc trưng (Khảo sát 26/09/2015):

+-----------------------------------------------------------------------------+
|               CÁC TÂM ĐIỂM Ô NHIỄM NGUỒN ĐIỂM DỌC TUYẾN KÊNH                |
+-----------------------------------------------------------------------------+
| [HT01] Sản xuất bún Hàm Trí 1 : BOD5=220 mg/l | COD=463.5 mg/l | TSS=94 mg/l|
| [HL03] Sản xuất bún Hàm Liêm 3: BOD5=242 mg/l | COD=505.1 mg/l | TSS=138mg/l|
| [HL04] Nước xả mương Hàm Liêm : BOD5=60.0 mg/l| COD=127.6 mg/l | TSS=171mg/l|
| [HL01] Trại lợn Hàm Liêm 1    : BOD5=39.0 mg/l| COD=72.9 mg/l  | TSS=18.8   |
| [ML01] BV Đa khoa Ma Lâm      : BOD5=24.0 mg/l| COD=46.8 mg/l  | TSS=6.0    |
| [HP01] Nước máng ruộng Hàm Phú: BOD5=14.0 mg/l| COD=30.6 mg/l  | TSS=156 mg/l|
+-----------------------------------------------------------------------------+

Tải lượng ô nhiễm sinh hoạt đô thị và nông thôn được xác định theo mô hình toán: $$W = C \cdot Q_{th} \cdot 10^{-3} \quad (\text{kg/ngày})$$ Trong đó lưu lượng thải $Q_{th} = N \cdot T$ ($N$: Dân số; $T$: Tiêu chuẩn dùng nước: đô thị $100\text{ l/người/ngày}$, nông thôn $60\text{ l/người/ngày}$ vào năm 2015; dự báo tương ứng $120\text{ l}$ và $80\text{ l}$ vào năm 2020).

def calculate_waste_load(population, water_quota_liters, concentration_mg_l, discharge_ratio=0.8):
    """
    Tính toán tải lượng ô nhiễm xả thải (kg/ngày)
    discharge_ratio: Tỷ lệ nước thải thu gom/phát sinh so với nước cấp
    """
    q_wastewater_m3_day = (population * water_quota_liters * discharge_ratio) / 1000.0
    load_kg_day = concentration_mg_l * q_wastewater_m3_day * 1e-3
    return q_wastewater_m3_day, load_kg_day

# Tính toán tải lượng phát thải xã Hàm Liêm (N = 12,743 người)
q_hl, bod_load_hl = calculate_waste_load(12743, 60, 220.0)
print(f"Lưu lượng nước thải Hàm Liêm: {q_hl:.2f} m3/ngày | Tải lượng BOD5: {bod_load_hl:.2f} kg/ngày")
# Kết quả: q = 611.66 m3/ngày | Tải lượng BOD5 = 134.57 kg/ngày

Kiểm định mô hình và độ chính xác

Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định độc lập tại vị trí trạm đo cầu Trung Liêm (VMT05, tọa độ VN2000: $X=456342, Y=1222415$).

  • Độ chính xác mô phỏng thủy lực:

    • Mực nước tính toán bám sát mực nước thực đo với sai số tuyệt đối đỉnh triều và chân triều chỉ chênh lệch từ $0 \div 8\text{ cm}$.
    • Pha dao động thủy triều và lưu lượng trùng khớp hoàn toàn về mặt thời gian ($\Delta t = 0\text{ h}$).
    • Hệ số hiệu quả mô hình Nash-Sutcliffe đạt $E > 0{,}85$; hệ số tương quan tuyến tính $R^2 > 0{,}90$.

  • Độ chính xác mô phỏng chất lượng nước:

    • Nồng độ các thông số mô phỏng tại các mắt kiểm tra bám sát đường diễn biến nồng độ thực tế mùa mưa.
    • Nồng độ nền thượng lưu ghi nhận: $\text{BOD}_5 = 3 \div 5\text{ mg/l}$, $\text{COD} = 8{,}01 \div 11{,}2\text{ mg/l}$, $\text{TSS} = 3 \div 4\text{ mg/l}$, $\text{NO}_2^- = 0{,}01\text{ mg/l}$.
+---------------------------------------------------------------------------------+
|          KẾT QUẢ SO SÁNH NỒNG ĐỘ THỰC ĐO VÀ MÔ PHỎNG TẠI VMT05 (MÙA MƯA)        |
+-------------------+--------------------+--------------------+-------------------+
| Chỉ tiêu          | Thực đo (mg/l)     | Mô phỏng (mg/l)    | Sai số tương đối  |
+-------------------+--------------------+--------------------+-------------------+
| BOD5              | 4,20               | 4,45               | + 5,9%            |
| COD               | 10,15              | 10,80              | + 6,4%            |
| TSS               | 12,30              | 11,50              | - 6,5%            |
| NO2-              | 0,021              | 0,020              | - 4,7%            |
+-------------------+--------------------+--------------------+-------------------+

Đánh giá các kịch bản môi trường nước

  • Kịch bản hiện trạng (Năm 2015): Nhờ lưu lượng xả duy trì liên tục từ hồ Sông Quao ($Q \approx 7 \div 13{,}5\text{ m}^3/\text{s}$), khả năng tự làm sạch và pha loãng của dòng nước trong lòng kênh chính đạt hiệu quả cao. Hầu hết các đoạn kênh đều đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột A1 và A2, đáp ứng an toàn cho mục đích cấp nước sinh hoạt sau khi xử lý thông thường.

  • Kịch bản dự báo phát triển (Năm 2020 - KB1, KB2, KB3): Khi nhu cầu dùng nước tăng lên $120\text{ l/người/ngày}$ (đô thị) và $80\text{ l/người/ngày}$ (nông thôn), đồng thời các cơ sở chế biến bún (HT01, HL03), trang trại lợn (HL01) không xây dựng hệ thống xử lý nước thải đạt chuẩn:

    • Nồng độ BOD₅ tại hạ lưu các điểm tiếp nhận (khu vực xã Hàm Liêm, thị trấn Ma Lâm) tăng từ $12\text{ mg/l}$ lên $18 \div 24\text{ mg/l}$ (vượt ngưỡng cột A2, chạm ngưỡng B1).
    • Nồng độ TSS tăng đột biến tại các cửa xả tiêu úng nông nghiệp Hàm Phú (HP01) trong các đợt mưa lớn đầu mùa, cục bộ vượt quá $50\text{ mg/l}$.
    • Tích tụ nitrit ($\text{NO}_2^-$) bắt đầu xuất hiện cục bộ tại các đoạn kênh chảy chậm và kênh nhánh cấp 1.

Đổi mới và đóng góp

  1. Ứng dụng thành công mô hình động học 1D chuyên sâu vào hệ thống kênh tưới hở đa mục tiêu: Khác với các nghiên cứu thủy lực đơn thuần chỉ xét khả năng truyền dẫn lưu lượng tưới tiêu, đồ án đã tích hợp đồng thời cơ chế động lực học dòng chảy và bài toán lan truyền chất ô nhiễm trên mạng lưới kênh dẫn bê tông kết hợp đất dài hơn 90 km.
  2. Lượng hóa chi tiết tải lượng nguồn thải thực địa: Xây dựng cơ sở dữ liệu số hóa hoàn chỉnh về tọa độ VN-2000, lưu lượng phát thải và nồng độ ô nhiễm của 11 nguồn thải điểm lớn (lò bún, bệnh viện, trại heo, mương tiêu đồng) tác động trực tiếp lên hệ thống thủy lợi hồ Sông Quao.
  3. Thiết lập chuỗi liên kết không gian GIS - MIKE 11: Tối ưu hóa quy trình trích xuất hình học từ mô hình số độ cao (ASTER DEM 30m) và bản đồ thủy lợi địa phương 1/10.000 vào Networld Editor, giúp rút ngắn 85% thời gian thiết lập mạng lưới so với phương pháp đo đạc nhập liệu thủ công truyền thống.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Trường hợp ứng dụng thực tế

  • Vận hành hồ chứa và điều tiết xả rửa kênh: Cung cấp công cụ tính toán lưu lượng xả tối thiểu từ hồ Sông Quao nhằm duy trì dòng chảy môi trường và nồng độ pha loãng an toàn cho trạm thu nước thô sinh hoạt của thành phố Phan Thiết.
  • Quy hoạch phân vùng tiếp nhận nước thải: Giúp Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bình Thuận xác định các "điểm nóng" môi trường tại Hàm Trí và Hàm Liêm để áp đặt quy chuẩn xả thải nghiêm ngặt hơn đối với các làng nghề tiểu thủ công nghiệp.
+------------------------------------------------------------------------------------+
|                LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI VÀ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH QUẢN LÝ                     |
+------------------------------------------------------------------------------------+
| [GIAI ĐOẠN 1: 1 - 3 THÁNG]                                                         |
| - Chuyển giao bộ tham số hiệu chỉnh (n = 0.0225 - 0.030) và file mô hình .sim11   |
|   cho Công ty TNHH MTV Khai thác Công trình Thủy lợi Bình Thuận.                  |
|                                                                                    |
| [GIAI ĐOẠN 2: 3 - 6 THÁNG]                                                         |
| - Lắp đặt trạm quan trắc tự động liên tục (Online Telemetry) tại cầu Trung Liêm   |
|   (VMT05) và trạm đầu kênh (VMT07) để đồng bộ hóa dữ liệu biên thời gian thực.     |
|                                                                                    |
| [GIAI ĐOẠN 3: DÀI HẠN]                                                             |
| - Xây dựng hệ thống cảnh báo sớm (Early Warning System) lan truyền sự cố ô nhiễm.  |
+------------------------------------------------------------------------------------+

Phân tích chi phí - lợi ích (Cost-Benefit Analysis)

  • Chi phí triển khai: Tận dụng hạ tầng máy tính hiện hữu, phần mềm tính toán chuyên ngành và nguồn dữ liệu quan trắc định kỳ; chi phí đầu tư thêm chỉ bao gồm kinh phí khảo sát lấy mẫu bổ sung và đào tạo cán bộ kỹ thuật.
  • Hiệu quả kinh tế - xã hội: Giảm thiểu nguy cơ ngừng trệ hoạt động của các nhà máy cấp nước sinh hoạt tại TP. Phan Thiết do sự cố ô nhiễm nguồn nước thô; tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí hóa chất xử lý nước hàng năm nhờ chủ động điều tiết nguồn nước xả sạch từ hồ.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  1. Giả định đồng nhất 1D: Chưa mô phỏng được sự xáo trộn cục bộ và hiện tượng xoáy lắng cặn tại các công trình điều tiết đặc biệt như xi-phông, bậc nước, cầu máng và cửa lấy nước phân lưu.
  2. Mật độ quan trắc thời gian thực: Dữ liệu kiểm định chất lượng nước chỉ tập trung vào chuỗi ngày mùa mưa (tháng 9 – 10/2015); chưa bao quát toàn diện chu kỳ mùa khô hạn khắc nghiệt nhất (tháng 1 – 4) khi lưu lượng dòng chảy giảm thấp.
  3. Mô hình động học phản ứng: Hệ số suy giảm chất ô nhiễm $K$ hiện áp dụng công thức bậc 1 đơn giản hóa, chưa kích hoạt mô đun phức hợp sinh thái động học nước MIKE ECO Lab để tính toán chu trình dinh dưỡng (Nitơ, Phốt pho) và hiện tượng phú dưỡng hóa.

Hướng phát triển đề xuất

  • Nâng cấp ghép nối mô hình 1D (MIKE 11) cho hệ thống kênh dẫn với mô hình 2D thủy động lực học (MIKE 21) cho toàn bộ lòng hồ chứa Sông Quao.
  • Tích hợp mạng lưới cảm biến IoT quan trắc tự động liên tục các chỉ số DO, pH, Độ đục, TSS để tự động cập nhật biên biên phân tích (Data Assimilation).
  • Nghiên cứu mô hình lan truyền chất lượng nước trong điều kiện vận hành đóng mở tự động các cửa cống điều tiết theo thời gian thực (Real-Time Control - RTC).

Đối tượng hưởng lợi

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                             MA TRẬN ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                           |
+-------------------+---------------------------------------------------------------+
| Đối tượng         | Giá trị mang lại cụ thể                                       |
+-------------------+---------------------------------------------------------------+
| Sinh viên /       | - Tài liệu tham khảo chuẩn mực về xây dựng mô hình MIKE 11 HD |
| Học viên          |   kết hợp AD trên mạng kênh hở thực tế.                       |
|                   | - Bộ dữ liệu thực tế về thông số hình học kênh và nguồn thải. |
+-------------------+---------------------------------------------------------------+
| Kỹ sư Môi trường  | - Bộ thông số thủy lực (Hệ số nhám Manning n, hệ số phân tán)  |
| & Thủy lợi        |   đã qua hiệu chỉnh và kiểm định thực tế tại Bình Thuận.      |
|                   | - Phương pháp luận tính toán tải lượng ô nhiễm từ dân sinh.   |
+-------------------+---------------------------------------------------------------+
| Cơ quan Quản lý   | - Cơ sở khoa học để cấp phép xả nước thải vào công trình      |
| Nhà nước          |   thủy lợi theo Luật Tài nguyên Nước.                         |
|                   | - Kịch bản ứng phó sự cố chất lượng nước cho TP. Phan Thiết.  |
+-------------------+---------------------------------------------------------------+
| Đơn vị Vận hành   | - Quy trình điều tiết xả nước tối ưu hóa giữa tưới tiêu nông  |
| Công trình        |   nghiệp và duy trì chất lượng nước sinh hoạt.                |
+-------------------+---------------------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu cấu hình phần cứng và phần mềm để vận hành mô hình này là gì?

Hệ thống yêu cầu máy tính chạy hệ điều hành Windows 7/10/11 (64-bit), RAM tối thiểu 8 GB (khuyến nghị 16 GB để chạy mô phỏng chuỗi thời gian dài), CPU đa nhân từ 2.5 GHz trở lên. Về phần mềm: Bộ công cụ DHI MIKE 11 (hoặc gói MIKE Zero phiên bản 2014 trở lên), phần mềm xử lý dữ liệu không gian QGIS (phiên bản 2.18 hoặc 3.x) hoặc MapInfo Professional 12.0, và Microsoft Excel để xử lý chuỗi số liệu thời gian (.dfs0).

2. Mô hình xử lý điều kiện ổn định số trị như thế nào khi gặp các đoạn kênh có độ dốc lớn hoặc biến đổi mặt cắt đột ngột?

Mô hình kiểm soát tính ổn định số trị thông qua việc kiểm soát số Courant ($Cr \le 10 \div 15$) bằng cách tinh chỉnh linh hoạt bước không gian $\Delta x$ (từ 50 m đến 200 m tùy mức độ phức tạp của lòng dẫn) và bước thời gian $\Delta t$ (chọn từ 10 s đến 30 s). Ngoài ra, hệ số gia trọng ẩn $\theta$ trong sơ đồ sai phân Abbott được đặt trong khoảng $0{,}5 < \theta \le 1{,}0$ (mặc định $\theta = 0{,}65$) nhằm triệt tiêu dao động sóng nhân tạo tại các đoạn chuyển tiếp đáy kênh.

3. Có thể tích hợp dữ liệu từ mô hình MIKE 11 này vào hệ thống thông tin địa lý (GIS) của tỉnh Bình Thuận không?

Hoàn toàn có thể. Kết quả đầu ra từ tệp tin (.res11) của MIKE 11 được xuất sang định dạng bảng dữ liệu hoặc shapefile không gian (.shp). Sau đó, dữ liệu được tải trực tiếp vào cơ sở dữ liệu không gian Geodatabase của QGIS hoặc ArcGIS để nội suy bản đồ chuyên đề đẳng trị nồng độ chất ô nhiễm (BOD₅, COD, TSS) theo từng lớp thời gian phục vụ chỉ đạo trực quan.

4. Chi phí duy trì và cập nhật mô hình định kỳ hàng năm ước tính khoảng bao nhiêu?

Chi phí vận hành mô hình rất thấp do phần lớn dữ liệu đầu vào hình học kênh ít biến động. Kinh phí duy trì chủ yếu phục vụ các đợt đo đạc quan trắc chất lượng nước và lưu lượng định kỳ 2 lần/năm (mùa khô và mùa mưa) với kinh phí ước tính khoảng 50 – 80 triệu VNĐ/năm nhằm phục vụ việc tái hiệu chỉnh bộ tham số mô hình khi có sự thay đổi lớn về phát triển dân sinh ven kênh.

5. Tại sao nồng độ BOD₅ và COD tại các cơ sở chế biến bún (HT01, HL03) lại cao vượt trội và giải pháp xử lý là gì?

Nước thải sản xuất bún thủ công chứa hàm lượng tinh bột lên men và protein hòa tan cực kỳ cao (BOD₅ đạt $220 \div 242\text{ mg/l}$, COD đạt $463{,}5 \div 505{,}1\text{ mg/l}$). Do quy mô hộ gia đình phân tán, các cơ sở này thường xả trực tiếp vào mương tưới tiêu chung mà không có bể biogas hay lắng sinh học. Giải pháp cấp bách là bắt buộc xây dựng hệ thống xử lý nước thải sơ bộ gồm: Bể tuyển nổi tách tinh bột $\to$ Hầm Biogas kỵ khí (UASB mini) $\to$ Bãi lọc ngầm trồng cây trước khi thoát nước ra kênh nhánh.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng mô hình MIKE 11 để đánh giá chất lượng nước hệ thống kênh chính hồ Sông Quao, tỉnh Bình Thuận" đã giải quyết trọn vẹn và toàn diện bài toán đánh giá định lượng diễn biến thủy động lực và chất lượng nước trên tuyến kênh hở huyết mạch của địa phương. Bằng việc làm chủ công cụ mô hình hóa tiên tiến, công trình đã xác lập một phương pháp tiếp cận khoa học, chuẩn xác từ khâu số hóa mạng lưới hình học, thu thập dữ liệu nguồn thải điểm, đến quy trình hiệu chỉnh - kiểm định mô hình số trị đạt độ tin cậy rất cao ($E > 0{,}85; R^2 > 0{,}90$).

Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng trong điều kiện mùa mưa với chế độ dòng chảy điều tiết đầy đủ, chất lượng nước kênh chính vẫn đạt tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt loại A1 – A2 theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Tuy nhiên, các kịch bản dự báo tải lượng đến năm 2020 đã phát đi cảnh báo đỏ về nguy cơ ô nhiễm hữu cơ cục bộ nếu không có các biện pháp can thiệp quyết liệt tại các điểm nóng sản xuất bún và chăn nuôi lợn tại các xã Hàm Liêm, Hàm Trí.

Mô hình MIKE 11 được xây dựng trong đồ án không chỉ là một công trình học thuật xuất sắc mà còn là công cụ hỗ trợ ra quyết định (DSS) có giá trị ứng dụng thực tiễn cao, sẵn sàng chuyển giao cho các cơ quan quản lý tài nguyên nước tại Bình Thuận nhằm bảo vệ vững chắc an ninh nguồn nước cho thành phố Phan Thiết và các vùng phụ cận.