CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 1.Tổng quan tình hình nghiên cứu mô hình chất lượng nước 1.Tình hình nghiên cứu ngoài nước Có nhiều nghiên cứu về khả năng tự làm sạch của các sông nhờ các yếu tố động lực học, sinh học. và về quá trình pha loãng, chuyển hoá các chất ô nhiễm trong sông hồ. Các mô hình chất lượng nước được phát triển từ đầu thế kỷ thứ XX. Hiện nay các mô hình chất lượng nước tập trung vào các vấn đề kiểm soát độc tố và sinh thái chất lượng nước.
Đối với nhiều nước như Hoa Kỳ, Hà Lan, Đức, Đan Mạch, Ấn độ, Trung quốc,. vấn đề ô nhiễm và xử lý nước thải bảo vệ các lưu vực sông được nghiên cứu nhiều. Các vấn đề ô nhiễm sông được nghiên cứu dựa vào việc đánh giá khả năng tự làm sạch để từ đó thiết lập các mô hình kiểm soát chất lượng nước sông. Một số mô hình kiểm soát chất lượng nước sông vùng đồng bằng thuộc các đề án của Ngân hàng Thế giới (WB) là các mô hình MIKE11 của Viện Thuỷ lực Đan Mạch để quản lý chất lượng nước sông Yangtze và sông Chang Jialing (Trung Quốc) năm 1998, mô hình DIVAST của Binnie&Parttners dùng để kiểm soát ô nhiễm việc xả nước thải 2 triệu m3/ngày ra vịnh Bombay (Ấn Độ), các mô hình QUAL 2E, QUAL2E-UNCAS và WASP4 của Cục Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ để quản lý chất lượng nước sông ở nhiều nơi trên thế giới.
Dựa vào các mô hình chất lượng nước có thể xác định được ngưỡng chịu tải các đoạn sông. Tuy nhiên, độ tin cậy của các mô hình phụ thuộc vào việc hiệu chỉnh và kiểm chuẩn trên cơ sở các số liệu thu thập, khảo sát tại hiện trường. Tình hình nghiên cứu trong nước Lưu vực sông Cầu là lưu vực quan trọng nhất trong hệ thống sông Thái Bình, có vị trí địa lý đặc biệt, đa dạng và phong phú về tài nguyên cũng như về lịch sử phát triển kinh tế - xã hội. Tuy nhiên, trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội, trong đó đặc biệt là các hoạt động công nghiệp, hoạt động sinh hoạt và hoạt động của các làng nghề… trên toàn bộ lưu vực đã tạo nên những tác động hết sức sâu sắc 6 đến nguồn nước, môi trường cảnh quan lưu vực sông Cầu, vì vậy cần phải có những giải pháp tổng hợp để quản lý và sử dụng hợp lý tài nguyên nước.
Công cụ hữu hiệu để giải quyết tổng hợp vấn đề quy hoạch nguồn thải và xử lý ô nhiễm nước là các mô hình chất lượng nước. Các mô hình MIKE 11, mô hình QUAL 2E, mô hình WASP đã bắt đầu được ứng dụng để nghiên cứu quản lý chất lượng nước sông Hồng, sông Đồng Nai, sông Cầu,. Mô hình MIKE 11 với những mô đun riêng biệt trong đó có mô đun dự báo với chức năng tự động cập nhật sai số. Mô hình cũng có các ứng dụng vận hành hồ chứa, điều khiển công trình, kiểm soát lũ nên đây là mô hình được sử dụng để dự báo tác nghiệp.
MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng để tính toán thuỷ văn, thuỷ lực và dự báo lũ hệ thống sông. Mô đun thuỷ văn (NAM) dùng cho tính toán dự báo thuỷ văn cho các trạm thượng nguồn. Mô đun thuỷ lực (HD) là phần trung tâm và là cơ sở cho hầu hết các mô đun như: dự báo lũ, tính toán vận hành các công trình thuỷ lợi, tính toán chất lượng nước, vận chuyển bùn cát diễn biến lòng sông. Các công trình nghiên cứu khoa học nói trên, là những tài liệu rất hữu ích cho nhiệm vụ đặt ra, nó cung cấp cho luận văn tổng quan về những công trình đã nghiên cứu, những luận chứng khoa học, những số liệu về chất lượng nước sông và diễn biến chất lượng nước sông Cầu trong nhiều năm qua.
Tuy nhiên, chưa có công trình nghiên cứu cụ thể nào đánh giá và dự báo về mức độ ô nhiễm trên toàn lưu vực sông Cầu trong những năm tiếp theo, vì vậy luận văn sẽ tập trung nghiên cứu và ứng dụng mô hình toán MIKE 11 để đánh giá chất lượng nước sông Cầu và đề xuất các giải pháp tổng hợp, làm cơ sở cho các nhà quản lý có chính sách phù hợp nhằm bảo vệ môi trường và phát triển bền vững trên toàn lưu vực trong tương lai. Tổng quan điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu 1. Vị trí địa lý Sông Cầu là dòng lớn của hệ thống sông Thái Bình, bắt nguồn từ vùng núi Phia Đeng (1527m) sườn Đông Nam của dãy Pia – bi – óc/Bắc Kạn, Cao Bằng. 7 Dòng chính sông Cầu chảy qua các tỉnh Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh rồi đổ vào sông Thái Bình tại Phả Lại.
Ngoài ra còn có nhiều phụ lưu (sông Công, Nghinh tường, sông Đu, Cà Lồ…nằm gọn trong địa bàn 6 tỉnh Bắc Kạn, Bắc Giang, Bắc Ninh, Thái Nguyên, Hải Dương, Vĩnh Phúc và một phần của Hà Nội). Lưu vực sông Cầu nằm trong phạm vi toạ độ địa lý: 21 007’ – 220 18’ vĩ bắc, 1050 28’ – 1060 08’ kinh đông, có tổng diện tích lưu vực là 10530 Km2, bao gồm toàn bộ hay phần lãnh thổ 6 tỉnh và 2 huyện thuộc Hà Nội, (trong đó chính lưu sông Cầu có chiều dài là 288 km và diện tích lưu vực là 6030 Km2. Các phụ lưu có tổng chiều dài là 1332 km và diện tích lưu vực là 3535km2). Địa hình Lưu vực sông Cầu được bao bọc bởi cánh cung sông Gâm ở phía Tây và cánh cung Ngân Sơn ở phía đông.
Ở phía Bắc và Tây bắc có những đỉnh núi cao trên 1000 m (Hoa sen 1525m, Phia Đeng1527m, Pianon 1125m). Ở phía Đông có cánh cung Ngân Sơn với những đỉnh núi cao trên 700 m (Cóc Xe 1131m, Lung Giang 785m, Khao Khiên 1107m) Phía Tây có dãy Tam Đảo, có đỉnh Tam Đảo cao 1592m, chạy theo hướng Tây Bắc – Đông Nam. Nhìn chung địa hình lưu vực thấp dần theo hướng Tây Bắc – Đông Nam và có thể chia ra làm 3 vùng: Thượng lưu, trung lưu và hạ lưu. Vùng thượng lưu từ đầu nguồn đến Chợ Mới, cao trung bình 300 – 400m, có những đỉnh núi cao 1326 – 1525m, vùng trung lưu từ Chợ Mới đến thành phố Thái Nguyên, có độ cao trung bình 100 – 200m, hạ lưu từ thác Huống (Thái Nguyên) đến Phả Lại (Hải Dương) phần lớn có địa hình bằng phẳng, độ cao khoảng 10 – 25m.1: Bản đồ lưu vực sông Cầu 9 1.
Thổ nhưỡng Trong lưu vực có những nhóm đất chính dưới đây: - Nhóm đất feralit đỏ vàng phát triển trên đá phiến thạch và biến chất. Đây là nhóm đất tốt, thuận lợi cho sản xuất lâm nghiệp, nhưng trên một nửa diện tích của nhóm đất này có tầng dày không quá 50 cm. - Nhóm đất feralit đỏ vàng phát triển trên đá macma axit, phân bổ tập trung ở suờn một dãy núi nằm ở phía tây và nam lưu vực, độ dày tầng đất vào loại trung bình hoặc mỏng. - Nhóm đất phát triển trên đá kiềm ( đá vôi, đá bazic).
Loại đất phát triển trên đá vôi (như ở huyện Bạch Thông), đất tốt, thích hợp cho cây trồng nông nghiệp ngắn ngày, giàu chất dinh dưỡng, độ dày thường sâu, thuận tiện cho cây trồng công nghiệp. - Nhóm đất phát triển trên phù sa cổ, tập trung ở phần hạ lưu, đất có tầng sâu dày, nhưng đã bạc màu tập chung ở các huyện Hiệp Hoà, Việt Yên, Sóc Sơn…canh tác nông nghiệp tốt. - Nhóm đất trồng lúa phân bố ở các huyện Vĩnh Lạc, Tiên Sơn, Quế Võ, Yên Dũng, thành phần cơ giới đất thịt nhẹ hay trung bình, dinh dưỡng khá. Thảm phủ thực vật Trong lưu vực có một số loại rừng sau đây: - Rừng kín thường xanh mưa ẩm á nhiệt đới, phân bố ở độ cao dưới 700 m và trên 700 m.
- Ở vùng đồng bằng và trung du còn có những cây trồng nông lâm nghiệp ngắn ngày hay dài ngày. Theo số liệu điều tra của Bộ Lâm nghiệp, diện tích đất trồng rừng ở tỉnh Thái Nguyên và Bắc Kạn bằng 130658 ha, chiếm 20,2% diện tích lãnh thổ, trong đó rừng chiếm 19,1%. Ở tỉnh Vĩnh Phúc diện tích đất có rừng chiếm 23,4% và tỉnh Bắc Giang và Bắc Ninh chiếm 12,6%. 10 Theo số liệu thống kê, diện tích rừng tự nhiên của các tỉnh Thái Nguyên, Vĩnh Phúc và Bắc Giang tương ứng như sau: 126.
Diện tích rừng trồng của 3 tỉnh nói trên tương ứng bằng 3. Song diện tích rừng bị tàn phá hàng năm cũng khá lớn: thí dụ, năm 1992 ở Bắc Thái diện tích rừng bị tàn phá là 2. Rừng bị khai thác bừa bãi và đốt phá làm nương rẫy ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh thái, đất bị xói mòn, thoái hoá, nước bị cạn kiệt và lũ lụt khốc liệt hơn, gia tăng nhiều trong các năm 1999, 2000, 2001. Mạng lưới sông suối Mạng lưới sông suối trong lưu vực sông Cầu tương đối dày, mật độ mạng lưới sông (độ dài sông trên một đơn vị diện tích) trong lưu vực biến đổi trong một phạm vi 0,7 – 1,2 km/km2.
Các nhánh sông chính phân bố tương đối đồng đều dọc theo dòng chính, nhưng các sông nhánh tương đối lớn đều nằm ở phía hữu ngạn lưu vực như các sông: Chợ Thu, Đu, Công, Cà Lồ… Trong toàn lưu vực có 68 sông, suối có độ dài từ 10km trở lên với tổng chiều dài 1620 km, trong đó có 13 sông suối có độ dài từ 15km trở lên và 20 sông suối có diện tích lưu vực lớn hơn 100 km 2. Một số đặc trưng hình thái của lưu vực sông Cầu. Một số sông nhánh tương đối lớn. Cụ thể như sau: * Sông Chu bắt nguồn từ xã Bảo Linh huyện Định Hoá, chảy theo hướng Tây Bắc – Đông Nam đến xã Linh Thông lại chuyển hướng Tây Nam – Đông Bắc chảy qua thị trấn chợ Chu, sau đó từ Tân Dương lại chuyển hướng Tây Bắc – Đông Nam để chảy vào sông Cầu tại Chợ Mới.
Ở hạ lưu thị trấn chợ Chu có thêm sông nhánh tương đối lớn đổ vào sông Khương (F = 108km2), sông Chu có diện tích lưu vực (F = 437km2). Từ nguồn đến cửa sông Đu dài 36,5km, độ cao trung bình 206m, độ dốc 16,2%, mật độ lưới sông 1,30 km/km 2. * Sông Nghinh Tường bắt nguồn từ độ cao 550m tại xã Yên Cư huyện Phú Lương, chảy theo hướng Tây Bắc – Đông Nam đến xã Cúc Đường huyện Võ Nhai rồi chuyển hướng Đông Nam – Tây Bắc và đổ vào bờ trái sông Cầu tại thượng lưu 11 Lang Hít. Sông Nghinh Tường dài 46km, độ cao trung bình lưu vực 290m, độ dốc 12.9%, mật độ lưới sông 1.05 km/km2, diện tích lưu vực 465 km2.