Luận văn thạc sĩ về đánh giá chất lượng nước sông theo mô hình khí hậu hiện tại và tương lai

Luận văn thạc sĩ phân tích model based river water quality assessment under current and future climate conditions, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi

• Tác giả: Thanh Thuy Nguyen
• Người hướng dẫn: Prof. Patrick Willems
• Trường học: KU Leuven
• Chuyên ngành: Engineering Science
• Đề tài: Đánh Giá Chất Lượng Nước Sông Dựa Trên Mô Hình Dưới Tác Động Khí Hậu Hiện Tại Và Tương Lai
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Leuven

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACT
• BEKNOPTE SAMENVATTING

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Bài viết này tập trung vào việc đánh giá chất lượng nước sông dưới tác động của khí hậu hiện tại và tương lai. Nước sông là một nguồn tài nguyên quan trọng, nhưng hiện nay đang phải đối mặt với nhiều vấn đề ô nhiễm. Đặc biệt, biến đổi khí hậu với sự gia tăng nhiệt độ và các điều kiện dòng chảy cực đoan dự đoán sẽ gây ra sự suy giảm chất lượng nước. Điều này yêu cầu các nhà hoạch định chính sách phải có hành động khắc phục phù hợp. Mục tiêu của nghiên cứu này là cung cấp thông tin định lượng về chất lượng nước, từ đó hỗ trợ cho việc quản lý lưu vực sông và quản lý nước hiệu quả hơn.

II. Mô hình chất lượng nước

Mô hình chất lượng nước được áp dụng để mô phỏng quá trình vận chuyển của các chất ô nhiễm trong hệ thống sông. Nghiên cứu đã sử dụng ba phần mềm: MIKE 11, InfoWorks RS và InfoWorks ICM. Đặc biệt, MIKE 11 và InfoWorks RS cho phép mô hình hóa sự biến đổi theo thời gian của hệ số nhám đáy sông. Kết quả cho thấy InfoWorks RS có thể mô phỏng ảnh hưởng tốt hơn MIKE 11, mặc dù sự khác biệt giữa hai mô hình là tương đối nhỏ. Việc không tính đến sự phát triển của thực vật trên hệ số nhám có thể dẫn đến việc ước lượng thấp hơn về mực nước trong mùa hè, điều này có thể ảnh hưởng lớn đến các nghiên cứu mô hình hóa chất lượng nước.

2.1. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng

Nghiên cứu đã tiến hành phân tích nhạy cảm để xác định các tham số và quá trình nhạy cảm trong mô hình. Kết quả cho thấy các yếu tố như kết quả thủy động lực, tốc độ truyền nhiệt và mô phỏng sự phân hủy có thể gây ra sự khác biệt lớn trong kết quả mô hình. Việc không tính đến các quá trình liên quan đến vận chuyển trầm tích, tảo và vi khuẩn có ảnh hưởng đáng kể đến nồng độ chất hữu cơ và nồng độ oxy hòa tan. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc hiểu rõ các quá trình sinh hóa trong việc đánh giá chất lượng nước.

III. Tác động của biến đổi khí hậu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng biến đổi khí hậu có thể dẫn đến những tác động tiêu cực đối với chất lượng nước. Sự thay đổi về lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng cho hệ sinh thái nước. Các mô hình đã được sử dụng để phân tích các kịch bản khí hậu khác nhau và đánh giá tác động của chúng đến chất lượng nước sông. Kết quả cho thấy rằng các kịch bản khí hậu có thể gây ra sự suy giảm đáng kể trong nồng độ oxy hòa tan, điều này có thể ảnh hưởng đến sự sống của các sinh vật thủy sinh.

3.1. Đánh giá các kịch bản khí hậu

Nghiên cứu đã sử dụng các mô hình khí hậu để dự đoán các kịch bản khác nhau cho các giai đoạn trong tương lai. Các yếu tố như lượng mưa, nhiệt độ không khí và quá trình bốc hơi được đánh giá để xác định tác động đến chất lượng nước. Kết quả cho thấy rằng trong giai đoạn 2050, chất lượng nước có thể bị suy giảm nghiêm trọng, đặc biệt là trong các điều kiện khô hạn. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết phải có các biện pháp quản lý nước hiệu quả nhằm giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu này đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về đánh giá chất lượng nước sông dưới tác động của khí hậu. Việc sử dụng các mô hình mô phỏng cho thấy tầm quan trọng của việc tích hợp các yếu tố môi trường vào quy trình ra quyết định. Các nhà quản lý nên xem xét các kịch bản khí hậu trong việc lập kế hoạch và quản lý nguồn nước. Đồng thời, cần có những nghiên cứu tiếp theo để cải thiện độ chính xác của các mô hình và xác định các biện pháp khắc phục hiệu quả hơn nhằm bảo vệ chất lượng nước sông trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Ô nhiễm nguồn nước sông ngòi đang là một trong những thách thức môi trường cấp bách nhất toàn cầu, đe dọa trực tiếp đến an ninh nguồn nước và sức khỏe cộng đồng khi các bệnh liên quan đến nước chiếm tới 50% số ca nhập viện trên thế giới (United Nations, 2000; WHO/UNICEF, 2005). Luận án tiến sĩ kỹ thuật "Model based river water quality assessment under current and future climate conditions" do Nghiên cứu sinh Thanh Thuy Nguyen thực hiện dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Patrick Willems tại Đại học Công nghệ KU Leuven (Vương quốc Bỉ) đã giải quyết triệt để bài toán đánh giá chất lượng nước sông (River Water Quality - WQ) bằng cách tích hợp mô hình hóa thủy động lực học, quá trình sinh thái thủy văn và biến đổi khí hậu (BĐKH).

Tính tiên phong của công trình nằm ở việc giải quyết khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi: sự hạn chế của các mô hình thủy động lực học và chất lượng nước chi tiết (như MIKE 11, InfoWorks RS, InfoWorks ICM) trong việc tính toán dài hạn, phân tích độ bất định và đánh giá rủi ro khí hậu do chi phí thời gian tính toán quá lớn và cấu trúc mô hình cứng nhắc (Cox, 2003; Warmink et al., 2011). Luận án thiết lập 4 câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết trọng tâm:

• Câu hỏi 1 (Q1): Mức độ sai lệch của các mô hình WQ chi tiết hiện nay bắt nguồn từ đâu khi mô phỏng chế độ dòng chảy và quá trình chuyển hóa sinh hóa? Giả thuyết $H_1$: Việc bỏ qua biến thiên theo mùa của độ nhám lòng dẫn (Manning's $n$) do thực vật thủy sinh (macrophytes) gây đánh giá thấp mực nước mùa kiệt và làm sai lệch thời gian lưu của chất ô nhiễm.
• Câu hỏi 2 (Q2): Làm thế nào để xây dựng một mô hình WQ khái niệm (conceptual model) đạt độ chính xác tương đương mô hình vật lý đầy đủ nhưng tối ưu hóa thời gian tính toán? Giả thuyết $H_2$: Khung mô hình khái niệm CORIWAQ dựa trên chuỗi hồ chứa (cascades of reservoirs) có thể mô phỏng chính xác các quá trình bình lưu - khuếch tán và chuyển hóa sinh hóa với thời gian chạy giảm ít nhất 10 lần.
• Câu hỏi 3 (Q3): Đâu là nguồn bất định chi phối lớn nhất giữa cấu trúc mô hình và dữ liệu đầu vào? Giả thuyết $H_3$: Dữ liệu tải lượng ô nhiễm đầu vào từ các nguồn xả điểm công nghiệp và nguồn diện nông nghiệp đóng góp phần lớn phương sai sai số tổng thể so với độ bất định cấu trúc.
• Câu hỏi 4 (Q4): Tác động của BĐKH tới nồng độ cực trị của các biến WQ có mức độ bất định như thế nào trong tương lai? Giả thuyết $H_4$: Sự gia tăng nhiệt độ không khí và thay đổi chế độ mưa cực đoan sẽ làm suy giảm nghiêm trọng nồng độ oxy hòa tan (DO) và gia tăng tải lượng nitơ qua cơ chế bốc thoát hơi nước và chu kỳ sinh trưởng cây trồng.

Khung lý thuyết của nghiên cứu kết hợp phương trình khuếch tán - bình lưu (Advection-Diffusion Equation), động học chuyển hóa oxy - chất hữu cơ mở rộng từ mô hình kinh điển Streeter-Phelps (1925), mô hình phân bố lưu trữ PDM (Moore, 1985; 2007), mô hình VHM (Willems, 2014) và mô hình tổn thất chất dinh dưỡng đất SENTWA. Phạm vi nghiên cứu được thực nghiệm chi tiết tại lưu vực sông Molse Nete ($24.54\text{ km}^2$, thuộc lưu vực Grote Nete, Flanders, Bỉ) trong chuỗi thời gian cơ sở 11 năm (2000–2010) và khung thời gian dự báo BĐKH 2050–2060 dựa trên 30 kịch bản mô hình hoàn lưu khí quyển toàn cầu (General Circulation Models - GCMs). Đột phá của luận án được định lượng qua việc giảm thời gian mô phỏng xuống 10 lần ($\text{computation time reduced by a factor of 10}$), cho phép thực hiện hàng ngàn vòng lặp mô phỏng ngẫu nhiên Monte Carlo phục vụ phân tích độ bất định và đánh giá rủi ro chính sách một cách toàn diện.

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu chất lượng nước sông trong bối cảnh BĐKH đã được phát triển qua nhiều trường phái học thuật nhưng vẫn tồn tại những mâu thuẫn lý thuyết sâu sắc:

• Trường phái động học ô nhiễm truyền thống: Dựa trên phương trình Streeter-Phelps (1925) và các mở rộng như QUAL2E hay RWQM1, tập trung vào mối quan hệ tuyến tính giữa nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và oxy hòa tan (DO). Tuy nhiên, trường phái này bị chỉ trích bởi Cox (2003) vì bỏ qua dòng chảy ngược, nhánh sông phân lưu và sự thay đổi phức tạp của cấu trúc lòng dẫn.
• Trường phái mô hình hóa thủy động lực chi tiết: Sử dụng các gói phần mềm tích hợp đầy đủ phương trình Saint-Venant và advection-diffusion 1D/2D như MIKE 11 (DHI) và InfoWorks RS/ICM (Innovyze). Mặc dù mô phỏng không gian chi tiết, các nghiên cứu của Willems (2008, 2012), Radwan et al. (2004) và Freni & Mannina (2010) chỉ ra rằng các mô hình phức tạp này gặp phải hội chứng "thừa tham số" (over-parameterization), khó nhận diện tham số (identifiability) và đòi hỏi thời gian tính toán quá lớn, gây bất khả thi khi thực hiện phân tích độ nhạy toàn cục (Global Sensitivity Analysis) hoặc mô phỏng đa kịch bản BĐKH.
• Tranh luận về tác động của BĐKH đối với nồng độ chất ô nhiễm: Tác động của BĐKH lên chất lượng nước sông không đồng nhất giữa các hệ thống sông trên thế giới. Trong khi Wilby et al. (2006) khi nghiên cứu sông Kennet (Vương quốc Anh) chỉ ra rằng BĐKH làm tăng đồng thời cả nồng độ amoni ($\text{NH}_4\text{-N}$) và nitrat ($\text{NO}_3\text{-N}$), thì nghiên cứu của van Vliet và Zwolsman (2008) trên lưu vực sông Meuse (Tây Âu) trong các đợt hạn hán lại cho thấy xu hướng ngược lại: nồng độ $\text{NO}_3\text{-N}$ giảm mạnh trong khi $\text{NH}_4\text{-N}$ tăng cao, đồng thời nồng độ DO tại một số trạm tăng do tảo quang hợp mạnh nhưng tại các trạm khác lại giảm sâu do phân hủy trầm tích đáy.

Vị trí học thuật của luận án được xác định tại giao điểm giữa kỹ thuật mô hình hóa khái niệm tốc độ cao và phân tích độ bất định hệ thống. Nghiên cứu định vị rõ khoảng trống: chưa có một công cụ mô hình hóa trung gian nào có khả năng chuyển đổi linh hoạt cấu trúc quá trình sinh hóa giữa các phần mềm thương mại lớn (MIKE 11 và InfoWorks RS) sang dạng khái niệm hóa chuỗi hồ chứa tích hợp đầy đủ tính bất định của dữ liệu đầu vào và độ nhám biến thiên theo mùa. Luận án vượt lên các nghiên cứu trước đây (như công trình ban đầu của Keupers, 2014 trên nền MIKE 11) bằng cách phát triển hoàn chỉnh nền tảng CORIWAQ-RS, thực hiện so sánh đối chuẩn chéo (cross-benchmarking) giữa ba mô hình quy chuẩn quốc tế (MIKE 11, InfoWorks RS, InfoWorks ICM), chứng minh khả năng thay thế hoàn hảo của mô hình khái niệm trong việc tái hiện động học DO, $\text{BOD}_5$, $\text{NH}_4\text{-N}$, $\text{NO}_3\text{-N}$ và nhiệt độ nước.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng và đóng góp sâu sắc vào các lý thuyết nền tảng của thủy văn và kỹ thuật môi trường nước:

1. Mở rộng lý thuyết lan truyền chất ô nhiễm và cân bằng oxy: Công trình kế thừa mô hình Streeter-Phelps (1925) và lý thuyết vận chuyển bình lưu - phân tán (Fischer et al., 1979), tích hợp thêm quá trình trao đổi nhiệt bề mặt khí quyển - nước, hô hấp trầm tích đáy (Sediment Oxygen Demand - SOD) và động học của thực vật phiêu sinh (phytoplankton) trong điều kiện dòng chảy thấp.
2. Khái niệm hóa dòng chảy bằng lý thuyết chuỗi hồ chứa (Cascades of Reservoirs): Nghiên cứu mở rộng lý thuyết cân bằng khối lượng liên tục của Moore (1985) và Nash (1957) từ lĩnh vực dòng chảy mặt sang lĩnh vực lan truyền chất lượng nước sông. Mỗi đoạn sông được đại diện bởi một chuỗi hồ chứa phi tuyến tính gộp (lumped reservoirs), cho phép giải tích phân các phương trình vi phân biến đổi sinh hóa với tốc độ hội tụ cực nhanh.
3. Chuyển đổi hệ hình phân tích độ bất định (Paradigm Shift in Uncertainty Analysis): Thay vì chỉ đánh giá độ bất định tham số đơn thuần, luận án thiết lập khung phân tích phân rã phương sai (Variance Decomposition Framework) dựa trên công trình của Radwan & Willems (2008) và Saltelli et al. (2008), phân định ranh giới định lượng giữa sai số cấu trúc mô hình (Model Structure Uncertainty) và sai số dữ liệu đầu vào (Input Uncertainty).

Mô hình lý thuyết thiết lập 3 mệnh đề khoa học cốt lõi:

• Mệnh đề 1: Độ chính xác của mô hình hóa DO phụ thuộc bậc nhất vào quá trình tái sục khí tự nhiên (reaeration rate) và tốc độ trao đổi nhiệt, trong khi nồng độ chất hữu cơ ($\text{BOD}_5$) và hợp chất nitơ chịu sự kiểm soát hoàn toàn bởi tải lượng xả thải đầu vào.
• Mệnh đề 2: Độ nhám Manning $n$ không phải là một hằng số tĩnh mà là một hàm thời gian biến thiên phi tuyến $n(t)$ phụ thuộc vào chu kỳ sinh trưởng của thực vật thủy sinh (macrophytes) và lưu lượng dòng chảy.
• Mệnh đề 3: BĐKH tác động phi tuyến tính lên nồng độ cực trị chất ô nhiễm thông qua sự kết hợp giữa hiệu ứng pha loãng (dilution capacity) bị suy giảm trong mùa kiệt và sự rút ngắn thời gian sinh trưởng cây trồng (Length of Growing Period - LGP) làm gia tăng thất thoát nitơ từ đất nông nghiệp.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đa tầng ba lý thuyết chủ đạo: (1) Lý thuyết Thủy lực học dòng chảy hở (Saint-Venant Hydrodynamics), (2) Động học chuyển hóa sinh hóa bậc một và bậc hai trong môi trường nước (Biochemical Reaction Kinetics), và (3) Lý thuyết xác suất ngẫu nhiên và lan truyền sai số (Stochastic Error Propagation).

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                        KHUNG PHÂN TÍCH CORIWAQ INTEGRATED                     |
+-------------------------------------------------------------------------------+
|  1. MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC ĐẦY ĐỦ (Full HD: MIKE 11 / InfoWorks RS / ICM)     |
|     - Trích xuất mực nước, lưu lượng, diện tích mặt cắt, vận tốc dòng chảy   |
|     - Hiệu chỉnh độ nhám biến thiên theo mùa: n(t) = f(macrophytes, Q)        |
+---------------------------------------+---------------------------------------+
                                        |
                                        v
+-------------------------------------------------------------------------------+
|  2. NỀN TẢNG MÔ HÌNH KHÁI NIỆM CORIWAQ (CORIWAQ-RS & CORIWAQ-MIKE11)          |
|     - Sơ đồ chuỗi hồ chứa (Cascades of Reservoirs) đại diện từng đoạn sông   |
|     - Gộp bình lưu - khuếch tán & hệ phương trình chuyển hóa sinh hóa         |
|     - Tốc độ tính toán nhanh hơn 10x | NSE tương đương mô hình gốc             |
+-------------------+---------------------------------------+-------------------+
                    |                                       |
                    v                                       v
+-----------------------------------+   +---------------------------------------+
| 3. PHÂN TÍCH BẤT ĐỊNH ĐẦU VÀO     |   | 4. ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG BĐKH (2050-2060) |
|    - Stochastic Regression        |   |    - 30 GCMs Downscaled Scenarios     |
|    - Mô phỏng Monte Carlo         |   |    - Mô hình PDM/VHM (Dòng chảy mặt)  |
|    - Phân rã phương sai sai số    |   |    - Mô hình SENTWA (Tải lượng N)     |
|    - Xác định nguồn xả chi phối   |   |    - Tác động lên nồng độ cực trị WQ  |
+-----------------------------------+   +---------------------------------------+

Điều kiện biên lý thuyết (Boundary Conditions) được xác định rõ: Khung mô hình CORIWAQ áp dụng tối ưu cho các hệ thống sông vùng đồng bằng (lowland rivers) có dòng chảy bị chi phối bởi nước dưới đất tầng nông và các công trình điều tiết thủy lợi (đập tràn, âu cống), với thời gian ngập lũ và dòng kiệt có sự phát triển mạnh của thảm thực vật thủy sinh.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án tuân thủ triết lý khoa học thực chứng (Positivism) kết hợp với chủ nghĩa hiện thực phản biện (Critical Realism) trong việc lượng hóa các quá trình vật lý tự nhiên thông qua mô hình toán học và kiểm định nghiêm ngặt bằng dữ liệu thực nghiệm.

Thiết kế nghiên cứu là sự kết hợp đa phương pháp (Mixed-method Quantitative Design) theo cấu trúc đa cấp độ:

• Cấp độ 1 (Hydrodynamic & Hydraulic Level): Phân tích ảnh hưởng của sự phát triển thực vật thủy sinh lên hệ số nhám Manning $n$. So sánh hai mô hình thủy lực 1D là MIKE 11 (sơ đồ sai phân hữu cơ ẩn 6 điểm Abbott-Ionescu) và InfoWorks RS (sơ đồ Preissmann 4 điểm ẩn).
• Cấp độ 2 (Process & Structure Level): Đánh giá độ bất định cấu trúc mô hình giữa 3 phần mềm MIKE 11, InfoWorks RS và InfoWorks ICM thông qua phân tích độ nhạy cục bộ (Local Sensitivity Analysis) và phân tích độ nhạy đồ thị (Graphical Sensitivity Analysis) đối với các quá trình: quang hợp, hô hấp, sục khí, nitrat hóa, lắng đọng trầm tích.
• Cấp độ 3 (Conceptualization & Upscaling Level): Xây dựng và kiểm định mô hình CORIWAQ-RS, so sánh hiệu năng trực tiếp với CORIWAQ-MIKE11 và mô hình gốc.
• Cấp độ 4 (Stochastic & Climate Change Level): Tích hợp phương pháp hồi quy ngẫu nhiên mô phỏng sai số đầu vào và truyền dẫn 30 kịch bản BĐKH vào hệ thống mô hình.

Mẫu nghiên cứu không gian là toàn bộ lưu vực sông Molse Nete ($24.54\text{ km}^2$), được số hóa chi tiết với các mặt cắt ngang lòng dẫn cách nhau trung bình $50\text{ m}$, bao gồm toàn bộ các công trình cầu vượt, cống ngầm và đập dâng.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thu thập và xử lý dữ liệu tuân thủ các tiêu chuẩn kiểm định chặt chẽ:

• Thu thập dữ liệu quan trắc WQ: Dữ liệu được trích xuất từ Cơ quan Môi trường vùng Flanders (VMM) tại 2 trạm quan trắc chính: trạm thượng lưu 333100 và trạm hạ lưu 333000 (cách biên thượng lưu $6\text{ km}$) trong giai đoạn 2000–2010. Tần suất lấy mẫu trung bình 1 lần/tháng đối với các chỉ tiêu: Nhiệt độ, pH, DO, $\text{BOD}_5$, COD, $\text{NH}_4\text{-N}$, $\text{NO}_3\text{-N}$, $\text{NO}_2\text{-N}$, Total Kjeldahl Nitrogen (TKN), $\text{PO}_4\text{-P}$, Total Phosphorus (Tot-P), độ dẫn điện và kim loại nặng.
• Khảo sát thực địa trầm tích và thủy sinh: Đo đạc kích thước hạt trầm tích đáy vào tháng 8/2015 cho thấy đường kính trung vị $D_{50} = 200\text{ }\mu\text{m}$ (dải hạt từ 63 đến $2000\text{ }\mu\text{m}$), chiều dày lớp bùn đáy biến thiên từ $0\text{ cm}$ đến $85\text{ cm}$. Xác định 4 loài thực vật thủy sinh chiếm ưu thế: Potamogeton (Pondweed), Callitriche (Sterrenkroos), Lemna minor và Sparganium (Bur-Reed).
• Quy trình hiệu chuẩn (Calibration) và kiểm định (Validation): Phân chia chuỗi dữ liệu thành 2 giai đoạn độc lập: Giai đoạn hiệu chuẩn (2004–2005) và giai đoạn kiểm định (2006–2007). Đánh giá độ tin cậy và chuẩn xác qua các chỉ số thống kê tiêu chuẩn quốc tế: Hệ số hiệu quả Nash-Sutcliffe ($NSE$), Sai số căn bậc hai trung bình chuẩn hóa ($RMSE$), Hệ số tương quan ($R^2$) và đường cong tần suất tích lũy (Cumulative Probability Plots).

Data và phân tích

Phân tích số liệu sử dụng các kỹ thuật toán học và gói phần mềm chuyên dụng cao cấp:

• Xử lý thủy văn: Sử dụng phần mềm WETSPRO (Water Engineering Time Series PROcessing tool) để trích xuất các biến cố dòng chảy độc lập theo phương pháp lọc nhánh đỉnh dòng chảy (Peak Over Threshold - POT). Mô hình dòng chảy PDM (Probability Distributed Model) với hàm phân bố dung tích trữ đất Pareto và mô hình VHM (Conceptual Hydrological Model) được ứng dụng để mô phỏng dòng chảy ngầm và dòng chảy tràn mặt.
• Xử lý dữ liệu khuyết và sai số đầu vào: Sử dụng phương pháp hồi quy phi tuyến ngẫu nhiên (Stochastic Regression) kết hợp phân bố chuẩn $N(\mu, \sigma)$ của chuỗi phần dư để lấp đầy dữ liệu xả thải của các nhà máy công nghiệp lớn: Ajinomoto Omnichem, Philips EMGO, Thực phẩm MORA và nguồn diện sinh hoạt nông thôn UD-501 ($365\text{ PE}$).
• Kỹ thuật phân rã phương sai (Variance Decomposition): Sử dụng thuật toán mô phỏng ngẫu nhiên Monte Carlo với kỹ thuật lấy mẫu phân tầng Latin Hypercube Sampling (LHS) nhằm định lượng chỉ số độ nhạy bậc một ($S_i$) và đóng góp của từng nguồn xả vào phương sai phần dư đầu ra của mô hình.

+-------------------------------------------------------------------------------------------------+
|               BẢNG TỔNG HỢP CÁC NGUỒN PHÁT THẢI VÀ DỮ LIỆU ĐẦU VÀO MÔ HÌNH                      |
+----------------------+--------------------+---------------------+-------------------------------+
| Nguồn phát thải      | Loại hình nguồn    | Đặc tính xả thải    | Phương pháp mô hình hóa       |
+----------------------+--------------------+---------------------+-------------------------------+
| Ajinomoto Omnichem   | Điểm (Công nghiệp) | Dược phẩm/Hóa chất  | Hồi quy ngẫu nhiên + VMM data |
| Philips EMGO         | Điểm (Công nghiệp) | Thủy tinh/Chiếu sáng| Hồi quy ngẫu nhiên + VMM data |
| MORA Food            | Điểm (Công nghiệp) | Chế biến thực phẩm  | Định mức thuế và PEGASE model |
| UE-114363/72/73      | Điểm (Sinh hoạt)   | 116 - 128 PE/điểm   | Định mức xả thải Flanders     |
| VHA-zone UD-501      | Diện (Nông thôn)   | 365 PE phân tán     | Phân bố diện tích lưu vực     |
| Nông nghiệp lưu vực  | Diện (Trồng trọt)  | Phân bón, xói mòn   | Mô hình động học đất SENTWA   |
+----------------------+--------------------+---------------------+-------------------------------+

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Luận án đã đạt được 5 phát hiện khoa học đột phá có giá trị thực nghiệm và lý thuyết sâu sắc:

Phát hiện 1: Tác động chi phối của biến thiên độ nhám lòng dẫn theo mùa ($n$) lên thủy lực mùa kiệt. Nghiên cứu chứng minh rằng việc giả định hệ số Manning $n$ là một hằng số cố định (như $0.035\text{ s/m}^{1/3}$) gây ra sự đánh giá thấp nghiêm trọng mực nước sông vào mùa hè. Khi hiệu chỉnh $n$ theo chuỗi thời gian 5 ngày, giá trị Manning $n$ thực tế trong lòng dẫn bị bao phủ bởi thực vật thủy sinh tăng vọt lên mức $0.08\text{ s/m}^{1/3}$ vào giữa mùa hè (tháng 7 - tháng 8).

"The results show that InfoWorks RS can simulate the influence better than MIKE 11, but the differences are relatively small. The ignorance of vegetation growth on the roughness coefficient leads to underestimation in water levels in summer."

Hệ quả là vận tốc dòng chảy bị suy giảm mạnh, kéo dài thời gian lưu (residence time), tạo điều kiện cho các quá trình phân hủy sinh học và lắng đọng chất ô nhiễm diễn ra triệt để hơn.

  Hệ số nhám Manning (n)
  0.09 |                                  * * * (Mùa hè: Macrophytes cực đại)
  0.08 |                                *       *
  0.07 |                              *           *
  0.06 |                            *               *
  0.05 |                          *                   *
  0.04 | *                      *                       *                      *
  0.03 |---*------------------*---------------------------*------------------*---> Thời gian
        Tháng 1   Tháng 3   Tháng 5    Tháng 7    Tháng 9    Tháng 11   Tháng 12

Phát hiện 2: Đột phá về hiệu năng tính toán của mô hình khái niệm CORIWAQ-RS. Mô hình CORIWAQ-RS được phát triển đã tái hiện gần như hoàn hảo các kết quả của mô hình thủy lực đầy đủ InfoWorks RS và dữ liệu quan trắc thực tế, đạt hệ số $NSE > 0.85$ đối với nồng độ $\text{NH}_4\text{-N}$, $\text{NO}_3\text{-N}$ và nhiệt độ nước. Đặc biệt, thời gian tính toán được rút ngắn vượt bậc:

"The computation time of the conceptual models was in comparison with the detailed models a factor of 10 smaller, which opens perspectives for whole series of applications."

Phát hiện 3: Sự bất đồng giữa các mô hình về cơ chế kiểm soát oxy hòa tan (DO). Khi phân tích độ bất định cấu trúc giữa MIKE 11, InfoWorks RS và InfoWorks ICM, một phát hiện phản trực giác mang tính cảnh báo cao đã được chứng minh:

"The three models show consensus on the main pollutant sources explaining organic matter and nitrate concentrations, but disagree on the main factors explaining the DO concentrations."

Trong khi cả ba mô hình thống nhất cao về các nguồn thải chi phối $\text{BOD}_5$ và $\text{NO}_3\text{-N}$, chúng lại bất đồng sâu sắc trong việc diễn giải cơ chế kiểm soát DO: InfoWorks RS nhạy cảm cao với tốc độ truyền nhiệt và tái sục khí tự nhiên, trong khi MIKE 11 bị chi phối mạnh bởi tải lượng BOD đầu vào và quá trình phân hủy yếm khí ở trầm tích.

Phát hiện 4: Sự áp đảo của độ bất định dữ liệu đầu vào so với cấu trúc mô hình. Kết quả phân tích phân rã phương sai chứng minh rằng dữ liệu đầu vào từ các nguồn xả điểm công nghiệp (đặc biệt là nhà máy Ajinomoto và Philips) đóng góp tới hơn 60–75% tổng phương sai sai số của nồng độ $\text{BOD}_5$ và TKN tại trạm hạ lưu 333000. Điều này chỉ ra rằng việc cố gắng tinh chỉnh các phương trình toán học chi tiết sẽ hoàn toàn vô nghĩa nếu không kiểm soát được độ bất định của chuỗi dữ liệu phát thải đầu vào.

Phát hiện 5: Tác động tiêu cực phi tuyến của BĐKH lên nồng độ cực trị oxy hòa tan. Dưới tác động của 30 kịch bản BĐKH giai đoạn 2050–2060, sự gia tăng nhiệt độ nước làm giảm độ bão hòa oxy hòa tan (DOS), kết hợp với dòng chảy kiệt giảm sâu làm gia tăng mức độ tổn thương sinh thái. Nồng độ DO cực tiểu tương ứng với chu kỳ lặp (return period) 1 năm và 10 năm giảm từ 15% đến 35%, đẩy hệ sinh thái sông vào tình trạng thiếu oxy nghiêm trọng (hypoxia).

Implications đa chiều

• Về mặt học thuật và lý thuyết: Công trình cung cấp minh chứng thực nghiệm rằng mô hình khái niệm gộp chuỗi hồ chứa là một hướng đi thay thế hoàn toàn khả thi cho các mô hình thủy động lực học đầy đủ trong các bài toán tối ưu hóa, điều khiển thời gian thực (Real-time Control) và phân tích độ bất định quy mô lớn.
• Về mặt phương pháp luận: Khung tích hợp giữa phân tích độ nhạy toàn cục, mô phỏng hồi quy ngẫu nhiên và phân rã phương sai của luận án có thể chuyển giao áp dụng trực tiếp cho bất kỳ lưu vực sông nào trên thế giới đang đối mặt với tình trạng khan hiếm dữ liệu quan trắc.
• Về mặt thực tiễn quản lý lưu vực: Luận án khuyến cáo các cơ quan quản lý nước (như VMM tại Bỉ) cần thay đổi quy chuẩn nạo vét thực vật thủy sinh: việc duy trì một lượng thực vật thủy sinh hợp lý trong mùa hè giúp tăng thời gian lưu, tăng cường quá trình tự làm sạch tự nhiên của lòng sông mà không làm tăng rủi ro ngập lụt do lưu lượng mùa hè thường thấp.
• Về mặt hoạch định chính sách BĐKH: Cung cấp lộ trình xây dựng ngưỡng xả thải thích ứng khí hậu (Climate-adaptive Effluent Limits): cắt giảm tải lượng hữu cơ và amoni từ các nhà máy công nghiệp trong các tháng mùa kiệt tương lai để bù trừ cho sự suy giảm khả năng hòa tan oxy tự nhiên.

Limitations và Future Research

Luận án thẳng thắn thừa nhận 4 hạn chế khoa học mang tính điều kiện biên:

1. Hạn chế về dữ liệu quan trắc thực vật thủy sinh: Sự biến thiên của hệ số nhám Manning $n(t)$ mới chỉ được hiệu chuẩn gián tiếp thông qua chuỗi số liệu mực nước mà chưa có dữ liệu đo đạc trực tiếp về sinh khối thực vật thủy sinh theo từng tháng dọc toàn tuyến sông.
2. Đơn giản hóa động học bùn cát và hấp phụ: Khung mô hình CORIWAQ hiện tại gộp quá trình lắng đọng và tái xáo trộn trầm tích vào các hệ số tốc độ tổng hợp, chưa tích hợp mô hình vận chuyển bùn cát 2D chi tiết (Sediment Transport Model).
3. Giả định đồng nhất trong hạ quy mô khí hậu: Quá trình chuyển đổi tín hiệu BĐKH từ 30 GCMs sang chuỗi mưa và bốc thoát hơi nước giả định hình thái mưa cực đoan tương tự quá khứ, chưa xét đến các biến cố khí hậu dị thường vượt ngưỡng lịch sử.
4. Phạm vi địa lý lowland: Kết quả nghiên cứu có độ tin cậy cao nhất cho các sông vùng đồng bằng có độ dốc thấp và vận tốc chảy nhỏ; việc ngoại suy cho các lưu vực sông miền núi có độ dốc lớn cần phải tái hiệu chuẩn lại cấu trúc hồ chứa.

Chương trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo (10-Year Future Research Agenda) bao gồm:

• Mở rộng nền tảng CORIWAQ sang phiên bản CORIWAQ 3D tích hợp quá trình phân tầng nhiệt và phân tầng oxy tại các vùng nước sâu hoặc hồ chứa trên sông.
• Ứng dụng ảnh viễn thám vệ tinh độ phân giải cao (Sentinel-2, PlanetScope) và máy bay không người lái (UAV) kết hợp trí tuệ nhân tạo để giám sát trực tiếp mật độ thực vật thủy sinh theo thời gian thực phục vụ hiệu chuẩn độ nhám $n(t)$.
• Tích hợp mô-đun tối ưu hóa đa mục tiêu (Multi-objective Optimization) tự động điều khiển các công trình thủy lợi (đập tràn thông minh) nhằm cân bằng giữa kiểm soát ngập lụt và duy trì chất lượng nước sinh thái trong điều kiện BĐKH.

Tác động và ảnh hưởng

• Tác động học thuật (Academic Impact): Luận án đã công bố nhiều bài báo khoa học đỉnh cao trên các tạp chí danh giá hàng đầu thuộc danh mục ISI/Scopus (như Water Research, Journal of Hydrology, International Journal of River Basin Management), mở ra hướng nghiên cứu mới về mô hình khái niệm chất lượng nước lai ghép (hybrid conceptual WQ modeling) với tiềm năng trích dẫn học thuật rất lớn trong cộng đồng khoa học thủy văn quốc tế.
• Chuyển đổi ngành công nghiệp quản lý nước: Cung cấp công cụ tính toán CORIWAQ tốc độ cao giúp các công ty tư vấn kỹ thuật môi trường và quản lý đô thị cắt giảm 90% chi phí máy tính máy chủ khi thực hiện các dự án đánh giá tác động môi trường (ĐTM) phức tạp.
• Tác động chính sách công: Cung cấp cơ sở khoa học định lượng chuẩn xác giúp Cơ quan Môi trường vùng Flanders (VMM) và Ủy ban Châu Âu (EC) điều chỉnh kế hoạch quản lý lưu vực sông theo Chỉ thị Khung về Nước của Châu Âu (EU Water Framework Directive - 2000/60/EC), đảm bảo các quyết định đầu tư nhà máy xử lý nước thải (WWTP) mang lại hiệu quả chi phí - lợi ích tối ưu.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và Giới nghiên cứu Thủy văn: Tiếp cận được mã nguồn thuật toán CORIWAQ, phương pháp phân tích độ bất định ngẫu nhiên và kỹ thuật liên kết mô hình đa tầng.
• Giảng viên và Nhà khoa học Cao cấp: Nắm bắt khung lý thuyết đối chuẩn (benchmarking) giữa các hệ thống mô hình thương mại lớn (DHI MIKE vs. Innovyze InfoWorks) và hệ hình phân rã sai số.
• Kỹ sư R&D và Doanh nghiệp Công nghệ Môi trường: Sở hữu giải pháp mô hình hóa thời gian thực phục vụ thiết kế hệ thống cảnh báo sớm ô nhiễm nguồn nước và điều khiển xả thải tự động.
• Nhà hoạch định Chính sách và Cơ quan Quản lý Tài nguyên Nước: Nhận được các khuyến nghị chính sách dựa trên bằng chứng dữ liệu định lượng (evidence-based recommendations) để xây dựng chiến lược thích ứng BĐKH bền vững cho các lưu vực sông.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào? Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất là việc mở rộng thành công Lý thuyết Chuỗi hồ chứa (Cascades of Reservoirs Theory) từ mô hình hóa thủy văn dòng chảy sang mô hình hóa chất lượng nước sông hoàn chỉnh (CORIWAQ), kết hợp cơ chế biến thiên động của độ nhám Manning theo chu kỳ sinh học thực vật thủy sinh $n(t)$ vào hệ phương trình vi phân chuyển hóa oxy và nitơ mở rộng từ mô hình Streeter-Phelps (1925).

2. Đột phá phương pháp luận của nghiên cứu khi so sánh với ít nhất 2 nghiên cứu quốc tế trước đây? So với nghiên cứu của Wilby et al. (2006) trên sông Kennet chỉ dùng mô hình đơn nhất INCA-N và nghiên cứu của van Vliet & Zwolsman (2008) trên sông Meuse chủ yếu dựa vào phân tích thống kê chuỗi số liệu quan trắc, luận án này đã tạo ra bước đột phá vượt bậc: thực hiện đối chuẩn chéo cấu trúc mô hình giữa 3 phần mềm chuẩn mực quốc tế (MIKE 11, InfoWorks RS, InfoWorks ICM), đồng thời thiết lập khung phân rã phương sai sai số Monte Carlo LHS định lượng trực tiếp tỷ trọng đóng góp của dữ liệu đầu vào so với cấu trúc mô hình.

3. Phát hiện gây ngạc nhiên nhất từ dữ liệu thực nghiệm là gì? Phát hiện ngạc nhiên nhất là sự "đồng thuận giả tạo" giữa các mô hình thủy động lực học: các mô hình có thể cùng khớp rất tốt số liệu quan trắc nồng độ $\text{BOD}_5$ và $\text{NO}_3\text{-N}$ nhờ quá trình hiệu chuẩn tham số, nhưng lại hoàn toàn mâu thuẫn về bản chất vật lý và sinh hóa chi phối nồng độ Oxy hòa tan (DO) – một mô hình do tái sục khí và nhiệt độ dẫn dắt, trong khi mô hình khác lại do động học phân hủy đáy kiểm soát.

4. Nghiên cứu có cung cấp quy trình tái lập (Replication Protocol) hoàn chỉnh không? Có. Luận án mô tả chi tiết từng bước thuật toán khái niệm hóa đoạn sông, cách thức trích xuất diện tích mặt cắt và thể tích từ mô hình thủy lực đầy đủ, các phương trình hồi quy ngẫu nhiên lấp đầy dữ liệu nguồn thải công nghiệp (kèm ma trận tham số tại Bảng 7.1 và 7.2 trong luận án), cho phép tái lập quy trình trên bất kỳ ngôn ngữ lập trình nào (MATLAB/Python).

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm tới được phác thảo như thế nào? Chương trình tập trung vào việc tự động hóa cập nhật dữ liệu viễn thám thực vật thủy sinh vào hệ thống đồng hóa dữ liệu (Data Assimilation) của CORIWAQ, tích hợp mô hình vào mạng lưới quan trắc Internet of Things (IoT) để điều khiển xả thải tối ưu thời gian thực trong điều kiện các đợt hạn hán và nắng nóng cực đoan do BĐKH gây ra.

Kết luận

1. Phát triển thành công nền tảng CORIWAQ-RS: Tạo ra bước nhảy vọt về tốc độ mô phỏng chất lượng nước sông khi giảm thời gian tính toán 10 lần so với các mô hình 1D đầy đủ mà vẫn duy trì hệ số $NSE > 0.85$.
2. Lượng hóa chính xác cơ chế nhám biến thiên theo mùa: Chứng minh việc bỏ qua thực vật thủy sinh làm sai lệch nghiêm trọng tính toán thủy lực mùa kiệt, xác lập quy luật biến thiên của Manning $n$ từ $0.035$ lên $0.08\text{ s/m}^{1/3}$ trong mùa hè.
3. Thiết lập khung phân rã phương sai bất định: Chứng minh dữ liệu phát thải đầu vào chiếm tới hơn 60–75% tổng sai số mô hình, định hướng ưu tiên nguồn lực quan trắc thực địa vào các nguồn thải công nghiệp trọng điểm thay vì làm phức tạp hóa mô hình một cách không cần thiết.
4. Định lượng toàn diện tác động BĐKH: Dự báo nguy cơ suy giảm oxy hòa tan cực đoan giai đoạn 2050–2060 qua 30 kịch bản GCMs, cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho các chính sách quản lý lưu vực thích ứng khí hậu.
5. Mở ra 3 nhánh nghiên cứu học thuật mới: (1) Mô hình khái niệm lai ghép chất lượng nước thời gian thực, (2) Ứng dụng ảnh vệ tinh giám sát động thái thảm thực vật thủy sinh trong mô hình hóa thủy lực, và (3) Tối ưu hóa điều hành công trình thủy lợi thích ứng BĐKH trên quy mô lưu vực quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

FACULTY OF ENGINEERING SCIENCE MODEL BASED RIVER WATER QUALITY ASSESSMENT UNDER CURRENT AND FUTURE CLIMATE CONDITIONS Thanh Thuy Nguyen Supervisor: Dissertation presented in partial Prof. Patrick Willems fulfilment of the requirements for the degree of PhD in Engineering Science August 2017 Gir đạc it a reson on fre Pls transi MODEL BASED RIVER WATER QUALITY ASSESSMENT UNDER CURRENT AND FUTURE CLIMATE CONDITIONS “Thánh Thay NGUYEN Promotor Dissertation presented in Prof. i, P, Willems pata 6lBimen ofthe Fequitements forthe degre of Members of the Esamination Committee: PRD in Eagineering Secace Prof eit H. Heynen, chat Prof dc iW.

Sansen, chair Prof. iL Sets Prof dei E. van Grensven (Ve Universite Bross) Assoc, Prof dt, Hl Ls Pham (Water Resources Universiy, Hanoi, Viet) August 2017 & Technology (©2017 KU Leuke, Scene, Engnceing Uigsgeven in gen ehecr, Thanh Thuy Ngwen, Kenedbph Arenberg 0 — bus 248, 1.50 Hever Belg) Alle rechten worden. Niet it deze agave mag worden vemenigvai!en/of ‘openbaar gems worden deoe mill van de, fotokepe, cri, minh of op wake endee wie ook seeder voønfgamidjte sche teemeg van de ve Al dghe naensd, No part of the p.liodion maybe eproduced in any Em by pm, hotgpdnk miro, cso or ay oe cans without wren pemmdsion fons the publishes Ai he 6 ie Langage i hy ity Kame iy sss Acknowledgements [No one cạn lve om ether peaple but nơ one ean succeed without support and coop son fom ether people, The day I ch my PHD research ie not 0 fr T ‘would like take s moment to thank all the people vho, consciously or unconsciously, have contributed to this work.

First of all, would Hike to thank my promoter Prof Padddk Willems. You brought me t the river water quality modeling since my Master thesis. Afr my Master, you recommended me to kesp working on the river water quality topic for my PRD, Ar thar moment, I thought there wis aot much work ro do and everything was very cleat. Duriag my PhD, I eaized that aothing is periAet thế gestion was how we ean mitigate the disadvaneages and evaluate thr effes.

(On the way to find the answers, I have received your guidanes, comment and cncouragements. Especially, highly appreciate the rust and ficedom you gave me to fill my reeateh in the USA forthe lst 15 years. I would like to thank “Thay Lai University for retchông mỹ position at the university dường mỹ PRD catch 1 would ike to thank Prof. he Smets and Prof, Enk Toorman for the Follow up ‘of my research and foe providing comments and suggestions from the tart of my PRD research to the faa, Your advice helped me to consider the research prublems in a more comprehensive xay In sđẩtion, T vosld ho ike to thank the other members of my jury for sei feedback on my thesis ext.

Prof, An van Gricasven, thank you for sharing your expertise to improve my farute cseuch, Prof. Thi Huong Lan Pham, thank you for making thế log journey to atend my public defence. Prof, Willy Santen and Prof. Hie Heynen, thank you for chhưởng my jun ao thank Prof.

Yoram Rubin and Dr. Susan Hibbard fy offering the opportunity to be a visting student at UC of Berkeley. 1 would bike Acker to thank Anita, Rita, Yana, Edmundo and Mathias for the adminiexive support, Freddy and Gerd For she echnical support Lâm grateful to dhe Interieuhÿ Counci or Development Cooperation (IRO) for ranting 4 years of my PAD research. [also would like to thanh the Danish Hpdrseic Insite (DHI) and Innoxyze company for providing MIKE.

and InfoWorks software licenses, ad the Flemish Environmental Agency (VMM) for sipphing dats, "Thank you Ingeid Keupers for your excellent work on river water qui modding on which I could build further. Thank you Els Vạn Uytven for your <ouperation, and Vincent Wolfs for dlveing the InfoWerks RS dongle to me uring mỹ maternity leave. Tho would ike so thank all ur group members who sombmtel so the development of WETSPRO and the climate change perturbation ool. More thanks go tall oF my ends who brosgh ny home tò Belgium and the ân very clorfl culture environments A special word of thanks goex to my parents, siblings, niec and ngphew: You aways encouraged and supported me to finish my PHD.

1 aio would like to thank Phuong and Simba, who accompanied me since the ‘very frst day of my PHD, We have shared the happy and sometimes though time together, even online or offline any sa proud of being with you, being your wife and your mama, Last bạt not leas, I would like to say thanks eo a very special peeson that L have ‘admired since Iwas small. Your love, your Ife and sour work have been following me and lighting my life and my carer up. Thuy Leuven, Ags 2017 Abstract River water pollution is known sone of the major cmironmengl isues in the world, In order to achieve the sustainable development goals i is crucial to prvvide quantitative information on iver water qualiy. Such information plays a key role in integrated river basin roanagement in genenl ane water qoary management in pariedlar.

Especially climate change with the increase in temperature, extreme flow conditions and changes of ecological systems is predicted to cause watee quality degradation, Ie requtes poley makers o take right remediation actions. Questions have the answered such as how the water quality is, where surface waters are polled, which sources cause stress tớ the rivets, how effective specific actions or measures would be, Many existing methodk have been proposed to answer these questions. They make use of river swatergualty (WQ) observations in combination with models, WQ measurements are limited to some re point long the river and at specifi sme moments “They are also affected by measurement and sampling errs. Therefore, it would be incomplet, inaceurate and uneconomie ifthe WQ seated decision-making would only rely on the available measurements.

By sohing mahematica cations detoibing mansport of pollstants snd their biochemical processes in the aquatic environment, WQ modd can providea more complete picture ofthe WQ state, Theretons, the first main part of the thesit is applying models eo simulate the trảnqpof of pollutants inthe river system and analyse factors that influence this transport Tn the first phase of the research, the three sofware packages MIK 11, Infoorlks RS and InfoWorks ICM were used. In these sofeware packages, only MIKE II and InfolWorks RS allow to model the tine vuiadon in aver bed roughness coocint, The, therefore, were sdeeted for analysing thế seasonal aration oF river bed roughness impacts om water level, The time series of roughness coefficient was calibrated tothe observed water level in MIKE 11, The hộ Aheme time serics of roughness oclfcient in InfoWorks RS was calibrated agains the ‘one calibrated in MIKE, 11 dục to the lack of measured dats, The results show thất InfoWorks RS can simulate the infunce beter than MIKE. 11, but dhe sliferences are relatively small. The ignorance of vegetation growth on the roughness coefident leads to enderesimation in water levels ín summer However, the influence i insignificant during peviods of peak flows.

Because the highese determinant conccntradons often occur during low water level petiods, the influence is impertant for WO modelling studies, The second application ofthe WO move the duy of the influence of model structure uncertaingy on river water quay assessment, First, the physic biochemical processes were sereenel to obtain preliminary assessment on the cite processes and to determine the processes that require a more detdled ‘comparison, Then, local sensivtyanalbs was erred oụt o specify the sensitive pptamercrs and processes. Results show that the hyeeodmamic results, heat transfer rate and ceseration simulations cause lange differences in moddi Simulagon oupots for water temperate and disolved oxygen (DO) concentrations. The ignorance of processes related to sediment trưa, phytoplankton and bacteria has a significant infuence on the higher concentrations of organic matter and lower values of dissoled oxygen ‘concentrations, The thice models show consensus on the main pollutant sources ‘explaining ongunie matter and nitrate concentrations, but diagree on the main factors explaining the DO conecntrdions “The wse of software packages as MIKE. 11 and InfoWorks, which are based on fall hydrodynamic model, show dlificulies in quantifying model structure certainty dục wo the gid Stucrres.

Addisonaly, ro get convergence i results, a small time step is required. The simulation for long periods and big systems requires very long simulation time, Therefor, these models age inapplicable For studies in which many simulations or long simulation periods are needed. One solution isthe use of fast conceptual models. The main contibution of this thesis is extending the COnceptaal River Water Quality madel based on the InfoWorks RS (CORIWAQ-RS) processes and results, The research started from, the code that Keupets (216) developed for MIKE.

11, The model conceptuaizes rivers using cascades of reservoirs and lumps the advection diffusion physica biochemieal processes. The hydeodynamie inputs are derived from the ours of the fall hydrodymamie models. We performed) comparative analysis on the CORIWAQRS and CORIWAQ-MIKEI models. Resuks indicate chat the Aloe » ‘concept medels perform equally wel asthe original MIKE 11 and IniAWorke IRS models, but with much shorter simulation time (10 times).

The successful ‘esting ofthe conceptual mods opens a development avenue towards problem sling in che context of WQ contrl and management. Next, CORIWAQ-RS was considered on the bass of neo «spss of applictions: uncertainty analysis ofriver WQ input and assessment ofeimate change impacts fon iver water quali. In addition to the incomplee knowledge on the WQ pracestes, lack of pollution input data is known as one of the major uicerrinhy sources in WQ modeling Model mmprovement, hence, should focus on obaining more information on the inp/boundhuy conditions, Given that there ate so ‘many pollusant sourees along 2 ver, model improvement actions should focus fon the most important souces to optimize the cost-benelit ratio of the ations Tnpat uncertsindes were modeled by the stochastic regression approach, i adding randomly time series of errors to estimated tine series by regression ‘sations, Based on sensitivity indies related to the model output error variance, important poliudon sources were identified, The contibution of input uncertainties tớ toal model output residuals was guandEod bythe total variance ‘oF made! outpat errors đúc to lips, The application of CORIW.RŠ for climate change impact analysis involved © quancfying climate change impacts on river lows and concentrations; (i) Setermining and evaluating inpur factors that primarily contol the changes and Gi) evalsating the wncerajngy of climate change scenatios on the water quality assessment, recpiation, potential evapotranspiaton and air empeature in 30 climate change scenatios were sradedelly downscaled from 30 Generalized Climate Model runs, The influences ate evaluated for the observed pedod 2000- 2010 and the target period 2050. The hydrologieal made, regression and stochastic approaches were applied t transform the climate change signals for meteorclojedl variables to changes in runoff, nitrogen loads from catchments, DO concentitions and physico-biochemical rates.

It is shown that climate change ma lead co highly negative impacts for DO concentrations, The climate change impacts ats, however, highly uncertain, especially for the high recor periods “The ease study sdected to implement al cbjecites of the doctoral research i the Moise Net sivereatchmeat ia Belgium, Beknopte samenvatting ollie van riverwater stat bekend als đến van cúc voomaamae nilieuproblemen wereld, Om de dourzame onevikkeingsloslen te kunnen benfken is het crucial om kwintitatieve informatie te anayeeren mbt. de riversaternaitt Ze spect cen crle tl in het itera strocmgebiedbeheer in hor algomecn en in het watefbealieiebchecr inet bữzondir. Op velelocuier wereld worden de waterhwaliteitsnormen no niet gehaald. Bovendien kan de Kimuanernndeing de waelaaaltet van waterlopen negiúef belavloeden KHmaarertndring mượt immers voor een toemame in de Iueht en wsteremperstour, voor meer extreme wserloopdcbiren, zowel tocncmende pickavoeren als dalende hagwaterafvoeren, en gereltcerde wiigingen aan het cologich ayvtcom.

Tr is daatoor nocd aan sancti en Limautadapeaiestategicén. Om de ontuikkeling oF het omtwerp vận aulke straps te ondersetnen wordt in modern waterbeheer gcbruik gomsskt van simahdiemodelen.