MỞ ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ngày nay dẫn tới sự phát triển nhanh chóng của sản xuất hàng hóa và quá trình đô thị hóa trên thế giới. Quá trình phát triển kinh tế xã hội một mặt không ngừng tạo ra các vấn đề về suy thoái môi trường toàn cầu, đặc biệt ở các nước đang phát triển. Vì vậy, việc bảo vệ môi trường đang trở thành một vấn đề bức thiết của toàn xã hội. Trong đó, vấn đề bảo vệ môi trường nước chiếm một vị trí quan trọng.
Lưu vực sông Cầu là một trong những lưu vực sông chính và quan trọng nhất trong hệ thống sông Thái Bình, có diện tích lưu vực khoảng 6.030 km2, với chiều dài lưu vực trên 288 km bao gồm toàn bộ hay một phần lãnh thổ của các tỉnh: Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Ninh, Bắc Giang, Vĩnh Phúc, Hải Dương và Hà Nội. Trong đó vị trí của tỉnh Thái Nguyên đối với khu vực này tương đối quan trọng. Thái Nguyên là tỉnh có khu gang thép đầu tiên của cả nước và là địa phương có nhiều cơ sở công nghiệp quan trọng. Mặc khác, trong xu thế phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh trong những năm gần đây, dưới tác động của các yếu tố tự nhiên và hoạt động của con người, môi trường nước LVS Cầu đoạn chảy qua tỉnh đang dần có hiện tượng ô nhiễm nguồn nước, nhiều vấn đề môi trường đã và đang diễn ra rất phức tạp.
Chất lượng nước ở đoạn sông chịu tác động nhiều từ các hoạt động của con người. Do vậy, để có cơ sở đề xuất các giải pháp quản lý, giải pháp kỹ thuật nhằm bảo vệ chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua địa bàn tỉnh Thái Nguyên, phục vụ an toàn cho cấp nước đồng thời phục vụ cho các mục đích phát triển bền vững trên toàn lưu vực cần phải áp dụng nhiều phương pháp khác nhau như mô hình hóa và kết hợp với đo đạc thực địa để lấy số liệu. Trước lý do đó đề tài: “Ứng dụng phương pháp mô hình hóa dự đoán diễn biến chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên và đề xuất giải pháp quản lý phù hợp” được đưa ra nhằm phục vụ công tác quản lý môi trường trong việc đánh giá và dự báo ô nhiễm nước sông trong thời gian tới. 1 Trên thế giới hiện nay phát triển rất nhiều mô hình chất lượng nước nhằm thay thế cho phương pháp tính toán giải tích thông thường.
Để giải quyết bài toán chất lượng nước, mô hình Mike 11 đã được lựa chọn để ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Ưu điểm của phương pháp sử dụng mô hình Mike 11 là: - Cung cấp một bức tranh tổng thể với những đáp ứng khác nhau và có khả năng dự đoán sự biển đổi của môi trường dưới tác động của nhiều yếu tố tổng hợp. - Phân tích được mối quan hệ giữa các yếu tố chất lượng nước và tương tác giữa các yêu tố, các quá trình lan truyền, biến đổi chất trong nước. Qua nghiên cứu, tác giả đề tài lựa chọn sông Cầu đoạn chảy qua địa bàn tỉnh Thái Nguyên, bắt đầu từ điểm Trạm thủy văn Gia Bảy xuôi dòng đến điểm cuối là điểm Tân Phú (đây là điểm trước khi vào hợp lưu giữa sông Công và sông Cầu, cũng là điểm cuối của sông Cầu trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên) để nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 trong đánh giá dự báo diễn biến chất lượng sông.
Mục tiêu của đề tài: - Đánh giá chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên. - Ứng dụng mô hình hóa dự đoán diễn biến chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên. - Đề xuất giải pháp quản lý chất lượng nước cho khu vực nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu: - Thu thập số liệu, khảo sát, lấy mẫu, phân tích nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên.
- Ứng dụng mô hình Mike 11 tính toán dự báo ô nhiễm nước mặt sông Cầu, cụ thể sử dụng mô hình Mike 11 để mô phỏng dự báo 06 yếu tố: DO, NH4+, NO3-, BOD5, PO43- và Coliform. - Đề xuất giải pháp quản lý chất lượng môi trường. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1. Mô hình hóa chất lượng nước Mô hình hóa là phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm trên mô hình của một hiện tượng (quá trình, sự vật,…) thay vì nghiên cứu trực tiếp hiện tượng ấy ở dạng tự nhiên (thực địa).
Quá trình mô hình hóa bao gồm hai phần là chế tạo mô hình và tiến hành thực nghiệm trên mô hình ấy. Mô hình hóa chất lượng nước là phương pháp sử dụng các phần mềm tính toán các chỉ tiêu phản ánh chất lượng nước. Các chỉ tiêu bao gồm: các chỉ tiêu vật lý, hóa học và các thành phần sinh học của nguồn nước trên cơ sở giải các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa các chỉ tiêu phản ánh chất lượng nước cũng như các quá trình có liên quan đến nó. Phân loại mô hình chất lượng nước và phạm vi ứng dụng Các mô hình chất lượng nước được chia thành 2 loại: Mô hình tính toán sự lan truyền, phân bố các chất ô nhiễm trong dòng chảy; Mô hình mô phỏng sự hình thành chất lượng nước và xu thế biến đổi chất lượng nguồn nước.
Mô hình tính toán sự lan truyền, phân bố các chất ô nhiễm trong dòng chảy Mô phỏng sự biến đổi các chỉ tiêu chất lượng nước theo thời gian trong không gian của dòng chảy. Việc thiết lập mô hình dựa trên cơ sở giải phương trình tải và tải-phân tán các chất ô nhiễm trong dòng chảy. Các yếu tố đặc trưng về dòng chảy được xác định từ các mô hình thủy lực, các số liệu thống kê hoặc đo thực nghiệm như các mô hình Qual I, II; Stream I, II;. Loại mô hình này có ưu điểm: - Cho kết quả nhanh về sự lan truyền, phân bố các chất từ các nguồn thải đến chất lượng nước.
Từ đó cho phép chúng ta đánh giá tác động ban đầu cũng như những ảnh hưởng lâu dài đến chất lượng nguồn nước. - Độ tin cậy cao, dễ sử dụng do đòi hỏi ít các số liệu đầu vào. - Áp dụng rộng rãi trong việc đánh giá tác động của các hoạt động phát triển, dự báo xu thế biến đổi chất lượng nguồn nước. 3 Nhược điểm: chưa xem xét đến các yếu tố hình thành chất lượng nguồn nước, việc tính toán mô phỏng trong các khoảng thời gian ngắn và đặc biệt đánh giá ảnh hưởng của các nguồn thải phân tán, các sự cố môi trường đến chất lượng nguồn nước còn gặp nhiều khó khăn.
Mô hình mô phỏng sự hình thành chất lượng nguồn nước Mô phỏng sự hình thành các nguồn gây ô nhiễm (các nguồn thải và tải lượng các chất thải) và sự thay đổi chất lượng nước theo không gian và thời gian. Thiết lập trên cơ sở ghép nối các mô hình thủy lực với mô hình lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy như WSHMM, MIKE SYSTEM,. Loại mô hình này có các ưu điểm và hạn chế sau: - Mô tả một cách tổng quát và toàn diện hơn về chất lượng nguồn nước cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến các chỉ tiêu chất lượng nước. - Xem xét, đánh giá được mức độ tác động của các chất ô nhiễm từ các nguồn không điểm đến chất lượng nguồn nước.
Các chất ô nhiễm có nguồn gốc từ các hoạt động nông nghiệp, từ các khu vực đô thị và tập trung dân cư được đưa vào dòng chảy theo nước mưa chảy tràn. - Đòi hỏi một lượng rất lớn và đồng bộ các thông tin ban đầu như: các số liệu địa hình lưu vực, các số liệu về thủy văn, dòng chảy,.và khối lượng tính toán lớn và phức tạp. - Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình cũng như chuẩn hóa các hệ số,.gặp nhiều khó khăn trong thực tế và đòi hỏi một khoảng thời gian dài do việc dự báo các thông tin ban đầu có độ tin cậy thấp. Mục đích của phương pháp mô hình hóa – Làm sáng tỏ vấn đề: chúng ta có thể đưa ra được các lỗi của hệ thống từ việc tiếp cận trực quan đồ họa hơn là từ các dạng trình bày nguyên thủy.
Hơn nữa, việc mô hình hoá giúp chúng ta dễ dàng hiểu được cách thức hoạt động của vấn đề. 4 – Mô phỏng được hình ảnh tương tự: hình thức trình bày của mô hình có thể đưa ra được một hình ảnh giả lập như hoạt động thực sự của hệ thống thực tế, giúp cho người tiếp cận cảm thấy thuận tiện khi làm việc với mô hình. – Gia tăng khả năng duy trì hệ thống: các ký hiệu trực quan có thể cải tiến khả năng duy trì hệ thống. Thay đổi các vị trí được xác định và việc xác nhận trực quan trên mô hình các thay đổi đó sẽ giúp làm giảm đi số lượng lỗi.
Do đó, có thể tạo ra các thay đổi nhanh hơn và các lỗi được kiểm soát hoặc xảy ra ít hơn. – Làm đơn giản hóa vấn đề: mô hình hoá có thể biểu diễn vấn đề ở nhiều mức, từ mức tổng quát đến mức chi tiết do đó sẽ càng đơn giản hoá việc hiểu. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình chất lượng nước trên thế giới a. Bộ phần mềm mô hình Streeter – Phelps mở rộng Được áp dụng để đánh giá chất lượng nước cho sông Oreto, Ý (Giorgio Mannina, 2010).
Mô hình tích hợp các quá trình lý hóa và sinh học phù hợp để mô hình hóa chất lượng nguồn nước. Ưu điểm của mô hình là có thể áp dụng được để đánh giá chất lượng nước đối với những con sông nhỏ, thiếu dữ liệu. Nhược điểm là do thuật toán của mô hình đơn giản nên không thể mô phỏng trong trường hợp có quá nhiều dữ liệu đầu vào, hơn nữa số lượng mẫu cũng như các chỉ tiêu chất lượng nước mà mô hình có thể đánh giá là rất hạn chế. Mô hình Duflow Được phát triển bởi Viện thủy lực (IHE) của Hà Lan, Đại học công nghệ Delft, STOWA và trường Đại học Nông nghiệp Wageningen.
Duflow được thiết kế để sử dụng cho nhiều mục tiêu (triều, lũ, sử dụng nước.) và các bài toán lan truyền chất trong kênh sông có các công trình. Trên thế giới, mô hình đã được ứng dụng để thực hiện Dự án đánh giá chất lượng nước sông Chicago và hồ Michigan tại Mỹ, đánh giá ảnh hưởng của những kịch bản chất lượng nước trong tương lai, từ đó sẽ chỉ ra những 5 biện pháp giảm thiểu cần được thực hiện để mang lại những thay đổi tích cực cho môi trường (USACE, 2014) [31]. Ưu điểm của mô hình là có giao diện đồ họa dễ sử dụng.