Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm nước mặt ngày càng nghiêm trọng tại các lưu vực sông lớn ở Việt Nam, việc nghiên cứu và ứng dụng các mô hình toán số để tính toán dòng chảy và chất lượng nước trong sông trở nên cấp thiết. Theo báo cáo của ngành, nhiều con sông tại các vùng kinh tế trọng điểm như sông Đồng Nai, sông Sài Gòn, sông Hương đang chịu tác động tiêu cực từ nước thải công nghiệp và sinh hoạt, làm suy giảm chất lượng nước và ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn cung cấp nước sinh hoạt cho đô thị. Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu và ứng dụng mô hình toán số hai chiều theo phương đứng CE-QUAL-W2 nhằm mô phỏng dòng chảy không ổn định và các chỉ tiêu chất lượng nước như độ mặn, nồng độ oxy hòa tan (DO), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), và hàm lượng chất rắn lơ lửng trong sông Hương vào mùa kiệt.

Phạm vi nghiên cứu tập trung trên đoạn sông Hương từ ngã ba Tuần đến đập Thảo Long, với dữ liệu thu thập trong mùa khô năm 2006-2007. Việc áp dụng mô hình CE-QUAL-W2 không chỉ giúp dự báo diễn biến thủy lực mà còn đánh giá hiện trạng chất lượng nước, từ đó hỗ trợ công tác quản lý và quy hoạch nguồn nước hiệu quả. Các chỉ số chất lượng nước được mô phỏng có giá trị trung bình như nồng độ oxy hòa tan khoảng 7,26 mg/l, nhu cầu oxy sinh hóa 1,4 mg/l, và chất rắn lơ lửng 14,2 mg/l, phản ánh mức độ ô nhiễm và điều kiện thủy sinh của sông. Nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về mô hình dòng chảy hai chiều theo phương đứng và khả năng ứng dụng trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn sử dụng mô hình toán số CE-QUAL-W2, một mô hình thủy lực và chất lượng nước hai chiều theo phương đứng (2DV), dựa trên hệ phương trình Navier-Stokes đã được trung bình hóa theo thời gian Reynolds. Mô hình bao gồm các thành phần chính:

  • Phương trình động lượng và liên tục: Mô hình giải hệ phương trình động lượng theo phương dọc sông (x) và phương đứng (z), cùng với phương trình liên tục để bảo toàn khối lượng nước. Áp suất được giả định là áp suất thủy tĩnh, giúp đơn giản hóa hệ phương trình.
  • Mô hình nhớt rối theo phương đứng: Sử dụng các mô hình nhớt rối như Parabolic, W2, W2N, RNG và TKE để xác định hệ số nhớt rối theo chiều sâu, ảnh hưởng đến sự phân tán và vận tốc dòng chảy.
  • Phương trình truyền tải chất: Mô hình truyền tải chất ô nhiễm và các chỉ tiêu chất lượng nước được xây dựng dựa trên phương trình vận chuyển chất trong dòng chảy 3 chiều, được giản lược thành 2 chiều theo phương đứng và dọc sông, bao gồm các hệ số khuyếch tán rối và nguồn phát sinh, phân hủy các chất.
  • Mô hình chất lượng nước: Bao gồm các biến số như độ mặn, coliform, chất rắn lơ lửng, các dạng hữu cơ hòa tan và không hòa tan (LDOM, RDOM, LPOM, RPOM), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), tảo, thực vật biểu sinh, photpho, ammonium, nitrate-nitrite, silic đi oxyt và oxy hòa tan (DO). Các quá trình sinh học, hóa học và vật lý được mô phỏng qua các hệ số phân hủy, lắng đọng, quang hợp, hô hấp và trao đổi khí.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu địa hình, thủy văn, khí tượng và chất lượng nước thu thập tại các trạm đo trên sông Hương, đặc biệt tại các mặt cắt như Ngã Ba Tuần, cửa Thuận An và các vị trí trung gian. Cỡ mẫu dữ liệu được lựa chọn phù hợp với chu kỳ mùa khô năm 2006-2007 nhằm phản ánh điều kiện dòng chảy và chất lượng nước điển hình.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình CE-QUAL-W2 được lập trình và kiểm chứng qua so sánh với lời giải giải tích cho các bài toán đơn giản nhằm đánh giá độ chính xác của mô hình. Các tham số thủy lực như hệ số nhám, hệ số nhớt rối được hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu thực tế và các mô hình rối khác nhau được thử nghiệm để chọn lựa mô hình phù hợp nhất.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng một năm, từ thu thập số liệu, xây dựng mô hình, kiểm chứng đến áp dụng mô hình tính toán dòng chảy và chất lượng nước cho sông Hương. Kết quả được phân tích chi tiết theo từng mặt cắt và thời điểm trong mùa kiệt, nhằm đánh giá diễn biến thủy lực và các chỉ tiêu chất lượng nước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình CE-QUAL-W2 mô phỏng chính xác dòng chảy không ổn định: So sánh với lời giải giải tích cho thấy sai số vận tốc dòng chảy theo phương đứng tại các mặt cắt không vượt quá 5%, với profile vận tốc u đạt giá trị trung bình khoảng 0,3 m/s tại mặt cắt 10 km. Mô hình cũng phản ánh chính xác biến động mực nước với sai số dưới 3 cm tại vị trí x = 15 km.

  2. Phân bố độ mặn và chất lượng nước trong sông Hương: Nồng độ muối trung bình tại biên hạ lưu đạt khoảng 25,93 ‰, phân bố theo chiều sâu và dọc sông thể hiện sự ảnh hưởng rõ rệt của triều cường và dòng chảy mùa kiệt. Nồng độ chất rắn lơ lửng trung bình khoảng 14,2 mg/l, tập trung nhiều ở các mặt cắt gần cửa sông.

  3. Chỉ tiêu oxy hòa tan (DO) và nhu cầu oxy sinh hóa (BOD): Nồng độ DO trung bình tại biên hạ lưu là 7,26 mg/l, đảm bảo điều kiện sinh thái cho thủy sinh. Nhu cầu oxy sinh hóa BOD trung bình 1,4 mg/l, phản ánh mức độ ô nhiễm hữu cơ ở mức vừa phải trong mùa kiệt.

  4. Ảnh hưởng của hệ số nhám và mô hình rối đến kết quả tính toán: Kết quả vận tốc dòng chảy và profile vận tốc theo phương đứng thay đổi rõ rệt khi điều chỉnh hệ số nhám từ 0,02 đến 0,04, với vận tốc trung bình giảm khoảng 15% khi hệ số nhám tăng. Mô hình rối W2 và RNG cho kết quả vận tốc profile phù hợp nhất với số liệu thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến động dòng chảy và chất lượng nước là do ảnh hưởng của triều cường, dòng chảy mùa kiệt và các nguồn thải ô nhiễm từ sinh hoạt và công nghiệp. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả mô hình CE-QUAL-W2 cho sông Hương tương đồng với các mô hình 2DV đã áp dụng cho sông Thames (Anh) và sông Loxahatchee (Mỹ), thể hiện tính khả thi và độ tin cậy cao.

Việc mô hình hóa chi tiết các thành phần chất lượng nước như DO, BOD, chất rắn lơ lửng và các dạng hữu cơ giúp đánh giá toàn diện hiện trạng môi trường nước, hỗ trợ công tác quản lý nguồn nước và quy hoạch phát triển bền vững. Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ profile vận tốc theo chiều sâu, phân bố nồng độ các chất ô nhiễm dọc sông và bảng so sánh sai số mô hình với số liệu thực tế, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường thu thập và cập nhật số liệu thực tế: Để nâng cao độ chính xác của mô hình, cần thực hiện quan trắc định kỳ các chỉ tiêu thủy văn và chất lượng nước, đặc biệt trong các mùa khác nhau, nhằm hiệu chỉnh và cập nhật tham số mô hình kịp thời.

  2. Áp dụng mô hình CE-QUAL-W2 cho các lưu vực sông khác: Mở rộng ứng dụng mô hình cho các sông có điều kiện tương tự như sông Đồng Nai, sông Sài Gòn để hỗ trợ quản lý nguồn nước toàn diện, với mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường nước.

  3. Phát triển mô hình tích hợp đa chiều: Kết hợp mô hình 2DV với mô hình 3D hoặc mô hình mạng lưới sông để mô phỏng chính xác hơn các đoạn sông phức tạp, đặc biệt tại các khu vực cửa sông và vùng chịu ảnh hưởng triều.

  4. Xây dựng chính sách quản lý dựa trên kết quả mô hình: Đề xuất các biện pháp kiểm soát nguồn thải, quy hoạch sử dụng đất và phát triển hạ tầng xử lý nước thải, nhằm cải thiện chất lượng nước và bảo vệ nguồn nước sinh hoạt trong vòng 5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý tài nguyên nước và môi trường: Sử dụng kết quả mô hình để xây dựng chính sách quản lý, quy hoạch sử dụng nguồn nước và kiểm soát ô nhiễm hiệu quả.

  2. Các nhà nghiên cứu và học viên chuyên ngành xây dựng công trình thủy: Tham khảo phương pháp mô hình hóa dòng chảy và chất lượng nước, áp dụng trong nghiên cứu và phát triển mô hình tương tự.

  3. Các công ty tư vấn và thiết kế công trình thủy lợi, môi trường: Áp dụng mô hình CE-QUAL-W2 trong thiết kế, đánh giá tác động môi trường và quản lý dự án liên quan đến nguồn nước.

  4. Cơ quan quản lý đô thị và cấp nước: Dựa trên dự báo chất lượng nước để điều chỉnh hoạt động cấp nước, xử lý nước thải và bảo vệ nguồn nước sinh hoạt cho khu vực đô thị.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình CE-QUAL-W2 có thể áp dụng cho những loại sông nào?
    Mô hình phù hợp với các sông có dòng chảy không ổn định, đặc biệt là sông có vận tốc theo phương dọc chiếm ưu thế và có ảnh hưởng của triều cường. Ví dụ như sông Hương trong mùa kiệt.

  2. Độ chính xác của mô hình được đánh giá như thế nào?
    Sai số vận tốc dòng chảy so với lời giải giải tích không vượt quá 5%, sai số mực nước dưới 3 cm, cho thấy mô hình có độ tin cậy cao trong điều kiện nghiên cứu.

  3. Các chỉ tiêu chất lượng nước nào được mô phỏng trong mô hình?
    Bao gồm độ mặn, nồng độ oxy hòa tan (DO), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), chất rắn lơ lửng, các dạng hữu cơ hòa tan và không hòa tan, photpho, ammonium, nitrate-nitrite và silic đi oxyt.

  4. Mô hình có thể dự báo diễn biến chất lượng nước theo thời gian không?
    Có, mô hình tính toán dòng chảy và chất lượng nước theo thời gian thực, giúp dự báo biến động trong các mùa và điều kiện thủy văn khác nhau.

  5. Làm thế nào để nâng cao hiệu quả ứng dụng mô hình trong thực tế?
    Cần cập nhật số liệu thực tế thường xuyên, hiệu chỉnh tham số mô hình, kết hợp với các mô hình khác và xây dựng chính sách quản lý dựa trên kết quả mô hình.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thành công trong việc ứng dụng mô hình toán số 2DV CE-QUAL-W2 để mô phỏng dòng chảy và chất lượng nước không ổn định trong sông Hương.
  • Mô hình cho kết quả vận tốc dòng chảy và các chỉ tiêu chất lượng nước phù hợp với số liệu thực tế, sai số trong giới hạn chấp nhận được.
  • Các chỉ tiêu như độ mặn, DO, BOD và chất rắn lơ lửng được mô phỏng chi tiết, hỗ trợ đánh giá hiện trạng môi trường nước.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý, quy hoạch và bảo vệ nguồn nước tại các lưu vực sông ở Việt Nam.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng mô hình, tăng cường thu thập số liệu và phát triển mô hình tích hợp đa chiều trong các nghiên cứu tiếp theo.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng mô hình cho các lưu vực sông khác và phối hợp với các cơ quan quản lý để xây dựng các giải pháp bảo vệ môi trường nước hiệu quả.