Chương 1 TỔNG QUAN MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÀ ĐẶC ĐIỂM HỔ ĐÔ THỊ THUỘC ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG 1. Vai trò, lịch sử phát triển và phân loại mô hình chất lượng nước 1. Vai trò của mô hình CLN trong công tác quản lý nguồn nước Theo chương trình môi trường của liên hợp quốc (UNEP) [92], công tác quản lý tổng hợp chất lượng nước (CLN) bao gồm 5 bước sau: - Bước l: Xác định vai trò, chức năng và đặc điểm nguồn nước; - Bước 2: Xác định các tiêu chí, lựa chọn các tiêu chuẩn áp dụng; - Bước 3: Đánh giá hiện trạng chất lượng nước, các yếu tố tác động đến CLN; - Bước 4: Đề xuất và lựa chọn các giải pháp kiểm soát chất lượng nước nhằm đáp ứng các tiêu chí lựa chọn và các tiêu chuẩn áp dụng: - Bước 5: Quan trắc chất lượng nước nhằm đánh giá hiệu quả kiểm soát, cũng như xác định trạng thái và xu thế biến đối chất lượng nước. Các bước của chương trình quản lý nguồn nước được cụ thể hoá bằng chương trình kiểm soát tại Hình 1.
Kế hoạch thực hiện |‡———<<ẨNC cơ bản > T + CLN chấp † Xác định mục đích a nhan su dung Ỷ L Yéu cau CLN J | >| Kiểm chạysoát mô CLN hình và‘| | —Ừ. Tác động CLN ¬ \-— Gay moi Chạy mô hình K1 + TC na ——— Ỳ Các biện pháp giảm thiểu tác động je Yêu cầu CLN > [ Thực hiện | - Yếu tố kinh tế 6 Hình I. Sơ đồ chương trình quản lý chát lượng nước [67] Từ chương trình trên cho thấy, mô hình CLN được sử dụng toàn diện trong công tác quản lý nguồn nước, bắt đầu từ khâu lập kế hoạch, đánh giá hiệu quả kiểm soát, đảm bảo cho chất lượng nước ồn định lâu dài tới việc đánh giá các giải pháp kiểm soát. Nói cách khác, mô hình CLN là công cụ quản lý tối cần thiết, đảm bảo tính tối ưu cho hệ thống quản lý tổng hợp nguồn nước.
Đây cũng là lý do mô hình CLN đã có lịch sử phát triển lâu dài và được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Lịch sử phát triển mô hình CLN trên thế giới Mô hình CLN là một trong những công cụ quản lý nguồn nước một cách tổng hợp và toàn diện, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Trong những thập kỷ qua, mô hình chất lượng nước phát triển mạnh mẽ, từ phạm vi hẹp với độ tin cậy thấp tới phạm vị rộng với độ tin cậy cao. Mô hình CLN đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới và bước đầu được quan tâm tại Việt Nam trong các lĩnh vực: dự báo ô nhiễm, đánh giá xu thế biến đổi chất lượng nước, khai thác và sử dụng hợp lý nguồn nước và là cơ sở khoa học trong việc bảo vệ tổng hợp nguồn nước, qui hoạch đô thị và môi trường.
Quá trình phát triển mô hình CLN có thể chia thành các giai đoạn sau: = Giai đoạn đầu thế ky 20 Trong giai đoạn này do thiếu công cụ xử lý, các mô hình thường giới hạn ở dạng tuyến tính với trạng thái đối tượng Ổn định. Điển hình là mô hình CLN đầu tiên được Streeter-Phelps thiết lập 1925, mô phỏng sự thay đổi các giá trị DO &BOD ở vùng hạ lưu với các nguồn thải điểm trên dòng chảy sông Ohio [86]. Mô hình được thiết lập dựa trên cơ sở các giả thiết : dòng chảy ổn định, sự phân hủy các chất hữu cơ theo phản ứng bậc nhất và sự thiếu hut oxy trong dòng chảy do sự phân hủy các chất hữu cơ. Thập niên 30 - 50, mô hình được nâng cao độ tin cậy bằng việc xem xét đồng thời ảnh hưởng của quá trình khuếch tán rối đến quá trình lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy.
Các nghiên cứu tập trung vào các mối quan hệ giữa sự thay đổi giá trị BOD& DO trên các dòng chảy với các chế độ thủy lực khác nhau. Kết quả đạt được trong giai đoạn này là các công thức thực nghiệm xác định giá trị hệ số tốc độ hoà tan oxy, các số liệu thống kê về hằng số tốc độ phân huy các chất hữu cơ trong các dòng chảy có chế độ thuỷ lực khác nhau. " Giai đoạn thập niên 60 Trong giai đoạn này công cụ máy tính ra đời (máy tính điện tử), các phương pháp tính toán được hoàn thiện, cho phép tính toán và xử lý các vấn đề mà trước đây không thể giải quyết được. Hàng loạt các mô hình nền tảng cho mô hình phi tuyến ra đời.
Các mô hình đã đề cập đến sự lan truyền trong dòng chảy của các sông rộng và vùng cửa sông. Vấn đề được quan tâm trong giai đoạn này là giải quyết các bài toán nhiều chiều với các vấn đề phức tạp hơn. Độ tin cậy của mô hình được nâng cao do đã bổ sung thêm các quá trình ảnh hưởng đến sự phân bố nồng độ các chất hữu cơ trong dòng chảy như: - Qúa trình lắng các chất lơ lửng và chat van. - Qúa trình giải phóng các hợp chất từ lớp bùn đáy do quá trình sinh hóa trong lớp bùn đáy và các tác động cơ học giữa pha bùn và pha nước.
- Quá trình quang hợp và hô hấp của hệ thực vật thuỷ sinh Để ứng dụng vào thực tiễn, các nghiên cứu thực nghiệm đã xác định hằng số tốc độ hoà tan ôxi và hệ số chuyền hoá các chất. Với các lưu vực có chế độ thuỷ lực phức tạp, khả năng mô phỏng còn nhiều hạn chế và độ tin cậy chưa cao. Cuối những năm 60, mô hình tiếp tục phát triển da dang hơn. Ngoài việc tập trung đánh giá tác động của các nguồn điểm tới chất lượng nước, mô hình bát đầu đề cập đến hiệu quả kinh tế trong trong việc kiểm soát chất lượng nước (Mô hình của Thomann và Sobal - 1964, Ravell- 1967.
Giai đoạn thập niên 70 Trong giai đoạn này, vai trò khả năng tự làm sạch của nguồn nước (Khả năng chuyển hoá chất bẩn nhờ sinh vật) được tâp trung nghiên cứu, mở ra một trang mới về lịch sử phát triển mô hình sinh thái. Trong đó, vấn đề phú dưỡng được quan tâm nhiều nhất và chiếm vị trí quan trọng trong việc đánh giá và dự báo chất lượng nước. Điển hình là các mô hình của Chen [52], Chen và Orlob , Thoman và Ditoro [88]. 1925-1960 (Streeter-Phelps) Tương ác với Vấn đề: nước thải không được xử lý Ôxy tự nhiên Chất ô nhiễm: BOD/DO CBOD Ứng dụng: dòng chảy/cửa sông (1 chiều) Giới hạn: tuyến tinh, xa phan tan Cách giải: giải tích NBOD 1960-1970 (công cụ máy tinh) Vấn đề: ô nhiễm từ dòng phát thải sơ cấp và thứ cấp Chất ô nhiễm: BOD/DO img dung:dong chay/cua sông(1,2 chiều) Giới hạn: tuyến tính, xả phân tán Cách giải: giải tích số 1970- 1980 (5 nh học) Vấn đề: Phú dưỡng Chất ô nhiễm: dinh dưỡng ứng dụng: hồ/dòng chảy/cửa sông (1,2 chiều) Giới hạn: phi tuyến, xa phân tán Cách giải: giải tích số: Tu 1980 (chat độc) Các vấn đề: chất độc Chất ô nhiễm: chất HC, kim loại nặng Giới hạn: tương tác các ciữa các pha nước- rắn/ các mối tương tác trong chuỗi thức ãn (hồ, dòng chảy, cửa sông) Giới hạn: tuyến tính, trạng thái can bang - Cách tu giải giải: T32 tích v2 sốĐA «—w|e Sinh vậtch bậc Úc cao ‘$6 ved “ si —— m Liên — a - $> 4 SORES OR AT a been we SEES 5200 X G621, /0 Hình 1.
Các giai đoạn phát triển mô hình chất lượng nước ". Giai đoạn tháp niên 80 đến nay Từ thập miên 80 trở lại đây, mô hình CLN tập trung vào mối quan hệ giữa các quá trình sinh thái. Mô hình CLN trong giai đoạn này đã hoàn thiện hơn một bước với độ tin cậy cao hơn, phạm vi ứng dụng đa dạng hơn. Điển hình trong giai đoạn này là các nghiên cứu của các tác gia: Thomann va Mieller (1987) [89] da m6 hinh hoá các ảnh hưởng của mối quan hệ giữa các loại phù du thực vật với các chất dinh dưỡng trong dòng chảy đến chất lượng nước sông; Law và Chalup (1990) xây dựng mô hình CLN trên cơ sở nghiên cứu quá trình quang hợp và hô hấp của tảo và đã được Brown bổ sung vào mô hình QUAL2E [47]; Ditoro và Fitzpatrick (1993) tiếp tục phát triển, bổ sung thêm mối quan hệ giữa các sinh vật lớn tiêu 10 thụ (sinh vật tiêu thụ bậc I), sự chuyển hóa và tích lũy các chất dinh dưỡng.
Hiện tại, mô hình CLN phát triển theo hướng nghiên cứu sự chuyển hóa, tích tụ các chất hữu, dinh dưỡng.trong chuỗi thức ăn và mô phỏng các qúa trình sinh thái trong nước. Phân loại mô hình chất lượng nước Việc phân loại mô hình gặp rất nhiều khó khăn do các mô hình CLN luôn trong trạng thái phát triển và hoàn thiện. Dựa vào lịch sử phát triển và các dạng mô hình đang được áp dụng, mô hình CLN có thể phân loại một cách tương đối theo các nội dung được trình bày sau đây. Theo đối tượng nghiên cứu Mô hình CLN chủ yếu thiết lập cho ba đối tượng: - Mô hình chất lượng nước sông: Mô hình CLN sông chủ yếu tập trung mô phỏng sự biến đổi chất lượng nước thông qua quá trình pha loãng và xáo trộn.
Các quá trình sinh thái và biến đổi CLN khác ít được đề cập hoặc chỉ đề cập như là yếu tố phụ do đây không phải là quá trình chính và ảnh hưởng của chúng tới CLN là không lớn. Trong những năm gần đây, với sự phát triển của công cụ máy tính, các quá trình sinh thái được bao quát rộng hơn. Điển hình là mô hinh QUANIIE. - Mô hình chất lượng nước biển ven bờ: Cũng giống như mô hình CLN sông, loại mô hình này thường tập trung vào quá trình pha loãng và xáo trộn với tác nhân chính là sóng.
Trong những năm gần đây, cũng đã xuất hiện một số mô hình sinh thái đối với nước biển ven bờ, như mô hình CLN vịnh Thái Lan của Karl Iver Dahl-Madsen [67]. - Mô hình chất lượng nước hồ: loại mô hình này phát triển chậm hơn so với sông và chưa thực sự phổ biến. Khác với sông, hồ không có dòng chảy rõ ràng. Quá trình xáo trộn chủ yếu do gió và xảy ra ở lớp nước mặt.
Quá trình tự làm sạch trong hồ phụ thuộc chủ yếu vào các quá trình sinh thái trong hồ. Vì vậy, mô hình CLN hồ chủ yếu mô phòng các quá trình sinh thái diễn ra trong hồ. Tuỳ thuộc vào mục đích và yêu cầu, mô hình CLN hồ có thể mô phỏng một hoặc nhiều, thậm trí toàn bộ quá trình sinh thái.