Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 Áp d ng ph n m m th y l c môi trư ng nư c (EFDC) ñánh giá nh hư ng c a nư c th i sinh ho t ñ n ch t lư ng nư c Sông H ng vào mùa khô khu v c Hà N i Nguy n Văn Hoàng1,* , Tr n Văn Hùng2 Vi n ð a ch t, Vi n Khoa h c Công ngh Vi t Nam, 84 Chùa Láng, Láng Thư ng, Hà N i, Vi t Nam Vi n Hóa h c, Vi n Khoa h c Công ngh Vi t Nam, 18 Hoàng Qu c Vi t, Hà N i, Vi t Nam Nh n ngày tháng năm 2007 Tóm t t Nư c sơng H ng đư c s d ng r ng rãi nông nghi p, nuôi tr ng th y s n sinh ho t Mùa khơ lưu lư ng dịng ch y sơng H ng nh nên ch t lư ng nư c b nh hư ng r t l n b i nư c th i Ph n m m mơ hình th y l c ch t lư ng nư c EFDC c a C c Môi trư ng M ñư c s d ng xây d ng mô hình ch t lư ng nư c sơng H ng Các ch tiêu ch t lư ng nư c th i sinh ho t nư c sông H ng vào mùa khơ v lư ng ch t đư c phân tích l a ch n xây d ng mơ hình Ch t lư ng nư c theo ch tiêu đư c ph n m m mơ ph ng đ y đ theo q trình v n chuy n v t lý ñ ng h c q trình bi n đ i hóa s nh c a ch t môi trư ng nư c K t qu tính tốn mơ hình cho th y ch t lư ng nư c sông H ng khu v c Hà N i vào mùa khơ dư i tác đ ng c a riêng nư c th i sinh ho t dân cư s ng hai bên đ vào khơng th a mãn u c u ch t lư ng nư c dùng làm ngu n nư c c p cho sinh ho t nư c sơng mà cịn cho c ngu n nư c ng m Mùa mưa lưu lư ng sông H ng r t l n, ngu n nư c th i sinh ho t khu v c Hà N i l i đư c pha lỗng đáng k b i nư c mưa nên ch t ô nhi m nư c th i đư c pha lỗng đáng k hàm lư ng c a chúng nư c sơng H ng r t nh đ ng đ u tồn m t c t sơng Nhưng vào mùa khơ, dịng ch y sơng H ng nh nên n ng đ ch t nhi m nư c sinh ho t nư c sông H ng l n nhi u so v i mùa mưa, phân b khơng đ u qua m t c t sơng Mơ hình ch t lư ng nư c b ng ph n m m EFDC s ñánh giá ch t lư ng nư c sông H ng khu v c Hà N i dư i nh hư ng c a nư c sinh ho t vào mùa khơ EFDC ph n m m mơ hình th y l c (lan truy n m n theo ch t tr ng, ñ i lưu phân tán), v n chuy n M ñ u∗ Tuy nư c sông H ng khu v c Hà N i khơng đư c khai thác ph c v sinh ho t quy mơ t p trung, đư c s d ng nhi u nông nghi p ñư c r t nhi u h dân s ng hai bên sông tàu thuy n s d ng cho sinh ho t Nư c sông H ng khu v c Hà N i không nh ng ti p nh n ngu n ô nhi m t thư ng lưu mà ti p nh n nhi u ngu n nư c th i sinh ho t tr c ti p t khu dân cư hai bên sơng th m chí t khu dân cư s ng xa sông ngu n nư c th i ñư c d n th i vào sông H ng Nư c th i nguy h i vào sơng H ng có ti m gây nhi m không nh ng cho _ ∗ Tác gi liên h ðT: 84-4-38343068-416 E-mail: n_v_hoang.vdc@yahoo.com 19 20 N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 bùn cát ch t lư ng nư c (b ng q trình đ i lưu, phân tán đ ng h c) c c mơi trư ng M cung c p mi n phí m ng Ph n m m ti n x lý s li u đ xây d ng mơ hình, ch y EFDC x lý trình di n k t qu ñ u vào ñ u c a mơ hình EFDC dư i d ng s li u, ñ th , b n ñ ñư c công ty Dynamic Solutions, LLC (M ) xây d ng b ng ngơn ng Visual Basic đ t tên ph n m m EFDC_Explorer [4] Mơ hình EFDC Ph n m m mơ hình EFDC (Environmental Fluid Dynamic Code) đư c C c mơi trư ng M tài tr xây d ng liên t c ñư c b sung hoàn thi n phát tri n R t nhi u thông s ch t lư ng nư c (bi n s ), ñ i ña s h p ch t cacbon, nitơ photpho mà ph n m m EFDC đư c mơ hình hóa th hi n b ng B ng Các thơng s ch t lư ng nư c đư c th c hi n mơ hình EFDC - T ng ch t r n lơ l ng -ð m n - Nhi t ñ - Cyanobacteria - T o cát (Diatomaceous algae) - Di p t o (Green algae) - Cacbon h u khơng hồ tan (Refractory POC) - Cacbon h u d ng khí (Labile POC) - Cacbon h u hoà tan (Dissolved POC) - Photpho h u khơng hồ tan (Refractory POP) - Photpho h u d ng khí - Photpho h u hoà tan - T ng photphat (PO4) - Nitơ h u khơng hồ tan (Refractory PON) - Nitơ h u d ng khí (Labile PON) - Nitơ h u hoà tan (Dissolved PON) - Nitơ ammoniac - Nitơ nitrate - Silic dioxyt sinh v t - Silic dioxyt hồ tan - Nhu c u ơxi hóa h c Phương trình cân b ng kh i lư ng ñ i v i bi n s ch t lư ng nư c bao g m q trình v n chuy n v t lý (đ i lưu phân tán) ñ ng h c Khi tách thành ph n ñ ng h c kh i thành ph n v n chuy n v t lý phương trình cân b ng kh i lư ng ñ i v i bi n s ch t lư ng nư c có d ng: ∂C ∂ (uC ) ∂ (vC ) ∂( wC ) + + + ∂t ∂x ∂y ∂z = ∂  ∂C  ∂  ∂C  ∂  ∂C   +  Kz  Kx  +  Ky  ∂x  ∂x  ∂y  ∂y  ∂z  ∂z  (1) Các q trình đ ng h c ñư c th hi n qua phương trình ñ ng h c dư i d ng: ∂C = K ⋅C + R ∂t (2) K t c ñ ñ ng h c (1/th i gian) (theo hư ng x, y z); u, v, w tương ng - Ơ xy hịa tan - T ng kim lo i h at tính - Fecal Coliform - T o macro - T ng cacbon h u (TOC) - T ng nitơ - T ng photpho - Chlorophyll a - T ng nitơ h u (TORN) - T ng nitơ vô - T ng photpho h u (TORP) v n t c dòng ch y theo hư ng x, y z; C n ng ñ ; R thành ph n ngu n sinh ho c (1/th tích/th i gian) Phương trình (2) thu đư c b ng cách n tính hóa m t s thành ph n phương trình đ ng h c Phương trình (1) đư c gi i b ng sơ ñ ba m c th i gian ti n có đ xác b c hai (second-order accurate three time-level advection scheme) sau tích phân [5] ð có đư c đ xác b c hai thành ph n đ ng h c phương trình (1) đư c bi n ñ i b ng cách chia trình gi i ñ i v i kho ng th i gian 2∆t thành hai bư c xen k gi a sơ ñ hi n (explicit) n (implicit) [6] Chi ti t có th đư c tham kh o ttheo [4-6] N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 Lư ng ch t lư ng nư c sông H ng nư c th i vào sông H ng khu v c Hà N i 3.1 Ch t lư ng Có nhi u ngu n th i vào sông H ng không ch riêng khu v c Hà N i c thư ng ngu n h lưu M t s ch tiêu ch t lư ng nư c th i đ vào sơng H ng COD NO3 c a 14 21 m u nư c th i l y vào tháng 7-8 năm 2006 cho th y trung bình COD=328mg/l NO3=22,6mg/l (5,132mg/l Nitơ) [1] L y hàm lư ng NHX b ng 0,1NOX [8] NHX=2,26mg/l (1,758mg/l Nitơ) M t s thơng s ch t lư ng khác c a nư c th i sinh ho t có th tham kh o theo tài li u cơng b [2,8] (B ng 1) B ng M t s thông s ch t lư ng nư c th i sinh ho t [2,8] Thông s DO [2](các thông s khác l y theo [8]) BOD5 T ng N h u (TORN) T ng P T ng P h u (TORP)=0,5 t ng P Orthophosphate (theo P)=0,5 t ng P T ng C h u (TOC)=7,58BOD5 Coliform M t s thông s ch t lư ng nư c h p ch t photpho, cacbon nitơ có th c tính qua thơng s khác Theo tài li u t ng h p [7] ñ i v i nư c th i thông s ch t lư ng nư c có th tính theo quan h nêu b ng Các thông s ch t lư ng nư c sông H ng vào mùa khô khu v c Hà N i đư c mơ hình hóa cơng trình là: nhi t đ , coliform, DO, COD, NHX, NOX, Octophotphat, ðơn v mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l (MNP/ 100ml) Hàm lư ng 1,25 210 25 11 5,5 5,5 1591,8 1.000-5.000 ROC, LOC, DOC, ROP, LOP, DOP, RON, LON DON M t s ch tiêu ch t lư ng nư c sông H ng mùa khơ (tháng 4/2008) [3] đư c s d ng giá tr ban ñ u ñ ng th i biên thư ng lưu th hi n b ng M t s thông s ch t lư ng có th c lư ng theo thơng s khác đ i v i nư c sông ao h t nhiên [8] theo b ng B ng Ư c tính m t s thơng s ch t lư ng nư c th i sinh ho t (mg/l) [7] Thông s Thông s c tính H s ðV nư c th i 0,10 0,27 0,63 0,13 0,29 0,58 0,50 0,16 0,28 0,56 Thông s MH ROC LOC DOC ROP LOP TORP=0,5TP TP DOP Octophotphat=0,5TP Octophotphat RON TORN LON DON NOX (theo nitơ) NHX (theo nitơ) DO COD Thí d : N u bi t BOD5 thì: TOC=7.58 BOD5; LOC=0.27TOC BOD5 TOC=7,58BOD5 Giá tr thông s MH 159 430 1003 0,715 1,595 3,19 5,5 4,0 7,0 14,0 5,132 1,758 1,25 [2] 328 22 N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 B ng M t s ch tiêu ch t lư ng nư c sông H ng tháng 4/2008 (mg/l) [3] Thông s Feacal coli T ng photpho (ΣP) T ng N NO3 (theo N) NO2 (theo N) Giá tr 220 4,0 20,2 12,5 0,01 Thông s NH4 (theo N) TORN=ΣN-nitơ NOX-nitơ NHX BOD5 COD DO Giá tr 0,15 7,54 15,4 22,0 7,7 B ng Ư c tính m t s thông s ch t lư ng nư c sơng (mg/l) [3,8] Thơng s Thơng s c tính H s nhân Thông s MH 0,25 ROC LOC DOC ROP LOP DOP Octophotphat RON LON DON NOX (theo N) NHX (theo N) DO COD TOC ΣP=4 (tài li u tham kh o [3]) ΣN, NOX, NHx [3] TORP=0,3ΣP Octophotphat TORN=ΣNN(NOX)+N(NHx) =7,54 [3] 0,10 0,37 0,53 0,7 0,35 0,35 0,30 3.2 Lưu lư ng nư c sông H ng nư c th i sinh ho t ch y sơng H ng Di n tích ngồi đê phía b c sơng H ng thu c đ a bàn Hà N i khu v c mơ hình kho ng 96km2, phía nam 76km2, t ng di n tích hai khu v c kho ng 172km2 ðây khu v c d c sông H ng có m t đ dân s tương đ i cao t m l y b ng m t ñ dân s thành ph Hà N i năm 2005 5476ngư i/km2 dân s s ng khu v c kho ng 790000 ngư i V i lư ng nư c s d ng c tính 0,08m3 /ngày lưu l ng nư c th i hàng ngày d c mi n mơ hình phía b c 96 x 5476x0,08x0,75=31518m3/ngày (0,365m3/s) Giá tr thông s MH 7,5 7,5 [8] 15,0 [8] 0,12 0,444 0,636 2,8 2.639 2.639 2.262 12,51 0,15 7,7 22 phía nam 76x5476x0,08x0,75=24971m3/ngày (0,289m3/s) ng d ng mơ hình EFDC đ tính tốn ch t lư ng nư c sông H ng mùa khô khu v c Hà N i Mơ hình đư c xây d ng có chi u dài kho ng 5,4km kéo dài t phía thư ng lưu t xã Vân Hà-Phúc Th xu ng h lưu xã Ninh S Thư ng Tín có 4319 l i, có c t cao đáy lịng sơng th p nh t -10,81m gi a lịng sơng phía h lưu mi n mơ hình (hình 1) Bư c th i gian mơ hình đư c l y b ng giây, th i gian mô hình 14 ngày, t c 259200 bư c N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 23 Hình C t cao đáy lịng sơng khu v c mơ hình Các thơng s liên quan đ n q trình hóa lý c a thơng s ch t lư ng nư c ñư c l y theo giá tr m c ñ nh theo ph n m m EFDC (ñư c xác ñ nh d a vào nghiên c u lý thuy t r t nhi u k t qu nghiên c u th c t M ) Hình 3, minh h a thơng s hóa lý liên quan ñ n cacbon, nitơ photpho K t qu mơ hình ch t lư ng nư c theo ch tiêu khác có th đư c trình bày theo di n dư i d ng b n ñ , thí d phân b COD vào bư c th i gian 14 ngày ph n góc trái bên dư i hình 1, d c theo đư ng cong b t kỳ qua mi n mơ hình vào bư c th i gian khác nhau, t i t ng v trí c th , thí d COD, DO, NO3, NH4 photpho cho hình 5-9 24 N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 Hình Các thơng s hóa lý liên quan đ n cacbon Hình Các thơng s hóa lý liên quan đ n nitơ N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Cơng nghệ 25 (2009) 19-29 Hình Các thơng s hóa lý liên quan ñ n photpho Mo hinh chat luong nuoc song Hong mua kho - COD 21 Chemical Oxygen Demand (mg/l) 19 18 17 16 Legend 15 thuong luu cau Chuong Duong luu 14 13 12 11 10 10 11 Time (days) Hình Phân b COD theo th i gian t i m t s v trí 12 13 14 25 N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 Mo hinh chat luong nuoc song Hong mua kho - DO 5.5 5.0 Dissolved Oxygen (mg/l) 4.5 4.0 3.5 Legend 3.0 thuong luu cau Thang Long 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 10 11 12 13 14 Time (days) Hình Phân b DO theo th i gian t i m t s v trí 13.0 Mo hinh chat luong nuoc song Hong mua kho - NO3 (N) 12.8 12.6 Nitrate Nitrogen (mg/l) 26 12.4 12.2 12.0 11.8 11.6 Legend 11.4 thuong luu cau Chuong Duong luu 11.2 11.0 10 11 Time (days) Hình Phân b NO3 (N) theo th i gian t i m t s v trí 12 13 14 N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 0.25 27 Mo hinh chat luong nuoc song Hong mua kho - NH4 (N) 0.24 Ammonia Nitrogen (mg/l) 0.23 0.22 0.21 0.20 0.19 Legend 0.18 thuong luu cau Chuong Duong luu 0.17 0.16 0.15 10 11 12 13 14 Time (days) Hình Phân b NH4 (N) theo th i gian t i m t s v trí 4.00 Mo hinh chat luong nuoc song Hong mua kho - tong photpho 3.95 3.90 Total P (mg/l) 3.85 3.80 3.75 3.70 Legend 3.65 thuong luu cau Chuong Duong luu 3.60 3.55 3.50 10 11 12 13 14 Time (days) Hình Phân b t ng photpho theo th i gian t i m t s v trí Theo k t qu mơ hình, m t s thông s ch t lư ng nư c t i h lưu mi n mơ hình đư c so sánh v i tiêu chu n Vi t nam TCVN 5942 1995 tiêu chu n liên minh Châu Âu [9] v photpho th hi n b ng Như v y vào mùa khô nư c sông H ng khu v c Hà N i ch ñ t nư c lo i B theo tiêu chu n này, không ñ t tiêu chu n dùng cho sinh ho t 28 N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 B ng So sánh k t qu mô hình v i TCVN 5942 - 1995 EU Thơng s ðơn v COD mg/l Oxy hoà tan mg/l Amoniac (tính theo N) mg/l Nitrat (tính theo N) mg/l TOC mg/l T ng N mg/l Tiêu chu n liên minh Châu Âu T ng photpho mg/l 11,41 4,725 0,236 11,708 25,395 17,652 3,724 Nh n xét, k t lu n ki n ngh Ch riêng nư c th i sinh ho t c a ngư i dân s ng d c hai bên sông H ng khu v c Hà N i góp ph n làm cho nư c sông H ng mùa khô không th a mãn ch t lư ng nư c dùng làm ngu n c p cho sinh ho t Trên th c t cịn nhi u ngu n nư c th i cơng nghi p, sinh ho t nông nghi p ñ a bàn t nh Phú Th Vi t Trì đ vào sơng H ng Do th c t ch t lư ng nư c sông H ng mùa khơ r t có th r t nhi u ch t lư ng nư c mà mơ hình cho k t qu Vì v y r t c n thi t ph i nghiên c u ñ y ñ ngu n nư c th i vào sông H ng v lư ng ch t ñ ñánh giá t t nh t ch t l ng nư c sông H ng vào mùa khơ, t đưa bi n pháp b o v ch t lư ng nư c Trong tương lai c n có nghiên c u xác đ nh thơng s liên quan đ n q trình lý-sinh đ i v i thơng s ch t lư ng nư c c a mơ hình đ có th xây d ng mơ hình ch t lư ng nư c sông H ng phù h p nh t v i th c t Ngoài ra, vi c quan tr c ch t lư ng nư c sông H ng theo không gian th i gian s cho phép hi u ch nh mơ hình nh m làm xác hóa thơng s c a mơ hình, t có mơ hình phù h p v i th c t Ghi nh n: Bài báo đư c th c hi n khn kh ñ tài nghiên c u b n năm 20062008 mang mã s 710506 Giá tr gi i h n A 6 0,05 10 B 2 15 M c hư ng d n 0,031 H lưu MH C c ñ i cho phép 3,875 Tài li u tham kh o [1] Nguy n Văn Hoàng Tr n Văn Hùng, V n ñ rác th i, nư c th i sông H ng kh nh hư ng ñ n nư c dư i ñ t khu v c Hà N i, T p chí Khoa h c ðHQGHN, Khoa h c T nhiên Công ngh 23 (2007) 107 [2] Tr n ð c H , Hư ng d n ñánh giá tác ñ ng mơi trư ng d án đ u tư s h t ng, B Xây d ng, Hà N i, 2002 [3] Ph n m m EFDC, hư ng d n s d ng s lý thuy t phương pháp gi i s , http://www.dsintl.biz [4] John M Hamrick, A Three-Dimensional Environmental Fluid Dynamics Computer Code (EFDC): theoretical and computational aspects Special Report in Applied Marine Science and Ocean Engineering Virginia Institute of Marine Science School of Marine Science The College of William and Mary Gloucester Point, VA 23062 May 1992 [5] Kyeong Park, Albert Y Kuo, Jian Shen and John M Hamrick, A Three-Dimensional Hydrodynamic-Eutrophication Model (HEM3D): Description of Water Quality and Sediment Process Submodels (EFDC Water Quality Model) Special Report in Applied Marine Science and Ocean Engineering No 327 School of Marine Science Virginia Institute of Marine Science College of William and Mary Gloucester Point, VA 23062 January 1995 (Revised by Tetra Tech, Inc., June 2000) [6] R Syed Qasim, Wastewater Treatment Plants: Planning, Design and Operation Holt, Rinehart and Winston, USA, 1999 [7] William J Mitsch, James G Gosselink, 1986 Wetlands Van Nostrand Reinhold 1986 [8] Frederick W Pontius (technical editor), Water quality and treatment-A handbook of community water supplies McGraw-Hill, Inc., 1990 N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 29 Application of EFDC modeling software in modeling Red river water quality in dry season in Hanoi area Nguyen Van Hoang1, Tran Van Hung2 Institute of Geology, Vietnamese Academy of Science and Technology, 84 Chua Lang, Lang Thuong, Hanoi, Vietnam Institute of Chemistry, Vietnamese Academy of Science and Technology, 18 Hoang Quoc Viet, Hanoi, Vietnam The Red river water is widely used for agriculture, fishery and domestic purposes Its flow in dry season is relatively small so the water quality is significantly affected by the wastewater which is discharged into the river An US EPA hydrodynamic and water quality modeling code EFDC has been applied in modeling the river water quality Water quality and quantity of the wastewater and river water were analyzed and selected for the modeling The water quality parameters were modeled by the code by all physical and dispersion processes and physico-biological processes inside the water environment The modeling results show that the river water during the dry season upon the only domestic wastewater from the population along the river does not meet Vietnamese water quality for domestic water source  ... riêng nư c th i sinh ho t c a ngư i dân s ng d c hai bên sông H ng khu v c Hà N i góp ph n làm cho nư c sông H ng mùa khô không th a mãn ch t lư ng nư c dùng làm ngu n c p cho sinh ho t Trên th... v photpho th hi n b ng Như v y vào mùa khô nư c sông H ng khu v c Hà N i ch ñ t nư c lo i B theo tiêu chu n này, khơng đ t tiêu chu n dùng cho sinh ho t 28 N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học... n thi t ph i nghiên c u ñ y ñ ngu n nư c th i vào sông H ng v lư ng ch t ñ ñánh giá t t nh t ch t l ng nư c sông H ng vào mùa khô, t đưa bi n pháp b o v ch t lư ng nư c Trong tương lai c n có