Nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước khu vực thượng lưu sông nhuệ sử dụng bộ công cụ mô hình mike 11

Theo số liệu quan trắc trong nhiều năm gần đây, chất lượng nước sông Nhuệ ngày càng xuống cấp nghiêm trọng tại nhiều điểm quan trắc, nồng độ oxy hòa tan khá thấp không đạt quy chuẩn B1,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP KHOA QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN RỪNG & MÔI TRƯỜNG

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC KHU VỰC

THƯỢNG LƯU SÔNG NHUỆ SỬ DỤNG BỘ CÔNG CỤ

Hà Nội, 2016

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự

hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập tại trường đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè Với lòng biết

ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Quản lí Tài nguyên Rừng

và Môi trường - Trường Đại học Lâm Nghiệp Việt Nam đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường

Để hoàn thành khóa luận này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy ThS Lê Phú Tuấn và TS Bùi Xuân Dũng, đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Đồng thời, em chân thành cảm ơn các Anh, Chị trong Trung tâm Quan trắc Môi trường – Tổng Cục Môi trường đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi

để em thực tập tại trung tâm Em xin gửi lời cảm ơn đến Anh Hoàng Công Huy

và Anh Vũ Văn Phương đã giúp đỡ em trong quá trình thu thập và xử lí số liệu

Cuối cùng em kính chúc quý Thầy, Cô dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý Đồng kính chúc các Anh, Chị trong Trung tâm Quan trắc Môi trường – Tổng Cục Môi trường luôn dồi dào sức khỏe, đạt được nhiều thành công tốt đẹp trong công việc

Em xin trân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 02 tháng 06 năm 2016

Sinh viên

Nguyễn Văn Duy

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11 3

1.2.1 Cơ sở lý thuyết mô-đun thủy động lực (HD) 4

1.2.1.1 Hệ phương trình Saint Venant 5

1.2.1.2 Phương pháp giải hệ phương trình Saint-Venant 6

1.2.2 Cơ sở lý thuyết mô-đun truyền tải - khuyếch tán (AD) 9

1.2.3 Cơ sở lý thuyết mô-đun sinh thái (Ecolab) 12

1.3.Những nghiên cứu chất lượng nước sử dụng mô hình MIKE 11 17

CHƯƠNG 2 - MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 20

2.1.1 Mục tiêu chung 20

2.1.2 Mục tiêu cụ thể 20

2.2 Nội dung nghiên cứu 20

2.3 Phạm vi nghiên cứu 20

2.4 Phương pháp nghiên cứu 21

2.4.1 Phương pháp kế thừa tài liệu thứ cấp 21

2.4.2 Phương pháp tính toán ước lượng nhu cầu sử dụng và nước thải cho từng đoạn sông 21

2.4.3 Phương pháp mô hình 23

2.4.4 Phương pháp xử lí, tính toán số liệu 23

CHƯƠNG 3 - ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN - KINH TẾ - XÃ HỘI 24

3.1 Điều kiện tự nhiên 24

3.1.1 Vị trí địa lí 24

3.1.2 Đặc điểm thổ nhưỡng 25

3.1.3 Đặc điểm khí hậu 25

3.1.4 Đặc điểm thủy văn 27

3.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội 29

CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 31

4.1 Mô phỏng, kiểm định chất lượng nước sông Nhuệ bằng mô hình MIKE 11 31

4.1.1 Xây dựng mô hình toán thủy lực cho hệ thống 33

4.1.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực dòng chảy kiệt 34

4.1.3 Thiết lập mô đun chất lượng nước 35

4.1.3.1 Thiết lập các cấp độ cho mô đun chất lượng nước 35

4.1.3.2 Xử lý số liệu chất lượng nước 36

4.1.3.3 Thiết lập các thông số cho AD 36

4.1.3.4 Thiết lập các thông số cho Ecolab 37

4.1.4 Kết quả mô phỏng diễn biến chất lượng nước 38

4.2 Dự báo diễn biến chất lượng nước sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội đến năm 2020 và năm 2025 57

4.2.1 Cơ sở dự báo nguồn thải 58

4.2.1.1 Chất thải rắn sinh hoạt 59

4.2.1.2 Chất thải rắn công nghiệp 61

4.2.1.3 Chất thải rắn y tế 64

4.2.1.4 Nước thải 65

4.2.2 Kết quả dự báo 67

4.2.2.1 Dự báo năm 2020 67

4.2.2.1 Dự báo năm 2025 70

4.3 Đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ 71

CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ 76

5.1 Kết luận 76

5.2 Tồn tại 77

5.3 Kiến nghị 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC 1

PHỤ LỤC 2

PHỤ LỤC 3

PHỤ LỤC 4

DANH MỤC HÌNH

Sơ đồ 1 1 Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott 6

Sơ đồ 1 2 Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott cho phương trình liên tục 7

Sơ đồ 1 3 Sơ đồ sai phân 6 điểm cho phương trình động lượng 8

Sơ đồ 1 4 Sơ đồ sai phân 11

Hình 1 1 Sơ đồ chuyển hóa giữa các hợp phần trong các quá trình sinh hóa 15

Hình 3 1 Bản đồ lưu vực sông Nhuệ 24

Sơ đồ 4 1 Áp dụng mô hình Mike 11 tính toán diễn biến chất lượng nước 32

Hình 4 1 Vị trí các mặt cắt trên mạng lưới sông (các vị trí đánh dấu X) 33

Hình 4 2 Mặt cắt đại diện sông Nhuệ 34

Hình 4 3 Mô hình thủy lực lưu vực sông Nhuệ 35

Hình 4 4 Thiết lập các cấp độ mô-đun chất lượng nước 35

Hình 4 5 Giá trị Dispersion 36

Hình 4 6 Các thông số cho mô đun Ecolab 37

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4 1 Số liệu quan trắc ban đầu 38 Bảng 4 2 Kết quả tăng dày số liệu 39 Bảng 4 3 Bảng kết quả tính chỉ số WQI 50 Bảng 4 4 Dự báo lưu lượng nước thải sinh hoạt của thành phố Hà Nội theo thời gian 60 Bảng 4 5 Tải lượng ô nhiễm nước thải sinh hoạt tính cho một người trong ngày đêm 60 Bảng 4 6 Ước lượng dân số và chất thải rắn đổ vào sông Nhuệ năm 2020 và

2025 61 Bảng 4 7 Danh bạ những khu công nghiệp đổ vào sông Nhuệ năm 2008 61 Bảng 4 8 Ước lượng chất thải rắn công nghiệp đổ váo sông Nhuệ năm 2020 và

2025 63 Bảng 4 9 Ước lượng chất thải rắn y tế đổ vào sông Nhuệ năm 2020 và năm

2025 64 Bảng 4 10 Dự báo nhu cầu sử dụng nước nước đên năm 2020 và năm 2025 65 Bảng 4 11 Kết quả dự báo nguồn thải theo đoạn sông Nhuệ (từ Cống Liên Mạc – Cầu Chiếc) năm 2020 65 Bảng 4 12 Kết quả dự báo nguồn thải theo đoạn sông Nhuệ (từ Cống Liên Mạc – Cầu Chiếc) năm 2025 66 Biểu đồ 4 1 Dự báo nồng độ DO năm 2020 68 Biểu đồ 4 2 Dự báo nồng độ BOD năm 2020 68 Biểu đồ 4 3 Dự báo nồng độ NH4

+

-N năm 2020 69 Biểu đồ 4 4 Dự báo nồng độ DO năm 2025 70 Biểu đồ 4 5 Dự báo nồng độ BOD năm 2025 70 Biểu đồ 4 6 Dự báo nồng độ NH4+

-N năm 2025 71

DHI Viện thủy lực Đan Mạch

DO Oxi hòa tan

HD Mô đun Thủy động lực

KCN Khu công nghiệp

NH4+ Hàm lượng Nitơ tính theo Amoni

PO4

3- Hàm lượng Photpho QCVN Quy chuẩn Việt Nam

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TCXDVN Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam

WQ Chất lượng nước

WQI Chỉ số chất lượng nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN RỪNG VÀ MÔI TRƯỜNG

=====================o0o=====================

TÓM TẮT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1 Tên khóa luận: “Nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước khu vực thượng lưu

sông nhuệ sử dụng bộ công cụ mô hình MIKE 11’’

2 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Duy

3 Giáo viên hướng dẫn: ThS Lê Phú Tuấn

Mục tiêu cụ thể

- Đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ thông qua kết quả áp dụng mô hình MIKE 11

- Dự báo chất lượng nước thượng lưu sông Nhuệ với 3 thông số DO, BOD,

NH4+-N tới năm 2020 và năm 2025 dựa trên kết quả đã được mô phỏng

- Đề xuất một số giải phải cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ

5 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên khóa luận cần thực hiện các nội dung chính sau:

- Nghiên cứu xây dựng mô hình MIKE 11 đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ

- Nghiên cứu đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ từ kết quả chạy mô hình thông qua chỉ số WQI và các thông số ô nhiễm

- Ứng dụng mô hình MIKE 11 dự báo chất lượng nước vùng thượng lưu sông Nhuệ tới năm 2020 và năm 2025

6 Những kết quả đạt được

- Mô phỏng, kiểm định chất lượng nước thượng nguồn sông Nhuệ (đoạn từ Cống Liên Mạc – Cầu Chiếc) bằng mô hình MIKE 11

- Đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ từ kết quả chạy mô hình thông qua chỉ số

WQI và các thông số ô nhiễm

- Dự báo diễn biến chất lượng nước sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội

(đoạn từ Cống Liên Mạc – Cầu Chiếc) với 3 thông số BOD, DO, NH4

+

-N đến năm 2020 và năm 2025

- Đề xuất một số giải pháp cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ

Hà Nội, ngày 02 tháng 06 năm 2016

Sinh viên

Nguyễn Văn Duy

1

ĐẶT VẤN ĐỀ

Sự phát triển mạnh mẽ của khu vực đặc biệt là công nghiệp và đô thị hóa đã kéo theo các hệ quả về nhu cầu sử dụng nước trong khu vực tăng nhanh, bên cạnh đó do việc kiểm soát xử lý về việc xả thải các chất thải thiếu kiểm soát đã làm cho môi trường khu vực, đặc biệt là môi trường nước đang ở trong tình trạng báo động

Dân số tăng nhanh chóng cùng với quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đã làm gia tăng vấn đề ô nhiễm môi trường không khí, đất, nước trong đó đặc biệt có môi trường nước xung quanh đô thị Các con sông đô thị chịu tác động từ rất nhiều nguồn gây ô nhiễm như: khu công nghiệp, sản xuất làng nghề, khu khai thác và chế biến, khu vực dân cư, sông Nhuệ

là một con sông như vậy Theo số liệu quan trắc trong nhiều năm gần đây, chất lượng nước sông Nhuệ ngày càng xuống cấp nghiêm trọng tại nhiều điểm quan trắc, nồng độ oxy hòa tan khá thấp không đạt quy chuẩn B1, nồng độ COD và BOD5 vượt tiêu chuẩn tới 37,1 và 54,1 lần, các hợp chất chứa Nitơ (NH4+

, NO2 -

, NO3

-) khá cao đều vượt quy chuẩn chất lượng nước mặt QCVN 08/2008 BTNMT với mục đích sử dụng cho tưới tiêu B1 Xuất phát từ thực tế trên đã đặt ra nhu cầu cấp thiết cần những nghiên cứu dự báo chất lượng nước là cơ sở phục

vụ công tác quản lý môi trường tổng thể, giúp cân bằng giữa quá trình phát triển kinh tế xã hội

và môi trường nước sông

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và tin học ngày càng nhiều ứng dụng

mô hình được sử dụng trong nghiên cứu mô phỏng, dự báo chất lượng nước Một ưu điểm không thể phủ nhận của việc sử dụng mô hình một cách phù hợp là tiết kiệm kinh phí, hiệu quả cao, chính xác nhất là các nghiên cứu trong một khu vực rộng lớn như lưu vực sông

Mô hình MIKE 11 với rất nhiều ưu điểm như: là một bộ phần mềm tích hợp đa tính năng, đã được kiểm nghiệm thực tế, cho phép tính toán thủy lực và chất lượng nước với độ chính xác cao, giao diện thân thiện, dễ sử dụng, có ứng dụng kỹ thuật GIS, có một kỹ thuật mới với độ chính xác cao, đang ngày càng trở nên hiệu quả trong nghiên cứu dự báo.Vì vậy

đề tài “Nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước khu vực thượng lưu sông nhuệ sử dụng bộ

công cụ mô hình MIKE 11”, là cấp thiết

2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung

Hiện nay có rất nhiều mô hình tính toán chất lượng nước được sử dụng rộng rãi trên thế giới, trong số đó có các mô hình được sử dụng miễn phí, có các mô hình mang tính thương mại phải mua bản quyền khi sử dụng Mỗi

mô hình đều có những điểm mạnh riêng nhưng nói chung các mô hình có bán bản quyền thường có độ tin cậy và ổn định cao hơn so với các mô hình được sử dụng miễn phí

Việc lựa chọn mô hình là khâu rất quan trọng trong quá trình tính toán, công việc này được tiến hành dựa trên các mục tiêu của vấn đề và cơ sở dữ liệu thu thập được Trong dự án này, bộ phần mềm mô hình toán MIKE 11

đã được lựa chọn bởi nó đáp ứng được những tiêu chí sau:

- Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng;

- Là bộ phần mềm đã được kiểm nghiệm thực tế;

- Cho phép tính toán chất lượng nước với độ chính xác cao;

- Giao diện thân thiện, dễ sử dụng;

- Có ứng dụng kỹ thuật GIS, một kỹ thuật mới với tính hiệu quả cao

Bộ mô hình MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do DHI (Viện Thủy lực Đan Mạch) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, được ứng dụng để mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác MIKE 11 là một phần mềm độc lập trong bộ phần mềm MIKE bao gồm rất nhiều các phần mềm con có các chức năng và nhiệm vụ khác nhau như MIKE 11, MIKE 21, MIKE 31, MIKE GIS, MIKE BASIN, MIKE SHE, MIKE

3

MOUSE v.v và trong MIKE 11 lại bao gồm nhiều mô đun có các khả năng và nhiệm vụ khác nhau như:

- Mô đun thủy lực (HD);

- Mô đun mưa dòng chảy (RR);

- Mô đun tải - khuếch tán (AD);

- Mô đun chất lượng nước (WQ) và một số các mô đun khác

Trong mô hình MIKE 11 thì mô đun thủy lực (HD) là phần trung tâm của

mô hình Tuy nhiên, tùy theo mục đích mà có thể kết hợp sử dụng với các mô đun khác một cách hợp lý và khoa học

Các số có được dùng để tính toán các đặc trưng thủy lực trong các hệ thống sông nghiên cứu.Cuối cùng, từ các đặc trưng thủy lực tính toán đó, xác định được các thông số và kết quả tính toán chất lượng nước Như vậy các bài toán đặt ra ở đây bao gồm các bài toán con nhỏ hơn là:

- Tính toán thủy lực trong hệ thống sông;

- Tính toán chất lượng nước

Trong những phần tiếp theo sẽ lần lượt xem xét các cơ sở lý thuyết, phương pháp và thực tiễn việc áp dụng MIKE để giải quyết các vấn đề được nêu trên

1.2 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11

Mô hình MIKE 11 là bộ mô hình một chiều được phát triển bởi Viện thủy lực Đan Mạch (DHI) từ mô hình gốc đầu tiên ra đời năm 1972 dùng để mô phỏng thủy lực nước trong sông Hiện nay MIKE 11 có thể tích hợp nhiều mô đun như mô đun truyền tải-khuyếch tán (AD), mô đun chất lượng nước (WQ),

mô đun vận chuyển bùn cát (ST) và mô đun mưa rào-dòng chảy (RR) Mô hình MIKE 11 được sử dụng rộng rãi ở các nước châu âu và trên thế giới [1]

MIKE 11, do DHI Water & Environment phát triển, là một gói phần mềm dùng để mô phỏng dòng chảy/lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát

ở các cửa sông, sông, kênh tưới và các vật thể nước khác

4

MIKE 11 là một phần của thế hệ phần mềm mới của DHI dựa trên khái niệm của MIKE Zero, bao gồm Giao diện Người dùng đồ hoạ tích hợp trong Windows, thích hợp với các tiêu chuẩn rút ra cho phần mềm dựa trên Windows Tuy nhiên, phần tính toán trọng tâm được biết đến và đã được kiểm chứng của thế hệ MIKE 11 trước đây- phiên bản „Cổ điển‟ („Classic‟ version)- vẫn còn được duy trì MIKE 11 là một ứng dụng 32-bit thực sự, đảm bảo tốc độ tính toán nhanh hoặc tốc hoạt các con số so với các phiên bản MIKE 11 trước đây [2]

Mô đun thủy lực trong MIKE11 mô phỏng động lực cả ở trong sông và cửa sông, có thể áp dụng cho mạng sông phân nhánh và mạng sông phức tạp Vì

mô hình là một chiều nên nó tuân theo các giả thiết rằng điều kiện dòng chảy trên toàn dòng sông là đồng nhất, tuy nhiên những dòng chảy qua đập là vẫn có thể được mô phỏng Sự vận chuyển chất hòa tan trong mô hình cũng được giải quyết bằng phương trình cân bằng khối lượng như Qual2K nhưng MIKE 11 có thêm cả phương trình thủy lực xem xét các yếu tố động lực Mô đun (AD) có thể

mô phỏng phản ứng phân hủy bậc nhất của các yếu tố, nhưng để chi tiết cần sử dụng mô đun chất lượng nước (WQ) [1]

MIKE 11 cung cấp cho người dùng chuỗi thời gian của dòng chảy, độ sâu

và nồng độ của mỗi yếu tố ở từng đoạn sông, đồng thời mô hình cũng cung cấp cho người dùng biểu đồ số và các lựa chọn thống kê để hiển thị kết quả MIKE

11 là một bước tiến trong mô hình hóa dòng chảy cũng như chất lượng nước, tuy nhiên nó cũng gặp phải vấn đề cho các mô hình phức tạp là cần nhiều số liệu MIKE 11 đã cố gắng khắc phục vấn đề này bằng cách cho phép người dùng chạy với những mức độ khác nhau nếu quá trình phức tạp

1.2.1 Cơ sở lý thuyết mô-đun thủy động lực (HD)

Mô đun thủy động lực (HD) là phần trung tâm của hệ thống mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô đun khác bao gồm: dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và mô đun vận chuyển bùn cát Mô đun thủy lực trong MIKE 11 giải các phương trình tổng hợp theo phương dòng chảy để đảm bảo tính liên tục và bảo toàn của động lượng (hệ phương trình Saint Venant) [3, 4]

1.2.1.1 Hệ phương trình Saint Venant

Phương trình cơ bản của mô hình để tính toán cho trường hợp dòng không

ổn định là hệ phương trình bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng (hệ phương trình Saint Venant) với các giả thiết:

- Dòng chảy là dòng một chiều, độ sâu và vận tốc chỉ thay đổi theo chiều dọc của lòng dẫn

- Dòng chảy thay đổi từ từ dọc theo lòng dẫn để áp suất thủy tĩnh chiếm ưu thế, gia tốc theo chiều thẳng đứng được bỏ qua

- Trục của lòng dẫn được coi như một lòng thẳng

- Độ dốc đáy lòng dẫn nhỏ và đáy lòng dẫn cố định, bỏ qua hiện tượng xói và bồi

- Có thể áp dụng hệ số sức cản của dòng chảy rối đều, ổn định cho dòng không

) Q: Lưu lượng nhập lưu trên một đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s)

C: Hệ số Chezy

a: Hệ số sửa chữa động lượng

R: Bán kính thủy lực (m)

1.2.1.2 Phương pháp giải hệ phương trình Saint-Venant

Hệ phương trình Saint-Venant là một hệ gồm hai phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến bậc nhất Trong trường hợp tổng quát, hệ phương trình

có dạng này không giải được bằng phương pháp giải tích, do đó phải sử dụng phương pháp gần đúng (phương pháp số hóa) và MIKE-11 cũng dùng phương pháp này để giải hệ phương trình Saint-Venant với lược đồ sai phân hữu hạn 6 điểm sơ đồ ẩn Abbott-Inoescu [3, 4]

7

Sơ đồ 1.2 Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott cho phương trình liên tục

Sai phân hóa phương trình (3) tại bước thời gian thứ (n + 1/2), thu được các phương trình sai phân:

A0j: Diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lưới j – 1 và điểm lưới j;

A0j+1: Diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lưới j và điểm lưới j + 1;

Δ2xj: Khoảng cách giữa hai điểm lưới j – 1và j + 1

Thế vào các phương trình sai phân, rút gọn các hệ số thu được phương trình:

8

Với α, β, γ là hàm của b và δ, ngoài ra nó còn phụ thuộc vào giá trị Q và h tại bước thời gian n và giá trị Q tại bước thời gian n + 1/2

- Phương trình động lượng:

Sơ đồ 1.3 Sơ đồ sai phân 6 điểm cho phương trình động lượng

Sai phân hóa phương trình:

Thế vào các phương trình sai phân và rút gọn các hệ số, thu được phương trình động lượng viết dưới dạng:

(8)

(9)

(10)

(11)

cụ toán học để giải các ma trận này

Tính ổn định của phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình Saint-Venant được bảo đảm khi các điều kiện sau được thỏa mãn:

Số liệu địa hình phải tốt, giá trị cho phép tối đa với x (dx-max) được lựa chọn trên cơ sở này

Bước thời gian t cần thiết đủ nhỏ để điều kiện ổn định Courant được thỏa mãn Tuy nhiên, khi giải hệ phương trình Saint - Venant với sơ đồ ẩn thì điều kiện ổn định Courant không nhất thiết phải thỏa mãn

1.2.2 Cơ sở lý thuyết mô-đun truyền tải - khuyếch tán (AD)

Mô đun truyền tải khuếch tán (AD) được dùng để mô phỏng vận chuyển một chiều của chất huyền phù hoặc hòa tan (phân hủy) trong các lòng dẫn hở dựa trên phương trình để trữ tích luỹ với giả thiết các chất này được hòa tan trộn lẫn, nghĩa là không có thay đổi hay biến động trong cùng mặt cắt và dòng chảy không phân tầng (đồng đẳng) [3]

Phương trình truyền tải-khuyếch tán

(13) (12)

10

Trong đó:

A: Diện tích mặt cắt (m2

) C: Nồng độ (kg/m3

) D: Hệ số khuyếch tán

q: Lưu lượng nhập lưu trên 1 đơn vị chiều dài dọc sông (m2

/s) K: Hệ số phân hủy sinh học, K chỉ được dùng khi các hiện tượng hay quá trình xem xét có liên quan đến các phản ứng sinh hóa

C2: Nồng độ nguồn thải (kg/m3

)

Hệ số phân hủy sinh học K bao hàm trong đó rất nhiều các hiện tượng và phản ứng sinh hóa Hệ số này không cần xem xét trong bài toán lan truyền chất thông thường

Phương trình truyền tải-khuyếch tán thể hiện hai cơ chế truyền tải, đó là truyền tải đối lưu do tác dụng của dòng chảy và truyền tải khuyếch tán do Gradient hay

sự chênh lệch nồng độ gây ra

Sự khuếch tán theo chiều dọc sông gây ra do sự kết hợp của dòng chảy rối

và sự khuếch tán Sự phân tán dọc theo sông do ảnh hưởng của chảy rối lớn hơn rất nhiều so với sự phân tán hỗn loạn của các phân tử đơn lẻ Về mặt trị số, thành phần khuếch tán rối lớn hơn nhiều so với thành phần khuếch tán phân tử

Sự phân bố của thành phần khuếch tán rối trong dòng chảy là không đồng đều,

nó phụ thuộc vào hướng của tốc độ dòng chảy và khoảng cách đến thành ống, do

đó hệ số khuếch tán rối khác nhau theo các hướng khác nhau Quá trình truyền tải khuếch tán tuân theo định luật Fick

Hệ số khuếch tán được xác định như một hàm của dòng chảy trung bình

Trong đó a, b là hằng số do người dùng xác định

- Phương pháp giải phương trình truyền tải-khuếch tán

(14)

11

Phương trình truyền chất thường được giải theo phương pháp số với

sơ đồ sai phân ẩn trung tâm Sơ đồ sai phân hữu hạn này được xây dựng bằng cách xem xét lượng dòng chảy vào một thể tích kiểm tra xung quanh nút điểm j Các giới hạn biên của thể tích kiểm tra này là đáy sông, bề mặt nước và hai mặt cắt tại hai điểm j-1/2 và j+1/2

Sơ đồ 1.4 Sơ đồ sai phân

q: Lượng nhập lưu trên một đơn vị chiều dài dọc sông

(m2/s) At: Bước thời gian

Cq: Nồng độ của dòng nhập lưu (mg/l)

K: Hệ số phân huỷ

(15)

12

Phương trình truyền tải khuyếch tán

Trong đó

(D: hệ số khuếch tán

Thay thế và sắp xếp các phương trình trên lại, thu được một phương trình sai phân hữu hạn sơ đồ ẩn

Khi viết lại các phương trình với đầy đủ các bước thời gian thì cũng thu được một ma trận như trong mô đun tính toán thuỷ lực, để giải và tìm nghiệm của các ma trậnnày người ta cũng sử dụng các phương pháp toán học như trên Bằng sự trợ giúp của máy tính, việc giải các phương trình và ma trận trở nên nhanh hơn rất nhiều

1.2.3 Cơ sở lý thuyết mô-đun sinh thái (Ecolab)

Mô đun sinh thái (Ecolab) trong mô hình MIKE 11 giải quyết khía cạnh chất lượng nước trong sông tại những vùng bị ảnh hưởng bởi các hoạt động dân sinh kinh tế.v.v Mô đun này phải được đi kèm với mô đun tải - khuyếch tán

(16)

(17)

13

(AD), điều này có nghĩa là mô đun chất lượng nước giải quyết các quá trình biến đổi sinh học của các hợp chất trong sông còn mô đun tải - khuyếch tán (AD) được dùng để mô phỏng quá trình truyền tải - khuyếch tán của các hợp chất đó

Nước là môi trường sống và phát triển của rất nhiều loài động thực vật thủy sinh cũng như các vi sinh vật sống trong nước Chúng luôn luôn có sự tương tác qua lại với môi trường Do đó trong môi trường nước xảy ra rất nhiều các quá trình trao đổi phức tạp như sự hô hấp và phân hủy của các loại động thực vật, quá trình hấp thụ nhiệt.v.v Các quá trình này đều được mô hình hoá và đưa vào mô đun chất lượng nước Có thể tác động vào các quá trình này thông qua các hệ số hiển thị trong trình duyệt của mô đun chất lượng nước có trong mô hình [5]

Mô đun sinh thái tính toán tới 13 thông số chất lượng nước với 6 cấp độ khác nhau, mô phỏng và biểu diễn những quá trình chuyển hóa giữa các hợp phần có liên quan tới các quá trình Cụ thể như sau:

Tính toán lượng oxy hoà tan trong nước (Dissolved Oxygen – DO): bao

gồm các quá trình tương tác với ôxy khí quyển trên bề mặt, quá trình hô hấp và quang hợp của sinh vật dưới nước, tiêu thụ ôxy trong quá trình chuyển hoá ammonia thành nitrate, nhu cầu ôxy đáy;

Tính toán nhu cầu ôxy sinh hoá (Biological Oxygen Demand – BOD): có

thể tính toán được các hợp phần BOD riêng rẽ, đó là BOD lơ lửng, BOD dạng hòa tan trong nước và BOD trong lớp bùn đáy Mô hình còn cho phép tính toán các quá trình sinh hóa của BOD là quá trình phân rã BOD và các quá trình chuyển hóa giữa các hợp phần BOD

Tính toán phốtpho: mô hình cho phép tính toán hai hợp phần phốtpho riêng

biệt là Orthophophate và Particulate phosphorus, các quá trình sinh hóa xảy ra như thu nhận phốtpho từ quá trình phân rã BOD, tiêu hao phốtpho do sinh vật hấp thụ

14

Tính toán amonia: sinh ra do quá trình phân hủy BOD, tiêu hao do chuyển

hóa thành nitrate, do thực vật và vi khuẩn hấp thụ

Tính toán nitrate: sinh ra do quá trình chuyển hóa từammonia sang nitrate

(quá trình nitrate hoá), sút giảm do chuyển hóa thành nitơ tự do

Tính toán coliform: mô hình có thể tính được coliform theo hai hợp phần là

faecol coliform và tổng coliform Các quá trình biến đổi lượng coliform do chúng chết đi và nhận các hợp phần coliform từ các nguồn thải

Các giá trị tham số của mô hình chất lượng nước và sinh thái được liệt kê

và cho sẵn các giá trị ngưỡng của từng tham số ứng với các mức độ tính toán Điều này đặc biệt có ý nghĩa với việc hiệu chỉnh mô hình khi số lượng thông số

là rất nhiều Các lựa chọn để kết xuất dữ liệu cho phép lấy và kiểm tra các quá trình chuyển hóa giữa các hợp phần tính toán với nhau Với tính đồng bộ cao,

mô hình còn cho phép cập nhật các nguồn thải dưới dạng nguồn điểm hay nguồn diện trên từng đoạn sông

- Phương pháp số tính toán chất lượng nước trong mô hình MIKE

15

Hình 1.1 Sơ đồ chuyển hóa giữa các hợp phần trong các quá trình sinh hóa

16

Từ sơ đồ chuyển hóa giữa các hợp phần trong nước trên, có thể thu được các công thức tính toán tốc độ biến đổi nồng độ các hợp phần sinh hóa do chuyển hóa giữa chúng trong mô hình MIKE11 như sau:

VEGETATION ION

NITRIFICAT BODdecay

VEGETATION BODdecay

RESUSUSPENTION: tốc độ chuyển đổi lượng BOD từ đáy vào trong nước

do quá trình khuấy vật chất dưới đáy;

SEDIMENTATION: tốc độ chuyển đổi lượng BOD từ trong nước xuống đáy

17

BACTERIALUPTAKE: tốc độ chuyển hóa lượng Photphorus vào vi khuẩn; DEATHOFCOLIFORM: lượng mất Coliform do chết đi

Các cấp độ của mô hình như sau:

Trong phạm vi bài toán mô hình này thiết lập mô hình chất lượng nước Ecolab ở 2 cấp độ khác nhau do vấn đề về số liệu và yêu cầu của bài toán:

+ Cấp độ 1: Bao gồm số liệu chất lượng nước các thông số BOD và COD + Cấp độ 3: Bao gồm số liệu chất lượng nước các thông số BOD, COD, DO,

1.3 Những nghiên cứu chất lượng nước sử dụng mô hình MIKE 11

Mô hình MIKE 11 với rất nhiều ưu điểm của nó đã được sử dụng rất nhiều trong những nghiên cứu thủy văn, không dừng lại ở đó mô hình còn cho kết quả mô phỏng chất lượng nước rất tốt với hiệu quả mô hình rất cao.Theo Nghiên cứu áp dụng mô hình toán MIKE 11 tính toán chất lượng nước sông Nhuệ-sông Đáy nhóm các tác giả Lê Vũ Việt Phong, Trần Hồng Thái, Phạm Văn Hải đã nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 trong tính toán chất lượng nước (DO, BOD5, nhiệt độ) sông Nhuệ và sông Đáy sử dụng 4 mô đun là: mô đun mưa-dòng chảy (RR); mô đun thủy lực (HD); mô đun truyền tải-khuyếch tán (AD); mô đun sinh thái (Ecolab) Nghiên cứu đã sử dụng nguồn số liệu cho đầu vào thủy lực (HD) bao gồm số liệu địa hình sông Nhuệ 43 mặt cắt (từ Cống Liên Mạc đến Phủ Lý), số liệu lưu lượng và mực nước dùng làm biên trên, biên dưới và hiệu chỉnh kiểm định mô đun thủy lực tại 12 trạm thủy văn Mô hình chất lượng nước bao gồm số liệu nguồn ô nhiễm và nguồn thải cùng số liệu quan trắc nước mặt để hiệu chỉnh, kiểm định cho kết quả rất tốt với sai số tuyệt đối từ 0,15m đến 0,35m và mức hiệu quả của mô hình từ 88% đến 97% mô phỏng tính toán đối với thông số DO và BOD5

Theo Nghiên cứu áp dụng mô hình toán MIKE 11 tính toán dự báo chất lượng nước sông Cầu nhóm tác giả Trần Hồng Thái, Phạm Văn Hải, Trần Thị

18

Diệu Hằng đã sử dụng 3 mô đun là mô đun thủy lực HD, mô đun truyền tải khuyếch tán AD, mô đun sinh thái Ecolab Nguồn số liệu đầu vào cho mô đun thủy lực gồm 53 mặt cắt, số liệu lưu lượng, mực nước tại 7 trạm thủy văn sử dụng làm biên trên, biên dưới và hiệu chỉnh kiểm định Nguồn số liệu cho mô đun chất lượng nước gồm số liệu nguồn thải và nguồn gây ô nhiễm cùng với số liệu quan trắc nước mặt để hiệu chỉnh, kiểm định đã cho kết quả với hiệu quả

mô hình từ 99,1% đến 96,4 % đã mô phỏng hiệu chỉnh, kiểm định mô hình chất lượng nước với 4 thông số DO, T-N, T-P, Coliform Sau đó mô hình đã thực hiện 3 kịch bản với lưu lượng nước thải khác nhau đã đưa ra kết quả dự báo chất lượng nước sông Cầu theo kịch bản với thông số BOD5 và T-N

Trong nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 tính toán thủy lực, chất lượng nước cho lưu vực sông Sài Gòn- Đồng Nai tác giả Trần Hồng Thái, Hoàng Thị Thu Trang, Nguyễn Văn Thao, Lê Vũ Việt Phong đã sử dụng 3 mô đun là mô đun thủy lực HD, mô đun truyền tải-khuyếch tán AD, mô đun sinh thái Ecolab với nguồn dữ liệu đầu vào cho mô đun thủy lực HD gồm 42 mặt cắt sông và số liệu lưu lượng và mực nước tại 7 trạm thủy văn sử dụng làm biên trên, biên dưới và hiệu chỉnh, kiểm định Nguồn số liệu cho mô đun chất lượng nước là số liệu nguồn thải và nguồn ô nhiểm cùng số liệu quan trắc chất lượng nước mặt, mô hình đã tính toán và mô phỏng chất lượng nước DO và BOD5 với hiệu quả mô hình từ 90% đến 94%

Theo Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán MIKE 11 mô phỏng, đánh giá chất lượng nước hạ lưu sông Đồng Nai đoạn chảy qua thành phố Biên Hòa theo quy hoạch phát triển kinh tế xã hội đến năm 2020 của Phan Viết Chính đã sử dụng 3 mô đun là mô đun thủy lực HD, mô đun truyền tải-khuyếch tán AD và

mô đun sinh thái Ecolab với nguồn số liệu đầu vào cho mô đun thủy lực HD gồm 45 mặt cắt và số liệu lưu lượng, mực nước tại 4 trạm thủy văn làm biên trên, dưới và hiệu chỉnh kiểm định Số liệu nguồn thải và nguồn gây ô nhiễm cùng số liệu quan trắc chất lượng nước để hiệu chỉnh kiểm định Mô hình đã mô phỏng kiểm định 3 thông số DO, BOD5, nhiệt độ với hiệu quả mô phỏng Trên

19

cơ sở đó mô hình đã xây dựng các kịch bản chất lượng nước tới năm 2020 với các mức giả thiết lưu lượng xả thải khác nhau cho kết quả với thông số DO và BOD5

Cuối cùng Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán dự báo ô nhiễm và xác định nguồn gây ô nhiễm cho hạ lưu sông Sài Gòn Đồng Nai Nhóm các tác giả Trần Hồng Thái và những người khác đã sử dụng kết hợp mô hình MIKE11 với một số mô hình khác để tính toán chất lượng nước trên cơ sở đó dự báo chất lượng nước sông Sài Gòn- Đồng Nai đối với thông số DO, BOD5, T-N

Theo tất các nghiên cứu sử dụng mô hình MIKE 11 đã đề cập ở trên thường sử dụng để mô phỏng chất lượng nước tại thời điểm nghiên cứu, chưa có nhiều nghiên cứu để mô phỏng chất lượng nước Hơn thế, các nghiên cứu dự báo để có độ chính xác tin cậy và mang ý nghĩa thực tế cần có cở sở để đảm bảo rằng số liệu dự báo nguồn thải và dân số có độ tin cậy

Trên đây báo cáo đã tổng kết một số các nghiên cứu của các tác giả đã sử dụng mô hình MIKE11 để mô phỏng, dự báo chất lượng nước để thấy rằng đề tài sử dụng mô hình MIKE 11 để dự báo chất lượng nước sông Nhuệ (DO, BOD5, T-N) là hoàn toàn có cơ sở và có thể thực hiện với kết quả chính xác đáng tin cậy

20

CHƯƠNG 2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

2.1.1 Mục tiêu chung

Nhằm cung cấp cơ sở khoa học về sử dụng mô hình trong việc theo dõi và đánh giá chất lượng nước dòng sông, làm cơ sở để đưa ra các giải pháp bảo vệ nguồn nước và phát triển bền vững

2.1.2 Mục tiêu cụ thể

- Đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ thông qua kết quả áp dụng mô hình MIKE 11

- Dự báo chất lượng nước thượng lưu sông Nhuệ với 3 thông số DO, BOD,

NH4+-N tới năm 2020 và năm 2025 dựa trên kết quả đã được mô phỏng

- Đề xuất một số giải phải cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ

2.2 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên khóa luận cần thực hiện các nội dung chính sau:

- Nghiên cứu xây dựng mô hình MIKE 11 đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ

- Nghiên cứu đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ từ kết quả chạy mô hình thông qua chỉ số WQI và các thông số ô nhiễm

- Ứng dụng mô hình MIKE 11 dự báo chất lượng nước vùng thượng lưu sông Nhuệ tới năm 2020 và năm 2025

2.3 Phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là chất lượng nước thượng nguồn sông Nhuệ, đoạn chảy qua thành phố Hà Nội (từ cống Liên Mạc cho đến Cầu Chiếc), sử dụng mô hình MIKE 11 để nghiên cứu tương quan giữa nguồn thải và chất lượng nước sông Nhuệ trên khu vực nghiên cứu

Do đề tài thực hiện không có nguồn kinh phí chỉ dựa trên tài liệu thu thập nên không thể thực hiện đề tài với số liệu thủy văn và môi trường cập nhật tại

21

thời gian làm báo cáo, vì vậy đề tài đã phải sử dụng số liệu thủy văn và môi trường năm 2015 để mô phỏng, kiểm định chất lượng nước cũng là kiểm định độ chính xác của mô hình MIKE 11 trong nghiên cứu mô phỏng, sau đó giữ nguyên phần thủy văn năm 2015 để thay số liệu dự báo vào chạy mô hình để đưa ra kết quả dự báo Tuy nhiên theo kiến thức động lực học dòng chảy thì sông Nhuệ có động lực dòng chảy nhỏ, êm đềm và sông chỉ có thể bồi lắng một lượng nhỏ không đáng kể hàng năm nên ta có thể xem mặt cắt sông gần như không thay đổi theo thời gian hay mô đun Thủy Lực (HD) có thể sử dụng năm 2015

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp kế thừa tài liệu thứ cấp

Kế thừa tài liệu thứ cấp là phương pháp sử dụng những tư liệu đã được công bố bởi các công trình nghiên cứu khoa học, các văn bản mang tính pháp lý, những tài liệu điều tra cơ bản của các cơ quan có thẩm quyền… Liên quan đến

đề tài nghiên cứu khoa học Kế thừa tài liệu nhằm giảm bớt khối lượng công việc mà vẫn đảm bảo chất lượng hoặc làm tăng chất lượng của đề tài Phương pháp kế thừa tài liệu được sử dụng để thu thập các số liệu:

- Tư liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của khu vực nghiên cứu

- Tư liệu nêu trong một số giáo trình và tài liệu liên quan đến chất lượng nước sông, quy chuẩn chất lượng nước thải ở Việt Nam

- Các tài liệu thu thập trên mạng internet, báo chí…

2.4.2 Phương pháp tính toán ước lượng nhu cầu sử dụng và nước thải cho từng đoạn sông

Phương pháp tính toán ước lượng nhu cầu nước và nước thải được sử dụng trong báo cáo trong 2 bước:

- Bước 1: Xác định số liệu nguồn thải theo từng khúc sông năm 2015 dùng để chạy mô phỏng và kiểm định mô hình MIKE11, phần số liệu này một phần thu thập từ các tài liệu, một phần ước lượng theo phương pháp này

- Bước 2: Dự báo nhu cầu nước và lượng nước thải của từng nguồn đến năm

22

2020 và năm 2025, đều sử dụng phương pháp này xuất phát từ dự báo dân số và nhu cầu sử dụng nước, nước thải theo mục đich ví dụ sinh hoạt một người trung bình sử dụng bao nhiêu lít và lượng nước thải bằng 70% lượng nước sinh hoạt, nhu cầu sử dụng nước và thải nước của bệnh viện ước tính theo giường bệnh v.v

Một số nội dung trong phương pháp tính toán ước lượng nhu cầu sử dụng

và nước thải:

- Nước thải sinh hoạt được ước tính theo quy định TCXDVN 33/2006 của bộ xây dựng là lượng nước cấp trung bình 120l/người/ngày đối với khu vực thành thị và 80l/người/ngày đối với khu vực nông thôn Lượng nước thải được ước tính bằng 80% lượng nước cấp

- Nhu cầu nước dùng cho trồng trọt: mùa vụ cây trồng, diện tích các loại cây trồng, đặc trưng khí tượng khí hậu( lượng mưa, bức xạ mặt trời, nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, tốc độ gió) của 7 trạm khí tượng thủy văn trong vùng nghiên cứu, hiện trạng và quy hoạch thủy lợi

- Nhu cầu nước cho chăn nuôi thường không lớn tuy nhiên có những yêu cầu nhất định về chất lượng nguồn nước để đảm bảo an toàn sức khỏe cho vật nuôi Trong chăn nuôi nước dùng để cung cấp cho vật nuôi ăn uống, vệ sinh chuồng trại, và tạo môi trường sống Tiêu chuẩn dùng nước theo chăn nuôi được lấy theo

“Định mức nông nghiệp cùng công nghiệp thực phẩm 1990” (l/con/ngàyđêm)

+ Trâu, bò: 100l/con/ngàyđêm

+ Lợn: 80l/con/ngàyđêm

+ Gia cầm: 20l/con/ngàyđêm

+ Chăn nuôi gia đình lấy bằng 100% nước sinh hoạt theo các năm

+ Nhu cầu nước dùng cho nuôi trồng thủy sản: căn cứ vào hiện trạng mặt nước nuôi trồng thủy sản hiện có tại các địa phương, chủ yếu tính cho nuôi trồng thủy sản nước ngọt Tiêu chuẩn dùng nước cho nuôi trồng thủy sản của vùng được tính từ 8000 - 12000m3/ha/năm (cho ao hồ nhỏ và vùng ruộng trũng dành cho nuôi trồng thủy sản)

23

- Nhu cầu sử dụng nước cho sinh hoạt: dựa theo dân số của các quận huyện tại thời điểm nghiên cứu (theo niên giám thống kê của thành phố); định mức sử dụng nước; tỉ lệ dân số được cấp nước và số lượng sử dụng đối với nguồn nước cấp trong sinh hoạt; chất lượng nước cấp phải đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh do nhà nước quy định

2.4.3 Phương pháp mô hình

Phương pháp mô hình sử dụng mô hình MIKE 11 với mục đích mô phỏng yêu cầu 3 mô đun: mô đun thủy lực HD, mô đun truyền tải-khuyếch tán AD, mô đun sinh thái Ecolab Tích hợp 3 mô đun này ta có thể đưa ra kết quả mô phỏng chất lượng nước

Mô đun thủy lực HD với đầu vào gồm: mặt cắt, lưu lượng, mực nước làm biên trên, biên dưới, hiệu chỉnh, kiểm định Mô đun chất lượng nước WQ bao gồm truyền tải-khuyếch tán AD và sinh thái Ecolab, đầu vào của mô đun truyền tải khuyếch tán AD là số liệu nguồn thải bao gồm: vị trí, lưu lượng, nồng độ, và đầu vào của mô đun Ecolab mô tả các quá trình sinh học trong nước đực giả định

2.4.4 Phương pháp xử lí, tính toán số liệu

Sau khi có kết quả mô phỏng chất lượng nước thượng nguồn Sông Nhuệ, báo cáo tiến hành tính toán số liệu để đánh giá chất lượn nước Để thực hiện được điều đó báo cáo đã thực hiện tính toán chỉ số chất lượng nước WQI theo công thức tại Phần II, Sổ tay hướng dẫn tính toán chỉ số chất lượng nước ban hành kèm theo Quyết định số 879 /QĐ-TCMT ngày 01 tháng 7 năm 2011 của Tổng cục trưởng Tổng cục Môi trường

Các bước tính toán và công thức được trình bày trong phụ lục 3

24

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN - KINH TẾ - XÃ HỘI 3.1 Điều kiện tự nhiên

3.1.1 Vị trí địa lí

Sông Nhuệ tức Nhuệ Giang là một con sông nhỏ, phụ lưu của sông Hồng, bắt nguồn từ cống Liên Mạc (21005‟27” vĩ độ Bắc, 105046‟12” kinh độ Đông) lấy nước từ sông Hồng trong địa phận huyện Từ Liêm (thành phố Hà Nội) và điểm kết thúc là cống Phủ Lý khi hợp lưu với sông Đáy gần thành phố Phủ Lý (20032‟42” vĩ độ Bắc, 105054‟32” kinh độ Đông)

Hình 3.1 Bản đồ lưu vực sông Nhuệ

Lưu vực sông Nhuệ dài 74 km tính từ nguồn là cống Liên Mạc về đến cống Phủ Lý (Hà Nam) Trên địa phận Hà Nội sông có chiều dài 61,5km, diện tích

25

lưu vực khoảng 1.075 km2

Độ rộng trung bình của sông là 30-40m Sông chảy ngoằn ngoèo theo hướng Bắc - Nam ở phần thượng nguồn và theo hướng Tây Bắc - Đông Nam ở trung lưu và hạ lưu

3.1.2 Đặc điểm thổ nhưỡng

Do nằm trong vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng nên đất trong khu vực chủ yếu là đất phù sa của hệ thống sông Hồng và sông Đáy bồi đắp nên Mặc dù được bao bọc bởi các đê sông Hồng, sông Đáy song hầu như hàng năm phần lớn diện tích đất canh tác ít nhiều đều được tưới bằng nước phù sa lấy từ các cống tự chảy hoặc các trạm bơm Quá trình bồi tụ, hình thành và phát triển của các nhóm đất ở từng khu vực khác nhau đã tạo nên sự đa dạng về loại hình đất trong hệ thống Song nhìn chung chúng đều là loại đất ít chua và chua có hàm lượng mùn

và các chất dinh dưỡng ở mức độ trung bình đến nghèo Những khu vực cao ven sông Hồng, sông Đáy đất có thành phần cơ giới nhẹ chủ yếu là đất cát hoặc pha cát khá chua và nghèo chất dinh dưỡng Các vũng trũng ven sông Nhuệ, đất có thành phần cơ giới nặng hơn chủ yếu là loại đất thịt nặng và sét nhẹ ít chua và giàu các chất dinh dưỡng hơn

3.1.3 Đặc điểm khí hậu

Khí hậu Hà Nội tiêu biểu cho vùng Bắc Bộ với đặc điểm của khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, có mùa hè nóng ẩm, mưa nhiều và mùa đông lạnh, mưa ít Với một mạng lưới loại các trạm khí tượng dày đặc trải đều khắp địa bàn Hà Nội

3.1.3.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ không khí cao nhất tuyệt đối tới 42,8°C, thấp nhất tuyệt đối chỉ 2,7°C, trung bình năm dao động trong khoảng 23 - 24°C với cơ chế hoàn lưu gió

đã tạo ra sự phân hóa rõ rệt theo hai mùa:

- Mùa nóng từ tháng V-X, có nhiệt độ trung bình tháng từ 24,0°C đến 29,3°C Tháng có nhiệt độ trung bình cao nhất là tháng VII

- Mùa lạnh từ tháng XI-IV, có nhiệt độ trung bình tháng từ 16,6°C đến 21,6°C

26

Trong những năm gần đây, do ảnh hưởng chung của sự biến đổi khí hậu toàn cầu, nhiệt độ không khí có xu hướng tăng cao nên nền nhiệt độ không khí trung bình năm của những năm gần đây cũng tăng lên (như năm 1998 là 25,1°C)

3.1.3.2 Độ ẩm

Độ ẩm không khí trong khu vực nghiên cứu khá lớn, trung bình năm dao động trong khoảng 84 - 86% Mùa có mưa phùn (tháng III và IV hàng năm) là thời kỳ ẩm ướt nhất còn nửa đầu mùa đông (tháng XII và tháng I hàng năm), do ảnh hưởng gió mùa Đông Bắc khô hanh nên là thời kỳ khô nhất của năm Diễn biến của lượng bốc hơi phụ thuộc vào diễn biến của nhiệt độ và độ ẩm không khí Lượng bốc hơi tháng bình quân nhiều năm dao động trong khoảng 60 - 100

mm Tháng có lượng bốc hơi lớn nhất trong năm là tháng VII, tới 98 mm Thời

kỳ khô hanh đầu mùa đông cũng là thời kỳ có lượng bốc hơi lớn, trung bình dao động trong khoảng 90 - 95 mm Độ ẩm trung bình năm ở ngoại thành Hà Nội cao hơn ở nội thành (ngoại thành: 84%, nội thành: 79%) Thấp nhất vào tháng XI-XII là các tháng mùa khô (ngoại thành: 79,6%, nội thành 73,5%) Cao nhất vào tháng III các tháng mùa khô (ngoại thành: 87%, nội thành: 84%)

3.1.3.3 Lượng mưa

Khu vực nghiên cứu có lượng mưa khá lớn so với các vùng khác ở xung quanh, lượng mưa trung bình năm khoảng 1608,19 mm Do ảnh hưởng của địa hình đô thị nên vùng nội thành có lượng mưa năm lớn hơn vùng ngoại thành Lượng mưa năm lớn nhấttại Hà Nội là 2977,9 mm (2008, đo tại trạm Hà Đông) Lượng mưa năm nhỏ nhất tại Hà Nội là 917,84 mm (1976, đo tại trạm Sóc Sơn) Lượng mưa năm lớn nhất nhiều gấp 3,2 lần lượng mưa năm nhỏ nhất Mỗi năm trung bình có khoảng trên dưới 114 ngày có mưa Lượng mưa phân phối rất không đều theo thời gian trong năm Một năm hình thành hai mùa mưa và khô rất rõ rệt

Mùa mưa thường kéo dài 5 tháng, từ tháng V đến tháng X với tổng lượng mưa chiếm tới xấp xỉ 85% tổng lượng mưa năm Tháng mưa nhiều nhất thường

27

là VII hoặc VIII với lượng mưa chiếm tới trên 34,8% tổng lượng mưa năm Ba tháng liên tục có mưa lớn nhất trong năm là VII, VIII, IX Tổng lượng mưa của

ba tháng này chiếm tới trên 49% tổng lượng mưa năm Mùa khô thường kéo dài

7 tháng, từ tháng XI đến tháng IV năm sau với tổng lượng mưa chỉ chiếm khoảng 14,7% lượng mưa của cả năm Tháng ít mưa nhất thường là tháng XII hoặc tháng I với lượng mưa chỉ chiếm trên dưới 1,2% tổng lượng mưa năm Ba tháng liên tục mưa ít nhất là các tháng XII, I và II Tổng lượng mưa của ba tháng này chỉ chiếm khoảng 4,1% tổng lượng mưa năm Nguyên nhân gây mưa lớn ở khu vực nghiên cứu có nhiều: bão, áp thấp nhiệt đới, rãnh áp thấp nóng phía Tây

bị nén bởi cao áp phía Bắc kết hợp với sự xâm lấn của áp thấp vịnh Bắc Bộ và cao áp Thái Bình Dương, dải hội tụ nhiệt đới, bão kết hợp với không khí lạnh và xoáy thấp vịnh Bắc Bộ, đường đứt kết hợp với rãnh áp thấp nóng phía Tây bị nén và xoáy thuận tầng cao Ngoài ra, hoạt động của gió mùa Tây Nam hoặc Đông Nam cũng gây ra những trận mưa rào, mưa dông có cường độ lớn Hàng năm, khu vực nghiên cứu chịu ảnh hưởng của 8 - 10 cơn bão hoặc áp thấp nhiệt đới

3.1.4 Đặc điểm thủy văn

Sông Nhuệ tức Nhuệ Giang là một con sông nhỏ dài 74 km, diện tích lưu vực khoảng 1075 km2 (phần bị các đê bao bọc) chảy ngoằn ngoèo gần như theo hướng Bắc Tây Bắc - Nam Đông Nam qua địa phận thành phố Hà Nội và tỉnh

Hà Nam Điểm bắt đầu của nó là cống Liên Mạc, lấy nước từ sông Hồng trong địa phận huyện Từ Liêm (thành phố Hà Nội) và điểm kết thúc của nó là cống Phủ Lý khi hợp lưu với sông Đáy gần thành phố Phủ Lý (tỉnh Hà Nam) Sông chảy qua các quận, huyện, thị gồm quận Cầu Giấy, Hà Đông, huyện Từ Liêm, Thanh Trì, Hoài Đức, Thường Tín, Thanh Oai, Phú Xuyên và cuối cùng đổ vào sông Đáy qua cống Lương Cổ ở khu vực thành phố Phủ Lý Về mùa kiệt cống Liên Mạc luôn mở để lấy nước sông Hồng vào sông Nhuệ, còn về mùa lũ chỉ mở khi mực nước sông Hồng dưới báo động cấp I và trong đồng có nhu cầu cấp

28

nước Cống Lương Cổ về mùa lũ luôn luôn mở để tiêu nước và chỉ đóng lại khi

có phân lũ qua đập Đáy

Nối sông Đáy với sông Nhuệ còn có các sông nhỏ như sông La Khê (qua thành phố Hà Đông), sông Vân Đình, sông Duy Tiên, sông Ngoại Độ và một số sông nhỏkhác tạo thành một mạng lưới tưới tiêu tự chảy cho hệ thống khi điều kiện cho phép Sông Duy Tiên dài 21 km, mặt cắt sông rất rộng có chỗ lên tới gần 100m nhưng lại rất nông do ít được nạo vét, cao độ đáy hiện nay cao hơn thiết kế từ 2,0m đến 3,0m Sông Vân Đình dài 11,8 km nối sông Nhuệ với sông Đáy qua cống Vân Đình Sông La Khê dài 6,8 km được nối với sông Đáy qua cống La Khê

Mạng lưới sông, các kênh tiêu trong khu vực nghiên cứu khá phức tạp, lại

có các hướng tiêu thoát khác nhau, vì thế để có thể mô phỏng được vấn đề ngập lụt một cách chính xác cần phải xây dựng một hệ thống mạng tính toán bao quát được hết các chế độ thủy văn, các điều kiện tiêu thoát của cả sông Đáy, sông Nhuệ, các sông nối sông Đáy với sông Nhuệ và toàn bộ các kênh tiêu nội đồng

Ngoài hai con sông lớn đó, khu vực nghiên cứu còn có nhiều dòng chảy khác, tuy nhỏ và ngắn, song gắn chặt với lịch sử lâu đời của Hà Nội Đó là sông

Tô Lịch, gắn với sự hình thành của Hà Nội từ hơn 1500 năm trước Dòng chảy

cũ liền với sông Hồng ở đầu phố chợ Gạo đã bị lấp từ đầu thế kỷ 20, nay chỉ còn đoạn chảy giữa phố Thuỵ Khuê - Hoàng Hoa Thám, lên đến chợ Bưởi, rồi chảy ngoặt về phía 20 Nam Cầu Giấy, Ngã Tư Sở, xuôi về Cầu Bươu, hợp với sông Nhuệ, sông Thiên Đức, sông Nghĩa Trụ, sông Cheo Reo, Ngũ Huyện Giang, sông Kim Ngưu

Các sông trên khu vực nghiên cứu đa số bị tình trạng lấn chiếm, đổ phế thải hai bên bờ, cũng như bùn đất theo nước thải chảy xuống làm cho hẹp lại và nông Hiện Hà Nội đang thực hiện các dự án "xanh hóa" các con sông với các biện pháp như kè bờ, nạo vét, xây dựng hệ thống lọc nước thải trước khi đổ xuống sông

29

3.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội

Khu vực nghiên cứu là phần lớn thành phố Hà Nội, trung tâm chính trị, hành chính, kinh tế, văn hóa, giáo dục, y tế của cả nước nên tập trung các cơ quan đầu não của Chính phủ, các sứ quán nước ngoài và các tổ chức quốc tế; có nhiều đầu mối gia0 thông, dễ thông thương với bên ngoài

Có nguồn và chất lượng lao động khá tốt và đồng đều, có tiềm lực khoa học

kỹ thuật lớn mạnh, có nền tảng và điều kiện cơ sở vật chất kỹ thuật tốt cùng với nguồn tài nguyên du lịch dồi dào, có khả năng thu hút và hấp dẫn lượng khác du lịch trong và ngoài nước Đặc biệt hội tụ đầy đủ điều kiện và tiềm lực hội nhập với các khu vực tam giác phát triển của Châu Á và trên thế giới

Đây là khu vực có dân cư, KT - XH phát triển liên tục từ rất lâu đời, cho đến ngày nay vùng hữu ngạn sông Hồng vẫn là một vùng kinh tế - xã hội phát triển nhất châu thổ đồng bằng sông Hồng Đặc biệt trong giai đoạn hiện nay, khi nền kinh tế cả nước nói chung, ở lưu vực sông Nhuệ Đáy nói riêng phát triển khá mạnh mẽ Trong lưu vực này đã hình thành một mạng lưới đô thị phát triển với thủ đô Hà Nội (đô thị loại đặc biệt), thị xã Sơn Tây, và nhiều các quận, huyện khác

Tình hình kinh tế khu vực nghiên cứu; trong nhiều năm qua ngành công nghiệp đã có những bước phát triển mạnh mẽ Các khu công nghiệp, cơ sở công nghiệp đã được hình thành, phát triển và không ngừng được mở rộng với quy

mô lớn hơn và nhiều ngành nghề đa dạng hơn Tính đến hết năm 2011, Hà Nội

có 99.927 cơ sở sản xuất, kinh doanh, trong đó số các cơ sở thuộc khu vực kinh

tế ngoài nhà nước là 99.447 cơ sở (99,5%) Các làng nghề cũng được khôi phục, phát triển góp phần giải quyết công ăn việc làm, nâng cao đời sống của nhân dân, góp phần tích cực vào công cuộc công nghiệp hoá hiện đại hoá nông nghiệp

và nông thôn

Để xứng tầm với đô thị 10 triệu dân, Chính phủ đang có chương trình chiến lược ưu tiên phát triển Hà Nội thành một Thủ đô có quy mô lớn, tầm cỡ quốc tế, là trung tâm chính trị - hành chính quốc gia, trung tâm lớn về văn hoá,

30

khoa học, giáo dục, kinh tế và giao dịch quốc tế Ngoài ra việc quy hoạch và phát triển thủ đô cũng phải đảm bảo yêu cầu về bảo tồn các yếu tố lịch sử văn hóa của dân tộc Gắn tầm nhìn vào xu hướng phát triển của thủ đô trong tương lai, hài hòa với cảnh quan chung trong khu vực vùng

Nhìn chung, việc quy hoạch và phát triển thủ đô với mục tiêu đưa Hà Nội

trở thành trung tâm hành chính - chính trị, trung tâm văn hóa khoa học công nghệ và giáo dục quan trọng của cả nước, là trung tâm kinh tế - dịch vụ và thương mại trong nước và của cả khu vực

Những lợi ích về kinh tế do phát triển công nghiệp mang lại là rất lớn Bên cạnh đó, hoạt động công nghiệp đã gây tác hại vào môi trường cũng không phải là nhỏ