MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC

MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC

Chuyên đề: MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC

A MỤC ĐÍCH

Nhằm trang bị cho học viên các kiến thức cơ bản:

- Lý thuyết cơ sở về các quá trình cơ bản chuyển hoá các chất ô nhiễm trong nguồn nước, các nguyên lý cơ bản xây dựng mô hình chất lượng nước

- Các mô hình chất lượng nước và phạm vi ứng dụng trong thực tiễn

B YÊU CẦU

Học viên cần có kỹ năng về ngôn ngữ lập trình, toán ứng dụng và đã học các môn cơ sở về khoa học môi trường: hoá lý, thuỷ lực, sinh thái môi trường, hoá môi trường, ô nhiễm môi trường

C NỘI DUNG

Chương 1 Chất lượng nước và đánh giá chất lượng nguồn nước

Chương 2 Cơ sở lý thuyết MHCLN

Chương 3 Mô hình lan truyền và chuyển hoá các chất ô nhiễm trong dòng

chảy Chương 4 Thiết lập mô hình chất lượng nước, các mô hình DO&BOD

Chương 5 Giới thiệu các phần mền mô phỏng chất lượng nguồn nước

D TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Jerald L Schnoor Environmental Modeling John Wiley & Sons Inc, 1996

[2] A.James An Introduction to water quality modeling John Wiley & Sons Inc,

Chương 1 Chất lượng nguồn nước & Đánh giá chất lượng

nguồn nước

1.1 Nguồn nuớc và phân loại nguồn nước

1.1.1 Sự hình thành chất lượng và thành phần tính chất nguồn nước

Các yếu tố và các quá trình hình thành thành phần hoá học của nước thiên nhiên bao gồm hai nhóm: các yếu tố tác động trực tiếp và các yếu tố điều khiển các quá trình hình thành chất lượng nước diễn ra trong dòng chảy

Các yếu tố tác động trực tiếp

Khoáng vật, thổ nhưỡng, sinh vật và con người Các yếu

tố này tác động làm cho nồng độ các chất trong nước tăng lên

và giảm đi

Qúa trình khoáng vật hoá: diễn ra rất phức tạp, phụ thuộc vào đặc điểm của thành phần khoáng vật: nhan thạch hiếu nước,

kỵ nước và ngậm nước Các loại muối: NaCl, CaCO3, CaSO42-

Khoáng vật phong hoá: allluminoSilicat (nhôm silic) chiếm

phần lớn trong lớn vỏ trái đất phong hoá chuyển vào nước Khoáng vật sét: thành phần chính của nhan thạch

Thổ nhưỡng (đất trồng) : khác với thành phần khoáng vật,

thổ nhưỡng ngoài các thành phần vô cơ (90-95%) trong đất trồng còn có các thành phần hữu cơ và hữu cơ khoáng vật Thành phần hữu cơ có nguồn gốc: sản phẩm phân huỷ gốc động vật, thực vật

và sản phẩm của các quá trình sinh hoá trong đất

Sự xâm nhập vào môi trường nước phụ thuộc vào các yếu

tố khí tượng thuỷ văn, địa hình, lượng mưa và cường độ mưa

Sinh vật và con người

Các sinh vật có vai trò rất đa dạng và rộng rãi Thực hiện các chu trình sinh -địa-hoá: điều chỉnh cân bằng sinh thái, tạo

năng suất sinh học sơ cấp (tảo, phù du ) và các chất hữu cơ ban đầu (vi khuẩn cố định đạm)

Các hoạt động phát triển gây ô nhiễm nguồn nước

Các yếu tố điều khiển

Các yếu tố điều khiển bao gồm : khí hậu, địa hình, chế độ

thuỷ văn, sự phát triển của hệ thực vật thuỷ sinh

Khí hậu: ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng và nồng độ các

chất, nhiệt độ ảnh hưởng đến các phản ứng hoá học, sinh học

Địa hình: ảnh hưởng gián tiếp đến các quá trình khoáng hoá, xói

mòn và rửa trôi bề mặt

Chế độ thuỷ văn: thành phần của nước, nồng độ các chất hoá

học trong nước phụ thuộc vào dòng chảy Chiều dài dòng chảy, diện tích lưu vực

Qúa trình hình thành chất lượng nước

Qúa trình khuếch tán: là quá trình dịch chuyển các chất hoà tan, phân tán trong nước do ảnh hưởng của gradient nồng độ Tuân thủ theo định luật Fick

Qúa trình chuyển khối do khuếch tán đối lưu Vận chuyển (tải các chất trong dòng chảy, sự xáo trộn)

Các quá trình vận chuyển các chất vào trong nguồn nước

Thuỷ phân: phản ứng trao đổi giữa nước và các loại khoáng chất

Hoà tan:phá huỷ cấu trúc mạng tính thể của các loại muối

và phân ly thành các dạng ion

Các quá trình tách các vật chất khỏi nguồn nước

Bao gồm các qúa trình lắng: do tỷ trọng, nồng độ vượt giới hạn bảo hoà, qúa trình hấp phụ, quá trình keo tụ, các quá trình phản ứng giữa các hợp chất và các quá trình sinh thái chất lượng nước

3 Thành phần và tính chất của nước thiên nhiên

Các ion hoà tan

Nuớc là một dung môi rất tốt để hoà tan hầu hết các loại khoáng chất vô cơ, các axit, bazơ và các muối vô cơ Các ion

chủ yếu trong nước là các ion của các loại muối khoáng, Cl-,

các nguồn nước khoáng >99% trong tổng số các chất hoà tan

Hàm lượng các ion hoà tan phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, địa mạo và vị trí của thuỷ vực

Đặc điểm hình thành các ion hoà tan của các dòng chảy do các nhân tố chủ đạo quyết định: lượng nước mưa, bốc hơi và quá trình phong hóa

Các chất khí hoà tan

Hầu hết tất cả các chất khí (trừ CH4) đều có khả năng hoà tan hoặc phản ứng với nước Thành phần các chất khí phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên của nguồn nước

Các quá trình hình thành chất khí trong nước tự nhiên: hoà

tan từ khí quyển (O2, N2, CO2, các loại khí trơ ) sản phẩm từ

các quá trình sinh hoá (H2S,CH4,N2,CO2 ) và quá trình biến đổi

trong khoáng chất có sẵn trong nước ngầm

Nồng độ các chất khí hoà tan tuân thủ theo định luật Herry

Các chất rắn

Phân loại theo tỷ trọng: lắng được d>10-5m và lơ lửng

Theo kích thước: lọc được d >10-6m và không lọc được, các

hợp chất keo d = 10-6-10-9m và dạng hoà tan d <10-9m

Các chất hữu cơ

Hàm lượng chất hữu cơ thấp ít gây nguy hiểm đến việc sử dụng nguồn nước, nguợc lại bị ô nhiễm Các chất hữu cơ được chia thành các dạng dê phân huỷ sinh học và khó bị phân huỷ

Thành phần sinh học

Thành phần và mật độ cơ thể sống phụ thuộc vào : thành phần hoá học của nguồn nước, chế độ thuỷ văn, địa hình nơi cư trú, khí hậu

Các loại thuỷ sinh vật trong nước: vi khuẩn, nấm, siêu vi trùng, tảo, nguyên sinh động vật, động vật đa bào, động vật có xương, nhuyễn thể

Các hình thức sống trong nguồn nước rất đa dạng: dạng phù

du (plankton, phytoplankton, macroplanton); cá, sinh vật sống

bám, sinh vật đáy

Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc phân huỷ các chất hữu cơ, hỗ trợ quá trình tự làm sạch nguồn nước có ý nghĩa

to lớn về mặt sinh thái Các loại vi khuẩn chia thành hai loại : tự

dưỡng (heterophic) và dị dưỡng (autotrophic)

Phân loại nguồn nước

• Theo mục đích sử dụng được chia thành các loai nguồn nước: cấp cho sinh hoạt, và các mục đích khác như giải trí, tiếp xúc với nguồn nước và nuôi trồng các loại thuỷ sản

• Theo độ mặn thường theo nồng độ muối trong nguồn nước được chia thành nước ngọt, nước lợ và nước mặn

• Theo vị trí nguồn nước chia thành các nguồn nước mặt (sông, suối, ao, hồ ) nước ngầm

1.2.Chất lượng nguồn nước và đánh giá chất lượng nguồn nước

1.2.1 Chất lượng nguồn nước

1.2.2 Đánh giá chất lượng nguồn nước

Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nguồn nước

Các chỉ tiêu vật lý

Nhiệt độ Màu sắc Mùi, vị

Độ đục

Các chỉ tiêu hố học

Các chất lơ lửng, phân tán nhỏ

Các chất khí hồ tan Các ion hồ tan

Các chỉ tiêu sinh học

Vi trùng, vi khuẩn gây bệnh

1.3 Các nguồn gây ơ nhiễm mơi trường nước

1.3.1 Nước thải sinh hoạt từ các khu dân cư

1.3.3 Nước mưa chảy tràn

1.3.4 Các hoạt động từ tàu thuyền

Các nguồn khác: nước mưa, các vùng xử lý chất thải rắn

1.2 Mọ hỗnh chỏỳt lổồỹng nổồùc, ổùng duỷng trong cọng

tác quaớn lý CLNN

MHCLN là các phần mền tính tốn các chỉ tiêu phản ánh chất lượng nguồn nước Các chỉ tiêu bao gồm: các chỉ tiêu vật lý, hố học và 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

1.2.1 Lịch sử phát triển

Mô hình chất lượng nước là một trong những công cụ quản lý chất lượng nguồn nước một cách tổng quát và toàn diện, mang lại hiệu quả kinh tế cao Trong những năm gần đây được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực : dự báo ô nhiễm, đánh giá

xu thế biến đổi chất lượng nước, khai thác sử dụng hợp lý nguồn nước và làm cơ sở khoa học cho việc bảo vệ tổng hợp nguồn nước

Trong gần một thế kỷ, từ mô hình đơn giản đầu tiên cho đến nay sự phát triển MHCLN có thể được tóm tắt theo các giai đoạn sau :

Giai đoạn đầu thế kỷ 20

Mô hình chất lượng nước đầu tiên được Streeter-Phelps thiết lập 1925, mô phỏng sự thay đổi các chất hữu cơ BOD & D (độ thiếu hụt oxy) ở vùng hạ lưu các nguồn thải điểm trên dòng chảy sông Ohio 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 hụt oxy trong dòng chảy là do sự phân hủy các chất hữu cơ

Trong những năm của thập kỷ 30 -50, kết hợp các kết quả nghiên cứu lý thuyết về quá trình xáo trộn, khuếch tán rối vật chất trong dòng chảy của Taylor, Eder và các phương pháp tính toán sự lan truyền chất trên dòng chảy, Các tác giả cố gắng 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&D trên các dòng chảy với các chế

độ thủy lực khác nhau

Tuy nhiên, trong giai đoạn này do sự hạn chế của phương pháp tính, công cụ tính toán cũng như các điều kiện thực nghiệm trong dòng chảy nên các MHCLN chủ yếu tập trung giải quyết các vấn đề đặt ra trong các dòng chảy đơn giản kênh, sông với điều kiện ổn định, một chiều Kết quả đạt được trong giai đoạn này là các công thức thực nghiệm xác định hằng số tốc độ hoà tan oxy, các số liệu thống kê về hằng số tốc độ phân huỷ các chất hữu cơ trong các dòng chảy có chế độ thuỷ lực khác nhau

Giai đoạn thập kỷ 60

Trong giai đoạn này, cùng với công cụ tính toán mới (máy tính điện tử) các phương pháp tính toán được hoàn thiện, các phương pháp số giải bài toán thủy lực, bài toán lan truyền chất

triển tính toán với bài toán nhiều chiều hơn và xử lý các vấn đề

mà trước đây khi giải quyết còn gặp rất nhiều khó khăn Độ tin cậy của mô hình cũng được nâng cao hơn

Các vấn đề được quan tâm trong giai đoạn này là áp dụng vào tính toán trong thực tiễn các vấn đề như đề cập trên nhưng các

mô hình giải quyết các bài toán nhiều chiều hơn và các vấn đề phức tạp hơn Độ tin cậy của mô hình được nâng cao do bổ sung thêm các quá trình có ảnh hưởng đến sự phân bố nồng độ các chất hữu cơ trong dòng chảy :

- Qúa trình lắng các chất lơ lửng, phân tán nhỏ trong quá trình lan truyền

- Qúa trình giải phóng các chất từ lớp bùn đáy do sự cọ sát của dòng chảy với lớp bùn đáy

- Quá trình quang hợp và hô hấp của hệ thực vật thuỷ sinh

Các MHCLN được phát triển rất đa dạng Nếu như trước đây các mô hình thuần túy đánh giá những tác động của nguồn thải điểm đến chất lượng nước sông, các mô hình đã đề cập đến sự lan truyền trong dòng chảy của các sông rộng, vùng cửa sông Trong các ứng dụng vào thực tiễn, các nghiên cứu đã xác định các số liệu thực nghiệm về hằng số tốc độ hoà tan, hệ số chuyển hoá các chất trong dòng chảy Với các lưu vực có chế độ thuỷ

lực độ tin cậy của kết quả tính toán mô phỏng còn nhiều hạn chế

Giai đoạn thập kỷ 70

Thập kỷ 70, với sự hoàn thiện các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm xác định sự phân tán vật chất trong dòng chảy các MHCLN phát triển đa dạng hơn Đề cập đến vai trò của quá trình tự làm sạch của nguồn nước (khả năng chuyển hóa các chất bẩn của hệ động thực vật), các nghiên cứu tập trung thêm vào các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phú dưỡng nguồn nước Sự chuyển hóa các chất ô nhiễm trong chuổi thức ăn Sự tích lũy các chất ô nhiễm trong các sinh vật tiêu thụ Bước đầu, các nghiên cứu chỉ dừng lại ở các nghiên cứu sự phú dưỡng của các hồ chứa nước Đối với dòng chảy vấn đề này cũng đã được đề cập đến, tuy nhiên khi triển khai ứng dụng còn rất nhiều khó khăn trong việc đánh giá và hiệu chỉnh mô hình

Giai đoạn thập kỷ 80 đến nay

Cuối những năm 80 trở lại đây, Các MHCLN tập trung nghiên cứu mối quan hệ giữa các quá trình sinh thái -chất lượng nước trong dòng chảy Các mô hình được thiết lập dưới dạng đơn giản hơn nhưng độ tin cậy cao hơn

Thomann và Mueller (1987) mô hình hoá các ảnh hưởng

dưỡng trong dòng chảy đến chất lượng nước sông Các chất dinh dưỡng được đưa vào dòng chảy dưới dạng các nguồn thải điểm

Law và Chalup (1990) xây dựng MHCLN trên cơ sở sự phát triển của quá trình quang hợp và hô hấp của tảo Điều này

đã được Bowie bổ sung vào mô hình Qual 2E (1993) Di Toro và Fitzpatrick (1993) phát triển, bổ sung thêm mối quan hệ giữa các sinh vật lớn tiêu thụ (sinh vật tiêu thụ bậc I) sự chuyển hóa và tích lũy các chất dinh dưỡng

Hiện tại, hướng phát triển của MHCLN là nghiên cứu sự tích lũy các chất hữu cơ bền vững trong chuổi thức ăn, sự tích lũy các chất độc trong các cơ thể sống Mô phỏng phân bố nồng

độ các chất ô nhiễm trên các dòng chảy phức tạp như sự lan truyền các chất ô nhiễm từ các nguồn thải điểm, các nguồn thải phân tán, các nguồn thải phát sinh thêm trong quá trình chuyển hóa các chất ô nhiễm

Các áp dụng thực tiễn, được triển khai rộng ở các dòng chảy có chế độ phức tạp như các dòng chảy sông rộng, cửa sông, các vũng, vịnh và các vùng biển ven bờ

1.2.2 Phân loại MHCLN và phạm vi ứng dụng

MHCLN là các phần mền tính toán các chỉ tiêu phản ánh chất lượng nguồn nước như : các chỉ tiêu vật lý, hoá học và 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

Tùy thuộc đối tượng nghiên cứu, cách tiếp cận, các giả thiết khi thiết lập, các thông số và mối quan hệ giữa các quá trình khi thiết lập phương trình và các phương pháp số được áp dụng để tính toán nên mỗi mô hình có những thế mạnh và hạn chế khác nhau

Trên cơ sở mối quan hệ giữa các quá trình, các yếu tố hình thành và ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước, các MHCLN được chia thành hai loại : mô hình tính toán sự lan truyền, phân bố các chất ô nhiễm trong dòng chảy và 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 QualI, II; Stream I, II Loại mô hình này có ưu điểm và hạn chế sau :

- Cho kết quả nhanh về sự lan truyền, phân bố các chất từ các nguồn thải đến chất lượng nước Trên cơ sở 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

Nhược điểm là : 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 thời gian và không 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 So với loại mô hình trên 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 cơ 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 rất lớn và phức tạp

- Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình cũng như chuẩn hoá 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

Tuỳ thuộc đối tượng cụ thể, mục đích nghiên cứu đánh giá

mà các loại mô hình kể trên được thiết lập, tính toán mô tả các quá trình trong không gian 1 hoặc 2,3 chiều

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH

CHẤT LƯỢNG NƯỚC

2.1 Các phương trình cơ bản

Mô tả sự xáo trộn và lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy dựa trên cơ sở lý thuyết của quá trình khuếch tán rối Lý thuyết này đã được thừa nhận rộng rãi trên thế giới Phương trình vi phân cơ bản mô tả quá trình lan truyền và khuếch tán rối vật chất trong dòng chảy dựa trên các giả thiết cơ bản sau :

∂

∂+

∂

∂+

C D z y

C D y x

C D x z

C u y

C u x

x z

y

Trong đó :

Dx, Dy, Dz - Hệ số khuếch tán phân tử, m2/s

ux, uy, uz - Vận tốc dòng chảy theo các phương x,y,z, m/s

F(S) - Số hạng đặc trưng cho quá trình chuyển hoá các chất ô nhiễm bởi

các quá trình vật lý, hoá học và sinh học diễn ra trong dòng chảy Phương trình (2.1) là phương trình lý thuyết nửa kinh nghiệm mô tả quá trình tải

và khuếch tán đối lưu vật chất trong dòng chảy Khi áp dụng phương trình vi phân (2.1) giải bài toán xác định sự xáo trộn vật chất trong dòng chảy rối trong đường ống, Taylor (1954) từ các nghiên cứu thực nghiệm kiến nghị sử dụng hệ số khuếch tán tích phân để có thể xem xét ảnh hưởng của trường vận tốc trên tiết diện của mặt cắt ướt đến quá trình khuếch tán rối vật chất

Từ các nghiên cứu trên, phương trình vi phân (2.1) mô tả sự khuếch tán rối vật chất

trong dòng chảy được viết lại là :

( )S F z

C z

y

C y

x

C x

x

C u x

C u x

C u t

C

z y

x z

∂

∂

∂

∂ε

∂

∂

∂

∂ε

εx; εy; εZ - Hệ số khuếch tán rối tích phân tại điểm đang xét, hệ số xáo

trộn rối theo các phương x,y,z

Từ các phương trình (2.1), (2.2) cho thấy sự lan truyền các chất trong dòng chảy

rối trong mọi trường hợp phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy tại điểm đang xét

Trong dòng chảy tự nhiên, trên kênh, sông sự xáo trộn, khuếch tán của các chất

tại một điểm luôn luôn chịu ảnh hưởng của trường vận tốc theo phương ngang và phương

thẳng đứng, để làm rỏ sự khác biệt này so với dòng chảy trong ống thường sử dụng hệ số

phân tán rối Phương trình 2.2 được viết lại là :

( )S F z

C E y

C E x

C E x

C u x

C u x

C u t

C

z y

x z

Như vậy, quá trình phân tán rối vật chất trong dòng chảy là tổ hợp của quá trình

khuếch tán rối vật chất trong trường vận tốc dòng chảy có hướng và vận tốc khác nhau

2.2.Hệ số khuếch tán rối

Như đã phân tích ở trên, sự khuếch tán vật chất trong dòng chảy là quá trình

khuếch tán phân tử qua màng và khuếch tán đối lưu Hệ số khuếch tán rối chịu ảnh

hưởng của sự xáo trộn giữa các lớp dòng chảy rối có vận tốc khác nhau qua mặt cắt ngang

/2,10,11/ Các phương xáo trộn của nước thải với nước sông tại một điểm trên mặt cắt

ngang dòng chảy được thể hiện ở H.2

Trong thực tế, các hệ số khuếch tán rối thường được xác định giá trị trung bình với

tiết diện mặt cắt ướt của dòng chảy, không phụ thuộc vào tọa độ điểm tính toán và độ lớn

của nó phụ thuộc vào các yếu tố thủy lực của dòng chảy tại mặt cắt

• Hệ số khuếch tán rối theo phương thẳng đứng εz

Hệ số khuếch tán rối theo chiều thẳng đứng tại một điểm trên mặt cắt ngang được

xác định theo công thức :

εz k d u z

d

z d

⎝⎜ ⎞⎠⎟⎛⎝⎜ − ⎞⎠⎟

∗ 1 (2.4) Với :

u∗ = g d S : vận tốc trượt (vận tốc động lực) của dòng chảy tại mặt cắt

z : tọa độ điểm tính toán, m

k : hệ số rối Von Karman (k ≈ 0,40 )

d : chiều sâu trung bình của dòng chảy tại mặt cắt

S : độ dốc đáy của dòng chảy, m/m

g : gia tốc trọng trường, m/s2 Gọi ε là hệ số khuếch tán rối trung bình cho mặt cắt Z

định hệ số khuếch tán rối và đề xuất công thức kinh nghiệm về hệ số khuếch tán rối εz tại

một mặt cắt ngang của dòng chảy

εz = 0 067 , du∗ (2.5)

• Hệ số xáo trộn theo phương ngang εy

Fischer (1967,1969) bằng thực nghiệm xác định hệ số khuếch tán rối và đưa ra

công thức tính hệ số khuếch tán rối εy tại một điểm trên mặt cắt ngang của dòng chảy

ε y = 0 1 5 , d u ∗ (2.6)

Hình.2 Các phương xáo trộn của dòng chảy

Lau và Krishnapan (1977) bằng các thực nghiệm trong các dòng chảy tự nhiên trên

kênh, sông có các chế độ chảy khác nhau, kiến nghị mức độ sai số của hệ số εy

Dòng chảy trong kênh thẳng hình thang : εy = 0 15 du∗ ±50% (2.7) Sông có chế độ chảy êm : ε y = 0 6, d u∗ ± 5 0 % (2.8)

Sông hình dạng cong, khúc khủy : = ∗

u R

d u

c

3 2

25

ε (2.9) Trong đó :

u:vận tốc trung bình tại mặt cắt ngang dòng chảy, L.T-1

Rc :bán kính thủy lực, L

d : chiều sâu trung bình, L

Từ công thức (2.5) và (2.6) dễ dàng nhận thấy εy ≈ 10εz như vậy quá trình khuếch

tán rối theo phương ngang của dòng chảy lớn hơn rất nhiều so với quá trình khuếch tán

rối theo phương thẳng đứng

• Hệ số khuếch tán rối εx

Tương tự như việc xác định εz vàεy , Elder (1959) bằng thực nghiệm đã xác định

hệ số khuếch tán rối tại một điểm trên mặt cắt ngang theo chiều dòng chảyεx

∗

x 5 , 93

ε (2.10)

So sánh εx; εy và εz cho thấy : εx >> εy >> εz như vậy quá trình xáo trộn và pha

loảng các chất ô nhiễm diễn ra chủ yếu theo theo chiều của dòng chảy Hay nói một cách

khác sự xáo trộn, khuếch tán rối chất ô nhiễm tại một điểm nào đó tại mặt một điểm nào

đó trên cắt ngang dòng chảy chịu ảnh hưởng chủ yếu vào trường vận tốc của dòng chảy

tại mặt cắt ngang đó

• Hệ số phân tán dọc dòng chảy E x

Khi xem xét ảnh hưởng của trường vận tốc tại mặt cắt ngang lên sự khuếch tán dọc

theo chiều dòng chảy Fischer (1967) kiến nghị thay thế hệ số khuếch tán rối εx bằng hệ số

phân tán dọc dòng chảy E Hệ số này được xác định bằng cách chia nhỏ mặt cắt dòng

chảy ra thành nhiều đơn vị nhỏ để có thể xét được ảnh hưởng của trường vận tốc tại mặt

cắt lên sự xáo trộn và phân tán vật chất

= − ∫w ( − ) ∫ ∫y ′

y

y i

d u

u A

E

0

1 1

ε (2.11)

Với :

w : chiều rộng của dòng chảy tại mặt cắt đang xét, L

ui : vận tốc trung bình qua đơn vị mặt cắt i ,L.T-1

u: vận tốc trung bình trên toàn bộ mặt cắt, L.T-1

d : chiều sâu của mặt cắt đơn vị thứ i , L

εy = 0 6, du∗ hệ số khuếch tán rối theo phương ngang giữa tiết diện đơn vị

mặt cắt thứ i và i-1

Tích phân (2.11) ta được hệ số phân tán theo chiều dòng chảy tại mặt cắt ngang của dòng chảy

Từ các số liệu thực nghiệm Fisher đề xuất công thức kinh nghiệm tính hệ số phân

tán dọc E x tại mặt cắt ngang dòng chảy

du

u W

E x

2 2

011

0 (2.12)

2.2 Sự chuyển hoá các chất trong dòng chảy

Gỉa thiết rằng, các chất xâm nhập vào dòng chảy kênh, sông qua nước thải và các nguồn thải có kích thước đủ nhỏ (so với dòng chảy sông) để có thể coi như là các nguồn điểm Do trong nước thải có nồng độ các chất cao hơn trong nguồn nước nên sẽ xuất hiện

xu thế cân bằng nồng độ bằng cách vận chuyển các chất từ nước thải sang nước sông

Qúa trình vận chuyển chất được xảy ra bằng hai cách :

-Quá trình vận chuyển chất do dòng chảy (advection)

-Quá trình khuếch tán các chất do dòng chảy rối (turbulent disfusion)

Ngoài ra, tuỳ thuộc chế độ thuỷ lực của dòng chảy, tính chất thành phần các chất bẩn mà nồng độ các chất ô nhiễm trong dòng chảy còn phụ thuộc các quá trình : các quá trình vật lý (hấp thụ, hấp phụ, lắng, bay hơi ), hoá học (sự phân huỷ, tương tác hoá học )

và sinh học (tích tụ sinh học, phân huỷ, chuyển hoá )

Sự chuyển hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy là tổng hợp các quá trình thuỷ động học, thuỷ hoá, sinh học diễn ra trong nguồn nước Dưới góc độ sinh thái, đây là khả năng đảm bảo sự tự ổn định của hệ sinh thái khi có tác động từ bên ngoài Qúa trình chuyển hóa -phân huỷ các chất hữu cơ nhờ các loại vi sinh vật

Sự chuyển hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy có liên quan đến tất cả các quá trình sinh thái trong hệ sinh thái dòng chảy sông Các qúa trình sinh thái, mối quan hệ giữa các quá trình diễn ra trong dòng chảy khi tiếp nhận các chất thải từ các nguồn bên ngoài được mô tả hình 2.2

Từ sơ đồ ở hình 2.1 cho thấy sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ dễ phân hủy trong dòng chảy có liên quan đến các quá trình : vật lý, hóa học và sinh học diễn ra trong dòng chảy Các quá trình phân hủy sinh học, chuyển hóa đều có liên quan đến các quá trình sinh thái diễn ra trong dòng chảy : sự phát triển của thực vật nước, và các quá trình

có liên quan khác

2.2.1.Các quá trình sinh thái - chất lượng nước trong dòng chảy

2.2.1.Tảo

Sự phát triển của tảo trong dòng chảy sông

Sự phát triển của tảo trong sông chịu ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng, thủy văn, thành phần hóa học và các quá trình sinh học diễn ra trong dòng chảy

Cấu trúc chu trình phát triển của tảo như sau : sản xuất bậc I chuyển hóa các chất dinh dưỡng dạng vô cơ thành sinh khối của tảo; sản xuất bậc II của các loài động vật bậc

II nổi đi kèm với việc tiêu thụ tảo Chết và bài tiết sẽ giải phóng các chất hữu cơ dạng

Nitơ

Tảo

Quang hợp

Hô hấp Quang hợp

chất vẩn và dạng hòa tan Các con đường tái tạo sẽ chuyển các chất hữu cơ thành các dạng vô cơ là các chất cần thiết cho sản xuất bậc I

Sự phát triển của tảo trong nước được biểu thị bằng công thức sau :

( ) ( )0 A t p

p t

C =C eμ − (2.13) Trong đó :

μ -Hệ số tốc độ phát triển của tảo (ngày-1)

t -Thời gian (ngày)

Động học của quá trình phát triển của tảo

Động học của quá trình phát triển của tảo liên quan đến sự chuyển hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy sông Phương trình tổng quát

t -Thời gian (ngày)

μ -Hệ số sinh trưởng của tảo (ngày-1)

ζ -Hệ số hô hấp của tảo phụ thuộc vào nhiệt độ, hô hấp nội sinh và hô

hấp do quá trình trao đổi chất (ngày-1)

1

σ -Hệ số lắng, phụ thuộc nhiệt độ (ngày-1)

d -Chiều sâu cột nước (m)

Mối quan hệ giữa sự phát triển tảo và nồng độ các chất dinh dưỡng

Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo trong dòng chảy sông bao gồm : nhiệt độ, ánh sáng, các chất dinh dưỡng, sự mất đi, sự lắng của tảo, sự kìm hãm ức chế quá trình quang hợp và hình thái dòng chảy cũng như vận tốc dòng chảy

ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng nitơ, phốt pho và cường độ chiếu sáng đối với

sự phát triển của tảo được biểu thị dưới dạng sau :

μ μ= max f N F P f L( ) ( ) ( )

-Hàm của các chất dinh dưỡng được biểu thị qua biểu thức của Michaelis-Menton:

N -Nồng độ của nitơ vô cơ trong nước, NO3-

P - Nồng độ của PO 4 3- trong nước, mg/l

kN,kP - Hằng số Michaelis của Nitơ, Phốt pho

Iz - Cường độ ánh sáng ở độ sâu z (μE/m2s)

KI - Cường độ chiếu sáng cho sự sinh trưởng của tảo đạt 50% tốc độ lớn nhất

KI -Cường độ chiếu sáng cho sự sinh trưởng của tảo đạt 70% tốc độ lớn nhất

Theo hàm Steel ( ) (1 )

Z s

I I Z Z s

Iz -Cường độ ánh sáng cho sự sinh trưởng của tảo là cực đại (μ=μmax)

Trong tất cả các trường hợp trên, cường độ chiếu sáng theo độ sâu đều tuân theo định luật Beer Lambert với :

Z

I =I e−λ

Trong đó :

IS -Cường độ ánh sáng ở trên bề mặt

Z -Chiều sâu cột nước

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tốc độ phát triển của tảo được xem xét bằng phương trình của O’Neill

1 max max opt

T T X

T T max

T max opt

2.2.1.2.Chu trình nitơ trong nguồn nước và qúa trình nitrat hóa

Chu trình tuần hoàn nitơ

Nitơ cùng với phốt pho và các bon là các thành phần dinh dưỡng chủ yếu ảnh hưởng đến sự sản xuất trong thủy vực nước Tồn tại trong nước dưới một số dạng như Nitơ hữu cơ, nitơ amôn, nitơrit, nitrat Chu trình nitơ trong nước được mô tả trong hình 2.2

Qúa trình nitrat hóa

Qúa trình amôn hóa các hợp chất hữu cơ có chứa nitơ, như urê CO(NH2)2, nhóm amin do từ các nguồn thải đưa vào dòng chảy được thực hiện bởi các vi sinh vật gây thối

rửa như các loài Pseudomonas Flucrecens, P.aerugisa, Protens-Vulgarie theo các phản

ứng thủy phân sau

(NH CO H O2) + 2 (NH CO H O2) + 2

(NH CO H O2) + 2 (NH CO H O2) + 2

Sau đó trong nước xảy ra quá trình nitrat hóa, chuyển hóa amomonia thành nitrat Đây là quá trình hai giai đoạn được thực hiện bởi các vi sinh vật tự dưỡng như

Nitrosomonas, nitrobacter ở đó chúng sử dụng các bon vô cơ (CO2) là nguồn cácbon

Các phản ứng đặc trưng cho quá trình này được biểu thị bằng các phương trình sau

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

Qúa trình nitrat hóa trong sông phụ thuộc vào các yếu tố môi trường Các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình này là nồng độ các chất nền NH4-N, NO2-N, oxy hòa tan cũng như các điều kiện nhiệt độ, pH cho sự phát triển của các loại vi sinh vật tham gia quá trình này

Mối quan hệ của các yếu tố đến quá trình nitrat hoá được biểu thị bằng công thức của Michaelis-Mentons

μ -Hệ số tốc độ phát triển lớn nhất của vi sinh vật nitrat

Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình nitrat hóa

Tốc độ phát triển của các vi sinh vật nitrat chịu ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ Nhiệt độ tối ưu là 20-30oC.ở nhiệt độ nhỏ hơn 5oC hoặc nhiệt độ lớn hơn 45oC quá trình xảy ra rất yếu

Hàm lượng oxy hòa tan thấp ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình có thể biểu thị bằng quan hệ Warwick

ảnh hưởng của lượng oxy hòa tan đến quá trình nitrat hóa

Hàm lượng oxy thấp ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình nitrat hóa Sự phụ thuộc của tốc độ của quá trình nittrat hóa vào hàm lượng oxy hòa tan được biểu thị bằng phương trình phản ứng động học enzzym của Michaelis-Mentens

DO

φ -Hệ số ảnh hưởng của oxy đến quá trình nitrat, mg/l/ngày

max DO

φ -Hệ số ảnh hưởng lớn nhất của oxy đến quá trình nitrat hóa, (mg/l/ngày)

DO

k -Hằng số Michaelis của oxy, k DO=2mg/l (EPA, 1975) Trong trường hợp nồng độ oxy hòa tan quá nhỏ có thể lấy φDO =0

ảnh hưởng của nồng độ chất hữu cơ BOD đối với quá trình nitrat hóa

Sự phụ thuộc của quá trình nitrat hóa vào giá trị BOD được biểu thị bằng phương trình Curtis,1994

φBOD5 =1.2 0.035− BOD5

Ảnh hưởng của các chất ức chế, các chất hữu cơ dễ phân hủy và ánh sáng

Các chất kìm hãm như fomat, glucose làm tăng tốc độ phát triển của nitrosomonas (Bock, 1980) còn các chất pyruvat, acetat làm tăng tốc độ phát triển của nitrobacter Formiat, acetat, glucose, pepton có tác dụng kìm hãm quá trình oxy hóa các hợp chất amôn

Ảnh hưởng của hình thái dòng chảy và vận tốc dòng chảy

Qúa trình nitrat hóa xảy ra theo hai cách do các vi sinh vật lơ lửng cuốn theo dòng chảy và các vi sinh vật dính bám Hiệu suất của quá trình phụ tuộc chủ yếu vào các loại vi sinh vật nitrat hóa có dạng thực vật hoặc khả năng gắn kết vào các hạt lơ lửng, các giá thể

có sẵn trong dòng chảy

Động học của chu trình nitơ trong dòng chảy

Quá trình thủy phân

org

N -Nồng độ các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ, mg-N/l

1

α -Hệ số tỷ lệ nitơ trong sinh khối tảo, mg-N/mg-A

ξ -Hệ số hô hấp của tảo, ngày-1

4

σ -Hệ số lắng của các hợp chất hữu cơ, ngày-1

3

β -Hệ số thủy phân của các hợp chất hữu cơ, ngày-1

A -Nồng độ sinh khối tảo, mg-A/l Qúa trình ammôn hóa

3 4

μ -Hệ số tốc độ sinh trưởng của tảo, ngày-1

Qúa trình Nitrit hóa

(1−F) -Hệ số tỷ lệ NO3− tiêu thụ do tảo

2.2.1.3 Sự phân hủy các chất hữu cơ

Quá trình phân huỷ sinh hoá các chất hữu cơ

Tốc độ phân hủy sinh hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy phụ thuộc vào tốc độ phát triển các vi sinh vật, sự phát triển của các vi sinh vật tỷ lệ với tốc độ phát triển lớn nhất max

Đối với nhiều chất nền, k s có giá trị cỡ 10-1 μg/ml Nếu giá trị này lớn hơn đáng kể so

với S , sự biến mất của chất nền là quá trình bậc một theo cả B và S

Động học của quá trình phân hủy chất hữu cơ

Giả thiết tốc độ phân hủy các chất hữu cơ tuân theo quy luật của phản ứng bậc một Qúa trình phân hủy các chất hữu cơ trong dòng chảy được mô tả bằng phương trình

d

dL

k L dt

− = (2.21) Trong đó :

kd - Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1

L -Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD, mg/l Hằng số này thay đổi theo thành phần các chất hữu cơ Hằng số có giá trị càng lớn, tốc độ phân hủy càng nhanh

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ T của hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ được xác định bằng công thức Van't Hoft - Arrhenius :

( )

k d = k d T−

20 20

θ (2.22) Trong đó :

kd -Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy -phản ứng phân hủy các chất hữu cơ (T-1)

kd,20 -Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy ở nhiệt độ 20oC

θ -Hệ số thực nghiệm (θ ≈ 1 , 048)

Ảnh hưởng của dòng chảy đến sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ

Trong dòng chảy tự nhiên, sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ phụ thuộc vào chế

độ thủy lực của dòng chảy (vận tốc dòng chảy, chế độ xáo trộn khối nước thải với nước sông) đã có ảnh hưởng của yếu tố dòng chảy đến sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ trong dòng chảy Do các quá trình như : thay đổi nồng độ do sự keo tụ, lắng các chất hữu

L -Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD (mg/l)

1

k ,k d -Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ (ngày-1)

3

k , k s -Hệ số tốc độ giảm các chất hữu cơ do quá trình lắng (ngày-1)

Hệ số tốc độ chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy(k r=kd+ks=k1+k3)

2.2.1.4.Cân bằng oxy trong dòng chảy

Cân bằng oxy hòa tan

Cân bằng oxy trong dòng chảy sông là khả năng chứa và quá trình hòa tan oxy từ không khí qua bề mặt thoáng của dòng chảy

oxy hòa tan

Trao đổi oxy

tự nhiên

Nitrat hóa Khử nitrat hóa

Nhu cầu oxy

do hô hấp Nhu cầu oxy

của bùn đáy

Nhu cầu oxy

phân hủy sinh hóa

Bổ sung do quá

trình quang hợp

Các quá trình ảnh hưởng đến nồng độ oxy hòa tan

Các quá trình tiêu thụ oxy trong dòng chảy bao gồm : quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa, quá trình hô hấp của hệ thực vật nước, quá trình oxy hóa các chất ở lớp bùn đáy và sự phân hủy các hợp chất hữu cơ

Các quá trình bổ sung lượng oxy hòa tan bao gồm : quá trình hòa tan và khuếch tán oxy từ môi trường không khí qua bề mặt thoáng, quá trình quang hợp của hệ thực vật nước

Như vậy, từ các phân tích các quá trình sinh hóa trong dòng chảy ta có phương trình tổng quát mô tả cân bằng oxy hòa tan trong dòng chảy :

k dDO

dt = − + α μ α ζ− − − d −α β + −α β − (2.25)

Trong đó :

k2 (ka) - Hằng số tốc độ khuếch tán oxy qua bề mặt thoáng, ngày-1

k1(kd) - Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1

A - Nồng độ sinh khối tảo, mgA/l k4 - Nhu cầu oxy của quá trình hô hấp trong lớp cặn đáy,

mg/m2.ngđ

DO - Nồng độ oxy hòa tan, mg/l

DOBH - Nồng độ oxy hòa tan trạng thái bão hòa, mg/l

L - Nồng độ chất hữu cơ theo BOD, mg/l

d - Chiều sâu cột nước trung bình, m

α3 - Hệ số tốc độ sản xuất oxy do quá trình quang hợp của một

đơn vị sinh khối tảo, mgO/mgA

α4 - Hệ số tốc độ tiêu thụ oxy của quá trình hô hấp một đơn vị

sinh khối tảo, mgO/mgA

α5 - Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy khi oxy hóa một đơn vị NH4+

(mgO/mgN)