Luận án tiến sĩ khoa học môi trường đánh giá chất lượng nước, tính toán khả năng chịu tải của sông nhuệ đáy trong bối cảnh biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế xã hội

134 Trang 15 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AD ASPT Truyền tải- Khuếch tán Chỉ số đa dạng sinh học BOD BVMT CCN Nhu cầu ôxy sinh hóa Bảo vệ môi trường Cụm công nghiệp COD Nhu cầu ôxy hóa học CW

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN TOÀN THẮNG

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC, TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA SÔNG NHUỆ - ĐÁY TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ PHÁT TRIỂN KINH TẾ XÃ HỘI

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI, NĂM 2018 Luận án tiến sĩ Môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN TOÀN THẮNG

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC, TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA SÔNG NHUỆ - ĐÁY TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ PHÁT TRIỂN KINH TẾ XÃ HỘI

CHUYÊN NGÀNH: MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Lê Văn Thiện

PGS.TS Trần Hồng Thái

HÀ NỘI, NĂM 2018 Luận án tiến sĩ Môi trường

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực từ kết quả tham gia thực hiện đề tài nghiên cứu và luận án Để thực hiện luận án tôi đã trực tiếp tham gia vào đề tài nghiên cứu và được chủ trì đồng ý để phục vụ cho luận án của tôi như

là kết quả đào tạo của đề tài Một số kết quả đã được chúng tôi công bố trên tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của đồng tác giả phù hợp với các quy định hiện hành

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này và các kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án của mình

Tác giả luận án

Nguyễn Toàn Thắng

Luận án tiến sĩ Môi trường

LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành luận án này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Văn Thiện, người đã trực tiếp hướng dẫn chỉ bảo tận tình, cho tôi những kiến thức bổ ích trong quá trình thực hiện luận án

Tôi cũng xin đặc biệt gửi lời cảm ơn PGS.TS Trần Hồng Thái đã giúp đỡ

và hỗ trợ tôi rất nhiều và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình nghiên cứu luận án Tôi cũng nhận được sự động viên và giúp đỡ tận tình của các thầy cô, các anh chị và các bạn trong nhóm nghiên cứu tại Bộ môn Thổ nhưỡng

và Môi trường đất, Khoa Môi trường, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ qúy báu đó

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới sự giúp đỡ, động viên của gia đình và bạn

bè trong quá trình học tập và thực hiện luận án này

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Toàn Thắng

Luận án tiến sĩ Môi trường

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH ix

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xiii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

4 Những đóng góp mới 2

5 Cấu trúc của luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Tổng quan các nghiên cứu về môi trường nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy 4

1.1.1 Xây dựng và ban hành cơ chế chính sách, thể chế 4

1.1.2 Nghiên cứu về quản lý sử dụng hợp lý tài nguyên nước của lưu vực sông 5 1.1.3 Nghiên cứu về kiểm soát ô nhiễm trên lưu vực 6

1.1.4 Nghiên cứu áp dụng các mô hình mô phỏng để phân tích đánh giá hiện trạng, dự báo và đề xuất các giải pháp quản lý bền vững 7

1.2 Tổng quan về cơ sở khoa học của phương pháp đánh giá khả năng tự làm sạch dựa vào các quá trình trong nước sông 8

1.2.1 Các khái niệm 8

1.2.2 Nước sông và các quá trình xảy ra trong nước sông 9

1.2.3 Vai trò của oxy trong quá trình tự làm sạch (TLS) nước sông 10

1.2.4 Vai trò của vi khuẩn trong quá trình TLS nước sông 10

1.2.5 Vai trò của hệ động thực vật thủy sinh trong quá trình TLS nước sông 11

1.2.6 Vai trò của các quá trình xáo trộn, lắng đọng trong quá trình TLS nước sông 14

1.3 Tổng quan cơ sở lý thuyết các mô hình mô phỏng dòng chảy, thủy lực và khuếch tán 14

1.3.1 Cơ sở lý thuyết mô hình mưa – dòng chảy (NAM) 14

1.3.2 Cơ sở lý thuyết mô hình diễn toán thủy lực (mô đun thủy lực) 16

1.3.3 Cơ sở lý thuyết mô hình chất lượng nước 17

1.4 Tổng quan các nghiên cứu về ngưỡng chịu tải và khả năng tự làm sạch của môi trường nước sông 20

1.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước 20

1.4.2 Các nghiên cứu ứng dụng trong nước 25 Luận án tiến sĩ Môi trường

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG 29

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 29

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 29

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 29

2.1.3 Phạm vi nghiên cứu 29

2.2 Phương pháp nghiên cứu 31

2.2.1 Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu 31

2.2.2 Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa 31

2.2.3 Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm 32

2.2.4 Phương pháp sử dụng mô hình toán để tính toán chất lượng nước, khả năng tự làm sạch trong bối cảnh BĐKH và kịch bản phát triển KT-XH 32

2.2.5 Phương pháp đánh giá ngưỡng chịu tải dựa vào tải lượng chất ô nhiễm 37

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Đặc điểm điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội vùng nghiên cứu 45

3.1.1 Đặc điểm tự nhiên 45

3.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 55

3.1.3 Mục tiêu, chiến lược phát triển KTXH tại các địa phương 60

3.2 Hiện trạng khai thác và sử dụng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy 61

3.2.1 Hệ thống công trình thủy lợi 61

3.2.2 Nhu cầu sử dụng nước trong lưu vực 65

3.3 Đánh giá hiện trạng môi trường nước LVS Nhuệ - Đáy 67

3.3.1 Đánh giá các nguồn thải gây ô nhiễm môi trường sông Nhuệ - sông Đáy 67 3.3.2 Diễn biến chất lượng nước LVS Nhuệ - Đáy 68

3.4 Dự báo ngưỡng chịu tải của LVS Nhuệ - Đáy trong bối cảnh BĐKH theo kịch bản phát triển KT-XH 80

3.4.1 Áp dụng mô hình NAM khôi phục số liệu biên đầu vào cho mô hình thủy lực và chất lượng nước 80

3.4.2 Áp dụng mô hình MIKE 11 tính toán thủy lực lưu vực sông Nhuệ sông Đáy 83

3.4.3 Áp dụng mô hình MIKE 11 tính toán chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ sông Đáy 95

3.4.4 Đánh giá Đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước của LVS Nhuệ - Đáy 109

3.5 Đánh giá khả năng tự làm sạch dựa vào quá trình của sông 129

3.6 Phân tích, đánh giá tổng hợp và dự báo ngưỡng/sức chịu tải của LVS Nhuệ - Đáy 134

3.6.1 Phân tích, đánh giá tổng hợp ngưỡng/sức chịu tải nước sông 134 Luận án tiến sĩ Môi trường

3.6.2 Đánh giá và dự báo ngưỡng/sức chịu tải nước sông 136

3.7 Đề xuất các giải pháp quản lý, bảo vệ môi trường và khắc phục tình trạng ô nhiễm LVS Nhuệ - Đáy 139

3.7.1 Đề xuất các giải pháp quản lý và bảo vệ môi trường 139

3.7.2 Đề xuất các giải pháp khắc phục tình trạng ô nhiễm 143

Kết luận 148

Kiến nghị 150

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ 1

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 1

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

Tiếng Việt 1

Tiếng Anh 8

PHỤ LỤC 10

Luận án tiến sĩ Môi trường

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Thành phần hóa học trung bình của nước sông 9

Bảng 2.1: Phạm vi lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy 30

Bảng 2.2: Các phương pháp phân tích áp dụng trong nghiên cứu 32

Bảng 2.3: Danh sách các trạm thủy văn trên lưu vực sông Nhuệ, sông Đáy có sử dụng số liệu lưu lượng 35

Bảng 2.4: Các trạm đo mưa và bốc hơi được sử dụng để tính toán dự báo thủ văn cho các trạm thượng nguồn hệ thống sông Đáy, sông Hoàng Long 36

Bảng 2.5: Thời gian và mục đích sử dụng số liệu tại các trạm thủy văn trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy 36

Bảng 2.6: Trọng số của các trạm mưa cho thượng nguồn sông Hoàng Long - tính theo phương pháp đa giác Thiessen 36

Bảng 2.7: Trọng số của các trạm mưa cho thượng nguồn sông Đáy - tính theo phương pháp đa giác Thiessen 36

Bảng 2.8: Công thức tính toán tải lượng ô nhiễm đưa vào nước sông 41

Bảng 3.1: Phân phối dòng chảy năm các trạm thuộc lưu vực sông Đáy 49

Bảng 3.2: Đặc trưng mực nước trạm Hà Nội khi có hồ 50

Bảng 3.3: Mực nước trung bình tháng nhiều năm thời kỳ mùa kiệt tại một số vị trí trên sông Nhuệ 51

Bảng 3.4: Số dân các tỉnh trong LVS Nhuệ- Đáy 55

Bảng 3.5: Giá trị sản xuất Công nghiệp - TTCN tại các tỉnh 56

Bảng 3.6: Giá trị sản xuất nông nghiệp của các tỉnh trong LVS Nhuệ Đáy qua các năm 57

Bảng 3.7: Diện tích, năng suất, sản lượng một số cây trồng chủ yếu 58

Bảng 3.8: Diễn biến đàn gia súc trong lưu vực 58

Bảng 3.9: Hiện trạng rừng có đến 31/12/2015 phân theo địa phương 59

Bảng 3.10: Tình hình sản xuất thủy sản các tỉnh LVS sông Nhuệ - Đáy 60

Bảng 3.11: Một số chỉ tiêu KTXH chính của các tỉnh thành phố lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy định hướng thời kỳ 2020-2030 61

Bảng 3.12: Tổng hợp nhu cầu dùng nước cho các hộ sử dụng nước chính thời kỳ 2012-2014 (m3) 65

Bảng 3.13: Kết quả thống kê số nguồn thải và loại hình trên LVS Nhuệ - Đáy đến năm 2015 67

Luận án tiến sĩ Môi trường

Bảng 3.14: Tình hình xử lý cơ sở ô nhiễm môi trường nghiêm trọng theo Quyết

định số 64/2003/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ 67

Bảng 3.15: Các cơ sở gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng mới phát sinh 68

Bảng 3.16: Giá trị các thông số mô hình mưa- dòng chảy (NAM) 81

Bảng 3.17: Kết quả hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình mưa - dòng chảy 82

Bảng 3.18: Phân tích hiệu quả và sai số của hiệu chỉnh mô hình 86

Bảng 3.19: Phân tích hiệu quả và sai số của kiểm nghiệm mô hình 91

Bảng 3.20: So sánh kết quả tính toán và thực đo một số chỉ tiêu chất lượng nước trên sông Đáy, tháng 5/2014 104

Bảng 3.21: So sánh kết quả tính toán và thực đo một số chỉ tiêu chất lượng nước trên sông Nhuệ, tháng 5/2014 104

Bảng 3.22: So sánh kết quả tính toán và thực đo một số chỉ tiêu chất lượng nước trên sông Đáy, tháng 5/2015 108

Bảng 3.23: So sánh kết quả tính toán và thực đo một số chỉ tiêu chất lượng nước trên sông Nhuệ, tháng 5/2015 108

Bảng 3.24: Phân đoạn sông nghiên cứu tính toán khả năng 109

Bảng 3.25: Phần trăm diện tích chiếm dụng của từng đoạn sông tiếp 111

Bảng 3.26: Thống kê các đoạn sông và vị trí trong mô hình toán đã thiết lập 116

Bảng 3.27: Số liệu lưu lượng nước sông 116

Bảng 3.28: Tổng tải lượng ô nhiễm đầu vào ước tính theo các đoạn sông 117

Bảng 3.29: Tổng tải lượng ô nhiễm ước tính theo các đoạn sông 119

Bảng 3.30: Tổng tải lượng ô nhiễm ước tính theo các đoạn sông 120

Bảng 3.31: Số liệu lưu lượng thải đối với từng đoạn sông 121

Bảng 3.32: Tải lượng ô nhiễm tối đa cho LVS Nhuệ - Đáy theo mục đích sử dụng B1 tưới tiêu thủy lợi (kg/ngày) 122

Bảng 3.33: Tải lượng ô nhiễm tối đa cho đoạn sông Nhuệ sông Đáy theo mục đích sử dụng B2 cho giao thông thủy và các mục đích khác (kg/ngày) 123

Bảng 3.34: Tải lượng ô nhiễm tối đa cho đoạn sông Nhuệ sông Đáy theo mục đích sử dụng A2 cho cấp nước sinh hoạt có áp dụng công nghệ xử lý phù hợp (kg/ngày) 124

Bảng 3.35: Khả năng tiếp nhận nước thải của đoạn sông Nhuệ sông Đáy theo mục đích sử dụng B1 tưới tiêu thủy lợi (kg/ngày) 125

Bảng 3.36: Khả năng tiếp nhận nước thải của đoạn sông Nhuệ sông Đáy theo mục đích sử dụng B2 cho giao thông và các mục đích sử dụng khác (kg/ngày) 126

Luận án tiến sĩ Môi trường

Bảng 3.37: Khả năng tiếp nhận nước thải của đoạn sông Nhuệ sông Đáy theo mục đích sử dụng A2 cho nước cấp sinh hoạt có áp dụng công nghệ xử lý phù hợp (kg/ngày) 128

Bảng 3.38: Khả năng tự làm sạch chất ô nhiễm dựa vào mô hình của từng đoạn trên sông Nhuệ sông Đáy 130

Bảng 3.39: Dự báo tổng lượng nước thải LVS Nhuệ - sông Đáy 137

Bảng 3.40: Dự báo tải lượng chất ô nhiễm các nguồn thải chính trong LVS Nhuệ

- Đáy đến năm 2020 và 2030 được xử lý 80% 138

Luận án tiến sĩ Môi trường

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ chuyển hoá giữa các hợp phần trong các quá trình sinh học 19

Hình 1.2: Phân chia đoạn sông để xác định tải lượng ô nhiễm tối đa theo ngày TMDLs trong lưu vực sông Coosa 23

Hình 2.1: Sơ đồ cách tiếp cận thực hiện của đề tài luận án 33

Hình 3.1: Phân bố dòng chảy trung bình tháng (m3/s) - trạm 47

Hình 3.2: Phân bố dòng chảy trung bình tháng (m3/s) - trạm 47

Hình 3.3: Bản đồ vị trí các điểm quan trắc trên LVS Nhuệ - Đáy 69

Hình 3.4: Giá trị DO trên sông Nhuệ giai đoạn 2011- tháng 7/2015 70

Hình 3.5: Giá trị DO trên sông Đáy giai đoạn 2011- tháng 7/2015 70

Hình 3.6: Giá trị DO trên sông khác thuộc LVS Nhuệ - Đáy giai đoạn 2011-T7/2015 71

Hình 3.7: Giá trị DO trên sông nội thành giai đoạn 2011- tháng 7/2015 71

Hình 3.8: Giá trị BOD5 trên sông Nhuệ giai đoạn 2011- tháng 7/2015 72

Hình 3.9: Giá trị BOD5 trên sông Đáy giai đoạn 2011- tháng 7/2015 72

Hình 3.10: Giá trị BOD5 trên sông khác giai đoạn 2011- tháng 7/2015 72

Hình 3.11: Giá trị BOD5 trên sông nội thành giai đoạn 2011- tháng 7/2015 73

Hình 3.12: Giá trị COD trên sông Nhuệ giai đoạn 2011- tháng 7/2015 74

Hình 3.13: Giá trị COD trên sông Đáy giai đoạn 2011- tháng 7/2015 74

Hình 3.14: Giá trị COD trên sông khác giai đoạn 2011- tháng 7/2015 74

Hình 3.15: Giá trị COD trên sông nội thành giai đoạn 2011- tháng 7/2015 75

Hình 3.16: Giá trị NH4+ trên sông Nhuệ giai đoạn 2011- tháng 7/2015 75

Hình 3.17: Giá trị NH4+ trên sông Đáy giai đoạn 2011- tháng 7/2015 76

Hình 3.18: Giá trị NH4+ trên sông khác giai đoạn 2011- tháng 7/2015 76

Hình 3.19: Giá trị NH4+ trên sông nội thành giai đoạn 2011- tháng 7/2015 76

Hình 3.20: Diễn biến chỉ số WQI trung bình năm trên sông Nhuệ 77

Hình 3.21: Diễn biến chỉ số WQI trung bình năm trên sông Đáy 78

Hình 3.22: Bản đồ chất lượng nước LVS Nhuệ - Đáy năm 2015 78

Hình 3.23: So sánh giữa kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình mưa – dòng chảy với số liệu lưu lượng thực đo, trạm Hưng Thi, năm 1973-1975 82

Hình 3.24: So sánh giữa kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình mưa – dòng chảy với số liệu lưu lượng thực đo, trạm Ba Thá, năm 1976-1978 82

Hình 3.25: So sánh giữa kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình mưa – dòng chảy với số liệu lưu lượng thực đo, trạm Hưng Thi, năm 1976-1977 83

Luận án tiến sĩ Môi trường

Hình 3.26: So sánh giữa kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình mưa – dòng chảy với số liệu lưu lượng thực đo, trạm Ba Thá, năm 1972-1973 83

Hình 3.27: Sơ đồ mặt cắt hệ thống sông Nhuệ - Đáy sử dụng để tính toán trong 85

Hình 3.28: So sánh giữa kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình diễn toán MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Hà Nội mùa kiệt 11/2010 đến tháng 5/201187

Hình 3.29: So sánh giữa kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình diễn toán MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Hưng Yên tháng 11/2010 đến tháng 5/201187

Hình 3.30: So sánh giữa kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình diễn toán MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Phủ Lý tháng 11/2011 đến tháng 5/2012 88

Hình 3.31: So sánh giữa kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình diễn toán MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Ninh Bình tháng 11/2011 đến tháng 5/201288

Hình 3.32: So sánh giữa kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình diễn toán MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Hà Nội mùa kiệt 11/2012 đến tháng 5/201389

Hình 3.33: So sánh giữa kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình diễn toán MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Hưng Yên mùa kiệt 11/2012 đến tháng 5/2013 89

Hình 3.34: So sánh giữa kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình diễn toán MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Phủ Lý mùa kiệt 11/2012 đến tháng 5/201390

Hình 3.35: So sánh giữa kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình diễn toán MIKE 11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Ninh Bình tháng mùa kiệt 11/2012 đến 90

Hình 3.36: So sánh giữa kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình diễn toán MIKE

11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Hà Nội mùa kiệt 11/2013 đến tháng 5/2014 91

Hình 3.37: So sánh giữa kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình diễn toán MIKE

11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Hưng Yên mùa kiệt 11/2013 đến tháng 5/2014 92

Hình 3.38: So sánh giữa kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình diễn toán MIKE

11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Phủ Lý mùa kiệt 11/2013 đến tháng 5/2014 92

Hình 3.39: So sánh giữa kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình diễn toán MIKE

11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Ninh Bình mùa kiệt 11/2013 đến tháng 5/2014 93

Hình 3.40: So sánh giữa kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình diễn toán MIKE

11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Hà Nội mùa kiệt 11/2014 đến tháng 5/2015 93

Luận án tiến sĩ Môi trường

Hình 3.41: So sánh giữa kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình diễn toán MIKE

11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Hưng Yên mùa kiệt 11/2014 đến tháng 5/2015 94

Hình 3.42: So sánh giữa kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình diễn toán MIKE

11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Phủ Lý mùa kiệt 11/2014 đến tháng 5/2015 94

Hình 3.43: So sánh giữa kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình diễn toán MIKE

11 với số liệu mực nước thực đo, trạm Ninh Bình mùa kiệt 11/2014 đến tháng 5/2015 95

Hình 3.44: Sơ đồ mặt cắt tính toán chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy 97

Hình 3.45: Sơ đồ thủy lực thiết lập trong mô hình MIKE 11 99

Hình 3.46: Bản đồ vị trí các điểm quan trắc trên LVS Nhuệ - Đáy 100

Hình 3.47: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ DO với số liệu thực đo tại một

số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2014 101

Hình 3.48: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ DO với số liệu thực đo tại một

số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2014 101

Hình 3.49: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nhiệt độ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2014 101

Hình 3.50: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nhiệt độ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2014 102

Hình 3.51: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ BOD với số liệu thực đo tại một

số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2014 102

Hình 3.52: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ BOD với số liệu thực đo tại một

số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2014 102

Hình 3.53: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ NH4+ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2014 103

Hình 3.54: Kết quả tính toán hiệu chỉnh nồng độ NH4+ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2014 103

Hình 3.55: Kết quả tính toán kiểm định nồng độ DO với số liệu thực đo tại một

số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2015 105

Hình 3.56: Kết quả tính toán kiểm định nồng độ DO với số liệu thực đo tại một

số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2015 105

Hình 3.57: Kết quả tính toán kiểm định nhiệt độ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2015 106

Luận án tiến sĩ Môi trường

Hình 3.58: Kết quả tính toán kiểm định nhiệt độ với số liệu thực đo tại một số vị

trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2015 106

Hình 3.59: Kết quả tính toán kiểm định nồng độ BOD với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2015 106

Hình 3.60: Kết quả tính toán kiểm định nồng độ BOD với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2015 107

Hình 3.61: Kết quả tính toán kiểm định nồng độ NH4+ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Đáy, tháng 5/2015 107

Hình 3.62: Kết quả tính toán kiểm định nồng độ NH4+ với số liệu thực đo tại một số vị trí trên sông Nhuệ, tháng 5/2015 107

Hình 3.63: Sơ đồ phân đoạn sông đánh giá khả năng 113

Hình 3.64: Biến đổi lượng mưa bình quân lưu vực tính đến trạm thủy văn Ba Thá năm 2020 theo kịch bản BĐKH RCP4.5 115

Hình 3.65: Biến đổi lượng mưa bình quân lưu vực tính đến trạm thủy văn Ba Thá năm 2030 theo kịch bản BĐKH RCP4.5 115

Hình 3.66: Tải lượng các chất ô nhiễm ước tính tại các đoạn sông 118

Hình 3.67: Diễn biến lưu lượng thải của đoạn sông tiếp nhận nước thải 121

Hình 3.68: Diễn biến nồng độ DO trên 133

Hình 3.69: Diễn biến nồng độ BOD5 trên 133

Hình 3.70: Diễn biến nồng độ NO3- trên 134

Hình 3.71: Diễn biến nồng độ NH4+ trên 134

Luận án tiến sĩ Môi trường

BVMT

CCN

Nhu cầu ôxy sinh hóa Bảo vệ môi trường Cụm công nghiệp

CWA Luật nước sạch (Clean Water Act)

EIR Báo cáo và thông tin môi trường

FAO Tổ chức Nông Lương thế giới

NPDES Hệ thống giới hạn xả thải chất ô nhiễm quốc gia (National

Pollutant Discharge Elimination System)

US EPA Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (United States

Environmental Protection Agency) VKHKTTVMT Viện Khoa họa Khí tượng Thủy văn và Môi trường

WHO

WLA

Tổ chức Y tế thế giới Nguồn thải điểm (Wasteload Allocation) WQI Chỉ số Chất lượng nước

WQS Tiêu chuẩn chất lượng nước (Water Quality Standard)

Luận án tiến sĩ Môi trường

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy nằm ở hữu ngạn sông Hồng với diện tích tự nhiên khoảng 7.665 km2, với dân số năm 2015 gần 12 triệu người (Tổng Cục thống

kê, 2015 [69]), mật độ dân số trung bình khoảng 1.160 người/km2 Lưu vực có tọa độ địa lý từ 200 - 21020' vĩ độ Bắc và 1050 - 106030' kinh độ Đông, bao gồm các tỉnh, thành phố sau: Hòa Bình, Hà Nội, Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình

Trong những năm gần đây, tình hình phát triển kinh tế - xã hội trong lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy diễn ra rất mạnh mẽ, các tỉnh trong lưu vực hàng năm đóng góp vào ngân sách hàng trăm tỷ đồng, góp phần nâng cao đời sống cho người dân, giải quyết công ăn việc làm cho một số lượng lớn người lao động Tuy nhiên, ngoài những lợi ích mang lại thì tình trạng ô nhiễm do những mặt trái của các hoạt động trên gây ra đang ở mức báo động Môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng trong khu vực đang bị ô nhiễm nghiêm trọng gây ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động, dân cư cũng như đến hệ sinh thái cảnh quan trong vùng Tính trung bình tổng lượng nước thải của các tỉnh, thành phố thuộc lưu vực sông gồm nước thải sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp, y tế đổ vào khoảng 621.000 m3/ngày đêm Nhưng phần lớn lượng nước thải chưa được xử lý đã và đang gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước lưu vực sông này Trên lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy có khoảng 1.982 nguồn thải Trong đó có 1.662 nguồn thải là cơ sở sản xuất, kinh doanh; 39 nguồn thải là khu công nghiệp, cụm công nghiệp; 137 cơ sở y tế và 144 làng nghề (Ủy ban Bảo vệ môi trường lưu vực sông Nhuệ-sông Đáy, 2017 [66]) Qua phân tích tình hình quan trắc chất lượng nước, thu thập và xử l ý thông tin môi trường tại các cơ quan như: Sở Tài nguyên và Môi trường của các tỉnh nằm trên lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy, các trung tâm thông tin địa chất, lâm nghiệp, các trung tâm viễn thám thuộc các Bộ/ngành và các địa phương có thể thấy chất lượng nước sông Nhuệ, Đáy bị ô nhiễm cao với các chỉ số DO, COD, BOD5, NH4+, Coliform đều vượt nhiều lần tiêu chuẩn cho phép Diến biến của tình trạng ô nhiễm không có dấu hiệu được cải thiện mà còn tăng lên

Mặt khác, nhu cầu sử dụng nước ngày càng cao và mở rộng do sự phát triển KT

- XH và trong bối cảnh thay đổi lưu lượng nước do biến đổi khí hậu, nguồn nước lưu vực này không những phải đáp ứng mục đích sử dụng cho sinh hoạt và sản xuất mà còn đòi hỏi nguồn nước để duy trì hệ sinh thái, pha loãng để hạn chế ô nhiễm nguồn nước trước khi tập trung đổ vào lưu vực Điều này đòi hỏi cần kiểm kê các nguồn Luận án tiến sĩ Môi trường

2

thải, đánh giá diễn biến môi trường, nhất là môi trường nước mặt, xác định tải lượng

và thành phần nước thải, từ đó các chỉ tiêu giới hạn về an toàn môi trường sẽ được xác định và sử dụng làm cơ sở cho tính toán khả năng chịu tải của môi trường cũng như các ngưỡng an toàn cho môi trường nước tại lưu vực sông

Xuất phát từ các căn cứ trên đề tài luận án "Đánh giá chất lượng nước, tính

toán khả năng chịu tải của sông Nhuệ - Đáy trong bối cảnh biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế xã hội ” được thực hiện nhằm đánh giá được khả năng

chịu tải của lưu vực sông Nhuệ - Đáy dưới tác động của sự phát triển kinh tế xã hội, trong bối cảnh biến đổi khí hậu từ đó xây dựng các giải pháp nhằm giảm thiểu, khống chế mức độ gia tăng ô nhiễm, xây dựng và hoàn chỉnh hệ thống cơ chế, chính sách nhằm khai thác hợp lý, bảo vệ có hiệu quả nguồn nước, bảo vệ môi trường và cảnh quan thiên nhiên lưu vực sông Nhuệ - Đáy

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá được hiện trạng môi trường nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy

- Tính toán và dự báo diễn biến chất lượng nước, tải lượng và ngưỡng chịu tải của LVS Nhuệ - Đáy theo các kịch bản phát triển KT-XH và trong bối cảnh tác động của BĐKH

- Đề xuất giải pháp quản lý, bảo vệ và cải thiện môi trường nước trong bối cảnh BĐKH và kịch bản phát triển KTXH

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Cung cấp cơ sở khoa học đánh giá ngưỡng chịu tải của LVS Nhuệ - Đáy trong bối cảnh BĐKH và kịch bản phát triển KTXH

- Là căn cứ để có những điều chỉnh về kế hoạch bảo vệ môi trường nước LVS Nhuệ - Đáy trong bối cảnh BĐKH và kịch bản phát triển KTXH

- Hỗ trợ công tác quản lý, phòng ngừa ô nhiễm môi trường nước LVS Nhuệ - Đáy

3

5 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị, nội dung chính của Luận án bao gồm 03 Chương, trong đó:

Chương 1 Tổng quan tài liệu

Chương 2 Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Luận án tiến sĩ Môi trường

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tổng quan các nghiên cứu về môi trường nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy

Lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy đóng vị trí quan trọng trong vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc, do đó đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học với nhiều hình thức từ đề tài cấp nhà nước, các dự án, các báo cáo khoa học của các Viện nghiên cứu, Trường Đại học đánh giá chất lượng môi trường lưu vực sông Nhuệ - Đáy và từ

đó cơ sở đề xuất xây dựng các giải pháp nhằm bảo vệ chất lượng môi trường nước hệ thống sông này, về tổng quan có thể chia thành các hướng nghiên cứu sau:

1.1.1 Xây dựng và ban hành cơ chế chính sách, thể chế

Trong những năm qua Đảng và Nhà nước đã xây dựng hoàn thiện cơ chế chính sách quản lý các LVS của nước ta Quốc hội đã ban hành một loạt các đạo luật nhằm Bảo vệ môi trường nói chung và môi trường nước LVS nói riêng như: Luật thuế tài nguyên năm 2009, Luật khoáng sản, Luật thanh tra, Luật xử lý vi phạm hành chính, Đặc biệt Luật BVMT (năm 2005 và sửa đổi năm 2014) và Luật Tài nguyên nước (sửa đổi năm 2012) Đây là các đạo luật quan trọng để thực hiện các chủ trương, chính sách, pháp luật trong quản lý tổng hợp Tài nguyên nước

Luật Tài nguyên nước số 17/2012/QH13 đã được Quốc hội khóa XIII, kỳ họp thứ 3 thông qua ngày 21/6/2012 Luật Tài nguyên nước 2012 bao gồm nội dung quy định quản lý LVS như Điều 3, Điều 6, Điều 7, Mục 2, Nội dung của Luật tài nguyên nước tập trung vào quản lý, vận hành, quản lý LVS, tuy nhiên các vấn đề liên quan đến quản lý môi trường LVS như quản lý nguồn thải, xử lý ô nhiễm, chưa được quy định

Ngày 23 tháng 6 năm 2014, tại Kỳ họp thứ 7, Quốc hội khóa XIII đã thông qua Luật Bảo vệ môi trường số 55/2014/QH13, có hiệu lực thi hành kể từ ngày 01 tháng

01 năm 2015 Luật Bảo vệ môi trường năm 2014 đã dành nhiều nội dung về vấn đề bảo vệ môi trường nước lưu vực sông với các nội dung được quy định cụ thể trong Mục 1, Chương VI (từ Điều 52 đến Điều 55), trong đó có những vấn đề mới về quản

lý đã được quy định như việc điều tra, đánh giá sức chịu tải của lưu vực sông, xác định hạn ngạch xả nước thải vào sông, vấn đề quản lý chất lượng nước và nguồn thải

ra môi trường nước cũng được chú trọng hơn so với Luật bảo vệ môi trường 2005 Đồng thời, Luật BVMT 2014 phân định trách nhiệm rõ ràng trong BVMT nước sông giữa UBND cấp tỉnh và Bộ TN&MT

Luận án tiến sĩ Môi trường

5

Triển khai thực hiện Quyết định số 25/2014/QĐ-TTg ngày 25 tháng 3 năm

2014 của Thủ tướng Chính phủ về việc quy định chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và

cơ cấu tổ chức của Tổng cục Môi trường, trong đó thành lập Chi cục BVMT lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy Đến nay Chi cục đã được thành lập và đi vào hoạt động theo Quyết định số 1759/QĐ-TCMT ngày 24 tháng 12 năm 2014 về việc quy định chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và cơ cấu tổ chức của Chi cục BVMT lưu vực sông Nhuệ

- sông Đáy

Ngoài ra, Bộ Tài nguyên và Môi trường đang tiến hành xây dựng “Chương trình mục tiêu hỗ trợ xử lý triệt để các cơ sở gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng thuộc đối tượng công ích giai đoạn 2016-2020” (Chương trình giai đoạn 2016-2020) kế thừa những kết quả đạt được và tiếp tục triển khai các hoạt động của “Chương trình mục tiêu quốc gia khắc phục ô nhiễm và cải thiện môi trường giai đoạn 2012-2015” (Chương trình giai đoạn 2012-2015) Chương trình giai đoạn 2016-2020 đã tập trung vào 02 vấn đề chính gồm: xử lý triệt để các bãi rác đang gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng; xử lý, cải tạo và phục hồi môi trường tại các điểm tồn lưu bị ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và đặc biệt nghiêm trọng do hóa chất BVTV Đối với nội dung thu gom, xử lý nước thải từ các đô thị loại II trở lên thuộc ba lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy, sông Cầu và hệ thống sông Đồng Nai của Chương trình giai đoạn 2012-2015, Bộ Tài nguyên và Môi trường đang đề nghị bổ sung vào Chương trình giai đoạn 2016-2020

Bên cạnh đó, Bộ Xây dựng đã trình Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 223/QĐ-TTg ngày 12 tháng 02 năm 2015 phê duyệt Quy hoạch Quản lý chất thải rắn lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy đến năm 2030; Quyết định 681/QĐ-TTg ngày

13 tháng 5 năm 2013 phê duyệt Quy hoạch hệ thống thoát nước và xử lý nước thải khu vực dân cư, khu công nghiệp thuộc lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy đến năm

2030

1.1.2 Nghiên cứu về quản lý sử dụng hợp lý tài nguyên nước của lưu vực sông

Các tỉnh trong LVS Nhuệ - Đáy mà đại diện là UBND thành phố Hà Nội năm

2008 xây dựng Đề án tổng thể bảo vệ môi trường lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy đến năm 2020, đề án này đã được Thủ tướng chính phủ phê duyệt với định hướng chính đến năm 2020 sẽ: (i) Hạn chế, giảm thiểu ô nhiễm và suy thoái môi trường lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy; từng bước xử lý ô nhiễm, cải thiện, nâng cao chất lượng môi trường và chất lượng nước các dòng sông, tạo hệ thống dòng chảy ổn định, bảo vệ Luận án tiến sĩ Môi trường

6

các công trình thủy lợi an toàn, bền vững; (ii) Xây dựng và hoàn chỉnh hệ thống cơ chế, chính sách đồng bộ nhằm khai thác hợp lý, sử dụng tiết kiệm và bảo vệ nguồn nước, môi trường lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy; thiết lập mô hình quản lý môi trường lưu vực phù hợp để khai thác, sử dụng bền vững, duy trì cân bằng nguồn nước, bảo vệ môi trường và cảnh quan sinh thái, phục vụ có hiệu quả nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội trên toàn lưu vực

Tác giả Nguyễn Văn Cư và nnk, 2005 [15] đã nghiên cứu các nguyên nhân gây

ô nhiễm môi trường trên lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy Nhóm tác giả cũng đã bước đầu ứng dụng phương pháp mô hình toán để mô phỏng diễn biến ô nhiễm trên hệ thống sông Nhuệ - sông Đáy

Cục Quản lý Tài nguyên nước và Viện Sinh thái và Môi trường, 2005 [11] đã thực hiện nghiên cứu “Nhu cầu cấp nước, sử dụng nước và tính kinh tế của tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy” đã xây dựng mối tương quan giữa các khía cạnh chính của cách tiếp cận kinh tế trong việc quy hoạch phân bổ tài nguyên nước Trong nghiên cứu này, tác giả đã xây dựng một quy trình hướng dẫn từng bước trong quy hoạch phân bổ tài nguyên nước phù hợp với điều kiện Việt Nam; ứng dụng thí điểm quy trình này ở lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy ở thời điểm hiện tại và dự báo trong tương lai; xây dựng các phương pháp đánh giá nhanh khía cạnh kinh tế về

số lượng và chất lượng tài nguyên nước, hỗ trợ cho việc ra quyết định

1.1.3 Nghiên cứu về kiểm soát ô nhiễm trên lưu vực

Trung tâm Tư vấn Khí tượng Thủy văn và Môi trường, 2009 [65] đã nghiên cứu cải thiện chất lượng sông Nhuệ - Đáy bằng cách đánh giá sức chịu tải và kiểm kê các nguồn gây ô nhiễm nghiên cứu này đã đưa phương pháp tiếp cận trong nghiên cứu sức chịu tải và kiểm kê các nguồn gây ô nhiễm cũng như lan truyền các chất ô nhiễm trong lưu vực sông Nhuệ - Đáy đồng thời cũng đề cập đến các ảnh hưởng đến sức khỏe do ô nhiễm nguồn nước Nghiên cứu này đã đánh giá được khả năng chịu tại thông qua tải lượng được tính toán thông qua kịch bản phát triển KTXH, việc đánh giá thay đổi dòng chảy theo kịch bản BĐKH chưa được xem xét

Trong những năm qua Tổng Cục môi trường đã xây dựng cổng thông tin giám sát môi trường lưu vực sông Nhuệ - Đáy, công thông tin này đã ứng dụng GIS để quản lý các đối tượng dữ liệu không gian, cung cấp các bản đồ chuyên đề, thực hiện các phép phân tích không gian, phân tích mạng lưới,… Cung cấp các số liệu quan trắc trực tuyến với các thông số như: NH4+, NO2-, Sử dụng số liệu từ các trạm tự Luận án tiến sĩ Môi trường

7

động, các trạm thu mẫu để xây dựng báo cáo đánh giá hàng năm, ngoài ra sử dụng Camera để giám sát nước tại một số điểm nhạy cảm Cổng thông tin này cũng xây dựng bản đồ các nguồn thải với những dữ liệu thông tin về nguồn thải phục vụ cho công tác kiểm soát các nguồn thải này

Thành phố Hà Nội đã thực hiện nhiệm vụ “ Khảo sát, lấy mẫu hiện trạng, phân tích chất lượng các nguồn thải lỏng đổ vào lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy” đối với

607 điểm xả thải trên địa bàn 14 quận, huyện: Bắc Từ Liêm, Nam Từ Liêm, Hà Đông, Thanh Trì, Thanh Oai, Thường Tín, Phú Xuyên; Phúc Thọ, Đan Phượng, Hoài Đức, Quốc Oai, Chương Mỹ, Ứng Hòa, Mỹ Đức Ngoài ra, thành phố đã tiếp tục triển khai thực hiện việc quan trắc, phân tích chất lượng nước sông Nhuệ, sông Đáy vào 02 đợt (mùa mưa và mùa khô) tại 16 điểm trên sông Nhuệ và 20 điểm trên sông Đáy

1.1.4 Nghiên cứu áp dụng các mô hình mô phỏng để phân tích đánh giá hiện trạng, dự báo và đề xuất các giải pháp quản lý bền vững

Tác giả Trần Hồng Thái và nnk, 2009 [65] đã nghiên cứu “Mô phỏng chất lượng nước 3 lưu vực sông: Cầu, Nhuệ - Đáy, Sài Gòn - Đồng Nai” thực hiện nghiên cứu về vấn đề mô phỏng và dự báo chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ và sông Đáy Nhóm tác giả đã ứng dụng mô hình toán hiện đại (MIKE11 - Viện Thủy lực Đan Mạch) áp dụng cho dòng chảy một chiều không ổn định để mô phỏng chế độ thủy lực, diễn biến và dự báo chất lượng nước trên lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy ứng với các kịch bản phát triển kinh tế xã hội và xử lý nguồn thải trước khi đổ ra sông Từ đó, nhóm tác giả

đã sơ bộ đề xuất một số biện pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong khu vực

Đánh giá môi trường nước bằng chỉ số tổ hợp sinh học (IBI) và chỉ số đa dạng sinh học dựa vào thành phần loài cá thu được ở sông Nhuệ và sông Tô Lịch của tác giả Nguyễn Kiên Sơn, 2005 [34] đã dùng các chỉ số tổ hợp sinh học (IBI) và các chỉ

số đa dạng sinh học α và H’ tính từ số liệu về thành phần loài cá tại các thời điểm và địa điểm khác nhau để đánh giá mức độ ô nhiễm nước sông Nhuệ và sông Tô Lịch Giá trị các chỉ số nêu trên tương ứng với mức độ ô nhiễm của từng đoạn sông

Các tác giả Nguyễn Thanh Sơn và nnk, 2011 [33] đã nghiên cứu phân tích sự biến đổi của tài nguyên nước trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy dưới tác động của biến đổi khí hậu Trong đó bộ số liệu kịch bản từ nhóm nghiên cứu REMOCLIC được hiệu chỉnh để phục vụ cho bài toán thủy văn Số liệu sau khi hiệu chỉnh được đưa vào

mô hình NAM, được lựa chọn làm công cụ chính, và tiến hành phân tích sự biến đổi các đại lượng thủy văn theo kịch bản cho thời kỳ tương lai 2020, 2050 so với giai đoạn Luận án tiến sĩ Môi trường

1.2 Tổng quan về cơ sở khoa học của phương pháp đánh giá khả năng tự làm sạch dựa vào các quá trình trong nước sông

1.2.1 Các khái niệm

Năng lực môi trường (environmental capacity) được định nghĩa bởi GESAMP (1986) (Group of Experts on the Scientific Aspects of Marine Pollution) là tính chất của môi trường và khả năng thích nghi của nó trong việc điều tiết một hoạt động nào đó mà không gây ra những tác động môi trường không thể chấp nhận được

Sức tải của môi trường là giới hạn cho phép mà môi trường có thể tiếp nhận và hấp thụ các chất gây ô nhiễm (Luật BVMT, 2005)

Ngưỡng chịu tải là lượng chất ô nhiễm lớn nhất môi trường nước có thể tiếp nhận được mà không làm ảnh hưởng đến tiêu chuẩn chất lượng nước (Code of Federal Regulations, Điều 40, Khoản 130.2 (f) của Hoa Kỳ)

Tóm lại, sức chịu tải của môi trường nước là khả năng tiếp nhận các loại chất thải tối

đa mà vẫn đáp ứng các yêu cầu chất lượng cho những mục đích sử dụng được quy định tại khu vực nghiên cứu (duy trì cân bằng sinh thái, đảm bảo các mức chất lượng cho mục đích tưới tiêu, sinh họat…) Như vậy, theo quan điểm này, sức chịu tải nước sông phụ thuộc trước hết vào khả năng tự làm sạch tự nhiên của các hệ sinh thái (HST) trong sông đó Bên cạnh đó, khả năng tự làm sạch tự nhiên của HST lại phụ thuộc vào thành phần, cấu trúc và phân bố của HST

Ngoài ra dưới đây là một số khái niệm được giới thiệu trong Thông tư số 02/2009/TT-BTNMT quy định đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước: Khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước là khả năng nguồn nước có thể tiếp nhận được thêm một tải lượng ô nhiễm nhất định mà vẫn bảo đảm nồng độ các chất ô Luận án tiến sĩ Môi trường

1.2.2 Nước sông và các quá trình xảy ra trong nước sông

Nước sông là nguồn nước tự nhiên Trong bảng 1.1 trình bày thành phần hóa học trung bình của nước sông khi không bị ô nhiễm

Bảng 1.1: Thành phần hóa học trung bình của nước sông

Thành phần % Trọng lượng Thành phần % Trọng lượng

CO3

2-SO4

2-ClSiO2

-NO3

-35,2 12,4 5,7 11,7 0,9

Ca2+

Mg2+

Na+

K+ (FeAl2)O3

20,4 3,4 5,8 2,1 2,7

Nguồn: Đặng Kim Chi và nnk (2005) [13] Trong nước tự nhiên tồn tại nhiều chất có khả năng tham gia tạo phức Thí dụ:

sự dư thừa Cl trong nước dẫn tới sự hình thành một số phức chất của Cl, các hợp chất như Na5P3O10 , EDTA, NTA có trong nước thải thải vào hệ thống nước có khả năng tạo phức với các ion kim loại như: Mg2+, Ca2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Zn2+, Co2+, Ni2+… Các phức kim loại có ảnh hưởng lớn tới thế ôxy hóa khử, cân bằng hòa tan, cân bằng sinh học trong nước Bên cạnh đó trong nước còn có mặt tất cả các chất khí có trong khí quyển do kết quả của các quá trình khuếch tán và đối lưu Độ hòa tan của các chất khí phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, áp suất môi trường, nồng độ muối, chiều sâu của lớp nước và mức độ ô nhiễm Trong số các chất khí thì khí ôxy và CO2 có ý nghĩa lớn nhất cho quá trình quang hợp và hô hấp của các loại sinh vật sống dưới nước Khi bị ô nhiễm do tiếp nhận các nguồn xả thải, môi trường nước sông sẽ thay đổi Trong sông sẽ xẩy ra các quá trình khoáng hóa, sinh hóa, lý hóa với sự tham gia của nhiều động thực vật thủy sinh sinh sống và hoạt động trong thủy vực Dưới đây sẽ xem xét vai trò của một số loài cơ bản thường có mặt trong môi trường nước sông

Luận án tiến sĩ Môi trường

10

1.2.3 Vai trò của ôxy trong quá trình tự làm sạch (TLS) nước sông

Ôxy là loại khí ít hòa tan trong nước và không tác dụng hóa học với nước Trong nước, ôxy tham gia vào các quá trình sau:

Ôxy hóa các chất hữu cơ bằng các vi sinh vật:

Vi sinh vật

(CH2O) + O2 CO2 + H2O

Ôxy hóa các hợp chất ni tơ bằng các vi sinh vật, ví dụ:

NH4+ + 2O2 Vi sinh vật 2H+ + NO3- + H2O

Ôxy hóa cácchất hóa học khác, ví dụ:

4Fe+2 + O2 + 10H2O 4Fe(OH)3(r) + 8H+

2SO3-2 + O2 2SO4-2

Như vậy, việc tham gia các phản ứng hóa học khử các chất ô nhiễm hữu cơ của lượng ôxy thường xuyên có trong nước sông sẽ làm tăng khả năng TLS chất thải gây

ô nhiễm của nước sông

1.2.4 Vai trò của vi khuẩn trong quá trình TLS nước sông

Có mặt trong môi trường nước, vi khuẩn thu năng lượng và tiêu thụ các chất có trong nước để sinh trưởng thông qua một số phản ứng ôxy hóa khử mà vi khuẩn làm trung gian như sau [13]:

{CH2O} + H2O CO2 + 4H+ + 4e

11

CO2 + 8H+ + 8e- CH4 + 2H2O

Và các phản ứng chuyển hóa nitơ do vi khuẩn như sau:

Vi khuẩn Rhizobium

3{CH2O} + 2N2 + 3H2O + 4H+ 3CO2 + 4NH4+

Và quan trọng hơn cả là các phản ứng nitrat hóa NH3 thành NO3- như sau:

Fe+2 + 4H+ + O2 Vi khuẩn ferrobacilus 4Fe+3 +2H2O

Vi khuẩn gallionella làm xúc tác cho quá trình hydrat hóa các cặn ôxýt sắt và tạo ra những sợi sắt:

Fe2O3.3H2O Vi khuẩn 2Fe(OH)3

gallionella

Tương tự, các vi khuẩn cũng đóng vai trò trung gian cho các phản ứng ôxy hóa khử mangan, đồng và coban Tất cả những phản ứng trên đây đều có sự tham gia của các loại vi khuẩn Các phản ứng hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp đều góp phần tự làm sạch nước trong các hệ sinh thái thủy vực nói chung và trong sông nói riêng

1.2.5 Vai trò của hệ động thực vật thủy sinh trong quá trình TLS nước sông

1.2.5.1 Vai trò của hệ thực vật thủy sinh trong quá trình TLS nước sông

Luận án tiến sĩ Môi trường

Đã có hàng loạt các công trình nghiên cứu về khả năng đồng hóa, hấp thụ các loại chất thải hữu cơ và kim loại nặng (KLN) của các tế bào vi tảo [61, 63] Các loài

vi tảo khác nhau có khả năng hấp thụ, chống chịu và khử độc được các loài kim loại nặng có độc tố khác nhau [63] Trong nghiên cứu [49] còn chỉ ra rằng tốc độ hấp thụ KLN của một vài loại tảo là rất nhanh (chỉ trong vòng 60 phút đã hấp thụ được khoảng 22%, sau đó tốc độ hấp thụ giảm dần) Các tác giả [63] cũng đã nghiên cứu, tính toán và đưa ra được các con số cụ thể về khối lượng KLN hấp thụ được của một

số loài tảo Các kết quả nghiên cứu này có thể được ứng dụng trên thực tế Cụ thể khi

có đủ dữ kiện khảo sát về loài tảo và khối lượng của từng loại chất thải KLN, khả năng hấp thu đồng hóa của từng loài vi tảo đối với từng loại KLN ta có thể tính được lượng chất thải của một loại KLN được hấp thụ như sau:

MVITAO = ∑

=

×

N i

Về khả năng tham gia đồng hóa, hấp thụ và khử độc trong nước thải của một số loài thực vật thủy sinh có kích thước lớn (các loài bèo, cỏ v.v ) Theo nghiên cứu [53], bèo cái có khả năng hấp thụ rất tốt các loại kim loại nặng, như crom và niken có trong nước thải vào lá và rễ Sau thời gian thử nghiệm (15 ngày) nồng độ các chất Cr

và Ni đã giảm xuống từ 80% đến 90% Qua thời gian thử nghiệm, cây bèo vẫn tươi tốt bình thường, qua đó khẳng định có cơ sở khoa học của khả năng sử dụng bèo cái

để làm sạch môi trường nước Trong một công trình khá [22] nghiên cứu khả năng hấp thụ KLN của cây bèo tây trên sông Nhuệ và sông Tô Lịch Kết quả nghiên cứu Luận án tiến sĩ Môi trường

13

mẫu cho thấy rễ, thân và lá bèo tây có khả năng hấp thụ 4 loại KLN là Cu, Zn, Cd và

Hg với các hệ số tích tụ sinh học khác nhau Trong cả 2 thí nghiệm trên đây các tác giả đều sử dụng kỹ thuật công nghệ của nước ngoài (Mỹ, Canada) đòi hỏi độ chính xác cao Như vậy, nếu có được số liệu quan trắc về số loài và khối lượng của từng loài trên thủy vực ta có thể xác định được khối lượng từng loại KLN được thủy sinh thực vật hấp thụ:

1.2.5.2 Vai trò của hệ động vật thủy sinh trong quá trình TLS nước sông

Kết quả của các công trình nghiên cứu về khả năng đồng hóa hấp thụ các chất ô nhiễm của các loài động vật đáy và động vật có xương sống sinh sống trong sông [1,

43, 21] và các công trình nước ngoài [81, 82, 83] cho thấy các loài cá và động vật đáy (như hến) đều có khả năng rất lớn hấp thụ các chất ô nhiễm (các kim loại nặng) Kết quả thí nghiệm đã tính ra được lượng chất thải mỗi loại mà các loài động vật hấp thụ được Nếu thông qua khảo sát thực địa thực hiện theo đúng tiêu chuẩn quy định có được dữ kiện về sinh khối của từng loài, khả năng hấp thụ của chúng, tổng số loài đang sinh sống có khả năng hấp thụ ta có thể ước tính được lượng chất thải mỗi loại chúng hấp thụ được (làm sạch được) theo công thức:

Luận án tiến sĩ Môi trường

14

1.2.6 Vai trò của các quá trình xáo trộn, lắng đọng trong quá trình TLS nước sông

Như đã nêu trong phần mở đầu, nhờ có tính đặc thù riêng, sông là một HSTTV

có khả năng TLS nhờ các quá trình xáo trộn, pha loãng giữa nước thải và nước sông, ngay trong dòng chảy Đây là quá trình có tính chất động lực của dòng chảy nên được

mô hình hóa trên cơ sở hệ phương trình thủy động lực học và được giải bằng phương pháp số Đã có nhiều mô hình được xây dựng và sử dụng Về khả năng TLS bằng các quá trình động lực học trong sông đã được xem xét trong nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước [29, 30, 77] Kết quả chạy các mô hình đều cho thấy các quá trình xáo trộn, khuếch tán trong sông làm cho chất thải được pha loãng với nước sông, sau một khoảng thời gian và khoảng cách nhất định giữa điểm xả thải và khu vực hạ lưu dòng chảy nồng độ chất thải được giảm xuống đáng kể Ảnh hưởng của nước thải tới chất lượng nước là một quá trình rất phức tạp và cách tốt nhất để mô tả mối quan hệ này là sử dụng các mô hình toán Hiện nay, mô hình MIKE 11 được sử dụng để mô phỏng và tính toán quá trình lan truyền, vận chuyển chất ô nhiễm do ảnh hưởng của các quá trình sinh hóa và vật lý để làm cơ sở cho việc tính toán tải lượng ô nhiễm trong sông Mô đun thủy lực trong MIKE 11 mô phỏng động lực cả ở trong sông và có thể áp dụng cho đoạn sông phân nhánh cũng như các mạng sông phức tạp, với các giả thiết rằng điều kiện dòng chảy trên toàn mạng sông là đồng nhất

1.3 Tổng quan cơ sở lý thuyết các mô hình mô phỏng dòng chảy, thủy lực và khuếch tán

1.3.1 Cơ sở lý thuyết mô hình mưa – dòng chảy (NAM)

a Cấu trúc mô hình NAM

Mô hình NAM được xây dựng tại Khoa Thủy văn Viện Kỹ thuật Thủy động lực

và Thủy lực thuộc Đại học Kỹ thuật Đan Mạch năm 1982 NAM là chữ viết tắt của cụm từ tiếng Đan Mạch “Nedbør - Afstrømnings - Models” có nghĩa là mô hình mưa rào dòng chảy Mô hình NAM đã được sử dụng rộng rãi ở Đan Mạch và một số nước nằm trong nhiều vùng khí hậu khác nhau như Srilanca, Thái Lan, Ấn Độ và Việt Nam Trong mô hình NAM, mỗi lưu vực được xem là một đơn vị xử lý, do đó các thông số và các biến là đại diện cho các giá trị được trung bình hóa trên toàn lưu vực

Mô hình tính quá trình mưa-dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong năm bể chứa riêng biệt có tương tác lẫn nhau [2, 76]

Luận án tiến sĩ Môi trường

15

Cấu trúc mô hình NAM được xây dựng trên nguyên tắc các hồ chứa theo chiều thẳng đứng và các hồ chứa tuyến tính, gồm có 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng như sau:

Bể chứa tuyết tan: được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ Đối với điều

kiện khí hậu nhiệt đới ở nước ta thì không xét đến bể chứa này

Bể chứa mặt: lượng nước ở bể chứa này bao gồm lượng nước mưa do lớp phủ

thực vật chặn lại, lượng nước đọng lại trong các chỗ trũng và lượng nước trong tầng sát mặt Giới hạn trên của bể chứa này được ký hiệu bằng Umax

Bể chứa tầng dưới: là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nước cho bốc, thoát

hơi Giới hạn trên của lượng nước trong bể chứa này được ký hiệu là Lmax, lượng nước hiện tại được ký hiệu là L và tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa

Bể chứa nước ngầm tầng trên và bể chứa nước ngầm tầng dưới

Mưa hoặc tuyết tan đều đi vào bể chứa mặt Lượng nước (U) trong bể chứa mặt liên tục cung cấp cho bốc hơi và thấm ngang thành dòng chảy sát mặt Khi U đạt đến Umax, lượng nước thừa là dòng chảy tràn trực tiếp ra sông và một phần còn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dưới và bể chứa ngầm

b Các thông số cơ bản của mô hình NAM

Mô hình có các thông số cơ bản sau: CQ OF (Hệ số dòng chảy tràn không có thứ

nguyên, có phạm vi biến đổi từ 0.0 đến 0.9; CQ IF (Hệ số dòng chảy sát mặt, có thứ

nguyên là thời gian (giờ)-1); C BL (là thông số dòng chảy ngầm, được dùng để chia

dòng chảy ngầm ra làm hai thành phần: BFU và BFL); CK OF , CK IF (Là các ngưỡng dưới của các bể chứa để sinh dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm,

các thông số này không có thứ nguyên và có giá trị nhỏ hơn 1); U max , L max (Thông số

biểu diễn khả năng chứa tối đa của các bể chứa tầng trên và tầng dưới); CK 1,2 , CK BF

(là các hằng số thời gian biểu thị thời gian tập trung nước Chúng là các thông số rất quan trọng, ảnh hưởng đến dạng đường quá trình và đỉnh)

c Điều kiện ban đầu của mô hình

Điều kiện ban đầu mô hình bao gồm:

- U là lượng nước chứa trong bể chứa mặt (mm)

- L là lượng nước chứa trong bể chứa tầng dưới (mm)

- QOF - cường suất dòng chảy mặt sau khi diễn toán qua bể chứa tuyến tính (mm/h)

- QIF - cường suất dòng chảy sát mặt khi qua bể chứa tuyến tính (mm/h)

- BF - cường suất dòng chảy ngầm (mm/h)

Luận án tiến sĩ Môi trường

16

d Hiệu chỉnh thông số mô hình

Hiệu chỉnh thông số mô hình nhằm xác định các thông số của mô hình để cho đường quá trình tính toán phù hợp nhất với đường quá trình thực đo Việc hiệu chỉnh các thông số mô hình có thể được tiến hành bằng 2 phương pháp: phương pháp thử sai hoặc phương pháp tối ưu Ở đây phương pháp thử sai để dò tìm bộ thông số cho lưu vực cần tính toán được Để đánh giá sự phù hợp giữa đường quá trình thực đo và đường quá trình tính toán, người ta sử dụng chỉ số Nash-Sutcliffe

Tóm lại, mô hình NAM được sử dụng để xác định đường quá trình lưu lượng tại mặt cắt cửa ra của lưu vực từ số liệu mưa bằng cách đi tìm một bộ thông số phù hợp với đặc điểm của lưu vực nghiên cứu Để xác định được các thông số cần thiết đó, chúng ta lại cần phải có số liệu lưu lượng thực đo một vài năm dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Với bộ thông số này, từ số liệu khí tượng sẵn có, ta có thể sử dụng để khôi phục lại số liệu tại cửa ra của lưu vực cần nghiên cứu (lưu lượng nước tại các trạm Ba Thá trên sông Đáy và trạm Hưng Thi trên sông Bôi), phục vụ cho mô hình thủy lực, là phần tính toán thứ hai trong đề tài luận án

1.3.2 Cơ sở lý thuyết mô hình diễn toán thủy lực (mô đun thủy lực)

Mô hình MIKE 11 là bộ mô hình 1 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 Trong mô hình MIKE 11, quá trình lan truyền, vận chuyển chất ô nhiễm do ảnh hưởng của các quá trình sinh hóa và vật lý đã được mô phỏng và tính toán để làm cơ sở cho việc tính toán tải lượng ô nhiễm trong sông Mô đun thủy lực trong MIKE 11 mô phỏng động lực cả ở sông và cửa sông và có thể áp dụng cho đoạn sông phân nhánh cũng như các mạng sông phức tạp Vì mô hình là 1 chiều nên

nó tuân theo các giả thiết rằng điều kiện dòng chảy trên toàn mạng sông là đồng nhất, tuy nhiên dòng chảy qua các công trình như đập 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 MIKE 11 cung cấp cho người dùng chuỗi thời gian của dòng chảy, độ sâu và nồng độ của mỗi yếu tố tại mỗi 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 phổ biến cho các mô hình phức tạp là cần nhiều số Luận án tiến sĩ Môi trường

Đặc trưng cơ bản của hệ thống mô hình MIKE 11 là cấu trúc mô đun tổng hợp với nhiều loại mô đun được thêm vào để mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông Ngoài các mô đun thủy lực, MIKE 11 còn có các mô đun bổ sung đối với:

1.3.3 Cơ sở lý thuyết mô hình chất lượng nước

Ngoài mô đun thủy lực (HD) là phần trung tâm của mô hình làm nhiệm vụ tính toán thủy lực, MIKE 11 còn cho phép chúng ta giải quyết một số vấn đề thông qua các mô đun khác trong đó có vấn đề chất lượng nước

Trong tính toán (1 chiều) các quá trình chất lượng nước có liên quan đến những phản ứng sinh hoá, ngoài ảnh hưởng của các phản ứng này gây ra, còn có ảnh hưởng của các quá trình thủy văn thủy lực của dòng chảy, do vậy, để giải quyết vấn đề chất lượng nước trong mô hình MIKE 11, phải đồng thời sử dụng cả hai mô đun đó là mô đun tải - khuếch tán (AD) và mô đun sinh thái (Ecolab) Trong những trường hợp tính toán các yếu tố không liên quan đến các phản ứng sinh hoá thì chỉ cần sử dụng

mô đun tải - khuếch tán để tính toán, khi đó các hệ số liên quan đến các phản ứng sinh hóa có trong phương trình tính toán sẽ không được xét đến và mô đun sinh thái (Ecolab) không cần được kích hoạt

a Mô đun truyền tải khuếch tán

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 lũy 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)

Luận án tiến sĩ Môi trường

b 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 - khuếch tán (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 - khuếch tán (AD) được dùng để mô phỏng quá trình truyền tải khuếch tán của các hợp chất 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… Các quá trình này đều được mô hình hoá và đưa vào mô đun chất lượng nước Chúng ta 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

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 Gồm có: Tính toán lượng ôxy hòa tan trong nước (Dissolved Oxygen – DO); Tính toán nhu cầu ôxy sinh hoá (Biological Oxygen Demand – BOD); Tính toán Phốt pho; Tính toán Amonia; Tính toán Nitrate; Tính toán Coliform

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 kiết 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

Sơ đồ chuyển hoá giữa các hợp phần trong các quá trình sinh học được trình bày như trong hình 1.1

Luận án tiến sĩ Môi trường

19

Hình 1.1: Sơ đồ chuyển hoá giữa các hợp phần trong các quá trình sinh học

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 sự chuyển hóa giữa chúng trong mô hình MIKE11

N hữu cơ bị hòa tan

N hữu cơ dạng hạt N hữu cơ hoạt động

N hữu cơ mới

Phân hủy BOD

Giải hấp phụ Hấp phụ

Luận án tiến sĩ Môi trường

20

1.4 Tổng quan các nghiên cứu về ngưỡng chịu tải và khả năng tự làm sạch của môi trường nước sông

1.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Để tính toán khả năng chịu tải của HST, trên thế giới thường áp dụng phương pháp sinh thái học kết hợp với mô hình toán học phù hợp với từng HST cần nghiên cứu Các ứng dụng mô hình chất lượng nước đã được phát triển ngay từ những năm đầu của thế kỷ 20, gắn liền với mối quan tâm của xã hội về vấn đề chất lượng nước

và khả năng ứng dụng của công nghệ tính toán khoa học [65]

- Giai đoạn đầu thế kỷ 20: Mô hình chất lượng nước đầu tiên được Phelps thiết lập 1925, mô phỏng sự thay đổi các giá trị DO và BOD ở vùng hạ lưu với các nguồn thải điểm trên dòng chảy sông Ohio, Hoa Kỳ Mô hình được thiết lập dựa trên cơ sở các giả thiết:

Streeter-+ Dòng chảy ổn định;

+ Sự phân hủy các chất hữu cơ theo phản ứng bậc nhất;

+ Sự thiếu hụt ôxy trong dòng chảy do sự phân hủy các chất hữu cơ

Thập niên 30-50, mô hình được nâng cao độ tin cậy bằng việc xem xét đồng thời ảnh hưởng của các 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 DO và BOD trong dòng chảy với các chế độ thủy lực khác nhau Kết quả đạt được trong giai đoạn này là các công thức thực nghiệm xác định giá trị hệ số tốc độ hòa tan ôxy, các số liệu thống kê về hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ trong dòng chảy có chế độ thủy lực khác nhau

- Giai đoạn thập niên 60: Vấn đề được quan tâm trong giai đoạn này là giải quyết các bài toán nhiều chiều với các vấn đề phức tạp hơn Độ tin cậy của mô hình được nâng cao do đã bổ sung thêm các quá trình ảnh hưởng đến sự phân bố nồng độ các chất hữu cơ trong dòng chảy như:

+ Quá trình lắng các chất lơ lửng và chất vẩn;

+ Quá trình giải phóng các hợp chất từ lớp bùn đáy do quá trình sinh hóa trong lớp bùn đáy và các tác động cơ học giữa pha bùn và pha nước;

+ Quá trình quang hợp và hô hấp của hệ thực vật thủy sinh

Ngoài việc tập trung vào đánh giá tác động của các nguồn điểm tới chất lượng nước, mô hình bắt đầu đề cập tới hiệu quả kinh tế trong việc kiểm soát chất lượng nước (Mô hình của Thoman và Sobal- 1946, Ravell- 1967…)

Luận án tiến sĩ Môi trường

- Giai đoạn thập niên 80 đến nay: Từ thập niên 80 trở lại đây, mô hình chất lượng nước tập trung vào mối quan hệ giữa các quá trình sinh thái Mô hình chất lượng nước trong giai đoạn này đã hoàn thiện hơn một bước với độ tin cậy cao hơn, các quá trình ảnh hưởng đến chất lượng nước được đề cập đến nhiều hơn, phạm vi ứng dụng đa dạng hơn Điển hình trong giai đoạn này là các nghiên cứu của tác giả: Thomann và Mueller, 1989 đã mô hình hóa các ảnh hưởng của mối quan hệ giữa các loại thực vật phù du với các chất dinh dưỡng trong dòng chảy đến chất lượng nước sông; Law và Chalup, 1990 xây dựng mô hình chất lượng nước trên cơ sở nghiên cứu quá trình quang hợp và hô hấp của tảo và đã được Brown bổ sung vào mô hình QUAL2E; Ditoro và Fitzpatrick, 1993 tiếp tục phát triển, bổ sung thêm mối quan hệ giữa các sinh vật lớn tiêu thụ (sinh vật tiêu thụ bậc 1), sự chuyển hoá và tích luỹ các chất dinh dưỡng Những năm gần đây, mô hình toán nói chung, và mô hình chất lượng nước nói riêng đang phát triển mạnh mẽ với sự ứng dụng rộng rãi các công nghệ hiện đại như hệ thông tin địa lý (GIS), các thuật toán cho các máy tính công suất lớn.v.v Các mô hình mô phỏng quá trình lan truyền chất thải và đánh giá chất lượng nước sông phát triển mạnh nhất vào những năm cuối của thế kỷ 20 bao gồm các mô hình 1 chiều, 2 chiều và 3 chiều Mô hình mở rộng phạm vi tính toán tới sự phát triển của các quá trình sinh học

Tại Hoa Kỳ, Luật Nước Sạch (Clean Water Act) yêu cầu các Bang xây dựng kế hoạch làm sạch môi trường nước (được biết đến Tổng tải lượng tối đa theo ngày - Total Maximum Daily Loads hay TMDLs) cho các nhánh sông, hồ và dòng chảy suy giảm chất lượng nước đối với các chỉ tiêu xác định trong mục 303 (d) của Luật Căn

cứ để đánh giá sự suy giảm chất lượng nước ở đây là so sánh với Tiêu chuẩn chất lượng nước của Bang Washington Tải lượng ô nhiễm tối đa theo ngày TMDL là tổng tải lượng từ các nguồn thải điểm (Wasteload Allocation - WLA), các nguồn thải diện (Load Allocation – LA), các nguồn thải tự nhiên khác và hệ số an toàn -MOS (Margin of Safety) TMDL được tính theo công thức:

TMDL (loading capacity) = Σ WLAs + Σ LAs + MOS (1-4) Luận án tiến sĩ Môi trường

22

Để thực hiện việc tính toánTMDL cho từng sông, từng lưu vực sông, theo Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (US EPA) phải làm được những công việc như sau:

- Mô tả vị trí vùng nghiên cứu TMDL

- Xác định chất lượng nước cho mục đích sử dụng tương ứng

- Đánh giá vấn đề môi trường, bao gồm cả những khu vực có sự chênh lệch về tiêu chuẩn chất lượng nước

- Xác định những lý do, nguyên nhân gây ô nhiễm

- Xác định nguồn ô nhiễm điểm và nguồn ô nhiễm diện

- Xác định tải lượng ô nhiễm bao gồm cả đo đạc và tính toán dòng chảy

- Xác định tải lượng ô nhiễm của nguồn ô nhiễm điểm và tải lượng ô nhiễm của nguồn diện

- Xác định hệ số an toàn (Margin of Safety)

Mô hình toán sử dụng phổ biến để tính toán TMDL và mô tả diễn biến chất lượng nước gồm các phần mềm Qual2E và Qual2K (được cải tiến tháng 3/2006 - Mỹ) hoặc Mike 11, Mike 21 (Đan Mạch) Mô hình QUAL2E là mô hình chất lượng nước sông tổng hợp và toàn diện được phát triển do sự hợp tác giữa trường Đại Học Tufts University và Trung tâm Mô hình Chất lượng nước của Cục môi trường Mỹ

Mô hình cho phép mô phỏng 15 thành phần thông số chất lượng nước sông bao gồm nhiệt độ, BOD5, DO, tảo dưới dạng chlorophyl, nitơ hữu cơ (Norg), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), phốt pho hữu cơ (Porg), phốt pho hòa tan, coliform, thành phần chất không bão hòa và 3 thành phần bảo toàn trong nước Qual2K sử dụng các đoạn chia không bằng nhau tùy thuộc vào nguồn thải nhiều hay ít Cơ chế vận chuyển chính của dòng là lan truyền và phân tán dọc theo hướng chính của dòng (trục chiều dài của dòng và kênh) Mô hình cho phép tính toán với nhiều nguồn thải, các điểm lấy nước cấp, các nhánh phụ và các dòng thêm vào và lấy ra Qual2K sử dụng 2 dạng của Carbonaceous BOD để mô phỏng carbon hữu cơ: dạng oxi hóa chậm (slow CBOD)

và dạng ô xi hóa nhanh (fast CBOD); Qual2K có thể mô phỏng tảo đáy; Qual2K tính toán sự suy giảm ánh sáng như là một hàm của tảo, đất đá vụn và chất rắn vô cơ

Mô hình toán AQUATOX (EPA, USA) cũng được sử dụng để dự đoán những thay đổi sinh thái ảnh hưởng tới hệ sinh thái thủy sinh AQUATOX mô phỏng những biến đổi của các nhân tố tác động tới môi trường nước (như chất dinh dưỡng, chất ô nhiễm hữu cơ, lắng đọng, chất độc hóa học và nhiệt độ) và ảnh hưởng của chúng tới tảo, hệ thực vật, động vật nổi và quần thể cá; Đồng thời mô hình AQUATOX có thể Luận án tiến sĩ Môi trường

23

định dạng và xác định nguyên nhân và mối quan hệ ảnh hưởng qua lại giữa các chỉ tiêu hóa học chất lượng nước, môi trường vật lý và đời sống thủy sinh Nó có thể biểu diễn

sự thay đổi của hệ sinh thái nước ở các hồ, khu dự trữ nước, sông và các cửa sông

Sử dụng mô hình thủy lực một chiều và chất lượng nước EPDRiv1 được xây dựng do sự hợp tác của Georgia Environmental Protection Division và Envionmental Protection Agency, USA Mô hình cho phép mô phỏng 16 thông số khác nhau bao gồm nhiệt độ, DO, COD, nitơ hữu cơ, Amoni (NH4+) và nitrat (NO3-), phốt pho hữu

cơ và, orthophosphate, tảo, sắt, Mangan, bacteria Mô hình mô phỏng thành công các vấn đề phức tạp của chất lượng nước cho sông Chattahoochee gần Atlanta và lưu vực sông Coosa thuộc bang Georgia, Hòa Kỳ (Hình 1.2)

Hình 1.2: Phân chia đoạn sông để xác định tải lượng ô nhiễm tối đa theo ngày

TMDLs trong lưu vực sông Coosa [65]

Luận án tiến sĩ Môi trường

24

Tại các nước Châu Âu, theo nghiên cứu của Jordan, 1900 [90], nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến quá trình TLS nước sông đã được tiến hành từ cuối thế kỷ XIX Đó là các công trình nghiên cứu TLS nguồn nước dựa vào quá trình đồng hóa chất thải hữu cơ nhờ hoạt động của vi khuẩn có trong nguồn nước Những công trình đầu tiên quan tâm đến quá trình ôxy hóa chất thải hữu cơ do vi khuẩn Chẳng hạn, G Frank khi nghiên cứu TLS nước sông Spree (Đức) đã quan tâm đến số lượng vi khuẩn trong 1 cm3 nước tham gia vào quá trình đồng hóa chất thải trong nước sông Ông đã thấy rằng, trong nước sông Spree trước khi chảy vào thành phố Berlin có khoảng 10.000 vi khuẩn/1cm3 nước sông, khi chảy qua Berlin nơi nước bị ô nhiễm con số này tăng lên đến hàng ngàn thậm chí hàng triệu nhưng khi quá trình TLS kết thúc thì lượng vi khuẩn giảm đi một cách đáng kể Các tác giả Girard và Bordas đã nghiên cứu TLS trên sông Seine Đặc biệt, Golschmidt và Pransmidt khi nghiên cứu quá trình TLS trên sông Isar ở Munich đã tính toán và đưa ra khoảng cách cần thiết cho quá trình TLS là khoảng 27 km và trong khoảng thời gian 8 giờ Kluse và Lossen khi nghiên cứu trên sông Rhine đã đưa ra khoảng cách là từ 25-26 km và thời gian là 5,5-6 giờ

Tại Mỹ nhiều công trình nghiên cứu cũng đã được tiến hành từ rất sớm và trên nhiều con sông tại các bang khác nhau Đáng chú ý là trong công trình của Jordan E.O [75] khi nghiên cứu quá trình TLS trên sông Illinois đã quan tâm đến quan hệ giữa tốc độ làm sạch và nhiệt độ môi trường nước Tác giả đã đi đến kết luận rằng nhiệt thấp thì quá trình TLS diễn ra chậm Khi nhiệt độ tăng lên tốc độ TLS sẽ tăng theo

Trong các công trình khác [89, 93] đã quan sát kết quả TLS đối với từng loại chất thải khác nhau khi thâm nhập vào nguồn nước sông Ifabiyi [89] đã nghiên cứu quá trình TLS trên kênh Ile-Ife (Nigeria) Tác giả đã thu mẫu nước tại 7 vị trí dọc theo kênh, phân tích sự thay đổi hàm lượng các chất thải qua các điểm Trong quá trình phân tích kết quả, tác giả đã rút ra khả năng TLS của dòng kênh cũng như nguyên nhân thay đổi của hàm lượng từng chất thải Seki và Ebara [93] đã nghiên cứu quá trình TLS trên sông Teshio, bang Hokkaido, Nhật bản Các tác giả đã phát hiện rằng các chất thải được làm sạch ở mức độ khác nhau trong các lớp nước khác nhau của dòng sông trước khi đổ ra biển Tại Nga, cũng có rất nhiều các công trình nghiên cứu về sự TLS nước do vi sinh vật Chẳng hạn, Makushkin E.O và Kosunov V.M [81] đã nghiên cứu quá trình TLS nước trong hệ thống sông Selenga và lưu vực

và vai trò chuyển hóa của vi sinh vật đối với chất thải hữu cơ trước khi dòng chảy của sông đổ vào hồ Bai Kan; Kryutchkova [91] nghiên cứu vai trò của thực vật trong Luận án tiến sĩ Môi trường

25

TLS nước; Degermendzhi N [80] nghiên cứu vai trò của cả vi sinh vật và cả động lực dòng sông trong TLS nước.v.v Đáng chú ý, trong công trình của Munoz R và nnk, 1969 [82] đã nêu ra bài toán từ phương diện lý thuyết để tính toán hệ số thay đổi

độ thiếu hụt ôxy trong nước do quá trình ôxy hóa chất thải hữu cơ tại một con sông của Nigeria Tác giả đã xác định được các giá trị của hệ số từ thực nghiệm và lý thuyết, sau đó đã tính được hệ số tương quan giữa hệ số tính toán theo lý thuyết và hệ

số theo thực nghiệm Kết quả cho thấy các giá trị của hệ số thu được là hợp lý và tương tự kết quả của các tác giả khác trong khu vực

1.4.2 Các nghiên cứu ứng dụng trong nước

Trong hơn một thập kỷ qua, các nghiên cứu về mô hình chất lượng nước tại Việt Nam chủ yếu phát triển theo các hướng sau:

- Sử dụng mô hình chất lượng nước nước ngoài chuyển giao hoặc từ các nguồn khác nhau;

- Xây dựng mô hình tính toán lan truyền và chuyển hoá chất ô nhiễm cho một đối tượng cụ thể trên cơ sở các dữ liệu đầu vào khảo sát và thu thập được

Trong cả hai trường hợp trên, mô hình chất lượng nước chủ yếu tập trung cho các con sông chính của Việt Nam như mô hình WQ97 mô phỏng sự thay đổi BOD và

DO trên hệ thống kênh Sài Gòn; sử dụng mô hình STREAM II xác định khả năng chịu tải ô nhiễm của dòng chảy sông Hồng; sử dụng mô hình Qual2E tính toán sự lan truyền và phân bố các chất ô nhiễm từ các hoạt động phát triển trên lưu vực sông Thị Vải; sử dụng mô hình một chiều để tính toán thay đổi BOD trong hệ thống kênh rạch của Thành phố Hồ Chí Minh; nghiên cứu mô phỏng sinh thái - chất lượng nước phục

vụ hợp lý nguồn nước sông, trên cơ sở mô hình Qual2E để mô phỏng chất lượng nước sông; ứng dụng mô hình chất lượng nước WASP5 để đánh giá các điều kiện thủy lực và tính toán khả năng lan truyền chất trên trục chính sông Nhuệ của Nguyễn Quang Trung (2000); nghiên cứu mô hình chất lượng nước sông Hương theo các chất

dễ phân hủy…Các mô hình chất lượng nước sông chủ yếu tập trung mô phỏng quá trình chủ đạo trong sông là lan truyền chất ô nhiễm thông qua quá trình pha loãng và xáo trộn Ảnh hưởng của quá trình sinh thái ít được đề cập hoặc chỉ đề cập dưới dạng

hệ số ảnh hưởng mà chưa mô phỏng bản chất của quá trình Để tính toán lan truyền ô nhiễm môi trường nước trên các sông, hồ, thường sử dụng một số mô hình như: Qual2, SWAT, CORMIX, Modflow… Hiện nay, một số mô hình như MIKE, SMS Luận án tiến sĩ Môi trường