Báo cáo khoa học: "đánh giá và dự báo chất l-ợng n-ớc hồ tây bằng mô hình toán học" pptx

Đặt vấn đề Hồ Tây là hệ sinh thái hồ nước ngọt điển hình của đồng bằng Bắc Bộ, có vị trí, vai trò, giá trị rất quan trọng với sự phát triển kinh tế - xã hội của thủ đô Hà Nội, là 1 tron

đánh giá và dự báo chất lượng nước hồ tây

bằng mô hình toán học

Ngô Quang Dự

Bộ môn Kỹ thuật môi trường Trường Đại Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bμi viết nμy trình bμy tóm tắt kết quả nghiên cứu đánh giá chất lượng nước Hồ

Tây bằng mô hình toán học Trên cơ sở đó đề xuất chiến lược quy hoạch, bảo vệ vμ sử dụng hợp lý nguồn tμi nguyên quý giá nμy đặc biệt lμ quản lý chất lượng nước

Summary: This paper briefs on the study results of an evaluation of the water quality of

the West Lake by mathematical modelling Based on the findings, a strategy on protection and sensible use of this valuable resource, especially water quality management, is put forward.

I Đặt vấn đề

Hồ Tây là hệ sinh thái hồ nước ngọt điển hình của đồng bằng Bắc Bộ, có vị trí, vai trò, giá trị rất quan trọng với sự phát triển kinh tế - xã hội của thủ đô Hà Nội, là 1 trong 4 hồ của Việt Nam được xếp vào danh sách những hồ nước ngọt cần được bảo vệ trên thế giới Hồ Tây được coi như nhà máy điều hoà khí hậu tiểu khu vực

CT 2

Tuy nhiên, cùng với tốc độ phát triển mạnh mẽ và sâu sắc của quá trình đô thị hoá, công nghiệp hoá, thì hệ thống sông, hồ của thủ đô Hà Nội đã và đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường và Hồ Tây cũng không tránh khỏi Hiện tại hồ đang bị ảnh hưởng nghiêm trọng do các quá trình đó, tại nhiều khu vực tình trạng nước thải, rác thải ô nhiễm đổ vào hồ ngày càng nhiều và chưa có sự kiểm soát chặt chẽ, dẫn tới vượt quá khả năng tự làm sạch của

hồ đã làm cho hồ Tây ngày càng bị suy thoái Do vậy cần phải có những nghiên cứu, biện pháp quản lý và công nghệ phù hợp nhằm giảm thiểu xu thế suy thoái môi trường đồng thời có chiến lược khai thác một cách hiệu quả và bền vững nguồn tài nguyên hồ phục vụ cho sự phát triển

bền vững

Để thực hiện nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng một số phương pháp sau đây: Phương pháp kế thừa, thống kê, phân tích, tổng hợp và đánh giá; phương pháp thực nghiệm; phương

pháp mô hình toán (phương pháp mô phỏng) và phương pháp xử lý số liệu

II Nội dung vμ kết quả nghiên cứu

1 Mô hình cân bằng nước

1.1 Khái quát về mô hình

Phương trình cân bằng nước được viết dưới dạng phương trình vi phân như sau:

= dt

dV dòng vào – dòng ra – tích luỹ

hay (QP Qi) (Qe Q0) Qr

dt

trong đó: V - thể tích của hồ (m3);

QP: lưu lượng nước mưa (m3/ngày);

Qe: lưu lượng nước bốc hơi (m3/ngày);

Qi: lưu lượng các nguồn thải cung cấp vào hồ (m3/ngày);

Qo: lưu lượng nước ra khỏi hồ (m3/ngày);

Qr: lưu lượng nước trầm tích trong hồ (m3/ngày)

Nếu ta xét trong khoảng thời gian (dt) nhỏ, khi đó thể tích hồ không thay đổi nhiều, do vậy

0

dt

dV = Từ phương trình tổng quát suy ra Qr = (QP + Qi) – (Qe + Qo)

1.2 Kết quả mô phỏng mô hình

Trên cơ sở những số liệu về điều kiện tự nhiên và đặc điểm của hồ Tây, ta dễ dàng tính

được:

Qp = 4,5 x 10-3 x 5260000 = 23267 m3/ngày

Qe = 4,35 x 10-3 x 5260000 = 22880 m3/ngày

CT 2

Qi = từ 3197 đến 6998 m3/ngày, trung bình là 5097 m3/ngày[5]

Và Qr = Qo + Qe - Qp - Qi = 24820 m3/ngày với t = 0,5 năm

Cân bằng nước Hồ Tây mô phỏng lưu lượng các dòng chảy vào, ra và tích luỹ trong hồ Nó

ảnh hưởng và tác động trực tiếp tới cân bằng của các chỉ tiêu chất lượng nước hồ, các yêu tố

dinh dưỡng trong hồ

2 Xác định tải lượng của Photpho hồ Tây theo mô hình Vollenweider

2.1 Phương trình xác định hμm lượng P tổng số

Theo Vollenweider nồng độ P tổng số trong hồ có thể tính bằng công thức sau:

) 1

( Q

L P

W

W s

Z q τ

= và

A

J

L =

trong đó: P: nồng độ Photpho tổng số (g/m3);

L: tải lượng đơn vị photphat bề mặt trong một năm (gP/năm);

Qs: tải lượng thuỷ lực bề mặt (m3/m2.năm);

τw: thời gian lưu thuỷ vực của nước trong hồ (năm);

J: tổng lượng Photpho vào hồ hàng năm (g/năm);

A: diện tích mặt hồ (m2);

Z: độ sâu trung bình (m)

2.2 Các phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ P tổng số vμ hμm lượng chlorophyll A, độ trong vμ nhu cầu tiêu thụ ôxy bề mặt đáy hồ

Nghiên cứu chất lượng nước hồ Tây giai đoạn gần đây áp dụng phương pháp thực nghiệm

và hồi quy toán học đã xác định được một số quan hệ sau:

Mối quan hệ giữa nồng độ P và hàm lượng Chlorophyll A (mg/m3) trong hồ:

ChlA = 295 x Cp0,66 (dạng tổng quát ChlA = a.Cp) Mối quan hệ giữa hàm lượng Chlorophyll A (mg/m3) với độ trong (S):

S = 6,5 x ChlA-0,474 (dạng tổng quát S = a.ChlAb) Mối quan hệ giữa tốc độ tiêu thụ oxy ở đáy hồ (D: gO2/m2.ngày) và nồng độ P tổng số (Chapa và Canale, 1991): D = 0,086 x Cp0,4789 (dạng tổng quát D = a.Cp)

2.3 Phương trình về sự thay đổi nồng độ P theo thời gian

Sử dụng phép phân tích tương quan và hồi quy chúng tôi đã xác định mối quan hệ giữa nồng độ Photpho tổng số biến thiên theo thời gian trong giai đoạn gần đây:

Y = a x t3 + b x t2+ c x t + d Y: hàm lượng P tổng số; t: thời gian (năm) và a, b, c, d là các hằng số

3 Mô hình trao đổi Photpho ở Hồ Tây theo Jorgensen

CT 2

Chúng tôi áp dụng mô hình trao đổi Photpho của Jorgensen để mô phỏng cho hệ sinh thái

hồ Tây bao gồm các biến trạng thái sau PS: Photpho hoμ tan trong nước; PC: Photpho trong

tảo; PD: Photpho trong các mảnh vụn; PiN: Photpho trong kẽ nước của trầm tích; PB: Photpho

có khả năng giải phóng từ nền đáy thông qua các quá trình sinh học vμ PE: Photpho có khả năng trao đổi ở nền đáy Các mối quan hệ giữa chúng được mô phỏng bằng sơ đồ dưới đây (hình 1), ở đó mỗi một mũi tên là một quá trình và mỗi một quá trình và được biểu diễn bằng những phương trình toán học Các quá trình chính trao đổi Photpho được mô phỏng gồm có:

Quá trình hấp thụ Photpho hoμ tan (PS) của thực vật nổi: (UP) Quá trình Tảo chết đi tạo thμnh mùn (INPUT 6)

Quá trình lắng đọng của xác Tảo tạo thμnh lớp cặn đáy (INPUT5) Quá trình lắng đọng của các mảnh vụn tạo thμnh lớp cặn đáy (INPUT 7) Quá trình phân giải Photpho trong các mảnh vụn thμnh Photpho hoμ tan (INPUT 2) Quá trình khoáng hoá vô cơ PE ở nền đáy (OUTPUT2)

Quá trình khuyếch tán Photpho hoμ tan trong kẽ nước vμo cột nước (OUTPUT5) Quá trình PE bị phân giải vμ giải phóng bởi các quá trình sinh học (OUTPUT4) Quá trình Photpho được phân giải qua quá trình sinh học (PB) được giải phóng vμo cột nước thông qua hoạt động của sinh vật (QBIO)

Quá trình PB được giải phóng vμo cột nước thông qua quá trình hoá học (QDSORP.AB)

PD

PE

PI

Pzoo

UP

) 1 F

1 ( CA

PC CF

μ

f PC SA

PE.KE

QDIFF

CA PC CF F μ

P fish

f PC SA

QDSORP

f DP SA QBIO

Nguồn thải F2.P2 F3.P3

Mưa

F4.P4

Lưu

Điều khiển sinh trưởng của Tảo

CA PC CZ Z μ

PB

Hình 1 Sơ đồ các quá trình

chu chuyển của Photpho trong các thμnh phần

Sử dụng phần mềm Stella II, chúng tôi đã mô phỏng và tính toán sự biến thiên của từng

thành phần Photpho theo thời gian (hình 2), kết quả được trình bày trong hình 3 và 4 với giá trị

thông số chưa hiệu chỉnh và sau khi hiệu chỉnh

Hình 2 Cấu trúc mô hình trao đổi Photpho ở Hồ Tây

theo Jorgensen (mô phỏng bằng chương trình Stella II)

CT 2

PS

PC

PiN

PE PD

UP

QDIFF INPUT2

INPUT7

OUTPUT2 PB

QSED

QDSORP

QBIO

INPUT1

OUTPUT1

Ipn

T

DB T

V

AE He1

PS

KE20 LUL

FP2

KE AI

D

PD

PC

SA

D D

Q

V

AB

He2 D

DMU FPAmin

FT2

SA

T SVS

MA

CT 2

ng số có sự biến thiên theo thời gian để kết quả mô phỏng được gần với thực tế hơn

Kết quả chạy mô hình với số liệu chưa hiệu chỉnh: Do một số giá trị thông số trong mô hình

được sử dụng là giá trị cố định nên có sự sai lệch giữa kết quả mô phỏng và giá trị thực tế (hình 3), do vậy cần có sự hiệu chỉnh những giá trị thô

Đồ thị so sỏnh kết quả mụ phỏng và thực tế của PO4

trong hồ

0 2 4 6 8 10 12 14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Thời gian (thỏng)

PO4, mụ phỏng PO4, thực tế

Hình 3 Đồ thị vμ biểu đồ biến thiên hμm lượng Photpho khi chưa hiệu chỉnh

Sau khi hiệu chỉnh số liệu kết quả chạy được thể hiện trong sơ đồ dưới đây, kết quả cho thấy giá trị mô phỏng và giá trị thực tế có sai số không lớn, do vậy có thể áp dụng phương pháp mô phỏng để đánh giá và dự báo sự biến thiên hàm lượng Photpho theo thời gian (hình 4)

15:13 25/04/2007 0.00 3.00 6.00 9.00 12.00

Months 5:

0.00 0.00 1:

1:

1:

2:

2:

2:

3:

3:

3:

4:

4:

4:

5:

5:

0.00 0.05 0.10

0.10 0.20

0.50 1.00

0.03 0.05

0.25

0.50

1: PB 2: PC 3: PS 4: PD 5: PiN

1

1

1

1

2

3

3

3

3

Đồ thị so sỏnh kết quả mụ phỏng PO4 và

thực tế ở Hồ Tõy

0.5

2 2.5 3

PO4, mụ phỏng

1.5

1

0

Thời gian (thỏng)

Hình 4 Đồ thị vμ biểu đồ biến thiên hμm lượng Photpho khi hiệu chỉnh số liệu

4 Thảo luận

Một trong những nhược điểm của mô hình hoá là lượng thông tin, số liệu cần cho mô hình

là tương đối nhiều Số liệu càng nhiều và càng chính xác thì độ tin cậy của mô hình càng cao,

do vậy vấn đề đảm bảo thông tin phải được coi trọng Do vậy phải xây dựng được hệ thống và chương trình quan trắc ở hồ Tây bao gồm (cần phải tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu mà có

những thay đổi): thông số quan trắc, tần suất quan trắc vμ địa điểm quan trắc Để áp ứng yêu cầu phân tích và dự báo thì quan trắc số liệu phải đảm bảo tính liên tục, thống nhất về địa điểm

vμ đảm bảo về phương pháp.

Cần có một chương trình nghiên cứu quy hoạch tổng thể và chi tiết về sử dụng, khai thác

và quản lý khu vực hệ sinh thái hồ Tây phục vụ cho phát triển bền vững

CT 2

biến

ả thu

được là đáng tin cậy

III Kết luận

Các thông số chất lượng nước của hồ trong những năm qua cho thấy hồ đang ở mức ô

nhiễm nhẹ, một vài chỉ tiêu đã vượt quá giới hạn cho phép như Nitơrat, Coliform, và có xu

hướng ngày càng tăng Ô nhiễm ở hồ Tây mang tính cục bộ rõ rệt, khu vực ven hồ và gần các

cống thải có mức độ ô nhiễm nặng hơn

Các nguồn thải chính của Photpho vào hồ Tây là từ các cống thải, lưu vực và từ khí quyển,

nhưng quan trọng nhất là khoảng 90% lượng Photpho là từ các cống thải xung quanh đổ trực

tiếp xuống hồ mà chưa qua xử lý Bằng m h của Vollenveider đã cho thấy lượng Photp o

(OECD) về mức độ dinh dưỡng của các hồ nước ngọt nhiệt đới thì hiện tại hồ Tây được xếp vào

dạng dưỡng, lượng Photpho có xu hướng tăng lên theo thời gian, do đó đã gây ra

hiện

[1] H

rần Đức Hạ Chất lượng nước sông hồ và bảo vệ môi trường nước NXB Khoa

học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004

oμn Thiết lập mô hình kiểm soát chất lượng nước hệ thống hồ đô thị thuộc đồng bằng

sông Hồng Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, 2005

n học mô phỏng hệ sinh thái hồ (lấy hồ Tây làm ví dụ)

Hội thả

có nhiều mô hình mô phỏng chất lượng nước của nhiều tác giả, mỗi m

trạng thái và có điều kiện biên khác nhau nên sẽ có hiệu quả khác nhau Đề tài đã kết hợp

mô hình tính tải lượng Photpho của Vollenweider và mô hình của Jorgensen đã mô phỏng được

hầu hết các biến trạng thái và các quá trình xảy ra trong hệ sinh thái hồ, do vậy kết qu

đã vượt quá tải lượng cho phép, theo tiêu chuẩn của tổ chức các nướ

hồ giàu dinh

tượng sự phát triển mạnh mẽ gây mất cân bằng của các loài thực vật nổi

Kết quả mô phỏng sự trao đổi Photpho theo mô hình Jorgensen ở hồ Tây cho thấy hồ đang

ở trong tình trạng giàu dinh dưỡng, do vậy hiện tượng phú dưỡng xảy ra là điều không thể tránh

khỏi, nếu không có biện pháp can thiệp kịp thời thì hậu quả của nó sẽ làm suy giảm vai trò,

chức năng của hồ, thậm chí có thể dẫn đến con đường suy vong, đó quả thật là một thảm kịch

mà chúng ta không hề mong muốn nhưng có thể sẽ xảy ra

Tài liệu tham khảo

ồ Thanh Hải, Nguyễn Khắc Đỗ Các nguồn dinh dưỡng ngoại lai từ vùng lưu vực đến hồ Tây Tuyển

tập các công trình nghiên cứu Sinh thái và Tài nguyên Sinh vật Nhà xuất bản Nông nghiệp Hà Nội, 2001

[2] Lưu Lan Hương, Ngô Quang Dự, Trương Tuấn Anh Đánh giá sự phú dưỡng hồ Tây, Hà Nội bằng mô

hình toán tính tải lượng và hàm lượng Phốt pho Tuyển tập công trình "Những vấn đề nghiên cứu cơ bản

trong khoa học sự sống 2005” NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2005

[3] Nguyễn Xuân Nguyên, T

[4] Nguyễn Đức T

[5] Hoμng Dương Tùng Sử dụng công cụ toán học đánh giá khả năng chịu tải ô nhiễm của Hồ Tây để xây

dựng kế hoạch bảo vệ và phát triển Hồ Tây trong tương lai Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, trường Đại học Bách

khoa Hà Nội, 2004

[6] Phạm Hùng Việt, Ngô Quang Dự Mô hình toá

o toàn quốc về Môi trường và Phát triển bền vững NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004

[7] Steven C Chapra Surface Water-Quality Modeling The McGraw-Hill Companies, Inc, 1997

[8] Jorgensen S.E Application of Ecological Modelling in Evironment Management, part A Elsevier

Scientific Publishing Company, Amsterdam, 1983 Ă