Nghiên cứu phân tích mô phỏng sinh thái chất lượng nước phục vụ việc sử dụng hợp lý nguồn nước sông

Mục đích nghiên cứu của luận án Các yếu tố sinh thái-chất lượng nước và tương tác giữa chúng trong sông là một quá trình phức tạp, có quan hệ chặt chẽ với các quá trình vật lý, hoá học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠT [HC XÂY DỰNG HÀ NỘI

DANG XUAN WIEN

NGHIEN CUU PHAN TICH, MG PHONG

SINH THÁI-CHẤT LƯỢNG NƯỚC PHỤC VỤ VIỆC

SỬ DỤNG HỢP LÝ NGUỒN NƯỚC SÔNG

CHUYỂN NGAÀNH: CẤP NƯỚC VÀ THOÁT NƯỚC

MÃ SỐ: 2.15.12

TOM TAT LUAN AN TIEN SI KY THUAT

HA NOL - 1999

Công trính được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng Hà nội

Người! nướng dẫn khoa học

GS, T§ Trần Hiếu Nhuệ

Phan biện l: PGS.TS Hoàng Văn Huệ

Đạt học Kiến trúc Hà nội

Phan biện 2: PGS.TS Định Văn Sám

Đại học Bách khoa Hà nội

Phản biện 3: PGS.TS Tran Đình Khai

Độ Xây dựng

luiận ấn sẽ được bảo vẻ tại Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại

Đại học Xây dưng Hà nọi vào hổi giờ ngày tháng nám 2000

an niều luận ấu pai:

* Thư xiên Quốc gia

* Thư viên Trường Đại học Xây dựae Hà nội

MO DAU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt nam có 2260 con sông với chiểu đài trên LÔ km Các nguồn nước sông là nguồn tài nguyên quý giá đem lại nhiều lợi ích to lớn cho con người như cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp, tưới tiêu cho nông nghiệp, giao thông thuỷ, phát

diện, Ở nhiều nước, các nguồn nước dang bị khai thác quá mức, trong khi đó việc quản lý và bảo vệ các nguồn tài nguyên quý giá này hiện nay đang có nhiều bất cập,

các con sông đang bị suy thoái do phải tiếp nhận các loại nước thải và chất thải sinh

hoạt, công nghiệp không qua xử lý đổ vào; sự mất rừng và thảm phủ thực vật ở đầu nguồn kéo theo sự xói mòn rửa trôi các chất trên bể mặt và trong đất, dua cde chat nay

vào nước Hệ thống tưới tiêu cũng đưa vào sông các loại phân hoá học, thuốc trừ sâu đùng trong nông nghiệp Hệ quả là chất lượng nước và các thành phần sinh học của

sông đang có xu thế bị giảm sút nghiêm trọng, gây khó khăn lớn cho việc sử dụng các

nguồn nước này, đặc biệt để cấp nước và nguy hại hơn nếu các nguồn nước này được

sử dụng trực tiếp cho ăn uống và sinh hoạt của nhân dân hai bên bờ sông

Theo quan điểm hiện đại, việc nghiên cứu chất lượng nước sông không chỉ dừng

lại ở đánh giá theo các chỉ tiêu hoá học, việc đánh giá các thành phần sinh học cũng như năng suất sơ cấp của sông là rất quan trọng, vì chúng ngoài ảnh hưởng tương hỗ tới các thành phần chất lượng nước khác của sông sẽ còn là cơ sở để đánh giá tài nguyên sinh học của sông

Vì vậy, việc nghiên cứu phân tích và mô phỏng sinh thái-chất lượng nước của sông

là công việc hết sức cấp thiết nhằm tìm ra công cụ để đánh giá và dự báo tình trạng

chất lượng nước và sinh thái của sông, trên cơ sở đó để xuất chiến lược quy hoạch,

bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên quan trọng này

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

Các yếu tố sinh thái-chất lượng nước và tương tác giữa chúng trong sông là một

quá trình phức tạp, có quan hệ chặt chẽ với các quá trình vật lý, hoá học và sinh học xảy ra trong nguồn nước sông cũng như các quá trình thuỷ động lực học trong dòng

chảy Nghiên cứu phân tích và mô phỏng chúng đồi hỏi phải tính các tham số thuỷ

lực, tính và định lượng các quá trình sinh thái và sinh học chủ yếu, tính toán sự phân

bố của các chất và sinh vật trong dòng chảy Đây là một vấn đề lớn cần đến các

thông tin về khí tượng thuỷ văn, địa hình hệ thống sông và các số liệu sinh thái, chất lượng nước của các sông nghiên cứu Nghiên cứu nhằm phát triển và thiết lập mô hình sinh thái-chất lượng nước sòng dựa trên cơ sở phương trình thuỷ động lực và phương trình cân bảng chất sinh học có xét đến tương tác của các chất và các thành phần sinh học trong dòng chảy sông, ảnh hưởng của động học các quá trình sinh thái, các quá

trình sinh học-chất lượng nước trong sông cũng như tương tác của các chất trong nước

và trong đáy trong quá trình chảy Trong khuôn khổ luận án, nghiên cứu chủ yếu để cập đến những vấn đề sau:

1 Trên cơ sở phân tích đặc điểm sinh thái-chất lượng nước sông, các ảnh hưởng tương hỗ giữa chúng và các tham số quá trình, xảy dựng sơ đổ cấu trúc tổng quát

của mô hình xinh thải-chất lượng nước sông,

Nghiên cứu phát triển mô hình động học một số quá trình sinh thái và sinh học

trong dòng chảy sòng trên cơ sở kế thừa các nghiên cứu đi trước, gồm: tốc độ sản

xuất bậc I, tấc độ ăn mỗi của động vậi nổi, tốc độ giải phông các chất từ bàn đáy vào nước, cũng như động học quá trình nirat hoá và sự phát triển của vì khuẩn nát; động học xự phát triển của tìo; động học sự phát triển của động vật nổi

1

z “ Pa ahs hep at _ 4,

Xúc định các hệ số của mô hình sinh thái-chất lượng nước song

fu Xây dựng mô hình sinh thái-chất lượng nước sông có kể tới các ảnh hưởng của

các hiện tượng vật lý, các chuyển hoá sinh hoá học, các quá trình sinh học-sinh thái đối với các thành phần sinh học và chất lượng nước sông, tương tác giữa các

chất trong nước và các chất trong bùn đáy trong quá trình chảy Ở đây còn xét tới

vùng mở rộng và vùng nước lặng trong sông

5 Ứng dụng kết quả nghiên cứu của mô hình vào một số đoạn sông thuộc hệ thông sông Hồng và sông Thái bùnh Trên cơ sở mô hình có thể xác định được phạm vi ảnh hưởng của nguồn thải, từ đó có thể xác định được vị trí dùng để khai thấc nước cho mục đích cấp nước và tưới tiêu

Trên cơ số mô hình, vác định khả năng chịu tải của sông hay tải lượng một số chất ô nhiễm được phép xả vào sông, từ đó kiến nghị công nghệ xử lý nước thải hợp lý cho

khu vực nghiên cứa nhằm duy trì chất lượng nước séng dap img các yêu cầu sử dụng hợp lý nguồn nước sông cho mục đích cấp nước cũng như các mục đích khác của nên

kinh tế quốc dân

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng ở dây là các tham số của mô hình số mô phỏng sinh thái-chất lượng nước của dòng chảy sông Mô hình này mô tả chuyển động của các chất và các sinh vật trong dòng chảy rnà tổng quát ta gọi chung là các chất Ở đó các chất chịu sự tương tác của các quá trình vật lý, hoá học, sinh học, sinh thái trong sông như: hấp thụ ánh sáng mặt trời, hấp phụ, đính kết, lắng cũng như chịu ảnh hưởng của phản ứng thuỷ phân, phản ứng ôxy hoá-khử, phân huỷ, nitrat hoá, quang hợp và sản xuất bậc Ï,

động học quá trình phát triển, hê hấp và chết của thực vật nổi, động vật nổi và động

vật đầy, sự an mồi, sản xuất bậc I, Các chết trong nước còn có tương tác với các

chất cũng như quá trình hình thành do các phản ứng sinh hoá xảy ra trong lớp bùn đáy Mô hình là hệ phương trình phi tuyến một chiều được viết đưới dạng trung bình

mặt cắt ngang, trong đó các chất trong nước được chia thành ø nhóm theo đặc tính của chúng và phương trình được viết riêng cho từng nhóm Hệ gồm phương trình liên

tục, phương trình động lượng, ø® phương trình cân bằng chất sinh học xác định biến thiên nồng độ ứng với các nhóm chất Trong hệ này, hai phương trình liên tục và động lượng là các phương trình Saint-Venant, còn ø¡ phương trình xác định nồng độ các

chất có đạng phương trình khuếch tấn rối nhưng có đưa vào các thành phần như: tốc

độ phát triển của tảo, tốc độ chết của tảo, tốc độ chết của động vật nổi, tốc độ ăn mồi của động vật nổi tốc độ amôn hoá, tốc độ nitrat hoá, tốc độ khử nitrat, và hệ số trao đổi với các chất trong bùn đáy của dòng chảy

Như vậy so với các mô hình mô tả dòng vận chuyển chất đã có thì đây là mô hình tổng quát hơn có chú ý đến sự bỏ sung hay suy giảm nồng độ vật chất trong dòng chảy do các quá tình sinh thái và sinh học-chất lượng nước, c phản ứng sinh hoá

học và các hoạt động sống của các sinh vật nước cũng như kể đến sự trao đổi giữa các chất trong nước và trong bùa đáy của dòng chảy

Phạm vi nghiên cứu của luận án:

- Trong luận án chỉ tập trung nghiên cứa đối với dòng chảy một chiều không ổn định, thay đổi chậm trong sông, dừng lại ở giả thiết rang dong chay trong sông là một

chiều, hơn nữa vận tốc dòng nước và vận tốc các chất trong sông là như nhau trong

quá trình chảy (lý thuyết khuếch tấn cổ điển)

2

-_ Khi phản tích đánh giá đặc điểm sinh thái chất lượng nước sông, chỉ giới hạn cho lưu vực sông Hồng và sông Thái bùnh (sông Thương), ở nơi mô hình sẽ áp dụng

- Việc nghiên cứu phân tích mô phng sinh thái chất lượng nước sông không chỉ giới hạn nhằm phục vụ cấp nước cho các đô thị và khu công nghiệp, mà sẽ nhằm phục

vụ đa mục đích hơn, đó là bảo vệ và sử dụng hợp lý các nguồn nước sông nói chung

- Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án chỉ kiến nghị sơ đồ công nghệ xứ lý

nước thải hợp lý cho khu vực nghiên cửu Bãi bằng-Lâm thao-Viét tri, mang tinh chat định tính mà sẽ không đi vào chỉ tiết kỹ thuật

4, Phương pháp nghiên cứu

- Để nghiên cứu các quá trình sinh học, mô hình hoá sinh thái-chất lượng nước và

tổng quát hơn là hệ sinh thái trong các sông tự nhiên phức tạp ở đây sử dụng

phương pháp nghiên cứu phân tích hệ thống với việc sử dụng công cụ mô hình hoá

toán học

- Mối quan hệ giữa các thành phần sinh thái-chất lượng nước sông và các quá trình vật lý, hoá học, sinh học, sinh thái trong dòng chảy sông được đánh giá bằng phương

pháp ma trận trên cơ sở xây dựng một ma trận các thông số ảnh hưởng tương hỗ nhau

- Các tham số quá trình được phân tích đánh giá trên cơ sở xây dựng sơ đồ cấu trúc

của mô hình cho các chất khác nhau và tổng hợp thành sơ đổ cấu trúc tổng quát

chung của mô hình sinh thái-chất lượng nước sông

- Các phương trình và bài toán thiết lập lên được giải bằng phương pháp số

- Phương pháp thống kê được sử dụng để xử lý số liệu khí tượng thuỷ văn và chất lượng nước

- Các hệ số của mô hình sinh thái-chất lượng nước được xác định trong Phòng thí nghiệm vi sinh vật và cân bằng chất sinh học, một số hệ số được tính bằng các công thức bán thực nghiệm hoặc lấy tham khảo từ kết quả nghiên cứu của các tác giả khác

đã công bố Các hệ số này sau đó được kiểm nghiệm lại bằng các thực nghiệm số

Nghiệm số của bài toán đã được so sánh với nghiệm giải tích và một số bài toán thực

tế Kết quả mỏ phỏng đã được kiểm nghiệm so sánh với các số liệu thực đo trong

nhiều sông

5, Những đóng góp mới của luận án

1 Trên cơ sở đặc điểm sinh thái-chất lượng nước của các sông, phân tích ma trận các thông số ảnh hưởng tương hỗ, đã đưa ra sơ đề cấu trúc tổng quát của mô hình và các tham số quá trình chủ yếu khi mô hình hoá sinh thái-chất lượng

rước sông

2 Trên cơ sở các kết quả thu được trong Phòng thí nghiệm vì sinh vật, cân bằng

chất sinh học và các kết quả thực nghiệm số, kiến nghị giá trị của 6 hệ số của

mô hình sinh thái-chất lượng nước một chiều cho các sông nghiên cứu của niên

,

sink thái với các yếu tố chất lượng nước và sùth học của sông, và có kế đến

'hất trong nước và trong lớp bùn đáy

tượng tác trao đổi giữa các

*® Mo hinh todn sinh thắi-chất lượng nước sông, gắn kết bài toán cân bằng chất sinh học đã thiết lập ở phần trên và bài toán thuỷ động lực với các diều kiện ban đầu và điểu kiện biên thích hợp cho mỗi bài toán Ở đây có xét đến các vị trí

đặc biệt trong sông như vùng mở rộng, vùng nước lặng

4 Ứng dụng mô hình đã tết lập để tính một số thành phần xinh học và chất lượng

nước cho một số đoạn sông thuộc thuộc hệ thống sông Hồng và sông Thái bình

Mô hình cho phép xác định được nhạm ví ảnh hưởng của nguồn thải và Vị trí có thể khai thác nước mặt để cấp nước; xác định được tải lượng chất bẩn được phép

xổ vào sông và từ đó kiến nghị công nghệ xứ lộ nước thai cho các nhà máy xí nghiệp trong khu vực Bãi bằng-Lâm thao-Việt trì nhằm bảo vệ và sử dụng hợp lý

nguồn nước sòng

6 Bố cục của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận

Chương 1 : Đặc điểm sinh thái-chất lượng nước sông Hồng-Thái bình và cơ sở khoa

học của việc nghiên cứu mô hình sinh thái-chất lượng nước

Chương 2 : Mô hình động học một số quá trình sinh thái và sinh học-chất lượng

nước trong dòng chảy sông

Chương 3: Mô hình sinh thái- chất lượng nước của đồng chảy sông

Chương 4 : Kết quả nghiên cứu ứng dụng mô hình sinh thái- chất lượng nước vào

hệ thống sông Hồng và sông Thái bình, kiến nghị các biện pháp công nghệ xử lý nước thải nhằm bảo vệ chất lượng nước sông

CHƯƠNG 1 ĐẶC ĐIỂM SINH THÁI-CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG VÀ

CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU

MÔ HÌNH SINH THÁI-CHẤT LƯỢNG NƯỚC

1.1 Đặc điểm sinh thái-chất lượng nước của dòng chảy sông Hồng-Thái bình

1.1.1 Đặc điểm thuỷ sinh của dòng chảy sông

Từ các kết quả nghiên cứu đặc điểm thuỷ sinh và sinh thái của đồng chảy sông ta

có nhận xét là các thành phần sinh học như: tảo, động vật nối, động vật đấy, các ví

sinh vật nitrat, vị khuẩn đị dưỡng, cá là các thành phần chủ yếu của cộng đồng thuỷ

sinh trong sông Các nhóm sinh vật này có quan hệ hữu cơ với các thành phần chất lượng nước sông Đặc tính thuỷ sinh biểu thị qua tảo, động vật nổi, động vật đáy

mang đặc trưng của sông tự nhiên với thành phần loài tập trung ở các nhóm tảo như: tảo silic, tảo lục; các nhóm động vật nổi như: giáp xác chân chèo, giáp xác râu chẻ;

c nhóm động vật đáy: loài ăn lọc Số lượng cá bị giảm sút do môi trường sống thay đổi và khai thác quá mức Không thấy xuất hiện các nhóm sinh vật chỉ thị cho các

vũng nước nhiễm bẩn hữu cơ, giầu đỉnh dưỡng

1.1.2 Đặc điểm chất lượng nước sông

BOD, dao động trong các sông nghiên cứu từ 0,21mg/1 dén 4.31 mg/l Giá trị COD đao động không lớn, từ 2,20 đến 21,14 mg/1 Nông độ DO khá cao, thường lớn hơn

4

, 4.0 mg/ Các chất dinh dưỡng ni tơ và phốt pho có hầm lượng thấp hơn tiêu chuẩn cho phép với nguồn nước mặt loại A Hầu hết các chỉ tiêu chất lượng nước đều thấp

hon gid trị cho phép, trừ hàm lượng cặn, độ mầu, độ đục khá cao về mùa lũ,

Các đặc tính vật lý, thuỷ hoá của sông Hồng đoạn từ Yên bái đến Sơn tây, sông Đà (từ Hoà bình), sông Lô (từ Vụ quang) xuống phía dưới hạ lưu, và sông Thái bình cho

thấy chất lượng nước các sông này chưa bị ảnh hưởng đáng kể của nước thải từ các

nhà máy, khu đân cư đổ vào

1.2 Tổng quan sơ lược một sở nghiên cứu về dòng chảy sóng và một số vấn đề trong nghiên cứu mỏ hình chất lượng nước

“Trong phần này đã trình bày tổng quan sơ lược các công tình nghiên cứu về dong chẩy sông của các tác giả trong nước và nước ngoài, tổng quan một số mô hình toán

được ứng dụng trong nghiên cứu chất lượng nước của các kênh sông, một số nhận xét

vẻ phương pháp số trong nghiên cứu mô hình thuỷ động lực số một chiểu, một số nhận xét về phương pháp số giải bài toán vận chuyển vật chất trong dòng chảy sông Các nghiên cứu về mô hình chất lượng nước đã có chưa đề cập đến một số quá

trình quan trọng trong sông như động học các quá trình sinh thái và sinh học-chất lượng nước, quả trình rao đổi giữa các chất trong nước và trong bàn đáy trong quá trình chảy

Nghiên cứu động học mội số quá trình sinh thái và sinh học-chất lượng nước trong

dòng chảy sông là rất cần thiết và quan trọng nhằm hoàn thiện cơ sở lý thuyết về vấn

dé nay, phục vụ việc thiết lập bài toán cân bằng chất sinh học trong dòng chảy sông

một cách chính xác hơn

Việc dánh giá mối quan hệ giữa các thành phần chất lượng nước, các thành phần thuỷ sinh và các tham số quá trình trong sông phải dựa trên các phân tích đặc điểm sinh thái sông vùng nghiên cứa, phân tích sơ đề mô hình cấu trúc của các thành phần sinh thái-chất lượng nước chủ yếu trong sông cũng như sơ đồ cấu trúc tổng quát của

mô hình, từ đó thiết lập mối quan hệ toán học giãa các thành phần và các quá trình

trong hệ sinh thái sông Trên cơ sở này, mô hình sinh thái-chất lượng nước thiết lập lên có khá năng mô tả sát thực hơn các tương tác và các quá trình diễn ra trong sông

Các phân tích cho thấy sơ đồ sai phân ấn 4 điểm của Preissmann là Sơ đổ khả đi

để giải hệ phương trình Saint-Venant Sơ đồ nay đã được chứng minh là ổn định, có

độ chính xác cao, dễ đàng hơn cho việc đo và thu thập các số liệu biên, số liệu ban đầu và số liệu kiểm tra, ảnh hưởng của điều kiện ban đầu rất nhỏ và gần như bị loại

trừ sau một sở bước thời gian tính toán Để khắc phục hiện tượng khuyếch tán số, luận

án đã tiệm cận phương pháp phân rã toán tử để giải phương trình cân bằng chất sinh học Voi phuong phap nay, bài toán vận chuyển tải-khuyếch tán chất phức tạp được đưa về các bài toán đơn giản là bài toán tai không thuần nhất và bài toán khuyếch tán

Từ những phân tích ở trên rút ra những vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu

1.3 Các quá trình chủ yếu khi mô hình hoá sinh thái-chất lượng nước sông

* Trong môi trường nước: các quá trình cần xét là cân bằng nhiệt, điểu kiện ánh

sáng trong cột nước, trao đổi ôxy giữa môi trường nước và không khí qua mật thoáng, sản xuất bậc [ của tảo, quá trình niưrat hoá và sự phát triển cua vi sinh vat nitrat, qua

tinh khitr nitrat hod, phan huy sinh hoá các chất hữu cơ, qua trình lắng, tốc độ an mdi, sản xuất bậc II, động học sinh trưởng, hô hấp và chết của tảo, động vật nội, động vật

đấy, vi khuẩn dị dưỡng, và cá

* Trong bần đáy: các quá trình cần xét là: phân huỷ sinh hoá, như cầu ôxy của bùn đầy, quá trình nitrat hoá

* Trong vàng nước-bùn: các quá trình trao đối giữa ắc chất trong khối nước và các

chất trong bùn đáy tại vùng nước-bùn của sông

Các tương tắc của các yếu tố sinh thái-chất lượng nước gồm các yếu tố vật lý, các

thông số dòng chảy sông, các thành phần hoá học, các sinh vật thuỷ sinh được xét trong quá trình mô hình hoá trên cơ sở xây dựng ma trdn cde thông số ảnh hưởng tương hỗ trong hệ sinh thái sông

Từ các đặc điểm sinh thái-chất lượng nước sông, trên cơ sở đánh giá ma trận các

thông số ảnh hưởng tương hỗ trong sông và phân tích các tham số quá trình chủ yếu đối với mỗi chất cần mô phỏng, ta xây dựng sơ đổ mô hình cấu trúc của các thành phần chủ yếu trong mô hình, niu BOD, DO, cae chất dinh dưỡng, ido, sinh vật tiêu

thụ Qua phân tích cấu trúc của các mô hình chủ yếu ở trên cũng như đặc điểm sinh

thái-chất lượng nước sông và các ảnh hưởng tương hỗ giữa chúng, các tham số quá trình khi mô hình hoá từng thành phần trong hệ sinh thái sông được tổng hợp lại, cuối cùng đi đến thiết lập một sơ đồ cẩu trúc tổng quát và các tham số quả trình của mô hình sinh thái-chất lượng nước sông

Kết luận chương 1

Chất lượng nước các sông còn khá sạch, tuy nhiên bước đầu đang bị ảnh hưởng

của nước thải không được xử lý từ các nhà máy xí nghiệp đổ vào Các thành phần sinh

học như: tảo (tảo silic và tảo lục), động vật nổi (giáp xác chân chèo và giáp xác râu ché), động vật đầy (loài ăn lọc), vi khuẩn niữat, vi khuẩn dị dưỡng, cá là các thành phần chủ yếu của cộng đồng thuỷ sinh trong sông Đặc điểm thuỷ sinh khu vực

nghiên cứu mang đặc tính của sông tự nhiên Không thấy xuất hiện các nhóm sinh vật

chi thị cho các vùng nước nhiễm bẩn hữu cơ, giầu dinh dưỡng

Sông là một hệ sinh thái mở có các quan hệ gắn kết với môi trường xung quanh nó Trong mở hình hoá sinh thái sông, các tham số quá trình cần thiết được đánh giá vì mối quan hệ giữa các thành phần chất lượng nước, các thành phần thuỷ sinh và các yếu tố sinh thái của sông có ảnh hưởng tương hỗ và phụ thuộc lẫn nhau, và đã được đánh giá trên cơ sở mư trộn các thông số ảnh hưởng tương hỗ gồm 33x33 phần tử Các thông số xét trong ma trận là các thành phần vật lý, thuỷ động lực, thuỷ hoá, sinh học và các quá trình sinh thái-sinh học chủ yếu trong đòng chảy sông Trên cơ sở

phân tích đánh giá ma trận này, sơ đồ mỏ hình cấu trúc cho các chất và sink vat chủ

yếu trong hệ vinh thái sông được thiết lập, từ đó tổng hợp lên sơ đồ cấu trúc tổng quát

của mô hình sinh thái-chất lượng nước sông

Trong sơ đồ cấu trúc tổng quát của mỏ hình có ba khối chính là: khối nước, khối

bùn dáy và vùng phân cách bùn- nước của sông Các nhóm vật chất chính trong sơ đồ

gồm: nhóm cde chdt (NHy, NO, NO, PO,, BOD, DO, ni to hitu co, phốt pho hữu cơ,

các bon, chất vấn), và nhóm sinh vật (tảo, động vật nổi, động vật đáy, vị khuẩn nitrat,

vi khuẩn dị dưỡng, cá) Sơ đồ cấu trúc cũng có thể được chia theo các khối như: z;hóm vát chất của quả trình nïrát (nì tơ hữu cơ, nì tơ vô cơ, vì khuẩn nitrat), nhém BOD-vi khuẩn dị dưỡng, nhóm phốt pho (phốt pho hữu cơ và PO,), nhóm chất vẩn-cacbon, nhóm sinh hoc (tao, động vật nổi, động vật đấy, cá), và nhóm trung tâm là ôxy hoà

tan Giữa các nhóm trên và các thành phần của chúng được gần kết chặt chẽ, có mối quan hệ tác động tương hỗ nhau do các quá trình vật lý, hoá học, sinh học xảy ra

trong sông Các :rao đổi và tương tác giữa chúng được số hoá bằng cúc tham số quả trình

Các tham số quá trình chủ yếu mà đóng vai trò quan trọng trong cân bảng chất

sinh học và có khả năng làm thay đổi chất lượng nước-sinh thái sông đã được xét ở

6

trên sẽ được nghiên cứu kỹ trong các chương tiếp theo khi nghiên cứu mỏ hình hoá một số quá trình sinh thái và sinh học-chất lượng nước sông Việc mô hình hoá và định lượng các quá trình này cũng sẽ được trình bày trong các chương này

Như trên đã chỉ ra, hiện tại có nhiều phương pháp số và nhiều sơ đồ sai phan dé

giải hệ phương trình Saint-Venant Tổng quan về các phương pháp số đã được mô tả

trong nhiều tài liệu và cho thấy hiện chưa có phương pháp nào là tốt nhất Mỗi sơ đổ

có độ chính xác khác nhau đối với số liệu ban đầu và số liệu biên Việc lựa chọn một

phương pháp số để giải bài toán cần phải thoả mãn các điểu kiện cơ bản sau: phương pháp phải là ổn định, bảo đảm độ chính xác cần thiết cho lời giải của bài toán, dễ chương trình hoá và ảnh hưởng của sự không chính xác của số liệu ban đầu đối với sơ

đổ sai phân là bé nhất Hiện tại có khá ít các kết quả nghiên phân tích về độ chính xác

của các sơ đồ tính và các ưu nhược điểm của các sơ đồ này So dé sai phân ẩn 4 điểm

của Preissmamn là sơ đồ được biết đến nhiều nhất Theo sơ đồ này các hàm ẩn Q và H

đều cùng được tính tại một điểm lưới Sơ đồ này đã được chứng minh là ổn định, có

độ chính xác cao, dễ dàng hơn cho việc đo và thu thập các số liệu biên, số liệu ban

đầu và số liệu kiểm tra, ảnh hưởng của điều kiện ban đầu rất nhỏ và gần như bị loại trừ sau một số bước thời gian tính toán Sơ đồ này được áp dụng cho mô hình thuỷ động lực trong chương 3 của luận án

Để khắc phục hiện tượng khuếch tấn số, luận án đã tiệm cận phương pháp phân rã toán tử để giải phương trình cân bằng chất sinh học hay (còn được gọi là phương trình vận chuyển tải-khuếch tán vật chất), tương tự như phương pháp đã sử

dụng cho bài toán nhiều chiểu trong không khí Với phương pháp này, bài toán vận chuyển tải-khuếch tán chất phức tạp được đưa vẻ các bài toán đơn giản là bài toán tải

không thuần nhất và bài toán khuếch tán

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC MỘT SỐ QUÁ TRÌNH SINH THÁI

VÀ SINH HỌC-CHẤT LƯỢNG NƯỚC TRONG DÒNG CHẢY SÔNG

2.1 Mô hình hoá một số quá trình sinh thái trong dòng chảy sông

2.1.1 Các thành phần chủ yếu trong hệ sinh thai song va mô hình sinh thái

Các thành phần chủ yếu của hệ sinh thái sông một cách tổng quát gồm: các thành phần hoá học như chất vô cơ hoà tan, chất hữu cơ hoà tan, chất hữu cơ ở dang hat, và

các thành phần hữu sinh như: thực vật nổi, động vật nổi, động vật đáy, sinh vật phân huỷ, và một số loài trong các chuỗi thức an bac cao

Tổng quát, các thành phần sinh thái trong sông được chia thành hai loại: các thành

phần vô sinh và các thành phần hữu sinh

* Các thành phần vô sữnh trong dòng chảy sông:

Các chất vô sinh được vận chuyển bởi các quá trình tải khuếch tán, vào, ra, lắng

và tái hoà tan Nồng độ của chúng được tăng lên hoặc giảm đi do các quá trình phân

huy và chuyển hoá Các quá mình bao gồm: quá trình nitrat hoá (NH, > NO, — NO,), phan huy BOD (BOD - CO,), phan huy chat van

(chất hữu com NH,,CO,,PO,) Ô xy bị tiêu thụ bởi BOD hoặc được sản xuất ra (do quang hợp) cùng với các chuyển hoá sinh học Các chất vô sinh khác như: các

bon, ni to, phốt pho bị tiêu thụ hoặc được giải phóng bảng con dường sinh học

* Các thành phần hữu sinh trong dong chảy xông: gỉ ảnh hưởng bởi quá trình tải, khuyếch tán, động hạc của sự phát triển, hô hấp, chết và dnkh hưởng ăn môi phụ thuộc vào các bậc dinh dưỡng

2.1.2 Mô hình hoá một số quá trình sinh thái trong sông

2.1.2.1 Sản xuäf bác một trong đòng chảy sông

Phương trình quang hợp của chất nguyên sinh của tảo được viết theo Qdum Tốc

độ sản xuất bậc một P, của tảo là một hàm của sinh khối, cường độ ánii sáng, nhiệt

độ, pH, sự cung cấp chất dinh dưỡng cho tế bao, và các quá trình bên trong tế bào Trên cơ sở phát triển công thức của Mauersberger dựa trên phương trình động học Monod, chting tôi đưa ra biểu thức toán học để xấp xỉ P, như sau:

f%,= PÈ./0/70)/(N)./()./(50 (2.1)

ở dây /(),/(ŒT), ƒ(N), ƒCP)., ƒGŠ7) tương ứng là các hàm biểu thị sự phụ

thuộc của quá trình quang hợp vào cường độ ánh sáng I, nhiệt độ T, nồng độ các chất

dinh dưỡng ni tơ, phốt pho va silic

« — Hàm quan hệ biểu thị sự phụ thuộc của quá trình quang hợp vào cường độ chiếu

sáng được biểu thị bằng công thức sau (Talling,1994):

WoIf (1993) Khi không có số liệu vẻ #”” nhưng có số liệu thực nghiệm về tốc độ

phát triển lớn nhất của tảo Uy, thì tốc độ sản xuất sơ cấp hay tốc độ sản xuất bậc Ï được tính theo công thức (2.1) bằng cách thay vào đó Lu" C,

O day: P.- Téc độ quang hợp của tảo (mg/l/ngày);, /4,- Hệ số tốc độ phát triển

max

của tảo (ngày ty Hà 7 Hệ số tốc độ phát triển lớn nhất của tảo (ngày' ), N- Néng

độ của ni tơ vô cơ hoà tan (mg/l; P- Nông độ cửa phốt pho vô cơ hoà tan (mg/);

C, - Néng độ của sinh khối tảo (mg/D; J - Bức xạ mật trời: Ấ, - Hệ số bão hoà ánh

sáng; Ky - Hang sé Michaelis của việc str dung ni to vo co hoa tan (mg/l); K, - Hang sé Michaelis của việc sử dụng phốt pho vỏ cơ hoà tan (mg/l)

8

,

2.1.2.2 Tốc độ ăn mỗi của động vat noi

Phương trình động học tốc độ ăn mỗi của động vật nổi được thiết lập như sau:

dC,

dt

ở đây: C„ - Nông độ của động vật nổi (cá thể/), C, - Nông độ của thực vật nổi (mg/), &„ -Hàng số tốc độ

2.1.2.3 Quá trình khử các chát trong nước ảo lẳng

Tốc độ khử bỏ các chất do lắng được tính theo công thức của Jorgensen và

Harleman, 1988

2.1.2.4 Tốc độ khoáng hod chat van

Tốc độ khoáng hoá chất vấn được xác định theo công thức sau:

ky = hog F(T) (2.7)

Trong đó: /, - Tốc độ khoáng hoá ctia chat van (mg//ngay), Ky, - Hệ số khoáng

hoá của chất van (ngay"), kg," - Hé sé khoáng hod lớn nhất của chất vấn (ngày ”)

2.1.2.5 Quá trình khit nitrat hod

Tốc độ khử nitrat được tính bằng biểu thức sau (Torgensen, ¡986):

4 = k„ụ,.MO, (238)

Ở đây: /8 - Tốc độ khử nitrat hoá (mg/l/ngày), &

(ngày), MÔ) - Nông độ của NO, (mg/l)

2.1.2.6 Các quá trình phán huỷ sinh hoá trong sông

Tốc độ phân huỷ sinh hoá của các chất trong dòng chảy sông phụ thuộc vào tốc độ phát triển của vị sinh vật, mà sự phát triển của vi sinh vật lại tỷ lệ với tốc độ phát triển

sa - Hệ số khử nitrat hoá

lớn nhất My và phụ thuộc vào nồng độ chất nền Quá trình này được biểu thị bằng phương trình động học Monod:

2.1.2.7 Quá trình hoà tan ôxy từ không khí

Quá trình hoà tan öxy từ khóng khí vào khối nước sông được biểu thị bằng hệ số

&; (1/ngày), xác định bằng công thức thực nghiệm của Owens, Edwards Hệ số này phụ thuộc vào mức độ chuyển động rối của dòng nước, nhiệt độ của không khí và nước và sự có mật của các chất hoạt tính bẻ mắt trong nguồn nước sông

3.1.2.8 Sự phân huỷ trong lớp bùn đáy

Sự phân huỷ các chất trong lớp bùn đáy của sông dược biểu thị bằng phương trình

Khi mò hình hoá, đã đặc biệt chú trọng vào sự trao đối giữa các chất trong nước và trong bùn đáy trong quá trình chảy, đặc biệt là các chất dinh dưỡng và các chất hữu

cơ Công thức tổng quát được đưa ra ở đây nhằm xác định tốc độ giải phóng các chất

dinh dưỡng từ bùn đáy vào nước, được tính như sau:

phong; £4 - Téc dé khir bé cdc chất do lắng đã định nghĩa ở phần trên

2.1.2.10 Anh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sinh học

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sinh học được xác định bằng công thức của Lassister va Kearns, 1988

2.1.2.11 Anh hướng gây chết của các chat déc dén thanh phần sinh học

Mối quan hệ giữa nồng độ của các chất độc và tốc độ chết của thành phần sinh học thường được biểu thị như sau (Jorgensen, 1991):

G day: m„- Hệ số tốc độ chết tự nhiên (ngày); Â- Hệ số độc (mẺ/mg.ngày); C„ -Nồng độ của chất doc (mg/l)

Kết quả xác định giá trị một số hệ số đặc trưng cho các quá trình sinh thái chủ

yếu của sông trong Phòng thí nghiệm vị sinh vật và cản bằng chất sinh học được cho

trong bảng TN.I của chương 3

2.2 Mô hình hoá một số quá trình sinh học-chất lượng nước trong dòng chảy

sông

2.2.1 Mô hình hoá quá trình nitrat hoá trong đồng chảy song

2.2.1.1 Quá trình nitraf trong dòng chay sông

Phản ứng tổng quất có thể được viết như sau:

Sự chuyển hoá của NH, thành NO; và NO; đi kèm với việc tiêu thụ một lượng lớn

ôxy hoà tan, và vì thế quá trình này tác động đến cân bằng ôxy của sông

Trong dòng chảy sông, một quá trình quan trọng còn chưa được các tác giả xét tới là quá trình tương tác trao đổi giữa ni tơ trong sông và ni tơ trong bùn đáy Quá trình này được biểu thị thông qua chu trình nỉ tơ trong vùng phân cách nước-bùn của song

2.2.1.2 Mô hình hoá toán học quá trình nitrat hoá trong dòng chảy song

Các yếu tổ ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình nitrat là nồng độ các chất nền NH,-

N, NO,-N, oxy hoa tan, ahiét d6 va pH cho su phat trién cla cde vi sinh vat nitrat

tham gia vào quá trình này Quá trình này được biểu thị bằng cỏng thức sau trên cơ sở

phát triển và cải tiến công thức của Michaelis-Menten:

= Ly > WT, O,, BOD, Y, ) (2.13)

Hy = Hy Ky, + NH, Ky, + NO, HT, O, ›

Trong đó: /¿¿ - Hệ số tốc độ phát triển của vị sinh vật nirat (ngày 9; /@y - Hệ số tốc dé phat triển lớn nhất của vi sinh vật nitrat (ngày); VH,, NÓ, - Nông do của

10

NH, va NO, trong nước (mg/)); ưu, ` Kyo, - Hang s6 Michaelis cla NH, va NO, (mg/l); @ la ham xét dén sự phụ thuộc của quá trình nitrat hoá vào nhiệt độ, ôxy hoà tan, BOD, và vận tốc dòng chảy

Các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu là pH, nhiệt độ, ôxy hoà tan, BOD;, các chất độc cũng như hình thái của sông, chuyển động rối và ánh sáng Sau đây sẽ xét các yếu tố

ảnh hưởng chủ yếu

2.2.1.3 Các ảnh hưởng đến quá trình nitrat hoá trong dòng chảy sông

a Ảnh hưởng của pH;Hiệu suất tối ưu của các vi sinh vật tham gia quá trình nitrat đạt

được khi giá trị pH nằm trong khoảng từ 7.5 đến 8.5

b Sự phụ thuộc nhiệt độ của quá trình nhraát hoá:Sự ảnh hưởng của nhiệt độ có thể được biểu thị bang quan hé ham Warwick

c O xy hoa tan:Sự phụ thuộc của tốc độ của quá trình nitrat hoá vào hàm lượng

Oxy bra được biểu thị bằng phương trình phản ứng động hoc enzym của Michaelis- Menten Trường hợp ôxy hoà tan quá nhỏ, ta có thể lấy Poo =0

đ Sự phụ thuộc của quá trình nhat hoá vào BQD,:Sự phụ thuộc của quá trình nitrat hoá vào BOD; được biểu thị bằng công thức của Curtis (1994)

Ngoài ra còn phải kể đến ảnh hưởng của các chất độc kìm hãm, các chất hữu cơ

có khả năng phân huỷ và ánh sáng

Công thức tính /¿„ được viết tổng hợp lại như sau:

Kyy, + NHy Kye, + NO,

Biéu thitc déng hec cho qud trink nitrat hod trong dong chay séng dugc dua ra đưới dang sau:

& day: NV - Néng do NH, va NO,trong nudéc (mg/l); By - Néng 46 sinh khéi cia vi

sinh vat nitrat hod (mg/l); Y,- Sản lượng vi sinh vật déi véi qué winh nitrat hoá,

Kv, , Ky, - Hang sé Michaelis đối với NH, và NÓ; (mg/1);

Giá trị F¿„ tìm dược 18 0,06 (Muller, 1995); Với hệ số tốc độ phát triển /„ được

tính từ phương trình trên, tốc độ phát triển của vi sinh vật nirat hoá trong thời gian t

được biểu thị dưới dạng hàm mũ như sau:

B,, (0) - Nông độ của vị sinh vật nitrat hoá ở thời điểm t =0 (mg/1)

Vì các vi sinh vật này rất nhạy cảm với nhiệt độ và ta có phương, trình thực nghiệm sau đây (Mũller et ai, L995):

1